DE69803044T2 - Optisches gerät zur kontaktlosen messung des abstandes zu einer lichtquelle - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur berührungsfreien Bestimmung der Entfernung einer Lichtquelle. Sie ist beispielsweise im industriellen Bereich für die zerstörungsfreie Maßkontrolle verwendbar (Höhen- oder Dickenmessung, Kontrolle des Profils von Werkstücken, Kartographie, Standortsbestimmung von Robotern).
• Unter den optischen Vorrichtungen zur berührungsfreien Entfernungsmessung stellen die Triangulierungssysteme, die im Bereich der Industrie weit verbreitet sind, preisgünstige und einfach zu verwendende Vorrichtungen dar. Das Prinzip der Messung der Entfernung eines Objekts von der Vorrichtung besteht in der Berechnung des Winkels, unter dem dieses Objekt gesehen wird. Ein Lichtpunkt oder eine Lichtlinie, der bzw. die außerachsig (d. h. in einer von der optischen Achse des Systems abweichenden Achse) auf das Objekt projiziert wird, wird auf einer Ebene in Nähe der Ebene eines einen Lichtfleck bildenden Detektors abgebildet. Bei dieser Art von Vorrichtung wird das Objekt als punktförmig betrachtet. Die Lage des Flecks auf dem Detektor, die beispielsweise als der Schwerpunkt der Verteilung der Helligkeit definiert ist, ist proportional zur Tangente des Winkels, unter dem der projizierte Punkt oder die projizierte Linie gesehen wird. Diese Vorrichtung nimmt keine Bilderkennung vor und benötigt keine gute Auflösung. Sie arbeitet jedoch mit einer Optik mit einer kleinen numerischen Apertur und besitzt eine gute Messschärfentiefe. Einer der größten Nachteile dieser Methode ist die außerachsige Projektion der Lichtquelle durch ein Beleuchtungssystem, die bewirkt, dass nicht messbare Schattenbereiche erzeugt werden, und zwar insbesondere dann, wenn das gemessene Objekt hohe Raumfrequenzen (d. h. starke Neigungen) enthält. Außerdem nehmen die Abmessungen eines solchen Systems infolge des zwischen dem Sendeweg und dem Empfangsweg erforderlichen Winkels mit der Arbeitsentfernung beträchtlich zu.
• Mehr perfektioniert sind die auf dem Prinzip der Stereoskopie beruhenden Vorrichtungen, die beispielsweise für Verwendungszwecke in der Kraftfahrzeugindustrie entwickelt wurden. Bei ihnen werden zwei optische Systeme verwendet, denen zwei in einem Abstand L voneinander angeordnete optische Detektionseinrichtungen zugeordnet sind, wobei jedes optische System von einem Objekt ein Bild erzeugt, wobei die Entfernung des Objekts durch die Messung des Abstands 1 zwischen den beiden von den beiden Detektionseinrichtungen gelieferten Bildern bestimmt wird. Bei dieser Art von Vorrichtung ist die Genauigkeit der Entfernungsmessung direkt proportional zu der Entfernung L, weshalb es erforderlich ist, zwei verschiedene und ausreichend weit voneinander entfernte Detektionseinrichtungen vorzusehen. Deshalb besitzt diese Vorrichtung große Abmessungen und für ihre Anwendung sind strenge Bedingungen einzuhalten, da sie eine sehr gute Stabilität in der relativen Lage der Detektoren erfordert. Um zu einer höheren Genauigkeit zu kommen, besitzen manche dieser Vorrichtungen verbesserte Bilderkennungs- und -verarbeitungsalgorithmen, die eine bessere Messung des Abstands 1 gestatten (siehe z. B. das Patent EP 0 558026). Diese Vorrichtungen erfordern große numerische Aperturen (kleines Verhältnis Brennweite/Durchmesser), um eine gute optische Auflösung zu erhalten, und besitzen deshalb eine geringe Messschärfentiefe, so dass sie mit Objektiven zur Bereichsanpassung arbeiten müssen.
• Andere Entfernungsmessvorrichtungen beruhen auf einer Messung der Defokussierung des Bildpunkts eines Objektpunkts durch eine Hauptlinse, wenn der Objektpunkt nach beiden Seiten aus einer Nennlage verlagert wird (vgl. beispielsweise die Schrift IEEE "Transactions on pattern analysis and machine intelligence", Band 14, Nr. 2, Februar 1992, Seiten 99-106, Adelson u.Mitarb.).
• Die Erfindung schlägt eine kompakte optische Entfernungsmessvorrichtung mit hervorragender Genauigkeit vor, die eine gute Messschärfentiefe besitzt und auf der Achse der Vorrichtung arbeiten kann. Sie besitzt eine Gruppe von Abbildungsmitteln, die aus einer Lichtquelle eine Anzahl von Lichtflecken auf einer Detektionseinrichtung bilden, wobei die Entfernung der Quelle aus den relativen Lagen der Flecken bestimmt wird. Diese Abbildungsmittel sind in einer der Pupillenebene nahen Ebene positioniert, wobei jedes Mittel eine Unterpupille bildet. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt die Genauigkeit in der Entfernung von der Anzahl von Lichtflecken ab. Je größer die Anzahl ist, umso genauer ist die Messung. Mit ausreichend kleinen Abbildungsmitteln, beispielsweise Mikrolinsen, erfordert die Vorrichtung nur eine einzige Detektionseinrichtung, beispielsweise eine Leiste oder eine Matrix von Detektoren.
• Die Erfindung betrifft, genauer gesagt, eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen der Entfernung einer Lichtquelle mit einer aus Einzeldetektoren und einer Menge von N Abbildungsmitteln (6) bestehenden Detektionseinrichtung, wobei N ≥3, dadurch gekennzeichnet, dass
• - die Abbildungsmittel die Abbildung der Lichtquelle in einer Ebene in Nähe der Ebene der Detektionseinrichtung ermöglichen und auf dieser Einrichtung eine Anzahl von mindestens drei Lichtflecken bilden, wobei sich jeder Lichtfleck über wenigstens zwei Einzeldektektoren erstreckt;
• - die Vorrichtung ferner eine Rechenschaltung aufweist, mit der aus den Relativstellungen von mindestens drei Lichtflecken wenigstens ein Parameter, der für die Entfernung der Lichtquelle von der Vorrichtung charakteristisch ist, mit einer von der Anzahl N der Lichtflecken abhängigen Genauigkeit errechnet werden kann.
• Die Rechenschaltung kann vorteilhafterweise eine Kalibrierungstabelle aufweisen, welche mindestens einen Eichparameter enthält, dessen Werte für gewisse Entfernungen der Lichtquelle bestimmt sind, und den charakteristischen Parameter mit den Werten dieses Eichparameters vergleicht. Gemäß einer Betriebsart kann die Vorrichtung außerdem eine Schaltung zur räumlichen Ortsbestimmung der Lichtflecken auf der Detektionseinrichtung aufweisen, die für jeden Lichtfleck dessen Lage in Bezug auf einen Bezugsursprung bestimmt.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie kompakt ist, einfach zu verwenden ist und schnell arbeitet, da sie einfache Rechenalgorithmen benutzt. Sie arbeitet mit Abbildungsmitteln mit kleiner numerischer Apertur, da sie keine optische Auflösung erfordert und deshalb eine große Schärfentiefe besitzt, ohne dass es erforderlich ist, ein Objektiv zur Anpassung des Schärfenbereichs zu verwenden, selbst wenn dies möglich ist. Außerdem kann eine solche Vorrichtung in der Achse arbeiten, da ihre große Anzahl von Abbildungsmitteln die nicht messbaren Schattenbereiche begrenzt.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser zeigen:
• Fig. 1 ein erstes Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• Fig. 2 eine Abwandlung der Vorrichtung, bei der ein außerachsiges Beleuchtungssystem und ein Formungsobjektiv verwendet werden,
• Fig. 3 eine Darstellung des Profils der Lichtflecken bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• Fig. 4A, 4B, 4C eine Darstellung des Prinzips der Entfernungsberechnung gemäß einer Arbeitsweise der Erfindung,
• Fig. 5 eine Darstellung einer Art der Berechnung bei dieser Arbeitsweise in Form eines Diagramms,
• Fig. 6A und 6B eine Darstellung einer Abwandlung der Vorrichtung bei einer besonderen Konfiguration, bei der die sekundäre Lichtquelle eine Linie ist.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen Beispiele von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, die die Messung der Entfernung einer Lichtquelle 4 gestatten. Zunächst wird die Quelle als punktförmig oder quasipunktförmig betrachtet. Im allgemeinen kann es sich um eine natürliche Lichtquelle handeln (zum Beispiel ein fluoreszierendes Molekül) oder um eine Lichtquelle, die aus einer durch ein Beleuchtungssystem beleuchteten Einzelfläche eines Objekts besteht, wobei in diesem Fall die Lichtquelle sekundäre Lichtquelle genannt wird. So besitzen die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen eine Beleuchtungsvorrichtung (1, 2), die beispielsweise einen Lichtpunkt auf ein Objekt projizieren kann, dessen Entfernung vom System gemessen werden soll. Dieser Lichtpunkt dient als sekundäre Lichtquelle 4. Der für die Beleuchtung verwendete Lichtsender 1 kann eine Laserdiode sein, die mit einem Objektiv 2 gekoppelt, das die Fokussierung auf die nominale Arbeitsentfernung gestattet. Diese Fokussierung kann auch auf einer Linie stattfinden, wie in den Fig. 6 A und 6B dargestellt ist und im Nachstehenden beschrieben wird. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mit der optischen Achse des Empfangswegs 9 des Systems in einer Linie liegen (Fig. 1). In diesem Fall tritt aufgrund der Kolinearität die Gefahr von nicht messbaren Schattenbereichen nicht auf. Das Beleuchtungssystem kann mit der Achse mit Hilfe einer Teilerplatte 3 in eine Linie gebracht werden. Die Beleuchtungsvorrichtung kann außerachsig sein (Fig. 2), was das System vereinfacht. Diese Konfiguration kann insbesondere für Anwendungen bei "großen Entfernungen" verwendet werden, bei denen die Schattenbereiche vernachlässigbar sind. Im Gegensatz zu den Triangulationssystemen des Stands der Technik gibt es keine Winkelbeschränkung bei der Positionierung des Beleuchtungssystems in einer nichtlinearen Konfiguration.
• Wenn das Objekt das Licht streut, wirft die Lichtquelle das Licht in allen Richtungen zurück, wovon ein Teil in das Empfangssystem zurückgelangt. Wenn das Objekt reflektierend ist, wirft die Lichtquelle das Licht in einem Kegel zurück, dessen Öffnung durch die Beleuchtungsvorrichtung definiert ist und dessen Achsenrichtung von der Ausrichtung des Objekts abhängt. Es ist deshalb erforderlich, die entsprechende Anpassung vorzunehmen: entweder eine körperliche Ausrichtung des Objekts oder eine große numerische Apertur der Beleuchtungsvorrichtung, wie man sie in der Mikroskopie antrifft.
• Die Vorrichtung weist eine Detektionseinrichtung 7 auf, auch Detektor genannt, die von Einzeldetektoren gebildet wird. Sie besitzt ferner eine Anordnung von N Abbildungsmitteln 6, wobei N ≥ 3, die die Abbildung der Lichtquelle 4 auf einer Ebene in Nähe der Ebene der Detektionseinrichtung 7 gestatten und auf diese Weise auf dieser Einrichtung eine Gruppe von mindestens drei Lichtflecken 8 bilden, deren jeder sich auf mindestens zwei Einzeldetektoren ausdehnt. Die Abbildungsmittel, die in einer Pupillarebene angeordnet sind, gestatten die Zerlegung des von der Lichtquelle kommenden Bündels in ebenso viele Unterpupillen.
• Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Detektionseinrichtung eine Leiste von Einzeldetektoren (in einer Linie angeordnete Detektoren), und die Abbildungsmittel bestehen aus einer Leiste von im wesentlichen identischen Mikrolinsen, die nebeneinander in einem im wesentlichen konstanten Schritt angeordnet sind. Im nachfolgenden werden wir sehen, dass es für die Berechnung der Entfernung der Quelle nicht erforderlich ist, dass der Schritt konstant ist, dass aber die periodische Verteilung der Abbildungsmittel, auch wenn die Periode nicht konstant ist, die Rechnungen für die Entfernungsberechnung vereinfacht. Die Mikrolinsenleiste ist vor der Detektorenleiste parallel zu dieser angeordnet. Man kann beispielsweise eine CCD-Leiste von 28 mm Länge verwenden, die 2048 Einzeldetektoren oder "Pixel" von 14 um aufweist (Standardformat). Man kann hierbei mit einer Leiste von 100 Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 287 um arbeiten. Jede der Unterpupillen der Mikrolinsen entspricht hierbei etwa 20 Einzeldetektoren auf dem Detektor. Man wählt beispielsweise eine im Verhältnis zum Durchmesser der Mikrolinse relativ große Brennweite von 10 mm, damit das Profil des Lichtflecks innerhalb der Beugungsgrenze bleibt. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beträgt die Beugungsgrenze etwa 50 um, was 3 oder 4 Einzeldetektoren entspricht. Fig. 3 zeigt das Profil der Lichtflecken, das auf dem Detektor (hier in diesem besonderen Fall einer CCD-Leiste) experimentell erhalten wurde. Die Mikrolinsen können beispielsweise kugelförmig oder zylindrisch sein; in diesem Fall sind die Erzeugenden der zylindrischen Linsen im wesentlichen parallel und die Achse der Detektorenleiste ist zu der der Erzeugenden senkrecht.
• Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung, die ein optisches System 10 zur Formung des Bündels aufweist. Dieses gestattet es, eine Nennlage der zu messenden Quelle (im Brennpunkt des Systems) zu definieren, der eine spezifische Verteilung der Lichtflecken entspricht, und ihre Bedeutung für die Berechnung der Entfernung der Quelle wird im Nachstehenden erklärt. Dieses optische System kann eine einfache Linse oder eine Kombination von Linsen sein. Außerdem kann es eine zylindrische Linse aufweisen, die eine Kondensation des Lichts auf eine Detektorenleiste gestattet (denn diese ist im allgemeinen nicht sehr breit: eine Mikron bis einige hundert Mikron). Diese Konfiguration ist in dem Fall besonders interessant, in dem das System eine Leiste von zylindrischen Linsen als Abbildungsmittel verwendet.
• Gemäß einer Abwandlung kann man auch eine Leiste von zylindrischen Mikrolinsen verwenden, die vor einer Matrix von Einzeldetektoren angeordnet ist. Jede Mikrolinse bildet dabei von der Lichtquelle eine zur Achse der Erzeugenden parallele Linie auf der Detektorenmatrix. Das Signal kann nun gemäß der Linie summiert werden, um den Geräuschabstand zu verbessern.
• Die Abbildungsmittel können gemäß einer anderen Abwandlung eine Matrix von sphärischen oder asphärischen Mikrolinsen sein, die auf einer Matrix von Einzeldetektoren eine Anzahl von Lichtflecken bilden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt ferner eine Rechenschaltung, die aus den Lagen von mindestens drei Lichtflecken zueinander mindestens einen Parameter errechnen kann, der für die Entfernung der Lichtquelle von der Vorrichtung charakteristisch ist. Gemäß einer Abwandlung besitzt sie ferner eine Schaltung zur räumlich Ortsbestimmung der Lichtflecken auf der Detektionseinrichtung, die für jeden Lichtfleck seine Lage bezüglich eines Bezugsursprungs bestimmt. Die Fig. 4A, 4B und 4C veranschaulichen die möglichen Arten der Berechnung der Entfernung der Quelle.
• Die Ortsbestimmungsschaltung gestattet die Bestimmung der Lage des Mittelpunkts jedes Flecks bezüglich eines Bezugsursprungs, Was die Berechnung des Mittelpunkts jedes Flecks anlangt, so gibt es verschiedene Methoden: beispielsweise berechnet man den räumlichen Schwerpunkt von einigen Einzeldetektoren, auf die sich der Fleck ausbreitet, indem man jedem Einzeldetektor einen Koeffizient zuteilt, der mit seinem Beleuchtungsniveau verbunden ist. Der Schwerpunkt bildet nun den Mittelpunkt des Flecks und wird auf einen Bruchteil der Breite des Einzeldetektors genau bestimmt. Man kann den Fleck auch durch seine theoretische Form oder durch eine sich dieser annähernde mathematische Funktion interpolieren (ein Kardinalsinus (sin(x)/x), eine Gaußsche Kurve (exp(-x²), ...), eine bekannte Technik, die im Bereich der Aströnomie angewandt wird. Die Lage des Schwerpunkts jedes der Lichtflecken kann gemessen werden, indem verschiedene Ursprünge betrachtet werden, in Bezug auf einen festen Punkt des Detektors oder in Bezug auf das Ende oder auf den Mittelpunkt jeder der geometrischen Projektionen der entsprechenden Unterpupillen auf dem Detektor (in diesem Fall wird der Ursprung "schwimmend" genannt).
• Zur Erläuterung der möglichen Arten der Berechnung der Entfernung der Quelle betrachtet man drei Abbildungsmittel, beispielsweise drei Mikrolinsen nebeneinander aus dem Mittelteil einer Mikrolinsenleiste, die drei Unterpupillen der Vorrichtung bilden uncl in Fig. 4A mit SP&sub1;, SP&sub2; und SP&sub3; bezeichnet sind. Man nimmt an, dass die Mikrolinsen in einem im wesentlichen konstanten Schritt angeordnet sind. Die als punktförmig oder quasipunktförmig angenommene Lichtquelle 4 sendet Strahlen in die Vorrichtung nacheinander von den beliebigen Standorten A und B aus (A und B liegen in dem im nachstehenden erläuterten Messbereich). Die aus der Lichtquelle austretenden Strahlen durchqueren die Ebene 5 der Mikrolinsen. Infolgedessen wird das Bündel gemäß den entsprechenden Unterpupillen zerlegt. Die Linsen bilden die Quelle in der Ebene i des Detektors bei einer Nennlage der Quelle ab (in diesem besonderen Fall besteht eine Konjugation zwischen der Quelle und dem Detektor) und in einer Ebene in Nähe von dieser bei einer anderen Lage (es besteht eine Defokussierung in der Ebene des Detektors). In allen Fällen bildet sich auf dem Detektor eine Anzahl von Lichtflecken, die beidem gewählten Beispiel linear verteilt angeordnet sind, wobei jeder von ihnen einer Unterpupille entspricht. Die Defokussierung ist nicht störend, da die Abbildungsmittel sehr wenig offen sind und im Beugungsbereich arbeiten und keine Abbildung herstellen, d. h. die Abmessungen des Lichtflecks entsprechen denen des Beugungsflecks des Abbildungsmittels.
• Die Lichtflecken sind auf die Strahlen zentriert, die von der Quelle kommen und durch das optische Zentrum On der einer Unterpupille SPn entsprechenden Mikrolinse gehen, wie in Fig. 4A dargestellt ist (die durchgehend gezeichneten Strahlen betreffen die Lage A und die der Lage 8 sind punktiert gezeichnet). In dieser Figur wurde die Defokussierung absichtlich vernachlässigt (A und B bilden sich in der Ebene des Detektors ab), deren einzige Konsequenz eine mehr oder weniger große Ausbreitung des Lichtflecks ist (aber dieser bleibt auf den oben definierten Strahl zentriert). In dem besonderen Fall, der in Fig. 4A dargestellt ist, ist die Lage des der Unterpupille SP2 entsprechenden Lichtflecks unveränderlich, da die optische Achse der in SP&sub2; eingeschriebenen Linse mit der Bewegungsachse der Lichtquelle (die durch AB definierte Achse) zusammenfällt. Bei der praktischen Verwendung der Vorrichtung ist die zentrale Unterpupille nicht notwendigerweise genau zentriert, ist aber dennoch nahe bei dem Mittelpunkt, und infolgedessen ändert sich die Lage des Lichtflecks sehr wenig.
• Fig. 4A zeigt einen Vorteil des in Fig. 2 dargestellten optischen Formungssystems. Dieses ermöglicht nämlich einerseits, dass man einerseits die Arbeitsentfernung bequem anpassen kann (indem man das optische System wechselt) und dass man andererseits über die ganze mögliche Dynamik des Systems verfügen kann. Fig. 4A zeigt nämlich, dass der Lichtfleck ohne Formungsobjektiv immer dezentriert ist und eine Unterpupillenhälfte für ihn unzugänglich bleibt. Fig. 1 zeigt dagegen, dass der Lichtfleck bei der Nennentfernung in der Unterpupille zentriert ist (Brennpunkt der Linse). Wenn das optische Formungssystem 10 weggelassen wird, gewährleistet die Linsenmatrix allein und direkt die Zerlegung des Bündels gemäß Unterpupillen und seine Fokussierung zu Lichtflecken auf den Detektoren.
• Eine Berechnungsart besteht darin, dass der mittlere räumliche Abstand zwischen den paarweise aufeinanderfolgenden Leuchtflecken bestimmt wird. Diese Vorgehensweise ist möglich, denn in zahlreichen speziellen Anwendungsfällen sind die Lichtflecken in gleichen Abständen voneinander angeordnet (was einer linearen Verteilung der Lagen der Lichtflecke gleichzusetzen ist). Das ist der Fall, wenn die Abbildungsmittel im wesentlichen identisch sind und in einem quasikonstanten Schritt angeordnet sind. Dieser Abstand ist ein charakteristischer Parameter der Entfernung der Quelle von der Vorrichtung. Wenn nämlich dA und dB die Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtflecken in der Lage A bzw. in der Lage B der Quelle sind, so hat man gemäß dem Beispiel von Fig. 4A:
• [O&sub1;O&sub2;] = p ist der Schritt der Unterpupillen und [DP] = f, der Abstand der Unterpupillenebene vom Detektor, ist ein geometrischer Parameter des Systems. Daraus lassen sich die zu bestimmenden Parameter [AD] und [BD] ableiten:
• Diese Vorgehensweise stellt die Redundanz der vom System gelieferten Informationen klar heraus (man misst (N-1) mal dA und (N-1) mal dB, wenn N die Anzahl der Flecken ist).
• Ein praktischer Weg, diesen mittleren Abstand zu berechnen, besteht darin, dass man die Neigung der Geraden bestimmt, die die Lage des Mittelpunkts jedes Flecks in Abhängigkeit von der entsprechenden Unterpupille bestimmt, die beispielsweise mit einer Zahl indiziert ist (die Unterpupille 0 oder 1 wurden beliebig aus der Gesamtheit der Unterpupillen gewählt). Fig. 4B zeigt die Verteilung der Punkte, die durch die Paare Lage der Unterpupille - Lage des Mittelpunkts jedes der Lichtflecke definiert sind, längs einer Geraden. Die Streuung um diese Gerade herum hängt mit Fehlern des Systems zusammen, und zwar insbesondere mit Herstellungsfehlern der Mikrolinsenmatrix. Die Berechnung der Neigung dieser Geraden kann beispielsweise mit einer bekannten Methode der linearen Regression (Methode der kleinsten Quadrate) vorgenommen werden: man minimiert die Summe der Quadrate der Abstände zwischen den Messungen und den entsprechenden Werten der geschätzten Geraden (man erhält auf diese Weise die Gerade der kleinsten Quadrate).
• In Fig. 4C ist die Energieverteilung auf dem Detektor in den Unterpupillen SP&sub1; und SP&sub2; von Fig. 4A im Detail dargestellt. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der gebildeten Lichtflecken (dicke Linie im Fall der in A befindlichen Quelle und dünne Linie im Fall der in B befindlichen Quelle) differiert infolge der Längsbewegung der Quelle. Diese Figur erklärt, warum das System eine Defokussierung zulassen kann, selbst wenn sie groß ist: der Fleck breitet sich stärker aus, aber sein Mittelpunkt bleibt unverändert. Außerdem wird die Stärke der Defokussierung durch die kleine numerische Apertur der Abbildungsmittel und durch den Beugungsbetrieb begrenzt.
• Die oben erklärten Funktionen zeigen, dass der gemessene Abstand eine bijektive Funktion von der Längsposition der Quelle ist. Dasselbe gilt für die Neigung. Die Definition des Längsmessbereichs oder der Schärfentiefe hängt von den gewählten geometrischen Parametern ab (Anzahl von Unterpupillen, Durchmesser und Brennweite der Linsen): die Gesamtheit der auf dem Detektor gebildeten Flecken muss verwertbar bleiben, d. h. jeder der Lichtflecken behält ein ausreichendes Profil (nicht zu starke Aberration und keine zu starke Defokussierung).
• Was den Messbereich betrifft, so kann allgemeiner ein Messvolumen definiert werden. Die Lichtquelle muss in diesem Volumen liegen, um gemessen werden zu können. Dieses Volumen wird in Abhängigkeit von der Lage und von der Qualität der Lichtflecken definiert: in der X-Achse müssen die Lichtflecken auf dem Detektor bleiben; in der Y-Achse müssen die Flecken von guter Qualität und in ausreichender Anzahl bleiben (sie bilden sich auf den benachbarten Unterpupillen, d. h. außerachsig, ab); in der Z-Achse geht es um die oben besprochene Schärfentiefe. Das Messvolumen ändert sich also in Abhängigkeit von den Merkmalen des Systems.
• Die oben erläuterten Funktionen zeigen, wie man ausgehend von den bekannten geometrischen Parametern der Vorrichtung direkt die Entfernung der Lichtquelle von der Vorrichtung bestimmen kann. Die Rechenschaltung kann praktisch eine Kalibrierungstabelle aufweisen, die mindestens einen Eichparameter enthält (zum Beispiel den mittleren Abstand oder die Neigung der Geraden, wie sie oben beschrieben wurden), dessen Werte für manche Entfernungen der Lichtquelle bestimmt wurden. Diese Werte können zuvor experimentell oder theoretisch bestimmt werden. Die Rechenschaltung vergleicht nun den für die Entfernung charakteristischen Parameter, der bei der Messung bestimmt wurde, mit den Werten des Eichparameters. Fig. 5 zeigt die Schritte einer Betriebsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Ortsbestimmungsschaltung 51 und eine Rechenschaltung 52 aufweist, welche eine Kalibrierungstabelle 53 besitzt und den mittleren Abstand oder die Neigung, die bei der Messung bestimmt wurden, mit den Werten der Eichparameter vergleicht, um daraus den Wert der Entfernung der Quelle abzuleiten.
• Die vorhergehenden Beispiele betreffen linear angeordnete Lichtflecken. Allgemeiner kann die Entfernung der Lichtquelle, da jedes Abbildungsmittel indiziert ist, aus einem charakteristischen Parameter der Kurve bestimmt werden, die die Positionsfunktion jedes Lichtflecks in Abhängigkeit von den Indizes der Abbildungsmittel darstellt. Auch hier kann die Rechenschaltung für die Ableitung der Entfernung der Lichtquelle eine Kalibrierungstabelle benutzen, die Eichparameter enthält, die für manche Entfernungen der Lichtquelle bestimmt wurden.
• Gemäß einer anderen Betriebsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nicht erforderlich, mit Hilfe der Ortsbestimmungsschaltung die Lage der Lichtflecken zu bestimmen. Die Rechenschaltung kann eine Raumfrequenzanalyse der Verteilung der Lichtflecken vornehmen, wobei die für die Entfernung der Lichtquelle charakteristischen Parameter aus dem Frequenzspektrum bestimmt werden. Wenn die Gesamtheit der Lichtflecken beispielsweise im wesentlichen periodisch verteilt ist, ist einer der Parameter, der aus dem Frequenzspektrum bestimmt wird, der Kehrwert der Periode. Die Frequenzanalyse kann beispielsweise mit Hilfe von klassischen Algorithmen der schnellen Fouriertransformationen vorgenommen werden.
• Fig. 6A und 6B zeigen eine Abwandlung der oben beschriebenen Vorrichtung bei Anwendung auf die gleichzeitige Messung der Entfernungen von mehreren punktförmigen Lichtquellen. Es handelt sich dabei insbesondere um eine Anzahl von Lichtquellen, die eine Linie bilden.
• Der Lichtsender 1 und sein Objektiv 2 liegen nicht notwendigerweise mit der optischen Achse 9 des Empfangssystems in einer Linie. Die sekundäre Lichtquelle wird durch den Lichtsender erzeugt, der in einer Lichtlinie 4 und 4bis projiziert wird. Fig. 6 A (Draufsicht) ist eine Ansicht in einer zur projizierten Linie 4 senkrechten Ebene; Fig. 6B (Seitenansicht) stellt das System in einer Ebene dar, die die projizierte Linie 4bis enthält. Der verwendete Detektor kann eine CCD-Matrizen-Kamera 7 sein.
• Das zurückgeworfene Licht wird von einem optischen Formungssystem 10 gesammelt. Das Bündel wird dann (wie bei der ersten beschriebenen Vorrichtung) in der Ebene 5 der Unterpupillen in Unterpupillen 6 zerlegt und dann auf den Detektor 7 fokussiert. Fig. 6A macht die Ähnlichkeit der Messung zwischen einer Vorrichtung, die die Entfernung einer punktförmigen oder quasipunktförmigen Lichtquelle misst, und einer Vorrichtung deutlich, die die Entfernung einer Lichtquelle misst, die aus einer Anzahl von punktförmigen oder quasipunktförmigen Lichtquellen besteht, die in einer Linie angeordnet sind. In jeder zu der Linie senkrechten Ebene findet man die gleichen Elemente der ersten beschriebenen Vorrichtung wieder: eine Lichtquelle (Schnittpunkt der Linie mit der betreffenden senkrechten Ebene), eine Leiste von Abbildungsmitteln, beispielsweise Mikrolinsen, das Äquivalent eines linearen Detektors (die Linie 11 des Matrizendetektors in der betreffenden senkrechten Ebene): die Entfernung der Lichtquelle von der Vorrichtung ist eine Funktion vom gemessenen Abstand zwischen den Schwerpunkten der entsprechenden Lichtflecken, die sich auf dem linearen Detektor befinden (Linie 11 des Matrizendetektors 7). Eine zusätzliche Bedingung muss bei der Anwendung jedoch eingehalten werden: die projizierte Lichtlinie muss mit dem Detektor in der zur Richtung der Abbildungsmittelleiste senkrechten Ebene konjugiert sein oder nahe der Konjunktion mit diesem sein. Wenn das nicht der Fall ist, ist die räumliche Auflösung beeinträchtigt. Die räumliche Auflösung einer solchen Vorrichtung, d. h. die auf dem Profil erhaltene Anzahl von Messpunkten, ist von der Anzahl Einzeldetektoren in der zur projizierten Lichtlinie parallelen Richtung sowie von ihrer Defokussierung abhängig.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu bestimmt, eine ganze Palette von Fühlern (insbesondere Triangulationsfühler) im Bereich der Industrie zur Maßkontrolle zu ersetzen. Außerdem eröffnet diese Vorrichtung neue Anwendungsgebiete in Bereichen, wie industrielles Sehen (zerstörungsfreie Kontrolle), Biologie (beispielsweise Verfolgung des Wegs eines fluoreszierenden Objekts), Robotertechnik.

Claims (11)

1. Berührungslose Messvorrichtung zur Bestimmung der Entfernung einer Lichtquelle, mit einer aus elementaren Detektoren und einer Anordnung aus N Abbildungsmitteln (6), wobei N ≥ 3 ist, gebildeten optischen Detektionseinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass

- die Abbildungsmittel (6) die Abbildung der Lichtquelle in einer Ebene in der Nähe der Ebene der Detektionseinrichtung (7) ermöglichen und auf dieser Einrichtung ferner eine Anordnung aus wenigstens drei Lichtflecken bildet, wobei sich jeder Lichtfleck über wenigstens zwei elementare Detektoren erstreckt;

- die Vorrichtung ferner eine Berechnungsschaltung aufweist, mit der aus relativen Positionen der wenigstens drei Lichtflecken wenigstens ein Parameter, der für den Abstand der Lichtquelle von der Vorrichtung charakteristisch ist, mit einer von der Anzahl N der Lichtflecken abhängigen Genauigkeit errechenbar ist.

2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsschaltung eine Kalibrierungstabelle aufweist, welche mindestens einen Eichparameter enthält, dessen Werte durch gewisse Entfernungen der Lichtquelle bestimmt werden und den kennzeichnenden Parameter mit den Werten des besagten Eichparameters vergleicht.

3. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausserdem eine Ortsbestimmungsschaltung der Lichtflecken auf der Detektionseinrichtung aufweist, welche für jeden Lichtfleck seine Lage (dA) in Bezug auf eine Ursprungsreferenz bestimmt.

4. Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass:

- jedes Abbildungsmittel indexiert ist (SP1, SP2, ....);

- der von der Berechnungsschaltung errechnete, für die Entfernung kennzeichnende Parameter mindestens einer der kennzeichnenden Parameter der Kurve ist, welche die Positionsfunktion jedes Lichtflecks(dA) in Abhängigkeit der Indizien der Abbildungsmittel darstellt (dA = f(SP1, SP2,..).

5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Ortsbestimmungsschaltung bestimmten Lagen der Lichtflecke im wesentlichen entlang einer Linie verteilt sind, wobei die besagte Kurve also im wesentlichen eine Gerade und der von der Berechnungsschaltung errechnete Parameter die Steigung der Geraden ist.

6. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsschaltung eine frequentielle räumliche Analyse der Verteilung der Lichtflecken vornimmt, wobei also die für die Entfernung der Lichtquelle kennzeichnenden Parameter aus dem Frequenzspektrum bestimmt werden.

7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Lichtflecken im wesentlichen periodisch verteilt ist, wobei einer der aus dem Frequenzspektrum bestimmten Parameter demgemäß der Periodenkehrwert ist.

8. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsmittel aus einer Leiste zylindrischer, im wesentlichen identischer, nebeneinander im wesentlich gleichabständig angeordneter Mikrolinsen bestehen, und dass das Erfassungsmittel eine Matrix elementarer Detektoren oder eine Leiste elementarer Detektoren ist, deren Achse rechtwinklig zu den Erzeugenden der Mikrolinsen verläuft.

9. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Lichtquelle aus einer elementaren beleuchteten Oberfläche eines Objektes besteht, wodurch so eine sekundäre Lichtquelle gebildet wird, und ein Beleuchtungssystem aufweist, die die Bildung der genannten sekundären Lichtquelle erlaubt.

10. Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zwischen der sekundären Lichtquelle und den Abbildungsmitteln angeordneten Strahlteiler aufweist, wobei der Strahlteiler das Licht, welches vom Beleuchtungssystem kommt, zur genannten elementaren Oberfläche leitet und das von der sekundären Lichtquelle kommende Licht zu den Abbildungsmitteln überträgt, wodurch es ermöglicht wird, die Achse des Beleuchtungssystems und die optische Achse der Vorrichtung zusammen falten zu lassen.

11. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zwischen der Lichtquelle und den Abbildungsmitteln angeordnetes optisches System zur Formgebung aufweist, welches dazu dient, den Messbereich für die Entfernung der Lichtquelle anzupassen.