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Die
Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung der Entfernung
von in einem in Segmente gegliederten Raumwinkelbereich befindlichen
Messobjekten mittels Lichtstrahlen, mit mindestens einer Sendesignale
abgebenden Sendeeinrichtung und mit mindestens einer von einem Messobjekt
gestreute und/oder reflektierte Empfangssignale aufnehmenden Empfangseinrichtung,
mit die Sende- und/oder Empfangssignale teilenden, aufweitenden
oder fokussierenden optischen Elementen, mit einer Spiegel-Anordnung
mit wenigstens einem Spiegel, die den Strahlengang zumindest der
Empfangssignale umlenkt, und mit einer Auswerteeinheit, welche aus den
Signalen zuordenbaren Werten Informationen über Entfernung
und/oder Rückstreustärke von Messobjekten gewinnt.
Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum
Betrieb eines Messsystems.
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Solche
Messsysteme sind bereits bekannt und dienen zur berührungsfreien
Entfernungsmessung, mittels welcher ein Raumwinkelbereich der Umgebung
des Messsystems erfasst und räumlich möglichst
punkt förmig aufgelöst wird, so dass nach dem Messvorgang
Entfernung und Reflektionsvermögen der in diesem Bereich
befindlichen Objekte angeben werden können.
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Berührungsfreie
Entfernungsmessungen werden meist auf der Basis von Ultraschall,
Radar (1–100 GHz) und Licht realisiert. Dabei konkurrieren Pulsmethoden,
die die Laufzeit eines ausgesandten kurzen Pulses bis zum Empfang
dessen Reflexes von der Objektoberfläche messen, mit Phasenmethoden,
die die Phase eines ausgesandten, meist periodischen Wellenzuges
mit derjenigen eines empfangenen Wellenzuges vergleichen. Ultraschall
ist wegen der ausgeprägten Abhängigkeit der Ausbreitungseigenschaften
vom Medium, bspw. hinsichtlich Temperaturschwankungen und Turbulenz,
für hoch genaue Messungen ungeeignet. Radar lässt
sich wegen der vergleichsweise großen Wellenlängen
deutlich schlechter fokussieren als Licht. Die resultierende Größe
des Messflecks lässt daher ebenfalls keine hohen Messgenauigkeiten
zu.
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Durch
die Integration mehrerer Detektoren und geeigneter Elektronik auf
einem Chip lassen sich inzwischen sowohl Pulsals auch Phasenverfahren bildgebend
gestalten. Die Grenzen dieser Technik ergeben sich im wesentlichen
aus den zulässigen Beleuchtungsstärken, die gepulste
Lichtquellen erfordern, jedoch trotzdem augensicher sein müssen
und gleichzeitig garantieren müssen, dass im Vergleich zur
Hintergrundbeleuchtung und anderer Störquellen auf jede
Detektorzelle ausreichend Licht fällt. Üblicherweise
ist daher die Genauigkeit der Entfernungsmessung auf den Bereich
einiger Millimeter bis einiger Zentimeter begrenzt.
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Bei
hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung
kommt gegenwärtig aufgrund der vorstehend beschriebenen
Probleme ein scannendes Verfahren zum Einsatz. Dessen Basis sind
elektronisch aufwändige Sende-, Empfangs- und Auswerteeinrichtungen,
die in der Lage sind, aus dem Vergleich eines Soll-Sendesignales
mit dem durch eine Sendeoptik zum Messobjekt gelaufenen, dort gestreuten
und/oder reflektierten und durch eine Empfangsoptik auf einen Detektor
abgebildeten Messsignal sowohl dessen Amplitudenänderung
als auch die Laufzeit auf diesem Weg zu ermitteln. Die Beleuchtung
des Objektes kann dabei durch einen kollimierten, gerichteten Strahl
erfolgen oder durch eine flächen- oder linienhafte Beleuchtung.
Dabei werden Sende- und Empfangsstrahlengang meist kombiniert und
mittels eines mechanisch bewegten, rotierenden, polygonal geformten
oder ebenen, oder auch schwingenden Spiegels synchron über
das Objekt geführt. Aus der Kenntnis der Winkelposition
des Spiegels und der Entfernungsinformation, die das Signalverarbeitungsmodul
liefert, wird die Oberflächengeometrie des gescannten Bereiches
entlang der Schnittlinie ermittelt. Zur flächenhaften Erfassung
der Oberfläche wird ein raumaufspannender Scan benötigt,
der einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad des ablenkenden Elements
nutzt oder bei der die gesamte scannende Vorrichtung in einer Raumrichtung
bewegt wird.
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Für
viele denkbare Anwendungen muss die Entfernungsmessung sowohl schnell
erfolgen als auch einen weiten Entfernungs- und Raumwinkelbereich
abdecken. So wird die Untergrenze der Wiederholrate für
das gesamte Messobjekt für dynamische Aufgaben häufig
mit 10 Hertz spezifiziert, Gesichtsfeldgrößen
beginnen häufig bei 30° × 30°,
Entfernungsbereiche umfassen typisch einige Zentimeter Abstand vom
Messgerät bis zu einigen 10 m Distanz.
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Die
mögliche Scangeschwindigkeit hängt dabei von einer
ganzen Anzahl von Faktoren ab: Bei ausreichender Beleuchtung stellt
die Lichtlaufzeit vom Sende-Empfangsmodul zum Messpunkt und zurück
eine prinzipielle Grenze dar. In der Praxis sind die durch die notwendige
Augensicherheit der Anordnung vorgegebene, maximal erreichbare Beleuchtungsstärke
und die Größe der lichtsammelnden Apertur wesentliche
begrenzende Faktoren, denn die Signalstärke am Detektor
muss sich sicher von Rausch- und Störeinflüssen
unterscheiden lassen. Sind beide Größen vorgegeben,
so kann eine vorgegebene Messgenauigkeit oder Messentfernung nur auf
Kosten der Messzeit pro Punkt durch Integrations- oder Mittelungsverfahren
erreicht werden.
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Am
Markt verfügbare scannende Messsysteme, die auf dem Phasenlaufzeitprinzip
beruhen, setzen einen auf einer Achse aufgesetzten, schnell rotierenden
Spiegel ein, um eine schnelle Strahlablenkung zu realisieren. Einige
Systeme drehen zusätzlich das Gesamtgerät um die
Vertikale, um annähernd den vollen Raumwinkelbereich erfassen
zu können. Andere Systeme arbeiten zwar mit ähnlicher Mechanik,
verwenden aber ein Pulslaufzeit-Entfernungsmodul. Schließlich
sind auch Systeme bekannt, die zur Strahlablenkung drehende, verspiegelte
Polygone nutzen. Bei allen diesen Messsystemen existieren hohe mechanische
Anforderungen an den Spiegel und dessen Ansteuerung. Gleichzeitig
sind solche Systeme mechanisch empfindlich, verschleißanfällig
und müssen aufwändig justiert werden. Alle diese
Faktoren erhöhen den Preis für die Komponenten.
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Bei
Messsystemen, deren Entfernungsmessbereiche kleiner sind, können
die optischen Aperturen kleiner sein. Auf Grund ihrer Robustheit, des
für große Stückzahlen geringen Preises
und ihrer kleinen Gewichte und Abmessungen werden für die Sendestrahlablenkung
gerne mikroelektromechanisch (MEMS) realisierte Spiegelelemente
eingesetzt, deren Oberflächenabmessungen im Millimeterbereich
liegen. So nutzen etwa Kassenbarcodescanner die Intensitätsinformation,
die geliefert wird, wenn ein durch MEMS-Schwingspiegel abgelenkter,
scannender Laserstrahl den Barcode überstreicht. Der Detektor
wird in diesen Anordnungen durch eine größere
feststehende Optik mit Licht versorgt, deren Gesichtsfeld den gesamten
Scanbereich abdeckt. Damit wird neben dem Reflex des Scanstrahles
allerdings auch viel Hintergrundlicht eingesammelt, das bei einem
Entfernungsmessverfahren die Messgenauigkeit limitiert.
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Die
US 2006/0269896 A1 beschreibt
einen MEMS-Scanner hoher Geschwindigkeit, der mittels eines in zwei
Richtungen sehr schnell schwingenden Mikrospiegels und einer entsprechend
schnellen Entfernungsmessung die Oberfläche kleiner Objekte vermisst.
Bei der Rekonstruktion der Objektoberfläche kommt es nur
auf die relative Anordnung der Punkte an. Sie erfolgt durch die
rechnergesteuerte 3D-Synthese vieler Teilscans, die mit wechselnden Anordnungen
von Scanner und Objekt nacheinander erhalten werden.
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Trotz
ihrer mechanischen Vorteile, die prinzipiell den Aufbau robusterer
Scansysteme erlauben, sind schwingende mikromechanische Spiegel
nur bedingt für die schnelle Entfernungsmessung geeignet.
Für Arrays als Anordnungen von Spiegeln ist es relevant,
dass aufgrund nicht zu vernachlässigender Toleranzen in
der Herstellung solcher Spiegel die Resonanzfrequenzen der Einzelspiegel
variieren, so dass bei gleicher Anregungsfrequenz im resonanten Betrieb
als Schwinger zum Teil deutlich unterschiedliche Anregungsamplituden
erwartet werden müssen. Um jederzeit identische Schwingungsfrequenzen,
amplituden und -Phasen aller Spiegel auf einem Chip sicherstellen
zu können, wäre entweder ein hochaufwändiger
Fertigungsprozess mit Qualitätskontrolle oder eine aufwendig
geregelte Ansteuerung mikromechanischer Einzelspiegel notwendig,
der die Kosten- und Größenvorteile eines mikromechanischen
Ansatzes im Grunde wieder zunichte macht.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein robustes Messsystem
zur Verfügung zu stellen, das kostengünstig, mechanisch
unempfindlich, im wesentlichen verschleißfrei und ohne
aufwändige Justage eine schnelle und genaue Entfernungsmessung
von Messobjekten gegebenenfalls ohne Beeinträchtigung der
Augensicherheit gestattet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem der eingangs genannten
Art, bei welchem die Spiegel-Anordnung mehrere antreibbare, um wenigstens
jeweils eine Achse verschwenkbare oder schwingende Spiegel aufweist,
welche Spiegel-Anordnung Sendesignale auf das zu vermessende Objekt
und/oder Empfangsstrahlen in Richtung der wenigstens einen Empfangseinrichtung
umlenkt und dass an dem Messsystem wenigstens ein Lageerkennungsmittel
vorgesehen ist, mittels dessen die Position der Spiegel der Spiegel-Anordnung
bestimmbar ist. Bei einem Messvorgang mit einem erfindungsgemäßen
Messsystem werden durch die Empfangseinrichtung Empfangssignale
jedes durch die jeweilige Position der Spiegel erfassbaren Segmente
wenigstens einmal aufgenommen. Bevorzugt werden hierbei Empfangssignale
jedes Segments mehrfach, also wiederholt, aufgenommen. Nach der Erfassung
des durch die jeweils konkrete Anordnung der Spiegel ausleuchtbaren
Teilbereichs des Raumwinkels kann die Orientierung der Spiegel geändert werden.
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Die
Lageerkennungsmittel können hierbei beispielsweise aus
mechanischen, optischen oder piezo-resisitiven Elementen als Winkelaufnehmer
gebildet sein. Unter Lageerkennungsmittel soll im Zusammenhang mit
der Erfindung auch verstanden werden, dass nicht gezwungenermaßen
ständig während des Messvorgangs eine Lageermittlung
der Spiegelpositionen stattfinden muss, sondern vielmehr eventuell
auch nur einmalig, etwa im Rahmen einer Kalibrierung oder während
des Herstellprozesses des Messsystems, die Bewegungsgleichung der jeweiligen
Spiegel durch Gewinnung der Winkelposition als Funktion der Zeit
bei gegebener Anregung bestimmt wird, da bei gegebener Anregung
und ohne Spiegeldrift die Position der Spiegel bei einmal ermittelter
Bewegungsgleichung zu jedem Zeitpunkt bekannt ist.
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Durch
die Kombination von Einzelspiegeln in einer erfindungsgemäßen
Spiegel-Anordnung samt Lageerkennung sowie gegebenenfalls die Ansteuerung
der Spiegel-Anordnung durch das Steuermittel wird also die Empfangsapertur
des Messsystems, gegebenenfalls unter Beibehaltung eines einzigen Sender-Empfänger-Paares
vergrößert. Dabei kann der Sendestrahl in Einzelstrahlen
aufgeteilt sein, so dass bei geeigneter Geometrie unter Beibehaltung der
Augensicherheit eine gegenüber einem Einzelstrahl höherer
Summenintensität aller Strahlen zulässig ist.
Die Kombination von Einzelspiegeln führt auch zu einer
Vergrößerung des Gesichtsfeldes. Wobei verschiedene überlappende
oder nicht-überlappende Winkelbereiche durch den Sendestrahl
bzw. aufgespaltene Sendestrahlen weiter auch nur mit einem einzigen
Sender-Empfänger-Paar erfassbar sind. Ebenfalls vergrößert
wird durch das erfindungsgemäße Messsystem steuerungsabhängig
der ausgeleuchtete Scanbereich durch den möglichen gleichzeitigen
Einsatz mehrerer Spiegel, die jeweils verschiedene Raumwinkelbereiche
ausleuchten können. Prinzipiell sind hierzu weniger Sender-Empfänger-Paare
als Spiegel nötig, im besten Falle nur eines. Die Spiegel
der Spiegel-Anordnung können sowohl unsynchronisiert als
auch synchronisiert, beispielsweise oberflächenparallel
synchronisiert betrieben werden. Es wird demnach also ein Messsystem zur
Verfügung gestellt, das eine schnelle und genaue Entfernungsmessung
von Messobjekten gegebenenfalls ohne Beeinträchtigung der
Augensicherheit gestattet.
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Um
einen Scan in einem gewünschten, vorgebbaren Raumwinkelbereich
durchführen zu können, und aus verschiedenen Positionen
der Spiegel der Spiegel-Anordnung nach dem Messvorgang ein Bild
der Umgebung mit den Messobjekten zusammensetzen zu können,
soll der entsprechende Raumwinkelbereich durch eine Veränderung
der Positionen der Spiegel durch eine Abfolge von linienhaften Scans
oder einen flächenhaften Scan erfasst werden. Außerdem
sollen auch dynamische Prozesse beweglicher Messobjekte erfasst
werden können, wofür vorteilhafterweise an einer
Ausführung des erfindungsgemäßen Messsystems
ein Steuermittel vorgesehen ist, welches einen Antrieb der Spiegel der
Spiegel-Anordnung derart ansteuert, dass die Empfangseinrichtung
Empfangssignale jedes der durch die jeweilige Position der Spiegel
erfassbaren Segmente wenigstens einmal, bevorzugt mehrfach, insbesondere
mit einer Erfassungsrate größer gleich 10 Hertz,
aufnimmt.
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Für
eine einwandfreie Ermittlung der Lage der Spiegel der Spiegel-Anordnung
und damit für eine präzise Zuordnung der Raumwinkelsegmente sind
bei einer Ausführung des Messsystems an der Spiegel-Anordnung
des Messsystems ein oder mehrere Lageerkennungsmittel vorgesehen,
insbesondere kann jedem Spiegel der Spiegel-Anordnung ein eigenes
Lageerkennungsmittel zugeordnet sein.
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Um
die für die Erzeugung der Sendestrahlen notwendigen Apparaturen
platzsparend und fertigungsgünstig an dem Messsystem zur
Verfügung zu haben, kann an diesem zweckmäßigerweise
die Sendeeinrichtung zur Erzeugung der Sendesignale wenigstens ein
Senderelement, insbesondere eine Laserdiode, und die zugeordnete
Sendeelektronik aufweisen. Als ebenso zweckmäßig
erweist es sich, wenn an dem Messsystem die Empfangseinrichtung zur
Aufnahme der Empfangssignale wenigstens ein Empfangselement als
Detektor, insbesondere eine Fotodiode, und die zugeordnete Empfangselektronik aufweist.
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Da
jeweils den Sende- und Empfangsstrahlen zuzuordnende Informationen
korreliert und ausgewertet werden sollen, ist es weiter zweckmäßig, bei
einer Ausführung des Messsystems die Auswerteeinheit einteilig
oder mehrteilig modular der Sende- und Empfangseinrichtung zugeordnet
auszubilden, so dass die Auswerteeinheit entweder den beiden Einrichtungen
einteilig nachgeschaltet ist und von diesen Informationen empfängt
oder aber modular aufgebaut ist und die Informationsverarbeitung
schon jeweils im Bereich von Sende- und Empfangseinrichtung stattfindet.
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Gegebenenfalls
sollen von der Auswerteeinheit aus Sende- und Empfangsstrahlen ermittelte
Informationen als Steuersignale oder zur weiteren Verarbeitung,
beispielweise zur Anzeige, zur Verfügung stehen, so dass
bei einer anderen Ausführung des Messsystems dieses am
Ende der Signalkette mit einer Weiterverarbeitungseinheit versehen
ist, die die Gesamtheit der Informationen der Auswerteeinheit verarbeitet
und gegebenenfalls visualisiert.
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Um
ein möglichst kompaktes Messsystem zur Verfügung
stellen zu können, kann es sinnvoll sein, Steuer- und Auswertekomponenten
sowohl elektronisch als auch hinsichtlich deren Unterbringung zusammenzufassen,
so dass eine Weiterbildung des Messsystems darin bestehen kann,
das Steuermittel mit der Auswerteeinheit und/oder der Weiterverarbeitungseinheit
zusammenzufassen.
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Eine
kompakte Ausführung des Messsystems nutzt den zur Verfügung
stehenden Raum gleichzeitig für die Strahlengänge
von Sende- und Empfangssignalen, weswegen bei dieser Ausführung in
den Strahlengängen der Sende- und Empfangssignale ein op tisches
Element, insbesondere ein Strahlteiler angeordnet ist, das koaxiale
Sende- und Empfangsstrahlengänge erzeugt.
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Ein
im Strahlengang der Sendesignale befindlicher Strahlteiler kann
außerdem bei einer Weiterbildung des Messsystems zur Einkopplung
der Sendesignale verwendet werden.
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Um
mit nur einer Lichtquelle Einzelstrahlen zu erzeugen, die jeweils
auch nur einen bestimmten Spiegel der Spiegel-Anordnung beleuchten
können, kann bei einer Ausführungsform des Messsystems das
Licht der Lichtquelle vor Einkopplung in den Strahlengang zunächst
aufgeteilt werden, wofür das Sendesignal vor dem Strahlteiler,
insbesondere durch ein diffraktives optisches Element (DOE) aufteilbar
ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform des Messsystems können
die Sende- und Empfangssignale aber auch voneinander getrennte Strahlengänge
aufweisen, so dass ein Messobjekt im Prinzip von beliebiger Stelle
aus ausgeleuchtet werden kann und erst die Empfangssignale durch
die Spiegel der Spiegel-Anordnung in Richtung auf die Empfangseinrichtung
mit dem Detektor gelenkt werden. Daneben sind auch Messanordnungen
denkbar, bei welchen nur die Sendesignale die Spiegel-Anordnung
passieren.
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Sollen
die von dem Messobjekt gestreuten und/oder reflektierten Empfangssignale
beispielsweise von einer für alle Empfangssignale gemeinsame Empfangseinrichtung
aufgenommen werden, kann eine zweckmäßige Weiterbildung
des Messsystems darin bestehen, die Empfangssignale nach dem Passieren
der Spiegel-Anordnung durch wenigstens ein fokussierendes optisches
Element auf das Empfangselement der Empfangseinrichtung zu lenken.
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Bei
anderen Ausführungen des Messsystems kann die Empfangs einrichtung
ein Empfangselement oder mehrere Empfangselemente, insbesondere
je ein Empfangselement pro Spiegel der Spiegelanordnung, aufweisen,
wobei den Empfangselementen ein oder mehrere optisch fokussierende
Elemente, insbesondere je ein optisch fokussierendes Element pro
Empfangselement, zugeordnet sind.
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Ein
flexibel an unterschiedliche Messsituationen anpassbares Messsystem
kann durch verschiedene denkbare Konfigurationen der Spiegel-Anordnung
verwirklicht werden. Die Anordnung der Spiegel kann hierbei an einer
gemeinsamen Achse oder mehreren, insbesondere parallelen, Achsen
erfolgen, an welchen wiederum ein oder mehrere Spiegel angeordnet
sind, so dass ein Array von Spiegeln gebildet wird. Die Beweglichkeit
der Spiegel bzw. die Größe des an dem Messobjekt
mittels eines der Spiegel ausleuchtbaren Bereichs kann hierbei durch
das Vorsehen mehrerer Achsen an einem bzw. jedem Spiegel der Spiegel-Anordnung
erhöht werden, wobei die Achsen dann einem Bewegungs-Freiheitsgrad
des jeweiligen Spiegels entsprechen.
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Zur
gezielten Ansteuerung der Spiegel, die zum Abscannen des gesamten
Messobjekts einen definierbaren Weg der Sendestrahlen über
das Messobjekt beschreiben sollen, kann im Bereich der Spiegel der
Spiegelanordnung wenigstens ein ansteuerbarer Aktor angeordnet sein,
welcher die Bewegung der Spiegel antreibt. Ebenso können
die Spiegel zu Gruppen zusammengefasst von einem zugeordneten oder
insgesamt von einem gemeinsamen Aktor angetrieben werden. Ein Aktor
kann beispielweise durch eine elektrostatische Konfiguration gebildet
werden, bei der ein Spiegel zusammen mit Steuerelektroden einen
Kondensator bildet. Bei diesem Beispiel ließe sich der
Antrieb gleichzeitig als Sensor für die Spiegelposition
nutzen.
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Angetrieben
durch einen oder mehrere Aktoren können die Spie gel einer
Weiterbildung des Messsystems während des Messvorgangs
zu Gruppen zusammengefasst oder alle gemeinsam eine synchrone, insbesondere
oberflächenparallel synchrone Bewegung oder einzeln eine
zueinander asynchrone Bewegung durchführen, so dass während
eines Messvorgangs der komplette Messbereich erfasst wird. Die Bewegung
kann hierbei bevorzugt etwa eine Schwenkbewegung oder Schwingung sein,
wobei hierdurch die im Prinzip auch denkbaren translatorischen Bewegungen
einzelner Spiegel oder von Gruppen von Spiegeln nicht ausgeschlossen sind.
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Aufgrund
von verringerter Beschleunigungsempfindlichkeit und geringerer mechanischer
Trägheit lassen sich bei einer Weiterbildung des Messsystems
mit Spiegeln der Spiegel-Anordnung, die als mikro-mechanisch hergestellte
Spiegel vorgesehen sind, höhere Scan-Geschwindigkeiten
erreichen. Weitere Vorteile dieser Spiegel sind höhere
Lebensdauern, Wartungsfreiheit und geringere Kosten.
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Flächenhafte
Scans können mit dem erfindungsgemäßen
Messsystem auch erzeugt werden, wenn die Spiegel der Spiegel-Anordnung
selbst nur je einen Freiheitsgrad, sprich je eine Schwenkachse aufweisen.
Es kann dann zweckmäßigerweise vorgesehen sein,
dass Teile des Messsystems, etwa die Spiegel-Anordnung als Ganzes,
oder das gesamte Messsystem kippbar, verschwenkbar oder verfahrbar vorgesehen
sind.
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Gelöst
wird die oben angeführte Aufgabe darüber hinaus
auch durch ein Verfahren zum Betrieb eines Messsystems, insbesondere
eines Messsystems wie vorstehend beschrieben, welches wenigstens
die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
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- – Modellhafte Beschreibung der Spiegelbewegung
unter Definition eines Raumwinkelbereichs und Übermitt lung
der Beschreibung an ein Steuermittel unter Berücksichtigung
einer Kalibrationsmessung;
- – Messvorgang mit
i. Ansteuerung des Antriebs
einer Spiegel-Anordnung, Einnahme einer Messposition durch die Spiegel
und Ermittlung von deren Lage durch ein Lagerkennungsmittel;
ii.
Erzeugung von Sendesignalen durch eine Sendeeinrichtung, welche
Signale auf ein zu vermessendes Objekt gelenkt werden und Streuung und/oder
Reflektion der Sendesignale von dem Messobjekt als Empfangssignale
in Richtung einer Spiegel-Anordnung mit mehreren, um mindestens
eine Achse beweglichen oder schwingenden Spiegeln, wobei zumindest
eines der Signale durch eine im Strahlengang befindliche Spiegel-Anordnung
umgelenkt wird;
iii. Reflektion der Empfangssignale an den
Spiegeln der Spiegel-Anordnung in Richtung einer Empfangseinrichtung;
iv.
Empfang der Empfangssignale in der Empfangseinrichtung und Auswertung
bezüglich Änderung der Messgrößen
der Sendesignale auf dem Messweg;
- – Ein- oder mehrmalige Wiederholung der Unterpunkte
i. bis v. solange, bis Empfangsstrahlen jedes Raumwinkelsegments
des vorgegebenen Raumwinkelbereichs wenigstens einmal erfasst sind.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
in den Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen in schematisierter Form die
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1 ein
Messsystem zur Entfernungsmessung nach dem Stand der Technik;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Messsystems mit koaxialem Strahlengang von Sende- und Empfangssignalen;
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3 das
Messsystem der 2 mit einem vor dem Strahlteiler
angeordneten diffraktiven optischen Element, welches Einzelstrahlen
erzeugt.
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Messsystems, bei dem
Sende- und Empfangsstrahlen getrennte Strahlengänge aufweisen.
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In
der 1 ist zunächst ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes
Messsystem zu erkennen, mit welchem durch Bestrahlung mit Lichtstrahlen
Entfernungen ermittelt werden sollen. Das von der Sendeelektronik
der Sendereinrichtung 3 erzeugte, modulierte Signal wird über
ein als Laserdiode ausgebildetes Senderelement 2 und eine
Faseroptik auf einen Ablenkspiegel 6 gelenkt, wobei auch
andere koaxiale Einkopplungstechniken, bspw. rein faseroptischer
Art denkbar sind. Der Ablenkspiegel 6 kann als Spiegel mit
einer von verschiedenen Bewegungsmoden ausgebildet sein, deren jeweiliger
Freiheitsgrad durch die Doppelpfeile 6a und 6b illustriert
ist. In der Variante 6a ist der Ablenkspiegel 6 als
rotierender Spiegel, in der Variante 6b als Schwingspiegel
realisiert. In der 1 dient der Ablenkspiegel 6 der
Ablenkung des Sendesignals auf die zu messende Oberfläche 7 sowie
der Ablenkung der vom Objekt zurückgeworfenen Empfangssignale
auf eine Licht sammelnde Optik der Empfangseinrichtung 5.
Das empfangene Licht wird auf ein als Fotodiode ausgebildetes Empfangselement 4 gebündelt.
Die Sende- und die Empfangseinrichtung 3, 5 weisen
die nötige E lektronik auf, um aus dem Vergleich von Sende-
und Empfangssignal Abschwächungs-, Phasen- und/oder Laufzeitinformation
zu gewinnen. Diese Information wird dann einer Weiterverarbeitung
in einer Weiterverarbeitungseinheit 15 unterzogen, um Entfernung bzw.
Abschwächung für die Gesamtheit der Winkelsegmente
zu gewinnen.
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In
der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Messsystems 1 zur Bestimmung
der Entfernung von Messobjekten mittels Lichtstrahlen, welche Messobjekte
sich in einem in Winkelsegmente untergliederbaren Raumwinkelbereich
der Umgebung des Messsystems 1 befinden, zu erkennen.
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Das
Messsystem 1 weist eine Sendeeinrichtung 3 auf,
die die in den Raumwinkelbereich zu lenkenden Lichtstrahlen als
Sendesignale abgibt und eine Empfangseinrichtung 5, die
von Messobjekten gestreute und/oder reflektierte Empfangssignale
aufnimmt, und ist mit einem optischen Element 8, welches
die Sendesignale aufweitet und die Empfangssignale fokussiert, versehen.
Darüber hinaus ist das Messsystem 1 mit einer
Spiegel-Anordnung 9 zur Umlenkung des Strahlengangs der
Sende- und Empfangssignale versehen, die vier Spiegel 6 aufweist, und
das Messsystem hat eine Auswerteeinheit 10, welche aus
den Signalen zugeordneten Werten Informationen über Entfernung
und/oder Rückstreustärke von Messobjekten gewinnt.
Die Auswerteeinheit 10 ist modular aufgebaut und mit ihren
Bestandteilen sowohl in die Sendeeinrichtung 3, als auch
in die Empfangseinrichtung 5 integriert. Die vier Spiegel 6 der Spiegel-Anordnung 9 sind
jeweils an einer eigenen Achse angeordnet und um diese Achse jeweils
verschwenkbar, was durch die Doppelpfeile an den Spiegeln 6 angedeutet
ist. Hierdurch werden von der in dem Raumwinkelbereich befindlichen
Oberfläche 7 des Messobjekts gestreute und/oder
reflektierte Empfangssignale in Richtung der Empfangseinrichtung 5 umgelei tet.
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An
dem Messsystem 1 ist außerdem ein nicht genauer
dargestelltes Steuermittel 11 vorgesehen, welches die Spiegel-Anordnung 9 derart
ansteuert, dass diese während eines Messvorgangs Empfangsstrahlen
aller Segmente eines vorgebbaren Raumwinkelbereichs mindestens einmal
erfasst. Darüber hinaus weist die Spiegel-Anordnung auch ein
Lageerkennungsmittel 16 auf, welches die Positionen der
Spiegel 6 ermittelt, wodurch das Raumwinkelsegment, aus
welchem das Empfangssignal empfangen wird, identifiziert werden
kann. Bei dem Messvorgang mit dem Messsystem 1 wird das
von der Sendeelektronik der Sendeeinrichtung 3 erzeugte, modulierte
Signal über die Lichtquelle des Senderelements 2,
eine Laserdiode, ausgesandt. Über einen Strahlteiler 12 werden
koaxiale Sende- und Empfangsstrahlengänge erzeugt. Das
Licht passiert ein als Strahlaufweitungs- bzw. -fokussierungsoptik
ausgebildetes optisches Element 8 bevor es auf die Spiegel-Anordnung 9 von
Ablenkspiegeln 6 gelangt. Von dort wird es auf die Oberfläche 7 des
Messobjektes gelenkt.
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Die
Entfernung zum Messobjekt wird in der 2 durch
die unterbrochenen, mit der Ziffer 13 gekennzeichneten
Linien symbolisiert. An der Oberfläche 7 des Messobjektes
wird das Licht gestreut und/oder reflektiert, zur Unterstützung
der Messung können dort Hilfsmittel angeordnet sein. Nach
Durchlaufen des umgekehrten Weges gelangt ein Teil des gestreuten
und/oder reflektierten Lichtes auf das Empfangselement 4,
das als Fotodiode ausgebildet ist. Die Sende- und die Empfangseinrichtung 3, 5 weisen
die nötige Elektronik auf, um aus dem Vergleich von Sende-
und Empfangssignal Abschwächungs-, Phasen- und/oder Laufzeitinformation
zu gewinnen. Diese Information wird dann einer Weiterverarbeitung
in einer Weiterverarbeitungseinheit 15 unterzogen, um Entfernung
bzw. Ab schwächung für die Gesamtheit der Winkelsegmente
zu gewinnen. Nicht dargestellt ist in den 2 bis 4 das
an den Spiegeln 6 angeordnete Kontrollelement zur Ermittlung
der Spiegelposition.
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In
gleicher Weise wie vorstehend zu 2 beschreiben
verläuft der Messvorgang mit dem in der 3 dargestellten
Messsystem 1. Mittels der Sendeelektronik der Sendeeinrichtung 3 wird
ein moduliertes Sendesignal erzeugt und über die Laserdiode als
Lichtquelle ausgesandt. Ein in dem Strahlengang vor dem Strahlteiler 12 befindliches
diffraktives optisches Element 14 teilt das Licht der Quelle
hierbei in Einzelstrahlen auf, die über den Strahlteiler 12 gemeinsamen,
koaxialen Sende- und Empfangsstrahlengang eingekoppelt werden. Das
Licht passiert danach ein optisches Element 8, eine Strahlaufweitungs-
bzw. -fokussierungsoptik bevor es auf die Spiegel-Anordnung 9 mit
den Ablenkspiegeln 6 gelangt. Dieser Aufbau des Messsystems
ist dabei so ausgelegt, dass nach Passieren des optischen Elements
die Sendesignale kollimiert sind. Nach Streuung und/oder Reflektion
von der Oberfläche 7 des Messobjekts laufen die
Empfangssignale zurück über die Spiegel-Anordnung 9 zum
Strahlteiler 12, von wo ein Teil des gestreuten und/oder
reflektierten Lichtes wiederum auf das Empfangselement 4 gelangt.
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Der
Messvorgang mit dem Messsystem 1 ist auch bei dem Ausführungsbeispiel
der 4 prinzipiell ähnlich, hier weisen allerdings
die Sende- und Empfangssignale einen unterschiedlichen Strahlengang
auf, da die Sendeeinrichtung 3 mit dem Sendeelement 2 so
angeordnet ist, dass die Sendesignale auf ihrem Weg in Richtung
der Oberfläche 7 des Messobjektes die Spiegel-Anordnung 9 nicht
passieren. Das von der Sendeelektronik der Sendeeinrichtung 3 erzeugte,
modulierte Signal wird von dem Sendelement und einem als Abbildungsoptik
ausge bildeten optischen Element 8 auf den gesamten Messbereich
an der Oberfläche 7 des Messobjekts gelenkt. Die
Ablenkspiegel 6 der ansteuerbaren Spiegel-Anordnung 9 lenken
das jeweils aus der zugehörigen Richtung kommende Licht
auf ein zwischen Spiegel-Anordnung 9 und Empfangseinrichtung 5 befindliches
optisches Element 8, das als Sammeloptik die Empfangssignale
auf das Empfangselement 4 der Empfangseinrichtung 5 lenkt.
Die Entfernung zum Messobjekt wird wiederum durch die gestrichelten,
mit der Ziffer 13 belegten Linien symbolisiert. Wiederum
weisen die Sende- und die Empfangseinrichtung 3, 5 die
nötige Elektronik auf, um aus dem Vergleich von Sende-
und Empfangssignal Abschwächungs- und Laufzeitinformation
zu gewinnen. Diese Information wird dann einer Weiterverarbeitung
in einer Weiterverarbeitungseinheit 10 unterzogen, um Entfernung
bzw. Abschwächung für die Gesamtheit der Winkelsegmente
zu gewinnen.
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Bei
den Ausführungsbeispielen der 2 bis 4 wird
mit eindimensionalen Arrays von Schwingspiegeln als Ablenkspiegel 6 der
Spiegel-Anordnung 9 gearbeitet. Die Erfindung ist jedoch unabhängig
von der konkreten Implementierung dieser Spiegel 6, ist
also auch mit getrennten Galvanometerspiegeln oder mit Drehspiegeln
denkbar, die auf getrennten Achsen montiert sind. Deren Bewegung
muss auch nicht auf einen Freiheitsgrad beschränkt sein,
sondern kann beispielsweise ein flächenabdeckendes Linienmuster
erzeugen. Zur Erzeugung eines flächenhaften Scans kann
auch die gesamte Anordnung des Messsystems oder Teile davon einer
translatorischen oder Dreh- oder Kippbewegung unterzogen werden,
um eine flächenhafte Ausleuchtung der zu vermessenden Oberfläche 7 zu erreichen.
Wie schon beschrieben zeigt hierbei die 2 eine Realisierung,
in der die Sendelichtquelle flächen- oder linienartig auf
die Spiegelanordnung abgebildet wird, während in 3 z.
B. ein diffraktiv-optisches Element genutzt wird, um das Sendelicht
auf die Einzelspiegel zu bündeln.
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In 4 hingegen
wird mit dem modulierten Licht der gesamte zu messende Bereich flächen- bzw.
linienhaft beleuchtet. Die Spiegel 6 wählen in diesem
Beispiel die Richtung aus, aus der das von der Oberfläche 7 des
Messobjektes gestreute und/oder reflektierte Licht wieder empfangen
wird. Für die Auswertung wird dabei vorausgesetzt, dass die
Winkelposition der Einzelspiegel 6, durch eine modellhafte
Beschreibung der Bewegung und eine Kalibrationsmessung, durch ein
auf jedem Spiegel 6 angebrachtes, Lagerkennungsmittel 16 oder
durch andere Mittel mit ausreichender Genauigkeit zu jedem Zeitpunkt
bekannt oder berechenbar ist.
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Die
Oberfläche 7 des Messobjekts wird beleuchtet und
das gestreute und/oder reflektierte Licht wird einer nicht weiter
dargestellten Empfangsoptik der Empfangseinrichtung 5 zugeleitet,
welche es auf das Empfangselement 4 bündelt. Das
so gebildete Summensignal enthält Information über
die Entfernungen und Reflektivitäten aller gleichzeitig
angestrahlten Messpunkte.
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Das
erfindungsgemäße Messsystem nutzt dabei aus, dass
es nach Aufzeichnung einer ausreichend langen Zeitreihe des Empfangsignals
(etwa in der Größenordnung einer typischen Schwingungsperiode
eines Einzelspiegels) möglich ist, Entfernung und Reflektivität
der einzelnen angemessenen Punkte mathematisch aus den Summensignalen
zu rekonstruieren.
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Die
vorstehende Erfindung beschreibt also ein Messsystem 1,
das sich als scannendes Entfernungsmesssystem mit einer Anordnung 9 nicht
synchron schwingender mikromechanischer oder auch gewöhnlicher
Spiegel 6 realisieren lässt. Mit diesem Messsystem 1 kann
ein linien- oder flächenhafter Messbereich gescannt werden,
wobei optische Elemente 8 des Messsystems 1 den
Sendestrahl aufteilen und auf die Einzelspiegel 6 der Anordnung 9 lenken
oder den Sendestrahl auf die zu messende Linie oder Oberfläche 7 des
Messobjektes lenken. Daneben sind weitere optische Elemente 8 vorgesehen, die
das zurückgestreute Licht sammeln und auf das lichtempfindliche
Empfangselement 4 einer Empfangseinrichtung 3 leiten.
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An
dem erfindungsgemäßen Messsystem 1 ist
darüber hinaus, bevorzugt modular der Sendeeinrichtung 3 und
der Empfangseinrichtung 5 zugeordnet, eine Auswerteeinheit 10 vorgesehen.
Diese ist in der Lage, entweder die Laufzeitverzögerung
und Abschwächungen des Sendesignals auf dem Messweg für
alle genügend starken Rückstreuer zu ermitteln, womit
das Messsystem 1 ein mehrzielfähiges Entfernungsmesssystem
ist, oder (etwa bei Verwendung von Phasenmessverfahren) als Messgröße
eine additive Größe zu liefern (bei Phasenmessverfahren
die Summe der Phasoren aller Rückstreuer im Lichtweg),
deren Summanden die Rückstreuer nach Rückstreustärke
und Entfernung charakterisieren können. Der Messvorgang
erfolgt dabei so schnell, dass die Winkelpositionen der verwendeten
Spiegel 6 innerhalb einer Einzelmessung als stationär
angenommen werden können.
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Mittels
der bereits erwähnten, durch ein Steuermittel 11 ansteuerbaren
Spiegel-Anordnung 9 mit dem Lageerkennungsmittel 16 kann
die veränderliche Winkelposition der Spiegel 6 als
Funktion der Zeit genügend genau bestimmt werden, um wiederum
mit dieser Information ermitteln zu können, welches Raumwinkelsegment
durch einen über den jeweiligen Einzelspiegel abgelenkten
Lichtstrahl ausgeleuchtet wird, bzw. von der Empfangseinrichtung 5 aus
gesehen, aus welchem Raumwinkelsegment Licht gesammelt wird. Außerdem
kann die Spiegel-Anordnung 9 in geeigneter Weise derart
angesteuert werden, dass die Spiegel 6 als Gruppe den zu erfassenden
Raumwinkelbereich wieder holt und vollständig überstreichen.
Die Bewegung erfolgt dabei so schnell, dass die Lage des Messobjektes
während eines Scan-Vorganges als stationär angenommen werden
kann. Die überstrichenen Raumwinkelbereiche sind nur durch
die technisch realisierbaren Strahlengänge eingeschränkt,
an Überlappen oder Separation von Teilbereichen werden
für das Messsystem 1 keine Anforderungen gestellt.
Mit dem in der Auswerteeinheit 10 und/oder der Weiterverarbeitungseinheit
verfügbaren Datenverarbeitungsverfahren lassen sich aus
den mit Hilfe der vorher beschriebenen Komponenten des Messsystems 1 ermittelten
Informationen nach dem Raumwinkel aufgelöste Abschwächungsfaktoren
und Entfernungsinformationen gewinnen
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Durch
die Erfindung wird daher ein robustes Messsystem 1 zur
Verfügung gestellt, das kostengünstig, mechanisch
unempfindlich, im wesentlichen verschleißfrei und ohne
aufwändige Justage eine schnelle und genaue Entfernungsmessung
von Messobjekten gegebenenfalls ohne Beeinträchtigung der
Augensicherheit gestattet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0269896
A1 [0010]