DE1951026C1 - Verfahren zur Entfernungsmessung auf optischem Wege - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung auf optischem Wege, bei der ein von einem optischen Sender erzeugter kohärenter Lichtstrahl auf ein Objekt gerichtet wird, dessen Entfernung von einem einen Teil der vom Objekt reflektierten Strahlung aufnehmenden optischen Empfänger bestimmt werden soll.

Unter dem optischen Bereich der Strahlung soll in diesem Zusammenhang auch der Bereich der infraroten und ultravioletten Strahlung verstanden werden.

Mit Laserstrahlen arbeitende Entfernungsmesser beruhen gewöhnlich auf dem Prinzip der Laufzeitmessung eines die betreffende Entfernungsstrecke durchlaufenden Strahlungsimpulses. Derartige Laufzeitmessungen sind zwar mit großer Genauigkeit durchzuführen, bedürfen aber eines großen meßtechnischen Aufwandes an Elektronik und sehr intensiver Strahlungsquellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein von dem Prinzip der Laufzeitmessung abweichendes, technisch leicht realisierbares Verfahren zur Messung von Entfernungen mittels eines optischen Senders anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Objekt den ankommenden, nahezu beugungsbegrenzten kohärenten Lichtstrahl in seinem gesamten Querschnitt reflektiert und der optische Empfänger das von der Objektoberfläche diffus

reflektierte Licht unter einem vorgegebenen Aperturwinkel seiner Empfangsoptik erfaßt, daß ferner die Anzahl bzw. die auf die Flächeneinheit bezogene Anzahl der in der Bildebene der Empfangsoptik erscheinenden Granulationspunkte in Form einer geeigneten Meßgröße bestimmt und hieraus die Entfernung zwischen Objekt und Empfänger ermittelt wird, und zwar über den Zusammenhang zwischen der genannten Entfernung, dem Aperturwinkel der Empfangsoptik, der Größe der durch den Sender auf dem Objekt bestrahlten Fläche und der Wellenlänge λ des kohärenten Lichtstrahls.

Die Erfindung macht von der unter dem Namen »Granulation« bekannten Erscheinung Gebrauch. Sie wurde erstmals in der Literatursteile »Proceedings of the IRE«, 50, November 1962, S. 2367 und 2368, von R i d g e η und G ο r d ο η beschrieben. Im Streulicht eines mit einem Laserstrahl beleuchteten Körpers sind stets viele auffällig funkelnde Körner zu betrachten, die als Granulationspunkte bezeichnet werden. Derartige Granulationspunkte sind auch bei der Abbildung des Streulichts mit Hilfe einer Optik auf einem in deren Bildebene angeordneten Bildschirm zu beobachten. Die Granulation ist auf ein den ganzen Raum vor dem bestrahlten Objekt erfüllendes statistisches Interferenzbild der von verschiedenen Streupartikeln seiner Oberfläche reflektierten kohärenten Kugelwellen zurückzuführen. Die Anzahl der Granulationspunkte ist, wie die Dissertationsschrift der Technischen Hochschule Wien »Die Granulation im diffus gestreuten Laserlicht« von G. S c h i f f η e r, Oktober 1966, angibt, von der ausgeleuchteten Fläche des Objekts, dem Aperturwinkel der Aufnahmeoptik, der Wellenlänge der verwendeten kohärenten Strahlung und vom Abstand der Aufnahmeoptik abhängig.

Dieser Sachverhalt läßt sich gemäß der Erfindung in außerordentlich einfacher Weise zur Messung von Entfernungen ausnutzen. Der praktischen Durchführung eines solchen Meßverfahrens steht keine Schwierigkeit entgegen, weil durch die aus der Konstruktion sowohl des Lasersenders als auch des zugehörigen Empfängers alle, die Anzahl der Granulationspunkte bestimmenden Größen bis auf die Entfernung des Objekts vom Empfänger bekannt bzw. einstellbar sind.

Zur Bestimmung der Anzahl der Granulationspunkte bzw. eines entsprechenden Vergleichsmaßes ist es günstig, daß das vom optischen Empfänger aufgenommene Muster der Granulationspunkte als Beugungsgitter wirksam gemacht und mit dem Parallelstrahl einer Lichtquelle bestrahlt Wird, daß ferner mittels des gebeugten Lichtstrahls über eine Fourier-Transformation ein Beugungsbild des Granulationsmusters gewonnen wird und daß die zu messende Entfernung durch Auswerten dieses Beugungsbildes ermittelt wird.

Das hier gewonnene Beugungsbild weist punktsymmetrischen Charakter auf. Eine Auswertung dieses Beugungsbildes zur Ermittelung der zu messenden Entfernung geschieht vorteilhafterweise dadurch, daß der radiale Abstand des Beugungsmaximums vom Symmetriepunkt des Beugungsbildes, beispielsweise mittels eines radial beweglichen Photodetektors und einer nachgeschalteten Differenzierstufe, gemessen wird, und anschließend aus dem Wert dieses radialen Abstandes, gegebenenfalls über eine empirisch ermittelte, die zu messende Entfernung in Abhängigkeit vom Wert dieses radialen Abstandes beschreibende Funktion, die Entfernung ermittelt wird.

Eine weitere Möglichkeit der Auswertung des punktsymmetrischen Charakter aufweisenden, über die Fourier-Transformation gewonnenen Beugungsbildes des Granulationsmusters besteht darin, daß der Aperturwinkel der Empfangsoptik über einen vorgegebenen Bereich gewobbelt und der Wert des Aperturwinkels, bei dem der Durchgang des Beugungsmaximums durch einen festgelegten radialen Abstand vom Symmetriepunkt des Beugungsbildes erfolgt, festgestellt wird, und daß anschließend, gegebenenfalls über eine empirisch ermittelte, die zu messende Entfernung in Abhängigkeit vom Wert dieses Aperturwinkels beschreibende Funktion, die Entfernung ermittelt wird.

Eine einfache Möglichkeit, die zu messende Entfernung unmittelbar aus dem Granulationsbild abzuleiten, besteht darin, daß zur Bestimmung der auf die Flächeneinheit bezogenen Anzahl von Granulationspunkten in der Bildebene der Empfangsoptik der nahezu punktförmige optische Eingang eines Photodetektors mit vorgegebener Geschwindigkeit über das Muster von Granulationspunkten bewegt wird und so ein durch die Geschwindigkeit der Bewegung und der auf die Flächeneinheit bezogenen Anzahl der Granulationspunkte bestimmtes amplitudenmoduliertes elektrisches Signal gewonnen wird, dessen mittlere Modulationsfrequenz die die Anzahl der Granulationspunkte pro Flächeneinheit bestimmende Meßgröße ist.

Eine für diese zuletzt genannte Möglichkeit der Entfernungsmessung vorteilhafte Anwendung besteht in der Überwachung eines Gegenstandes in einem vorgegebenen Raumwinkelbereich in der Weise, daß die Bewegungen innerhalb des Granulationsmusterbildes im optischen Empfänger zur Anzeige gebracht und gegebenenfalls einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden.

Eine vorteilhafte Anordnung, mittels der die zu messende Entfernung über das Beugungsbild des Granulationsmusters erhalten wird, besteht darin, daß eine in ihrer Transparenz örtlich steuerbare Platte, beispielsweise eine Platte aus Photochromglas, in der Bildebene der Empfangsoptik angeordnet ist, daß das parallele Licht der Lichtquelle unter einem geeigneten Winkel zur Platte ausgerichtet ist, und daß sich im Bereich des an der Platte gebeugten parallelen Lichtstrahls eine Optik, vorzugsweise eine Sammellinse, befindet, in deren Bildebene ein Photodetektor, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Mattscheibe, angeordnet ist.

Zur Rauschunterdrückung sind dabei im optischen und/oder elektrischen Bereich des Empfängers ein oder mehrere Filter angeordnet.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die Darstellung einer Meßanordnung im Prinzip nach der Erfindung,

F i g. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des Empfängers im Prinzip nach der Erfindung,

F i g. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Empfängers im Prinzip nach der Erfindung.

Die Anordnung des in Fig. 1 dargestellten Entfernungsmessers besteht aus dem optischen Sender 1 und dem optischen Empfänger 2. Der durch den optischen Sender 1 erzeugte kohärente, nahezu beugungsbegrenzte Sendestrahl 3 ist auf das Objekt 4 gerichtet, dessen Entfernung zum optischen Empfänger 2 gemessen werden soll. Auf der Oberfläche des Objekts 4 wird durch den Sendestrahl 3 die Fläche 5 ausgeleuchtet. Die vom Objekt diffus reflektierte Strahlung 6 bildet im

Raum vor dem Objekt ein Interferenzfeld aus, von dem der durch den Aperturwinkel «des optischen Empfängers 2 festgelegte Raumwinkelbereich erfaßt wird.

Der Empfänger nach Fig,2 besteht aus der Empfangsoptik 7, der den Aperturwinkel α des Empfängers festlegenden Blende 8, der Platte 9 aus; Photochromglas, der die Platte 9 mit parallelem Licht bestrahlenden Lichtquelle 10, der Optik 11 mit einer im bildseitigen Brennpunkt der Optik angeordneten Mattscheibe 12 und dem auf: die Mattscheibe 12 gerichteten Photodetektor 13. :

Der Aperturwinkel α der Empfangsoptik 7 wird durch die in der Brennebene der Empfangsoptik befindliche Blende 8 begrenzt. Die vom Objekt 4 nach F ig. 1 diffus reflektierte Strahlung 6 wird durch die Empfangsoptik 7 auf die Platte 9 aus Photochrömglas abgebildet. In dieser Platte 9 entsteht das Muster von Granulationspunkten 14. Die Platte aus Photochromglas hat die Eigenschaft, daß ihre Transparenz an den belichteten Stellen verändert wird, so daß sie als Beugungsgitter benutzt werden kann. Durch die im Brennpunkt einer Linse 10' angeordnete Lichtquelle 10 wird diese Platte 9 mit parallelem Licht bestrahlt. Das hinter der Platte 9 entstehende gebeugte Licht wird über die Optik 11 auf die Mattscheibe 12 abgebildet. Diese Art der Abbildung, bei der ein als Beugungsgitter benutztes flächenhaftes Muster über eine Optik abgebildet wird, ist unter dem Namen »optische Fourier-Transformation« bekannt. Das auf der Mattscheibe 12 erscheinende Beugungsbild 15 weist hier punktsymmetrischen Charakter auf. Die Lage des Maximums der Leuchtdichte im Beugungsbild steht in einem festen Zusammenhang zu der auf die Flächeneinheit bezogenen Anzahl von Granulationspunkten 14. Der hinter der Mattscheibe 12 angeordnete Photodetektor 13 ist auf die Mattscheibe 12 gerichtet und in radialer Richtung des Beugungsbildes 15 beweglich ausgeführt. Dieser radialen Bewegung ist vorteiihafterweise zur Erhöhung der Meßempfindliehkeit eine Drehbewegung des Photodetektors um die optische Achse der Optik 11 überlagert. Die Winkelgeschwindigkeit der Drehbewegung ist" dabei gegenüber ; der radialen Bewegung so hoch gewählt, daß der Photodetektor wenigstens annähernd Kreisbahnen um die Achse der Optik 11 beschreibt. Dadurch wird eine Mittelwertbildung aller auf einem Kreis um den Mittelpunkt liegenden Meßwerte vorgenommen^ Durch diese Maßnahmen werden auch Rauhigkeiten in der Mattscheibe 12 unwirksam gemacht. Das gleiche Ergebnis wird auch durch eine Anordnung erzielt, bei der die Mattscheibe 12 fluoreszierend ausgeführt ist und diese statt des Photodetektors 13 um die optische Achse gedreht wird. Der elektrische Ausgang des Photodetekr tors 13 steht mit einer hier nicht dargestellten Auswerteelektronik in Verbindung, mit deren Hilfe aus dem radialen Abstand des Photodetektors bei Auftreten des maximalen Stromes an seinem Ausgang die zu messende Entfernung ermittelt wird.

Das in Fig.3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel eines optischen Empfängers enthält wie das bereits beschriebene Ausführungsbeispiel nach Fig.2 die Empfangsoptik 7 und die den Aperturwinkel « der Empfangsoptik begrenzende Blende 8. Anstelle der Platte aus Photochrömglas ist hier die Mattscheibe 17 im Bildraum der Empfangsoptik 7 angeordnet. Der auch hier beweglich ausgeführte Photpdetektor 13 ist auf die der Empfangsoptik abgewandten Seite der Mattscheibe lT^gerjchtet. '

Im Gegensatz zu dem ersten Aüsführungsbeispiel wird das Vergleichsmaß zur Bestimmung der Entfernung, des Objekts 4 vom optischen Empfänger 2 nicht über eine optische Fourier-Txansformätion, sondern unmittelbar aus dem Muster der Granulationspünkte 14 auf der Mattscheibe 17 gewonnen. Dies geschieht in diesem Fall dadurch, daß der. punktförmig auf die Mattscheibe 17 ausgerichtete Photodetektor 13 mit konstanter Geschwindigkeit, in diesem Fall auf einer Kreisbahn um die optische Achse/ an der Mattscheibe entlanggeführt wird. Am elektrischen Ausgang des Photodetektors 13 entsteht dadurch ein amplitudenmoduliertes Signal, dessen mittlere Modulationsfrequenz von der auf die Flächeneinheit bezogenen Anzahl der Granulationspünkte 14 abhängig ist. Diese mittlere Modulationsfrequsnz stellt ein Vergleichssigrial für die zu messende Entfernung dar. Mit Hilfe dieser mittleren Modulationsfrequenz kann also unmittelbar die zu messende Entfernung bestimmt werden. Eine technisch leicht zu realisierende Anordnung kamrdadureh erzielt werden, daß dem elektrischen Ausgang des Photodetektors 13 ein Bandfilter mit vorgegebener Mittenfrequenz nachgeschaltet wird, welches dann ein Signal an seinen Ausgang liefert, wenn die mittlere Modulationsfrequenz im Ausgangssignal des Photodetektors mit der Mittenfrequenz übereinstimmt. Um die beiden eben genannten Frequenzen zur Übereinstimmung zu bringen; kann entweder die Winkelgeschwindigkeit des Photodetektors bei gleichem radialem Abstand oder der radiale Abstand bei gleicher Winkelgeschwindigkeit variiert werden. Die jeweilige Winkelgeschwindigkeit bzw, der jeweils radiale Abstand des Photodetektors bei Übereinstimmung dieser beiden Frequenzen wird an eine hier nicht näher dargestellte Auswerteelektronik, mit Hilfe derer die zu messende Entfernung bestimmt wird, weitergeleitet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Photodetektor mit konstanter Winkelgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn rotieren zu lassen und die Übereinstimmung der Frequenzen durch Variation des Aperturwinkels α der Empfangsoptik herzustellen. Ia diesem Fall bildet der jeweilige Wert des Aperturwinkels bzw. die Blendenstellung die für die Messung bestimmende Größe.

Diese letztgenannte Möglichkeit, das Muster der Granulationspunkteriiit Hilfe der Blendeneinstellung zu variieren, ist auch auf das erste Ausführungsbeispiel nach Fig.2 anwendbar. Der Photodetektor 13 wird dabei auf einen festen Radiuswert eingestellt. Auf der Platte 9 aus Photochrömglas wird durch Verändern der Blendenöffnung und damit des Aperturwinkels « eine bestimmte Anzahl der Granulationspünkte pro Flächeneinheit hergestellt Das Vergleichssignal für die zu messende Entfernung bildet sodann bei der gewünsch- ; ten Beugungsfigur, bei der der Ausgangsstrom des Photodetektors maximal ist, die jeweilige Stellung bzw. der Öffnungsdurchmesser der Blende 8.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Entfernungsmessung auf optischem Wege, bei der ein von einem optischen Sender erzeugter kohärenter Lichtstrahl auf ein Objekt gerichtet wird, dessen Entfernung von einem einen Teil der vom Objekt reflektierten Strahlung aufnehmenden optischen Empfänger bestimmt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (4) den ankommenden, nahezu beugungsbegrenzten kohärenten Lichtstrahl (3) in seinem ganzen Querschnitt reflektiert und der optische Empfänger (2) das von der Objektoberfläche diffus reflektierte Licht unter einem vorgegebenen Aperturwinkel (α) seiner Empfangsoptik (7) erfaßt, daß ferner die Anzahl bzw. die auf die Flächeneinheit bezogene Anzahl der in der Bildebene der Empfangsoptik (7) erscheinenden Granulationspunkte (14) in Form einer geeigneten Meßgröße bestimmt und hieraus die Entfernung zwischen Objekt (4) und Empfänger (2) ermittelt wird, und zwar über den Zusammenhang zwischen der genannten Entfernung, dem Aperturwinkel (α) der Empfangsoptik (7), der Größe der durch den Sender auf dem Objekt (4) bestrahlten Fläche und der Wellenlänge (A) des kohärenten Lichtstrahls.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom optischen Empfänger (2) aufgenommene Muster der Granulationspunkte (14) als Beugungsgitter wirksam gemacht und mit dem Parallelstrahl einer Lichtquelle (10) bestrahlt wird, daß ferner mittels des gebeugten Lichtstrahls über eine Fourier-Transformation ein Beugungsbild (15) des Granulationsmusters gewonnen wird und daß die zu messende Entfernung durch Auswerten dieses Beugungsbildes ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei punktsymmetrischem Charakter des über die Fourier-Transformation gewonnenen Beugungsbildes (15) des Granulationsmusters der radiale Abstand des Beugungsmaximums vom Symmetriepunkt des Beugungsbildes, beispielsweise mittels eines radial beweglichen Photodetektors (13) und einer nachgeschalteten Differenzierstufe gemessen wird, und anschließend aus dem Wert dieses radialen Abstandes, gegebenenfalls über eine empirisch ermittelte, die zu messende Entfernung in Abhängigkeit vom Wert dieses radialen Abstandes beschreibende Funktion, die Entfernung ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei punktsymmetrischem Charakter des über die Fourier-Transformation gewonnenen Beugungsbildes des Granulationsmusters der Aperturwinkel (x) der Empfangsoptik (7) über einen vorgegebenen Bereich gewobbelt und der Wert des Aperturwinkels, bei dem der Durchgang des Beugungsmaximums durch einen festgelegten radialen Abstand vom Symmetriepunkt des Beugungsbildes (15) erfolgt, festgestellt wird, und daß anschließend, gegebenenfalls über eine empirisch ermittelte, die zu messende Entfernung in Abhängigkeit vom Wert dieses Aperturwinkels beschreibende Funktion, die Entfernung ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der auf die Flächeneinheit bezogenen Anzahl von Granulationspunkten

(14) in der Bildebene der Empfangsoptik (7) der nahezu punktförmige optische Eingang eines Photodetektors (13) mit vorgegebener Geschwindigkeit über das Muster von Granulationspunkten (14) bewegt wird und so ein, durch die Geschwindigkeit der Bewegung und der auf die Flächeneinheit bezogenen Anzahl der Granulationspunkte bestimmtes amplitudenmoduliertes elektrisches Signal gewonnen wird, dessen mittlere Modulationsfrequenz die die Anzahl der Granulationspunkte pro Flächeneinheit bestimmende Meßgröße ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch seine Anwendung für die Überwachung eines Objektes (4) in einem vorgegebenen Raumwinkelbereich, in der Weise, daß die Bewegungen innerhalb des Granulationsmusterbildes im optischen Empfänger (2) zur Anzeige gebracht und gegebenenfalls einer Auswerteeinrichtung zugeführt werden.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine in ihrer Transparenz örtlich steuerbare Platte, beispielsweise eine Platte (9) aus Photochromglas, in der Bildebene der Empfangsoptik (7) angeordnet ist, daß das parallele Licht der Lichtquelle (10) unter einem geeigneten Winkel zur Platte (9) ausgerichtet ist und daß sich im Bereich des an der Platte gebeugten parallelen Lichtstrahls eine Optik (11), vorzugsweise eine Sammellinse befindet, in deren Bildebene ein Photodetektor (13), gegebenenfalls in Verbindung mit einer Mattscheibe (12), angeordnet ist.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen und/oder elektrischen Bereich des optischen Empfängers (2) ein oder mehrere Filter angeordnet sind.