KR20220156617A - 거리 센서용 광학 위치 결정 보조 장치, 거리 측정 시스템 및 대응하는 방법 - Google Patents

거리 센서용 광학 위치 결정 보조 장치, 거리 측정 시스템 및 대응하는 방법 Download PDF

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토르스텐 스타우트메이스터
토비아 쉘러
마르 뢰슬러
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마이크로-엡실론 옵트로닉 게엠바하
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Abstract

본 발명은 측정 물체(8)에 대한 거리 센서(2, 16)의 위치 결정을 보조하기 위한 거리 센서(2)용 광학 위치 결정 보조 장치에 관한 것이다. 광학 위치 결정 보조 장치(6)는 광원(10) 및 제어 유닛(14)을 포함한다. 광원(10)은 설정 광빔(11)을 생성하도록 설계되었으며, 전술한 설정 광빔(11)은 가시거리의 파장(λ)을 가지고 측정 물체(8) 상에 광점을 생성하는 데에 적합하다. 제어 유닛(14)은 거리 입력(15)을 가지며 설정 광빔(11)의 적어도 하나의 특성을 제어하기 위해 광원(10)에 통신 가능하게 연결된다. 제어 유닛(14)은 거리 입력(15)에 입력된 입력 값을 평가하며, 설정 광빔(11)이 입력 값에 관한 결론을 도출할 수 있게 하는 방식으로, 평가 결과에 기반하여 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 주도록 설계된다. 본 발명은 또한 이러한 광학 위치 결정 보조 장치(6)를 포함하는 거리 측정 시스템(1, 1') 및 측정 대상(8)에 대한 거리 센서(2, 16)의 위치 결정을 보조하는 방법 에 관한 것이다.

Description

거리 센서용 광학 위치 결정 보조 장치, 거리 측정 시스템 및 대응하는 방법
본 발명은 측정 물체에 대한 거리 센서의 위치 결정을 보조하기 위한 거리 센서용 광학적 위치 결정 보조장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 거리 측정 시스템 및 대응하는 방법에 관한 것이다.
많은 기술 분야에서, 거리 센서는 특히 중요하다. 센서와 측정 물체 사이의 거리는 거리 센서로 측정된다. 정된 거리에서 센서로부터 측정 물체의 거리에 대한 정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 몇 가지 전형적인 예만으로, 수행된 평가의 기능으로, 측정 물체의 프로파일, 층 두께, 간격 폭, 표면 품질 또는 측정 물체의 존재에 대한 정보 등이다. 알려진 센서 기술과 센서 신호 분석 가능성은 그에 따라 다양하다. 적용 영역과 측정 물체에 따라, 광학 센서(예: 간섭계 센서, 공초점 색 센서 또는 삼각측량 센서), 용량성 또는 유도성 센서가 사용된다.
거리 센서는 거리 측정 범위와 측면 측정 범위가 있다. 거리 측정 범위는 측정 물체과 거리 센서 사이의 거리(최소 측정 거리)와 측정이 가능한 거리(최대 측정 거리)를 나타낸다. 최소 측정 거리는 거리 센서까지 도달할 수 있다. 그러나 실제로는, 최소 측정 거리는 일반적으로 거리 센서에서 떨어져 있다. 측면 측정 범위는 거리 측정 범위와 가로로 측정 물체을 측정할 수 있는 범위를 나타낸다.
일부 센서 기술에서, 거리 측정 범위 및/또는 측면 측정 범위를 비교적 용이하게 인식할 수 있다. 예를 들어, 삼각 측량 센서는 가시거리의 빛을 사용하여 측정 물체의 측면 위치 결정이 용이하게 가능하다. 그럼에도 불구하고 이 경우에도 거리 측정 범위는 종종 추측만 할 수 있다. 가시거리 밖에서 측정하는 센서의 경우, 예를 들어, 적외선 범위에서 빛을 측정하는 경우 또는 정전용량형 또는 유도형 센서의 경우, 측정 물체의 정확한 위치 결정은 데이터 시트와 미터 스틱(또는 다른 유사한 측정 장치)을 사용해야만 가능하다.
기계나 시스템 내에 거리센서를 설치하는 동안에는 거리센서의 정확한 위치 결정이 거의 필요하지 않기 때문에, 설치는 종종 복잡하고 오류가 발생하기 쉬운 작업이 된다. 이 문제는, 거리 측정 범위 및/또는 측면 측정 범위가 작은 경우, 예를 들어, 거리 측정 범위는 몇 밀리미터에 불과하고 측면 측정 범위는 1밀리미터 미만일 경우, 더 악화된다. 이러한 경우, 추가 보조 장치 없이 위치를 지정하는 것은 사실상 불가능하다.
실제로, 따라서 측정 물체에 대한 거리 센서의 위치 결정에서 설치자를 지원하기 위해 위치 결정 보조 장치를 갖는 측정 시스템이 알려져 있다. 이 목적을 위해, 측정 시스템의 컨트롤러 유닛에는 측정된 거리 값의 분류를 허용하는 디스플레이가 있다. 이러한 디스플레이는, 예를 들어, 측정된 거리 값이 측정 범위의 중심에 있을 때 녹색 LED(발광 다이오드)로 표시할 수 있다. 이런 방식으로, 설치자는 거리 센서와 측정 물체을 서로 상대적으로 정확하게 배치할 수 있다. 이의 단점은 설치자가 항상 거리 센서와 컨트롤러 장치 사이에서 시선을 앞뒤로 전환해야 한다는 것이다. 거리 센서의 수행된 조정은 컨트롤러 장치의 디스플레이를 참조한 경우에만 확인할 수 있다. 결과적으로, 설정 프로세스는 매우 복잡하고 시간이 많이 소요될 수 있다.
본 발명의 목적은, 측정 물체에 대한 거리 센서의 위치 결정이 가장 간단한 방법으로 가능하도록, 처음에 언급된 타입의 위치 결정 보조 장치, 거리 측정 시스템 및 방법을 설계 및 개발하는 것이다.
본 발명에 따르면, 전술한 목적은 청구항 제1항의 특징에 의해 달성된다. 따라서, 대응하는 위치 결정 보조 장치는:
설정 광빔-여기서 설정 광빔은 가시거리 내의 파장을 가지며 측정 물체 상에 광점을 생성하는 데 적합함-을 생성하기 위한 광원; 및
거리 입력을 가지며 설정 광빔의 적어도 하나의 특성을 제어하기 위해 광원에 통신 가능하게 연결된 제어 유닛
를 포함하고,
제어 유닛은, 설정 광빔을 통해 입력 값에 대한 결론이 도출되도록 허용하도록, 평가 결과에 기반하여 거리 입력에 입력된 입력 값을 평가하고 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 미치도록 설계되었다.
거리 측정 시스템과 관련하여, 전술한 목적은 청구항 제6항의 특징에 의해 달성된다. 따라서 문제의 거리 측정 시스템은:
거리 센서와 측정 물체 사이의 거리를 측정하기 위한 거리 센서, 및
본 발명에 따른 광학 위치 결정 보조 장치
를 포함하고,
거리 센서는 위치 결정 보조 장치에 통신 가능하게 연결되며 측정된 거리 값을 나타내는 입력 값을 위치 결정 보조 장치의 거리 입력에 입력한다.
방법과 관련하여, 전술한 목적은 청구항 제12항의 특징에 의해 달성된다. 따라서, 본 방법은:
측정 물체과 거리 센서 사이의 거리를 측정하여, 입력 값을 생성하는 단계,
평가의 결과를 생성하기 위해 입력 값을 평가하는 단계,
위치 결정 보조 장치의 광원에 의해 설정 광빔을 생성하는 단계, 및
측정 물체 상에 광점을 생성하기 위해, 설정 광빔을 측정 물체에 지향시키는 단계
를 포함하고,
설정 광빔을 통해 입력 값에 대한 결론을 도출할 수 있도록, 설정 광빔의 적어도 하나의 특성은 평가 결과에 따라 영향을 받는다.
본 발명에 따른 방식으로, 측정된 거리 값에 대한 정보가 측정 물체에 직접적으로 표시되는 거리 센서의 간단한 위치 결정 가능성이 달성될 수 있다는 것이 처음으로 인식되었다. 이를 위해, 본 발명에 따르면, 측정 물체에 충돌 시 가시광선을 발생시키도록 설계된 설정 광선이 사용된다. 이를 위해, 설정 광선은 가시거리에서, 즉 380nm와 750nm 사이의 파장에서, 적어도 하나의 파장을 가지고 있다. 또한, 광점의 관찰에서 입력 거리 값에 대한 결론을 도출할 수 있도록, 설정 광빔은 입력 거리 값을 기반으로 하나 이상의 특성에서 영향을 받을 수 있다. 이는 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 주어 가시거리에 영향을 미치므로 측정 물체의 광점에 육안으로 인지할 수 있는 영향을 미치기 때문이다.
이러한 설정 광빔을 발생시키기 위해서는, 광원 및 제어 유닛을 포함하는 위치 결정 보조 장치가 본 발명에 따라 제공된다. 거리 센서(및 가능한 추가적인 어셈블리)와 함께, 이러한 위치 결정 보조 장치는 거리 측정 시스템을 구성할 수 있다. 광원은 측정 물체을 향하고 그곳에 광점을 생성할 수 있는 설정 광빔을 생성한다. 이러한 요구 사항은 광원이 충분히 집중된 광선을 생성하도록 설계되어야 한다. 제어 유닛은 거리 센서에 연결될 수 있고 입력 값이 입력되는 거리 입력이 있다. 제어 장치는 광원에 통신 가능하게 연결되며 설정 광빔의 적어도 하나의 특성을 제어하도록 설계되었다. 제어 장치는 거리 입력에 입력된 입력 값을 평가하고 이 평가에서 평가 결과를 생성한다. 평가 결과를 기반으로, 제어 유닛은 설정 광빔의 적어도 하나의 특성 중 하나 이상이 입력 값에 대한 결론을 도출할 수 있도록 하는 방식으로 광원에 영향을 준다. 이러한 방식으로, 측정 물체의 광점에서 입력 값이 입력 값 평가에 사용된 평가 기준과 어떻게 일치하는지 판독할 수 있다.
설정 광빔은 단색 광선에 의해 형성될 수 있다. 즉, 설정 광빔은 단일 파장 또는 좁은 파장 범위만 가지고 있다(예를 들어, 10nm보다 좁거나 또는 5nm보다 좁음). 그러나, 설정 광빔이 다색인 것도 생각할 수 있다. 즉, 복수의 개별 파장 및/또는 하나 이상의 파장 범위를 갖는다. 설정 광빔의 적어도 하나의 파장이 가시거리에 있고 설정 광빔의 특성이 변경되면, 설정 광빔은 육안으로 인식할 수 있는 측정 물체의 광점 변화를 유발하며, 그러한 설정 광빔은 본 발명과 관련하여 사용될 수 있다.
원칙적으로, 위치 결정 보조 장치와 측정 물체의 광점은 다양한 방식으로 위치할 수 있다. 특히, 거리 센서에 외부 장치로 장착되는 위치 결정 보조 장치의 경우, 광점은 거리 센서의 측방향 측정 범위로부터 거리를 두고 배열될 수 있다. 설치자가 거리 센서를 배치하는 동안 시야 방향을 크게 변경하지 않고 광점을 인식할 수 있는 한, 이러한 광점의 위치가 사용될 수 있다. 거리 센서의 이동과 그에 따른 측정 범위의 회전이 설정 광빔의 회동으로 이어지는 경우, 즉, 거리 센서의 이동과 위치 결정 보조 장치의 이동이 결합된 경우, 본원에서는 신중할 것이다. 바람직한 실시예에서, 광점은 거리 센서의 측면 측정 범위 내에 배치된다. 대부분의 경우, 이는 광점이 측정 광의 광축에 있음을 의미해야 한다.
제어 유닛은 또한 다른 방식으로 설계될 수 있다. 순수한 회로 기술로 제어 장치를 구현할 수 있다. 즉, (저항, 커패시터, 트랜지스터와 같은) 개별 구성 요소의 상호 연결 및 선택적으로 (논리 게이트 또는 비교기와 같은) 집적 회로의 사용을 통해 구현될 수 있다. 그러나, 일 실시예에서, 제어 유닛은 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 구현된다. 이를 위해, 제어 장치에는 마이크로 프로세서, 작업 메모리, 프로그램 메모리 및 대응하는 인터페이스가 있다. 제어 유닛이 각각의 작업을 수행할 수 있게 하는 컴퓨터 프로그램은 프로그램 메모리에 저장된다.
제어 유닛은 위치 결정 보조 장치에 대해 독점적으로 책임을 질 수 있다. 그러나, 제어 장치가 다른 및/또는 상위 시스템의 일부라는 것도 생각할 수 있다. 예를 들어, 측정 시스템에서 위치 결정 보조 장치를 사용할 때, 제어 유닛은 위치 결정 보조에 대한 작업과 거리 센서 또는 측정 시스템의 기타 구성 요소에 대한 작업을 모두 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 설정 광빔의 적어도 하나의 특성은 설정 광빔의 파장에 의해 형성될 수 있다. 이는 제어 유닛이 설정 광빔의 색상이 입력 값의 함수로 인식 가능하게 변경되는 방식으로 광원에 작용할 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 설정 광빔은 거리 입력에 입력된 값이 목표 범위 밖(예: 거리 측정 범위 밖 또는 측정 범위 중심 밖)일 때 적색이 될 수 있다. 입력 값으로부터 거리센서와 측정대상 사이의 거리가 거리측정범위 이내이거나 측정범위의 중심에 가깝다고 추론할 수 있는 경우, 예를 들어, 설정 광빔은 녹색으로 전환될 수 있다. 파장이 연속적으로 또는 여러 단계로, 예를 들어 적색에서 녹색으로 여러 단계로 변경되는 것도 생각할 수 있다. 이 경우, 제어 유닛은 입력 값을 복수의 범위로 분류하고, 인식된 범위의 함수로서, 설정 광빔의 색상을 선택하고 그에 따라 광원을 제어할 것이다.
또 다른 실시예에서, 설정 광빔의 적어도 하나의 특성은 강도를 포함할 수 있다. 이는 설정 광빔의 강도가 입력 값 및 평가의 함수로 변경됨을 의미한다. 예를 들어, 설정 광빔은 목표 값에 도달했을 때 최대 강도가 나타나도록 다른 밝기를 갖도록 제어될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 설정 광빔의 적어도 하나의 특성은 변화 패턴을 포함한다. 이는 설정 광빔의 또 다른 특성이 다른 패턴으로 변경됨을 의미한다. 예를 들어, 설정 광빔의 강도는 입력 값의 평가의 함수로 변경되는 것을 생각할 수 있다. 따라서, 목표 값에서 멀리 떨어진 입력 값에서, 설정 광빔은 변화 기간의 넓은 부분에 걸쳐, 예를 들어, 0과 같은 낮은 강도를 가질 수 있다. 입력 값이 목표 값에 가까울수록, 낮은 강도와 높은 강도 사이의 비율이 높을수록 높은 강도로 편향될 수 있다. 이러한 방식으로, 강도를 다르게 하여, 입력 값이 목표 값에 얼마나 가까운지 명확하게 인식할 수 있다. 예를 들어, 2개 이상의 파장/파장 범위 사이를 전환함으로써 파장에 대해서도 동일한 작업이 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 설정 광빔의 적어도 하나의 특성은 설정 광빔의 변동 주파수를 포함한다. 이는 설정 광빔의 또 다른 특성이 변경되고 변경 주파수가 입력 값의 함수로 영향을 받는다는 것을 의미한다. 예를 들어, 입력 값이 목표 값 또는 목표 범위에서 멀리 떨어져 있는 경우, 입력광 빔의 강도는, 예를 들어, 초당 한 번 또는 2초마다, 낮은 강도와 높은 강도 사이의 낮은 주파수에서 전환될 수 있다. 입력 값이 목표 값 또는 목표 범위에 가까울수록, 더 빨리 2개의 강도 값 사이를 전환할 수 있다. 이 경우, 2개 이상의 변동 주파수가 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 입력 값이 목표 값과 얼마나 떨어져 있는지 알 수 있다. 파장을 전환할 때 대응하는 절차가 사용될 수 있다.
설정 광빔의 특성을 변화시키기 위한 전술한 실시예는 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 이 경우, 다른 특성은 다른 의미를 가질 수 있다. 예를 들어, 입력 값이 측정 범위를 벗어나면 설정 광빔이 빨간색으로 표시될 수 있다. 입력 값이 측정 범위에 도달하자마자, 스위치는 녹색으로 이루어질 수 있다. 입력 값이 측정범위의 중심에 가까울수록, 낮은 강도와 높은 강도 사이의 비율이 높을수록 높은 강도로 편향될 수 있다. 다양한 접근법의 가능성 및 결합 가능성은 당업자에게 용이하게 명백할 것이다.
광원은 원칙적으로 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 여기서 광원은 충분히 집중된 광선을 방출할 수 있고 충분히 잘 제어될 수 있어야 한다. 그러나, 이러한 요구 사항은 다운스트림 광학 수단과 함께 다양한 광 발생기로 충족될 수 있다. 광원의 가능한 실시예는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드를 포함한다. 이 경우, 설정 광빔의 빔 경로에 영향을 미치는 초점 장치는 광원의 실제 광 발생기의 하류에 배치될 수 있다.
또한, 광원은 추가적인 광학 수단을 포함할 수 있다. 이러한 광학 수단은, 예를 들어, 컬러 또는 편광 필터를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 이러한 광학 수단은 설정 광빔의 속성 중 하나 이상에 영향을 미치도록 설계되었다. 예를 들어, 이러한 광학 수단을 사용하여 설정 광빔의 강도를 변경할 수 있다.
위치 결정 보조 장치의 제어 장치의 거리 입력에 입력되는 입력 값은 다른 방식으로 형성될 수 있고 다른 의미를 가질 수 있다. 입력 값이 감지된 거리에 대한 참조를 갖는 것이 중요하다. 이 참조가 얼마나 구체적으로 형성되는지는 중요하지 않다.
일 실시예에서, 입력 값은 거리 값으로 형성된다. 이 거리 값은 측정 물체과 거리 센서 사이의 거리와 직접적으로 연관될 수 있으며 거리 센서에 의해 측정된 거리를 직접 나타낼 수 있다.
또 다른 실시예에서, 입력 값은 측정된 거리를 나타내는 평가 척도에 의해 형성된다. 예를 들어, 측정된 거리 값이 거리 센서의 측정 범위를 초과할 때 평가 측정은 1보다 클 수 있다. 평가 측정은 감지된 거리가 측정 범위 내에 있는 경우 0과 1 사이의 소수 값을 가질 수 있다. 이 경우, 거리 값과 평가 측정 사이의 선형 관계(또는 다른 명확한 관계)가 사용될 수 있다. 0 이하의 값은 최소 측정 거리보다 작은 거리를 나타낼 수 있다. 원칙적으로, 논리 값과 같이 측정된 거리를 나타내는 추가 평가 측정도 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 또한, 입력 값은 거리 센서의 거리 측정 범위 내에서 참조 지점에 대한 거리 값의 차이로 형성될 수 있다. 이 참조 지점은, 예를 들어, 측정 범위의 중심, 측정 범위의 시작 또는 측정 범위의 끝이 될 수 있다. 이러한 방식으로 형성된 차이는 절대 값으로 나타나거나 측정 범위의 크기로 정규화될 수 있다.
본 발명에 따른 위치 결정 보조 장치는 본 발명에 따른 거리 측정 시스템의 일부일 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 거리 측정 시스템은, 광학 위치 결정 보조 장치 외에도, 거리 센서와 측정 물체 사이의 거리를 측정하기 위한 거리 센서를 포함한다. 거리 센서는 위치 결정 보조 장치에 통신 가능하게 연결되어 위치 결정 보조 장치의 거리 입력에 입력 값을 입력한다. 이를 위해, 거리 센서는 위치 결정 보조 장치에 적합한 입력 값을 생성하고 이를 위치 결정 보조 장치에 출력하는 대응하여 설계된 유닛을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 거리 측정 시스템에서, 위치 결정 보조 장치와 거리 센서는 바람직하게는 서로 연결되어 있는(고정 또는 분리 가능) 2개의 개별적인 장치로 구성될 수 있다. 따라서 위치 결정 보조 장치는 거리 센서의 하우징에 고정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 그러나, 위치 결정 보조 장치와 거리 센서는 하나의 유닛을 형성하며 일반적으로 공통 하우징에 위치 보조 장치와 거리 센서의 배열로 표현되어야 한다.
설정 광빔은, 원칙적으로 거리 센서의 측정 범위와 관련하여 설정 광빔이 측정 물체에 인식 가능한 광점을 생성하는 한, 어떤 방식으로든 배열될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 설정 광빔과 거리 센서의 측정 범위가 결합된다. 이는, 일 실시예에서, 설정 광빔은 거리 센서의 측정 범위, 특히 거리 센서의 측면 측정 범위를 표시한다는 것을 의미한다.
원칙적으로, 본 발명에 따른 거리 측정 시스템의 거리 센서는 매우 다양한 방식으로 형성될 수 있고 다양한 센서 기술에 따라 작동할 수 있다. 거리 센서가 위치 결정 보조 장치에 적합한 입력 값을 생성 및 출력할 수 있는 한, 이 거리 센서는 원칙적으로 본 발명에 따른 거리 측정 시스템에 적합하다.
일 실시예에서, 거리 센서는 광학 센서로 형성된다. 이는 거리 센서는 측정광을 방출하며, 측정 물체에서 측정 광의 반사로 인해 발생하는 감지 광을 기준으로, 측정 물체 표면의 조명 지점으로부터의 거리가 추론된다는 것을 의미한다. 광학 센서는 간섭계 센서, 공초점 색도 센서(confocal chromatic sensor), 삼각 측량 센서 또는 다른 방식으로 설계될 수 있다. 이러한 센서는 실제로 잘 알려져 있다.
또 다른 실시예에서, 거리 센서는 용량성 센서로 형성된다. 이러한 센서는 센서의 측정 범위에 있는 측정 물체가 센서 용량에 미치는 영향을 측정한다. 설정 광빔은 정전 용량성 센서의 측정에 영향을 미치지 않기 때문에, 이러한 센서는 광학 위치결정 보조 장치와 결합될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 거리 센서는 유도성 센서로 구성된다. 유도성 센서는, 예를 들어, 측정 물체에 와전류를 발생시켜서 또는 센서의 측정 범위에서 투자율을 변경하여, 측정 물체가 센서의 인덕턴스에 미치는 영향을 감지한다. 광학 위치 결정 보조 장치도 이러한 센서와 결합될 수 있다.
광학 센서를 사용할 때, 거리 측정 시스템은 거리 센서에 의해 방출되는 측정 광빔과 설정 광빔이 결합되는 광학 커플러를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 측정 광빔과 설정 광빔은 공통 광학 수단으로 결합될 수 있다. 따라서, 일반적인 광학 수단은 측정 광빔과 설정 광빔 모두를 측정 물체으로 향하게 할 수 있다. 이 경우, 공통 광학 수단은 바람직하게는 광 도파관에 의해 형성된다. 이러한 실시예는 특히, 거리 측정 시스템이 측정 물체물에 측정광을 비추고 측정 물체물에서 반사된 반사광을 수신하는 수동 측정 헤드를 포함하는 경우, 유리하게 사용될 수 있다. 설정 광선과 측정 광선의 파장이 다르기 때문에 그리고 측정 광선에 대한 측정 광학 장치의 최적화 결과로 광학적 오차(예: 색수차)가 발생할 수 있더라도, 그럼에도 불구하고 이러한 방식으로 측정 광선과 설정 광선의 우수한 동축성을 얻을 수 있다.
가시광선 범위의 측정광을 방출하는 광센서를 사용하는 경우, 측정 광빔은 한 실시예에서 설정 광빔으로 사용될 수 있다. 거리 센서의 측정에 부정적인 영향을 피하기 위해, 측정/설정 광빔의 특성 중 하나가 변경되는 동안 설정 모드가 제공될 수 있다. 이 실시예에서는 영향을 받는 속성의 수를 줄이는 것이 편리할 수 있다.
측정 물체에 대한 거리 센서의 위치 결정을 지원하는 데 사용될 수 있는, 본 발명에 따른 방법에서, 바람직하게는 본 발명에 따른 거리 측정 시스템을 사용하여, 입력 값은 제1 단계에서 생성된다. 측정 물체과 거리 센서 사이의 거리를 측정하여 입력 값이 생성된다. 다음 단계에서, 이 입력 값이 평가되고 평가 결과가 달성된다. 평가 결과는 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 주는 데 사용된다. 이러한 특성을 사용하여, 다음 단계에서, 측정 물체에 광점을 생성하기 위해 설정 광빔은 위치 결정 보조 장치의 광원에 의해 생성되고 추가적인 단계에서 측정 물체로 향한다. 입력 값의 평가에 기초하여 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 줌으로써, 설정 광빔의 입력 값과 측정 물체에 생성된 광점에 대해 결론을 내릴 수 있다.
입력 값을 평가하는 단계의 실시예에서, 입력 값은 목표 값 및/또는 목표 범위와 비교된다. 입력 값이 목표 값 또는 목표 범위에 관련되는 방법을 결정하기 위해, 이 비교가 사용될 수 있다. 입력 값과 목표 값/목표 범위는 서로 조정되어야 함을 이해한다. 이는 특히 입력 값과 목표 값/목표 범위가 동일하게 조정됨을 의미한다.
일 실시예에서, 목표 값 및/또는 목표 범위는 거리 센서의 거리 측정 범위를 나타낸다. 일 실시예에서, 입력 값이 거리 측정 범위 내에 있을 경우, 설정 광빔은 제1 특성 세트로 생성되며, 입력 값이 거리 측정 범위를 벗어난 경우, 설정 광빔은 제2 특성 세트로 생성된다. 제1 특성 세트와 제2 특성 세트는 상이하다. 이러한 방식으로, 입력 값이 거리 측정 범위 이내인지 또는 벗어났는지 여부를 설정 광짐에서 즉시 인식할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 입력 값이 거리 측정 범위의 특성 범위 내에 있을 경우, 설정 광빔은 제3 특성 세트로 생성되며, 입력 값이 특성 범위를 벗어났을 경우, 설정 광빔은 제4 특성 세트로 생성된다. 이 경우, 제3 특성 세트 및 제4 특성 세트는 상이하다. 거리 측정 범위의 특성 범위는 일 실시예에서 측정 범위의 시작에 의해, 또 다른 실시예에서 측정 범위의 중심에 의해, 추가적인 또 다른 실시예에서 측정 범위의 끝에 의해 형성된다. 측정 범위의 시작이지만, 측정 범위의 중심과 측정 범위의 끝은 원칙적으로 구체적인 거리 값이다. 이러한 값을 범위로 확장하는 것이 본 발명과 관련하여 권장된다. 이는 거리 센서가 측정 범위의 중심, 측정 범위의 시작 또는 측정 범위의 끝 부분에 구체적으로 도달하는 방식으로 정확하게 위치될 수 있는 경우가 거의 없기 때문이다. 따라서, 특성 범위는 실제 응용 분야에서 이러한 값에서 거리 센서의 위치 결정이 가능하도록 충분히 넓어야 한다. 동시에, 각각의 거리 값을 여전히 충분히 대표할 수 있을 만큼 좁아야 한다. 바람직하게, 특성 범위는 전체 거리 측정 범위의 10% 이상 벗어나지 않으며, 특히 바람직하게는 전체 거리 측정 범위의 5% 보다 크게 벗어나지 않고, 매우 특히 바람직하게는 측정 범위의 시작으로부터, 측정 범위의 중심에서 또는 측정 범위의 끝에서, 거리 측정 범위의 3% 보다 크게 벗어나지 않는다.
원칙적으로, 입력 값과 목표 값/목표 범위의 비교에 대해 언급한 것도 서로 결합될 수 있다. 이 경우, 거리 측정 범위를 벗어난 입력 값의 경우 설정 광빔이 제2 속성 세트로 생성되는 것과, 입력 값이 거리 측정 범위 내에 있지만 특성 범위 를 벗어난 경우 제1 특성 세트로 생성되는 것과, 거리 측정 범위의 특성 범위 내에서의 입력 값의 경우 제3 특성 세트로 생성되는 것을 생각할 수 있다. 이 방식으로, 입력 값에 대한 매우 자세한 정보는 구체적인 입력 값을 표시할 필요 없이 설정 광빔을 통해 설치자에게 출력될 수 있다.
유리한 방식으로, 본 발명의 교시를 설계 및 실시하기 위한 다양한 가능성이 있다. 이와 관련하여, 도면의 도움으로 한편으로는 독립 청구항에 종속된 청구항을 참조하고 다른 한편으로는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 하기 설명을 참조한다. 일반적으로 바람직한 교시의 발전은 또한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 설명과 함께 설명된다. 도면은 다음과 같다.
도 1은 간섭계 센서 형태의 거리 센서가 있는 본 발명에 따른 거리 측정 시스템의 제1 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 위치 결정 보조 장치의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 3은 삼각측량 센서 형태의 거리 센서가 있는 본 발명에 따른 거리 측정 시스템의 제2 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 4는 펄스 지속 시간의 변화 및/또는 설정 광빔의 듀티 사이클(duty cycle)의 예시적인 곡선을 보여주는 다이어그램이다.
도 5는 측정 경로 x의 함수로서 듀티 사이클을 변화시킴으로써 강도의 예시적인 곡선을 보여주는 다이어그램이다.
도 6은 측정 경로 x의 함수로서 강도의 예시적인 곡선을 보여주는 다이어그램이다.
도 7은 설정 광선의 파장 변화의 예시적인 곡선을 나타내는 다이어그램이다.
도 1은 본 발명에 따른 거리 측정 시스템의 제1 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다. 거리 측정 시스템(1)은 근적외선 범위(NIR)에서 다색 측정광을 생성하는 백색광 간섭계 센서 형태의 거리 센서(2)를 포함한다. 측정 광빔은 광 도파관에 의해 광 커플러(3)로 지향되고, 그 출력에서 광 도파관(4)이 배열된다. 광 도파관(4)은 측정 광빔을 측정 헤드(5)로 전달한다. 광 커플러(3)의 제2 입력은 설정 광빔을 생성하고 또한 광 커플러(3) 및 광 도파관(4)을 통해 측정 헤드(5)로 설정 광빔을 출력하는 위치 결정 보조 장치(6)에 연결된다. 측정 헤드(5)는 조명광 빔(7)을 측정 물체(8)에 조사하며, 조명광 빔(7)은 측정 광빔과 설정 광빔의 합이다. 측정 광빔과 설정 광빔은 동일한 측정 광학계를 사용하기 때문에, 2개의 광선 빔은 서로 동축으로 배열된다. 조명광 빔(7)은 측정 물체(8)의 표면에서 반사된다. 측정 물체(8)의 표면에 초점이 맞춰진 조명광 빔(7)의 스펙트럼 부분은 측정 헤드(5), 광 도파관(4) 및 광 커플러(3)를 통해 거리 센서(2)로 다시 통과한다. 측정 물체(8)로부터의 거리(a)는 수신된 스펙트럼 부분으로부터 추론된다. 평가 유닛(9)은 사용자에 대한 측정 값을 평가, 저장 및 표시하는 데 사용된다.
도 2는 위치 결정 보조 장치(6)를 다시 더 상세히 도시한다. 위치 결정 보조 장치(6)는 설정 광빔(11)을 생성하고 출력하는 광원(10)을 갖는다. 광원(10) 자체는 광 생성기(12) 및 광학 수단(13)을 포함한다. 광 생성기(12)는 LED 또는 레이저 다이오드로 형성될 수 있다. 광학 수단(13)은 집속 장치 또는 설정 광빔(11)의 적어도 하나의 광학 특성에 영향을 주기 위한 추가적인 광학 수단을 포함할 수 있다. 위치 결정 보조 장치(6)는 또한 광원(10)에 통신 가능하게 연결된 제어 유닛(14)을 갖는다. 제어 유닛(14)은 또한 측정된 거리를 나타내는 입력 값이 입력될 수 있는 거리 입력을 갖는다.
거리 측정 시스템(1)의 작동 중에, 거리 센서(2)는 측정 물체(8)로부터의 거리 a를 측정함으로써 측정된 거리 값을 생성한다. 이 측정된 거리 값은 가능하게는 평가 유닛(9)을 사용하여 제어 유닛(14)의 거리 입력(15)에 입력된다. 제어 유닛(14)은 입력 값을 평가하고 평가 결과에 기초하여 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 미치도록 설계되어 설정 광빔을 통해 입력 값에 대한 결론을 도출할 수 있다. 측정 광빔과 설정 광빔의 동축 배열에 의해, 거리 센서(2)의 측면 측정 범위는 측정 물체(8)의 표면에 설정 광빔에 의해 생성된 광점에 의해 추론될 수 있다. 측정 광빔이 가시거리를 벗어나더라도, 측정 물체(8)에 대한 거리 측정 시스템(1)의 정확한 위치는 가시거리의 설정 광선(11)에 의해 그리고 입력 값을 기반으로 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 줌으로써 추론될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 거리 측정 시스템(1')의 제2 예시적인 실시예를 도시한다. 거리 센서는 삼각 측량 센서(16)로 설계되었다. 명확성을 위해, 측정 광빔(17)을 생성하기 위한 광원만이 도시되어 있고, 센서의 감지 유닛은 도시되어 있지 않다. 이 예시적인 실시예에서도, 설정 광빔(11)을 생성하고 이를 측정 물체(8)의 방향으로 방사하는 위치 결정 보조 장치(6)가 제공된다. 조명광 빔(11)과 측정 광빔(17)이 삼각형을 이루므로, 설정 광빔은 삼각측량 센서(16)의 측방향 측정 범위를 대략적으로 표시할 뿐이다. 그러나, 삼각측량 센서(16)의 측정 광빔(17)은 가시거리에 있다. 따라서, 거리 측정 시스템(1')의 측면 측정 범위는 측정 광빔(17)에서 볼 수 있다. 이 경우, 설정 광빔(11)은 거리 측정 범위를 인식할 수 있게 하는 데만 사용된다.
이 제2 예시적인 실시예의 한 구현에서, 예를 들어, 광 커플러는 커플러가 측정 광빔과 설정 광빔을 동축으로 결합하는 제1 예시적인 실시예에서와 같이 사용될 수 있다. 별도의 위치 결정 보조 장치가 사용되지 않으나 위치 결정 보조 장치는 삼각 측량 센서의 필수 구성 요소라는 것도 생각할 수 있다. 즉, 측정 광빔은 설정 모드에서 설정 광빔으로 사용되며 측정된 거리에 따라 강도가 달라진다.
도 4 내지 7에서, 설정 광빔의 특성을 변경할 수 있는 방법에 대한 4개의 옵션이 예를 들어 표시된다. 도 4에서, 설정 광빔의 강도는 상위 강도 값 I0와 0과 같은 강도 값 사이에서 시간이 지남에 따라 변화한다. 변동의 주기 길이 T 및 그에 따른 변동 주파수는 측정된 거리 값의 함수로 선택될 수 있다.
도 5는 측정 경로 x의 함수, 즉 듀티 사이클 t1/T를 변경함으로써 강도의 다른 변화를 보여준다. 이 경우, t1은 강도가 상위 강도 값 I0을 취하는 기간을 나타낸다. 주기 길이 T는 일정하게 유지될 수 있다. 측정된 거리가 측정 범위 xM의 중심에서 벗어날수록 강도가 더 빠르게 상위 강도 값 I0을 취한다. 100%의 듀티 사이클에서, 상위 강도 값 I0가 지속적으로 사용된다. 초 범위의 기간 길이 T로, 세팅 라이트 빔은 이러한 방식으로 생성되며, 측정 범위의 중심에 도달하면 이러한 펄스가 점차 감소한다. 짧은 기간 길이의 경우, 예를 들어 10밀리초 이하의 범위에서, 측정 경로가 측정 범위 xM의 중심에 가까울수록, 설정 광빔은 항상 더 밝아 보이는 것으로 나타난다.
도 6에서, 강도 I는 측정 경로 x의 함수로 변경된다. 측정 범위 xM의 중심 영역에서, 설정 광빔의 최대 강도 Imax에 도달한다. 측정된 거리가 측정 범위 xM의 중심에서 멀어질수록 강도 I는 더 감소한다. 표시된 예에서, 강도는 종형 곡선의 형태로 측정된 값에 종속된다.
도 7은 매우 유사한 종속성을 나타낸다. 그러나, 여기에서, 설정 광빔의 파장 λ는 측정 경로 x의 함수로서 낮은 파장 값 λ1과 높은 파장 값 λ2 사이에서 연속적으로(또는 반 연속적으로) 변화한다. 이 경우, 상위 파장 값 λ2는 측정 범위 xM의 중앙에 도달한다.
본 발명에 따른 위치 결정 보조 장치 및 본 발명에 따른 거리 측정 시스템의 다른 유리한 수단과 관련하여, 반복을 피하기 위해 설명 및 첨부된 청구범위의 일반적인 부분을 참조한다.
마지막으로, 전술한 실시예는 청구된 교시를 설명하기 위한 것일 뿐 실시예로 제한되지 않음을 명시한다.
1 거리 측정 시스템
2 거리 센서
3 광 커플러
4 광 도파관
5 측정 헤드
6 위치 결정 보조 장치
7 조명 광빔
8 측정 물체
9 평가 유닛
10 광원
11 설정 광빔
12 광 생성기
13 광학 수단
14 (위치 결정 보조 장치의) 제어 유닛
15 거리 입력
16 삼각 측량 센서
17 측정 광빔

Claims (15)

  1. 측정 물체(8)에 대하여 거리 센서(2, 16)의 위치 결정을 보조하기 위한 거리 센서(2)용 광학 위치 결정 보조 장치로서, 상기 광학 위치 결정 보조 장치는:
    설정 광빔(11)-여기서 상기 설정 광빔(11)은 가시거리 내의 파장(λ)을 가지며 측정 물체(8) 상에 광점을 생성하는데 적합함-을 생성하기 위한 광원(10), 및
    거리 입력(15)을 가지며 상기 설정 광빔(11)의 적어도 하나의 특성을 제어하기 위해 상기 광원(10)에 통신 가능하게 연결된 제어 유닛(14)
    을 포함하며,
    상기 제어 유닛(14)은 상기 거리 입력(15) 내에 입력된 입력 값을 평가하고, 상기 설정 광빔(11)이 상기 입력 값에 대한 결론이 도출되도록 허용하는 방식으로, 상기 평가의 결과에 기반하여 상기 설정 광빔의 적어도 하나의 특성에 영향을 미치도록 설계되는 것을 특징으로 하는 광학 위치 결정 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 설정 광빔(11)의 상기 적어도 하나의 특성은 상기 설정 광빔(11)의 파장(λ), 강도(I), 변화 패턴 및/또는 변화 빈도를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 위치 결정 보조 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원(10)은 바람직하게는 광 방출 다이오드 또는 레이저 다이오드인 광 생성기(12), 및 바람직하게는 상기 설정 광빔의 상기 빔 경로에 영향을 주기 위한 초점 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 위치 결정 보조 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원(10)은 상기 설정 광빔의 상기 적어도 하나의 특성이 영향을 받을 수 있는 광학 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 위치 결정 보조 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 값은 측정된 거리 값, 측정된 거리를 나타내는 평가 측정, 또는 상기 거리 센서의 거리 측정 범위 내의 참조 지점에 대하여 측정된 거리 값의 차이에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 위치 결정 보조 장치.
  6. 거리 측정 시스템으로서, 상기 시스템은:
    거리 센서(2, 16)-상기 거리 센서(2, 16)는 상기 거리 센서(2, 16)와 측정 물체(8) 사이의 거리(a)를 측정하기 위한 것임-, 및
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 광학 위치 결정 보조 장치(6)
    를 포함하고,
    상기 거리 센서(2, 16)는 상기 위치 결정 보조 장치(6)에 통신 가능하게 연결되며 측정된 거리 값을 나타내는 입력 값을 상기 위치 결정 보조 장치(6)의 거리 입력(15)에 입력하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 설정 광빔(11)은, 상기 설정 광빔(11)이 상기 거리 센서(2, 16)의 측면 측정 범위를 표시하는 방식으로, 상기 거리 센서(2, 16)에 대하여 배열되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 시스템.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 거리 센서(2, 16)는 광학 센서에 의해 형성되며,
    상기 광학 센서는 바람직하게는 간섭계 센서(2), 공초점 색도 센서(confocal chromatic sensor), 또는 삼각측량 센서(16)로 구성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 광 커플러(3)를 포함하며, 상기 광 커플러(3)는, 상기 측정 광빔과 설정 광빔(11)이 공통 광학 수단에 의해 상기 측정 물체(8)에 지향될 수 있는 방식으로, 상기 거리 센서(2)에 의해 방출된 측정 광빔과 상기 설정 광빔(11)을 결합하며, 상기 공통 광학 수단은 바람직하게는 광 도파관(4)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 광학 센서는 측정 광빔(17)을 방출하며,
    상기 측정 광빔(17)은 바람직하게는 상기 센서의 설정 모드 동안 설정 광빔으로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 시스템.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거리 센서는 용량성 센서 또는 유도성 센서에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 시스템.
  12. 바람직하게는 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 거리 측정 시스템을 사용하여, 측정 물체에 대하여 거리 센서의 위치 결정을 보조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    측정 물체(8)와 거리 센서(2, 16) 사이의 거리(a)를 측정하여, 입력 값을 생성하는 단계,
    상기 평가의 결과를 생성하기 위해 상기 입력 값을 평가하는 단계,
    위치 결정 보조 장치(6)의 광원(10)에 의해 설정 광빔(11)을 생성하는 단계, 및
    상기 측정 물체(8) 상에 광점을 생성하기 위해, 상기 설정 광빔(11)을 상기 측정 물체(8)에 지향시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 설정 광빔(11)의 적어도 하나의 특성은, 상기 설정 광빔(11)이 상기 입력 값에 대한 결론이 도출되도록 허용하는 방식으로, 상기 평가의 결과에 기반하여 영향을 받는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 입력 값은 상기 입력 값을 평가하는 단계에서 목표 값 및/또는 목표 범위와 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 목표 값 및/또는 상기 목표 범위는 상기 거리 센서(2, 16)의 거리 측정 범위를 포함하고, 입력 값이 상기 거리 측정 범위 내에 있을 경우, 상기 설정 광빔(11)은 제1 특성 세트로 생성되며, 입력 값이 상기 거리 측정 범위를 벗어나는 경우, 상기 설정 광빔(11)은 제2 특성 세트로 생성되고, 상기 제1 특성 세트 및 상기 제2 특성 세트는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 목표 값 및/또는 상기 목표 범위는 상기 거리 센서(2, 16)의 거리 측정 범위를 포함하고, 입력 값이 바람직하게는 상기 측정 범위의 시작인 경우, 상기 측정 범위의 중심인 경우, 또는 상기 측정 범위의 끝인 경우인 상기 거리 측정 범위의 특성 범위 내에 있는 경우, 상기 설정 광빔(11)은 제3 특성 세트로 생성되며, 상기 입력 값이 상기 특성 범위를 벗어나는 경우, 상기 설정 광빔(11)은 제4 특성 세트로 생성되고, 상기 제3 특성 세트 및 제4 특성 세트는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
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