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Die Erfindung betrifft eine nach dem Triangulationsprinzip arbeitende Vorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen der Vorrichtung und einem vor der Vorrichtung angeordneten Objekt, mit einer Lichtquelle, die im Messbetrieb einen Lichtstrahl in einer vorgegebenen Strahlungsrichtung auf das Objekt sendet, einer in der Nähe der Lichtquelle angeordneten Empfangsoptik, die an dem Objekt reflektierte Lichtstrahlen unter einem von der zu messenden Entfernung abhängigen Einfallswinkel aufnimmt, einem ortsauflösenden Detektor, auf den die Empfangsoptik an einer von der zu, messenden Entfernung abhängigen Position ein Abbild des Objekts projiziert, und einer Mess- und Auswertungseinheit, die die Position des Abbilds bestimmt, und hieraus anhand der optischen Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik und der räumlichen Anordnung von Lichtquelle, Empfangsoptik und Detektor zueinander die zu messende Entfernung bestimmt.
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Derartige Vorrichtungen zur Entfernungsmessung werden in einer Vielzahl von Anwendungen zur Abstandsmessung eingesetzt. Sie eignen sich unter anderem auch zur Füllstandmessung. Dabei wird die Vorrichtung beispielsweise oberhalb des Füllguts auf dem Behälter montiert und auf das Füllgut ausgerichtet. Es wird die Entfernung der Füllgutoberfläche von der Vorrichtung gemessen und hieraus der Füllstand berechnet.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer klassischen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Sie weist eine Lichtquelle 1 auf, die dazu dient im Messbetrieb einen Lichtstrahl S entlang einer vorgegebenen Strahlungsrichtung auf ein Objekt O zu senden, dessen Entfernung D von der Vorrichtung gemessen werden soll. Neben der Lichtquelle 1 ist eine Empfangsoptik 3, üblicher Weise eine Linse, angeordnet. Der Lichtstrahl S wird am Objekt O reflektiert und der reflektierte Lichtstrahl RO trifft unter einem von der zu messenden Entfernung D abhängigen Einfallswinkel α auf die Empfangsoptik 3, die einen zugehörigen Austrittsstrahl ROX unter einem von der zu messenden Entfernung D abhängigen Ausfallwinkel β einem ortsauflösenden Detektor 5 zuführt. Auf diese Weise entsteht auf dem Detektor 7 ein Abbild des Objekts O, dessen Position X sich abhängig vom Einfallswinkel α und damit abhängig von der zu messenden Entfernung D ändert. Häufig wird eine Position eines Abbilds eines in einer Referenzdistanz DR von der Lichtquelle 1 angeordneten Referenzobjekts OR auf dem Detektor 5 als Referenzposition XR festgelegt. Als Referenzdistanz DR wird vorzugsweise diejenige Distanz verwendet, bei der der reflektierte Lichtstrahl auf einen Anfangsbereich der lichtempfindlichen Fläche des ortsauflösenden Detektors 5 fällt. Die Position X des Abbilds des Objekts O, dessen Entfernung D zur Lichtquelle 1 gemessen werden soll, kann nun beispielsweise in Form von deren Abstand zur Referenzposition XR gemessen werden. Aus der Position X des Abbilds bzw. aus deren Abstand zur Referenzposition XR ergibt sich anhand der trigonometrischen Zusammenhänge der Anordnung, dem Abstand A zwischen der Lichtquelle 1 und Empfangsoptik 3 und dem Abstand zwischen Empfangsoptik 3 und Detektor 5 die gesuchte Entfernung D.
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Diese Vorrichtungen weisen jedoch systembedingt den Nachteil auf, dass die entfernungs-abhängige Änderung des Einfallswinkels Δα pro Entfernungszunahme ΔD immer geringer wird, je weiter das Objekt O von der Lichtquelle 1 entfernt ist. Entsprechend wird auch die zugehörige Änderung der Position ΔX des zugehörigen Abbilds auf dem Detektor 5 immer geringer. 2 zeigt den resultierenden nicht-linearen Verlauf des Abstandes d = X – XR zwischen den Positionen X der Abbilder und der Referenzposition XR als Funktion des in der Darstellung auf den Referenzabstand DR bezogenen zu messenden Abstandes D für Abstände, die größer gleich dem Referenzabstand DR sind. Je weiter also ein Objekt O von der Lichtquelle 1 entfernt ist, umso genauer muss die Position X des zugehörigen Abbildes bestimmt werden, um eine gleich bleibende Messgenauigkeit zu gewährleisten.
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Dem sind jedoch durch die Auflösung handelsüblicher Detektoren 5, wie z. B. CCD-Kameras, Grenzen gesetzt, die den Messbereich, über den mit der Vorrichtung Entfernungen gemessen werden können, drastisch einschränken. Der Messbereich kann erweitert werden, indem der Abstand A zwischen der Lichtquelle 1 und der Empfangsoptik 3 vergrößert wird. Dies ist jedoch in der Regel nicht erwünscht, da die Vorrichtungen vorzugsweise kompakt aufgebaut sein sollen, damit die Lichtquelle 1, die Empfangsoptik 3 und der Detektor 5 in einem gemeinsamen, hier nicht dargestellten, Gehäuse untergebracht werden können.
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Zur Überwindung dieser systembedingten Nachteile ist in der
US-A 6,133,988 eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung beschrieben, deren Empfangsoptik im Bezug auf die Einfallswinkel ein nicht-lineares Abbildungsverhalten aufweist. Hierzu umfasst die Empfangsoptik in der beschriebenen Vorrichtung ein Prisma, das eine in nicht-linearer Weise vom Einfallswinkel abhängige Ablenkung des darauf einfallenden Lichts bewirkt. Durch entsprechende Orientierung des Prismas wird eine winkelverstärkende Abbildung erzielt, bei der die geringen Einfallswinkelunterschiede zwischen weit entfernten Objekten bei deren Abbildung stärker verstärkt werden, als die im Vergleich dazu großen Einfallswinkelunterschiede zwischen näher an der Lichtquelle angeordneten Objekten.
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Ein weiteres systemimmanentes Problem dieser Vorrichtungen besteht darin, dass die zur Messung zur Verfügung stehende Lichtmenge an reflektiertem Licht mit zunehmender Entfernung des Objekts von der Lichtquelle immer weiter abnimmt. Auch dieses Problem führt dazu, dass der Messbereich, in dem Entfernungen gemessen werden können, nach oben begrenzt ist.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine nach dem Triangulationsprinzip arbeitende Vorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen der Vorrichtung und einem vor der Vorrichtung angeordneten Objekt, anzugeben, mit der möglichst große Entfernungen messbar sind.
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Hierzu besteht die Erfindung in einer nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Vorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen der Vorrichtung und einem vor der Vorrichtung angeordneten Objekt, mit
- – einer Lichtquelle, die im Messbetrieb einen Lichtstrahl in einer vorgegebenen Strahlungsrichtung auf das Objekt sendet,
- – einer in der Nähe der Lichtquelle angeordneten Empfangsoptik, die an dem Objekt reflektierte Lichtstrahlen unter einem von der zu messenden Entfernung abhängigen Einfallswinkel aufnimmt,
- – einem ortsauflösenden Detektor,
- – auf den die Empfangsoptik an einer von der zu messenden Entfernung abhängigen Position ein Abbild des Objekts projiziert, und
- – einer Mess- und Auswertungseinheit,
- – die die Position des Abbilds bestimmt, und hieraus anhand der optischen Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik und der räumlichen Anordnung von Lichtquelle, Empfangsoptik und Detektor zueinander die zu messende Entfernung bestimmt,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – die Empfangsoptik einen Meniskus mit einer einen ersten Krümmungsradius aufweisenden konvexen Eintrittsfläche und einer einen zweiten Krümmungsradius aufweisenden konkaven Austrittsfläche aufweist,
- – der eine erste optische Achse aufweist, die gleich einer Flächennormalen auf einer Mitte der konvexen Eintrittfläche ist,
- – der eine von der ersten optischen Achse verschiedene zweite optische Achse aufweist, die gleich einer Flächennormalen auf einer Mitte der konkaven Austrittsfläche ist, und
- – bei dem die beiden verschiedenen optischen Achsen derart angeordnet und die Krümmungsradien derart festgelegt sind, dass von weit entfernten Objekten auf den Meniskus reflektierte Lichtstrahlen eine winkelverstärkende Brechung und eine Kollimation erfahren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste optische Achse entweder parallel zur Strahlungsrichtung des Lichtstrahls angeordnet, oder sie ist auf einen sehr weit von der Lichtquelle entfernten Punkt entlang der Strahlungsrichtung des Lichtstrahls ausgerichtet, dessen Abstand von der Lichtquelle der maximalen mit der Vorrichtung messbaren Entfernung entspricht.
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Gemäß einer ersten Variante der Erfindung
- – liegen der Lichtstrahl, die erste optische Achse und die zweite optische Achse in einer Ebene, und
- – die zweite optische Achse ist gegenüber der ersten optischen Achse um einen spitzen Winkel derart verdreht, dass die zweite optische Achse den gesendeten Lichtstrahl kreuzt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der ersten Variante sind die beiden optischen Achsen gegeneinander um einen Winkel in der Größenordnung von 40° verdreht.
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Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung
- – sind die erste und die zweite optische Achse parallel zueinander angeordnet,
- – liegen der Lichtstrahl, die erste optische Achse und die zweite optische Achse in einer Ebene, und
- – verläuft die zweite optische Achse in dieser Ebene auf einer vom Lichtstrahl abgewandten Seite der ersten optischen Achse.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist die konvexe Eintrittsfläche des Meniskus stärker gekrümmt als dessen konkave Austrittsfläche.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Lichtquelle ein Laser.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der ortsauflösende Detektor eine CCD Kamera.
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Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem zur Messung der Entfernung eines Objekts
- – ein geometrischer Schwerpunkt des zughörigen Abbilds auf dem Detektor bestimmt wird,
- – die Position des Abbilds gleich der Position des geometrischen Schwerpunkts dieses Abbildes gesetzt wird, und
- – die zumessende Entfernung anhand der durch die Position des geometrischen Schwerpunkts gegebenen Position des Abbilds bestimmt wird.
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Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt: eine Prinzipskizze einer herkömmlichen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Vorrichtung zur Entfernungsmessung;
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2 zeigt: die nichtlineare Abhängigkeit der Position des Abbildes des Objekts auf dem Detektor in Abhängigkeit von der Entfernung;
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3 zeigt: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit einer Empfangsoptik, die einen konvex-konkaven Meniskus mit zwei gegeneinander verdrehten optischen Achsen aufweist;
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4 zeigt: die Empfangsoptik und den Detektor der Vorrichtung von 3;
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5 zeigt: eine Empfangsoptik, die einen konvex-konkaven Meniskus mit zwei parallel zueinander angeordneten optischen Achsen aufweist, zusammen mit dem Detektor; und
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6 zeigt: Abbilder von in unterschiedlichen Entfernungen zur Lichtquelle angeordneten Objekten im Vergleich.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße nach dem Triangulationsprinzip arbeitende Vorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen der Vorrichtung und einem vor der Vorrichtung angeordneten Objekt O. Genau wie herkömmliche Vorrichtungen dieser Art auch, weist die Vorrichtung eine Lichtquelle 1 auf, die im Messbetrieb einen Lichtstrahl S in einer vorgegebenen Strahlungsrichtung auf das Objekt O sendet. Da die Erfindung darauf abzielt, möglichst große Entfernungen D zu messen, wird als Lichtquelle 1 vorzugsweise ein Laser eingesetzt. Vom Grundprinzip her wäre es aber auch möglich, weniger stark gebündelte niederenergetischere Lichtquellen, wie z. B. Leuchtdioden einzusetzen.
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Ebenso umfasst die Vorrichtung eine in der Nähe der Lichtquelle 1 angeordnete Empfangsoptik 3, die an dem Objekt O reflektierte Lichtstrahlen RO unter einem von der zu messenden Entfernung D abhängigen Einfallswinkel α aufnimmt und unter einem vom Einfallswinkel α und den optischen Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik 3 abhängigen Ausfallwinkel einem ortsauflösenden Detektor 5 zuführt. Um große Entfernungen zu messen wird hierzu bevorzugt ein Detektor 5 mit einer hohen Auflösung, wie z. B. eine CCD-Kamera, eingesetzt. Vom Grundprinzip der Erfindung her können natürlich auch andere Detektoren, wie z. B. ortsauflösende Fotodioden eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß weist die Empfangsoptik 3 einen – in 4 im Detail dargestellten – Meniskus 7 mit einer einen ersten Krümmungsradius aufweisenden konvexen Eintrittsfläche 9 und einer einen zweiten Krümmungsradius aufweisenden konkaven Austrittsfläche 11 auf. Eintritts und Austrittfläche 9, 11 sind damit beide in etwa in die gleiche Richtung – in 3 und 4 nach links – gewölbt.
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Ein am Objekt O reflektierter Lichtstrahl RO trifft von außen auf die konvexe Wölbung der Eintrittsfläche 9 und wird dort abgelenkt. Der an der Eintrittsfläche 9 abgelenkte Lichtstrahl ROA durchläuft den Meniskus 7 und trifft anschließend auf die konkave Austrittsfläche 11, wo er erneut abgelenkt wird, und als Austrittsstrahl ROX aus dem Meniskus 7 austritt. Der durch die Reflektion am Objekt O bedingte Austrittsstrahl ROX erzeugt an der zugehörigen Position X ein Abbild des Objekts O auf dem Detektor 5.
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Zur Bestimmung der Entfernung D des Objekts O kann auch hier vorab eine Referenzdistanz DR festgelegt, und die Position XR des Abbilds eines in dieser Referenzdistanz DR von der Lichtquelle 1 angeordneten Referenzobjekts OR auf dem Detektor 5 als Referenzposition XR festgelegt werden.
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Danach werden die Positionen X der Abbilder der Objekte O, deren Entfernung D zur Lichtquelle 1 gemessen werden soll, bezogen auf die Referenzposition XR gemessen. Hieraus ergibt sich anhand der optischen Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik 3 und der räumlichen Anordnung von Lichtquelle 1, Empfangsoptik 3 und Detektor 5 zueinander die zu messende Entfernung D.
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Der zugehörige Referenzstrahlengang ist in den 3 und 4 ebenfalls dargestellt. Ein am Referenzobjekt OR reflektierter Lichtstrahl ROR trifft auf die Eintrittsfläche 9 und wird dort abgelenkt. Der zugehörige an der Eintrittsfläche 9 abgelenkte Lichtstrahl ROAR durchläuft den Meniskus 7 und trifft auf die Austrittsfläche 11, wo er erneut abgelenkt wird und als Referenzaustrittsstrahl ROXR aus dem Meniskus 7 austritt. Der durch die Reflektion am Referenzobjekt OR bedingte Referenzaustrittstrahl ROXR erzeugt an der Referenzposition XR ein Abbild auf dem Detektor 5.
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Der Meniskus 7 weist eine erste optische Achse CM auf, die gleich einer Flächennormalen auf einer Mitte der konvexen Eintrittfläche 9 ist, und er weist eine zweite optische Achse OA2 auf, die gleich einer Flächennormalen auf einer Mitte der konkaven Austrittsfläche 11 ist.
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Konvex-konkav Menisken sind aus der Optik, als spezielle Linsenformen bekannt, die sich dadurch auszeichnen, das Eintritts- und Austrittfläche, wie z. B. bei einem Brillenglas oder Monokel, in die gleiche Richtung gewölbt sind. Die beiden optischen Achsen dieser herkömmlichen Menisken sind dabei regelmäßig identisch.
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Im Unterschied hierzu weist der erfindungsgemäße Meniskus 7 zwei verschiedene optische Achsen OA1 und OA2 auf. Erfindungsgemäß sind die optischen Achsen OA1 und OA2 derart angeordnet und die Krümmungsradien der Eintrittsfläche 9 und der Austrittsfläche 11 derart festgelegt, dass von weit von der Lichtquelle 1 entfernten Objekten O auf den Meniskus 7 reflektierte Lichtstrahlen RO eine winkelverstärkende Brechung und eine Kollimation erfahren. Zur Verstärkung dieser Kollimation ist die konvexe Eintrittsfläche 9 des Meniskus 7 vorzugsweise stärker gekrümmt als deren konkave Austrittsfläche 11.
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Die erste optische Achse OA1 und die zweite optische Achse OA2 liegen in einer Ebene mit dem gesendeten Lichtstrahl S. Zur Messung großer Entfernungen D ist die erste optische Achse OA1 vorzugsweise entweder parallel zur Strahlungsrichtung des Lichtstrahls S angeordnet oder auf einen sehr weit von der Lichtquelle 1 entfernten hier nicht dargestellten Punkt entlang der Strahlungsrichtung des Lichtstrahls S ausgerichtet, dessen Abstand von der Lichtquelle 1 der maximalen mit der Vorrichtung messbaren Entfernung Dmax entspricht.
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In der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsform des winkelverstärkenden kollimierenden Meniskus 7 ist die zweite optische Achse OA2 gegenüber der ersten optischen Achse OA1 um einen spitzen Winkel γ derart verdreht, dass die zweite optische Achse OA2 den gesendeten Lichtstrahl S kreuzt. Dieser spitze Winkel γ, um den die beiden optischen Achsen OA1 und OA2 gegeneinander verdreht sind, liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 40°. Der für den gewünschten Messbereich der zu messenden Entfernungen D optimale Winkel γ wird vorzugsweise durch eine Computersimulation bestimmt.
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Diese Anordnung der optischen Achsen OA1, OA2 bewirkt eine winkelverstärkende Brechung der von weit entfernten Objekten O auf den Meniskus 7 reflektierte Lichtstrahlen RO, bei der die geringen Einfallswinkelunterschiede zwischen weit entfernten Objekten bei deren Abbildung stärker verstärkt werden als die im Vergleich dazu großen Einfallswinkelunterschiede zwischen näher an der Lichtquelle 1 angeordneten Objekten O. Zur Veranschaulichung dieser winkelverstärkenden Berechung ist in den 3 und 4 ein Strahlengang eingezeichnet, der durch einen entlang der ersten optischen Achse OA1 auf den Meniskus 7 reflektierten Lichtstrahl ROmax entsteht. Dies entspricht je nach Ausrichtung der ersten optischen Achse OA1 einer Reflektion an einem unendlich weit entfernten Objekt oder einer Reflektion an einem in der maximal messbaren Entfernung Dmax zur Lichtquelle 1 angeordneten Objekt. Da dieser Lichtstrahl ROmax entlang der ersten optischen Achse OA1 auf die Eintrittfläche 9 trifft erfährt er an der Eintrittsfläche 9 eine Ablenkung von 0°, und durchläuft den Meniskus 7 als Lichtstrahl ROAmax entlang der ersten optischen Achse OA1. An der Austrittfläche 11 erfährt er jedoch aufgrund der Verkippung der optischen Achsen OA1, OA2 gegeneinander eine extrem große Ablenkung, so dass der zugehörige Austrittsstrahl ROmax in weitem Abstand von der Referenzposition XR an der Position Xmax auf den Detektor 5 trifft.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines winkelverstärkenden kollimierenden Meniskus 13 zusammen mit dem Detektor 5. Auch mit diesem Meniskus 13 wird über die Anordnung von dessen optischen Achsen OA1' und OA2' und die Festlegung der Krümmungsradien der Eintrittsfläche 9 und der Austrittsfläche 11 eine winkelverstärkende Brechung und eine Kollimation von von weit von der Lichtquelle 1 entfernten Objekten O auf den Meniskus 13 reflektierte Lichtstrahlen RO bewirkt. Zur Verstärkung dieser Kollimation ist die konvexe Eintrittsfläche 9 des Meniskus 13 auch hier stärker gekrümmt als deren konkave Austrittsfläche 11.
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Zusätzlich sind in 5 die den in 4 dargestellten drei ausgewählten Strahlengängen entsprechenden bei dieser Variante auftretenden Strahlengänge eingezeichnet. Der Meniskus 13 stellt eine alternative Ausführungsform der Empfangsoptik 3 dar, die in der 3 dargestellten Vorrichtung anstelle des Meniskus 7 eingesetzt werden kann.
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Auch bei dem Meniskus 13 liegen dessen erste optische Achse OA1' und dessen zweite optische Achse OA2' in einer Ebene mit dem gesendeten Lichtstrahl S, und die erste optische Achse OA1' ist vorzugsweise entweder parallel zur Strahlungsrichtung S angeordnet, oder auf einen sehr weit von der Lichtquelle 1 entfernten hier nicht dargestellten Punkt entlang des Lichtstrahls S ausgerichtet, dessen Abstand von der Lichtquelle 1 der maximalen mit der Vorrichtung messbaren Entfernung Dmax entspricht.
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Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Variante sind die erste und die zweite optische Achse OA1' und OA2' dieses Meniskus 13 parallel zueinander angeordnet, und die zweite optische Achse OA2' liegt in der durch den Lichtstrahl S und die beiden optischen Achsen OA1', OA2' aufgespannten Ebene auf einer vom Lichtstrahl S abgewandten Seite der ersten optischen Achse OA1'.
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Die drei dargestellten Strahlengänge umfassen hier entsprechend:
- – den Strahlengang eines am Referenzobjekt OR reflektierten Referenzstrahls ROR, der im Inneren des Meniskus 13 in den abgelenkten Referenzstrahl ROAR übergeht und als Referenzaustrittstrahl ROX'R aus dem Meniskus 13 austritt und an der Referenzposition XR' auf den Detektor 5 trifft,
- – den Strahlengang eines am Objekt O reflektierten Lichtstrahls RO, der in Inneren des Meniskus 13 in den abgelenkten Lichtstrahl ROA übergeht und als Austrittstrahl ROX' aus dem Meniskus 13 austritt und an der Position X' auf den Detektor 5 trifft, und
- – den Strahlengang eines entlang der ersten optischen Achse OA1' auf den Meniskus 13 reflektierten Lichtstrahls ROmax, der im Inneren des Meniskus 13 in den Referenzstrahl ROAmax übergeht und als Austrittstrahl RO'max aus dem Meniskus 13 austritt und an der Position X'max auf den Detektor 5 trifft.
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Auch hier bewirkt der Meniskus 13 eine winkelverstärkende Abbildung, so dass insb. die Positionen X von Abbildern von weiter entfernten Objekten O auf dem Detektor 5 deutlich weiter auseinander liegen, als dies mit Empfangsoptiken mit linearen Abbildungseigenschaften möglich wäre.
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Hierdurch ist es bei gleicher Ortsauflösung des Detektors 5 möglich zwischen den Abbildern von weiter entfernten Objekten O zu unterscheiden. Entsprechend weist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Hinblick auf weit entfernte Objekte O einen deutlich größeren Messbereich auf, als herkömmliche Vorrichtungen mit Empfangsoptiken mit linearen Abbildungseigenschaften.
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Zusätzlich zu dieser winkelverstärkenden Abbildung bewirken die erfindungsgemäßen Menisken 7 und 13, eine Kollimation der an weit entfernten Objekten O reflektierten Lichtstrahlen RO. Abbilder weit entfernter Objekte O werden auf dem Detektor 5 zu kleineren punktförmigen Lichtflecken gebündelt. Dies führt zu kleineren und damit helleren und leichter detektierbaren Abbildungen auf dem Detektor 5. Dies ist gerade bei der Entfernungsmessung von weit entfernten Objekten O von besonderem Vorteil, da hier die Lichtausbeute aufgrund der größeren Entfernung ansonsten entsprechend geringer wäre. Hierdurch wird bei der Entfernungsmessung von weit entfernten Objekten O eine deutliche Verbesserung des Signal-zu-Rausch Abstandes erzielt.
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Die für die winkelverstärkende kollimierende Wirkung der Menisken 7, 13 optimale Ausrichtung der optischen Achsen OA1, OA2 bzw. OA1', OA2' und die Festlegung der Krümmungsradien der Eintrittsfläche 9 und der Austrittsfläche 11 wird vorzugsweise durch eine Computersimulation ermittelt.
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Diese vorteilhafte punktförmige Bündelung ist mit Prismen nicht erzielbar. Prismen bewirken zwar ebenfalls eine nicht-lineare winkelverstärkende Abbildung, diese führt jedoch zu linienförmigen Abbildungen, nicht aber zu einer punktförmigen Bündelung.
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Während die Abbilder weit entfernter Objekte O auf dem Detektor 5 als kleine punktförmige Lichtflecken erscheinen, weisen die Abbilder von Objekten O in geringerer Entfernung D auf dem Detektor 5 die Form von im Wesentlichen ellipsenförmigen Lichtflecken auf, deren Länge und Breite mit zunehmender Entfernung D der zugehörigen Objekte O von der Lichtquelle 1 abnimmt.
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6 zeigt auf dem Detektor 5 entstehende Abbilder von in unterschiedlichen Entfernungen D zur Lichtquelle 1 angeordneten Objekten O im Vergleich. Die zu den Abbildern A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9 zugehörigen Entfernungen D sind aus der rechts neben den Abbildern A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8, A9 eingezeichneten Skala, in der die Entfernung D des jeweils zugehörigen Objekts O in Millimetern angegeben ist, ersichtlich.
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Um die Messgenauigkeit insb. im Nahbereich zu verbessern, wird vorzugsweise der geometrische Schwerpunkt M des jeweiligen Abbilds A auf dem Detektor 5 bestimmt und die gesuchte Entfernung D anhand des Abstandes d zwischen dem geometrischen Schwerpunkts M des jeweiligen Abbildes A und der Referenzposition XR bestimmt.
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Befindet sich das Referenzobjekt OR, wie hier beschrieben, ebenfalls im Nahbereich, so wird auch hier vorzugsweise der geometrische Schwerpunkt MR des Abbilds des Referenzobjekts OR bestimmt, und die Referenzposition XR gleich dem geometrischen Schwerpunkt MR des Abbilds des Referenzobjekts OR gesetzt.
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Zur Veranschaulichung ist in 6 der Schwerpunkt MR des Abbildes A1, der Schwerpunkt M des Abbildes A2, und deren Abstand d voneinander eingezeichnet. A1 ist hier das Abbild des Referenzobjektes OR und A2 ist das Abbild eines Objektes O, dass sich im Nahbereich in einer Entfernung D von der Lichtquelle 1 befindet, die größer als die Referenzentfernung DR ist.
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Zur Bestimmung der zu messenden Entfernung D weisen die erfindungsgemäßen Vorrichtungen jeweils eine an den Detektor 5 angeschlossene Mess- und Auswertungseinheit 15 auf. Diese bestimmt die Position X des jeweiligen Abbilds, und leitet hieraus anhand der optischen Abbildungseigenschaften der jeweils verwendeten Empfangsoptik 3 und der räumlichen Anordnung von Lichtquelle 1, Empfangsoptik 3 und Detektor 5 zueinander die zu messende Entfernung D ab, die sie dann als Messergebnis einer Ausgabeeinheit, einer Anzeige, und/oder zur weiteren Auswertung und/oder Verarbeitung zur Verfügung stellt.
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Die optischen Abbildungseigenschaften der jeweiligen Empfangsoptik 3 werden vorzugsweise in Form einer Kennlinie in der Vorrichtung abgespeichert, die die Position X des Abbilds auf dem Detektor 5 bzw. deren Abstand d von der Referenzposition XR als Funktion der zu messenden Entfernung D wiedergibt. Diese Kennlinie kann entweder vorab im Rahmen einer Kalibration der Vorrichtung experimentell bestimmt werden, oder anhand einer Computersimulation rechnerisch bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtquelle
- 3
- Empfangsoptik
- 5
- Detektor
- 7
- Meniskus
- 9
- Eintrittsfläche
- 11
- Austrittfläche
- 13
- Meniskus
- 15
- Mess- und Auswertungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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