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DE10228677A1 - Laser distance measurement device couples light signal out for reference measurements before entry of light signal into measurement channel using controlled reflection at optical boundary surface - Google Patents

Laser distance measurement device couples light signal out for reference measurements before entry of light signal into measurement channel using controlled reflection at optical boundary surface Download PDF

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DE10228677A1
DE10228677A1 DE2002128677 DE10228677A DE10228677A1 DE 10228677 A1 DE10228677 A1 DE 10228677A1 DE 2002128677 DE2002128677 DE 2002128677 DE 10228677 A DE10228677 A DE 10228677A DE 10228677 A1 DE10228677 A1 DE 10228677A1
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Bahram Dr. Torabi
Siegfried Ringwald
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Sick AG
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Abstract

The device has a transmitter sending a light signal into a measurement channel, an optoelectronic measurement receiver for light reflected from an object and a reference receiver producing a reference light signal for an evaluation circuit for compensating noise parameters. A reference measurement light signal is coupled out before entry of the light signal into the measurement channel using controlled reflection at an optical boundary surface. The device has a transmitter (1) sending a light signal into a measurement channel (8), an optoelectronic measurement receiver for light reflected from an object, an evaluation circuit for determining the object distance from the transition time, a reference receiver at a defined distance producing a reference light signal for the evaluation circuit for compensation of noise parameters. A light signal is coupled out for reference measurements before entry of the light signal into the measurement channel using controlled reflection at an optical boundary surface (10).

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.The invention relates to a laser distance measuring device to determine an object distance based on the time-of-flight measurement. These laser distance measuring devices are made by a light transmitter Light signals emitted towards an object, which when Hitting an object reflected on it and then by an optoelectronic receiver be recognized. The received light signals are converted into an electrical received light signal converted and fed to an evaluation circuit.

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.A laser distance measuring device of this type is, for example, from the DE 34 29 062.1 known. To determine the object distance, light pulses are emitted in the direction of the object by the laser distance measuring device, a counter being started at the same time as the light pulse is emitted. If the light pulse reflected by the object hits the optoelectronic receiver, the counter is stopped. The distance between the object and the laser distance measuring device can be determined from the number of counting pulses which correspond directly to the elapsed light pulse transit time and the speed of propagation of the light pulses.

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 addition to these laser distance measuring devices Laser distance measuring devices are also based on the light pulse transit time known in which continuously modulated light signals in the direction of a Object are sent out and after reflection on the object from the optoelectronic Recipient recognized become. In these cases the modulated received signal is a due to the light propagation time Experience phase shift. From the amount of the phase shift the object distance can also be determined. Here too is it for the exact determination of the distance required that the light propagation time to be measured Phase shift not by z. B. temperature-dependent phase shifts overlaid in the system becomes.

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.In the DE 100 27 239 In such laser distance measuring devices, measures are described which increase the measuring accuracy in that the laser distance measuring device is equipped with an internal reference path, which receives the light signals emitted by the light transmitter directly, ie without reflection on the object, converts them into a corresponding reference light signal and also feeds them to the evaluation circuit. In this way, it is possible to eliminate the system errors that occur when determining the object distance.

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.A disadvantage of the known state of the Technology is that an optical and mechanical effort is necessary is a portion of the light signal before the light signals enter the measuring channel split off for reference measurement and this unaffected by all external influences directly the reference recipient be forwarded. It is also known to be disadvantageous that for reference measurement only a geometrical scattered light component of the light transmitter is used which does not match the light signals in all operating conditions, which are fed into the measuring channel and therefore only to a limited extent are suitable for reference measurement.

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.The invention is based on the object Reason, in a laser distance measuring device of the aforementioned Genus, if possible simple and inexpensive Way, before the light signals enter the measuring channel split off a light signal component for reference measurement, which in all operating conditions a visually and geometrically representative Provides reference signal. About that In addition, it is an object of the invention, the split light signal component a reference recipient the same operating and environmental conditions as the measuring receiver, is exposed.

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.According to the invention the object solved by that before the light signals enter the measuring channel, by means of a directed back reflection at an optical interface, a light signal component for reference measurement and the reference receiver, which yourself in the immediate vicinity to the measuring receiver located, fed becomes.

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.A major advantage of this decoupling according to the invention of the reference signal by means of a directed back reflection at an optical interface in that the part split off has the same geometric beam cross-sectional profile has, like the beam cross-sectional profile that in the measuring channel is fed.

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.After decoupling, the reference signal can be transmitted via a flexible waveguide, over one or more deflecting mirrors, as well as via a rigid light guide with one or more total reflection surfaces, are fed to the reference receiver.

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.Of particular advantage according to the invention is that about an optical coating layer on which the back reflection generating interface, the amplitude of the reflection portion can be adjusted very well. This allows the light signal power on the reference receiver be influenced that it is at least of the same order of magnitude, like the light signal power, which is due to the reflection on the object is caused and then lies on the measuring receiver.

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.The directed back reflection for decoupling also has the advantage that all optical interfaces that do not contribute to the reference measurement can be geometrically dimensioned in such a way that the unwanted ones that result Back reflections or back scattering cannot enter the optical reference path or can be eliminated in an optical sump. By utilizing the directed back reflection with subsequent optical light guidance, the optoelectronic receivers for receiving the measurement and reference light signals can advantageously be arranged geometrically in the immediate vicinity, so that they are largely exposed to the same environmental conditions and thus enable optimal compensation of the internal runtimes , The spatial proximity of the optoelectronic receivers for receiving the measurement and reference light signals also makes it possible for all the necessary electrical components to be combined on a common printed circuit board, as a result of which a compact design and thus economic feasibility of the laser distance measuring device is possible.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, deren einzige 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Laserabstandsmesseinrichtung zeigt.The invention is described below by way of example with reference to the drawing, the only one 1 shows a schematic side view of a laser distance measuring device according to the invention.

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.The laser distance measuring device according to the invention comprises a light transmitter 1 , which, controlled by an electrical unit, not shown here, emits light signals. With a transmission optics 2 the light signals through an aperture 3 to the center of a receiving lens 4 directed. At the center of the inner surface of the receiving lens 4 is an optical prism 5 arranged, which the light signals from the light transmitter 1 in the direction of the optical axis 6 the receiving lens 4 deflects. After the light signals the receiving lens 4 have penetrated, they pass through a in the center of the outer surface of the receiving lens 4 slightly inclined zone 7 off and are then in the measuring channel 8th , By the slope of the zone 7 at the light exit, the back reflections that occur there are provided with an angular offset so that they do not enter the light transmitter in a harmful manner 1 fed back, but on the bezel 3 be absorbed.

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.When the light impulses entering the measuring channel hit an object, the light impulses scattered thereon are removed by the receiving lens 4 at least partially recorded and on a measurement receiver 9 focused.

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.When entering the from the light transmitter 1 light signals coming into the prism 5 takes place at its interface 10 According to the invention, a directed back reflection, whereby a percentage of the light signals in the direction of the entrance surface 11 a preferably rigid light guide 12 is directed. On the interface 10 an optical coating is applied with which the percentage of the back reflection, ie the size of the reference light signal, can be determined. The entrance area 11 of the rigid light guide 12 is so inclined with respect to its surface normal to the back-reflected light signals that when entering the rigid light guide 12 resulting reflections on the housing surfaces 13 . 13 ' be eliminated. Inside the rigid light guide 12 the back-reflected light signals become a reference receiver 14 fed. The measuring receiver 9 and the reference receiver 14 are therefore in close proximity on a common circuit board 15 arranged.

Claims (10)

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.Laser distance measuring device with a light transmitter emitting light signals into a measurement channel and an optoelectronic measurement receiver for receiving the light signals reflected on an object, an evaluation circuit for determining the object distance from the light signal transit time elapsed between transmission and reception, with a reference receiver arranged at a predetermined distance from the light transmitter, the at least one proportion of the emitted from the light transmitter light signals directly, ie without reflection receives the object, into a reference light signal and the evaluation circuit for the compensation of the distance measurement falsifying disturbance variables, supplying, characterized in that before the entry of the light signals in the measuring channel by means of a directional retroreflection an optical interface, a light signal component is coupled out for reference measurement. Laserabstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über einen flexiblen Wellenleiter der ausgekoppelte Lichtsignalanteil zur Referenzmessung einem Referenzempfänger zugeführt wird.Laser distance measuring device according to claim 1, characterized in that that about a flexible waveguide the extracted light signal component is fed to a reference receiver for reference measurement. Laserabstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einen Umlenkspiegel der ausgekoppelte Lichtsignalanteil zur Referenzmessung einem Referenzempfänger zugeführt wird.Laser distance measuring device according to claim 1, characterized in that that about at least one deflecting mirror the coupled light signal portion is fed to a reference receiver for reference measurement. 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.Laser distance measuring device according to claim 1, characterized in that that about a rigid light guide with one or more total reflection surfaces decoupled light signal component for reference measurement is fed to a reference receiver. 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.Laser distance measuring device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the proportion of coupled light signals for Reference measurement via an optical coating layer, on which the corresponding back reflection generating interface, is customizable. 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.Laser distance measuring device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the on the optoelectronic receiver for Reception of the measurement and reference light signals arriving light signal powers are adjusted so that they are at least of the same order of magnitude are located. 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.Laser distance measuring device according to one of the preceding claims, characterized marked that the not for back reflection for the reference measurement contributing optical interfaces are geometrically dimensioned so that the resulting interference radiation cannot enter the optical reference path. 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.Laser distance measuring device according to one of the preceding claims, characterized marked that the at the not for back reflection for the reference measurement contributing optical interfaces, resulting interference radiation be eliminated in an optical sump. 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.Laser distance measuring device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the optoelectronic receivers for receiving the measurement and the reference light signals largely the same ambient conditions are exposed. 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.Laser distance measuring device according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the optoelectronic receivers become Geometrical reception of the measurement and reference light signals in immediate Proximity.
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