SE470560B - Förfarande och anordning vid mätning av avstånd varvid ett område på ett mätföremål belyses med ljus från en laserljuskälla - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 ..»-|,. .|._, Ä' i' RJ CH CM CD 2 Det.monokroma laserljuset ger goda möjligheter att generera en smal och väldefinierad mätstråle. Det av strålen belysta mätområdet. kommer dock att ha en viss utsträckning i rummet. När mätområdets läge skall bestämmas gäller det därför att alltid mäta på samma punkt inom detta. Mätut- rustningens förmåga att bestämma denna mätpunkts läge blir därvid bestämmande för den mätnoggrannhet som kan uppnås.

Inom en väl fokuserad laserstråle är ljusstyrkans för- delning symmetriskt avtagande från strålens centrum. Det är därför förhållandevis enkelt att genom mätning av ljusstyr- kan fastställa läget för strålens mitt. Detta sker normalt genom att först bestämma läget för de punkter där ljusstyr- kan är 50% av den maximala. Då mittpunkten befinner sig mitt mellan dessa punkter kan dess läge därefter lätt beräknas. Denna mittpunkt skulle därför kunna användas som mätpunkt.

Ett problem uppstår emellertid när mätpunktens läge skall bestämmas med hjälp av en detektor som mäter det från mätområdet reflekterade ljuset. När det monokroma laserlju- set träffar ytan kommer det att reflekteras diffust. Genom att den diffusa reflektionen påverkas av mätföremålets ytfinhet kommer reflektionen åt olika håll att variera slumpmässigt. Ljuset från olika punkter på ytan kommer därvid att interferera. Detta medför att mätområdet för en betraktare upplevs som "grynigt", ett fenomen som är väl känt under benämningen "speckle". Ur mätsynpunkt är fenomenet allvarligt eftersom det innebär att bestämningen av 50%-punkterna - och därmed också mätpunkten - kommer att vara slumpmässigt beroende av mätområdets utseende. Denna osäkerhet i mätpunktsbestämningen begränsar således mätsystemets noggrannhet.

REDoGöRELsE FöR UPPFINNINGEN Ändamålet med uppfinningen är därför att ange ett för- farande som reducerar inverkan av "speckle" och som 10 15 20 25 30 35 ~,_ C "\ (fu (fïx en 3 därigenom förbättrar mätnoggrannheten för laseravståndsmä- tare.

Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en laseravståndsmätare där mätnoggrannheten förbättrats genom att inverkan av "speckle" reducerats.

Nämnda ändamål uppnås genom ett förfarande enligt före- liggande uppfinning, vars kännetecken framgår av efter- följande patentkrav 1.

Nämnda ändamål uppnås även genom en anordning enligt föreliggande uppfinning, vars kännetecken framgår av efterföljande patentkrav 5.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas med ett utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Figur 1 visar en känd anordning för att mäta avstånd; Figur 2 visar ljusstyrkefördelningen 5. en laserstråle före och efter reflektion; Figur 3 visar exempel på den av detektoranordningen uppmätta och sammanlagrade ljusstyrkan; Figur 4 visar en anordning för mätning av avstånd enligt uppfinningen.

FÖREDRAGEN UTFöRINGsFoRM För att underlätta förståelsen av uppfinningen skall inledningsvis och i anslutning till figur 1 och 2 beskrivas ett exempel på en mätanordning enligt nu känd teknik. I figur 1 är mätanordningen angiven med referensnumret 1. Med hjälp av mätanordningen skall avståndet till ett mätföremål 10 15 20 25 30 35 r. y- f _-._ v " 'f fira*- =': u uu-.I 4 2 mätas. För detta ändamål är mätanordningen försedd med en laserkälla 3 som utsänder ett monokromt ljus. Med hjälp av en optik 4 fokuseras det utsända ljuset till en smal stråle som belyser ett mätområde 5 på mätföremålet. Ljuset reflekteras diffust och en del av det reflekterade ljuset når en vid sidan av laserkällan placerad mottagaroptik 6, som avbildar mätområdet på en detektoranordning. Detektor- anordningen är i. denna tillämpning en linjedetektor 7, vilken omfattar en stor mängd detektorelement placerade intill varandra.

Om avståndet mellan mätanordningen och mätföremålet ändras kommer, på grund av att detektoranordningen är placerad vid sidan av laserkällan och den utsända ljusstrålen, bilden av mätområdet på detektorn att flyttas till nya detektorele- ment. Antalet detektorelement måste därför vara så stort att det motsvarar hela det avståndsintervall inom vilket mätanordningen är avsedd att användas. Linjedetektorns bredd är däremot avsevärt mindre än diametern på bilden av mätområdet. Genom att, med en till detektorn ansluten elektronisk utvärderingsutrustning (ej visad), bestämma var på detektorn mätområdet avbildas, kan avståndet med hjälp av trigonometriska beräkningar fastställas. Alternativt kan genom mätningar av kända mätutrustningen kalibreras avstånd.

I figur 2 visas ett mätområde 8 som är belyst av en smal mätstråle med laserljus. Ljusstyrkefördelningen i denna stråle visas i form av en kurva 9, vars vertikala axel anger ljusstyrkan och horisontella axel anger läget längs en linje genom strålens mittpunkt. I figuren är även en linje 10 utritad. I det visade exemplet motsvarar linjen den ljusstyrkenivå som 'utgör 50% av strålens maximala ljusstyrka, men andra nivåer kan utnyttjas. Med den ljusstyrkefördelning som anges av kurvan 9 är de punkter där linjen 10 skär kurvan lätta att fastställa och därmed också lätt att bestämma en mätpunkt. 10 15 20 25 30 35 x C CH O\ LJ 5 Om mätområdet 8 avbildas på en detektor 11, som består av en mängd detektorelement 12, kommer utsignalen från de enskilda detektorelementen att representera. ljusstyrkeför~ delningen längs detektorn. På grund av den tidigare beskrivna problemet med speckle kommer ljusstyrkefördel- ningen att vara mycket oregelbunden, såsom anges i stolp- diagrammet 13. I detta diagram motsvarar varje stolpe den av ett detektorelement uppmätta ljusstyrkan. Då ytan på mätföremålet påverkar laserljusets diffusa reflektion kommer ljusstyrkefördelningen över detektorn att förändras även då mätföremålet förflyttas i sidled, det vill säga på konstant avstånd från mätanordningen. Dessa variationer innebär bestämningen av mätpunkten blir osäker. Denna osäkerhet sätter en gräns för den mätnoggrannhet som kan uppnås.

I det följande skall i anslutning till figur 3 beskrivas hur genom uppfinningen den ovan beskrivna osäkerheten kan reduceras.

Ett väsentligt kännetecken för uppfinningen är att hela bilden av mätområdet 8 avsöks. Detta sker med hjälp av en i det följande beskriven anordning och innebär att bilden av mätområdet får röra sig tvärs över detektorn. I figur 3 visas exempel på lägen (16, 18, 20) som bilden under avsökningen intar i förhållande till detektorn 14, som består av ett antal detektorelement 15. Då bilden befinner sig i ett första läge 16 kan detektorelementens utsignaler ha det utseende som visas i form av stolpdiagrammet 17 i vilket stolparnas höjd anger den av varje detektorelement detekterade ljusstyrkan. Diagrammet representerar således ljusstyrkans fördelning längs en korda på bilden av mätområdet.

I ett andra bildläge 18 detekteras ljusstyrkefördelningen längs en diameter på bilden av mätområdet och representeras av diagrammet 19. På motsvarande sätt representerar 10 15 20 25 30 35 . FH 6 diagrammet 21 ljusstyrkefördelningen längs en annan korda på bilden av mätområdet då bilden befinner sig läget 20.

Det har visat sig, att om utsignalen från varje detektor- element sammanlagras under det att bilden av mätområdet rör sig tvärs över detektorn, kommer de sammanlagrade ut- signalerna att resultera i en ljusstyrkefördelning enligt diagrammet 22, det vill sägas en form som väl överensstäm- mer med ljusstyrkefördelningen före den diffusa reflektio- nen. Genom sammanlagringen erhåller man således en av speckle i stort sett oberoende ljusstyrkefördelning. Det är således genom uppfinningen möjligt att på ovan beskrivna sätt noggrant bestämma en mätpunkt. Praktiska försök har visat att en förbättring av mätnoggrannheten med en faktor av storleksordningen 3 gånger är möjlig att uppnå.

Sammanlagringen av utsignalerna från detektorelementen kan ske på olika sätt. Signalen från varje detektorelement kan således kontinuerligt integreras under det att bilden av mätområdet rör sig tvärs över detektorn. En annan metod innebär att detektorelementens utsignaler samplas under det att bilden av mätområdet rör sig tvärs över detektorn. De samplade värdena kan därefter bearbetas med statistiska metoder för att bestämma medelvärden, standardavvikelser med mera. Sammanlagringen av detektorutsignalerna kan ske under en eller flera avsökningar av bilden.

Figur 4 visar en mätanordning där det ovan beskrivna förfarandet tillämpas. Den nya mätanordningen 23 omfattar ett antal komponenter som till sin funktion är samma som i mätanordningen 1 (figur 1). Dessa komponenter har åsatts samma referensnummer som i figur 1. Också mätföremålet 2 och mätområdet 5 har åsatts samma referensnummer.

Mätanordningen 23 är dessutom försedd med en avsöknings- anordning. Denna utgörs av en spegel 24, placerad i strål- gången mellan mätområdet och detektorn. Spegelupphängningen är så utförd att spegeln med hjälp av en lämpligt utformad V1 o,- 10 15 20 25 30 35 7 drivanordning (ej visad), kan rotera eller röra sig i en fram- och återgående rörelse relativt en axel 25. Dessa rörelser medför att bilden av mätområdet kommer att röra sig över detektorn, vinkelrätt mot dess längdriktning.

Avsökningen av bilden blir därvid upprepad i en bestämd riktning respektive fram- och återgående. Detektorn är ansluten till en elektronisk utvärderingsutrustning (ej visad) där sammanlagringen av detektorns utsignaler sker.

Utöver de nu nämnda anordningarna måste givetvis åtgärder vidtagas för att synkronisera spegelns rörelser med den elektroniska utvärderingsutrustningen. Dessa åtgärder är dock för fackmannen välkända och behöver därför inte beskrivas i detta sammanhang.

I exemplet ovan har mätområdet 8 visats med cirkulär form.

Genom att lämplig utformning av optiken 4 är det möjligt att ge mätområdet annan form, exempelvis elliptisk eller rektangulär. Mätföremålet belyses därvid så att bilden av mätområdet får sin största utsträckning tvärs detektorns längdríktning. När bilden av mätområdet avsöks kommer bildens form att medföra att utsignaler från de detektor- element, som detekterar bildens kanter, erhålles under en längre tid än vid cirkulär bild. Detta medför en större säkerhet i bestämningen av' bildens kant och därmed en ytterligare ökad mätnoggrannhet.

Det är också lämpligt att ge den från laserljuskällan utsända strålen en konisk form så att det belysta mätom- rådets storlek ökar med ökande mätavstånd. Genom denna åtgärd är det möjligt att, oberoende av mätavstândet, uppnå ett optimalt storleksförhållande mellan bilden av mätom- rådet och detektorelementen.

I vissa tillämpningar kan en mekaniskt rörlig spegelanord- ning vara olämplig. I dessa fall är det möjligt att ersätta linjedetektorn 7 med en detektor av matristyp, det vill säga en detektor som kan ses som ett antal linjedetektorer lO 15 , . ^, ¿: íJ C31 nu 8 placerade intill varandra. Genom att välja en detektor med så många linjer att dess totala bredd blir minst lika stor som bilden av mätområdet, kan en elektronisk avsöknings- anordning utnyttjas för avsökning av bilden. I detta fall sammanlagras utsignalerna från detektorelementen i alla de linjer som täcks av bilden av mätområdet. Denna utförings- form innebär en mera komplicerad detektor och därmed också en mera omfattande elektronisk utvärderingsutrustning, men detta kan vid svåra mekaniska förhållanden vara att föredraga.

I en ytterligare utföringsform sker avsökningen genom att den rörliga spegeln ersättas med en anordning som rör detektorn sidledes fram och tillbaka.

Uppfinningen är ej begränsad till ovan beskrivna och i figurerna visade utföríngsexempel utan kan givetvis varieras inom ramen för efterföljande patentkrav. h

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 PATENTKRAV

1. Förfarande vid mätning av avstånd varvid ett område på ett mätföremål belyses med ljus från en laser- ljuskälla, vilket efter reflektion avbildar området på en vid sidan av en linje genom laserljuskällan och det belysta området placerad detektoranordning, bestående av ett antal detektorelement, kännetecknat därav, att bilden av området avsöks med avseende på ljusstyrkan varvid en sammanlagring av de ljusstyrkeberoende utsignalerna från varje detektor- element görs .

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat därav, att bilden av området avsöks genom att den för- flyttas över detektoranordningens yta.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, känne- tecknat därav, att sammanlagringen sker genom att ut- signalerna från varje detektorelement integreras under avsökningen .

4. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, känne- tecknat därav, att sammanlagringen sker genom. att ut- signalerna från varje detektorelement samplas vid upprepade tillfällen. under 'varje avsökning och efter avsökningen bearbetas med statistiska metoder.

5. Förfarande enligt något av patentkrav 1 - 4, kännetecknat därav, att området belyses så att bilden av området har större utsträckning tvärs detektoranordningens längdriktning än i dess längdriktning.

6. Förfarande enligt något av patentkrav 1 - 5, kännetecknat.därav, att den av laserljuskällan utsända ljusstrålen har konisk form.

7. Anordning för mätning av avstånd, omfattande en källa (3) för laserljus som belyser ett område (5) på ett mätföremål (2) och efter reflektion avbildar området på en, 10 15 20 ß i: xJ (_51 10 vid sidan av en linje genom källan (3) och området (5) placerad, detektoranordning (7), bestående av ett antal detektorelement (14), kännetecknad därav, att anordningen omfattar en avsökningsanordning med vilken bilden av omrâdet (5) avsöks och en utvärderingsutrustning som sammanlagrar de under avsökningen erhållna, ljusstyrkebero- ende utsignalerna från varje detektorelement (14).

8. Anordning enligt patentkrav 7, kännetecknad därav, att avsökníngsanordningen vid avsökningen förflyttar bilden av området över detektoranordningens (7) yta med hjälp av en me1lan.mätföremålet (2) och detektoranordningen (7) placerad, rörlig spegel (24).

9. Anordning enligt patentkrav 8, kännetecknad därav, att den rörliga spegeln (24) utför en roterande eller en fram- och återgående rörelse.

10. Anordning enligt patentkrav 7 - 9, kännetecknad därav, att detektoranordningen (7) utgörs av en linjedetek- tor.