DE69835331T2

DE69835331T2 - Verfahren und Vorrichtung für eine Distanzdeterminierung

Info

Publication number: DE69835331T2
Application number: DE69835331T
Authority: DE
Inventors: Nippon Telegraph & Telephone Corp. Joji Nakayama; Nippon Telegraph & Tel. Corp. Atsushi Katayama
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2007-07-26
Also published as: US6166810A; CA2255097C; EP0921370B1; EP0921370A2; EP0921370A3; DE69835331D1; DE69835331T8; CA2255097A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zur Abstandbestimmung und bezieht sich insbesondere auf eine Abstandsmesstechnologie, die auf verschiedene Arten von Fertigungsmaschinen und Bewertungsvorrichtungen anwendbar ist.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Abstandsmessvorrichtung ist ein integrierter Bestandteil verschiedener Ausrüstung für Herstellungs-, Fertigungs-, Mess- und Bewertungsaktivitäten, wobei eine kontaktlose Abstandsmessvorrichtung (ein kontaktloser Abstandssensor) ein bekanntes Beispiel in solchen Anwendungen ist.
Kontaktlose Abstandssensoren enthalten Ultraschall- und Laserentfernungssensoren, wobei Laserentfernungssensoren aber bevorzugt sind, wenn die Anwendung eine schnelle Antwort und hohe Genauigkeit erfordert.
16 zeigt eine schematische Veranschaulichung dessen, wie ein herkömmlicher Laserentfernungssensor arbeitet.
In diesem Diagramm repräsentiert 1 eine Lichtquelle, 2 einen von der Lichtquelle 1 erzeugten Lichtstrahl, 3 ein Messobjekt, 7 einen von der Oberfläche des Messobjekts 3 reflektierten Strahl, 8 ein optisches Element, 9 ein Photodetektorelement 9 und 10 eine Lichtempfangsoberfläche des Elements 9.
Wie in diesem Diagramm gezeigt ist, enthält der Laserentfernungssensor einen Laserstrahl-Ausgangsabschnitt zum Aussenden eines von der Lichtquelle 1 erzeugten Laserstrahls 2 zu dem Messobjekt 3 und einen Lichteingangsabschnitt zum Fokussieren des reflektierten Strahls 7, der die Oberfläche des Messobjekts 3 verlässt, bei einem Lichtfleck auf der Oberfläche der Lichtempfangsoberfläche 10 des Photodetektors 9 durch ein optisches Element 8.
Der Photodetektor 9 ist ein Element, das die Lichtenergie, die auf den auf die Lichtempfangsoberfläche 10 fokussierten Lichtfleckfeld fällt, in elektrische Signale umsetzt, wobei er z. B. eine eindimensionale ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) oder eine eindimensionale positionsempfindliche Vorrichtung (PSD) enthalten kann.
Das optische Element 8 kann üblicherweise ein Spiegel, ein Prisma oder eine Linse sein, wobei aber der Laserentfernungssensor in 16 eine Linse für das optische Element verwendet.
Obgleich dies in dem Diagramm nicht gezeigt ist, ist ein Laserentfernungssensor außerdem im Allgemeinen mit einem Steuerabschnitt zum Steuern des Ausgangs- und des Eingangsabschnitts und mit einem Rechenabschnitt zum Bestimmen des Abstands zu dem Objekt gemäß den Messdaten von dem Eingangsabschnitt versehen.
Diese Laserentfernungssensoren arbeiten dadurch, dass sie einen Lichtstrahl 2 so richten, dass er auf der Oberfläche des Messobjekts 3 einen von der Lichtquelle 1 erzeugten Lichtfleck bildet und auf der durch Fokussieren eines reflektierten Strahls 7 durch das optische Element (die Empfangslinse) 8 erzeugten Empfangsoberfläche 10 einen weiteren Lichtfleck bildet.
Wie in 17 veranschaulicht ist, ändert sich in diesem Fall die Brennpunktposition auf der Empfangsoberfläche 10 je nach dem Abstand zu dem Messobjekt 3.
Der Abstand zu dem Objekt 3 kann dadurch bestimmt werden, dass die Korrelation zwischen den Brennpunktpositionen und den Abständen hinsichtlich der bekannten Abstände zu den Objekten (3a, 3b) kalibriert wird.
Weitere Einzelheiten von Entfernungssensoren sind in Literaturhinweisen wie etwa "Use and Problems of Optical Devices" (Sueda Tetsuo, Optronics, 1995) diskutiert.
Einer der entscheidenden Parameter bei der Bestimmung der Genauigkeit der Messung durch einen Laserentfernungssensor ist die Genauigkeit, mit der die Positionen der Lichtflecke auf der Lichtempfangsoberfläche 10 des Photodetektors 9 bestimmt werden.
Wenn der Photodetektor 9 aus einer eindimensionalen CCD hergestellt ist, besteht die Lichtempfangsoberfläche 10 aus einer Anzahl von Pixeln, die entlang einer Geraden angeordnet sind, wobei die Lichtenergie des auf jedes Pixel fallenden Lichts in elektrische Signale mit gegebenen Größen umgesetzt werden kann.
Somit ist es durch Verarbeiten der elektrischen Signale und durch Erhalten einer Peak-Position oder einer gewichteten Mittelposition der Lichtenergie möglich, zu wissen, welche Pixelposition der Brennpunktposition des reflektierten Lichtflecks entspricht.
Wenn der Photodetektor 9 aus einer eindimensionalen PSD hergestellt ist, ist es wie in 18 veranschaulicht möglich, die Brennpunktposition des Reflexionslichtflecks durch Verarbeiten der von der PSD ausgegebenen elektrischen Signale zu kennen, die die gewichtete Mittelposition der Lichtenergie als ein Verhältnis zu der Gesamtlänge der PSD ergeben.
Dementsprechend bestimmen Laserentfernungssensoren den Abstand im Prinzip dadurch, dass sie in dem Photodetektor 9 einen nur einmal von dem Objekt 3 reflektierten Strahl (direkten Reflexionsstrahl 7) empfangen.
Wenn die Oberfläche des Objekts 3 glänzend ist, kann ein Strahl, der zuerst von der Objektoberfläche reflektiert wird, durch weitere Oberflächen erneut reflektiert werden (was Mehrfachreflexionen verursacht) und daraufhin zu dem Sensor zurückkehren, so dass es Fälle gibt, in denen der direkte Reflexionsstrahl 7 mit einem Mehrfachreflexionsstrahl gemischt wird und die richtige Position des direkten Reflexionsstrahls 7 nicht genau bestimmt werden kann. In diesem Fall ist die Messgenauigkeit erheblich verringert.
Um den Verlust an Messgenauigkeit genauer zu verstehen, ist es notwendig zu erläutern, wie Mehrfachreflexionen die Genauigkeit von Messungen beeinflussen.
Wenn Mehrfachreflexionen auftreten, werden auf der Lichtempfangsoberfläche 10 mehrere Lichtpunkte erzeugt, so dass das auf der Peak-Helligkeit basierende Verfahren nicht die richtige Position des direkten Reflexionsstrahls 7 liefern kann, da die Position, die der Peak-Helligkeit entspricht, nicht notwendig die Position des direkten Reflexionsstrahls 7 angibt.
Unter Verwendung des Verfahrens der gewichteten mittleren Helligkeit neigt die Gewichtung dazu, zu den Positionen der Mehrfachreflexion verschoben zu werden, wobei es erneut nicht möglich ist, die richtige Position des direkten Reflexionsstrahls 7 zu bestimmen. Dieser Effekt ist in 19 veranschaulicht.
Je nach der Anzahl, in der das Licht während des Intervalls vom Verlassen der Lichtquelle 1 bis zum Eintritt in den Photodetektor 9 reflektiert wird, wird die Mehrfachreflexion als Mehrfachreflexion 2-ter Ordnung (zweimal reflektiert), als Mehrfachreflexion 3-ter Ordnung (dreimal) oder als Mehrfachreflexion 4-ter Ordnung klassifiziert.
Ein Beispiel einer Mehrfachreflexion unter Verwendung eines Falls, der einen Reflexionsstrahl 15 2-ter Ordnung betrifft, ist in 20 veranschaulicht.
Der Reflexionsstrahl 15 2-ter Ordnung kann in gewissem Umfang dadurch vermieden werden, dass der Photodetektor 9 richtig orientiert und betrieben wird. Dies wird unten anhand der 21 und 22 erläutert.
Wenn der Detektor 9 und ein Abtastspiegel 12 wie in 21 gezeigt orientiert sind, wird der Reflexionsstrahl 15 2-ter Ordnung in dem Detektor 9 empfangen, während dann, wenn sie wie in 22 gezeigt so orientiert sind, dass die zwei Strahlen zusammenfallen, der Reflexionsstrahl 15 2-ter Ordnung nicht von dem Detektor 9 empfangen werden kann.
Somit können dadurch, dass die Messausrüstung durch Umleiten des auffallenden Strahls in Bezug auf das Objekt 3 unter Verwendung eines Abtastspiegels 12 geeignet betrieben wird, nachteilige Wirkungen des Reflexionsstrahls 15 2-ter Ordnung vermieden werden.
Wenn die Oberfläche eines Objekts 18 glänzend ist und ein weiteres Objekt 19 (z. B. ohne glänzende Oberfläche) in der Nähe vorhanden ist, wird ein Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung wie etwa der in 23 Veranschaulichte erzeugt.
Wie in 23 veranschaulicht ist, wird eine Reflexion 16 3-ter Ordnung dann erzeugt, wenn ein von einer Lichtquelle 1 ausgesendeter Lichtstrahl 2 von der Oberfläche eines glänzenden Objekts 18, das das Messobjekt 3 ist, spiegelnd (wie von einer Spiegeloberfläche) reflektiert wird und daraufhin von der Oberfläche eines matten Objekts 19 diffus reflektiert wird, wobei das diffus reflektierte Licht von der Oberfläche des Messobjekts 3 das dritte Mal reflektiert wird, bevor es den Detektor 9 erreicht.
Mit anderen Worten ist zu sagen, dass dieses Reflexionsmuster ein Ergebnis dessen ist, dass die Oberfläche des glänzenden Objekts 18, das als ein Spiegel wirkt, ein Spiegelbild 20 des matten Objekts 19 erzeugt, so dass ein durch die Reflexion 3-ter Ordnung fokussierter Lichtfleck den Abstand zu dem Spiegelbild 20 repräsentiert.
Da der Laserentfernungssensor, der ein lichtbasiertes System ist, den Grundprinzipien der Optik folgt, wird angemerkt, dass der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung nicht einfach dadurch vermieden werden kann, dass einfach die Anordnung der Komponenten in dem optischen System geändert wird.
Weitere Beispiele früherer Abstandsbestimmungsanordnungen, die auf reflektiertem Licht basieren, sind in JP 7-208948 und in JP 4-283607 offenbart. In JP 7-208948 wird die Wirkung von mehrfach reflektiertem Licht dadurch vermieden, dass die Ausgabe von zwei getrennten Photodetektoren verglichen wird. Ein Messwert wird nur dann als gültig betrachtet, wenn die zwei Ausgaben Ergebnisse liefern, die miteinander zusammenfallen. In JP 4-283607 wird das mehrfach reflektierte Licht als die Grundlage für die Abstandsmessung verwendet.
Obgleich es im Prinzip Mehrfachreflexionsstrahlen 4-ter oder höherer Ordnung gibt, wird die Lichtleistung bei jeder Reflexion abgeschwächt, so dass nachteilige Wirkungen von Reflexionsstrahlen höherer als 4-ter Ordnung in der Praxis vernachlässigt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Probleme in herkömmlichen Laserentfernungssensoren dadurch zu überwinden, dass eine Vorrichtung und ein Verfahren geschaffen werden, die ermöglichen, selbst dann eine genaue Abstandsmessung zu liefern, wenn in der Umgebung Reflexionen 3-ter Ordnung vorhanden sind, die durch Ändern der Anordnung der optischen Komponenten in dem System prinzipiell nicht vermieden werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Abstands messung: Erhalten einer Lichtenergie-Verteilungskurve, die erzeugt wird durch die Schritte des Richtens eines von einer Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls auf ein Objekt und des Fokussierens von von dem Objekt auf eine Empfangsoberfläche eines Photodetektorelements reflektierten Reflexionsstrahlen durch eine optische Vorrichtung, Trennen der Lichtenergie-Verteilungskurve in getrennte Peaks, die jedem Lichtfleck zugeschrieben werden können, Auswählen eines Lichtflecks aus den getrennten Lichtflecken, wobei der ausgewählte Lichtfleck durch einen direkten Reflexionsstrahl erzeugt worden ist, Bestimmen einer Brennpunktposition des ausgewählten Lichtflecks und Bestimmen eines Abstandes zu dem Objekt unter Verwendung der bestimmten Brennpunktposition.
Somit basiert der Schritt des Bestimmens der Brennpunktposition auf dem ausgewählten Lichtfleck.
Dementsprechend kann ein durch einen Mehrfachreflexionsstrahl gebildeter Lichtfleck von einem durch den direkten Reflexionsstrahl gebildeten Lichtfleck getrennt werden, was es ermöglicht, den Abstand selbst für ein Objekt, das wegen seiner glänzenden Oberfläche empfindlich dafür ist, Mehrfachreflexionen zu erzeugen, genau abzuleiten.
Die mehreren Lichtflecke, die gleichzeitig auf einer Lichtempfangsoberfläche gebildet werden, die in einem Photodetektorelement von nicht weniger als eindimensionaler Antwortfähigkeit vorgesehen sind, das eine Lichtenergieverteilung erzeugt, die mehrere Peaks in nicht weniger als einer Dimension zeigt, kann unter Verwendung einer Prozedur getrennt werden, in der für jeden Peak in der Lichtenergieverteilung ein Maximalwert jedes Peaks sowie Minimalwerte und Wendepunkte, die den Maximalwert umgeben, berechnet werden, wobei die Lichtenergieverteilung entweder bei einem Minimalwert oder bei einem Wendepunkt, je nachdem, welcher sich näher bei dem Maximalwert befindet, in einzelne Helligkeitskurven unterteilt wird.
Der eine Lichtfleck kann aus den mehreren Lichtflecken dadurch ausgewählt werden, dass bestimmt wird, dass sein Maximalwert einen Schwellenintensitätswert übersteigt und sein Abstand zu dem Objekt minimal ist.
Wenn die Kurven teilweise oder vollständig auf einer Lichtempfangsoberfläche erzeugt werden, die in einem Photodetektorelement von nicht weniger als eindimen sionaler Antwortfähigkeit vorgesehen sind, kann die Helligkeit dadurch auf die einzelnen Helligkeitskurven wiederhergestellt werden, dass eine ausgewählte Verteilungsfunktion auf eine Helligkeitskurve angewendet wird, um die vollständige Helligkeit für die Helligkeitskurve wiederzustellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Abstandsmessvorrichtung: eine Lichtquelle zum Richten eines Lichtstrahls auf ein Objekt, ein Photodetektorelement zum Umsetzen von Lichtenergie von dem von dem Objekt empfangenen Reflexionsstrahl in elektrische Signale, die Lichtpositionen und zugeordnete Lichtenergien repräsentieren, eine Lichtempfangseinrichtung zum Fokussieren des Reflexionsstrahls auf einer Empfangsoberfläche als Lichtflecke, eine Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung zum Bestimmen einer Brennpunktposition jedes Lichtflecks, eine Abstandsberechnungseinrichtung zum Berechnen eines Abstandes zwischen der Brennpunktposition und dem Objekt anhand einer Brennpunktposition, die durch die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung bestimmt wird, eine Steuereinrichtung, die so beschaffen ist, dass sie die Lichtquelle, die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung und die Abstandsberechnungseinrichtung steuert, eine Flecktrenneinrichtung, die durch die Steuereinrichtung gesteuert wird und so beschaffen ist, dass sie Lichtenergie-Verteilungsdaten, die durch das Photodetektorelement erzeugt werden, in getrennte Helligkeitskurven trennt, die einzelnen Lichtflecken zugeordnet werden können, und eine Fleckauswahleinrichtung, die durch die Steuereinrichtung gesteuert wird und so beschaffen ist, dass sie aus den Lichtflecken einen richtigen Lichtfleck, der für eine Bestimmung eines Abstandes von durch die Flecktrenneinrichtung getrennten Lichtflecken notwendig ist, auswählt, wobei die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung so konfiguriert ist, dass sie einen Lichtfleck, der durch die Fleckauswahleinrichtung ausgewählt wird, als den richtigen Lichffleck für die Bestimmung der Brennpunktposition akzeptiert.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt ein computerlesbares Abstandsmessprogramm, das auf einem von einem Computer nutzbaren Medium aufgezeichnet ist, um einen Computer dazu zu veranlassen, einen Abstand zu einem Objekt unter Verwendung von Lichtenergie-Verteilungsdaten abzuleiten, die durch einen Prozess erzeugt werden, der die Schritte des Bestrahlens des Objekts mit einem von einer Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl und des Fokussierens eines von dem Objekt reflektierten Reflexionsstrahls durch eine optische Vorrichtung als einen Lichtfleck, der auf einer Empfangsoberfläche eines Photodetektorelements fokussiert ist, umfasst, wobei das Programm die folgenden Schritte ausführt: Eingeben der Lichtenergie-Verteilungsdaten, Trennen der Lichtenergie-Verteilungskurve in getrennte Peaks, die jedem Lichtfleck zugeordnet werden können, Auswählen eines Lichtfleckes aus den getrennten Lichtflecken, wobei der ausgewählte Lichtfleck durch einen direkten Reflexionsstrahl erzeugt worden ist, Bestimmen einer Brennpunktposition des ausgewählten Lichtflecks und Bestimmen eines Abstandes zwischen der Empfangsoberfläche und dem Objekt in Übereinstimmung mit der bestimmten Brennpunktposition.
Die in den Ansprüchen angefügten Bezugszeichen beschränken nicht die Interpretation der Ansprüche.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform der Abstandsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Operationsschritte der Abstandsmessvorrichtung in der ersten Ausführungsform.
3 ist ein Diagramm, das die Lichtenergieverteilung von Lichtflecken zeigt, die durch einen direkten Reflexionsstrahl und durch einen Reflexionsstrahl 3-ter Ordnung auf der Lichtempfangsoberfläche des Photodetektors gebildet werden.
4 ist ein Ablaufplan, der die Verarbeitungsschritte in dem Flecktrennabschnitt in der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist eine Veranschaulichung von Lichtwegen eines Reflexionsstrahls 3-ter Ordnung.
6 ist ein Ablaufplan, der die Verarbeitungsschritte in dem Fleckauswahlabschnitt zeigt.
7 ist eine graphische Darstellung, die verschiedene Formen einer Verteilungsfunktion zum Wiederherstellen der Helligkeit eines direkten Reflexionsstrahls in dem Eingangsenergieverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt zeigt.
8 ist ein Ablaufplan, der die Schritte zum Wiederherstellen der Helligkeit in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt in einer zweiten Ausführungsform zeigt.
9 ist ein schematisches Diagramm einer vierten Ausführungsform der Abstandsmessvorrichtung.
10 ist ein schematisches Diagramm einer fünften Ausführungsform der Abstandsmessvorrichtung.
11 ist ein Ablaufplan, der die Schritte zum Wiederherstellen der Helligkeit in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt in einer sechsten Ausführungsform zeigt.
12 ist eine graphische Darstellung, die die Ergebnisse der tatsächlichen Verarbeitung eines Reflexionsstrahls 3-ter Ordnung in der sechsten Ausführungsform zeigt.
13 ist ein schematisches Diagramm einer Abstandsmessvorrichtung in einer achten Ausführungsform.
14 ist ein schematisches Diagramm einer Abstandsmessvorrichtung in einer neunten Ausführungsform.
15 ist ein schematisches Diagramm einer Abstandsmessvorrichtung in einer zehnten Ausführungsform.
16 ist eine Veranschaulichung des Betriebsprinzips des herkömmlichen Laserentfernungssensors.
17 ist eine Veranschaulichung der Abstandsmessung, die auf dem herkömmlichen Laserentfernungssensor basiert.
18 ist eine graphische Darstellung, die eine Brennpunktposition zeigt, die aus der Lichtenergieverteilung berechnet wurde, wenn keine Mehrfachreflexion vorhanden ist.
19 ist eine graphische Darstellung, die Brennpunktpositionen zeigt, die aus der Lichtenergieverteilung berechnet wurden, wenn Mehrfachreflexion vorhanden ist.
20 ist eine Veranschaulichung eines Falls der Mehrfachreflexion 2-ter Ordnung.
21 ist eine Veranschaulichung eines Beispiels eines L-förmigen Objekts als eines Beispiels eines Objekts, das für die Erzeugung von Mehrfachreflexionen empfindlich ist.
22 ist eine Veranschaulichung einer Anordnung optischer Komponenten, wenn das Objekt L-förmig ist.
23 ist eine Veranschaulichung zur Erläuterung des Prinzips der Erzeugung von Mehrfachreflexionen.
24 ist eine Veranschaulichung der Überlagerung von Lichtflecken, die durch einen direkten Reflexionsstrahl und durch einen Reflexionsstrahl 3-ter Ordnung erzeugt werden, wobei sich ihre jeweiligen Wendepunkte überlappen.
25 ist eine Veranschaulichung der nahezu vollständigen Überlagerung von Lichtflecken, die durch einen direkten Reflexionsstrahl und durch einen Mehrfachreflexionsstrahl gebildet werden.
26 ist ein Ablaufplan, der die Operationsschritte für die Abstandsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgenden Ausführungsformen werden dargestellt, um das Grundprinzip des Verfahrens zu veranschaulichen, und sollen die in den Ansprüchen offenbarte Erfindung nicht einschränken. Es ist nicht wesentlich, dass bei dem Versuch, die verschiedenen Probleme zu lösen, die in tatsächlichen Abstandsmessungen erscheinen können, die gesamte Kombination der in den Ausführungsformen dargestellten Merkmale notwendig ist.
Im Folgenden wird anhand der Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt.
In der gesamten Zeichnung wird auf jene Komponenten mit ähnlichen Funktionen durch die gleichen Bezugszeichen Bezug genommen, wobei ihre Erläuterungen nicht wiederholt werden.
Ausführungsform 1
Die Ausführungsform 1 wird anhand von 2 dargestellt, die eine schematische Anordnung der Abstandsmessvorrichtung zeigt.
In der Zeichnung repräsentiert 1 eine Lichtquelle, 2 einen von der Lichtquelle 1 erzeugten Lichtstrahl, 3 ein Messobjekt, 9 ein Detektorelement, 21 einen Eingangsabschnitt, 30 einen Flecktrennabschnitt, 31 einen Fleckauswahlabschnitt, 32 einen Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt, 33 einen Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt, 34 einen Abstandsberechnungsabschnitt und 35 einen Steuerabschnitt.
In der vorliegenden Ausführungsform der Abstandsmessvorrichtung wird ein von der Lichtquelle 1 ausgesendeter Lichtstrahl 2 auf ein Messobjekt 3 ausgestrahlt, wobei Reflexionsstrahlen von der Oberfläche des Objekts 3 (ein direkter Reflexionsstrahl 7 und ein Mehrfachreflexionsstrahl 16, die in 23 gezeigt sind) durch einen Eingangsabschnitt 21 geschickt werden, der einen Spiegel, ein Prisma und eine Linse zum Fokussieren eines Lichtflecks auf die Lichtempfangsoberfläche des Detektors 9 umfasst. Der Steuerabschnitt 35 steuert und betreibt den Strahlausgangsabschnitt und den Eingangsabschnitt 21.
In dem Flecktrennabschnitt 30 wird jeder Lichtfleck basierend auf einer durch das Detektorelement 9 erzeugten Lichtenergieverteilung einzeln getrennt, wobei durch den Fleckauswahlabschnitt 31 die Position des durch den direkten Reflexionsstrahl 7 fokussierten Lichtflecks ausgewählt wird.
Ferner wird in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 die Lichtenergieverteilung des durch den Fleckauswahlabschnitt 31 ausgewählten direkten Reflexionsstrahls wiederhergestellt und in dem Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33 die Brennpunktposition des direkten Reflexionsstrahls 7 er halten und in dem Abstandsberechnungsabschnitt 34 der Abstand zu dem Objekt 3 berechnet.
Diese Konfiguration der vorliegenden Vorrichtung ermöglicht es, den Abstand selbst in einer Mehrfachreflexionsumgebung genau zu bestimmen.
Außerdem steuert der Steuerabschnitt 35 alle Vorrichtungen in den Verarbeitungsabschnitten (30–34).
1 zeigt eine schematische Anordnung der Vorrichtung der Ausführungsform 1.
Wie in diesem Diagramm gezeigt ist, leitet die vorliegende Vorrichtung einen von der Lichtquelle 1 ausgesendeten Strahl 2 auf ein Objekt 18 mit einer glänzenden Oberfläche, wobei ein von der Oberfläche des glänzenden Objekts 18 reflektierter Reflexionsstrahl durch einen Eingangsabschnitt 21 geschickt wird, der einen Spiegel, ein Prisma und eine Linse und dergleichen enthält, und auf die Lichtempfangsoberfläche des Detektorelements 9 fokussiert wird, um einen Lichtfleck zu bilden.
Außerdem erfährt der von der Lichtquelle 1 ausgesendete Strahl 2 an dem glänzenden Objekt 18 zuerst eine direkte Reflexion und erfährt er daraufhin an einem Nachbarobjekt 19 mit einer matten Oberfläche eine Mehrfachreflexion, wobei ein mehrfach reflektierter Strahl an der Oberfläche des Objekts 18 erneut reflektiert wird, was einen Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung veranlasst, der ebenfalls als ein Lichtfleck auf die Lichtempfangsoberfläche des Detektorelements 9 fokussiert wird.
3 zeigt die Lichtenergieverteilungen der Lichtflecke, die durch einen direkten Reflexionsstrahl 7 (rechter Peak) und durch den Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung (linker Peak) auf der Lichtempfangsoberfläche des Detektorelements 9 fokussiert werden. 3 bezieht sich auf einen Fall, in dem von dem Detektorelement 9 beide Strahlen 7, 16 empfangen werden.
Es wird angemerkt, dass sich in 3 A2 auf eine Lichtenergie-Verteilungskurve bezieht, die nur durch den direkten Reflexionsstrahl 7 erzeugt wird, das A3 auf dieselbe bezieht, die nur durch den Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung erzeugt wird, und das A1 die durch beide Strahlen 7 und 16 erzeugte Lichtenergie-Vertei lungskurve repräsentiert.
Anhand von 26 wird nachfolgend der Betrieb der Abstandsmessvorrichtung erläutert, wenn das Detektorelement 9 eine in 3 gezeigte Lichtenergie-Verteilungskurve A1 erfasst.
Wenn eine Lichtenergie-Verteilungskurve erhalten wird, die mehrere Peaks zeigt (Schritt 201), führt der Flecktrennabschnitt 30 unter Verwendung der Maximal-, Minimal- und Wendepunkte der Verteilungskurven eine Trennung der Lichtflecke aus (Schritt 202).
Der Fleckauswahlabschnitt 31 wählt unter Verwendung des Maximalwerts der Verteilungskurven aus den getrennten Lichtflecken einen Lichtfleck für die direkte Reflexion aus (Schritt 203).
Der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 stellt durch Eingabe der Werte der Maximal- und Wendepunkte des in Schritt 203 ausgewählten Lichtflecks die Helligkeit für den durch den direkten Reflexionsstrahl fokussierten Lichtfleck wieder her (Schritt 204).
Der Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33 bestimmt unter Verwendung der in Schritt 204 wiederhergestellten Energieverteilungskurve die Brennpunktposition der wiederhergestellten Kurve auf der Lichtempfangsoberfläche des Detektorelements (Schritt 205).
Nachfolgend berechnet der Abstandsberechnungsabschnitt 34 unter Verwendung der Triangulationstechnik den Abstand von der in Schritt 205 erfassten Brennpunktposition zu dem Messobjekt (Schritt 206) und gibt einen Wert für den Abstand aus (Schritt 207).
Im Folgenden wird durch Darstellung der aufeinander folgenden Schritte, die in dem Rechenprozess ausgeführt werden, ein Verfahren zum Berechnen des Abstands aus der in 3 gezeigten graphischen Darstellung der Lichtenergieverteilung erläutert.
Wenn die durch das Detektorelement 9 erhaltenen Lichtenergie-Verteilungsdaten in den Flecktrennabschnitt 30 eingegeben werden, ist die folgende Operation, dass der Abschnitt 30 gestartet wird.
[Flecktrennabschnitt 30]
4 zeigt einen Ablaufplan der Verarbeitungsschritte, die in dem Flecktrennabschnitt 30 ausgeführt werden.
Wenn die durch das Detektorelement 9 erhaltenen Lichtenergie-Verteilungsdaten in den Flecktrennabschnitt 30 eingegeben werden (Schritt 100), werden an den Energieverteilungsdaten der erste und der zweite Differentiationsschritt ausgeführt (Schritt 101) und die Extremwerte und die Wendepunkte der Verteilungsdaten berechnet (Schritt 102).
Nachfolgend werden die Minimalwerte der Lichtflecke auf dem Detektorelement 9 verwendet, um jeden Fleck der verschiedenen Lichtflecke zu trennen (Schritt 103), um die Helligkeitskurve für jeden Lichtfleck zu trennen (Schritt 104).
Genauer werden die durch das Detektorelement 9 erhaltenen Energieverteilungsdaten der ersten Differentiation ausgesetzt, um die Koordinatenpunkte p_MAX1 (x_MAX1, y_MAX1) und p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2) für die Maximalwerte zu erhalten.
Ähnlich sind die Koordinaten für die Minimalwerte p_MIN1 (x_MIN1, y_MIN1), p_MIN2 (x_MIN2, y_MIN2) und p_MIN3 (x_MIN3, y_MIN3).
Nachfolgend werden durch Ausführen einer zweiten Differentiation die Wendepunkte p_IF1, p_IF2, p_IF3, p_IF4 der Kurven erhalten.
Die ersten Ableitungen beim Anstieg null beziehen sich auf die Extremwerte, um Maximal- und Minimalwerte der Kurven zu geben, während sich die Nullwerte in den zweiten Ableitungen auf die Wendepunkte beziehen.
Nachfolgend wird jeder Lichtfleck auf der Verteilungskurve in entsprechende Helligkeitskurven bei ihren Minimalwerten p_MIN2, (x_MIN2, y_MIN2) getrennt.
Die Energieverteilungsdaten für jeden in dem Flecktrennabschnitt 30 erhaltenen Lichtfleck werden in den Fleckauswahlabschnitt 31 eingegeben.
[Fleckauswahlabschnitt 31]
Der Fleckauswahlabschnitt 31 untersucht alle Maximalwerte in den Verteilungsdaten und wählt einen Maximalwert, der einen Schwellenwert übersteigt und den kürzesten Abstand zu dem Objekt repräsentiert, als den richtigen, durch den direkten Reflexionsstrahl 7 fokussierten Lichtfleck aus.
Außerdem werden die Lichtenergie-Verteilungsdaten unter Verwendung der linken und rechten Wendepunkte, die zu den jeweiligen Peak-Werten am nächsten sind, als die Grenze, in einzelne Helligkeitswerte wegen des direkten Reflexionsstrahls 7 und wegen des Reflexionsstrahls 16 3-ter Ordnung unterteilt.
5 zeigt ein Beispiel des Lichtwegs eines Reflexionsstrahls 16 3-ter Ordnung. In 5 wird ein direkter Reflexionsstrahl 7 von einem Punkt P1 an einem glänzenden Objekt 18 reflektiert und daraufhin ein Teil des Strahls durch einen Abtastspiegel 12 und eine Linse 8 bei einem Punkt Q1 auf das Detektorelement 9 fokussiert.
Da der Punkt P1 auf einem glänzenden Objekt 18 liegt, kommt hier ein Teil des von dem Punkt P1 reflektierten Strahls bei einem Punkt auf einem nahe gelegenen matten Objekt 19 an.
Da das Objekt 19 eine matte Oberfläche hat, erfährt der am Punkt P2 ankommende Laserstrahl eine diffuse Reflexion, wobei ein Teil dieses Strahls bei einem Punkt P3, der etwas von dem Punkt P1 entfernt ist, eine dritte Reflexion an dem Objekt 18 erfährt und auf dem Detektorelement 9 bei einem Punkt Q2 fokussiert wird, der angibt, dass es sich weiter weg befindet.
Tatsächlich erscheint der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung so, als ob er in der Weise von einem auf einer fiktiven Ebene 20 befindlichen Punkt P'2 reflektiert würde, dass der Abstand von P1 zu P2' derselbe wie der Abstand von P1 zu P2 ist, wobei der Lichtfleck auf dem Detektorelement 9 natürlich angibt, dass P'2 um einen Abstand gleich P1 zu P2' weiter weg ist.
Somit ist der Schwerpunkt der von dem Detektorelement 9 gesehenen Lichtenergie, wenn eine Reflexion 3-ter Ordnung erzeugt wird, im Allgemeinen in Richtung eines längeren Abstands verzerrt. Mit anderen Worten, der Mittelpunkt der Helligkeit erscheint falsch weiter weg.
Um den Einfluss der Mehrfachreflexion 3-ter Ordnung zu entfernen, ist es notwendig, die Brennpunktposition des direkten Reflexionsstrahls 7 zu erhalten.
Falls ein Abhilfeschritt für die Reflexion 3-ter Ordnung (des Strahls 15 in 20) unternommen wird, ist der durch den direkten Reflexionsstrahl 7 fokussierte Fleck immer näher als der durch die Reflexion 3-ter Ordnung fokussierte Lichtfleck, da der Einfluss von Mehrfachreflexionen höherer als 4-ter Ordnung vernachlässigbar ist, so dass ein Lichtfleck, der dem kürzesten Abstand zu dem Objekt entspricht, der richtige Lichtfleck sein kann.
6 ist ein Ablaufplan der Verarbeitungsschritte, die in dem Fleckauswahlabschnitt 31 ausgeführt werden.
Wenn die Energieverteilungsdaten von jedem in dem Flecktrennabschnitt 30 erhaltenen Lichtfleck in den Fleckauswahlabschnitt 31 eingegeben werden (Schritt 110), wird ein Schwellenwert bestimmt, der als Kriterium für die Maximalwerte verwendet werden soll (Schritt 111), wobei die in dem Flecktrennabschnitt 30 erhaltenen Maximalwerte als Kandidatenwerte für den direkten Reflexionsstrahl 7 ausgewählt werden (Schritt 112) und diese Werte auf die Anforderung untersucht werden, dass sie den Schwellenwert übersteigen sollen (Schritt 113).
Falls ein Maximalwert in Schritt 113 größer als der Schwellenwert ist, wird die Position dieses Maximalwerts auf eine weitere Anforderung untersucht, ob er der kürzeste Abstand zu dem Objekt (rechte Seite auf dem Detektor 9) ist (Schritt 114), wobei derjenige Maximalwert, der den kürzesten Abstand (am weitesten auf der rechten Seite auf dem Detektor 9) angibt, als das richtige Maximum für den direkten Reflexionsstrahl 7 ausgewählt wird (Schritt 115).
Wenn in den Fleckauswahlabschnitt 31 mehrere Maximalwerte eingegeben werden, wählt er ausführlicher einen Maximalwert dann aus (Schritt 113), wenn er höher als der Schwellenwert ist (der in Schritt 110 zum Entfernen von Rauschen ausgewählt ist) und dem kürzesten Abstand zu dem Objekt entspricht (Schritt 114). Der ausgewählte Wert wird als die maximale Helligkeit für den direkten Reflexionsstrahl 7 bestimmt.
In dem in 3 gezeigten vorliegenden Beispiel sind die Koordinaten für den Lichtfleck wegen des direkten Reflexionsstrahls 7 durch p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2) gegeben.
Es wird angenommen, dass die Wendpunkte p_IF3, p_IF4 der Verteilungskurve die Unterteilungspunkte (die Positionen, die jeden Lichtfleck trennen) sind, wobei die Verteilungsdaten bei den Wendepunkten unterteilt werden, um alle Verteilungsdaten bis auf jene, die innerhalb des durch die Wendepunkte p_IF3–p_IF4 gegebenen Bereichs liegen, zu löschen. Dieser Prozess verringert die Unsicherheit bei der Wahl des richtigen Lichtflecks, die durch den Einfluss der Helligkeit des Mehrfachreflexionsstrahls beim Beeinflussen der Position der Peak-Helligkeit für den richtigen Lichtfleck wegen des direkten Reflexionsstrahls 7 verursacht wird.
Wenn die Helligkeits-Peaks andererseits nahe beieinander sind, wird eher der Minimalwert p_MIN2 (x_MIN2, y_MIN2) als der Wendepunkt p_IF3 näher zu den Peak-Werten p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2). In diesem Fall werden die Energieverteilungsdaten unter Verwendung der Minimalwerte p_MIN2 (x_MIN2, y_MIN2) unterteilt, um den einzelnen Lichtflecken die jeweilige Helligkeit zuzuschreiben.
Dies wird anhand der 3, 24 und 25 ausführlicher erläutert. Falls die Überlagerung der Mehrfachreflexionskurve und der direkten Reflexionskurve, wie in 3 veranschaulicht ist, nur teilweise ist, bestimmt der Fleckauswahlabschnitt 31 das Gebiet, das durch den Wendepunkt p_IF3 (links von p_MAX2) und durch den Wendepunkt p_IF4 (rechts von p_MAX2) begrenzt ist, als den Helligkeitswert für den direkten Reflexionsstrahl 7. Falls die zwei Kurven andererseits so überlagert sind, dass die jeweiligen Wendepunkte, wie in 24 veranschaulicht ist, verborgen sind, wählt der Fleckauswahlabschnitt 31 den Helligkeitswert für den direkten Reflexionsstrahl 7 als das Gebiet aus, das durch den Minimalwert p_MIN2 (links von p_MAX2) und durch den Wendepunkt p_IF4 (rechts von p_MAX2) begrenzt ist. Wenn die zwei Kurven schließlich, wie in 25 veranschaulicht ist, nahezu vollständig überlagert sind, wählt der Fleckauswahlabschnitt 31 das Energiefeld für den direkten Reflexionsstrahl 7 als das Gebiet aus, das durch den Wendepunkt p_IF3 (links von p_MAX2) und durch den Wendepunkt p_IF4 (rechts von p_MAX2) begrenzt ist.
Mit anderen Worten, die Helligkeit jedes Lichtflecks wird in der Weise zugeschrieben, dass jene Extremwerte und Wendepunkte, die dem ausgewählten Maximalwert am nächsten sind, die Grenzpunkte zum Trennen in einzelne Lichtflecke definieren.
Es wird angemerkt, dass der Grund für die Entscheidung eines Schwellenwerts für die Maximalwerte in Schritt 111 ist, dass dann, wenn es nicht eine bestimmte minimale Helligkeit für jeden Lichtfleck gibt, keine Präzisionsmessungen erhalten werden können, so dass es notwendig ist, die Messungen nach Einstellung der Vorrichtungsempfindlichkeit unabhängig von den Wirkungen von Mehrfachreflexionen zu wiederholen.
Der Maximalwert wird zusammen mit dem linken und mit dem rechten Wendepunkt der direkten Reflexionskurve 7 in den Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 eingegeben.
[Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32]
Obgleich der Fleckauswahlabschnitt 31 einen richtigen Helligkeitsbereich für die direkte Reflexionskurve definiert, entfernt aber das Löschen von durch den Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung erzeugten fremden Teilen der Kurve auch einen Teil der gültigen Helligkeit, die zu dem direkten Reflexionsstrahl 7 gehört.
Somit stellt der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 die richtige Helligkeit für den direkten Reflexionsstrahl 7, die durch Löschen der von dem Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung beigetragenen Energie verloren gegangen ist, wieder her. Dieser Rechenschritt wird unter Verwendung eines Typs einer Ein-Peak-Verteilungsfunktion, z. B. einer Kurve der kleinsten Fehlerquadrate, ausgeführt, die die verloren gegangenen Abschnitte der Kurve annähert.
In diesem Beispiel wird die Kurvenform unter Verwendung einer in 7 gezeigten Cosinusverteilungsfunktion (A4 in 7) angenähert. Der Maximalwert der Helligkeitskurve für den Strahl 7 wird in die Cosinusverteilungsfunktion eingesetzt, um die richtige Funktion der Verteilungskurve wiederherzustellen.
Unter Verwendung einer ähnlichen Technik kann unter Verwendung eines Typs einer Ein-Peak-Verteilungsfunktion die Kurvenform für alle anderen Lichtflecke wiederhergestellt werden.
In diesem Fall ist die Gesamthelligkeit die Summe der ursprünglichen Helligkeit, die durch den linken und durch den rechten Wendepunkt (p_IF3–p_IF4) begrenzt ist, und der Energiebeiträge, die durch p_IF3 für den linken Abfallabschnitt und durch p_IF4 für den rechten Abfallabschnitt der wiederhergestellten Kurve gegeben sind.
Außerdem kann der Helligkeitswert als die Gesamtfläche unter einer Kurve gewählt werden, die durch eine Ein-Peak-Verteilungsfunktion gegeben ist, die so gewählt ist, dass sie die Helligkeitskurve repräsentiert.
Durch Verfolgen dieser Verfahren kann eine richtige Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 mit vernachlässigbarer Störung von dem Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung erhalten werden.
Die durch den Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 erhaltenen Helligkeitsdaten des direkten Reflexionsstrahls 7 werden in den Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33 eingegeben.
[Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33]
Der Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33 berechnet für den direkten Reflexionsstrahl 7 gemäß den erhaltenen Helligkeitsdaten eine gewichtete Mittelposition.
Die durch den Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33 erhaltene Brennpunktposition für den Strahl 7 wird in den Abstandsberechnungsabschnitt 34 eingegeben.
[Abstandsberechnungsabschnitt 34]
Der Abstandsberechnungsabschnitt 34 bestimmt durch Verwendung der Brennpunktposition des Strahls 7 unter Verwendung des Triangulationsprinzips den Abstand.
Als Zusammenfassung des in der Ausführungsform 1 dargestellten Verfahrens kann durch analytisches Trennen des Reflexionsstrahls 3-ter Ordnung von dem direkten Reflexionsstrahl ein genauer Abstand zu einem Objekt abgeleitet werden, das wegen seiner Formen oder seiner glänzenden Oberfläche für die Erzeugung von Mehrfachreflexionen empfindlich ist.
Ausführungsform 2
Die Abstandsmessvorrichtung in der Ausführungsform 2 wendet anstelle der in der Ausführungsform 1 verwendeten Cosinusverteilungsfunktion eine in 7 gezeigte Normalverteilungsfunktion (A5 in 7) an, um in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 die Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 wiederherzustellen. Der Mittelwert in der Funktion wird mit dem Maximalwert in der Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 korreliert und die Standardabweichungen in der Funktion werden mit den Wendepunkten der Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 korreliert.
8 zeigt die Verarbeitungsschritte in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32.
Der Maximalwert des direkten Reflexionsstrahls 7 und die in dem Fleckauswahlabschnitt 31 erhaltenen Wendepunkte werden in den Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 eingegeben (Schritt 120) und der Maximalwert und die Wendepunkte daraufhin in die Normalverteilungsfunktion eingesetzt (Schritt 121).
Die in Schritt 121 erhaltenen Helligkeitsdaten werden gespeichert (Schritt 122) und es wird die Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 erhalten (Schritt 123).
Unter Verwendung der Normalverteilungsfunktion, die die Energieverteilung des Laserlichts enger als die Cosinusverteilungsfunktion annähert, ist eine genauere Helligkeitsverteilungswiederherstellung möglich.
Da die gewichtete Mittelposition der Helligkeit des Strahls 7 in dieser Ausführungsform gleich dem Maximalwert des Strahls 7 ist, kann der Maximalwert beim Erhalten der Brennpunktposition des Strahls 7 in dem Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33 verwendet werden.
Ausführungsform 3
Die Abstandsmessvorrichtung in der Ausführungsform 3 wendet anstelle der in der Ausführungsform 1 verwendeten Cosinusverteilungsfunktion eine in 7 ge zeigte Laplace-Verteilungsfunktion (A6 in 7) an, um die Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 wiederherzustellen. Der Mittelwert in der Funktion wird mit dem Maximalwert in der Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 korreliert und die Standardabweichungen in der Funktion werden mit den Wendepunkten der Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 korreliert.
Es wird angemerkt, dass es in jeder der bisher dargestellten Ausführungsformen (1–3) akzeptabel ist, in dem in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 ausgeführten Wiederherstellungsprozess irgendeine Verteilungsfunktion zu verwenden, solange der Maximalwert der Helligkeitskurve für den Strahl 7 mit dem Mittelwert der Funktion korreliert und die Wendepunkte für den Strahl 7 mit den Standardabweichungen der Funktion korrelieren.
Durch Wahl einer Verteilungsfunktion, die das Energieverteilungsmuster eines in dem Laserentfernungssensor verwendeten Laserstrahls eng annähert, kann eine noch genauere Wiederherstellung der einzelnen Helligkeit ausgeführt werden.
Ausführungsform 4
9 zeigt eine schematische Anordnung der in der Ausführungsform 4 verwendeten Abstandmessvorrichtung.
Die Vorrichtung in der Ausführungsform 4 unterscheidet sich von der in der Ausführungsform 1 durch die Abwesenheit des Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitts 32.
Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass die Brennpunktposition der Maximalwert oder der Mittelwert der Helligkeitskurve für den im Fleckauswahlabschnitt 31 erhaltenen Strahl 7 ist, ohne dass der Wiederherstellungsprozess für den direkten Reflexionsstrahl 7 ausgeführt wird.
Da gemäß diesem Verfahren keine Notwendigkeit besteht, die Helligkeitskurve wiederherzustellen und die Gewichtung für die Mittelposition der Kurve zu berechnen, kann die Brennpunktposition des direkten Reflexionsstrahls 7 schneller erhalten werden.
Ausführungsform 5
10 zeigt eine schematische Anordnung der in der Ausführungsform 5 verwendeten Abstandsmessvorrichtung.
Die vorliegende Vorrichtung unterscheidet sich von der in der Ausführungsform 1 dadurch, dass der Flecktrennabschnitt 30 und der Fleckauswahlabschnitt 31 durch einen Extremwerte/Wendepunkte-Berechnungsabschnitt 36 ersetzt sind.
Wenn sich die durch das Detektorelement 9 erhaltenen Energieverteilungsdaten nur auf den direkten Reflexionsstrahl 7 beziehen und den Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung nicht enthalten, sind der Flecktrennabschnitt 30 und der Fleckauswahlabschnitt 31 nicht notwendig.
Die Abstandsmessvorrichtung dieser Ausführungsform empfängt in dem Detektorelement 9 nur den direkten Reflexionsstrahl und nicht den Reflexionsstrahl 3-ter Ordnung. Somit erzeugt der Extremwerte/Wendepunkte-Berechnungsabschnitt 36 einfach aus den ersten Ableitungen die Maximalwerte der Koordinaten p_MAX1 (x_MAX1, y_MAX1) und erhält aus den zweiten Ableitungen die Wendepunkte p_IF3, p_IF4 in der Energieverteilungskurve.
Der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 stellt unter Verwendung der Werte der Maximal- und Wendepunkte die Helligkeitskurve wieder her, indem er einem ähnlichen Prozess folgt wie dem Prozess des Wiederherstellens der Helligkeitskurve, wenn der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung enthalten ist.
In diesem Fall nähert die wiederhergestellte Verteilungskurve die ursprüngliche Verteilungskurve eng an, so dass es keine Wirkung der Wiederherstellung auf den Messfehler gibt.
Dementsprechend ist die Vorrichtung dieser Ausführungsform anwendbar, wenn die reflektierten Strahlen nur den direkten Reflexionsstrahl 7 enthalten und keinen Beitrag von dem Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung haben, so dass die Wiederherstellung der Energieverteilungskurve und der Brennpunktposition des Lichtflecks effizient und genau ausgeführt werden können.
Ausführungsform 6
Die Anordnung der Abstandsmessvorrichtung dieser Ausführungsform ist dieselbe wie die in der Ausführungsform 1.
Das Verfahren des Berechnens des Abstands ist anders, wobei die Rechenschritte unter Verwendung der Energieverteilungskurve erläutert werden, die durch das in 3 gezeigte Detektorelement 9 erzeugt wird.
Auch in dieser Ausführungsform wird an der durch das Detektorelement 9 erzeugten Energieverteilungskurve durch den Flecktrennabschnitt 30 eine Differentiation ausgeführt. Die Schritte sind die gleichen wie jene, die in 4 erläutert sind, wobei ausführliche Erläuterungen weggelassen werden.
Die ersten Ableitungen liefern wie in der Ausführungsform 1 die Extremwerte und ihre Koordinaten.
In dieser Ausführungsform sind die Maximalwerte p_MAX1 (x_MAX1, y_MAX1) und p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2) und die Minimalwerte p_MIN1 (x_MIN1, y_MIN1), p_MIN2 (x_MIN2, y_MIN2) und p_MIN3 (x_MIN3, y_MIN3).
Außerdem werden aus den zweiten Ableitungen die Wendepunkte p_IF1, p_IF2, p_IF3, p_IF4 erhalten.
Nachfolgend trennt der Flecktrennabschnitt 30 wie in der Ausführungsform 1 jeden Lichtfleck bei den Minimalwerten p_MIN2 (x_MIN2, y_MIN2).
Nachfolgend vergleicht der Fleckauswahlabschnitt 31 wie in der Ausführungsform 1 die Peak-Werte innerhalb jedes Lichtflecks mit dem Schwellenwert und wählt denjenigen Maximalwert, der den Schwellenwert übersteigt und den kürzesten Abstand zu dem Objekt zeigt (rechte Seite des Detektors 9), als den Maximalwert für den direkten Reflexionsstrahl 7 aus.
Die in dem Fleckauswahlabschnitt 31 genommenen Schritte sind dieselben wie die in 4 gezeigten, wobei ausführliche Erläuterungen weggelassen werden.
In dieser Ausführungsform wird p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2) als der Maximalwert für den direkten Reflexionsstrahl 7 bestimmt.
Außerdem werden die Wendepunkte p_IF3, p_IF4 als die Trennpunkte (als die Unterteilungsposition für jeden Lichtfleck) verwendet, wobei die Kurve bei den Trennpunkten so getrennt wird, dass alle Daten außerhalb des Bereichs p_IF3–p_IF4 gelöscht werden, um die Wirkungen der Mehrfachreflexion zu verringern.
Wenn die Peak-Positionen nahe zusammen sind, wird eher der Minimalwert p_MIN2 (x_MIN2, y_MIN2) als der Wendepunkt p_IF3 näher zu p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2), so dass in diesem Fall der Minimalwert p_MIN2 (x_MIN2, y_MIN2) als der Trennpunkt zum Unterteilen der Lichtenergie-Verteilungskurve in einzelne Lichtflecke verwendet wird.
Dies wird anhand der 3, 24 und 25 ausführlicher erläutert. Falls die Überlagerung der Mehrfachreflexionskurve und der direkten Reflexionskurve, wie in 3 veranschaulicht ist, nur teilweise ist, bestimmt der Fleckauswahlabschnitt 31 das Gebiet, das durch den Wendepunkt p_IF3 (links von p_MAX2) und durch den Wendepunkt p_IF4 (rechts von p_MAX2) begrenzt ist, als die Helligkeit für den direkten Reflexionsstrahl 7. Falls die zwei Kurven andererseits so überlagert sind, dass die jeweiligen Wendepunkte, wie in 24 veranschaulicht ist, verborgen sind, wählt der Fleckauswahlabschnitt 31 die Helligkeit für den direkten Reflexionsstrahl 7 als das Gebiet aus, das durch den Minimalwert p_MIN2 (links von p_MAX2) und durch den Wendepunkt p_IF4 (rechts von p_MAX2) begrenzt ist. Wenn die zwei Kurven schließlich, wie in 25 veranschaulicht ist, nahezu vollständig überlagert sind, wählt der Fleckauswahlabschnitt 31 die Helligkeit für den direkten Reflexionsstrahl 7 als das Gebiet aus, das durch den Wendepunkt p_IF3 (links von p_MAX2) und durch den Wendepunkt p_IF4 (rechts von p_MAX2) begrenzt ist.
Mit anderen Worten, die Energieverteilung jedes Lichtflecks wird in der Weise zugeschrieben, dass jene Extremwerte und Wendepunkte, die dem Maximalwert am nächsten sind, die Grenzpunkte zum Trennen der Lichtflecke definieren.
Obgleich der Fleckauswahlabschnitt 31 die Energieverteilung für den direkten Reflexionsstrahl 7 auswählt, löscht die Löschung des Energiebeitrags, den der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung gibt, auch einen Teil der durch den Strahl 7 beigetragenen Energie.
Somit stellt der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 den verloren gegangenen Abschnitt der Kurve unter Verwendung der Normalverteilungsfunktion oder einer anderen Verteilungsfunktion, die die ursprüngliche Kurve eng annähert, wieder her.
In diesem Fall entspricht der Maximalwert p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2) für den direkten Reflexionsstrahl 7 dem Maximalwert (Mittelwert) für die Normalverteilungsfunktion (A5 in 7) und entsprechen die Wendepunkte p_IF3 (x_IF3, y_IF3), p_IF4 (x_IF4, y_IF4) den Standardabweichungen in der Normalverteilungsfunktion.
Aus diesen Betrachtungen kann durch Einsetzen des Maximalwerts der Helligkeitskurve und der Wendepunkte für den Strahl 7 in die Normalverteilungsfunktion die ursprüngliche Helligkeitskurve für den Strahl 7 wiederhergestellt werden.
Eine Untersuchung der Helligkeitskurve für den Strahl 7 zeigt, dass die Kurve etwas verzerrt ist und eine Asymmetrie in der linken/rechten Hälfte zeigt (siehe σL und σR in 3). Somit sollten die linke und die rechte Standardabweichung unterschiedlich sein, wobei die Ursprungsdaten nicht direkt in die Normalverteilungsfunktion eingesetzt werden können.
Somit stützt sich das vorliegende Verfahren der Helligkeitsverteilungswiederherstellung auf die getrennte Berechnung der linken und der rechten Hälfte der Kurve unter Verwendung unterschiedlicher Werte für die Standardabweichung in der Normalverteilungsfunktion und auf das Zusammenfügen der wiederhergestellten Halbkurven an ihrem gemeinsamen Maximalwert.
11 ist ein Ablaufplan, der die Verarbeitungsschritte in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 zeigt.
Wenn der Maximalwert und die Wendepunkte für den direkten Reflexionsstrahl 7, die in dem Fleckauswahlabschnitt 31 erhalten wurden, in den Wiederherstellungsabschnitt 32 eingegeben werden (Schritt 130), werden die Wendepunkte in einen Wendepunkt der linken Hälfte und in einen Wendepunkt der rechten Hälfte getrennt (Schritte 131, 132) und werden der Maximalwert und der Wendepunkt der linken Seite für den Strahl 7 erhalten (Schritt 133).
Ähnlich werden der Maximalwert und der Wendepunkt der rechten Seite für den Strahl 7 erhalten (Schritt 134). Der Maximalwert und der Wendepunkt der linken Seite werden in die Normalverteilungsfunktion eingesetzt (Schritt 135) und die linke Halbkurve des Maximalwerts wird gespeichert (Schritt 136).
Ähnlich werden der Maximalwert und der Wendepunkt der rechten Hälfte in die Verteilungsfunktion eingesetzt (Schritt 135) und wird die rechte Halbkurve des Maximalwerts gespeichert (Schritt 137).
Die in den Schritten 136, 137 erhaltene linke Halbkurve und rechte Halbkurve werden verbunden (Schritt 138), um eine Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 zu erzeugen (Schritt 139).
12 zeigt ein tatsächliches Beispiel der Ergebnisse der Verarbeitung der Energieverteilungsdaten, die die Mehrfachreflexion 3-ter Ordnung enthalten, gemäß dem vorliegenden Verfahren. In 12 bezieht sich die Strichlinie auf die ursprünglichen unverarbeiteten Daten, während sich die durchgezogene Linie auf die verarbeiteten Daten bezieht.
Dementsprechend liefert das vorliegende Verfahren ein Präzisionsergebnis für den direkten Reflexionsstrahl 7, das nicht durch den Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung nachteilig beeinflusst ist.
Nachfolgend wird in dem Brennpunktposition-Erfassungsabschnitt 33 anhand der Energieverteilungskurve für den Strahl 7 eine gewichtete Mittelposition berechnet, um die Brennpunktposition für den Strahl 7 zu ermitteln.
Schließlich berechnet der Abstandsmessabschnitt 34 durch Triangulation unter Verwendung der für den Strahl 7 erhaltenen Brennpunktposition den Abstand zu dem Messobjekt.
Es ist akzeptabel, den Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 wie in der Ausführungsform 4, d. h. ohne die Energieverteilungskurve für den Strahl 7 wiederherzustellen, zu beseitigen und anzunehmen, dass der in dem Fleckauswahlabschnitt 31 erhaltene Maximalwert oder der Mittelpunkswert der Energieverteilungskurve für den Strahl 7 die Brennpunktposition repräsentiert.
In diesem Fall besteht keine Notwendigkeit, die gewichtete Mittelposition zu berechnen, so dass die Brennpunktposition schneller erhalten werden kann.
Ferner können dann, wenn die Lichtenergieverteilung in dem Detektorelement 9 nur durch den Strahl 7 verursacht ist und keinen Beitrag vom Strahl 16 enthält, der Flecktrennabschnitt 30 und der Fleckauswahlabschnitt 31 wie in der Ausführungsform 5 weggelassen sein, wobei statt dessen der Extremwerte/Wendepunkte-Berechnungsabschnitt 36 vorgesehen sein kann.
In diesem Fall erhält der Extremwerte/Wendepunkte-Berechnungsabschnitt 36 einfach den Maximalpunkt p_MAX1 (x_MAX1, y_MAX1) durch erste Differentiation und nur die Wendepunkte p_IF3, p_IF4 durch zweite Differentiation.
Der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 stellt die Helligkeitskurve in der gleichen Weise wie das Verfahren, das die Mehrfachreflexion 16 3-ter Ordnung enthält, unter Verwendung der Werte der Maximal- und Wendepunkte wieder her.
In diesem Fall nähert die wiederhergestellte Helligkeitskurve die ursprüngliche Helligkeitskurve eng an, so dass es keine Wirkung der Wiederherstellung auf den Messfehler gibt.
Ausführungsform 7
Die Abstandsmessvorrichtung der Ausführungsform 7 stellt die Helligkeit des direkten Reflexionsstrahls 7 dadurch wieder her, dass in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32, wo der Mittelwert der Funktionskurve mit dem Maximalwert in der Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 korreliert wird und die Standardabweichungen der Funktionskurve mit den Wendepunkten der Helligkeitskurve für den direkten Reflexionsstrahl 7 korreliert wird, anstelle der in der Ausführungsform 6 verwendeten Cosinusverteilungsfunktion die in 7 gezeigte Laplace-Verteilungsfunktion (A6 in 7) angewendet wird.
Es wird angemerkt, dass in den Ausführungsformen 6 oder 7 irgendeine Verteilungsfunktion akzeptabel ist, solange der in dem Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 ausgeführte Wiederherstellungsprozess den Maximalwert der Helligkeitskurve für den Strahl 7 mit dem Mittelwert der Funktion und die Wendepunkte mit den Standardabweichungen der Funktion korrelieren kann.
Dadurch, dass eine Verteilungsfunktion gewählt wird, die das Energieverteilungsmuster eines in dem Entfernungssensor verwendeten Laserstrahls eng annähert, kann eine noch genauere Wiederherstellung der Helligkeit ausgeführt werden.
Ausführungsform 8
13 zeigt eine Anordnung der Abstandsmessvorrichtung.
Die Vorrichtung in dieser Ausführungsform zeigt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen synchronisierten Abtastentfernungsmesser.
Ein von einer Lichtquelle 1 ausgesendeter Lichtstrahl (Laserstrahl) 2 wird von einem Abtastspiegel 12 reflektiert, wobei nach der Reflexion von einem Punkt P1 an einem glänzenden Objekt 18 ein Teil des Strahls durch einen Abtastspiegel 12 und durch eine optische Vorrichtung (Linse) 8 an einen Punkt Q1 auf dem Erfassungselement 9 fokussiert wird.
Gemäß dieser Vorrichtung wird ein Reflexionsstrahl (15 in 20) 2-ter Ordnung, der von der Lichtquelle 2 erzeugt und von dem glänzenden Objekt 18 reflektiert wird, nicht an der Axiallinie des Abtastspiegels 12 reflektiert. Somit wird der Strahl 15 nicht auf das Detektorelement 9 fokussiert, so dass die Reflexion 2-ter Ordnung strukturell umgeleitet wird. Allerdings wird der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung an der Axiallinie des Abtastspiegels 12 reflektiert und auf das Erfassungselement 9 fokussiert.
Da der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung auf das Detektorelement 9 fokussiert wird, ist die Lichtenergieverteilung verschieden von der nur durch den direkten Reflexionsstrahl 7 verursachten Lichtenergieverteilung, wobei keine richtige Abstandsmessung erhalten werden kann.
Somit kann durch Anwenden der oben beschriebenen Techniken für jede Ausführungsform der durch das Detektorelement 9 erhaltenen Lichtenergie-Verteilungsdaten die Wirkung des Strahls 16 entfernt werden, so dass die Helligkeit nur wegen des direkten Reflexionsstrahls 7 erhalten werden kann.
Ähnlich der Ausführungsform 4 kann der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstel lungsabschnitt 32 weggelassen sein, so dass der Wiederherstellungsprozess in diesem Abschnitt nicht ausgeführt wird, sondern die in dem Fleckauswahlabschnitt 31 erhaltenen Helligkeitsergebnisse verwendet werden, so dass angenommen werden kann, dass der Maximalwert oder der Mittelpunkswert der Kurve die Brennpunktposition ist.
Ferner können dann, wenn die resultierende Helligkeit nur durch den Strahl 7 verursacht ist und keinen Beitrag vom Strahl 16 enthält, wie in der Ausführungsform 5 der Flecktrennabschnitt 30 und der Fleckauswahlabschnitt 31 weggelassen sein, wobei statt dessen der Extremwerte/Wendepunkte-Berechnungsabschnitt 36 vorgesehen sein kann.
Ausführungsform 9
14 zeigt eine Anordnung der Abstandsmessvorrichtung.
Die Vorrichtung in dieser Ausführungsform zeigt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf einen Entfernungssensor mit zweidimensionaler Antwortfähigkeit zum Messen des Abstands.
Der Grundzugang ist, in dem Verfahren der Ausführungsform 1, das einen eindimensionalen Detektor 9 verwendet, einen Fall höherer als zweier Dimensionen zu betrachten.
Das folgende Verfahren beschreibt den Betrieb eines zweidimensionalen Entfernungssensors.
Wie in 14 gezeigt ist, sind zwei Abtastspiegel 12, 13 vorgesehen, so dass die Abtastung in zwei Richtungen, in der x- und in der y-Richtung, ausgeführt werden kann, wobei die Eingangsseite mit einem zweidimensionalen Detektorelement 11 versehen ist, das das eindimensionale Detektorelement 9 ersetzt.
Diese Anordnung erzeugt einen Entfernungssensor, der Abstände in einem zweidimensionalen Raum messen kann.
In dieser Ausführungsform führt der Flecktrennabschnitt 30 die Differentiationsschritte an den durch das Detektorelement 11 erhaltenen Lichtenergie-Vertei lungsflächen aus, wodurch wie in der Ausführungsform 1 die Koordinaten für die Maximalwerte und Wendepunkte der Lichtenergie-Verteilungsfläche erhalten werden.
Nachfolgend trennt der Flecktrennabschnitt 30 wie in der Ausführungsform 1 jeden Lichtfleck bei den Minimalwerten p_MIN2 (x_MIN2, y_MIX2).
Nachfolgend wählt der Fleckauswahlabschnitt 31 wie in der Ausführungsform 1 jene Maximalwerte innerhalb jedes Lichtflecks, die höher als ein Schwellenwert sind und den kürzesten Abstand zu dem Objekt haben (rechte Seite des Detektorelements 9) aus, wobei diese als der Maximalwert für den direkten Reflexionsstrahl 7 bestimmt werden.
Nachfolgend stellt der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 unter Verwendung der Maximalwerte in einer Cosinusverteilungsfunktion n-ter Ordnung die Helligkeitsflächen wieder her, um Energieverteilungsflächen n-ter Ordnung für getrennte Lichtflecke zu erhalten.
Falls z. B. eine Fläche mit dem Maximalwert ausgewählt wird, den Strahl 7 zu repräsentieren, kann die Energieverteilung n-ter Ordnung für den Strahl 7 unter Verwendung der Verteilungsfunktion n-ter Ordnung wiederhergestellt werden.
Ähnlich ist es möglich, zum Wiederherstellen der Fläche für den Strahl 7 eine Laplace-Verteilungsfunktion oder Normalverteilungsfunktion zu verwenden.
Außerdem ist ein schnelleres, genaues Verfahren zur Bestimmung der Brennpunktposition die Verwendung von p_MAX2 (x_MAX2, y_MAX2).
Üblicherweise kann der Maximalwert der Helligkeit für den Strahl 7 nur in ganzen Pixeleinheiten des Detektorelements (9 oder 11) repräsentiert werden, wobei der Maximalwert aber unter Verwendung der äußerst hohen Werte hinsichtlich gebrochener Pixeleinheiten in einer CCD definiert werden kann, so dass genauere Abstandsmessungen ausgeführt werden können.
Außerdem kann in dieser Ausführungsform ebenso wie in der Ausführungsform 4 der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 entfernt sein, so dass der Wiederherstellungsprozess in diesem Abschnitt nicht ausgeführt wird, sondern die in dem Fleckauswahlabschnitt 31 erhaltenen Energieverteilungsergebnisse verwendet werden, so dass angenommen werden kann, dass der Maximalwert oder Mittelpunkswert die Fläche die Brennpunktposition ist.
Falls die resultierende Energieverteilung nur durch den Strahl 7 verursacht ist und keinen Beitrag vom Strahl 16 enthält, können ferner wie in der Ausführungsform 5 der Flecktrennabschnitt 30 und der Fleckauswahlabschnitt 31 weggelassen sein, wobei statt dessen der Extremwerte/Wendepunkte-Berechnungsabschnitt 36 vorgesehen sein kann.
Ausführungsform 10
15 zeigt eine Anordnung der Abstandsmessvorrichtung. In der Ausführungsform 9 wurden zum Abtasten in zwei Richtungen, in der x- bzw. in der y-Richtung, zwei Abtastspiegel 12, 13 verwendet, während in der Ausführungsform 10 der Strahlausgangsabschnitt des Spiegels 12 mit dem Strahleingangsabschnitt des Spiegels 12 synchronisiert ist, indem der Spiegel 12 in der x-Richtung verlängert ist.
Durch Synchronisieren des Strahleingangs- und des Strahlausgangsabschnitts des Spiegels 12 kann wie in der Ausführungsform 6 verhindert werden, dass die Reflexion 2-ter Ordnung auf dem Detektorelement 9 fokussiert wird.
Außerdem kann durch das Synchronisieren des Strahlausgangsabschnitts des Spiegels 12 mit dem Strahleingangsabschnitt des Spiegels 12 anstelle eines zweidimensionalen Detektorelements 11 ein eindimensionales Detektorelement 9 zum Abtasten eines zweidimensionalen Objekts verwendet werden.
Obgleich der Spiegel 12 verlängert wurde, um als eine Einheit zu wirken, wird angemerkt, dass es andererseits möglich ist, die Ausgangsseite und die Eingangsseite zu trennen, aber einzurichten, dass sie synchron angesteuert werden.
Darüber hinaus kann der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung in diesem Fall in der gleichen Weise wie in einem eindimensionalen Entfernungssensor verarbeitet werden, um die gleiche Genauigkeit in Abstandsmessungen zu erzeugen.
Wie in der Ausführungsform 4 kann auch in dieser Ausführungsform der Hellig keitsverfeilungs-Wiederherstellungsabschnitt 32 weggelassen sein, so dass der Wiederherstellungsprozess nicht in diesem Abschnitt ausgeführt wird sondern die in dem Fleckauswahlabschnitt 31 erhaltenen Energieverteilungsergebnisse verwendet werden, so dass angenommen werden kann, dass der Maximalwert oder Mittelpunkswert der Fläche die Brennpunktposition ist.
Falls die resultierende Lichtenergieverteilung nur durch den direkten Reflexionsstrahl 7 verursacht ist und keinen Beitrag vom Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung enthält, können ferner wie in der Ausführungsform 5 der Flecktrennabschnitt 30 und der Fleckauswahlabschnitt 31 weggelassen sein, wobei statt dessen der Extremwerte/Wendepunkte-Berechnungsabschnitt 36 vorgesehen sein kann.
Es wird angemerkt, dass klar ist, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung in allen dargestellten Ausführungsformen (außer Ausführungsform 5) selbst dann genaue Ergebnisse in einer Abstandsmessung liefern kann, wenn der Reflexionsstrahl 16 3-ter Ordnung nicht in den Energieverteilungsdaten enthalten ist.
Außerdem wird angemerkt, dass die Verarbeitungsabschnitte (30–36) oder irgendwelche Teile davon, die in den 1, 2, 9, 10, 13, 14 und 15 gezeigt sind, automatisch mittels eines Computersystems zum Lesen und Ausführen von Programmen, die auf einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet sind, betrieben werden können, um verschiedene Verarbeitungsschritte wie etwa Lichtflecktrennung, Lichtfleckauswahl, Helligkeitsverteilungswiederherstellung, Brennpunktpositionserfassung und Abstandsberechnung auszuführen. Ein Computersystem soll Betriebssysteme und Peripheriegeräte enthalten und ein computerlesbares Aufzeichnungsmedium soll ein transportables Medium wie etwa eine Diskette, eine optomagnetische Platte, einen ROM, eine CD-ROM und andere sowie eine innerhalb des Computers untergebrachte Festplatte enthalten. Außerdem soll ein computerlesbares Aufzeichnungsmedium solche Kurzzeitspeichervorrichtungen, die dynamisch in einer Netzschaltung (Internet, Fernsprecherschaltungen und dergleichen) zum Senden von Anwendungsprogrammen arbeiten, sowie temporäre Speichervorrichtungen wie etwa flüchtige Speicher, die in den Servern und Client-Computern in Kommunikationssystemen enthalten sind, enthalten. Die Programme können nur auf einen Teil der hier dargestellten Funktionen anwendbar sein oder können in Verbindung mit vorhandenen Programmen arbeiten, die in dem Computersystem vorinstalliert sind.
Außerdem wird angemerkt, dass das Computersystem die für die Abstandsbestimmung notwendigen Verarbeitungsschritte dann, wenn die Abstandsmessung in Echtzeit ausgeführt werden soll, dadurch ausführen muss, dass es die notwendigen Komponenten wie etwa Strahlausgangsabschnitt und Strahleingangsabschnitt funktional in dem System enthalten hat.
Außerdem können dann, wenn eine Echtzeitverarbeitung nicht notwendig ist, die durch getrennte Einrichtungen in dem Strahlausgangsabschnitt und in dem Strahleingangsabschnitt erhaltenen Daten als digitale Daten gespeichert und später in dem Computersystem gemäß den ihm zugeführten digitalen Daten verarbeitet werden.
Im Folgenden werden einige Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung zusammengefasst.

(1) Die vorliegende Erfindung schafft ein analytisches Verfahren zum Trennen eines Mehrfachreflexionsstrahls von einem direkten Reflexionsstrahl in lichtgestützten Abstandsmesstechniken, wodurch in Abstandsmessungen für jene Objekte, die wegen ihrer Form oder ihres Oberflächenreflexionsvermögens empfindlich dafür sind, Mehrfachreflexionen zu erzeugen, eine hohe Genauigkeit erzielt wird.
(2) Die vorliegende Erfindung erzielt die Messgenauigkeit unabhängig von der Anwesenheit von Mehrfachreflexionen dadurch, dass sie die Helligkeit in den durch einen direkten Reflexionsstrahl erzeugten Energieverteilungsdaten analytisch wiederherstellt, um so eine Brennpunktposition eines Lichtflecks genau zu bestimmen.
(3) Somit schafft die vorliegende Erfindung eine Hochpräzisions-Abstandsmessvorrichtung mit weiter Anwendbarkeit in neuen Anwendungsgebieten, die bei der herkömmlichen Vorrichtung wegen des durch Mehrfachreflexionen verursachten Verlusts der Genauigkeit nicht praktisch sind.
(4) Die vorliegende Erfindung ist selbst dann wirksam, wenn nur direkte Reflexion beteiligt ist, da im Vergleich mit jenen herkömmlichen Techniken, die den Maximalwert oder die Gewichtung des Lichtflecks verwenden, die genaue Position eines Lichtflecks schneller bestimmt werden kann.
(5) Die vorliegende Erfindung erweitert die Genauigkeit der Abstandsmessung unter Verwendung direkter Reflexion, indem sie verschiedene Typen von Verteilungsfunktionen anwendet, um die Helligkeitsdaten besser wiederherzustellen und so Verformungen in den Energieverteilungsdaten zu kompensieren, um sie so an verschiedene Oberflächenbedingungen des Objekts anzupassen.

Claims

Verfahren zur Abstandsmessung, das die folgenden Schritte umfasst: Erhalten einer Lichtenergie-Verteilungskurve, die erzeugt wird durch die Schritte des Richtens eines von einer Lichtquelle (1) erzeugten Lichtstrahls auf ein Objekt und des Fokussierens von von dem Objekt auf eine Empfangsoberfläche (10) eines Photodetektorelements reflektierten Reflexionsstrahlen durch eine optische Vorrichtung (8); Bestimmen einer Brennpunktposition eines Lichtflecks; und Bestimmen eines Abstandes zu dem Objekt unter Verwendung der bestimmten Brennpunktposition; gekennzeichnet durch: Trennen der Lichtenergie-Verteilungskurve in getrennte Peaks, die unterschiedlichen Lichtflecken zugeschrieben werden können; Auswählen eines Lichtflecks aus den getrennten Lichtflecken, wobei der ausgewählte Lichtfleck durch einen direkten Reflexionsstrahl erzeugt worden ist; wobei der Schritt des Bestimmens der Brennpunktposition auf dem ausgewählten Lichtfleck basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der ausgewählte Lichtfleck in Übereinstimmung mit Kriterien ausgewählt wird, dass ein Maximalwert jedes Peaks einen Schwellenwert übersteigt und dass der Maximalwert jener Position auf der Empfangsoberfläche entspricht, die einen kleinsten Abstand zwischen der Empfangsoberfläche und dem Objekt repräsentiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Schritt des Trennens der Lichtenergie-Verteilungskurve die folgenden Schritte umfasst: Berechnen eines Maximalwerts, von Minimalwerten und von Wendepunkten jedes Peaks in der Lichtenergieverteilung; und Unterteilen der Lichtenergieverteilung in einzelne Helligkeitskurven entweder an einem Minimalwert oder an einem Wendepunkt, je nachdem, welcher sich näher bei dem Maximalwert befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, das einen Schritt des Wiederherstellens der Helligkeit des ausgewählten Lichtflecks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Wiederherstellens der Helligkeit das Anwenden einer ausgewählten Verteilungsfunktion auf eine Helligkeitskurve umfasst, um so die vollständige Helligkeit für die Helligkeitskurven wiederherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem dann, wenn ein Maximalwert und Wendepunkte einer Lichtenergie-Verteilungskurve gegeben sind, ein Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsprozess unter Verwendung einer Verteilungsfunktion ausgeführt wird, deren Mittelwert und deren Standardweichung mit dem Maximalwert bzw. mit dem Wendepunkt korrelieren, um so die Helligkeit für einzelne Helligkeitskurven wiederherzustellen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsprozess für eine asymmetrische Lichtenergie-Verteilungskurve unter Verwendung von Verteilungsfunktionen ausgeführt wird, deren Standardabweichungen unterschiedlich sind, für die jedoch eine linke Seite und eine rechte Seite jeder Funktion einen gemeinsamen Mittelwert haben.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Verteilungsfunktion eine Normalverteilungsfunktion ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der Lichtverteilungs-Wiederherstellungsprozess für eine asymmetrische Lichtenergie-Verteilungskurve unter Verwendung von Normalverteilungsfunktionen, die einen gemeinsamen Mittelwert, jedoch unterschiedliche Standardabweichungswerte besitzen, ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 9, bei dem der Schritt des Bestimmens einer Brennpunktposition umfasst: Trennen der Lichtenergie-Verteilungskurve in getrennte Peaks durch Berechnen eines Maximalwerts, von Minimalwerten und eines Wendepunkts für jeden Peak in der Lichtenergieverteilung und durch Unterteilen der Lichtenergieverteilung in einzelne Helligkeitskurven entweder bei einem Minimalwert oder bei einem Wendepunkt, je nachdem, welcher sich näher bei dem Maximalwert befindet; und Berechnen einer Brennpunktposition eines Lichtflecks aus Lichtenergie-Verteilungsdaten der einzelnen Lichtflecke.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Brennpunktposition in Übereinstimmung mit einer gewichteten Mittelposition der Lichtenergie-Verteilungsdaten für die einzelnen Lichtflecke gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Brennpunktposition in Übereinstimmung mit einem Maximalwert der Lichtenergie-Verteilungsdaten für die einzelnen Lichtflecke gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Brennpunktposition so gewählt wird, dass sie ein Mittelpunktswert der Lichtenergie-Verteilungsdaten für die einzelnen Lichtflecke ist.
Vorrichtung zur Abstandsmessung, die umfasst: eine Lichtquelle (1) zum Richten eines Lichtstrahls auf ein Objekt; ein Photodetektorelement (9 oder 11) zum Umsetzen von Lichtenergie von dem von dem Objekt empfangenen Reflexionsstrahl in elektrische Signale, die Lichtpositionen und zugeordnete Lichtenergien repräsentieren; eine Lichtempfangseinrichtung (21) zum Fokussieren des Reflexionsstrahls auf einer Empfangsoberfläche (10) als Lichtflecke; eine Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) zum Bestimmen einer Brennpunktposition jedes Lichtflecks; eine Abstandsberechnungseinrichtung (34) zum Berechnen eines Abstandes zwischen der Brennpunktposition und dem Objekt anhand einer Brennpunktposition, die durch die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) bestimmt wird; und eine Steuereinrichtung (35), die so beschaffen ist, dass sie die Lichtquelle (1), die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) und die Abstandsberechnungseinrichtung (34) steuert, gekennzeichnet durch: eine Flecktrenneinrichtung (30), die durch die Steuereinrichtung (35) gesteuert wird und so beschaffen ist, dass sie Lichtenergie-Verteilungsdaten, die durch das Photodetektorelement (9 oder 11) erzeugt werden, in getrennte Helligkeitskurven trennt, die einzelnen Lichtflecken zugeordnet werden können; und eine Fleckauswahleinrichtung (31), die durch die Steuereinrichtung (35) gesteuert wird und so beschaffen ist, dass sie aus den Lichtflecken einen Lichtfleck, der für eine Bestimmung eines Abstandes notwendig ist, auswählt; wobei die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) so konfiguriert ist, dass sie einen Lichtfleck akzeptiert, der durch die Fleckauswahleinrichtung (31) ausgewählt wird, um ihn für die Bestimmung der Brennpunktposition zu verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Fleckauswahleinrichtung (31) so beschaffen ist, dass sie den ausgewählten Lichtfleck in Übereinstimmung mit Kriterien auswählt, dass ein Maximalwert jedes Peaks in den Lichtenergie-Verteilungsdaten einen Schwellenwert übersteigt und dass der Maximalwert einer Position auf der Empfangsoberfläche entspricht, die einen kleinsten Wert des abgeleiteten Abstandes zwischen der Empfangsoberfläche und dem Objekt repräsentiert.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der die Flecktrenneinrichtung (30) so beschaffen ist, dass sie einen Maximalwert, Minimalwerte und einen Wendepunkt jedes Peaks in der Lichtenergieverteilung berechnet und die Lichtenergieverteilung in einzelne Helligkeitskurven entweder bei einem Minimalwert oder bei einem Wendepunkt, je nachdem, welcher sich näher bei dem Maximalwert befindet, unterteilt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Vorrichtung mit einer Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungseinrichtung (32) versehen ist, die so beschaffen ist, dass sie die Helligkeit des ausgewählten Lichtflecks wiederherstellt, wobei die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) so konfiguriert ist, dass sie eine Brennpunktposition des ausgewählten Lichtflecks in Übereinstimmung mit der wiederhergestellten Helligkeitskurve bestimmt, und die Steuereinrichtung (35) so beschaffen ist, dass sie die Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungseinrichtung (32) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungseinrichtung (32) so beschaffen ist, dass sie eine ausgewählte Verteilungsfunktion auf eine Helligkeitskurve anwendet, um so die vollständige Helligkeit der Helligkeitskurven wiederherzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungseinrichtung (32) so beschaffen ist, dass dann, wenn ein Maximalwert und Wendepunkte einer Lichtenergie-Verteilungskurve gegeben sind, ein Hellig keitsverteilungs-Wiederherstellungsprozess unter Verwendung einer Verteilungsfunktion ausgeführt wird, deren Mittelwert und deren Standardabweichung mit dem Maximalwert bzw. mit dem Wendepunkt korrelieren, um so die Helligkeit für einzelne Helligkeitskurven wiederherzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungseinrichtung (32) so beschaffen ist, dass die Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellung für eine asymmetrische Lichtenergie-Verteilungskurve unter Verwendung von Verteilungsfunktionen ausgeführt wird, deren Standardabweichungen unterschiedlich sind, jedoch die linke Seite und die rechte Seite jeder Funktion einen gemeinsamen Mittelwert haben.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Verteilungsfunktion eine Normalverteilungsfunktion ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, bei der die Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungseinrichtung (32) so beschaffen ist, dass sie den Helligkeitsverteilungs-Wiederherstellungsprozess für eine asymmetrische Lichtenergie-Verteilungskurve unter Verwendung von Normalverteilungskurven ausführt, die einen gemeinsamen Mittelwert, jedoch unterschiedliche Standardabweichungswerte besitzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14, 15 oder 17 bis 22, bei der die Flecktrenneinrichtung (30) so beschaffen ist, dass sie die Flecke trennt durch: Trennen der Peaks in einzelne Lichtflecke durch Berechnen eines Maximalwerts, von Minimalwerten und eines Wendepunkts für jeden Peak in der Lichtenergieverteilung und Unterteilen der Lichtenergieverteilung in einzelne Helligkeitskurven entweder bei einem Minimalwert oder bei einem Wendepunkt, je nachdem, welcher sich näher bei dem Maximalwert befindet; und Berechnen einer Brennpunktposition eines Lichtflecks aus Lichtenergie-Verteilungsdaten für die einzelnen Lichtflecke.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) so beschaffen ist, dass sie die Brennpunktposition in Übereinstimmung mit einer gewichteten Mittelposition der Lichtenergie-Verteilungsdaten für die einzelnen Lichtflecke bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) so beschaffen ist, dass sie die Brennpunktposition in Übereinstimmung mit einem Maximalwert der Lichtenergie-Verteilungsdaten für die einzelnen Lichtflecke bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 23, bei der die Brennpunktposition-Erfassungseinrichtung (33) so beschaffen ist, dass sie die Brennpunktposition als einen Mittelpunktswert der Lichtenergie-Verteilungsdaten für die einzelnen Lichtflecke bestimmt.
Computerprogrammprodukt, das ein computerlesbares Abstandsmessprogramm enthält, das auf einem von einem Computer nutzbaren Medium aufgezeichnet ist, um einen Computer dazu zu veranlassen, einen Abstand zu einem Objekt unter Verwendung von Lichtenergie-Verteilungsdaten abzuleiten, die durch einen Prozess erzeugt werden, der die Schritte des Bestrahlens des Objekts mit einem von einer Lichtquelle (1) erzeugten Lichtstrahl und des Fokussierens eines von dem Objekt reflektierten Reflexionsstrahls durch eine optische Vorrichtung (8) als einen Lichtfleck, der auf einer Empfangsoberfläche (10) eines Photodetektorelements (9 oder 11) fokussiert ist, umfasst, wobei das Programm die folgenden Schritte ausführt: Eingeben der Lichtenergie-Verteilungsdaten; Bestimmen einer Brennpunktposition eines Lichtflecks; und Bestimmen eines Abstandes zwischen der Empfangsoberfläche und dem Objekt in Übereinstimmung mit der bestimmten Brennpunktposition; gekennzeichnet durch die Ausführung der folgenden Schritte: Trennen der Lichtenergie-Verteilungskurve in getrennte Peaks, die einzelnen Lichtflecken zugeordnet werden können; Auswählen eines der Lichtflecke, wobei der ausgewählte Lichtfleck durch einen direkten Reflexionsstrahl erzeugt worden ist; wobei der Schritt des Bestimmens der Brennpunktposition auf dem ausgewählten Lichtfleck basiert.