DE3633681A1 - Device for determining the distance between two bodies - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Be stimmung der Entfernung zwischen zwei Körpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for loading the distance between two bodies according to the Preamble of claim 1.
Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 basieren auf der Erkenntnis, daß durch Interpolation der Schwerpunkt eines auf einem Detektorarray auftreffenden Lichtflecks mit einer Genauigkeit bestimmt werden kann, die wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Sensor elements ist, sofern der Durchmesser des Lichtflecks größer als der Durchmesser eines Sensorelements ist. Typischerweise kann der Schwerpunkt mit einer Auflösung von 10% bis 2% des Durchmessers eines Sensorelements bestimmt werden. Eine entsprechende "Verschmierung des Lichtflecks über mehrere Sensorelemente" kann beispiels weise durch eine entsprechende Abbildung, durch Defokus sieren und/oder gezieltes Einführen von Aberrationen erreicht werden.Devices according to the preamble of claim 1 are based on the knowledge that through interpolation the Center of gravity of one hitting a detector array Light spots can be determined with an accuracy which is much smaller than the diameter of a sensor elements, provided the diameter of the light spot is larger than the diameter of a sensor element. Typically, the focus can be resolved from 10% to 2% of the diameter of a sensor element be determined. A corresponding "smearing of the Light spots over several sensor elements "can for example by an appropriate image, by defocus sier and / or targeted introduction of aberrations can be achieved.
Bei der Bestimmung des Schwerpunkts von mehreren Licht flecken ist es natürlich erforderlich, daß sich die ein zelnen Lichtflecke nicht überlagern: Bei Überlagerung mehrerer Lichtflecke würden nämlich nicht die Einzel schwerpunkte der Lichtflecke, sondern der gemeinsame Schwerpunkt der sich überlagernden Lichtflecke bestimmt.When determining the center of gravity of multiple lights stains it is of course necessary that the one Do not overlay individual light spots: When overlapping multiple light spots would not be the single focus of the spots of light, but the common The focus of the overlapping light spots is determined.
Damit begrenzt bei Vorrichtungen zur Bestimmung der Ent fernung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Forderung, daß sich die einzelnen Bilder der Retroreflek toren nicht überlagern, bei einem gegebenen Gesichtsfeld des Detektorarrays und einem gegebenen Abstand der einzel nen Retroreflektoren die maximal zu bestimmende Entfer nung. Beispielsweise kann mit einem Detektorarray mit 385 ×288 Sensorelementen mit einer Abmessung von jeweils 22 µm×22 µm und einem Gesichtsfeld von 0,67°×0,5° bei einem Retroreflektorabstand von 0,8 m die Entfernung von Körpern bis maximal 4400 m bestimmt werden. Größere Entfernungen lassen sich nicht mehr auflösen, da sich die Bilder der Retroreflektoren dann überlagern würden.This limits devices for determining the Ent distance according to the preamble of claim 1 Requirement that the individual images of the retroreflect Do not overlay gates in a given field of vision of the detector array and a given distance of each retroreflectors the maximum distance to be determined nung. For example, with a detector array with 385 × 288 sensor elements with a dimension of 22 each µm × 22 µm and a field of view of 0.67 ° × 0.5 ° a retroreflector distance of 0.8 m the distance from Bodies up to a maximum of 4400 m can be determined. Larger Distances can no longer be resolved because the Images of the retroreflectors would then overlay.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Körpern anzu geben, die die Bestimmung größerer Entfernungen als bei den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Vorrichtungen möglich macht.The invention has for its object a device to determine the distance between two bodies give the determination of greater distances than with the prerequisite in the preamble of claim 1 Makes devices possible.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.An inventive solution to this problem is with their Developments characterized in the claims.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, Bilder von Retroreflektoren, die winkelmäßig bei gegebener Detektor array-Konfiguration nicht mehr auflösbar sind, durch eine optische Kodierung unterscheidbar zu machen.The invention is based on the basic idea of images of Retroreflectors that are angular for a given detector array configuration are no longer resolvable by a make optical coding distinguishable.
Diese optische Kodierung kann bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch erfolgen, daß die Beleuchtungseinrichtung die Retroreflektoreinheit nacheinander mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beleuchtet und jeder der Retroreflektoren nur Licht einer Wellenlänge reflektiert. Hierdurch treffen die Bilder der einzelnen Retroreflektoren nacheinander auf dem Detektor array auf. Da sich somit keine Bilder überlagern können, kann der Schwerpunkt eines jeden Bildes mit der maximal möglichen Auflösung auch bei großen Objektentfernungen problemlos bestimmt werden. Der maximal meßbare Abstand ist damit nur noch durch das Auflösungsvermögen des Detek torarrays für den Schwerpunkt eines Lichtflecks begrenzt, oder anders ausgedrückt dadurch, daß die Lageunterschiede der Bilder der einzelnen Retroreflektoren noch aufgelöst werden können. Beispielsweise erhält man mit dem einlei tend als Beispiel angegebenen Detektorarray und den glei chen Gesichtsfeld-und Retroreflektorabstands-Daten mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Grenzentfernung von 132 km. Die maximal noch bestimmbare Entfernung ist damit um den Faktor 30 größer als bei Vorrichtungen, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrundegelegt sind.This optical coding can be according to a device the preamble of patent claim 1 that the lighting device the retroreflector unit successively with light of different wavelengths illuminated and each of the retroreflectors only light one Wavelength reflected. Hereby the pictures of the individual retroreflectors one after the other on the detector array on. Since no images can overlap, can be the focus of each image with the maximum possible resolution even with large object distances can be easily determined. The maximum measurable distance is therefore only due to the resolving power of the Detek Torarrays limited for the focus of a light spot, or to put it another way, that the differences in location the images of the individual retroreflectors are still resolved can be. For example, you get the same as an example given detector array and the same Chen field of view and retroreflector distance data a limit distance of a device according to the invention of 132 km. The maximum distance that can still be determined is thus 30 times larger than in devices such as based on them in the preamble of claim 1 are.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the invention are in the subclaims specified.
Beispielsweise ist es gemäß Anspruch 2 möglich, durch Verwendung von mindestens drei Retroreflektoren, die so ausgestaltet sind, daß sie eindeutig identifizierbar sind, nicht nur die Entfernung zwischen den beiden Körpern, sondern auch deren Relativlage zu bestimmen. Die Identifi zierung der einzelnen Retroreflektoren kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß sie unterschiedlichen Abstand und/ oder Reflektionsvermögen für das auftreffende Licht haben.For example, it is possible according to claim 2 Using at least three retroreflectors, so are designed so that they can be clearly identified, not just the distance between the two bodies, but also to determine their relative position. The identifi Decoration of the individual retroreflectors can for example in that they have different spacing and / or have reflectivity for the incident light.
Die erfindungsgemäß verwendete optische Kodierung kann nicht nur dazu verwendet werden, die einzelnen Retrore flektoren der Retroreflektoreinheit zu unterscheiden, sondern auch unterschiedliche Körper zu identifizieren. Eine Möglichkeit hierfür ist im Anspruch 3 gekennzeichnet. The optical coding used according to the invention can not just used to retrore the individual distinguish between the reflectors of the retroreflector unit, but also to identify different bodies. One possibility for this is characterized in claim 3.
Selbstverständlich kann basierend auf den erfindungsge mäßen Grundgedanken, die eine höchstgenaue Bestimmung der Bild-Schwerpunkte der einzelnen Retroreflektoren erlauben, auch andere Möglichkeiten zur Identifizierung verwendet werden. Beispielsweise können bestimme Konfigurationen von Retroreflektoren zur Identifizierung eingesetzt werden.Of course, based on the fiction basic ideas, which allow a highly precise determination of the Focus of the individual retroreflectors allows other means of identification are used will. For example, certain configurations of Retroreflectors are used for identification.
In Anspruch 4 ist eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung gekennzeichnet, die in einfacher Weise eine optische Kodierung ermöglicht.In claim 4 is a particularly useful embodiment characterized that in a simple way an optical Encoding enables.
Der erfindungsgemäße Grundgedanke der optischen Kodierung kann durch die Verwendung einer Optik mit variabler Brenn weite, beispielsweise einer Vario- oder Schaltoptik in vorteilhafter Weise weitergebildet werden; mit einer derartigen Optik kann das Gesichtfeld des Sensors der zu messenden Entfernung angepaßt werden, so daß in einem bestimmten Entfernungsbereich mit besonders hoher Auflö sung gemessen werden kann.The basic idea of optical coding according to the invention can be achieved by using a variable focal optics wide, for example a vario or switching optics in be further developed in an advantageous manner; with a Such optics can be the field of view of the sensor measuring distance can be adjusted so that in one certain distance range with particularly high resolution solution can be measured.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungsge mäßen Vorrichtung ist im Anspruch 6 gekennzeichnet: Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt nicht nur die Bestim mung des Abstandes zwischen zwei Satelliten, sondern auch die Ermittlung deren Relativlage sowie die Unterscheidung mehrerer unterschiedlicher Körper.A particularly advantageous application of the fiction moderate device is characterized in claim 6: The The device according to the invention not only allows determination measurement of the distance between two satellites, but also the determination of their relative position and the distinction several different bodies.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be schrieben, in der zeigen:The invention is based on an embodiment example with reference to the drawing be wrote in the show:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebil dete Beleuchtungseinrichtung und einen Sensor, Fig. 1 shows a section through an inventive ausgebil finished illumination device and a sensor
Fig. 2a die Anordnung der Retroreflektoren, FIG. 2a, the arrangement of the retroreflectors
Fig. 2b die Wellenlängencharakteristik der Beleuchtungs einrichtung, FIG. 2b, the wavelength characteristic of the lighting device,
Fig. 2c die Wellenlängencharakteristik der Retroreflek toren, und Fig. 2c, the wavelength characteristic of the retroreflector, and
Fig. 3 verschiedene Bilder der Retroreflektoren auf dem Detektorarray. Fig. 3 different images of the retroreflectors on the detector array.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Beleuchtungseinrichtung für in Fig. 1 nicht dargestellte Retroreflektoren sowie einen Sensor für das von den Retroreflektoren reflektierte Licht. Fig. 1 shows a section through an inventive design Lighting unit in Fig. Retroreflectors and not shown 1 a sensor for reflected by the retroreflectors.
Die Beleuchtungseinrichtung weist vier Lichtquellen 11, 12, 13 und 14 auf, deren Licht über eine Prismenanordnung 2 und ein Projektionsobjektiv 3 in einen gemeinsamen Strahlengang 4 eingekoppelt wird. Der Strahlengang 4 ist auf eine Retroreflektoreinheit gerichtet, die an einem anderen Körper angebracht ist. Das von der Retroreflektor einheit reflektierte Licht 5 wird über ein in Fig. 1 lediglich schematisch dargestelltes Objektiv 6 auf ein Detektorarray 7 abgebildet.The lighting device has four light sources 11 , 12 , 13 and 14 , the light of which is coupled into a common beam path 4 via a prism arrangement 2 and a projection objective 3 . The beam path 4 is directed onto a retroreflector unit which is attached to another body. The light 5 reflected by the retroreflector unit is imaged onto a detector array 7 via an objective 6, which is only shown schematically in FIG. 1.
Das Detektorarray 7 und die verschiedenen Lichtquellen 11 bis 14 sind über Leitungen 81, 82, 83, 84 und 85 mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden.The detector array 7 and the various light sources 11 to 14 are connected via lines 81 , 82 , 83 , 84 and 85 to a control unit (not shown).
Fig. 2a zeigt die Anordnung von drei Retroreflektoren 91, 92 und 93. Die Retroreflektoren sind mit unterschied lichen Abständen x 1 bzw. x 2 an den Spitzen eines recht winkligen Dreiecks angeordnet. Vor den Retroreflektoren befinden sich nicht näher dargestellte Filter mit einer Transmissionscharakteristik, die den jeweiligen Retrore flektor/Filter-Einheiten die in Fig. 2c wiedergegebene Reflexionscharakteristik τ i(g) geben. Fig. 2a shows the arrangement of three retroreflectors 91, 92 and 93. The retroreflectors are arranged at different distances x 1 or x 2 at the tips of a right-angled triangle. In front of the retroreflectors there are filters (not shown in detail) with a transmission characteristic which give the respective retroreflector / filter units the reflection characteristic τ i ( g ) shown in FIG. 2c.
Die Arbeitsweise der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben werden.The operation of the device shown in FIGS. 1 and 2 will be described below with reference to FIG. 3.
Die nicht dargestellte Steuereinheit steuert über die Leitungen 81 bis 84 die Lichtquellen 11 bis 14 derart an, daß die Lichtquellen zeitlich nacheinander Licht emittie ren. Da - wie in Fig. 2b gezeigt - die Lichtströme I der einzelnen Lichtquellen unterschiedliche Wellenlängen haben, wird das Licht der Lichtquelle 11 nur von dem Retroreflektor 91, das der Lichtquelle 12 nur von dem Retroreflektor 92 und das der Lichtquelle 13 nur von dem Retroreflektor 93 reflektiert. Das Licht der Lichtquelle 14 wird überhaupt nicht reflektiert.The control unit, not shown, controls the light sources 11 to 14 via lines 81 to 84 in such a way that the light sources emit light successively in time. Since - as shown in FIG. 2b - the light fluxes I of the individual light sources have different wavelengths, the light of the light source 11 only from the retroreflector 91 , that of the light source 12 only from the retroreflector 92 and that of the light source 13 only from the retroreflector 93 . The light from the light source 14 is not reflected at all.
Je nach Abstand der in Fig. 1 dargestellten Beleuchtungs/ Sensoreinheit von der in Fig. 2a dargestellten Retrore flektoreinheit ergeben sich die in Fig. 3a bzw. 3b darge stellten Bilder der Retroreflektoren auf dem Detektorarray 7. Dabei treten die Bilder 91′, 92′ und 93′ der Retrore flektoren 91, 92 und 93 zeitlich nacheinander entsprechend dem Aufleuchten der Lichtquellen 11 bis 13 auf. Hierdurch ist es auch bei großen Entfernungen, bei denen sich die einzelnen Bilder - wie in Fig. 3b dargestellt - überlagern und nicht nur bei kleinen Entfernungen, bei denen die einzelnen Bilder getrennt sind (Fig. 3a) möglich, die durch "x" symbolisierten Schwerpunkte der Lichtflecke auf dem Detektorarray 7 mittels der nichtdargestellten Steuer einheit zu erfassen.Depending on the distance between the illumination / sensor unit shown in FIG. 1 and the retroreflector unit shown in FIG. 2a, the images of the retroreflectors on the detector array 7 shown in FIGS . 3a and 3b result. The images 91 ', 92 ' and 93 'of the retro reflectors 91 , 92 and 93 occur one after the other in time according to the lighting of the light sources 11 to 13 . This makes it possible even at long distances at which the individual images overlap - as shown in FIG. 3b - and not only at short distances at which the individual images are separated ( FIG. 3a), which symbolized by "x" Center of gravity of the light spots on the detector array 7 by means of the control unit, not shown.
Die Ermittlung des Schwerpunkts der einzelnen Lichtflecke erfolgt dabei nach den bekannten Interpolationsformeln, die ähnlich den in der Mechanik für die Ermittlung des Massenschwerpunkts verwendeten Formeln sind, so daß hier auf nicht näher eingegangen werden muß.The determination of the center of gravity of the individual light spots takes place according to the known interpolation formulas, which are similar to those in the mechanics for determining the Mass formulas are used, so here need not be discussed in more detail.
Aus den ermittelten Schwerpunktlagen der Bilder der Retro reflektoren kann die nicht näher dargestellte Steuerein heit - beispielsweise ein Mikrocomputer oder eine festver drahtete Rechenschaltung - bei gegebenem Retroreflektorab stand und Brennweite des Abbildungsobjektivs nach den Gesetzen der Geometrie den Abstand zwischen Sensor und Retroreflektoreinheit berechnen: Beispielsweise ist es mit einem Detektorarray mit 385×288 Sensorelementen mit einer Abmessung von jeweils 22 µm×22 µm und einem Ge sichtsfeld von 0,67°×0,5° bei einem Retroreflektorab stand von 0,8 m ohne weiteres möglich, die Entfernung von Körpern bis maximal 132 km zu bestimmen.The Steuerein not shown in detail may reflectors from the determined center of gravity of the images of the retro uniform - for example, a microcomputer or a festver wired computing circuit - stand at a given Retroreflektorab and focal length calculate the distance between the sensor and the retro-reflector unit of the imaging lens according to the laws of geometry: For example, it With a detector array with 385 × 288 sensor elements, each with a dimension of 22 µm × 22 µm and a field of view of 0.67 ° × 0.5 ° with a retroreflector distance of 0.8 m, the removal of bodies was easily possible to determine a maximum of 132 km.
Darüberhinaus ist es durch Auswertung der geometrischen Form der Anordnung der Retroreflektoren bei Verwendung von mehr als zwei Reflektoren und/oder der Reflexionscharakte ristik der Reflektoren möglich, den Körper zu identifi zieren, dessen Abstand gemessen wird:Furthermore, it is by evaluating the geometric Form of arrangement of the retroreflectors when using more than two reflectors and / or the reflection char The reflectors can be used to identify the body adorn whose distance is measured:
Die einzelnen Retroreflektoren 91 bis 93 lassen sich aufgrund der optischen Kodierung, anders ausgedrückt durch den Zeitpunkt ihres Ansprechens auf einen auftreffenden Lichtstrahl, zweifelsfrei identifizieren.The individual retroreflectors 91 to 93 can be identified without a doubt on the basis of the optical coding, in other words by the time at which they respond to an incident light beam.
Damit ist es beispielsweise bereits bei Verwendung von vier Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge und drei Retroreflektoren an jedem Körper, dessen Abstand und Identität bestimmt werden soll, möglich, vier unterschied liche Körper, beispielsweise Dockingpartner für einen Satelliten zu identifizieren.So it is already in use, for example four light sources of different wavelengths and three Retroreflectors on each body, their distance and Identity should be determined, possible, four differences body, for example docking partner for one Identify satellites.
Durch zusätzliche Bewertung des Reflexionsgrades und/oder der geometrischen Anordnung können noch wesentlich mehr Körper identifiziert werden: In Fig. 2c ist schematisch das unterschiedliche Reflexionsvermögen der einzelnen Retroreflektoren dargestellt.An additional evaluation of the degree of reflection and / or the geometrical arrangement enables even more bodies to be identified: FIG. 2c schematically shows the different reflectivities of the individual retroreflectors.
Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels dargestellt worden: Bei einer tatsächlichen Realisierung sind selbstverständlich die verschiedensten Modifikationen möglich:The above is an example of the invention using a schematic embodiment has been shown: At an actual realization is a matter of course various modifications possible:
Beispielsweise kann das Objektiv 6 ein Objektiv variabler Brennweite, beispielsweise ein Varioobjektiv oder ein Objektiv mit einschaltbaren Linsengliedern sein, um inner halb eines bestimmten Entfernungs-Meßbereichs eine höhere Auflösung zu erzielen.For example, the lens 6 can be a lens of variable focal length, for example a zoom lens or a lens with switchable lens elements, in order to achieve a higher resolution within a certain distance measuring range.
Als Lichtquellen können die verschiedensten Lichtquellen, beispielsweise Laser verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, eine Lichtquelle zu verwenden, der unterschied liche Filter vorgeschaltet werden.A wide variety of light sources can be used as light sources, for example lasers can be used. Furthermore, it is possible to use a light source, the difference filter upstream.
Auch ist die Zahl der Lichtquellen und die der Retrore flektoren nicht auf die des Ausführungsbeispiels be schränkt.Also the number of light sources and that of the retrore flectors not be on that of the embodiment limits.
Als Detektorarray können beispielsweise die unterschied lichsten Halbleiterbauelemente verwendet werden.For example, the difference can be used as a detector array Lichsten semiconductor components are used.
Claims (6)
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Retroreflektoren (91, 92, 93) Licht unterschiedlicher Wellenlänge reflek tieren,
daß die Beleuchtungseinrichtung zeitlich nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussendet, das von jeweils einem Retroreflektor reflektiert wird, und
daß die Steuereinheit aus den zeitlich getrennt auftref fenden Bildern der Retroreflektoren den Abstand bestimmt.1. Device for determining the distance between two bodies, one of which is a retroreflector unit with at least two spaced apart reflectors ( 91 , 92 , 93 ) and the other a lighting device ( 11 , 12 , 13 , 14 , 2 , 3 ) for the retroreflector unit , A detector array ( 7 ) on which the individual reflectors of the retroreflector unit can be imaged by means of a lens ( 6 ) in such a way that the diameter of their images is larger than the diameter of a sensor element, and has a control unit which determines the focus of the images of the reflectors and determines the distance from the center of gravity,
characterized in that the individual retroreflectors ( 91 , 92 , 93 ) reflect light of different wavelengths,
that the lighting device emits light of different wavelengths in time, which is reflected by a retroreflector, and
that the control unit determines the distance from the temporally separated images of the retroreflectors.
Priority Applications (3)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |