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Dr. Stefan Bosse

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Optics

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Laseroptische Time-Of-Flight Abstandsmessung

Überblick

Grundlagen
Experimenteller Laboraufbau

Grundlagen

Es gibt im wesentlichen drei gängige Methoden, den Abstand eines Objekts zu bestimmen [2,3]:

Triangulation: ein Lichtstrahl (i.A. von einer Laser- oder LED-Quelle) wird von dem Objekt derart reflektiert, daß unter Zugrundelegung geometrischer Gesetztmäßigkeiten die Variation des Abstandes des Objekts zu einer Lageänderung des reflektierten Lichstrahls (dessen geometrische Ausdehnung daher begrenzt sein muß) auf einem positionsempfindlichen Detektor führt. Aus der Lageänderung des reflektierten Strahls kann dann die Entfernung bestimmt werden, gegeben durch einen in erster Näherung linearen Zusammenhang.
Laufzeitmessung von Schallwellen: ein Ultraschallsender emittiert kurze Schallimpulse oder ein amplitudenmoduliertes Schallsignal. Der von dem Objekt reflektierte Schall wird von einem Empfänger aufgenommen. Aufgrund der Laufzeit des Schalls (ca. 3ms/m bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 300m/s) kann durch eine Zeitmessung der Objektabstand über einen linearen Zusammenhang bestimmt werden.
Laufzeitmessung von Lichtwellen: gleiches Verfahren wie in (2), aber mit Lichtwellen und einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 300*10⁶ m/s! Die Laufzeit ist sehr klein und liegt entsprechend bei 30 ns/m. Als Sender kommen nur Laserdioden, und als Empfänger nur schnelle Fotodiodensysteme zum Einsatz.

Neben Lichtwellen können allgemein elektromagnetische Wellen, insbesondere im Mikrowellenbereich, Verwendung finden.

Triangulationsverfahren

Bei dem am verbreitetsten Triangulationsverfahren bewirkt eine Abstandsänderung d_m des zu untersuchenden Objekts eine Lageänderung des reflektierten Lichtstrahls auf einem (eindimensionalen) lageempfindlichen Detektor, mit einer Linse zur Lichtbündelung. Die Änderung des Schwerpunktes des Lichtstrahls x_m ist gegebn durch:

x_m=b/g * sin (a) * d_m

Der Winkel a ist der Winkel zwischen dem ausgesendeten und reflektierten Lichtstrahlbündel, b ist die Bild- und g die Gegenstandsweite bezüglich der dem Detektor vorgelagerten Linse mit der Brennweite f.

Das verfahren der Triangualtion ist auf den diffusen Anteil der Reflexion angewiesen, da der direkt reflektierte Anteil des eingestrahlten Lichtstrahls dem Reflexionsgesetzt (Einfalls- = Ausfallswinkel) unterliegt. Reflektierende Oberflächen wirken bei diesem Meßverfahren störend, und verfälschen die Abstandsinformation maßgeblich.

Die Kennlinie eines Triangulationssensors ist approximiert eine Hyperbel, was bedeutet, daß die Auflösung (=Genauigkeit) des Detektors mit zunehmenden Abstand abnimmt. der Meßbereich des Sensors hängt von zwei Faktoren ab [2]:

Die Tiefenschärfe des optischen Systems und
die örtliche Ausdehnung des Detektors.

Da als Lichtquelle i.A. ein Laser eingesetzt wird, ergibt sich aufgrund der kohärenten Eigenschaften des Laserlichts eine stark gemustertes Streulichtmuster, als sog. Specklesmuster bezeichnet. Bei einer Verschiebung der streuenden Oberfläche ändert sich die Gestalt des Specklemusters, und eine Krümmung der Oberfläche führt bei einer lateralen bewegung zu einer Wanderung des Specklemusters. Resultat kann eine Verschiebung des Schwerpunkts des Streulichtmusters auf dem Detektor sein, ohne daß sich die Entfernung des Objekts ändert.

Weiterhin führt ein reflexion des Lichtstrahls an Kanten oder Abschattungen zu einer Verfälschung des Meßsignals.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß das Triangulationsverfahren derzeit noch das am weitesten verbreitete und i.A. preisgünstigste Verfahren ist, aber aufgrund seiner Nachteile nicht für größere Distanzen geeignet ist (sinnvoller Einsatzbereich < 1 Meter).

Die oben genannten Nachteile existieren nicht für die Verfahren, die auf der Messung der Laufzeit von Wellen (Schall oder elektromagnetischer Natur) beruhen.

Pulslaufzeitverfahren

Beim Pulslaufzeitverfahren wird ein Laserpuls vom Detektor ausgesendet und die Reflexion an einem Objekt von einem Breitbandemfänger aufgenommen. Die Zeitdifferenz t zwischen dem Sende- und Empfangspuls wird ausgewertet und führt direkt zum Abstand des Objekts:

d_m=(c₀*t)/(2*n)

mit c₀=2.9979*10⁸ m/s als Lichtgeschwindigkeit im Vakkum und n=c₀/c ist der Brechungsindex des Ausbreitungsmediums. Der Faktor zwei ergibst sich aufgrund der hin- und rücklaufenden Lichtstrahlen. Eine Wegdifferenz von 15cm führt zu einer Zeitdifferenz von 1ns, was hohe Anforderungen an das zeitliche Auflösungsvermögen der Elektronik sowohl auf der Sender- als auch auf der Empfängerseite stellt. Die Genauigkeit dieses Verfahren wird maßgeblich durch dieses Auflösungsvermögen bestimmt.

Mittelwertbildung führt bei diesem Verfahren zur einer Erhöhung der Meßgenauigkeit, erhöht aber auch die Meßzeit.

Experimenteller Laboraufbau

Die folgende Abbildung zeigt einen ersten experimentellen Aufbau zur Untersuchung grundsätzlicher Fragestellungen rund um das verwendete Meßverfahren. Ein besonderer Schwerpunkt liegt in der analogen und digitalen Signalkonditionierung auf der Sender- und Empfängerseite.

Ein Laserpuls mit einer hohen Pulsleistung im Watt-bereich wird mit einer Laserdiode erzeugt und gesendet. Ein geringer Anteil der Intensität dieses Laserstrahls wird im Meßgerät ausgekoppelt und einem PIN-Fotodetektor für die Bestimmung des Startsignals der Zeitmessung zugeführt. Der Laserstrahl passiert einen Strahlteiler und gelangt auf die Oberfläche eines Objekts. Das dabei gestreute oder reflektierte Licht gelangt zu einem Bruchteil über den Strahlteiler auf einen empfindlichen APD-Fotodetektor. Dieser liefert das Stop-Signal für die Zeitmessung. Aus der Laufzeitdifferenz t kann dann direkt der Abstand L des Objekts berechnet werden.

I.) Schematischer Aufbau

TOF-Schema

II.) Abbildung

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Auf der linken Seite des Bildes ist der Sender gezeigt. Es ist ein bereits im Abschnitt [Avalanche Steuerungstechnik] gezeigter avalanche gesteuerter Diodenlaser, der Laserimpulse mit ca. 2W Impulsleistung bei einer Anstiegszeit von ca. 1ns liefert. Mit Hilfe von Optiken wird das elliptische Strahlprofil der Laserdiode korrigiert.

Mittels eines Strahlteilers wird ein geringer Teil (kleiner 5%) des Laserstrahls auf einen PIN-Detektor ausgekoppelt. Dieser ist in der linken unteren Hälfte des Bildes gezeigt. Dieser Detektor liefert das Startsignal für die Laufzeitmessung.

Ein weitere folgender spezieller Strahlteiler mit vorgeschalteten Strahlformungselementen und einem Transmissionsvermögen von 100% koppelt das Lichtsignal aus dem Aufbau in die zu untersuchende Umgebung aus. Von Objekten reflektiertes Licht wird über diesen speziellen Strahlteiler mit ca. 80% Transmissionvermögen auf den AP-Detektor und einer vorgelagerten Kollimierungsoptik, gezeigt in der rechten Bildhälfte, übertragen. Dieser Detektor liefert das Stopsignal für die Laufzeitmessung.

III.) Messungen

Nachfolgende Abbildung zeigt exemplarische Meßergebnisse einer Abstandsmessung mit obigen Versuchsaufbau. Das Objekt befand sich in einem Abstand L=170cm inklusive der Strecken innerhalb des Detektors. Der mit einem Digitaloszilloskop gemessene zeitliche Abstand beider Signale betrug t=11ns, was einer gemessenen Länge von L'=165cm und einer Genauigkeit von 3% entspricht.

TOF-Messungen

Referenzen