DE3614332A1 - Verfahren und vorrichtung zur empfindlichkeitssteigerung bei der optischen entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Empfindlichkeits­ steigerung bei der optischen Entfernungsmessung gemäß Ober­ begriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Oberbegriff des Anspruches 6 bzw. des Anspruches 10.

Zur Entfernungsmessung, auch zur dreidimensionalen Objekt­ erfassung ist ein bevorzugtes Verfahren die aktive Triangu­ lation. Dabei wird ein vorzugsweise kleiner Lichtfleck unter einem bestimmten Beleuchtungswinkel auf das Objekt projiziert. Dieser Lichtfleck wird unter einem vom Beleuchtungswinkel verschiedenen Beobachtungswinkel durch eine Beobachtungs­ optik auf einem Empfänger abgebildet. Die Achse des Be­ leuchtungslichtbündels und des Beobachtungslichtbündels spannen die Triangulationsebene auf.

Die Lage des abgebildeten Lichtflecks auf dem Empfänger ist ein Maß für die Entfernung des Objekts bzw. Objekt­ punktes.

Die Entfernungsauflösung ist um so besser, je besser die Position des Lichtflecks auf dem Empfänger lokalisiert werden kann. Deshalb, und weil damit auch die laterale Auflösung auf dem Objekt gesteigert wird, wird im allge­ meinen versucht, einen möglichst kleinen Lichtfleck auf das Objekt zu projizieren. Zu diesem Zweck werden kleine Lichtquellen, z.B. Leuchtdioden oder auch Laser als weit­ gehend kohärente Lichtquellen benutzt.

Ein weiterer Grund für die Verwendung von kohärentem Licht ist die Projektion spezieller Muster und Gitter, z.B. durch eine Kegellinse (deutsche Patentanmeldung P 35 11 347.2) zur Vergrößerung des Meßbereiches.

Alle diese Maßnahmen führen zu räumlich/zeitlich kohärenter oder partiell kohärenter Strahlung in der Empfängerebene, und damit zu einer stark inhomogenen Beleuchtungsstärke­ verteilung. Diese inhomogene Beleuchtungsstärkeverteilung, auch "Speckle" genannt, hängt von der zufälligen mikroskopi­ schen Struktur des Objektes ab und verringert die Genauig­ keit der Lokalisation des Lichtflecks.

Verfahren, mit deren Hilfe man kohärente Störungen verrin­ gern kann (T. S. McKechnie in "Laser Speckle and Related Phenomens" ed. by J. Dainty, Springer, N.Y., 1975, Seiten 123 bis 169) sind bereits bekannt.

Zur Verringerung der kohärenten Störungen kennt man prin­ zipiell zwei Möglichkeiten.

Einerseits die zeitliche Mittelung über Lichtintensitäten, die nacheinander von verschiedenen Orten des Objekts aus­ gehen und andererseits die zeitliche Mittelung von Inten­ sitäten, die durch geeignete Maßnahmen nacheinander von verschiedenen Teilen der Pupille der Beobachtungsoptik er­ zeugt werden.

Im Hinblick auf die Mittelung in der Objektebene ist eine wirksame Methode zur Verringerung der Granulation die Be­ wegung des Objektes parallel zur Tangentialebene im Licht­ fleck. Dies ist jedoch technisch aufwendig, besonders weil die Bewegungsrichtung sich mit dem betrachteten Objektpunkt im allgemeinen ändern muß.

Einfacher ist eine Bewegung des Lichtflecks auf dem Objekt. Eine solche Bewegung hat allerdings zur Folge, daß sich auch der Ort des Bildes in der Empfängerebene ändert. Dieser Ort ist jedoch ein Maß für die Entfernung des Objektes. Die Entfernungsmessung wird also gestört.

Ausgehend von den bekannten Nachteilen und Mängeln bei dem aktiven Triangulationsverfahren liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei hochauflösenden Triangulationsverfahren die als "Speckle" bezeichneten Nach­ teile zu vermeiden und eine Empfindlichkeitssteigerung und Verbesserung der Entfernungsbestimmung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 bzw. bei einer Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 6 bzw. des Anspruches 10 gelöst.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht daher darin, durch geeignete Maßnahmen der zeitlichen und/oder örtlichen Mitte­ lung die Strahlung weitgehend inkohärent zu machen und da­ durch die bei der Abbildung vorhandene Granulation zu ver­ meiden.

Probleme und Schwierigkeiten die man bei herkömmlichen Systemen zur Verhinderung kohärenter Störung kennt, können bei der Erfindung einerseits dadurch gelöst werden, daß die Bewegung des Beleuchtungslichtbündels durch eine entgegen­ gesetzte Bewegung des Beobachtungslichtbündels so kompen­ siert wird, daß der Ort des Bildes des Lichtflecks auf dem Empfänger vorzugsweise konstant bleibt, während der Ort des Lichtflecks auf dem Objekt verändert wird. Man kann auch zulassen, daß sich der Ort des Bildes senkrecht zur Triangulationsebene verschiebt, weil diese Koordinate nicht zur Entfernungsbestimmung benutzt wird.

Für die Bewegung des Lichtflecks auf dem Objekt und die Kompensation der Bewegung auf dem Empfänger bietet sich die synchrone Ablenkung von Beleuchtungslichtbündel und Beobachtungslichtbündel an. Eine besonders einfache Anord­ nung ist die Ablenkung durch optische Elemente im Beleuch­ tungslichtbündel und im Beobachtungslichtbündel, die starr auf einer gemeinsamen Achse angebracht sind und die um die­ se Achse gemeinsam gedreht werden.

Als optische Elemente eignen sich Drehspiegel oder kippbare Planplatten. Auch elektrooptische Lichtablenkung ist möglich.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß damit das Objekt ab­ getastet werden kann und gleichzeitig die Mittelung über die Granulation erreicht werden kann. Durch die Bewegung des Lichtflecks senkrecht zur Triangulationsebene wird da­ bei die Auswertung der Entfernung nicht gestört.

Die Auswertung geschieht vorzugsweise folgendermaßen. Es wird der zeitliche Mittelwert der nacheinander entstehenden Empfängersignale gebildet. Dieser Mittelwert ergibt die Form des gemittelten Bildes des Lichtfleckes auf dem Empfänger, falls ein ortsauflösender Empfänger benutzt wird, z.B. eine Fotodiodenzeile. Aus diesem Signal kann man, z.B. durch Maximum-Suche, durch Schwerpunktbildung oder durch Aufsuchen charakteristischer Positionen im Bild des Licht­ flecks die Entfernung mit hoher Auflösung bestimmen.

Falls ein schwerpunktbildender Empfänger benutzt wird, z.B. eine Lateraleffekt-Fotodiode, ergibt sich sofort die ge­ mittelte Schwerpunktposition.

Im Hinblick auf die Mittelung in der Pupillenebene der ab­ bildenden Optik ist folgendes zu beachten.

Die Mittelung in der Objektebene ist nur sinnvoll über einen Objektbereich, dessen Entfernung annähernd konstant ist. Deshalb empfiehlt sich als zusätzliche oder als einzelne Maßnahme eine Mittelung in der Pupille der Abbildungsoptik. Hierzu wählt man nacheinander durch geeignete Blenden Teilflächen der Pupille aus und erzeugt so nacheinander verschiedene Bilder des Lichtflecks in der Empfängerebene, über die zeit­ lich gemittelt wird.

Eine einfache Vorrichtung, die Pupillenabtastung zu reali­ sieren, ist eine Scheibe mit spiralig angeordneten Löchern nach Art einer Nipkowscheibe. Bei Rotation dieser Scheibe wird die Pupille annähernd zeilenweise abgetastet.

Durch die Form der Teilflächen der Pupille kann man die Auflösung des Systems beeinflussen. Mit kreisförmigen Teil­ flächen ereicht man isotrope Auflösung. Vorteilhafter kann es sein, die Auflösung in verschiedenen Richtungen unter­ schiedlich zu machen.

Ist der Empfänger beispielsweise ein lineares Array von Photodetektoren, die in der Triangulationsebene liegen, so ist es günstig, senkrecht zur Triangulationsebene eine ge­ ringere Auflösung zu haben und in Richtung der Triangula­ tionsebene eine höhere Auflösung. Die Teilflächen, die die Pupille abtasten, sollten dann eine große Ausdehnung in Richtung der Triangulationsebene haben und eine geringe Ausdehnung senkrecht dazu.

Eine Mittelung in der Pupille kann nicht nur durch Amplitu­ denmasken, also mechanische Blenden oder elektrooptisch ge­ steuerte Transparenzen erfolgen, sondern auch durch ver­ änderliche Phasenmasken.

Ähnlich, wie die Luftunruhe in der Astronomie bei Langzeit­ aufnahmen "verschmierte" Bilder ohne Granulation bewirkt, kann man durch veränderliche Phasenmasken, z.B. geeignet beschichtete, bewegte Glasplatten, künstliche Turbulenz er­ zeugen. Hierzu kann man auch bewegte Gase oder Flüssigkeiten nahe der Pupillenebene verwenden.

Das gemittelte Bild des Lichtflecks ist dann im allgemeinen breiter als das ungemittelte Bild. Wegen der verminderten Granulation ist dann jedoch die Positionsbestimmung mit we­ sentlich erhöhter Auflösung möglich.

Claims (12)

1. Verfahren zur Empfindlichkeitssteigerung bei der optischen Entfernungsmessung durch aktive Triangulation, bei der ein Lichtfleck mittels eines Beleuchtungslichtbündels auf ein Objekt projiziert wird und dieser Lichtfleck mittels eines Beobachtungslichtbündels über eine Beobachtungsoptik weiter auf einen Empfänger abgebildet wird und bei der aus der Position des Bildes des Lichtflecks im Empfänger die Ent­ fernung des Lichtflecks ermittelt wird, wobei die Achse von Beleuchtungs- und Beobachtungslichtbündel eine Trian­ gulationsebene aufspannen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Mittelung über zeitlich nacheinander folgende und/oder räumlich nebeneinander liegende Teile des Be­ leuchtungslichtbündels und/oder des Beobachtungslichtbün­ dels diese Lichtbündel zumindest partiell inkohärent ge­ macht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtfleck durch optische elektrooptische oder mechanische Ablenkung des Beleuchtungslichtbündels zeit­ lich nacheinander auf verschiedene Positionen auf dem Objekt projiziert wird,
daß die Positionsverschiebung durch eine ebensolche Ablenkung für das Beobachtungsbündel kompensiert wird, so daß das Bild des Lichtflecks auf dem Empfän­ ger vorzugsweise eine konstante Position beibehält, und
daß aus dem zeitlichen Mittelwert des Empfängersignals die Position des Bildes und damit die Entfernung des Objektes bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Position des Bildes durch Schwerpunktbildung des Empfängersignales bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Objekt insbesondere senkrecht zur Achse des Beleuchtungslichtbündels bewegt wird,
daß zeitlich nacheinander verschiedene Bilder des Lichtflecks auf dem Empfänger erzeugt werden, und
daß aus dem zeitlichen Mittelwert des Empfängersignals die Position des Bildes des Lichtflecks bestimmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene räumlich getrennte Teile des Beobach­ tungslichtbündels, insbesondere nahe der Pupille der abbildenden Optik, zur Erzeugung zeitlich aufeinander­ folgender, verschiedener Bilder des Lichtfleckes, aus­ gewählt werden, und daß der zeitliche Mittelwert des Empfängersignales zur Positionsbestimmung ausgewertet wird.

6. Vorrichtung zur Empfindlichkeitssteigerung bei der optischen Entfernungsmessung durch aktive Triangu­ lation, mit einer Projektionseinrichtung für ein Beleuchtungs­ lichtbündel zur Erzeugung eines Lichtfleckes auf einem Objekt und mit einer Beobachtungsoptik zur Abbildung dieses Lichtfleckes mittels eines Beobachtungslicht­ bündels auf einem Empfänger, wobei die Achse des Be­ leuchtungs- und Beobachtungslichtbündels eine Triangu­ lationsebene aufspannen und aus der Position des Bildes des Lichtfleckes im Empfänger die Entfernung des Objek­ tes ermittelbar ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere nahe der Pupillenebene der Beobachtungs­ optik eine Maske, die die Phasenbeziehung zwischen ver­ schiedenen räumlich getrennten Teilen des Beobachtungs­ lichtbündels verändert, positioniert ist, und daß mit der Maske zeitlich nacheinander verschiedene Bilder des Lichtfleckes auf dem Empfänger erzeugbar sind und die Auswertung zur Positionsbestimmung mittels des zeitlichen Mittelwertes des Empfängersignales erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske eine rotierende Phasenmaske ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Feld von Empfängern, die jeweils eine große Ausdehnung senkrecht zur Triangulationsebene haben, zur räumlichen Mittelung über das Bild des Lichtfleckes vorgesehen sind.

9. Vorrichtung zur Empfindlichkeitssteigerung bei der optischen Entfernungsmessung durch aktive Triangu­ lation, mit einer Projektionseinrichtung für ein Beleuchtungs­ lichtbündel zur Erzeugung eines Lichtfleckes auf einem Objekt und mit einer Beobachtungsoptik zur Abbildung dieses Lichtfleckes mittels eines Beobachtungslicht­ bündels auf einem Empfänger, wobei die Achse des Be­ leuchtungs- und Beobachtungslichtbündels eine Triangu­ lationsebene aufspannen und aus der Position des Bildes des Lichtflecks im Empfänger die Entfernung des Objekt­ tes ermittelbar ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Posi­ tionsbestimmung des Objektes mittels des zeitlich ge­ mittelten Empfängersignales, dadurch gekennzeichnet, daß zwei starr miteinander verbundene, um eine gemein­ same Achse drehbare Spiegel oder Planplatten zur ge­ meinsamen, insbesondere senkrecht zur Triangulations­ ebene erfolgenden, Ablenkung des Beleuchtungslichtbün­ dels und des Beobachtungslichtbündels vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9 zur Bestimmung der Posi­ tion des Objektes mittels des zeitlichen Mittelwertes des Empfängersignales, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere in der Nähe der Pupille der Beobach­ tungsoptik eine bewegbare Platte angebracht ist, die beispielsweise mehrere transparente runde oder schlitz­ förmige Öffnungen, die jeweils nur räumlich getrennte Teile des Beleuchtungslichtbündels freigeben, aufweist, um mittels der Bewegung der Platte zeitlich nacheinander verschiedene Bilder des Lichtfleckes auf dem Empfänger zu erzeugen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmigen Öffnungen in der Triangulations­ ebene ihre größte Ausdehnung aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Platte eine Rotationsbewegung aus­ führt.