JPH01203918A - Optical distance measurement between measuring apparatus and object - Google Patents
Optical distance measurement between measuring apparatus and objectInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、幾何光学、エレクトロニクス、および信号
処理の分野に関するものである。これは、光を反射して
いる物体上の照射点と、測定装置との間の距離を測定す
るための方法および装置に関するものである。この発明
は、光検出器が光学系の焦点線内に配置された、焦点を
合わされた拡散反射光線の、照射された物体からの2つ
の異なる位置における、強度分布の測定に基づいている
。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates to the fields of geometric optics, electronics, and signal processing. This relates to a method and a device for measuring the distance between a point of illumination on an object reflecting light and a measuring device. The invention is based on the measurement of the intensity distribution of a focused diffusely reflected light beam at two different positions from the illuminated object, with a photodetector placed in the focal line of the optical system.
光検出器は、共通の光軸内に、しかしなから異なる間隔
を置いて、配置される。これは、ビームスプリッタを用
いて拡散散乱ビームを2つの部分ビームに分割すること
によって、可能となる。The photodetectors are arranged within a common optical axis but at different spacings. This is possible by splitting the diffusely scattered beam into two partial beams using a beam splitter.
距離測定のための光学的方法は周知である。すなわち、
ターゲット上で反射された光パルスの遷移時間を測定す
ることによって、距離測定が電気的に行なわれる。この
原理に基づく装置作動は主に土地測量において利用され
る。cmおよびdm領域における短距離の測定のために
は、ns領領域おける短い遷移時間が迅速な電気光学的
および電気的スイッチングエレメントを必要とするので
、前記方法では労力がかかる
dm領域における測定のためには三角測量方法がより適
切である。これは、まず、測定装置から発する鋭い光線
によってターゲット上に光スポットが作られることに基
づいている。この光スポットは、1次ビームに対して傾
角をなして配置された、少なくとも1つの光検出器上に
結像される。Optical methods for distance measurement are well known. That is,
Distance measurements are made electrically by measuring the transit time of the light pulse reflected on the target. Device operation based on this principle is primarily used in land surveying. For short-range measurements in the cm and dm ranges, short transition times in the ns range require fast electro-optical and electrical switching elements, so the method is not suitable for labor-intensive measurements in the dm range. The triangulation method is more appropriate. This is based, first of all, on the creation of a light spot on the target by a sharp beam of light emanating from the measuring device. This light spot is imaged onto at least one photodetector arranged at an oblique angle to the primary beam.
1次ビームと、光スポット−像スポット連絡ビームとの
間の角から、測定装置と物体との間の距離が三角測量に
よって測定される。From the angle between the primary beam and the optical spot-image spot connecting beam, the distance between the measuring device and the object is determined by triangulation.
三角測量方法における正確な角測定を保証するために、
物体表面上の光スポットは、レンズによって、光検出器
すなわちダイオードアレイ上にはっきりと結像されねば
ならない。固定レンズの場合には、特別な労力および費
用を少なからず必要とする、光学系の絶え間ない再調整
が反復過程において行なわれなければ、これをセットす
るだけで、高い測定精度を短距離領域において得ること
が可能である。To ensure accurate angle measurements in triangulation methods,
The light spot on the object surface must be clearly imaged by a lens onto a photodetector or diode array. In the case of fixed lenses, high measurement accuracy can be achieved over short distances simply by setting them, unless constant readjustment of the optical system is carried out in the iterative process, which requires considerable special effort and expense. It is possible to obtain.
さらなる光学的距離測定原理は、精密に焦点を合わせら
れた光線によって物体上に作られた先スポットから散乱
する拡散光の測定に基づいている。A further optical distance measurement principle is based on the measurement of diffuse light scattered from a prespot created on an object by a precisely focused beam of light.
この光スポットから純粋な拡散散乱光が発せられると仮
定すると、物体表面に対して直角の放射線はほぼ均一で
ある(ランベルトの放射線)。コリメータレンズを用い
て選択的に焦点を合わせられたこのビーム内には、異な
る距離をおいて2つの光検出器が配置される。したがっ
て、測定された照度からビームの発散角あるいは集束角
が測定される。したがって「逆二乗法則」、すなわち点
光源の放射強度は距離の二乗に逆比例するという事実に
基づいて、求められる物体の距離が得られる。Assuming that this light spot emits pure diffusely scattered light, the radiation perpendicular to the object surface is approximately uniform (Lambertian radiation). Two photodetectors are placed at different distances within this beam, which is selectively focused using a collimating lens. Therefore, the divergence or convergence angle of the beam is determined from the measured illuminance. The desired distance of the object is therefore obtained based on the "inverse square law", ie the fact that the radiation intensity of a point light source is inversely proportional to the square of the distance.
以下に参照される特許明細書から明らかなように、上記
のタイプの方法は周知である。As is clear from the patent specifications referred to below, methods of the above type are well known.
光学系によって物体上に光スポットが作られ、次に結像
される方法を、ジェイ・エル・ボアル(J、 L、
Po i 11 eux)およびジェイートゥーレ(
J、Tourret)が米国特許節3719 421号
において説明している。検出器とともに、像点の後ある
いは前に配置された2つのダイヤフラムは、検出器信号
の減算によって、限定された領域内における距離測定を
可能にする。The method by which a light spot is created on an object by an optical system and then imaged was described by J. L.
Po i 11 eux) and J.
J, Tourret) in US Pat. No. 3,719,421. Two diaphragms arranged with a detector behind or in front of the image point enable distance measurements within a limited area by subtraction of the detector signal.
この方法は、狭い領域内における正確な距離71P1定
には適切であるが、距離711I定一般には向いていな
い。前述の領域外においては、検出器信号を、物体と測
定装置との間の距離と関連づけて考えることさえ曖昧で
ある。第2図に関連して、この装置の詳細な構成に関す
る言及が以下においてなされるであろう。This method is suitable for accurately determining the distance 71P1 within a narrow area, but is not suitable for determining the distance 711I in general. Outside the aforementioned area, it is ambiguous to even consider the detector signal in relation to the distance between the object and the measuring device. Reference will be made below regarding the detailed construction of this device in connection with FIG.
この方法の信頼性のために必要な基準は拡散後方散乱の
存在であるが、拡散散乱に加えて反射が生じる場合、測
定誤差が発生する。この米国特許には、対応する測定精
度を増加させる方法が説明されている。A necessary criterion for the reliability of this method is the presence of diffuse backscattering, but if reflections occur in addition to diffuse scattering, measurement errors will occur. This US patent describes a method to increase the corresponding measurement accuracy.
「逆二乗法則」に基づく距離測定のさらなる方法が、ニ
ー・バー・メーネルト(E、H,Mehnert)によ
る東ドイツ特許第65 320号において説明されてい
る。この特許においては、光源から異なった距離をおい
て配置された2つの表面の照度を測定することによって
、点光源からの距離が測定される。A further method of distance measurement based on the "inverse square law" is described in East German Patent No. 65 320 by E. H. Mehnert. In this patent, distance from a point light source is determined by measuring the illumination of two surfaces placed at different distances from the light source.
この方法を実施するためには3つの異なった装置が存在
する。第1の装置は、遠距離光学系の後に、物体からは
異なった距離をおいて配置された2つの光検出器を用い
た、広領域照射表面の測定に基づいている。この遠距離
光学系では、検出器表面上における、物体の小さな領域
のみの明確な結像が可能であり、物体を変位すると物体
スポットのみが検出器上にぼんやりと結像され、物体が
極めて小さいものでない限り、したがって小さな光スポ
ットでない限り、像の照度は変わらない。There are three different devices for implementing this method. The first device is based on the measurement of a large-area illuminated surface using two photodetectors placed at different distances from the object after a long-range optical system. This long-range optical system allows clear imaging of only a small area of the object on the detector surface, and when the object is displaced, only the object spot is vaguely imaged on the detector, making the object extremely small. The illuminance of the image does not change unless it is a small light spot.
したがって、前述の特許の請求項2および3による装置
は機能を果たせない。Therefore, the device according to claims 2 and 3 of the above-mentioned patent is not functional.
第2の装置においては、光源として赤外線ダイオード、
したがって物体上では小さな光スポットが利用される。In the second device, an infrared diode as a light source;
A small light spot is therefore utilized on the object.
この光源の放射線は少なくとも1つの受光器によって測
定される。送光器の放射強度を一定に保つと、装置の赤
外線ダイオードからの距離が「逆二乗法則」から直接測
定され、たとえば半反射鏡を用いて実現され得るように
、光軸内に、しかしなから異なる間隔をもって配置され
る2つの受光器が存在する場合は、距離測定は光源の放
射線強度に従属しない。The radiation of this light source is measured by at least one receiver. Keeping the radiant intensity of the transmitter constant, the distance of the device from the infrared diode can be measured directly from the "inverse square law", and the distance within the optical axis, but also If there are two receivers arranged with different distances from the distance, the distance measurement is independent of the radiation intensity of the light source.
光検出器によって測定された照度と、距離との間の関係
は方形であって線形ではない。最新のディジタル信号処
理装置を用いると、「逆二乗法則」を解くことは困難で
はない。しかしなから、測定された量と距離との間に線
形作用が存在する場合とは異なり、測定誤差は一定では
なく、第1の微分として、望ましい値からの偏差に1次
従属する。The relationship between the illuminance measured by the photodetector and the distance is rectangular and not linear. Using modern digital signal processing equipment, solving the "inverse square law" is not difficult. However, unlike the case where there is a linear action between the measured quantity and the distance, the measurement error is not constant, but is linearly dependent, as a first derivative, on the deviation from the desired value.
さらに、この装置の前記第2の実施例は、赤外線ダイオ
ードが受光器の光軸内に正確に置かれねばならないとい
う欠点を有する。さもなくば、光検出器信号は物体の距
離と、もはや明瞭には関連づけられ得ない。Furthermore, said second embodiment of the device has the disadvantage that the infrared diode must be placed precisely in the optical axis of the receiver. Otherwise, the photodetector signal can no longer be unambiguously related to the distance of the object.
この後半の事実を考慮して、第3の実施例においては、
光源、詳細にはレーザは測定装置の光軸内に直接に配置
されており、この装置の構造についての詳細な説明は以
下において、第3図に基づいてなされるであろう。しか
しなから、この第3の実施例においても、検出器信号と
物体の距離゛との間のリンクは非線形であり、それは評
価能力および測定精度に少なからぬ影響を及ぼすことが
ここに指摘される。Considering this latter fact, in the third embodiment,
The light source, in particular the laser, is arranged directly in the optical axis of the measuring device, the detailed description of the construction of which will be given below on the basis of FIG. However, it is pointed out here that even in this third embodiment, the link between the detector signal and the object distance is nonlinear, which has a considerable effect on the evaluation ability and measurement accuracy. .
「逆二乗法則」に基づく第3の方法が、1987年12
月19日出願のドイツ特許出願節P37 43 194
.3号の主題である。これにおいてちまた、距離の情報
は、物体から異なった距離にある2つの光検出器の照度
から得られる。照射された光スポットから発する拡散放
射線は光学系によって焦点を合わされる。しかしなから
焦点合わせは、ジェイ・エルφボアル(J、 L、
P。A third method based on the "inverse square law" was introduced in December 1987.
German Patent Application Section P 37 43 194 filed on March 19th
.. This is the subject of issue 3. Here again, distance information is obtained from the illuminance of two photodetectors at different distances from the object. Diffuse radiation emanating from the illuminated light spot is focused by an optical system. However, focusing is done by J.L.Boal (J, L,
P.
111eux)およびジエイ・トウーレ(J、 Tou
rret)が米国特許節3 719 421号において
説明したように対物レンズを用いて2次元においてなさ
れるのではなく、円柱ミラーを用いて1次元においての
みなされる。円柱形光学系の焦線内にその内の1つが配
置される光検出器は、装置に入る全光線を1次元で測定
する。この構造の実施例は、1次元の焦点合わせが行な
われず、検出器の位置が特定されていない、ニー・バー
Φメーネルト(E、H,Mehnert)による東ドイ
ツ特許第65 320号とは異なる。新しい方法は、測
定される距離の、測定された検出器信号の商への1次従
属性を提供する。この方法の基礎となる装置については
、第6図に関連して詳細な説明がなされる。111eux) and J. Tou
rret) is not done in two dimensions using an objective lens as described in US Pat. No. 3,719,421, but only in one dimension using a cylindrical mirror. A photodetector, one of which is placed within the focal line of the cylindrical optical system, measures in one dimension all the light rays entering the device. This construction example differs from East German Patent No. 65 320 by E. H. Mehnert, where no one-dimensional focusing is performed and the position of the detector is not specified. The new method provides a linear dependence of the measured distance on the quotient of the measured detector signal. The device on which this method is based will be described in detail in connection with FIG.
この発明の課題は、正確な距離測定装置あるいは距離計
を提供するために、測定される距離に1次従属する出力
信号が生み出されるように、前述のような、「逆二乗法
則」に基づく周知の方法をさらに発展させることである
。さらに、予め定められた測定領域に対して測定精度は
最適であるべきである。The object of the invention is to provide an accurate distance measuring device or rangefinder, in which an output signal is produced that is linearly dependent on the distance being measured, as described above, based on the well-known "inverse square law". The goal is to further develop this method. Furthermore, the measurement accuracy should be optimal for the predetermined measurement area.
この課題は、密に焦点を合わせられた平行ビームの入射
の後、物体によって反射された光束が光学装置において
焦点を合わされ、部分ビームのビーム強度の測定が光学
系の焦点面において行なわれることによって解決される
。光検出器は1次元において、ビームの直径と等しいか
あるいはそれより大きい。This task is solved by the fact that, after the incidence of a closely focused parallel beam, the light flux reflected by the object is focused in an optical device and the measurement of the beam intensity of the partial beams is carried out in the focal plane of the optical system. resolved. The photodetector is equal to or larger than the beam diameter in one dimension.
図面に関連して、対応する装置の新規な方法および例が
以下においてより一層詳細に説明される。The novel method and examples of corresponding devices are explained in more detail below in connection with the drawings.
第1図は「逆二乗法則」を図解する。これは、球面を通
過する、前記球体の中央の点光源12から発する光の全
体量が、吸収が全くない場合、球体の半径14に依存し
ないという事実に基づいている。光源12の等方性の照
射のために、これは球面部分の照度Eが球面の半径の二
乗に逆比例することを意味する。Figure 1 illustrates the "inverse square law." This is based on the fact that the total amount of light emanating from a point source 12 in the center of said sphere, which passes through the sphere, is independent of the radius 14 of the sphere in the absence of any absorption. Due to the isotropic illumination of the light source 12, this means that the illumination E of the spherical section is inversely proportional to the square of the radius of the sphere.
したがって、周知の等方性照射の場合、検出器上の照度
に基づいて、前記検出器の光源からの距離が測定される
。拡散散乱物体が点照射される場合は、等方性は小さな
観測角17内においてほぼ保証される。このように、「
逆二乗法則」に基づいて距離測定装置が構成される。Thus, in the case of known isotropic illumination, the distance of said detector from the light source is determined based on the illuminance on the detector. If the diffuse scattering object is point-illuminated, isotropy is almost guaranteed within a small observation angle 17. in this way,"
The distance measuring device is constructed based on the "inverse square law".
第2図は「逆二乗法則」に基づく方法の、周知の実施例
を示す。FIG. 2 shows a well-known embodiment of a method based on the "inverse square law".
半反射鏡22および対物レンズ23を含む光学系によっ
て、まず物体11が点状に照射され、この光スポットが
前記対物レンズ23によって像点24に結像される米国
特許第3 719 421号については始めに簡単に述
べられた。光スポット12から発する放射線はビームス
プリッタミラー26によって2つの部分ビーム25.2
5′に細分され、これらは第1の実施例においては、2
つのピンホールダイヤフラム27.27’に向けて方向
づけられる。これらのダイヤフラムの1つ27′は像点
24′の前に、もう一方のダイヤフラム27は像点24
の後に置かれる。ダイヤフラム27.27′を通過する
放射束は2つの光検出器28.28′によって測定され
、対応する電気信号の差29が形成される。ダイヤフラ
ム27.27′の孔が同じサイズであり、かつダイヤフ
ラムの、点24.24′からの反対側の距離が等しい場
合、光束の大きさは等しく、シたがって信号差29は消
失する。物体11の測定装置20からの距離15が異な
ると、対応する像点24.24′の位置もまた変位する
。それらの、ダイヤフラム27.27′に対する距離、
したがって検出器28.28′に到達する光の量もまた
変化する。No. 3,719,421, in which the object 11 is first illuminated point-wise by an optical system comprising a semi-reflector 22 and an objective lens 23, and this light spot is imaged by said objective lens 23 onto an image point 24. It was briefly mentioned at the beginning. The radiation emanating from the light spot 12 is divided into two partial beams 25.2 by a beam splitter mirror 26.
5', which in the first embodiment are subdivided into 2
pinhole diaphragms 27, 27'. One of these diaphragms 27' is in front of the image point 24', the other diaphragm 27 is in front of the image point 24'.
placed after. The radiation flux passing through the diaphragm 27.27' is measured by two photodetectors 28.28' and a corresponding electrical signal difference 29 is formed. If the holes in the diaphragm 27, 27' are of the same size and the distances of the opposite sides of the diaphragm from the point 24, 24' are equal, the magnitude of the luminous flux is equal and the signal difference 29 therefore disappears. If the distance 15 of the object 11 from the measuring device 20 is different, the position of the corresponding image point 24,24' will also be displaced. their distance to the diaphragm 27.27';
The amount of light reaching the detector 28, 28' therefore also changes.
これによって、本来はOであった差信号29が変化する
ことになる。狭い領域内においては、すなわち像点24
.24′とダイヤフラム27.27′との間の距離が反
対側にほぼ等しい場合、差信号29は物体一対物レンズ
距離15に1次従属する。しかしなから、像点24.2
4’の1つがダイヤフラム27.27′の1つに接近す
ると、差29は最大値に接近し、次に再び減少する。As a result, the difference signal 29, which was originally O, changes. Within a narrow area, that is, the image point 24
.. If the distances between 24' and the diaphragms 27, 27' are approximately equal on the opposite side, the difference signal 29 is linearly dependent on the object-to-objective distance 15. However, the image point is 24.2
4' approaches one of the diaphragms 27, 27', the difference 29 approaches a maximum value and then decreases again.
このように、米国特許第3 719 421号に記載さ
れた方法は、限定され、予め定められた領域内における
、物体の測定装置からの距離を正確に検出するためには
おそらく適切であろうが、距離測定全般には適していな
い。実際、前記の狭い領域外においては、差信号を物体
−測定装置の距離と関連づけて考えることさえ曖昧であ
る。Thus, although the method described in U.S. Pat. , not suitable for distance measurement in general. In fact, outside the narrow range mentioned above, it is ambiguous to even consider the difference signal in relation to the object-measuring device distance.
物体表面11上の散乱光点12の放射線強度はその特性
に大きく依存する。したがって、信号差29もまたその
物体に依存する。このように、限定された距離領域15
内においては、量29から、望ましい値とは異なる実際
の位置の方向に関する情報が得られるが、水平変位につ
いての有効な大きさに関する情報は得られない。したが
って、この方法によっては、物体への実際の距離がそこ
から決定され得る有効な出力信号を提供する測定装置を
作り出すことは不可能である。The radiation intensity of the scattered light spot 12 on the object surface 11 largely depends on its properties. Therefore, the signal difference 29 also depends on the object. In this way, the limited distance area 15
Within, quantity 29 provides information about the direction of the actual position, which differs from the desired value, but does not provide information about the effective magnitude of the horizontal displacement. Therefore, by this method it is not possible to create a measuring device that provides a valid output signal from which the actual distance to the object can be determined.
前述の距離測定方法は、物体11によって後方散乱され
た光の強度測定に基づいている。この方法の信頼性のた
めに必要な基準は、できる限り拡散する後方散乱の存在
である。したがって、拡散散乱に加えて反射が起こると
、信号差29は、光点12における物体11の表面の、
測定装置20の光軸16に対する傾斜に大きく依存する
。2つのダイヤフラムのうちの1つ27′を中央遮蔽物
27″を有するミラー(この発明の別のさらなる実施例
)に取替えることによって、不拡散後方散乱のための測
定誤差は、物体表面11の同時傾斜の際には減じられ得
る。The distance measurement method described above is based on measuring the intensity of the light backscattered by the object 11. A necessary criterion for the reliability of this method is the presence of backscatter that is as diffuse as possible. Therefore, when reflection occurs in addition to diffuse scattering, the signal difference 29 is
It depends largely on the inclination of the measuring device 20 with respect to the optical axis 16. By replacing one of the two diaphragms 27' with a mirror with a central shield 27'' (another further embodiment of the invention), the measurement error due to non-diffuse backscattering is reduced to the simultaneous It can be reduced during tilting.
第3図は、距離測定が「逆二乗法則」に基づく、もう1
つの周知の方法を示す。この方法はニー・バー・メーネ
ルト(E、 H,Mehn e r t)による東ドイ
ツ特許第65 320号において説明されており、その
内2つの実施例については既に説明された。Figure 3 shows another example in which distance measurement is based on the inverse square law.
Two well-known methods are shown. This method is described in East German Patent No. 65 320 by E. H. Mehnert, two embodiments of which have already been described.
第3の実施例によると、レーザ光線送光器の形態による
光源21は測定装置20の光軸内に配置され、これはま
たビーム分割ミラー26.26′、26′を用いること
によって可能である。レーザ光源21は密な光束31を
発するので、物体上には点状の光スポット12が形成さ
れ、これは測定装置の光軸16を規定する。2つの受光
器28.28′ もまたこの先軸16内に置かれるが、
光スポットから発する光ビーム33内においては異なる
距離32に配置される。これは2つのビーム分割ミラー
26.26’を挿入することによって可能である。レー
ザ出力は、第3の部分ビームの減結合26′、および光
検出器28′の追加によって制御される。According to a third embodiment, a light source 21 in the form of a laser beam transmitter is arranged in the optical axis of the measuring device 20, which is also possible by using beam splitting mirrors 26, 26', 26'. . The laser light source 21 emits a dense beam 31, so that a point-like light spot 12 is formed on the object, which defines the optical axis 16 of the measuring device. Two receivers 28, 28' are also placed in this front shaft 16, but
They are arranged at different distances 32 within the light beam 33 emanating from the light spot. This is possible by inserting two beam splitting mirrors 26,26'. The laser power is controlled by decoupling 26' of the third partial beam and adding a photodetector 28'.
光検出器28.28′の測定された照度と、距離15と
の間の関係は線形ではなく、「逆二乗法則」のために検
出器信号に2次従属する。ディジタル信号処理手段34
は対応する方程式系の解が容易に得られることを保証す
る。しかしなから、δ−1定された量と距離15との間
に線形作用が存在する場合とは異なり、測定誤差は一定
ではなく、望ましい値からの偏差に1次従属し、これは
距離測定装置における重大な欠点である。The relationship between the measured illuminance of the photodetector 28, 28' and the distance 15 is not linear, but quadratically dependent on the detector signal due to the "inverse square law". Digital signal processing means 34
ensures that the solution of the corresponding system of equations is easily obtained. However, unlike the case where there is a linear action between the δ-1 fixed quantity and the distance 15, the measurement error is not constant, but is linearly dependent on the deviation from the desired value, which is This is a serious drawback in the device.
第4図は、1987年12月19日に出願されたドイツ
特許出願節P 37 43 194.3号にも記載さ
れているような、よりあたらしい距離測定方法の原理を
示す。FIG. 4 shows the principle of a newer distance measuring method, as also described in German Patent Application No. P 37 43 194.3, filed on December 19, 1987.
この距離測定方法は「逆二乗法則」に基づいている。そ
の基本原理は、物体11の表面上の拡散光散乱光スポッ
ト12の光強度を測定することである。光スポット12
は、レーザ光源21が光軸16内に配置されること(第
4図には示されず)によって形成される。This distance measurement method is based on the "inverse square law." Its basic principle is to measure the light intensity of a diffused light scattering light spot 12 on the surface of an object 11. light spot 12
is formed by placing a laser light source 21 in the optical axis 16 (not shown in FIG. 4).
照射された光スポット12からの拡散放射線33は焦点
合わせ手段、たとえば対物レンズ23によって焦点を合
わされる33′。収束ビーム内には2つの光検出器28
.28′が配置される。−方の光検出器28は拡張ビー
ム内に置かれ、もう一方の光検出器28′は光学系の焦
点41、すなわち平行な光束42が焦点を合わせられる
であろう点に置かれる。。平行ビーム33′における光
の強度分布は均一であると仮定される。この仮定に基づ
いて、ビーム33′の収束角44は測定された光強度か
ら測定され得、レンズ式に基づいて、求められる物体距
離45も得られる。Diffuse radiation 33 from the illuminated light spot 12 is focused 33' by a focusing means, for example an objective lens 23. There are two photodetectors 28 in the focused beam.
.. 28' is placed. - one photodetector 28 is placed in the expanded beam, and the other photodetector 28' is placed at the focal point 41 of the optical system, ie at the point on which the parallel beam 42 will be focused. . It is assumed that the light intensity distribution in the parallel beam 33' is uniform. Based on this assumption, the convergence angle 44 of the beam 33' can be determined from the measured light intensity and, based on the lens equation, the determined object distance 45 can also be obtained.
このように、この方法の作動にとって最も重要な必要条
件は、物体11上における、できる限り組織されない、
一定の拡散光散乱の存在である。Thus, the most important requirement for the operation of this method is that as little organization as possible on the object 11 be achieved.
The presence of constant diffuse light scattering.
理想的なランバートの後方散乱において、第5図に示さ
れたように、広角領域にわたる放射線の均一性が保証さ
れる。たとえばレーザ光源21のビームが角度51で入
射し、可変角52において観測される。ランバートの法
則によると、観測角52において測定された放射線は、
この角52のコサインによって分割されて、一定の値で
提供される。In ideal Lambertian backscattering, uniformity of the radiation over a wide angle region is guaranteed, as shown in FIG. For example, a beam from a laser light source 21 is incident at an angle 51 and observed at a variable angle 52 . According to Lambert's law, the radiation measured at the observation angle 52 is
It is divided by the cosine of this angle 52 and provided as a constant value.
第6図は、第5図による方法の実施例を示す。FIG. 6 shows an embodiment of the method according to FIG.
本質的な相違として、レーザ光源および検出器を軸上に
配置するために、ミラーが挿入されている。The essential difference is that a mirror is inserted to position the laser source and detector on-axis.
光源、特にレーザ光源21によって、61の中空ミラー
を通過した後、物体11上に作られた光スポット12は
、拡散放射線を発する。ビームの束33によって表わさ
れた、この一部は距離測定装置20内に入り、中空ミラ
ー61.81によって焦点を合わせられる33′。しか
しなから、焦点合わせは対物レンズ23を用いて2次元
では行なわれず、たとえば円柱状放物面ミラー61によ
って1次元でのみ行なわれる。レーザの光源21は、2
つの光検出器28.28′とともに、同じ光軸16内に
置かれ、これは光分割ミラー26を配置することによっ
て可能となる。検出器の1つ28′は円柱状放物面ミラ
ーの焦線63内に置かれ、その焦線は、この装置に入る
平行ビーム42が結像されるすべての点の軌跡63とし
て規定されている。検出器28.28′は、この装置に
入る焦点の合っていない全ビームをそれらが1次元にお
いて検出することができるように、寸法状めされる。A light spot 12 created by a light source, in particular a laser light source 21, on the object 11 after passing through the hollow mirror 61 emits diffuse radiation. A portion of this, represented by the beam bundle 33, enters the distance measuring device 20 and is focused 33' by a hollow mirror 61.81. However, focusing is not performed two-dimensionally using the objective lens 23, but only one-dimensionally using the cylindrical parabolic mirror 61, for example. The laser light source 21 is 2
Together with the two photodetectors 28, 28', they are placed in the same optical axis 16, which is made possible by arranging the light splitting mirror 26. One of the detectors 28' is placed in the focal line 63 of a cylindrical parabolic mirror, which focal line is defined as the locus 63 of all points on which the parallel beam 42 entering the device is imaged. There is. The detectors 28, 28' are dimensioned so that they can detect in one dimension all the unfocused beams entering the device.
第7図は、側面図および平面図で、円柱放物面ミラー6
1ならびに、ミラー61の反射前の対応の光学距離33
および反射後の光学距離33′を示し、かつ図解を容易
にするために、90°以外の反射角が選択されている。FIG. 7 shows a side view and a plan view of the cylindrical parabolic mirror 6.
1 and the corresponding optical distance 33 before reflection of mirror 61
and the optical distance 33' after reflection, and a reflection angle other than 90° has been chosen for ease of illustration.
この方法によると、測定される距離は7Il11定され
る検出器信号の商に1次従属することになる。検出器2
8′あるいは28上の信号E28′あるいはE28と、
物体11上の光スポット12からの距離との間の関数的
リンクは下記の関係によって与えられる。According to this method, the measured distance will be linearly dependent on the quotient of the detector signal determined by 7Il11. Detector 2
signal E28' or E28 on 8' or 28;
The functional link between the distance from the light spot 12 on the object 11 is given by the relationship below.
距離−(E2 a ’ /E2 a ) *C,−c2
上記において、2つの定数C,,C2は装置に特有であ
り、光軸において測定された、光スポ・ット12と検出
器28.28′との間の距離にもっばら依存する。Distance - (E2 a'/E2 a) *C, -c2
In the above, the two constants C, , C2 are device specific and depend mostly on the distance between the light spot 12 and the detector 28, 28', measured in the optical axis.
レーザ光源21を調整することによって可能な、光検出
器28の信号の、予め定められた固定値での保持がなさ
れると、この距離の公式はさらに単純化され、信号を割
算する必要はなくなる。If the signal of the photodetector 28 is held at a predetermined fixed value, which is possible by adjusting the laser light source 21, the formula for this distance is further simplified, and it is no longer necessary to divide the signal. It disappears.
この発明による方法の他の実施例が第8図に示される。Another embodiment of the method according to the invention is shown in FIG.
上述の円柱放物面ミラー61は双焦点放物面ミラー81
に取替えられる。The above-mentioned cylindrical parabolic mirror 61 is a bifocal parabolic mirror 81
will be replaced by
第7図に示されたように、円柱放物面ミラー61は大変
幅の広い検出器28.28′を必要とするであろう。反
射ビームの幅33′を限定するために、したがってまた
光検出器28.28′の幅71.71′を減じるために
、双焦点放物面ミラー81の形態による双焦点焦点合わ
せ手段を使用することは有利であることが証明された。As shown in FIG. 7, a cylindrical parabolic mirror 61 would require a very wide detector 28,28'. In order to limit the width 33' of the reflected beam and thus also to reduce the width 71.71' of the photodetector 28.28', bifocal focusing means in the form of a bifocal parabolic mirror 81 are used. This proved advantageous.
対称面に対する焦点距離は幾何学的状況に合わされた。The focal length relative to the plane of symmetry was adjusted to the geometrical situation.
一方、前記対称面に対する垂直方向では、前者の半分の
焦点距離が選択された。その結果、対称面に対して垂直
方向のビームは、ミラー81と、第6図かられかる、中
空ミラー81の焦線63(対象面に対して直角)との間
のおよそ半分の距離において焦点を合わされることにな
る。このようにして、光検出器28.28′の幅71.
71′のより望ましい寸法が得られる。On the other hand, in the direction perpendicular to the plane of symmetry, a focal length half the former was selected. As a result, the beam perpendicular to the plane of symmetry is focused at approximately half the distance between the mirror 81 and the focal line 63 of the hollow mirror 81 (perpendicular to the object plane), as shown in FIG. will be combined. In this way, the width 71. of the photodetector 28.28'.
A more desirable dimension of 71' is obtained.
第8図は、双焦点放物面ミラー81を有する距離測定装
置の構成を示す。プロトタイプの実施例においては、9
0”の反射角が選択された。双焦点放物面ミラーの焦点
距離は5cmおよび2.5cmある。FIG. 8 shows the configuration of a distance measuring device having a bifocal parabolic mirror 81. In the prototype embodiment, 9
A reflection angle of 0'' was chosen. The focal lengths of the bifocal parabolic mirror are 5 cm and 2.5 cm.
ターゲット10上の光スポット12が等方性放射源であ
り、したがって照射された光パワーは各々の立体角エレ
メントが等しい限り、「逆二乗法則」に基づく前述の距
離測定方法に問題はない。As long as the light spot 12 on the target 10 is an isotropic radiation source and therefore the irradiated light power is equal for each solid angle element, there is no problem with the distance measurement method described above based on the "inverse square law".
これは概して自己照明光源の場合にあてはまる。This is generally the case for self-illuminating light sources.
この条件はまた、物体が入射光線の理想的な拡散散乱を
引き起こし、かつ光スポツト12内の標準表面が測定装
置20の光軸16と一致すれば、間接照明の場合におい
ても大部分は満たされる。光反射のような、理想的なラ
ンバートの散乱(第5図)からの偏差は、光検出器28
.28′の平面45.45′における局部強度のゆらぎ
に、したがって距離測定の歪につながる。 第9図はブ
ラッグ角効果、すなわちランバートの法則からの少なか
らぬ偏差を示す。光スポットからの照射は、光の入射角
によって分割され、観測角52の関数として、0°、3
0°、45°および60°の4つの異なる入射角51に
プロットされる。サンプルは、部分的に反射する、圧縮
されたBaSO4である。入射角が異なる、著しい反射
は拡散成分とは区別され得ることが明らかである。先人
射角51が観測角52に対応せずとも、そのような反射
は強度測定の著しい歪に、したがって物体の距離の誤訳
につながることが明らかである。したがって、この妨害
の影響を純粋な拡散散乱から除去する方法が求められね
ばならない。 ジエイ・エル・ポアル(J、L、Pot
1leux)およびジエイ0トウーレ(J、Tour
ret)による米国特許第3 719 421号から推
定され得るように、この問題は認識されていた。光学距
離の幾何学的配列の修正、すなわちビーム25′の中央
におけるダイヤフラム27′の遮閉物27′との交換に
基づく、対応策がその中に記載されている。This condition is also largely fulfilled in the case of indirect illumination, if the object causes ideal diffuse scattering of the incident light beam and the standard surface in the light spot 12 coincides with the optical axis 16 of the measuring device 20. . Deviations from ideal Lambertian scattering (FIG. 5), such as light reflection, are detected by the photodetector 28.
.. 28' leads to local intensity fluctuations in the plane 45.45' and thus to distortions of the distance measurements. FIG. 9 shows the Bragg angle effect, ie the considerable deviation from Lambert's law. The illumination from the light spot is divided by the angle of incidence of the light, and as a function of the observation angle 52, 0°, 3
Plotted at four different angles of incidence 51: 0°, 45° and 60°. The sample is partially reflective, compressed BaSO4. It is clear that significant reflections with different angles of incidence can be distinguished from the diffuse component. It is clear that even if the forerunner angle 51 does not correspond to the observation angle 52, such reflections lead to a significant distortion of the intensity measurement and thus to a misinterpretation of the distance of the object. Therefore, a method must be sought to remove the effects of this interference from pure diffuse scattering. J, L, Pot
1 leux) and J, Tour
This problem was recognized, as can be deduced from US Pat. No. 3,719,421 by Ret. A countermeasure is described therein which is based on a modification of the geometry of the optical distances, ie replacement of the diaphragm 27' with the shield 27' in the center of the beam 25'.
距離測定のゆらぎを除去するためのもう1つの方法は、
光源12によって発せられた放射線の偏光特性の利用に
基づいており、これについてはドイツ特許出願第P
37 43 194.3号を参照されたい。反射の際に
は、入射ビームの偏光は保持され、一方拡散散乱は実質
的に偏光されていないと仮定される。しかしなから、平
行光線についても、あるいは入射平面に対して直角に偏
光された光についても拡散散乱の完全な偏光解消はあり
得ない(ゲー・コルテユーム「反射分光学」シュブリン
ガー フエアラーク 1969年、38頁(G、 Ko
r t iim “Reflexionspekt
roskopie”、Springer Verla
g 1969.p、38))が、しかしなからこの影
響は概して大変小さい。Another way to remove fluctuations in distance measurements is to
It is based on the use of the polarization properties of the radiation emitted by the light source 12, as described in German patent application no.
37 43 See No. 194.3. Upon reflection, the polarization of the incident beam is preserved, while the diffuse scattering is assumed to be substantially unpolarized. However, complete depolarization of diffuse scattering is impossible, neither for parallel rays nor for light polarized at right angles to the plane of incidence (G. Corteum, "Reflection Spectroscopy," Schbringer Verlag 1969, 38. Page (G, Ko
r t iim “Reflexion speckt
Springer Verla
g 1969. p, 38)), but this effect is generally very small.
反射放射線成分の効率的な減結合は、線形および円形の
偏光子を含む光学絶縁体64(第6図)を用いることに
よって達成され得る。この方法によると、まず1次ビー
ムが一方方向において円形偏光され、反対方向において
円形状に偏光された放射線成分が測定される。Efficient decoupling of reflected radiation components can be achieved by using an optical insulator 64 (FIG. 6) that includes linear and circular polarizers. According to this method, the primary beam is first circularly polarized in one direction, and the radiation component circularly polarized in the opposite direction is measured.
レーザ光源21の場合に部分的にあてはまるように、光
源が既に偏光された光を発する場合には、望ましくない
反射ビームの、所望された拡散散乱ビームからの分離が
、中空ミラー61.81の後に偏光子65′を挿入する
ことによって(第14図に示されたように)−層容易に
行なわれ得る。If the light source emits light that is already polarized, as is partly the case in the case of the laser light source 21, the separation of the unwanted reflected beam from the desired diffusely scattered beam is effected after the hollow mirror 61.81. By inserting a polarizer 65' (as shown in FIG. 14) - layering can be easily done.
レーザ光源21と偏光子65′との偏光方向が互いに直
角をなしているのが有利である。また、レーザの偏光方
向を中空ミラーの対象面に対して45°だけ回転させる
のが有利である。2つの偏光方向を上記のように垂直配
列するために、ビームスプリッタ26に当たるビームの
偏光方向はビームスプリッタの反射平面に対して一45
°だけ回転させられる。このようにして、第10図から
結論づけられるように、ビーム分割条件の、偏光強度あ
るいは入射ビーム33′の偏光解消への依存が消失する
。Advantageously, the polarization directions of laser light source 21 and polarizer 65' are at right angles to each other. It is also advantageous to rotate the polarization direction of the laser by 45° relative to the object plane of the hollow mirror. In order to align the two polarization directions perpendicularly as described above, the polarization direction of the beam impinging on the beam splitter 26 is aligned with respect to the reflection plane of the beam splitter 26.
Can be rotated by °. In this way, as can be concluded from FIG. 10, the dependence of the beam splitting condition on the polarization intensity or depolarization of the incident beam 33' disappears.
第6図の説明に関して、光検出器28上の信号を固定さ
れた、予め定められた値に保つことは評価のために有利
であり、これはレーザ光源21を調整することによって
可能であると述べられた。Regarding the description of FIG. 6, it is advantageous for the evaluation to keep the signal on the photodetector 28 at a fixed, predetermined value, which is possible by adjusting the laser light source 21. stated.
この方法は当然、距離15および物体表面11の特性に
応じて、光源21が全く異なる出力レベルにおいて作動
されねばならないことを意味し、これは以下において説
明される問題に通ずる。This method naturally means that depending on the distance 15 and the properties of the object surface 11, the light source 21 has to be operated at quite different power levels, which leads to the problem explained below.
偏光され、作動された半導体レーザの偏光度は出力に依
存する。したがって、780nmで作動する、典型的な
GaAsレーザの放射ビームは全出力で95%偏光され
るが、低減された出力においては、偏光度は70%まで
降下し得る。これは、より低いレーザ出力においては、
すなわち物体の距離15が長いか、あるいは物体表面1
1の吸収が強い場合、反射された放射線成分は拡散散乱
された放射線成分からもはや効率的には分離されていな
いことを意味する。場合によっては、この問題は、偏光
されたレーザ21を、偏光子65(第8図)を有する偏
光されないレーザ光源に置換えることによって除去され
得るであろう。The degree of polarization of a polarized and activated semiconductor laser is power dependent. Thus, the radiation beam of a typical GaAs laser operating at 780 nm is 95% polarized at full power, but at reduced power the degree of polarization can drop to 70%. This means that at lower laser powers,
In other words, the distance 15 of the object is long, or the object surface 1
If the absorption of 1 is strong, it means that the reflected radiation component is no longer efficiently separated from the diffusely scattered radiation component. In some cases, this problem could be eliminated by replacing polarized laser 21 with an unpolarized laser light source having a polarizer 65 (FIG. 8).
半導体レーザが電気的に負荷を加えられる場合、その光
学出力に変化をもたらすのみならず、エネルギバンドギ
ャップの温度依存性のために、その放出波長もまた容易
に変化し得る。ビームスプリッタ26の透過あるいは反
射力の、波長に対する弱い依存関係のために、入射ビー
ム33の2つの部分ビーム25.25′への分割は、レ
ーザ光源21の出力に容易に依存する。この1IIJ定
方法においては、この強度条件の変化は測定装置に対す
る物体の距離の変化として解釈される。ビームスプリッ
タ26を慎重に選択することによって、この測定誤差は
十分に考慮され得る。When a semiconductor laser is electrically loaded, it not only changes its optical output, but also its emission wavelength can easily change due to the temperature dependence of the energy bandgap. Due to the weak dependence of the transmission or reflection power of the beam splitter 26 on the wavelength, the splitting of the input beam 33 into the two partial beams 25, 25' is easily dependent on the power of the laser light source 21. In this 1IIJ determination method, this change in intensity condition is interpreted as a change in the distance of the object with respect to the measuring device. By carefully selecting the beam splitter 26, this measurement error can be fully accounted for.
出力によって引き起こされた、半導体レーザの偏光度の
変化によって、光スポット12においてさらに反射が生
じると、また別の距離測定誤差が生じる結果となり得る
。第10図に示されたように、入射ビーム33の、光入
射平面に対して平行に偏光された成分と、直角に偏光さ
れた成分とは、ビームスプリッタにおいて同じ量だけ反
射されることはない。特に、いわゆるブルースター角1
00においては、光入射平面に対して平行に偏光された
ビームの反射が消失し、一方、鉛直成分は、光入射角の
増加に伴なって絶えず増加する。しかしなから、この誤
差の原因は、第10図に示されたように、反射によって
引き起こされた偏光効果は小さな入射角に対しては限ら
れた程度に現われるにすぎないので、容易に除去され得
る。したがって、第6図の場合とは異なり、ビームスプ
リッタ26は45°ではなく、小さな角度で配置される
ことが明らかである。特に第10図によると、ビームス
プリッタ26の標準表面とビーム33′の光軸との間の
角度は、第11図に示されたように、20°より小さい
のが有利である。Further reflections in the light spot 12 due to power-induced changes in the degree of polarization of the semiconductor laser can result in further distance measurement errors. As shown in FIG. 10, the components of the incident beam 33 that are polarized parallel to and perpendicular to the plane of incidence are not reflected by the same amount at the beam splitter. . In particular, the so-called Brewster angle 1
00, the reflection of the beam polarized parallel to the plane of light incidence disappears, while the vertical component constantly increases with increasing light incidence angle. However, this source of error is easily removed since the polarization effect caused by reflection is only present to a limited extent for small angles of incidence, as shown in Figure 10. obtain. It is therefore clear that, unlike in FIG. 6, the beam splitter 26 is not arranged at 45°, but at a small angle. In particular, according to FIG. 10, the angle between the normal surface of the beam splitter 26 and the optical axis of the beam 33' is advantageously less than 20°, as shown in FIG.
しばしば、たとえばロボット光学においては、所与の領
域内における距離aP1定が極めて正確であることは大
変重要である。この場合、いわゆる中立面121を有す
る距離測定方法の実施が大変適切である。距離の望まし
い値のためには、2つの検出器28.28′の表面およ
び位置を、中空ミラー61.81によって受けられた収
束DJ定ビームの境界線が、検出器28.28′の光感
応層のエツジと正確に一致するように、固定することが
問題である。この実施例は第12図において示されるが
、ビームスプリッタ26は理解を容易にするために省略
されている。中立平面121に測定表面11を位置決め
すると、光検出器28.28′の光感応層は共に、大き
さに関してのみならず、形に関しても全く同じ立体角に
おいて光スポット12によって放射される。Often, for example in robot optics, it is very important that the distance aP1 determination within a given area is very accurate. In this case, implementing a distance measuring method with a so-called neutral plane 121 is very suitable. For the desired value of the distance, the surface and position of the two detectors 28.28' are such that the boundary of the converging DJ constant beam received by the hollow mirror 61.81 It is a matter of fixing it exactly in line with the edges of the layers. This embodiment is shown in FIG. 12, with beam splitter 26 omitted for ease of understanding. When positioning the measuring surface 11 in the neutral plane 121, the light-sensitive layers of the photodetectors 28, 28' are both illuminated by the light spot 12 at exactly the same solid angle not only in terms of size but also in terms of shape.
検出器は後方散乱および反射によって生み出された放射
束を検出し、したがって放射線の不均一性は何の影響も
及ぼし得ないので、中立平面121領域における距離測
定は、検出器表面の照度の均一性から完全に独立してい
る。The distance measurement in the neutral plane 121 region depends on the uniformity of the illumination on the detector surface, since the detector detects the radiant flux produced by backscatter and reflection, and therefore radiation inhomogeneities can have no effect. completely independent from.
中立平面121のために、光検出器28.28′の表面
および形を光学距離33.33′に正確に適合させる代
わりに、同じ検出器を使用し、それらの作用表面122
.122’を、ダイヤフラム123.123′を用いて
、予め定められた値に限定するのが有利である。同じ検
出器の使用は、同じ感度、温度依存性およびエージング
を保証するために、有利である。Because of the neutral plane 121, instead of adapting the surface and shape of the photodetectors 28.28' exactly to the optical distance 33.33', the same detectors are used and their working surfaces 122
.. Advantageously, 122' is limited to a predetermined value by means of diaphragms 123, 123'. The use of the same detector is advantageous in order to ensure the same sensitivity, temperature dependence and aging.
光検出器28.28′の光感応層あるいはダイヤフラム
123.123′は、それらが、中空ミラー61.81
によって反射されたすべての放射線33′を検出するよ
うに、寸法決めされる必要はないことが指摘されるべき
である。それらはまた、33′の一部のみが光検出器2
8.28′によって受けられるよう、寸法決めされ得る
。物体11が中立平面121に配置された場合、両光検
出器が全ぐ同じ立体角において光スポット12に出合う
ことのみが重要である。The photosensitive layer or diaphragm 123.123' of the photodetector 28.28' is connected to the hollow mirror 61.81.
It should be pointed out that it does not have to be dimensioned to detect all radiation 33' reflected by. They also have only a portion of 33' connected to the photodetector 2.
8.28'. If the object 11 is placed in the neutral plane 121, it is only important that both photodetectors meet the light spot 12 at exactly the same solid angle.
高い光強度および優れたビームの束のために、物体11
上に光スポット12を作るにはレーザ光源21が最適で
ある。しかしなから、これらの光源の高い色放射は欠点
につながる。レーザの小さな帯域幅はまた大きなコヒー
レンス長を意味する。Due to the high light intensity and excellent beam flux, the object 11
A laser light source 21 is optimal for creating a light spot 12 on the top. However, the high chromatic emission of these light sources leads to drawbacks. The laser's small bandwidth also means a large coherence length.
これは半導体レーザの場合、一般的には0.1mmから
0.5mmである。この大きなコヒーレンス長は、反射
され、散乱されたビームが光スポットのより広い領域に
わたって干渉し得ることを意味する。この結果、レーザ
光線に典型的な強度の揺らぎが生じ、これは照射された
表面の、いわゆるスペックルを有する「粒状」構造とし
て現われる。このスペックルは中空ミラー61.81に
よって、光検出器28.28′の光感応領域122、1
22′上に結像される。検出器あるいはダイヤフラムの
エツジによってビームが制限されると、強度の揺らぎが
生じ、それはそれらの測定精度が低減していることを明
示する。このスペックルに対する対策として、小さなコ
ヒーレンス長、したがって広い帯域幅を有する光源を使
用することが有利である。たとえば、単モードレーザの
代わりに多モードレーザを使用することが有利である。For semiconductor lasers, this is typically 0.1 mm to 0.5 mm. This large coherence length means that the reflected and scattered beams can interfere over a wider area of the light spot. This results in the typical intensity fluctuations in the laser beam, which appear as "grainy" structures with so-called speckles on the illuminated surface. This speckle is detected by the hollow mirror 61.81 in the photosensitive area 122, 1 of the photodetector 28.28'.
22'. When the beam is restricted by the edge of the detector or diaphragm, intensity fluctuations occur, manifesting in reduced accuracy of their measurements. To counteract this speckle, it is advantageous to use a light source with a small coherence length and therefore a wide bandwidth. For example, it is advantageous to use multimode lasers instead of single mode lasers.
第9図に示されたように、物体表面の光沢効果は、たと
えば第13図から明らかなように、距離の相当な不正確
を生ずる結果となり得る。白く、はぼ純粋な拡散散乱紙
131を用いると、光軸16の、標準表面134に対す
る傾斜角133の関数として、距離測定のために極めて
高い精度が得られる。しかしなから、黒い、あまり光沢
のない紙132の場合には、同じal定装置を用いても
、傾斜角134の関数として、極めて著しい依存性が見
られた。As shown in FIG. 9, gloss effects on object surfaces can result in considerable inaccuracies in distance, as is evident for example from FIG. 13. Using a white, almost pure, diffuse scattering paper 131 provides extremely high precision for distance measurements as a function of the inclination angle 133 of the optical axis 16 relative to the standard surface 134. However, in the case of black, less glossy paper 132, a very significant dependence was observed as a function of tilt angle 134, even using the same al-determining apparatus.
第10図に図解されたように、反射は偏光に大いに依存
するので、レーザ光源21の偏光方向を物体表面の傾斜
に適合させるのが好ましい。たとえば、これは、後方反
射された放射線33の反射部分を極小化することによっ
て、達成され得る。As illustrated in FIG. 10, since reflection is highly polarization dependent, it is preferable to adapt the polarization direction of the laser light source 21 to the inclination of the object surface. For example, this may be achieved by minimizing the reflected portion of back-reflected radiation 33.
この目的は、偏光子あるいは偏光されたレーザが回転さ
せられることによって、達成され得る。偏光方向を変化
させることによって、ターゲットの表面が、偏光特性を
有しているか、すなちわこの光線が部分的に拡散せずに
反射するかを、確定することが可能である。偏光方向の
変化が消失すると、偏光された放射線は存在せず、した
がって距M測定は信頼され得る。信号が消失しないと、
たとえば表示が提供されるか、あるいは偏光方向の位置
に関してより好ましい値が求められ得る。This objective can be achieved by rotating the polarizer or the polarized laser. By changing the polarization direction, it is possible to determine whether the surface of the target has polarizing properties, ie the light rays are partially reflected without being diffused. When the change in polarization direction disappears, there is no polarized radiation and therefore the distance M measurement can be trusted. If the signal does not disappear,
For example, an indication can be provided or a more preferred value can be determined regarding the position of the polarization direction.
レーザ光源21の偏光平面の他に、反射ビーム33′の
偏光平面もまた、その2つの偏光方向がさらに互いに直
角となるように、回転させられねばならないことが指摘
されるべきである。たとえば前者の回転は、レーザ光源
21自体を回転させることによって、四分の1波長板1
41’、偏光子65′を回転させることによって、ある
いはファラデー効果を用いて磁気によって行なわれ得る
。It should be pointed out that, in addition to the plane of polarization of the laser light source 21, the plane of polarization of the reflected beam 33' must also be rotated so that the two polarization directions are also at right angles to each other. For example, the former rotation can be achieved by rotating the quarter-wave plate 1 by rotating the laser light source 21 itself.
41', by rotating the polarizer 65', or magnetically using the Faraday effect.
しかしなからファラデー効果は、大変小さいために、長
いファラデーセルあるいは極めて高い磁場が使用されな
い限り、問題がある。ビーム33′の偏光を回転させる
ためには、偏光子65を、あるいはさらに四分の1波長
板141を選択的に回転させることが考えられる。四分
の1波長板141.141’、あるいは偏光子65.6
5′は、たとえばモータ142.142′を用いること
によって駆動され得る。However, the Faraday effect is so small that it is problematic unless long Faraday cells or very high magnetic fields are used. In order to rotate the polarization of the beam 33', it is conceivable to selectively rotate the polarizer 65 or even the quarter wave plate 141. Quarter wave plate 141.141' or polarizer 65.6
5' can be driven, for example, by using a motor 142, 142'.
四分の1波長板141.141′あるいは偏光子65.
65′を連続的に運動させる代わりに、それらはまた振
動させられ得る。光検出器28.28′上における交互
信号成分の消失は、純粋な拡散光散乱の存在を、したが
ってこの距離測定が信頼され得ることを意味する。Quarter wave plate 141.141' or polarizer 65.
Instead of moving 65' continuously, they can also be made to vibrate. The disappearance of alternating signal components on the photodetector 28, 28' indicates the presence of pure diffuse light scattering and therefore that this distance measurement can be trusted.
第1図は、「逆二乗法則」を示す。
第2図は、「逆二乗法則」に基づいた第1の、周知の測
定装置である。
第3図は、「逆二乗法則」に基づいた第2の、周知の測
定装置である。
第4図は、この発明による装置を示す。
第5図は、拡散光散乱についてのランバートの法則を示
す。
第6図は、この発明の方法に従って構成された装置の第
1の実施例である。
第7図は、平面図および側面図で、円柱凹面ミラーを有
する装置の光学距離を示す。
第8図は、双焦点ミラーを有する実施例に対応する表示
である。
第9図は、点照射され、部分的に反射する表面の観測角
の関数としての強度分布である。
第10図は、反射表面に対して平行および直角に偏光さ
れた光線の傾斜角の関数としての、ミラー上の光反射で
ある。
第11図は、ビーム分割ミラーの偏光特性の大部分が除
去された、この発明による装置の第2の実施例である。
第12図は、中立点測定方法の原理を図解する第3の実
施例である。
第13図は、強度に偏光する表面の、その傾斜角の関数
としての、距離測定である。
第14図は、偏光子あるいは四分の1波長板が動かされ
る、
この発明による装置の第4の実施例である。
図において、11は物体、12は光スポット、16は光
軸、20は測定装置、21は光源、28゜28′は光検
出器、61.81は中空ミラー、64は光学的絶縁物、
65.65’ は偏光手段、121は中立面、122.
122’は光感応層、123.123’ はダイヤフラ
ム、141は四分の一波長板を示す。
特許出願人 バラマー・エレクトリック・アー・ゲーFIG. 1 shows the "inverse square law". FIG. 2 shows a first known measuring device based on the "inverse square law". FIG. 3 shows a second, well-known measuring device based on the "inverse square law". FIG. 4 shows a device according to the invention. FIG. 5 shows Lambert's law for diffuse light scattering. FIG. 6 is a first embodiment of an apparatus constructed according to the method of the invention. FIG. 7 shows, in plan and side view, the optical distance of a device with a cylindrical concave mirror. FIG. 8 is a representation corresponding to an embodiment with a bifocal mirror. FIG. 9 is the intensity distribution as a function of observation angle for a point-illuminated, partially reflective surface. FIG. 10 is the light reflection on a mirror as a function of the inclination angle of a ray of light polarized parallel and perpendicular to the reflective surface. FIG. 11 shows a second embodiment of the device according to the invention, in which most of the polarization properties of the beam splitting mirror have been removed. FIG. 12 is a third embodiment illustrating the principle of the neutral point measuring method. FIG. 13 is a distance measurement of a strongly polarizing surface as a function of its tilt angle. FIG. 14 shows a fourth embodiment of the device according to the invention, in which the polarizer or quarter-wave plate is moved. In the figure, 11 is an object, 12 is a light spot, 16 is an optical axis, 20 is a measuring device, 21 is a light source, 28°28' is a photodetector, 61.81 is a hollow mirror, 64 is an optical insulator,
65.65' is a polarizing means, 121 is a neutral plane, 122.
122' is a photosensitive layer, 123 and 123' are diaphragms, and 141 is a quarter wavelength plate. Patent Applicant: Valamar Electric A.G.
Claims (34)
定装置から物体へと通過し、ターゲットによって反射さ
れた光が測定装置の光学系によって焦点を合わせられ、
焦点面の上流においてビームスプリッタによって2つの
部分ビームに分割され、それらの放射線強度が、共通の
光軸内ではあるが、ビームスプリッタからは異なる距離
にある2つの光検出器によって測定され、検出器の電流
が測定されるべき距離の関数として評価される、測定装
置と物体との間の光学的距離測定方法であり、 ターゲット表面によって反射された光が反射して測定装
置内へ焦点を合わされ、 2つの部分ビームのうちの1つの放射線強度の測定が、
光軸に対する、焦点内の、あるいは後方反射手段の焦線
内の標準平面として規定される、少なくとも1つの焦点
面において行なわれ、さらに、 光検出が、1次元に沿ってかつ、少なくとも測定装置内
に入射するビームと同じ量について行なわれる、 ことを特徴とする方法。(1) A tightly focused beam from a light source passes from the measurement device to the object, and the light reflected by the target is focused by the measurement device optical system;
upstream of the focal plane by a beam splitter into two partial beams whose radiation intensity is measured by two photodetectors located in a common optical axis but at different distances from the beam splitter; is an optical distance measurement method between a measuring device and an object in which the current is evaluated as a function of the distance to be measured, the light reflected by the target surface is reflected and focused into the measuring device, The measurement of the radiation intensity of one of the two partial beams is
in at least one focal plane defined as a standard plane relative to the optical axis, in the focal point or in the focal line of the back-reflecting means, and further light detection is carried out along one dimension and at least within the measuring device. A method characterized in that it is carried out for the same amount of beam as is incident on .
焦点を合わせられることを特徴とする、請求項1に記載
の方法。2. Method according to claim 1, characterized in that: (2) the light reflected back by the measurement surface is focused parabolically.
焦点を合わせられることを特徴とする、請求項1あるい
は2のいずれかに記載の方法。3. Method according to claim 1, characterized in that the light reflected back by the measurement surface is focused in one dimension.
焦点を合わせられることを特徴とする、請求項1あるい
は2のいずれかに記載の方法。4. Method according to claim 1, characterized in that the light reflected back by the measuring surface is focused bifocally.
表面特性に依存する光源の強度が、2つの光検出器のう
ちの1つの出力信号が一定であるように、連続的に調整
されることを特徴とする、請求項1から4のいずれかに
記載の方法。(5) The intensity of the light source, which depends on the distance of the measuring device from the object and on the surface properties of the latter, is continuously adjusted such that the output signal of one of the two photodetectors is constant. 5. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that:
光源の光強度を調整することによって一定の値に保たれ
ることを特徴とする、請求項5に記載の方法。(6) In particular, the photodetector closer to the beam splitter
6. Method according to claim 5, characterized in that it is kept at a constant value by adjusting the light intensity of the light source.
ムの検出の際、直接反射の際に得られた偏光状態は除去
されることによって、直接反射が抑制されることを特徴
とする、請求項1から6のうちの1つ以上に記載の方法
。(7) The beam impinging on the object is polarized, and upon detection of the two partial beams, the polarization state obtained during the direct reflection is removed, so that the direct reflection is suppressed. The method described in one or more of 1 to 6.
が、中空ミラーの対称面に対して45°だけ偏光される
ことを特徴とする、請求項7に記載の方法。8. Method according to claim 7, characterized in that, in order to suppress direct reflections, the beam impinging on the object is polarized by 45° with respect to the plane of symmetry of the hollow mirror.
徴とする、請求項7および8のうちの1つあるいは両者
に記載の方法。(9) A method according to one or both of claims 7 and 8, characterized in that the light source of the measuring device emits polarized light.
た狭いビームの束および入射する光束に共通の光学距離
内に配置された光学的絶縁物によって、直接反射が抑制
されることを特徴とする、請求項1から6のうちの1つ
以上に記載の方法。(10) direct reflection is suppressed by an optical insulator including a linear polarizer and a circular polarizer and placed within a common optical distance of the emitted narrow beam bundle and the incident beam bundle; 7. A method according to one or more of claims 1 to 6.
ビームの偏光が、ビームスプリッタに当たる光束の光軸
と、ビームスプリッタの標準表面との間の角が20°よ
り小さいことによって、妨げられることを特徴とする、
請求項1から10のうちの1つ以上に記載の方法。(11) characterized in that the polarization of the partial beams caused by reflection on the beam splitter is prevented by the angle between the optical axis of the beam impinging on the beam splitter and the standard surface of the beam splitter being smaller than 20°; ,
A method according to one or more of claims 1 to 10.
距離を有し、いわゆる中立面に置かれる場合、光検出器
の光感応表面が、大きさおよび形に関して全く同じ立体
角において光スポットに出会うように寸法決めされ、そ
れはたとえば、中空ミラーによって焦点を合わせられた
ビームあるいはその部分ビームのエッジが、光検出器の
光感応表面のエッジと正確に一致することによって達成
される、ことを特徴とする、請求項1から11のうちの
1つ以上に記載の方法。(12) If the measuring surface has a predetermined distance from the measuring device and is placed in the so-called neutral plane, the light-sensitive surface of the photodetector is located at exactly the same solid angle with respect to size and shape. dimensioned to encounter a light spot, which is achieved, for example, by the edge of the beam or its partial beam focused by the hollow mirror exactly coinciding with the edge of the light-sensitive surface of the photodetector; 12. Method according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that:
距離を有し、いわゆる中立面に置かれる場合、光検出器
の光感応表面を部分的に覆うダイヤフラムが、大きさお
よび形に関して全く同じ立体角において光スポットに出
会うように寸法決めされ、それはたとえば、中空ミラー
によって焦点を合わせられたビームあるいはその部分ビ
ームのエッジが、ダイヤフラムのエッジと正確に一致す
ることによって達成される、ことを特徴とする請求項1
から11のうちの1つ以上に記載の方法。(13) If the measuring surface has a predetermined distance from the measuring device and is placed in the so-called neutral plane, a diaphragm that partially covers the light-sensitive surface of the photodetector has a size and shape. dimensioned to meet the light spots at exactly the same solid angle with respect to the diaphragm, which is achieved, for example, by the edges of the beam or its partial beams focused by the hollow mirror exactly coinciding with the edges of the diaphragm. Claim 1 characterized in that
The method according to one or more of 11 to 11.
距離を有し、いわゆる中立面に置かれる場合、中空ミラ
ーによって焦点を合わせられたビームのエッジが、中空
ミラーからさらに距離をおいて位置決めされた光検出器
の光感応表面のエッジと一致し、あるいは対応するダイ
ヤフラムが存在する、ことを特徴とする請求項1から1
3のうちの1つ以上に記載の方法。(14) If the measuring surface has a predetermined distance from the measuring device and is placed in the so-called neutral plane, the edge of the beam focused by the hollow mirror will move further away from the hollow mirror. 1-1, characterized in that there is a diaphragm coinciding with or corresponding to the edge of the light-sensitive surface of the photodetector positioned at the
3. The method described in one or more of 3.
段によって反射されたビームの偏光平面が回転させられ
得、その結果、ターゲットによって直接反射されるビー
ム成分が減じられ得る、ことを特徴とする請求項1から
9および11のうちの1つ以上に記載の方法。(15) The plane of polarization of the beam emerging from the measuring device and of the beam reflected by the focusing means can be rotated, so that the beam component directly reflected by the target can be reduced. The method according to one or more of paragraphs 1 to 9 and 11.
段によって反射されたビームの偏光平面が振動させられ
得、その結果、偏光子の偏光位置への、検出器信号の従
属が測定され得る、ことを特徴とする請求項15に記載
の方法。(16) The plane of polarization of the beam emerging from the measuring device and of the beam reflected by the focusing means can be oscillated, so that the dependence of the detector signal on the polarization position of the polarizer can be measured. 16. The method according to claim 15, characterized in that:
られたビームを発することができる光源と、測定表面に
よって反射された光の焦点を合わせる光学系と、焦点を
合わせられたビームを2つの部分ビームに分割する、前
記光学系の焦点面の上流に配置されたビームスプリッタ
と、部分ビームの放射線強度を測定する、共通の光軸内
ではあるが、異なる距離に配置された2つの光検出器と
、さらに、検出器の電流の商を形成する評価手段とを含
む、請求項1に記載の方法を実施するための装置であり
、 焦点を合わせる光学系は中空ミラー(61、81)であ
り、 2つの光検出器(28、28′)のうちの1つが、光軸
(16)に対する、焦点内の、あるいは光学系(61、
81)の焦線内(63)の標準表面として規定される、
焦点を合わせる光学系(61、81)の焦点面(45、
45′)のうちの少なくとも1つに置かれ、さらに、 光検出器(28、28′)が、測定装置(20)に入射
しかつ光学系(61、81)において偏向されたビーム
(33、33′)より、1次元において、大きいかある
いは少なくとも同じ大きさである、 ことを特徴とする装置。(17) a light source capable of emitting a tightly focused beam from the measurement device toward the object; an optical system that focuses the light reflected by the measurement surface; a beam splitter placed upstream of the focal plane of said optical system, splitting into two partial beams, and two beams placed in a common optical axis but at different distances, measuring the radiation intensity of the partial beams; 2. A device for carrying out the method according to claim 1, comprising a detector and further evaluation means for forming a quotient of the current of the detector, the focusing optics being a hollow mirror (61, 81). and one of the two photodetectors (28, 28') is located in the focal point or in the optical system (61, 28') with respect to the optical axis (16).
81) is defined as the standard surface within the focal line (63) of
The focal plane (45,
45'), furthermore a photodetector (28, 28') detects the beam (33, 45') incident on the measuring device (20) and deflected in the optical system (61, 81). 33'), which is larger in one dimension than, or at least as large as, in one dimension.
とを特徴とする、請求項17に記載の装置。(18) Device according to claim 17, characterized in that the hollow mirror (61, 81) is parabolic.
(61)であることを特徴とする、請求項17または1
8いずれかに記載の装置。(19) Claim 17 or 1, wherein the hollow mirror (61, 81) is a cylindrical parabolic mirror (61).
8. The device according to any one of 8.
(81)であることを特徴とする、請求項17または1
8のいずれかに記載の装置。(20) Claim 17 or 1, wherein the hollow mirror (61, 81) is a bifocal hollow mirror (81).
8. The device according to any one of 8.
て後方反射されたビーム(33′)内において中空ミラ
ー(61、81)の後に偏光手段(65、65′)が設
けられることを特徴とする、請求項17から20のうち
の1つ以上に記載の装置。(21) Polarizing means (65, 65') are provided after the hollow mirror (61, 81) in the beam impinging on the object and in the beam (33') reflected back by the object (11). 21. Apparatus according to one or more of paragraphs 17 to 20.
1)の対称面に対して45°だけ偏光されるように、偏
光手段(65)が調整されることを特徴とする、請求項
21に記載の装置。(22) The beam hitting the object is caused by hollow mirrors (61, 8
22. Device according to claim 21, characterized in that the polarization means (65) are adjusted such that the polarization means (65) are polarized by 45[deg.] with respect to the plane of symmetry of 1).
する、請求項22に記載の装置。(23) Device according to claim 22, characterized in that the polarizing means (65) are polarizers.
に置かれた四分の1波長板であることを特徴とする、請
求項21に記載の装置。24. Device according to claim 21, characterized in that the polarizing means (65) are quarter-wave plates placed in the already polarized beam.
る、請求項21から24のいずれかに記載の装置。(25) The device according to any one of claims 21 to 24, characterized in that the light source of the measuring device includes a polarizer.
を含む光学的絶縁物(64)が配置されていることを特
徴とする、請求項17から20のうちの1つ以上に記載
の装置。(26) Claim characterized in that, upstream of the hollow mirror (61, 81) within the optical distance (33), an optical insulator (64) comprising a linear polarizer and a circular polarizer is arranged. Apparatus according to one or more of 17 to 20.
れたビーム(33)内の光軸(16)に対してほぼ直角
に配置されていることを特徴とする、請求項17から2
5のうちの1つ以上に記載の装置。(27) 2 from 17, characterized in that the beam splitter (26) is arranged approximately at right angles to the optical axis (16) in the focused beam (33).
5. The device according to one or more of 5.
距離を有し、いわゆる中立面(121)に置かれる場合
、光検出器(28、28′)の光反応表面(122、1
22′)が、大きさおよび形に関して全く同じ立体角に
おいて光スポット(12)に出会うように寸法決めされ
、それはたとえば、中空ミラーによって焦点を合わせら
れたビーム(33′)あるいはその部分ビームのエッジ
が、光検出器(28、28′)のエッジと正確に一致す
ることによって達成される、ことを特徴とする請求項1
7から27のうちの1つ以上に記載の装置。(28) The photoreactive surface (122, 1
22') is dimensioned such that it meets the light spot (12) at exactly the same solid angle with respect to size and shape, which is, for example, the edge of the beam (33') or its partial beam focused by a hollow mirror. is achieved by precisely coinciding with the edge of the photodetector (28, 28').
28. Apparatus according to one or more of 7 to 27.
距離を有し、いわゆる中立面(121)に置かれる場合
、光検出器(28、28′)の光感応層(122、12
2′)が、大きさおよび形に関して全く同じ立体角にお
いて光スポット(12)に出会うように、光検出器(2
8、28′)にダイヤフラム(123、123′)が設
けられ、それはたとえば、中空ミラー(61、81)に
よって焦点を合わせられたビーム(33′)あるいはそ
の部分ビームのエッジが、光検出器(28、28′)の
ダイヤフラム(123、123′)のエッジと正確に一
致することによって達成される、ことを特徴とする請求
項17から27のうちの1つ以上に記載の装置。(29) If the measuring surface has a predetermined distance from the measuring device and is placed in the so-called neutral plane (121), the photosensitive layer (122, 12
The photodetector (2') encounters the light spot (12) at exactly the same solid angle with respect to size and shape.
8, 28') is provided with a diaphragm (123, 123'), which allows, for example, the edge of the beam (33') or its partial beam focused by the hollow mirror (61, 81) to be detected by the photodetector ( 28. Device according to one or more of claims 17 to 27, characterized in that this is achieved by precisely coinciding with the edge of the diaphragm (123, 123') of the diaphragm (123, 123').
板(141′)に回転手段が設けられることを特徴とす
る、請求項21から25のうちの1つ以上に記載の装置
。(30) Device according to one or more of claims 21 to 25, characterized in that the polarizer (65, 65') or the quarter-wave plate (141') is provided with rotation means.
板(141、141′)の回転手段が振動運動を可能に
することを特徴とする、請求項30に記載の装置。31. Device according to claim 30, characterized in that the rotation means of the polarizer (65, 65') or of the quarter-wave plate (141, 141') enable an oscillatory movement.
する、請求項17から31のいずれかに記載の装置。(32) The device according to any one of claims 17 to 31, characterized in that the light source (21) is a laser light source.
ることを特徴とする、請求項1から32に記載の方法お
よびそれに対応する装置の使用。(33) Use of the method and the corresponding device according to claims 1 to 32, characterized in that distances in the range from 0 cm to 30 cm are measured.
特徴とする、請求項1から32に記載の方法および対応
する装置の使用。(34) Use of the method and the corresponding device according to claims 1 to 32, characterized in that the device is used in robotics.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE3743194.3 | 1987-12-19 | ||
| DE19873743194 DE3743194A1 (en) | 1987-12-19 | 1987-12-19 | Method and device for optical distance measurement |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01203918A true JPH01203918A (en) | 1989-08-16 |
Family
ID=6343038
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31934588A Pending JPH01203918A (en) | 1987-12-19 | 1988-12-17 | Optical distance measurement between measuring apparatus and object |
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| Country | Link |
|---|---|
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| DE (1) | DE3743194A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011511280A (en) * | 2008-02-01 | 2011-04-07 | ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド | Objective distance measuring device |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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| DD65320A (en) * | ||||
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-
1988
- 1988-12-17 JP JP31934588A patent/JPH01203918A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011511280A (en) * | 2008-02-01 | 2011-04-07 | ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド | Objective distance measuring device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3743194A1 (en) | 1989-06-29 |
| DE3743194C2 (en) | 1989-11-23 |
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