DE3302948C2

DE3302948C2 - Meßgerät zur berührungslosen optischen Abstandsmessung

Info

Publication number: DE3302948C2
Application number: DE19833302948
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 3400 Göttingen Brunk
Original assignee: Individual
Current assignee: BRUNK, WOLFGANG, 3407 GLEICHEN, DE
Priority date: 1983-01-29
Filing date: 1983-01-29
Publication date: 1985-01-10
Also published as: DE3302948A1

Abstract

Durch Anwendung des Scheimpflugschen Prinzips auf eine optische Abstandsmessung durch Triangulation können auf Scharfabbildung angewiesene Bildsensoren eingesetzt werden ohne die aufgrund der sonst auftretenden mangelnden Tiefenschärfe entlang der Meßachse vorhandenen Beschränkungen für die maximale, sicher zu erfassende Abstandsänderung. Es können somit preisgünstige und in der Auswertung einfache digitale Bildaufnehmer hoher geometrischer Genauigkeit und Stabilität bei gleichzeitig hoher Auflösung eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur berührungslosen optischen Abstandsmessung nach dem Oberbegriff des Anspruchs.

Das Meßgerät soll es ermöglichen, optisch berührungslos den Abstand und Abstandsänderungen zwischen einem sichtbaren Objekt und dem Meßgerät in einem großen Bereich zu bestimmen. Das angemessene Objekt muß dabei lediglich die Eigenschaft haben, Licht diffus zu streuen.

Geräte zur Erfüllung dieser Aufgabe sind bereits bekannt. Als Beispiel seien hier die Geräte »Optocator« der Fa. Selcom AB, Schweden, und »System 1000« der Fa. Autech, USA, angegeben.

Dazu werden entweder analoge oder digitale Bildaufnehmer eingesetzt Der analoge Bildaufnehmer ist aufgrund seines integrierenden Meßverfahrens in der Lage, auch bei unscharfen Abbildungen den Intensitätsschwerpunkt der Abbildung zu bestimmen. Die weitere elektronische BiI Auswertung ist bei großen Genauigkeitsansprüchen mit hohem technischen Aufwand verbunden. Bei digitalen Bildaufnehmern ist die weitere elektronische Bildauswenung einfach und mit geringem technischen Aufwand verbunden. Notwendig ist jedoch eine Scharfabbildung der Dingebene auf die Bildebene, so daß bei den bisherigen Geräten dieser Art aufgrund der geringen Tiefenschärfe nur geringe Abstandsvariationen sicher zu erfassen waren.

Aus der DE-PS 30 16 361 ist eine Einrichtung zur optischen Abstandsmessung von Oberflächen zu einem Bezugspunkt an der Einrichtung, mit einem Laser, mit einer Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des von dem Laser ausgesandten Lichts auf die zu bestimmende Oberfläche und mit einer Abbildungsoptik zur Abbildung des von dem fokussierten Licht auf der Oberfläche erzeugten Lichtflecks auf eine opto-elektronische Empfangseinrichtung bekannt, bei der die lichtempfindliche Ebene der opto-elektronischen Empfangseinrichtung zur Achse der Abbildungsoptik so geneigt ist, daß der Abstand des auf die lichtempfindliche Ebene der optoelektronischen Empfangseinrichtung abgebildeten Lichtflecks von der Abbildungsoptik um so kleiner ist, je größer die Bildweite ist und umgekehrt, um zu erreichen, daß der Lichtfleck unabhängig vom gemessenen Abstand auf der lichtempfindlichen Ebene der Empfangseinrichtung innerhalb eines durch die Neigung bestimmten Unschärfebereichs im wesentlichen gleiche Größe aufweist.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei Meßgeräten zur berührungslosen optischen Abstandsmessung durch Triangulation, insbesondere für den Nahbereich, auch bei größeren Abstandsänderungen zwischen Meßobjekt und Meßgerät stets scharfe Abbildung auf dem Bildaufnehmer zu erreichen.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Meßgerät durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs gelöst.
Die mit dieser Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß preisgünstige, stabile und hochauflösende digitale Bildaufnehmer zur berührungslosen optischen Abstandsmessung eingesetzt werden können, weil die dafür notwendige Scharfabbildung der Dingebene auf die Bildebene bei beliebigen Abständen vollständig gewährleistet ist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

io. Die Abbildung zeigt den Aufbau des Gerätes und die geometrischen Beziehungen.

Das Gerät besteht im wesentlichen aus drei Komponenten·.

1. Ein HeNe- Laser ^ZJL
2 Eine abbildende Optik (O).

3. Ein digitaler Bildaufnehmer (D) mit signalverarbeitender Elektronik.

2ö Dabei sind Laser (Dingebene), abbildende Optik (Hauptebene) und Bildaufnehmer (Bildebene) so ausgerichtet daß sie dem Scheimpflugschen Prinzip gehorchen. Alle drei optischen Ebenen schneiden sich in einer Geraden (S). Aus Gründen der Baugröße sollte der Winkel (ac) zwischen der optischen Achse des I asers und der optischen Achse der Optik möglichst gering sein. Er beträgt 22,5° im aufgeführten Beispiel. Das vom Laser (L) abgestrahlte Licht trifft auf das anzumessende Objekt auf und erzeugt dort im Normalfall einen Lichtpunkt Das Licht wird diffus gestreut Ein Teil dieses Streulichtes wird mittels der abbildenden Optik (O) auf dem digitalen Bildaufnehmer (D) abgebildet und beleuchtet dort ein oder auch mehrere Bildaufnehmerelemente. Bei unterschiedlichen Entfernungen zwischen dem Gerät und dem Meßobjekt wird der Lichtpunkt an unterschiedlichen Orten auf dem Bildaufnehmer abgebildet Die Beziehung zwischen der Abstandsänderung entlang der Strahlrichtung des-Lasers and der Lageveränderung der Abbildung auf dem Bildaufnehmer ist eindeutig und reproduzierbar, jedoch nicht linear. Durch Einhaltung des Scheimpflugschen Prinzips beim Aufbau des Gerätes wird erreicht, daß jeder Gegenstand entlang der optischen Achse des Lasers (Dingebene) scharf auf die Ebene des Bildaufnehmers (Bildebene) abgebildet wird. Dies gilt natürlich insbesondere für jeden vom Laser entlang seiner Strahlrichtung erzeugten Lichtpunkt.

Zur funktionellen Beschreibung des Gerätes sind zwei Kenngrößen wichtig:

1. Der Meßbereich (MB). Diese Strecke (X\-X2) entlang der Strahlrichtung des Lasers ist die maximal erfaßbare Abstandsänderung. Sie wird nur festgelegt durch die aktive Länge XV—X 2' des Bildaufnehmers und dem Abbildungsmaßstab entsprechend der Brennweite der abbildenden Optik (O).

2. Der Grundabstand (G). G ist der Abstand zwischen der Strecke B (entspricht ungefähr der Vorderkante des Gerätes) und der Mitte des Meßbereiches MB. Bei konstantem Winkel <x läßt sich G durch Variation von B verändern.

Damit lassen sich, der Aufgabenstellung angepaßt, nahezu beliebige Kombinationen von Meßbereich und Grundabstand schaffen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1
Patentanspruch:

Meßgerät zur berührungslosen optischen Abstandsmessung durch Triangulation, insbesondere für den Nahbereich, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Abstandsmeßgerät die Dingebene und die Bildebene mit der Hauptebene des abbildenden optischen Systems in einer Geraden schneiden.