DE102010043615B4 - Optical distance sensor - Google Patents

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Abstract

Optischer Abstandssensor, bestehend aus einer Lichtquelle (1), einem einzigen Projektionsgitter (2; 12; 22) mit einer definierten Gitterperiode (T1), einer periodischen Detektoranordnung (3; 13; 23) sowie einer Auswerteeinheit (4), wobei
- die Lichtquelle (1) das Projektionsgitter (2; 12; 22) divergent bestrahlt und
- in der Ebene der Detektoranordnung (3; 13; 23) ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster mit einer definierten Streifenmusterperiode (VP) resultiert und
- die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, aus der ermittelten Streifenmusterperiode (VP) und weiteren bekannten Geometrie-Parametern (v, T1) der Messanordnung den Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) zu bestimmen.

Figure DE102010043615B4_0000
Optical distance sensor comprising a light source (1), a single projection grating (2; 12; 22) with a defined grating period (T1), a periodic detector arrangement (3; 13; 23) and an evaluation unit (4)
- The light source (1) the projection grid (2; 12; 22) divergently irradiated and
in the plane of the detector arrangement (3; 13; 23) results in a periodic fringe pattern with a defined fringe pattern period (VP) without the interposition of an imaging optics, and
- The evaluation unit (4) is adapted to determine the distance (u) between the light source (1) and the projection grating (2, 12, 22, 22) from the determined fringe pattern period (VP) and further known geometry parameters (v, T1) of the measuring arrangement ).
Figure DE102010043615B4_0000

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 DE 10 2007 058 505 A1 verwiesen. Nachteilig an diesen Systemen ist, dass gut fokussierbare Lichtquellen erforderlich sind, beispielsweise Laserdioden. Solche Lichtquellen sind in der Regel jedoch relativ teuer. Im Fall der Verwendung von Laserdioden resultieren zudem Interferenzeffekte an der reflektierenden Oberfläche, die die Distanzmessung negativ beeinflussen. For optical distance detection distance sensors are known which determine distances to DUTs on the principle of triangulation. Here, the radiation of a light source is emitted in the direction of a measurement object and scattered there on a reflective surface. An imaging lens is used to image the new light source emerging in the reflective surface onto a suitable spatially resolving detector. The position of the light spot imaged on the detector is in a defined relationship to the distance of interest between the light source and the reflecting surface. From the determination of this position, the measuring distance can be determined via a suitable evaluation unit. With regard to such systems, for example, see DE 10 2007 058 505 A1 directed. A disadvantage of these systems is that well focusable light sources are required, for example laser diodes. Such light sources are usually relatively expensive. In the case of the use of laser diodes also result interference effects on the reflective surface, which adversely affect the distance measurement.

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 US 5 075 562 A eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung bekannt, bei denen eine Lichtquelle ein erstes Gitter beleuchtet, das auf dem reflektierenden Messobjekt angeordnet ist. Über eine geeignete Optik wird dieses erste Gitter auf ein zweites Gitter abgebildet. In einer Detektionsebene, in der eine Detektoranordnung platziert ist, resultiert ein (Moire-)Streifenmuster, aus dem über eine Auswerteeinheit der Abstand zwischen Lichtquelle und Messobjekt bestimmbar ist. Nachteilig an diesem System ist, dass auf dem Messobjekt ein Gitter angeordnet oder projiziert werden muss. Dies wiederum hat bestimmte, einschränkende Anforderungen an das Messobjekt zur Folge. So muss dieses hinreichend groß für das Gitter sein und eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, um das Gitter zu tragen und um Gitterverzerrungen zu vermeiden.Furthermore, from the US 5 075 562 A a device for optical distance measurement is known in which a light source illuminates a first grid, which is arranged on the reflective measurement object. By means of a suitable optical system, this first grating is imaged onto a second grating. In a detection plane in which a detector arrangement is placed, a (moiré) stripe pattern results, from which the distance between the light source and the object to be measured can be determined via an evaluation unit. A disadvantage of this system is that a grid must be arranged or projected on the measurement object. This in turn has certain restrictive requirements for the object to be measured. So this must be sufficiently large for the grid and have a suitable surface finish to support the grid and to avoid lattice distortions.

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 claim 1.

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 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 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 = v · ( VP/T1 1 )

Figure DE102010043615B4_0001
ermitteln, mit

  • u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
  • v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
  • VP := Streifenmusterperiode
  • T1 := Gitterperiode
The evaluation unit can measure the distance u between the light source and the projection grid according to the relationship u = v · ( VP / T1 - 1 )
Figure DE102010043615B4_0001
determine with
  • 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 b < T 1 · ( 1 + u/v ) / 2,

Figure DE102010043615B4_0002
mit:

  • u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
  • v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
  • T1 := Gitterperiode
Preferably, the extent of the light source in the grating extension direction applies b < T 1 · ( 1 + u / v ) / 2,
Figure DE102010043615B4_0002
With:
  • 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 > 1.5 · VP ,

Figure DE102010043615B4_0003
mit

  • d := Länge der Detektoranordnung in der Gitter-Erstreckungsrichtung
  • VP := Streifenmusterperiode
The same applies to the extent of the detector arrangement in the grating extension direction d > 1.5 · VP .
Figure DE102010043615B4_0003
With
  • 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, weiteren bekannten Geometrie-Parametern der Messanordnung sowie dem bestimmten Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter 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 grid from the phase change of the fringe pattern in relation to the periodic detector arrangement, further known geometry parameters of the measuring arrangement and the specific distance between the light source and the projection grating.

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 hierbei

  • 1 eine schematisierte Prinzipdarstellung zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors;
  • 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung bestimmter Geometrieparameter im erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor;
  • 3 eine erste mögliche Detektoranordnung für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor;
  • 4 eine zweite mögliche Detektoranordnung für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor;
It shows here
  • 1 a schematic diagram for explaining the basic structure of the optical distance sensor according to the invention;
  • 2 a schematic representation for explaining certain geometry parameters in the optical distance sensor according to the invention;
  • 3 a first possible detector arrangement for the optical distance sensor according to the invention;
  • 4 a second possible detector arrangement for the optical distance sensor according to the invention;

Anhand der schematisierten Darstellung in 1 sei nachfolgend das Grundprinzip des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors erläutert. Vorgesehen ist hierbei eine Lichtquelle 1, die ein einziges Projektionsgitter 2 divergent beleuchtet, das im Abstand u von der Lichtquelle 1 angeordnet ist. Als Lichtquelle 1 ist hierbei vorzugsweise eine Punktlichtquelle, beispielsweise eine VCSEL-Lichtquelle (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder eine LED mit hinreichend kleiner räumlicher Ausdehnung in Gitterrichtung vorgesehen. Das Projektionsgitter 2 ist als Transmissionsgitter mit der Gitterperiode T1 ausgebildet. Im Abstand v hinter dem Projektionsgitter 2 ist eine periodische Detektoranordnung 3 platziert, über die ein in einer Detektionsebene resultierendes periodisches Streifenmuster abgetastet wird. Die periodische Detektoranordnung 3 umfasst im vorliegenden Beispiel einen Detektorchip 3.1 aus einzeln auslesbaren Detektorelementen in einer Zeile, vor dem periodisch lichtundurchlässige Abdeckungen 3.2 mit der Gitterperiode T1 des Projektionsgitters 2 angeordnet sind. Über die Wechselwirkung des vom Projektionsgitter 2 erzeugten Lichtmusters mit der periodischen Detektoranordnung 3 resultiert in der Ebene der Detektoranordnung 3 ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster bzw. ein Verniermuster mit einer definierten Streifenmusterperiode VP. Der Detektoranordnung 3 ist eine Auswerteeinheit 4 nachgeordnet; diese ist dazu ausgebildet, aus der ermittelten Streifenmusterperiode VP und weiteren bekannten Geometrie-Parametern der Messanordnung den Abstand u zwischen der Lichtquelle 1 und dem Projektionsgitter 2 zu bestimmen.Based on the schematic representation in 1 Let us explain below the basic principle of the optical distance sensor according to the invention. Provided here is a light source 1 that a single projection grid 2 divergently lit, in the distance u from the light source 1 is arranged. As a light source 1 In this case, a point light source, for example a VCSEL light source (vertical cavity surface emitting laser) or an LED with a sufficiently small spatial extent in the grating direction is preferably provided. The projection grid 2 is as a transmission grating with the grating period T1 educated. At a distance v behind the projection grid 2 is a periodic detector arrangement 3 over which a periodic fringe pattern resulting in a detection plane is scanned. The periodic detector arrangement 3 includes in the present example a detector chip 3.1 from individually readable detector elements in a row, in front of the periodically opaque covers 3.2 with the grating period T1 of the projection grid 2 are arranged. About the interaction of the projection grid 2 generated light pattern with the periodic detector array 3 results in the plane of the detector array 3 without the interposition of an imaging optics, a periodic stripe pattern or a Verniermuster with a defined stripe pattern period VP , The detector arrangement 3 is an evaluation unit 4 downstream; this is designed to be from the determined fringe pattern period VP and other known geometry parameters of the measuring arrangement the distance u between the light source 1 and the projection grid 2 to determine.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nutzt die Auswerteeinheit 4 zur Bestimmung des Abstands u die nachfolgende Beziehung: u = v · ( VP/T1 1 )

Figure DE102010043615B4_0004
mit:

u :=
Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
v :=
Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
VP :=
Streifenmusterperiode
T1 :=
Gitterperiode des Projektionsgitters
In the present embodiment, the evaluation unit uses 4 for determining the distance u the following relationship: u = v · ( VP / T1 - 1 )
Figure DE102010043615B4_0004
With:
u: =
Distance between the light source and the projection grid
v: =
Distance between the projection grid and the plane of the detector array
VP: =
Fringe 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 1 und Projektionsgitter 2 bestimmen. Hierbei spielt es keine Rolle, ob es sich bei der verwendeten Lichtquelle 1 um eine reale Lichtquelle oder ggf. um eine virtuelle Lichtquelle handelt.With the metrological determination of the fringe pattern period VP, it is thus possible to know the geometry parameters v (Distance between the light source and the projection grid) and T1 (Grating period of the projection grating) the distance u between light source 1 and projection grids 2 determine. It does not matter if it is the light source used 1 is a real light source or possibly a virtual light source.

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 3 mit der Periodizität T1 des Projektionsgitters 2 übereinstimmt. Im Fall einer hiervon abweichenden Periodizität T2 der Detektoranordnung 3 würde sich der gesuchte Abstand u gemäß der folgenden Beziehung ergeben: u = v · 1 / [ ( T 2 · VP ) / ( VP · T1 T2 · T 1 ) 1 ]

Figure DE102010043615B4_0005

mit:

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
In principle, it is not absolutely necessary in the context of the present invention that the periodicity on the part of the detector arrangement 3 with the periodicity T1 of the projection grid 2 matches. In the case of a deviating periodicity T2 the detector assembly 3 the required distance u would result according to the following relationship: u = v · 1 / [ ( T 2 · VP ) / ( VP · T1 - T2 · T 1 ) - 1 ]
Figure DE102010043615B4_0005

With:
u: =
Distance between the light source and the projection grid
v: =
Distance between the projection grid and the plane of the detector array
VP: =
Fringe 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 3. Dies ist grds. dann möglich, wenn in der Detektionsebene ein kontrastreiches Streifenmuster bzw. Vemiermuster erzeugt wird.Important for the precise determination of the distance u is the most accurate metrological determination of the stripe pattern period VP via the detector arrangement 3 , This is grds. possible if a high-contrast fringe pattern or pattern is generated in the detection plane.

Zur Erzeugung eines gut kontrastierten Streifenmusters in der Detektionsebene sollten beim erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor die nachfolgenden Beziehungen erfüllt sein: 1 /u + 1 /v = 1 /d

Figure DE102010043615B4_0006
mit d = n · T 1 2 / λ
Figure DE102010043615B4_0007
wobei

u :=
Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
v :=
Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
T1 :=
Gitterperiode des Projektionsgitters
n :=
1, 2, 3, ....
Ä :=
Lichtwellenlänge
To produce a well-contrasted stripe pattern in the detection plane, the following relationships should be fulfilled in the optical distance sensor according to the invention: 1 / u + 1 / v = 1 / d
Figure DE102010043615B4_0006
With d = n · T 1 2 / λ
Figure DE102010043615B4_0007
in which
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: =
1, 2, 3, ....
Ä: =
Light wavelength

Als weiterhin vorteilhaft für die Erzeugung eines gut kontrastierten Streifenmusters erweist sich, wenn die verwendete Lichtquelle 1 in Bezug auf ihre räumliche Ausdehnung möglichst klein gewählt wird. Hierzu seien im folgenden weitere Bedingungen erläutert, deren Einhaltung sich vorteilhaft auf ein gut kontrastiertes Streifenmuster auswirken. As further advantageous for the generation of a well-contrasted stripe pattern proves to be when the light source used 1 is chosen as small as possible in terms of their spatial extent. For this purpose, further conditions are explained below, the adherence of which has an advantageous effect on a well-contrasted stripe pattern.

Beschreibt die Größe b - wie in 2 veranschaulicht - die reale Ausdehnung der verwendeten Lichtquelle 1 in der Ausdehnungsrichtung des Projektionsgitters 2, so wird eine Gitterkante bei der Projektion auf die Detektoranordnung 3 mit einer Unschärfe dk abgebildet. Solange dk kleiner als die halbe Gitterperiode T1 des abgebildeten Projektionsgitters 2 ist, wird das erzeugte resultierende Streifenmuster hinreichend kontrastiert abgebildet. Als Bedingung für ein kontrastreiches Streifenmuster ergibt sich für die Ausdehnung b der Lichtquelle: b < T 1 · ( 1 + u/v ) / 2

Figure DE102010043615B4_0008
mit

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
Describes the size b - as in 2 illustrates - the real extent of the light source used 1 in the extension direction of the projection grating 2 Thus, a grid edge is projected onto the detector array 3 imaged with a blur dk. As long as dk is less than half the grating period T1 of the projection grid shown 2 is, the generated resulting fringe pattern is sufficiently contrasted imaged. As a condition for a high-contrast fringe pattern, the extension b of the light source results in: b < T 1 · ( 1 + u / v ) / 2
Figure DE102010043615B4_0008
With
b: =
real extent of the light source used 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 1 und Projektionsgitter 2 ermitteln, wenn die maximale Ausdehnung bmax der verwendeten Lichtquelle 1 bekannt ist: u min = v · ( ( 2 · b max /T 1 ) 1 )

Figure DE102010043615B4_0009
mit

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
From Eq. 4 again allows a permissible minimum distance u min between the light source 1 and projection grids 2 determine if the maximum expansion bmax of the light source used 1 known is: u min = v · ( ( 2 · b Max / T 1 ) - 1 )
Figure DE102010043615B4_0009
With
u min : =
permissible minimum distance u min between light source and projection grille
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 light source used

Kleinere Abstände zwischen der Lichtquelle 1 und dem Projektionsgitter 2 als umin können mit dem erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor nicht bestimmt werden.Smaller distances between the light source 1 and the projection grid 2 as u min can not be determined with the optical distance sensor according to the invention.

Desweiteren geht in die Abbildung des Projektionsgitters 2 die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle 1, d.h. der von der Lichtquelle 1 erreichbare Abstrahlwinkelbereich Ω der Lichtquelle in der Detektionsebene ein. So sollte grundsätzlich gewährleistet sein, dass mindestens zwei Perioden des Verniermusters über die Lichtquelle 1 ausgeleuchtet werden, damit wenigstens eine Periode des Verniermusters zuverlässig im Detektorbereich vorliegt und ihre Länge ermittelt werden kann. Dies ist prinzipiell umso schwieriger, je kleiner der Abstand u ist. Da im Fall kleiner Abstände u auch die resultierende Streifenmusterperiode VP kleiner wird, fällt dies jedoch nicht so stark ins Gewicht. Es lässt sich abschätzen, dass die Größe tan Ω/2 größer sein muss als das Verhältnis von VP zu u+v. In Verbindung mit Gl. 1 ergibt sich somit: tan  Ω / 2 > T 1 /v

Figure DE102010043615B4_0010
mit

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
Furthermore, go into the picture of the projection grid 2 the emission characteristic of the light source 1 ie that of the light source 1 achievable radiation angle range Ω of the light source in the detection plane. So, in principle, it should be ensured that at least two periods of the vernier pattern on the light source 1 be illuminated so that at least one period of Verniermusters reliably present in the detector area and their length can be determined. This is in principle the more difficult the smaller the distance u is. However, in the case of small pitches u, the resulting fringe pattern period VP also becomes smaller, but this is not so significant. It can be estimated that the quantity tan Ω / 2 must be greater than the ratio of VP to u + v. In conjunction with Eq. 1 thus results: tan Ω / 2 > T 1 / v
Figure DE102010043615B4_0010
With
Ω: =
Beam 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 13 für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor ist in 3 teilweise schematisiert dargestellt.A first variant of a suitable detector arrangement 13 for the optical distance sensor according to the invention is in 3 partially shown schematically.

In diesem Ausführungsbeispiel ist detektorseitig ein Detektorchip vorgesehen, auf dem einzeln auslesbare Detektoren 13.2 in einer Zeile periodisch angeordnet sind. Die einzelnen Detektoren 13.2 sind hierbei in gleicher Richtung verlaufend wie das Projektionsgitter 12 angeordnet, die Periodizität der Anordnung der Detektoren 13.2 entspricht der Gitterperiode T1 des Projektionsgitters 12. Unmittelbar vor den lichtempfindlichen Flächen der Detektoren 13.2 sind gitterförmig lichtundurchlässige Abdeckungen 13.1 periodisch angeordnet. Deren Periodizität ist ebenfalls entsprechend zur Gitterperiode T1 des Projektionsgitters 12 gewählt. Die lichtundurchlässigen Abdeckungen 13.1 können z.B. als planare Metall-Strukturen ausgebildet sein; derart lässt sich ein möglichst geringer Abstand zwischen der Detektionsebene und den Abdeckungen 13.1 sicherstellen.In this embodiment, a detector chip is provided on the detector side, on the individually readable detectors 13.2 are arranged periodically in a row. The individual detectors 13.2 are running in the same direction as the projection grid 12 arranged, the periodicity of the arrangement of the detectors 13.2 corresponds to the grating period T1 of the projection grid 12 , Immediately in front of the photosensitive surfaces of the detectors 13.2 are latticed opaque covers 13.1 arranged periodically. their Periodicity is also according to the grating period T1 of the projection grid 12 selected. The opaque covers 13.1 For example, they may be formed as planar metal structures; This makes it possible to minimize the distance between the detection plane and the covers 13.1 to ensure.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abdeckungen 13.1 auf der Unterseite eines Glasträgers 15 angeordnet, der die Dicke v aufweist. Auf dessen, der - nicht dargestellten - Lichtquelle zugewandten Oberseite ist das Projektionsgitter 12 mit der Gitterperiode T1 platziert. Über eine solche Anordnung ist auf einfache Art und Weise eine definierte und unveränderliche Größe des Abstands v gewährleistet, der gemäß Gl. 1 unmittelbar in die Abstandsbestimmung eingeht.In the illustrated embodiment, the covers 13.1 on the underside of a glass slide 15 arranged the thickness v having. On which, the - not shown - light source facing top is the projection grid 12 with the grating period T1 placed. About such an arrangement is in a simple manner a defined and immutable size of the distance v guaranteed, the according to Eq. 1 goes directly into the distance determination.

Im Fall der divergenten Beleuchtung des Projektionsgitters 12 über die Lichtquelle wird das Projektionsgitter 12 in Zentralprojektion auf die periodisch bzw. gitterförmig angeordneten Abdeckungen 13.1 projiziert, so dass in der Ebene der Abdeckungen ein Zentralprojektionsbild des Projektionsgitters 12 bzw. ein Lichtmuster mit der Periode T1 · (1 + v/u) resultiert.In the case of the divergent illumination of the projection grating 12 via the light source is the projection grid 12 in central projection on the periodically or grid-like arranged covers 13.1 projected so that in the plane of the covers a central projection image of the projection grid 12 or a light pattern with the period T1 * (1 + v / u) results.

Im Fall einer vorausgesetzten konstanten Abstrahlintensität über einen gewissen Raumwinkelbereich der Lichtquelle erfassen benachbarte Detektoren 13.2 aufgrund der unterschiedlichen Periodizität des Lichtmusters und der Periodizität der Abdeckungs-Anordnung unterschiedliche Lichtintensitäten. Es bildet sich daher in der Detektionsebene ein periodisches Streifenmuster bzw. Vernier-Streifenmuster aus, das die Periodizität VP aufweist, die sich aus den Detektorsignalen ermitteln lässt.In the case of a presumed constant emission intensity over a certain solid angle range of the light source, adjacent detectors detect 13.2 due to the different periodicity of the light pattern and the periodicity of the cover assembly different light intensities. Therefore, a periodic fringe pattern or Vernier fringe pattern is formed in the detection plane, which is the periodicity VP which can be determined from the detector signals.

Eine zweite Variante einer geeigneten Detektoranordnung 23 für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor ist in 4 teilweise schematisiert dargestellt. Im Unterschied zum vorherigen Beispiel ist nunmehr vorgesehen, dass die periodische Detektoranordnung 23 aus einer in Gittererstreckungsrichtung periodischen Anordnung einzelner Detektoren 23.2 besteht. Deren Periodizität beträgt wie in 4 angedeutet T1/2. Es sind demzufolge keine separaten Abdeckungen vorgesehen, die Ausdehnung und Periodizität der Detektoren 23.2 wird wie angegeben gewählt.A second variant of a suitable detector arrangement 23 for the optical distance sensor according to the invention is in 4 partially shown schematically. In contrast to the previous example, it is now provided that the periodic detector arrangement 23 from a periodically arranged in the grating extension direction arrangement of individual detectors 23.2 consists. Their periodicity is as in 4 indicated T1 / 2. There are therefore no separate covers provided, the extent and periodicity of the detectors 23.2 is chosen as specified.

Übereinstimmend mit dem vorherigen Beispiel ist wieder vorgesehen, auf der Oberseite eines Glasträgers 25 das Projektionsgitter 22 anzuordnen und auf der Unterseite desselbigen die einzelnen Detektoren 23.2.Consistent with the previous example, it is again provided on top of a glass slide 25 the projection grid 22 to arrange and on the bottom desselbigen the individual detectors 23.2 ,

Beide Varianten der periodischen Detektoranordnung ermöglichen die Bestimmung der Periodizität VP des erzeugten Vernier-Streifenmusters. Zusammen mit den bekannten Geometrieparametern T1 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 the generated Vernier stripe pattern. Together with the known geometry parameters T1 and v determines the evaluation unit 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 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 additionally information with respect. A lateral displacement movement of the light source relative to the projection grid can be generated.

Grundsätzlich ändert sich in einer Messanordnung gemäß 1 im Fall einer lateralen Verschiebebewegung der Lichtquelle 1 um den Verschiebetrag s gegenüber dem Projektionsgitter 2 nicht der Abstand u und damit auch nicht die Periodizität VP des erzeugten Streifenmusters in der Detektionsebene. Es verändert sich in diesem Fall jedoch die Phasenlage des in der Detektionsebene erzeugten Streifenmusters gegenüber den einzelnen Detektoren der periodischen Detektoranordnung. Die Phasenlage des Streifenmusters gegenüber den Detektoren ist jedoch abhängig vom Verschiebebetrag s. Im Fall einer Verschiebung der Lichtquelle 1 um den lateralen Verschiebebetrag s1 hat dies eine Änderung der Phasenlage des Streifenmusters bzw. eine Phasenänderung φ zur Folge: φ = s 1 / [ T 1 · ( 1 + u/v ) ]

Figure DE102010043615B4_0011
Basically changes in a measuring arrangement according to 1 in the case of a lateral displacement movement of the light source 1 by the shift amount s opposite the projection grid 2 not the distance u and thus not the periodicity VP of the generated stripe pattern in the detection plane. In this case, however, the phase position of the fringe pattern generated in the detection plane changes relative to the individual detectors of the periodic detector arrangement. However, the phase position of the stripe pattern relative to the detectors is dependent on the amount of shift s , In case of a shift of the light source 1 by the lateral shift amount s1 this results in a change in the phase position of the fringe pattern or a phase change φ result: φ = s 1 / [ T 1 · ( 1 + u / v ) ]
Figure DE102010043615B4_0011

Der laterale Verschiebebetrag s1 lässt sich somit aus der Phasenänderung φ ermitteln gemäß s 1 = φ · [ T 1 · ( 1 + u/v ) ]

Figure DE102010043615B4_0012
mit

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
The lateral shift amount s1 can thus be determined from the phase change φ according to s 1 = φ · [ T 1 · ( 1 + u / v ) ]
Figure DE102010043615B4_0012
With
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.An absolute information about the shift amount s1 Of course you only get this, 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. On the 7.2 Gl, then the shift amount s1 be determined.

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.

Claims (10)

Optischer Abstandssensor, bestehend aus einer Lichtquelle (1), einem einzigen Projektionsgitter (2; 12; 22) mit einer definierten Gitterperiode (T1), einer periodischen Detektoranordnung (3; 13; 23) sowie einer Auswerteeinheit (4), wobei - die Lichtquelle (1) das Projektionsgitter (2; 12; 22) divergent bestrahlt und - in der Ebene der Detektoranordnung (3; 13; 23) ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster mit einer definierten Streifenmusterperiode (VP) resultiert und - die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, aus der ermittelten Streifenmusterperiode (VP) und weiteren bekannten Geometrie-Parametern (v, T1) der Messanordnung den Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) zu bestimmen.Optical distance sensor, comprising a light source (1), a single projection grating (2; 12; 22) with a defined grating period (T1), a periodic detector arrangement (3; 13; 23) and an evaluation unit (4) - The light source (1) the projection grid (2; 12; 22) divergently irradiated and in the plane of the detector arrangement (3; 13; 23) results in a periodic fringe pattern with a defined fringe pattern period (VP) without the interposition of an imaging optics, and - The evaluation unit (4) is adapted to determine the distance (u) between the light source (1) and the projection grating (2, 12, 22, 22) from the determined fringe pattern period (VP) and further known geometry parameters (v, T1) of the measuring arrangement ). Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (1) als Punktlichtquelle ausgebildet ist.Optical distance sensor after Claim 1 , wherein the light source (1) is designed as a point light source. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die periodische Detektoranordnung (13) einen Detektorchip umfasst, der aus einzeln auslesbaren Detektorelementen (13.2) in einer Zeile besteht und vor dem periodisch lichtundurchlässige Abdeckungen (13.1) mit der Gitterperiode des Projektionsgitters (12) angeordnet sind.Optical distance sensor after Claim 1 , wherein the periodic detector arrangement (13) comprises a detector chip which consists of individually readable detector elements (13.2) in a row and before the periodically opaque covers (13.1) with the grating period of the projection grating (12) are arranged. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die periodische Detektoranordnung (23) als in Gittererstreckungsrichtung periodische Anordnung einzelner Detektorelemente (23.2) mit der halben Gitterperiode ausgebildet ist.Optical distance sensor after Claim 1 , wherein the periodic detector arrangement (23) is designed as a periodically arranged in the grating extension direction arrangement of individual detector elements (23.2) with half the grating period. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei auf einem Glasträger (15; 25) auf der der Lichtquelle zugewandten Seite das Projektionsgitter (12; 22) angeordnet ist und auf der entgegengesetzten Seite die periodische Detektoranordnung (13; 23) angeordnet ist.Optical distance sensor after Claim 3 or 4 , wherein on a glass carrier (15; 25) on the side facing the light source, the projection grating (12; 22) is arranged and on the opposite side of the periodic detector array (13; 23) is arranged. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (4) den Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) gemäß der Beziehung u = v · ( VP/T 1 1 )
Figure DE102010043615B4_0013
ermittelt, mit u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung VP := Streifenmusterperiode T1 := Gitterperiode
Optical distance sensor after Claim 1 wherein the evaluation unit (4) determines the distance (u) between the light source (1) and the projection grating (2; 12; 22) according to the relationship u = v · ( VP / T 1 - 1 )
Figure DE102010043615B4_0013
determined, with u: = distance between the light source and the projection grating v: = distance between the projection grating and the plane of the detector array VP: = fringe pattern period T1: = grating period
Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei für die Ausdehnung der Lichtquelle (1) in der Gitter-Erstreckungsrichtung b < T 1 · ( 1 + u/v ) / 2
Figure DE102010043615B4_0014
gilt, mit: u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung T1 := Gitterperiode
Optical distance sensor after Claim 1 , wherein for the extension of the light source (1) in the grating extension direction b < T 1 · ( 1 + u / v ) / 2
Figure DE102010043615B4_0014
is valid, with: u: = distance between the light source and the projection grating v: = distance between the projection grating and the plane of the detector array T1: = grating period
Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei für die Ausdehnung der Detektoranordnung (3; 13; 23) in der Gitter-Erstreckungsrichtung d > 1.5 · VP
Figure DE102010043615B4_0015
gilt, mit d := Länge der Detektoranordnung in der Gitter-Erstreckungsrichtung VP := Streifenmusterperiode
Optical distance sensor after Claim 1 , wherein for the extension of the detector arrangement (3; 13; 23) in the grating extension direction d > 1.5 · VP
Figure DE102010043615B4_0015
with d: = length of the detector arrangement in the grating extension direction VP: = fringe pattern period
Optischer Abstandssensor nach Anspruch 3 und 5, wobei auf der zum Projektionsgitter (12) entgegengesetzten Seite des Glasträgers (13) die lichtundurchlässigen Abdeckungen (13.1) periodisch mit der Gitterperiode (T1) des Projektionsgitters (12) angeordnet sind.Optical distance sensor after Claim 3 and 5 , wherein on the projection grid (12) opposite side of the glass carrier (13), the opaque covers (13.1) are arranged periodically with the grating period (T1) of the projection grating (12). Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, aus der Phasenänderung (φ) des Streifenmusters gegenüber der periodischen Detektoranordnung (3; 13; 23), weiteren bekannten Geometrie-Parametern (v, T1) der Messanordnung sowie dem bestimmten Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) einen Lateralversatz der Lichtquelle (1) gegenüber dem Projektionsgitter (2; 12; 22) zu bestimmen.Optical distance sensor after Claim 1 , wherein the evaluation unit (4) is adapted to determine the phase change (φ) of the fringe pattern in relation to the periodic detector arrangement (3; 13; 23), further known geometry parameters (v, T1) of the measuring arrangement and the determined distance (u). between the light source (1) and the projection grating (2; 12; 22) to determine a lateral offset of the light source (1) relative to the projection grating (2; 12; 22).
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