DE4121538A1 - Zoomlinse fuer eine kamera mit variabler schaerfentiefe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Triangulationsvermessungssystem und betrifft insbesondere ein berührungsfreies Sensor- und Kamerasystem mit einer Zoomlinse, das eine variable Geometrie hat und in Echtzeit umkonfigurierbar ist, um eine gewünschte Leistung zu erzielen.

Der Abstand von einem Referenzpunkt oder einer Referenzebene zu einem bestimmten Zielpunkt kann auf verschiedene Weise gemessen werden. Passive Techniken wie Stereographie oder Messung des Abstands vom Brennpunkt erfordern beleuchtete Zieloberflächen und benötigen üblicherweise komplex gemusterte Oberflächen zum Erzielen von zuverlässigen Resultaten. Bei aktiven Echotechniken wie RADAR, SONAR und LIDAR wird emittierte elektromagnetische Energie, akustische Energie bzw. Lichtenergie benutzt, und die von der Zieloberfläche reflektierte Energie wird überwacht. Bei diesen Techniken wird eine "Laufzeit"-Messung als Basis zur Entfernungsmessung benutzt, und diese Techniken sind üblicherweise teuer und kompliziert.

Bei der Maschinenvideoforschung und -anwendung wird eine andere aktive Technik benutzt, bei der mit strukturierter Beleuchtung gearbeitet wird. Ein Lichtstrahl wird auf die Zieloberfläche in einer Richtung gerichtet, die zu der optischen Achse der ein- oder zweidimensionalen Erfassungsvorrichtung nicht koaxial ist. Der Schnitt des Lichtstrahls und der Zieloberfläche ergibt einen Lichtfleck, der auf die Erfassungsebene der Abbildungsvorrichtung abgebildet wird. Die 3D-Position dieses Flecks im Raum kann aus der bekannten Position und Ausrichtung der Abbildungsvorrichtung aus grundlegenden trigonometrischen Beziehungen berechnet werden. Diese Technik mit struktuierter Beleuchtung wird als Triangulation bezeichnet.

Die Fig. 1a und 1b zeigen einfache Lasertriangulationsvorrichtungen. Bei der in den Fig. 1a und 1b dargestellten Geometrie einer Anordnung aus einem Laser 10, einer Linse 11, einem Detektor 12 und einem Objekt 13 wird ein reflektierter Fleck auf dem Detektor 12 höher abgebildet, wenn sich die Zieloberfläche weiter von der Abbildungslinse wegbewegt. Bei den meisten Vorrichtungen, bei denen diese Geometrie benutzt wird, ist jedoch der reflektierte Fleck nur für eine Zielentfernung scharf und für alle anderen Entfernungen innerhalb der Schärfentiefe in veränderlichem Grad unscharf, wie es in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist. Die Unschärfe reduziert die Empfindlichkeit der Vorrichtung und vermindert effektiv die Schärfentiefe, d. h. den Bereich, in welchem ein System eine zufriedenstellende Auflösung erbringen kann.

Drei der grundlegenden Leistungsmeßwerte eines Vermessungssystems sind die sogenannte Standoff-Entfernung, die Schärfentiefe und das Entfernungsauflösungsvermögen. Die Standoff-Entfernung ist der nominelle Bereich der Vorrichtung und wird üblicherweise willkürlich als der Nahpunkt, Mittelpunkt oder Fernpunkt in der Schärfentiefe gewählt. Das Auflösungsvermögen ist die kleinste Änderung in Entfernungswerten, die das System unterscheiden kann, und variiert üblicherweise über der Schärfentiefe. Triangulationsvorrichtungen werden für eine gewisse Standoff-Entfernung, eine gewisse Schärfentiefe und ein gewisses Entfernungsauflösungsvermögen gebaut. Das heißt, die Geometrie einer Vorrichtung wird auf der Basis des Verwendungszwecks gewählt, und gewünschte Änderungen in den Leistungsdaten erfordern das Ändern der Abbildungsoptik. In gewissen Fällen, beispielsweise bei dem Abbilden in entfernten Bereichen, ist eine solche Unflexibilität nicht akzeptabel.

Ein erstes Problem, das deshalb zu lösen ist, besteht darin, für eine Abbildung auf einem Detektor zu sorgen, die frei von Unschärfe ist, so daß alle Zielreflexionen scharf sind. Ein zweites Problem, das zu überwinden ist, besteht darin, einen Sensor zu bauen, der umkonfigurierbar ist, und zwar in dem Sinn, daß die Standoff-Entfernung, die Schärfentiefe und/oder das Entfernungsauflösungsvermögen mittels elektronischer Steuerung verändert werden können, ohne daß Komponenten ausgetauscht werden müssen.

In der photographischen Industrie ist es bekannt, daß das Neigen der Kamera im Augenblick der Belichtung zu einem Effekt führt, der als Trapezverzerrung oder Keystoning bezeichnet wird, wobei parallele Linien des Objekts als konvergierende Linien in dem Resultat erscheinen. Das kann beim Drucken bereinigt werden, indem das Vergrößerergestell um denselben Winkel geneigt wird, um den die Kamera geneigt wurde. Zum Erzielen einer scharfen Abbildung in dem gesamten Resultat muß das Vergrößererobjektiv auch etwas geneigt werden, so daß die Ebenen des Objektivs, des Gestells und des Negativs sich alle an einem gemeinsamen Ort treffen, und zwar gemäß einem Prinzip, das in der Optik als Scheimpflug-Prinzip oder -Bedingung bezeichnet wird. Die Scheimpflug-Bedingung kann auch auf andere Weise interpretiert werden: eine Linie auf der Objektivseite der Linse wird auf eine Linie auf der Bildseite der Linse abgebildet, und die beiden Linien schneiden sich mit der Linie, die die Ebene der Linse darstellt, wie es in Fig. 3a gezeigt ist. Wenn der Lichtstrahl für das System in Richtung irgendeiner Linie auf der Objektseite der Linse gerichtet wird, dann sollte der Detektor längs der durch die Scheimpflug-Bedingung vorgeschriebenen Linie auf der Bildseite angeordnet sein, um ein unschärfefreies Abbilden von Zielreflexionen zu erleichtern, wie es in Fig. 3b gezeigt ist.

Die drei Systemparameter - Standoff-Entfernung, Schärfentiefe und Entfernungsauflösungsvermögen - können berechnet werden, wenn die Geometrie des Triangulationsvermessungssystems bekannt ist und Information über die Abbildungslinse und den Detektor vorliegt. Umgekehrt, von diesen drei Leistungsmeßwerten können zwei beliebige gewählt werden, und die Systemgeometrie kann bestimmt werden, wenn eine bestimmte Abbildungslinse und ein bestimmter Detektor gegeben sind. Das Vorsehen der mechanischen Freiheitsgrade in einem solchen Sensor führt zu einem umkonfigurierbaren System, das in einem breiten Bereich von Leistungsmeßwerten arbeiten kann, ohne daß Systemkomponenten ausgetauscht werden müssen.

Ein tiefenvariables Triangulationsvermessungssystem bildet den Gegenstand US-A 49 63 017 der Anmelderin. Das Vermessungssystem beinhaltet eine ein Lichtbündel emittierende Komponente zum Erzeugen und Richten eines Lichtstrahls auf ein Objekt, eine Photodetektorkomponente, die in der Lage ist, die Entfernung längs einer einzelnen Achse zu messen, d. h. einen linearen Photodetektor, und eine Abbildungslinsenkomponente zum Abbilden von an dem Objekt reflektierten Licht auf den Detektor. Eine Bildlinie wird definiert, die sich longitudinal durch den Photodetektor erstreckt, und eine Ebenenachse, die durch die Linsenkomponente hindurchgeht. Eine dieser drei Systemkomponenten ist an einem festen Ort, und Einrichtungen sind vorgesehen zum einstellbaren Positionieren der anderen beiden Komponenten derart, daß das Lichtbündel, die Ebenenachse und die Bildlinie sich alle ungefähr in einem gemeinsamen Punkt schneiden und die Scheimpflug-Bedingung erfüllen. Die beiden beweglichen Komponenten sind umkonfigurierbar, wodurch die Werte von zwei Leistungsparametern, die aus der Gruppe ausgewählt werden, welche aus der Standoff-Entfernung, der Schärfentiefe und dem Entfernungsauflösungsvermögen in einem Punkt innerhalb der Schärfentiefe besteht, gewählt werden können und die Systemgeometrie geändert werden kann, um diese Werte zu erzielen. Das System beinhaltet eine Einrichtung zum Berechnen der Systemgeometrie und der Entfernung aus empfangenen Detektorsignalen. Ein Scanner kann vorgesehen sein, um das Lichtbündel längs einer Linie oder über einem Bereich abzutasten oder abzulenken. Die Lichtquelle kann ein Laser sein, und der Photodetektor kann eine Lateraleffektphotodiode, ein Linearmatrixsensor oder ein positionsempfindlicher Photovervielfacher sein.

Bei dem oben beschriebenen System hat es sich gezeigt, daß es vorzuziehen ist, daß das Lichtbündel zu einem kleinen Fleck auf dem Ziel fokussiert wird. Das erleichtert das Verbessern des Auflösungsvermögens und der Genauigkeit, mit der die Empfangsoptik von dem Ziel reflektiertes Licht sammeln und auf einen Detektor fokussieren kann. Das Aufrechterhalten eines kleinen Flecks auf dem Ziel, wenn das Ziel abgetastet wird, erfordert eine dynamische Echtzeitregelung der Laserfleckgröße.

Außerdem wird, um ein großes Auflösungsvermögen zu erleichtern, bevorzugt, daß der Detektor lang ist und eine große Anzahl von effektiven Elementen aufweist. Das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit des Detektors verbessern die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.

Darüber hinaus kann, wie oben dargelegt, die Position der Linse relativ zu dem Detektor einzustellen sein, um ein zufriedenstellendes Auflösungsvermögen zu erzielen. Bei einigen Linsenbrennweiten ist jedoch ein verlangter Linse-Detektor- Abstand nicht geeignet. Zum Beispiel kann der Linse- Detektor-Abstand in einigen Fällen mehr als 3 m (10 Fuß) betragen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Entfernungsmeßeinrichtung mit der Linsenvorrichtung zu schaffen, die einen variablen Zoom und Brennpunkt aufweist und dadurch für eine geeigneten und festen Linsen- Detektor-Abstand sorgt.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung für ein tiefenvariables Triangulationsvermessungssystem vorgeschlagen, das eine Einrichtung zum Emittieren eines Lichtbündels, eine Einrichtung zum Fokussieren eines emittierten Lichtbündels auf ein Objektiv und eine lichtempfindliche Einrichtung aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Zoomlinse auf, um reflektiertes Licht auf der lichtempfindlichen Einrichtung abzubilden. Der Abstand zwischen der Zoomlinse und der lichtempfindlichen Einrichtung ist im wesentlichen fest, und die lichtempfindliche Einrichtung ist relativ zu der Zoomlinse drehbar. Die erfinderische Vorrichtung enthält auch Mittel zum einstellbaren Positionieren der lichtempfindlichen Einrichtung und der Zoomlinse derart, daß ein emittiertes Lichtbündel, eine Ebenenachse durch die Zoomlinse und eine Bildlinie durch die lichtempfindliche Einrichtung sich alle in einem geeigneten Punkt schneiden, um die Scheimpflug-Bedingung zu erfüllen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1a und 1b ein Einzelpunkttriangulationssystem zum Messen der Entfernung zu nahen und fernen Objekten,

Fig. 2a und 2b das Verhalten eines üblichen Triangulationsvermessungssystems,

Fig. 3a und 3b zur Veranschaulichung, daß eine Linie im Objektraum auf eine Linie im Bildraum abgebildet wird und daß die Beziehung der Linien durch die Scheimpflug-Bedingung gegeben ist,

Fig. 4 ein Triangulationsvermessungssystem, das die Scheimpflug-Bedingung erfüllt, und die bekannten Systemparameter, aus denen die Standoff-Entfernung, die Schärfentiefe und das Entfernungsauflösungsvermögen berechnet werden, und umgekehrt,

Fig. 5 eine schematische Draufsicht und ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der tiefenvariablen Vermessungskamera, die den Gegenstand der oben erwähnten weiteren US-A 49 63 017 der Anmelderin bildet,

Fig. 6a und 6b die Umkonfiguration des in Fig. 5 gezeigten Systems zum Messen der Entfernung zu fernen und nahen Objekten,

Fig. 7 einen X-Y-Scanner, der bei Vermessungssystemen verwendbar ist,

Fig. 8 das Abtasten eines Objekts unter Verwendung der tiefenvariablen Vermessungskamera,

Fig. 9 das Abtasten eines Objekts unter Verwendung der tiefenvariablen Vermessungskamera und das Erzeugen eines Bildes aus den während des Abtastvorganges erzielten Daten,

Fig. 10 eine erste Schärfentiefe und einen ersten Feldwinkel für die tiefenvariable Vermessungskamera,

Fig. 11 eine zweite Schärfentiefe und einen zweiten Feldwinkel für die tiefenvariable Vermessungskamera,

Fig. 12 ein Zoom- oder Vario-Objektiv als Teil einer tiefenvariablen Vermessungskamera,

Fig. 13a und 13b das Abtasten unter Verwendung der in Fig. 12 gezeigten Kamera,

Fig. 14 die geometrische Konfiguration eines Vermessungssystems,

Fig. 15a-15c Komponenten einer tiefenvariablen Vermessungssystemkamera mit Echtzeitfleckgrößenregelung, Lichtwellenleiterbanddetektor und umlaufendem Polygon zum Abtasten der Lichtwellenleiter,

Fig. 16 eine tiefenvariable Vermessungskamera mit Echtzeitfleckengrößenregelung, Lichtwellenleiterbanddetektor und codierter Scheibe zum Abtasten der Lichtwellenleiter,

Fig. 17 den Betrieb einer Codiererscheibe,

Fig. 18 eine Ausführungsform einer Codiererscheibe,

Fig. 19a und 19b weitere Ausführungsformen einer Codiererscheibe,

Fig. 20 einen zulässigen Betriebsbereich für die Spiegelwinkelgeschwindigkeit,

Fig. 21 eine Blockschaltbilddarstellung von Steuereinrichtungen des in Fig. 15 gezeigten Kamerasystems und

Fig. 22 ein Blockschaltbild einer in Fig. 21 gezeigten Synchronisiertorschaltung.

Ein Punktentfernungsmesser, der in der Lage ist, eine einzelne Entfernungsmessung durchzuführen, ist in Fig. 4 gezeigt. In diesem Triangulationsvermessungssystem befindet sich eine Abbildungslinse 15 an einem festen Ort relativ zu einem Laser 16 und einem linearen Detektor 17, die beweglich und so positioniert sind, daß die Scheimpflug-Bedingung erfüllt und gewährleistet ist, daß alle Flecken des von dem Objekt 18 reflektierten Lichtes auf dem Detektor scharf sind. Das Laserbündel 19 bildet einen Winkel A mit der Horizontalen, den Triangulationswinkel in dieser Konfiguration. Die Abbildungslinse 15 hat eine Brennweite f und Brennpunkte 20, und die Triangulationsbasis B des Systems wird ab dem Mittelpunkt der Linse längs einer Ebenenachse 21, die sich durch die Linse erstreckt, zu dem Punkt 22 gemessen, wo sich das Laserbündel und die Ebenenachse schneiden. Eine Bildlinie 23, die sich longitudinal durch den Photodetektor 17 erstreckt, schneidet die Ebenenachse 21 und das Laserbündel 19 in dem gemeinsamen Punkt 22 gemäß der Scheimpflug-Bedingung. Die Standoff-Entfernung, die Schärfentiefe und das Entfernungsauflösungsvermögen in einem Punkt innerhalb der Schärfentiefe sind berechenbare Funktionen des Triangulationswinkels, der Triangulationsbasis, der Linsenbrennweite, der Detektorlänge und effektiven Körnigkeit oder Granularität und der Detektorposition längs der Bildlinie, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.

Beliebige zwei von diesen drei Systemleistungsmeßwerten oder -parametern können gewählt und daraus bestimmt werden, wie die Systemgeometrie sein muß, wenn eine bestimmte Linse und ein bestimmter Photodetektor gegeben sind. Das gilt für andere Ausführungsformen des Vermessungssystems, zu denen eine Ausführungsform gehört, bei der die ein Lichtbündel emittierende Komponente fest ist und die Abbildungslinsen- und die Photodetektorkomponente beweglich sind, und eine weitere Ausführungsform, bei der der Photodetektor an einem festen Ort ist und die Abbildungslinsenkomponente und die ein Lichtbündel emittierende Komponente beweglich sind.

Der Begriff Schärfentiefe, wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf einen Bereich von Entfernungen, in welchem ein System eine zufriedenstellende Auflösung liefern kann. Der Begriff Standoff-Entfernung, wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf eine Entfernung von einem Referenzpunkt an der Kamera, wie z. B. dem Mittelpunkt der Linse in Fig. 4, zu einer nächstgelegenen Objektoberfläche, die gemessen werden kann. Der Begriff Entfernungsauflösungsvermögen, wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf das Auflösungsvermögen in irgendeinem bestimmten Punkt innerhalb der Schärfentiefe. Bei dem Einzelpunktentfernungsmesser, der in Fig. 4 gezeigt ist, diktiert die Position des unteren Endes des Detektors 17 die Standoff-Entfernung, wogegen die Position des oberen Endes des Detektors 17 den maximalen Entfernungswert diktiert, und die Entfernung zwischen dem minimalen und maximalen Bereichswert ist die Schärfentiefe. Das Entfernungsauflösungsvermögen nimmt dann monoton variierende Werte innerhalb der Schärfentiefe auf der Basis der Anzahl von Pixelelementen in dem Detektor und seiner Länge an. Das Entfernungsauflösungsvermögen ist über der gesamten Schärfentiefe nicht konstant, sondern ist für das Nahfeld feiner als für das Fernfeld. Wenn der Detektor vertikaler wird, wird das Auflösungsvermögen zunehmend feiner, und die Schärfentiefe ist kleiner. Die Beziehung und die Wechselwirkung zwischen diesen drei Leistungsparametern dürfte dem Fachmann klar sein.

Die tiefenvariable Vermessungskamera nach Fig. 5 ist in Echtzeit umkonfigurierbar und ist ein System, das eine kontinuierlich variable Standoff-Entfernung und Schärfentiefe sowie ein kontinuierlich variables Entfernungsauflösungsvermögen gestattet, ohne daß Bauteile ausgetauscht werden müssen. Ein Scanner 24 ist üblicherweise vor dem tiefenvariablen Triangulationsvermessungssystem 25 angeordnet, um den Lichtstrahl und die Sichtachse in irgendeine beliebige Richtung zur beliebigen Zielentfernungserfassung zu richten oder, wenn der Lichtstrahl über einem Bereich abgelenkt wird, volle Felder von Daten zu erzielen. Ein Systemgeometrie- und Vermessungscomputer 26 führt die notwendigen Berechnungen aus, einschließlich der Berechnung der Entfernung aus empfangenen Photodetektorsignalen. Algorithmen sind vorgesehen, um die Systemgeometrie zu bestimmen, wenn die Leistungserfordernisse, die Linsenbrennweite und das Detektorauflösungsvermögen gegeben sind.

Eine Abbildungslinse 27 ist an einem festen Ort auf der Basis der Vorrichtung befestigt. Die Abbildungslinsenkomponente kann, statt eine einzelne Linse zu sein, ein Linsensystem sein, das eine effektive Ebenenachse hat. Die ein Lichtbündel emittierende Vorrichtung besteht aus einem Laser 28 und aus einem in der Ausrichtung variablen Spiegel 29 zum Ändern des Triangulationswinkels des Laserbündels 30. Der Spiegel 29 ist in dieser Draufsicht vertikal und befindet sich auf einer Drehstufe 31. Der Laser 28 und eine Basis 32 für die Drehstufe sind auf einem Bauteil 33 befestigt, das seinerseits auf einem motorisch angetriebenen Linearschieber 34 abgestützt ist. Die Bewegung der ein Lichtbündel emittierenden Vorrichtung in der Y-Richtung stellt die Triangulationsbasis des Systems ein. Eine X-, Y- Stufenanordnung ist vorgesehen zum einstellbaren Positionieren des Photodetektors 35, der eine Lateraleffektphotodiode, eine lineare Matrix, ein Zeilenabtastsensor oder ein positionsempfindlicher Photovervielfacher mit zugeordneter Elektronik sein kann. Der Detektor befindet sich auf einer Drehstufe 36, die auf einer Grundplatte 37 abgestützt ist. Ein Bauteil 38 trägt diese Vorrichtung, führt eine Linearbewegung in X-Richtung aus und ist auf einem motorisch angetriebenen Linearschieber 39 für die Bewegung in der X- Richtung befestigt. Einzelheiten der Linear- und Drehstellantriebe in einem solchen System sind nicht dargestellt, da sie dem Fachmann bekannt sind.

Die Fig. 6a und 6b zeigen das tiefenvariable Triangulationsvermessungssystem 25 in der Einzelpunktentfernungsmesserkonfiguration und außerdem, wie das System sich geometrisch selbst umkonfiguriert, um die verlangte Leistung zu erbringen. Diese Figuren veranschaulichen, daß Entfernungsdaten aus einer unendlichen oder großen Schärfentiefe mit geringem Auflösungsvermögen erzielt werden können und daß dann Daten mit sehr feinem Auflösungsvermögen in interessierenden Gebieten erzielt werden können, indem einfach die Geometrie der Vorrichtung verändert wird. In beiden Konfigurationen schneiden sich das Laserbündel 30, die Ebenenachse 40 der Abbildungslinsenkomponente und eine Bildlinie 41 in Längsrichtung durch den Photodetektor 35 alle in einem gemeinsamen Punkt. Das System, das so wie in Fig. 6a konfiguriert ist, erfaßt Entfernungsdaten von einem fernen Objekt mit geringem Auflösungsvermögen und einer großen Schärfentiefe. Die Systemtriangulationsbasis ist klein, was auch für den Triangulationswinkel gilt. Wenn das System so wie in Fig. 6b konfiguriert ist, damit es eine große Triangulationsbasis und einen großen Triangulationswinkel hat, ist die Standoff-Entfernung klein, und Entfernungsdaten werden von einem nahen Objekt mit hohem Entfernungsauflösungsvermögen und geringer Schärfentiefe erzielt.

Fig. 7 ist ein Diagramm der tiefenvariablen Vermessungskamera, das ausführlicher die Abtasteinrichtung 24 zeigt. Die Abtasteinrichtung oder der Scanner 24 hat einen Satz Spiegel zum Biegen der optischen Ebene aufwärts und abwärts sowie vor und zurück. Die dargestellte Abtasteinrichtung hat zwei Spiegel 69 und 70 zum Ablenken eines Laserbündels 71 in orthogonalen Richtungen. Der Spiegel 69 ist in dieser Draufsicht nahezu vertikal und wird um eine Achse geschwenkt, die zur Basis 72 rechtwinklig ist. Durch das Schwenken dieses Spiegels wird das Laserbündel längs einer Richtung abgelenkt, um das Objekt längs einer Linie abzutasten. Der zweite Spiegel 70 ist in der Draufsicht nahezu horizontal und schwenkt um eine longitudinale Achse, um das Laserbündel in der orthogonalen Richtung abzulenken. Beide Spiegel werden benutzt, um einen Bereich abzutasten, z. B. durch Abtasten längs einer Linie, und dann in der rechtwinkeligen Richtung für eine kurze Strecke und längs einer zu der ersten Linie parallelen Linie, usw.

Ein tatsächlicher Systembetrieb ist üblicherweise folgender:

• 1. Der Benutzer oder ein Computer bestimmt Leistungsziele und gewünschte Werte von zwei der folgenden drei: Standoff-Entfernung, Schärfentiefe und Entfernungsauflösungsvermögen in einem Punkt innerhalb der Schärfentiefe.
• 2. Der Computer führt Berechnungen durch, um festzustellen, ob die Ziele erreicht werden können.
• 3. Wenn diese Ziele erreicht oder überschritten werden können, berechnet der Computer 26 die erforderliche optimale Systemgeometrie auf der Basis von früherer Information über die Linsenbrennweite, die empfindliche Detektorlänge und das effektive Detektorauflösungsvermögen.
• 4. Linear- und Drehstellantriebe werden in dem tiefenvariablen Triangulationsvermessungssystem 68 positioniert, um die Systemgeometrie einzustellen.
• 5. Entfernungsdaten werden gewonnen, indem der Laser gespeist wird, die Abtasteinrichtung 24 betätigt wird und der Detektor abgelesen wird. Empfangene Photodetektorsignale werden einer geeigneten Verstärkungsausrüstung zugeführt, aufbereitet, digitalisiert und abgespeichert.
• 6. Entfernungswerte werden in dem Computer 26 aus den gespeicherten Daten, der bekannten Systemgeometrie und geeigneten Eichtabellen berechnet.

Die tiefenvariable Vermessungskamera kann in vielfältigen Umgebungen für viele Zwecke benutzt werden. Das Arbeitsvolumen, d. h. das abzutastende Volumen kann für viele Fälle definiert und maßgeschneidert werden. Ein Vermessungsfall ist eine berührungsfreie Präzisionsmeßvorrichtung zur Prüfung von Präzisionsflugzeugtriebwerksteilen. Es gibt eine Vielfalt von automatisierten Rendezvous- und Andockfällen. Diese Vorrichtung ist immer dort brauchbar, wo berührungsfreie Entfernungsinformation verlangt wird, insbesondere wenn die Information eine dynamische Systemkonfiguration erfordert, um sie auf interessierende Gebiete zu fokussieren.

Die Konfiguration der tiefenvariablen Vermessungskamera, wie sie bis zu diesem Punkt erläutert worden ist, eignet sich für Fälle, in denen der Abstand zwischen Linse und Detektor zum Erfüllen der Scheimpflug-Bedingung kurz ist. Zum Beispiel und gemäß Fig. 8 wird ein Vermessungssystem 76 gemäß der Scheimpflug-Bedingung konfiguriert und hat einen Laser 78, eine Linse 80 und einen Detektor 82. Die Kamera ist gemäß der Darstellung konfiguriert zum Erzeugen eines Bildes eines Objekts 84 auf einem Sockel 86. Wie dargestellt wird das von dem Laser 78 emittierte Bündel auf das Objekt 84 gerichtet, und ein entsprechendes Bild eines fokussierten Flecks auf dem Objekt wird zur Linse 80 und auf den Detektor 82 reflektiert.

Das Erzeugen eines Bildes des Objekts 84 ist in Fig. 9 gezeigt, in der ein Bild 88 auf einem Bildschirm 90 gezeigt ist. Fig. 10 zeigt das Kamerasystem, das so konfiguriert ist, daß es eine große Schärfentiefe hat. Wenn die Kamera 76 so konfiguriert ist, daß sie eine große Schärfentiefe und große Feldwinkel hat, könnte ein Bild wie das auf dem Bildschirm 90 gezeigte Bild erzeugt werden. Das Arbeitsvolumen ist, wie dargestellt, durch ein Gebiet 92 begrenzt.

Fig. 11 zeigt ein Bild, das auf dem Bildschirm 90 erzeugt werden würde, wenn die Kamera 76 so konfiguriert wäre, daß sie ein kleines Arbeitsvolumen hat.

Zum Erleichtern eines hohen Auflösungsvermögens eines erzeugten Bildes für variierende Schärfentiefen wie den in den Fig. 10 und 11 dargestellten Schärfentiefen wird die Entfernung zwischen Linse und Detektor üblicherweise verändert, wie es dargestellt ist, indem die Linse-Detektor-Entfernungen verglichen werden, die in den Fig. 6a und 6b gezeigt sind. Bei einigen Linsenbrennweiten ist jedoch die verlangte Linse-Detektor-Entfernung nicht möglich, um die Vermessungskamera in einer praktischen Größe zu erzielen zu halten. Beispielsweise kann die Linse-Detektor-Entfernung in einigen Fällen mehr als 3 m (10 Fuß) betragen.

Zum Lösen des Problems einer ungeeigneten Linse-Detektor- Entfernung kann die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform benutzt werden. In der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform hat eine tiefenvariable Vermessungskamera 100 einen Laser 102, ein Vario- oder Zoom-Objektiv 104 und einen Detektor 106. Sowohl das Zoom-Objektiv als auch der Detektor sind auf einem Drehteller 108 befestigt. Der Detektor 106 ist auf einer Drehstufe 110 befestigt, so daß die relative Ausrichtung des Detektors zum Zoom-Objektiv ebenfalls eingestellt werden kann. Das Zoom-Objektiv 104 kann ein im Handel erhältliches Objektiv sein, wie z. B. ein Fujinon C14X25MO3 mit Motorzoom-, -fokus- und -irisobjektiv. Dieses Objektiv kann selbstverständlich modifiziert werden, beispielsweise durch Entfernen von mechanischen Anschlägen, um den Fokussierbereich, den Zoombereich usw. zu vergrößern.

Die Verwendung des Zoomobjektivs 104 setzt voraus, daß die Schärfentiefe des Systems 100 eingestellt werden kann und die Scheimpflug-Bedingung erfüllt wird, indem einfach das Zoomobjektiv 104, der Drehteller 108 und die Drehstufe 110 eingestellt werden. Diese Konfiguration eliminiert deshalb die Notwendigkeit, die Entfernung zwischen Objektiv und Detektor für Fälle innerhalb des Arbeitsbereiches des Zoomobjektivs 104 einzustellen. Gemäß der Darstellung in Fig. 12 kann die Schärfentiefe der Kamera 100 beispielsweise so breit wie die Schärfentiefe sein, die durch Linien 112a und 112b begrenzt wird, oder kann so klein sein wie die Schärfentiefe, die durch Linien 114a und 114b begrenzt wird. Wichtig ist, daß in der in Fig. 12 dargestellten Konfiguration die Scheimpflug-Bedingungen noch erfüllt werden können, um das Erzeugen von fokussierten Bildern des von dem Ziel reflektierten Flecks in dem gesamten Arbeitsvolumen zu erleichtern.

Mit dem Zoomobjektiv 104 wird die Scheimpflug-Bedingung experimentell bestimmt. Der Zoom, d. h. die Systemschärfentiefe und die Ausrichtung des Zoomobjektivs 104 werden zuerst eingestellt. Dann wird ein Objekt in dem Schnittpunkt der optischen Achse des Zoomobjektivs und der Laserbündelachse plaziert. Der Brennpunkt des Zoomobjektivs wird dann so eingestellt, daß das engste, d. h. schärfste Bild des reflektierten Flecks auf dem Detektor gebildet wird. Da das Objektiv in dem Schnitt der optischen Achse und der Bündelachse ist, sollte das Bild in dem Mittelpunkt des Detektors gebildet werden. Der Detektor wird dann so gedreht, daß außerhalb der Achse gelegene Bilder auf dem Detektor ebenfalls scharf sind. Nachdem der Detektor so eingestellt worden ist, daß alle Fleckbilder in der gesamten Schärfentiefe scharf sind, bedeutet dieser Zustand notwendigerweise, daß die Scheimpflug-Bedingungen erfüllt sind. Es gibt konkurrierende Forderungen in jedem Fall, und ein Systembenutzer muß eine "optimierende" Wahl treffen, die alle Zwänge vernünftig gut berücksichtigt. Die Zwänge beinhalten Zoomobjektivfeldwinkel und Triangulationsbasiskonfigurationen.

Das Zoomobjektiv, das benutzt wird, ist ein 14 : 1-Zoomobjektiv, das in der Lage ist, bis zu einer Nähe von 60 cm (2 Fuß) zu fokussieren. Das ist ein f/3,5-Objektiv mit variabler Brennweite von nominell 25-350 mm, einem Fokussierbereich, nach dem Entfernen von in der Fabrik angebrachten mechanischen Anschlägen, von 60 cm (2 Fuß) bis 15 m (50 Fuß) und einem Zoomfeldwinkel von 2°38′ bis 35°29′. Der effektive Feldkegelscheitel liegt innerhalb der Objektivvorrichtung und könnte ungefähr 60 cm (2 Fuß) entfernt von der Laserachse plaziert werden, was eine "Triangulationsbasis" von etwa 60 cm (2 Fuß) bedeutet. Bei vollem Feldwinkel von 35,5° sollte die Schärfentiefe bei kürzester Standoff-Entfernung (60 cm oder 2 Fuß) 3,02 m (9,9 Fuß) betragen. Das heißt, wenn das Objektiv bei vollem Feldwinkel benutzt wird und die naheste Entfernungsablesung bei 60 cm (2 Fuß) ist, wird die entfernteste Ablesung bei 3,63 m (11,9 Fuß) sein. Wenn das Auflösungsvermögen gleichmäßig verteilt wäre, würde es von 610 bis 1219 µm (24 bis 48 mils) reichen, je nachdem, ob 4096 oder 2048 Abtastproben pro Entfernungsablesung geliefert werden können. Das tatsächliche Auflösungsvermögen wird besser nahe 60 cm (2 Fuß) und schlechter bei 3,66 m (12 Fuß) sein. Wenn das Feld am schmalsten ist und das Objektiv auf 60 cm (2 Fuß) Standoff- Entfernung ausgerichtet ist, sollte die Schärfentiefe 5,84 cm (2,3 Zoll) betragen. In diesem Fall wird das Auflösungsvermögen innerhalb der gesamten Schärfentiefe ziemlich konstant sein und von 15,24 bis 27,94 µm (0,6 bis 1,1 mils) reichen. Wenn das Objektiv statt dessen für größte Standoff-Entfernung ausgerichtet ist, bei größter Entfernungsablesung von 3,05 m (10 Fuß), wäre die Schärfentiefe 58,42 cm (23 Zoll), d. h. die Ablesungen würden von 2,47 m (8 Fuß 1 Zoll) bis 3,05 m (10 Fuß) reichen. Das Auflösungsvermögen liegt in dem Bereich von 152,4 bis 279,4 µm (6 bis 11 mils).

Gemäß den Fig. 13a und 13b, auf die nun Bezug genommen wird, weist eine Kamera 100 ein Abtastspiegel 116 und eine Horizontalabtastachsensteuereinrichtung 118 auf. Fig. 13b zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 13a dargestellten Ausführungsform. Gemäß der Darstellung in den Fig. 13a und 13b ist der Abtastspiegel 116 drehbar befestigt und kann um wenigstens 45° relativ zu einem Laser 102 gedreht werden. Die Horizontalabtaststeuereinrichtung 118 ermöglicht, das gesamte System einschließlich des Abtastspiegels um 360° zu drehen. In einer tatsächlichen Ausführung wird der Spiegel auf ±45° Drehung, d. h. 90° insgesamt, begrenzt. Durch Vorsehen dieser Drehung kann das System 100 benutzt werden, um ein Objekt abzubilden, das in irgendeiner Position angeordnet ist.

Unter Bezugnahme auf die Systemgeometrie einschließlich des Zoomobjektivs und unter Bezugnahme auf Fig. 14 werden die Gleichungen erläutert, die die Geometrie zur Standoff-Entfernung (SO), zur Schärfentiefe (DOF) und zum Auflösungsvermögen längs der optischen Achse des Objektivs in Beziehung setzen. Die interessierende Achse ist die Laserbündelachse, d. h. 1-b-a, und die Gleichungen für SO, DOF und das Auflösungsvermögen als Funktion der Geometrie sind folgende. Für beliebiges x gelten folgende Gleichungen:

wobei

L = L₁ - s (2)

Also,

und

Ω = π - Ψ - Φ (8)

wobei

Φ = R + ζ (9).

Eine einfache Linse wird nicht gleichzeitig eine Schärfentiefe von 60 cm bis 3 m (2′ bis 10′) und ein hohes Auflösungsvermögen gestatten und eine akzeptable Linse-Detektor- Entfernung (t_i) und einen akzeptablen Detektorwinkel ψ ergeben. Das heißt, aus den Gleichungen ist zu erkennen, daß eine kleine Standoff-Entfernung ein unakzeptabel großes t_i erfordert. Ein ausgeklügelteres Linsensystem vereinfacht die mechanischen Anforderungen an die Positionierung der optischen Elemente beträchtlich.

Die Verwendung des Zoomobjektivs mit variabler Brennweite beseitigt dieses Problem. Das beste Auflösungsvermögen wird mit einem gegebenen Zoomobjektiv bei minimalem Feldwinkel (maximalem Zoom) und Rechtwinkeligkeit zwischen optischer Achse und Laserbündel erreicht. Das ergibt auch die gleichmäßigste Verteilung des Auflösungsvermögens innerhalb der Schärfentiefe. Diese Anordnung mag nicht in allen Fällen praktisch sein, da sich Ziele in einer beträchtlichen Entfernung von dem System befinden können, so daß sich eine gewisse Beschränkung der Objektivausrichtung bei gegebenem Feldwinkel ergibt.

Das Minimieren der Triangulationsbasis, wenn ein Zoomobjektiv wie oben erläutert benutzt wird, ergibt ebenfalls ein größeres Auflösungsvermögen, weil der Feldkegel den Laserstrahl längs einer kürzeren Linie schneidet. Ein erstes Problem ist jedoch das Fokussieren in kurzen Entfernungen mit einem Zoomsystem. Eine Möglichkeit, das zu erreichen, besteht darin, der Detektorposition zu gestatten, längs der optischen Achse des Objektivs zu variieren, was mit Komplexität verbunden ist. Ein weiteres Problem ist, daß, je näher das Objektiv bei dem Laserstrahl ist, umso ungleichmäßiger die Verteilung des Auflösungsvermögens innerhalb einer gegebenen Schärfentiefe ist. Das wird deutlich klar bei großer Standoff-Entfernung und großer Schärfentiefe. Diese konkurrierenden Zwänge sollten für jeden Fall "optimiert" werden.

Fig. 15a zeigt eine tiefenvariable Vermessungssystemkamera 150 mit einer Echtzeitfleckgrößenregeleinrichtung 152 und einem Lichtwellenleiterbanddetektor 154. Die Kamera 150 weist außerdem einen Laser 156 und eine Linse 158 auf, die auf X,Y-Stufen 160 bzw. 162 montiert sind. Die Linse könnte selbstverständlich fest sein. Der Detektor 154 ist auf einer Drehstufe 164 montiert. Der Lichtwellenleiterdetektor 154 weist ein Lichtwellenleiterbündel 166 auf, das an seinem Ausgangsende 168 innerhalb einer Abtasteinheit 170 angeordnet ist. Die Abtasteinheit 170 weist einen Polygonspiegel 172 auf, der drehbar angeordnet und mit dem Lichtwellenleiterbündelausgangsende 168 ausgerichtet ist, und eine Photovervielfacherröhre 174. Eine Fokussierlinse 176 und eine Präzisionsschlitzblende 177 sind zwischen dem Polygonspiegel 172 und der Röhre 174 angeordnet. Die Röhre 174 ist mit einem Computer 178 verbunden, der seinerseits mit einem Bildschirm 180 verbunden ist.

Im Betrieb und zum Abbilden eines Objekts 182 emittiert der Laser 156 ein Bündel 184. Das Bündel 184 wird durch den Echtzeitfleckgrößenregler 152 empfangen. Der Regler 152 fokussiert das Bündel 184 auf das Objekt 182. Ein Bild des Brennflecks 186 wird durch die Linse 158 empfangen und auf den Detektor 154 fokussiert. Licht, das auf den Detektor 154 fokussiert wird, wird über das Lichtwellenleiterbündel 166 übertragen und an dem Ausgangsende 168 emittiert. Wenn sich der Polygonspiegel 172 dreht, tastet er das Ausgangsende 168 des Lichtwellenleiterbündels ab und reflektiert Licht durch die Fokussierlinse 176 und die Schlitzblende 177 in die Photovervielfacherröhre 174. Die Photovervielfacherröhre 174 erzeugt ihrerseits ein Signal, das durch den Computer 178 interpretiert wird.

Die Kamera 150 kann einen Abtastkopf 190 aufweisen, der benutzt wird, um die Richtung des Bündels 184 und die Reflexion des fokussierten Flecks 186 zu steuern. Der Abtastkopf kann der gleiche Mechanismus sein wie der in den Fig. 13a und 13b gezeigte Abtastmechanismus.

Der Echtzeitfleckgrößenregler kann ein im Handel erhältlicher Regler sein wie z. B. der General Scanning Linear Translater (Linearumsetzer) LT1320A, der von General Scanning, Watertown, MA, erhältlich ist. Durch Aufrechterhalten einer kleinsten Größe des Brennflecks auf dem Objekt 186 werden das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit, mit der die Linse 158 und der Detektor 154 reflektiertes Licht von dem Ziel sammeln können, verbessert. Der Echtzeitregler ist dynamisch, denn die Brennfleckgröße kann in Echtzeit und während eines Abtastvorganges verändert werden. Ein Laser, der für Entfernungsmeßvorgänge benutzt wird, hat üblicherweise einen endlichen Bündeldurchmesser auf seiner gesamten Länge, und der Durchmesser ändert sich konstant, ausgenommen an einer Stelle BW, die als Bündeleinschnürung (beam waist) bezeichnet wird und in Fig. 15b gezeigt ist. Der Durchmesser des Bündels ist an der Stelle der Bündeleinschnürung, minimal. In Vermessungsfällen ist der Teil des Bündels, der benutzt werden kann, das Doppelte der Rayleigh-Länge RL, zentriert, um die Bündeleinrichtung, wo die Rayleigh-Länge gleich (πd_o²)/4 λ ist, wobei d_o der Bündeldurchmesser an der Einschnürung und λ die Lichtwellenlänge ist. Außerhalb der Rayleigh-Länge weitet sich das Bündel mit großer Geschwindigkeit bei kleiner Bündeleinschnürung auf, und das Ergebnis ist ein großer Fleck auf dem Ziel. Eine genaue Messung außerhalb der Rayleigh-Länge ist schwierig, wenn nicht gar unmöglich.

Gemäß der ausführlicheren Darstellung in Fig. 15c wird als Linearumsetzer oder -verschieber 152 das Modell LT1320A von General Scanning verwendet, in welchem eine feste Linse 192 und eine Linse 194, die sich mit einem galvanometergetriebenen Schlitten 196 verschiebt, benutzt. Der Umsetzer 152 hat einen nutzbaren Hub von etwa 7,62 mm (0,3 Zoll) und liefert Fleckgrößen von weniger als 254 µm (10 mils oder 0,010″) über einem Bereich von etwa 60 cm (2 Fuß) bis 3,35 m (11 Fuß). Die Fleckgröße oder der Einschnürungsdurchmesser und dessen Entfernung von dem letzten optischen Element in der mit zwei Linsen versehenen Optik des Umsetzers 152 stehen in Beziehung zu den Linearbrennweiten und deren relativem Abstand, und durch Steuern des Abstands kann die Bündeleinschnürungsposition längs der Bündelachse gesteuert werden. Eine feste negative 4-mm-Linse gefolgt von einer bewegbaren positiven 81-mm-Linse, konfiguriert gemäß der Darstellung in Fig. 15c, ergibt einen Bereich von etwa 3 m (10 Fuß) der Einschnürungspositionierung bei Fleckgrößen von weniger als etwa 254 µm (10 mils) über der zulässigen Linsenbewegung von 7,62 mm (0,3 Zoll).

Es gibt zwei Möglichkeiten, die in Fig. 15c gezeigte Konfiguration zu benutzen. Die erste erfordert, daß die bewegliche Linse an einem Hubende positioniert ist und bewegt wird, während die Gestalt der fokussierten Reflexion auf dem positionsempfindlichen Lichtdetektor überwacht wird. Wenn die Reflexion das engste Profil hat, d. h., wenn die Breite der Reflexion ein Minimum ist, ist das Bündel am schärfsten. An diesem Punkt erfolgt eine Entfernungsmessung, Diese Möglichkeit ist zwar ziemlich zuverlässig, sie kann jedoch etwas langsam sein, und zwar wegen der Zeit, die es dauert, um die Fokussierlinse zu drehen, bis sich der engste Brennpunkt ergibt.

Die zweite Möglichkeit mag zwar etwas weniger zuverlässig sein, ist aber viel schneller. Der Umsetzermodul wird geeicht, um die Linsenposition in Beziehung zu setzen zum gemessenen resultierenden Bündeleinschnürungsort, und es wird eine Suchtabelle erstellt. Im Gebrauch wird die Einschnürung in dem bekannten Mittelpunkt des Schärfentiefenbereiches für das Vermessungssystem positioniert, und die Vermessung wird begonnen. Der jüngste Entfernungswert wird zusammen mit der Suchtabelle benutzt, um die Einschnürung für die nächste Entfernungsablesung zu positionieren. Die Einschnürungsposition wird immer um ein Entfernungselement (engl. "range element" oder abgekürzt "rangel") zurück sein, aber bei den meisten "wohlerzogenen" skulpturierten Oberflächen wird die Oberfläche trotzdem innerhalb dem Doppelten der Rayleigh-Länge sein, und es wird sich eine kleine Fleckgröße ergeben. Die Technik versagt bei Sprungdiskontinuitäten in der Oberfläche und bei denjenigen Gebieten auf der Oberfläche, wo der Entfernungsgradient zu groß ist. Diese Situation kann gemeistert werden, indem ein gewisses Maß der Reflexionssignalform überwacht wird, also z. B. die Breite in dem "Halbes Maximum"-Punkt, und diejenigen Ablesungen festgehalten werden, bei denen die Messung einen gewissen Schwellenwert übersteigt. Durch Zurückleiten der festgehaltenen Orte und Verwenden der Ablesungen zum Positionieren des Umsetzers können mehr Ablesungen vorgenommen werden. An diesem Punkt sollte sich ein eng fokussiertes Bündel auf der Zieloberfläche ergeben, und infolgedessen sind gute Entfernungsablesungen möglich.

Es wird nun wieder auf Fig. 15a Bezug genommen. Der Lichtwellenleiterdetektor 154 erleichtert ein großes Auflösungsvermögen und eine große Genauigkeit, um die Empfindlichkeit des Gesamtsystems zu verbessern. Der Detektor 154 kann eine relativ große Anzahl von Erfassungselementen, d. h. Lichtwellenleitern, aufweisen. Zum Maximieren der Lichtempfindlichkeit und des Dynamikbereiches wird ein 25,4 mm (1 Zoll) breites und 1,6 mm (1/16 Zoll) dickes Band aus kohärenten Lichtwellenleitern benutzt, das aus 10-µ-Lichtwellenleitern besteht. Diese Lichtwellenleiter haben eine numerische Apertur von 0,66, was einen vollen Lichtakzeptanzkegel von 82° bedeutet. Das andere Ende des Lichtwellenleiterbandes befindet sich in einem Gehäuse, wo es auf eine Lichtmusterinformation hin abgetastet werden kann, wie es im folgenden beschrieben ist.

Die Lichtwellenleiter übertragen das fokussierte Licht zu dem drehbaren Polygonspiegel 172, der sich auf gesteuerte Weise und in einer zeitgerechten Folge dreht. Wenn sich der drehbare Polygonspiegel 172 dreht, tastet er das Ausgangsende 168 des Lichtwellenleiterbündels ab. Die Drehgeschwindigkeit des sich drehenden Polygonspiegels 172 bewirkt, daß ein zeitgerechtes Lichtsignal an die Photovervielfacherröhre 174 abgegeben wird. Die Röhre 174 kann eine Photovervielfacherröhre vom Typ Hamamatsu sein. Mehr Einzelheiten bezüglich der besonderen Steuereinrichtungen sind in folgenden angegeben.

Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform einer tiefenvariablen Vermessungskamera 200. Die Kamera 200 weist einen Echtzeitfleckgrößenregler 202 auf, einen Lichtwellenleiterdetektor 204, ein Lichtwellenleiterbündel 206 und ein Zoomobjektiv 208. Das Zoomobjektiv 208 ist auf einer linearen, angelenkten Stufe 210 montiert, die um einen Stift 212 drehbar ist. Das Zoomobjektiv 208 könnte selbstverständlich, statt auf einer linearen Stufe montiert zu sein, auf einem Drehteller montiert sein. Der Lichtwellenleiterdetektor 204 ist auf einer Drehstufe 214 montiert.

Die Arbeitsweise der Kamera 200 stimmt mit der Kamera 150 nach Fig. 15 im wesentlichen überein. Die Kamera 200 hat jedoch ein Zoomobjektiv 208, das oben mit Bezug auf die Fig. 12, 13a und 13b beschrieben worden ist. Die in Fig. 16 dargestellte Ausführungsform weist außerdem eine Lichtwellenleiterabtasteinheit 250 auf. Die Abtasteinheit 250 weist eine Codierscheibe 252, eine Photovervielfacherröhre 254 und einen Lichtleiter 256 auf. Das Ausgangsende 258 des Lichtwellenleiterbündels 206 ist mit der Codierscheibe 252 ausgerichtet. Eine Seitenansicht der Codierscheibe 252 ist in Fig. 17 gezeigt. Die Codierscheibe 252 weist gemäß der Darstellung in Fig. 18 Spiralabtastschlitze 260a-c auf.

Kurz gesagt, wenn sich die Scheibe dreht, werden die Abtastschlitze abwechselnd mit dem Ausgangsende 258 des Lichtwellenleiterbündels 206 ausgerichtet, und Licht, das durch sie übertragen wird, wird gestattet, durch einen ausgerichteten Schlitz hindurchzugehen und über den Lichtleiter 256 in die Photovervielfacherröhre 254 zu gelangen. Die Spiralabtastschlitze bewirken, daß das Lichtwellenleiterausgangsende 258 auf zeitlicher Basis und mit konstanter Geschwindigkeit abgetastet wird. Auf diese Weise wird ein Zeitbasislichtsignal an die Photovervielfacherröhre 254 abgegeben, und ein Computer 262 kann benutzt werden, die Zeitbasissignale zu interpretieren, um ein geometrisches oder mathematisches Computermodell und/oder auf dem Bildschirm 264 ein Bild 266 zu erzeugen. Ein Bild des fokussierten Flecks auf einem Objekt führt, wenn es mit Entfernungseichtabellen und der Kenntnis der orthogonalen Abtastachsenpositionen verknüpft wird, zu dem Bild 266. Die besondere Steuerung der in Fig. 16 dargestellten Ausführungsform wird im folgenden beschrieben.

Fig. 18 zeigt eine ausführlichere Ansicht der Scheibe 252, die eine "Einmal-pro-Umdrehung"-Spur 268, eine Abtasteinschaltspur 270 und eine "3600-Impulse-pro-Umdrehung"-Spur 272 aufweist. Diese Spuren sind im folgenden ausführlicher erläutert. Aus Fig. 18 ist zu erkennen, daß, wenn sich die Scheibe 252 dreht, jeder Schlitz 260a-c abwechselnd so angeordnet wird, daß er gestattet, Licht aus dem Ausgangsende 258 des Lichtwellenleiterbündels 206 in die Photovervielfacherröhre 254 zu emittieren. Die Abtastspiralschlitze sorgen dafür, daß das Lichtsignal, das an die Photovervielfacherröhre 254 abgegeben wird, eine Zeitbasis hat, d. h. das Licht wird auf einer Zeitbasis durch das Lichtwellenleiterausgangsende 258 über die Codierscheibe 252 in den Lichtleiter 256 gesendet.

Fig. 19a zeigt eine weitere Ausführungsform einer Codierscheibe 300, die benutzt werden kann. Die Codierscheibe 300 weist vier Abtastspiralschlitze 302a-d auf. Ein Lichtwellenleiterausgangsende 304 ist gezeigt, um einen Abtastvorgang weiter zu veranschaulichen. Anhand von Fig. 19a dürfte klar sein, daß viele Konfigurationen einer Codierscheibe zum Ausführen eines Abtastvorganges an einem Lichtwellenleiterausgangsendbündel in Frage kommen und benutzt werden können.

Bei dem grundlegenden Abtasten gehen transparente Abtastschlitze über die Bündelstirnseite hinweg, vorzugsweise mit einer konstanten Geschwindigkeit. Die Schlitze sollten ziemlich nahe bei dem Lichtwellenleiterende angeordnet sein (etwa 127 bis 254 µm (5 bis 10 mils), und jedes Licht, das durch einen Schlitz übertragen wird, kann z. B. durch einen Lichtleiter zu einer Photovervielfacherröhre geleitet werden. Das zeitliche Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre ist das elektrische Analogon des räumlichen Lichtmusters auf dem Lichtwellenleiterband. Das Photovervielfacherröhrenausgangssignal wird dann digitalisiert und für Entfernungsberechnungen benutzt.

Fig. 19b zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Codierscheibe 310 mit radialen Schlitzen 312a-d. Ein Ausgangsende 314 eines Lichtwellenleiterbündels ist gezeigt. Wenn ein radialer Schlitz bei der Codierscheibe benutzt wird, wie es in Fig. 19b gezeigt ist, ist, wenn sich die Codierscheibe dreht, die Geschwindigkeit, mit der sich der Schlitz über die Bandstirnseite bewegt, proportional zu 1/(cos R)². Das heißt, daß Bild des Schlitzes auf der Bandstirnseite bewegt sich in der Nähe der Ränder des Bandes schneller als in der Mitte. R sollte so klein wie möglich gehalten werden, was die Verwendung einer großen Codierscheibe bedeutet. Selbst bei einer Scheibe mit einem Durchmesser von 15,2 cm (6 Zoll) ist jedoch der Winkel, der durch den Schlitz vertikal zu dem Bandrand aufgespannt wird, fast 10°, und das führt zu einer Geschwindigkeitsveränderung von mehr als 3%.

Vorzugsweise sorgt die Codierscheibe dafür, daß gilt x=aR, wobei x die Strecke längs der Bandstirnseite während einer Ablenkung, R die Codierscheibenausrichtung und a eine Konstante ist, die in Beziehung zu der Anzahl von Schlitzlinien auf der Scheibe und der Breite des Lichtwellenleiterbandes steht. Da gilt x=aR, steht die Abtastgeschwindigkeit in linearer Beziehung zu der Scheibenwinkelgeschwindigkeit, die konstant ist. Es gilt r=aR, wobei r die radiale Position des Schlitzes bei dem Winkel R ist.

Wenn die in Fig. 18 gezeigte Scheibe im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, geht die Ablenkrichtung über die Bandstirnseite von links nach rechts. Drei Schlitze sind gezeigt, obgleich weniger oder mehr als drei Schlitze benutzt werden können. Bei nur zwei Schlitzen würde das Erfordernis von nominell 150 Ablenkungen pro Sekunde eine Scheibenwinkelgeschwindigkeit von 4500 U/min erfordern. Bei vier Schlitzen wird die Geschwindigkeit auf 2250 U/min verringert, bei zehn Schlitzen auf 900 U/min. Die Kompromisse sind hier die Scheibengeschwindigkeit, die Eichtabellen für jeden Schlitz und der Winkel, unter welchem der Schlitz die Bandstirnseite "schneidet". Das Drehen der Scheibe mit einer annehmbaren Geschwindigkeit, d. h. mit 2000 bis 3000 U/min, erbringt gute Ergebnisse. Jeder transparente Schlitz wird sich von den anderen etwas unterscheiden, wahrscheinlich genug, um seine eigene Eichtabelle zu verlangen, weshalb das Minimieren der Anzahl der Schlitze vorteilhaft ist. Schließlich, je größer die Anzahl der Schlitze ist, umso weniger orthogonal sind die Relativausrichtungen der Schlitze und der Bandstirnseite. Das kann berücksichtigt werden, indem das Band etwas anderes ausgerichtet und das Schlitzentwurfsgesetz gestört wird.

Viele andere Abtastsysteme kommen in Frage und könnten benutzt werden. Beispielsweise könnte ein Zylinder mit Längsschlitzen benutzt werden. Eine Photovervielfacherröhre wäre in dem Zylinder angeordnet und dem Lichtwellenleiterbündelausgangsende zugewandt. Die Bündelausgangsendfläche könnte maschinell bearbeitet sein, so daß sie eine gekrümmte Geometrie hat und der zylindrischen Oberfläche des Zylinders angepaßt ist.

Der gezeigte Lichtleiter ist einfach ein Pyramidenstumpf, der aus vier Teilen von Frontflächenspiegelglas besteht, das Licht längs der inneren Oberfläche reflektiert. Der Auswahl der Winkel in dem Lichtleiter muß Aufmerksamkeit geschenkt werden, um ein Problem zu vermeiden, das manchmal bei dieser Lösung auftritt und speziell darin besteht, daß es manchmal möglich ist, daß Licht sich seinen eigenen Weg in dem Lichtleiter sucht, und zwar nur, um umzukehren und sich zurück- und wieder hinauszubewegen. In diesem Fall muß der Lichtleiter so konstruiert sein, daß er die Lichtstrahlen, die aus den Lichtwellenleitern austreten, unter einem maximalen Winkel empfängt (+/-41°).

Damit die Kamera dichte Entfernungskarten und/oder Entfernungsmessungen an willkürlich gewählten Orten erzielen kann, ist ein optisches Abtastuntersystem vorgesehen. Es ist in der Lage, Entfernungsmeßmatrizen von bis zu 256×256 innerhalb eines Feldes von bis zu 90°×90° bereitzustellen. Es ist wahrscheinlich zweckmäßig, die Matrixelemente auf n×m zu beschränken, wobei n und m Potenzen von zwei sind. Das heißt, Matrixgrößen können 128×64, 32×32, 16×128, usw. sein. Der minimale Feldwinkel wird durch die Matrixgröße und durch den Feldwinkel, der der Mindestabtastschrittgröße zugeordnet ist, diktiert.

Die Abtastfunktion für das Bündel und das optische System wird erfüllt, indem eine koordinierte Bewegung eines Abtastspiegels und eine Drehung des "optischen Kopfes" ausgeführt werden, wie es in den Fig. 13a und 13b gezeigt ist. Der optische Kopf besteht aus dem Laser, einer Fokussteuereinrichtung (nicht gezeigt) und der optischen Vorrichtung (Motorzoomobjektiv und motorisch angetriebene Lichtwellenleiterdetektorvorrichtung). Er wird am Ende "stehen" und um die Laserbündelachse schwenkbar sein, wie es in den Fig. 13a und 13b gezeigt ist. Der Spiegel ist wie dargestellt befestigt, und seine Schwenkachse schneidet das Laserbündel wie dargestellt. Das Ergebnis definiert ein sphärisches Koordinatensystem mit dem Ursprung im Bündel/ Spiegel-Schnittpunkt. Alle Entfernungsmessungen werden mit Bezug auf diesen Punkt vorgenommen.

Ein Problem, das mit einer kontinuierlichen Rasterabtastung verbunden ist, ist das "Verschmieren" (der Nachzieheffekt) das Laserflecks, das mit der Fleckgeschwindigkeit und der Zeit verbunden ist, die für eine volle optische Abtastung des Lichtwellenleiterbandes erforderlich ist. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, folgendes in Betracht zu ziehen. Die geregelte Laserbündelfleckgröße wird auf dem Ziel in der Größenordnung von 254 µm (10 mils) sein. Willkürlich wird die zulässige Strecke ausgewählt, die der Fleck während der Lichtwellenleiterabtastung zurücklegen kann, als ein Fleckdurchmesser oder 254 µm (10 mils). Man kann jede andere Zahl benutzen, macht man sie aber zu klein, reduziert man die zulässige Entfernungsabtastgeschwindigkeit, und macht man sie zu groß, ergibt sich ein größerer Verschmier- oder Nachzieheffekt. Es erscheint zweckmäßig, das Verschmieren auf ein Ausmaß in der Größenordnung des Verschmierens zu begrenzen, das mit dem Fleck selbst verbunden ist. Wenn jedoch bekannt ist, wieviel Zeit die Lichtwellenleiterabtastung benötigt, kann die maximal zulässige Fleckgeschwindigkeit auf dem Teil berechnet werden. Je kürzer die Lichtwellenleiterabtastzeit ist, umso schneller ist die zulässige Fleckgeschwindigkeit. Diese Überlegung liegt auf der Linie, ein Stroboskop zu benutzen, um eine schnelle Bewegung effektiv einzufrieren. Je kürzer die Schnappschußzeit ist, umso schneller kann die Bewegung sein und trotzdem wirksam eingefroren werden.

Bei einer gegebenen festen A/D-Datenrate oder -übertragungsgeschwindigkeit von 750 kHz, welche durch die verfügbare Hardware festgelegt ist, führen weniger Abtastproben zu einer kürzeren Lichtwellenleiterabtastzeit t_f. Das Lichtwellenleiterband ist 25,4 mm (1 Zoll) breit und besteht aus 10-µm-Lichtwellenleitern oder -Lichtleitfasern, so daß es in dem Band etwa 2500 Lichtwellenleiter gibt. Eine 256- oder 512malige Abtastung längs der Bandstirnseite sollte ausreichend sein und kein wichtiges Detail in dem räumlichen Muster von Licht auf dem Band auslassen. Die Schlitze sind sehr dünn, z. B. 25,4 µm (0,001″). Wenn die transparenten Schlitze auf der Abtastscheibe zu breit gemacht werden, kann das Auflösungsvermögen reduziert werden. Eine Überabtastung des Bandes, beispielsweise 4096 Abtastproben oder mehr, hat wenig Wert, weil die Lichtwellenleiter als Punktquellen wirken und eine Abtastung, die feiner als der gegenseitige Lichtwellenleiterabstand ist, keine neue Information liefert. Infolgedessen werden 1028 Abtastproben pro Lichtwellenleiterabtastung bevorzugt. Das gibt eine ausreichende Überdeckung der Anzahl von Lichtwellenleitern (etwa jeden zweiten), während es einen feinen Abtastschlitz erlaubt, der breit genug ist, um ein Lichtwellenleiterausfallproblem zu vermeiden.

Bei 750 kHz werden 1028 Abtastproben eine Zeit von 1,37 ms benötigen. Die zulässige Fleckgeschwindigkeit auf dem Teil beträgt dann 254 µm/1,37 ms=185,4 mm/s (10 mils/1,37 ms=7,30 Zoll pro Sekunde oder 7,30 mils/ms). Es gilt v=rω, und r kann zwischen 36 und 305 cm (14 und 120 Zoll), d. h. 0,3 und 3,05 m (ca. 1 und 10 Fuß) liegen. Diese Werte können selbstverständlich geändert werden. So beträgt die maximale zulässige Bündelwinkelgeschwindigkeit ω_b=v/r=7,30/r rad/s. Die maximal zulässige Spiegelwinkelgeschwindigkeit beträgt deshalb:

daher gilt

um eine 250-µm-(10-mils-)Punkt-Verschmierung zu verhindern. Es sei beachtet, daß selbst dann, wenn diese Geschwindigkeit erlaubt wird und wenn 150 Entfernungselemente/s erzielt werden, die 1,37 ms, die für eine Lichtwellenleiterabtastung benötigt werden, 21% der Zeit zwischen Entfernungselementen betragen und daß sich der Fleck 21% des Weges zu der neuen Fleckposition zu der Zeit bewegt haben wird, zu der die Lichtwellenleiterabtastung beendet ist. Das setzt jedoch voraus, daß es nicht mehr als eine 254-µm-(10-mils-)"Verschmierung" gibt.

Wenn die Gleichung (10) betrachtet wird, so ist zu erkennen, daß, je näher das Ziel bei dem Spiegel ist und je schmaler der Feldwinkel (und daher der Spiegelauslenkungswinkel) ist, man umso näher an die vollen 150 Entfernungselemente/s gelangen kann, sofern nicht die Vorschrift hinsichtlich des Verschmierens gelockert wird. Anders betrachtet, es gibt eine Linie in dem Winkelgeschwindigkeit/ Entfernung-Raum, unterhalb welcher man die volle Entfernungselementrate mit akzeptabler Verschmierung erzielen kann, wie es in Fig. 20 gezeigt ist. Solange die Spiegelwinkelgeschwindigkeit kleiner als ω_m ist, gibt es weniger als eine 254-µm-(10-mils-)Verschmierung des Fleckes. Wenn nun die Matrixgröße der Abtastung gering ist und der Feldwinkel relativ groß ist, wird das System wahrscheinlich spiegelgeschwindigkeitsbegrenzt sein. Das heißt, der Spiegel würde sich mit einer Winkelgeschwindigkeit bewegen müssen, die außerhalb der zulässigen Zone liegt. Für eine Länge-n-Raster über einem R°-Feld in einer gewissen Entfernung R gilt

R°/ s = verlangte Spiegelgeschwindigkeit ω_mr.

Diese muß kleiner als oder gleich ω_m aus Gleichung (10) sein. Wenn das nicht der Fall ist, wird die Winkelgeschwindigkeit auf ω_m eingestellt, und die Entfernungselementrate muß eingestellt werden, um sie der maximalen Rate anzupassen. Nun gilt

n/ s = berechnete Entfernungselementrate _c (14)

Aber eine variable Steuerung der Abtastscheibengeschwindigkeit ist nicht vorgesehen (zur einfacheren Eichung), so daß nur gestattet werden kann

Das bedeutet, benutze jeden Abtastschlitz, jeden zweiten, jeden dritten, usw. Wenn so das maximale gewählt wird, daß gilt ≦_c, wenn _c kleiner als nominell (150 Entfernungselemente/s) ist, dann ist die nächste mögliche Entfernungselementrate halb so groß wie die nominelle, die nächste ein Drittel, ein Viertel, usw. Die Verwendung des Wertes von führt zu

In einigen Fällen wird es schneller sein, den Spiegel mit hoher Geschwindigkeit in die nächste Position weiterzuschalten, eine Entfernungsablesung vorzunehmen, wieder weiterzuschalten, usw. Das passiert intuitiv, wenn eine große Winkelüberdeckung (ein großer Feldwinkel) und wenige Entfernungselemente innerhalb dieser Überdeckung bevorzugt werden. Es wird eine gewisse maximale Weiterschaltfrequenz geben, die durch die Einstellzeit bestimmt wird, welche mit der Spiegeldynamik verbunden ist. Diese sei mit Ω Entfernungselemente/s bezeichnet. Dann gilt

Dieser Wert sollte mit dem verglichen werden, der durch die Gleichung (16) bestimmt wird, und der kleinste Wert sollte benutzt werden. Wenn der Wert aus Gleichung (16) kleiner ist, wird eine gleichmäßige Rasterabtastung mit der Rate gewählt. Wenn die Gleichung (17) den kleineren Wert ergibt, wird eine weitergeschaltete Rasterabtastung mit der maximalen Rate ()≦Ω gewählt. Wenn der Wert aus der Gleichung (16) zur Steuerung benutzt wird, muß eine neue verlangte Spiegelabtastgeschwindigkeit ω_mr berechnet werden.

Es sei der Faktor 2 im Nenner betrachtet, der die Abtastwinkelverdopplung aufgrund einer Änderung im Spiegelwinkel angibt.

Da die Rasterabtastfunktion mit der Lichtwellenleiterabtastung eng gekoppelt ist, beeinflußt die Wahl, die für die Spiegelabtastung getroffen wird, stark die Lichtwellenleiterabtastfunktionalität und -hardware. Die folgende Erläuterung bezieht sich auf die Lichtwellenleiterabtastscheibe und beschreibt das Verfahren, das benutzt wird, um den Rasterspiegel mit der Scheibendrehung zu synchronisieren. Der grundlegende Bereich von Spiegelabtastgeschwindigkeiten für die gleichmäßige Spiegelabtastbetriebsart reicht von 1,74° bis 15,0°. Wenn etwa 1 mm (39 mils) an Fleckpositionskörnigkeit oder -granularität bei 3 m (10 Fuß oder 120 Zoll) benötigt wird, dann gilt

Das ergibt 19 333 Zählwerte, d. h. Positionen des Bündels pro Bündelumdrehung oder 38 666 effektive Zählwerte pro Spiegelumdrehung, da das Bündel mit der doppelten Spiegelablenkung abgelenkt wird. Für Impedanzanpaßzwecke ist ein Antriebsmotor mit dem Spiegel über ein 4 : 1-Übersetzungsverhältnis verbunden, d. h. vier Motorumdrehungen werden eine Spiegelumdrehung ergeben, so daß 9666 Zählwerte pro Motorumdrehung benötigt werden, wie es in Gleichung (20) gezeigt ist, wobei die im folgenden verwendete Abkürzung U jeweils Umdrehungen bedeutet und die Abkürzung ZW jeweils Zählwerte.

So ergeben 9666 Schritte pro Motorumdrehung eine ausreichende Spiegelpositionierungskörnigkeit, d. h. bei einer ungefähren Spiegelpositionssteuerung von 1 mm bei 3 m (10 Fuß). Das liegt im Rahmen und kann tatsächlich leicht vergrößert werden auf 20 000 Schritte pro U, was besser als 1/2 mm Flecksteuerung bei 3 m (10 Fuß) ergibt. Es seien dann 20 000 Schritte pro Motorumdrehung angenommen.

So ergeben sich für den Fall der 15°/s-Spiegelwinkelgeschwindigkeit

Für den Fall 1,74°/s ergeben sich

Der Spiegelmotor muß mit Geschwindigkeiten zwischen 350 und 3500 Schritten pro Sekunde stufenweise bewegt werden. Es wird bevorzugt, den Spiegelmotor unter Verwendung eines intelligenten Reglers zu betreiben, der zwei Achsen koordinieren kann, indem der Codierer von einer zum Steuern der anderen benutzt wird. Die Bandabtastscheibe hat drei spiralförmige Schlitze und dreht sich mit 150/3=50 U/s=3000 U/min. Das Anordnen einer inkrementellen Codierspur auf der Scheibe ermöglicht, deren Ausgangsmaterial als Eingangssignal für den Motorregler zu benutzen. Der Regler hat eine Betriebsart, bei der er unter Verwendung eines "Codierverhältnisses" läuft, wobei es sich im wesentlichen um einen durch n dividierenden Zähler handelt. Für jeweils n Zählwerte des gewählten Codierers wird er 1 Zählwert an einen ausgewählten Motor abgeben. Die Spiegelmotorgeschwindigkeit wird gesteuert, indem verschiedene Werte von n als Codiererverhältnis ausgewählt werden. Der Codiererleseabschnitt der Motorreglerplatine kann Codierimpulse mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 kHz verfolgen. Niedrigere Geschwindigkeiten können vorgesehen werden. Es wird jedoch bevorzugt, schnelle Impulsfrequenzen zu benutzen. Wenn eine Impulsfrequenz von 200 kHz ausgewählt wird, so ergibt das Arbeiten mit 150 Entfernungselementen/s, 200 000/150=1333,33 Scheibenzählwerte pro Entfernungselement. Es muß eine ganze Zahl an Zählwerten pro Entfernungselement geben, so daß 210 kHz benutzt wird, was zu 1400 Scheibenzählwerten pro Entfernungselement führt. Das wiederum führt zu 4200 Zählwerten pro Umdrehung der Abtastscheibe. Das sollte zufriedenstellend sein, insbesondere bei einer Scheibe mit einem Durchmesser von 152 mm (6 Zoll), weil beträchtlich mehr Zählwerte pro Umdrehung schwieriger und daher teurer in der Herstellung wären. Der Grund, warum höhere Codiererimpulszählwerte pro Scheibenumdrehung verlangt werden, kann folgendermaßen erklärt werden. Um eine relativ feine Kontrolle über die Rasterspiegelabtastgeschwindigkeit zu haben, wird die Abtastgeschwindigkeit in °/s berechnet durch:

Eine Feinkontrolle über ω wird erzielt, wenn eine kleine Änderung von ω aus einer Einheitsänderung von n resultiert. Es gilt aber

so daß die Feinkontrolle in umgekehrter Richtung zu n² steht. Für ein gegebenes gewünschtes ω wird die Gleichung (23) für n gelöst. Der Zähler der Gleichung (23) steht in direkter Beziehung zu der Zahl der Scheibencodierimpulse und, wegen der konstanten Scheibengeschwindigkeit, der Codiererimpulsfrequenz. Daraus folgt, daß eine schnellere Codiererimpulsfrequenz ein größeres n für ein gewünschtes ω erfordert, also eine feinere Kontrolle über ω. Zum Erleichtern des Triggerns des A/D-Wandlers kann eine Spur auf der Scheibe vorgesehen sein, die einen Impuls liefert, wenn jeder der drei Spiralschlitze eine Abtastung des Lichtwellenleiters beginnt. Diese Impulse könnten gleichzeitig mit den Abtastungen beginnen oder den Spiralen in gewissem Ausmaß vorangehen, so daß die beste Anzahl von Codiererimpulsen zum Warten vor dem Triggern des A/D-Wandlers bestimmt werden kann. In dem ersten Fall wird die A/D-Platine direkt getriggert, wenn sie freigegeben wird. Der zweite Fall verlangt etwas Hardware zum Zählen/Triggern, ist aber programmierbar/ eichbar. Wenn eine variable Positionierung des optischen Codiererlesekopfes vorgesehen ist, kann eine mechanische "Programmierung" erfolgen.

Der Abtastspiegel bewirkt eine vertikale Rasterablenkung im Arbeitsraum. Der Einfachheit halber erfolgt das in einer einzigen Richtung. Die Bewegung des Spiegels ist 1) eine gesteuerte Ablenkung abwärts und 2) ein schneller Rücklauf aufwärts. Die Abwärtsbewegung muß zu einer geeigneten Zeit beginnen, so daß sie mit der Lichtwellenleiterabtastscheibe synchronisiert ist, und zwar unter Berücksichtigung der Zeit, die benötigt wird, um den Spiegel auf seine Geschwindigkeit zu beschleunigen. Das heißt, der Spiegel muß auf Geschwindigkeit kommen und in der ersten Meßposition sein, wenn einer der Abtastschlitze gerade eine Lichtwellenleiterabtastung beginnt. Aerotechnische Umsetzerregler kann für den Spiegelmotorantrieb benutzt werden. Die größte Anstiegszeit, die benötigt wird, um im schlimmsten Fall auf Geschwindigkeit zu kommen, kann für jeden Fall bestimmt werden. Das ist einer gewissen Anzahl von Abtastscheibendrehungen äquivalent. Die Anzahl der Scheibenimpulse die durch diese Zahl von Scheibendrehungen dargestellt wird, ist wiederum einer Zahl von Spiegelmotorimpulsen über das Codiererverhältnis n äquivalent. Diese Zahl sei mit n_b bezeichnet. An diesem Punkt wird der Abtastspiegel n_b Impulse vor der Spiegelposition zum Erzielen des ersten Entfernungselements positioniert. Dann wird bei dem "Einmal-pro- Umdrehung"-Impuls der Scheibe die Codiererverfolgung an dem Motorregler freigegeben. Der Spiegel wird auf Geschwindigkeit beschleunigt, während sich die Abtastscheibe schnell dreht, und der Spiegel und die Scheibe werden im Verriegelungsschritt sein für die "gute Messung" der Scheibendrehungen und das Einsetzen der Entfernungsabtastung. An dem Ende der Abtastung wird die Spiegelbewegung angehalten, das Folgen des Codierers beendet, und der Spiegel wird mit hoher Geschwindigkeit zurück in die Position vor der Abtastung gebracht.

Fig. 21 zeigt ein Blockschaltbild 400 eines tiefenvariablen Triangulationsvermessungssystems. Das Vermessungssystem weist eine Abtastscheibe 402 auf, die im Betrieb benutzt wird, um Signale aus einem Ausgangsende eines Lichtwellenleiterbündels zu codieren, wie es oben beschrieben worden ist. Ein Codierer 404 ist so angeordnet, daß er in der Lage ist, Signale aus Codierspuren auf der Scheibe 402 zu empfangen. Der Codierer 404 ist mit einer Synchronisiertorschaltung 406 und einer phasensynchronisierten Schleife oder PLL-Schaltung 408 verbunden. Eine Photovervielfacherröhre (PMT) 410 ist mit einer Aufbereitungsschaltung 412 verbunden, die ihrerseits mit einem logarithmischen Verstärker 414 verbunden ist. Ein Analog/Digital-Abtasttriggersignal mit einer Frequenz von 150 Hz wird aus einer weiteren Codierspur auf der Scheibe 402 gewonnen. Das Scheibenabtastsignal wird auch benutzt, um über einen monostabilen Multivibrator (MM) 418 den Verstärker 414 rückzusetzen. Signale aus dem logarithmischen Verstärker 414 und der PLL-Schaltung 408, die ein Signal mit 720 kHz liefert, werden an einen Computerregler 420 angelegt. Der Computerregler 420 ist mit einem Schrittmotor 422 zum Steuern der Drehung eines Rasterabtastspiegels 424 verbunden. Ein Zähler kann zwischen den Computerregler 420 und den Schrittmotor 422 geschaltet sein, um die Impulse zu zählen, die zu dem Schrittmotor 422 gesendet werden. Der Computerregler 420 ist außerdem mit einem Schrittmotor 428 verbunden, der benutzt wird, um die Horizontalabtastdrehung eines Vermessungssystems 430 zu steuern. Das System 430 kann mit dem in Fig. 14 gezeigten Vermessungssystem 150 identisch sein. Der Computerregler 420 ist, wie dargestellt, außerdem mit einer dynamischen Fokussiereinheit 432 verbunden, die mit der Echtzeitfleckgrößensteuereinrichtung 152 identisch sein kann, welche in Fig. 14 gezeigt ist. Der Computerregler 420 ist außerdem mit einer Drehstufe 434 für das optische Untersystem, einer Detektorbündelstufe 436, einer Motorfokuseinrichtung 438 und einer Motorzoomeinrichtung 440 zum Steuern des Zoomobjektivs und einem Eichschienenmotor 444 verbunden.

Gemäß dem in Fig. 21 gezeigten Blockschaltbild besteht das Vermessungssystem aus vier Grundabschnitten - einem mechanischen Untersystem, einem optischen Untersystem, einem Eichsystem und einem Rechensystem. In bezug auf das mechanische Untersystem gibt es sechs mechanische Freiheitsgrade. Zwei Freiheitsgrade gibt es für die Laserbündelabtastung - einen für die Bewegung des Rasterablenkspiegels und einem zum Drehen der gesamten optischen Vorrichtung. Zwei Freiheitsgrade gibt es zur Zoom- und Fokussteuerung des Motorzoomobjektivs. Einen weiteren Freiheitsgrad gibt es für die Manipulation der Objektivvorrichtung selbst. So gibt es einen Freiheitsgrad für die Drehbewegung der Gesamtanordnung aus Objektiv und Lichtwellenleiterbündel, und der andere Freiheitsgrad dient zur Drehung des Erfassungsendes des Lichtwellenleiterbündels selbst. Alle Motoren sind Mikroschrittmotoren und werden durch einen 6-Achsen-Schrittmotor- Regler gesteuert, der sich auf einem PC-Bus befindet. Der Regler gibt Schrittimpulse an jeden Motorumsetzermodul ab, welcher jeder Motorwicklung einen proportionalen Strom liefert. Der Regler liest außerdem die Codierersignale zum Schließen eines Regelkreises an dem Motor, an dem der Codierer angeordnet ist, oder zum Steuern eines Motors auf der Basis eines Zustands eines anderen Motors.

Das Eichsystem enthält eine Präzisionsschiene von ungefähr 3 m (10 Fuß), auf der ein Zielschlitten und ein Eckwürfelretroreflektor für ein Interferometersystem laufen. Es wird ebenfalls mittels Schrittmotor angetrieben und durch den Reglerkanal gesteuert, der üblicherweise den Horizontalabtastmotor steuert, da die Abtastfunktion während der Eichung gesperrt ist. Der Eichschienenmotor und der Horizontalabtastmotor haben die gleiche Größe und Leistung. Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Eichung sind im folgenden angegeben.

In dem optischen Untersystem wird das Abtastlaserbündel in eine dynamische Fokussiervorrichtung gerichtet, die im folgenden beschrieben ist und bei der es sich grundsätzlich um ein computergesteuertes Teleskop handelt. Der Computerregler kann entweder ein Analogsignal aus einem D/A-Wandler oder Digitalsignale aus einer programmierbaren E/A(PIO)- Platine empfangen, und der Regler positioniert eine Linse des Teleskops in bezug auf die andere Linse. Das Bündel verläßt das Teleskop und wird zu einem kleinen Fleck fokussiert, nachdem es an dem Rasterabtastspiegel reflektiert worden ist. Das Bündel trifft auf das Ziel auf, und ein Teil der reflektierten Lichtenergie wird durch das Motor- Zoom/Fokus-Objektiv aufgefangen und auf das Ende des kohärenten Lichtwellenleiterbündels fokussiert, wiederum nachdem es an dem Rasterspiegel befestigt worden ist. Das Licht tritt an dem Ausgangsende des Bündels aus und wird durch die Abtastscheibe abgetastet, wobei in diesem Punkt das Licht, das durch die Scheibe durchgelassen worden ist, sich weiter zu dem Lichtleiter und in die Photovervielfacherröhre (PMT) 410 bewegt. Das Signal aus der Photovervielfacherröhre 410 geht in einen Strom-Spannungsverstärker und gelangt zu dem logarithmischen Verstärker 414. Von da aus wird das Signal zu dem A/D-Wandler geleitet, wo es digitalisiert und über einen Hochgeschwindigkeitsbus an eine Digitalsignalprozessor-(DSP-)Karte abgegeben wird. Das Ergebnis der Verarbeitung ist ein Entfernungswert, der zu dem Computerregler 420 geleitet und gespeichert wird.

Der Computerregler 420 ist ein industrieller IBM PC/AT auf 80 386-Basis mit 25 MHz. Er wird benutzt, um das Verhalten des Systems abzustimmen und Entfernungsdaten zu speichern, zu manipulieren und anzuzeigen. Der Computerregler 420 ist ein Computer mit vierzehn Schlitzen, und alle erforderlichen Karten passen in den Computerregler. Zehn Platinen - CPU, NEC Video, DSP, D/A-A/D, OMS-6-Achsen-Regler, Ethernet, PIO-Platine, Interferometer, COM/Parallel-Platine und Periskop-Entstörer - befinden sich auf dem Bus.

Die Abtastscheibe hat, wie oben beschrieben, vorzugsweise drei klare, dünne Spiralschlitze auf einem lichtundurchlässigen Hintergrund zum Abtasten der Lichtwellenleiterbündelstirnseite. Es gibt außerdem drei Codiererspuren, die am äußeren Umfang der Lichtwellenleiterbündelstirnseite angeordnet sind. Die äußerste Spur ist eine 3600-Impulse-Codiererspur, die eine 180-kHz-Impulsfolge an die PLL-Schaltung 408 und die Synchronisiertorschaltung 406 abgibt, wenn sich die Scheibe mit 50 Umdrehungen pro Sekunde (3000 U/min) dreht. Die PLL-Schaltung 408 multipliziert diese Frequenz mit vier, um ein Signal mit 720 kHz zur A/D-Abtastprobentriggerung abzugeben. Das dient zum Synchronisieren des A/D-Wandlers mit der Position der Abtastscheibe 402.

Die mittlere Codiererspur liefert drei Impulse pro Umdrehung für das Einsetzen einer Abtastung für jeden der drei Spiralschlitze auf der Scheibe 402. Dieses Signal triggert den A/D-Wandler, um eine Anzahl von Ablesungen zu machen, wenn er durch die CPU konfiguriert worden ist, das zu tun. Dieses Signal unterbricht außerdem die CPU über die PIO- Platine, um das steuernde Programm über eine neue Abtastablenkung oder wenigstens den Vorbeigang eines weiteren Spiralschlitzes zu informieren, wenn die Spiralschlitze auf eine langsamere Entfernungselementrate umgeschaltet werden, so daß das steuernde Programm zählen kann, um festzustellen, von welcher Spirale die Daten kommen. Das Abtasttriggersignal wird außerdem benutzt, um den monostabilen Multivibrator 418 zu triggern, der das Ausgangssignal des logarithmischen Verstärkers 414 zwischen den Abtastungen rücksetzt.

Die innere Spur liefert einen Impuls pro Umdrehung, um die Ausgangsposition der Abtastscheibe festzulegen. Das ist notwendig, weil die Scheibe in einer Steuerschleife ohne Rückführung in bezug auf das übrige System schnell gedreht wird und das System keine andere Möglichkeit hat, die wahre Position der Scheibe zu ermitteln. Das Signal unterbricht die CPU über die PIO-Platine und wird außerdem zu der Synchronisiertorschaltung 406 geleitet.

Die Synchronisiertorschaltung 406 synchronisiert den Rasterspiegel 424 mit der Abtastscheibe 402, da die Impulse der äußeren Codiererspur benutzt werden, um den Spiegel über ein vom Benutzer wählbares Codiererverhältnis in dem Motorregler anzutrieben. Der Spiegel muß präzise und abgestimmt auf die Abtastscheibe 402 gesteuert werden, wenn Entfernungsmessungen besonderen Orten auf der Zieloberfläche genau zugeordnet werden sollen, und die Synchronisiertorschaltung 406 wird benutzt, um die Synchronisierung zu erzielen. Die Synchronisiertorschaltung 406 ist in Fig. 22 als Blockschaltbild dargestellt. Die Synchronisiertorschaltung 406 weist ein JK-Flipflop 450 und eine UND-Schaltung 452 auf. Der einmal pro Umdrehung gelieferte oder 1/U-Impuls wird dem Flipflop 450 zugeführt, von diesem abgegeben und mit dem Codierersignal UND-verknüpft. Das Ausgangssignal aus der UND-Schaltung 452 wird an den Motorregler angelegt, d. h. an den OMS-6-Achsen-Regler.

Solange die Rücksetzleitung des Flipflops 450 durch die PIO-Platine auf L-Pegel gehalten wird, hat das Ausgangssignal des Flipflops den Signalwert L, und die UND-Schaltung 452 läßt das Codierersignal nicht zu dem Motorregler durch.

Wenn das System bereit ist, eine Rasterabtastung zu starten, wartet es auf einen "Einmal-pro-Umdrehung"-Impuls, gibt den Motorregler zur Codiererabtastbetriebsart frei und weist die PIO-Platine an, die Rücksetzleitung auf einen H- Pegel zu setzen, und wartet auf den nächsten "Einmal-pro- Umdrehung"-Impuls. Wenn der nächste "Einmal-pro-Umdrehung"- Impuls erscheint, taktet er das Flipflop 450, welches den Ausgang auf einen H-Pegel setzt, wodurch die UND-Schaltung 452 freigegeben wird, um Codierersignale durchzulassen, in welchem Punkt der Abtastspiegel die Drehung beginnt. Er signalisiert außerdem der CPU, das der A/D-Wandler freigegeben wird, so daß, wenn die Abtasteinsetzimpulse aus der mittleren Spur erscheinen, der A/D-Wandler die vorbestimmte Zahl, z. B. 2048, von Umwandlungen mit der Frequenz von 720 kHz nimmt, die durch die PLL-Schaltung 408 eingestellt ist. Die CPU überwacht die Abtasteinsetzimpulse, um festzustellen, wann oder ob damit fortzufahren ist, den A/D-Wandler freizugeben. Es gibt eine Zeit zwischen dem "Einmal-pro-Umdrehung"- Impuls und dem ersten Abtasteinsetzimpuls zum Einstellen des A/D-Wandlers.

Die Eichschine trägt ein Eichziel und einen Retroreflektor für das Interferometersystem, das benutzt wird, um präzise, unabhängige Meßwerte der Zielposition zu liefern. Da die Schiene nur relativ gleichmäßige Bewegung machen kann, wird das Interferometer in der Lage sein, das Ziel zu verfolgen, sofern nicht die Schienengeschwindigkeit zu groß ist. Die Schienengeschwindigkeit sollte deshalb während der Eichung begrenzt sein.

Zwei verschiedene Eichungen werden ausgeführt. Die erste ist eine Eichung der dynamischen Fokussiervorrichtung zum Aufbauen einer Suchtabelle der Teleskoplinsenoperation über dem gemessenen Entfernungswert. Die Eichschiene wird in die Ausgangsstellung gebracht, das Interferometer wird auf Null gesetzt, und der Brennpunkt wird variiert, bis der Fleck auf dem Ziel am kleinsten ist. Das wird bestimmt durch rechtzeitiges Analysieren der Gestalt des Ausgangssignals des logarithmischen Verstärkers 414 - die "spitzeste" Gestalt ergibt den kleinsten Fleck. Für jede Zielposition wird das Antriebssignal, das für den engsten Brennpunkt erforderlich ist, in der Suchtabelle zur dynamischen Fokussierung gespeichert. Diese Aufgabe kann manuell oder maschinell ausgeführt werden, je nach dem relativen Ausmaß der Zeitspanne, die für den manuellen Betrieb erforderlich ist, gegenüber der, die zur Codeentwicklung für den automatischen Betrieb erforderlich ist. Parallele Digitalsignale werden zu der dynamischen Fokussiervorrichtung zum Positionieren gesendet, und die Vorrichtung sendet ein digitales "Position-eingestellt"-Signal zurück, das der Computer abfragt, um festzustellen, wann die dynamische Fokussierung abgeschlossen ist.

Die zweite Eichaufgabe besteht darin, Suchtabellen für jede der "Konfigurationen" des Systems aufzubauen. Eine Konfiguration ist grundsätzlich ein Statusvektor, dessen Komponenten die Positionen der vier optischen Komponenten - Zoom, Fokus, optische Vorrichtung und Lichtwellenleiterbündelendausrichtung - sind, die die Standoff-Entfernung, die Schärfentiefe und das Entfernungsauflösungsvermögen des Systems festlegen. Zum Einrichten irgendeiner Konfiguration wird die allgemeine Arbeitsweise darin bestehen, alle vier Achsen in die Ausgangsstellung zu bringen, die inneren und Motorreglerpositionszähler rückzusetzen und die vier Achsen in ihren geeigneten Positionen zu positionieren. Die Eichschiene wird in die Ausgangsstellung gebracht, dann bewegt, bis eine von null verschiedene Reflexion durch das System registriert wird. Der ungenaue Entfernungswert, der durch diese Messung erzielt wird, wird benutzt, um die dynamische Fokussierung einzustellen, und ein weiterer, im allgemeinen genauerer Wert wird erzielt. Die Position des Schwerpunkts des Reflexionssignals an dem Lichtwellenleiterbündel, das durch die drei Abtastspiralschlitze gelesen wird, wird in die geeignete der drei Suchtabellen eingetragen und den Entfernungswerten zugeordnet, die an dem Interferometer abgelesen werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung für ein tiefenvariables Triangulationsvermessungssystem, das Mittel zum Emittieren eines Lichtbündels, Mittel zum Fokussieren eines emittierten Lichtbündels auf einen Gegenstand und eine lichtempfindliche Einrichtung enthält, gekennzeichnet durch:
eine Zoomlinse (104) zum Abbilden von reflektiertem Licht auf die lichtempfindliche Einrichtung (106), wobei der Abstand zwischen der Zoomlinse und der lichtempfindlichen Einrichtung im Betriebszustand im wesentlichen fest ist, wobei die lichtempfindliche Einrichtung relativ zur Zoomlinse drehbar ist, und
Mittel (110) zum einstellbaren Positionieren der lichtempfindlichen Einrichtung (106) und der Zoomlinse (104) derart, daß ein emittiertes Lichtbündel, eine Ebenenachse durch die Zoomlinse und eine Bildlinie durch die lichtempfindliche Einrichtung sich alle etwa in einem gemeinsamen Punkt schneiden und die Scheimpflug-Bedingung erfüllen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomlinse (104) einstellbar ist zum Verändern eines Feldwinkels und Brennpunktes.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Einrichtung (106) auf einer Drehstufe (110) angebracht ist, und die Zoomlinse (104) und die Drehstufe (110), auf der die lichtempfindliche Einrichtung (104) angebracht ist, auf einem Drehteller (108) angebracht sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomlinse (104) durch einen Schrittmotor angetrieben wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomlinse (104) einen Zoom, einen Brennpunkt und eine Iris-Linse aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheimpflug-Bedingung experimentell ermittelt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum einstellbaren Positionieren der lichtempfindlichen Einrichtung (106) und der Zoomlinse (104) enthalten:
eine Drehstufe (110), auf der die lichtempfindliche Einrichtung (106) angebracht ist,
einen Drehteller (108), auf der die Drehstufe und die Zoomlinse angebracht sind, und
einen ersten und einen zweiten Computer-gesteuerten Schrittmotor, wobei der erste Schrittmotor mit der Drehstufe (110) und der zweite Schrittmotor mit dem Drehteller (108) verbunden ist.

8. Zoomlinsen-Vorrichtung für ein tiefenvariables Triangulations-Vermessungssystem, gekennzeichnet durch:
eine Drehstufe (110), auf der eine lichtempfindliche Einrichtung (106) angebracht ist,
einen Drehteller (108), auf der die Drehstufe (110) und eine Zoomlinse (104) angebracht sind, wobei der Abstand zwischen der Zoomlinse und der lichtempfindlichen Einrichtung im wesentlichen fest ist,
und wobei die lichtempfindliche Vorrichtung (106) und die Zoomlinse (104) einstellbar positionierbar sind, um die Scheimpflug-Bedingung zu erfüllen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstufe (110) durch einen ersten Computer-gesteuerten Schrittmotor und der Drehteller (108) durch einen zweiten Computer-gesteuerten Motor angetrieben sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomlinse (104) durch einen dritten Schrittmotor angetrieben ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomlinse (104) einstellbar ist zum Verändern des Feldwinkels und des Brennpunktes.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomlinse (104) einen Zoom, einen Brennpunkt und eine Iris-Linse aufweist.

13. Vorrichtung für ein Vermessungssystem, gekennzeichnet durch:
eine Zoomeinheit mit einem Zoom, einem Brennpunkt und einer Iris-Linse und
einem ersten Schrittmotor zum Steuern der relativen Position des Zooms, des Brennpunkts und der Iris-Linsen der Zoomeinheit.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomeinheit auf einem Drehteller (108) angebracht ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch:
eine lichtempfindliche Einrichtung (106),
eine Drehstufe (110), auf der die lichtempfindliche Einrichtung (106) angebracht ist,
einen Drehteller (108) auf dem die Zoomeinheit und die Drehstufe angebracht sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehstufe und der Drehteller auf entsprechende Weise durch zweite bzw. dritte Schrittmotoren angetrieben sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoomeinheit und die lichtempfindliche Einrichtung einstellbar ist, um die Scheimpflug-Bedingung zu erfüllen.