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    • 专利摘要:

    公开号:WO1979000189A1
    申请号:PCT/CH1978/000026
    申请日:1978-10-04
    公开日:1979-04-19
    发明作者:T Celio
    申请人:T Celio；
    IPC主号:G01C3-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsmessung
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung unter Verwendung eines, das Ziel anstrahlenden Lichtbündels.
    [0003] Die Messung von Entfernungen mittels eines Lichtstrahles hat seit der Erfindung des LASER's grossen Aufschwung genommen. Hohe Strahldichte, kleine Winkeldivergenz und Monochromasie sind die Eigenschaften des LASER' s, welche diese Lichtquelle auszeichnen, obwohl, je nach Anwendungszweck, auch von klassischen Lichtquellen abgeleitete Strahlenbündel eingesetzt werden können. Die heute übliche Art der Entfernungsmessung mittels Lichtstrahl besteht in der Anstrahlung des Zieles und in der Sammlung des von ihm reflektierten Lichtes von demselben Standort aus, sowie in der darauf folgenden Bestimmung der Laufzeitdifferenz zwischen hin- und rückkehrender Strahlung.
    [0004] Nachteilig dabei ist, dass die hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes prinzipiell zu sehr kurzen Laufzeitunterschieden führt , (lern entspricht 30 psec) , deren Messung technologische Grenzen gesetzt sind. Hohe relative Messgenauigkeit lässt sich also nur bei der Messung grösserer Entfernungen praktisch erreichen.
    [0005] Andere Anordnungen, welche den Lichtstrahl hochfrequent modulieren und die Phasenverschiebung zwischen hin- und rückkehrender Strahlung bestimmen, leiden prinzipiell unter der gleichen Beschränkung, da die Messung der Phasendifferenz mit entsprechend hoher Genauigkeit erfolgen muss.
    [0006] Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Entfernungsmessung zu schaffen, welches auch bei kleineren Distanzen noch hohe Messgenauigkeit aufweist und einen bescheidenen technischen Aufwand verlangt.
    [0007] Die Erfindung geht von der bekannten Art zur Entfernungsmessung mittels eines, das Ziel anstrahlenden Lichtbündels aus und ist dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Bild der Strahlaufprallstelle unter einem, bezogen auf die Einfallsrichtung, zwischen 0 und 90 liegenden Winkel erstellt wird, dass durch photoelektronische Abtastung die örtliche Lage des Aufprallstellenbildes bestimmt wird und dass aus dieser Lage die Entfernung des Zieles berechnet wird.
    [0008] Im folgenden wird an Hand der beiliegenden Zeichnungen die Erfindung näher erörtert. Es zeigen:
    [0009] Fig . 1 die grundlegende Anordnung
    [0010] Fig . 2 die geometrischen Verhältnisse
    [0011] Fig . 3 die prinzipielle Art der photoelektronischen LagebeStimmung
    [0012] Fig . 4 und 5 zwei bevorzugte Ausführungsformen
    [0013] Fig . 6 ein Ausführungsbeispiel.
    [0014] In Fig. 1 ist die grundlegende Anordnung angegeben. Von Lichtquelle 1 wird Strahl S1 ausgesendet, welcher ein in Abstand D1 entferntes Ziel 2 in Punkt T1 trifft. Das von T., reflektierte Licht wird unter einem Winkel β von Objektiv 3 teilweise gesammelt und damit Bild T2 der Aufprallstelle T1 erstellt. Liegt Ziel 2 in näherer (T ') oder weiterer (T1") Entfernung, dann werden dementsprechend verschobene Bilder entstehen, welche eine Gerade, das Bild 4 aller möglichen Aufprallstellen, bilden. Mittels einer zur Lichtquelle in einem bekannten Abstand A2 liegenden Vorrichtung 5 wird Bild 4 photoelektronisch abgetastet. Daraus wird in Rechner 7 in an sich bekannter Weise die jeweilige Lage von T2 innerhalb von Bild 4 (also Abstand d2) ermittelt und anschliessend in Rechner 8, in einer noch zu erleuchtenden Weise, D1 errechnet.
    [0015] Die Berechnungsgrundlagen zum erfindungsgemässen Verfahren sind in Fig. 2 angegeben. Aus geometrisch-optischen Gründen verlangt bekanntlich die scharfe Abbildung T1 zu T2, dass Objektachse OT1, Objektivnormale OL und Bildachse OT2 sich in Punkt 0 schneiden. Punkte T1, T2, L, 0liegen dann in einer Ebene, welche die Systemebene darstellt. Wenn Objektiv 3 in Abstand a von Punkt 0 sowie Winkel α gegenüber Objektachse OT1 sich befindet und ferner f und B1LB2 Objektivbrennweite resp. Objektivachse sind, dann aus der Aehnlichkeit der Dreiecke T1A1L und LZ2T2 folgt:
    [0016] d.h. d1d2 = b1b2 2)
    [0017] Aber D1 = d1 + b1 und D2 = d2 + b2 woraus:
    [0018]
    oder
    [0019]
    [0020] Die Parameter b1 und b1 entsprechen den Segmenten LZ2 und A1L .
    [0021] Aus Dreieck A1HO folgt:
    [0022] b1 = f/sin α 7)
    [0023]
    [0024] Systemparameter b1b2 lassen sich also.bei Wahl von a,α,f für das System festlegen. Wird Abstand d2 (von Rechner 7) ermittelt, dann lässt sich Abstand D1 (von Rechner 8) mittels Formel 3 berechnen.
    [0025] Es sei bemerkt, dass Punkt A1 die untere Messbereichgrenze im Objektraum (das Bild von A1 liegt im Unendlichen) und Punkt Z2 die an Lichtquelle 0 näheste Lage des Zielbildes (Ziel ist unendlich entfernt) darstellen. Die Wahl von α und a bestimmt die physischen Dimensionen der Messanordnung. Sie sind in weiten Grenzen frei wählbar. Lediglich muss man verhindern, dass dabei Winkel ß die Werte 0. und 90 annimmt. Im ersten Falle reduziert sich nämlich das Bild 4 (Fig. 1) auf einen Punkt, im zweiten Falle gelangt praktisch kein Licht auf Objektiv 3.
    [0026] Die photoelektronische Bestimmung der Lage des Aufprallstellenbildes sei an Hand, von Fig. 1 und 3 erläutert, wobei als Photodetektor eine Kameraröhre (z.B. Vidicon) angenommen wird. Bild 4 besteht, wie bemerkt, aus einer punktweise beleuchteten Geraden. Diese wird auf die Photokathode von Kamera 5 abgebildet. Ablenkgenerator 6 und Ablenkspuhle 10 bewirken eine linienförmige Abtastung von Bild 4, wobei der zeitlich lineare Anstieg von Ablenkstrom J2 (bekanntlich mit der jeweiligen örtlichen Lage des Abtastfleckes direkt verknüpft) über Widerstand 9 als Sägezahnspannung U7 (proportional zu d2) abgenommen wird (Fig. 3). Trifft der Abtaststrahl auf den beleuchteten Punkt T2, dann wird über Kameralastwiderstand 11 ein Impuls U1 erzeugt. Rechner 7 (im wesentlichen eine Koinzidenzstufe) stellt an Hand von Sägezahn U2 die Zeit t2 fest, welche bezogen auf t2m und d2 , die Ermittlung von d2 gestattet.
    [0027]
    t2 und d2 sind Systemparameter und entsprechen der unteren Entfernungsgrenze des Messbereiches.
    [0028] Die Berechnung von D1 aus D2 erfolgt in Rechner 8 entsprechend Formel 5, wobei
    [0029] D2 = A2 + d2 10) gilt. A2 ist Systemparameter und d2 wird, wie bemerkt, von Rechner 7 errechnet.
    [0030] Durch die Erfindung wird also eine einfache Entfernungsmessung erreicht, welche elektronisch den Einsatz langsamer Schaltungstechnik sowie elementarer Rechentechnik erlaubt und in der Messgenauigkeit nur durch die räumliche Auflösung der photoelektronischen Abtastvorrichtung begrenzt ist.
    [0031] Gemäss einer Ausgestaltung der Erfindung werden zur Messung mindestens zwei Systeme simultan eingesetzt, deren anstrahlende Lichtbündel in der gleichen Ebene 21 liegen. Diese in Fig. 4 dargestellte Anordnung ist speziell zur Messung von Lochprofilen geeignet. Beim Einsatz von zwei diametral liegenden Systemen D11-D13 lässt sich der Lochdurchmesser bestimmen, beim Einsatz mehrerer in Ebene 21 liegenden Systeme lassen sich Entfernungen D11,D12,D13,D14 u.s.w. messen, woraus, durch Interpolation, das Lochprofil errechnet werden kann. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wir ein erfindungsgemässes System um eine Achse 15 rotiert, welche senkrecht zum anstrahlenden Lichtbündel steht. Diese in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist besonders zur Messung von Lochprofilen geeignet, welche sequentiell und mit beliebig hoher Auflösung abgetastet werden können.
    [0032] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werdendie in den zwei vorhergehenden Ausgestaltungen beschriebenen Systeme translatorisch bewegt. Diese in Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnungen eignen sich speziell für die durchlaufende Messung von Bohrlöchern, wenn die Translation 15 parallel zur Lochachse geschieht. Das Bohrloch wird dann bei der rotierenden Anordnung von Fig. 5 sequentiell in Form einer Spirale 18 und im Falle der simultanen Anordnung von Fig. 4 entlang den Mantellinien 17 abgestastet.
    [0033] Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die in der vorletzten und zweitletzten Ausgestaltung beschriebenen Systeme 180 um eine Achse 16 rotiert, welche in der Messebene 21 liegt und durch das Messzentrum 0 geht. Diese in Fig. 6 dargestellte Anordnung eignet sich speziell zur Messung von Hohlräumen, welche sequentiell durch eine Anzahl von Meridianen 20 bzw. von Breitenkreisen 22 abgetastet werden.
    [0034] Gemäss einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung wird als ausstrahlendes Lichtbündel ein LASER-Strahl verwendet. Diese Anordnung bietet den Vorteil der hohen Leuchtdichte und ist gerätetechnisch einfach.
    [0035] Gemäss einer weiteren speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung wird zur photoelektronischen Abtastung des Aufprallstellenbildes ein lineares Photodiodenarray verwendet. Diese Anordnung weist die Vorteile hoher geometrischer Genauigkeit und Stabilität sowie kleinster Dimensionen auf.
    [0036] Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung ist in Fig. 7 angegeben. Dabei handelt es sich um die Messung von Entfernungen zwischen 3500 und 6000 mm, welche typisch als Profilradien im Tunnelbau vorkommen. Eine simultane oder sequentielle Abtastung des Profils nach Unteransprüchen 1 resp. 2 kommt zur Anwendung. Die von LASER 1 emittierte Strahlung wird an Ziel 2 teilweise reflektiert, durch Objektiv 3 teilweise gesammelt und auf Photodetektor 5 abgebildet, .welcher als lineares Photodiodenarray ausgebildet ist. Von einem Taktgenerator 12 wird ein CLOCK-Signal abgeleitet, welches mittels des in Photodiodenarray 5 eingebauten Schieberegisters den Ladezustand des jeder Photodiode zugeordneten Kondensators nacheinander abfragt. Das Resultat dieser Abtastung wird synchron zum CLOCK-Signal am ΛflDEO-Ausgang abgenommen. Ist z.B. Diode No. 10 beleuchtet, dann wird beim 10-ten CLOCK-Impuls ein Signalimpuls am VIDEO-Ausgang erscheinen. Dieser Impuls wird in Komparator 13 detektiert und zum STOP von Zähler 14 verwendet, wo die Anzahl der bis dann abgegebenen CLOCK-Impulse aufgezählt worden ist. Der Stand d2' von Zähler 14 ist also ein Mass für die örtliche Lage d2 des Aufprallstellenbildes innerhalb des Arrays. Es gilt also d2 = k1 d2' 11) wo k1 der Abstand (z.B. mm) zwischen den einzelnen Photodioden darstellt. Wert d2' wird von Rechner 8 übernommen, wo zunächst d2 (nach Formel 11) berechnet wird. Anschliessend wird die absolute Lage D2 durch die Operation
    [0037] D2 = D2 min + d2 12) ermittelt,' wo D2 mm. (für die jeweils geltenden Werte der optischen Anordnung) aus D1 mittels Formel 6 berechnet wird. Schliesslich wird die Zielentfernung D1 mittels Formel 5 berechnet. In der Zwischenzeit ist der Abfragevorgang an Array 5 weitergegangen. Nachdem die letzte Photodiode im Array abgefragt wurde, wird ein RESET-Impuls abgegeben, welcher Zähler 14 auf Null stellt. Automatisch, oder auf Befehl, wird dann ein neuer Messzyklus eingeleitet.
    [0038] Die numerischen Werte des aufgeführten Beispieles lauten: f = 180 mm;' α = 80°; aa = 1000 mm; D1 max= 6000 mm
    [0039] D1 min = 3500 mm; woraus sich ableiten lässt b1 = 182,8 mm (Formel 7); b2 = 984,9 mm (Formel 8);
    [0040] D 2 mm. = 1015,8 mm (Formel 6); D2 max = 1039,1 mm (Formel 6).
    [0041] Das Bild 4 der Messstrecke weist eine Länge von D2 max
    [0042] D 2 mm. - 23,3 mm auf und wird mit einem Photodiodenarray, bestehend aus 1728 Dioden im Abstand von 13 μm abgetastet. Danach gilt also k1 = 0,013. Die mit der Vorrichtung erzielte Messgenauigkeit beträgt im Mittel (6000 - 3500)/1728 = 1,5 mm.
    [0043] Zur photoelektrischen Detektion können eingesetzt werden: Objektiv: Rodagon 180 mm/1: 5,6 (Rodenstock Werke, München, Deutschland). Photodetektor: Fairchild CCD 121H (Fairchild Inc. Mountain View, Calif. USA). LASER: Siemens LGR 7622 (Siemens AG, München, Deutschland).
    [0044] In der vorliegenden Beschreibung wurde durchwegs von Lichtquelle, Lichtbündel u.s.w. gesprochen. Es ist selbstverständlich, dass jede andere Strahlungsart (z.B. Infrarot, Ultraviolett) sinngemäss eingesetzt werden kann. Ihre Wahl wird hauptsächlich durch die Anpassung an die spektralen Remissionseigenschaften des Zieles bestürmt werden
    权利要求:
    Claims Patentanspruch IVerfahren zur Entfernungsmessung mittels eines, das Ziel anstrahlenden Lichtbündels, dadurch gekennzeichnet, dass- ein optisches Bild der Strahlaufprallstelle auf das Ziel unter einem, bezogen auf die Anstrahlrichtung, zwischen 0 und 90 liegenden Winkel erstellt wird, dass- durch photoelektronische Abtastung die örtliche Lage des Aufprallstellenbildes bestimmt wird und dass- aus dieser Lage die Entfernung des Zieles berechnet wird.Unteransprüche
    1. Verfahren zur Messung von Lochprofilen nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei erfindungsgemässe Systeme simultan eingesetzt werden, wobei die die Ziele anstrahlenden Lichtbündel sich in der gleichen Ebene befinden.
    2. Verfahren zur Messung von .Lochprofilen nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass ein erfindungsgemässes System um eine Achse rotiert wird, welche senkrecht zum anstrahlenden Lichtbündel steht.
    3. Verfahren zur Messung von Bohrlochprofilen nach Unteranspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum des erfindungsgemässen Systems parallel zur Lochachse fortbewegt wird.
    4. Verfahren zur Messung von Hohlräumen nach Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Messsysteme, resp. durch die Messsystemrotation definierte Ebene stufenweise bis zu 180 rotiert wird und zwar um eine in dieser Ebene liegende und durch das Systemzentrum gehende Achse. Patentanspruch II
    Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch
    - eine Lichtquelle (1), aus welcher ein Lichtbündel S1 abgeleitet wird, welches das Ziel (2) anstrahlt,
    - ein Objektiv (3), welches ein Bild (4) aller möglichen Strahlabtaststellen innerhalb des vorgesehenen Entfernungsmessbereiches erstellt,
    - einen linearen Photodetektor (5), welcher das Bild (4) der Aufprallstellen abtastet,
    -.einen ersten Rechner (7), welcher aus den Abtastwerten die relative Lage des jeweiligen Aufprallstellenbildes ermittelt,
    - einen zweiten Rechner (8), welcher aus der relativen Lage des Aufprallstellenbildes die jeweilige Entfernung des Zieles (2) errechnet.
    Unteransprüche
    5. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziel anstrahlende Lichtbündel ein LASER-Strahl ist.
    6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die photoelektronische Abtastung des Aufprallstellenbildes mittels eines linearen Photodiodenarray erfolgt.
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    公开号 | 公开日
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1979-04-19| AK| Designated states|Designated state(s): JP US |
    1979-04-19| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): DE FR GB |
    1979-05-31| WA| Withdrawal of international application|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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