DE3743194C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Ent­ fernungsmessung zwischen einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßge­ rät auf das Objekt geworfen, das vom Objekt reflektierte Lichtbündel in einem optischen System des Meßgerätes fo­ kussiert und vor der Fokalebene durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strahlungsin­ tensitäten mittels zweier optoelektronischer Detektoren in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unterschied­ lichen Abständen vom Strahlteiler gemessen werden und der Quotient der Detektorströme als Funktion der zu messenden Entfernung ausgewertet wird.

Aus der US-PS 37 19 421 ist ein derartiges Verfahren be­ kannt, bei dem jedem Teilstrahl eine Blende zugeordnet und als Ergebnis die Differenz der Strahlungsflüsse der beiden Detektoren gemessen wird. Sind beide Blenden gleich groß, so liegt bei gleichem Strahlungsfluß das virtuelle Bild der Lichtquelle genau zwischen beiden Blenden. Diese Situation tritt jedoch nur für einen ganz bestimmten Abstand der Lichtquelle vom Objekt auf. Mit diesem Verfahren ist es nur möglich, zu überprüfen, ob die Lichtquelle in einem vorgegebenen richtigen Abstand vom Objekt angeordnet ist und wenn nicht, in welcher Richtung die tatsächliche Lage sich von der gewünschten Lage unterscheidet. Die effektive Größe der Abweichung von der gewünschten Lage läßt sich nicht ermitteln, da die absolute Leuchtkraft der Licht­ quelle unbekannt ist. Verdoppelt sich diese z. B., so verdoppelt sich auch die Differenz der Strahlungsflüsse der Teilstrahlen, obwohl die Entfernung des Gerätes vom Objekt unverändert bleibt. Mit der bekannten Anordnung ist es also nicht möglich, ein Meßgerät herzustellen, das ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt, aus dem sich die tatsächliche Entfernung zum Objekt ermitteln läßt.

Die DD-PS 65 320 zeigt vom Aufbau her ein ähnliches op­ tisches System, dessen Signalauswertung dadurch verbes­ sert ist, daß nicht die Differenz der Strahlungsflüsse sondern der Quotient aus der Differenz und der Summe der Strahlungsflüsse ausgewertet wird. Damit ist das Meßergeb­ nis nicht mehr von der absoluten Leuchtstärke der Licht­ quelle abhängig. Der Abstand der Lichtquelle von einer Sammellinse läßt sich somit direkt zuordnen. Während das Signal bezüglich des Abstandes des virtuellen Bildes der Lichtquelle linear ist, trifft dies bezüglich des realen Bildes der Lichtquelle nicht zu, da dieser Abstand aus der Linsengleichung berechnet werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein Ausgangs­ signal erzeugt wird, welches linear von der zu messenden Entfernung abhängig ist, um so einen echten Entfernungs­ messer zu realisieren.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß die Lichtquelle einen scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt, daß das reflektierte Lichtbündel in dem optischen System eindimensional fo­ kussiert wird und daß die Messung der Strahlungsintensität eines Teilstrahls in dessen Fokallinie erfolgt, die durch die Brennweite des optischen Systems bezogen auf ein von einem unendlich fernen Punkt reflektiertes Lichtbündel de­ finiert ist.

Aus der DE-OS 27 03 463 ist schon ein Verfahren zur optischen Entfernungsmessung bekannt, bei dem eine Lichtquelle vorge­ sehen wird, die einen scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt, allerdings fehlt hier ein optisches System zur Fokussierung des reflektierten Lichtbündels.

Ein nach diesem neuen Verfahren arbeitendes Meßgerät hat eine lineare Ausgangskennlinie bezüglich der Objektent­ fernung. Dies ermöglicht ein direktes Eichen der Ausgangs­ spannung und erübrigt eine Umrechung z. B. über eine Werte­ tabelle. Die Linearisierung des Ausgangssignals beruht also einmal auf der Anordnung einer der beiden Detektoren genau im Abstand der Brennweite des abbildenden optischen Systems (Linse oder Spiegel) und zum anderen auf der Messung der eindimensionalen Leistungsdichte im Strahlungsweg. Würde man den einen Detektor nicht genau im Abstand gleich der Brenn­ weite des optischen Systems anordnen, so würde sich die ur­ sprünglich gerade Kennlinie konkav oder konvex verformen, je nachdem, ob sich der Detektor vor oder hinter der Fokallinie befindet.

Während nach dem Stand der Technik die Fokussierung des reflektierten Lichtbündels durch die Linse punktförmig erfolgt, wird erfindungsgemäß das Lichtbündel nur ein­ dimensional fokussiert und die Querschnitte des reflek­ tierten Lichtbündels haben somit einen großen Durch­ messer und einen längs des Strahlweges allmählich ab­ nehmenden kleineren Durchmesser. Die beiden Detektoren müssen also in einer Koordinatenrichtung größer als der Strahldurchmesser und in einer dazu senkrechten Richtung kleiner sein, was zu einer schmalen und langen Bauweise des Detektors führt. Alternativ läßt sich die Leistungs­ messung auch durch ein den Detektoren jeweils vorgeschalte­ tes optisches System, z. B. einer Zylinderlinse erreichen.

Erfindungsgemäß wird der Quotient der beiden Teilströme der Detektoren ausgewertet, der sich digital oder analog berechnen läßt. Dabei wird der von dem in der Fokallinie des optischen Systems anzuordnenden Detektor gemessene Fotostrom vorzugsweise für den Zähler des Quotienten verwendet.

Wenn im Vorstehenden von der Fokallinie bzw. der Fokallänge oder Brennweite des optischen Systems gesprochen wird, so sind darunter die Werte zu verstehen, die sich auf eine vom optischen System unendlich weit entfernte Strahlungs­ quelle beziehen, obwohl mit dem Meßgerät endliche Abstän­ de gemessen werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß alternativ oder kumulativ auch dadurch gelöst, daß die Lichtstärke der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Entfernung des Meßgerätes vom Ob­ jekt laufend so geregelt wird, daß der Fotostrom eines der beiden zur Entfernungsmessung verwendeten Detektoren konstant bleibt, und daß der weiter vom Strahlteiler abliegende Detektor auf der optischen Achse im Ab­ stand gleich der Fokallänge vom optischen System liegt. Vorzugsweise wird der Fotostrom des näher zum Strahl­ teiler liegenden Detektors auf konstantem Wert gehalten, da bei der Quotientenbildung der Fotoströme derjenige des näher am Strahlteiler liegenden Detektors im Nenner steht. Auch mit diesem Regelungsverfahren wird eine Linearisierung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Objektentfer­ nung erreicht und zwar ist diese Entfernung direkt propro­ tional dem Fotostrom des vom Strahlteiler weiter abliegenden Detektors.

Aus der DE-OS 27 03 463 ist zwar eine ähnliche Regelung der Lichtstärke bekannt, jedoch werden dafür zusätzlich ein Strahlteiler, ein Detektor und eine Auswerteeinheit benö­ tigt. Zudem muß die Auswerteeinheit umständliche Rechen­ operationen durchführen, die dank der Erfindung gerade ver­ mieden werden.

Beide Meßverfahren lassen sich vorzugsweise in ei­ nem Meßgerät realisieren, wobei eine Umschaltung auf das zweite Verfahren vorgenommen wird, wenn das erste Meß­ verfahren in Ausnahmefällen nicht zufriedenstellend arbei­ tet. Dies kann z. B. an den Grenzen des Meßbereiches, bei ungünstigen Reflexionseigenschaften des Objektes und un­ günstigen Lichtverhältnissen der Fall sein.

Beide Verfahren zur Linearisierung des Ausgangssignals bezüglich der Entfernung setzen voraus, daß das reflek­ tierte Lichtbündel die Eigenschaft eines isotropen Strah­ lers hat, dessen abgestrahlte Leistungsdichte in jedem Raum­ winkelelement gleich ist. Das trifft näherungsweise für selbstleuchtende Lichtquellen, wie z. B. eine Glühbirne zu. Bei realen Oberflächen, die jedoch nur eingestrahltes Licht reflektieren, treten demgegenüber Abweichungen auf, verur­ sacht durch Glanzwinkeleffekte. Dies hat zur Folge, daß die Leistungsdichte statistischen Schwankungen bei Verlängerung des Raumwinkels unterworfen ist, aus denen Störungen des Meßergebnisses resultieren. Um solche Störungen zu vermei­ den, ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorge­ sehen, daß - wie aus der US-PS 43 91 515 an sich bekannt - der auf das Objekt auftreffende Lichtstrahl polarisiert ist und daß bei der Detektion der beiden Teilstrahlen der Po­ larisierungszustand des Lichtstrahls durch Filter eliminiert wird. Im einfachsten Fall wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine polarisiertes Licht aussendende Licht­ quelle verwendet. Alternativ liegt es im Rahmen der Erfin­ dung, im gemeinsamen Strahlungsweg der ausgesendeten und reflektierten Lichtbündel einen aus einem Linear- und Zir­ kularpolarisator bestehenden optischen Isolator anzuordnen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens bei der ein scharf gebündelter Licht­ strahl durch einen Kollimator erzeugt wird, dessen Stirn­ fläche eine verspiegelte Ablenkungsfläche für das vom Ob­ jekt reflektierte Lichtbündel aufweist, mit einem in der Strahlachse des abgelenkten reflektierten Lichtbündels ange­ ordneten Strahlteiler, einem ersten optischen Detektor in der optischen Achse des durchgehenden Teilstrahls und einem zweiten optischen Detektor in der optischen Achse des ab­ gelenkten Teilstrahls, wobei die, jeweils längs der op­ tischen Achsen gemessenen Abstände der Detektoren vom Strahl­ teiler unterschiedlich groß sind, und wobei die Stirnfläche des Kollimators zur eindimensio­ nalen Fokussierung des reflektierten abgelenkten Lichtbün­ dels einfach gekrümmt und als Spiegelfläche ausgebildet ist, und einer der Detektoren in der Fokallinie einer der Teilstrahlen angeordnet ist.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel dar­ stellt, sei die Erfindung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt schematisch den inneren optischen Aufbau einer Vorrichtung 10 zur Messung seines Abstandes von einem Objekt 12. Die Vorrichtung 10 enthält einen Kolli­ mator 14, dessen Lichtquelle 16, z. B. eine gepulste Laser­ diode, einen gebündelten Lichtstrahl 18 auf das Objekt 12 wirft. Dieser gebündelte Lichtstrahl 18 tritt durch eine im Mittelbereich der Stirnfläche des Kollimators 14 ange­ ordnete enge Öffnung aus, durchsetzt einen optischen Isolator 20 innerhalb der Vorrichtung 10, der aus einem Li­ near- und Zirkularpolarisator besteht. Der eng gebündelte Lichtstrahl 18 wird von der Oberfläche des Objektes 12 in Form eines Lichtbündels 22 reflektiert, das den optischen Isolator 20 durchsetzt und auf die Stirnfläche des Kolli­ mators 14 trifft. Diese Stirnfläche ist als einfach ge­ krümmte Spiegelfläche 24 ausgebildet, die das Lichtbündel 22 etwa rechtwinklig ablenkt und im Punkt 26 linienförmig fokussiert. Das von der Spiegelfläche 24 abgelenkte Licht­ bündel 28 trifft auf einen teildurchlässigen Strahlteiler 30, der einen durchgehenden Teilstrahl 32 und einen reflek­ tierten Teilstrahl 34 erzeugt. In den Strahlungswegen bei­ der Teilstrahlen 32, 34 ist jeweils ein optischer Detektor 36; 38 angeordnet. Die optischen Detektoren 36, 38 bestehen z. B. aus Fotodioden von - senkrecht zur Papierebene gemesse­ ner - langgestreckter Form. Der Detektor 36 im durchgehen­ den Teilstrahl 32 ist dicht hinter dem Strahlteiler 30 angeordnet, während der Detektor 38 vom Strahlteiler 30 einen größe­ ren Abstand hat. Es ist wichtig, daß die beiden Abstände der Detektoren 36, 38 vom Strahlteiler 30 unterschiedlich sind, da diese Abstandsdifferenz als Faktor bei der Entfer­ nungsmessung eingeht.

Bezogen auf ein gestrichelt dargestelltes Lichtbündel 40 einer unendlich weit entfernten Lichtquelle hat die Spie­ gelfläche 24 eine Brennweite, die sich zusammensetzt aus dem Abstand des Punktes 42, in dem die optische Achse des vom Objekt 12 reflektierten Lichtbündels 22 die Spiegel­ fläche 24 schneidet, vom Punkt 44, in dem die optische Achse des reflektierten abgelenkten Strahls 28 auf den Strahl­ teiler 30 trifft und weiterhin dem Abstand dieses Punktes 44 vom Brennpunkt 46 des fokussierten Lichtbündels 40 der un­ endlich weit entfernten Lichtquelle und zwar in der optischen Achse des vom Strahlteiler 30 reflektierten Teilstrahls 34 gemessen. Da die Spiegelfläche 24 nur einfach gekrümmt ist, ihre Querschnittsform sich also senkrecht zur Papierebene nicht ändert, würde das von der unendlich weit entfernten Lichtquelle kommende Lichtbündel nicht im Brennpunkt 46 sondern längs einer diesen Punkt 46 enthaltenden, senkrecht zur Papierebene verlaufenden Fokallinie fokussiert werden. Der Detektor 38 wird nun auf der optischen Achse des vom Strahlteiler 30 reflektierten Teilstrahls 34 so angeordnet, daß er diese Fokallinie 46 enthält. Die Fokallinie 26 des tat­ sächlich vom Objekt 12 reflektierten, von der Spiegel­ fläche 24 abgelenkten und fokussierten und vom Strahltei­ ler 30 abgelenkten Teilstrahls 34 liegt hinter dem Detek­ tor 38.

Die beiden Detektoren 36, 38 sind - senkrecht zur Papier­ ebene gemessen - mindestens so lang wie der senkrecht zur Papierebene gemessene Durchmesser des von der Spiegelflä­ che 24 abgelenkten Lichtbündels 28.

Aus der Linsengleichung und dem Strahlensatz läßt sich ab­ leiten, daß der Abstand der Spiegelfläche 24 vom Objekt 12 propotional ist zu dem Quotienten aus den Breiten der Strahlengänge an den Meßorten der beiden Detektoren 36 und 38. Dieser Quotient multipliziert mit einem geräteeigenen Faktor ergibt die gewünschte Entfernung. Da die Breiten der Strahlengänge umgekehrt proportional zu den Fotoströmen der Detektoren 36, 38 sind, läßt sich der zu messende Abstand zwi­ schen Punkt 42 der Spiegelfläche 24 und dem Objekt 12 mathe­ matisch folgendermaßen ausdrücken

Abstand = (I ₃₈/I ₃₆) C ₁-C ₂.

Die beiden Konstanten C ₁ und C ₂ sind gerätespezifisch und sind ausschließlich abhängig von den in den optischen Achsen gemessenen Abständen der beiden Detektoren 36, 38 vom Punkt 42 der Spiegelfläche 24. Bezeichnet man den Abstand 42-44-46 mit a und den Abstand des Detektors 36 vom Punkt 42 mit b so errechnen sich die beiden Konstanten zu

C ₁ = a ²/(a - b) und C ₂ = ab/(a - b).

Die Abhängigkeit des Abstandes von Punkt 42 der Spiegel­ fläche 24 vom Objekt 12 ist nur dann linear abhängig vom Quotienten der Fotoströme der Detektoren 38 und 36, wenn der weiter vom Strahlteiler 30 abliegende Detektor 38 genau in der Fokallinie 46 der Spiegelfläche 24 liegt. Der Quotient der beiden Fotoströme der Detektoren 38 und 36 kann digital oder analog berechnet werden. Noch einfacher ist es, den Fotostrom des Detektors 36 durch ein Regelsystem über den Strom der Lichtquelle 16 auf einen konstanten ent­ fernungsunabhängigen Wert zu stabilisieren. In diesem Fall ist die zu messende Entfernung eine lineare Funktion des Fotostroms des Detektors 38 allein und kann daher direkt über diesen Fotostrom nach Abzug einer Konstanten gemessen und angezeigt werden.

Die Detektoren 36 und 38 sind nur schematisiert dargestellt. Sie messen nicht die zweidimensionale, flächenhafte Leucht­ dichte (W/cm²), sondern nur die Leuchtdichte in einer Koordinate (W/cm). Das wird durch Integration der Leuchtdichte über eine Koordinate erreicht, indem sich die Auswertung in dieser Ko­ ordinate über den vollen, maximal auftretenden Strahldurch­ messer erstreckt und in der anderen senkrecht dazustehenden Koordinate nur über einen geringen Bereich im Zentrum des Lichtbündels, der immer kleiner ist als der Strahldurch­ messer in dieser Achse. Die integrierende Koordinate liegt senkrecht zur Ebene der Figur.

Bei der Ableitung der vorstehenden Gleichungen wurden ei­ nige vereinfachende Annahmen gemacht, nämlich die Vernach­ lässigung der endlichen Breite der Detektoren und die Ver­ nachlässigung von Breite und Divergenz des Lichtbündels der Lichtquelle 16. Daraus resultiert in Wirklichkeit eine geringfügige Abweichung von der perfekten Linearität, die jedoch weniger als 2% innerhalb des zur Verfügung stehen­ den Meßbereichs ausmacht. Dieser Wert kann jedoch unter 1 reduziert werden durch Defokussierung von Detektor 38 um etwa 1% der Fokallänge und gleichzeitiger Optimierung des Abstandes des Detektors 36 vom Punkt 42.

Jeder der Detektoren 36, 38 wird vorzugsweise als Fotodiode mit integrierter Zylinderlinse realisiert.

Claims (10)

1. Verfahren zur optischen Entfernungsmessung zwischen einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßgerät auf das Objekt geworfen, das vom Objekt reflektierte Licht­ bündel in einem optischen System des Meßgerätes fokus­ siert und vor der Fokalebene durch einen Strahltei­ ler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strah­ lungsintensitäten mittels zweier optoelektronischer Detektoren in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unterschiedlichen Abständen vom Strahlteiler ge­ messen werden und der Quotient der Detektorströme als Funktion der zu messenden Entfernung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen scharf gebündelten Lichtstrahl erzeugt, daß das re­ flektierte Lichtbündel in dem optischen System eindi­ mensional fokussiert wird und daß die Messung der Strahlungsintensität eines Teilstrahls in dessen Fokal­ linie erfolgt, die durch die Brennweite des optischen Systems bezogen auf ein von einem unendlich fernen Punkt reflektiertes Lichtbündel definiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensitätsmessung in der Fokalli­ nie desjenigen Teilstrahls vorgenommen wird, dessen Detektor vom Strahlteiler den größeren Abstand hat.

3. Verfahren zur optischen Entfernungsmessung zwischen einem Meßgerät und einem Objekt, bei dem von einer Lichtquelle ein Lichtstrahl vom Meßgerät auf das Ob­ jekt geworfen, das vom Objekt reflektierte Lichtbündel in einem optischen System des Meßgerätes fokussiert und vor der Fokalebene durch einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird, deren Strahlungsinten­ sitäten mittels zweier optoelektronischer Detektoren in der gemeinsamen optischen Achse jedoch in unter­ schiedlichen Abständen vom Strahlteiler gemessen wer­ den und der Quotient der Detektorströme als Funktion der zu messenden Entfernung ausgewertet wird, insbe­ sondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstärke der Lichtquelle in Abhängigkeit von der Entfernung des Meßgerätes vom Objekt laufend so geregelt wird, daß der Fotostrom eines der beiden zur Entfernungsmessung verwendeten Detektoren kon­ stant bleibt und daß der weiter vom Strahlteiler ab­ liegende Detektor auf der optischen Achse im Abstand gleich der Fokallänge vom optischen System liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fotostrom des dem Strahlteiler näher liegenden Detek­ tors auf konstantem Wert gehalten wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung spie­ gelnder Reflexe der auf das Objekt auftreffende Licht­ strahl polarisiert ist und bei der Detektion der beiden Teilstrahlen der Polarisierungszustand des Lichtstrahls durch Filter eliminiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine polarisiertes Licht aussendende Lichtquelle verwen­ det wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im gemeinsamen Strahlungsweg der ausgesendeten und re­ flektierten Lichtbündel ein aus einem Linear- und Zir­ kularpolarisator bestehender optischer Isolator ange­ ordnet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei der ein scharf gebündelter Lichtstrahl durch einen Kollimator erzeugt wird, dessen Stirnfläche eine verspiegelte Ablenkungs­ fläche für das vom Objekt reflektierte Lichtbündel auf­ weist, mit einem in der Strahlachse des abgelenkten re­ flektierten Lichtbündels angeordneten Strahlteiler, einem ersten optischen Detektor in der optischen Achse des durchgehenden Teilstrahls und einem zweiten optischen Detektor in der optischen Achse des abgelenk­ ten Teilstrahls, wobei die, jeweils längs der opti­ schen Achsen gemessenen Abstände der Detektoren vom Strahlteiler unterschiedlich groß sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stirnfläche des Kollimators (14) zur eindimensionalen Fokussierung des reflektierten abgelenkten Lichtbündels (28) einfach gekrümmt und als Spiegelfläche (24) ausgebildet ist, und daß einer (38) der Detektoren (36, 38) in der Fokallinie (46) einer (34) der Teilstrahlen (32, 34) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Detektor (36, 38) eine längliche Gestalt hat, deren Längserstreckung min­ destens gleich dem dort auftretenden großen Durchmesser des jeweiligen Teilstrahls (32, 34) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Detektor (36, 38) eine Zylinderlinse integriert ist, deren Länge min­ destens gleich dem dort auftretenden größten Durchmesser des jeweiligen Teilstrahls (32, 34) ist.