WO2015003833A1 - Bestimmung eines abstands und eines winkels in bezug auf eine ebene mittels mehrerer entfernungsmessungen - Google Patents

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WO2015003833A1
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measuring
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target object
beams
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Stefan Noe
Bernd Schmidtke
Florian Giesen
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone

Definitions

  • Optical distance measuring devices which can determine a distance between the distance measuring device and a target object.
  • the distance measuring devices emit a light beam in the direction of the target object and detect the object reflected and in the direction
  • the determination of the distance can be done by means of a run time method, also referred to as a time-of-flight method.
  • the measurement can take place in the time domain or in the frequency domain.
  • a short laser pulse can be emitted to the target object at a time t st a rt and scattered or reflected there.
  • Measuring radiation for example, reaches the optical receiver via a receiving optical system and reaches it at a time t st0p .
  • the distance d of the target object is calculated from the measured transit time (t sto p minus t st a rt ) and the speed of light c 0 .
  • a measuring device for optical distance and angle measurement is presented.
  • the measuring device has a transmitting device for emitting an optical measuring radiation toward a target object. Furthermore, the measuring device has a
  • Modulation device for electrically modulating the measurement radiation and a detector device for detecting the reflected from the target object
  • the measuring device has a device for generating at least three modulated measuring beams. This can be done for example by beam splitting, for example by means of a beam splitter element.
  • the beam splitting can take place with the aid of a mirror system.
  • the beam splitting takes place with the aid of a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • the three measuring beams each include different angles with a reference axis of the measuring device.
  • the detector device is implemented, the three reflected by the target object
  • the idea of the invention is based on the fact that the measuring device is designed as an "optical tripod" and thus enables an accurate three-dimensional positioning of the measuring device in relation to a plane
  • the optical modulation is independent of the electrical modulation.
  • the position and the inclination of a tool associated with the measuring device can be determined with respect to a wall.
  • the distance and angle determination is made possible in particular by the simultaneous detection of the reflected measurement beams.
  • distance and inclination of surfaces with respect to a device or tool axis can be determined, even if the surface is not directly accessible.
  • the measuring device can measure the radiation backscattered by a target object in a spatially and temporally resolved manner.
  • the target object is not illuminated over a large area but only illuminated by a plurality of individual measuring beams. This can be energy and
  • Computing power can be saved. Furthermore, can be
  • the beam splitting can be carried out in a particularly cost-effective and space-saving manner by means of a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • the measuring device can be a digital or optoelectronic
  • the measuring device as part of a tool, such as a drill or a jigsaw executed.
  • the measuring device can be designed as a single-photon avalanche diode or SPAD-based laser rangefinder.
  • the SPADs can be designed to detect individual photons that induce an electrical pulse.
  • the measuring device can also be designed to determine the distance to a target object, which is located at a distance of a few millimeters to several meters from the measuring device. At the same time, the measuring device determines the angle of inclination of a reference axis relative to the preferably flat target object.
  • the measuring method of the measuring device can be based on high-frequency laser modulation and light transit time analysis.
  • the transmitting device of the measuring device can emit the signal of a light source such as an LED, a laser or a laser diode and optionally control. For example, the transmitting device
  • Emitting measuring radiation with a wavelength of 600 nm.
  • the measuring radiation is then electrically modulated by a modulation device.
  • the modulation frequency can be between 100 and 700 MHz.
  • At least three measuring beams are generated, which include different spatial angles with the reference axis of the measuring device.
  • the reference axis can correspond to a drilling axis and the three measuring beams can lie on a cone about this reference axis.
  • the measuring radiation can be divided into individual measuring beams before they
  • Measuring device leaves. Due to the different angles, the measuring beams arrive at different points on the target object. This allows three different distance measurements.
  • the beam splitting can be effected for example by a diffractive optical element (DOE).
  • DOE diffractive optical element
  • the individual measuring beams are at least partially reflected back to the measuring device.
  • a detector device detects the three
  • a plurality of individual and independent detectors may be provided.
  • a detector may comprise a plurality of mutually independent regions which allow simultaneous detection of multiple beams.
  • Detector device determines a phase angle or transit time for each of the detected measurement beams.
  • the detector device may be implemented as part of an application specific integrated circuit (ASIC). All reflected measuring beams can be detected on the same ASIC. Alternatively, a separate ASIC can be provided for each measurement beam.
  • the detector device may provide an output signal which is supplied to an associated time measuring unit. The output signal can be correspond to an electrical pulse which is induced by absorption of a photon and whose pulse edge correlates with the time of detection of the photon.
  • the detector device may preferably be provided with a plurality of possibly
  • the photosensitive elements of the detector device may be, for example, modulated charge-coupled device (CCD), complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) pixel, avalanche photodiode (APD) or positive-intrinsic-negative diode "(PIN diodes).
  • CCD modulated charge-coupled device
  • CMOS complementary-metal-oxide-semiconductor
  • APD avalanche photodiode
  • PIN diodes positive-intrinsic-negative diode
  • the detector means may be based on single-photon-avalanche diodes (SPADs) as photosensitive elements, whereby the timing may be effected by means of clocked counters whose clock signals are generated by a frequency generator.
  • the frequency generator may be fed by an oscillator For this purpose, the transmission or
  • Measuring radiation are modulated by means of the transmitting device accordingly.
  • the high-frequency generator and the oscillator can be used as parts of
  • the optical radiation of a light source can be modulated in its intensity, for example sinusoidally.
  • This modulated radiation is emitted to the target object and scattered or reflected there. Part of the reflected radiation passes e.g. via a receiving optics to the detector device.
  • the received sinusoidal intensity-modulated radiation has a phase offset to the emitted sinusoidal intensity-modulated signal. From the phase difference between received and transmitted signal, the known modulation frequency and the speed of light, the distance to the target object can be calculated. From the at least three distances calculated with the aid of the reflected beams, a three-dimensional position, that is the
  • the measuring device further comprises an evaluation unit.
  • the evaluation unit is executed, three
  • the detector device can be designed as part of the evaluation unit or integrated into it.
  • the evaluation device can be designed as an ASIC. The determination of the distances and the angles can take place in real time.
  • the detector device designed as a spatially resolving and modulation-sensitive sensor.
  • the detector device can detect at least three beams simultaneously. That is, the detection does not take place sequentially but in parallel.
  • the detector device can detect at least three beams simultaneously. That is, the detection does not take place sequentially but in parallel.
  • Detector device on single-photon-avalanche diodes The design of the detector device with SPADs can be less expensive compared to other alternatives, such as CCD or APDs. Furthermore, a SPAD-based detector device can provide faster and more accurate range and distance
  • Enable angle determination In addition, space can be saved in the measuring device by providing a plurality of mutually independent detection areas on a SPAD array.
  • Measuring device also has a wide-angle lens.
  • the wide-angle lens is arranged on the measuring device such that the three measuring beams pass the wide-angle lens after they have been reflected by the target object.
  • the wide-angle lens may include a convergent lens and have a focal length of, for example, 20 mm. In this case, the wide-angle lens ensures that the largest possible area of the target object on the detector device is shown.
  • the focal length of the wide-angle lens can vary depending on
  • Measuring device further comprises an output device.
  • the output device is designed to output the distances and / or angles determined by the evaluation unit as an optical signal and / or as an acoustic signal.
  • the output device as a display, possibly with a
  • a drilling depth and a drilling angle can be output on the display. If appropriate, a deviation from the perpendicularity with respect to the wall can be output, for example, as an acoustic warning signal.
  • a drilling machine is presented.
  • the drilling machine has a measuring device described above.
  • the drill has a drilling axis.
  • the drilling axis coincides with the reference axis of the measuring device.
  • the measuring device is designed as part of a drill or in the
  • the measuring device can be integrated in any desired tool.
  • a method for optical distance and Wnkelflop comprises the following steps: emitting an optical measuring radiation by means of a
  • Transmitting device to a preferably planar target object; electrically modulating the measuring radiation by means of a modulation device; Dividing the electrically modulated measuring radiation into three measuring beams by means of a diffractive optical element such that the three measuring beams each include different angles with a reference axis of the measuring device; and simultaneously detecting the three measurement beams reflected from the target object by means of a detector device.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a measuring device according to
  • FIG. 2 shows an illustration of the measuring beams emitted by a measuring device shown in FIG. 1 and the corresponding angles and distances
  • a measuring device 1 is shown. A case of the
  • Measuring device 1 is indicated by dashed lines.
  • the measuring device 1 can, for example, as a digital or opto-electronic hand-held
  • the measuring device can be designed as part of a tool, for example a drill.
  • the measuring device 1 allows a distance and at the same time an angle measurement. In this way, the three-dimensional positioning or position of the measuring device 1 with respect to a target object 7 can be determined.
  • the target object 7 is designed as a flat surface, such as a wall.
  • the measuring device 1 has a transmitting device 3 for emitting an optical measuring radiation 5 to the target object 7.
  • the transmitting device 3 can be embodied for example as a laser.
  • the measuring radiation 5 can pass through a collimator 41 within the measuring device 1.
  • the collimator 41 may be, for example, a converging lens comprising the components of
  • the measuring device 1 has a modulation device 9 for electrically modulating the measuring radiation 5.
  • the modulation device 9 can be coupled to the transmitting device 3, for example.
  • the measuring radiation 5 is guided through a diffractive optical element 13.
  • the diffractive optical element 13 divides the measuring radiation 5 into three measuring beams 15, 17, 19.
  • the first measuring beam 15, the second measuring beam 17 and the third measuring beam 19 each include different spatial angles with a reference axis 21 of the measuring device 1.
  • the three measuring beams 15, 17, 19 can lie on a cone about the reference axis 21.
  • the cone can have an opening angle 43.
  • Opening angle 43 can be suitable for the respective measuring task or
  • FIG. 2 shows the measuring beams 15, 17, 19 emitted by the measuring device 1.
  • three independent distance measurements can be carried out simultaneously.
  • the distance 35 of the measuring device 1 in the reference axis 21 from the target object 7 can be determined.
  • an elevation angle 31 between the reference axis 21 of the measuring device 1 and the plane 7 can be determined.
  • an azimuth angle 33 between the reference axis 21 of the measuring device 1 and the plane 7 can be determined.
  • three modulated measuring beams 15, 17, 19 are emitted by the measuring device 1.
  • the measuring beams 15, 17, 19 strike the target object 7 at different locations and are reflected.
  • the reflected measuring beams 23, 25, 27 at least partially converge
  • the first reflected measurement beam 23, the second reflected measurement beam 25 and the third reflected measurement beam 27 are directed by means of a wide-angle lens 37 to a detector device 1 1.
  • the focal length 45 of the wide-angle lens 37 is less than 20 mm and can be adapted to the particular application.
  • the photosensitive elements of the detector device 11 may be, for example, modulated CCD, CMOS pixels, APDs or PIN diodes.
  • the detector device 11 can be based on SPADs as photosensitive elements.
  • the SPADs can become an array with several of each other be executed independent areas. In particular, a separate region independent of the other regions can be provided for each reflected measuring beam 23, 25, 27. In this case, the detector device 11 spatially separate the received measuring beam 23, 25, 27 and evaluate their phase angles simultaneously.
  • the detector device 11 may be connected to an evaluation unit 29.
  • the evaluation device 29 can, based on the measuring beams 23, 25, 27, which were received in the detector device 11, three independent
  • the azimuth angle 33 and the elevation angle 31 can be calculated therefrom.
  • the results can be output optically and / or acoustically in an output device 39.
  • the evaluation device 29 functional with the
  • Output device 39 may be connected.
  • the measuring device 1 can be integrated in a tool, in particular in a drilling machine.
  • the reference axis 21 may in this case substantially coincide with a drilling axis. In a deviation of the reference axis 21 by more than a predetermined amount of one
  • an audible warning signal can be issued. Furthermore, a drilling angle and a drilling depth can be displayed on an output device 39 designed as a display.

Abstract

Es wird eine Messvorrichtung (1) zur optischen Entfernungs- und Winkelmessung vorgestellt. Die Messvorrichtung (1) weist eine Sendeeinrichtung (3) zum Aussenden einer optischen Messstrahlung (5) zu einem Zielobjekt (7) und eine Modulationseinrichtung (9) zum elektrischen Modulieren der Messstrahlung (5) auf. Ferner weist die Messvorrichtung (1) ein diffraktives optisches Element (13) auf, das ausgeführt ist, die Messstrahlung (5) in drei Messstrahlen (15, 17, 19) derart aufzuteilen, dass die drei Messstrahlen (15, 17, 19) jeweils unterschiedliche Winkel (45) mit einer Referenzachse (21) der Messvorrichtung (1) einschließen. Des Weiteren weist die Messvorrichtung (1) eine Detektoreinrichtung (11) zum Detektieren der vom Zielobjekt (7) reflektierten Messstrahlung (23, 25, 27) auf. Die Detektoreinrichtung (11) ist ausgeführt, die drei vom Zielobjekt (7) reflektierten Messstrahlen (23, 25, 27) gleichzeitig zu detektieren.

Description

Beschreibung
Bestimmung eines Abstands und eines Winkels in Bezug auf eine Ebene mittels mehrerer Entfernungsmessungen
Stand der Technik
Es sind optische Entfernungsmessgeräte bekannt, die einen Abstand zwischen dem Entfernungsmessgerät und einem Zielobjekt ermitteln können. Hierzu senden die Entfernungsmessgeräte einen Lichtstrahl in Richtung des Zielobjekts aus und detektieren vom Objekt reflektiertes und in Richtung
Entfernungsmessgerät zurücklaufendes Licht.
Die Ermittlung der Entfernung kann mittels eines Lauf Zeitverfahrens, auch als time-of-flight-Verfahren bezeichnet, geschehen. Die Messung kann dabei im Zeitbereich oder im Frequenzbereich stattfinden. Bei einer zeitlichen Messung kann z.B. ein kurzer Laserpuls zu einem Zeitpunkt tstart zum Zielobjekt ausgesandt und dort gestreut bzw. reflektiert werden. Ein Teil dieser
Messstrahlung gelangt zum Beispiel über eine Empfangsoptik zum optischen Empfänger und erreicht diesen zu einem Zeitpunkt tst0p. Aus der gemessenen Laufzeit (tstop minus tstart) und der Lichtgeschwindigkeit c0 wird die Entfernung d des Zielobjekts berechnet.
Bei manchen Anwendungen, wie zum Beispiel bei einer Integration des
Entfernungsmessgeräts in ein Werkzeug, könnten weitere Positionsdetails benötigt werden, um die Entfernungsmessdaten sinnvoll nutzen zu können.
Offenbarung der Erfindung
Es kann daher ein Bedarf an einer Messvorrichtung und einem entsprechenden Verfahren bestehen, die eine genauere Positionsbestimmung ermöglichen. Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Folgenden werden Merkmale, Einzelheiten und mögliche Vorteile einer Vorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung im Detail diskutiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Messvorrichtung zur optischen Entfernungs- und Winkelmessung vorgestellt. Die Messvorrichtung weist eine Sendeeinrichtung zum Aussenden einer optischen Messstrahlung auf ein Zielobjekt hin auf. Ferner weist die Messvorrichtung eine
Modulationseinrichtung zum elektrischen Modulieren der Messstrahlung und eine Detektoreinrichtung zum Detektieren der vom Zielobjekt reflektierten
Messstrahlung auf. Des Weiteren weist die Messvorrichtung eine Vorrichtung zur Erzeugung von wenigstens drei modulierten Messstrahlen auf. Dies kann beispielsweise durch Strahlteilung zum Beispiel mittels eines Strahlteilerelements erfolgen. Beispielsweise kann die Strahlteilung mit Hilfe eines Spiegelsystems stattfinden. Vorzugsweise findet die Strahlteilung mit Hilfe eines diffraktiven optischen Elements (DOE) statt. Die drei Messstrahlen schließen dabei jeweils unterschiedliche Wnkel mit einer Referenzachse der Messvorrichtung ein. Die Detektoreinrichtung ist ausgeführt, die drei vom Zielobjekt reflektierten
Messstrahlen gleichzeitig zu detektieren.
Anders ausgedrückt basiert die Idee der Erfindung darauf, die Messvorrichtung als„optisches Dreibein" auszuführen und damit eine genaue dreidimensionale Positionierung der Messvorrichtung in Bezug auf eine Ebene zu ermöglichen. Dabei wird zunächst eine elektrische Modulation der ausgesendeten
Messstrahlung und anschließend eine optische Modulation durchgeführt. Die optische Modulation ist dabei unabhängig von der elektrischen Modulation. Hierdurch können beispielsweise die Lage und die Neigung eines mit der Messvorrichtung assoziierten Werkzeugs, wie zum Beispiel einer Bohrmaschine, in Bezug auf eine Wand bestimmt werden. Dabei wird die Entfernungs- und Winkelbestimmung insbesondere durch die gleichzeitige Detektion der reflektierten Messstrahlen ermöglicht. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Messvorrichtung können Abstand und Neigung von Flächen bezüglich einer Geräte- bzw. Werkzeugachse bestimmt werden, auch wenn die Fläche nicht unmittelbar zugänglich ist. Ferner können mit Hilfe der Messvorrichtung zum Beispiel Bohrungen mit einer bestimmten Tiefe und einem bestimmten Winkel in einer ebenen Fläche vorgenommen werden. Dabei wird kann auf eine mechanische Halterung, wie zum Beispiel einen Bohrständer, verzichtet werden.
Die Messvorrichtung kann, ähnlich einer 3D-Kamera, die von einem Zielobjekt zurückgestreute Strahlung orts- und zeitaufgelöst messen. Im Gegensatz zu einer 3D-Kamera wird das Zielobjekt jedoch nicht großflächig, sondern nur über mehrere einzelne Messstrahlen beleuchtet. Hierdurch kann Energie und
Rechenleistung eingespart werden. Ferner lassen sich
Leistungsbeschränkungen der Sendeeinrichtung, wie zum Beispiel ein
Laserschutz vorteilhaft nutzen.
Werden die wenigstens drei Messstrahlen mittels Strahlteilung erzeugt, so wird nur eine Sendeeinrichtung benötigt. Die Strahlteilung kann besonders kostengünstig und raumsparend mittels eines diffraktiven optischen Elements (DOE) erfolgen.
Die Messvorrichtung kann dabei ein digitales bzw. optoelektronisches
handgehaltenes Entfernungsmessgerät sein. Insbesondere kann die
Messvorrichtung als Teil eines Werkzeugs, wie zum Beispiel einer Bohrmaschine oder einer Stichsäge, ausgeführt sein. Dabei kann die Messvorrichtung als Single-Photon-Avalanche Dioden- bzw. als SPAD-basierter Laser- Entfernungsmesser ausgeführt sein. Die SPADs können dabei ausgeführt sein, jeweils einzelne Photonen zu detektieren, die einen elektrischen Puls induzieren. Die Messvorrichtung kann ferner ausgeführt sein, die Entfernung zu einem Zielobjekt, welches sich im Abstand von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern von der Messvorrichtung befindet, zu ermitteln. Gleichzeitig ermittelt die Messvorrichtung den Neigungswinkel einer Referenzachse gegenüber dem vorzugsweise ebenen Zielobjekt. Das Messverfahren der Messvorrichtung kann auf hochfrequenter Laser-Modulation und Licht-Laufzeitanalyse beruhen. Die Sendeeinrichtung der Messvorrichtung kann das Signal einer Lichtquelle wie zum Beispiel einer LED, eines Lasers oder einer Laserdiode aussenden und gegebenenfalls steuern. Beispielsweise kann die Sendeeinrichtung
Messstrahlung mit einer Wellenlänge von 600 nm aussenden. Die Messstrahlung wird anschließend durch eine Modulationseinrichtung elektrisch moduliert.
Beispielsweise kann die Modulationsfrequenz zwischen 100 und 700 MHz liegen.
Es werden wenigstens drei Messstrahlen erzeugt, die unterschiedliche räumliche Winkel mit der Referenzachse der Messvorrichtung einschließen. Beispielsweise kann die Referenzachse einer Bohrachse entsprechen und die drei Messstrahlen können auf einem Kegel um diese Referenzachse liegen. Die Messstrahlung kann dazu in einzelne Messstrahlen aufgeteilt werden, bevor sie die
Messvorrichtung verlässt. Durch die unterschiedlichen Winkel kommen die Messstrahlen an unterschiedlichen Punkten am Zielobjekt an. Hierdurch werden drei verschiedene Abstandsmessungen ermöglicht.
Vorteilhaft werden die Messstrahlen durch Strahlteilung der elektrisch
modulierten Messtrahlung erzeugt. Die Strahlteilung kann beispielsweise durch ein diffraktives optisches Element (DOE) erfolgen.
Nach dem Auftreffen an mindestens drei unterschiedlichen Punkten des
Zielobjekts werden die einzelnen Messstrahlen zumindest teilweise zurück zur Messvorrichtung reflektiert. Eine Detektoreinrichtung detektiert die drei
Messstrahlen gleichzeitig und unabhängig voneinander. Hierzu können mehrere einzelne und voneinander unabhängige Detektoren vorgesehen sein. Alternativ kann ein Detektor mehrere voneinander unabhängige Bereiche aufweisen, die eine gleichzeitige Detektion von mehreren Strahlen ermöglichen. Die
Detektoreinrichtung ermittelt zu jedem der detektierten Messstrahlen eine Phasenlage oder Laufzeit.
Die Detektoreinrichtung kann als Teil einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (engl, application specific integrated circuit; ASIC) ausgeführt sein. Dabei können alle reflektierten Messstrahlen auf dem gleichen ASIC detektiert werden. Alternativ kann für jeden Messstrahl ein separates ASIC vorgesehen sein. Die Detektoreinrichtung kann ein Ausgangssignal liefern, welches einer zugeordneten Zeitmesseinheit zugeführt wird. Das Ausgangssignal kann dabei einem elektrischen Puls entsprechen, welcher durch Absorption eines Photons induzierter ist und dessen Pulsflanke mit der Zeit der Detektion des Photons korreliert. Die Detektoreinrichtung kann vorzugsweise mit mehreren ggf.
verschaltbaren lichtempfindlichen Elementen ausgestaltet sein.
Die lichtempfindlichen Elemente der Detektoreinrichtung können zum Beispiel modulierte„charge-coupled device" (CCD),„complementary-metal-oxide- semiconductor-Pixel (CMOS-Pixel), Avalanche-Photodioden (APDs) oder „positive-intrinsic-negative-Dioden" (PIN-Dioden) sein.
Vorzugsweise kann die Detektoreinrichtung auf„single-photon-avalanche Dioden" (SPADs) als lichtempfindlichen Elementen basieren. Die Zeitmessung kann dabei mit Hilfe von getakteten Zählern erfolgen, deren Taktsignale von einem Frequenzgenerator erzeugt werden. Der Frequenzgenerator kann von einem Oszillator gespeist werden. Gleichzeitig dazu kann die Sende- bzw.
Messstrahlung mittels der Sendeeinrichtung entsprechend moduliert werden. Der Hochfrequenzgenerator und der Oszillator können dabei als Teile der
Messvorrichtung ausgeführt sein.
Eine Entfernungsmessung für jeden reflektierten Messstrahl kann im
Frequenzbereich bzw. nach dem Phasenlaufzeitverfahren erfolgen. Dabei kann die optische Strahlung einer Lichtquelle in ihrer Intensität beispielsweise sinusförmig moduliert werden. Diese modulierte Strahlung wird auf das Zielobjekt ausgesandt und dort gestreut bzw. reflektiert. Ein Teil der reflektierten Strahlung gelangt z.B. über eine Empfangsoptik zur Detektoreinrichtung. In Abhängigkeit von einer Entfernung des Zielobjekts weist die empfangene sinusförmig intensitätsmodulierte Strahlung einen Phasenversatz zum ausgesendeten sinusförmig intensitätsmodulierten Signal auf. Aus der Phasendifferenz zwischen empfangenem und gesendetem Signal, der bekannten Modulationsfrequenz sowie der Lichtgeschwindigkeit kann die Entfernung zum Zielobjekt berechnet werden. Aus den mindestens drei mit Hilfe der reflektierten Strahlen berechneten Entfernungen kann auch eine dreidimensionale Position, das heißt der
Elevationswinkel und der Azimutwinkel einer Referenzachse der Messvorrichtung in Bezug auf das Zielobjekt berechnet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Messvorrichtung ferner eine Auswerteeinheit auf. Die Auswerteinheit ist ausgeführt, drei
Entfernungen anhand der drei Messstrahlen zu ermitteln. Ferner ist die
Auswerteeinheit ausgeführt, Winkel zwischen der Referenzachse der
Messvorrichtung und einer Oberfläche des Zielobjekts anhand der drei ermittelten Entfernungen zu bestimmen, insbesondere einen Azimutwinkel und/oder einen Elevationswinkel.
Die Detektoreinrichtung kann dabei als Teil der Auswerteeinheit ausgeführt bzw. in diese integriert sein. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung als ASIC ausgeführt sein. Die Bestimmung der Entfernungen und der Winkel kann dabei in Echtzeit stattfinden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die
Detektoreinrichtung als ortsauflösender und modulationsempfindlicher Sensor ausgeführt. Insbesondere kann die Detektoreinrichtung mindestens drei Strahlen gleichzeitig detektieren. Das heißt, die Detektion findet nicht sequentiell, sondern parallel statt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung basiert die
Detektoreinrichtung auf single-photon-avalanche Dioden. Die Ausgestaltung der Detektoreinrichtung mit SPADs kann dabei kostengünstiger im Vergleich zu anderen Alternativen, wie CCD oder APDs sein. Ferner kann eine SPAD-basierte Detektoreinrichtung eine schnellere und genauere Entfernungs- und
Winkelbestimmung ermöglichen. Zusätzlich kann durch das Vorsehen mehrerer voneinander unabhängiger Detektionsbereiche auf einem SPAD-Array Bauraum in der Messvorrichtung eingespart werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die
Messvorrichtung ferner ein Weitwinkelobjektiv auf. Das Weitwinkelobjektiv ist dabei derart an der Messvorrichtung angeordnet, dass die drei Messstrahlen das Weitwinkelobjektiv passieren, nachdem sie vom Zielobjekt reflektiert wurden. Das Weitwinkelobjektiv kann eine Sammellinse enthalten und eine Brennweite von beispielsweise 20 mm aufweisen. Dabei sorgt das Weitwinkelobjektiv dafür, dass ein möglichst großer Bereich des Zielobjekts auf die Detektoreinrichtung abgebildet wird. Die Brennweite des Weitwinkelobjektivs kann je nach
Anwendung variieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die
Messvorrichtung ferner eine Ausgabevorrichtung auf. Die Ausgabevorrichtung ist ausgeführt, die von der Auswerteeinheit ermittelten Entfernungen und/oder Winkel als optisches Signal und/oder als akustisches Signal auszugeben.
Beispielsweise kann die Ausgabevorrichtung als Display, ggf. mit einem
Lautsprecher ausgeführt sein. Bei einer Integration der Messvorrichtung in eine Bohrmaschine kann zum Beispiel eine Bohrtiefe und ein Bohrwinkel auf dem Display ausgegeben werden. Gegebenenfalls kann eine Abweichung von der Rechtwinkligkeit bezüglich der Wand zum Beispiel als akustisches Warnsignal ausgegeben werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Bohrmaschine vorgestellt. Die Bohrmaschine weist eine oben beschriebene Messvorrichtung auf. Ferner weist die Bohrmaschine eine Bohrachse auf. Die Bohrachse fällt dabei mit der Referenzachse der Messvorrichtung zusammen. Anders ausgedrückt ist die Messvorrichtung als Teil einer Bohrmaschine ausgeführt bzw. in die
Bohrmaschine integriert. Alternativ kann die Messvorrichtung in ein beliebiges Werkzeug integriert sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur optischen Entfernungs- und Wnkelmessung vorgestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Aussenden einer optischen Messstrahlung mittels einer
Sendeeinrichtung zu einem vorzugsweise ebenen Zielobjekt hin; elektrisches Modulieren der Messstrahlung mittels einer Modulationseinrichtung; Aufteilen der elektrisch modulierten Messstrahlung in drei Messstrahlen mittels eines diffraktiven optischen Elements derart, dass die drei Messstrahlen jeweils unterschiedliche Wnkel mit einer Referenzachse der Messvorrichtung einschließen; und gleichzeitiges Detektieren der drei vom Zielobjekt reflektierten Messstrahlen mittels einer Detektoreinrichtung.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werd
Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen, die jedoch nicht als die Erfindung beschränkend auszulegen sind, unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen ersichtlich.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
Fig. 2 zeigt eine Darstellung der von einer in Fig. 1 gezeigten Messvorrichtung ausgesendeten Messstrahlen und der entsprechenden Winkel und Entfernungen
Alle Figuren sind lediglich schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen bzw. ihrer Bestandteile gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung. Insbesondere Abstände und Größenrelationen sind in den Figuren nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In den verschiedenen Figuren sind sich entsprechende Elemente mit den gleichen Referenznummern versehen.
In Fig. 1 ist eine Messvorrichtung 1 dargestellt. Ein Gehäuse der
Messvorrichtung 1 ist gestrichelt angedeutet. Die Messvorrichtung 1 kann dabei zum Beispiel als digitales bzw. optoelektronisches handgehaltenes
Entfernungsmessgerät ausgeführt sein. Insbesondere kann die Messvorrichtung als Teil eines Werkzeugs, beispielsweise einer Bohrmaschine, ausgeführt sein.
Die Messvorrichtung 1 ermöglicht eine Entfernungs- und gleichzeitig eine Winkelmessung. Auf diese Weise kann die dreidimensionale Positionierung bzw. Lage der Messvorrichtung 1 in Bezug auf ein Zielobjekt 7 bestimmt werden. In den Figuren ist das Zielobjekt 7 als ebene Fläche, wie zum Beispiel eine Wand, ausgeführt.
Die Messvorrichtung 1 weist eine Sendeeinrichtung 3 zum Aussenden einer optischen Messstrahlung 5 zum Zielobjekt 7 auf. Die Sendeeinrichtung 3 kann dabei zum Beispiel als Laser ausgeführt sein. Die Messstrahlung 5 kann innerhalb der Messvorrichtung 1 einen Kollimator 41 durchlaufen. Der Kollimator 41 kann zum Beispiel eine Sammellinse sein, die die Komponenten der
Messstrahlung 5 parallel zueinander ausrichtet. Ferner weist die Messvorrichtung 1 eine Modulationseinrichtung 9 zum elektrischen Modulieren der Messstrahlung 5 auf. Die Modulationseinrichtung 9 kann zum Beispiel mit der Sendeeinrichtung 3 gekoppelt sein. Nach der elektrischen Modulation wird die Messstrahlung 5 durch ein diffraktives optisches Element 13 geführt. Das diffraktive optische Element 13 teilt die Messstrahlung 5 in drei Messstrahlen 15, 17, 19. Der erste Messstrahl 15, der zweite Messstrahl 17 und der dritte Messstrahl 19 schließen jeweils unterschiedliche räumliche Winkel mit einer Referenzachse 21 der Messvorrichtung 1 ein. Beispielsweise können die drei Messstrahlen 15, 17, 19 auf einem Kegel um die Referenzachse 21 liegen. Der Kegel kann dabei einen Öffnungswinkel 43 aufweisen. Der
Öffnungswinkel 43 kann passend für die jeweilige Messaufgabe bzw.
Anwendung gewählt werden.
In Fig. 2 sind die von der Messvorrichtung 1 ausgesendeten Messstrahlen 15, 17, 19 dargestellt. Mit Hilfe der drei Messstrahlen 15, 17, 19 können drei unabhängige Abstandsmessungen gleichzeitig durchgeführt werden. Anhand der drei Abstandsmessungen kann der Abstand 35 der Messvorrichtung 1 in der Referenzachse 21 von dem Zielobjekt 7 bestimmt werden. Ferner kann ein Elevationswinkel 31 zwischen der Referenzachse 21 der Messvorrichtung 1 und der Ebene 7 bestimmt werden. Des Weiteren kann ein Azimutwinkel 33 zwischen der Referenzachse 21 der Messvorrichtung 1 und der Ebene 7 bestimmt werden.
Hierzu werden wie in Bezug auf Fig. 1 beschrieben drei modulierte Messstrahlen 15, 17, 19 von der Messvorrichtung 1 ausgesendet. Die Messstrahlen 15, 17, 19 treffen an unterschiedlichen Stellen auf das Zielobjekt 7 und werden reflektiert.
Die reflektierten Messstrahlen 23, 25, 27 laufen zumindest teilweise zur
Messvorrichtung 1 zurück. Insbesondere werden der erste reflektierte Messstrahl 23, der zweite reflektierte Messstrahl 25 und der dritte reflektierte Messstrahl 27 mit Hilfe eines Weitwinkelobjektivs 37 zu einer Detektoreinrichtung 1 1 gelenkt. Die Brennweite 45 des Weitwinkelobjektivs 37 ist dabei kleiner als 20 mm und kann an die jeweilige Anwendung angepasst sein.
Die lichtempfindlichen Elemente der Detektoreinrichtung 11 können zum Beispiel modulierte CCD, CMOS-Pixel, APDs oder PIN-Dioden sein. Vorzugsweise kann die Detektoreinrichtung 1 1 auf SPADs als lichtempfindlichen Elementen basieren. Die SPADs können zu einem Array mit mehreren voneinander unabhängigen Bereichen ausgeführt sein. Insbesondere kann für jeden reflektierten Messstrahl 23, 25, 27 ein separater von den anderen Bereichen unabhängiger Bereich vorgesehen sein. Dabei kann die Detektoreinrichtung 11 die empfangenen Messstrahl 23, 25, 27 räumlich trennen und ihre Phasenlagen gleichzeitig auswerten. Hierzu kann die Detektoreinrichtung 11 mit einer Auswerteeinheit 29 verbunden sein.
Die Auswertevorrichtung 29 kann anhand von den Messstrahlen 23, 25, 27, die in der Detektoreinrichtung 11 empfangenen wurden, drei unabhängige
Entfernungsmessungen durchführen und hieraus den Abstand 35 der
Messvorrichtung 1 vom Zielobjekt 7 berechnen. Ferner können daraus der Azimutwinkel 33 und der Elevationswinkel 31 berechnet werden. Die Ergebnisse können in einer Ausgabevorrichtung 39 optisch und/oder akustisch ausgegeben werden. Hierzu kann die Auswertevorrichtung 29 funktional mit der
Ausgabevorrichtung 39 verbunden sein.
Beispielsweise kann die Messvorrichtung 1 in ein Werkzeug, insbesondere in eine Bohrmaschine integriert sein. Die Referenzachse 21 kann in diesem Fall im Wesentlichen mit einer Bohrachse zusammenfallen. Bei einer Abweichung der Referenzachse 21 um mehr als einen vorgebbaren Betrag von einer
Rechtwinkligkeit bzw. von einer zur Wand senkrechten Bohrung kann ein akustisches Warnsignal ausgegeben werden. Ferner kann ein Bohrwinkel und eine Bohrtiefe auf einer als Display ausgeführten Ausgabevorrichtung 39 angezeigt werden.
Abschließend wird angemerkt, dass Ausdrücke wie„aufweisend" oder ähnliche nicht ausschließen sollen, dass weitere Elemente oder Schritte vorgesehen sein können. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Außerdem können in Verbindung mit den verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale beliebig miteinander kombiniert werden. Es wird ferner angemerkt, dass die Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Umfang der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.

Claims

Messvorrichtung (1) zur optischen Entfernungs- und Winkelmessung, die Messvorrichtung (1) aufweisend
eine Sendeeinrichtung (3) zum Aussenden einer optischen Messstrahlung (5) auf ein Zielobjekt (7) hin;
eine Modulationseinrichtung (9) zum elektrischen Modulieren der
Messstrahlung (5);
eine Detektoreinrichtung (1 1) zum Detektieren der vom Zielobjekt (7) reflektierten Messstrahlung (23, 25, 27);
dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung
ausgeführt ist, mindestens drei Messstrahlen (15, 17, 19) zu erzeugen, die jeweils unterschiedliche Winkel mit einer Referenzachse (21) der
Messvorrichtung (1) einschließen;
wobei die Detektoreinrichtung (1 1) ausgeführt ist, die drei vom Zielobjekt (7) reflektierten Messstrahlen (23, 25, 27) gleichzeitig zu detektieren.
Messvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 , ferner aufweisend
eine Auswerteeinheit (29);
wobei die Auswerteinheit (29) ausgeführt ist, drei Entfernungen anhand der drei Messstrahlen (23, 25, 27) zu ermitteln;
wobei die Auswerteeinheit (29) ausgeführt ist, Winkel (31 , 33) zwischen der Referenzachse (21) der Messvorrichtung (1) und einer Oberfläche des Zielobjekts (7) anhand der drei ermittelten Entfernungen zu bestimmen.
Messvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 und 2,
wobei die Detektoreinrichtung (1 1) als ortsauflösender und
modulationsempfindlicher Sensor ausgeführt ist.
Messvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Detektoreinrichtung (1 1) auf single-photon-avalanche Dioden basiert.
Messvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die mindestens drei Messstrahlen (15, 17, 19) durch ein
Strahlteilerelement (13)aus der Messstrahlung (5) erzeugt werden.
Messvorrichtung (1) gemäß Anspruch 5,
wobei die Strahlteilung mittels eines diffraktiven optischen Elements (13) erfolgt.
Messvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend ein Weitwinkelobjektiv (37);
wobei das Weitwinkelobjektiv (37) derart an der Messvorrichtung (1) angeordnet ist, dass die drei Messstrahlen (23, 25, 27) das
Weitwinkelobjektiv (37) passieren, nachdem sie vom Zielobjekt (7) reflektiert wurden.
Messvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, ferner aufweisend eine Ausgabevorrichtung (39);
wobei die Ausgabevorrichtung (39) ausgeführt ist, die von der
Auswerteeinheit (29) ermittelten Entfernungen (35) und/oder Winkel (31 , 33) als optisches Signal und/oder als akustisches Signal auszugeben.
Bohrmaschine, die Bohrmaschine aufweisend
eine Messvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
eine Bohrachse;
wobei die Bohrachse mit der Referenzachse (21) der Messvorrichtung (1) zusammenfällt.
0. Verfahren zur optischen Entfernungs- und Wnkelmessung, das Verfahren aufweisend
Aussenden einer optischen Messstrahlung (5) auf ein Zielobjekt (7) hin mittels einer Sendeeinrichtung (3);
elektrisches Modulieren der Messstrahlung (5) mittels einer
Modulationseinrichtung (9); dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner aufweist
Aufteilen der elektrisch modulierten Messstrahlung (5) in drei Messstrahlen (15, 17, 19) derart, dass die drei Messstrahlen (15, 17, 19) jeweils unterschiedliche Winkel (43) mit einer Referenzachse (21) der
Messvorrichtung (1) einschließen;
gleichzeitiges Detektieren der drei vom Zielobjekt (7) reflektierten
Messstrahlen (23, 25, 27) mittels einer Detektoreinrichtung (1 1).
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