用于无接触地光学确定穿透位置的测量框架及配属的测量方法

摘要

本发明涉及一种用于无接触地光学确定弹头(134)通过目标面(102)的穿透位置的测量框架(106)。此外本发明还涉及一种配属的测量和分析方法。此外本发明涉及一种显示系统，该显示系统使用至少一个这样的测量框架(106)。测量框架包括：至少一个第一辐射源(120)，用于发射第一发散辐射场；至少一个第二辐射源，用于发射第二发散辐射场，其中，第一和第二辐射场在垂直于穿透方向的平面中交叉成角；以及至少一个第一光学接收器装置(126)和至少一个第二光学接收器装置(126ˊ)，该至少一个第一光学接收器装置和至少一个第二光学接收器装置分别配设于所述至少一个第一辐射源和第二辐射源。光学接收器装置中的每个具有光学接收器元件阵列，光学接收器元件是这样可被分析，使得确定由于待探测弹头的空间扩展遮光位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于无接触地光学确定弹头通过目标面的穿透位置的测量 框架。此外，本发明也涉及一种配属的测量和分析方法。此外，本发明涉及一 种显示系统，该显示系统使用至少一个这样的测量框架。

背景技术

长久以来，在运动射击领域中且在形成保护时使用测量框架，该测量框架 在无接触的光栅技术的帮助下确定穿透位置。在这样的光学测量方法中，飞穿 测量框架的弹头在红外光栅的帮助下不接触地被测量。在此，单个红外光栅由 发射成束光束形式的红外线的红外发射器以及对置于红外发射器的且测量入射 红外光束亮度的红外接收器构成。根据测量框架的大小，构建至500个独立光 栅，该独立光栅以固定网格的形式被布置在框架的内侧处。

单个光栅的红外发射器在框架内产生连续的光幕。若弹头飞穿该光幕，则 既在测量框架的水平X轴线上又在竖直Y轴线上部分地或完全地中断多个光栅。

该解决方案的优点一方面在于无损耗性，因为不涉及诸如纸或橡胶带的消 耗材料。另一方面，使用光学测量框架具有高测量精度的优点，且更不易受污 染和温度波动影响。

例如在DE4115995A1或EP034284A1中已知这样的线性测量框架。在 US20120194802A1中已知一种组合的测量装置，该测量装置使用用于覆盖最 内目标区域的两个交叉的光学光栅以及用于确定外部区域中的穿透位置的声学 方法。在此，使用被布置在圆弧段上的一行光接收器，从而在圆弧的各点处确 定由对置的光发生器射出的辐射强度。根据不同的亮度值确定穿透位置。

发明内容

当然总存在对具有更高精度的且更耐用的测量框架需求，其可成本有利地 制造，且完全舍弃诸如声学薄膜的损耗材料，然而在此仍保持针对这样的测量 框架的最大可靠尺寸。

该目的通过独立权利要求的内容实现。本发明的有利扩展方案为从属权利 要求的内容。

在此本发明基于下述思路，即，用于无接触地光学确定弹头通过目标面的 穿透位置的测量框架具有用于发射发散辐射场的至少一个辐射源以及用于发射 第二发散辐射场的第二辐射源。第一和第二辐射场在垂直于穿透方向的平面中 交叉成角。至少一个第一光学接收器装置和至少一个第二光学接收器装置分别 配设于所述第一辐射源和第二辐射源，接收所发射的辐射且分析该辐射。

特别地，光学接收器装置中的每个具有光学接收器元件阵列，该光学接收 器元件这样被分析，使得确定由于待探测弹头的空间扩展遮光位置。特别地， 光学接收器元件被布置在至少两行中，且一行接收器元件相对于相邻行的接收 器元件错位地被布置。

有利地，在根据本发明的装置的帮助下执行分析方法，该方法使用在确定 的遮光位置的边界和相应被发射的辐射源的位置的情况下，计算与被探测弹头 的切线。在这样的分析方法的帮助下，可实现实际提高的精确度，且除了穿透 位置，即，弹头的中心的位置，也可确定相应的口径，即，弹头的大小。

在此，例如发光二极管、发射红外线辐射的LED、或诸如VCSEL(垂直腔 面发射激光器)的激光二极管合适作为辐射源，在其中激光辐射垂直于半导体 芯片的面被辐射。例如光电二极管用于作为探测件。然而当然也可使用所有其 他的合适传感器技术，例如光电晶体管。

为了保持光程相对较短且由此保持测量框架的总尺寸较小，接收器侧上的 遮光位置的分辨率必须特别短，且对于具有多个辐射场的装置必须确保非配属 的辐射源不发生串扰。为了实现这样高分辨率的装置，可根据本发明的一个有 利扩展方案设置有板装置。在此，一方面可在辐射源的附近直接布置一个或多 个板，从而相应地在射线达到测量区之前形成发散的射线。

另一方面可在接收器元件的附近直接设置板，从而限制出现到接收器元件 上的辐射，然后其横穿测量区域。通过结合该板技术实现特别高的精确度，使 得既在辐射源之前也在接收器元件之前设置相应的板装置。

下述情况下可通过特别简单和有效的方式实现根据本发明的测量框架，即， 当第一和第二辐射源与配属的第一和第二接收器单元被布置使得被射出的辐射 场的中轴线基本直角交叉时。除了简单的机械实现该装置之外，通过该装置对 切线的几何计算也是特别简单的，因为测量框架可被理解为笛卡尔坐标的第一 象限。为了测量的精确性和扩展可获取的测量区域，可设置多个辐射源和相配 的接收器装置。

在此，下述情况是特别有利的，即，当基本矩形限制目标面的测量框架通 过四个基本同样构建的测量边形成时，测量边沿着矩形边界的边缘被布置。这 表示，测量框架的每个边缘承载辐射源和接收器装置，使得整个目标面被多个 交叉的发散辐射场覆盖。

在根据本发明的分析方法中，原理上可计算与飞穿的弹头的四条切线。然 而，为了明确地确定穿透位置，仅需要计算三条切线。由此，在计算四条切线 的情况下存在冗余，其可用于针对测量结果的可信性检查。

此外，根据本发明的装置提供下述可能性，即，进行校准步骤。在此，辐 射源中的至少一个短时间被关断，且在配属的接收器单元处确定照亮与非照亮 状态之间的辐射强度差值，且从中计算出校准因子。该校准值例如可在每次测 量之后重新被确定。

通过该方式以下述方式可确定例如通过在运行期间的污染导致的光变化， 即，比较所测量的差值与阀值。当低于该阈值，即，当被发射的辐射强度不再 符合要求时，产生警告。在例如由于污染而导致测量错误之前，用户可及时通 过测量框架的紧急状态被通知。

在根据本发明的方法的帮助下，在没有额外成本地情况下，除了穿透位置 还可计算飞穿测量框架的弹头的口径。这同样可考虑用于可信性检查。

附图说明

为更好地理解本发明，借助下文中的附图所示的实施例进一步描述本发明。 在此，相同的部分具有相同的参考标记。此外，所示的且描述的不同实施方式 中的单个特征或特征组合也可呈现为单独的、具有独创性的或根据本发明的解 决方案。附图中：

图1示出根据本发明的测量框架的透视图；

图2示出图1的测量框架的俯视图；

图3示出根据本发明的测量框架的部分打开的细节图；

图4示出板装置的俯视图；

图5示出图4中的细节；

图6示出图4中的另一细节；

图7示出另一板装置；

图8示出图7中的细节；

图9示出图7中的另一细节；

图10示出图7中的又一细节；

图11示出第三板装置的俯视图；

图12示出图11中的细节；

图13示出图11中的另一细节；

图14示出另一板装置；

图15示出另一板装置；

图16示出另一板装置；

图17示出板装置中的第一辐射体的工作方式的原理图；

图18示出板装置中的第二辐射体的工作方式的示意图；

图19示出在接收侧上出现的光束的示意图；

图20示出接收侧的板的工作方式的示意图；

图21示出图20中的布置的翻转图；

图22示出接收器装置的以及最近位于其中的板装置的示意图；

图23示出计算基础的示意图；

图24示出具有虚拟光栅的测量区的示意图，该虚拟光栅用于计算；

图25示出假设弹头飞穿目标面的情况下的图24中的细节；

图26示出图25中的细节；

图27示出在弹头遮光时在接收器附近的板装置的细节；

图28示出在球飞穿情况下接收器元件阵列的俯视图；

图29示出计算基础的图解，用于确定与弹头的切线。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个有利实施方式的测量框架100的透视图。

在所示的实施方式中，测量框架被构建成基本方形的，且围绕同样基本方 形的目标面102，待探测的弹头飞穿该目标面。

如这在以下附图中还清楚看到的那样，从测量框架边104、106、108和110 的每个中穿出发散的辐射场，该辐射场轰击到分别对置的测量框架边上。由此， 分别相互垂直的测量框架边的辐射场交叉成直角。

测量边104至110中的每个既具有辐射源也具有光学接收器装置。在图1 中仅可看到用于下方布置的接收器装置的最外板开口。

板阵列112因为限制射穿区域102还被诸如亚克力玻璃板的透明覆盖护板 覆盖。在图1中，还可看到配属的保持部114。

图2以俯视图示出图1中的测量框架100。在图2中示意性地示出两个发 散的辐射场116的曲线，该辐射场在目标面102中交叉。因为现在测量框架边 中的每个相应地配备有辐射源和接收器装置，整个目标面可由发散的辐射场116 覆盖。在根据本发明的解决方案中，目标面的中心Z明确通过机械方式固定。

例如在红外区域发光的发光二极管(LED)合适作为辐射源。然而当然也可使 用诸如激光二极管等的其他辐射源。匹配辐射源的各所用类型地选择相应的接 收器装置。这例如可以是光电二极管或光电晶体管。

根据本发明，在测量框架边(Messrahmenleisten)104、106、108、110 中的每个处布置多个板条(Blendenleisten)。在此，板条中的每个包括：用于 在被布置在辐射源附近的直接位置处形成被射出的辐射的板孔；以及用于在直 接位于接收器元件之上的位置处聚焦入射到接收器上的辐射的板孔。图3示出 板条的布置的部分视图。

根据本发明存在两种类型的板条，即，一种为例如被布置在右下方的板条， 另一种为被安装在左上方的板条。通过该方式确保，两个不同的板条分别相互 对置，使得从辐射源射出的辐射在对置的测量框架边处轰击配属的接收器元件。

在图3中示出一个实施方式，在其中设置三个第一板条118、118'和118"。 在此，板条118、118'、118"中的每个具有板孔(Lochblenden)，用于形成发射 出的辐射场且用于在通过目标面之后覆盖待接收的辐射。这如在以下附图中清 晰看到的那样，紧靠目标面102的板条118具有长板孔124，用于形成进入目 标面之前的辐射场116。此外，板条118针对从对置的测量框架边入射的辐射 场具有圆形板孔，该圆形板孔限制轰击到接收器元件上的辐射(参考标记126)。 距第一板条118一定距离地布置另一板条118'，该另一板条一方面具有更窄限 制的板孔126'用于限制入射的辐射，且另一方面具有略小尺寸的长板孔124'用 于形成射出的辐射。

直接在未示出的在其上安装LED和光电二极管的电路载体上布置第三板条 118"。现在这里在图3中仅可看到接收器板孔126"的阵列，因为为了屏蔽不期 望的散射通过位于测量框架边中的辐射源设置隔板128。

相应的第二板条119、119'和119"通过发射器板和接收器板的位置而不同于 第一板条118、118'、118"。其选择成使得确保与分别直接对置的接收器元件的 直线的相互作用。然而，出于对称原因接收器板孔和发射器板孔的尺寸被选择 成相同的。

图4至6相应的示出外第二板119，该外第二板直接邻接目标面102。根据 本实施方式，在该测量框架边处总共设置六个辐射源，使得板条119相应地具 有六个长板孔124。根据所述附图的具体实施方式，接收器装置具有接收器元 件阵列32，使得针对每个接收器元件阵列在视觉上与板条119中的接收器元件 成行地设置接收器板孔126的阵列32。

为了改进分辨率和精确度，特别布置两行接收器元件，使得其分别相互错 位，如在图6中清楚看到的那样。

在图7至10中示出更靠近具有辐射源和接收器元件的电路板的中间第二板 条119'。在此，接收器板孔126'的直径例如被选择成与接收器板孔126的直径 相同。然而当然也可以选择另一直径。然而，用于被射出的射线的长板孔124' 与图4至6中的长板孔124相比具有不同的形状。例如，该长板孔124'可具有 与外板孔124相同的半径，然而具有更短的延伸。根据本发明，通过将被射出 的射线的限制于更小的区域上，可实现所使用的辐射的明显均匀化，尤其测量 错误更小，且简化分析。

最后，图11至13示出最内的第二板条119"。该板条具有真正的构件最小 的距离，且具有圆形发射器板124"从而首先形成被射出的辐射场。每个接收器 元件配设有一个接收器板孔126"，该接收器板孔具有带有圆形化角的基本矩形 的设计。这样的矩形设计方案使得可以特别有效地使用至此入射的辐射，因为 矩形的接收器板孔126"基本上对应于其下的接收器元件的外轮廓。

图14至16示出相应的第一板条118、118'和118"，该第一板条被置于分 别对置的测量框架边处，使得接收器元件的阵列分别对置于辐射源。除此之外， 发送器板孔和接收器板孔的尺寸和形状是相同的。这具有下述优点，即，可以 统一用于制造板条的冲孔工具。

下文中，参考图17至22详细描述在发射和探测时对辐射的引导。

图17示出长板孔124'的作用。特别地，在长板孔124'的帮助下，从诸如 LED的辐射源120的球形辐射场116中切出纵向实际减小的区域。通过前述的 该限制，离开长板孔124的辐射的均匀性提高。可注意到的是，在图17中未示 出圆形的板124"，从而提高清晰性。在图17中，板孔的位置也可与辐射源120 的位置相同。

图18以概要地方式示出两个长板孔124'和124的工作方式，这两个长板孔 相互间隔使得较大的长板孔124不会去除辐射的主要部分，而仅形成边缘区域 且减少散射。

如在图19中所示的那样，良好限定的发散辐射场116汇聚到分别对置的测 量边上，即，相应地汇聚到分别不同的板条119或118上。

如可在图20和21的两个细节图中看到的那样，接收器板孔126和126'影 响向下到达接收器元件的辐射的形成，且特别已经明显减少入射到不属于直接 对置的辐射源的接收器元件的辐射。通过实际非配设的板孔对辐射的该阻断通 过升高的入射角而建立，来自非配设的辐射源的辐射在该角度下入射。

接下来，图22示出最内板孔126"的功能。可看到的是，散射122不再通 过矩形板孔126"到达接收器元件被布置在其上的电路载体130。

由此，针对计算分析，目标面102可被单一虚拟光栅132嵌入地呈现，如 这在用于解释计算原理的以下附图中所示的那样。当然可保持的是，在纯物理 方面，目标面102总是由连续的辐射锥穿透。为了分析，仅考虑以下示出的虚 拟光栅132。

图25示出弹头134飞穿通过目标面102时的情况。对于在此所例示的弹头 134的口径，中断三个虚拟光栅132。换而言之，未照射三个接收器元件。

根据弹头134的穿透位置和口径，光栅可完全也可部分地被中断，如这在 图26中所示的那样。图27示出矩形接收器板孔126"的区域的透视图，且可以 看到，在图25中所示情况下，三个接收器元件完全未被照射，而第四接收器元 件仅接收部分射线，且由此测量减弱的强度。为了说明接收器元件136的布置， 在图28的视图中去除了图28的板条119"。

在参考至此的所有附图和增加图29的情况下，在下文中详细描述根据本发 明的分析。

如所述的那样，测量区由单个的基本三角形的光场构成。单个场具有光源 120，该光源光辐射到阵列形式的光敏传感器上。为了可以精确地测量弹头134 在辐射场116中的阴影，板如所述地安装在传感器之前且在辐射源之前。所述 板作用使得连续的辐射场116被虚拟光栅分成数个。这在本实施方式中例如为 每接收器阵列32个。每个接收器元件的所确定的测量值例如被分成直至220级。 如前所述的那样，通过环境光、特别通过邻近辐射源的辐射对测量值的不期望 的影响通过所设置的板阻止。

在根据本发明的分析模型中，对应于目标面102的测量面被呈现为笛卡尔 坐标系统的第一象限。如在图29中所示的那样，在分别对置于辐射源的一侧上 确定阴影的边界点。在机械方面预设且已知分别配属的辐射源120的坐标，且 因此通过同时是与弹头134的切线的两条直线138可确定阴影的边界。因为在 由两个不同的辐射源120构成的两个相互交叉的辐射场116的帮助下实现测量， 总共得到四条切线138，弹头134必须位于其之间。四个直线138的交叉点呈 现为切线四边形的角点。

此外，各直线对的角平分线的交叉点为待测量弹头的中间点，且由此为所 寻找的穿透位置。此外，可借助于简单的三角函数计算从切线中导出弹头的直 径，即口径(Kaliber)。

因为圆形清楚地通过三个位于其上的切线的接触点描述，可通过根据本发 明的分析方法实现可信性检查，因此所测量的第四切线表示冗余信息。

为了获得最佳的测量值，辐射源中的一个可短时间切断，例如大约200μs。 由此出现辐射变化，该辐射变化对应于对置的接收器元件的完完全全的阴影。 通过该校准步骤确定的值可用于校准测量框架。例如在每次测量之后在校准值 的帮助下再次校准。

此外，例如通过污染而出现的辐射强度变化也可在运行期间被检测。特别 地，可在每次测量之后直接通过例如辐射源的顺序切断而检测测量区的质量。 产生新的校准值，且通过下述方式从其中和之前的校准值中可计算校准因子， 即，新值除以前一校准值。所述校准因子可一方面用于尽可能精确地确定弹头 134的位置。然而另一方面，借助所述因子也可确定辐射强度的变化，且用于 尽可能早地通知用户测量框架的恶化状态。例如可进行阈值比较，从而确定光 强度的允许减弱为多少。

通过根据本发明的分析和所述测量框架可研发射穿显示系统，其可靠地、 成本有利地且最准确地确定和显示穿透位置。此外，保持根据本发明的测量框 架的尺寸在最低限度，使得对于所有竞赛许可所要求的最大尺寸可被保持在目 标盘中心至相邻目标盘中心之间。例如，在500mm的目标盘直径的情况下(距 离25m)，两个目标盘之间的中心-中心-距离可保持为750mm。该最大尺寸为 对于ISSF(国际射击运动协会)许可所要求的，用于在奥林匹克项目“速射”中 的测量。