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Abstandsmessung (optisch)
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Die optische Abstandsmessung (auch: Laserentfernungsmessung) wird benutzt um die Distanz zwischen einem Abstandssensor und einem Objekt zu messen. Die Präzision hängt von verschiedenen Faktoren ab:
- von der Oberfläche der beiden Objekte (Material, Farbe)
- von der zu messenden Distanz
- von Umwelteinflüssen
Um für verschiedene Anwendungen beste Messungen zu erhalten, wurden mehrere Messverfahren entwickelt. Doch alle diese Verfahren basieren auf einem Laser der einen Lichtstrahl auf das Objekt strahlt. Dieser Lichtstrahl wird anschließend vom Objekt reflektiert.
Grundsätzlich unterscheidet man die Lasertriangulation (s. Laser und Triangulation (Messtechnik)), die sogenannten Laufzeitverfahren wie das Laserradar (s. Radar), sowie Laserinterferometer. Die Lasertriangulation und das Laserinterferometer eignen sich bevorzugt für kurze Entfernungen (einige Mikrometer bis 100 Meter), die Laufzeitverfahren dagegen eher für große Entfernungen (1 Meter bis 1011 Meter).
Inhaltsverzeichnis |
Messung der Laufzeit
Bei der Laufzeitmessung wird ein zeitlich modulierter Lichtimpuls ausgesandt.
Unter der so genannten Pulslaufzeit versteht man die Zeit die der Lichtstrahl braucht um zur Quelle reflektiert zu werden. Durch Messen dieser Laufzeit Δt kann, mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit, die Distanz l zwischen Quelle und Objekt ermittelt werden. Der Faktor 1 / 2, trägt dem Umstand Rechnung, dass das Licht die Entfernung zum Objekt hin und zurück durchlaufen muss. Die Lichtgeschwindigkeit wird durch das umgebende Medium mit der Brechkraft/Brechzahl n reduziert.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Reaktionszeit. Des Weiteren hat diese Verfahren eine Messweite von 1 Meter bis mehrere Kilometer. Der Nachteil ist die Messung der Pulslaufzeit, da es sich dabei um eine sehr hohe Geschwindigkeit (ungefähr 300000 km/s) handelt. Außerdem dürfte es schwierig werden, eine hohe Auflösung zu bekommen.
Da die direkte Messung der Laufzeiten bei kurzen Entfernungen extrem schwierig ist, greift man oft auf indirekte Verfahren zurück. Dazu wird das Lasersignal periodisch mit einer Wellenlänge von einigen Metern moduliert und der reflektierte mit dem ausgesandten Strahl überlagert. Das resultierende Signal erlaubt eine relative Entfernungsmessung. Es existieren verschiedene Verfahren aus der Messtechnik die eine Absolutmessung innerhalb eines gewissen Eindeutigkeitsbereiches erlauben.
Phasenmodulation
Ein reflektierter Lichtstrahl ist nicht in Phase mit dem ursprünglichen Strahl. Diese Phasenmodulation kann gemessen und benutzt werden um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Wenn man annimmt, dass das ausgestrahlte Signal mit einer Frequenz f = 1/T moduliert wurde, so erhält man folgende Grafik :
Die Phasendifferenz erhält man durch die Gleichung :
Die Distanz kann dann errechnet werden.
Der große Vorteil dieser Methode ist die große Auflösung. Ökonomisch betrachtet, ist dieses Verfahren auch billiger zu realisieren. Ein Problem entsteht jedoch wenn die Distanz zu groß wird. In dem Fall würde eine Phasendifferenz von mehr als 360° entstehen. Somit würde die Distanz nicht korrekt ermittelt werden. Nehmen wir an die Phasendifferenz würde 365° betragen. Da es sich bei 360° um einen Kreis handelt, werden bei 365° nur 5° gemessen. Die berechnete Distanz wird also nachher viel zu wenig betragen. Die dadurch entstehende maximale Distanz kann mit Hilfe der Frequenz modifiziert werden. Durch eine niedrigere Frequenz (=längere Periodendauer) erhält man eine höhere Distanz. Bei dieser Methode erhält man allerdings eine maximale Distanz von ungefähr 200 Metern.
Absolute Interferometrie
Laserinterferometer (s. Interferometrie) messen keine absoluten Weglängen sondern nur die Verschiebung eines Referenzspiegels. Beim Verschieben des Spiegels wird das Interferenzbild aus ausgesandtem und reflektiertem Strahl periodisch moduliert. Es durchläuft bei der Verschiebung um eine Lichtwellenlänge genau eine Periode. Zählt man die Durchgänge und multipliziert sie mit der Lichtwellenlänge erhält man die gesuchte Wegstrecke. Mit einer genaueren Auswertung des Signals erreicht man Genauigkeiten von etwa 1 / 100 Wellenlänge, das sind bei sichtbarem Licht wenige Nanometer.
Jedes Signal hat eine bestimmte Wellenlänge. Vergleicht man nun das ursprüngliche mit dem reflektierten Signal so stellt man fest, dass ein Unterschied zwischen beiden Wellenlängen besteht. Dieser Unterschied ist proportional zur Distanz.
Unter Berücksichtigung der Phasendifferenz :
Allerdings ist es nicht möglich die Wellenlänge des Lasers exakt einzustellen. Daher muss eine Wellenlänge als Referenz benutzt werden.
Der bedeutende Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Präzision (10E-6 Meter). Jedoch erhält man mit herkömmlichen Lasern eine maximale Distanz von nur 1 Meter. Um diese Distanz zu erhöhen können External Cavity Laser benutzt werden.
Lasertriangulation
Bei der Lasertriangulation wird ein Laserlichtpunkt auf das Messobjekt projiziert und mit einer Kamera beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Laserprojektor, so ändert sich auch der Winkel unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird sowie die Position seines Abbildes in der Kamera. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe einfacher geometrischer Beziehungen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet.
Beim Sensor handelt es sich um ein lichtempfindliches ortsauflösendes optisches Element, das die Position des Lichtpunktes im Bild bestimmt. Aus dieser Bildposition wird die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet.
Ein Vorteil der Triangulation ist der Umstand dass es sich um rein trigonometrische Berechnungen handelt. Die Messung kann darum sehr schnell durchgeführt oder wiederholt werden und eignet sich damit auch zur Abstandsmessung an bewegten Objekten.
Bild:Relation triangulation.JPG
Das obige Schema verdeutlicht die Relationen zwischen den verschiedenen Distanzen. Mit Hilfe der Trigonometrie ist es möglich die Distanz x-xo aus der gemessenen Distanz x'-xo' zu ermitteln:
Zusammenfassende Tabelle
| Messbereich | Kommentar | |
| Laufzeitmessung | 1 m - mehrere km | kurze Reaktionszeit |
| Phasenmodulation | Freq. abhängig Max. 200 m | niedrige Fabrikationskosten |
| Interferometrie | 1 µm - 1 m | höhere Kosten, spezieller Laser |
| Triangulation | 0,1 mm - 1000 m | abhängig von Oberfläche |
Angesichts der Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren muss dann die für die Anwendung optimale Methode gewählt werden.
