WO2007107140A1 - Optical distance-measuring instrument having an optical radiation attenuator - Google Patents

Optical distance-measuring instrument having an optical radiation attenuator Download PDF

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WO2007107140A1
WO2007107140A1 PCT/DE2007/000428 DE2007000428W WO2007107140A1 WO 2007107140 A1 WO2007107140 A1 WO 2007107140A1 DE 2007000428 W DE2007000428 W DE 2007000428W WO 2007107140 A1 WO2007107140 A1 WO 2007107140A1
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detector
reflected
scattered
intensity
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Peter Sperber
Josef KÖLBL.
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Micro-Epsilon Optronic Gmbh
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    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
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    • GPHYSICS
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    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the distance of an object, comprising a source emitting electromagnetic radiation for irradiating the object, a detector for detecting the radiation reflected and / or scattered by the object and evaluation electronics, based on the time period between the objects Emission of the radiation and the reception of the reflected and / or scattered radiation after the pulse or phase transit time method a characteristic of the object distance measurement signal can be provided. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for measuring the distance of an object.
  • Pulse transit time measurement generally uses pulse lasers as sources emitting electromagnetic radiation. In each case, a time measurement is started together with the emission of a laser pulse by a part of the pulse is given as a start signal to the detector. The detector signal of the reflected and / or scattered at the object pulse serves as a stop signal for the time measurement.
  • a laser is generally also used as the radiation source, wherein the radiation emitted by the laser is impressed by means of an optical modulator, an intensity modulation.
  • the laser source can be directly intensity modulated.
  • the phase shift between the reflected / scattered signal and the continuously emitted signal is determined.
  • the phase shift is directly proportional to the distance of the object.
  • Both measuring principles have in common that the detector for detecting the reflected and / or scattered by the object radiation is applied depending on the application with very different radiation intensities, which must be processed by a subsequent circuit for signal evaluation.
  • the intensity of the radiation emitted by the electromagnetic radiation source will impinge a higher light intensity onto the detector from an object with a bright, strongly reflecting surface than is the case with an object having a dark, strongly absorbing surface.
  • different distances of the measurement objects play a role in this context.
  • the different intensities have a different temporal response of the detector and the circuit for signal evaluation result, which has a negative effect on the accuracy of the time measurement and, accordingly, on the distance measurement.
  • a detector-dependent maximum intensity it may even lead to overloading of the detector, as a result of which the timing of the detector may possibly be completely destroyed.
  • the operating parameters of the detector or of the circuit for evaluating the signals are adapted to the radiation intensities that occur in the particular measuring situation in practice in the known devices / methods for distance measurement.
  • the operating voltage of the detector can be lowered.
  • this proves to be a particularly disadvantageous property that the detector and the circuit for signal evaluation after a change in their operating parameters require a certain amount of time until they are in thermal equilibrium again. Measurements made during the thermal transient phase of the detector and the signal evaluation circuit are accordingly subject to a relatively large measurement error, as a result of which the detector is effectively unavailable for measurements during this time. By analogy, this also applies to the transmitter of the electromagnetic radiation.
  • the present invention is based on the object of specifying a device and a method for measuring the distance of an object of the aforementioned type, according to which a high accuracy of measurement for different objects with different reflection properties and for different distances is achieved with simple means.
  • a device for measuring the distance of an object by a device having the features of claim 1 is achieved.
  • a device for measuring the distance of an object of the type mentioned is designed such that the intensity of the incident on the detector electromagnetic radiation by means of a device arranged in front of the detector in the beam path of the reflected and / or scattered radiation device for radiation attenuation can be influenced.
  • a method for measuring the distance of an object by a method having the features of claim 13.
  • a method of the type mentioned is designed such that the intensity of the incident on the detector electromagnetic radiation is influenced by means arranged in front of the detector in the beam path of the reflected and / or scattered radiation device for radiation attenuation.
  • the intensity of the reflected and / or scattered radiation impinging on the detector can be controlled or regulated by means of the radiation attenuation device.
  • the detector, the circuit for signal evaluation and the device for radiation attenuation as building blocks executed a control loop.
  • the radiation intensity impinging on the detector can be kept substantially constant.
  • this comprises an optical attenuator, wherein the attenuator may actually be a diffusing, absorbing, dimming and / or deflecting optical attenuator diffusing the incident radiation.
  • the device comprises a plurality of attenuators, wherein the individual attenuators preferably operate on different principles.
  • individual or several attenuators can be activated or deactivated depending on the respective measurement situation.
  • two attenuators arranged one behind the other in the beam path are activated.
  • activation of a single optical attenuator may prove sufficient.
  • the device for radiation attenuation comprises an optical attenuator in which the intensity of the radiation attenuation can be predetermined by applying a voltage.
  • the voltage applied to the attenuator can be used as a manipulated variable.
  • solid state hats as optical attenuators, in particular the use of LCP (Liquid Crystal Polymer) shutters.
  • LCP Liquid Crystal Polymer
  • this type of shutter is based on the fact that the molecules are aligned within the polymer crystal, if no electric field acts on the crystal. Due to the orientation of all molecules in one direction, the crystal is transparent. If, on the other hand, an electric field is applied to the crystal, the molecules react differently and the light passing through the crystal becomes different scattered crystal molecules scattered so that the light emerging from the crystal in its intensity - corresponding to the strength of the electric field - is weakened.
  • an imaging optical system or focusing optical system is arranged in front of the device for radiation attenuation, with which the electromagnetic radiation reflected or scattered by the object is imaged onto the detector.
  • the embodiment of the detector are in principle no limits. However, particularly preferred detectors are used with good timing, i. Detectors with a defined temporal response, as this behavior has a direct influence on the accuracy of the distance measurement.
  • the detector is designed as a photodiode. Such a configuration offers the further advantage that the photodiode current of the detector can be used in a particularly simple manner as a controlled variable.
  • the electromagnetic radiation source is designed as a laser light source.
  • the detector, the device for radiation attenuation, the electromagnetic radiation source and optionally the focusing optics and the beam splitter can be housed in a preferably hand-held housing.
  • Such an embodiment could be realized with an extremely compact design and could accordingly be used by an operator particularly flexible even in difficult to reach measuring environments.
  • the single figure in a schematic view an embodiment of a device according to the invention for measuring the distance of an object.
  • the single figure shows - schematically - an embodiment of a device for measuring the distance of an object.
  • a laser source 1 running as a radiation source 2
  • the object 3 is illuminated.
  • the laser light source 1 is designed as a pulsed laser light source, wherein with each laser pulse, a start signal for a time measurement is given to an evaluation electronics, not shown.
  • the light pulses are directed onto the object 3 via a beam splitter 5, which is inclined at an angle of 45 ° to the optical axis 4 of the device, and a focusing optics 6.
  • the light 7 reflected and / or scattered by the object 3 is focused on a detector 9 designed as a photodiode 8 by means of the focusing optics 6.
  • the focusing optics 6 are a simple converging lens, which is made of a material that also has good transmission properties in the infrared wavelength range.
  • a device 10 for radiation attenuation is arranged, which in the concretely shown embodiment comprises an optical attenuator 11 designed as LCP (Liquid Crystal Polymer) shutter.
  • LCP Liquid Crystal Polymer
  • the detector 9 and the device 10 for radiation attenuation are designed as a control loop.
  • the control serves to keep the radiation intensity impinging on the detector 9 constant, the photodiode current of the detector 9 being used as the controlled variable.
  • the manipulated variable used is a voltage applied to the optical attenuator 11. If the photodiode current exceeds a photodiode current corresponding to a predefinable desired intensity, then the The intensity of the radiation attenuation is increased by increasing the voltage applied to the optical attenuator 11. With this control, an improved intensity-dependent dynamic behavior is achieved in comparison with the prior art distance measuring devices.
  • very well reflective objects such as. White paper
  • very poorly reflective objects such as, for example, black paper

Abstract

An apparatus and a method for measuring the distance from an object, said apparatus comprising a source (2) which emits electromagnetic radiation and is intended to irradiate the object (3), a detector (9) for verifying the radiation (7) reflected and/or scattered by the object (3) and evaluation electronics which can be used to provide a measurement signal, which is characteristic of the distance from the object, on the basis of the period of time between the emission of the radiation and the reception of the reflected and/or scattered radiation (7) in accordance with the pulse or phase delay time method, are characterized, as regards a high level of measurement accuracy for different objects with different reflection properties and for different distances, in that the intensity of the electromagnetic radiation which impinges on the detector (9) can be influenced using a radiation-attenuating device (10) which is arranged upstream of the detector (9) in the beam path of the reflected and/or scattered radiation (7).

Description

OPTISCHER ENTFERNUNGSMESSER MIT OPTISCHEM STRAHLUNGSABSCHWACHER OPTICAL DISTANCE KNIFE WITH OPTICAL RADIATION SWITCH
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Entfernung eines Objekts, umfassend eine elektromagnetische Strahlung emittierende Quelle zur Bestrahlung des Objekts, einen Detektor zum Nachweis der von dem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung sowie eine Auswerteelektronik, mit der auf der Grundlage der Zeitdauer zwischen der Emission der Strahlung und dem Empfang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung nach dem Impuls- oder Phasen- Laufzeitverfahren ein für die Objektentfernung charakteristisches Messsignal bereitstellbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Messung der Entfernung eines Objekts.The invention relates to a device for measuring the distance of an object, comprising a source emitting electromagnetic radiation for irradiating the object, a detector for detecting the radiation reflected and / or scattered by the object and evaluation electronics, based on the time period between the objects Emission of the radiation and the reception of the reflected and / or scattered radiation after the pulse or phase transit time method a characteristic of the object distance measurement signal can be provided. Furthermore, the invention relates to a corresponding method for measuring the distance of an object.
Vorrichtungen und Verfahren der hier in Rede stehenden Art sind seit geraumer Zeit aus der Praxis bekannt. Prinzipiell unterscheidet man bei den Laufzeit-Messvor- richtungen/-verfahren der oben genannten Art zwischen Impuls-Laufzeitmessungen und Phasen-Laufzeitmessungen. Bei der Impuls-Laufzeitmessung werden im Allgemeinen Impulslaser als elektromagnetische Strahlung emittierende Quellen eingesetzt. Dabei wird jeweils zusammen mit dem Aussenden eines Laserimpulses eine Zeitmessung gestartet, indem ein Teil des Impulses als Startsignal auf den Detektor gegeben wird. Das Detektorsignal des am Objekt reflektierten und/oder gestreuten Impulses dient als Stoppsignal für die Zeitmessung.Devices and methods of the type in question are known for some time from practice. In principle, a distinction is made in the transit time measuring devices / methods of the type mentioned above between pulse transit time measurements and phase transit time measurements. Pulse transit time measurement generally uses pulse lasers as sources emitting electromagnetic radiation. In each case, a time measurement is started together with the emission of a laser pulse by a part of the pulse is given as a start signal to the detector. The detector signal of the reflected and / or scattered at the object pulse serves as a stop signal for the time measurement.
Bei der Phasen-Laufzeitmessung wird im Allgemeinen ebenfalls ein Laser als Strahlungsquelle verwendet, wobei der von dem Laser emittierten Strahlung mittels eines optischen Modulators eine Intensitätsmodulation aufgeprägt wird. Alternativ kann durch Modulation des Stromes die Laserquelle direkt intensitätsmoduliert werden. Es wird die Phasenverschiebung zwischen dem reflektierten/gestreuten und dem kontinuierlich ausgesandten Signal ermittelt. Die Phasenverschiebung ist direkt proportional zur Entfernung des Objekts.In the phase transit time measurement, a laser is generally also used as the radiation source, wherein the radiation emitted by the laser is impressed by means of an optical modulator, an intensity modulation. Alternatively, by modulating the current, the laser source can be directly intensity modulated. The phase shift between the reflected / scattered signal and the continuously emitted signal is determined. The phase shift is directly proportional to the distance of the object.
Beiden Messprinzipien ist gemeinsam, dass der Detektor zum Nachweis der von dem Objekt reflektierten und/oder gestreuten Strahlung je nach Anwendung mit stark unterschiedlichen Strahlungsintensitäten beaufschlagt wird, die von einer nachfolgende Schaltung zur Signalauswertung verarbeitet werden müssen. Bei gleicher Intensität der von der elektromagnetischen Strahlungsquelle emittierten Strahlung wird z.B. von einem Objekt mit heller, stark reflektierender Oberfläche eine höhere Lichtintensität auf den Detektor treffen, als dies bei einem Objekt mit dunkler, stark absorbierender Oberfläche der Fall ist. Auch unterschiedliche Entfernungen der Messobjekte spielen in diesem Zusammenhang eine Rolle. Die unterschiedlichen Intensitäten haben ein unterschiedliches zeitliches Ansprechverhalten des Detektors und der Schaltung zur Signalauswertung zur Folge, was sich negativ auf die Genauigkeit der Zeitmessung und dementsprechend auch auf die Distanzmessung auswirkt. Je nach Messung kann es bei Überschreiten einer detektorabhängigen Maximalintensität sogar zu Übersteuerungen des Detektors kommen, wodurch das Timing des Detektors u.U. vollständig zerstört werden kann.Both measuring principles have in common that the detector for detecting the reflected and / or scattered by the object radiation is applied depending on the application with very different radiation intensities, which must be processed by a subsequent circuit for signal evaluation. at For example, the intensity of the radiation emitted by the electromagnetic radiation source will impinge a higher light intensity onto the detector from an object with a bright, strongly reflecting surface than is the case with an object having a dark, strongly absorbing surface. Also, different distances of the measurement objects play a role in this context. The different intensities have a different temporal response of the detector and the circuit for signal evaluation result, which has a negative effect on the accuracy of the time measurement and, accordingly, on the distance measurement. Depending on the measurement, if a detector-dependent maximum intensity is exceeded, it may even lead to overloading of the detector, as a result of which the timing of the detector may possibly be completely destroyed.
Zum Ausgleich der genannten Effekte werden bei den bekannten Vorrichtungen/Verfahren zur Entfernungsmessung die Betriebsparameter des Detektors bzw. der Schaltung zur Signalauswertung an die in der jeweiligen Messsituation konkret auf den Detektor auftretenden Strahlungsintensitäten angepasst. Je nach Detektorart kann bspw. bei einer hohen auftreffenden Intensität die Betriebsspannung des Detektors gesenkt werden. Als besonders nachteilig erweist sich hierbei jedoch die Eigenschaft, dass der Detektor und die Schaltung zur Signalauswertung nach einer Veränderung ihrer Betriebsparameter eine gewisse Zeit benötigen, bis sie sich wieder im thermischen Gleichgewicht befinden. Messungen, die während der thermischen Einschwingphase des Detektors und der Schaltung zur Signalauswertung durchgeführt werden, sind dementsprechend mit einem relativ großen Messfehler behaftet, was im Ergebnis dazu führt, dass der Detektor während dieser Zeit für Messungen effektiv nicht zur Verfügung steht. In Analogie gilt dies auch für den Sender der elektromagnetischen Strahlung.To compensate for the effects mentioned, the operating parameters of the detector or of the circuit for evaluating the signals are adapted to the radiation intensities that occur in the particular measuring situation in practice in the known devices / methods for distance measurement. Depending on the type of detector, for example, at a high incident intensity, the operating voltage of the detector can be lowered. However, this proves to be a particularly disadvantageous property that the detector and the circuit for signal evaluation after a change in their operating parameters require a certain amount of time until they are in thermal equilibrium again. Measurements made during the thermal transient phase of the detector and the signal evaluation circuit are accordingly subject to a relatively large measurement error, as a result of which the detector is effectively unavailable for measurements during this time. By analogy, this also applies to the transmitter of the electromagnetic radiation.
Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung der Entfernung eines Objekts der eingangs genannten Art anzugeben, wonach mit einfachen Mitteln eine hohe Messgenauigkeit für verschiedene Objekte mit unterschiedlichen Reflektionseigenschaften sowie für unterschiedliche Entfernungen erreicht ist. Erfindungsgemäß wird die voranstellende Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung zur Messung der Entfernung eines Objekts durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zur Messung der Entfernung eines Objekts der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass die Intensität der auf den Detektor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung mittels einer vor dem Detektor im Strahlengang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung angeordneten Einrichtung zur Strahlungsabschwächung beeinflussbar ist.The present invention is based on the object of specifying a device and a method for measuring the distance of an object of the aforementioned type, according to which a high accuracy of measurement for different objects with different reflection properties and for different distances is achieved with simple means. According to the preceding object with respect to a device for measuring the distance of an object by a device having the features of claim 1 is achieved. Thereafter, a device for measuring the distance of an object of the type mentioned is designed such that the intensity of the incident on the detector electromagnetic radiation by means of a device arranged in front of the detector in the beam path of the reflected and / or scattered radiation device for radiation attenuation can be influenced.
Des Weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zur Messung der Entfernung eines Objekts durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Danach ist ein Verfahren der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass die Intensität der auf den Detektor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung mittels einer vor dem Detektor im Strahlengang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung angeordneten Einrichtung zur Strahlungsabschwächung beeinflusst wird.Furthermore, the above object is achieved in terms of a method for measuring the distance of an object by a method having the features of claim 13. Thereafter, a method of the type mentioned is designed such that the intensity of the incident on the detector electromagnetic radiation is influenced by means arranged in front of the detector in the beam path of the reflected and / or scattered radiation device for radiation attenuation.
In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass sich die eingangs genannten Probleme mit einfachen Mitteln dadurch vermeiden lassen, dass vor dem Detektor im Strahlengang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung eine Einrichtung zur Strahlungsabschwächung angeordnet ist. Mit dieser Einrichtung zur Strahlungsabschwächung lässt sich die auf den Detektor auftreffende Strahlungsintensität beeinflussen, so dass die Betriebsparameter des Detektors und der Schaltung zur Signalauswertung unverändert bleiben können. Verglichen mit herkömmlichen Entfernungsmessvorrichtungen lassen sich Entfernungsmessungen von Objekten mit stark unterschiedlichen Reflektionseigenschaften folglich mit einer verbesserten Messgenauigkeit durchführen. Darüber hinaus können Messungen wesentlich schneller hintereinander durchgeführt werden, da keine thermischen Einschwingzeiten des Detektors und der Schaltung zur Signalauswertung aufgrund geänderter Betriebsparameter berücksichtigt werden müssen.In accordance with the invention, it has been recognized that the problems mentioned above can be avoided by simple means by arranging a device for radiation attenuation in front of the detector in the beam path of the reflected and / or scattered radiation. With this device for radiation attenuation, the radiation intensity incident on the detector can be influenced, so that the operating parameters of the detector and the circuit for signal evaluation can remain unchanged. Compared with conventional distance measuring devices, distance measurements of objects with greatly different reflection properties can consequently be carried out with improved measurement accuracy. In addition, measurements can be carried out much faster in succession, since no thermal settling times of the detector and the signal evaluation circuit due to changed operating parameters must be taken into account.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die auf den Detektor auftreffende Intensität der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung mittels der Einrichtung zur Strahlungsabschwächung Steuer- oder regelbar ist. In besonders vorteilhafter Weise sind der Detektor, die Schaltung zur Signalauswertung und die Einrichtung zur Strahlungsabschwächung als Bausteine eines Regelkreises ausgeführt. Bei einer derartigen Ausführung lässt sich die auf den Detektor auftreffende Strahlungsintensität weitestgehend konstant halten.Within the scope of a particularly preferred embodiment, it is provided that the intensity of the reflected and / or scattered radiation impinging on the detector can be controlled or regulated by means of the radiation attenuation device. In a particularly advantageous manner, the detector, the circuit for signal evaluation and the device for radiation attenuation as building blocks executed a control loop. In such an embodiment, the radiation intensity impinging on the detector can be kept substantially constant.
Im Hinblick auf die Einrichtung zur Strahlungsabschwächung ist vorgesehen, dass diese einen optischen Abschwächer umfasst, wobei es sich bei dem Abschwächer konkret um einen die auftreffende Strahlung diffus streuenden, absorbierenden, abblendenden und/oder ablenkenden optischen Abschwächer handeln kann.With regard to the device for attenuation of radiation, it is provided that this comprises an optical attenuator, wherein the attenuator may actually be a diffusing, absorbing, dimming and / or deflecting optical attenuator diffusing the incident radiation.
Im Hinblick auf ein hohes Maß an Flexibilität beim Einsatz der Vorrichtung bzw. des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung mehrere Abschwächer umfasst, wobei die einzelnen Abschwächer vorzugsweise nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten. Im Hinblick auf eine weitere Erhöhung der Flexibilität kann dabei vorgesehen sein, dass einzelne oder mehrere Abschwächer in Abhängigkeit von der jeweiligen Messsituation aktivierbar bzw. deaktivierbar sind. So kann bspw. vorgesehen sein, dass bei der Entfernungsmessung von Objekten mit besonders hellen, stark reflektierenden Oberflächen zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Abschwächer aktiviert werden. Bei einer Entfernungsmessung von Objekten mit dunkleren, stärker absorbierenden Oberflächen kann sich demgegenüber die Aktivierung eines einzigen optischen Abschwächers als ausreichend erweisen.In view of a high degree of flexibility when using the device or the method, it can be provided that the device comprises a plurality of attenuators, wherein the individual attenuators preferably operate on different principles. With regard to a further increase in flexibility, it may be provided that individual or several attenuators can be activated or deactivated depending on the respective measurement situation. Thus, for example, it may be provided that during the distance measurement of objects with particularly bright, strongly reflecting surfaces, two attenuators arranged one behind the other in the beam path are activated. By contrast, when measuring the distance of objects with darker, more absorbent surfaces, activation of a single optical attenuator may prove sufficient.
Im Hinblick auf eine effiziente Regelung kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur Strahlungsabschwächung einen optischen Abschwächer umfasst, bei dem sich die Stärke der Strahlungsabschwächung durch Anlegen einer Spannung vorgeben lässt. Die an den Abschwächer angelegte Spannung kann dabei als Stellgröße verwendet werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich der Einsatz von Festkörpershuttern als optische Abschwächer, insbesondere der Einsatz von LCP (Liquid Crystal Polymer) Shuttern. Der Vorteil dieser Art von Abschwächern im Vergleich zu bspw. als Blenden oder Filterräder ausgeführten mechanischen Abschwächern besteht in der extrem guten Regelzeit, die im Bereich von weniger als einer Millisekunde liegen kann. Die Funktionsweise dieser Art von Shuttern beruht auf dem Umstand, dass die Moleküle innerhalb des Polymerkristalls ausgerichtet sind, falls kein elektrisches Feld auf den Kristall einwirkt. Aufgrund der Ausrichtung aller Moleküle in eine Richtung ist der Kristall transparent. Wird hingegen ein elektrisches Feld an den Kristall angelegt, so reagieren die Moleküle unterschiedlich stark, den Kristall passierendes Licht wird an den unterschiedlich orientierten Kristallmolekülen gestreut, so dass das aus dem Kristall austretende Licht in seiner Intensität - entsprechend der Stärke des elektrischen Feldes - geschwächt wird.With regard to an efficient control, it can furthermore be provided that the device for radiation attenuation comprises an optical attenuator in which the intensity of the radiation attenuation can be predetermined by applying a voltage. The voltage applied to the attenuator can be used as a manipulated variable. Particularly advantageous is the use of solid state hats as optical attenuators, in particular the use of LCP (Liquid Crystal Polymer) shutters. The advantage of this type of attenuators in comparison with, for example, mechanical attenuators designed as diaphragms or filter wheels is the extremely good control time, which can be in the range of less than one millisecond. The operation of this type of shutter is based on the fact that the molecules are aligned within the polymer crystal, if no electric field acts on the crystal. Due to the orientation of all molecules in one direction, the crystal is transparent. If, on the other hand, an electric field is applied to the crystal, the molecules react differently and the light passing through the crystal becomes different scattered crystal molecules scattered so that the light emerging from the crystal in its intensity - corresponding to the strength of the electric field - is weakened.
In weiter vorteilhafter Weise ist vor der Einrichtung zur Strahlungsabschwächung eine abbildende Optik bzw. Fokussieroptik angeordnet, mit der die von dem Objekt reflektierte bzw. gestreute elektromagnetische Strahlung auf den Detektor abgebildet wird. Durch eine Positionierung der abbildenden Optik vor der Einrichtung zur Strahlungsabschwächung wird eine kompaktere Bauform der einzelnen Abschwächer der Einrichtung zur Strahlungsabschwächung ermöglicht.In a further advantageous manner, an imaging optical system or focusing optical system is arranged in front of the device for radiation attenuation, with which the electromagnetic radiation reflected or scattered by the object is imaged onto the detector. By positioning the imaging optics in front of the device for radiation attenuation, a more compact design of the individual attenuators of the device for radiation attenuation is made possible.
Der Ausführungsform des Detektors sind prinzipiell keine Grenzen gesetzt. Besonders bevorzugt werden jedoch Detektoren mit gutem Timing eingesetzt, d.h. Detektoren mit einem definierten zeitlichen Ansprechverhalten, da dieses Verhalten direkten Einfluss auf die Genauigkeit der Entfernungsmessung hat. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor als Fotodiode ausgeführt. Eine derartige Ausgestaltung bietet den weiteren Vorteil, dass sich der Fotodiodenstrom des Detektors in besonders einfacher Weise als Regelgröße verwenden lässt.The embodiment of the detector are in principle no limits. However, particularly preferred detectors are used with good timing, i. Detectors with a defined temporal response, as this behavior has a direct influence on the accuracy of the distance measurement. In a preferred embodiment, the detector is designed as a photodiode. Such a configuration offers the further advantage that the photodiode current of the detector can be used in a particularly simple manner as a controlled variable.
Im Rahmen einer besonders einfach zu realisierenden, stabil zu betreibenden und leicht zu handhabenden Ausführung kann vorgesehen sein, dass die elektromagnetische Strahlungsquelle als Laserlichtquelle ausgeführt ist. Im Hinblick auf eine leichte Handhabbarkeit kann der Detektor, die Einrichtung zur Strahlungsabschwächung, die elektromagnetische Strahlungsquelle sowie ggf. die Fokussieroptik und der Strahlteiler in einem vorzugsweise handhaltbaren Gehäuse untergebracht sein. Eine derartige Ausführungsform ließe sich mit einer äußerst kompakten Bauform realisieren und könnte dementsprechend von einer Bedienperson besonders flexibel auch in schwer zugänglichen Messumgebungen eingesetzt werden.In the context of a particularly simple to implement, stable to operate and easy to handle design can be provided that the electromagnetic radiation source is designed as a laser light source. With regard to ease of handling, the detector, the device for radiation attenuation, the electromagnetic radiation source and optionally the focusing optics and the beam splitter can be housed in a preferably hand-held housing. Such an embodiment could be realized with an extremely compact design and could accordingly be used by an operator particularly flexible even in difficult to reach measuring environments.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigtThere are now various possibilities for designing and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. For this purpose, on the one hand to refer to the subordinate claims and on the other hand to the following explanation of a preferred embodiment of the device according to the invention with reference to the drawings. In conjunction with the explanation of the preferred embodiment with reference to the drawings are also in general preferred embodiments and further developments of the teaching explained. In the drawing shows
die einzige Figur in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Entfernung eines Objekts.the single figure in a schematic view an embodiment of a device according to the invention for measuring the distance of an object.
Die einzige Figur zeigt - schematisch - ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Entfernung eines Objekts. Mittels einer als Laserlichtquelle 1 ausgeführten Strahlungsquelle 2 wird das Objekt 3 beleuchtet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Laserlichtquelle 1 als gepulste Laserlichtquelle ausgeführt, wobei mit jedem Laserimpuls ein Startsignal für eine Zeitmessung auf eine nicht dargestellte Auswerteelektronik gegeben wird. Die Lichtimpulse werden über einen in einem Winkel von 45° zur optischen Achse 4 der Vorrichtung geneigten Strahlteiler 5 und eine Fokussieroptik 6 auf das Objekt 3 geleitet.The single figure shows - schematically - an embodiment of a device for measuring the distance of an object. By means of a laser source 1 running as a radiation source 2, the object 3 is illuminated. In the illustrated embodiment, the laser light source 1 is designed as a pulsed laser light source, wherein with each laser pulse, a start signal for a time measurement is given to an evaluation electronics, not shown. The light pulses are directed onto the object 3 via a beam splitter 5, which is inclined at an angle of 45 ° to the optical axis 4 of the device, and a focusing optics 6.
Das von dem Objekt 3 reflektierte und/oder gestreute Licht 7 wird mittels der Fokussieroptik 6 auf einen als Fotodiode 8 ausgeführten Detektor 9 fokussiert. Bei der Fokussieroptik 6 handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine einfache Sammellinse, die aus einem Material hergestellt ist, dass auch im infraroten Wellenlängenbereich gute Transmissionseigenschaften aufweist. Zwischen der Fokussieroptik 6 und dem Detektor 9 ist eine Einrichtung 10 zur Strahlungsabschwächung angeordnet, die in dem konkret gezeigten Ausführungsbeispiel einen als LCP (Liquid Crystal Polymer) Shutter ausgeführten optischen Abschwächer 11 umfasst. Vor dem Auftreffen auf den Detektor 9 wird die Intensität des von dem Objekt 3 kommenden und durch die abbildende Optik 6 gebündelten Lichts 7 durch den optischen Abschwächer 11 abgeschwächt.The light 7 reflected and / or scattered by the object 3 is focused on a detector 9 designed as a photodiode 8 by means of the focusing optics 6. In the illustrated embodiment, the focusing optics 6 are a simple converging lens, which is made of a material that also has good transmission properties in the infrared wavelength range. Between the focusing optics 6 and the detector 9, a device 10 for radiation attenuation is arranged, which in the concretely shown embodiment comprises an optical attenuator 11 designed as LCP (Liquid Crystal Polymer) shutter. Before striking the detector 9, the intensity of the light 7 coming from the object 3 and focused by the imaging optics 6 is attenuated by the optical attenuator 11.
Obschon in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, sind der Detektor 9 und die Einrichtung 10 zur Strahlungsabschwächung als Regelkreis ausgeführt. Die Regelung dient zur Konstanthaltung der auf den Detektor 9 auftreffenden Strahlungsintensität, wobei der Fotodiodenstrom des Detektors 9 als Regelgröße verwendet wird. Als Stellgröße dient eine an den optischen Abschwächer 11 angelegte Spannung. Überschreitet der Fotodiodenstrom einen einer vorgebbaren Sollintensität entsprechenden Fotodiodenstrom, so wird die Stärke der Strahlungsabschwächung erhöht, indem die an den optischen Abschwächer 11 angelegte Spannung erhöht wird. Mit dieser Regelung ist ein im Vergleich zu Entfernungsmessvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik verbessertes intensitätsabhängiges dynamisches Verhalten erreicht. Mit gleichem elektrischen Abgleich des Detektors 9 können sehr gut reflektierende Objekte, wie bspw. weißes Papier, sowie sehr schlecht reflektierende Objekte, wie bspw. schwarzes Papier, sowohl in kurzen als auch in großen Distanzen gerangt werden.Although not shown in the figure for reasons of clarity, the detector 9 and the device 10 for radiation attenuation are designed as a control loop. The control serves to keep the radiation intensity impinging on the detector 9 constant, the photodiode current of the detector 9 being used as the controlled variable. The manipulated variable used is a voltage applied to the optical attenuator 11. If the photodiode current exceeds a photodiode current corresponding to a predefinable desired intensity, then the The intensity of the radiation attenuation is increased by increasing the voltage applied to the optical attenuator 11. With this control, an improved intensity-dependent dynamic behavior is achieved in comparison with the prior art distance measuring devices. With the same electrical balance of the detector 9 very well reflective objects, such as. White paper, as well as very poorly reflective objects, such as, for example, black paper, both in short and at great distances are gerangt.
Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt. Finally, it should be particularly noted that the above-discussed embodiment is only for the description of the claimed teaching, but does not limit the embodiment.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung zur Messung der Entfernung eines Objekts, umfassend eine elektromagnetische Strahlung emittierende Quelle (2) zur Bestrahlung des Objekts (3), einen Detektor (9) zum Nachweis der von dem Objekt (3) reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (7) sowie eine Auswerteelektronik, mit der auf der Grundlage der Zeitdauer zwischen der Emission der Strahlung und dem Empfang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (7) nach dem Impuls- oder Phasen- Laufzeitverfahren ein für die Objektentfemung charakteristisches Messsignal bereitstellbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Intensität der auf den Detektor (9) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung mittels einer vor dem Detektor (9) im Strahlengang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (7) angeordneten Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung beeinflussbar ist.1. A device for measuring the distance of an object, comprising a source emitting electromagnetic radiation (2) for irradiating the object (3), a detector (9) for detecting the radiation (7) reflected and / or scattered by the object (3). and an evaluation, with the basis of the period between the emission of the radiation and the reception of the reflected and / or scattered radiation (7) after the pulse or phase transit time method for the Objektentfemung characteristic measurement signal is provided, characterized in that the Intensity of the incident on the detector (9) electromagnetic radiation by means of a front of the detector (9) in the beam path of the reflected and / or scattered radiation (7) arranged means (10) for radiation attenuation can be influenced.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Detektor (9) auftreffende Intensität der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (7) mittels der Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung Steuer- oder regelbar ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the incident on the detector (9) intensity of the reflected and / or scattered radiation (7) by means of the device (10) for radiation attenuation control or is controllable.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9), eine Schaltung zur Signalauswertung und die Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung als Bausteine eines Regelkreises ausgeführt sind.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the detector (9), a circuit for signal evaluation and the device (10) for radiation attenuation are designed as components of a control loop.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung einen auftreffende Strahlung diffus streuenden, absorbierenden, abblendenden und/oder ablenkenden optischen Abschwächer (11) umfasst.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the means (10) for radiation attenuation comprises an incident radiation diffusely scattering, absorbing, dimming and / or deflecting optical attenuator (11).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung mehrere, vorzugsweise unterschiedlich arbeitende Abschwächer (11) umfasst. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the device (10) for radiation attenuation comprises a plurality, preferably different working attenuator (11).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne oder mehrere Abschwächer (11) in Abhängigkeit von der jeweiligen Messsituation aktivierbar sind.6. Apparatus according to claim 5, characterized in that one or more attenuators (11) can be activated as a function of the respective measurement situation.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschwächer (11) als Festkörpershutter, vorzugsweise als LCP (Liquid Crystal Polymer) Shutter ausgeführt ist.7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the attenuator (11) is designed as a solid-state shutter, preferably as an LCP (Liquid Crystal Polymer) shutter.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Detektor (9) eine Fokussieroptik (6) angeordnet ist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that in front of the detector (9) has a focusing optics (6) is arranged.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abschwächer (11) und der Fokussieroptik (6) ein Strahlteiler (5) angeordnet ist.9. Apparatus according to claim 8, characterized in that between the attenuator (11) and the focusing optics (6), a beam splitter (5) is arranged.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9) als Fotodiode (8) ausgeführt ist.10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the detector (9) is designed as a photodiode (8).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlungsquelle (2) als Laserlichtquelle (1) ausgeführt ist.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the electromagnetic radiation source (2) is designed as a laser light source (1).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9), die elektromagnetische Strahlungsquelle (2), die Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung sowie ggf. die Fokussieroptik (6) und der Strahlteiler (5) in einem handhaltbaren Gehäuse angeordnet sind.12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the detector (9), the electromagnetic radiation source (2), the device (10) for radiation attenuation and possibly the focusing optics (6) and the beam splitter (5) in a hand-held housing are arranged.
13. Verfahren zur Messung der Entfernung eines Objekts, insbesondere unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Objekt mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, wobei die von dem Objekt (3) reflektierte und/oder gestreute elektromagnetische Strahlung (7) mit einem Detektor (9) nachgewiesen wird und wobei mittels einer Auswerteelektronik auf der Grundlage der Zeitdauer zwischen der Emission der Strahlung und dem Empfang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (7) nach dem Impuls- oder Phasen- Laufzeitverfahren ein für die Objektentfernung charakteristisches Messsignal bereitgestellt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Intensität der auf den Detektor (9) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung mittels einer vor dem Detektor (9) im Strahlengang der reflektierten und/oder gestreuten Strahlung (7) angeordneten Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung beeinflusst wird.13. A method for measuring the distance of an object, in particular using a device according to one of claims 1 to 12, wherein the object is irradiated with electromagnetic radiation, wherein the object (3) reflected and / or scattered electromagnetic radiation (7). with a detector (9) is detected and wherein by means of an evaluation based on the period between the emission of the radiation and the reception of the reflected and / or scattered radiation (7) after the pulse or phase transit time characteristic for the object distance measurement signal provided, characterized in that the intensity of the electromagnetic radiation incident on the detector (9) is influenced by means (10) for radiation attenuation arranged in front of the detector (9) in the beam path of the reflected and / or scattered radiation (7).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der auf den Detektor (9) auftreffenden reflektierten und/oder gestreuten Strahlung14. The method according to claim 13, characterized in that the intensity of the incident on the detector (9) reflected and / or scattered radiation
(7) mittels der Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung gesteuert oder geregelt wird.(7) is controlled or regulated by means (10) for radiation attenuation.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Detektor (9) als Fotodiode15. The method according to claim 13 or 14, wherein the detector (9) as a photodiode
(8) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodiodenstrom des Detektors (9) als Regelgröße verwendet wird.(8) is executed, characterized in that the photodiode current of the detector (9) is used as a controlled variable.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Einrichtung (10) zur Strahlungsabschwächung einen optische Abschwächer (11) umfasst und wobei die Stärke der Strahlungsabschwächung durch Anlegen einer Spannung vorgebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Abschwächer (11) angelegte Spannung als Stellgröße verwendet wird. 16. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein the device (10) for radiation attenuation comprises an optical attenuator (11) and wherein the intensity of the radiation attenuation can be predetermined by applying a voltage, characterized in that the attenuator (11) applied voltage is used as a manipulated variable.
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