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Dokumentenidentifikation DE3807077A1 20.04.1989
Titel Vorrichtung zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem Triangulationsverfahren
Anmelder Bochumer Eisenhütte Heintzmann GmbH & Co KG, 4630 Bochum, DE
Erfinder Koppers, Manfred, Ing.(grad.), 4100 Duisburg, DE;
Sebastian, Lothar, Dipl.-Ing., 4630 Bochum, DE;
Guse, Kuno, Ing.(grad.), 5810 Witten, DE
Vertreter Andrejewski, W., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Honke, M., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Masch, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 4300 Essen
DE-Anmeldedatum 04.03.1988
DE-Aktenzeichen 3807077
Offenlegungstag 20.04.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.04.1989
IPC-Hauptklasse G01C 3/10
Zusammenfassung Die Vorrichtung zur berührungsfreien Entfernungsmessung weist ein Basisgerät 1 und einen Meßkopf 2 auf, die über Lichtleitfasern 3, 4 miteinander verbunden sind. Im Basisgerät 1 wird von einem Laser 5 ein Laserstrahl erzeugt, der über eine Laserstrahleinkoppelstufe 6 in die Lichtleitfaser 3 gespeist wird. Im Meßkopf 2 tritt dieser Laserstrahl aus einer Laserstrahlauskoppelstufe 11 in Richtung auf ein Meßobjekt 16 aus. Der abgebildete Lichtpunkt LP wird von einem Objektiv 12 auf eine lichtempfindliche Fläche 17 des Empfangskopfs 13 im Meßkopf 2 fokussiert. Über das Lichtleitfaserband 4, dessen Lichtleiter in der Fläche 17 münden, gelangt dieses Licht zu einem positionsempfindlichen Halbleitersensor 7 im Basisgerät 1. Anhand der Auftreffposition des fokussierten Lichtpunkts LP wird von einer Auswerteelektronik die Kontur des Meßobjekts 16 ermittelt. Die Fläche 17 ist gekrümmt. Sie kann streifenförmig oder schalenförmig gestaltet sein.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem Triangulationsverfahren gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung zählt durch die Zeitschrift "Elektronik" 5/6.3.1987, Seite 69 bis 77 zum Stand der Technik. Die Vorrichtung arbeitet mit Hilfe eines gebündelten Lichtstrahls (Laserstrahl), der auf das zu messende Objekt gerichtet wird und wobei der dadurch am Objekt erzeugte Lichtpunkt von der Sammellinse eines Objektivs auf eine ebene lichtempfindliche Fläche aus nebeneinander angeordneten Einzeldioden oder einer Lateraleffektdiode fokussiert wird. Die Sammellinse ist mit ihrer Objektivachse unter einem vorbestimmten Winkel zu einer Meßbasis angeordnet, die ihrerseits rechtwinklig zu dem Lichtstrahl verläuft. Die lichtempfindliche Fläche ist etwa im rechten Winkel zur Objektivachse angeordnet und hat in der Regel eine vorbestimmte herstellungsbedingte Länge. Sie erzeugt bei Lichteinfall einen Strom und leitet diesen an eine Auswerteelektronik weiter. Verlagert sich die Oberfläche des zu messenden Objekts relativ zu der Meßbasis, so wird der am Objekt erzeugte Lichtpunkt von der Sammellinse in einem bestimmten Abstand von der auf die lichtempfindliche Fläche projizierten Objektivachse abgebildet. Aufgrund der vorbestimmten geometrischen Verhältnisse der Meßvorrichtung kann über die Auswerteelektronik angegeben werden, wie groß der Abstand zur Meßbasis ist. Auf der Grundlage dieses Einzelvorgangs ist es durch die Aneinanderreihung einer Vielzahl von in kurzen zeitlichen Abständen durchgeführter Messungen bei Relativbewegung von Meßobjekt und Meßvorrichtung möglich, eine Kurve zu ermitteln, welche der Oberflächenkontur des zu messenden Objekts entspricht. Die einzelnen Punkte werden im Rahmen der Meßfrequenz (Taktfrequenz) ermittelt.

Die bekannte Meßvorrichtung arbeitet so lange zufriedenstellend, wie der Abstand des jeweils auf die lichtempfindliche Fläche fokussierten Lichtpunkts nicht zu weit von der Stelle entfernt ist, wo die Objektivachse die Fläche schneidet. Wie vorstehend ausgeführt, ist dieser Abstand aber abhängig von der Distanz der nacheinander auf dem Objekt abgebildeten Lichtpunkte von der Meßbasis. Überschreitet oder unterschreitet diese Distanz einen bestimmten Betrag, so wird der entsprechende Lichtpunkt auch entsprechend weit von der Schnittstelle der Objektivachse mit der lichtempfindlichen Fläche fokussiert. Dies bedeutet aufgrund der ebenen Ausbildung von Einzeldioden oder Lateraleffektdioden, daß die Meßgenauigkeit wegen des dann flächig größer werdenden Lichtpunkts stark nachläßt. Man spricht jetzt davon, daß der Lichtpunkt nicht mehr im zentrumsnahen Bereich der Optik liegt, sondern aus diesem Bereich herausgewandert ist und sich folglich im Einfallsbereich schiefer Bündel befindet. Das alles beruht auf bekannten Zusammenhängen der Strahlenoptik: Übliche und für gattungsgemäße Vorrichtungen aus Kostengründen geeignete Objektive erzeugen nur für achsennahe Strahlen auf einer ebenen Bildfläche ein scharfes Bild. Kommen achsenferne Strahlen ins Spiel, so muß eine Krümmung der Bildfläche in Kauf genommen werden. Sie ist in der Fotografie praktisch nicht zu verwirklichen und auch mit den bei gattungsgemäßen Vorrichtungen üblichen lichtempfindlichen Flächen nicht darstellbar. Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man bei gattungsgemäßen Vorrichtungen der einfachen Objektive auch hochwertige Objektive verwendet, die für achsenferne Strahlen auf einer ebenen Bildfläche ein scharfes Bild erzeugen. Das ist mit einem vergleichsweise hohen Aufwand bezüglich des Linsensystems verbunden. Ein einfaches Objektiv, insbesondere ein einlinsiges Objektiv, konnte bisher nur dann befriedigend eingesetzt werden, wenn sichergestellt war, daß der vom Objektiv auf die lichtempfindliche Fläche fokussierte Lichtpunkt auch im zentrumsnahen Bereich der Optik lag. Abgesehen von dem dann erheblich verringerten Meßbereich war hiermit der Nachteil verbunden, daß die lichtempfindliche Fläche als vergleichsweise teurer Bauteil nur auf einem begrenzten Längenabschnitt genutzt werden konnte. Wollte man hingegen den gesamten Längenabschnitt nutzen, so ist dies mit dem Nachteil behaftet, daß dann nur in einer sehr geringen Entfernung zum Meßobjekt gearbeitet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebene Vorrichtung so zu verbessern, daß ihre Genauigkeit auch bei einem einfachen Objektiv, insbesondere sogar bei einem einlinsigen Objektiv, in einem weit gedehnten Meßbereich gewährleistet werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen. - Kern der Erfindung bildet die Maßnahme, den am Meßobjekt abgebildeten Lichtpunkt nicht mehr direkt auf ein fotooptisches Empfängerelement in Form von Einzeldioden oder einer Lateraleffektdiode zu fokussieren, sondern dies mittelbar unter Eingliederung von Lichtleitfasern durchzuführen. Dies eröffnet die Möglichkeit, die objektivseitigen Mündungen der Lichtleitfasern in einer solchen Konfiguration nebeneinander anzuordnen, wie es der Krümmung der Bildfläche des Objektivs entspricht. Die erfindungsgemäße Anordnung hat den großen Vorteil, daß auch unter Einsatz eines einfachen Objektivs, und sogar eines nur einlinsigen Objektivs, ein großer Meßbereich selbst bei großen Abständen zum Meßobjekt präzise erfaßt werden kann. Jeder auf die lichtempfindliche Fläche abgebildete Lichtpunkt befindet sich stets im Bereich optimaler Schärfe. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die sehr empfindliche fotooptische Sende- und Empfangseinheit nunmehr auch unter erschwerten Betriebsbedingungen, wie beispielsweise hohen Temperaturen, Vibrationen, Stoßbeanspruchungen und Explosionsgefahr, geschützt dort untergebracht werden kann, wo schädliche Einwirkungen nicht mehr zu befürchten sind. Die wesentlich weniger empfindliche Fläche mit den Mündungen der Lichtleitfasern kann hingegen weitgehend problemlos an den gefährdeten Stellen untergebracht werden. Die notwendige Sicherheitsdistanz kann ohne weiteres durch die Lichtleitfasern überbrückt werden.

Die Merkmale des Anspruchs 2 gelangen dann zur Anwendung, wenn der Konturenverlauf des zu messenden Objekts nur in einer Ebene ermittelt werden soll. Entsprechend dem dann streifenförmigen Verlauf der lichtempfindlichen Fläche ist auch das fotooptische Empfängerelement zeilenartig gestaltet. Bei den meisten üblichen Objektiven ist die nach der Lehre der Erfindung gestaltete lichtempfindliche Fläche zum Objektiv hin konkav gekrümmt.

Bei der Ermittlung von räumlichen Konturen gelangen vorteilhafterweise die Merkmale des Anspruchs 4 zur Anwendung. In diesem Fall können mehrere zeilenartig ausgebildete fotooptische Empfängerelemente zu einer Platte zusammengesetzt und über die Lichtleitfasern mit der schalenartig gestalteten lichtempfindlichen Fläche verbunden werden. Mit für die Praxis sehr guter Näherung ist die Lehre der Erfindung bei Verwendung von insbesondere einlinsigen Objektiven durch die Merkmale des Anspruches 5 verwirklicht.

Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 6 sind die Mündungsabschnitte der Lichtleitfasern zweckmäßig in eine Vergußmasse, beispielsweise aus Kunststoff, eingebettet. Hierdurch sind die Lichtleitfasern eindeutig lagefixierbar. Die durch die Mündungen der Lichtleitfasern gebildete lichtempfindliche Fläche kann sowohl bei streifenförmiger Gestaltung als auch bei schalenartiger Ausbildung in Anpassung an die Sammellinse des Objektivs einwandfrei geschliffen und poliert werden, so daß präzise Übertragungsverhältnisse gewährleistet werden können.

Zur Überbrückung größerer Entfernungen zwischen der lichtempfindlichen Fläche und dem fotooptischen Empfängerelement werden gemäß Anspruch 7 bevorzugt Glasfasern eingesetzt. Diese können zu Faserbändern zusammengefaßt sein. Distanzen von mehr als 100 m sind problemlos erreichbar, da die Lichtleitfasern das Licht nahezu verlustfrei übertragen.

Ist die Distanz zwischen der lichtempfindlichen Fläche und dem fotooptischen Empfängerelement nur kurz, beispielsweise bis zu einigen Metern, so können gemäß Anspruch 8 auch kostengünstigere Kunststoffasern als Lichtleitfasern benutzt werden, ohne daß die einwandfreie Weiterleitung des auf die lichtempfindliche Fläche fokussierten Lichtpunkts zum fotooptischen Empfängerelement beeinträchtigt wird.

Je nach Ausbildung der lichtempfindlichen Fläche als Streifen oder als Schale können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 9 eine Reihe oder mehrere Reihen von Lichtleitfasern nebeneinander angeordnet sein. Eine günstige Flächenausnutzung wird bei mehrreihigen Anordnungen dann gewährleistet, wenn die Mündungsbereiche der Lichtleitfasern unmittelbar auf Lücke gesetzt sind.

Ein ordnungsgemäßer Verbund zwischen den Lichtleitfasern und dem fotooptischen Empfängerelement wird durch die Merkmale des Anspruchs 10 gesichert.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei wird zur Vereinfachung, aber ohne Beschränkung, auf eine Ausführungsform mit einlinsigem Objektiv abgestellt. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Vorrichtung zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung;

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung die gerätetechnische Ausbildung der Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 3 eine Einzelheit der Vorrichtung der Fig. 1 und 2 in vergrößerter Darstellung im Schnitt;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 3 entlang der Linie IV-IV;

Fig. 5 eine weitere Einzelheit der Vorrichtung der Fig. 1 und 2 in vergrößerter Darstellung;

Fig. 6 einen Schnitt durch die Darstellung der Fig. 5 entlang der Linie VI-VI;

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform gemäß der Darstellung der Fig. 5;

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform gemäß der Darstellung der Fig. 3;

Fig. 9 verschiedene Anordnungen von Lichtleitfasern und

Fig. 10a und b in der Gegenüberstellung den Strahlenverlauf einer bekannten Meßvorrichtung zur erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung umfaßt ein Basisgerät 1 und einen Meßkopf 2, die über eine Lichtleitfaser 3 sowie ein Lichtleitfaserband 4 lichtleitend miteinander verbunden sind.

Im Basisgerät 1 sind ein Laser 5, eine dem Laser 5 nachgeschaltete Laserstrahleinkoppelstufe 8, ein fotooptisches Empfängerelement 7 und eine ansonsten nicht näher dargestellte Auswerte- und Versorgungselektronik untergebracht. Das Basisgerät 1 ist über eine Versorgungsleitung 8 an ein elektrisches Netz N angeschlossen. Das Basisgerät 1 ist in einem geschlossenen Gehäuse 9 angeordnet und eigensicher ausgeführt.

Der Meßkopf 2, der in einem Gehäuse 10 angeordnet ist, weist eine Laserstrahlauskoppelstufe 11, ein einlinsiges Objektiv 12 und einen Empfangskopf 13 auf. Die Laserstrahlauskoppelstufe 11 ist über die Lichtleitfaser 3 mit der Laserstrahleinkoppelstufe 8 und der Empfangskopf 13 ist über das Lichtleitfaserband 4 mit dem Empfängerelement 7 verbunden.

Da der Meßkopf 2 ausschließlich optische Bauteile aufweist und auch nur optisch mit dem Basisgerät 1 verbunden ist, kann auf eine eigensichere Ausführung verzichtet werden. Der Meßkopf 2 ist jedoch in einem staubdichten Gehäuse 10 angeordnet. An seiner Vorderseite weist das Gehäuse 10 eine Laserstrahlaustrittsöffnung 14 und eine Eintrittsöffnung 15 auf, hinter der das Objektiv 12 und der Empfangskopf 13 angeordnet sind.

Im Betrieb wird der vom Laser 5 erzeugte Lichtstrahl über die Laserstrahleinkoppelstufe 6 in die Lichtleitfaser 3 eingeleitet. Durch die Lichtleitfaser 3 läuft der Laserstrahl zum Meßkopf 2, wo er an der Laserstrahlauskoppelstufe 11 austritt und durch die Austrittsöffnung 14 ins Freie gelangt.

Der Laserstrahl LS trifft dann auf ein Meßobjekt 16, wo ein Lichtpunkt LP abgebildet wird. Dieser Lichtpunkt LP wird von dem eine Sammellinse aufweisenden Objektiv 12 auf die zum Objektiv 12 hin konkav gewölbte Stirnfläche 17 des Empfangskopfs 13 fokussiert. Von hier aus gelangt das Licht in eine Lichtleitfaser des Faserbands 4 und wird vom Meßkopf 2 zum fotooptischen Empfängerelement 7 im Basisgerät 1 weitergeleitet. Hierdurch wird der elektrische Zustand dieses Empfängerelements 7 geändert, was von der Auswerteelektronik registriert und entsprechend verarbeitet wird.

Da die Relativstellung der Laserstrahlauskoppelstufe 11 zum Empfangskopf 13 bekannt und konstant ist, kann anhand des auf die Fläche 17 fokussierten Lichtpunkts LP und den sich daraus ergebenden trigonometrischen Beziehungen nach dem Triangulationsverfahren die Oberflächenkontur des Meßobjekts 16 durch die nicht dargestellte Auswerteelektronik ermittelt werden.

Das Empfängerelement 7 kann bei einer streifenförmig ausgebildeten Fläche 17 gemäß den Fig. 3 und 4 als Sensorchip mit einer Reihe nebeneinander angeordneter lichtempfindlicher Halbleiterelemente, wie beispielsweise Fotodioden, ausgebildet sein (Fig. 5 und 6). Die Anschlüsse der Fotodioden sind mit 32 bezeichnet. Dem Prinzip nach ist jedem Halbleiterelement des Empfängerelements 7 eine Lichtleitfaser 18 des Faserbands 4 zugeordnet, die im Empfangskopf 13 in einer Reihe auslaufen (Fig. 3 und 4 bzw. Fig. 9a). Die Fig. 3 und 4 lassen ferner erkennen, daß im Empfangskopf 13 die Lichtleitfasern 18 in eine Vergußmasse 19 aus Kunststoff eingebettet sind. Die Vergußmasse 19 dient zur Fixierung der Lichtleitfasern 18 zueinander und zur Befestigung des gesamten Faserbands 4 im Empfangskopf 13. Zur Festlegung des Empfangskopfs 13 im Meßkopf 2 sind seitlich des Faserbands 4 zwei Ansätze angeformt, die jeweils eine Bohrung 20 aufweisen, über die der Empfangskopf 13 schraubbefestigt werden kann.

Die Mündungen 21 der Lichtleitfasern 18 liegen in der zum Objektiv 12 hin konkav gestalteten Stirnseite 17. Diese Fläche 17 ist durch entsprechendes Schleifen und Polieren nach dem Einbetten der Lichtleitfasern 18 hergestellt.

Der Einfallswinkel α, α1 des vom Objektiv 12 auf die lichtempfindliche Fläche 17 fokussierten Lichtpunkts LP, LP 1 ergibt sich durch den Abstand des Lichtpunkts LP am Meßobjekt 16 von der Meßbasis 23 (siehe auch Fig. 10a). Dabei sind die Mündungsachsen der Lichtleitfasern 18 senkrecht zur konkaven Stirnfläche 17 gerichtet und verlaufen durch den Objektivmittelpunkt 26. Folglich wird auch bei einem großen Einfallswinkel α1 der Lichtpunkt LP 1 exakt auf die optische Achse einer Lichtleitfaser 18 fokussiert und entsprechend an das Empfängerelement 7 weitergeleitet.

Die Fig. 8 zeigt einen Empfangskopf 13&min;, bei dem die lichtempfindliche Stirnfläche 17&min; nicht nur in der Ebene des Einfallswinkels α, sondern auch in einer senkrecht dazu verlaufenden Ebene konkav gestaltet ist. Es ergibt sich somit eine schalenartige Ausbildung der lichtempfindlichen Fläche 17&min;. Auch bei dieser Ausführungsform mündet in diese Fläche 17&min; entsprechend der Darstellung der Fig. 3 eine Vielzahl von Lichtleitfasern 18, welche entsprechend der Darstellung der Fig. 9 reihenweise oder auf Lücke eng nebeneinander angeordnet und in eine Vergußmasse 19 eingebettet sein können.

Während in den Fig. 5 und 6 das fotooptische Empfängerelement 7 als Diodenreihe mit den Diodenanschlüssen 32 veranschaulicht ist, läßt die Fig. 7 eine Ausführungsform erkennen, bei welcher das Faserband 4 mit den einzelnen Lichtleitfasern 18 mit einer Lateraleffektdiode 7&min; verbunden ist. Dabei kann aus den Strömen I1 und I2, an der eindimensionalen Flächendiode 7&min; die Position des Lichtpunkts LP errechnet und somit dessen Lage am Meßobjekt 16 bestimmt werden.

Ferner ist aus den Fig. 5 bis 7 erkennbar, daß die empfängerseitigen Endabschnitte der Lichtleitfasern 18 im wesentlichen senkrecht durch eine Kitt- oder Klebemasse 24 mit den Empfängerelementen 7, 7&min; verbunden sind.

Während bei der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 in Verbindung mit den Darstellungen der Fig. 5 bis 7 streifenförmige Flächen 17 und zeilenförmige Empfängerelemente 7, 7&min; zur Anwendung gelangen, sieht die Ausführungsform der Fig. 8 eine schalenartig ausgebildete lichtempfindliche Fläche 17&min; vor, die dann mit einem solchen Empfängerelement gekoppelt werden kann, welches aus einer Mehrzahl von reihenartig nebeneinander angeordneten freien Dioden oder Lateraleffektdioden zusammengesetzt ist.

Der Strahlengang der Meßvorrichtung gemäß Fig. 1 wird anhand der Fig. 10a und b wie folgt näher erläutert.

Auf einer Meßbasis 23, die senkrecht zu dem Laserstrahl LS angeordnet ist, wird ein Objektiv 12 mit einer Sammellinse mit seiner Objektivachse 22 unter einem vorbestimmten Winkel β zur Meßbasis 23 angeordnet. Die Sammellinse fokussiert bislang (Fig. 10a) den an der Fläche 25 des Meßobjekts 16 erzeugten Lichtpunkt LP auf eine im vorbestimmten Abstand A vom Objektivmittelpunkt 26 befindliche lichtempfindliche ebene Fläche 27. Diese Fläche 27 ist etwa im rechten Winkel zur Objektivachse 22 angeordnet und hat eine vorbestimmte Länge L. Rechts und links der Schnittstelle 28 der Objektivachse 22 mit der Fläche 27 sind einander entsprechende Längenabschnitte L1 + L2 vorgesehen.

Die lichtempfindliche Fläche 27 setzt sich entweder aus einer vorbestimmten Anzahl von nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Dioden zusammen, welche bei Lichteinfall einzeln einen Strom erzeugen und diesen Strom an eine Auswerteelektronik weiterleiten oder es handelt sich um eine sogenannte Lateraleffektdiode, bei welcher durch eine mathematische Beziehung zwischen dem Abstand des einfallenden Lichtpunkts zu den Endabschnitten dieser Diode einerseits bzw. der Stromstärke zwischen dem einfallenden Lichtpunkt und den beiden Anschlußstellen endseitig dieser Diode andererseits genau ermittelt werden kann, an welcher Stelle der Diode der Lichteinfall stattfindet. Siehe hierzu auch die Fig. 5 bis 7.

Verlagert sich nun das Meßobjekt 16 entlang der Meßvorrichtung oder wird die Meßvorrichtung entlang des Meßobjekts 16 verlagert, so kann der Laserstrahl LS auch auf einen Oberflächenasbschnitt 29 treffen, der sich in der strichpunktierten Ebene 30 befindet. Der Lichtpunkt LP 1 wird nun von dem Objektiv 12 in einem Abstand X von der Schnittstelle 28 auf der lichtempfindlichen Fläche 27 abgebildet. Aufgrund der vorbestimmten geometrischen Verhältnisse der Meßvorrichtung kann nun gesagt werden, daß die Strecke X dem Abstand T zwischen der Fläche 25 und der Fläche 29 entspricht.

Auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Vorgänge ist es daher möglich, durch die Aneinanderreihung einer Vielzahl von in kurzen Abständen erzeugter Messungen eine bestimmte Kurve zu ermitteln, die dann der Oberflächenkontur des Meßobjekts 16 entspricht.

Die vorstehend beschriebene Meßvorrichtung arbeitet so lange genau, wie der Abstand von der Schnittstelle 28 nicht zu groß wird. Dieser Abstand ist jedoch davon abhängig, wie groß die Amplitude oder der Meßbereich T ist. D. h., eine einigermaßen genaue Messung ist nur dann möglich, wenn die Amplitude T einen vorbestimmten Bereich nicht überschreitet. Überschreitet sie diesen Bereich, beispielsweise in Richtung auf die Ebene 31, so ist erkennbar, daß das Objektiv 12 den Lichtpunkt LP 2 in einem Abstand Y auf der ebenen Fläche 27 abbildet, der weit von der Schnittstelle 28 entfernt ist. Dies bedeutet aufgrund der Eigenarten von Einzeldioden oder auch einer Lateraleffektdiode, daß die Meßgenauigkeit wegen des dann flächig größer werdenden Lichtpunkts LP 2 stark nachläßt. Man spricht jetzt davon, daß der Lichtpunkt LP 2 nicht mehr im zentrumsnahen Bereich der Optik liegt, sondern aus diesem Bereich herausgewandert ist und sich im Einfallsbereich schiefer Bündel befindet.

Um also auch bei einem vergleichsweise großen Meßbereich in den Endabschnitten der Fläche 27 eine größtmögliche Genauigkeit zu bekommen, die mit den in einer Ebene angeordneten fotooptischen Empfängerelementen nicht erreichbar ist, wird jetzt eine lichtempfindliche Fläche 17 in einer Kurve angeordnet, die in Abhängigkeit von der Krümmung der Sammellinse des Objektivs 12 ausgebildet ist (Fig. 10b). Da es jedoch in der Praxis nicht möglich ist, lichtempfindliche Dioden in Einzelanordnung nebeneinander oder auch in Form einer Lateraleffektdiode auf einer gleich wie auch immer gekrümmten Kurve anzuordnen, werden entlang der Idealkurve 17 die Endabschnitte der lichtleitenden Fasern 18 so angeordnet, daß die Mündungsachsen der Lichtleitfasern 18 immer exakt durch den Objektivmittelpunkt 26 verlaufen (Fig. 10b). Anders ausgedrückt, die Mündungsachsen werden zur Achse des einfallenden Lichtstrahls LS koaxial ausgerichtet. Das auf die Lichtleitfasern 18 fallende Licht wird dann von den einzelnen Lichtleitfasern 18 einer üblichen Diodenzeile 7 oder Lateraleffektdiode 7&min; zugeführt.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem Triangulationsverfahren, welche eine einen gebündelten Lichtstrahl aussendende Lichtquelle, ein in einer im Winkel zum Lichtstrahl verlaufenden Meßbasis vorgesehenes Objektiv mit gekrümmter Bildfläche und eine in einem vorbestimmten Abstand zu dem in der Meßbasis befindlichen Mittelpunkt des Objektivs vorgesehene lichtempfindliche Fläche aufweist, dadurch gekennzeichnet,daß die lichtempfindliche Fläche (17, 17&min;) durch die Mündungen (21) von auf der gekrümmten Bildfläche nebeneinander angeordneten lichtleitenden Fasern (18) gebildet ist und die Mündungsachsen der Lichtleitfasern (18) auf der gekrümmten Bildfläche senkrecht stehen und daß die anderen Enden der Lichtleitfasern (18) bezüglich ihrer Mündungsachsen im wesentlichen senkrecht mit einem fotooptischen Empfängerelement (7, 7&min;) verbunden sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Fläche (17) streifenförmig ausgebildet ist.
  3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Fläche (17, 17&min;) zum Objektiv (12) hin konkav gekrümmt ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkav gekrümmte Fläche (17&min;) schalenartig gestaltet ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Fläche (17, 17&min;) entsprehend der Krümmung der Objektivlinse (12) gekrümmt ist und daß die Mündungsachsen der Lichtleitfasern (18) durch den Objektivmittelpunkt (26) verlaufen.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungsabschnitte der Lichtleitfasern (18) in eine Vergußmasse (19) eingebettet sind.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (18) aus Glasfasern bestehen.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (18) aus Kunststofffasern gebildet sind.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (21) der Lichtleitfasern (18) in der lichtempfindlichen Fläche (17, 17&min;) reihenförmig, gegebenenfalls auf Lücke zueinander versetzt, angeordnet sind.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die empfängerseitigen Enden der Lichtleitfasern (18) mit dem Empfängerelement (7, 7&min;) verkittet bzw. verklebt sind.






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