-
Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur optischen Distanzmessung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. von einem bekannten Verfahren
zur optischen Distanzmessung mittels Phasenmodulation.
-
Optische
Entfernungsmessgeräte
als solche sind seit längerer
Zeit bekannt und werden inzwischen auch kommerziell, in verschiedenen
Ausführungsformen
vertrieben. Diese Geräte
senden einen modulierten Lichtstrahl aus, der auf die Oberfläche eines
zu vermessenden Zielobjektes, dessen Abstand zum Gerät zu ermitteln
ist, ausgerichtet wird. Das von der angepeilten Zielfläche reflektierte
oder rückgestreute
Licht wird von dem Messgerät
teilweise wieder detektiert und zur Ermittlung des gesuchten Abstandes
verwendet.
-
Der
Anwendungsbereich derartiger Entfernungsmessgeräte umfasst im Allgemeinen Entfernungen
im Bereich von typischerweise einigen cm bis zu mehreren hundert
Metern.
-
In
Abhängigkeit
von den zu messenden Laufstrecken und der Rückstrahlfähigkeit des Zielobjekts ergeben
sich unterschiedliche Anforderungen an die Lichtquelle, die Qualität des Messstrahls
sowie an den Detektor.
-
Die
aus dem Stand der Technik bekannten optischen Entfernungsmessgeräte lassen
sich grundsätzlich,
entsprechend der Anordnung, des im Gerät notwendigerweise vorhandenen
Sende- und Empfangskanals in zwei Kategorien einteilen.
-
Zum
einen gibt es Vorrichtungen, bei denen der Sendekanal in einem gewissen
Abstand zu dem Empfangskanal angeordnet ist, sodass die jeweiligen optischen
Achsen parallel zueinander verlaufen. Zum anderen gibt es monoaxiale
Messvorrichtungen, bei denen der Empfangskanal koaxial zum Sendekanal verläuft.
-
Die
biaxialen Messsysteme haben den Vorteil, dass es eine aufwendigen
Strahlungsteilung zur Selektion des rücklaufenden Messsignals nicht
bedarf, sodass beispielsweise auch ein optisches Übersprechen
aus dem Sendekanal direkt in den Empfangskanal besser unterdrückt werden
kann.
-
Andererseits
besteht bei biaxialen Entfernungsmessgeräten unter anderem der Nachteil,
dass es für
den Bereich kurzer Messentfernungen aufgrund einer Parallaxe zu
Detektionsproblemen kommen kann. Die Abbildung des Zielobjektes
auf die Detektoroberfläche
des im Gerät
integrierten Messempfängers,
die für
große
Zielentfernungen noch eindeutig auf dem Detektor liegt, wandert
mit kürzer werdender
Messentfernung, zunehmend von der optischen Achse des Empfangsastes
weg und erfährt zudem
eine Variation des Strahlquerschnittes in der Detektorebene.
-
Dies
bedingt, dass ohne weitere Maßnahme am
Gerät,
im Nahbereich der Detektion, d. h. für einen kleinen Abstand zwischen
Zielobjekt und Messgerät,
das Messsignal gegen Null gehen kann.
-
Aus
der
DE4316348A1 ist
eine Vorrichtung zur Distanzmessung mit einem von einem Halbleiterlaser
erzeugten, sichtbaren Messstrahlenbündel bekannt, deren Empfangseinrichtung
einen Lichtleiter mit nachgeschaltetem optoelektronischen Wandler enthält. Die
Lichteintrittsfläche
in die Faser des Lichtleiters ist in der Abbildungsebene des Empfangsobjektivs
dieses Gerätes
für große Objektentfernungen angeordnet
und aus dieser Position heraus, quer zur optischen Achse, verschiebbar.
-
Auf
diese Weise ist es in der Vorrichtung der
DE4313348A1 möglich, die
bei kurzen Objektdistanzen zunehmend schräger in das Empfangsobjektiv einfallenden
Messstrahlen über
die Nachführung
der optischen Faser bei räumlich
nicht verändertem
Detektor auf die lichtempfindliche Oberfläche des Detektors zu leiten.
-
Die
notwendige, elektronische Ansteuerung der Nachführung und die Verwendung von
zusätzlichen
und insbesondere auch beweglichen Teilen in dem Entfernungsmessgerät der
DE4316348A1 bedeuten
einen nicht unerheblichen Aufwand, der die Komplexität und damit
die Kosten sowie die Anfälligkeit
eines derartigen Systems erhöht.
-
Des
weiteren sind optoelektronische Abstandssensoren bekannt, die nach
dem sogenannten Triangulationsprinzip arbeiten. Aus der
DE3703422A1 ist
ein solcher optoelektronischer Abstandssensor nach dem Triangulationsprinzip
bekannt, der mindestens eine erste Pilotstrahlquelle
7 besitzt,
die den zum Messstrahl geneigten Abbildungsstrahlengang des Sensors
sichtbar macht. Bei derartigen Sensoren, wird ein zur Senderichtung
versetzter, ortsensitiver Detektor benutzt. Da der Auftreffpunkt
des vom Zielobjekt reflektierten Messstrahls eine Funktion des Abstandes
des Detektors vom Zielobjekt ist, kann durch dessen Position auf die
Entfernung zwischen dem Detektor und dem Zielobjekt geschlossen
werden.
-
Aus
der
DE29615514U1 ist
ein elektronisches Abstandsmessgerät bekannt, welches einen Messspatel
aufweist, der seitlich am Gehäuse
des Messgerätes
angeordnet ist und relativ zu diesem verschoben werden kann. Der
Messspatel dient dazu, in einem definierten Abstand von der Messebene des
Abstandsmessgerätes
eine Bezugsebene aufzubauen, wobei dann durch Subtraktion des Abstandes zwischen
diesen beiden Ebenen ermittelten Messwert des Messgerätes, unter
Messung eines über
Minimum liegenden Messwertes sehr genau kleine Abstände erfasst
werden können.
Die Subtraktion dieses Abstandes zwischen den Ebenen erfolgt dabei zweckmäßiger Weise
automatisch, indem mit Hilfe eines Tastschalter der Ausfahrzustand
des Messspatels aus dem Messgerätgehäuse abgegriffen
und automatisch berücksichtigt
werden kann. Auf diese Weise ist es mit dem Messgerät der
DE29651514U1 möglich, auch
bei Verwendung des Phasenvergleichsverfahrens zur Bestimmung der
gesuchten Distanz sehr kleine Abstände mit einer hohen Genauigkeit
zu bestimmen.
-
Derartige
Triangulationssensoren werden typischerweise in Industriesensoren
zur Abstandsmessung, beispielsweise in Werkzeugmaschinen zur Bestimmung
von kurzen Verfahrwegen eines beweglichen Teils einer solchen Werkzeugmaschine,
genutzt. Das Messverfahren der Triangulation erlaubt Messungen nur
in einem kleinen Messbereich, dafür können jedoch hohe Genauigkeiten
mit dieser Messmethode erreicht werden.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung, insbesondere eine solche Vorrichtung
nach dem Phasenmessprinzip, weist zumindest eine Sendeeinheit zur
Aussendung modulierter optischer Messstrahlung in Richtung auf ein Zielobjekt
auf. Des weiteren verfügt
eine solche Vorrichtung über
eine Empfangseinheit zum Empfangen der vom Zielobjekt rücklaufenden
optischen Strahlung. Durch Vergleich und Auswertung physikalischer Größen des
gesendeten Messstrahls mit denen des Empfangenen Messstrahls, beispielsweise
durch Auswertung der dem Messstrahl aufgeprägten Phasenverschiebung, kann
auf die Distanz zwischen der Vorrichtung und dem Zielobjekt geschlossen
werden.
-
In
vorteilhafter Weise verfügt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung über
Mittel, die es ermöglichen,
die Entfernung zum Zielobjekt auch über ein Triangulationsverfahren
zu bestimmen.
-
Auf
diese Weise ist es möglich,
auch im Bereich kurzer Abstände
der Vorrichtung zu einem Zielobjekt sehr genaue Informationen über den
Abstand zu erlangen. Insbesondere können auf diese Weise, die bei
einem Phasenmessverfahren auftretenden Detektionsprobleme im Bereich
kurzer Distanzen in vorteilhafter Weise umgangen werden.
-
Mit
einer solchen, erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist somit eine exakte Distanzbestimmung sowohl im Bereich großer Objektdistanzen,
beispielsweise im Bereich von typischerweise 100m, wie auch im Bereich
sehr kleiner, d. h. beispielsweise gegen Null gehender Abstände zwischen
dem Entfernungsmesser und einem Zielobjekt, möglich.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung ermöglicht
somit in vorteilhafter Weise ein Verfahren zur Bestimmung von Distanzen,
bei dem zwischen einem Phasenmessverfahren zur Ermittlung einer
Distanz zwischen einem Messobjekt, einem Zielobjekt sowie einem
Triangulationsverfahren zur Ermittlung einer solchen Distanz umgeschaltet
werden kann.
-
Vorteilhafte
Ausführungen
und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
mit den in den Unteransprüchen
aufgeführten Merkmalen.
-
In
vorteilhafter Weise wird für
die Triangulationsmessung dieselbe Lichtquelle verwendet, die auch
für die
Entfernungsmessung nach dem Laufzeitverfahren, insbesondere für die Entfernungsmessung
nach dem Phasenmessprinzip verwendet wird. Auf diese Weise ist es
möglich,
die beiden unterschiedlichen Arten der Entfernungsmessung mit ein und
demselben Sendekanal durchzuführen,
und nur für
den Empfangskanal unterschiedliche Detektoren für die Phasenmessung und die
Triangulation vorzusehen.
-
Für die Detektion
des Triangulationssignals wird ein ortsensitiver Sensor, beispielsweise
ein Flächendetektor
in der Art eines CCD-Bauelementes oder aber auch ein Zeilendetektor,
wie beispielsweise eine Diodenzeile verwendet. Darüber hinaus
weisen die Mittel zur Bestimmung einer gesuchten Entfernung zu einem
Zielobjekt mittels des Triangulationsverfahren zumindest eine Abbildungsoptik
auf die den vom Zielobjekt rücklaufenden
Messstrahl auf den ortsensitiven Sensor bündeln.
-
In
vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung
in einem Messgerät
zu integrieren, welches beispielsweise zusätzlich über einen mechanischen, verschiebbaren
Messanschlag verfügt,
sodass auch ein messen eines gegen Null gehenden Abstandes, durch
das Einführen
eines mechanischen Offsets zwischen dem Messgerät und dem Zielobjekt ermöglicht wird.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es in vorteilhafter Weise, sowohl sehr große als auch sehr kleine Entfernungen
zu einem Zielobjekt mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.
-
Insbesondere
gestattet das erfindungsgemäße Verfahren
zur optischen Distanzmessung zwischen einem Phasenmessverfahren,
insbesondere zur Ermittlung großer
Distanzen, und einem Triangulationsverfahren, insbesondere zur Ermittlung
sehr kleiner Distanzen zu einem Messobjekt zu wechseln.
-
Zeichnung
-
In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
bzw. des zugrunde liegenden erfindungsgemäßen Verfahrens zur optischen
Distanzmessung dargestellt, welche in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert werden
sollen. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese
Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren, sinnvollen Kombinationen
zusammenfassen, die somit als ebenfalls in der Beschreibung offenbart anzusehen
sind.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Distanzmessung nach dem Laufzeitmessverfahren einer schematischen
Darstellung,
-
2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer schematischen Blockdarstellung.
-
In 1 ist
in schematischer Weise ein optisches Entfernungsmessgerät 10 mit
den wichtigsten seiner Komponenten zur Beschreibung seines prinzipiellen
Aufbaus dargestellt. Die Vorrichtung 10 zur optischen Entfernungsmessung
weist ein Gehäuse 70 auf
in dem ein Sendeast 14 zur Erzeugung eines optischen Messsignals 36 sowie
eine Empfangseinheit 18 zur Detektion des von einem Zielobjekt 20 rücklaufenden
Messsignals 17 ausgebildet sind.
-
Der
Sendeast 14 weist eine Sendeeinheit 12, mit, neben
einer Reihe von nicht weiter dargestellten Komponenten, einer Lichtquelle 22 auf
die im Ausführungsbeispiel
der 1 durch eine Halbleiterlaserdiode 24 realisiert
ist. Die Verwendung anderer Lichtquellen im Sendeast 14 bzw.
der Sendeeinheit 12 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber ebenso
möglich.
Die Laserdiode 24 des Ausführungsbeispiels nach 1 sendet
einen Laserstrahl in Form eines für das menschliche Auge sichtbaren Lichtbündels 26 aus.
Dazu wird die Laserdiode 24 über ein Steuergerät 28 angetrieben,
welches durch eine entsprechende Elektronik eine Modulation des elektrischen
Eingangssignals 30 auf die Diode 24 erzeugt. Das
Steuergerät 28 wiederum
erhält
die benötigten
Frequenzsignale der Laserdiode von einer Steuer- und Auswerteeinheit 58 des
erfindungsgemäßen Messgeräts. In anderen
Ausführungsbeispielen
kann das Steuergerät 28 auch
direkt integraler Bestandteil der Steuer- und Auswerteeinheit 58 sein.
-
Die
Steuer- und Auswerteeinheit
58 umfasst eine Schaltungsanordnung
59 die
u.a. zumindest einen Quarzoszillator zur Bereitstellung der benötigten Frequenzsignale
aufweist. Mit diesen Signalen, von denen typischer Weise mehrere,
mit unterschiedlichen Frequenzen während einer Entfernungsmessung
genutzt werden, wird das optische Messsignal in bekannter Weise
moduliert. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Vorrichtung und
das entsprechende Verfahren zur Erzeugung unterschiedlicher Messfrequenzen
sind beispielsweise der
DE
198 11 550 C2 zu entnehmen, so dass an dieser Stelle lediglich
auf dieses Zitat verwiesen werden soll und der Inhalt der zitierten
Schrift auch Inhalt dieser Anmeldung sein soll. Im Rahmen der hier
vorzunehmenden Beschreibung wird daher auf die Einzelheiten der
Frequenzerzeugung sowie des Messverfahrens nicht näher eingegangen.
-
Das
aus der Halbleiterdiode 24 austretende, intensitätsmodulierte
Lichtbündel 26 durchläuft eine erste
Optik 32, die zu einer Verbesserung des Strahlprofils des
Messstrahlbündels
führt.
Eine solche Optik ist heutzutage integraler Bestandteil einer Laserdiode.
Das Messstrahlbündel 26 durchläuft anschließend ein
Kollimationsobjektiv 34, welches ein nahezu paralleles
Lichtstrahlenbündel 36 erzeugt.
-
Im
Sendeast 14 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 befindet
sich zudem eine Vorrichtung 39 mit Schaltmitteln 38 zur
Erzeugung einer geräteinternen
Referenzstrecke 40, mit der eine interne Kalibrierung des
Messgeräts
durchgeführt werden
kann. Sind die Schaltmittel 38, die in 1 nur
symbolisch dargestellt sind, derart eingestellt, dass das Messstrahlenbündel 36 in
die Referenzstrecke 40 eingekoppelt wird, so wird die Messstrahlung über das
Empfangsobjektiv 50 direkt auf den Detektor 54 der
Empfangseineinheit 18 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelenkt. Aufgrund
der sehr genau bekannten optischen Länge der Referenzstrecke 40 kann
ein dermaßen
gewonnenes Referenzsignal zur Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und insbesondere für
die Auswertung einer zu ermittelnden Phasenverschiebung genutzt
werden.
-
Sind
die Schaltmittel 38 jedoch, wie in 1 dargestellt,
betätigt,
so wird das Messsignal 36 durch ein optisches Fenster 42 aus
dem Gehäuse 70 der Vorrichtung 10 ausgekoppelt.
Dies kann beispielsweise durch Betätigung eines in 1 nicht
weiter dargestellten Bedienelements des Tastaturfelds der erfindungsgemäßen Vorrichtung
geschehen.
-
Das
Messstrahlbündel 36 tritt
sodann als moduliertes Messsignal 16 aus dem Messgerät 10 aus und
fällt auf
das gewünschte
Zielobjekt 20, dessen Entfernung zum Messgerät 10 ermittelt
werden soll. Das an dem gewünschten
Zielobjekt 20 reflektierte oder auch gestreute Signal 17 gelangt
zu einem gewissen Teil durch ein Eintrittsfenster 46 wieder
in das Gehäuse 70 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Die
durch das Eintrittsfenster 46 in der Stirnseite 48 der
Vorrichtung 10 eintreffende Messstrahlung bildet ein rücklaufendes
Messstrahlenbündel 44,
welches auf ein Empfangsobjektiv 50 gelenkt wird. Das Empfangsobjektiv 50 bündelt das
rücklaufende
Messstrahlenbündel 44 auf
die aktive Fläche
einer Empfangseinrichtung 54.
-
Die
Empfangseinheit 18 der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist einen
Detektor 54, beispielsweise eine Photodiode 52 auf,
die in bekannter Weise das einkommende Lichtsignal 17 in
ein elektrisches Signal umwandelt. Das vom Detektor 54 konvertierte,
nunmehr elektronische Signal wird dann über entsprechende elektrische
Verbindungsmittel 56 an eine Steuer- und Auswerteeinheit 58 der
Vorrichtung 10 weitergeleitet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 58 ermittelt
aus dem rücklaufenden
optischen Signal 17 und insbesondere aus der dem rücklaufenden
Signal aufgeprägten
Phasenverschiebung im Vergleich zur Phase des ursprünglich ausgesendeten
Signals 16, die gesuchte Distanz zwischen der Vorrichtung 10 und
dem Zielobjekt 20. Die so ermittelte Distanz kann beispielsweise
in einer optischen Anzeigevorrichtung 60 dem Benutzer des
Geräts
mitgeteilt werden.
-
Zusätzlich zu
diesem bisher beschriebenen Aufbau, der im wesentlichen der Laufzeitbestimmung des
Messsignals zwischen Messvorrichtung 10 und Zielobjekt 20,
und insbesondere einer solchen Laufzeitbestimmung über eine
Phasenmessung dient, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 noch eine
zusätzliche
Empfangseinheit 19 mit einen Triangulationssensor 66 auf.
Diese zusätzliche
Empfangseinheit 19 besteht im wesentlichen aus einer Abbildungslinse 51 für die Triangulation
und einem positionsempfindlichen Detektor 55. Anstelle
der Abbildungslinse kann alternativ oder aber auch ergänzend zusammen
mit der Abbildungslinse eine Lochblende 53 als Abbildungsblende
vorgesehen sein, die die erforderliche Tiefenschärfe gewährleistet. Die fakultative
Lochblende ist in 1 ebenfalls dargestellt.
-
Während die
Beleuchtungslinse 50 für
den Laufzeit-Photodetektor 54 möglichst nahe am Laserstrahlbündel 36 angeordnet
sein sollte, um Parallaxenfehler weitgehend zu minimieren, erfordert
der Triangulationssensor 66 eine Abbildungslinse 51,
die einen gewissen lateralen Abstand vom ausgesendeten Messstrahlenbündel 36 aufweist.
Die Abbildungslinse 51 bündelt ein vom Zielobjekt zurücklaufendes Messstrahlenbündel 45 auf
dem positionsempfindlichen Detektor 55 und weist ihm somit
einen definierten Ort 62 auf der Detektorfläche zu.
Bei einem solchen Detektor 55 kann es sich beispielsweise
um eine Diodenzeile handeln, die eine laterale Ausdehnung in der
vom Sendestrahl 16 und Empfangsstrahl 17 aufgespannten
Ebene besitzt. Auch ist es möglich,
einen zeilenförmigen
oder auch in zwei Dimensionen aufgespannten Flächendektor in Form eines CCD-Chips
(Charge Coupled Divice) für
die Triangulation zu verwenden.
-
Bei
der beschriebenen Anordnung von Abbildungslinse 51 bzw.
Abbildungslinse und/oder Abbildungsblende 53 und ortsempfindlichem
Sensor 55 ist der Auftreffpunkt 62 des fokussierten
Messstrahlenbündels 45 auf
dem ortsempfindlichen Sensor 55 eine Funktion des Abstandes
des Zielobjektes 20 von der Messvorrichtung 10.
In vorteilhafter Weise sollte eine derartige Anordnung des Triangulationssensors 66 gewählt werden,
bei dem der Auftreffpunkt 62 auf dem Detektorfeld eine
lineare Funktion des Abstandes zwischen der Messvorrichtung 10 und
dem Zielobjekt 20 ist.
-
Durch
Detektion und Auswertung des Auftreffpunktes 62 kann somit
auch mittels der weiteren Empfangseinheit 19 in eindeutiger
Weise auf den gesuchten Abstand zu einem Zielobjekt geschlossen werden.
Dazu wird die Information über
den optischen Auftreffpunkt 62 auf dem Triangulationssensor 66 in
ein elektrisches Signal umgewandelt und über entsprechende Verbindungsmittel 57 an
die Steuer- und Auswerteeinheit 58 der erfindungsgemäßen Vorrichtung übermittelt.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 58 ermittelt aus der Position
des Auftreffpunktes 62 auf dem Detektor, sowie den bekannten
Abständen von
Detektor und Abbildungslinse 51 zum Gerätegehäuse 70 unter Berücksichtigung
der entsprechenden Abbildungseigenschaften der Linse 51,
die gesuchte Distanz zwischen der Vorrichtung 10 und dem Zielobjekt 20.
Die so ermittelte Distanz kann beispielsweise in der optischen Anzeigevorrichtung 60 der
Vorrichtung dem Benutzer des Geräts
zur Kenntnis gebracht werden.
-
2 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Messgerätes in einer stark vereinfachten,
schematisierten Darstellung. Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise
in einem optischen Messwerkzeug integriert sein und in Form eines handgehaltenen
optischen Entfernungsmessers, vertrieben werden. Mit Hilfe der Darstellung
der 2 soll nun auch das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutert werden.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist ein Gehäuse 70 auf,
welches das Gehäuse
eines Messwerkzeuges sein kann. Das Gehäuse 70 besitzt ein transparentes
Austrittsfenster 42, das in der Ausführungsform nach 2 auch
gleichzeitig als Eintrittsfenster für die vom Zielobjekt rücklaufende
Messstrahlung in die Vorrichtung dient. In alternativen Ausführungsformen
können,
wie beispielsweise auch in 1 gezeigt,
getrennte Austritts- und Eintrittsfenster für die Messstrahlung verwendet
werden. Über eine
Sendeeinheit 12, mit einer modulierten Lichtquelle 22,
die im gezeigten Ausführungsbeispiel
insbesondere als eine Laserdiode 24 ausgebildet ist, und
in die eine Strahlformungsoptik 32, sowie eine entsprechende
Kollimationsoptik 34 bereits eingebaut sein können, wird
ein Messstrahlenbündel 16 von
der Vorrichtung 10 auf ein Zielobjekt 20 bzw. 20' ausgesendet.
In 2 sind zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zwei verschiedene Zielobjekte 20 bzw. 20' eingezeichnet,
wobei das Zielobjekt 20 ein von der Messvorrichtung 10 weit, d.h.
zumindest im Bereich von Metern, entferntes Zielobjekt, das Zielobjekt 20' ein im Bereich
von Zentimetern, oder sogar darunter, entferntes Zielobjekt symbolisieren
soll.
-
Zur
Aussendung der Messstrahlung von der Vorrichtung 10 auf
ein Zielobjekt 20 bzw. 20' hin besitzt die Vorrichtung bzw.
ein die Vorrichtung beinhaltendes Messwerkzeug entsprechende Bedienelemente, über die
ein Messvorgang gestartet werden kann. Das an einem Zielobjekt 20 bzw. 20' reflektierte oder
auch gestreute Messlicht 17 läuft teilweise wieder in Richtung
der Messvorrichtung 10 zurück und tritt durch das Eintrittsfenster 42 in
Form eines Messstrahlenbündels 44 bzw. 45 wieder
in die Messvorrichtung 10 ein.
-
Im
Inneren der Messvorrichtung ist sowohl ein Detektor 54,
der der Bestimmung der Phasenverschiebung des rücklaufenden Messsignals 17 dient, als
auch eine Triangulationssensoreinheit 66 vorhanden, die
im Wesentlichen aus der Abbildungslinse 51 und/oder gegebenenfalls
einer Abbildungsblende 53 sowie einem Flächendetektor 55,
nebst Auswerteschaltung 68 gebildet ist. Über den
Photodetektor 54 wird das rücklaufende Messstrahlenbündel 44 des optischen
Messsignals 17 in ein elektrisches Signal umgewandelt und
kann nach einer entsprechenden Signalaufbereitung, die in 2 durch
das Bauelement 64 angedeutet sein soll, von der Steuer-
und Auswerteeinheit 58 der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in prinzipiell bekannter Weise ausgewertet werden, so dass aus der
relativen Phasenverschiebung von rücklaufendem Messsignal 17 und
ausgesendetem Messsignal 16 auf den Abstand der Vorrichtung 10 zum
Zielobjekt 20 geschlossen werden kann.
-
Insbesondere
für Zielobjekte 20' mit kleinen Abständen zur
Messvorrichtung 10 kann es hierbei zu Messungenauigkeiten
kommen. Aus diesem Grunde ist der Triangulationssensor 66 der
zusätzlichen
Empfangseinheit 19 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der im wesentlichen
aus der Abbildungslinse 51 und/oder der fakultativen Abbildungsblende 53 und
den positionsempfindlichen Detektor 55 besteht, derart
in das Gehäuse 70 der
Messvorrichtung 10 integriert, dass speziell bei kleinen
Objektabständen
ein rücklaufendes
Messstrahlenbündel 45 auch vom
Triangulationssensor 66 erfasst wird, um daraus, in bereits
beschriebener Weise über
den Auftrefftort 62 des Messstrahlenbündels 45 ebenfalls eine
Abstandsinformation der Messvorrichtung zum Zielobjekt 20' zu gewinnen.
Dabei sorgt die Lochblende 53 im Empfangsast des Triangulationssensors
dafür,
dass über
den Messbereich dieses Sensors, der typischerweise in der Größenordnung
von einigen Zentimetern liegen soll, eine ausreichende Abbildungsgüte und Tiefenschärfe erreicht
wird. In alternativen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist es auch möglich,
auf die Abbildungslinse 51 ggfls. ganz zu verzichten und
eine Abbildung auf den positionsempfindlichen Detektor 55 lediglich
durch ein Lochblende 53 mit einer entsprechend kleinen Öffnung nach
dem Prinzip der „camera obscura" herbeizuführen.
-
Für den Triangulationssenors 66 selbst braucht
das Messsignal 16 bzw. 17, welches der Messung
und Abstandsbestimmung dient, prinzipiell nicht moduliert zu sein,
so dass es möglich
wäre, während einer
Triangulationsmessung die Modulation für das Messsignal 16 anzuschalten.
Dies wäre mit
einem geringeren Energieverbrauch verbunden, so dass die effektive
Nutzungszeit, des vorrangig versorgungskabellosen Gerätes deutlich
erhöht
werden könnte.
-
Andererseits
kann eine solche Modulation des Messsignals 16 bzw. 17 aber
auch in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, eine effektive
Streulichtunterdrückung
für die
Vorrichtung 10 zu realisieren, indem auch für den Triangulationssensor 66 nur
Licht einer bestimmten Frequenz detektiert bzw. dessen Signal ausgewertet
wird. Dazu kann beispielsweise eine entsprechende Auswerteeinheit 68 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
genutzt werden, die im Ausführungsbeispiels
der 2 optional gezeigt ist, in dieser oder weiteren
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
aber nicht vorhanden zu sein braucht. Das elektronisch gewandelte
Signal des Triangulationssensors 66 kann so beispielsweise bezüglich der
verwendeten Sendefrequenzen analysiert werden und somit auch nur
für gewünschte Modulationsfrequenzen
zur weiteren Auswertung zur Verfügung
gestellt werden. Ein derart bearbeitetes elektronisches Signal 57 kann
anschließend
der Steuer- und Auswerteeinheit 58 der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zugeführt,
ausgewertet und in entsprechender Weise beispielsweise auf einem
optischen Display eines zugehörigen
Messgerätes
zur Anzeige gebracht werden.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird in vorteilhafter Weise sowohl für die Phasenmessung über den
Detektor 54 als auch für
die Triangulationsmessung über
den zeilenförmigen,
oder beispielsweise auch flächigen
Detektor 55, die gleiche Lichtquelle 22 bzw. 24 genutzt.
Insbesondere kann in bestimmten Ausführungsformen auch das gleiche
modulierte Messstrahlenbündel 16 zur
Distanzbestimmung genutzt werden.
-
In
alternativen, vorteilhaften Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann zudem vorgesehen sein, die gleiche Empfangsoptik und/oder den
gleichen Empfangsdetektor sowohl für die Phasenmessung, als auch
für die
Triangulationsmessung zu nutzen. So kann beispielsweise lediglich ein
ortssensitiver Detektor, beispielsweise der Detektor 55 genutzt
werden, der dann sowohl zur Auswertung des Triangulationssignals
als auch zur Auswertung der dem Messsignal aufgeprägten Phaseninformation
dienen kann.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zu optischen Distanzmessung kann in vorteilhafter Weise zwischen
einem Phasenmessverfahren und einem Triangulationsverfahren zur
Ermittlung einer gesuchten Distanz zwischen der Vorrichtung und
einem Zielobjekt umgeschaltet werden. Diese Umschaltung kann beispielsweise
manuell durch einen Anwender, eines die erfindungsgemäße Vorrichtung
beinhaltenden Messwerkzeuges geschehen. Dazu können entsprechende Bedienelemente
am Messgerät
vorgesehen sein, die es einem Anwender ermöglichen, zwischen den verschiedenen
Messmethoden zur Distanzmessung auszuwählen. Alternativerweise ist
es auch möglich
eine Automatik in Form eines Steuerprogramms im Messgerät zu installieren,
die in Abhängigkeit
von einer bestimmten Distanz, die jeweilig beste, d.h. genaueste
Messmethode zur Bestimmung des gewünschten Abstandes selbsttätig auswählt und/oder
zur Auswertung bringt. Dazu kann beispielsweise eine erste, schnelle
Vorausmessung durchgeführt
werden, die eine erste grobe Einschätzung, über die zu bestimmende exakte
Entfernung liefert. Ausgehend von dieser Testmessung kann dann das
bessere Messverfahren selbsttätig
durch die Steuer- und Auswerteeinheit des Messgerätes ausgewählt werden.
So können
beispielsweise auch Entfernungsgrenzwerte vorgegeben sein, bis zu
denen über
das Triangulationsverfahren gemessen werden soll. Beziehungsweise
ist es auch möglich, über beispielsweise
den Triangulationssensor selbst, direkt ein Signal zu generieren,
das eine Phasenmessung und Auswertung startet, sobald der Triangulationssensor
oder eine nachgeschaltete Auswerteeinheit Feststellt, dass der sinnvolle
Messbereich des Triangulationssensors bzw. für ein Triangulationsverfahren
verlassen wird.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es daher möglich,
den mit einer Vorrichtung zur Distanzmessung messbaren Bereich von
Entfernungen deutlich zu erweiten. Insbesondere ist es möglich den Bereich
sehr kleiner Abstände
von der Messvorrichtung zu einem Zielobjekt zu erschließen.
-
Darüber hinaus
ist es auch möglich,
wie in 2 angedeutet, die Vorrichtung zusätzlich mit
einem oder mehreren mechanischen Messanschlägen 72 bzw. 74 definierter
Länge zu
versehen, die einen Mindestabstand der Vorrichtung zu einem zu vermessenden
Zielobjekt garantieren. Über
eine im Messgerät
integrierte Auswerteroutine kann dann die Länge des Messanschlages bei
der Abstandsbestimmung berücksichtigt
werden. Ein solcher Messanschlag kann beispielsweise aus der Vorrichtung
heraus verfahrbar ausgebildet sein, oder beispielsweise, wie in 2 durch
die Pfeile 76 bzw. 78 angedeutet, aus dem Gehäuse 70 heraus
geklappt werden und ermöglicht
insbesondere im Bereich von verschwindenden Abständen der Messvorrichtung 10 von
einem Zielobjekt eine genaue Messung. So ist insbesondere die Messung
eines Abstandes Null zwischen dem Messanschlag des Messgerätes und
einem Zielobjekt möglich.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
sind nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Diese dienen lediglich dazu den Erfindungsgedanken anhand konkreter
Beispiele, die jedoch nicht einschränkend zu verstehen sind, zu
verdeutlichen.