DE19732376C1 - Method of distance measurement using triangulation principle - Google Patents
Method of distance measurement using triangulation principleInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstandsmessung nach dem Triangulationsprinzip.The invention relates to a method and a device for distance measurement according to the triangulation principle.
Es sind derartige Verfahren und hierfür geeignete Vorrich tungen bekannt, wobei zur Bestimmung des Abstands eines Meß punkts von einem auf einer Meßgeraden liegenden Bezugspunkt zunächst das Licht einer Lichtquelle entlang der Meßgeraden in Richtung auf das Meßobjekt gerichtet wird. Der Licht strahl erzeugt auf dem Meßobjekt einen Meßlichtfleck, der über eine Abbildungsoptik auf einen positionsempfindlichen Detektor (Position Sensitive Detector, PSD) abgebildet wird. Der Ort der Abbildung auf dem Detektor wird festgestellt und hieraus der zu messende Abstand bestimmt.Such methods and devices are suitable for this lines known, for determining the distance of a measurement points from a reference point lying on a measuring line first the light from a light source along the measuring line is directed towards the measurement object. The light beam creates a measuring light spot on the measurement object via imaging optics to a position sensitive Position Sensitive Detector (PSD) is imaged. The location of the image on the detector is determined and the distance to be measured is determined from this.
Um eine möglichst genaue Abstandsbestimmung zu ermöglichen, sollte der Meßlichtfleck kleiner sein als die mittlere Korn größe des Materials des Meßobjekts. Dies führt bei techni schen Oberflächen zur Forderung nach Meßlichtfleckdurchmes sern von 10 µm oder kleiner. Es ist bekannt, hierfür den auf das Meßobjekt gerichteten Lichtstrahl auf einen Punkt der Meßgeraden zu fokussieren.In order to enable the most accurate possible distance determination, the measuring light spot should be smaller than the middle grain size of the material of the measurement object. This leads to techni surfaces for the requirement of measuring light spot diameters 10 µm or smaller. It is known for this on the measuring object directed light beam to a point of Focus measuring lines.
In der Regel wird zur Triangulation Laserlicht eingesetzt. Ein fokussiertes Laserstrahlbündel kann angenähert als Gauß scher Strahl betrachtet werden, bei dem zwischen dem Durch messer des Fokusflecks, d. h. der Strahltaille, und dem Öff nungswinkel ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Eine Ver ringerung des Fokusfleckdurchmessers bedingt demnach eine Vergrößerung des Öffnungswinkels. Ein größerer Öffnungswin kel bedeutet aber, daß der Meßlichtfleck auf dem Meßobjekt sich rasch vergrößert und damit die Meßgenauigkeit drastisch nachläßt, wenn sich das Meßobjekt aus dem Ort des Fokus flecks heraus bewegt. Bei großem Öffnungswinkel des einge setzten Lichtbündels ist daher der nutzbare Meßbereich ge ringer als bei kleinem Öffnungswinkel. Andererseits muß ein möglichst geringer Fokusfleckdurchmesser angestrebt werden, um überhaupt eine akzeptable Meßgenauigkeit zu erreichen.Usually laser light is used for triangulation. A focused laser beam can be approximated as a Gaussian shear ray are considered, in which between the through focus spot knife, d. H. the beam waist, and the public angle there is a clear connection. A ver a reduction in the focus spot diameter therefore requires one Increasing the opening angle. A larger opening win However, kel means that the measuring light spot on the measuring object increases rapidly and the measuring accuracy drastically subsides when the target is out of focus stains moved out. When the opening angle is large set light beam is therefore the usable measuring range ge less than with a small opening angle. On the other hand, a the smallest possible focus spot diameter is aimed for, to achieve acceptable measuring accuracy at all.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung stellen, bei dem der Meßbereich dem Abstandsmessung ohne Nachteil - für die Meßgenauigkeit gegenüber dem Stand der Technik vergrößert ist.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device of the type mentioned are available in which the measuring range corresponds to the distance measurement without Disadvantage - for the measuring accuracy compared to the state of the Technology is enlarged.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese
Aufgabe dadurch gelöst, daß
In a method of the type mentioned, this object is achieved in that
- a) mindestens zwei Lichtquellen je eigene Lichtanteile mit von den übrigen Lichtanteilen unterscheidbarer Eigenschaft koaxial zur Meßgeraden auf das Meßobjekt richten,a) at least two light sources with their own light components property distinguishable from the other light components point coaxially to the measuring line at the object to be measured,
- b) jeder Lichtanteil auf einen anderen Punkt der Meßgeraden fokussiert wird, so daß jeder Lichtanteil einen einen unterschiedlichen Fleckdurchmesser aufweisenden Meßlichtfleck auf dem Meßobjekt erzeugt,b) each light component on a different point on the measuring line is focused so that each part of the light a one different spot diameter measuring light spot generated on the measurement object,
- c) sämtliche Meßlichtflecken auf einen einzigen positionsempfindlichen Detektor abgebildet werden, der je nach Eigenschaft der Lichtanteile Detektorsignalanteile mit wiederum unterscheidbaren Eigenschaften erzeugt,c) all measuring light spots on a single position-sensitive detector are mapped, each according to the property of the light components again creates distinguishable properties
- d) die einzelnen Detektorsignalanteile gesondert erfaßt werden,d) the individual detector signal components are recorded separately become,
- e) festgestellt wird, welcher Lichtanteil zum geringsten Meßlichtfleckdurchmesser gehört, unde) it is determined which proportion of light is the least Heard light spot diameter, and
- f) der zu messende Abstand aus dem Detektorsignalanteil er mittelt wird, der von dem den geringsten Meßlichtfleckdurch messer erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.f) the distance to be measured from the detector signal component is averaged, from which the smallest measuring light spot knife-producing light portion is effected.
Durch den Einsatz mehrerer Lichtquellen werden entlang der Meßgeraden mehrere jeweils zu einer der Lichtquellen gehö rende Einzelmeßbereiche erzeugt. Werden die Lagen der ein zelnen Fokuspunkte so gewählt, daß die Einzelmeßbereiche lückenlos aneinander anschließen, ergibt sich hieraus ein durchgehender Meßbereich, der entsprechend der Anzahl der Lichtquellen ein vielfaches länger ist als der Einzelmeßbe reich einer einzigen Lichtquelle. By using multiple light sources along the Measuring lines several each belong to one of the light sources generating individual measuring ranges. Will the locations be the one individual focus points selected so that the individual measuring ranges The result is a seamless connection to one another continuous measuring range corresponding to the number of Light sources are many times longer than the single measurement rich in a single light source.
Die einzelnen Meßlichtflecken überlappen wegen der koaxialen Strahlführung einander konzentrisch auf dem Meßobjekt. Da jedoch zur endgültigen Abstandsbestimmung der kleinste Meß lichtfleck allein heranzuziehen ist, muß es zunächst ermög licht werden, die durch die einzelnen Lichtanteile erzeugten Detektorsignalanteile separat auszuwerten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß jeder Lichtanteil mit einer eigenen Frequenz in seiner Intensität moduliert wird und die Erfassung der einzelnen Detektorsignalanteile über eine elektronische frequenzselektive Filterung erfolgt.The individual measuring light spots overlap because of the coaxial Beam guidance concentrically on the target. There however, the smallest measurement for the final determination of the distance light spot alone, it must first allow light that are generated by the individual light components Evaluate detector signal components separately. This can can be achieved in that each light component with a own frequency is modulated in its intensity and the Detection of the individual detector signal components via a Electronic frequency-selective filtering takes place.
Elektronische frequenzselektive Filterungen sind bekannt. Im vorliegenden Fall kann die Intensitätsmodulation der Lichtquelle und das Auslesen des Detektors zueinander syn chronisiert werden, d. h. daß der Detektor von einer bestimmten Aus werteeinheit immer dann ausgelesen wird, wenn die Lichtin tensität der zugeordneten Lichtquelle gerade eine bestimmte Phasenlage, beispielsweise das Intensitätsmaximum, aufweist. Derart können die durch die einzelnen Lichtanteile erzeugten Detektorsignalanteile, aus denen sich das über eine gewisse Zeit betrachtete Detektorsignal zusammensetzt, separat aus gewertet werden.Electronic frequency selective filtering is known. in the In the present case, the intensity modulation of the Light source and the reading of the detector syn to each other be chronized, d. H. that the detector from a certain out value unit is always read out when the light intensity of the assigned light source just a certain Has phase position, for example the maximum intensity. In this way, those generated by the individual light components Detector signal components, which make up a certain Time considered detector signal composed, separately get ranked.
Das Verfahren kann auch so ausgeführt wer den, daß sämtliche Lichtanteile mit derselben Frequenz und unterschiedlichen Phasenlagen in ihrer Intensität moduliert werden und die Erfassung der einzelnen Detektorsignalanteile über eine elektronische phasenselektive Filterung erfolgt.The process can also be carried out in this way that all light components with the same frequency and different phase positions are modulated in intensity and the detection of the individual detector signal components via an electronic phase-selective filtering.
Die phasenselektive Filterung wird ebenfalls durch die Syn chronisation der Lichtanteile mit dem Auslesen des Detektors erreicht. Hier wird die Trennung der Detektorsignalanteile allein durch die unterschiedlichen Phasenlagen der jeweiligen Intensitätsmodulation erreicht.Phase-selective filtering is also carried out by Syn Chronization of the light components with the reading of the detector reached. Here is the separation of the detector signal components solely through the different phase positions of the respective Intensity modulation reached.
Es ist vorteilhaft, das Verfahren so auszu führen, daß die frequenz- oder phasenselektive Filterung eine Look-In-Filterung ist.It is advantageous to carry out the process in this way cause the frequency or phase selective filtering a Is look-in filtering.
Die vorgenannte Aufgabe wird des weiteren durch ein Verfahren
der eingangs genannten Art gelöst, bei dem zur Messung
des entlang einer Meßgeraden gegebenen Abstands zwischen ei
nem Bezugspunkt und einem Meßobjekt
The aforementioned object is further achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which to measure the distance along a measuring line between a reference point and a measurement object
- a) mindestens zwei Lichtquellen je eigene Lichtanteile fit unterschiedlicher Lichtfrequenz koaxial zur Meßgeraden auf das Meßobjekt richten,a) at least two light sources fit their own light components different light frequency coaxial to the measuring line align the target,
- b) jeder Lichtanteil auf einen anderen Punkt der Meßgeraden fokussiert wird, so daß jeder Lichtanteil einen einen unterschiedlichen Fleckdurchmesser aufweisenden Meßlichtfleck auf dem Meßobjekt erzeugt,b) each light component on a different point on the measuring line is focused so that each part of the light a one different spot diameter measuring light spot generated on the measurement object,
- c) im Strahlengang nach dem Meßobjekt das Licht mittels op tischer Filterung in die einzelnen Lichtanteile getrennt wird,c) in the beam path after the object to be measured using op filtering into the individual light components becomes,
- d) der Meßlichtfleck jedes Lichtanteils auf je einen gesonderten, ein Detektorsignal erzeugenden, positionsempfindlichen Detektor abgebildet wird,d) the measuring light spot of each light component on one separate, generating a detector signal, position-sensitive detector is imaged,
- e) festgestellt wird, welcher Lichtanteil zum geringsten Meßlichtfleckdurchmesser gehört, unde) it is determined which proportion of light is the least Heard light spot diameter, and
- f) der zu messende Abstand aus dem Detektorsignal ermitteit wird, das von dem den geringsten Meßlichtfleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.f) determines the distance to be measured from the detector signal is that of the smallest measuring light spot diameter generating light portion is effected.
Dieses Verfahren unterscheidet sich von dem zuvor beschrie benen Verfahren dadurch, daß die einzelnen Lichtanteile jeweils auf eigene Detektoren geführt und folg lich vor Auftreffen auf dem Detektor voneinander separiert werden. Hierdurch erübrigt sich eine elektronische Filterung der einzelnen Detektorsignalanteile.This procedure differs from that previously described benen procedures in that the individual Light components each led to their own detectors and follow Lich separated from each other before hitting the detector become. This eliminates the need for electronic filtering of the individual detector signal components.
Die vorgenannte Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung der
eingangs genannten Art, umfassend
The aforementioned object is achieved with a device of the type mentioned at the outset, comprising
- a) mindestens zwei, je eigene Lichtanteile mit unterschiedlicher Lichtfrequenz erzeugende Lichtquellen,a) at least two, each with their own light components light sources generating different light frequencies,
- b) Mittel zur koaxialen Ausrichtung aller Lichtanteile längs einer Meßgeraden und zur Fokussierung der einzelnen Lichtanteile auf je unterschiedliche Punkte der Meßgeraden,b) Means for coaxial alignment of all light components along a measuring line and for focusing the individual Light components to different points on the measuring line,
- c) im Strahlengang nach dem Meßobjekt Mittel zur Trennung der einzelnen Lichtanteile, und für jeden Lichtanteil eine eigene Abbildungsoptik zur Abbildung jedes durch einen der Lichtanteile auf einem Meßobjekt erzeugten Meßlichtflecks auf jeweils einen positionsempfindlichen, ein Detektorsignal erzeugenden Detektor, c) means for separating the individual light components, and for each light component a separate one Mapping optics for mapping each by one of the Light components on a measurement object produce measurement light spots one position-sensitive, one detector signal generating detector,
- d) Mittel zur Auswertung der einzelnen Detektorsignale,d) means for evaluating the individual detector signals,
- e) eine Logikeinheit zur Ermittlung des den Meßlichtfleck mit dem geringsten Fleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteils unde) a logic unit for determining the measuring light spot with the smallest spot diameter producing light component and
- f) Mittel zur Ermittlung des zu messenden Abstandes aus dem Detektorsignal, das von dem den geringsten Meßlichtfleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.f) means for determining the distance to be measured from the Detector signal from the least Measuring light spot diameter producing light portion causes is.
Bei der Logikeinheit kann es sich beispielsweise um eine einfache datenverarbeitende Einheit handeln, in der in einer Tabelle festgelegt ist, welche Lichtquelle für welchen Ein zelmeßbereich zuständig ist. Da die Meßgenauigkeit aller Lichtquellen in der Regel ausreicht, zu bestimmen, in welchem Einzelmeßbereich sich das Meßobjekt befindet, kann die Logikeinheit entscheiden, welcher Lichtanteil zur endgültigen und genauesten Bestimmung des zu messenden Abstands aus gewertet wird.The logic unit can be, for example act simple data processing unit in which in a Table specifies which light source for which one measuring range is responsible. Because the measurement accuracy of all Light sources usually suffice to determine which one Single measuring range is the object to be measured Logic unit decide which proportion of light to the final and most accurate determination of the distance to be measured is evaluated.
Es ist vorteilhaft, die erfindungsgemäße Vorrichtung so aus zubilden, daß die Mittel zur Trennung der einzelnen Lichtan teile optische Filter sind.It is advantageous to design the device according to the invention in this way to form that the means for separating the individual light parts are optical filters.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird des weiteren gelöst durch
eine Vorrichtung, umfassend
The object of the invention is further achieved by a device comprising
- a) mindestens zwei, je eigene Lichtanteile mit von den übrigen Lichtanteilen unterscheidbarer Eigenschaft erzeugende Lichtquellen,a) at least two, each with their own light components from the other light components producing distinguishable property Light sources,
- b) Mittel zur koaxialen Ausrichtung aller Lichtanteile längs einer Meßgeraden und zur Fokussierung der einzelnen Lichtanteile auf je unterschiedliche Punkte der Meßgeraden,b) Means for coaxial alignment of all light components along a measuring line and for focusing the individual Light components to different points on the measuring line,
- c) eine Abbildungsoptik zur Abbildung sämtlicher durch jeweils einen der Lichtanteile auf einem Meßobjekt erzeugter Meßlichtflecke auf einen positionsempfindlichen Detektor, der je nach Eigenschaft der Lichtanteile Detektorsignalanteile mit wiederum unterscheidbarer Eigenschaften erzeugt,c) an imaging optics for imaging all through each one of the light components generated on a measurement object Measuring light spots on a position sensitive detector that depending on the property of the light components, detector signal components with again distinguishable properties,
- d) Mittel zur gesonderten Erfassung der einzelnen Detektorsignalanteile,d) Means for separate registration of the individual Detector signal components,
- e) eine Logikeinheit zur Ermittlung des den Meßlichtfleck mit geringsten Fleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteils unde) a logic unit for determining the measuring light spot with smallest spot diameter producing light component and
- f) Mittel zur Ermittlung des zu messenden Abstandes aus dem Detektorsignal, das von dem den geringsten Meßlichtfleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.f) means for determining the distance to be measured from the Detector signal from the least Measuring light spot diameter producing light portion causes is.
Es ist vorteilhaft, auch die nur einen Detektor umfassende Vorrichtung so auszubilden, daß jeder Licht anteil eine eigene Lichtfrequenz aufweist. Diese Maßnahme wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft aus, wenn die Vorrichtung so ausgebildet wird, daß für sämtliche Lichtanteile eine einzige Fokussieroptik mit chro matischer Aberration vorgesehen ist.It is also advantageous to include only one detector Train the device so that every light share has its own light frequency. This measure is particularly advantageous if the Device is designed so that for all light components a single focusing optic with chro matical aberration is provided.
In diesem Fall erübrigen sich weitere Fokussieroptiken, da die chromatische Aberration der einzigen Fokussieroptik für die unterschiedlichen Fokuslagen der einzelnen Lichtanteile sorgt. Hierfür müssen lediglich die von den Lichtquellen ausgehenden Lichtanteile koaxial auf die Fokussieroptik mit chromatischer Aberration geführt werden.In this case, there is no need for further focusing optics, since the chromatic aberration of the only focusing optics for the different focus positions of the individual light components worries. All that is required is that of the light sources outgoing light components coaxially with the focusing optics chromatic aberration.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen können aber auch so aus gebildet sein, daß im Strahlengang jedes Lichtanteils unmit telbar hinter der Lichtquelle eine eigene Fokussieroptik an geordnet ist.The devices according to the invention can also look like this be formed that immediately in the beam path of each light component own focusing optics behind the light source is ordered.
Vorteilhaft können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen auch so ausgebildet sein, daß die Mittel zur koaxialen Ausrichtung aller Lichtanteile mindestens einen Strahlteiler umfassen.The devices according to the invention can also be advantageous be designed so that the means for coaxial alignment all light components comprise at least one beam splitter.
Bei der Verwendung von Strahlteilern ist es insbesondere vorteilhaft, die Vorrichtung so auszubilden, daß jeder Strahlteiler einen dichroitischen Filter umfaßt. Hierdurch kann erreicht werden, daß bei Einsatz unter schiedlicher Lichtfrequenzen die Strahlungsverluste an den einzelnen Strahlteilern drastisch erniedrigt werden können. Mit den dichroitischen Filtern können die Strahlteiler so gestaltet werden, daß sie bis zu einer bestimmten Grenz lichtfrequenz nahezu vollständig transmissiv sind, während sie für höhere Lichtfrequenzen nahezu vollständig reflektie ren. In diesem Fall müssen hintereinander angeordnete Strahlteiler in der Reihenfolge vom ersten, dem Meßobjekt nächsten Strahlteiler zum letzten sinkende Grenzfrequenzen aufweisen, so daß jeder Strahlteiler nur für eine bestimmte Lichtquelle reflektierend und für alle anderen transmissiv ist. Jedoch können die Strahlteiler auch so gestaltet wer den, daß sie unterhalb der Grenzfrequenz reflektierend sind. In diesem Falle müssen die hintereinander angeordneten Strahlteiler in der vorgenannten Reihenfolge steigende Grenzfrequenzen aufweisen.It is particularly so when using beam splitters advantageous to design the device so that each beam splitter includes a dichroic filter. This can be achieved that when used under different light frequencies the radiation losses at the individual beam splitters can be drastically reduced. The beam splitters can do this with the dichroic filters be designed to a certain limit light frequency are almost completely transmissive, while they reflect almost completely for higher light frequencies ren. In this case, one after the other Beam splitter in the order from the first, the target next beam splitter to last falling cutoff frequencies have, so that each beam splitter only for a certain one Light source reflective and transmissive for all others is. However, the beam splitters can also be designed in this way that they are reflective below the cutoff frequency. In this case, the one behind the other Beam splitter increasing in the above order Have limit frequencies.
Schließlich kann die Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß der Abstand zwischen zwei benachbarten Fokuspunkten derart gewählt ist, daß zwischen den Fokuspunk ten ein lückenloser Meßbereich gewährleistet ist.Finally, the device can also do so be designed so that the distance between two neighboring Focus points is chosen such that between the focus point a complete measuring range is guaranteed.
Im folgenden werden anhand von Figuren eine bevorzugte Aus führungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens und eine be vorzugte Ausbildungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.In the following, a preferred Aus is based on figures embodiment of a method according to the invention and a be preferred embodiment of a device according to the invention described.
In schematischer Darstellung zeigenShow in a schematic representation
Fig. 1 eine Triangulationsvorrichtung und ein Meßobjekt, Fig. 1 is a Triangulationsvorrichtung and a measurement object,
Fig. 2 eine lichterzeugende Einheit und Fig. 2 is a light generating unit and
Fig. 3 einen positionsempfindlichen Detektor mit Abbil dungen von Meßlichtpunkten. Fig. 3 shows a position sensitive detector with Abbil extensions of measuring light points.
Die Triangulationsvorrichtung 1 (Fig. 1) umfaßt eine licht erzeugende Einheit 2, mit der das erzeugte Licht durch einen Lichtaustritt 3 hindurch auf ein Meßobjekt 4 gerichtet ist. In der lichterzeugenden Einheit 2 befinden sich als Licht quellen vier Laserdioden 5 bis 8 (Fig. 2), deren Licht über Fokussieroptiken 9 bis 12 und Strahlteiler 13 koaxial auf das Meßobjekt 4 gerichtet ist. Der Lichtanteil jeder La serdiode 5 bis 8 erzeugt auf der Oberfläche des Meßobjekts 4 einen in den Fig. 1 und 2 nicht dargestellten Meßlichtfleck. Da die Strahlung koaxial auf das Meßobjekt 4 gerichtet ist, überdecken diese Meßlichtpunkte einander konzentrisch. The triangulation device 1 ( FIG. 1) comprises a light-generating unit 2 , with which the generated light is directed through a light exit 3 onto a measurement object 4 . In the light-generating unit 2 there are four laser diodes 5 to 8 ( FIG. 2) whose light is directed via focusing optics 9 to 12 and beam splitter 13 coaxially onto the measurement object 4 as light sources. Of light of each La serdiode 5 to 8 produced on the surface of the measured object 4 is a Meßlichtfleck not shown in Figs. 1 and 2. Since the radiation is directed coaxially onto the measurement object 4 , these measurement light points cover one another concentrically.
Die Meßlichtpunkte werden mittels einer Abbildungsoptik 14 (Fig. 1) auf einen positionsempfindlichen Detektor 15 (Posi tion Sensitive Detector, PSD) abgebildet. Die in Fig. 1 dar gestellte Neigung des Detektors 15 gegen den Abbildungs strahlengang genügt der Scheimpflugbedingung, damit im ge samten Meßbereich der Abstandsmessung eine scharfe Abbildung der Meßlichtflecken erzielt werden kann.The measuring light points are imaged by means of imaging optics 14 ( FIG. 1) on a position-sensitive detector 15 (position sensitive detector, PSD). The inclination shown in Fig. 1 of the detector 15 against the imaging beam path meets the Scheimpflug condition, so that a sharp image of the measuring light spots can be achieved in the entire measuring range of the distance measurement.
Zur hochgenauen Ermittlung des entlang einer Meßgeraden 16 ermittelnden Abstands zwischen einem Bezugspunkt, z. B. Lichtaustritt 3 und dem die Meßlichtflecken aufweisenden Ort der Oberfläche des Meßobjekts 4 sollte der Durchmesser des zur Bestimmung des Abstands maßgeblichen Meßlichtflecks kleiner sein als die mittlere Korngröße des Materials des Meßobjekts 4. Zur Minimierung der Meßlichtfleckdurchmesser ist die aus der lichterzeugenden Einheit 2 austretende Strahlung mittels der Fokussieroptiken 9-12 fokussiert. Die in jeweiligen Fokuslagen 17-20 der einzelnen Lichtanteile sind Strahlungsrichtung hintereinander angeordnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Fokuslagen 1 und 2 bzw. 2 und 3 bzw. 3 und 4 ist so gewählt, daß den Laserdioden 5, 6, 7 und 8 zugeordnete, eine gewünschte Meßgenauigkeit ermöglichende Einzelmeßbereiche 21, 22, 23 bzw. 24 aneinander anschließen und sich daraus ein Gesamtmeßbereich ergibt, der etwa die vierfache Länge eines Einzelmeßbereichs 21, 22, 23 oder 24 aufweist.For highly accurate determination of the investigating along a measuring line 16 distance between a reference point z. B. Light emission 3 and the location of the surface of the measurement object 4 having the measurement light spots, the diameter of the measurement light spot relevant for determining the distance should be smaller than the average grain size of the material of the measurement object 4 . To minimize the measuring light spot diameter, the radiation emerging from the light-generating unit 2 is focused by means of the focusing optics 9-12 . The radiation directions in the respective focus positions 17-20 of the individual light components are arranged one behind the other. The distance between two adjacent focal positions 1 and 2 or 2 and 3 or 3 and 4 is selected so that the individual measuring ranges 21 , 22 , 23 and 24 associated with the laser diodes 5 , 6 , 7 and 8 connect to one another and enable a desired measuring accuracy and this results in an overall measuring range which is approximately four times the length of an individual measuring range 21 , 22 , 23 or 24 .
Wie schon weiter oben dargestellt, werden die von den ein zelnen Lichtanteilen konzentrisch auf dem Meßobjekt 4 er zeugten Meßlichtflecken auf den Detektor 15 abgebildet. So mit überlappen sich auch die Abbildungen der einzelnen Meß lichtflecken konzentrisch auf dem Detektor. In Fig. 3 ist mit der Kreisfläche 25 die Fleckgröße des kleinsten Meß lichtfleckes zu einem bestimmten Meßzeitpunkt wiedergegeben. Um diese Kreisfläche herum ist ein den Durchmesser der opti schen Abbildung des größten Meßlichtflecks darstellender Kranz 26 gezeigt. As already shown above, the measurement light spots generated by the individual light components concentrically on the measurement object 4 are imaged on the detector 15 . The images of the individual measuring light spots also overlap concentrically on the detector. In Fig. 3 with the circular area 25, the spot size of the smallest measuring light spot is shown at a certain measurement time. To this circular area around is shown the largest Meßlichtflecks performing a ring 26 the diameter of the optical rule illustration.
Jede Abbildung eines der Meßlichtflecken erzeugt einen eige nen Detektorsignalanteil, der separat auswertbar sein muß. Hierzu werden die Lichtanteile jeder Laserdiode 5, 6, 7, 8 in der Intensität mit einer eigenen bestimmten Frequenz modu liert. Der Detektor 15 wird für jeden Lichtanteil von einer separaten, hier nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgele sen, wobei die einer bestimmten Laserdiode zugeordnete Aus werteeinheit den Detektor mit einer der Intensitätsmodula tion entsprechenden Frequenz ausliest und zwar möglichst im Bereich der Intensitätsmaxima.Each image of one of the measuring light spots generates its own detector signal component, which must be able to be evaluated separately. For this purpose, the light components of each laser diode 5 , 6 , 7 , 8 are modulated in intensity with their own specific frequency. The detector 15 is read out for each light component by a separate evaluation unit (not shown here), the evaluation unit assigned to a specific laser diode reading out the detector with a frequency corresponding to the intensity modulation, preferably in the range of the intensity maxima.
Die Synchronisation des Auswertevorgangs mit der entspre chenden Intensitätsmodulation erfolgt über ein Lock-In-Ver fahren. Es können jedoch auch andere elektronische frequenz selektive Filtermethoden zur Auswertung des Detektors 15 eingesetzt werden.The evaluation process is synchronized with the corresponding intensity modulation using a lock-in method. However, other electronic frequency-selective filter methods can also be used to evaluate the detector 15 .
Somit ist gewährleistet, daß der Lichtanteil jeder Laserdi ode 5, 6, 7 und 8 separat zur Abstandsbestimmung ausgewertet werden kann. Bei der Messung des zu ermittelnden Abstandes liefert jeder Lichtanteil einen je nach Durchmesser des zu gehörigen Meßlichtfleckes mehr oder weniger genauen Wert, der jedenfalls ausreicht, festzustellen, in welchem Einzel meßbereich 21, 22, 23 oder 24 sich das Meßobjekt 4 zu einem bestimmten Zeitpunkt befindet. Im Beispiel gem. Fig. 3 be findet sich das Meßobjekt 4 im Einzelmeßbereich 23. Durch eine Auswertelogik, deren gegenständliche Verwirklichung hier nicht dargestellt ist, wird dann der für diesen Einzel meßbereich 23 zuständige, von der Laserdiode 7 stammende Lichtanteil zur endgültigen Bestimmung des zu messenden Ab standes herangezogen. Damit ist gewährleistet, daß stets der Meßlichtfleck mit dem kleinsten Durchmesser ausgewertet wird. This ensures that the light component of each Laserdi ode 5 , 6 , 7 and 8 can be evaluated separately for distance determination. When measuring the distance to be determined, each light component provides a more or less exact value depending on the diameter of the associated measuring light spot, which is sufficient in any case to determine in which individual measuring range 21 , 22 , 23 or 24 the measuring object 4 is at a specific point in time . In the example according to Fig 3 be., The measurement object 4 is in Einzelmeßbereich 23rd By means of an evaluation logic, the actual implementation of which is not shown here, the light portion responsible for this individual measuring area 23 , originating from the laser diode 7 , is then used for the final determination of the position to be measured. This ensures that the measuring light spot with the smallest diameter is always evaluated.
11
Triangulationsvorrichtung
Triangulation device
22nd
lichterzeugende Einheit
light generating unit
33rd
Lichtaustritt
Light emission
44th
Meßobjekt
Target
55
Laserdiode
Laser diode
66
Laserdiode
Laser diode
77
Laserdiode
Laser diode
88th
Laserdiode
Laser diode
99
Fokussieroptik
Focusing optics
1010th
Fokussieroptik
Focusing optics
1111
Fokussieroptik
Focusing optics
1212th
Fokussieroptik
Focusing optics
1313
Strahlteiler
Beam splitter
1414
Abbildungsoptik
Imaging optics
1515
Detektor
detector
1616
Meßgerade
Straight line
1717th
Fokuslage
Focus position
1818th
Fokuslage
Focus position
1919th
Fokuslage
Focus position
2020th
Fokuslage
Focus position
2121
Einzelmeßbereich
Single measuring range
2222
Einzelmeßbereich
Single measuring range
2323
Einzelmeßbereich
Single measuring range
2424th
Einzelmeßbereich
Single measuring range
2525th
Kreisfläche des kleinsten Meßlichtflecks
Circular area of the smallest measuring light spot
2626
Kranz mit Durchmesser des größten Meßlichtflecks
Wreath with the diameter of the largest measuring light spot
Claims (14)
- a) mindestens zwei Lichtquellen (5-8) je eigene Lichtanteile mit von den übrigen Lichtanteilen unterscheidbarer Eigenschaft koaxial zur Meßgeraden (16) auf das Meßobjekt (4) richten,
- b) jeder Lichtanteil auf einen anderen Punkt der Meßgeraden (16) fokussiert wird, so daß jeder Lichtanteil einen einen unterschiedlichen Fleckdurchmesser aufweisenden Meßlichtfleck auf dem Meßobjekt (4) erzeugt,
- c) sämtliche Meßlichtflecken auf einen einzigen positionsempfindlichen Detektor (15) abgebildet werden, der je nach Eigenschaft der Lichtanteile Detektorsignalanteile mit wiederum unterscheidbaren Eigenschaften erzeugt,
- d) die einzelnen Detektorsignalanteile gesondert erfaßt werden,
- e) festgestellt wird, welcher Lichtanteil zum geringsten Meßlichtfleckdurchmesser gehört, und
- f) der zu messende Abstand aus dem Detektorsignalantei ermittelt wird, der von dem den geringsten Meßlichtfleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.
- a) Aim at least two light sources ( 5-8 ) each having their own light components with a property distinguishable from the other light components coaxial to the measuring line ( 16 ) on the measurement object ( 4 )
- b) each light component is focused on a different point on the measuring line ( 16 ), so that each light component generates a measuring light spot on the measurement object ( 4 ) having a different spot diameter,
- c) all measuring light spots are imaged on a single position-sensitive detector ( 15 ) which, depending on the property of the light components, generates detector signal components with in turn distinguishable properties,
- d) the individual detector signal components are recorded separately,
- e) it is determined which proportion of light belongs to the smallest measuring light spot diameter, and
- f) the distance to be measured is determined from the detector signal component, which is caused by the light component producing the smallest measuring light spot diameter.
- a) mindestens zwei Lichtquellen (5-8) je eigene Lichtanteile mit unterschiedlicher Lichtfrequenz koaxial zur Meßgeraden (16) auf das Meßobjekt (4) richten,
- b) jeder Lichtanteil auf einen anderen Punkt der Meßgeraden (16) fokussiert wird, so daß jeder Lichtanteil einen einen unterschiedlichen Fleckdurchmesser aufweisenden Meßlichtfleck auf dem Meßobjekt (4) erzeugt,
- c) im Strahlengang nach dem Meßobjekt (4) das Licht mittels optischer Filterung in die einzelnen Lichtanteile getrennt wird,
- d) der Meßlichtfleck jedes Lichtanteils auf je einen gesonderten, ein Detektorsignal erzeugenden, positionsempfindlichen Detektor (15) abgebildet wird,
- e) festgestellt wird, welcher Lichtanteil zum geringsten Meßlichtfleckdurchmesser gehört, und
- f) der zu messende Abstand aus dem Detektorsignal ermittelt wird, das von dem den geringsten Meßlichtfleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.
- a) aim at least two light sources ( 5-8 ) each having their own light components with different light frequencies coaxial to the measuring line ( 16 ) on the test object ( 4 ),
- b) each light component is focused on a different point on the measuring line ( 16 ), so that each light component generates a measuring light spot on the measurement object ( 4 ) having a different spot diameter,
- c) in the beam path after the measurement object ( 4 ) the light is separated into the individual light components by means of optical filtering,
- d) the measuring light spot of each light component is mapped onto a separate position-sensitive detector ( 15 ) which generates a detector signal,
- e) it is determined which proportion of light belongs to the smallest measuring light spot diameter, and
- f) the distance to be measured is determined from the detector signal, which is caused by the light component producing the smallest measuring light spot diameter.
- a) mindestens zwei, je eigene Lichtanteile mit unterschiedlicher Lichtfrequenz erzeugende Lichtquellen (5-8),
- b) Mittel (9-13) zur koaxialen Ausrichtung aller Lichtanteile längs einer Meßgeraden (16) und zur Fokussierung der einzelnen Lichtanteile auf je unterschiedliche Punkte der Meßgeraden,
- c) im Strahlengang nach dem Meßobjekt Mittel zur Trennung der einzelnen Lichtanteile und für jeden Lichtanteil eine eigene Abbildungsoptik zur Abbildung jedes durch einen der Lichtanteile auf einem Meßobjekt (4) erzeugten Meßlichtflecks auf jeweils einen positionsempfindlichen, ein Detektorsignal erzeugenden Detektor (15),
- d) Mittel zur Auswertung der einzelnen Detektorsignale,
- e) eine Logikeinheit zur Ermittlung des den Meßlichtfleck mit dem geringsten Fleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteils, und
- f) Mittel zur Ermittlung des zu messenden Abstandes aus dem Detektorsignal, das von dem den geringsten Meßlichtfleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.
- a) at least two light sources ( 5-8 ) each generating their own light components with different light frequencies,
- b) means ( 9-13 ) for the coaxial alignment of all light components along a measuring line ( 16 ) and for focusing the individual light components on different points of the measuring line,
- c) in the beam path after the measurement object means for separating the individual light components and for each light component a separate imaging optics for imaging each measurement light spot generated by one of the light components on a measurement object ( 4 ) onto a position-sensitive detector ( 15 ) generating a detector signal,
- d) means for evaluating the individual detector signals,
- e) a logic unit for determining the light component producing the measuring light spot with the smallest spot diameter, and
- f) means for determining the distance to be measured from the detector signal, which is caused by the light component producing the smallest measuring light spot diameter.
- a) mindestens zwei, je eigene Lichtanteile mit von den übrigen Lichtanteilen unterscheidbarer Eigenschaft erzeugende Lichtquellen (5-8),
- b) Mittel (9-13) zur koaxialen Ausrichtung aller Lichtanteile längs einer Meßgeraden und zur Fokussierung der einzelnen Lichtanteile auf je unterschiedliche Punkte der Meßgeraden,
- c) eine Abbildungsoptik (14) zur Abbildung sämtlicher durch jeweils einen der Lichtanteile auf einem Meßobjekt (4) erzeugter Meßlichtflecke auf einen positionsempfindlichen Detektor (15), der je nach Eigenschaft der Lichtanteile Detektorsignalanteile mit wiederum unterscheidbaren Eigenschaften erzeugt,
- d) Mittel zur gesonderten Erfassung der einzelnen Detektorsignalanteile,
- e) eine Logikeinheit zur Ermittlung des den Meßlichtfleck mit dem geringsten Fleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteils, und
- f) Mittel zur Ermittlung des zu messenden Abstandes aus dem Detektorsignal, das von dem den geringsten Meßlichtfleckdurchmesser erzeugenden Lichtanteil bewirkt ist.
- a) at least two light sources ( 5-8 ) each generating their own light components with a property that can be distinguished from the other light components,
- b) means ( 9-13 ) for the coaxial alignment of all light components along a measuring line and for focusing the individual light components on different points of the measuring line,
- c) imaging optics ( 14 ) for imaging all measuring light spots generated by one of the light components on a measurement object ( 4 ) onto a position-sensitive detector ( 15 ), which generates detector signal components with distinguishable properties depending on the property of the light components,
- d) means for separate detection of the individual detector signal components,
- e) a logic unit for determining the light component producing the measuring light spot with the smallest spot diameter, and
- f) means for determining the distance to be measured from the detector signal, which is caused by the light component producing the smallest measuring light spot diameter.
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