DE4130119C2

DE4130119C2 - Optische Distanzmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4130119C2
Application number: DE4130119A
Authority: DE
Inventors: Ruediger Prof Dr Pepperl; Hans-Hermann Dipl Ing Spratte
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1991-09-11
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2011-09-12
Also published as: DE4130119A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Distanzmeßeinrichtung gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Eine derartige Meßeinrichtung ist aus der JP 64-10117 A bekannt. Bei dieser Anordnung besteht zwischen dem Auftreffpunkt des vom Meßobjekt diffus reflektierten Empfangslichts auf dem positionsempfindlichen Sensor und der Entfernung des Meßobjekts von der Distanzmeßeinrichtung ein linearer Zusam menhang. Dies erhöht die Auflösung der Distanzmeßeinrichtung. Der Meßbereich derartiger Distanzmeßeinrichtungen ist unter anderem durch die Ausdehnung des positionsempfindlichen Sensors begrenzt. In praktischen Anwendungen muß daher die Distanzmeßeinrichtung zur Durchführung der Messungen üblicherweise justiert werden. In der aus der JP 64-10117 A bekann ten Anordnung ist keine Vorrichtung zur Justage der Distanzmeßeinrichtung beschrieben. Die Anordnung muß demnach manuell justiert werden, was zeit aufwendig ist und zudem mit großen Ungenauigkeiten behaftet ist.

In der US 4782239 ist eine Anordnung zur Distanzmessung beschrieben, die im wesentlichen der Anordnung aus der JP 64-10117 A entspricht.

Aus der JP 61-89 509 A und der JP 60-253812 A ist jeweils eine Distanzmeßein richtung bekannt, bei der zusätzlich zum Sender eine Lichtquelle verwendet wird. Die optischen Achsen des Senders und der Lichtquelle verlaufen hierbei senkrecht zueinander, werden über einen halbdurchlässigen Spiegel zusammen geführt und auf das Meßobjekt gelenkt.

Bei diesen Anordnungen ist jedoch die Längsachse des positionsempfindlichen Sensors nicht parallel zur optischen Achse des Senders ausgerichtet, so daß zwischen dem Auftreffpunkt des Empfangslichts auf dem positionsempfindli chen Sensor und dem Meßabstand ein nichtlinearer Zusammenhang besteht. Ein weiterer Nachteil der aus der JP 61-89509 bekannten Anordnung besteht darin, daß der Lichtquelle eine zusätzliche Linse zur Fokussierung des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts vorgeschaltet ist. Dieser zusätzliche mechani sche Aufwand erschwert einerseits eine Miniaturisierung des Geräts und erhöht zum anderen dessen Herstellungskosten.

In der JP 60-253812 wird das aus der Lichtquelle emittierte Licht direkt über den halbdurchlässigen Spiegel auf das Meßobjekt gelenkt. Bei dieser Anordnung kann zwar der Aufwand einer zusätzlichen Linse vermieden werden. Nachteilig ist jedoch, daß der Lichtstrahl unfokussiert auf das Meßobjekt gelangt, wodurch keine exakte Justierung gewährleistet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der jeweils zu lösenden Meßauf gabe die Distanzmeßeinrichtung bei möglichst geringem apparativen Aufwand sicher und genau zu justieren bzw. die Justage korrigieren zu können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert.

Die optische Distanzmeßeinrichtung gemäß Fig. 1 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 positionsempfindlichen 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 dungsstab 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. 1). 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. 2 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. 3 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 äquivalenten 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

ergibt sich ein Verhältnis von a/b von 0,93/1≈1.

Claims

. Optische Distanzmeßeinrichtung mit einer einem Lichtsender nachgeordneten Sendeoptik und einer einem Lichtempfänger vorgeordneten Empfangsoptik, wobei der Lichtempfänger als positionsempfindlicher Sensor ausgebildet ist, die Längsachse des positionsempfindlichen Sensors parallel und die optische Achse der Empfangsoptik senkrecht zur optischen Achse der Sendeoptik verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß zur Justierung der Distanzmeßeinrichtung der Empfangsoptik (14) eine auf deren optischer Achse (14′) und in der Empfangsebene des Sensors (15) liegende Lichtquelle (17) zugeordnet ist, deren durch die Empfangsoptik (14) gebündelte Strahlung als Pilotstrahl über einen Umlenkspiegel (16) auf die Oberfläche des Meßobjekts (19) gelenkt wird.
2. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoptik (14) durch ein Weitwinkelobjektiv verkörpert ist.
3. Distanzmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (15) oberhalb der optischen Achse (14′) der Empfangsop tik (14) angeordnet ist.
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.