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Dokumentenidentifikation DE3803818C2 08.05.1991
Titel Gerät zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem statischen 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 09.02.1988
DE-Aktenzeichen 3803818
Offenlegungstag 17.08.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.05.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.05.1991
IPC-Hauptklasse G01C 3/10
IPC-Nebenklasse G01C 3/08   G01B 11/14   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem Triangulationsprinzip.

Das Gerät, von dem die Erfindung ausgeht, besteht aus einem Netzgerät, einer Lichtquelle, z. B. einem Laser, und einem Meßgerät mit einem Objektiv der Brennweite f, einem Meßstrahlenaufnehmer und einem Meßstrahlenempfänger mit einer Mehrzahl von Empfangselementen. Die Empfangselemente sind z. B. Fotodioden. Es versteht sich, daß der Meßstrahlenempfänger mit einer elektronischen Auswertungseinrichtung verbunden ist, die die Meßwerte digital oder analog anzeigt. Es versteht sich weiterhin, daß die Lichtquelle mit einem Lichtleiter aus Glasfaser und/oder Kunststoff-Faser und einem Strahlenauskoppler ausgerüstet sein kann. Das statische Triangulationsverfahren arbeitet, rechnergestützt, mit den Hilfsmitteln der Trigonometrie.

Geräte des vorstehend beschriebenen Aufbaus sind aus einer Veröffentlichung in der Zeitschrift "Elektronik", 5/6.3, 1987, Seiten 69-77 und aus den Literaturstellen DE-OS 36 15 874 A1, JP-PS 61-2 31 408 A und DE-OS 37 02 691 A1 bekannt. Sofern der konstruktive Aufbau im Detail angegeben ist, bilden diese Geräte baulich eine Einheit. Dabei läßt es sich nicht verhindern, daß die insbesondere im Netzgerät und im Laser entstehende Wärme und die daraus resultierenden Wärmedehnungen die Meßgenauigkeit beeinflussen. In dem Gerät gemäß JP-PS 61-2 31 408 A kommen ferner Umlenkspiegel zum Einsatz, die es ermöglichen, ein Objektiv gleichzeitig zur Projektion der Lichtquelle auf den Gegenstand der Messung und zur Projektion des reflektierten Bildes des Lichtpunktes auf den Meßstrahlenempfänger zu nutzen.

Weiterhin ist ein Gerät des eingangs beschriebenen Aufbaus bekannt, bei dem das Meßgerät, bestehend aus einem Laserstrahlenauskoppler, einem Objektiv und einem Meßstrahlenaufnehmer, vom Netzgerät und vom Laser getrennt ist, jedoch befindet sich der Meßstrahlenempfänger im Netzgerät (DE 37 33 372.0-52). Der Meßstrahlenaufnehmer besitzt bei dieser bekannten Ausführungsform eine einfach gekrümmte oder doppelt gekrümmte Empfangsfläche, in der eine Mehrzahl von Lichtleitern mit zur Empfangsfläche orthogonaler Achse münden, wobei die Lichtleiter an die Empfangselemente angeschlossen sind. Hier sind zur Vermeidung störender Temperatureinflüsse besondere Maßnahmen erforderlich, was aufwendig ist.

Bei den bekannten Vorrichtungen folgt aus der strahlenoptischen Geometrie, daß der durch etwa die doppelte Brennweite gegebene Meßabstand, der absolute Meßbereich und die Meßgenauigkeit, in Abhängigkeit von den optischen Kenngrößen des Objektivs, in Zusammenhang stehen. Meßbereich und Meßabstand stehen zum Beispiel im Verhältnis von 1 : 5 bis 1 : 10. Die Meßgenauigkeit liegt im Zehntelmillimeterbereich bzw. im Hundertstelmillimeterbereich. Daraus resultiert, daß bei geforderter höherer absoluter Meßgenauigkeit die Meßbereiche stark eingeengt, im besonderen jedoch die Meßgeräte in Abhängigkeit hiervon sehr nahe an das Meßobjekt herangeführt werden müssen. Das ließe sich vermeiden, wenn man die Meßbasis extrem vergrößert, was der Aufgabe entgegensteht, derartige Geräte für den Einsatz in modernen Fertigungsprozessen baulich zu minimieren. Anders liegen die Verhältnisse bei dynamischen Meßgeräten mit mehrfach umgelenktem Sender und/oder Empfängerstrahlengang. Hier müssen jedoch einerseits die Umlenkelemente oder Ablenkelemente mechanisch linear oder rotativ bewegt werden und andererseits diese Überlagerungsbewegungen als mögliche Fehlerquellen in Kauf genommen oder mit hohem Aufwand wieder optisch, elektrisch oder mechanisch kompensiert werden, wenn eine hohe Meßgenauigkeit bei großem Meßabstand erreicht werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Gerät so weiter auszubilden, daß bei kompakter Bauweise und verhältnismäßig großem Meßabstand mit hoher absoluter Meßgenauigkeit gearbeitet werden kann, und zwar ohne störende Temperatureinflüsse.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Gerät gekennzeichnet durch ein selbständiges Netzgerät mit einem Laser im Netzgerät und ein Meßgerät, das zur Übertragung eines Meßstrahls vom Laser mit dem Netzgerät über Lichtleiter optisch verbunden ist, wobei im Meßgerät ein Laserstrahlenauskoppler, ein Objektiv, ein Umlenkspiegelsystem mit einem konvexen Umlenkspiegel, ein Meßstrahlenaufnehmer und ein Meßstrahlenempfänger angeordnet sind, wobei das Meßgerät allseitig kleinere räumliche Abmessungen aufweist, als es der Brennweite des Objektives entspricht und wobei die Länge des Strahlenganges vom Objektiv über das Umlenkspiegelsystem zum Meßstrahlenaufnehmer etwa der doppelten Brennweite des Objektives entspricht. - Bei dem erfindungsgemäßen Gerät bewirken die Umlenkspiegel die kompakte Bauweise und wird gleichzeitig die Meßgenauigkeit dadurch verbessert, daß zumindest einer der Umlenkspiegel, vorzugsweise der vor dem Meßstrahlenaufnehmer, als übersetzender Konvexspiegel ausgebildet ist. Der Meßabstand, gegeben durch etwa die doppelte Brennweite, kann sehr groß gewählt werden, so daß es nicht erforderlich ist, das Gerät mit seinem Objektiv bis nahe an das zu messende Objekt heranzuführen. Eine störende Temperaturbeeinflussung wurde dadurch vermieden, daß auch der Meßstrahlenempfänger in dem Meßgerät angeordnet ist, während der Laser mit seiner Temperaturentwicklung sich im Netzteil befindet.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. So kann der Meßstrahlenaufnehmer aus Empfangselementen bestehen, die in einer Ebene angeordnet sind. Man kann aber auch die Anordnung so treffen, daß der Meßstrahlenaufnehmer eine einfach gekrümmte oder doppelt gekrümmte Empfangsfläche aufweist, in der eine Mehrzahl von Lichtleitern mit zur Empfangsfläche orthogonaler Achse mündet, wobei die Lichtleiter an die Empfangselemente angeschlossen sind, die auch hier in einer Ebene liegen können. Die Umlenkspiegel sind zweckmäßigerweise als Oberflächenspiegel, d. h. ohne ein die Verspiegelung abdeckendes Substrat, ausgeführt.

Zur Reduzierung der Streuung empfiehlt es sich, den Laserstrahlenauskoppler als die austretenden Laserstrahlen bündelnden Kollimator auszubilden. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes, die insbesondere zur Verwendung in explosionsgeschützten Räumen geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß alle sicherungsbedürftigen Bauteile in dem Netzgerät untergebracht sind und dieses explosionsgeschützt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.

Die einzige Figur zeigt das Schema eines erfindungsgemäßen Gerätes.

Das in der Figur dargestellte Gerät dient zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem statischen Triangulationsverfahren. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören ein Netzgerät 1 und ein Meßgerät 2, ein Laser 3 im Netzgerät sowie einerseits ein Laserstrahlenauskoppler 4 und andererseits ein Objektiv 5 der Brennweite f und ein Meßstrahlenaufnehmer 6 im Meßgerät 2. Der Meßabstand A entspricht etwa der doppelten Brennweite 2f. Netzgerät 1 und Meßgerät 2 sind durch eine Mehrzahl von Lichtleitern 7 in Form von Glasfasern und/oder Kunststoff-Fasern optisch verbunden. Außerdem ist ein Meßstrahlenempfänger 8 bildseitig im Abstand von etwa der doppelten Brennweite 2f vorgesehen. Zum Meßstrahlenempfänger 8 gehört eine Mehrzahl von Empfangselementen, z. B. Fotodetektoren in Form von Fotodioden, die im Ausführungsbeispiel auf dem Meßstrahlenaufnehmer 6 angeordnet sind.

Auch der Meßstrahlenempfänger 8 ist in dem Meßgerät 2 angeordnet, dessen räumliche Koordinaten alle kleiner sind als es der Brennweite f entspricht. Im Meßgerät 2 befindet sich im Strahlenweg des eingezeichneten Meßstrahls zwischen Objektiv 5 und Meßstrahlenaufnehmer 6 eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln 91, 92, 93 und 94, deren Abstände sich zu etwa der doppelten Brennweite 2f ergänzen und die sowohl für die Umlenkung von achsnahen als auch für die Umlenkung von achsfernen Meßstrahlen eingerichtet sind. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß zumindest ein Umlenkspiegel 94 als übersetzender Konvexspiegel ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das der Umlenkspiegel vor dem Meßstrahlenaufnehmer. Im Ausführungsbeispiel besteht fernerhin der Meßstrahlenaufnehmer 6 aus Empfangselementen, die auf einer Ebene angeordnet sind. Alle Umlenkspiegel 91, 92, 93 und 94 sind Oberflächenspiegel, d. h. ohne die Verspiegelung abdeckendes und folglich die Reflexion beeinflussendes Substrat. Der Laserstrahlenauskoppler 4 ist als die austretenden Laserstrahlen bündelnder Kollimator ausgebildet. - Das dargestellte Gerät kann in explosionsgeschützten Räumen verwendet werden, wenn alle sicherungsbedürftigen Bauteile in dem Netzgerät 1 untergebracht sind und dieses explosionsgeschützt ausgeführt ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Gerät zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem Triangulationsverfahren, gekennzeichnet durch

    ein selbständiges Netzgerät (1) mit einem Laser (3) im Netzgerät (1),

    und ein Meßgerät (2), das zur Übertragung eines Meßstrahls vom Laser (3) mit dem Netzgerät (1) über Lichtleiter (7) optisch verbunden ist, wobei im Meßgerät (2) ein Laserstrahlenauskoppler (4), ein Objektiv (5), ein Umlenkspiegelsystem (91, 92, 93 und 94) mit einem konvexen Umlenkspiegel (94) , ein Meßstrahlenaufnehmer (6) und ein Meßstrahlenempfänger (8) angeordnet sind,

    wobei das Meßgerät (2) allseitig kleinere räumliche Abmessungen aufweist, als es der Brennweite des Objektivs (5) entspricht, und wobei die Länge des Strahlenwegs vom Objektiv (5) über das Umlenkspiegelsystem (91, 92, 93 und 94) zum Meßstrahlenaufnehmer (6) etwa der doppelten Brennweite des Objektivs (5) entspricht.
  2. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahlenaufnehmer (6) aus Empfangselementen besteht, die in einer Ebene angeordnet sind.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahlenaufnehmer (6) eine einfach gekrümmte oder doppelt gekrümmte Empfangsfläche aufweist, in der eine Mehrzahl von Lichtleitern mit zur Empfangsfläche orthogonaler Achse münden, und daß die Lichtleiter an die Empfangselemente angeschlossen sind.
  4. 4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiegel (91, 92, 93 und 94) als Oberflächenspiegel (ohne die Verspiegelung abdeckendes Substrat) ausgeführt sind.
  5. 5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahlenauskoppler (4) als die austretenden Laserstrahlen bündelnder Kollimator ausgebildet ist.
  6. 6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Verwendung in explosionsgeschützten Räumen, dadurch gekennzeichnet, daß die sicherungsbedürftigen Bauteile in dem Netzgerät (1) untergebracht sind und dieses explosionsgeschützt ausgebildet ist.






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