DE19647152A1

DE19647152A1 - Laserabstandsermittlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19647152A1
Application number: DE19647152A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Damm
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 1998-05-28
Also published as: EP0843180B1; DE59704182D1; US5991011A; JPH10213661A; ATE203832T1; JP4024912B2; EP0843180A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserabstandsermittlungsvorrich tung mit einem Impulslaser, einer Lichtablenkeinrichtung, ei ner Photoempfangsanordnung und einem in definiertem Abstand von der Lichtablenkeinheit angeordneten Referenzobjekt. Sie betrifft ein Referenzobjekt für eine solche Laserabstandser mittlungsvorrichtung.

Bei einer Laserabstandsermittlungsvorrichtung der eingangs genannten Art werden von einem in einem Meßbereich befindli chen Objekt zurückgeworfene Lichtimpulse von der Photoemp fangsanordnung empfangen, um daraufhin nach dem Impulslauf zeitverfahren aus der Zeit zwischen dem Aussenden und dem Empfang eines Lichtimpulses unter Berücksichtigung der Licht geschwindigkeit ein für den Abstand des Objektes von der Lichtablenkeinrichtung repräsentatives Abtastsignal zu ermit teln. Aufgrund der Signaldynamik können nun aber Laufzeitmeß fehler auftreten. Diese sind u. a. darauf zurückzuführen, daß der Pegel des jeweiligen empfangenen Lichtimpulses eine be stimmte Schaltschwelle überschreiten muß, bevor die jeweils verwendete Zeitmeßeinheit gestoppt wird, und daß der Zeit punkt des Überschreitens der Schwelle von der Flankensteil heit des empfangenen Lichtimpulses abhängig ist, die insbe sondere wiederum von der jeweiligen Impulsamplitude abhängt. Zur Kompensation der Laufzeitmeßfehler kann nun beispielswei se die Amplitude des empfangenen Lichtimpulses gemessen und einer zuvor erstellten Korrekturtabelle ein entsprechender Korrekturwert entnommen werden. Eine solche Korrekturtabelle kann unter Verwendung des Referenzobjekts erstellt werden, nachdem diese in einem definierten Abstand von der Lichtablenkeinheit angeordnet ist.

Bei einem aus der DE 43 40 756 A1 bekannten Laserradar, bei dem die Kompensation der aufgrund der Signaldynamik auftre tenden Laufzeitmeßfehler in Abhängigkeit von dem gemessenen Spitzenwert des empfangenen Lichtimpulses erfolgt, kann mit dem verwendeten Referenzobjekt nur eine bestimmte Amplitude simuliert werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß mit der Verwendung eines streuenden Referenzobjekts des sen Abstand zur Empfangsoptik relativ gering ist. Ein paral leler Einfall des von der Photoempfangsanordnung zu empfan genden Lichtes ist damit nicht möglich, so daß auch kein im unendlichen liegendes Referenzobjekt simuliert werden kann. Da das Referenzobjekt in der Regel im Gerät integriert sein soll, ist der Abstand zur Empfangsoptik etwa gleich der ein- bis dreifachen Brennweite dieser Empfangsoptik. Zudem ist bei Autokollimationsoptiken mit Mittenabschattung kein direkter Strahlengang durch die Empfangsoptik zurück zur Empfangsan ordnung möglich. Das Licht gelangt stets erst nach einer im Tubus zwischen der Empfangsoptik und dem Empfänger auftreten den Mehrfachstreuung zu dem Empfänger. Die vom Licht zurück gelegte Weglänge ist damit praktisch undefiniert. Demzufolge ist auch eine genaue Eichung des Meßsystems nicht möglich.

Bei einer aus der DE 43 41 080 C1 bekannten optischen Ab tastvorrichtung ist ein Referenzobjekt mit zwei in einem Win kel von 90° zueinander stehenden kegeligen Spiegelflächen vorgesehen. Diese sind konzentrisch um ein als Ablenkeinrich tung dienendes Spiegelrad angeordnet. Der vom Sender stammen de Lichtstrahl wird zweimal um 90° umgelegt und parallel versetzt, um die Mittenabschattung der vorgesehenen Autokol limationsoptik zu umgehen. Die Dämpfung des Lichtstrahls wird durch vor oder zwischen den Flächen angeordnete Blenden be wirkt. Eine der Flächen kann auch als Teilfläche ausgebildet sein. Es wird stets nur ein bestimmter Teil des Lichtes durch geometrische Teilung zurückgekoppelt. Dies hat nun aber zur Folge, daß bei einer Verwendung von Laserdioden als Lichtsen der ein sogenanntes Modenrauschen entsteht. Bei Laserdioden besitzt die abgestrahlte Energie von einem Impuls zum näch sten eine unterschiedliche Ausbreitungsrichtung. Zudem ist das zeitliche Verhalten zwischen dem elektrischen Stromimpuls durch die Laserdiode und dem abgegebenen Lichtimpuls bei den verschiedenen Ausbreitungsmoden unterschiedlich. Damit ist im cm- und mm-Bereich eine genaue Eichung und Korrektur nicht möglich, so daß die Meßgenauigkeit begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die kegeligen Flächen in der Ab lenkrichtung des Spiegelrades wie ein Hohlspiegel wirken. So mit entsteht ein Zwischenbild zwischen dem Referenzobjekt und dem Spiegelrad. Dieses Zwischenbild wird wieder in einem Be reich zwischen der einfachen und dreifachen Brennweite der Empfangsoptik erzeugt. Es wird somit von der Empfangsoptik hinter dieser Optik in einer Entfernung abgebildet, die etwa der 1,5-fachen Brennweite entspricht. Im Ergebnis wird somit nur ein relativ geringer Teil des Lichtes auf den Empfänger gelenkt. Damit besteht insbesondere auch nicht die Möglich keit, die maximale Übersteuerung des Empfängers zu simulie ren. Darüber hinaus werden die Lichtstrahlen, die nicht di rekt auf den Empfänger treffen, in dem die Optik aufnehmenden Tubus mehrfach reflektiert, was wiederum zu fehlerhaften Meß werten führt. Aufgrund der Verwendung von zwei unter 90° zu einander angeordneten Spiegelflächen muß das Referenzobjekt zudem genau justiert werden. In den Fällen, in denen ein Teil des Strahlenquerschnittes durch Verwendung einer Blende aus geblendet wird, kann auch keine vollständige Modenmischung erreicht werden.

Ziel der Erfindung ist es, eine Laserabstandsermittlungsvor richtung sowie ein Referenzobjekt der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei minimalem Aufwand eine erhöhte Genauig keit der Referenzmessungen und damit eine möglichst optimale Kompensation der aufgrund der Signaldynamik auftretenden Laufzeitmeßfehler gewährleisten.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Referenzobjekt wenigstens ein Tripelelement aus drei im Win kel von 90° zueinander angeordneten Spiegelflächen umfaßt.

Aufgrund dieser Ausbildung wird zunächst erreicht, daß das vom Impulslaser stammende Licht zu sich parallel versetzt zu rückgeworfen wird, ohne daß dabei irgendein Zwischenbild er zeugt wird. Das Tripelelement aus den drei im Winkel von 90° zueinander angeordneten Spiegelflächen stellt eine Art Nega tivform eines Tripelreflektors dar. Das von dem Referenzob jekt stammende, von der Photoempfangsanordnung empfangene Licht kann nun parallel einfallen, so daß ein im unendlichen liegendes Referenzobjekt simuliert wird. Die vom Referenzob jekt stammenden empfangenen Strahlen können somit direkt auf den verwendeten Photoempfänger fokussiert werden. Der aus dem Unendlichen kommende Referenzlichtstrahl bringt somit den Vorteil eines scharfen Bildes im Brennpunkt mit sich. Zudem ist die optische Weglänge innerhalb des Tripelelements unab hängig vom Einfallswinkel und auch unabhängig vom Einfallsort des von dem Impulslaser stammenden Sende-Impulslichtbündels. Entsprechend ist auch die sich insgesamt ergebende optische Weglänge zwischen dem Impulslaser und der Photoempfangsanord nung unabhängig vom Einfallswinkel und vom Einfallsort. Der Parallelversatz der Lichtstrahlen hängt nur von dem Einfall sort- und der Größe des wenigstens einen Tripelelements ab. Soll der Parallelversatz nicht zu groß werden und sicherge stellt sein, daß alle vom Referenzobjekt stammenden Licht strahlen auch von der Photoempfangsanordnung empfangen wer den, so darf das Referenzobjekt eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Anders als bei der Verwendung eines Referen zobjekts mit lediglich zwei unter einem Winkel von 90° zuein ander angeordneten Spiegelflächen ist eine genaue Justierung nicht mehr erforderlich.

Beim erfindungsgemäßen Referenzobjekt wird das Licht nach ei nem Parallelversatz stets genau dahin zurückreflektiert, wo es herkommt.

Um über einen möglichst großen Winkelbereich der Photoemp fangsanordnung möglichst viele Referenzmessungen durchführen zu können, umfaßt das Referenzobjekt vorzugsweise mehrere Tripelelemente, die auf einem zur Drehachse der drehbaren Lichtablenkeinheit konzentrischen Kreisbogen liegen. Bei ei nem Mehrfachhohltripel sollen insbesondere die innenliegenden Eckpunkte auf einem solchen zur Drehachse der Lichtablenkein richtung konzentrischen Kreisbogen liegen.

Gemäß einer besonders einfach herstellbaren Ausführungsform ist das Referenzobjekt durch einen gespritzten Kunststoffkör per mit entsprechend verspiegelten Flächen gebildet. Gegebe nenfalls können somit auch mehrere Tripelelemente zu einem solchen Kunststoffspritzteil zusammengefaßt werden.

Bei der in der Praxis bevorzugten Ausführungsform ist das Re ferenzobjekt so angeordnet und ausgelegt, daß ein vom Impuls laser ausgesendetes, durch die Lichtablenkeinrichtung auf das Referenzobjekt gelenktes Impulsbündel aus der Mittenab schattung-der Sendeoptik heraus zu sich parallel versetzt und unter Aufrechterhaltung seines Gesamtquerschnitts zurückge worfen wird. Nachdem somit der Gesamtquerschnitt des ausge sendeten Lichtes auch wieder empfangen wird, wird eine er wünschte vollständige Modenmischung erreicht.

Zur Erzielung einer solchen möglichst vollständigen Modenmi schung wird das auf das Referenzobjekt auftreffende und von diesem zurückgeworfene Impulslichtbündel vorzugsweise energe tisch gedämpft. Auf eine geometrische Teilung wird somit vor zugsweise verzichtet, um das Modenrauschen zu vermeiden.

Bei der in der Praxis bevorzugten Ausführungsform wird das vorzugsweise außerhalb eines definierten überwachten Ab tastwinkelbereichs angeordnete Referenzobjekt von einem mit sich kontinuierlich ändernden Winkeln abgelenkten Sende- Impulslichtbündel überstrichen.

Um insbesondere eine möglichst große Anzahl von Amplituden nachbilden zu können, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß sich der Dämpfungsgrad in Abtastrichtung ändert. Bei einer sich entlang eines zur Drehachse der drehbaren Lichtablenk einheit konzentrischen Kreisbogens erstreckenden Lichtein tritts- und Lichtaustrittsfläche ändert sich der Dämpfungs grad vorzugsweise entlang dieses Kreisbogens. Das Impuls lichtbündel erfährt somit während seiner das Referenzobjekt überstreichenden Abtastbewegung eine unterschiedliche Dämp fung, so daß insbesondere unterschiedliche Amplituden nachge bildet und entsprechend auch unterschiedliche Laufzeitmeßfeh ler kompensiert werden können.

Von besonderem Vorteil ist, wenn sich der Dämpfungsgrad in Abtastrichtung bzw. entlang des Kreisbogens kontinuierlich ändert. Damit ist es grundsätzlich möglich, sämtliche auch in der Praxis während einer jeweiligen Abstandsmessung auftre tende Amplituden nachzubilden, so daß im Ergebnis über die entsprechend erstellten Korrekturtabellen oder Korrekturfunk tionen eine genaue Kompensation der jeweiligen Laufzeitmeß fehler gewährleistet ist.

Bei einer in der Praxis bevorzugten Ausführungsform ist das Referenzobjekt mit wenigstens einem Dämpfungsfilter versehen. Dieses ist in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Sende- Impulslichtbündels betrachtet vorzugsweise vor dem wenigstens einen Tripelelement angeordnet, wobei es zweckmäßigerweise im Bereich der Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche des Re ferenzobjekts vorgesehen ist.

Dieses Dämpfungsfilter kann sich entsprechend der Lichtein tritts- und Lichtaustrittsfläche des Referenzobjektes wieder um entlang eines zur Drehachse der drehbaren Lichtablenkein heit konzentrischen Kreisbogens erstrecken.

Bei der in der Praxis bevorzugten Ausführungsform ist das Dämpfungsfilter ein zweckmäßigerweise wellenlängenunabhängi ges Absorptionsfilter. Der Vorteil einer Absorption liegt darin, daß das Licht energetisch gedämpft und nicht geome trisch geteilt wird. Dadurch wird das Problem eines Modenrau schens vermieden.

Um zwischen einem minimalen und einem maximalen Empfangspegel möglichst viele Zwischenwerte zu erhalten, ist das Dämpfungs filter vorteilhafterweise als Verlaufsfilter mit einer sich in Abtastrichtung bzw. entlang des Kreisbogens kontinuierlich ändernden optischen Dämpfung ausgebildet. Bei unterschiedli chen Winkelstellungen einer drehbaren Photoempfangsanordnung ergeben sich somit unterschiedliche Dämpfungsgrade.

Dabei besitzt das Dämpfungsfilter vorteilhafterweise einen von einer optischen Dichte D = 0 bis insbesondere D = 4 und vorzugsweise von D = 0 bis D = 3,7 reichenden Dämpfungsver lauf, wobei die Dichtewerte für einen einfachen Filterdurch lauf angegeben sind. Bei der in der Praxis bevorzugten Aus führungsform wird das dem Referenzobjekt zugeordnete Dämp fungsfilter sowohl vom einfallenden als auch vom ausfallenden Licht durchlaufen, wobei das Dämpfungsfilter dann vorzugswei se einen von einer optischen Gesamtdichte D = 0 bis insbeson dere D = 8 und insbesondere D = 0 bis D = 7,4 reichenden Ge samtdämpfungsverlauf besitzt. Somit wird durch das Dämpfungs filter sowohl das einfallende als auch das ausfallende Licht gedämpft, wobei die beiden Dämpfungswerte gleich groß sind.

Das Dämpfungsfilter kann vorteilhafterweise als Folienfilter ausgebildet sein. Dieses kann ggf. konzentrisch zur Drehachse der Photoempfangsanordnung gekrümmt sein.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Referenzobjekt mit Positionier- und/oder Fixiermitteln versehen ist, um das Dämpfungsfilter am Referenzobjekt zu positionieren bzw. zu fixieren.

Der jeweilige Dämpfungsgrad kann zumindest teilweise aber auch durch eine entsprechend herabgesetzte Reflektivität we nigstens einer Spiegelfläche eines jeweiligen Tripelelements bestimmt sein, wobei die jeweilige Spiegelfläche beispielswei se auch aufgerauht sein kann.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausführungs varianten der erfindungsgemäßen Laserabstandsermittlungsvor richtung und des erfindungsgemäßen Referenzobjekts angegeben.

Aufgrund der Erfindung ist es somit insbesondere möglich, sämtliche in der Praxis interessierende Signalamplituden von der kleinsten detektierbaren Amplitude bis zur größten, zu einer maximalen Übersteuerung des der Photoempfangsanordnung nachgeschalteten Empfängers führenden Amplitude zu simulie ren. Wesentlich ist auch, daß die optische Weglänge vom Sen der über die Sendeoptik und die beispielsweise ein Spiegelrad umfassende Lichtablenkeinheit zum Referenzobjekt und zurück über die Lichtablenkeinheit und die Empfangsoptik zum Empfän ger von der simulierten Amplitude des Empfangssignals unabhän gig ist. Die unter Verwendung des Referenzobjekts erfolgende Simulation erfolgt stets bei bekannter und konstanter opti scher Weglänge. Im Ergebnis können somit sehr genaue Korrek turtabellen und/oder -funktionen erstellt werden, die in Ab hängigkeit von der Signalamplitude auch ständig nachkali briert werden können. Mit Hilfe der entsprechenden Korrektur tabelle bzw. Korrekturfunktion kann dann die Entfernung der jeweiligen Objekte praktisch unabhängig von deren jeweiligem Reflexionsverhalten genau gemessen werden. Das Tripelelement kann insbesondere auch als Hohltripel bzw. Mehrfachhohltripel ausgebildet werden, bei dem keine Brechung auftritt. Auch bei der Verwendung mehrerer konzentrisch zur Drehachse der Pho toempfangsanordnung angeordneter Tripelelemente ist sicherge stellt, daß kein Zwischenbild entsteht. Eine genaue Justie rung der Tripelanordnung ist nicht erforderlich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:

Fig. 1 in schematischer Ansicht den Grundaufbau einer als Laserradar verwirklichten Laserabstandser mittlungsvorrichtung,

Fig. 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel einer sol chen Laserabstandsermittlungsvorrichtung,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines in der La serabstandsermittlungsvorrichtung gemäß Fig. 1 bzw. 2 verwendeten Referenzobjekts,

Fig. 4 eine Vorderansicht des in Fig. 3 gezeigten Referenzobjekts in Richtung des einfallenden Lichtes,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Referenzobjekts,

Fig. 6 eine Schnittansicht des Referenzobjekts, ge schnitten entlang der Linie B-B in Fig. 5,

Fig. 7 eine Ansicht des Referenzobjekts von unten und

Fig. 8 eine Schnittansicht des Referenzobjekts, ge schnitten entlang der Linie A-A in Fig. 7.

Gemäß dem sich aus den Fig. 1 und 2 ergebenden Grundaufbau umfaßt die Laserabstandsermittlungsvorrichtung 10 einen Im pulslaser 12, eine Lichtablenkeinrichtung 14, eine Photoemp fangsanordnung 16 und ein in definiertem Abstand von der Lichtablenkeinrichtung 14 angeordnetes Referenzobjekt 18.

Ein Motor 20 (vgl. Fig. 2) treibt einen horizontalen Dreh teller 22 zu einer kontinuierlichen Umlaufbewegung um eine vertikale Achse 24 (vgl. Fig. 1) an. Am Umfang des Drehtel lers 22 kann ein beispielsweise als Gabellichtschranke ausge bildeter Winkelgeber vorgesehen sein, der mit einer Steuer- und Auswerteelektronik verbunden ist.

Die Lichtablenkeinrichtung 14 umfaßt einen Drehspiegel 26, der durch die obere Stirnfläche eines Kreiszylinderkörpers 28 (vgl. Fig. 1) oder auch an einer Spiegelplatte 30 (vgl. Fig. 2) ausgebildet sein kann. Nach Fig. 2 ist die Spiegel platte 30 über einen Spiegelträger 32 auf dem Drehteller 22 befestigt.

Oberhalb des Drehspiegels 26 ist ein wesentlich schmaler aus gebildeter, ebenfalls planer Umlenkspiegel 34 angeordnet, dessen Spiegelfläche einen Winkel von 45° zur Drehachse 24 aufweist und beispielsweise wiederum als Kreiszylinderkörper oder als ebene Spiegelplatte ausgebildet sein kann.

Ein zentraler Bereich 36 des Drehspiegels 26 empfängt über eine Sendelinse 38 Licht des Impulslasers 12. Das zunächst horizontale Lichtbündel wird am Umlenkspiegel 34 nach unten umgelenkt, um dann vom Drehspiegel 26 in horizontaler Rich tung umgelenkt zu werden. In Fig. 1 nimmt der Drehspiegel 26 eine solche Drehstellung ein, daß das Licht auf das Referenz objekt 18 gerichtet wird. Demgegenüber ist der Drehspiegel während einer jeweiligen Entfernungsmesseung so ausgerichtet, daß das Licht durch eine Frontscheibe 40 hindurch in einen Meßbereich 42 gerichtet wird. Befindet sich nun in diesem Meßbereich 42 ein Objekt, dessen Abstand zu ermitteln ist, so gelangt von diesem Objekt in der Regel Streulicht durch die Frontscheibe 40 im Sinne eines Autokollimationsstrahlengangs zurück zum Drehspiegel 26.

Während das Sende-Impulslichtbündel 44 mit seinem Mittenein fallslichtstrahl 46 auf den zentralen Bereich 36 des Dreh spiegels 26 auftrifft und dort in Horizontalrichtung umge lenkt wird, gelangt das von einem im Meßbereich 42 befindli chen Objekt oder von dem Referenzobjekt 18 stammende Emp fangs-Impulslichtbündel 48 über denselben Drehspiegel 26 zu einer Empfängerlinse 50, durch die das Empfangslicht auf ei nen Photoempfänger 52 konzentriert wird.

Der Drehspiegel 26, der Drehteller 22 und der Motor 20 sind Teil der Lichtablenkeinrichtung 14, die das Sende-Impuls lichtbündel 44 und das Empfangs-Impulslichtbündel 48 um die Drehachse 24 herum rotieren läßt.

Das Referenzobjekt 18 ist im Gehäuse 54 der Lichtabstandser mittlungsvorrichtung 10 integriert.

Wie sich insbesondere aus den Fig. 3 bis 8 ergibt, umfaßt das Referenzobjekt 18 mehrere, im vorliegenden Fall sechs Tripelelemente I-VI aus jeweils drei in einem Winkel α, β von 90° zueinander angeordneten Spiegelflächen I₁-VI₆.

Die Tripelelemente I-VI sind jeweils als Hohltripel ausge bildet, wobei sie im eingebauten Zustand des Referenzobjekts 18 (siehe insbesondere Fig. 2) jeweils durch zwei unten lie gende Spiegelflächen und eine oben liegende Spiegelfläche ge bildet sind.

Der zwischen den beiden unteren Spiegelflächen eines jeweili gen Tripelelements gebildete Winkel ist in Fig. 6 mit α an gegeben. In Fig. 8 ist der Winkel zwischen der oberen Spie gelfläche und einer unteren Spiegelfläche eines jeweiligen Tripelelements mit β bezeichnet. Derselbe Winkel β liegt auch zwischen der oberen Spiegelfläche und der anderen unteren Spiegelfläche vor. Diese beiden Winkel α und β betragen für sämtliche Tripelelemente I-VI jeweils 90°. Zudem kann Fig. 8 entnommen werden, daß im vorliegenden Fall die unteren Spiegelflächen mit der Horizontalen H jeweils einen Winkel γ von etwa 55° einschließen.

Die sechs Tripelelemente I-VI des Referenzobjekts 18 liegen auf einem zur Drehachse 24 (vgl. Fig. 1) der drehbaren Lichtablenkeinrichtung 14 konzentrischen Kreisbogen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die innenliegenden, je weils durch den Schnittpunkt der betreffenden drei Spiegel flächen gebildeten Eckpunkte P (vgl. insbesondere Fig. 4) des als Mehrfachhohltripel ausgebildeten Referenzobjekts 18 auf einem solchen zur Drehachse 24 konzentrischen Kreisbogen angeordnet sind.

Im vorliegenden Fall ist das Referenzobjekt 18 durch einen gespritzten Kunststoffkörper 56 mit entsprechend verspiegel ten Flächen gebildet. Damit sind alle sechs Tripelelemente I-VI in einem einzigen solchen Kunststoffkörper zusammenge faßt.

Wie am besten anhand der Fig. 1 zu erkennen ist, ist das Re ferenzobjekt 18 so angeordnet und ausgebildet, daß ein vom Impulslaser 12 ausgesendetes, durch die Lichtablenkeinrich tung 14 auf das Referenzobjekt 18 gelenktes Impulslichtbündel 44 aus der Mittenabschattung der Sendeoptik heraus zu sich parallel versetzt und unter Aufrechterhaltung seines Ge samtquerschnitts zurückgeworfen wird. Hierbei wird das außer halb des definierten überwachten Abtastwinkelbereichs, d. h. außerhalb des Meßbereichs 42 angeordnete Referenzobjekt 18 vom mit sich kontinuierlich ändernden Winkeln abgelenkten Sende-Impulslichtbündel 44 überstrichen.

Das auf das Referenzobjekt 18 auftreffende und von diesem zu rückgeworfene Impulslichtbündel 44, 48 wird energetisch ge dämpft, wobei sich der Dämpfungsgrad in Antastrichtung konti nuierlich ändert.

Dazu ist das Referenzobjekt 18 mit einem Dämpfungsfilter 58 versehen, das in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Sende- Impulslichtbündels 44 betrachtet vor den Tripelelementen I-VI angeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist dieses Dämpfungs filter 58 im Bereich der Lichteintritts- und Lichtaustritts fläche des als Mehrfachhohltripel ausgebildeten Referenzob jekts 18 angeordnet (vgl. Fig. 1 und 2). Entsprechend der Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche des Referenzobjekts 18 erstreckt sich auch das Dämpfungsfilter 58 entlang eines zur Drehachse 24 der drehbaren Lichtablenkeinrichtung 14 kon zentrischen Kreisbogens.

Im vorliegenden Fall ist das Dämpfungsfilter 58 ein wellen längenunabhängiges Absorptionsfilter, das wiederum als Ver laufsfilter mit einer sich in Abtastrichtung bzw. entlang des zur Drehachse 24 konzentrischen Kreisbogens kontinuierlich ändernden optischen Dämpfung ausgebildet ist.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besitzt das Dämpfungs filter 58 einen von einer optischen Dichte D = 0 bis insbe sondere D = 4 und vorzugsweise von D = 0 bis D = 3,7 reichen den Dämpfungsverlauf, wobei diese Dichtewerte für einen ein fachen Filterdurchlauf angegeben sind. Im vorliegenden Fall wird das dem Referenzobjekt 18 zugeordnete Dämpfungsfilter 58 sowohl vom einfallenden als auch vom ausfallenden Licht durchlaufen, so daß es einen von einer optischen Gesamtdichte D = 0 bis insbesondere D = 8 und insbesondere von D = 0 bis D = 7,4 reichenden Gesamtdämpfungsverlauf besitzt. Zudem ist das Dämpfungsfilter 58 im vorliegenden Fall als Folienfilter ausgebildet.

Wie insbesondere anhand der Fig. 3 und 4 zu erkennen ist, ist das Referenzobjekt 18 mit Positionier- und Fixiermitteln 60 versehen, um das Dämpfungsfilter 58 am Referenzobjekt 18 zu positionieren bzw. zu fixieren. Diese Positionier- und Fi xiermittel 60 umfassen eine Anlagekante 60', an die das foli enartige Dämpfungsfilter 58 unter Erzeugung der erforderli chen Krümmung konzentrisch zur Drehachse 24 anlegbar ist. An den Enden der einem zur Drehachse 24 konzentrischen Kreisbo gen folgenden Anlagekanten 60' diese Positionier- und Fixier mittel 60 mit Klemmitteln 62 (siehe insbesondere Fig. 3) versehen, an denen die Enden des folienartigen Dämpfungsfil ters 58 festklemmbar sind.

Wie insbesondere anhand von Fig. 1 zu erkennen ist, trifft das vom Referenzobjekt 18 zur Lichtablenkeinrichtung 14 zu rückgeworfene Licht parallel auf die Empfangslinse 50 auf, so daß ein im Unendlichen liegendes Referenzobjekt simuliert wird. Dadurch wird ein scharfes Bild im Brennpunkt erzeugt. Nachdem der Gesamtquerschnitt des ausgesendeten Impulslicht bündels auch wieder empfangen wird, wird eine vollständige Modenmischung erzielt. Trotz des Verlaufs des Referenzobjekts 18 entlang eines zur Drehachse 24 der Lichtablenkeinrichtung 14 konzentrischen Kreisbogens tritt keinerlei Zwischenbild auf. Eine genaue Justierung des Referenzobjekts ist nicht mehr erforderlich. Das Licht wird durch das Referenzobjekt 18 zu sich parallel versetzt und stets genau dahin zurück re flektiert, wo es herkommt. Durch eine entsprechende Abstufung des folienartigen Dämpfungsfilters 58 kann grundsätzlich der gesamte Dynamikbereich abgedeckt werden. Nachdem das dem Re ferenzobjekt 18 zugeordnete Dämpfungsfilter 58 sowohl vom einfallenden als auch vom ausfallenden Licht durchlaufen wird, ergibt sich eine doppelte Dämpfung. Mit den entspre chenden Referenzmessungen können schließlich äußerst genaue Korrekturtabellen und/oder Korrekturfunktionen erstellt wer den, die zudem ständig auch nachjustierbar sind.

Bezugszeichenliste

10

Lichtabstandsermittlungsvorrichtung

12

Impulslaser

14

Lichtablenkeinrichtung

16

Photoempfangsanordnung

18

Referenzobjekt

20

Motor

22

Drehteller

24

Drehachse

26

Drehspiegel

28

Kreiszylinderkörper

30

Spiegelplatte

32

Spiegelträger

34

Umlenkspiegel

36

zentraler Bereich

38

Sendelinse

40

Frontscheibe

42

Meßbereich

44

Sende-Impulslichtbündel

46

Mitteneinfallslichtstrahl

48

Empfangs-Impulslichtbündel

50

Empfängerlinse

52

Photoempfänger

54

Gehäuse

56

Kunststoffkörper

58

Dämpfungsfilter

60

Positionier- und Fixiermittel

60'

Anlagekante
I Tripelelement
II Tripelelement
III Tripelelement
IV Tripelelement
V Tripelelement
VI Tripelelement
I₁

Spiegelflächen
II₂

Spiegelflächen
III₃

Spiegelflächen
IV₄

Spiegelflächen
V₅

Spiegelflächen
VI₆

Spiegelflächen
H Horizontale
P Eckpunkte
α Winkel
β Winkel
γ Winkel

Claims

1. Laserabstandsermittlungsvorrichtung (10) mit einem Im pulslaser (12), einer Lichtablenkeinrichtung (14), einer Photoempfangsanordnung (16) und einem in definiertem Ab stand von der Lichtablenkeinrichtung (14) angeordneten Referenzobjekt (18) dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzobjekt (18) wenigstens ein Tripelelement (I-VI) aus drei im Winkel (a, β) von 90°C zueinander angeordneten Spiegelflächen (I₁-VI₆) umfaßt.

2. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzobjekt (18) mehrere Tripelelemente (I-VI) umfaßt, die auf einem zur Drehachse (24) der drehba ren Lichtablenkeinheit (14) konzentrischen Kreisbogen liegen.

3. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzobjekt (18) durch einen gespritzten Kun stoffkörper (56) mit entsprechend verspiegelten Flächen gebildet ist.

4. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzobjekt (18) so angeordnet und ausgelegt ist, daß ein vom Impulslaser (12) ausgesendetes, durch die Lichtablenkeinheit (14) auf das Referenzobjekt (18) gelenktes Impulslichtbündel (44) aus der Mittenabschat tung der Sendeoptik heraus zu sich parallel versetzt und unter Aufrechterhaltung seines Gesamtquerschnitts zu rückgeworfen wird.

5. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise außerhalb eines definierten über wachten Abtastwinkelbereichs (42) angeordnete Referenz objekt (18) von einem mit sich kontinuierlich ändernden Winkeln abgelenkten Sende-Impulslichtbündel (44) über strichen wird.

6. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Referenzobjekt (18) auftreffende und von diesem zurückgeworfene Impulslichtbündel (44, 48) ener getisch gedämpft wird.

7. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Dämpfungsgrad in Abtastrichtung ändert.

8. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche des Referenzobjekts (18) entlang eines zur Drehachse (24) der drehbaren Lichtablenkeinheit (14) konzentri schen Kreisbogens erstreckt und daß sich der Dämpfungs grad entlang dieses Kreisbogens ändert.

9. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Dämpfungsgrad in Abtastrichtung bzw. ent lang des Kreisbogens kontinuierlich ändert.

10. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzobjekt (18) mit wenigstens einem Dämp fungsfilter (58) versehen ist.

11. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Sende-Impulslichtbündels (44) betrachtet vor dem wenigstens einen Tripelelement (I-VI) angeord net ist.

12. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) im Bereich der Lichtein tritts- und Lichtaustrittsfläche des Referenzobjekts (18) angeordnet ist.

13. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Dämpfungsfilter (58) entsprechend der Lichteintritts- und Lichtaustrittsfläche des Referenzob jekts (18) entlang eines zur Drehachse (24) der drehba ren Lichtablenkeinheit (14) konzentrischen Kreisbogens erstreckt.

14. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) ein vorzugsweise wellenlän genunabhängiges Absorptionsfilter ist.

15. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) als Verlaufsfilter mit ei ner sich in Abtastrichtung bzw. entlang des Kreisbogens kontinuierlich ändernden optischen Dämpfung ausgebildet ist.

16. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) einen von einer optischen Dichte D = 0 bis insbesondere D = 4 und vorzugsweise von D = 0 bis D = 3,7 reichenden Dämpfungsverlauf besitzt, wobei die Dichtewerte für einen einfachen Filterdurch lauf angegeben sind.

17. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Referenzobjekt (18) zugeordnete Dämpfungs filter (58) sowohl vom einfallenden als auch vom ausfal lenden Licht durchlaufen wird und vorzugsweise einen von einer optischen Gesamtdichte D = 0 bis insbesondere D = 8 und insbesondere von D = 0 bis D = 7,4 reichenden Ge samtdämpfungsverlauf besitzt.

18. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) als Folienfilter ausgebil det ist.

19. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Dämpfungsgrad zumindest teilweise durch eine entsprechend herabgesetzte Reflektivität we nigstens einer Spiegelfläche (I₁-VI₆) eines jeweiligen Tripelelements (I-VI) bestimmt ist.

20. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Spiegelfläche (I₁-VI₆) aufgerauht ist.

21. Laserabstandsermittlungsvorrichtung nach einem der vor hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzobjekt (18) mit Positionier- und/oder Fixiermitteln (60) versehen ist, um das Dämpfungsfilter (58) am Referenzobjekt (18) zu positionieren bzw. zu fi xieren.

22. Referenzobjekt für eine Laserabstandsermittlungsvorrich tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens ein Tripelelement (I-VI) aus drei im Winkel (α, β) von 90° zueinander angeordneten Spiegel flächen (I₁-VI₆) umfaßt.

23. Referenzobjekt nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere nebeneinander auf einem Kreisbogen ange ordnete Tripelelemente (I-VI) umfaßt.

24. Referenzobjekt nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß es durch einen gespritzten Kunstoffkörper (56) mit entsprechend verspiegelten Flächen gebildet ist.

25. Referenzobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel (58) zur energetischen Lichtdämpfung um faßt.

26. Referenzobjekt nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens ein Dämpfungsfilter (58) umfaßt, das vorzugsweise in Ausbreitungsrichtung des einfallenden Sende-Impulslichtbündels betrachtet vor dem wenigstens einen Tripelelement (I-VI) angeordnet ist.

27. Referenzobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) ein vorzugsweise wellenlän genunabhängiges Absorptionsfilter ist.

28. Referenzobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) einen von einer optischen Dichte D = 0 bis insbesondere D = 4 und vorzugsweise von D = 0 bis D = 3,7 reichenden Dämpfungsverlauf besitzt, wobei die Dichtewerte für einen einfachen Filterdurch lauf angegeben sind.

29. Referenzobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsfilter (58) als Folienfilter ausgebil det ist.

30. Referenzobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Dämpfungsgrad zumindest teilweise durch eine entsprechend herabgesetzte Reflektivität we nigstens einer Spiegelfläche (I₁-VI₆) eines jeweiligen Tripelelements (I-VI) bestimmt ist.

31. Referenzobjekt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit Positionier- und/oder Fixiermitteln (60) ver sehen ist, um das Dämpfungsfilter (58) am Referenzobjekt (18) zu positionieren bzw. zu fixieren.