DE102010043615A1 - Optical distance sensor has light source and single projection grid with defined grid period, and also has periodic detector arrangement and evaluation unit, where light source irradiates projection grid in divergent manner - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Abstandssensor.The present invention relates to an optical distance sensor.
Zur optischen Abstandserfassung sind Abstandssensoren bekannt, die auf dem Prinzip der Triangulation Abstände zu Messobjekten ermitteln. Hierbei wird die Strahlung einer Lichtquelle in Richtung eines Messobjekts ausgesandt und dort an einer reflektierenden Oberfläche gestreut. Über eine Abbildungslinse wird die in der reflektierenden Oberfläche entstehende neue Lichtquelle auf einen geeigneten ortsauflösenden Detektor abgebildet. Die Position des auf den Detektor abgebildeten Lichtpunkts steht in einer definierten Beziehung zu der interessierenden Distanz zwischen der Lichtquelle und der reflektierenden Oberfläche. Aus der Ermittlung dieser Position kann über eine geeignete Auswerteeinheit die Messdistanz bestimmt werden. In Bezug auf derartige Systeme sei z. B. auf die
Um eine hohe Genauigkeit bei der Distanzmessung zu erzielen, darf der abgebildete Lichtpunkt zudem eine gewisse Größe nicht überschreiten. Bei gleichbleibender Auflösung ist daher der Messbereich derartiger Abstandssensoren relativ beschränkt.In addition, to achieve a high accuracy in the distance measurement, the imaged light spot may not exceed a certain size. At constant resolution, therefore, the measuring range of such distance sensors is relatively limited.
Desweiteren ist aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Abstandssensor zu schaffen, in dem insbesondere wenig aufwändige Lichtquellen verwendbar sind und in dem die die o. g. Nachteile vermieden werden.The object of the present invention is to provide an optical distance sensor, in which, in particular, low-cost light sources can be used and in which the o. G. Disadvantages are avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen optischen Abstandssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by an optical distance sensor with the features of
Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.Advantageous embodiments of the optical distance sensor according to the invention result from the measures in the dependent claims.
Der erfindungsgemäße optische Abstandssensor besteht aus einer Lichtquelle, einem einzigen Projektionsgitter mit einer definierten Gitterperiode, einer periodischen Detektoranordnung sowie einer Auswerteeinheit. Hierbei bestrahlt die Lichtquelle das Projektionsgitter divergent, so dass in der Ebene der Detektoranordnung ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster mit einer definierten Streifenmusterperiode resultiert. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, aus der ermittelten Streifenmusterperiode und weiteren bekannten Geometrie-Parametern der Messanordnung den Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter und/oder einen hiervon abgeleiteten Abstand zu bestimmen.The optical distance sensor according to the invention consists of a light source, a single projection grating with a defined grating period, a periodic detector arrangement and an evaluation unit. In this case, the light source irradiates the projection grating divergently, so that a periodic fringe pattern with a defined fringe pattern period results in the plane of the detector arrangement without the interposition of imaging optics. The evaluation unit is designed to determine the distance between the light source and the projection grating and / or a distance derived therefrom from the determined fringe pattern period and further known geometry parameters of the measuring arrangement.
Mit Vorteil ist die Lichtquelle hierbei als Punktlichtquelle ausgebildet.Advantageously, the light source is formed here as a point light source.
In einer möglichen Ausführungsform umfasst die periodische Detektoranordnung einen Detektorchip, der aus einzeln auslesbaren Detektorelementen in einer Zeile besteht und vor dem periodisch lichtundurchlässige Abdeckungen mit der Gitterperiode des Projektionsgitters angeordnet sind.In one possible embodiment, the periodic detector arrangement comprises a detector chip, which consists of individually readable detector elements in a row and before the periodically opaque covers are arranged with the grating period of the projection grating.
Desweiteren ist es möglich, dass die periodische Detektoranordnung als in Gittererstreckungsrichtung periodische Anordnung einzelner Detektorelemente mit der halben Gitterperiode ausgebildet ist.Furthermore, it is possible for the periodic detector arrangement to be designed as a periodic arrangement of individual detector elements in the grating extension direction with half the grating period.
Hierbei kann jeweils vorgesehen werden, dass auf einem Glasträger auf der der Lichtquelle zugewandten Seite das Projektionsgitter angeordnet ist und auf der entgegengesetzten Seite die periodische Detektoranordnung angeordnet ist.It can be provided in each case that the projection grid is arranged on a glass carrier on the side facing the light source and the periodic detector arrangement is arranged on the opposite side.
Die Auswerteeinheit kann den Abstand u zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter gemäß der Beziehung
- u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- VP
- := Streifenmusterperiode
- T1
- := Gitterperiode
- u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- VP
- : = Stripe pattern period
- T1
- : = Grating period
Vorzugsweise gilt für die Ausdehnung der Lichtquelle in der Gitter Erstreckungsrichtung
- u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- T1
- := Gitterperiode
- u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- T1
- : = Grating period
Ebenso gilt für die Ausdehnung der Detektoranordnung in der Gitter-Erstreckungsrichtung vorzugsweise
- d
- := Länge der Detektoranordnung in der Gitter-Erstreckungsrichtung
- VP
- := Streifenmusterperiode
- d
- : = Length of the detector arrangement in the grating extension direction
- VP
- : = Stripe pattern period
Es kann ferner vorgesehen werden, dass auf der zum Projektionsgitter entgegengesetzten Seite des Glasträgers die lichtundurchlässigen Abdeckungen periodisch mit der Gitterperiode des Projektionsgitters angeordnet sind.It can further be provided that on the opposite side of the glass carrier to the projection grid, the opaque covers are arranged periodically with the grating period of the projection grating.
Es ist desweiteren möglich, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, aus der Phasenänderung des Streifenmusters gegenüber der periodischen Detektoranordnung und weiteren bekannten Geometrie-Parametern der Messanordnung einen Lateralversatz der Lichtquelle gegenüber dem Projektionsgitter zu bestimmen.It is furthermore possible that the evaluation unit is designed to determine a lateral offset of the light source relative to the projection grating from the phase change of the fringe pattern in relation to the periodic detector arrangement and further known geometry parameters of the measuring arrangement.
Als Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors ist anzuführen, dass dieser mit lediglich geringem Aufwand realisierbar ist. So können etwa relativ einfache Lichtquellen wie LEDs eingesetzt werden. Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße optische Abstandssensor die unmittelbare Bestimmung der absoluten Distanz zwischen dem Messobjekt und der Lichtquelle.As an advantage of the optical distance sensor according to the invention is to be stated that this can be realized with little effort. For example, relatively simple light sources such as LEDs can be used. Furthermore, the optical distance sensor according to the invention allows the immediate determination of the absolute distance between the measurement object and the light source.
Ein besonders einfacher Aufbau resultiert gegenüber bekannten Systemen aus dem Stand der Technik zudem, da auf jegliche Abbildungsoptik im Strahlengang erfindungsgemäß verzichtet werden kann; Optik-Komponenten für eine Abbildungsoptik sind nicht erforderlich.A particularly simple construction also results in comparison to known systems of the prior art since any imaging optics in the beam path can be dispensed with according to the invention; Optics components for imaging optics are not required.
Desweiteren ermöglicht die vorliegende Erfindung eine einfache Justage der verschiedenen Komponenten zueinander, beispielsweise in Stapelbauweise. Damit lässt sich die Fertigung entsprechender Abstandssensoren automatisieren.Furthermore, the present invention allows a simple adjustment of the various components to each other, for example in stacked construction. This makes it possible to automate the production of corresponding distance sensors.
Hinzu kommt, dass Beschränkungen in Bezug auf die Größe und oder Beschaffenheit eines Messobjekts beim erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor entfallen.In addition, there are no restrictions on the size and / or nature of a measurement object in the optical distance sensor according to the invention.
Ferner weist der erfindungsgemäße optische Abstandssensor einen größeren Messbereich und eine größere Genauigkeit auf als die eingangs erwähnten Triangulationssensoren.Furthermore, the optical distance sensor according to the invention has a larger measuring range and a greater accuracy than the triangulation sensors mentioned above.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.Further advantages and details of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.
Es zeigt hierbeiIt shows here
Anhand der schematisierten Darstellung in
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nutzt die Auswerteeinheit
- u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- VP
- := Streifenmusterperiode
- T1
- := Gitterperiode des Projektionsgitters
- u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- VP
- : = Stripe pattern period
- T1
- : = Grating period of the projection grating
Über die messtechnische Ermittlung der Streifenmusterperiode VP lässt sich somit bei Kenntnis der Geometrieparameter v (Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter) und T1 (Gitterperiode des Projektionsgitters) der Abstand u zwischen Lichtquelle
Im Fall der Nutzung einer virtuellen Lichtquelle würde die Lichtquelle zusammen mit der Detektoranordnung in einem Messkopf angeordnet werden und in Richtung eines reflektierenden Messobjekts abstrahlen. Die vom reflektierenden Messobjekt zurückreflektierte Strahlung wird dann in über die Detektoranordnung erfasst. In einer derartigen Messanordnung würde die oben erwähnte Größe u sich dann aus dem Abstand zwischen der Lichtquelle und dem reflektierenden Messobjekt zuzüglich des Abstands zwischen dem reflektierenden Messobjekt und dem Projektionsgitter ergeben.In the case of using a virtual light source, the light source would be arranged together with the detector arrangement in a measuring head and emit in the direction of a reflective measuring object. The radiation reflected back from the reflecting measurement object is then detected in the detector arrangement. In such a measuring arrangement, the above-mentioned magnitude u would then result from the distance between the light source and the reflecting measuring object plus the distance between the reflecting measuring object and the projection grid.
Grundsätzlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zwingend erforderlich, dass die Periodizität auf Seiten der Detektoranordnung
- u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- VP
- := Streifenmusterperiode
- T1
- := Gitterperiode des Projektionsgitters
- T2
- := Periodizität der Detektoranordnung
- u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- VP
- : = Stripe pattern period
- T1
- : = Grating period of the projection grating
- T2
- : = Periodicity of the detector arrangement
Die vorgesehene Auswerteeinheit würde den interessierenden Abstand u bzw. einen hiervon abgeleiteten Abstand dann über Gl. 2 bestimmen. Bei den nachfolgenden Erläuterungen sei grundsätzlich davon ausgegangen, dass die Auswerteeinheit den interessierenden Abstand u über die Gl. 1 bestimmt.The intended evaluation unit would then divide the distance u or a distance derived therefrom via Eq. 2 determine. In the following explanations, it should be assumed in principle that the evaluation unit determines the distance u in question from Eq. 1 determined.
Wichtig für die präzise Bestimmung des Abstands u ist die möglichst genaue messtechnische Ermittlung der Streifenmusterperiode VP über die Detektoranordnung
Zur Erzeugung eines gut kontrastierten Streifenmusters in der Detektionsebene sollten beim erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor die nachfolgenden Beziehungen erfüllt sein:
- u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- T1
- := Gitterperiode des Projektionsgitters
- n
- := Lichtwellenlänge
- u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- T1
- : = Grating period of the projection grating
- n
- : = Wavelength of light
Als weiterhin vorteilhaft für die Erzeugung eines gut kontrastierten Streifenmusters erweist sich, wenn die verwendete Lichtquelle
Beschreibt die Größe b – wie in
- b
- := reale Ausdehnung der verwendeten Lichtquelle
1 in der Ausdehnungsrichtung des Projektionsgitters - u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- T1
- := Gitterperiode des Projektionsgitters
- b
- : = real extent of the used
light source 1 in the extension direction of the projection grating - u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- T1
- : = Grating period of the projection grating
Aus Gl. 4 wiederum lässt sich ein zulässiger Minimalabstand umin zwischen Lichtquelle
- umin
- := zulässiger Minimalabstand umin zwischen Lichtquelle und Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- T1
- := Gitterperiode des Projektionsgitters
- bmax
- := maximale Ausdehnung der verwendeten Lichtquelle
- min
- : = permissible minimum distance u min between light source and projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- T1
- : = Grating period of the projection grating
- b max
- : = maximum extension of the used light source
Kleinere Abstände zwischen der Lichtquelle
Desweiteren geht in die Abbildung des Projektionsgitters
- Ω
- := Abstrahlwinkelbereich der Lichtquelle in der Messebene
- u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- T1
- := Gitterperiode des Projektionsgitters
- Ω
- : = Emission angle range of the light source in the measurement plane
- u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- T1
- : = Grating period of the projection grating
Im Anschluss an die grundsätzlichen Design-Überlegungen für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor seien nachfolgend Möglichkeiten zur konkreten Ausgestaltung der periodischen Detektoranordnung erläutert.Following the basic design considerations for the optical distance sensor according to the invention, options for the specific design of the periodic detector arrangement are explained below.
Eine erste Variante einer geeigneten Detektoranordnung
In diesem Ausführungsbeispiel ist detektorseitig ein Detektorchip vorgesehen, auf dem einzeln auslesbare Detektoren
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abdeckungen
Im Fall der divergenten Beleuchtung des Projektionsgitters
Im Fall einer vorausgesetzten konstanten Abstrahlintensität über einen gewissen Raumwinkelbereich der Lichtquelle erfassen benachbarte Detektoren
Eine zweite Variante einer geeigneten Detektoranordnung
Übereinstimmend mit dem vorherigen Beispiel ist wieder vorgesehen, auf der Oberseite eines Glasträgers
Beide Varianten der periodischen Detektoranordnung ermöglichen die Bestimmung der Periodizität VP des erzeugten Vernier-Streifenmusters. Zusammen mit den bekannten Geometrieparametern T4 und v ermittelt die Auswerteeinheit gemäß Gl. 1 den gesuchten Abstand u und stellt diese Größe zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.Both variants of the periodic detector arrangement allow the determination of the periodicity VP of the generated Vernier fringe pattern. Together with the known geometry parameters T4 and v, the evaluation unit determines according to Eq. 1 the desired distance u and provides this size for further processing.
Abschließend sei ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors erläutert, bei dem neben der Ermittlung des Abstands u zwischen Lichtquelle und Projektionsgitter zusätzlich noch eine Information bzgl. einer lateralen Verschiebebewegung der Lichtquelle gegenüber dem Projektionsgitter erzeugbar ist.Finally, a further exemplary embodiment of the optical distance sensor according to the invention is explained, in which, in addition to the determination of the distance u between the light source and the projection grid, information relating to a lateral displacement movement of the light source relative to the projection grid can also be generated.
Grundsätzlich ändert sich in einer Messanordnung gemäß
Der laterale Verschiebebetrag s1 lässt sich somit aus der Phasenänderung φ ermitteln gemäß
- s1
- := lateraler Verschiebebetrag der Lichtquelle
- φ
- := Phasenänderung
- u
- := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
- v
- := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
- T1
- := Gitterperiode des Projektionsgitters
- s1
- : = lateral shift amount of the light source
- φ
- : = Phase change
- u
- : = Distance between the light source and the projection grid
- v
- : = Distance between the projection grid and the plane of the detector array
- T1
- : = Grating period of the projection grating
Eine absolute Information über den Verschiebebetrag s1 bekommt man hierbei natürlich nur, solange der Verschiebetrag s1 kleiner als T1·(1 + u/v) ist; im Fall einer größeren Verschiebung ist zur Bestimmung des Verschiebebetrags das Zählen der Nulldurchgänge der Phasenänderung φ erforderlich.Of course, an absolute information about the shift amount s1 is obtained only as long as the shift amount s1 is less than T1 · (1 + u / v); in the case of a larger shift, counting the zero crossings of the phase change φ is necessary to determine the shift amount.
Zum Erfassen einer lateralen Verschiebebewegung der Lichtquelle gegenüber dem Projektionsgitter ist im erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor demzufolge messtechnisch die Erfassung der Phasenänderung φ erforderlich. Über die Gl 7.2 kann dann der Verschiebebetrag s1 ermittelt werden.In order to detect a lateral displacement movement of the light source relative to the projection grating, the detection of the phase change φ is accordingly required by measurement in the optical distance sensor according to the invention. The shift amount s1 can then be determined via GI 7.2.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gibt es außer den erläuterten Varianten selbstverständlich noch eine Reihe weiterer Ausführungsmöglichkeiten.In the context of the present invention, of course, there are a number of other possible embodiments in addition to the illustrated variants.
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- DE 102007058505 A1 [0002] DE 102007058505 A1 [0002]
- US 5075562 [0004] US 5075562 [0004]
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