SE509763C2

SE509763C2 - Optical distance meter

Info

Publication number: SE509763C2
Application number: SE9103754A
Authority: SE
Inventors: Sten Loefving
Original assignee: Sten Loefving
Priority date: 1991-12-18
Filing date: 1991-12-18
Publication date: 1999-03-08
Also published as: SE9103754L; SE9103754D0

Abstract

The detector (1, 2, 3, 4) max sensitivity is oriented in different directions in the plane which includes the radiation source max radiation, whereby the detectors detect the diffusely reflected radiations from the source against a measurement surface. The detectors are positioned closely to each other and at a specific distance from the radiation source max radiation. The output signal from the system consists of the quota between weighted sum signals from two groups of detectors, with the summations made within the respective groups, and each group of detectors (2, 3; 1, 4) comprises one or more detectors whose max sensitivity is directed in the same direction.

Description

2» 509 763 Den mot mätytan från strálningskällan härrörande strålningen kan detekteras med hjälp av faslåst teknik, vilket medför att påverkan från dagsljus och elljus elimineras. 2 »509 763 The radiation originating towards the measuring surface from the radiation source can be detected by means of phase-locked technology, which means that the influence from daylight and electric light is eliminated.

Detektorerna skall ha den egenskapen att utsignalen från dem är maximal när de orienteras i en viss riktning mot det infallande ljuset för att monotont avta när de vinklas frán denna riktning.The detectors must have the property that the output signal from them is maximum when they are oriented in a certain direction towards the incident light in order to decrease monotonically when they are angled from this direction.

Signalen från detektor D härrörande från den av ljuskällan V belysta delen av mätytan, V kan uttryckas: 2 2 V= [R*P t/(a +r )]*f(r/a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. l u där: R är den diffusa reflektionskoefficienten för mätytan.The signal from detector D originating from the part of the measuring surface illuminated by the light source V can be expressed: 2 2 V = [R * P t / (a + r)] * f (r / a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. l u there: R is the diffuse reflection coefficient of the measuring surface.

Put är uteffekten från stràlningskällan. r är avståndet mellan detektorerna och mätytans plan. a är avståndet mellan detektorerna och ljuskällans maximala strålning f(r/a) är detektorn D :s vinkelberoende.Put is the output power from the radiation source. r is the distance between the detectors and the plane of the measuring surface. a is the distance between the detectors and the maximum radiation of the light source f (r / a) is the angular dependence of the detector D.

V Motsvarande uttryck för detektorn D lyder: H= [R*P /(a2+r2)]*g(r/a) ........?............. 2 där: g(:Éa) är detektorn D :s vinkelberoende.V The corresponding expression for the detector D reads: H = [R * P / (a2 + r2)] * g (r / a) ........? ............. 2 where: g (: Éa) is the angle dependence of the detector D.

I ett utförande inreglerâs uteffekten från strålkällan så att V antar ett visst värde, konst.In one embodiment, the output power from the radiation source is adjusted so that V assumes a certain value, const.

Detta kan uttryckas matematiskt enligt: 2 2 V= konst= R*P /(a +r )*f(r/a) eller ut 2 2 ' P = konst*(a +r )/(R*f(r/a)) ut Insättning av detta uttryck i ekv 2 ger efter förkortning: H= konst*g(r/a)/f(r/a) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..3 Vi finner att utsignalen från detektor D , H i detta system är - n oberoende av R . Reglersystemet kompenserar för att olika ytor har olika värde på R. Utsignalen beror enbart pà förhållandet r/a eller med andra ord är ett direkt mått på avståndet mellan strål- ningskällan och mätytan. i Kvoten g/f enligt ekvation 3 kan även erhållas genom direkt analog eller digital division av utsignalerna från de två detektorerna utan att man använder sig av något regersystem för uteffekten.This can be expressed mathematically according to: 2 2 V = art = R * P / (a + r) * f (r / a) or ut 2 2 'P = art * (a + r) / (R * f (r / a)) ut Insertion of this expression in equation 2 gives after abbreviation: H = art * g (r / a) / f (r / a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..3 We find that the output signal from detector D, H in this system is - n independent of R. The control system compensates for the fact that different surfaces have different values of R. The output signal depends solely on the ratio r / a or in other words is a direct measure of the distance between the radiation source and the measuring surface. i The ratio g / f according to equation 3 can also be obtained by direct analog or digital division of the output signals from the two detectors without using any control system for the output power.

Man kan visa att i specialfallet som motsvarar de orienteringar detektorerna har i figuren och om detektorerna är okapslade foto- dioder blir utsignalen H inom ett område en approximativt linjär funktion av avståndet r.It can be shown that in the special case which corresponds to the orientations the detectors have in the figure and if the detectors are unencapsulated photodiodes, the output signal H within an area becomes an approximately linear function of the distance r.

Emellertid uppstår vissa fel i avstàndsmätningen p g a att detek- torerna trots att de placeras så nära varandra som möjligt inte "ser" mätobjektet i exakt samma vinkel. Matematiskt kan man se detta som att faktorn R i ekvationerna inte är exakt lika för de två detektorena och orsakar ett fel i slutresultatet. Dessa fel blir märkbara först när man växlar mellan mätytor med olika form på reflektionsloberna - t ex när man omväxlande mäter på papper och metallytor eller matematiskt uttryckt: ytor med olika form på R som funktion av betraktningsvinkeln. Man kan visa att dessa fel maximalt kan bli ungefär av samma storleksordning som avståndet mellan detektorerna.However, some errors occur in the distance measurement due to the fact that the detectors, despite being placed as close to each other as possible, do not "see" the measuring object at exactly the same angle. Mathematically, this can be seen as the factor R in the equations is not exactly the same for the two detectors and causes an error in the end result. These errors become noticeable only when switching between measuring surfaces with different shapes on the reflection lobes - for example when measuring alternately on paper and metal surfaces or mathematically speaking: surfaces with different shapes on R as a function of the viewing angle. It can be shown that these errors can at most be approximately of the same order of magnitude as the distance between the detectors.

Man kan dock kompensera för dessa fel genom att använda sig av fler än två detektorer. Detektorerna skall då placeras så att dessa fel summeras med motsatt tecken och med lämpliga vikt- koefficienter varvid mätnoggrannheten förbättras drastiskt.However, these errors can be compensated for by using more than two detectors. The detectors must then be positioned so that these errors are summed up with the opposite sign and with suitable weight coefficients, whereby the measurement accuracy is drastically improved.

Hur detta kan göras framgår av följande utförningsexempel med referens till figur 2: Signalerna fràn de två detektorerna 2 & 3 resp 1 & 4 summeras och förhållandet mellan dessa summor bildas varvid detta förhållande är ett bättre mått på avståndet än t ex förhållandet mellan signalerna från t ex detektor 3 och 4. De två detektorparen placeras lämpligen ovanpå varandra i papperets plan enligt fig 3.How this can be done is shown in the following exemplary embodiment with reference to Figure 2: The signals from the two detectors 2 & 3 and 1 & 4 are summed and the ratio between these sums is formed, this ratio being a better measure of the distance than e.g. the ratio between the signals from t eg detectors 3 and 4. The two detector pairs are suitably placed on top of each other in the plane of the paper according to Fig. 3.

Detektorerna kan mycket väl ha andra former på sina känslighets- lober än de man får från plana detektorer. Mycket goda resultat erhålles med vad som ibland kallas "icke avbildande linssystem" framför detektorelementen. T ex kan man med fördel använda detek- torer som är ingjutna i en plastkropp.The detectors may well have different shapes on their sensitivity lobes than those obtained from flat detectors. Very good results are obtained with what is sometimes called "non-imaging lens system" in front of the detector elements. For example, it is advantageous to use detectors that are molded into a plastic body.

Claims

509 763 Batentkrgy

Optical rangefinder comprising a directional radiation source and at least three detectors whose sensitivities decrease monotonically when angled from a certain direction At least one of the detectors is directed so that the direction of its maximum sensitivity intersects the maximum radiation of the radiation source the detectors' maximum sensitivities are oriented in different directions plane comprising the maximum radiation of the radiation source, the detectors detecting the diffusely reflected radiation emanating from a measuring surface, originating from the radiation source, are placed close to each other and at a certain distance from the maximum radiation of the radiation source. characterized in that the output signal from the system consists of the ratio between weighted sum signals from two groups of detectors, the summations being made within each group that each group of detectors consists of one or more detectors whose maximum sensitivity (s) are directed in substantially the same direction at least one of the detectors in one group intersects the lobe of at least one of the detectors in the other group that the lobes of at least two of the detectors do not intersect.

A rangefinder according to claim 1, characterized in that collecting opal systems are placed in front of one or more of the detectors.