FI91999B - Laite kohteen paikallistamiseksi ja valolähetin - Google Patents

Description

91 9S9

LAITE KOHTEEN PAIKALLISTAMISEKSI JA VALOLÄHETIN - AN-ORDNING FÖR LOKALISERING AV ETT OBJEKT OCH EN LJUSSÄN-DARE

5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty laite kohteen paikallistamiseksi optisen säteilyn avulla.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen 10 mukainen valolähetin.

10 Nopea kohteen paikallistaminen ja erityisesti kosketukseton etäisyyden mittaus ovat yleisimpiä tarpeita mittauksissa koneautomaation ja robotiikan alueella. Tavallisesti etäisyys mitataan optisesti tai ultraääni- tai mikroaaltotekniikan avulla. Ongelmana 15 ultraäänitekniikassa on mittauksen suuri riippuvuus väliainemateriaalin, tavallisesti ilman, lämpötilasta. Mikroaaltotekniikat ovat usein ongelmallisia turvallisuuden suhteen.

Optiset kohteen paikallistamislaitteet ovat 20 yleistymässä. Optiset etäisyydenmittauslaitteet perustuvat yleensä heijastuneen valon intensiteetin mittaukseen, kolmiomittausmenetelmiin tai valon kulkuajan mittaukseen. Optisella säteilyllä tarkoitetaan yleensä säteilyä, jonka aallonpituusalue osuu lähinnä spektrin 25 näkyvälle tai lähi-infrapunaiselle alueelle.

. Ennestään tunnetaan optinen laite etäisyyden mittaamiseksi, jossa valodiodin eli LED:n pulssitettu IR-säteilykeila suunnataan kohteeseen ja kohteesta heijastunut valo ilmaistaan paikkaherkän ilmaisimen 30 avulla. Kohteen etäisyys määritetään kolmiomittauspe-riaatteella, jolloin ilmaistun valon paikan perusteella määritetään kohteen etäisyys.

Epäkohtana em. laitteessa on, että sen avulla voidaan määrittää vain yhden kohteen pisteen tai kohdan 35 etäisyys mittauskohdasta. Varsinkin robotiikka- ja automaatiosovellutuksissa tosiaikainen etäisyyden mittaus useisiin kohteen pisteisiin on välttämätöntä.

2 91999

Kohteen hahmottamiseksi ja sen eri osien paikallistamiseksi siitä tulisi tehdä useita mittauksia sen eri kohdista. Jotta tämä onnistuisi, laite tulee suunnata useita kertoja kohteeseen. On kehitetty laitteita, 5 joissa kohteeseen suunnattua säteilykeilaa poikkeutetaan mekaanisesti ja keilan annetaan pyyhkiä mitattavaa kohdetta yhdessä tai useammassa tasossa. Tämä vaatii tavallisesti monimutkaisen skannerirakenteen, johon kuuluu mekaanisesti liikkuvia osia, mikä lisää huomat-10 tavasti kustannuksia ja vähentää usein järjestelmän luotettavuutta.

Ennestään tunnetaan optinen laite kohteen paikallistamiseksi, jossa kohteeseen suunnataan lähellä toisiaan olevista valolähteistä tietyssä järjestyksessä 15 peräkkäisiä valokeiloja ja näiden valokeilojen siroami-nen kohteesta takaisinpäin ilmaistaan lähellä toisiaan olevien ilmaisimien avulla, joiden sijainti riippuu kohteen asemasta tilassa, ja valolähteiden ja ilmaisimien sijaintien perusteella määritetään kohteen siron-20 tapisteet tilassa sinänsä tunnetulla kolmiomittausperi-aatteella ja edelleen kohteen asema tilassa.

Epäkohtana em. optisessa laitteessa on, että siinä käytetään valolähteitä, jotka on varustettu omilla linssijärjestelyillä. Valolähteet ovat verraten 25 isokokoisia ja vievät näinollen tilaa.

. Epäkohtana optisessa laitteessa on edelleen, että se koostuu erillisistä komponenteista, joten sen kokoaminen ja toimintakuntoon saattaminen tulee kalliiksi .

30 Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat.

: Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin stabiliteetiltaan hyvä, pienikokoinen ja halpa laite kohteen paikallistamiseksi sekä myös vastaavan-35 lainen valolähetin erityisesti ko. laitetta varten.

Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin laite kohteen paikallistamiseksi, jolla etäisyyden 91999 3 määritys useisiin kohteen pisteisiin eli kohteen hahmottaminen voidaan tehdä hyvin nopeasti.

Keksinnön mukaiselle laitteelle kohteen paikallistamiseksi on tunnusomaista se, mitä on esitetty 5 patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnön mukaiseen laitteeseen kohteen paikallistamiseksi optisen säteilyn avulla kuuluu valolähde, optinen ilmaisin, optiset välineet ja ohjausyksikkö.

10 Valolähteeseen kuuluu joukko valoelimiä, jotka on sovitettu etäisyyden päähän toisistaan. Optinen ilmaisin on paikkaherkkä ilmaisin. Tällaisen ilmaisimen avulla tuleva valokeila voidaan havaita eri kohdissa ilmaisinpintaa. Ilmaisimen avulla havaitaan ja paikal-15 listetaan kohteesta siroavat valokeilat, mikäli ne ovat ilmaisimen havaintoalueella.

Optisiin välineisiin kuuluu valolähdeoptiikka ja ilmaisinoptiikka, joka valolähdeoptiikka on valolähteen yhteydessä ja ilmaisinoptiikka ilmaisimen yhtey-20 dessä. Valolähdeoptiikan avulla saadaan aikaan valoeli-mien lähettämästä säteilystä joukko pienen avautumis-kulman omaavia valokeiloja, jotka suunnataan määrättyyn avaruuskulmaan kohti paikallistettavaa kohdetta. II-maisinoptiikan avulla kohteesta siroavia valokeiloja 25 kootaan ja kohdistetaan ilmaisimen valoherkälle pinnal-: le ·

Ohjausyksikkö on järjestetty saattamaan toimimaan halutut valoelimet, paikallistamaan paikkaherkkään ilmaisimeen saapuva valosignaali ja laskemaan toimivan 30 valoelimen paikan sekä ilmaisukohdan paikan perusteella kohteen pinnan kohdan etäisyys kolmiomittausperiaat-- teella.

Keksinnön mukaisesti valolähde ja valolähde-optiikka on integroitu tiiviiksi valolähetinyksiköksi, 35 johon valolähteeseen kuuluvat valoelimet on järjestetty lähelle toisiaan ja varustettu yhteisellä valolähdeop-tiikalla; ja optinen ilmaisin ja ilmaisinoptiikka on 4 91999 integroitu tiiviiksi valovastaanotinyksiköksi, jossa ilmaisinelimet on varustettu yhteisellä ilmaisinoptii-kalla; jotka yksiköt on sovitettu toistensa ja edullisesti ohjausyksikön välittömään läheisyyteen. Tiiviillä 5 yksiköllä tarkoitetaan yhtenäistä ja suhteellisen pieneen tilaan saatettua elektronisen komponentin kaltaista osakokonaisuutta.

Laitteen eräässä sovellutuksessa valolähdeyk-sikkö ja valovastaanotinyksikkö on sovitettu erillisiin 10 pakkauksiin, kuten koteloihin. Kumpikin integroitu yksikkö muodostaa näinollen yhtenäisen ja kompaktin elektronisen komponentin. Integroituun valolähetinyk-sikköön kuuluvat valolähteen valoelimet on järjestetty lähelle toisiaan ja sovitettu pienikokoiseen ja yh-15 tenäiseen koteloon, joka on varustettu valolähdeoptii-kalla. Vastaavasti integroituun valovastaanotinyksik-köön kuuluva optisena ilmaisimena toimiva paikkaherkkä ilmaisin, johon kuuluu joukko ilmaisinelimiä, on sovitettu toiseen pienikokoiseen ja yhtenäiseen koteloon, 20 joka on varustettu ilmaisinoptiikalla.

Kummankin em. yksikön kotelo on edullisimmin standardikotelo, johon kuuluu pohjaosa, kansiosa, joka on varustettu ikkunalla ja vaippaosa, johon pohjaosa ja kansiosa on kiinnitetty ja joka kotelo on hermeettises-25 ti suljettu. Tällaisia koteloita käytetään yleisesti • elektronisten komponenttien pakkaamiseen.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähdeop-tiikkaan ja ilmaisinoptiikkaan kuuluu samanlaiset linssi järjestelyt . Näiden linssijärjestelyjen polttotasot 30 ovat olennaisesti samalla tasolla valolähteen valoeli-mien ja vastaavasti optisen ilmaisimen ilmaisinelimien ‘ kanssa. Kummankin optiikan ominaisuudet ovat näin olen naisesti samanlaiset. Näin valolähetinyksikkö ja valovastaanotinyksikkö ovat toistensa kanssa yhteensopivat 35 ja niiden sovittaminen erilaisiin ympäristöihin helpot tuu.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähdeyk- 91999 5 si kkö ja valovastaanotinyksikkö on sovitettu samaan tiiviiseen, so. pieneen ja yhtenäiseen pakkaukseen, jotka yksiköt on erotettu toisistaan sopivalla valoalä-päisemättömällä suojalla. Tässä laitteessa yksiköt 5 voidaan järjestää yhteiseen koteloon tai runkoon yhtenäiseksi sähköoptiseksi komponentiksi, jossa valolähde-ja ilmaisinoptiikat ovat toistensa välittömässä läheisyydessä joko kiinni toisissaan tai pienen etäisyyden päässä toisistaan. Optiikat täytyy tällöin eristää 10 toisistaan suojalevyllä tai -pinnalla siten, että valolähteen säteily ei suoraan optiikkojen kautta vaikuttaisi ilmaisimeen.

Valolähdeyksikön ja valovastaanotinyksikön samaan tiiviiseen pakkaukseen sovittamisen etuna on, 15 että tällaisen kohteen paikannuslaitteen soveltaminen helpottuu. Laite on kompakti ja se vaatii pienen tilan. Lisäksi yksiköt sovitetaan toisiinsa siten, että ne toimivat ennalta määrätyissä olosuhteissa luotettavasti ja sovitulla tarkkuudella.

20 Laitteen eräässä sovelluksessa valolähdeop- tiikkaan ja ilmaisinoptiikkaan kuuluu holografinen elementti optisen suorituskyvyn parantamiseksi. Tämä elementti voi olla holografinen hila tai linssi. Elementillä voidaan korjata optiikan linssivirheitä ja paran-25 taa varsinaisen optiikan omianisuuksia tämän dimensioi-: den optimoimiseksi, kuten polttovälin lyhentämiseksi pienemmän pakkauksen mahdollistamiseksi.

Laitteen eräässä sovellutuksessa siihen kuuluu joukko valolähdeykskköjä. Näin ollen laitteeseen kuuluu 30 esim. kaksi valolähdeyksikköä ja yksi valovastaanotinyksikkö. Valolähdeyksiköt on viritetty siten, että yksi • · : niistä kohdistaa valokeilat lähialueelle tiettyyn sek toriin lähialueen tutkimiseksi ja toinen kaukoalueelle toiseen sektoriin tämän alueen tutkimiseksi. Lähialue 35 sijaitsee esim. n. 0,5 m etäisyydellä laitteesta kun taas kaukoalue sijaitsee useiden metrien etäisyydellä. Tällaisen laitteen etuna on, että sen avulla voidaan 6 91999 tehokkaasti ja luotettavasti tutkia verraten laajaa aluetta, jossa valolähdeyksiköt on optimoitu toimimaan omilla sektoreillaan ja/tai etäisyyksillään laitteesta. Valolähdeyksiköiden sektorit voivat olla osittain tai 5 kokonaan päällekkäiset.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähdeyksik-köön ja valovastaanotinyksikköön on järjestetty optisesti läpinäkyvä taitekertoimet yhteensovittava väliosa valolähteen ja valolähdeoptiikan ja vastaavasti optisen 10 ilmaisimen ja ilmaisinoptiikan väliin. Valolähdeyksi- kössä väliosa on sovitettu tiiviisti sekä valolähdettä että valolähdeoptiikkaa vasten ja vastaavasti valovas-taanotinyksikössä sekä optisen ilmaisimen ilmaisinele-menttejä että ilmaisinoptiikkaa vasten.

15 Väliosan tarkoituksena on sovittaa eri osien, so. valoelimien ja valolähdeoptiikan ja vastaavasti ilmaisinelimien ja ilmaisinoptiikan taitekertoimet toisiinsa. Etuna tästä järjestelystä on, että häviöt pienenevät, sellaisten rajapintojen määrä vähenee, 20 jotka voivat likaantua eikä yksikön sisälle pääse tii vistymään vettä. Lisäksi valolähdeyksikön valoelimien jäähdytys paranee.

Laiteen eräässä sovellutuksessa valolähdeyksikön ja valovastaanotinyksikön väliosat on muodostettu 25 valetusta materiaalista, edullisesti epoksista. Valmis- .: tusteknisesti on edullista muodostaa väliosat valamalla sopivasta valoa hyvin läpäisevästä ja helpostikäsitel-tävästä materiaalista. Epoksi on eräs tällainen tunnettu materiaali.

30 Laitteen eräässä sovellutuksessa valolähdeop- tiikka ja vastaavasti ilmaisinoptiikka väliosineen on ·’ toteutettu saumattomasti samasta kiinteästä optisesta materiaalista, kuten epoksista. Tämä rakenne on valmis-tusteknisesti edullinen, koska optiikkoja ja väliosia 35 ei valmisteta erikseen, vaan nyt ne muodostetaan yhdessä työvaiheessa.

Laitteen eräässä sovelluksessa ohjausyksikkö il 91999 7 on jaettu toiminnallisesti kahteen selvästi erilliseen yksikköön so. valolähteen ohjausyksikköön ja valosignaalin käsittely-yksikköön. Valolähteen ohjausyksikkö on yhdistetty valolähetinyksikköön ja vastaavasti valo-5 signaalin käsittely-yksikkö valovastaanotinyksikköön.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähteen ohjausyksikköön kuuluu valolähteen valoelimien ohjaimet valoelimien saattamiseksi toimintaan ja toiminnan pysäyttämiseksi/ modulaattori toiminnassa olevien valo loelimien ohjaamiseksi halutulla tavalla ja tietojenkäsittely-yksikkö, kuten mikroprosessori sopivine oheis-piireineen, ohjaimien ja modulaattorin toimintojen ohjaamiseksi ja valvomiseksi. Valolähteen ohjausyksikön avulla lähetettävien valokeilojen määriä ja järjestystä 15 voidaan muuttaa tutkittavasta kohteesta tms. riippuen.

Edelleen lähetettyjä valokeiloja voidaan moduloida mm. taustavalaistuksen eliminoimiseksi. Valosignaaleja voidaan lähettää esim. pulssittain eriaikaisesti eri valoelimistä tai moduloida erilaisilla toistotaajuuk-20 silla ja lähettää esim. samanaikaisesti eri valoelimis tä.

Valolähetinyksikön valoelimien ja valovas-taanotinyksikön optinen ilmaisin on edullista synkronoida toimimaan samanaikaisesti. Tällöin ilmaisimen 25 herkkyyttä vastaanottaa valoelimien lähettämiä valosin- . gaaleja voidaan parantaa merkittävästi. Tämä on to teutettavissa siten, että valolähteen ohjausyksikkö ja valosignaalin käsittely-yksiköt yhdistetään toisiinsa ja toiminnan synkronointi suoritetaan valolähteen va-30 loelimien ohjaustoiminnan perusteella siirtämällä tieto toiminta- tai modulointitaajuudesta ja vaiheesta va-Γ: losignaalin käsittely-yksikköön.

Laitteen eräässä sovelluksessa valosignaalin käsittely-yksikköön kuuluu joukko esivahvistimia paik-35 kaherkältä ilmaisimelta saatavien signaalien vahvis tamiseksi ja signaalien käsittely-yksikkö vahvistettujen valosignaalien käsittelemiseksi. Signaalien käsit- 8 91999 tely-yksikköön kuuluu edullisimmin tietojenkäsittely-yksikkö, kuten mikroprosessori sopivine oheispiirei-neen.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähteen 5 ohjausyksikkö ja valosignaalin käsittely-yksikkö on muodostettu integroiduiksi yksiköiksi. Kumpikin yksikkö muodostaa näinollen yhtenäisen ja kompaktin elektronisen komponentin.

Keksinnön mukaiselle valolähettimelle on tun-10 nusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 10. Keksinnön mukaiseen valolähettimeen kuuluu: valolähde, johon kuuluu joukko valoelimiä; valolähdeoptiik-ka, jonka avulla saadaan aikaan valoelimien lähettämästä säteilystä joukko pienen avautumiskulman omaavia 15 valokeiloja, jotka suunnataan määrättyyn avaruuskulmaan ulospäin valolähettimestä.

Keksinnön mukaisesti valolähettimen valolähde ja valolähdeoptiikka on integroitu tiiviiksi valolähe-tinyksiköksi, johon valolähteeseen kuuluvat valoelimet 20 on järjestetty lähelle toisiaan ja sovitettu tiiviiseen so. pienikokoiseen ja yhtenäiseen pakkaukseen, kuten koteloon, joka on varustettu valolähdeoptiikalla. Integroitu yksikkö muodostaa näin ollen yhtenäisen ja kompaktin elektronisen komponentin. Koteloon kuuluu 25 edullisimmin pohjaosa, vaippaosa ja kansiosa. Valoläh-: teen valoelimet on järjestetty lähelle toisiaan kotelon pohjaosaan ja kotelon kansiosa on varustettu ikkunalla ja valolähdeoptiikalla.

Keksinnön mukaista valolähdettä käytetään 30 edullisimmin kohteen paikannuslaitteen komponenttina.

On kuitenkin selvää, että sovellutuksia ei rajata yk-: sinomaan paikannuslaitteisiin, vaan monet muut sovellu tukset, kuten optiset kytkimet ja valvontalaitteet, ovat mahdollisia.

35 Laitteen eräässä sovelluksessa valolähetinyk- sikön kotelo on edullisimmin hermeettisesti suljettu standardikotelo, kuten edellä on jo todettu keksinnön 91999 9 mukaisen kohteen paikannuslaitteen valolähetinyksikön kohdalla.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähdeop-tiikkaan kuuluu linssijärjestely, jonka polttotaso on 5 olennaisesti samalla tasolla valolähteen valoelimien kanssa. Tällaisella järjestelyllä valolähdeyksiköstä saatavat valokeilat ovat mahdollisimman tiiviitä keiloja, joiden hajaantumiskulma on pieni.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähdeop-10 tilkkaan kuuluu linssijärjestelynä tasokupera linssi. Tällaisen linssin kiinnittäminen kotelon kansiosaan ja edullisimmin kansiosan ikkunaan on suhteellisen yksinkertaista. On selvää, että monenlaiset linssijärjestelyt ovat mahdollisia, mutta valmistuksen ja kustannus-15 ten kannalta on toivottavaa, että linssijärjestelyt ovat suhteellisen yksinkertaisia.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähdeop-tiikkaan kuuluu holografinen elementti, kuten läpäisy-hila tai linssielementti, kuten edellä on jo todettu 20 keksinnön mukaisen kohteen paikannuslaitteen yhteydessä. Holografisella elementillä voidaan korjata linssi-järjestelyn päävirheitä ja optimoida opitiikan dimensioita. Holografisen elementin liittäminen valolähdeop-tiikkaan tapahtuu yksinkertaisesti esim. linssin ja 25 kotelon kansiosan ikkunan väliin.

: Laitteen eräässä sovellutuksessa valolähteen ja valolähdeoptiikan väliin on järjestetty optisesti läpinäkyvä optiikan ja valoelimien taitekertoimet yh-teensovittava väliosa. Tämä väliosa on sovitettu tii-30 viisti sekä valolähdettä että valolähdeoptiikkaa vasten. Väliosa on sellainen osa, mikä edellä esitettiin : kohteen paikallistamislaitteen yhteydessä.

Laitteen eräässä sovelluksessa valoelin on valodiodi ja valolähde on muodostettu joukosta valodio-35 de ja eli LEDejä. LED-komponentit voivat olla esimerkiksi tehokkaita GaAs- ja GaAlAs -valodiodeja, jotka toimivat lähi-infrapuna-alueella. LEDit erityisesti ns.

10 91999 LED-palat voidaan integroida pieneen tilaan hyvin tiiviiseen muotoon laitteen kulmaresoluution lisäämiseksi.

Laitteen eräässä sovelluksessa valoelin puolijohdelaser ja valolähde on muodostettu joukosta puoli-5 johdelasereita.

Laitteen eräässä sovelluksessa valolähde on muodostettu valoelimistä/ joihin on yhdistetty valojoh-teet, kuten optiset kuidut, valon johtamiseksi sopivasta määrätystä paikasta kohti valolähdeoptiikkaa.

10 Keksinnön valolähteen valoelimet voidaan to teuttaa monin eri tavoin. Edellä esitetyt valoelimet on tarkoitettu lähinnä esimerkeiksi, eikä valoelimien vaihtoehtoja tule rajata niiden mukaan.

Laitteen eräässä sovelluksessa valoelimet on 15 järjestetty sopivaan geometriseen muotoon, kuten yhden tai useamman suoran tai kaarevan rivin, renkaan tai matriisin muotoon. Yleisesti ottaen valoelimet voidaan sijoittaa sopivien etäisyyksien päähän toisistaan suoralle tai kaarevalle alustalle tarkoituksenmukaiseen 20 geometriseen muotoon, joka muoto riippuu sovellutuskohteesta ja erityisesti siitä, minkämuotoista pintaa havainnoidaan mahdollisimman luotettavan vastaanot-tosignaalin saamiseksi.

Laitteen eräässä sovelluksessa ilmaisin on 25 yksi- tai kaksiulotteinen paikkaherkkä valoilmaisin.

. Optiseen ilmaisimeen kuuluu joukko ilmaisinelimiä, jotka on järjestetty lähelle toisiaan ja sovitettu tiiviiseen koteloon, joka on varustettu ilmaisinoptii-kalla. Ilmaisinelimet on integroitu pieneen tilaan tii-30 viin ja edullisesti suoran rivin tai matriisin muotoon. Optinen ilmaisin voi olla esim. paikkaherkkä valodiodi, CCD-ilmaisin tai muu vastaava sinänsä tunnettu ilma_-sin.

Laitteen eräässä sovelluksessa ilmaisinoptiik-35 kaan kuuluu valojohteet, kuten optiset kuidut, joiden ensimmäisiin päihin fokusoidaan kohteesta sironnutta säteilyä ilmaisinoptiikan avulla ja joiden kuitujen 91 999 11 toiset päät on yhdistetty optiseen ilmaisimeen.

Keksinnön etuna on, että niin paikannuslaite kuin valolähetin voidaan toteuttaa pienikokoisena, helposti käsiteltävänä ja luotettavana massatuotteena, 5 jota voidaan soveltaa monilla eri tekniikan alueilla, erityisesti robotiikassa.

Keksinnön etuna on, että valolähetin- ja il-maisinyksiköt voidaan toteuttaa komponenttisarjoina, joiden ominaisuudet vaihtelevat, mutta ovat tarkasti 10 määritetyt.

Keksinnön mukaisten laitteiden etuna on edelleen selkeä rakenne, pieni koko ja alhaiset valmistuskustannukset .

Keksinnön mukaisten laitteiden ansiosta pai-15 kannusmittauslaite voidaan toteuttaa muutaman komponentin avulla ja kuhunkin sovellutukseen parhaiten sopivien komponenttien avulla.

Edelleen keksinnön ansiosta paikanmittausmah-dollisuudet ja -sovellutukset kasvavat.

20 Keksinnön ja erityisesti keksinnön mukaisen paikanmittauslaitteen etuna on, että siihen voidaan yhdistää useampia valolähettimiä, jotka kohdistetaan omiin sektoreihinsa. Nämä sektorit voivat osua päällekkäin osittain tai kokonaan.

25 Keksinnön ja erityisesti keksinnön mukaisen . paikanmittauslaitteen etuna on, että valolähdettä tai useampia valolähteitä voidaan moduloida halutulla taajuudella ja vastaavasti optisen ilmaisimen toimintaa ja näin parantaa mm. paikanmittauslaitteen herkkyyttä.

30 Keksinnön etuna on, että paikanmittaukset voi daan tehdä hyvin nopeasti.

: Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskoh taisesti viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa kuva 1 esittää keksinnön mukaisen paikannus-35 laitteen lohkokaaviota; kuva 2 esittää kaaviomaisesti halkileikkaukse-na valolähettimen erästä sovellusta; 12 91999 kuva 3 esittää leikkausta ΑΆ kuvan 1 valolä-hettimestä; kuva 4 esittää kaaviomaisesti halkileikkaukse-na optisen ilmaisimen erästä sovellusta; 5 kuva 5 esittää leikkausta B-B kuvan 2 ilmaisi mesta; kuva 6 esittää kaaviomaisesti halkileikkaukse-na erästä sovellusta laitteesta kohteen paikallistamiseksi; 10 kuva 7 esittää päältäkatsottuna kuvan 6 lai tetta; kuva 8 esittää kaaviomaisesti halkileikkaukse-na valolähettimen erästä toista sovellusta; kuva 9 esittää kaaviomaisesti halkileikkaukse-15 na erästä toista sovellusta laitteesta kohteen paikallistamiseksi; ja kuva 10 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen paikannuslaitteen erästä sovellusta.

Kuvassa 1 on lohkokaaviomuodossa esitetty 20 laite kohteen paikallistamiseksi tilassa. Laitteeseen kuuluu valolähde 1. Valolähteeseen 1 kuuluu joukko etäisyyden päässä määrätyssä suunnassa toisistaan olevia pulssittain toimintaan saatettavia erillisiä va-loelimiä 2. Edelleen laitteeseen kuuluu optinen ilmai-25 sin 3, joka on paikkaherkkä ilmaisin kohteesta siroavi-: en keilamaisten valopulssien ilmaisemiseksi ja paikal listamiseksi ilmaisimella. Laitteeseen kuuluu myös optiset välineet so. valolähdeoptiikka 5 valoelimistä 2 saatavien valopulssien suuntaamiseksi valokeiloina 30 kohteeseen ja ilmaisinoptiikka 6 kohteesta heijastuvien valokeilojen kokoamiseksi ja kohdistamiseksi il-• maisimeen 3.

Laitteeseen kuuluu vielä ohjausyksikkö 7. Ohjausyksikkö 7 on muodostettu valolähteen ohjausyksi-35 köstä 8 ja signaalin käsittely-yksiköstä 9, jotka on vastaavasti yhdistetty valolähteeseen 1 ja ilmaisimeen . 3. Valolähteen ohjausyksikkö 8 saattaa toimimaan halu- 91999 13 tun lukumäärän valoelimiä 2 esim. yksitellen halutussa järjestyksessä# paikallistaa paikkaherkkään ilmaisimeen 3 saapuvat valopulssit ja laskee toimivan valoelimen 2 paikan sekä ilmaisimen 3 ilmaisukohdan paikan perus-5 teella kohteen pinnan kohdan etäisyyden sinänsä tunnetulla kolmiomittausperiaatteella.

Kolmiomittausperiaatteessa kohteeseen suunnataan perustasosta valonsäde tietyssä kulmassa Θ perustasoon nähden. Etäisyyden b päässä em. valolähteestä 10 on ilmaisin. Ilmaisimen optinen akseli on kohtisuorassa perustasoa vastaan. Tällöin pisteen etäisyys 1 perustasosta saadaan kaavalla 1 = b-tanö.

Valolähde 1 ja valolähdeoptiikka 5 on integroitu valolähetinyksiköksi 10 eli lähetinkomponentiksi, 15 kuten kuvassa 2 ja 3 on esitetty. Valolähetinyksikössä 10 valolähde 1 ja valolähdeoptiikka 5 on sovitettu koteloon 11 siten, että valoelimet 2 on järjestetty suoraan riviin 2a säännöllisin etäisyyksin toisistaan. Vaihtoehtoisesti valoelimiä voi olla kahdessa suorassa 20 rivissä 2a, 2b {piirretty katkoviivoin kuvaan 3), jotka ovat suorassa kulmassa toisiinsa nähden. Valoelin 2 on valoa emittoiva diodi eli LED ja valolähde 1 muodostuu joukosta valodiodeja.

Kotelo 11 on standardikotelo, esim TO-8, johon 25 kuuluu pohjaosa 12, kansiosa 13, ja sylinterimäinen vaippaosa 14. Kansiosa 13 on varustettu ikkunalla 13a. Pohjaosa 12 ja kansiosa 13 ovat tiivisti kiinni vaip-paosassa 14. Kotelo 11 on hermeettisesti suljettu. Valolähteen 1 valoelimet 2 on asennettu kotelon 11 poh-30 jaosaan 12, jonka läpi valolähteen johtimet 15 on tuotu. Kansiosa 13 on varustettu valolähdeoptiikalla 5.

.. Valoelimet 2 on järjestetty sellaisen etäisyyden a päähän valolähdeoptiikasta 4, joka vastaa valolähdeop-tiikan polttoväliä.

35 Kuvan 2 ja 3 mukaisessa valolähetinkomponen- tissa valolähdeoptiikkaan 5 kuuluu linssijärjestelynä tasokupera linssi 16 ja holografinen läpäisyhila 17 14 91999 linssijärjestelyn päävirheiden korjaamiseksi. Linssi 16 ja läpäisyhila on kiinnitetty esim. liimaamalla kotelon 11 ikkunaan 13a.

Optinen ilmaisin 3 ja ilmaisinoptiikka 6 on 5 integroitu valovastaanotinyksiköksi 18 eli vastaanotin-komponentiksi, kuten kuvassa 4 ja 5 on esitetty. Valo-vastaanotinyksikössä 18 optisen ilmaisimena 3 toimiva paikkaherkkä ilmaisin ja ilmaisinoptiikka 6 on sovitettu koteloon 19 siten, että optisen ilmaisimen 3 ilmai-10 sinelimet 4 on järjestetty suoraan riviin 4a säännöllisin etäisyyksin toisistaan. Ilmaisimen 3 ilmaisinelimet 4 ovat fotodiodeja, jotka on integroitu suoraksi riviksi 4a. Ilmaisin 3 voidaan toteuttaa myös yksi- tai kaksiulotteisena paikkaherkkänä valoilmaisimena, kuten 15 CCD-rivi- tai matriisi-ilmaisimena.

Kotelo 18 on standardikotelo, ja se vastaa edullisesti valolähetinyksikön 10 koteloa 11. Kuvissa 4 ja 5 vastaavista kotelon osista on käytetty samoja viitenumerolta kuin kuvissa 2 ja 3. Tässäkin tapaukses-20 sa koteloon 19 kuuluu pohjaosa 12, kansiosa 13 ja sy-linterimäinen vaippaosa 14. Kansiosa 13 on varustettu ikkunalla 13a, johon ilmaisinoptiikka 6, kuten tasoku-pera linssi 20 on sopivasti kiinnitetty. Kotelo 18 on hermeettisesti suljettu. Optisen ilmaisimen 3 il-25 maisinelimet 4 on asennettu kotelon 18 pohjaosaan 12, •i jonka läpi ilmaisimen 3 johtimet 21 on tuotu. Ilmaisin- elimet 4 on järjestetty sellaisen etäisyyden b päähän ilmaisinoptiikasta 6, joka vastaa ilmaisinoptiikan polttoväliä.

30 Ohjausyksikkö 7 on jaettu toiminnallisesti kahteen erilliseen yksikköön so. valolähteen ohjausyk-' sikköön 8 ja valosignaalin käsittely-yksikköön 9, kuten edellä kuvan 1 yhteydessä todettiin. Fyysisesti yksiköt 8, 9 voivat muodostaa esim. yhteisen integroidun pii-35 rin.

Valolähteen ohjausyksikköön 8 kuuluu valolähteen 1 valoelimien 2 ohjaimet 22 valoelimien kytkemi- 91999 15 seksi toimintaan ja pois toiminnasta, modulaattori 23 toiminnassa olevien valoelimien lähtösäteilyn moduloi-miseksi, kuten pulssittamiseksi, halutulla tavalla ja tietojenkäsittely-yksikkö 24, kuten mikroprosessori 5 sopivine oheispiireineen, ohjaimien 22 ja modulaattorin 23 toimintojen ohjaamiseksi ja valvomiseksi.

Valolähteen ohjausyksikön 8 avulla valolähteestä 1 lähetettävien valokeilojen määriä ja järjestystä voidaan muuttaa tutkittavasta kohteesta tms.

10 riippuen. Edelleen lähetettyjä valokeiloja voidaan moduloida mm. ilmaisun tehostamiseksi ja taustavalais-tuksen eliminoimiseksi. Valolähteen 1 ohjausyksikön 8 tulojen 25 kautta laitteeseen syötetään tiedot, kuten haluttu valokeilan suuntakulma, jonka perusteella valo-15 lähteen 1 valoelin 2 valitaan ja saatetaan toimintaan ensimmäisten lähtöjen 26 kautta annettujen virtasignaa-lien avulla.

Valosignaalin käsittely-yksikköön 9 kuuluu joukko esivahvistimia 28 optiselta ilmaisimelta 3 tulo-20 jen 29 kautta saatavien signaalien vahvistamiseksi ja signaalien käsittely-yksikkö 30 vahvistettujen valosignaalien käsittelemiseksi. Signaalien käsittely-yksikköön 30 kuuluu tietojenkäsittely-yksikkö 31, kuten mikroprosessori sopivine oheispiireineen. Kunkin va-25 loelimen 2 valokeilan lähtökohdan etäisyys kohteeseen ·: saadaan valosignaalin käsittely-yksikön 9 lähdöstä 33.

Valolähteen ohjausyksikkö 8 on yhdistetty toisista lähdöistään 27 valosignaalien käsittely-yksikön 9 toisiin tuloihin 32. Valolähteen ohjausyksiköstä 30 8 lähetetään modulaatiotaajuuteen ja vaiheistukseen liittyviä tietoja valosignaalin käsittely-yksikköön 9 synkronisen ilmaisun aikaansaamiseksi.

Valolähteen ohjausyksikkö 8 ja valosignaalin käsittely-yksikkö 9 on muodostettu integroiduiksi yksi-35 köiksi. Kumpikin yksikkö muodostaa näinollen yhtenäisen ja kompaktin elektronisen komponentin.

Kuvissa 6 ja 7 on esitetty keksinnön mukainen 16 91999 laite kohteen paikallistamiseksi, jossa valolähdeyksik-kö 10 ja valovastaanotinyksikkö 18 on sovitettu samaan tiiviiseen koteloon 35. Tässä yhteydessä käytetään samoja viitenumerolta vastaavista yksiköiden osista 5 kuin kuvissa 2-5.

Yksiköt 10, 18 on erotettu toisistaan sopivalla valoaläpäisemättömällä suojalla 36. Valolähdeyksik-köön 10 ja valovastaanotinyksikköön 18 on järjestetty lisäksi optisesti läpinäkyvä väliosa 37, 38 valolähteen 10 1 ja valolähdeoptiikan 5 ja vastaavasti optisen il maisimen 3 ja ilmaisinoptiikan 6 väliin. Väliosat 37, 38 on valettu epoksista tiiviisti paikoilleen. Valoläh-deoptiikkaan 5 ja ilmaisinoptiikkaan 6 kuuluu holografiset elementit 39, 40, kuten holografiset läpäisyhi-15 lat, optisten virheiden korjaamiseksi.

Yksiköiden 10, 18 valolähde 1, optinen ilmaisin 3 ja ohjausyksikkö 7 on sovitettu piirilevylle 41. Piirilevyllä olevat komponentit voidaan edullisesti suojata omalla kotelollaan 42, joka voidaan täyttää 20 suoja-aineella, kuten epoksilla. Yksiköistä 10, 18 lähtee ulos vain yksi liitos johto 43, joka sisältää tarpeellisen määrän johtimia ja kanavia ulkopuolisten laitteiden kanssa kommunikoimiseksi ja tehon syöttämiseksi yksiköihin.

25 Kuvassa 8 on esitetty valolähettimen ·· eräs sovellutus. Tämä valolähetin vastaa olennaisilta osiltaan kuvien 2 ja 3 valolähtetintä, joten samoja viitenumerolta käytetään vastaavista osista. Valolähet-timeen kuuluu optisesti läpinäkyvä väliosa 44, joka on 30 edullisimmin valettu epoksista tai vastaavasta valolähteen 1 ja valolähdeoptiikan 5 väliin. Valolähteen ohjausyksikkö 46 on sovitettu pohjaosan 45 yhteyteen vastakkaiselle puolelle valolähteeseen 1 nähden. Pohjaosa 45 on varustettu lisäkotelolla 47 (tai valolähetin 35 on kokonaan sopivasti koteloitu) ja täytetty suoja-aineella 48, kuten epoksilla, ohjausyksikön 46 suojaamiseksi .

Il 91999 17

Kuvassa 9 on esitetty keksinnön mukainen laite kohteen paikallistamiseksi, jossa valolähdeyksikkö 10 ja valovastaanotinyksikkö 18 on sovitettu samaan tiiviiseen pakkaukseen. Tässä sovellutuksessa valolähdeop-5 tiikka 5 ja vastaavasti ilmaisinoptiikka 6 väliosineen 37, 38 on toteutettu saumattomasti samasta kiinteästä optisesta materiaalista, kuten epoksista. Tämä laite vastaa muuten olennaisilta osiltaan kuvien 6 ja 7 mukaista laitetta ja siinä on käytetty vastaavista osista 10 samoja viitenumerolta. Optiikat 5, 6 ja väliosat 37, 38 voidaan päällystää valoaläpäisemättömällä kalvolla 49 ympäristön valovaikutusten eliminoimiseksi.

Keksinnön mukaisen paikannuslaitteen toiminnan selvittämiseksi viittaamme kuvaan 10. Valolähteen 1 15 valoelinrivissä 2a aktivoidaan yksi LED 21, LED 22,...ja sen säteily kollimoidaan valolähdeoptiikalla 5 kapean keilan muotoiseksi ja suunnataan kohteeseen K. LED-valoelimen 21, 22, .. . paikka valolähdeoptiikan 5 optisen akselin 00 suhteen määrää lähtökulman eli säteilykeilan 20 01, 02,... lähtösuunnan. Kohteesta heijastunut valosig naali kootaan ilmaisinoptiikalla 6 paikkaherkälle ilmaisimelle 3, jolla määrätään ilmaisinoptiikan 6 optisen akselin I ja kohteen K pinnassa olevan valaistun valopisteen P tarkastelukulman välinen tulokulma eli 25 heijastuneen säteilykeilan II, 12,...tulosuunta. Etäi- ; syys kohteeseen ko. suunnassa voidaan sitten määrätä » « kolmiomittausmenetelmällä.

Aktivoimalla toinen LED valoelinrivissä 2a voidaan muuttaa mittaussuuntaa. Esimerkiksi rivi- tai 30 matriisityyppinen etäisyyskuva kohteesta voidaan muodostaa mittaamalla etäisyys kohteeseen useissa mittaus-: suunnissa. Valosignaalien määriä ja järjestystä, joissa valosignaalit tai -keilat lähetetään, muutetaan tutkittavasta kohteesta tms. riippuen ja valosignaaleja modu-35 loidaan taustavalaistuksen eliminoimiseksi sekä lähettämisen että ilmaisemisen yhteydessä samassa tahdissa synkronisesti.

18 91999

Valolähteen 1 valoeliminä 2 toimivat LED-kom-ponentit voivat olla, esimerkiksi, tehokkaita GaAs- ja GaAlAs -valodiodeja, joiden lähtösäteilyn aallonpituus osuu lähi-infrapuna-alueelle. LEDit voidaan integroida 5 hyvin tiiviin rivin tai matriisin muotoon kulmaresoluu-tion lisäämiseksi. LEDit voidaan integroida yhdelle puolijohdepalalle tai sopivalle substraatille käyttäen erillisiä LED-paloja. Näin valolähteestä muodostetaan pieneen tilaan integroitu rakenne. LEDit voivat olla 10 pulssattuja ja multipleksoituja korkealla taajuudella taustavalon aiheuttaman häiriön minimoimiseksi. Laser-diodeja voidaan myös käyttää valolähteinä, mutta kom-ponenttikustannukset ovat pienemmät käyttämällä LEDejä. Valolähdekomponentit voivat olla myös esim. optisten 15 kuitujen rivi tai matriisi, jotka kuidut on yhdistetty LED -valolähteisiin.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten 20 määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (15)

1. 91999 19
2. 1. Laite kohteen paikallistamiseksi optisen säteilyn avulla, johon laitteeseen kuuluu 5 - valolähde (1), johon kuuluu joukko valoelimiä (2); - paikkaherkkä optinen ilmaisin (3); - optiset välineet (5, 6), joihin kuuluu valolähdeop-tiikka (5), jonka avulla saadaan aikaan valoelimien (2) lähettämästä säteilystä joukko pienen avautumiskulman 10 omaavia valokeiloja, jotka suunnataan määrättyyn ava-ruuskulmaan kohti paikallistettavaa kohdetta (K); ja ilmaisinoptiikka (6) kohteesta (K) siroavan valon kokoamiseksi ja kohdistamiseksi paikkaherkälle ilmaisimelle (3); ja 15. ohjausyksikkö (7), joka on järjestetty saattaamaan toimimaan halutut valoelimet (2), paikallistamaan paik-kaherkkään ilmaisimeen saapuva valosignaali ja laskemaan toimivan valoelimen paikan sekä ilmaisukohdan paikan perusteella kohteen pinnan kohdan etäisyys kol- 20 miomittausperiaatteella, tunnettu siitä, että - valolähde (1) ja valolähdeoptiikka (5) on integroitu tiiviiksi valolähetinyksiköksi (10), johon valolähteeseen (1) kuuluvat valoelimet (2) on järjestetty lähelle toisiaan ja varustettu yhteisellä valolähdeoptiikalla 25 (5); ja ·' - optinen ilmaisin (3) ja ilmaisinoptiikka (6) on in tegroitu tiiviiksi valovastaanotinyksiköksi (18); jotka yksiköt (10, 18) on sovitettu toistensa ja edullisesti ohjausyksikön (7) välittömään läheisyyteen.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että valolähetinyksikkö (10) ja valovastaanotinyksikkö (18) on sovitettu erillisiin pakkauksiin, kuten koteloihin (11, 19).
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, 35 tunnettu siitä, että valolähetinyksikkö (10) ja valovastaanotinyksikkö (18) on sovitettu yhteen pienikokoiseen ja yhtenäiseen pakkaukseen, jotka yksiköt on 91 999 20 erotettu toisistaan sopivalla valoaläpäisemättömällä suojalla.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että valolähdeoptiikkaan (5) ja 5 ilmaisinoptiikkaan (6) kuuluu holografinen elementti optisen suorituskyvyn parantamiseksi.
6. 5. Patenttivaatimuksen 1, 2, 3 tai 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu joukko valolähetinyksikköjä (10).
7. 6. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista mukainen laite, tunnettu siitä, että valolä-hetinyksikköön (10) ja valovastaanotinyksikköön (18) on järjestetty optisesti läpinäkyvä taitekertoimet yhteen-sovittava väliosa valolähteen (1) ja valolähdeoptiikan 15. (5) ja vastaavasti optisen ilmaisimen (3) ja il- maisinoptiikan (6) väliin.
8. 7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että valolähetinyksikön (10) ja valovastaanotinyksikön (18) väliosat on muodostettu 20 valetusta materiaalista, edullisesti epoksista.
9. 8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että valolähdeoptiikka (5) ja vastaavasti ilmaisinoptiikka (6) ja vastaavat väliosat on toteutettu saumattomasti samasta kiinteästä 25 optisesta materiaalista, kuten epoksista. ·" 9. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista mukainen laite, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö (7) on jaettu toiminnallisesti kahteen erilliseen yksikköön, so. valolähteen ohjausyksikköön 30 (8) ja valosignaalin käsittely-yksikköön (9) ja valo lähteen ohjausyksikkö (8) on yhdistetty valosignaalin käsittely-yksikköön (9) valolähteen synkronisessa ilmaisussa tarvittavan modulaatiotaajuuden ja vaiheinfor-maation siirtämiseksi.
10. 10. Valolähetin, johon kuuluu - valolähde (1), johon kuuluu joukko valoelimiä (2); - valolähdeoptiikka (5), jonka avulla valoelimien lä- 91999 21 hettämästä säteilystä saadaan aikaan joukko pienen avautumiskulman omaavia valokeiloja, jotka suunnataan määrättyyn avaruuskulmaan ulospäin valolähettimestä, tunnettu siitä, että valolähettimen valolähde 5 (1) ja valolähdeoptiikka (5) on integroitu tiiviiksi valolähetinyksiköksi (10), johon valolähteeseen (1) kuuluvat valoelimet (2) on järjestetty lähelle toisiaan ja sovitettu pienikokoiseen ja yhtenäiseen pakkaukseen, kuten koteloon (11), joka on varustettu valolähdeoptii-10 kalla (5).
11. 11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että valolähdeoptiikkaan (5) kuuluu holografinen elementti, kuten läpäisyhila (17).
12. 12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen 15 laite, tunnettu siitä, että valolähettimeen kuuluu optisesti läpinäkyvä optiikan ja valoelimien taitekertoimet yhteensovittava väliosa valolähteen (1) ja valolähdeoptiikan (5) väliin.
13. 13. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista 20 mukainen laite, tunnettu siitä, että valoelin (2) on valodiodi ja valolähde (1) on muodostettu joukosta valodiodeja (2a), jotka on edullisimmin integroitu monoliittiseksi rakenteeksi.
14. 14. Jonkin edeltävistä patenttivaatimuksista 25 mukainen laite, tunnettu siitä, että valoelimet :* (2) on järjestetty sopivaan geometriseen muotoon, kuten yhden tai useamman suoran tai kaarevan rivin (2a), renkaan tai matriisin muotoon.
15. 15. Patenttivaatimuksen 2 tai 10 mukainen 30 laite, tunnettu siitä, että kotelo (11? 19) on standardikotelo, johon kuuluu pohjaosa (12), kan-siosa (13), joka on varustettu ikkunalla (13a) ja vaip-paosa (14), johon pohjaosa ja kansiosa on kiinnitetty ja joka kotelo on hermeettisesti suljettu. 35 91999 22