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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zurBestimmung der Entfernung eines Zielobjekts von einem Referenzpunkt, wobei das Zielobjekt von einem gebündelten Strahl elektromagnetischer Wellen angestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines in vorgegebener Distanz (a) vom Referenzpunkt (0) angeordneten Abbildungsobjektivs (3). dessen optische Achse in einem spitzen Beobachtungswinkel zur Anstrahlrichtung orientiert ist, ein Bild der Strahlaufprallstelle auf dem Zielobjekt erzeugt wird, dass die örtliche Lage dieses Bildes relativ zu einem Bezugspunkt ermittelt wird, und dass aus dieser örtlichen Lage als Variable und den relevanten Daten (f) des Abbildungsobjekts (3), der Distanz (a) des Objektivs vom Referenzpunkt (0) und dem Beobachtungswinkel (a) als Systemparameter die Entfernung (D I) des Zielobjekts errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlung Licht im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Laserlicht verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet. dass die örtliche Lage des Bildes fotoelektrisch ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Zielentfernung vollautomatisch erfolgt.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer das Zielobjekt (2) mit einem gebündelten Lichtstrahl anstrahlenden Lichtquelle (1), gekennzeichnet durch ein Abbildungsobjektiv (3) und einen Fotodetektor (5), welches Objektiv die möglichen Auftreffstellen des Lichtstrahls auf dem Zielobjekt innerhalb des in Frage kommenden Entfernungsmessbereichs auf den Fotodetektor abbildet, und durch eine elektronische Rechenschaltung (7, 8), welche die örtliche Lage des jeweiligen Bildes der Auftreffstelle auf dem Fotodetektor ermittelt und darausin Verbindung mit den Systemparametern die Zielentfernung errechnet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodetektor eine Fotodiodenzeile ist.
8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Vermessung von Hohlräumen.
9. Anwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zwei Vorrichtungen nach Patentanspruch 6 eingesetzt werden, wobei die die Zielobjekte anstrahlenden Lichtbündel in derselben Ebene gelegt werden.
10. Anwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach Patentanspruch 6 verwendet wird, welche um eine zum anstrahlenden Lichtstrahl senkrechte Achse gedreht wird und die Zielentfernungen bei verschiedenen Drehstellungen gemessen werden.
II. Anwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vermessung von langgestreckten Hohlräumen die Vorrichtung in Längsrichtung des Hohlraumes bewegt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6. Die Erfindung betrifft ferner auch eine Anwendung des Verfahrens.
Die Messung von Entfernungen mittels eines Lichtstrahles hat seit der Erfindung des Lasers grossen Aufschwung genommen. Hohe Strahldichte. kleine Winkeldivergenz und Monochromasie sind die Eigenschaften des Lasers, welche diese Lichtquelle auszeichnen, obwohl, je nach Anwendungszweck.
auch von klassischen Lichtquellen abgeleitete Strahlenbündel eingesetzt werden können. Die heute übliche Art der Entfernungsmessung mittels Lichtstrahl besteht in der Anstrahlung des Zieles und in der Sammlung des von ihm reflektierten Lichtes von demselben Standort aus, sowie in der darauf folgenden BestimmungderLaufzeitdifferenzzwischen hin- und rückkehrender Strahlung.
Nachteilig dabei ist, dass die hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes prinzipiell zu sehr kurzen Laufzeitunterschieden führt (1 cm entspricht 30 psec), deren Messung technologische Grenzen gesetzt sind. Hohe relative Messgenauigkeit lässt sich also nur bei der Messung grösserer Entfernungen praktisch erreichen.
Andere Anordnungen, welche den Lichtstrahl hochfrequent modulieren und die Phasenverschiebung zwischen hin- und rückkehrender Strahlung bestimmen, leiden prinzipiell unter der gleichen Beschränkung, da die Messung der Phasendifferenz mit entsprechend hoher Genauigkeit erfolgen muss.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtun zur Entfernungsmessung zu schaffen, welche auch bei kleineren Distanzen noch hohe Messgenauigkeit aufweisen und einen bescheidenen technischen Aufwand verlangen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch das im Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren und die im Patentanspruch 6 beschriebene Vorrichtung gelöst.
Imfolgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnungen die Erfindung beispielsweise näher erörtert. Es zeigen:
Fig. 1 die grundlegende Anordnung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 2 die dem Verfahren und der Vorrichtung zugrundeliegenden geometrischen Verhältnisse;
Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung einer prinzipiellen Art der photoelektronischen Lagebestimmung:
Fig. 4-6 Skizzen zur Erläuterung bevorzugter Anwendungen, und
Fig. 7 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
In Fig. 1 ist die grundlegende Anordnung angegeben. Von Lichtquelle 1 wird Strahl S t ausgesendet, welcher ein in Abstand D1 entferntes Ziel 2 in Punkt T1 trifft. Das von T1 reflektierte Licht wird unter einem Winkel ss von Objektiv 3 teilweise gesammelt und damit Bild T2 der Aufprallstelle T1 erstellt. Liegt das Ziel in näherer (PTI ') oder weiterer (T1") Entfernung, dann werden dementsprechend verschobene Bilder entstehen, welche eine Gerade, das Bild 4 aller möglichen Aufprallstellen, bilden.
Mittels einer zur Lichtquelle in einem bekannten Abstand A2 liegenden Vorrichtung 5 wird Bild 4 photoelektronisch abgetastet. Daraus wird in Rechner 7 in an sich bekannter Weise die jeweilige Lage von T2 innerhalb von Bild 4 (also Abstand d2) ermittelt und anschliessend in Rechner 8, in einer noch zu erleuchtenden Weise, D1 errechnet.
Die Berechnungsgrundlagen zum erfindungsgemässen Verfahren sind in Fig. 2 angegeben. Aus geometrisch-optischen Gründen verlangt bekanntlich die scharfe Abbildung T1 zu T2, dass Objektachse OT1, Objektivnormale OL und Bildachse OT2 sich in Punkt 0 schneiden. Punkte T1, T2, L, 0 liegen dann in einer Ebene, welche die Systemebene darstellt. Wenn Objektiv 3 in Abstand a von Punkt 0 sowie Winkel a gegenüber Objektachse OT1 sich befindet und ferner fund B 1LB2 Objektivbrennweite resp.
Objektivachse sind, dann aus der Ähnlichkeit der Dreiecke TIAlL und LZ,T2 folgt: dl b2 ¯=¯ 1) d. h. d1d2 b1b2 2) bl d2
Aber D1 = dl + bl und D2 = d2 + b2 woraus: b, bl
D1 = bl (1 + ) 3) D2 = b2 (1 +-) 4) d, d, oder D1 = b1 D2 D b2 D1
5) 5) D2 = 6)
D2-b2 D1-b1
Die Parameter bl und b entsprechen den Segmenten LZ und AIL. Aus Dreieck AXHO folgt: bl = f/sin a 7) und aus Dreieck AIHL
EMI2.1
Systemparameter b Ib2 lassen sich also bei Wahl von a,a,f für das System festlegen. Wird Abstand d2 (von Rechner 7) ermittelt, dann lässt sich Abstand D1 (von Rechner 8) mittels Formel 3 berechnen.
Es sei bemerkt, dass Punkt A, die untere Messbereichgrenze im Objektraum (das Bild von Al liegt im Unendlichen) und Punkt Z2 die an Lichtquelle 0 näheste Lage des Zielbildes (Ziel ist unendlich entfernt) darstellen. Die Wahl von a und a bestimmt die physischen Dimensionen der Messanordnung. Sie sind in weiten Grenzen frei wählbar. Lediglich muss man verhindern, dass dabei Winkel ss die Werte 0 und 90" annimmt. Im ersten Falle reduziert sich nämlich Bild 4 (Fig. 1) auf einen Punkt, im zweiten Falle gelangt praktisch kein Licht auf Objektiv 3.
Die photoelektronische Bestimmung der Lage des Aufprallstellenbildes sei anhand von Fig. 1 und 3 erläutert, wobei als Photodetektor eine Kameraröhre (z. B. Vidicon) angenommen wird. Bild 4 besteht, wie bemerkt, aus einer punktweise beleuchteten Geraden. Diese wird auf die Photokathode von Kamera 5 abgebildet. Ablenkgenerator 6 und Ablenkspule 10 bewirken eine linienformige Abtastung von Bild 4, wobei der zeitlich lineare Anstieg von Ablenkstrom J (bekanntlich mit der jeweiligen örtlichen Lage des Abtastfleckes direkt verknüpft) über Widerstand 9 als Sägezahnspannung U2 (proportional zu d2) abgenommen wird (Fig. 3). Trifft der Abtaststrahl auf den beleuchteten Punkt T2, dann wird über Kameralastwiderstand 11 ein Impuls U1 erzeugt.
Rechner7 (im wesentlichen eine Koinzidenzstufe) stellt anhand von Sägezahn U2 die Zeit t fest, welche bezogen auf t2m und dlm, die Ermittlung von d2 gestattet.
d2m dn t2 9) t2m t2n, und dlm sind Systemparameter und entsprechen der unteren Entfernungsgrenze des Messbereiches.
Die Berechnung von D1 aus D2 erfolgt in Rechner 8 entsprechend Formel 5, wobei
D2 = A2 + d2 10) gilt. A2 ist Systemparameter und d2 wird, wie bemerkt, von Rechner 7 errechnet.
Durch die Erfindung wird also eine einfache Entfernungsmessung erreicht, welche elektronisch den Einsatz langsamer Schaltungstechnik sowie elementarer Rechentechnik erlaubt und in der Messgenauigkeit nur durch die räumliche Aufösung der photoelektronischen Abtastvorrichtung begrenzt ist.
Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung werden zur Messung mindestens zwei Systeme simultan eingesetzt, deren anstrahlende Lichtbündel in der gleichen Ebene 71 liegen. Diese in Fig. 4 dargestellte Anordnung ist speziell zur Messung von Lochprofilen geeignet. Beim Einsatz von zwei diametral liegenden Systemen D11 -D13 lässt sich der Lochdurchmesser bestim mein, beim Einsatz mehrerer in Ebene 21 liegenden Systemen lassen sich Entfernungen DI I. . D12, Dl3. D14 usw. messen, woraus durch Interpolation, das Lochprofil errechnet werden kann.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein erfindungsgemässes System um eine Achse 15 rotiert, welche senkrecht zum anstrahlenden Lichtbündel steht. Diese in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist besonders zur Messung von Lochprofilen geeignet. welche sequentiell und mit beliebig hoher Auflösung abgetastet werden können.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die in den zwei vorhergehenden Ausgestaltungen beschriebenen Systeme translatorisch bewegt. Diese in Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnungen eignen sich speziell für die durchlaufende Messung vonBohrlöchern, wenn die Translation 15 parallel zur Lochachse geschieht. Das Bohrloch wird dann bei der rotierenden Anordnung von Fig. 5 sequentiell in Form einer Spirale 18 und im Falle der simultanen Anordnung von Fig. 4 entlang den Mantellinien 17 abgetastet.
Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die in der vorletzten und zweitletzten Ausgestaltung beschriebenen Systeme 1800 um eine Achse 16 rotiert, welche in der Messebene 21 liegt und durch das Messzentrum 0 geht. Diese in Fig. 6 dargestellte Anordnung eignet sich speziell zur Messung von Hohlräumen, welche sequentiell durch eine Anzahl von Meridianen 20 abgetastet werden.
Gemäss einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung wird als ausstrahlendes Lichtbündel ein Laser Strahl verwendet. Diese Anordnung bietet den Vorteil der hohen Leuchtdiode und ist gerätetechnisch einfach.
Gemäss einer weiteren speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung wird zur fotoelektronischen Abtastung des Aufprallstellenbildes eine lineare Anordnung von Fotodioden, eine sog. Photodiodenzeile verwendet. Diese Anordnung weist die Vorteile hoher geometrischer Genauigkeit und Stabilität sowie kleinster Dimensionen auf.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 7 angegeben. Dabei handelt es sich um die Messung von Entfernungen zwischen 3500 und 6000 mm, welche typisch als Profilradien im Tunnelbau vorkommen. Eine simultane oder sequentielle Abtastung des Profils nach Unteransprüchen 9 resp. 10 kommt zur Anwendung. Die von Laser 1 emittierte Strahlung wird an Ziel 2 teilweise reflektiert, durch Objektiv 3 teilweise gesammelt und auf Photodetektor 5 abgebildet, welcher als Photodiodenzeile ausgebildet ist. Von einem Taktgenerator 12 wird ein Takt-Signal abgeleitet, welches mittels des in Photodiodenzeile 5 eingebauten Schieberegisters den Ladezustand des jeder Photodiode zugeordneten Kondensators nacheinander abfrägt. Das Resultat dieser Abtastung wird synchron zum Takt-Signal am Video-Ausgang abgenommen. Ist z. B.
Diode Nr. 10 beleuchtet, dann wird beim 10ten Takt Impuls ein Signalimpuls am Video-Ausgang erscheinen. Dieser Impuls wird in Komparator 13 detektiert und zum STOP von Zähler 14 verwendet, wo die Anzahl der bis dann abgegebenen Takt-Impulse aufgezählt worden ist. Der Stand d2' von Zähler 14 ist also ein Mass für die örtliche Lage d2 des Aufprallstellenbildes innerhalb der Diodenzeile. Es gilt also d2 = kl d2 11) wo kl der Abstand (z. B. mm) zwischen den einzelnen Photodioden darstellt. Wertd2,wirdvon Rechner 8 übernommen, wo zunächst d2 (nach Formel 11) berechnet wird. Anschliessend wird die absolute Lage D2 durch die Operation
D2 = D2 min + d2 12) ermittelt, wo D2min (für die jeweils geltenden Werte der optischen Anordnung) aus Dlmjn mittels Formel 6 berechnet wird.
Schliesslich wird die Zielentfernung D1 mittels Formel 5 berechnet. In der Zwischenzeit ist der Abfragevorgang an Photodiodenzeile 5 weitergegangen. Nachdem die letzte Photodiode in derZeile abgefragt wurde, wird ein Rückstell-Impuls abgegeben, welcher Zähler 14 auf Null stellt. Automatisch, oder auf Befehl, wird dann ein neuer Messzyklus eingeleitet.
Die numerischen Werte des aufgeführten Beispiels lauten:
F = 180mm:a = 80";a = 1000mm:Dlm"x = 6000mm; DImt0 = 3500 mm; woraus sich abieiten lässt b1 = 182,8 mm (Formel 7); b2 = 984.9mm(Forme18); D-,ll"l = 1015.8 mm (Formel 6): D2max = 1039,1 mm (Formel 6)
Das Bild 4 der Messstrecke weist eine Länge von D2max-D2m@@ = 23.3 mm auf und wird mit einer Photodiodenzeile. bestehend aus 1728 Dioden im Abstand von 13 m abgetastet. Danach gilt also k1 = 0,013. Die mit der Vorrichtung erzielte Messgenauigkeit beträgt im Mittel (6000-3500)/ 1728 = 1.5 mm. Ferner:
Objektiv: Rodagon 180 mm/1:5,6 (Rodenstock Werke, München. Deutschland).
Photodetektor: Fairchild CCD 121H (Fair child Inc. Mounta Vicw, Calif. USA). Laser: Siemens LGR 7622 (Siemens AG, München, Deutschland).
In der vorliegenden Beschreibung wurde durchwegs von Lichtquelle, Lichtbündel usw, gesprochen. Es ist selbstverständlich, dassjedeandereStrahlungsart(z. B. Infrarot, Ultraviolett) sinngemäss eingesetzt werden kann. Ihre Wahl wird hauptsächlich durch die Anpassung an die spektralen Remissionseigenschaften des Zieles bestimmt werden.