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Die Erfindung betrifft einen optischen Entfernungsmesser mit einer multifokalen Linse nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Der erfindungsgemäße optische Entfernungsmesser betrifft Systeme, die Entfernungen aus der Lichtlaufzeit und insbesondere aus einer Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Bevorzugt sind Lichtlaufzeitsensoren mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen
EP 1 777 747 A1 ,
US 6 587 186 B2 und auch
DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic gmbh' als Frame-Grabber O3D oder als Entfernungsmessgerät O1D zu beziehen sind.
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Für die Erfassung von Objekten und deren Entfernung ist beispielweise aus der
DE 100 26 668 A1 ein Laserscanner bekannt, der typischerweise über Spiegel ein Lichtfächer ausstrahlt und das vom Objekt zurückgeworfene Licht im Sinne eines Autokollimationstrahlengang in einer Empfangsanordnung erfasst. Die Empfangsanordnung weist eine Linse mit zwei Brennweiten auf, die mit einer zentralen Zone einen Nahbereich und einer zweiten Zone einen Fernbereich erfasst.
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Aus der
DE 100 51 302 C5 ist ein Leserentfernungsmessgerät für den Nah- und Fernbereich mit einem speziellen Empfänger bekannt, bei dem die Empfängeranordnung zwei aktive Photodiodenflächen aufweist, wobei vor den Photodiodenflächen Lochblenden mit unterschiedlichen Blendenöffnungen vorgesehen sind, um die unterschiedlichen Lichtmengen für einen Nah- und Fernbereich zu kompensieren.
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Aus der
DE 10 2007 050 096 A1 ist ein optischer Sensor zum Homogenisieren eines Lichtstrahls bekannt, bei dem der Lichtstrahl durch mehrere fokussierende refraktive oder diffraktive optische Elemente mit unterschiedlichen Brennweiten beeinflusst wird. Die optischen Elemente sind hierbei als Fresnellinsen oder als kombinierte Fresnellinsen mit unterschiedlicher Brennweite ausgebildet.
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Die
DE 698 055 98 T2 zeigt eine Vorrichtung zur Messung eines Abstands oder Einfallswinkels eines Lichtstrahls, bei der für eine Triangulation der Einfallswinkel des einfallenden Lichtstrahls mit Hilfe eines Prismas komprimiert wird, wobei in einem Ausführungsbeispiel für einen Fernbereich eine Linse ohne Prisma und für den Nahbereich eine Linse mit Prisma vorgesehen ist.
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Aus der
DE 10 2007 004 973 A1 ist ein Umfeldsensor bekannt, bei dem Objekte durch Vergleich eines ausgesendeten und von einem Objekt reflektierten Sendelichtstrahls mit einem Referenzlichtstrahl erkannt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, den Sendelichtstrahl und das reflektierte Licht über eine gemeinsame Optik zu führen, wobei der Sendelichtstrahl über einen zentralen Linsenbereich ausgesendet und das empfangene Licht über einen Randbereich der Linse auf den Empfänger fokussiert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Messbereich eines optischen Entfernungsmessers weiter zu vergrößern.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen optischen Entfernungsmesser des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Vorteilhaft ist ein optischer Entfernungsmesser vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor, mit mindestens einem, insbesondere als Photomischdetektor ausgebildeten, Empfangspixel und eine Empfangsoptik, mit einer Sendeeinheit, die eine Beleuchtungslichtquelle und eine Strahlformungsoptik aufweist, und mit einem Modulator zur Bereitstellung einer Modulationsfrequenz, der mit dem Photosensor bzw. Lichtlaufzeitsensor und der Beleuchtungslichtquelle verbunden ist, wobei die Empfangsoptik als Fresnellinse mit mindestens zwei Linsenkonturen, die unterschiedliche Brennweiten aufweisen, ausgebildet ist, und die Linsenkonturen so gestaltet sind, dass eine erste Brennweite der ersten Linsenkontur kleiner ist als eine zweite Brennweite der zweiten Linsenkontur, und dass die zweite Brennweite der zweiten Linsenkontur einen Brennpunkt bzw. eine Brennebene in räumlicher Nähe zum Lichtlaufzeitsensor aufweist.
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Die zweite Brennweite entspricht somit im Wesentlichen dem Abstand zwischen Objektiv/Linse und Sensor, wobei der Brennpunkt je nach Optimierung auch von der Linse aus gesehen ggf. auch hinter dem Sensor liegen kann.
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Dieses Vorgehen hat gegenüber einer monofokalen Linse den Vorteil, dass sich der Lichtintensitätsverlauf über einen weiten Messbereich gleichmäßiger gestalten lässt, wodurch sich der mögliche Messbereich insbesondere im Nahbereich erweitert.
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Bevorzugt sind die Linsenkonturen des optischen Entfernungsmesser so optimiert, dass über einen großen insbesondere bevorzugten Messbereich eine am Lichtlaufzeitsensor empfangene Lichtintensität maximal um 20 % von einer durchschnittlichen Lichtintensität abweicht. Aufgrund des sehr gleichmäßigen Intensitätsverlaufs über den bevorzugten Messbereich lässt sich der Entfernungsmesser für die Messaufgabe gut kalibrieren und ermöglicht genaue Entfernungsmessungen über einen großen Messbereich.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
- 2 schematisch eine Struktur eines erfmdungsgemäßen Entfernungsmessers,
- 3 schematisch einen Intensitätsverlauf eines monofokalen Entfernungsmessers,
- 4 schematisch einen Intensitätsverlauf eines erfindungsgemäßen Entfernungsmessers.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem bzw. der Entfernungsmesser 1 umfasst eine Sendeeinheit 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeit-Kamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Photosensor bzw. Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Pixel auf und ist vorzugsweise als Photomischdetektor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht für eine reine Entfernungsmessung typischerweise aus einer einzigen Linse, kann jedoch ggf. auch zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen aufgebaut sein. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 ist vorzugsweise als Kollimator ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus refraktiven und diffraktiven oder ggf. auch reflektiven Elementen eingesetzt werden.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Photosensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phaselage a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Photosensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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2 zeigt schematisch eine Struktur bzw. einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Entfernungsmessers. Der Lichtlaufzeitsensor 22 ist hinter der Empfangsoptik 25 angeordnet. Der Messbereich erstreckt sich von einem Nahbereich d1 bis zu einem Fernbereich d2. Die Empfangsoptik 25, die im dargestellten Beispiel als Fresneloptik ausgeführt ist, weist zwei unterschiedliche Linsenkonturen mit unterschiedlicher Brennweite auf. Die erste Linsenkontur L1 ist vornehmlich für den Nahbereich d1 optimiert und weist eine erste Brennweite f1 auf. Die zweite Linsenkontur L2 mit einer zweiten Brennweite f2 ist in ihren Eigenschaften vornehmlich für den Fernbereich optimiert. Die beiden Linsenkonturen sind auf der Fresnellinse alternierend angeordnet. Die einzelnen Linsenkonturen bzw. die Fresnellinse in ihrer Gesamtheit ist im Hinblick auf eine gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung des von einem Messobjekt zurückreflektierten Lichts für den gesamten Messbereich optimiert.
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3 zeigt einen typischen Intensitätsverlauf eines optischen Entfernungsmessers mit monofokaler Empfangsoptik. Im Nahbereich steigt die Intensität IS zunächst stark an und fällt dann für den Fernbereich kontinuierlich ab. Damit der Lichtlaufzeitsensor im Maximum der Lichtintensität IS nicht in Sättigung gerät, wird typischerweise der Lichtstrom über Filter oder Blenden reduziert, so dass auch im Maximum der Lichtintensität IS eine Entfernungsmessung möglich ist. Diese Abblendung führt jedoch zwangsläufig zu einer Reduzierung des Lichtstroms an den Flanken des Messbereichs, wodurch sich aufgrund des somit abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses der sinnvolle Messbereich verkleinert. Die untere und obere Grenze d1x . d2x eines möglichen maximalen Messbereichs ergibt sich aus einer minimalen Lichtintensität Imin bis zu der ein Entfernungswert noch verwertbar ermittelt werden kann.
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4 zeigt beispielhaft einen möglichen Intensitätsverlauf am Lichtlaufzeitsensor mit einer erfindungsgemäß optimierten Empfangsoptik. Im dargestellten Beispiel durchläuft die Intensität im Nahbereich d1 ein lokales Maximum und steigt nach einer kleinen Absenkung kontinuierlich bis in den Fernbereich d2 an und fällt hiernach kontinuierlich ab.
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Für Entfernungsmessungen besonders geeignet ist ein bevorzugter Messbereich d21 , bei dem die Lichtintensität IS vom Intensitätsmittelwert Isq im bevorzugten Messbereich d21 vorzugsweise um weniger als 20 % abweicht. Im Vergleich zu einem monofokalen Entfernungsmesser gemäß 3 lassen sich der bevorzugte Messbereich und insbesondere auch der maximale Messbereich mit einer multifokalen Empfangsoptik 25 deutlich vergrößern.
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Je nach Anwendungsfall kommen auch Messungen außerhalb des bevorzugten Messbereichs d21 in Betracht. Je nach der tolerierten Messgenauigkeit oder akzeptiertem Signal/Rauschverhältnis lassen sich ggf. Entfernungsmessungen bis zum Erreichen der minimalen Lichtintensität Imin durchführen. Grundsätzlich erstreckt sich der maximale Messbereich dx von einer minimalen Entfernung d1x bis hin zu einer maximalen Entfernung d2x in dem die minimale Intensität Imin nicht unterschritten wird.
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Im dargestellten Fall wurden die Empfangsoptik bzw. die Linsenkonturen im Hinblick auf zwei Brennweiten optimiert. Selbstverständlich ist es auch möglich mehr als zwei Brennweiten zu berücksichtigen. Beispielsweise könnte eine dritte Linsenkontur im Hinblick eines mittleren Messbereiches optimiert werden.
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Die Optimierung der Linsenkonturen erfolgt vorzugsweise in mehreren Iterationsschritten. Eingangsparameter für die Optimierung sind vorzugsweise der Abstand zwischen Linse und Sensor sowie zwischen Linse und Objekt als auch eine erwartete Lichtpunktgröße auf einem Messobjekt im Messbereich. Der zu optimierende Parameter ist vorzugsweise die Beleuchtungsdichte am Sensor. In einem ersten Schritt wird die Linsenkontur für einen Nahbereich solange variiert, bis eine möglichst kleine Abbildungsgröße des Objektpunkts bzw. eine hohe Beleuchtungsdichte am Sensor erreicht wird. In einem zweiten Schritt wird die Linsenkontur für den Fernbereich in gleicher Art und Weise optimiert. In gegebenenfalls weiteren Schritten werden die Linsenkonturen solange weiter variiert, bis ein Intensitätsverlauf innerhalb des bevorzugten Messbereichs erreicht wird, der unterhalb der tolerierten Grenzen bzw. Abweichungen liegt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ergebnisse besonders vorteilhaft sind, wenn die Intensitäten innerhalb des bevorzugten Messbereichs weniger als 20 % vom Mittelwert abweichen.
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Eine optimierte Empfangsoptik kann vorteilhaft und leicht an charakteristischen Eigenschaften der Brennweiten der einzelnen Linsenkonturen erkannt werden. Eine für den Nahbereich optimierte Kontur L1 zeichnet sich immer durch eine Brennweite f1 aus, die kleiner ist als die Brennweite f2 der Linsenkontur L2, die für den Fernbereich optimiert ist. Des Weiteren befindet sich der Brennpunkt bzw. die Brennebene der zweiten Linsenkontur L2 immer in der Nähe des Lichtlaufzeitsensors 22.
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Diese geometrischen Verhältnisse sind schematisch bereits in 2 gezeigt. Der Brennpunkt der zweiten Linsenkontur L2 muss sich nicht zwangsläufig auf der Ebene des Photosensors bzw. Lichtlaufzeitsensors befinden, sondern kann sich auch kurz davor oder je nach Optimierung und Messbereich auch, von der Linse aus betrachtet, hinter dem Lichtlaufzeitsensor 22 befinden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sendeeinheit
- 12
- Beleuchtungslichtquelle
- 15
- Strahlformungsoptik
- 20
- Empfangseinheit
- 22
- Photosensor, Lichtlaufzeitsensor
- 25
- Empfangsoptik für Nutzlicht
- 30
- Modulator, Modulationsgenerator
- 40
- Objekt
