DE10228677A1

DE10228677A1 - Laserabstandsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE10228677A1
Application number: DE2002128677
Authority: DE
Inventors: Bahram Dr. Torabi; Siegfried Ringwald
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserabstandsmesseinrichtung mit einem Lichtsignal in einen Messkanal aussendenden Lichtsender und einem optoelektronischen Messempfänger zum Empfangen der an einem Objekt reflektierten Lichtsignale sowie einer Auswerteschaltung zur Bestimmung des Objektabstandes aus der zwischen Aussendung und Empfang verstrichenen Lichtsignallaufzeit. Zur Verbesserung der Abstandsmessung wird vorgeschlagen, zumindest einen Anteil der vom Lichtsender ausgesendeten Lichtsignale unmittelbar, d. h. ohne Reflexion am Objekt, einem Referenzlichtempfänger zuzuführen, um damit in einer Auswerteschaltung die Kompensation der die Abstandsmessung verfälschenden Störgrößen vornehmen zu können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserabstandsmesseinrichtung zur Ermittlung eines Objektabstand auf Basis der Lichtlaufzeitmessung. Bei diesen Laserabstandsmesseinrichtungen werden von einem Lichtsender Lichtsignale in Richtung eines Objektes ausgesandt, welche beim Auftreffen auf ein Objekt daran reflektiert und anschließend von einem optoelektronischen Empfänger erkannt werden. Die empfangenen Lichtsignale werden in ein elektrisches Empfangslichtsignal umgewandelt und einer Auswerteschaltung zugeleitet.

Eine Laserabstandsmesseinrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der DE 34 29 062.1 bekannt. Zur Ermittlung des Objektabstandes werden von der Laserabstandsmesseinrichtung Lichtimpulse in Richtung des Objektes ausgesandt, wobei gleichzeitig mit dem Aussenden des Lichtimpulses ein Zähler gestartet wird. Trifft der von dem Objekt reflektierte Lichtimpuls auf den optoelektronischen Empfänger auf, so wird der Zähler angehalten. Aus der Anzahl der Zählimpulse, welche direkt mit der verstrichenen Lichtimpulslaufzeit korrespondieren und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtimpulse, kann der Abstand des Objektes zur Laserabstandsmesseinrichtung ermittelt werden.

Neben diesen Laserabstandsmesseinrichtungen auf Basis der Lichtimpulslaufzeit sind auch Laserabstandsmesseinrichtungen bekannt, bei denen kontinuierlich modulierte Lichtsignale in Richtung eines Objektes ausgesandt werden und nach Reflexion am Objekt vom optoelektronischen Empfänger erkannt werden. In diesen Fällen wird das modulierte Empfangssignal aufgrund der Lichtlaufzeit eine Phasenverschiebung erfahren. Aus dem Betrag der Phasenverschiebung kann ebenfalls der Objektabstand ermittelt werden. Auch hierbei ist es für die genaue Abstandsermittlung notwendig, dass die zu messende lichtlaufzeitbedingte Phasenverschiebung nicht durch z. B. temperaturabhängige Phasenverschiebungen im System überlagert wird.

In der DE 100 27 239 sind bei derartigen Laserabstandsmesseinrichtungen Maßnahmen beschrieben, welche die Messgenauigkeit dadurch erhöhnen, dass die Laserabstandsmesseinrichtung mit einem internen Referenzpfad ausgestattet sind, der die von dem Lichtsender abgegebenen Lichtsignale unmittelbar, d. h. ohne Reflektion am Objekt, empfängt, in ein entsprechendes Referenzlichtsignalumwandelt und ebenfalls der Auswerteschaltung zuführt. Auf diesem Weg ist es möglich, die bei der Objektabstandsermittlung auftretenden Systemfehler zu eliminieren.

Nachteilig am bekannten Stand der Technik ist, dass ein optischer und mechanischer Aufwand notwendig ist, um vor dem Eintritt der Lichtsignale in den Messkanal ein Lichtsignalanteil zur Referenzmessung abzuspalten und diesen unbeeinflusst von sämtlichen äußeren Einflüssen direkt dem Referenzempfänger zuzuleiten. Ebenfalls ist als nachteilig bekannt, dass zur Referenzmessung nur ein geometrischer Streulichtanteil des Lichtsenders herangezogen wird, welcher nicht in allen Betriebsbedingungen mit den Lichtsignalen übereinstimmt, die in den Messkanal eingespeist werden und deshalb nur bedingt zur Referenzmessung geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bei einer Laserabstandsmesseinrichtung der eingangs genannten Gattung, auf möglichst einfache und kostengünstige Art und Weise, vor dem Eintritt der Lichtsignale in den Messkanal einen Lichtsignalanteil zur Referenzmessung abzuspalten, der in allen Betriebszuständen ein optisch und geometrisch repräsentatives Referenzsignal liefert. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, den abgespaltenen Lichtsignalanteil einem Referenzempfänger zuzuleiten, der den gleichen Betriebs- und Umweltbedingungen, wie der Messempfänger, ausgesetzt ist.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass vor dem Eintritt der Lichtsignale in den Messkanal, mittels einer gerichteten Rückreflexion an einer optischen Grenzfläche, ein Lichtsignalanteil zur Referenzmessung ausgekoppelt und dem Referenzempfänger, der sich in unmittelbarer Nähe zum Messempfänger befindet, zugeführt wird.

Ein wesentlicher Vorteil dieser erfindungsgemäßen Auskopplung des Referenzsignales mittels einer gerichteten Rückreflexion an einer optischen Grenzfläche besteht darin, dass der abgespaltene Anteil das gleiche geometrische Strahlquerschnittsprofil aufweist, wie das Strahlquerschnittsprofil, das in den Messkanal eingespeist wird.

Nach der Auskopplung kann das Referenzsignal über einen flexiblen Wellenleiter, über einen oder mehrere Umlenkspiegel, als auch über einen starren Lichtleiter mit einer oder mehreren Totalreflexionsflächen, dem Referenzempfänger zugeführt werden.

Von besonderem Vorteil nach der Erfindung ist, dass über eine optische Vergütungsschicht auf der die Rückreflexion erzeugenden Grenzfläche, der Reflektionsanteil sehr gut in seiner Amplitude anpassbar ist. Dadurch kann die Lichtsignalleistung auf dem Referenzempfänger so beeinflusst werden, dass sie zumindest in der gleichen Größenordnung ist, wie die Lichtsignalleistung, die über die Reflexion am Objekt verursacht wird und danach auf dem Messempfänger anliegt.

Die gerichtete Rückreflexion zur Auskopplung bietet darüber hinaus noch den Vorteil, dass alle nicht zur Referenzmessung beitragenden optischen Grenzflächen geometrisch so dimensioniert werden können, dass die daran entstehenden ungewollten Rückreflexionen bzw. Rückstreuungen nicht in den optischen Referenzpfad eintreten, bzw. in einem optischen Sumpf eliminiert werden können. Durch die Ausnutzung der gerichteten Rückreflexion mit anschließender optischer Lichtführung können in vorteilhafter Weise die optoelektronischen Empfänger zum Empfang des Mess- und des Referenzlichtsignal geometrisch in unmittelbarer Nähe angeordnet werden, so dass sie weitgehend den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind und dadurch eine optimale Kompensation der internen Laufzeiten ermöglichen. Die räumliche Nähe der optoelektronischen Empfänger zum Empfang der Mess- und der Referenzlichtsignale ermöglicht auch, dass alle erforderlichen elektrischen Bauelemente auf einer gemeinsamen Leiterplatte vereinigt werden können, wodurch eine kompakte Bauform und damit eine wirtschaftliche Herstellbarkeit der Laserabstandsmesseinrichtung möglich ist.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laserabstandsmesseinrichtung zeigt.
Die erfindungsgemäße Laserabstandsmesseinrichtung umfasst einen Lichtsender 1, der, von einer hier nicht dargestellten elektrischen Einheit angesteuert, Lichtsignale aussendet. Mit einer Sendeoptik 2 werden die Lichtsignale durch eine Blende 3 zum Zentrum einer Empfangslinse 4 gelenkt. Im Zentrum der Innenfläche der Empfangslinse 4 ist ein optisches Prisma 5 angeordnet, welches die Lichtsignale vom Lichtsender 1 in Richtung der optischen Achse 6 der Empfangslinse 4 umlenkt. Nachdem die Lichtsignale die Empfangslinse 4 durchdrungen haben, treten diese durch eine im Zentrum der Außenfläche der Empfangslinse 4 leicht geneigten Zone 7 aus und sind dann im Messkanal 8. Durch die Neigung der Zone 7 am Lichtaustritt werden die dort auftretenden Rückreflexionen mit einem Winkelversatz versehen, so dass diese nicht in schädlicher Weise in den Lichtsender 1 zurückgekoppelt, sondern auf der Blende 3 absorbiert werden.
Wenn die in den Messkanal eintretenden Lichtimpulse auf ein Objekt auftreffen, werden die daran rückgestreuten Lichtimpulse von der Empfangslinse 4 zumindest teilweise erfasst und auf einem Messempfänger 9 fokussiert.
Beim Eintritt der vom Lichtsender 1 kommenden Lichtsignale in das Prisma 5 erfolgt an dessen Grenzfläche 10 erfindungsgemäß eine gerichtete Rückreflexion, wodurch ein prozentualer Anteil der Lichtsignale in Richtung der Eintrittsfläche 11 eines bevorzugt starren Lichtleiters 12 gelenkt wird. Auf der Grenzfläche 10 ist eine optische Vergütung aufgebracht, mit welcher der prozentuale Anteil der Rückreflexion d. h. die Größe des Referenzlichtsignals bestimmt werden kann. Die Eintrittsfläche 11 des starren Lichtleiters 12 ist hinsichtlich seiner Flächennormalen so zu den rückreflektierten Lichtsignalen geneigt, dass die beim Eintritt in den starren Lichtleiter 12 entstehenden Reflexe an den Gehäuseflächen 13, 13' eliminiert werden. Innerhalb des starren Lichtleiters 12 werden die rückreflektierten Lichtsignale einem Referenzempfänger 14 zugeführt. Der Messempfänger 9 und der Referenzempfänger 14 sind somit in unmittelbarer Nähe auf einer gemeinsamen Leiterplatte 15 angeordnet.

Claims

Laserabstandsmesseinrichtung mit einem Lichtsignale in einen Messkanal aussendenden Lichtsender und einem optoelektronischen Messempfänger zum Empfangen der an einem Objekt reflektierten Lichtsignale, einer Auswerteschaltung zur Bestimmung des Objektabstandes aus der zwischen Aussendung und Empfang verstrichenen Lichtsignallaufzeit, mit einem in vorgegebenem Abstand zum Lichtsender angeordnetem Referenzempfänger, der zumindest einen Anteil der vom Lichtsender ausgesendeten Lichtsignale unmittelbar, d. h. ohne Reflexion am Objekt empfängt, in ein Referenzlichtsignal umwandelt und der Auswerteschaltung zur Kompensation der die Abstandsmessung verfälschenden Störgrößen, zuführt, dadurch ge kennzeichnet, dass vor dem Eintritt der Lichtsignale in den Messkanal mittels einer gerichteten Rückreflexion an einer optischen Grenzfläche, ein Lichtsignalanteil zur Referenzmessung ausgekoppelt wird.
Laserabstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen flexiblen Wellenleiter der ausgekoppelte Lichtsignalanteil zur Referenzmessung einem Referenzempfänger zugeführt wird.
Laserabstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einen Umlenkspiegel der ausgekoppelte Lichtsignalanteil zur Referenzmessung einem Referenzempfänger zugeführt wird.
Laserabstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen starren Lichtleiter mit einer oder mehreren Totalreflexionsflächen der ausgekoppelte Lichtsignalanteil zur Referenzmessung einem Referenzempfänger zugeführt wird.
Laserabstandsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der ausgekoppelte Lichtsignale zur Referenzmessung über eine optische Vergütungsschicht, auf der die entsprechende Rückreflexion erzeugenden Grenzfläche, anpassbar ist.
Laserabstandsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die am optoelektronischen Empfänger zum Empfang der Mess- und der Referenzlichtsignale ankommenden Lichtsignalleistungen so angepasst sind, dass diese sich zumindest in der gleichen Größenordnung befinden.
Laserabstandsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht zur Rückreflexion für die Referenzmessung beitragenden optischen Grenzflächen geometrisch so dimensioniert sind, dass die daran entstehenden Störstrahlungen nicht in den optischen Referenzpfad eintreten können.
Laserabstandsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den nicht zur Rückreflexion für die Referenzmessung beitragenden optischen Grenzflächen, entstehenden Störstrahlungen in einem optischen Sumpf eliminiert werden.
Laserabstandsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronischen Empfänger zum Empfang der Mess- und der Referenzlichtsignale weitgehend den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
Laserabstandsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die optoelektronischen Empfänger zum Empfang der Mess- und der Referenzlichtsignale geometrisch in unmittelbarer Nähe befinden.