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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entfernungsmessvorrichtung mit zumindest einer Entfernungsmesseinheit, insbesondere zur berührungslosen Entfernungsmessung, die zumindest eine Sendevorrichtung zum Aussenden von Referenz- und Messstrahlung sowie eine Sensorvorrichtung zum Detektieren von Referenz- und Messstrahlung aufweist.
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Es sind Entfernungsmessgeräte, insbesondere optische Entfernungsmessgeräte, bekannt, die einen zeitlich modulierten Strahl, insbesondere einen Lichtstrahl, in Richtung auf ein Zielobjekt hin, dessen Abstand zu dem Messgerät ermittelt werden soll, aussenden. Ein von dem angepeilten Zielobjekt reflektierter oder gestreuter, rücklaufender Strahl, insbesondere Lichtstrahl, wird von dem Gerät zumindest teilweise detektiert und zur Ermittlung der zu messenden Entfernung verwendet. Ein typischer Messbereich liegt dabei in einem Entfernungsbereich von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern. Der ermittelte Entfernungsmesswert wird anschließend auf einer Ausgabevorrichtung, beispielsweise in Form eines Displays, an den Nutzer ausgegeben.
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Um eine hohe Messgenauigkeit mit einem solchen Gerät zu erzielen, verfügen die Geräte typischerweise über eine geräteinterne Referenzstrecke bekannter Länge, über die die Sendestrahlung direkt auf eine Empfangseinrichtung des Messgerätes, beispielsweise einen Detektor, geleitet werden kann. Die interne Referenzstrecke dient der Kalibrierung des Messgeräts und insbesondere der Berücksichtigung von kurzfristigen Driften der Komponenten der Vorrichtung zur Distanzmessung, wie sie beispielsweise in Folge von Temperaturschwankungen oder mechanischen Verspannungen auftreten.
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- • ein einen Sendekanal definierender Sendeast, der zumindest eine Sendeeinheit zur Aussendung modulierter, optischer Sende-Strahlung in Richtung auf ein Zielobjekt hin aufweist,
- • ein einen Empfangskanal definierender Empfangsast mit zumindest einer Empfangseinrichtung zum Empfang von Empfangs-Strahlung, sowie
- • ein eine Referenzstrecke definierender Referenzast
vorhanden sind. Mechanisch betriebene Schaltmittel in Form verstellbarer reflektierender Klappen erlauben die temporäre Umlenkung der Sendestrahlung zwischen dem Sendeast und dem Referenzast, sodass die Sendestrahlung innerhalb des Gerätes umgelenkt und über eine Referenzstrecke bekannter Länge auf eine Fotodiode gerichtet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Entfernungsmessvorrichtung geht aus von einer Entfernungsmessvorrichtung mit zumindest einer Entfernungsmesseinheit, insbesondere zur berührungslosen Entfernungsmessung, die zumindest eine Sendevorrichtung zum Aussenden von Referenz- und Messstrahlung, sowie zumindest eine Sensorvorrichtung zum Detektieren von Referenz- und Messstrahlung aufweist, wobei erfindungsgemäß die Referenzstrahlung als zumindest ein Teilstrahlenbündel einer von der Sendevorrichtung ausgesendeten divergenten Strahlung ausgebildet ist.
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Die Entfernungsmessvorrichtung kann als stationäre Vorrichtung oder als handgehaltene Vorrichtung ausgebildet sein und insbesondere auch in anderen messenden Systemen als Bestandteil verbaut werden.
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Die Sendevorrichtung umfasst zumindest eine Vorrichtung zum Erzeugen und Aussenden von sichtbarer oder unsichtbarer Strahlung. Unter Strahlung wird elektromagnetische Strahlung des gesamten elektromagnetischen Spektrums verstanden, insbesondere auch UV-Strahlung, Radiowellen, Infrarotstrahlung und sichtbares Licht.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Sendevorrichtung der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung eine Lichtquelle, beispielsweise in Form einer LED, eines Lasers, eines Halbleiterlasers oder einer Laserdiode, die insbesondere zeitlich moduliertes Licht in Richtung des Zielobjekts aussendet. Eine zeitliche Modulation kann hierbei kontinuierlich und/oder periodisch, beispielsweise sinusartig, erfolgen. Ebenfalls können auch Pulszüge, beispielsweise nicht periodisch wie z. B. in Form von sogenannten Pseudo-Noise-Pulsabfolgen, ausgesendet werden.
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Insbesondere kann die Sendevorrichtung auch eine Mehrzahl an Strahlung aussendenden Vorrichtungen einheitlicher oder uneinheitlicher Art umfassen.
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Die von der Sendevorrichtung ausgesendete Strahlung wird insofern als divergent betrachtet, als die Strahlung von zumindest einer räumlich begrenzten Quelle unter zumindest einem Raumwinkel abgegeben wird. Insbesondere findet in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abzweigung von Referenzstrahlung keine Kollimation der ausgesendeten Strahlung zu paralleler oder konvergenter Strahlung statt.
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Die von der Sendevorrichtung ausgestrahlte Strahlung umfasst zumindest die Referenz- und Messstrahlung, wobei vorteilhaft die Referenzstrahlung als zumindest ein Teilstrahlenbündel der von der Sendevorrichtung ausgesendeten divergenten Strahlung ausgebildet ist.
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Die Sensorvorrichtung der Entfernungsmesseinheit ist zum Detektieren von Referenz- und Messstrahlung ausgebildet, wobei unter Sensorvorrichtung zumindest ein Detektorelement verstanden werden soll, synonym auch ein lichtempfindliches Element, ein Detektor oder ein Detektionsbereich, das abhängig von einer auftreffenden Lichtintensität ein Detektionssignal liefert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das zumindest eine Detektorelement der Sensorvorrichtung durch zumindest einen Flächendetektor gebildet, der aus einer Mehrzahl miteinander gekoppelter oder ungekoppelter lichtempfindlicher Elemente aufgebaut ist. Unter gekoppelt soll verstanden werden, dass ein gemeinsames Ausgangssignal erzeugt werden kann.
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Insbesondere kann die Sensorvorrichtung räumlich getrennte Detektorelemente, bevorzugt auch in Form von Flächendetektoren, zum Detektieren der Referenz- und Messstrahlung aufweisen.
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Unter Detektorelement werden strahlungsempflindliche, insbesondere lichtempfindliche Elemente wie Photodioden, beispielsweise PIN-Dioden oder Avalanche Photo Dioden (APD), aber auch (modulierte) CCD-Chips und CMOS-Pixel verstanden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird das zumindest eine Detektorelement durch eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) gebildet, in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform durch eine Mehrzahl ungekoppelter oder gekoppelter SPADs.
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Die Entfernungsmessvorrichtung weist darüber hinaus eine Auswerteeinheit auf, die dazu ausgelegt ist, eine Entfernung zwischen der Messvorrichtung und dem Zielobjekt basierend auf einer Auswertung von Detektionssignalen der Sensorvorrichtung zu ermitteln. Insbesondere kann die Auswerteeinheit in Form eines Mikroprozessors ausgebildet sein.
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Eine Ausgabeeinheit, beispielsweise in Form eines an der Gehäuseoberfläche angebrachten Displays, einer Sprachausgabe oder einer Kommunikationsschnittstelle, beispielsweise unter Verwendung der WLAN, Bluetooth oder Infrarot Protokolle, dient der Ausgabe des Auswerteergebnisses an den Nutzer oder der Weitergabe des Wertes an ein weiteres Geräte zur weiteren Verarbeitung.
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Die erfindungsgemäße Entfernungsmessvorrichtung erlaubt insbesondere im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Entfernungsmessgeräten einen vereinfachten Aufbau der darin enthaltenen Komponenten, insbesondere der optischen Komponenten. Insbesondere kann eine vergleichsweise kompakte Ausgestaltung der Referenzeinheit zur Vermessung der vorrichtungsinternen Referenzstrecke zur Kalibrierung der Entfernungsmessvorrichtung erreicht werden. Eine wirtschaftlichere Ausgestaltung und Fertigung der Referenzeinheit, vor allem hinsichtlich Kosten und Fertigungstoleranzen, lässt sich somit realisieren.
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Eine präzisere Kalibrierung in Folge geringerer Laufzeitfehler und Laufzeitdriften kann darüber hinaus durch die Vermeidung mechanisch beweglicher Bauteile der Referenzeinheit, wie beispielsweise reflektierender Klappen, erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird ermöglicht, Referenzstrahlung während der Betriebsdauer der Entfernungsmessvorrichtung permanent zur Kalibrierung bereit zu stellen, da kein mechanisches Stellmittel, wie beispielsweise eine reflektierende Klappe, temporär in den Sendestrahl der Entfernungsmessvorrichtung eingebracht wird. Vorteilhaft kann somit ein Dauermessbetrieb der Entfernungsmessvorrichtung ohne Unterbrechung zur Kalibrierung, d. h. ohne Blocken der das Gerät verlassenden Messstrahlung durch Umstellen der mechanischen Stellvorrichtungen während des Kalibriervorgangs, realisiert werden.
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Bevorzugt sendet die Sendevorrichtung der Entfernungsmessvorrichtung eine divergente Strahlung aus, die ein divergenzwinkelabhängiges Strahlprofil aufweist, das durch eine zu den Randbereichen abfallende Intensitätsverteilungsfunktion beschreibbar ist, wobei die Referenzstrahlung als Teilstrahlenbündel der von der Sendevorrichtung ausgesendeten divergenten Strahlung in mindestens einem dieser Randbereiche ausgebildet ist.
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Dabei umfasst das divergenzwinkelabhängige Strahlprofil im Querschnitt durch den Strahl insbesondere ein Profil, das durch eine Gauß-Verteilung, eine Lorentz-Verteilung, eine Voigt-Verteilung, eine Faltung dieser Verteilungen oder durch eine beliebige andere Wahrscheinlichkeitsverteilungsfunktion in Abhängigkeit des Divergenzwinkels beschrieben werden kann.
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Das von kantenemittierenden Laserdioden ausgesendete Licht ist typischerweise sehr divergent, wobei auf Grund unterschiedlicher Ausdehnungen der aktiven Zone des Lasers parallel bzw. senkrecht zum p-n-Übergang zwei unterschiedliche Divergenzen Q∥ und Q⊥ auftreten. Dies hat zur Folge, dass insgesamt anisotrope (asymmetrische) Strahlung emittiert wird. Je nach Ausrichtung der Laserdiode, insbesondere hinsichtlich einer Drehung der Laserdiode um ihre Emissionsachse, kann das Strahlprofil als Querschnitt durch den Strahl variiert werden und folglich durch jeweils unterschiedliche Intensitätsverteilungsfunktionen beschrieben werden. Das Strahlprofil der kantenemittierenden Laserdiode weist dabei in Richtung Q∥ eine kleine Halbwertsbreite (geringe Divergenz) und in Richtung Q⊥ eine große Halbwertsbreite (große Divergenz) des Strahlprofils auf. Dieser Effekt kann zur Optimierung der auf den ersten Detektionsbereich entfallenden Referenzstrahlung genutzt werden.
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Als Randbereich des Strahlprofils wird zumindest jener Teil der von der Sendevorrichtung ausgesendeten Strahlung definiert, für den die divergenzwinkelabhängige Intensität, modellhaft beschrieben durch die Intensitätsverteilungsfunktion, unter einen bestimmten Grenzwert fällt.
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Alternativ kann auch jener Teil des Strahlprofils als Randbereich definiert werden, für den die divergenzwinkelabhängige integrierte Intensität, jeweils bestimmt durch das Integral der modelhaften Intensitätsverteilungsfunktion ab einem bestimmten Divergenzwinkel, unter einen gewissen Grenzwert fällt.
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Bevorzugt stellt die Referenzstrahlung dabei eine integrierte Intensität von weniger als 3 Prozent der von der Sendevorrichtung ausgesendeten Strahlung dar, besonders bevorzugt eine integrierte Intensität von weniger als 1 Prozent und insbesondere von weniger als 0.5 Prozent.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Entfernungsmessvorrichtung derart ausgestaltet, dass die Referenzstrahlung auf eine Sensorvorrichtung trifft, die zumindest einen ersten Detektionsbereich zum Detektieren von Referenzstrahlung aufweist, wobei der erste Detektionsbereich insbesondere mindestens eine Single-Photon-Avalanche-Diode (SPAD) umfasst.
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Dadurch, dass SPADs typischerweise nicht wie herkömmliche analog arbeitende lichtempfindliche Elemente ein von der auftreffenden Strahlung linear abhängiges Detektionssignal liefern, sondern mit jedem auftreffenden Photon ein einzelnes Detektions-Signal erzeugt wird, können in der genannten bevorzugten Ausführungsform der Entfernungsmessvorrichtung deutlich geringere Intensitäten der Referenzstrahlung auf dem ersten Detektionsbereich detektiert werden. Wie bereits beschrieben ist es insbesondere möglich, anstatt einer einzelnen SPAD eine Mehrzahl von SPADs innerhalb eines Flächendetektors gekoppelt oder ungekoppelt zusammenzufassen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Entfernungsmessvorrichtung gibt es zusätzlich zum ersten Detektionsbereich zum Detektieren von Referenzstrahlung zumindest einen zweiten Detektionsbereich, der zum Detektieren der Messstrahlung vorgesehen ist.
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Insbesondere kann dieser zweite Detektionsbereich zum Detektieren der Messstrahlung mittels zumindest einer SPAD, bevorzugt auch mittels mehrerer in Form eines Flächendetektors gekoppelt oder ungekoppelt zusammengefasster SPADs, ausgebildet sein. Auch hier kann durch die Verwendung von SPADs die zur Detektion der Messstrahlung benötigte Strahlungsintensität der Messstrahlung deutlich reduziert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Entfernungsmessvorrichtung reflektiert ein im Strahlengang der Referenzstrahlung befindlicher Reflektor die Referenzstrahlung zumindest teilweise auf den ersten Detektionsbereich zum Detektieren von Referenzstrahlung.
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Somit kann eine freie Positionierung des ersten Detektionsbereichs zum Detektieren der Referenzstrahlung gewährleistet werden. Insbesondere kann der erste Detektionsbereich zum Detektieren der Referenzstrahlung unmittelbar angrenzend an den zweiten Detektionsbereich zum Detektieren von Messstrahlung ausgestaltet sein.
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Vorteilhaft können der erste und der zweite Detektionsbereich auch als ein einzelnes Bauelement, insbesondere in Form eines integrierten Halbleiterelements, realisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Entfernungsmessvorrichtung ist der Reflektor aus Kunststoff und beispielsweise in Form eines Kunststoff-Spritzgussteils ausgebildet.
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Dies erlaubt eine besonders wirtschaftliche Fertigung des Reflektors.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Entfernungsmessvorrichtung ist der Reflektor als Teil der die Optiken der Entfernungsmesseinheit tragenden Halterung ausgebildet.
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Somit kann die Realisierung und insbesondere die Fertigung einer möglichst kompakten Referenzeinheit zur Vermessung der vorrichtungsinternen Referenzstrecke zur Kalibrierung der Messvorrichtung bezüglich der Fertigungstechnologie vereinfacht werden. Insbesondere kann der Reflektor als Teil der die Optiken der Entfernungsmesseinheit tragenden Halterung in einem Spritzguss-Verfahren einteilig und somit kostengünstig hergestellt werden.
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Vorteilhaft kann der Reflektor der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung als ebene Oberfläche realisiert werden, deren Oberflächen-Normale derart ausgerichtet ist, dass der glänzend reflektierte Referenzstrahl auf den ersten Detektionsbereich zum Detektieren von Referenzstrahlung trifft.
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In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Entfernungsmessvorrichtung kann der Reflektor als gekrümmte Oberfläche, insbesondere als sphärischer Hohlspiegel, realisiert werden, wobei die Brennpunkte und die Ausrichtung der Oberfläche derart gewählt sind, dass der reflektierte Referenzstrahl auf den ersten Detektionsbereich zum Detektieren einer Referenzstrahlung trifft und die optische Effizienz optimiert, insbesondere maximiert ist.
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Durch Verwendung eines präzise auf den ersten Detektionsbereich reflektierenden Reflektors, insbesondere fokal reflektierenden Reflektors, werden Strahlungsverluste, wie sie beispielsweise durch Streuung, Mehrfachbrechung, Reflektion, Abschirmung oder ungünstige Ausleuchtung des ersten Detektionsbereichs auftreten können, minimiert. Dies hat zur Folge, dass die gesamte der Referenzstrahlung zur Verfügung stehende Intensität minimiert werden kann und ein größerer Teil der von der Sendevorrichtung ausgesendeten Strahlung der zum angepeilten Objekt hin ausgesendeten Messstrahlung zur Verfügung steht.
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Vorteilhaft kann der Reflektor der Entfernungsmessvorrichtung auch als eine zumindest teilweise diffus reflektierende Oberfläche ausgebildet sein.
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Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder ähnliche Elemente.
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1: perspektivische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung
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2: Ausgestaltung der Entfernungsmessvorrichtung in einer vereinfachten schematisierten Gesamtübersicht
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3: alternative Ausgestaltung der Entfernungsmessvorrichtung in einer vereinfachten schematisierten Gesamtübersicht
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4: Detailansicht einer Ausgestaltung der Entfernungsmessvorrichtung in einer vereinfachten schematisierten Gesamtansicht
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5: perspektivische vereinfachte Darstellung einer Sendevorrichtung in Form einer kantenemittierenden Laserdiode mit zwei exemplarischen Strahlprofilen
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine beispielhaft ausgeführte, handgehaltene Entfernungsmessvorrichtung 10, die ein Gehäuse 12, Betätigungselemente 14 zum Ein- und Ausschalten des Entfernungsmessgerätes 10 und zum Starten bzw. Konfigurieren eines Messvorgangs sowie ein Display 16 umfasst. Auf einem Trägerelement 18 innerhalb des Gehäuses 12 sind eine als Laserdiode ausgeführte Sendevorrichtung 20 zur Erzeugung einer optischen Strahlung, ein Lichtkanal zur Abschirmung der Sendestrahlung 22, ein Reflektor 24 zum Umlenken des Referenzsignals und eine Sensorvorrichtung 26 bestehend aus einem ersten Detektionsbereich zur Detektion der Referenzstrahlung 28 und einem zweiten Detektionsbereich zur Detektion der vom entfernten Objekt zurückgestrahlten Messstrahlung (Empfangsstrahlung) 30 angeordnet (siehe hierzu auch 2). Zur Messung des Abstands der Entfernungsmessvorrichtung zu einem entfernten Gegenstand wird im Betrieb der Entfernungsmessvorrichtung 10 parallele Messstrahlung 32 über eine Sendeoptik 34, die beispielsweise aus einer konfokalen Linse besteht, in Richtung des Gegenstands gesendet. Die von einer Oberfläche des entfernten Gegenstands reflektierte Messstrahlung (Empfangsstrahlung) 36 wird über eine Empfangsoptik 38 auf eine Sensorvorrichtung 26, insbesondere auf den zur Detektion der Messstrahlung vorgesehenen zweiten Detektionsbereich 30, geleitet und dort detektiert. Aus einem zwischen der ausgesendeten Messstrahlung 32 und der von der Oberfläche des entfernten Gegenstands reflektierten Messstrahlung (Empfangsstrahlung) 36 durchgeführten Phasenvergleich kann eine Lichtlaufzeit ermittelt und über die Lichtgeschwindigkeit der gesuchte Abstand zum entfernten Gegenstand bestimmt werden.
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Um Phasenverschiebungen, die unabhängig vom Abstand der Messvorrichtung zum entfernten Gegenstand sind und beispielsweise bei der Erzeugung der ausgesendeten Messstrahlung und/oder durch Temperaturschwankungen entstehen, auszugleichen, wird während der Entfernungsmessung eine Kalibrierung (Referenzmessung) durchgeführt. Hierzu wird die von der Sendevorrichtung ausgestrahlte Referenzstrahlung 40 von dem Reflektor 24 umgelenkt und über eine bekannte Referenzstrecke entlang eines Referenzpfads 42 direkt auf die Sensorvorrichtung 26, insbesondere auf einen zur Detektion der Referenzstrahlung vorgesehenen ersten Detektionsbereich 28 gerichtet und dort detektiert.
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung 10. In einer die Optiken der Entfernungsmesseinheit tragenden Halterung 44, die aus Kunststoff bestehen kann und unter anderem mittels Spritzgussverfahren herstellbar ist, ist ein Trägerelement 18 untergebracht. Dieses Trägerelement wird in einer vorteilhaften Ausfertigung durch die Systemplatine, die zur Steuerung der Entfernungsmessvorrichtung benötigt wird und unter anderem die Auswertevorrichtung 46 und eine Ausgabevorrichtung 48 umfassen kann, dargestellt. Auf diesem Trägerelement 18 ist eine Strahlung aussendende Sendevorrichtung 20 aufgebracht, die hier im Beispiel durch eine Laserdiode realisiert wird. Die Laserdiode strahlt divergentes Licht 50 aus, wobei ein Teilstrahlenbündel 52 der von der Sendevorrichtung ausgesendeten Strahlung als Messstrahlung 32 durch eine Kollimationslinse 54 zu parallelem Licht kollimiert wird, während ein weiteres Teilstrahlenbündel die Referenzstrahlung 40 darstellt. Die Messstrahlung 32 verläuft weiter durch einen Lichtkanal der Sendestrahlung 22, bevor sie die Entfernungsmessvorrichtung auf ein Zielobjekt hin, dessen Abstand zu dem Messgerät ermittelt werden soll, verlässt. Zumindest ein Teil des an der Oberfläche des Zielobjekts reflektierten oder gestreuten Lichts fällt in Richtung der Entfernungsmessvorrichtung 10 zurück, wo es als eingehende Messstrahlung (Empfangsstrahlung) 36 durch eine Kollimationslinse 54' auf eine Sensorvorrichtung 26, insbesondere auf einen zweiten Detektionsbereich zur Detektion der Messstrahlung 30 fokussiert wird.
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Der in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte zweite Detektionsbereich 30 ist als Flächendetektor bestehend aus einer Mehrzahl an SPADs ausgebildet und kann somit extrem niedrige eingehende Intensitäten der von der Oberfläche des entfernten Objekts zurückgesendeten Messstrahlung detektieren. Der zweite Detektionsbereich 30 ist mit dem Trägerelement 18, insbesondere der Systemplatine, elektrisch leitend verbunden, so dass ein Detektionssignal des zweiten Detektionsbereichs an die Auswertevorrichtung 46 übergeben werden kann.
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Die Referenzstrahlung 40 wird aus dem divergenten Strahlenbündel der Laserdiode ausgekoppelt/abgezweigt. Insbesondere wird die Referenzstrahlung derart abgezweigt, dass sie nicht durch die Kollimationslinse 54 läuft, sondern direkt auf einen im Gehäuseinneren vorgesehenen Reflektor 24, an dem die Referenzstrahlung umgelenkt und über einen fest definierten Referenzpfad direkt auf die Sensorvorrichtung 26, insbesondere auf den zur Detektion der Referenzstrahlung vorgesehenen ersten Detektionsbereich 28, gerichtet wird. Vorteilhaft ist dieser erste Detektionsbereich 28 ebenfalls als Flächendetektor bestehend aus einer Mehrzahl an SPADs ausgebildet und kann somit extrem niedrige eingehende Intensitäten der von der Oberfläche des entfernten Objekts zurückgesendeten Messstrahlung detektieren. Über eine elektrisch leitende Verbindung zum Trägerelement 18, insbesondere zur Systemplatine, kann das Detektionssignal an die Auswertevorrichtung 46 weitergeben werden. Der empfindliche erste Detektionsbereich zur Detektion der Referenzstrahlung 28 wird vor möglicher Streustrahlung, wie sie beispielsweise durch Nebeneffekte an der Kollimationslinse 54 oder 54' entstehen kann, durch optische Barrieren 56 geschützt.
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In 3 ist vereinfacht und schematisch gezeigt, wie in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung die Sensorvorrichtung mit ihrem zweiten Detektionsbereichen zur Detektion der Messstrahlung 30 sowie dem ersten Detektionsbereich zur Detektion der Referenzstrahlung 28 an getrennten Stellen der Entfernungsmessvorrichtung positioniert werden kann. In dieser Ausführungsform wird kein Reflektor benötigt.
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In 4 ist ein Detail der 2 vergrößert dargestellt. Eine Laserdiode 20 die auf einem Trägerelement 18, insbesondere der Systemplatine, befestigt ist, sendet divergentes Licht 50 aus. Ein Teilstrahlenbündel der ausgesendeten divergenten Strahlung 50, das die Messstrahlung 32 darstellt, wird durch eine Kollimationslinse 54 kollimiert. Ein weiteres Teilstrahlenbündel 40 der divergenten ausgesendeten Strahlung 50 stellt die Referenzstrahlung dar, die mittels des Reflektors 24 umgelenkt wird. Die von der Sendevorrichtung ausgesendete divergente Strahlung 50 kann durch ein divergenzwinkelabhängiges Strahlprofil charakterisiert werden, das durch eine zu den Randbereichen abfallende Intensitätsverteilungsfunktion 58 beschreibbar ist. Die Referenzstrahlung ist als Teilstrahlenbündel der von der Sendevorrichtung ausgesendeten divergenten Strahlung in einem Randbereich des Strahlprofils ausgebildet. 60 stellt das Integral der auf die Referenzstrahlung entfallenden Intensität grafisch dar. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entfernungsmessvorrichtung beträgt die Intensität der Referenzstrahlung weniger als 1 Prozent der von der Sendevorrichtung ausgesendeten Strahlung. In diesem Ausführungsbeispiel stellt die Messstrahlung den verbleibenden Teilbündelstrahl 32 der ausgesendeten divergenten Strahlung 50 dar.
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5 zeigt in perspektivischer, vereinfachter Darstellung eine Sendevorrichtung in Form einer kantenemittierenden Laserdiode 20, die typischerweise anisotropes Licht 50 mit unterschiedlichen Divergenzen Q∥ und Q⊥ parallel bzw. senkrecht zum p-n-Übergang aussendet. Zwei Strahlprofile, die senkrecht zueinander stehen und sich in ihrer Halbwertsbreite, also ihrem Divergenzwinkel unterscheiden, sind exemplarisch dargestellt. Bei Verwendung einer solchen Laserdiode kann über eine Ausrichtung der Laserdiode 20, insbesondere eine Drehung der Laserdiode um ihre Emissionsachse, das Strahlprofil als Querschnitt durch den Strahl variiert werden und folglich durch jeweils unterschiedliche Intensitätsverteilungsfunktionen 58 und 58' beschrieben werden. Dieser Effekt kann zur Veränderung, insbesondere Optimierung, der auf den ersten Detektionsbereich 28 entfallenden Referenzstrahlung 40, genauer gesagt seiner integrierten Intensität 60 bzw. 60', genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004023998 A1 [0004]
