DE19804059B4

DE19804059B4 - Vorrichtung zur optischen Distanzmessung

Info

Publication number: DE19804059B4
Application number: DE1998104059
Authority: DE
Inventors: Dierk Schmidt; Jürgen Luginsland; David Matzo; Joerg Stierle; Peter Wolf; Gunter Flinspach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2018-02-04
Also published as: GB2333920B; FR2774475A1; DE19804059A1; GB9900300D0; GB2333920A

Abstract

Vorrichtung zur optischen Distanzmessung durch Laufzeitmessung, mit einer Sendeeinrichtung (23) zur Aussendung eines gebündelten Messsignals, mit einer Empfangsoptik (28) zum Empfangen von an einem entfernten Objekt (27) reflektierten Messsignal-Anteilen, sowie mit einem hinter der Empfangsoptik (28) angeordneten optoelektronischen Wandler (29), dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (28) wenigstens einen Linsenkörper (32) umfasst, der die Struktur einer Fresnel-Linse trägt, wobei die Fresnel-Linse als einstückige Linse mit einer einzigen, außermittig angeordneten optischen Achse (35) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur optischen Distanzmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es ist schon eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung bekannt (DE-A-43 16 348), die eine Sendeeinrichtung zur Aussendung eines gebündelten Meßsignals und eine Empfangsoptik zum Einfangen von an einem entfernten Objekt reflektierter Meßsignal-Anteile hat. Über die Empfangsoptik werden reflektierte Meßsignale an einen opto-elektronischen Wandler gelenkt. Um mit Hilfe der Empfangsoptik sowohl bei geringen, als auch bei großen Objektentfernungen stets eine ausreichende Intensität an reflektierten Meßsignalen zum Wandler zu lenken, wird bei der bekannten Vorrichtung zur Distanzmessung vorgeschlagen, in den Strahlengang des reflektierten Signals neben einer abbildungsoptisch korrekten Sammellinse für größere Objektdistanzen zusätzlich Mittel vorzusehen, die dafür sorgen, daß auch bei kurzen Objektdistanzen reflektierte Meßsignal-Strahlen in ausreichender Intensität zum opto-elektronischen Wandler gelangen. Alternativ wird vorgeschlagen, eine Signaleintrittsfläche für den Wandler verstellbar zu lagern. Dies erfordert jedoch zusätzlich einen Lichtleiter.

Aus der US 4,829,172 ist ein optisches Abstandsmessgerät zur Signalniveaukompensation bekannt, welches als Empfangsoptik für einen nachgeschalteten Fotodetektor eine Fresnel-Linse verwendet. Da in der Vorrichtung der US 4,829,172 Sende- und Empfangsast für das Messsignal co-axial angeordnet sind, wird die als Fresnel-Linse ausgebildete Empfangslinse in ihrem zentralen Bereich durch die Sendeeinheit abgeschattet. Dies führt in nachteiliger Weise dazu, dass rücklaufendes Licht, welches von Messobjekten, die nur einen kurzen Abstand zum Messgerät aufweisen, nicht auf den Empfänger des Messgerätes abgebildet werden, sondern vielmehr hinter diesem Empfänger fokussiert werden. Um diesen Verlust an optischer Signalstärke, insbesondere im Bereich kurzer zu vermessender Abstände zu kompensieren, weist die Vorrichtung der US 4,829,172 eine elektronische Nachführung der Signalstärke auf, um das Messsignal von Messobjekten mit geringem Abstand zum Messgerät zu verstärken.

Aus der US 5,142,416 ist ein fotoelektronischer Schalter des Reflektionstyps bekannt, der eine aus mehreren Linsensegmenten bestehende Fresnel-Linse aufweist. Um Licht aus unterschiedlichen Entfernungen effektiv auf den Fotoempfänger der Vorrichtung zu leiten, ist die Empfangsoptik der Vorrichtung der US 5,142,416 als Fresnel-Linse mit unterschiedlichen Brennweiten ausgebildet. So besitzt diese Fresnel-Linse einen Bereich, der als konvexe Fresnel-Linse ausgebildet ist und einen zweiten, im Wesentlichen zentral angeordneten Teil, welcher als torische Fresnel-Linse ausgeführt ist. Diese torische Fresnel-Linse ist zusammengesetzt aus einer Kombination einer Mehrzahl von linearen, scheibenartigen Linsenabschnitten, sodass der torische Fresnel-Linsenteil der Empfangslinse in longitudinaler Richtung konkav ausgebildet ist und in einer dazu orthogonalen Richtung einer konvexen Linse entspricht. Durch diese komplexe Struktur einer Empfangslinse ist es mit dem fotoelektrischen Schalter der US 5,142,416 möglich, über einen großen Entfernungsbereich hinreichend Licht auf dem Fotoempfänger der Vorrichtung zu bringen. Die Empfangslinse der US 5,142,416 ist aus Glas oder einem Kunststoff gefertigt und kann im letzteren Fall beispielsweise auch im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Aus der US 5,396,510 ist ein Lasersensor zu Messung von Abständen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bekannt, der als Empfangsoptik beispielsweise eine Fresnel-Linse verwendet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Distanzmessung hat den Vorteil, eine Empfangsoptik aufzuweisen, die bei einfachem Aufbau und geringem Gewicht die Erfassung der Distanz sowohl von nahen, als auch von weit entfernten Objekten gewährleistet.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Distanzmessung möglich.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur optischen Distanzmessung, 2 eine perspektivische Teilansicht der Vorrichtung von vorne und 3 eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der Vorrichtung aus 1.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist mit 10 eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung, kurz Distanzmeßgerät genannt, bezeichnet. Das Distanzmeßgerät 10 hat ein Gehäuse 11, auf dessen Oberseite 12 Funktionstasten 13 für die An-/Ausschaltung und den Abruf verschiedener Meßprogramme, sowie eine Taste 14 für die Auslösung eines Meßvorgangs angeordnet sind. Darüber hinaus befindet sich an der Oberseite 12 eine Anzeige 15, mittels der beispielsweise ein ermittelter Meßwert und Informationen über das gewählte Meßprogramm angezeigt werden.
Eine Vorderseite 16 (2) des Distanzmeßgerätes 10 weist eine fensterförmige Öffnung 17 auf, aus der ein Austrittskanal 18 für ein optisches Meßsignal herausragt. Die Öffnung 17 ist durch eine transparente Schutzscheibe 19 abgedeckt.
In 3 ist mit 23 eine Sendeeinrichtung bezeichnet, die eine elektrisch ansteuerbare Laserdiode 25 als Meßsignalquelle umfaßt. An die Laserdiode 11 schließt sich in Strahlrichtung des Meßsignals (Richtung eines Pfeiles 22) eine Kollimationslinse 26 an, die das von der Laserdiode 25 erzeugte Meßsignal zu einem nahezu parallelen Strahlenbündel umlenkt. An die Kollimationslinse 26 schließt sich axial ein rohrförmiger Austrittskanal 18 an, der mit einer der Laserdiode 25 abgewandten Austrittsöffnung 33 die Scheibe 19 durchragt.
Das in Richtung des Pfeils 22 austretende Meßsignal trifft auf ein Objekt 27 auf, dessen Entfernung zur Vorrichtung 10 erfasst werden soll. Am Objekt 27 wird das Meßsignal mehr oder weniger stark gestreut und in nicht dargestellter Weise in den Halbraum zurückreflektiert. Anteile des reflektierten Meßsignals gelangen zurück zum Distanzmeßgerät 10 und werden dort von einer Empfangsoptik 28 eingefangen.
Der Empfangsoptik 28 nachgeordnet ist ein optoelektronischer Wandler 29, der im Beispielsfall durch eine Avalanche-Fotodiode 30 gebildet wird. Elektrische Anschlüsse 44, 45 der Fotodiode 30 sind mit einer Auswerteeinrichtung 31 elektrisch leitend verbunden, die mittels Laufzeitmessung zwischen ausgesendetem und empfangenen Meßsignal die Distanz zum Objekt 27 ermittelt und den ermittelten Meßwert auf der Anzeige 15 ausgibt.
Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich im Austrittskanal 18 eine Umlenkklappe 39, die Teil einer Einrichtung zur Referenzmessung einer vorbekannten Distanz zwischen Laserdiode 25 und Fotodiode 30 ist. Eine Referenzmessung ist beipielsweise auch in der DE-A-43 16 348 beschrieben, auf die hier ausdrücklich verwiesen wird. In 3 ist die Umlenkklappe 39 derart in den Strahlengang des Meßsignals eingeschwenkt, daß Meßsignal-Anteile direkt über eine Öffnung 40 zum Wandler 30 gelenkt werden. Aus der Austrittsöffnung 33 gelangen dann keine Meßstrahlen hinaus.
Zur Messung der Entfernung zum Objekt 27 wird die Umlenkklappe 39 nach oben geklappt, wodurch die Öffnung 40 im Austrittskanal 18 verschlossen wird und ein ungehinderter Austritt des Meßsignals in Richtung des Pfeils 22 durch die Austrittsöffnung 33 gewährleistet ist.
Die Empfangsoptik 28 hat die Aufgabe, vom Objekt 27 zurückgeworfene Meßstrahlen einzufangen und zum Wandler 29 zu lenken. Die Empfangsoptik 28 umfaßt einen Linsenkörper 32, der geschützt hinter der Scheibe 19 angeordnet ist. Der Linsenkörper 32 trägt beispielsweise auf seiner dem Objekt 27 zugewandten Seite 38 die Struktur einer Fresnel-Linse. Die Fresnel-Struktur kann jedoch auch auf einer dem Objekt abgewandte Rückseite 50 des Linsenkörpers 32 oder auch beidseitig des Linsenkörpers 32 aufgebracht sein. Derartige Linsen sind in konzentrische Ringzonen ähnlicher Dicke unterteilt, so daß an ihrer Oberfläche ein stufenartiger Linsenaufbau entsteht. Die Fresnel-Linse ist als einstückige Linse mit einer einzigen optischen Achse 35 ausgebildet. Die Struktur der Fresnel-Linse erscheint dem Betrachter wie eine oberflächlich angeordnete ringförmige Riffelung.
Mit Hilfe der Fresnel-Struktur läßt sich der Linsenkörper 32 auch bei großem Öffnungsverhältnis relativ dünn herstellen. Der Linsenkörper 32 ist vorzugsweise aus Kunststoff durch Spritzguß hergestellt. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung bei geringem Gewicht und geringen Abmessungen.
Obwohl die Fresnel-Linse einstückig auf dem Linsenkörper 32 ausgebildet ist, werden in ihr zwei optische Eigenschaften vereint. Zum einen dient die Fresnel-Linse als gewöhnliche Sammellinse, die bei großen Distanzentfernungen die zurückreflektierte Meßstrahlen in ihrem Brennpunkt F sammelt. Der Abstand des Linsenkörpers 32 zur Fotodiode 30 ist dabei so gewählt, daß diese etwa im Brennpunkt F der Fresnel-Linse 32 liegt.
Die zweite, für kurze Distanzmessungen erforderliche Eigenschaft der Fresnel-Linse 32 besteht darin, an Segmentkanten ihrer optischen Struktur diffus zu streuen, so daß eine ausreichende Intensität an reflektierten Meßsignalstrahlen auch bei Objektentfernungen außerhalb des eigentlichen Abbildungsbereichs auf der Fotodiode 30 auftreffen. Auf Grund dieser Eigenschaft ist eine Entfernungsmessung auch bei sehr kurzen Objektentfernungen möglich.
Der Linsenkörper 32 ist etwa als rechteckförmige Platte ausgebildet. Nahe zu seinen Rändern ist der Linsenkörper 32 auf seiner der Fotodiode 30 zugewandten Seite mit kalottenförmigen Erhebungen 34 versehen, von denen eine nahe an einem oberen Rand und zwei beidseitig der Seitenränder etwa in Höhe der optischen Achse 35 der Fresnel-Linse 32 liegen. Die Fresnel-Linse 32 hat auf ihrer Unterseite 36 einen randoffenen Schlitz 37, der etwa U-förmig ausgebildet ist und durch den der Austrittskanal 18 ragt. Die optische Achse 45 der Fresnel-Linse ist dabei außermittig nahe dem Schlitz 37 angeordnet. Dies bedeutet, daß die Fresnel-Linse nicht als rotationssymmetrische Vollkreislinse, sondern als Segmentlinse ausgeführt ist.
Der Austrittskanal 18 ist auf einem Optikträger 41 montiert, der eine Grundplatte 41a und einen davon etwa senkrecht abstehenden Rahmen 42 aufweist. An den Rahmen 42 sind insgesamt 3 Schenkelpaare 43 angeformt, die zwischen sich eine selbstzentrierende prismatische Aufnahme für die Erhebungen 34 an der Fresnel-Linse 32 bilden. Die den Erhebungen 34 zugewandten Stirnseiten der Schenkelpaare 43 sind hierzu mit sich nach außen erweiternden Schrägflächen 46 versehen, die jeweils eine Verschiebung in einer Richtung (Freiheitsgrad) gestatten. Der Freiheitsgrad steht dabei stets senkrecht zur jeweiligen Randfläche des Linsenkörpers 32, um eine ungehinderte Ausdehnung der Linse zu ermöglichen. Damit ist auch bei z.B. thermisch bedingter Ausdehnung stets eine spannungsfreie Lagerung des Linsenkörpers 32 gewährt. Etwa U-förmige Klammern 48, die als federnde Bügel ausgebildet sind, hintergreifen einerseits den Rahmen 42 und andererseits den Linsenkörper 32, der auf diese Weise am Optikträger 41 gesichert ist.

Claims

Vorrichtung zur optischen Distanzmessung durch Laufzeitmessung, mit einer Sendeeinrichtung (23) zur Aussendung eines gebündelten Messsignals, mit einer Empfangsoptik (28) zum Empfangen von an einem entfernten Objekt (27) reflektierten Messsignal-Anteilen, sowie mit einem hinter der Empfangsoptik (28) angeordneten optoelektronischen Wandler (29), dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (28) wenigstens einen Linsenkörper (32) umfasst, der die Struktur einer Fresnel-Linse trägt, wobei die Fresnel-Linse als einstückige Linse mit einer einzigen, außermittig angeordneten optischen Achse (35) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (32) plattenförmig ausgebildet ist und auf seiner dem Objekt (27) zugewandten Seite (38) mit der Fresnel-Struktur versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Linse als Segment-Linse, insbesondere als nicht rotationssymmetrische Linse, ausgebildet ist.
Vorrichtug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (32) etwa als rechteckförmige Platte ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (32) aus Kunststoff hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (32) durch Spritzguss hergestellt ist
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (32) über kalottenformigen Erhebungen (34) an einem Optikträger (41) gehalten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die kalottenförmigen Erhebungen (34) einstückig mit dem Linsenkörper (32) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Optikträger (41) parallele Schenkel (43) aufweist, zwischen die die Erhebungen (34) eingreifen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (43) stirnseitig jeweils Schrägen (46) einer prismatischen/Aufnahme mit einem Freiheitsgrad bilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergelenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linsenkörper (32) eine etwa rechteckförmige Grundform hat und einen zu einer Unterseite (36) hin randoffenen, U-förmigen Schlitz (37) zum Durchgriff eines Austrittskanals (18) für das Messsignal aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittkanal (18) rohrförmig ausgebildet ist und durch den randoffenen Schlitz (37) der Fresnel-Linse (32) ragt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (35) der Fresnel-Struktur des Linsenkörpers (32) nahe zum randoffenen Schlitz (37) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fresnel-Struktur segmentförmig auf dem Linsenkörper (32) angeordnet ist.