DE112015006912T5

DE112015006912T5 - Optisches Entfernungsmesssystem

Info

Publication number: DE112015006912T5
Application number: DE112015006912.7T
Authority: DE
Inventors: Peter Seitz; Alexandru Rusu
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2015-09-18
Filing date: 2015-09-18
Publication date: 2018-05-24
Also published as: JP2018527574A; JP6581720B2; US20200233082A1; WO2017046832A1; CH713135B1; US10921448B2

Abstract

Offenbart ist ein optisches System zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist. Das optische Entfernungsmesssystem 1 beinhaltet eine kohärente Lichtquelle 10, die einen Laserstrahl L1 projiziert, optische Elemente 20, 21 und einen eindimensionalen Lichtsensor 30. Die optischen Elemente 20, 21 teilen den Laserstrahl L1 in zwei Laserstrahlen L2, L3 und spreizen den Laserstrahl L1 in eine Lichtfläche auf, deren Ausrichtung senkrecht zu einer Ebene ist, die von den Ausbreitungsrichtungen der Laserstrahlen L2, L3 erzeugt wird. Die Laserstrahlen L2, L3 werden von dem Spiegel 40 und zurück zu dem Lichtsensor 30 reflektiert. Der Lichtsensor 30 erfasst die Intensitätsverteilung von einfallendem Licht der reflektierten Laserstrahlen L2 und L3 mit zwei lokalen Maxima, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung L des Spiegels 40 und dessen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System und ein Verfahren zum Messen der Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist. Der Neigungswinkel des Spiegels ist nicht genau bekannt und kann sich im Lauf der Zeit verändern. Insbesondere betrifft die Erfindung ein optisches Entfernungsmesssystem, bei dem sich der Spiegel über Entfernungen bewegt, die viel größer sind als die Größe des Spiegels, wie dies beispielsweise in Röhrensystemen der Fall ist, bei denen die Entfernung eines sich bewegenden Kolbens gemessen werden muss.
Stand der Technik
In vielen mechanischen Systemen stellt es ein häufig auftretendes Problem dar, die Entfernung zu einem Objekt zu messen, ohne mit dem Objekt in physischen Kontakt zu treten. Sehr häufig ist die bevorzugte Lösung eines solchen Problems ein optisches Verfahren, in dem Licht aus einer geeigneten Lichtquelle auf das Objekt fällt, von wo aus es auf das Messsystem zurückreflektiert wird. Dort wird es von einem Lichtsensor erfasst, und das elektronische Signal des Lichtsensors wird verarbeitet, um die gewünschte Entfernungsinformation zu erhalten. Beispiele für das optische Verfahren sind in Patentliteratur 1 bis 4 offenbart.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

PTL 1 Europäisches Patent Nr. EP 2 482 094
PTL 2 US-Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015/0019160 A1
PTL 3 US-Patent Nr. USP 5,424,834
PTL 4 Deutsches Patent Nr. DE 42 11 875

Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Eine in der Praxis häufig anzutreffende Situation ist, dass die zu messenden Entfernungsveränderungen viel größer sind als der auf jeder Seite des Lichtpfads verfügbare Raum. Folglich ist es notwendig, ein optisches Messverfahren einzusetzen, das in der Nähe der optischen Achse arbeitet. Zur Lösung des Problems sind drei grundlegend verschiedene optische Messverfahren bekannt:

(1) Optische Lichtlaufzeitverfahren wie beispielsweise von S. Mack im europäischen Patent Nr. EP 2 482 094 A1 „Entfernungsmessender optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Objekterfassung“ beschrieben. Der praktische Vorteil von Lichtlaufzeitverfahren ist, dass ihre maximale Messentfernung nahezu unbegrenzt ist und mit einem solchen Verfahren selbst die Entfernung zum Mond gemessen wurde. Jedoch liegt die heutzutage mit Lichtlaufzeitverfahren erreichbare Entfernungsgenauigkeit aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit von etwa 3×10⁸ m/s in der Größenordnung von 1 mm, was für viele mechanische Systeme unzureichend ist.
(2) Interferometrische Verfahren, welche die geringe Wellenlänge von kohärentem Licht, das aus kostengünstigen Laserdioden verfügbar ist, im Wellenlängenbereich von 200 - 2000 nm nutzen. Mithin liegt die Messgenauigkeit von interferometrischen Verfahren deutlich unter 100 nm, was für die meisten mechanischen Systeme ausreicht. Jedoch können herkömmliche interferometrische Entfernungsmessverfahren keine absoluten Entfernungen bestimmen, da sie unter dem wohlbekannten Phasenmehrdeutigkeitsproblem leiden, das bei monochromatischen Interferometriesystemen auftritt. Dem lässt sich mit Mehrwellenlängen-Interferometern beikommen, wie beispielsweise von K. Thurner et al. in US-Patentanmeldung Nr. 2015/0019160 A1 , „Absolute distance laser interferometer“ beschrieben. Die Komplexität eines solchen Entfernungsmesssystems verteuert dessen Konstruktion und dessen Stabilisierung während des Betriebs. Ein zusätzliches praktisches Problem besteht darin, dass interferometrische Entfernungsmessverfahren hochempfindlich gegenüber der Neigung des Spiegels sind. Eine Abweichung der Spiegelausrichtung um lediglich 0,1 Grad von den idealen 90 Grad in Bezug auf die optische Achse kann das Interferenzmuster erheblich verändern, d.h. helle Bildbereiche in dunkle Bildbereiche ändern.
(3) Diese Nachteile lassen sich mit Triangulationsverfahren beheben, welche ein optisches System mit zwei unterschiedlichen optischen Achsen nutzen: In Stereotriangulationssystemen wird ein und derselbe Punkt auf dem Objekt aus zwei unterschiedlichen Richtungen betrachtet. In aktiven Triangulationssystemen fällt strukturiertes Licht entlang einer Richtung ein, und dessen Bild auf dem untersuchten Objekt wird aus einer anderen Richtung betrachtet. Ein Beispiel für ein solches Triangulationssystem wird von J. Akedo et al. in US-Patent Nr. 5,424,834 , „Optical displacement sensor for measurement of shape and coarseness of a target workpiece surface“ beschrieben. Dieses Triangulationsverfahren erfordert mindestens drei optische Linsensysteme, um einen Lichtpunkt auf dem untersuchten Objekt zu erzeugen und das zurückreflektierte Licht auf die Lichtsensoren zu fokussieren. Die Komplexität des Systems lässt sich durch Verwenden von lediglich zwei optischen Linsensystemen, eines zum Erzeugen eines Messlichtstrahls und eines zum Erzeugen und Abbilden eines Lichtpunktes auf dem untersuchten Objekt, verringern, wie beispielsweise im deutschen Patent Nr. DE 42 11 875 A1 , „Optischer Abstandssensor“, beschrieben. Indem zwei eigenständige Lichtsensoren verwendet werden, ist es möglich, gleichzeitig die absolute Entfernung zu dem Objekt und die lokale Neigung der Objektoberfläche dort zu messen, wo der Messpunkt erzeugt wird.

Lösung des Problems
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein optisches System zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist, folgendes umfassen: eine kohärente Lichtquelle, die einen Laserstrahl in Richtung des Planspiegels entlang einer optischen Achse projiziert, ein auf der optischen Achse angeordnetes optisches Element, wobei das optische Element den einfallenden Laserstrahl in zwei Laserstrahlen teilt, deren Ausbreitungsrichtungen in einem bestimmten Winkel zueinander stehen, und den einfallenden Laserstrahl in eine Lichtfläche aufspreizt, deren Ausrichtung senkrecht zu einer Ebene ist, die durch die Ausbreitungsrichtungen der zwei Laserstrahlen erzeugt wird, und einen eindimensionalen Lichtsensor, der konfiguriert ist, um eine Intensitätsverteilung von einfallendem Licht zu erfassen. Die beiden Laserteilstrahlen breiten sich von dem optischen Element zum Planspiegel aus, und die beiden von dem Planspiegel reflektierten Laserstrahlen breiten sich zu dem eindimensionalen Lichtsensor aus. Der eindimensionale Lichtsensor erfasst die Intensitätsverteilung von einfallendem Licht der beiden reflektierten Laserstrahlen mit zwei lokalen Maxima, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung des Planspiegels und dessen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das optische Element über dem eindimensionalen Lichtdetektor angeordnet sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das optische Element eine zylindrische Linse aus einem transparenten Material sein.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das optische Element eine flache Eingangsfläche und eine Austrittsfläche, die aus zwei in einem Winkel zueinander stehenden flachen Ebenen besteht, aufweisen. Die flache Eingangsfläche kann eine mit einer Antireflexionsbeschichtung versehene plane Eintrittsfläche und eine mit einer Spiegelbeschichtung versehene plane Reflexionsfläche aufweisen. Eine erste flache plane Fläche der Austrittsfläche kann mit einer Reflexionsbeschichtung versehen sein und eine zweite flache plane Fläche der Austrittsfläche kann mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen sein. Der Laserstrahl aus der kohärenten Lichtquelle kann auf der planen Eintrittsfläche auftreffen und sich zu der ersten flachen planen Fläche der Austrittsfläche ausbreiten, ein Teil des auftreffenden Laserstrahls kann sich aus der ersten flachen planen Fläche entlang einer ersten Richtung ausbreiten und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls kann durch die erste flache plane Fläche in Richtung der planen Reflexionsfläche der flachen Eingangsfläche reflektiert werden, und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls kann an der planen Reflexionsfläche reflektiert werden und sich ausgehend von der zweiten flachen planen Austrittsfläche entlang einer zweiten Richtung ausbreiten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Lichtsensor aus einer eindimensionalen Anordnung von Pixeln bestehen, die als eine Anordnung von Lichtdioden oder eine CCD-Zeile hergestellt ist. Die Form der Pixel kann rechteckig sein.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die beschriebene Komplexität sowie die Einschränkungen der Messgenauigkeit bekannter optischer Entfernungsmessverfahren lassen sich durch das oben beschriebene System gemäß der vorliegenden Erfindung beheben, das ein besonders einfaches, robustes und kompaktes optisches Triangulationsverfahren implementiert: Die Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist, wird gemessen, ohne dass ein optisches Linsensystem entweder zum Fokussieren von einfallendem Licht auf den Spiegel oder zum Erzeugen eines Bildes des reflektierten Lichts auf dem Lichtsensor notwendig ist. Zusätzlich werden zwei wichtige Parameter, nämlich die Entfernung des Spiegels und der Neigungswinkel des Spiegels, gleichzeitig gemessen.
Figurenliste
In Anbetracht der folgenden detaillierten Beschreibung wird die Erfindung besser verständlich und es werden andere Aufgaben als die vorstehend genannten ersichtlich. In dieser Beschreibung wird auf die angehängten Zeichnungen verwiesen. Es zeigt:

1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht auf das in 1 veranschaulichte optische System;
3 eine andere Draufsicht auf eine Situation, in der ein reflektierender Spiegel sich in einem Winkel β zur idealen 90-Grad-Ausrichtung in Bezug auf eine optische Achse befindet;
4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer ersten optischen Funktion, welche zum Teilen eines einfallenden Laserstrahls in zwei Strahlen in einem Winkel zueinander erforderlich ist; und
5 die Intensitätsverteilung P(x) von einfallendem Licht als Funktion der seitlichen Position x auf einem eindimensionalen Lichtsensor.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine Hauptaufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Systems und Verfahrens zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist.
Eine weitere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Entfernungsmesssystems, das ohne optische Abbildungslinsensysteme implementierbar ist, so dass das realisierte System einfach, robust, kompakt und kostengünstig wird.
Eine andere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Entfernungsmesssystems, das einen Neigungswinkel des Planspiegels tolerieren kann. Dies wird durch gleichzeitiges Messen der Entfernung und des Neigungswinkels des Planspiegels erreicht.
Noch eine andere Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Entfernungsmesssystems, das mit einer geringen seitlichen Ausdehnung nach allen Seiten der optischen Achse implementierbar ist. Auf diese Weise kann die Entfernung eines mit einem Planspiegel versehenen kolbenartigen Objekts, das sich in einem Zylinder bewegt, mit diesem optischen Entfernungsmesssystem, das in Rohrform implementiert ist, gemessen werden.
In Anbetracht der vorstehenden Aufgaben wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem in 1 und 2 veranschaulichten optischen System erreicht. Wie in 1 und 2 veranschaulicht, beinhaltet ein optisches Entfernungsmesssystem 1 eine kohärente Lichtquelle 10 (Laserquelle), ein oder zwei optische Elemente 20 und 21 vor der kohärenten Lichtquelle 10 und einen eindimensionalen Lichtsensor 30. Das optische Entfernungsmesssystem 1 kann eine absolute Entfernung L zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel 40 versehen ist, ausgehend von dem eindimensionalen Lichtsensor 30 berechnen. Um die Erläuterung des Systems 1 zu vereinfachen, ist in den Zeichnungen der Planspiegel 40 ohne das Objekt veranschaulicht. In 1 und 2 ist der Planspiegel 40 in einem Winkel von 90 Grad zu einer optischen Achse A angeordnet, und der eindimensionale Lichtsensor 30 kann die absoluten Positionen der beiden Lichtflächen L2' und L3' bestimmen.
Die kohärente Lichtquelle 10 sendet einen dünnen Laserstrahl L1 aus, der von den optischen Elementen 20 und 21 modifiziert wird. Ein optisches Element 21 oder 22 teilt einen eingehenden Laserstrahl L1 in zwei Strahlen L2 und L3, die in einem Winkel 2α zueinander stehen. Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen optischen Elements ist in 4 veranschaulicht. Das andere optische Element 21 oder 22 spreizt einen oder mehrere einfallende Laserstrahlen in einer zu der Ausbreitungsrichtung vertikalen Richtung auf. Eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen optischen Elements ist eine zylindrische Linse, die aus einem transparenten Material wie etwa Glas oder Kunststoff hergestellt ist. Sofern die optischen Vorrichtungen 20 und 21 einander physisch nahe sind, ist ihre Reihenfolge nicht von praktischer Bedeutung. Es ist auch möglich, die beiden mit optischen Elementen 20 und 21 implementierten optischen Funktionen in einem einzigen optischen Element zu kombinieren. Jedenfalls muss die Richtung des Aufspreizens des eingehenden Laserstrahls L1 in Lichtflächen L2 und L3 senkrecht zu der Ebene sein, die durch die Ausbreitungsrichtungen der Laserteilstrahlen L2 und L3 erzeugt wird.
Die Lichtflächen L2 und L3 werden durch den Planspiegel 40, der sich auf der optischen Achse bewegen kann und dessen Entfernung in Bezug auf das optische Detektorsystem 30 bestimmt werden muss, zurückreflektiert. Die reflektierten Lichtflächen L2' und L3' treffen auf dem eindimensionalen Lichtsensor 30 auf und werden an Positionen 31 und 32 erfasst. Die beiden gemessenen Positionen 31 und 32 werden dann eingesetzt, um die absolute Entfernung L des Planspiegels 40 zu dem optischen Detektorsystem 30 zu berechnen, wie in 2 und 3 veranschaulicht. Die 2 und 3 zeigen die optischen Pfade der beiden Lichtflächen L2 und L3 sowie den Aufbau der virtuellen Lichtquelle 11 zum Berechnen der absoluten Entfernung L des Planspiegels 40 unter Verwendung der Positionen der beiden Lichtflächen L2' und L3' auf dem eindimensionalen Lichtsensor 30.
2 veranschaulicht den optischen Aufbau, der zum Berechnen der Entfernung L des Planspiegels 40 von dem optischen Detektorsystem 30 verwendet wird. Es wird davon ausgegangen, dass der optische Strahlteiler 21 (oder 20) genau auf der lichtempfindlichen Oberfläche des eindimensionalen Lichtsensors 30 platziert ist. Der Strahlteiler 21 erzeugt zwei Lichtflächen L2 und L3, die sich in zwei unterschiedliche Richtungen ausbreiten, welche durch den Winkel 2α getrennt sind. In dem Fall, dass der reflektierende Spiegel 40 unter dem idealen Winkel von 90 Grad zur optischen Achse A platziert ist, wird auf der optischen Achse A ein virtueller Punkt 11 erzeugt, der dem Punkt entspricht, an dem der Strahlteiler 21 die Lichtflächen L2 und L3 erzeugt. Die Entfernung zwischen dem virtuellen Punkt 11 und dem Aussende-/Erfassungsort (Lichtsensor 30) auf der optischen Achse A ist durch 2L gegeben. In diesem symmetrischen Fall werden die Lichtflächen L2' und L3' durch den eindimensionalen Lichtsensor 30 an symmetrischen Orten 31 und 32 erfasst. Die gemessene Entfernung D zwischen den Orten 31 und 32 und der bekannte Winkel 2α zwischen den beiden ausgesendeten Lichtflächen L2 und L3 können zum Berechnen der Entfernung L des Planspiegels 40 gemäß L = D/(4 tan(α)) verwendet werden.
In der Praxis ist es häufig nicht möglich sicherzustellen, dass der Spiegel 40 unter dem idealen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die optische Achse A ausgerichtet ist, und dieser Neigungswinkel des Spiegels 40 kann sich im Lauf der Zeit verändern. In dem optischen System gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung wird diese Situation bewältigt, indem absolute Orte d1 und d2 verwendet werden, an denen die reflektierten Lichtflächen L2' und L3' von dem eindimensionalen Lichtsensor 30 erfasst werden, wie in 3 veranschaulicht. Falls der Neigungswinkel β des Spiegels 40 nicht null Grad beträgt, sind auch die erfassten Orte d1 und d2 nicht gleich, und ihre Werte können zusammen mit der genauen Kenntnis des Triangulationswinkels α verwendet werden, um die Entfernung L und den Spiegelneigungswinkel β zu berechnen, welche beide trigonometrische Funktionen der anderen Parameter, d.h. L (α, d1, d2) und β(α, d1, d2), sind.
Eine zentrale Komponente in dem optischen Entfernungsmesssystem 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine der optischen Komponenten 21 oder 22, die imstande ist, den eingehenden Laserstrahl L1 in die zwei sich ausbreitenden Laserstrahlen L2 und L3 mit dem Winkel 2α zwischen ihren Ausbreitungsrichtungen zu teilen. Eine erste bevorzugte Ausführungsform einer solchen optischen Komponente ist ein sinusförmiges Phasengitter mit einer (Spitze-zu-Spitze-) Modulationstiefe von nλ/2 und einer Gitterperiode λ/tan(α), wobei n den Brechungsindex des Gittermaterials angibt und λ die Wellenlänge des Laserlichts ist. Bekanntermaßen verändert sich die Wellenlänge einer Laserdiode in Abhängigkeit von der Temperatur, und folglich verändert sich auch der Triangulationswinkel 2α in Abhängigkeit von der Temperatur der Laserdiode. Für den Fall, dass diese Temperaturveränderungen nicht einigermaßen niedrig gehalten werden können, ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der strahlteilenden Komponente in 4 veranschaulicht, bei der der Triangulationswinkel 2α nur geringfügig von der Wellenlänge des Laserlichts abhängt. Der Strahlteiler besteht aus einer optisch transparenten Komponente 50, bestehend aus einem Stück optisch transparenten Materials mit einer flachen Eingangsfläche, deren unterer Teil transparent ist und deren oberer Teil reflektierend ausgelegt ist, und mit einer Austrittsfläche bestehend aus zwei in einem kleinen Winkel zueinander stehenden flachen Ebenen, von denen eine halbdurchlässig und die andere transparent ist. In dieser transparenten Komponente 50 trifft der einfallende Laserstrahl L1 in einem Winkel auf einer planen Eintrittsfläche 51 auf, welche mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung versehen ist. Im Innern der Komponente 50 breitet sich der Laserstrahl L1 zu einer planen Fläche 52 aus, welche mit einer zu 50% reflektierenden Beschichtung versehen ist, so dass sich ein Teil des Laserstrahls L1 entlang einer ersten Richtung D1 aus der Komponente 50 ausbreitet, und der andere Teil des Laserstrahls L1 auf eine plane Fläche 53 reflektiert wird, welche mit einer Spiegelbeschichtung versehen ist. Der zweite Laserstrahl wird an der planen Fläche 53 reflektiert, von wo aus er sich zu einer planen Fläche 54 ausbreitet, die mit einer geeigneten Antireflexionsbeschichtung versehen ist. Der zweite Laserstrahl breitet sich aus der Komponente 50 in der Richtung D2 derart aus, dass der Winkel zwischen den Richtungen D1 und D2 gleich dem Triangulationswinkel 2α ist. Dieser Triangulationswinkel ist verschieden von null, wenn mindestens eine der planen Flächen 51, 52, 53 und 54 in einem Winkel zu den anderen planen Flächen ausgerichtet ist.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die optischen Elemente 20 und 21 eine Funktion, mit der die beiden Laserstrahlen unabhängig ein- und ausgeschaltet werden können. Auf diese Weise braucht der Lichtsensor 30 jeweils nur eine Laserstrahlposition zu erfassen, da eine erste Messung durchgeführt wird, bei der nur der erste Laserstrahl eingeschaltet ist (während der zweite Laserstrahl ausgeschaltet ist), gefolgt von einer zweiten Messung, bei der der zweite Laserstrahl einschaltet ist (während der erste Laserstrahl ausgeschaltet ist). Diese zeitsequentielle Messung erlaubt die Verwendung zusätzlicher Arten von eindimensionalen Lichtsensoren, wie etwa beispielsweise einer PSD (positionsempfindliche Vorrichtung von engl. „Position Sensitive Device“). Eine einfache Alternative zur Realisierung einer solchen Ausführungsform besteht darin, zwei unabhängige Laserquellen zu verwenden, die ihre Laserstrahlen unter dem Triangulationswinkel 2α zueinander aussenden, und vor jede Laserquelle ein lichtflächenbildendes optisches Element zu platzieren.
Der eindimensionale Lichtsensor 30 fühlt die von den einfallenden Lichtflächen L2' und L3' erzeugte Lichtverteilung an den Positionen 31 und 32 ab. Eine bevorzugte Ausführungsform des Lichtsensors 30 besteht aus einer eindimensionalen Anordnung von Pixeln, die beispielsweise als eine Photodiodenanordnung oder eine CCD-Zeile (CCD: ladungsträgergekoppelte Vorrichtung von engl. „Charge-Coupled Device“) hergestellt ist. Da die Verwendung der Laserstrahlen zu Specklemustern auf dem Lichtdetektor führt, ist es vorteilhaft, wenn die Pixelform rechteckig ist, wobei die lange Seite zur Richtung der Lichtflächen L2' und L3' parallel ist, so dass der Einfluss solcher Specklemuster durch räumliche Mittelung verringert wird.
Der Lichtsensor 30 erfasst eine Lichtverteilung wie schematisch in 5 veranschaulicht. Das Lichtdetektorsignal P (x) weist in Abhängigkeit von der lateralen Position x zwei lokale Maxima an den Positionen x1 und x2 auf, welche mit bekannten Signalverarbeitungsalgorithmen bestimmbar sind. Beispielsweise wurde ein Algorithmus, mit dem sich das lokale Maximum einer eindimensionalen Lichtintensitätsverteilung P(x) mit einer Genauigkeit von besser als 1% der Pixelperiode bestimmen lässt, von P. Seitz in „Optical superresolution using solid-state cameras and digital signal processing“, Optical Engineering, Bd. 27, Nr. 5, S. 535-540, Juli 1988, beschrieben.
Auf diese Weise lassen sich die Positionen x1 und x2 der beiden Maxima von P(x) mit hoher Präzision bestimmen. Diese Information wird dann zusammen mit der Kenntnis der Position x0 der optischen Achse A in Bezug auf den Lichtsensor 30 dazu verwendet, um d1 = x0 - x1 und d2 = x2 - x0 zu berechnen. Da die Entfernung L (α, d1, d2) und der Spiegelneigungswinkel β (α, d1, d2) beide Funktionen der beiden Parameter d1 und d2 sowie des Winkels α sind, kann mit dieser Kenntnis der Wert von L und β berechnet werden.
Als ein praktisches Beispiel für die Leistungsfähigkeit des optischen Entfernungsmesssystems 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung seien ein Winkel α von 2 Grad und eine Lichtdetektoranordnung mit einer Pixelperiode von 5 µm betrachtet. Unter der Annahme, dass die Präzision, mit der die Positionen x1 und x2 der beiden Maxima von P(x) bestimmt werden können, 1 % der Pixelperiode beträgt, lässt sich die Entfernung D = x2 - x1 mit einer Präzision ΔD = √2 × 50 nm ≅ 70,7 nm bestimmen. Falls der Spiegelneigungswinkel entsprechend dem in 2 veranschaulichten symmetrischen Fall null beträgt, ist die Präzision ΔL, mit der sich die Entfernung L messen lässt, durch ΔL = ΔD/(4tan(α)) ≅ 0,51 µm gegeben.
Unter der Annahme, dass die Lichtdetektoranordnung aus 2048 Pixeln besteht, beträgt die Gesamtlänge der Sensorzeile und mithin auch der Maximalwert von D 10,24 mm. Folglich ist die in dieser Konfiguration messbare maximale Entfernung L durch L_max ≅ 70 mm gegeben. Dieses Beispiel veranschaulicht die Kompaktheit, mit der die optische Entfernungsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung realisierbar ist; in dem untersuchten Beispiel benötigt sie lediglich einen rohrförmigen Raum eines Durchmessers von mindestens 10,24 mm, der in einer nutzbaren Messstrecke von etwa 70 mm resultiert, sofern der Neigungswinkel des Planspiegels null ist.
Bezugszeichenliste

1: optisches Entfernungsmesssystem
10: kohärente Lichtquelle
20, 21: optisches Element
30: eindimensionaler Lichtsensor
31, 32: Position
40: Planspiegel
50: Optische Komponente
51, 52, 53, 54: plane Fläche
L1: Laserstrahl
L2, L3, L2', L3': Lichtfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2482094 [0002]
US 2015/0019160 A1 [0002, 0003]
US 5424834 [0002, 0003]
DE 4211875 [0002]
EP 2482094 A1 [0003]
DE 4211875 A1 [0003]

Claims

Optisches System zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist, umfassend: eine kohärente Lichtquelle, die einen Laserstrahl in Richtung des Planspiegels entlang einer optischen Achse projiziert; ein optisches Element, das auf der optischen Achse angeordnet ist, wobei das optische Element den einfallenden Laserstrahl in zwei Laserstrahlen teilt, deren Ausbreitungsrichtungen in einem bestimmten Winkel zueinander stehen, und den einfallenden Laserstrahl in eine Lichtfläche aufspreizt, deren Ausrichtung senkrecht zu einer Ebene ist, die durch die Ausbreitungsrichtungen der beiden Laserstrahlen erzeugt wird; und einen eindimensionalen Lichtsensor, der konfiguriert ist, um eine Intensitätsverteilung von einfallendem Licht zu erfassen, wobei sich die beiden Laserteilstrahlen von dem optischen Element zu dem Planspiegel ausbreiten und sich die beiden von dem Planspiegel reflektierten Laserstrahlen zu dem eindimensionalen Lichtsensor ausbreiten, und wobei der eindimensionale Lichtsensor die Intensitätsverteilung von einfallendem Licht der beiden reflektierten Laserstrahlen mit zwei lokalen Maxima erfasst, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung des Planspiegels und dessen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei das optische Element über dem eindimensionalen Lichtsensor platziert ist.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das optische Element eine zylindrische Linse aus einem transparenten Material ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das optische Element eine flache Eingangsfläche und eine Austrittsfläche, die aus zwei in einem Winkel zueinander stehenden flachen Ebenen besteht, aufweist.
Optisches System nach Anspruch 4, wobei die flache Eingangsfläche eine mit einer Antireflexionsbeschichtung versehene plane Eintrittsfläche und eine mit einer Spiegelbeschichtung versehene plane Reflexionsfläche aufweist, wobei eine erste flache plane Fläche der Austrittsfläche mit einer Reflexionsbeschichtung versehen ist und eine zweite flache plane Fläche der Austrittsfläche mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen ist, und wobei der Laserstrahl aus der kohärenten Lichtquelle an der planen Eintrittsfläche einfällt und sich zu der ersten flachen planen Fläche der Austrittsfläche ausbreitet, sich ein Teil des einfallenden Laserstrahls entlang einer ersten Richtung aus der ersten flachen planen Fläche ausbreitet und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls durch die erste flache plane Fläche in Richtung der planen Reflexionsfläche der flachen Eingangsfläche reflektiert wird und der andere Teil des einfallenden Laserstrahls an der planen Reflexionsfläche reflektiert wird und sich ausgehend von der zweiten flachen planen Fläche der Austrittsfläche entlang einer zweiten Richtung ausbreitet.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Lichtsensor aus einer eindimensionalen Anordnung von Pixeln besteht, die als eine Photodiodenanordnung oder eine CCD-Zeile hergestellt sind.
Optisches System nach Anspruch 6, wobei die Form der Pixel rechteckig ist.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische Element die beiden Laserstrahlen unabhängig ein- und ausschaltet.
Optisches System zum Messen einer Entfernung zu einem Objekt, das mit einem Planspiegel versehen ist, umfassend: zwei kohärente Lichtquellen, die jeweils einen Laserstrahl in Richtung des Planspiegels entlang einer optischen Achse projizieren; ein optisches Element, das auf den beiden optischen Achsen angeordnet ist, wobei das optische Element den einfallenden Laserstrahl in eine Lichtfläche aufspreizt, deren Ausrichtung senkrecht zu einer Ebene ist, die von Ausbreitungsrichtungen der beiden Laserstrahlen erzeugt wird; und einen eindimensionalen Lichtsensor, der konfiguriert ist, um eine Intensitätsverteilung von einfallendem Licht zu erfassen, wobei sich die beiden Laserstrahlen von dem optischen Element zu dem Planspiegel ausbreiten und sich die beiden von dem Planspiegel reflektierten Laserstrahlen zu dem eindimensionalen Lichtsensor ausbreiten, und wobei der eindimensionale Lichtsensor die Intensitätsverteilung von einfallendem Licht der beiden reflektierten Laserstrahlen mit zwei lokalen Maxima erfasst, deren Position eingesetzt werden kann, um die Entfernung des Planspiegels und seinen momentanen Neigungswinkel zu berechnen.