DE10218910A1

DE10218910A1 - Verfahren und Anordnung zur Ausbildung eines mittels eines Lasers, insbesondere einer Pulslaserdiode erzeugten Bestrahlungsfeldes bestimmt für eine Lichtlaufzeitmessung

Info

Publication number: DE10218910A1
Application number: DE2002118910
Authority: DE
Inventors: Michael Graf
Original assignee: Sensopart Industriesensorik GmbH
Current assignee: Sensopart Industriesensorik GmbH
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Ausbildung eines mittels eines Lasers (10), insbesondere einer Pulslaserdiode erzeugten Bestrahlungsfeldes, bestimmt für eine Lichtlaufzeitmessung. Um u. a. die Messgenauigkeit zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass zwischen dem Laser und dem Reflektor ein gerichtete Strahlung des Lasers aufhebendes Element (18) aus matt durchscheinendem Material angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Ausbildung eines mittels eines Lasers, insbesondere einer Pulslaserdiode erzeugten Bestrahlungsfeldes bestimmt für eine Lichtlaufzeitmessung.
Aus dem Stand der Technik sind Lichtlaufzeitmessanordnungen bekannt, die eine Anordnung zur Erzeugung eines Laserstrahls sowie einen Sensor zum Empfang des Laserstrahls umfassen. Bei der Lichtlaufzeitmessung über einen großen Erfassungswinkel wird die Abstrahlcharakteristik eines Lasers wie Hochleistungshalbleiterlasers ausgenutzt. Die Abstrahlcharakteristik ist im Wesentlichen kegelförmig und hat einen Öffnungswinkel von ca. ±6° in einer Richtung und von ca. ±18° in eine dazu vertikale Richtung. Aufgrund der hohen Emissionsleistung des Lasers kann dieser Bereich ohne weitere Optik als Erfassungsbereich für die Lichtlaufzeitmessung ausgenutzt werden. In einem zu messenden Abstand ist ein Reflektor in einer Größe von beispielsweise 10 cm × 20 cm angeordnet, der Licht eines geringen Raumwinkelbereiches auf einen Sensor reflektiert.
Dabei konnte festgestellt werden, dass bei Verkippung des Sensors unerwartet hohe Abweichungen des Messwertes auftreten, welche auf eine emissionsrichtungsabhängige Pulszeitform des Sendelasers zurückgeführt werden konnten. Mit anderen Worten ist die Pulszeitform der Laserstrahlung winkelabhängig.
Pulslaserdioden haben eine streifenförmige Emissionsfläche. Senkrecht zu dieser Emissionslinie entsteht durch Beugung eine breite Abstrahlkeule mit einem Halbwertswinkel von ca. 35°. Längs der Linie zeigt sich eine schmale Abstrahlkeule mit ca. 12° Halbwertswinkel.
Die Stromzuführung erfolgt über Bondpads die längs der Emsissionslinie angebracht sind. Für kurze Pulszeiten (< 20 ns) zeigt sich, dass Emissionszonen nahe der Bondpads andere Pulsformen und damit Anstiegszeiten und Intensitäten aufweisen als weiter entfernte Zonen. Die nicht oder nur gering gebeugte Strahlung senkrecht zur Emissionsfläche der Pulslaserdiode (12° Halbwertswinkel) führt die genannten Änderungen der Pulsformen bzw. Anstiegszeiten direkt ins Fernfeld über.
Das Messergebnis der Laufzeitmessung ist jedoch abhängig von den Anstiegszeiten des Empfängersignals und damit auch selbstverständlich von der Pulsform des Senders. Die genannten Eigenschaften der Puslaserdiode führen zu Messfehlern im Bereich von einigen Dezimetern.
Ein weiterer Nachteil ist die aufgrund der notwendigen Laserschutzklasse begrenzte Laserleistung sowie eine räumlich inhomogene Energieverteilung.
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass einerseits die Messgenauigkeit und andererseits die Sicherheit der Laseranordnung verbessert wird.
Das Problem wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art im Wesentlichen dadurch gelöst, dass zwischen dem Laser und dem Reflektor ein gerichtete Strahlung des Lasers aufhebendes Element aus matt durchscheinendem Material angeordnet ist, wobei die gerichtete Strahlung vorzugsweise zumindest im Winkelbereich in etwa α ≤ ±6° in Emissionsebene des Lasers aufgehoben wird. Das entsprechende als Matt- oder Streuscheibe zu bezeichnende Element übt die Funktion eines Sekundärstrahlers aus, wodurch die ursprünglichen ortsabhängigen Eigenschaften des Lasers, insbesondere der Pulsarlaserdiode aufgehoben werden. Die Matt- oder Streuscheibe ist aus der DE-Z: "Bauelemente der Optik, Naumann Schröder, Seite 294-299, ISBN 3-446-17036-7" bekannt, auf deren Offenbarung ausdrücklich Bezug genommen wird.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird erreicht, dass auf dem matt durchscheinenden, optisch diffus wirkenden Material durch die Laserstrahlung ein Leuchtpunkt erzeugt wird, wobei jede Stelle dieses Leuchtpunktes wiederum eine Strahlungsquelle ist und in einen weiten Winkelbereich im Bereich von in etwa γ ≥ ±5° abstrahlt, so dass der Abstrahlwinkelbereich um 0°, insbesondere um in etwa 0° bis 5° ausgehend von jedem Leuchtpunkt vermischt bzw. überlagert wird, so dass sich winkelunabhängig eine gleiche oder im Wesentlichen gleiche Pulszeitform des Laserlichts ergibt, also eine Homogenisierung der Pulszeitform erfolgt.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass keine Laufzeitunterschiede über den Erfassungswinkel auftreten. Auch erfolgt eine gleichmäßige, d. h. homogene Abstrahlung bezüglich der Raumverteilung.
Vorteilhaft ist des Weiteren, dass die nach außen wirksame Lichtquelle als diffuser Lichtfleck erscheint, so dass für die Berechnung der Laserschutzklasse deutlich günstigere Bedingungen vorliegen. Der diffuse Lichtfleck erscheint als ausgedehnte Strahlungsquelle, die zulässigen Strahlungsleistungen erhöhen sich um Faktoren, je nach Lage des Diffusors zur Laserdiode und dessen Streuwirkung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung vor, dass das Material eine Scheibengeometrie aufweist und in einem Abstand L mit etwa von 1 mm ≤ L ≤ 10 mm, vorzugsweise 4 mm ≤ L ≤ 6 mm vor dem Lichtaustritt des Lasers angeordnet ist, also insbesondere bei einer Pulslaserdiode als Laserquelle vor deren Austrittsspalt.
Das Element, d. h. die Matt- oder Streuscheibe - auch Diffuser genannt - ist vorzugsweise eine Oberflächenstreuscheibe aus farblosem Kunststoff (Klassen O-M (AM; SM oder GM nach DIN 58161 T4)). Es können aber auch Trübglasscheiben oder Volumenstreuscheiben der Klassen V verwendet werden. Opal- oder Milchglasscheiben kommen ebenfalls in Frage. Die Dicke des Materials sollte zwischen 0,1 mm < D < 2 mm liegen, wobei insbesondere eine Kunststofffolie, vorzugsweise in Form eines gegossenen Plattenmaterials verwendet wird.
Des Weiteren sollte das Material in einer Ebene verlaufen, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Laserstrahles verläuft.
Ein Verfahren zur Erzeugung eines Laserstrahls, insbesondere geeignet zur Laufzeitmessungen, zeichnet sich dadurch aus, dass der Laserstrahl auf ein matt durchscheinendes Material derart gerichtet wird, dass ein Lichtpunkt erzeugt wird und dass von Bereichen des Lichtpunktes Laserstrahlen ausgehen, die durch Überlagerung und/oder Vermischung eine Laserstrahlung mit einer richtungsunabhängig vergleichmäßigten Intensität erzeugen. Hierdurch bedingt wird im Bereich des Laseraustritts aus dem Material ein homogener Lichtkegel durch Überlagerung und/oder Mischung von aus dem Leuchtpunkt emittierten Laserstrahlen erzeugt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnungen zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Laseranordnung gemäß Stand der Technik und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Laseranordnung zur Homogenisierung des aus dem Laser austretenden Laserstrahls.
Fig. 1 zeigt einen Laser 10 mit einem austretenden Laserstrahl 12, dessen Abstrahlcharakteristik im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet ist mit einem Öffnungswinkel α mit α ca. ±6° parallel zum Emissionsspalt 10.1 des Lasers 10 in einer Richtung und ca ≍ ±15° bis ±20°, insbesondere ±18° in einer dazu vertikalen Richtung. Dieser Bereich kann aufgrund der hohen Emissionsleistung des Lasers 10 ohne weitere Optik für einen Erfassungsbereich genutzt werden. In einem zu messenden Abstand befindet sich ein Reflektor (nicht dargestellt), der Licht eines definierten kleinen Raumwinkelbereiches reflektiert.
Im Laserchip 10 wird die emittierte Strahlung in einem Streifen 10.1 mit einer Breite von z. B. 60 µm (alternativ 200 µm) und einer Höhe von z. B. 60 µm geführt.
In Fig. 1b ist die Intensität I einer im Winkelbereich β = ±6° zur optischen bzw. Sendeachse mit einer Ebene, in der der Spalt 10.1 verläuft, aus dem Laser austretenden Strahlung über die Zeit t als Pulszeitform 14 dargestellt. Außerhalb des Winkels β sind von der Pulsform 14 abweichende Pulsformen und Anstiegszeiten 16, 16' und 16" gezeigt. Mit anderen Worten ist die Pulszeitform 14, 16, 16', 16" der Laserstrahlung 12 winkelabhängig. Dies führt zu erheblichen Messfehlern im Bereich von einigen Dezimetern bei der Laufzeitmessung, da der elektronisch erzeugte Startimpuls für beide Strahlungen gleich ist.
Fig. 2 zeigt den Laser 10 in einer erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Laserstrahl 12 ein im Ausführungsbeispiel plattenförmiges Element 18 durchsetzt, dass aus matt durchscheinendem Material besteht.
Das Element, also die Matt- oder Streuscheibe - auch Diffuser genannt - ist vorzugsweise eine Oberflächenstreuscheibe aus farblosem Kunststoff (Klassen O-M (AM; SM oder GM nach DIN 58161 T4)). Es können aber auch Volumenstreuscheiben der Klassen V verwendet werden. Die Dicke D des Materials sollte zwischen 0,1 mm < D < 2 mm liegen, wobei insbesondere eine Kunststofffolie, vorzugsweise in Form eines gegossenen Plattenmaterials verwendet wird.
Durch das Element 18 erfolgt quasi eine "Homogenisierung" des Laserstrahls 12 insbesondere in der Ebene mit geringerem Abstrahlwinkel. Das aus matt durchscheinendem Material bestehende Element 18 ist in einem Abstand L im Bereich von 1 mm ≤ L ≤ 10 mm, vorzugsweise in etwa L = 5 mm vor dem Laser 10, d. h. zwischen dessen Austrittsspalt 10.1 und einem Reflektor angeordnet. Dabei erzeugt die Laserstrahlung 12 auf der Scheibe 18 einen Leuchtpunkt 20, wobei jeder Ort 22, 22' des Leuchtpunktes 20 seinerseits Quelle einer Strahlung in einem weiten Winkelbereich γ ≥ ±5° abstrahlt, so dass die in Fig. 1 dargestellten Winkelbereiche ±1° und β in etwa 5° miteinander überlagert bzw. gemischt werden.
Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Abstrahlung bezüglich der Pulszeitform homogen wird, wodurch keine Laufzeitunterschiede über den Erfassungswinkeln auftreten. Auch ist die Abstrahlung bezüglich der Raumverteilung homogen.
Ein weiterer Vorteil wird dadurch erreicht, dass die nach außen wirksame Lichtquelle als diffuser Lichtleuchtpunkt erscheint, so dass eine Laserschutzklasse nicht berücksichtigt werden muss.

Claims

1. Anordnung zur Ausbildung eines mittels eines Lasers, insbesondere einer Pulslaserdiode erzeugten Bestrahlungsfeldes bestimmt für eine Lichtlaufzeitmessung, umfassend einen Laser und im Abstand zu diesem angeordneten Reflektor, dadurch gekennzeichnet dass zwischen dem Laser und dem Reflektor ein gerichtete Strahlung des Lasers aufhebendes Element (18) aus matt durchscheinendem Material angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die gerichtete Strahlung des Lasers aufhebende Element (18) zumindest im Winkelbereich α ≤ ±15°, insbesondere α ≤ ±6° in Emissionsebene der Laserstrahlung (12) wirkt.

3. Anordnung nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (18) ein Scheibenelement ist.

4. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (18) aus matt durchscheinendem Material ist.

5. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (18) eine Oberflächenstreuscheibe aus farblosem Kunststoff ist.

6. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (18) eine Volumenstreuscheibe insbesondere der Klasse V ist.

7. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (18) in einem Abstand L von in etwa 1 mm ≤ L ≤ 10 mm, vorzugsweise 4 mm ≤ L ≤ 6 mm zu dem Laser (10) angeordnet ist.

8. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (18) eine Dicke D von in etwa 0,1 mm ≤ D ≤ 2 mm, vorzugsweise 0,3 mm ≤ D ≤ 1 mm aufweist.

9. Anordnung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, dass das Element (18) senkrecht zur Emissionsebene der Laserstrahlung verläuft.

10. Verfahren zur Ausbildung eines mittels eines Lasers erzeugten Bestrahlungsfeldes bestimmt für eine Lichtlaufzeitmessanordnung, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (12) auf ein matt durchscheinendes Material derart gerichtet wird, dass ein Lichtpunkt erzeugt wird, und dass von Bereichen des Lichtpunktes Laserstrahlen ausgehen, die durch Überlagerung und/oder Vermischung eine Laserstrahlung mit einer richtungsunabhängig vergleichmäßigten Intensität erzeugen.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine richtungsunabhängige vergleichmäßigte Intensität in einem Winkelbereich α mit α ≤ ±15°, insbesondere α ≤ ±6° erzeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl nach Verlassen des Materials richtungsunabhängig im Wesentlichen eine gleiche Pulszeitform aufweist.