DE4130119A1 - Optische distanzmesseinrichtung - Google Patents
Optische distanzmesseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Distanzmeßeinrichtung gemäß dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Derartige, nach dem Triangulationsprinzip arbeitende Abstandsmeßeinrichtungen
sind bekannt. Den grundsätzlichen Aufbau einer solchen Einrichtung zeigt Fig. 1.
Der von dem beispielsweise als Laserdiode ausgebildeten Lichtsender 1 ausge
sandte Lichtstrahl gelangt über die Sendeoptik 2 als Sendelichtstrahl 3 auf das
Meßobjekt 4 und wird von diesem diffus reflektiert. Der auf die Empfangsop
tik 5 gelangende Anteil des reflektierten Lichts trifft als Empfangslichtstrahl 6
auf die Empfangsoptik 5, die auf dem positionsempfindlichen Sensor 7 einen
Lichtfleck 8 erzeugt, der abhängig von der jeweiligen Entfernung des Meßob
jekts 4 auf dem Sensor 7 wandert und entsprechende Teilströme I1 und I2 gene
riert, deren Verhältnis als Bewertungsgröße für die jeweilige Entfernung des
Meßobjekts 4 dient.
Die optische Achse 5′ des Empfangsobjektivs 5 bildet einen spitzen Winkel R
mit der optischen Achse 9 der Sendeoptik 2 bzw. mit der Meßstrecke. Der posi
tionsempfindliche Sensor 7 ist entweder senkrecht zur optischen Achse 5′ der
Empfangsoptik 5 oder unter dem Scheimpflugwinkel zur Achse 5′ angeordnet.
In beiden Fällen ist die Wanderung des Lichtflecks 8 (Meßfleck) auf dem posi
tionsempfindlichen Sensor 7 eine nicht lineare Funktion bezüglich des zu mes
senden Abstands zwischen dem Objekt und dem Gehäuse der Einrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwischen der Wanderung des Licht
flecks 8 auf dem positionsempfindlichen Sensor 7 und dem zu messenden Ab
stand einen linearen Zusammenhang herzustellen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Um bei der jeweils zu lösenden Meßaufgabe die Distanzmeßeinrichtung rasch
und sicher justieren bzw. die Justage korrigieren zu können, ist in Weiterbildung
der Erfindung der Empfangsoptik eine auf deren optischer Achse und in der
Empfangsebene des Sensors liegende Lichtquelle zugeordnet, deren durch die
Empfangsoptik gebündelter Lichtstrahl über einen Umlenkspiegel auf die
Oberfläche des Meßobjekts gelenkt wird und damit als Pilotstrahl zur Licht-
bzw. Meßfleckerkennung nutzbar ist.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Fig. 2 bis 4, die Ausfüh
rungsbeispiele schematisch veranschaulichen, erläutert.
Die optische Distanzmeßeinrichtung gemäß Fig. 2 besteht im wesentlichen aus
einem in einem mit einem Fenster 10 versehenen Gehäuse 11 untergebrachten
Lichtsender 12 z. B. in Form eines Halbleiter-Lasers, einer diesem räumlich
nachgeordneten Sendeoptik 13, einer Empfangsoptik 14, einem als positions
empfindlichen Sensor 15 ausgebildeten Lichtempfänger mit der Länge L′, einem
Umlenkspiegel 16 und einer Lichtquelle 17.
Die Längsachse 15′ des Sensors 15 bzw. dessen fotosensitive Schicht verläuft
parallel zur optischen Achse 13′ der Sendeoptik 13 bzw. zur Meßstrecke und
die Empfangsoptik 14 ist so angeordnet, daß ihre optische Achse 14′ senkrecht
zur optischen Achse 13′ der Sendeoptik 13 liegt.
Durch die Anordnung des Sensors 15 parallel zur optischen Achse 13′ der Sen
deoptik 13 (Sendelichtbündel 22) ergibt sich durch Zentralprojektion ein linearer
Zusammenhang zwischen der Licht- bzw. Meßfleckwanderung auf dem Sensor 15
und der Abstandsänderung des Meßobjekts 19 vom Gehäuse 11 bzw. von der
Sendeoptik 13, und die besagte Anordnung der Empfangsoptik 14 gewährleistet
eine scharfe Abbildung des durch den vom Meßobjekt 19 reflektierten Licht
strahl 24 erzeugten Lichtflecks 20 auf dem positionsempfindlichen Sensor 15.
Als Empfangsoptik 14 wird ein Weitwinkelobjektiv verwendet. Der Meßbereich
b wird, wie anhand der Fig. 4 noch näher erläutert wird, durch den Abbil
dungsmaßstab β′ durch die Länge L′ des positionsempfindlichen Sensors 15,
die Objektweite a (Basisabstand) und die Brennweite f′ des Weitwinkelobjektivs
14 bestimmt.
Da beim Ausführungsbeispiel die Meßstrecke oberhalb der optischen Achse 14′
der Empfangsoptik 14 auf dem Sensor 15 abgebildet wird, kann die den Pilot
strahl erzeugende Lichtquelle 17 auf der optischen Achse 14′ in der Empfangs
ebene des Sensors 15 angeordnet werden.
Der Lichtstrahl 18 der Lichtquelle 17 wird durch die Empfangsoptik 14 gebün
delt und über den Umlenkspiegel 16 auf die Oberfläche des Meßobjektes 19 ge
lenkt (Fig. 2). Der Umlenkspiegel 16 ist dabei mit einer zentralen Öffnung 21
für den Durchgang des Sendelichtbündels 22 versehen. Gegebenenfalls kann
auch ein teildurchlässiger Spiegel verwendet werden.
Das auf diese Weise erzeugte, auf das Meßobjekt 19 auftreffende Lichtbün
del 23 dient als Pilotstrahl zur Justierung der Distanzmeßeinrichtung bei der je
weiligen Meßaufgabe. Die Lichtquelle 17 kann durch einen von außen zugängi
gen, nicht dargestellten Schalter bei Nichtgebrauch abgeschaltet werden. Der
Sensor 15 kann gegebenenfalls in Richtung seiner drei Achsen verschieb- bzw.
verstellbar angeordnet sein.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Distanzmeßeinrichtung, die auch bei
unterschiedliches Niveau 19′, 19′′ aufweisenden Meßobjekten 19, bei denen die
zur höher gelegenen Oberfläche 19′′ aufsteigende Kante 19′′′ eine Reflexion
des Sendelichtstrahls 22 auf das Empfangsobjekt 14 verhindert, eine Messung
der Entfernung der tiefer gelegenen Oberfläche 19′ ermöglicht.
Zu diesem Zweck ist eine zweite Empfangsoptik 14′′ gegenüber der ersten
Empfangsoptik 14 auf der anderen Seite der optischen Achse 13′ der Sendeop
tik 13 angeordnet, deren optische Achse identisch ist mit der optischen Achse
14′ der ersten Empfangsoptik 14. Die Abstände der beiden Empfangsoptiken 14
und 14′′ von der optischen Achse 13′ der Sendeoptik 13 sind dabei vorzugswei
se gleich groß gewählt, desgleichen der Abstand der Sensoren 15 und 15′′ von
der optischen Achse 13′ der Sendeoptik 13 und von der optischen Achse 14′
der Empfangsoptiken 14′ und 14′′ (spiegelbildliche Anordnung).
Der von der Oberfläche 19′ des Meßobjekts 19 reflektierte Lichtstrahl 24′ er
zeugt auf dem positionsempfindlichen Sensor 15′′, dessen Längsachse 15′′′
ebenfalls parallel zur optischen Achse 13′ der Sendeoptik 13 verläuft, den
Lichtfleck 20′.
Sämtliche optischen und elektronischen Bauelemente sind im Gehäuse 11′ un
tergebracht, dessen Fenster 10′ so bemessen ist, daß auch das von der Oberflä
che 19′ des Objekts 9 reflektierte Lichtbündel 24′ ungehindert auf die Emp
fangsoptik 14′′ gelangen kann.
Fig. 4 zeigt die einer Zentralprojektion mit dem Zentrum H entsprechende
geometrisch-optische Abbildung der Meßstrecke b auf die lichtempfindliche Flä
che der Länge L′ des positionsempfindlichen Sensors 15, wobei H der Haupt
punkt der zum Weitwinkelobjektiv aequivalenten dünnen Linse ist.
Aus den Abbildungsgleichungen der geometrischen Optik ergibt sich für die
Meßstrecke b
wobei β′ der Abbildungsmaßstab ist, ferner
wobei mit f′ die Brennweite des Weitwinkelobjektivs und mit a die Objektweite
(Basisabstand) bezeichnet sind. Der Abstand des Zentrums H zur Fläche des po
sitionsempfindlichen Sensors 15 ist durch a′ gekennzeichnet.
Objektive mit einem Bildwinkel 2w, der größer ist als 55°, gelten als Weitwin
kelobjektive. Weitwinkelobjektive mit Bildwinkeln von 2w = 120° sind gängig.
Für große Objektweiten a ergibt sich für den Bildwinkel 2w:
wobei A′ beim Ausführungsbeispiel als Abstand der optischen Achse 14′ des
Weitwinkelobjektivs 14 von der Unterkante des positionsempfindlichen Sensors
und A als Abstand der optischen Achse 14′ von der Gehäusekante 11 definiert
sind.
Unter Zugrundelegung folgender Daten
Brennweite des Weitwinkelobjektivs f′ = 8,5 mm,
Bildwinkel 2w = 114°,
Länge des positionsempfindlichen Sensors L′ = 10 mm,
Radius der Hilfslichtquelle A′ = 2 mm,
Größe des Meßbereichs |b| = 100 mm,
Abbildungsmaßstab β′ = -1/10,
Basisabstand |a| = 93,5 mm und
Abstand der optischen Achse 14′ von der Gehäusekante |A| = 30 mm
Bildwinkel 2w = 114°,
Länge des positionsempfindlichen Sensors L′ = 10 mm,
Radius der Hilfslichtquelle A′ = 2 mm,
Größe des Meßbereichs |b| = 100 mm,
Abbildungsmaßstab β′ = -1/10,
Basisabstand |a| = 93,5 mm und
Abstand der optischen Achse 14′ von der Gehäusekante |A| = 30 mm
ergibt sich ein Verhältnis von a/b von 0,93/1≈1.
Claims (11)
1. Optische Distanzmeßeinrichtung mit dem Lichtsender nachgeordneter Sende
optik und dem Lichtempfänger vorgeordneter Empfangsoptik, wobei Sende-
und Empfangsoptik auf einer Seite angeordnet sind und der Lichtempfänger
als positionsempfindlicher Sensor ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsachse 15′ des positionsempfindlichen Sensors (15) parallel und
die optische Achse (14′) der Empfangsoptik (14) senkrecht zur optischen
Achse (13′) der Sendeoptik (13) angeordnet sind.
2. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Empfangsoptik (14) durch ein Weitwinkelobjektiv verkörpert ist und der
Lichtfleck (20) durch Zentralprojektion auf dem positionsempfindlichen Sen
sor (15) abgebildet wird.
3. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensor (15) oberhalb der optischen Achse (14′) der Empfangsop
tik (14) angeordnet ist und der Empfangsoptik (14) eine auf deren optischer
Achse (14′) und in der Empfangsebene des Sensors (15) liegende Lichtquel
le (17) zugeordnet ist, deren durch die Empfangsoptik (14) gebündelte Strah
lung über einen Umlenkspiegel (16) auf die Oberfläche des Meßobjekts (19)
gelenkt wird.
4. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Umlenkspiegel (16) als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet ist.
5. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Umlenkspiegel (16) mit einer zentralen Öffnung (21) für den Durchgang des
Sendelichtbündels (22) versehen ist.
6. Distanzmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor (15) in Richtung seiner drei Achsen ver
schiebbar angeordnet ist.
7. Distanzmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sie in einem Gehäuse (11) untergebracht ist, das mit
einem Fenster (10) für den Durchgang des Sendelichtbündels (22), des vom
Meßobjekt (19) reflektierten Lichtbündels (24) und des durch den Umlenk
spiegel (16) auf das Meßobjekt (19) geworfenen Lichtbündels (23) versehen
ist.
8. Distanzmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die den Pilotstrahl erzeugende Lichtquelle (17) durch
einen von außen betätigbaren Schalter wahlweise zu- und abschaltbar ist.
9. Distanzmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Empfangsoptik (14) und dem positionsempfindli
chen Sensor (15) bezogen auf die optische Achse (13′) der Sendeoptik (13)
gegenüberliegend eine weitere Empfangsoptik (14′′) und ein dieser zugeord
neter positionsempfindlicher Sensor (15′′) angeordnet sind, wobei die opti
sche Achse der Empfangsoptik (14′′) identisch ist mit der optischen Achse
(14′) Empfangsoptik (14).
10. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Empfangsoptik (14′′) und der lichtempfindliche Sensor (15′′) spiegelbildlich
zur Empfangsoptik (14) und zum lichtempfindlichen Sensor (15) angeordnet
sind.
11. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß sie in einem Gehäuse (11′) untergebracht ist, das mit einem Fenster
(10′) für den Durchgang des Sendelichtbündels (22), der vom Meßobjekt
(19) reflektierten Lichtbündel (24, 24′) und des durch den Umlenkspiegel
(16) auf das Meßobjekt (19) geworfenen Lichtbündels (23) versehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4130119A DE4130119C2 (de) | 1991-09-11 | 1991-09-11 | Optische Distanzmeßeinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4130119A DE4130119C2 (de) | 1991-09-11 | 1991-09-11 | Optische Distanzmeßeinrichtung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4130119A1 true DE4130119A1 (de) | 1993-03-25 |
DE4130119C2 DE4130119C2 (de) | 1994-04-28 |
Family
ID=6440302
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4130119A Expired - Fee Related DE4130119C2 (de) | 1991-09-11 | 1991-09-11 | Optische Distanzmeßeinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4130119C2 (de) |
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DE4130119C2 (de) | 1994-04-28 |
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