DE4115785A1

DE4115785A1 - Verfahren zur optischen distanzvermessung eines objektes nach dem triangulationsprinzip sowie nach diesem verfahren arbeitende vorrichtung

Info

Publication number: DE4115785A1
Application number: DE19914115785
Authority: DE
Inventors: Gunther Dr Kegel
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1991-05-15
Filing date: 1991-05-15
Publication date: 1992-11-19
Anticipated expiration: 2011-05-16
Also published as: DE4115785C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Distanzvermessung eines Ob jektes nach dem Triangulationsprinzip gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung.

Stand der Technik

Es sind Verfahren zur triangulativen Distanzmessung bekannt, die als Empfänger einen positionsempfindlichen Linienhalbleiter verwenden und zur Auswertung eine Division der Kantenströme I_a und I_b des Empfängers durchführen, und zwar entweder mittels Analogdividierer oder durch eine Divisionslogik bzw. mittels Mi kroprozessor. Während Analogdividierer teuer, in Randbereichen ungenau und wenig temperaturstabil sind, benötigt die digitale Realisierung einen erhöhten Sy stemaufwand und erzeugt eine nicht zu vernachlässigende Verzögerungszeit der Auswertung.

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welches eine möglichst einfache, analoge Auswertung ohne Dividierbaustein ermöglicht.

Darstellung der Erfindung und deren Vorteile

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Kantenströme (I_a, I_b) derart über die Sendeleistung der Lichtquelle geregelt werden, daß einer der Kantenströme konstant bleibt und damit ein linearer Zusammenhang zwi schen der Meßdistanz (d) von der Lichtquelle zum Objekt und dem anderen Kan tenstrom erzeugt wird; vorzugsweise wird einer der Kantenströme (I_b) mittels der Sendeleistung der Lichtquelle konstant geregelt, womit der andere Kantenstrom (I_a, I_b) der Meßdistanz linear proportional erhalten wird. Weitere vorteilhafte Ausge staltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Eine Vor richtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 8 enthalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt den Vorteil, daß aufgrund der Konstant regelung des einen Kantenstromes mittels des Lichtstromes der Lichtquelle bzw. des diese erregenden Sendestromes der zweite Kantenstrom direkt proportional der Meßdistanz von der Lichtquelle zum Objekt wird. Dadurch ist in einfacher Weise eine analoge Auswertung ohne Dividierbaustein möglich.

Kurzbezeichnung der Zeichnung

Fig. 1 eine Anordnung einer Lichtquelle, eines Objektes und eines positions empfindlichen Bauelementes zur Durchführung des Verfahrens

Fig. 2 eine allgemeine Anordnung zur Ableitung der Triangulation zu Distanzmessungen

Fig. 3 ein positionsempfindliches Bauelement mit dazugehörigem Ersatzschaltbild zur Herleitung des Abstandes d und

Fig. 4 ein Schaltbild zur Realisierung der Regelschaltung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 2 zeigt eine allgemeine Anordnung in der die Triangulation zur Distanz messung mittels eines schmal gebündelten Sendelichtstrahls einer Infrarotdiode bzw. LASER-Diode 1 als Lichtquelle und einer Optik 2 zur Fokussierung des Lichts durchgeführt wird. Aufgrund der geringen Wellenlänge wird der Lichtstrahl an nahezu allen relativ matten Oberflächen derart gestreut, daß die Rückstrah lung des Sendelichtes durch ein zu vermessendes Objekt 3 annähernd als diffus reflektierte Kugelwelle angesehen werden kann. Ein Teil des reflektierten Lichtes fällt auf eine Empfangsoptik 4 und wird auf ein positionsempfindliches Bauele ment 5, vorzugsweise ein Linienhalbleiter 5, projiziert. Die Position x des entstan denen Lichtflecks 6 steht in dem relativ komplizierten Zusammenhang zur Entfer nung d des angepeilten Oberflächenpunktes OBP, (senkrecht gemessen von der Geraden 7) nach Gleichung (a), die sich wiederum aus der optisch-geometrischen Anordnung ergibt.

mit:

d = Distanz
B = Basisbreite
H = Objektivabstand
q = PSD-Orientierung
x₀ = PSD-Verschiebung
q₀ = Objektivorientierung

Fig. 3 zeigt die PSD 5 mit Ersatzschaltbild, welches die Bestimmung der Position eines unscharfen Lichtflecks 9 über die Division der Kantenströme I_a und I_b unabhängig von der Intensität des Lichteinfalls nach Gleichung (b) ermöglicht.

Mit den Bedingungen Objektivstand H = 0, PSD-Verschiebung x₀ = 0, PSD-Orien tierung q = 0 kann die obige Gleichung a) vereinfacht werden, so daß mittels eines derartigen positionsempfindlichen Empfängers 5 auch die Fig. 2 geome trisch vereinfacht werden kann, diese erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 1 gezeigt. Zwischen der Position x des projizierten Lichtflecks 9 und der Meßdistanz d ergibt sich damit der einfache Zusammenhang aus den Gleichungen (c) bis (e), der sich aus der Ähnlichkeit der Dreiecke 12 und 13 wie folgt herleiten läßt.

Die Objektive 2 und 4 liegen auf der Geraden 7, bis auf die oben genannten Be dingungen entspricht die Anordnung der Fig. 1 derjenigen der Fig. 2. Die Kantenströme I_a und I_b der PSD 5 werden nun so über die Ansteuerung der Sen deleistung der Lichtquelle 1 bzw. des Sendestromes I_s der Lichtquelle 1 mittels eines Regelnetzwerkes 14 so geregelt, daß der Kantenstrom I_b = konstant = I_bo bleibt; dann beschreibt die Gleichung (f) einen linearen Zusammenhang zwi schen dem Kantenstrom I_a und der Meßdistanz d. Der Kantenstrom I_a liefert somit ohne jegliche Division ein direktes Maß für die Meßdistanz d.

f) d = C₁ I_a + C₀; C_i = constant

Diese Gleichung läßt sich in vorteilhafter Weise einfach mit nur einem Operationsverstärker und wenigen Widerständen realisieren; der Aufbau einer derartigen Schaltung ist in Fig. 1 gezeigt. Während der Kantenstrom I_a somit als Maß für die Meßdistanz d gilt, kann der geregelte Kantenstrom I_b als Sicherheits signal ausgewertet werden, der ständig innerhalb einer eng begrenzten Regelab weichung liegen muß.

Fig. 4 zeigt eine weitere Realisierung der Vorrichtung mit einer Regelschaltung. In den einen Ausgang 15′ eines positionsempfindlichen Bauelementes 15 ist ein Vor- und Zwischenverstärker 16 angeschlossen, wobei über diesen Ausgang 15′ der Strom I_a fließt. Auf den Vor- und Zwischenverstärker 16 folgt ein Gleichrichter 17, auf dem ein Tiefpaß 18 folgt, dessen Ausgang auf einen Regler 20 gelegt ist, über den eine Sollwerteingabe 25 erfolgt. Der Ausgang des Reglers 20 ist auf eine optische Leistungssteuerungs-Stufe 21 gelegt, die eine Sendestufe 22 an steuert, an deren Eingang ein Oszillator 23 und an deren Ausgang eine Sendedi ode 24 angeschlossen ist.

Der zweite Ausgang 15′′ des positionsempfindlichen Bauelementes 15 ist glei chermaßen auf einen Vor- und Zwischenverstärker 16′ gelegt, zur Verstärkung des Stromes I_b des Ausgangs 15′′.

Das Ausgangssignal wird in einem Gleichrichter 17′ gleichgerichtet und dergestalt einem Tiefpaß 18′ zugeführt, dessen Ausgang auf einen definierten Stromaus gang 19 gelegt ist. Dieser Ausgang 19 ist ein proportionaler bzw. Analogausgang, so daß die jeweilige Stromstärke des Ausgangs 19 ein Maß für die jeweilige Entfernung eines Objektes 26 vom positionsempfindlichen Bauelement 15 ist.

Statt eines definiertes Stromausganges kann natürlich auch ein definierter Span nungsausgang verwendet werden.

Über den Regler 20 wird eine Sollwerteingabe 25 eingegeben. Der Kantenstrom I_a wird derart über die Sendeleistung der Sendediode 24 geregelt, daß der Kan tenstrom I_a konstant bleibt. Dann herrscht zwischen der Meßdistanz von der Sen dediode 24 zum Objekt 26 und dem Kantenstrom I_b ein einfacher linear-proportio naler Zusammenhang.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, in der Triangu lations-Distanzmessung eingesetzt zu werden und dient zum Aufbau beispiels weise eines Triangulations-Distanzsensors zur optischen Distanzvermessung.

Liste der Bezugszeichen

1 Lichtquelle
2 Optik
3 Objekt
4 Empfangsoptik
5 positionsempfindliches Bauelement (PSC)
6 Lichtfleck x
7 Gerade durch die Empfangsoptik 4, die mit der Empfangslinie des positionsempfindliche Bauelementes den Winkel q aufspannt
8 Senkrechte zum positionsempfindlichen Bauelement
9 unscharfer Lichtfleck auf dem positionsempfindlichen Bauelement
10 Senkrechte durch die Optik 2
11 Senkrechte durch die Empfangsoptik 4
12, 13 kongruente Dreiecke
14 Regelnetzwerk
15 positionsempfindliches Bauelement (PSD)
16, 16′ Vor- und Zwischenverstärker
17, 17′ Gleichrichter
18, 18′ Tiefpaß
19 Stromquelle
20 Regelnetzwerk
21 optische Leistungssteuerungsstufe
22 Sendestufe
23 Oszillator
24 Sendediode
25 Sollwerteingabe
26 Objekt
d Distanz
B Basisbreite
H Objektivabstand
q PSD-Orientierung
x₀ PSD-Verschiebung
q₀ Objektivorientierung
I_a, I_b Kantenströme
I₀ Summenstrom der Kantenströme
I_s Sendestrom der Lichtquelle 1
L optisch wirksame Länge des positionsempfindlichen Bauelementes
OBP angepeilter Oberflächenpunkt

Claims

1. Verfahren zur optischen Distanzvermessung eines Objektes (3) und/oder Be stimmung der Lage eines Objektes im Raum bezüglich eines gegebenen Koordi natensystems nach dem Triangulationsprinzip, wobei eine Lichtquelle (1) Infrarot- oder Laserlicht mittels einer Optik (2) gebündelt auf das zu vermessende Objekt wirft, dessen Oberfläche das Licht auf mindestens ein positionsempfindliches Bauelement (5) (PSD=Position-Sensitive-Detektor) mit den Kantenströmen I_a und I_b leitet, dem eine Optik (4) zugeordnet ist, die das vom Objekt diffus zurück gestreute Licht auf das positionsempfindliche Bauelement fokussiert und dessen Ortssignal auswertet, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenströme (I_a, I_b) derart über die Sendeleistung der Lichtquelle (1, 24) geregelt werden, daß einer der Kantenströme konstant bleibt und damit ein linea rer Zusammenhang zwischen der Meßdistanz (d) von der Lichtquelle zum Objekt (3, 26) und dem anderen Kantenstrom erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kantenströme (I_b) mittels der Sendeleistung der Lichtquelle (1) kon stant geregelt wird und damit der andere Kantenstrom (I_a) der Meßdistanz (d) li near proportional erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendelicht der Lichtquelle (1) pulsförmig aus- und eingeschaltet wird und somit die Konstantregelung des Kantenstromes (I_a, I_b) nur während der Pulsphase aktiv ist, wobei in der Impulspause die Kantenströme und die Regelung über eine Sample & Hold-Stufe gespeichert werden, und der gespeicherte Analogwert mit dem Sendeimpuls der Lichtquelle synchronisiert wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendestrom (I_s) der Lichtquelle (1, 24) sinus- oder rechteckförmig modu liert wird und die empfangenen Kantenströme (I_a, I_b) auf die Sendefrequenz gefil tert werden.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des einen Kantenstromes eine Sicherheitsreserve besitzt, die als Programm beispielsweise in einem Microprozessor realisiert ist und die Zuord nung der Distanz zum linearproportionalen Kantenstrom als Quelle innerhalb des Programms des Microprozessors implementiert ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelabweichung des konstant geregelten Kantenstromes auf einen zeitverzögerten Fensterkomparator geschaltet wird, dessen Ausgänge zwei Grenzzustände anzeigen, wobei der eine Grenzzustand "mangelnde Reflexion" und der andere Grenzzustand "überhöhte Reflexion" anzeigen.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der geregelte Kantenstrom (I_b) als Sicherheitssignal ausgewertet wird, wobei der Kantenstrom (I_b) innerhalb einer eng begrenzten, vorgegebenen Regelab weichung liegen muß.

8. Vorrichtung zur optischen Distanzvermessung eines Objektes (3, 26) nach dem Triangulationsprinzip, wobei eine Lichtquelle (1, 24) Infrarot- oder Laserlicht mittels einer Optik (2) gebündelt auf das zu vermessende Objekt wirft, dessen Oberfläche das Licht auf mindestens ein positionsempfindliches Bauelement (5) mit den Kantenströmen I_a und I_b leitet, dem eine Optik (4) zugeordnet ist, die das vom Objekt diffus zurückgestreute Licht auf das positionsempfindliche Bauele ment fokussiert und dessen Ortssignal auswertbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenströme (I_a, I_b) derart über die Sendeleistung (I_s) der Lichtquelle (1, 24) mittels eines Regelnetzwerkes (14; 20, 21) regelbar sind, daß einer der Kantenströme konstant ist und damit ein linearer Zusammenhang zwischen der Meßdistanz (d) von der Lichtquelle zum Objekt und dem anderen Kantenstrom gegeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der geregelte Kantenstrom (I_b) als Sicherheitssignal ausgewertet wird, wobei der Kantenstrom (I_b) innerhalb einer eng begrenzten, vorgegebenen Regelab weichung liegen muß.