CH713135B1

CH713135B1 - Optisches Entfernungsmesssystem.

Info

Publication number: CH713135B1
Application number: CH00309/18A
Authority: CH
Inventors: Seitz Peter; Rusu Alexandru
Original assignee: Hamamatsu Photonics Kk
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2018-10-15
Also published as: US20200233082A1; US10921448B2; DE112015006912T5; JP2018527574A; WO2017046832A1; JP6581720B2

Abstract

Offenbart ist ein optisches System zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist. Das optische Entfernungsmesssystem 1 beinhaltet eine kohärente Lichtquelle 10, die einen Laserstrahl L1 projiziert, optische Elemente 20, 21 und einen eindimensionalen Lichtsensor 30. Die optischen Elemente 20, 21 teilen den Laserstrahl L1 in zwei Laserstrahlen L2, L3 und spreizen den Laserstrahl L1 in eine Lichtfläche auf, deren Ausrichtung senkrecht zu einer Ebene ist, die von den Ausbreitungsrichtungen der Laserstrahlen L2, L3 erzeugt wird. Die Laserstrahlen L2, L3 werden von dem Spiegel 40 und zurück zu dem Lichtsensor 30 reflektiert. Der Lichtsensor 30 erfasst die Intensitätsverteilung von einfallendem Licht der reflektierten Laserstrahlen L2 und L3 mit zwei lokalen Maxima, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung L des Spiegels 40 und dessen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.

Description

Beschreibung Technisches Gebiet [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System und ein Verfahren zum Messen der Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist. Der Neigungswinkel des Spiegels ist nicht genau bekannt und kann sich im Lauf der Zeit verândern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein optisches Entfernungsmesssystem, bei dem sich der Spiegel über Entfernungen bewegt, die viel grôsser sind als die Grosse des Spiegels, wie dies beispielsweise in Rôhrensystemen der Fall ist, bei denen die Entfernung eines sich bewegenden Kolbens gemessen werden muss.

Stand der Technik [0002] In vielen mechanischen Systemen stellt es ein hàufig auftretendes Problem dar, die Entfernung zu einem Objekt zu messen, ohne mit dem Objekt in physischen Kontakt zu treten. Sehr hâufig ist die bevorzugte Lôsung eines solchen Problems ein optisches Verfahren, in dem Licht aus einer geeigneten Lichtquelle auf das Objekt fâllt, von wo aus es auf das Messsystem zurückreflektiert wird. Dort wird es von einem Lichtsensor erfasst, und das elektronische Signal des Lichtsensors wird verarbeitet, um die gewünschte Entfernungsinformation zu erhalten. Beispiele für das optische Verfahren sind in Patentliteratur 1 bis 4 offenbart.

Liste der Anführungen

Patentliteratur [0003] PTL 1 Europâisches Patent Nr. EP 2 482 094 PTL 2 US-Patentanmeldungsverôffentlichung Nr. 2015/0 019 160 A1 PTL 3 US-Patent Nr. USP 5 424 834 PTL 4 Deutsches Patent Nr. DE 4 211 875

Darstellung der Erfindung Technisches Problem [0004] Eine in der Praxis hâufig anzutreffende Situation ist, dass die zu messenden Entfernungsverànderungen viel grôsser sind als der auf jeder Seite des Lichtpfads verfügbare Raum. Folglich ist es notwendig, ein optisches Messverfahren einzusetzen, das in der Nâhe der optischen Achse arbeitet. Zur Lôsung des Problems sind drei grundlegend verschiedene optische Messverfahren bekannt: [0005] (1) Optische Lichtlaufzeitverfahren wie beispielsweise von S. Mack im europâischen Patent Nr. EP 2 482 094 A1 «Entfernungsmessender optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Objekterfassung» beschrieben. Der praktische Vor-teil von Lichtlaufzeitverfahren ist, dass ihre maximale Messentfernung nahezu unbegrenzt ist und mit einem solchen Verfahren selbst die Entfernung zum Mond gemessen wurde. Jedoch liegt die heutzutage mit Lichtlaufzeitverfahren erreich-bare Entfernungsgenauigkeit aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit von etwa 3 χ 108 m/s in der Grôssenordnung von 1 mm, was für viele mechanische Système unzureichend ist.

[0006] (2) Interferometrische Verfahren, welche die geringe Wellenlânge von kohârentem Licht, das aus kostengünstigen Laserdioden verfügbar ist, im Wellenlângenbereich von 200-2000 nm nutzen. Mithin liegt die Messgenauigkeit von inter-ferometrischen Verfahren deutlich unter 100 nm, was für die meisten mechanischen Système ausreicht. Jedoch kônnen herkômmliche interferometrische Entfernungsmessverfahren keine absoluten Entfernungen bestimmen, da sie unter dem wohlbekannten Phasenmehrdeutigkeitsproblem leiden, das bei monochromatischen Interferometriesystemen auftritt. Dem làsstsich mit Mehrwellenlângen-lnterferometem beikommen, wie beispielsweise von K. Thurneretal. in US-Patentanmel-dung Nr. 2015/0 019 160 A1, «Absolute distance laser interferometer» beschrieben. Die Komplexitât eines solchen Ent-fernungsmesssystems verteuert dessen Konstruktion und dessen Stabilisierung wâhrend des Betriebs. Ein zusâtzliches praktisches Problem besteht darin, dass interferometrische Entfernungsmessverfahren hochempfindlich gegenüber der Neigung des Spiegels sind. Eine Abweichung der Spiegelausrichtung um lediglich 0,1 Grad von den idealen 90 Grad in Bezug auf die optische Achse kann das Interferenzmuster erheblich verândern, d.h. helle Bildbereiche in dunkle Bildbe-reiche ândern.

[0007] (3) Diese Nachteile lassen sich mit Triangulationsverfahren beheben, welche ein optisches System mit zwei un-terschiedlichen optischen Achsen nutzen: In Stereotriangulationssystemen wird ein und derselbe Punkt auf dem Objekt aus zwei unterschiedlichen Richtungen betrachtet. In aktiven Triangulationssystemen fâllt strukturiertes Licht entlang einer Richtung ein, und dessen Bild auf dem untersuchten Objekt wird aus einer anderen Richtung betrachtet. Ein Beispiel für ein solches Triangulationssystem, wird von J. Akedo et al. in US-Patent Nr. 5 424 834, «Optical displacement sensor for measurement of shape and coarseness of a target workpiece surface» beschrieben. Dieses Triangulationsverfahren erfordert mindestens drei optische Linsensysteme, um einen Lichtpunkt auf dem untersuchten Objekt zu erzeugen und das zurückreflektierte Licht auf die Lichtsensoren zu fokussieren. Die Komplexitât des Systems lâsst sich durch Verwen-den von lediglich zwei optischen Linsensystemen, eines zum Erzeugen eines Messlichtstrahls und eines zum Erzeugen und Abbilden eines Lichtpunktes auf dem untersuchten Objekt, verringern, wie beispielsweise im deutschen Patent Nr. DE 4 211 875 A1, «Optischer Abstandssensor», beschrieben. Indem zwei eigenstândige Lichtsensoren verwendet wer-den, ist es moglich, gleichzeitig die absolute Entfernung zu dem Objekt und die lokale Neigung der Objektoberflàche dort zu messen, wo der Messpunkt erzeugt wird. Lôsung des Problems [0008] Gemàss der vorliegenden Erfindung umfasst ein optisches System zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist, Folgendes: eine kohàrente Lichtquelle, die einen Laserstrahl in Richtung des Planspiegels entlang einer optischen Achse projiziert, ein auf der optischen Achse angeordnetes optisches Elément, wo-bei das optische Elément den einfallenden Laserstrahl in zwei Laserstrahlen teilt, deren Ausbreitungsrichtungen in einem bestimmten Winkel zueinander stehen, und den einfallenden Laserstrahl in eine Lichtflâche aufspreizt, deren Ausrichtung senkrecht zu einer Ebene ist, die durch die Ausbreitungsrichtungen der zwei Laserstrahlen erzeugt wird, und einen ein-dimensionalen Lichtsensor, der konfiguriert ist, um eine Intensitàtsverteilung von einfallendem Licht zu erfassen. Die bei-den Laserteilstrahlen breiten sich von dem optischen Elément zum Planspiegel aus, und die beiden von dem Planspiegel reflektierten Laserstrahlen breiten sich zu dem eindimensionalen Lichtsensor aus. Der eindimensionale Lichtsensor erfasst die Intensitàtsverteilung von einfallendem Licht der beiden reflektierten Laserstrahlen mit zwei lokalen Maxima, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung des Planspiegels und dessen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.

[0009] Gemàss der vorliegenden Erfindung kann das optische Elément über dem eindimensionalen Lichtdetektor ange-ordnet sein.

[0010] Gemàss der vorliegenden Erfindung kann das optische Elément eine zylindrische Linse aus einem transparenten Material sein.

[0011] Gemàss der vorliegenden Erfindung kann das optische Elément eine flache Eingangsflâche und eine Austrittsflâ-che, die aus zwei in einem Winkel zueinander stehenden flachen Ebenen besteht, aufweisen. Die flache Eingangsflâche kann eine mit einer Antireflexionsbeschichtung versehene plane Eintrittsflâche und eine mit einer Spiegelbeschichtung versehene plane Reflexionsflàche aufweisen. Eine erste flache plane Flâche der Austrittsflâche kann mit einer Reflexi-onsbeschichtung versehen sein und eine zweite flache plane Flâche der Austrittsflâche kann mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen sein. Der Laserstrahl aus der kohârenten Lichtquelle kann auf der planen Eintrittsflâche auftreffen und sich zu der ersten flachen planen Flâche der Austrittsflâche ausbreiten, ein Teil des auftreffenden Laserstrahls kann sich aus der ersten flachen planen Flâche entlang einer ersten Richtung ausbreiten und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls kann durch die erste flache plane Flâche in Richtung der planen Reflexionsflàche der flachen Eingangsflâche reflektiert werden, und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls kann an der planen Reflexionsflàche reflektiert werden und sich ausgehend von der zweiten flachen planen Austrittsflâche entlang einer zweiten Richtung ausbreiten.

[0012] Gemàss der vorliegenden Erfindung kann der Lichtsensor aus einer eindimensionalen Anordnung von Pixeln be-stehen, die als eine Anordnung von Lichtdioden oder eine CCD-Zeile hergestellt ist. Die Form der Pixel kann rechteckig sein.

Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung [0013] Die beschriebene Komplexitât sowie die Einschrânkungen der Messgenauigkeit bekannter optischer Entfernungs-messverfahren lassen sich durch das oben beschriebene System gemàss der vorliegenden Erfindung beheben, das ein besonders einfaches, robustes und kompaktes optisches Triangulationsverfahren implementiert: Die Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist, wird gemessen, ohne dass ein optisches Linsensystem entweder zum Fokussieren von einfallendem Licht auf den Spiegel oder zum Erzeugen eines Bildes des reflektierten Lichts auf dem Lichtsensor notwendig ist. Zusâtzlich werden zwei wichtige Parameter, nâmlich die Entfernung des Spiegels und der Neigungswinkel des Spiegels, gleichzeitig gemessen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0014] In Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung wird die Erfindung besser verstândlich und es werden andere Aufgaben als die vorstehend genannten ersichtlich. In dieser Beschreibung wird auf die angehângten Zeichnungen verwiesen. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Systems gemàss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf das in Fig. 1 veranschaulichte optische System;

Fig. 3 eine andere Draufsicht auf eine Situation, in der ein reflektierender Spiegel sich in einem Winkel β zur idealen 90-Grad-Ausrichtung in Bezug auf eine optische Achse befindet;

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer ersten optischen Funktion, welche zum Teilen eines einfallen-den Laserstrahls in zwei Strahlen in einem Winkel zueinander erforderlich ist; und

Fig. 5 die Intensitâtsverteilung P(x) von einfallendem Licht als Funktion der seitlichen Position x auf einem eindi-mensionalen Lichtsensor.

Beschreibung von Ausführungsformen [0015] Eine Hauptaufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Systems und Verfahrens zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist.

[0016] Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Entfernungsmesssystems, das ohne optische Abbildungslinsensysteme implementierbar ist, sodass das realisierte System einfach, robust, kompakt und kostengünstig wird.

[0017] Eine andere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Entfernungsmesssystems, das einen Neigungswinkel des Planspiegels tolerieren kann. Dies wird durch gleichzeitiges Messen der Entfernung und des Neigungswinkels des Planspiegels erreicht.

[0018] Noch eine andere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Entfernungsmesssystems, das mit einer geringen seitlichen Ausdehnung nach allen Seiten der optischen Achse implementierbar ist. Auf diese Weise kann die Entfernung eines mit einem Planspiegel versehenen kolbenartigen Objekts, das sich in einem Zylinder bewegt, mit diesem optischen Entfernungsmesssystem, das in Rohrform implementiert ist, gemessen werden.

[0019] In Anbetracht der vorstehenden Aufgaben wird eine Ausführungsform der «vorliegenden Erfindung mit einem in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten optischen System erreicht. Wie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht, beinhaltet sin optisches Entfernungsmesssystem 1 eine kohàrente Lichtquelle 10 (Laserquelle), ein oderzwei optische Elemente20 und 21 vor der kohârenten Lichtquelle 10 und einen eindimensionalen Lichtsensor 30. Das optische Entfernungsmesssystem 1 kann eine absolute Entfernung L zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel 40 versehen ist, ausgehend von dem eindimensionalen Lichtsensor 30, berechnen. Um die Erlâuterung des Systems 1 zu vereinfachen, ist in den Zeichnungen der Planspiegel 40 ohne das Objekt veranschaulicht. In den Fig. 1 und 2 ist der Planspiegel 40 in einem Winkel von 90 Grad zu einer optischen Achse A angeordnet, und der eindimensionale Lichtsensor 30 kann die absoluten Positionen der beiden Lichtflâchen L2' und L3' bestimmen.

[0020] Die kohàrente Lichtquelle 10 sendet einen dünnen Laserstrahl L1 aus, der von den optischen Elementen 20 und 21 modifiziert wird. Ein optisches Elément 21 oder 22 teilt einen eingehenden Laserstrahl L1 in zwei Strahlen L2 und L3, die in einem Winkel 2a zueinander stehen. Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen optischen Eléments ist in Fig. 4 veranschaulicht. Das andere optische Elément 21 oder 22 spreizt einen oder mehrere einfallende Laserstrahlen in einer zu der Ausbreitungsrichtung vertikalen Richtung auf. Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen optischen Eléments ist eine zylindrische Linse, die aus einem transparenten Material wie etwa Glas oder Kunststoff hergestellt ist. Sofern die optischen Vorrichtungen 20 und 21 einander physisch nahe sind, ist ihre Reihenfolge nicht von praktischer Bedeutung. Es ist auch môglich, die beiden mit optischen Elementen 20 und 21 implementierten optischen Funktionen in einem einzigen optischen Elément zu kombinieren. Jedenfalls muss die Richtung des Aufspreizens des eingehenden Laserstrahls L1 in Laserteilstrahlen L2 und L3 senkrecht zu der Ebene sein, die durch die Ausbreitungsrichtungen der Laserteilstrahlen L2 und L3 erzeugt wird.

[0021] Die Laserteilstrahlen L2 und L3 werden durch den Planspiegel 40, der sich auf der optischen Achse bewegen kann und dessen Entfernung in Bezug auf das optische Detektorsystem 30 bestimmt werden muss, zurückreflektiert. Die reflektierten Lichtflâchen L2' und L3' treffen auf dem eindimensionalen Lichtsensor 30 auf und werden an Positionen 31 und 32 erfasst. Die beiden gemessenen Positionen 31 und 32 werden dann eingesetzt, um die absolute Entfernung L des Planspiegels 40 zu dem optischen Detektorsystem 30 zu berechnen, wie in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht. Die Fig. 2 und 3 zeigen die optischen Pfade der beiden Laserteilstrahlen L2 und L3 sowie den Aufbau der virtuellen Lichtquelle 11 zum Berechnen der absoluten Entfernung L des Planspiegels 40 unter Verwendung der Positionen der beiden Lichtflâchen L2' und L3' auf dem eindimensionalen Lichtsensor 30.

[0022] Fig. 2 veranschaulicht den optischen Aufbau, der zum Berechnen der Entfernung L des Planspiegels 40 von dem optischen Detektorsystem 30 verwendet wird. Es wird davon ausgegangen, dass der optische Strahlteiler 21 (oder 20) genau auf der lichtempfindlichen Oberflâche des eindimensionalen Lichtsensors 30 platziert ist. Der Strahlteiler 21 erzeugt zwei Laserteilstrahlen L2 und L3, die sich in zwei unterschiedliche Richtungen ausbreiten, welche durch den Winkel 2a getrennt sind. In dem Fall, dass der reflektierende Spiegel 40 unter dem idealen Winkel von 90 Grad zur optischen Achse A platziert ist, wird auf der optischen Achse A ein virtueller Punkt 11 erzeugt, der dem Punkt entspricht, an dem der Strahlteiler 21 die Laserstrahlen L2 und L3 erzeugt. Die Entfernung zwischen dem virtuellen Punkt 11 und dem Aussen-de-/Erfassungsort (Lichtsensor 30) auf der optischen Achse A ist durch 2L gegeben. In diesem symmetrischen Fall werden die Lichtflâchen L2' und L3' durch den eindimensionalen Lichtsensor 30 an symmetrischen Orten 31 und 32 erfasst. Die gemessene Entfernung D zwischen den Orten 31 und 32 und der bekannte Winkel 2a zwischen den beiden ausgesen-deten Lichtflâchen L2 und L3 kônnen zum Berechnen der Entfernung L des Planspiegels 40 gemâss L = D/(4 tan(a)) verwendet werden.

[0023] In der Praxis ist es hàufig nicht môglich, sicherzustellen, dass der Spiegel 40 unter dem idealen Winkel von 90Grad in Bezug auf die optische Achse A ausgerichtet ist, und dieser Neigungswinkel des Spiegels 40 kann sich im Lauf der Zeit verândern. In dem optischen System gemâss einer Ausführungsform dieser Erfindung wirddiese Situation bewâltigt, indem absolute Orte d1 und d2 verwendet werden, an denen die reflektierten Lichtflâchen L2' und L3' von dem eindimensionalen Lichtsensor 30 erfasst werden, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Falls der Neigungswinkel β des Spiegels 40 nicht null Grad betrâgt, sind auch die erfassten Orte d1 und d2 nicht gleich, und ihre Werte kônnen zusammen mit der genauen Kenntnis des Triangulationswinkels a verwendet werden, um die Entfernung L und den Spiegelneigungswinkel β zu berechnen, welche beide trigonometrische Funktionen der anderen Parameter, d.h. L (a, d1, d2) und β (a, d1, d2), sind.

[0024] Eine zentrale Komponente in dem optischen Entfernungsmesssystem 10 gemâss einer Ausführungsform der vor-liegenden Erfindung ist eine der optischen Komponenten 21 oder 22, die imstande ist, den eingehenden Laserstrahl L1 in die zwei sich ausbreitenden Laserstrahlen L2 und L3 mit dem Winkel 2a zwischen ihren Ausbreitungsrichtungen zu teilen. Eine erste bevorzugte Ausführungsform einer solchen optischen Komponente ist ein sinusfôrmiges Phasengitter mit einer (Spitze-zu-Spitze-)Modulationstiefe von ηλ/2 und einer Gitterperiode λ/tan (a), wobei n den Brechungsindex des Gitterma-terials angibt und λ die Wellenlânge des Laserlichts ist. Bekanntermassen verândert sich die Wellenlânge einer Laserdi-ode in Abhângigkeit von der Temperatur, und folglich verândert sich auch der Triangulationswinkel 2a in Abhângigkeit von der Temperatur der Laserdiode. Für den Fall, dass diese Temperaturverânderungen nicht einigermassen niedrig gehalten werden kônnen, ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der strahlteilenden Komponente in Fig. 4 veranschaulicht, bei der der Triangulationswinkel 2a nur geringfügig von der Wellenlânge des Laserlichts abhângt. Der Strahlteiler besteht aus einer optisch transparenten Komponente 50, bestehend aus einem Stück optisch transparenten Materials mit einer flachen Eingangsflâche, deren unterer Teil transparent ist und deren obérer Teil reflektierend ausgelegt ist, und mit einer Austrittsflâche, bestehend aus zwei in einem kleinen Winkel zueinander stehenden flachen Ebenen, von denen eine halb-durchlâssig und die andere transparent ist. In dieser transparenten Komponente 50 trifft der einfallende Laserstrahl L1 in einem Winkel auf einer planen Eintrittsflâche 51 auf, welche mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung versehen ist. Im Innern der Komponente 50 breitet sich der Laserstrahl L1 zu einer planen Flâche 52 aus, welche mit einer zu 50% reflektierenden Beschichtung versehen ist, sodass sich ein Teil des Laserstrahls L1 entlang einer ersten Richtung D1 aus der Komponente 50 ausbreitet, und der andere Teil des Laserstrahls L1 auf eine plane Flâche 53 reflektiert wird, welche mit einer Spiegelbeschichtung versehen ist. Der zweite Laserstrahl wird an der planen Flâche 53 reflektiert, von wo aus er sich zu einer planen Flâche 54 ausbreitet, die mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung versehen ist. Der zweite Laserstrahl breitet sich aus der Komponente 50 in der Richtung D2 derart aus, dass der Winkel zwischen den Richtungen D1 und D2 gleich dem Triangulationswinkel 2a ist. Dieser Triangulationswinkel ist verschieden von null, wenn mindestens eine der planen Flâchen 51, 52, 53 und 54 in einem Winkel zu den anderen planen Flâchen ausgerichtet ist.

[0025] In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die optischen Elemente 20 und 21 eine Funktion, mit der die beiden Laserstrahlen unabhângig ein-und ausgeschaltet werden kônnen. Auf diese Weisebraucht der Lichtsensor 30jeweils nur eine Laserstrahlposition zu erfassen, da eine erste Messung durchgeführt wird, bei der nur der erste Laserstrahl eingeschaltet ist (wàhrend der zweite Laserstrahl ausgeschaltet ist), gefolgtvon einer zweiten Messung, bei der der zweite Laserstrahl eingeschaltet ist (wâhrend der erste Laserstrahl ausgeschaltet ist). Diese zeitsequentielle Messung erlaubt die Verwendung zusâtzlicher Arten von eindimensionalen Lichtsensoren, wie etwa beispielsweise einer PSD (positionsempfindliche Vorrichtung von engl. «Position Sensitive Device»). Eine einfache Alternative zur Realisierung einer solchen Ausführungsform besteht darin, zwei unabhângige Laserquellen zu verwenden, die ihre Laserstrahlen unter dem Triangulationswinkel 2a zueinander aussenden, und vor jede Laserquelle ein lichtflâchenbildendes optisches Elément zu platzieren.

[0026] Dereindimensionale Lichtsensor 30 fühlt die von den einfallenden Lichtflâchen L2' und L3' erzeugte Lichtverteilung an den Positionen 31 und 32 ab. Eine bevorzugte Ausführungsform des Lichtsensors 30 besteht aus einer eindimensionalen Anordnung von Pixeln, die beispielsweise als eine Photodiodenanordnung oder eine CCD-Zeile (CCD; ladungstrâ-gergekoppelte Vorrichtung von engl. «Charge-Coupled Device») hergestellt ist. Da die Verwendung der Laserstrahlen zu Specklemustern auf dem Lichtdetektor führt, ist es vorteilhaft, wenn die Pixelform rechteckig ist, wobei die lange Seite zur Richtung der Lichtflâchen L2' und L3' parallel ist, sodass der Einfluss solcher Specklemuster durch râumliche Mittelung verringert wird.

[0027] Der Lichtsensor 30 erfasst eine Lichtverteilung wie schematisch in Fig. 5 veranschaulicht. Das Lichtdetektorsignal P(x) weist in Abhângigkeit von der lateralen Position x zwei lokale Maxima an den Positionen x1 und x2 auf, welche mit be-kannten Signalverarbeitungsalgorithmen bestimmbar sind. Beispielsweise wurde ein Algorithmus, mit dem sich das lokale Maximum einer eindimensionalen Lichtintensitâtsverteilung P(x) mit einer Genauigkeit von besser als 1% der Pixelperiode bestimmen lâsst, von P. Seitz in «Optical superresolution using solid-state caméras and digital signal Processing», Optical Engineering, Bd. 27, Nr. 5, S. 535-540, Juli 1938, beschrieben.

[0028] Auf diese Weise lassen sich die Positionen x1 und x2 der beiden Maxima von P(x) mit hoher Prâzision bestimmen. Diese Information wird dann zusammen mit der Kenntnis der Position xO der optischen Achse A in Bezug auf den Licht-sensor 30 dazu verwendet, um d1 = xO - x1 und d2 = x2 - xO zu berechnen. Da die Entfernung L (a, d1, d2) und der Spiegelneigungswinkel β (a, d1, d2) beide Funktionen der beiden Parameter d1 und d2 sowie des Winkels a sind, kann mit dieser Kenntnis der Wert von L und β berechnet werden, [0029] Als ein praktisches Beispiel für die Leistungsfâhigkeit des optischen Entfernungsmesssystems 1 gemàss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung seien ein Winkel a von 2 Grad und eine Lichtdetektoranordnung mit einer Pixelperiode von 5 pm betrachtet. Unter der Annahme, dass die Prâzision, mit der die Positionen x1 und x2 der beiden Maxima von P(x) bestimmt werden kônnen, 1% der Pixelperiode betrâgt, lâsst sich die Entfernung D = x2 - x1 mit einer Prâzision AD = V2 x 50 nm s 70,7 nm bestimmen. Falls der Spiegelneigungswinkel entsprechend dem in Fig. 2 ver-anschaulichten symmetrischen Fall null betrâgt, ist die Prâzision AD, mit der sich die Entfernung L messen lâsst, durch AL = AD/(4tan(a)) s 0,51 pm gegeben.

[0030] Unter der Annahme, dass die Lichtdetektoranordnung aus 2048 Pixeln besteht, betrâgt die Gesamtlânge der Sen-sorzeile und mithin auch der Maximalwert von D 10,24 mm. Folglich ist die in dieser Konfiguration messbare maximale Entfernung L durch Lmax s 70 mm gegeben. Dieses Beispiel veranschaulicht die Kompaktheit, mit der die optische Entfer-nungsmessvorrichtung gemâss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisierbar ist; in dem untersuchten Beispiel benotigt sie lediglich einen rohrfôrmigen Raum eines Durchmessers von mindestens 10,24 mm, der in einer nutz-baren Messstrecke von etwa 70 mm resultiert, sofern der Neigungswinkel des Planspiegels null ist.

Bezugszeichenliste [0031] 1 optisches Entfernungsmesssystem 10 kohârente Lichtquelle 20, 21 optisches Elément 30 eindimensionaler Lichtsensor 31,32 Position 40 Planspiegel 50 Optische Komponente 51,52,53,54 plane Flâche L1 Laserstrahl L2, L3, L2', L3' Lichtflâche

Claims

Patentansprüche

1. Optisches System (1) zum Messen einer Entfernung (L) zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel (40) versehen ist, umfassend: eine kohàrente Lichtquelle (10), die einen Laserstrahl (L1) in Richtung des Planspiegels (40) entlang einer optischen Achse projiziert; ein optisches Elément (20, 21), das auf der optischen Achse angeordnet ist, wobei das optische Elément (20, 21) den einfallenden Laserstrahl (L1) in zwei Laserstrahlen (L2, L3) teilt, deren Ausbreitungsrichtungen in einem bestimmten Winkel zueinander stehen, und jeden Laserteilstrahl (L2, L3) in eine Lichtflâche aufspreizt, deren Ausrichtung senk-recht zu einer Ebene ist, die durch die Ausbreitungsrichtungen der beiden Laserteilstrahlen (L2, L3) erzeugt wird; und einen eindimensionalen Lichtsensor (30), der konfiguriert ist, um eine Intensitâtsverteilung von einfallendem Licht zu erfassen, wobei sich die beiden Laserteilstrahlen (L2, L3) von dem optischen Elément (20, 21) zu dem Planspiegel (40) aus-breiten und sich die beiden von dem Planspiegel (40) reflektierten Laserstrahlen zu dem eindimensionalen Lichtsensor (30) ausbreiten, und wobei der eindimensionale Lichtsensor (30) die Intensitâtsverteilung von einfallendem Licht der beiden reflektierten Laserstrahlen (L2', L3') mit zwei lokalen Maxima erfasst, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung (L) des Planspiegels (40) und dessen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.

2. Optisches System nach Anspruch 1, wobei das optische Elément (21) über dem eindimensionalen Lichtsensor (30) platziert ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Elément (20, 21) eine zylindrische Linse aus einem transparenten Material ist.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das optische Elément (50) eine flache Eingangsflàche und eine Austrittsflâche, die aus zwei in einem Winkel zueinander stehenden flachen Ebenen besteht, aufweist.

5. Optisches System nach Anspruch 4, wobei die flache Eingangsflàche eine mit einer Antireflexionsbeschichtung versehene plane Eintrittsflâche (51) und eine mit einer Spiegelbeschichtung versehene plane Reflexionsflàche (53) aufweist, wobei eine erste flache plane Flache (52) der Austrittsflâche mit einer Reflexionsbeschichtung versehen ist und eine zweite flache plane Flache (54) der Austrittsflâche mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen ist, und wobei der Laserstrahl (L1) aus der kohârenten Lichtquelle (10) an der planen Eintrittsflâche (51) einfâllt und sich zu der ersten flachen planen Flâche (52) der Austrittsflâche ausbreitet, sich ein Teil des einfallenden Laserstrahls entlang einer ersten Richtung aus der ersten flachen planen Flâche (52) ausbreitet und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls durch die erste flache plane Flâche (52) in Richtung der planen Reflexionsflàche (53) der flachen Eingangsflàche reflektiert wird und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls an der planen Reflexionsflàche (53) reflektiert wird und sich ausgehend von der zweiten flachen planen Flâche (54) der Austrittsflâche entlang einer zwei-ten Richtung ausbreitet.

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Lichtsensor (10) aus einer eindimensionalen Anord-nung von Pixeln besteht, die als eine Photodiodenanordnung oder eine CCD-Zeile hergestellt sind.

7. Optisches System nach Anspruch 6, wobei die Form der Pixel rechteckig ist.

8. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische Elément eine Funktion enthâlt, mit der die beiden Laserstrahlen unabhângig ein- und ausgeschaltet werden kônnen.

9. Optisches System zum Messen einer Entfernung (L) zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel (40) versehen ist, umfassend: zwei kohârente Lichtquellen (10), diejeweils einen Laserstrahl in Richtung des Planspiegels entlang einer optischen Achse projizieren; ein optisches Elément (20, 21), das auf den beiden optischen Achsen angeordnet ist, wobei das optische Elément (20, 21) den einfallenden Laserstrahl in eine Lichtflâche aufspreizt, deren Ausrichtung senkrecht zu einer Ebene ist, die von Ausbreitungsrichtungen der beiden Laserstrahlen erzeugt wird; und einen eindimensionalen Lichtsensor (30), der konfiguriert ist, um eine Intensitâtsverteilung von einfallendem Lichtzu erfassen, wobei sich die beiden Laserstrahlen von dem optischen Elément (20,21) zu dem Planspiegel (40) ausbreiten und sich die beiden von dem Planspiegel (40) reflektierten Laserstrahlen zu dem eindimensionalen Lichtsensor (30) ausbreiten, und wobei der eindimensionale Lichtsensor (30) die Intensitâtsverteilung von einfallendem Licht der beiden reflektierten Laserstrahlen mit zwei lokalen Maxima erfasst, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung (L) des Planspiegels (40) und seinen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.