DE69805598T2

DE69805598T2 - Vorrichtung zur Messung von Abstand oder Einfallswinkel eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE69805598T2
Application number: DE69805598T
Authority: DE
Inventors: Peter Heimlicher; Charles Rheme
Original assignee: Optosys SA
Current assignee: Optosys SA
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-12-17
Publication date: 2002-10-24
Anticipated expiration: 2018-12-18
Also published as: DE69805598D1; ATE218210T1

Description

Übersetzung der Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Entfernungen oder des Einfallswinkels eines Lichtstrahls gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Messungen des Einfallswinkels oder von Entfernungen mittels optoelektronischer Systeme beruhen im allgemeinen auf dem in Fig. 1 beschriebenen Triangulationsprinzip. Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, ist bei dieser Methode eine breite Basis erforderlich, woraus sich ein erster Nachteil ergibt, und ein zweiter Nachteil besteht in der starken Beschränkung des Messbereichs, welche eine grossen toten Bereich Z bewirkt. Bei einem Sensor sind diese Nachteile besonders störend. Dabei sind die Lichtquelle und der Empfänger im gleichen Gehäuse enthalten, welches so platzsparend wie möglich sein soll.
US-A-4 872 747 beschreibt die Verwendung von Prismen für eine anamorphotische Vergrösserung, darunter ein Prisma zur Einstellung der Grösse der erzeugten Abbildung.
EP-A-458 752 des gleichen Anmelders beschreibt ein Verfahren zur Messung eines Einfallswinkels mit einer prismatischen doppelbrechenden Platte veränderlicher Dicke, welche nur bei polarisiertem Licht eine Reihe von Interferenzstreifen erscheinen lässt, deren Position durch den Winkel des Lichtstrahls und die Dicke der Platte bestimmt ist.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht das Ziel der Erfindung darin, eine Vorrichtung zur Messung von Entfernungen oder des Einfallswinkels eines Lichtstrahls zu schaffen, welche eine schmälere Basis benötigt und damit platzsparender ist als die bekannten Vorrichtungen, sowie einen grösseren Messbereich aufweist.
Dieses Ziel wird erreicht mit den Mitteln gemäss einem der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch das Triangulations- Messverfahren,
Fig. 2 beschreibt das Snellius'sches Gesetz,
Fig. 3 zeigt das erfindungsgemässe Messverfahren,
Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 zeigt ein gegenüber demjenigen gemäss Fig. 3 erweitertes Messverfahren, und
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.
In Fig. 1, welche schematisch das bekannte Prinzip der Entfernungsmessung mittels Triangulation zeigt, ist die Lichtquelle 1 sowie die Sendeoptik dargestellt, welche den aus der Lichtquelle austretenden Lichtstrahl auf die zu messenden Objekte 3 und 3' projiziert, welche sich in einem Abstand d bzw. d' von einer Bezugsfläche befinden. Das vom zu messenden Objekt diffus reflektierte Licht wird von einer Empfangslinse oder einer Empfangsoptik 4 aufgenommen und auf einen Positionsdetektor 5 projiziert, der in einem Abstand C von der Empfangslinse bzw. -optik angeordnet ist. Bei dieser schematischen Anordnung ist der Abstand b zum Bezugspunkt R auf dem Positionsdetektor eine Funktion des zu messenden Abstands d.
Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, ist eine breite Basis A zwischen der optischen Achse AO der Sendeoptik und der optischen Achse AO' der Empfangsoptik erforderlich. Wie dies aus Fig. 1 deutlich hervorgeht, ist der Messbereich zudem durch die optische Anordnung und die Grösse des Positionsdetektors eingeschränkt. Zu beachten ist ebenfalls der grosse tote Bereich Z.
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, die winkelmässige Variation des Lichts in der Empfangsoptik nichtlinear zu komprimieren bzw. zu verstärken. Die Durchführung dieses Erfindungsgedankens gestattet die Schaffung eines kompakten Detektors, der einen grossen Messbereich aufweist, während die Empfangsoptik und die Sendeoptik näher beieinander liegen.
Die Fortpflanzung des Lichts hängt vom Brechungsindex des durchquerten Mediums ab, wie dies vom Snellius'sches Gesetz (s. Fig. 2) ausgedrückt wird:
sini/sinr = nr/ni,
worin i den Einfallswinkel und r den Brechungswinkel bezeichnen und ni den Brechungsindex für Luft und nr den Brechungsindex des zu durchquerenden Mediums. Betrachtet man einen Lichtstrahl, der sich in der Luft fortpflanzt und in Glas eintritt (n = 1.5), so stellt man fest, dass das Verhältnis Δr/Δi zwischen 0,66 und 0 variiert, wenn i zwischen 0 und 90º variiert.
Wenn man die Fortpflanzung eines Lichtstrahls betrachtet, der von einem Medium mit höherem Brechungsvermögen in ein Medium mit niedrigerem Brechungsvermögen eintritt, so stellt man eine Expansion der winkelmässigen Variationen fest, und zwar gemäss dem Snellius'sches Gesetz bis zur totalen Reflexion.
Damit der Kompressions- bzw. Verstärkungseffekt nicht verloren geht, dürfen die Ein- und Austrittsflächen nicht parallel zueinander liegen. Dies wird gewöhnlich durch die Verwendung eines Prismas erreicht, es kann jedoch auch ein optisches Material zur Anwendung kommen, dessen Brechungsindex sich über den Weg des Lichtstrahls verändert. Damit ergibt sich eine Kompression bzw. Verstärkung der winkelmässigen Variationen auch bei einer Platte, deren Eintritts- und Austrittsflächen parallel zueinander liegen.
Es wird nun der Fall eines Sensors betrachtet (s. Fig. 3), der Bestandteil einer Messvorrichtung ist, die ausserdem elektrische und elektronische Schaltkreise und weitere Komponenten aufweist. Wenn Messungen mit einem Lichtstrahl durchgeführt werden sollen, bei welchem der Einfallswinkel, d. h. der Winkel des reflektierten Lichts um 40º variiert, so kann diese Variation erfindungsgemäss mit einem geeigneten Prisma auf ungefähr 20º komprimiert werden. Dadurch wird der Messbereich des Sensors erheblich vergrössert. Durch die Wahl der von den Flächen des Prismas 11 gebildeten Winkel wird eine optimale winkelmässige Kompression auf der Eintrittsfläche des Prismas erzielt und eine zu starke Abschwächung der Kompression auf der Austrittsfläche verhindert. Der austretende Lichtstrahl wird anschliessend durch eine Linse auf den Positionsdetektor fokussiert, welche auch in der Austrittsfläche des Prismas integriert sein kann. Fig. 3 zeigt sehr schematisch die Lichtquelle 6, die Sendeoptik 7 mit der optischen Achse AO und das zu messende Objekt 8 in einem bestimmten Abstand d von der Quelle, sowie das gestrichelt dargestellte Objekt 9 in einem kleineren Abstand d', der einem verkürzten toten Bereich entspricht.
Fig. 3 zeigt eine Variation zwischen dem einfallenden Lichtstrahl i vom Objekt 8 im grösseren Abstand d und dem einfallenden Lichtstrahl i' vom Objekt 9 im kleineren Abstand d', d. h. ein Δi von 40º auf der Eintrittsfläche 10 des Prismas 11, welches eine Variation Δr des Lichtstrahls von 20º am Ausgang des Prismas bewirkt. Somit weist der Detektor 12 trotz dem geringen Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Positionsdetektor einen grossen Messbereich und einen kleinen toten Bereich auf. In Fig. 3 ist ebenfalls ersichtlich, dass die Linse 13, welche den aus dem Prisma austretenden Lichtstrahl auf dem Positionsdetektor fokussiert, in das Prisma integriert sein kann.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele eines Sensors, d. h. einer optoelektronischen Anordnung mit einer Lichtquelle und einem Positionsdetektor. Die schematische Fig. 4 zeigt links ein Sendesystem und rechts ein Empfangssystem, wobei die Lichtquelle 6 in einem Gehäuse 14 mit bekannten (nicht dargestellten) Mitteln zur Halterung und Einstellung der Lichtquelle angeordnet ist, welches auf der Innenseite geschwärzte Stufen 15 aufweist, um die Reflexionen möglichst gering zu halten. Am Ausgang des Gehäuses ist das optische System 7 zu erkennen, welches das Licht der Lichtquelle 6 auf das nicht dargestellte zu messende Objekt projiziert. Die optische Achse AO ist gestrichelt dargestellt. Gegen aussen ist das Gehäuse durch ein optisches Fenster 16 abgeschlossen.
Das Empfangssystem ist im gleichen Gehäuse integriert und gegen aussen durch ein optisches Fenster 17 abgeschlossen. Der einfallende Lichtstrahl i' vom näheren zu messenden Objekt steht ungefähr 40º zur optischen Achse AO und fällt auf die Eintrittsfläche 10 des Prismas 11. Die Eintrittsfläche 10 bildet einen Winkel von ungefähr 45º zur optischen Achse AO'. Der gebrochene Lichtstrahl r' des einfallenden Lichtstrahls i' durchquert anschliessend die in der Austrittsfläche des Prismas integrierte Linse 13 mit einer Brennweite von beispielsweise f = 6. Der austretende, gebrochene Lichtstrahl fällt anschliessend auf einen Spiegel 19 und wird auf den Positionsdetektor 12 reflektiert. Der vom Standort des weiter entfernten Objekts herkommende einfallende Lichtstrahl i wird von der Eintrittsfläche 10 des Prismas gebrochen und wird zum gebrochenen Lichtstrahl r, der ebenfalls die Linse 13 durchquert und auf den Spiegel 19 fällt, von welchem er auf den Positionsdetektor 12 reflektiert wird.
Die Messvorrichtung ist in einem Gehäuse untergebracht und umfasst den Positionsdetektor sowie die dem Fachmann bekannten Mess- und Steuerschaltungen. Die Konstruktion gemäss Fig. 4 gestattet den Aufbau eines Sensors mit kleineren Abmessungen als die bekannten Sensoren.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 gestattet einen noch grösseren Erfassungsabstand und einen grossen Messbereich mit einer kompakten Konstruktion und kleineren Abmessungen. Das Sende- und das Empfangssystem sind nebeneinander im gleichen Gehäuse 20 angeordnet. Das Sendesystem umfasst eine Lichtquelle 6 und eine Sammellinse 7, welche das Licht auf das nicht dargestellte Objekt projiziert. Das Empfangssystem besteht aus der Kombination eines Prismas mit Sammellinse, wie im vorausgehenden Beispiel beschrieben, und einer Linse oder eines Linsenteils zur Fokussierung des reflektierten Lichts auf einem einzigen Positionsdetektor.
Wenn das reflektierte Licht unter einem Winkel zwischen -6º und 0º zur optischen Achse einfällt, fokussiert die Linse 21 diese Strahlen auf die Punkte -6 bis 0 auf dem Positionsdetektor 24.
Wenn der Einfallswinkel zwischen 0º und 30º liegt, werden die Lichtstrahlen i und i' durch die Eintrittsfläche 23 des Prismas 22 gebrochen und anschliessend durch die Linse 25 auf dem Positionsdetektor 24 fokussiert, der rechtwinklig zur optischen Achse angeordnet ist. Die gebrochenen Strahlen r und r' werden zwischen dem Punkt 0, der genau auf der optischen Achse des Systems liegt, und dem Punkt 30 am Ende des Detektors auf den Detektor fokussiert.
Bei abnehmender Messdistanz vermindert die vom Prisma bewirkte winkelmässige Kompression die winkelmässige Empfindlichkeit der Messung. Bei abnehmender Messdistanz nimmt auch die vom Prisma aufgenommene Lichtmenge ab, da das Licht von der Eintrittsfläche des Prismas zunehmend nach aussen reflektiert wird. Dies ist ebenfalls ein vorteilhafter Parameter, der die Sättigung der Messvorrichtung verhindern hilft.
Bei der optischen Anordnung gemäss Fig. 6 wird der Erfassungsabstand noch einmal vergrössert, indem das Prisma 26 anstatt zur Erzeugung einer Kompression zur winkelmässigen Expansion verwendet wird, um die Messempfindlichkeit auf dem Positionsdetektor 27 zu erhöhen. Für die Messung im Nahbereich werden die Informationen des Positionsdetektors 12 verwendet, der eine komprimierte Messung der winkelmässigen Variation des einfallenden Lichtstrahls i' bis i liefert. Die Messung im Fernbereich erfolgt mit dem Positionsdetektor 27, der über das Prisma 26 und die Linse 28 einen expandierten Wert der winkelmässigen Variation Δi' = i bis i" erfasst.
Die schematische Darstellung gemäss Fig. 6 beinhaltet diejenige von Fig. 3 und zusätzlich die Anordnung zur Expansion des Lichtstrahls. Das Prisma 26 ist so angeordnet, dass die zur optischen Achse AO" geneigte Fläche, die parallel zur optischen Achse AO der Empfangsoptik liegt, die Austrittsfläche 29 bildet. Die Austrittsfläche 29 kann einen Winkel von ungefähr 40º zur optischen Achse AO" aufweisen. Fig. 6 zeigt eine Variation zwischen dem einfallenden Lichtstrahl i vom Objekt 8 in einem mittleren Abstand d und dem einfallenden Lichtstrahl i" vom Objekt im grössten Abstand d" mit einem Δi' von 8º auf dem Prisma 26, womit sich am Ausgang des Prismas eine Variation ΔrT des Lichtstrahls von 16º auf dem Detektor 27 ergibt.
Bei Bedarf gestattet die Anordnung gemäss Fig. 6 den Aufbau von Detektoren für grosse Entfernungen mit einem grossen Messbereich, indem eine Optik mit winkelmässiger Expansion oder eine klassische Optik für den Fernbereich mit einer Optik mit winkelmässiger Kompression für den Nahbereich kombiniert werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 7 zeigt einen Sensor, der die Vorteile der winkelmässigen Kompression durch das Prisma 11 für Messungen im Nahbereich mit denjenigen der winkelmässigen Expansion durch das Prisma 26 für Messungen im Fernbereich vereinigt. Das Sendesystem und die Empfangssysteme mit den zwei Prismen sind nebeneinander in demselben Gehäuse 31 integriert, und der Aufbau wird sehr kompakt durch die Verwendung eines einzigen sphärischen Spiegels 30 anstelle der Linse 13 bzw. 25 und der Linse 28, der die einfallenden Lichtstrahlen auf die Positionsdetektoren 12 bzw. 24 für Messungen im Nahbereich und 27 für Messungen im Fernbereich fokussiert. Anstelle des einzelnen sphärischen Spiegels können zwei sphärische Spiegel für jeweils ein Prisma verwendet werden. Anstelle der zwei Detektoren 12 bzw. 24 und 27 kann auch nur ein Detektor vorgesehen sein.
Obwohl in den Fig. 6 und 7 die beiden Verfahren der Kompression und Expansion der winkelmässigen Variationen zugleich beschrieben und dargestellt sind, kann auch nur eines der beiden Verfahren zur Anwendung kommen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung von Entfernungen oder des Einfallswinkels eines Lichtstrahls, mit einer Sendeoptik (7) zum Projizieren des Lichtstrahls auf das zu messende Objekt und einer Empfangsoptik (11, 13; 21, 22, 25) zum Projizieren des reflektierten Lichts auf einen Positionsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (11, 13; 21, 22, 25; 30) ein Prisma (11, 22) aufweist, welches den Lichtstrahl mit einer Kompression der winkelmässigen Variationen bricht, welche eine Verkleinerung des zur Messung eines entsprechenden Messbereichs notwendigen Bereichs des Positionsdetektors (12, 24) gestattet.

2. Vorrichtung zur Messung von Entfernungen oder des Einfallswinkels eines Lichtstrahls, mit einer Sendeoptik (7) zum Projizieren des Lichtstrahls auf das zu messende Objekt und einer Empfangsoptik (26, 28, 29; 30) zum Projizieren des reflektierten Lichts auf einen Positionsdetektor, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik als erstes Element ein Prisma (26) aufweist, welches den Lichtstrahl mit einer Expansion der winkelmässigen Variationen bricht, welche eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Positionsdetektors (27) bei kleinen winkelmässigen Variationen gestattet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsfläche (10, 23) des Prismas (11, 22) einen Winkel von ungefähr 45º zur optischen Achse (AO') der Empfangsoptik bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (29) des Prismas (26) einen Winkel von ungefähr 40º zur optischen Achse (AO) der Empfangsoptik bildet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche des Prismas optische Elemente (13, 25; 28; 30) aufweist, um den gebrochenen Lichtstrahl auf den Positionsdetektor (12, 24, 27) zu projizieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente an der Austrittsfläche des ersten Prismas (11) und an der Austrittsfläche (29) des zweiten Prismas (26) aus einem einzigen sphärischen Spiegel (30) oder aus zwei sphärischen Spiegeln bestehen, welche die gebrochenen Strahlen auf den bzw. die Positionsdetektor(en) (12, 24, 27) fokussieren.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik mit dem Prisma (11) von der Sendeoptik getrennt ist und einen unter der Austrittsfläche des Prismas mit den optischen Elementen (13) angeordneten Spiegel (19) aufweist, um den gebrochenen Lichtstrahl auf den parallel zur optischen Achse (AO') angeordneten Positionsdetektor (12) zu projizieren, wobei die Sendeoptik und die Empfangsoptik einen in einem Gehäuse (14) untergebrachten Sensor bilden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (21; 22, 25) ein Prisma (22) mit einer Sammellinse (25) in Verbindung mit einer Sammellinse oder einem Sammellinsenteil (21) aufweist, wobei jedes dieser Elemente dazu vorgesehen ist, das reflektierte Licht zu empfangen und es je nach dem Winkel zwischen dem Strahl und der optischen Achse (AO') der Empfangsoptik auf den Positionsdetektor (24) zu projizieren.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Positionsdetektor (24) in einem Winkel von 90º zur optischen Achse (AO') der Empfangsoptik angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Anordnung bestehend aus der Sendeoptik (7) und einer Empfangsoptik (11, 13, 21, 22, 25, 30), welche den Lichtstrahl mit einer Kompression bricht, sowie einer Empfangsoptik (26, 28, 29, 30), welche den Lichtstrahl mit einer Expansion der winkelmässigen Variationen bricht, und dem oder den Positionsdetektor(en) (12, 24; 27) in einem Gehäuse (31).