JP2004521355A - 光学的距離測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、変調された光学的ビームを目標対象物に向かって送出するための送信ユニットと、該送信ユニットの光軸に対して間隔おいて配置され、目標対象物から戻る光学的ビームを受信するための少なくとも１つの検知器を備えた受信ユニットと、目標対象物までの距離を検出するための制御評価ユニットとを有する光学的距離測定装置に関する。
ここで、受信ユニットの検知器のアクティブ光検知面は、目標対象物距離が次第に小さくなる場合に対して、戻りビームの平行軸により生じるビームシフト方向で先細に延在していることが提案される。

Description

【０００１】
本発明は、独立請求項の上位概念による光学的距離測定のための装置に関する。
【０００２】
このような光学的距離測定機器はすでに長い間公知であり、市販もされている。これらの機器は変調された光ビームを送出し、この光ビームを機器までの間隔を検出すべき所望の目的対象物の表面に向けられる。向けられた目標面により反射または散乱された光が機器により部分的に再び検知され、探査すべき間隔の検出に使用される。
【０００３】
この種の距離測定機器の適用領域は一般的に数ｃｍから数百ｍの領域を含む。
【０００４】
測定すべき伝搬区間と目標対象物の反射ビーム特性に依存して種々の要求が光源、測定ビームの品質および検知器に課せられる。
【０００５】
従来技術から公知の光学的距離測定機器は基本的に、機器に必然的に備わっている送信および受信チャネルの構成に相応して２つのカテゴリーに分類される。一方では、送信チャネルが受信チャネルまで所定の間隔に配置されており、従ってそれぞれの光軸が相互に平行に延在する装置がある。また他方では、単軸測定装置があり、ここでは受信チャネルが送信チャネルに対して同心に延在する。
【０００６】
二軸測定装置の利点は、戻り測定信号を選択するための面倒なビーム分割が必要ないことであり、従って例えば送信チャネルから受信チャネルへの光学的クロストークをより良好に抑圧できる。
【０００７】
他方で二軸測定装置の欠点は、比較的短い測定距離領域に対しては、軸が平行であるため検出に問題の生じることである。
【０００８】
機器に組み込まれた測定受信器の検知器表面に目標対象物を結像する場合、目標距離が大きいときには検知器に一義的に結像されるが、測定距離が短くなるにつれ、受信経路の光軸からだんだんと離れ、検知器面においてビーム横断面が変化することになる。
【０００９】
このことにより別の手段を講じなければ、近距離領域での検知では、すなわち目標対象物と測定機器との間隔が小さい場合は、測定信号がゼロになってしまう。
【００１０】
ＤＥ４３１６３４８Ａ１から、半導体レーザにより形成された可視測定ビーム束を用いる距離測定装置が公知である。この装置の受信装置は後置接続された光電変換器を備える光導波体を有している。光導波体ファイバへの光入射面はこの機器の受信対物レンズの結像面に、対象物距離が大きい場合に対して配置されており、この位置から光軸に対して横方向にシフト可能である。
【００１１】
このようにしてＤＥ４３１６３４８Ａ１の装置では、対象物距離が比較的小さくなる場合には受信対物レンズへ次第に斜めに入射する測定ビームを、光学的ファイバの追従制御介して、検知器の空間的位置が可変でなくても検知器の光検知表面に導くことができる。
【００１２】
ＤＥ４３１６３４８Ａ１に開示された距離測定装置で追従制御に必要な電子制御および可動部材の使用は、甚だコストのかかるものであり、複雑でこの種の装置の脆弱性につながる。
【００１３】
択一的にＤＥ４３１６３４８Ａ１は二軸測定装置での平行軸問題の解決も提案している。ここでは光導波体入射面が固定的に配置されており、受信対物レンズの周辺領域にある光学的偏向手段によって測定光ビームが、対象物間隔が小さくなる場合でも検知器に入射される。とりわけそのために偏向ミラーを使用し、この偏向ミラーにより近距離の対象物から測定装置へ到来する測定ビームが検知器に偏向される。同じ課題を解決するためにこの刊行物ではプリズムも使用され、プリズムは受信レンズの周辺領域に取り付けられている。
【００１４】
この問題の解決手段での欠点は付加的な素子が必要なことである。さらにこの付加的な素子と遠距離からの測定ビームとの交互作用が不利に作用し、そのため信号が減衰されたり、ノイズを帯びることがあり、距離測定装置の有効測定領域が制限されてしまう。
【００１５】
発明の利点
これに対して独立請求項の構成を有する本発明の光学的距離測定装置は、平行軸問題を補正するための付加的光学素子を省略することができるという利点を有し、しかも近距離領域に対しても十分な測定信号を検知器で得ることができる。
【００１６】
ここで本発明の検知器の光検知性アクティブ面は、近距離領域でも十分な振幅の信号が検知器表面で得られるように選択される。
【００１７】
これにより、この測定装置に対する測定領域の拡張が簡単で確実なものとなる。
【００１８】
従来技術から公知の光学的距離測定装置に対して本発明の装置は、光学ビームの進む区間が平行軸問題を解決する手段によって影響を受けないという利点を有する。従ってこの手段が距離測定に負の作用を及ぼすことがない。
【００１９】
さらに付加的な可動素子を測定装置内で調整することも不要である。
【００２０】
本発明の装置の有利な実施例は従属請求項に記載されている。
【００２１】
有利には受信ユニットの検知器の光検知面の大きさを、十分に大きな信号が近距離領域であっても検知器に発生するように選択する。目標対象物から戻る測定ビームを、対象物間隔が小さくなる場合に対しては送信ユニットの光軸と受信ユニットの光軸との共通の面で側方に移動させることにより、検知器は有利にはこの方向に伸長された形状を取る。このようにして、戻ってくる測定ビームの方向が測定装置から目標対象物までの距離に依存することが、アクティブな有効検知面の形状によって考慮される。
【００２２】
本発明による有効検知器面の形状によってさらに、戻ってくる測定ビームの強度が測定装置から目標対象物までの距離に依存することも勘案される。強度変化は進んだ距離の二乗に依存するという距離法則があるので、近距離領域に対する測定信号は、測定装置から大きく離れた目標対象物に対する測定信号よりも格段に大きい。
【００２３】
有効検知器面は送信ユニットと受信ユニットの光軸の共通面に対して垂直に広がっているが、この広がりは光信号が近距離領域で伝搬区間が短くなることにより増大するにつれ、減少する。このことの利点は、検知器の広がりのため十分な光が近距離領域から検知器に当たるが、検知器のアクティブ光検知面がこの方向では小さくなるから、近距離領域からの光によって過励振されることがないことである。従って検知器が受信レンズの焦点から受信光軸に沿って、検知器に入射する信号強度の適合のためにシフトする必要は、本発明の装置ではない。
【００２４】
従って検知面の本発明による構成は、有効光の外部光に対する割合が格段に改善されるという利点を有する。この理由からも、装置の測定精度がかなりの近距離領域でも向上し、装置の測定領域を拡大することができる。
【００２５】
検知器面の大きさについては、検知器のこの領域の有効面が遠距離の目標対象物から検知器面に入射する光に対して十分に大きく、信号全体が検出されることが保証されるようにしなければならない。このことも同様に検出される強度が受ける距離法則の結果であり、遠く離れた測定対象物に対しては比較的弱い検知信号が生じるからである。
【００２６】
検知器の側方の広がりは相応に、かなり近距離からでも十分な光が検知面に達するような大きさでなければならない。この場合、近距離での伝搬区間は短いから十分に高い信号レベルが生じ、従って信号全体を完全に検出する必要はない。
【００２７】
本発明の装置のさらなる利点は、検知器の電気容量特性がアクティブ検知面の形状に基づいてポジティブに作用することである。過度に大きな検知器表面は検知器の電気的容量を高めることとなり、従って測定装置の時間的応答特性ないし周波数特性が、測定装置の時間分解能ないし周波数分解能の必要な要求を満たさなくなる。
【００２８】
本発明の装置の有利な実施例では、使用される検知器の面積が上に述べた周辺条件が要求するような大きさにする。
【００２９】
請求された検知面を有する本発明の装置の簡単で安価な構成は、作用面、すなわち光検知面が元来さらに大きな検知面を部分的に覆うことによって形成される。このために大きな面検知器が、検出に使用されない領域では非透光性層を有する。従って請求された形状だけを有効アクティブ検知器面として使用することができる。非透光性領域は、使用される測定信号の波長に応じてまた選択された検知器に相応して、例えば層を検知基面に蒸着またはラッカー被覆することにより形成される。簡単な機械的マスクまたは遮へいによって、請求された形状を検知器のアクティブ面に対して簡単に実現することもできる。
【００３０】
有利には本発明の光学的距離測定装置は、レーザを光源として使用することにより実現される。レーザとりわけレーザダイオードは、電磁波の全可視光線スペクトル領域にわたって得られる。とりわけレーザダイオードは小型であり、次第に出力も大きくなっているから、請求された形状を距離測定機器で使用するのに適する。
【００３１】
部分的に検知器面に取り付けられた非透光性層は、この場合例えば蒸着された金属層とすることができ、この金属層は使用される半導体検知器を所望の個所で光学的に作用しないようにする。
【００３２】
図面
さらなる利点は以下の説明から明かとなる。図面には本発明の装置の実施例が示されている。明細書、図面および請求の範囲は多数の特徴の組合せを含む。
【００３３】
図１は、本発明の測定装置の実施例の概略図である。
【００３４】
図２は、本発明の検知器表面の平面図であり、測定ビーム束が測定装置から測定対象物までの種々の距離で示されている。
【００３５】
図３は、図２に本発明の検知器表面の詳細図である。
【００３６】
図４は、本発明のアクティブ検知器面の択一的実施例を示す図である。
【００３７】
図５は、本発明のアクティブ検知器面の別の実施例を示す図である。
【００３８】
図６は、本発明の検知器面の実施例の平面図である。
【００３９】
図１には概略的に本発明の距離測定装置が、本発明の機能を説明するのに重要な素子と共に示されている。
【００４０】
本発明の装置１０はケーシング１１を有しており、このケーシングには送信信号１３を形成するための送信装置１２と、目標対象物１５から戻ってきた測定信号１６を検知するための受信装置１４とが収容されている。
【００４１】
送信装置１２は光源１７を含んでおり、光源は図１の実施例では半導体レーザ１８によって実現されている。本発明の装置で他の光源を使用することも可能である。レーザダイオード１８はレーザビーム２０を、可視光線束２２の形状で送出する。
【００４２】
レーザダイオード１８は制御装置２４を介して駆動される。制御装置は相応の電子回路によってダイオード１８の電気入力信号１９の変調を形成する。ダイオード電流のこの種の変調によって、光学的測定信号１３が距離検出のために所望のように変調される。
【００４３】
レーザビーム束２０は続いて、対物レンズ２８の形態の視準化光学系２６を通過する。対物レンズは図１ではただ１つのレンズ３０の形態で図示されている。対物レンズ２８はこの実施例では、オプションとして調整機構３２に配置されており、調整機構は基本的に対物レンズの位置を３つの空間方向すべてで調整することができる。
【００４４】
対物レンズ２８を通過したあと、例えば振幅変調された測定信号１３は平行光束３７の形態で送信ユニット１２の光軸３８に沿って伝搬する。これが図１には概略的に示されている。
【００４５】
本発明の装置の送信経路１２には有利には切替可能なビーム偏向器４０が配置されている。このビーム偏向器により測定信号１３は目標対象物を迂回して装置１０の受信ユニット１４に直接偏向される。このようにして機器内部の基準区間４２が形成され、これにより測定装置を較正することができる。
【００４６】
測定を実行すべき場合測定ビーム１３は、装置１０の端面壁４５にある光学窓４４を通って本発明の装置のケーシング１１を去る。光学窓の開口部はシャッタ４６により保護されている。
【００４７】
測定のために測定装置１０は、測定装置までの距離４８を検出すべき目標対象物１５に向けられる。所望の目標対象物１５で反射または散乱された信号は戻り測定ビーム束４９，５０を形成する。この戻り測定ビーム束の一部は測定装置に戻ってくる。
【００４８】
ケーシング１０の端面側４５にある入射窓４７を通って戻る測定ビーム１６は測定装置に入力結合され、図１の実施例では受信光学系５２に偏向される。
【００４９】
図１には例として２つの戻り測定ビーム束４９ないし５０が２つの異なる目標対象物間隔４８に対して示されている。大きな対象物間隔に対しては（ここで大きいとは、受信光学系の焦点距離に対して大きいことを意味する）、目標対象物から戻った信号１６が受信装置１４の光軸５１に対して平行に入射する。この場合が図１の実施例では測定ビーム束４９により表されている。対象物間隔が小さくなるにつれ、測定装置に入射する戻り信号１６は二軸が平行であるため次第に受信ユニット１４の光軸に対して傾斜する。距離測定装置の近距離領域からの戻り測定ビーム束の例として図１にはビーム束５０が示されている。
【００５０】
受信光学系５２が図１の実施例では同様にただ１つのレンズにより象徴的に示されている。この受信光学系５２は戻り測定信号１６を視準化し、そのビーム束４９，５０を受信検知器５４にフォーカスする。この受信検知器はＰＩＮダイオードまたはＣＣＤチップまたは当業者には公知の他の面検知器として構成することができる。面検知器は通常、そのアクティブ光検知表面が受信経路の光軸に対して垂直に配向されている。入射する光学的信号は受信検知器５４によって電気信号５５に変換され、さらなる評価のため評価ユニット３６に供給される。
【００５１】
図１の実施例では調整機構５３に取り付けられた受信光学系５２は、検知器のアクティブ面からほぼその焦点距離の間隔だけ離れている。従って測定装置から大きく離れた目標対象物から到来して入射するビームはちょうど検知器にフォーカスされる。しかし目標対象物までの間隔が小さい場合に対しては、目標対象物で反射または散乱された戻り測定ビームに対する結像位置が受信レンズの焦点から次第に離れてしまう。従って、目標対象物から測定装置までの間隔が次第に小さくなると、フォーカスされた戻り測定ビームは次第に受信装置の光軸から離れ、従って送信装置の光軸からも次第に偏差する。とりわけ戻り測定ビーム束は、受信対物レンズでの結像比が変化するため、検知器面に正確にフォーカスされなくなる。目標対象物までの間隔が小さくなるにつれ、検知器表面での測定スポットはますます大きくなる。
【００５２】
測定装置に存在する他の素子については、本発明の装置の理解に関連するものでない限りここではそれ以上立ち入らない。測定装置がもちろん制御評価ユニット３６を有することは知っておいて貰いたい。
【００５３】
測定装置から目標対象物までの間隔と、検知器表面での測定スポットの位置ないし大きさとの関係は、図２に再度概略的に示されている。
【００５４】
図２は、測定対象物から戻った測定信号１６の方向での検知器表面の平面図である。ここで位置５６は、送信ユニット１２の光軸３８と受信ユニット１４の光軸との共通面を示す。戻りビーム１６の測定スポット５８は、対象物間隔４８が非常に大きい場合に対しては受信ユニット１４の光軸上にあり、検知器５４の表面６６で小さな測定スポットにフォーカスされる。検知器５４は受信光学系５２の焦点距離の間隔にほぼ配置されているから、光学的に見て無限大から到来する光は光学的結像則に基づき検知器表面に直接フォーカスされる。
【００５５】
目標対象物１５から測定装置までの間隔４８が減少するにつれ、戻り信号１６は受信対物レンズ５２に対して次第に斜めに入射し、従って検知器表面での測定スポットは図２の矢印６１の方向に移動する。
【００５６】
従って図２に、測定装置から目標対象物１５までの対象物距離４８が小さい場合に対して示された測定スポット６２は受信装置の光軸５１から離れており、その広がりも拡大している。測定対象物１５から測定装置１０までの測定間隔４８が非常に小さい場合、検知器表面では戻り測定信号１６の測定スポット６４がさらに拡大され、受信ユニット１４の光軸５１からもさらに離れた検知器表面上に来る。
【００５７】
測定対象物１５から測定装置１０までの相対間隔による測定スポットの移動によって、対象物間隔が非常に小さい場合に対しては戻り信号１６がもはや測定受信器５４のアクティブ面に当たらなくなる。このことは図２にハッチングで示した面６０により分かる。この面は従来技術の測定受信器の表面を表すものである。
【００５８】
受信ユニット１４の検知面における測定スポットの大きさおよび位置を考慮して、本発明の検知器５４のアクティブ光検知表面６６は相応に構成されている。受信ユニット１４の光軸５１の領域で検知面６６は、少なくとも遠距離領域からの測定スポット５８（すなわち目標対象物間隔４８が大きい場合に対して）全体が完全にアクティブ検知器面６６に当たるような大きさでなければならない。
【００５９】
図２の実施例で検知器６６のアクティブ面６６は、目標対象物間隔４８が小さくなるにつれ軸が平行であることによって生じる戻りビーム１６のビームシフト方向６１に次第に先細に延びている。ここで検知器面６６の側方広がりは、目標対象物１５から測定装置１０までの間隔４８が非常に小さい場合であっても測定信号が十分に検知器５４に当たる程度の大きさである。近距離領域からの戻り測定信号は信号レベルが高いから、焦点全体がアクティブ検知器面に当たる必要はない。
【００６０】
図３はさらに図２の本発明の検知器面を分かり易くするために取り出して示した図である。
【００６１】
図４と図５には、本発明の検知器５４のアクティブ光検知表面の別の実施例が示されている。ここには本発明の基礎的技術思想が示されているが、本発明の装置の制限と理解すべきものではない。図４と図５で位置５６は、送信ユニット１２の光軸３８と受信ユニット１４の光軸５１との共通面をそれぞれ示す。個所３８は送信ユニット１２の光軸の位置を示し、個所５１は受信ユニット１４の光軸の相応の位置を示す。
【００６２】
図４の実施例は本発明の検知器５４の表面６７を示す。この表面は第１の領域７２と第２の領域７４を有する。第１の領域では光検知面の大きさは、軸が平行であることによる生じる戻り測定信号１６のビームシフト方向６１でも一定である。また第２の領域７４は第１の領域に直接続いており、この第２の領域では検知器面６７の大きさはビームシフト方向６１に連続的に減少する。
【００６３】
図５は、検知器５４の光検知表面６８を示す。この表面は連続的かつ均一にビームシフト方向６１に減少しており、従って三角形の形状を取る。もちろん本発明の検知器５４は階段形状を有することもでき、送信ユニットの光軸からの距離が大きくなると細くなる。また図４の実施例で検知器面の先細を離散的ステップで形成することもできる。
【００６４】
図６は、本発明の検知器５４の実施例を実現するための手段を示す。図２から図５の実施例では検知器５４のアクティブ光検知表面６６，６７，６８は１つの全体検知器面であるが、図６の実施例でアクティブ光検知面６９は元々は比較的に大きな検知器面７８から形成される。このために例えば円形の半導体検知器の光学的検知面７８は所定の領域が非透光性層８０により覆われる。これにより半導体検知器のこの被覆された領域は作用せず、半導体検知器の被覆されなかった部分面６９だけが光検知性として残される。このアクティブ部分面６９は製造により所望の形状を付与することができ、図２から図５に示した検知器面６６，６７，６８の形状とすることもできる。この非透光層を形成するために、例えば金属層を元の検知面の所望の個所に蒸着することができる。また当業者には公知の他の光学的非活性化手段を半導体表面にこの目的のために施すこともできる。
【００６５】
図示の実施例の構造形状すべてで共通のことは、本発明の検知器のアクティブ光検知面が、目標対象物間隔が次第に小さくなる場合に対しては、軸が平行であることにより生じるビームシフト方向で先細に延びていることである。すなわち検知器のアクティブ面の広がりは送信ユニットと受信ユニットの光軸の共通面に対して垂直に、上記の方向で減少している。
【００６６】
本発明の装置は前記説明した実施例に制限されるものではない。
【００６７】
凸面の検知器表面も考えられる。検知面が送信ユニットの光軸からの間隔が増大するにつれどのように形状を変化すべきかは、本発明の測定装置が動作すべき所望の測定領域に依存する。装置の精確な幾何学的形状および受信経路での光学的結像特性も最適化のために考慮すべきである。
【００６８】
アクティブ検知器面の先細も連続的に行う必要はなく、離散的に例えば個々のステップで実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の測定装置の実施例の概略図である。
【図２】
図２は、本発明の検知器表面の平面図であり、測定ビーム束が測定装置から測定対象物までの種々の距離で示されている。
【図３】
図３は、図２に本発明の検知器表面の詳細図である。
【図４】
図４は、本発明のアクティブ検知器面の択一的実施例を示す図である。
【図５】
図５は、本発明のアクティブ検知器面の別の実施例を示す図である。
【図６】
図６は、本発明の検知器面の実施例の平面図である。

Claims (7)

1. 変調された光学的ビーム（１３，２０，２２）を目標対象物（１５）に向かって送出するための送信ユニット（１２）と、
   該送信ユニット（１２）の光軸に対して間隔おいて配置され、かつ目標対象物（１５）から戻る光学的ビーム（１６，４９，５０）を受信するための少なくとも１つの検知器（５４）を備えた受信ユニット（１４）と、
   目標対象物（１５）までの距離（４８）を検出するための制御評価ユニット（３６）とを有する光学的距離測定装置において、
   受信ユニット（１４）の検知器（５４）のアクティブ光検知面（６６，６７，６８，６９）は、目標対象物距離（４８）が次第に小さくなる場合に対して、戻りビーム（１６）の平行軸により生じるビームシフト方向（６１）で先細に延在している、
   ことを特徴とする光学的距離測定装置。
2. 検知器（５４）の光検知面（６６，６７，６８，６９）は少なくとも、対象物距離の大きな目標対象物（１５）からの戻りビーム（１６，４９）の測定スポット（５８）が完全に検知されるような大きさである、請求項１記載の装置。
3. 検知器（５４）の光検知面（６６，６７，６８，６９）の広がりは、受信ユニット（１４）の光軸に対して垂直方向では少なくとも、目標対象物（１５）から近距離領域で戻る測定ビーム（５０）が少なくとも部分的に光検知面（６６，６７，６，８，６９）に当たる大きさである、請求項１または２記載の装置。
4. 検知器（５５）の光検知面（６６，６７，６８，６９）は対称軸を有し、
   該対称軸は送信ユニット（３８）の光軸と受信ユニット（５１）の光軸との共通面（５６）にある、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 検知器（５４）のアクティブ光検知面（６６，６７，６８，６９）は、比較的に大きな光学的検知器面（７８）を部分的に覆うことにより形成される、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 検知器（５４）のアクティブ光検知面（６６，６７，６８，６９）は、非透光性層（８０）によって元々は比較的に大きな検知器の光学的検知面（７８）を部分的に被覆することより形成される、請求項４記載の装置。
7. 光源（１７，１８）はレーザ、とりわけレーザダイオード（１８）であり、
   ビームは電磁波スペクトルの可視光線波長領域で放射される、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。