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Die Erfindung betnfft ein optisches Sensorsystem, bei dem der Strahl einer Beleuchtungsquelle durch einen Abbildungsmassstab geschickt wird, dann auf einen Empfangssensor trifft und bei Relativbewegungen des Abbildungsmassstabs zum Empfangssensor als Winkel oder Wegstrecke ausgewertet wird, bei dem die Beleuchtungsquelle und der Empfangssensor auf der gleichen Seite des Abbildungsmassstabs angeordnet sind, bei dem auf der von der Beleuchtungsquelle und dem Empfangssensor abgewandten Seite des Abbildungsmassstabs ein Ablenksystem mit wenigstens zwei spiegelnden Flächen vorgesehen ist, das den seitlich vom Abbildungsmassstab verblaufenden Strahl der Beleuchtungsquelle in einen durch den Abbildungsmassstab verlaufenden und zum Empfangssensor gerichteten Empfangsstrahl umlenkt. Hiermit werde Relativbewegungen zwischen Massstab und Lichtquelle/Sensor ausgewertet.
Für Winkel- und Weg-Messsysteme ist es oft üblich, die "Durchlichtversion" als optische Anordnung zu wählen, bei der die Beleuchtungsquelle dem Empfangssensor gegenübersteht und sich dazwischen der Abbildungsmassstab befindet.
Will man jedoch z. B. aus baulichen Gründen die Beleuchtungsquelle auf der gleichen Seite wie den Empfangssensor anbringen, so musste man gemäss dem Stand der Technik bei Präzisionsmesssystemen nur sehr schwer und teuer zu realisierende Methoden nach dem Reflexprinzip anwenden.
So sind z.B. halbdurchlässige Spiegelsysteme bekannt, die es erlauben, die Beleuchtung in den Empfangsstrahlengang einzublenden, um so über die Reflexion den Empfangsstrahl zu erhalten. Es geht aber in der Praxis viel mehr Licht verloren, als der theoretisch berechnete Verlust von 3/4 der Beleuchtungsstärke. Dies ist in der industriell eingesetzten Sensorik unerwünscht, da man mit den LED-Strahlquellen ohnehin stets nur eine geringe Strahlungsleistung aufbringen kann, sich Strom sparende Schaltungen wünscht und bei erhöhten Temperaturen grosse Probleme bei dem LED-Einsatz bekommt (Lichtausbeute, Verlustleistung, Alterung und Lebensdauer).
Eine zweite Methode der Reflexion, die mittels difraktiver Oberflächen den seitlich unter ca. 45 einfallenden Beleuchtungsstrahl in einer Beugungsordnung so ablenkt, dass der reflektierte Strahl mit der Empfangsebene zusammenfällt, ist ebenfalls wenig praktikabel. Abgesehen von den ganz speziell ausgeführten und teuren Oberflächenstrukturen des Massstabs beträgt die Effizienz der Strahlquelle auch nur ca. 25%, so dass diese Methode in den industriellen Anwendungen schwierig zu handhaben und unwirtschaftlich ist.
Aus der US 3 469 101 A ist ein optisches Sensorsystem bekannt, das die eingangs genannten Merkmale aufweist. Es ist auf Wegmessung beschränkt. Bei der Anordnung dieser Patentschrift erstreckt sich das Ablenksystem über die gesamte Länge des Abbildungsbereiches des Abbildungsmassstabs. Dort ist der Abbildungsmassstab auf dem als Prisma ausgebildeten Ablenksystem angeordnet.
Aus der DE 36 09 211A1 ist ein optisches Messsystem für Winkel bekannt, das die eingangs genannten Merkmale aufweist und bei dem eine Kodierscheibe den Abbildungsmassstab trägt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sensorsystem zu schaffen, bei dem Beleuchtungsquelle und Empfangssensor ebenfalls auf einer Seite des Abbildungsmassstabs angeordnet sind, das ein deutlich bessere Lichtausbeute liefert und das es erlaubt, den Sensor an beliebiger Stelle einzubauen.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Sensorsystem mit den eingangs genannten Merkmalen gelöst, bei dem der Träger für den Abbildungsmassstab, wie an sich bekannt, ein eigenständiger Bauteil ist und sich das Ablenksystem, wie an sich bekannt, über die gesamte Länge des Abbildungsbereiches des Abbildungsmassstabs erstreckt.
Auch bei der Erfindung wird der seitlich vom Empfangsstrahl und vom Massstab verlaufende Beleuchtungsstrahl unter dem Massstab mit Ablenkspiegeln so gelenkt, dass der Massstab im Durchlicht abgebildet wird. Damit erreicht man auf einfache Weise eine vorteilhafte Anordnung der Empfangsoptik und der Beleuchtungseinrichtung auf einer Seite des Massstabs und erhält eine nur sehr geringe Abschwächung der Beleuchtungsstärke. Ganz besonders vorteilhaft ist diese Anordnung bei Absolutmassstäben mit sogenanntem Linearcode, deren Codierung im Massstabsverlauf zu einer sehr schmalen Massstabsspur führt.
Es ist bei einer Ausbildung des erfindungsgemässen Systems ähnlich dem Wegmesssystem der US-Patentschrift nicht selbstverständlich, einen separaten Träger für den Abbildungsmassstab vorzusehen. Will man die Massstabsspur für hochauflösende, längere Wegmessstrecken präzise
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und kostengünstig fertigen, so ist es insbesondere für absolutkodierte Massstäbe zweckmässig, die Erstellung der Strukturen vom Ablenksystem zu trennen, erst recht bei längeren, glasausgeführten Prismen. Die Massstabsspur kann bei der Erfindung auf der vom Sensor abgewandten Seite des Trägers angebracht werden und so kann die andere (äussere) Seite des Trägers Reinigungsvorrichtungen ausgesetzt werden.
Zusätzlich bietet die Ausführung des separaten Trägers mit einer Massstabsspur den Vorteil, dass man den Sensor und die Ablenkeinheit stehend anordnen kann und den bewegten Träger mit der Massstabspur z. B. als Band ausbilden kann.
Die Strahlablenkungseinheit weist vorzugsweise zwei "spiegelnde Flächen" zur Erzeugung eines etwa parallelen Strahlengangs des Beleuchtungs- und des Messstrahls auf, die zweckmässigerweise beide um 45 zu diesen Strahlen geneigt sind. Die "spiegelnden Flächen" können sehr kostengünstig und praxisgerecht durch ein Prisma und durch Ausnutzung der Totalreflexion von Glas/Kunststoff zu Luft realisiert werden.
Dies ergibt sich aus: sin eg = n'/n: eg = Grenzwinkel der Totalreflexion n' = 1 Brechungsindex (Glas zu Luft) n = Brechungsindex (z.B. Glas, Kunststoff) eg = arc*sin*(n'/n) = arc*/sin*(1/1,5) 0 arc*sin*0,66 eg = 41 , das heisst der unter 45 einfallende Strahl wird total reflektiert und die Grenzflächen wirken wie Spiegel.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.
Es zeigen : Fig.1a und 1 b eine Seitenansicht, bzw. Aufsicht auf einen Ausschnitt des erfin- dungsgemässen Systems
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel
Fig. 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel mit Trennung des Sensors vom Mass- stab
In Fig. 1a ist ein in Richtung der Pfeile 2 bewegbarer Abbildungssmassstab mit 1 bezeichnet.
Dem Massstab 1 gegenüber befindet sich ein Optikmodul 4, das den ankommenden Strahl zum Sensor lenkt und elektronisch auswertet. Eine Auswerteelektronik ist mit 7 bezeichnet.
Besser ist die Anordnung aus der Aufsicht der Fig. 1b erkennbar. Man erkennt, dass eine LEDBeleuchtung 5 seitlich neben dem Massstab 1 angeordnet ist. Der von der Beleuchtungsquelle 5 ausgehende Strahl wird von dem Strahlablenksystem 3 in Form von zwei Spiegeln zwei Mal abgelenkt und über einen Telezentrierspiegel 6 auf den optischen Sensor gelenkt, der Teil des Optikmoduls 4 ist. Der Träger des Massstabs 1 ist mit der Ablenkeinheit 3 verbunden und muss z. B. als langes Prisma ausgebildet sein.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Massstabträger 20 geschnitten ist und die Blickrichtung in Richtung der Massstabsspur 1 verläuft. Auch hier ist der LEDStrahlerzeuger 25 seitlich neben der Massstabsspur 21 angeordnet. Ein mit dem Massstabträger 20 verbundenes, hier trapezförmiges Prisma 23 mit zwei um 45 gegenüber der Richtung des Strahls 28 gezeigten Flächen stellt hier das Ablenksystem dar. Wegen der Totalreflexion des Strahls an diesen Flächen stellen diese Flächen Ablenkspiegel dar, die den Strahl 28 in einen Empfangsstrahl 29 umwandeln, der dem Optikmodul 24 zugeführt und dort mit dem angebrachten optischen Sensor elektronisch ausgewertet wird. Auch hier ist der Massstabsträger 20 ein getrenntes Bauteil, das mit dem Prisma 23 verbunden ist und mit ihm in Blickrichtung bewegt wird.
Auch hier muss sich das Ablenksystem über die gesamte Länge des Abbildungsbereichs erstrecken.
In Fig. 3 ist der Optikmodul 34 mit der Beleuchtungsquelle 35 und der Auswerteelektronik 37 mit dem optischen Sensor weiter entfernt von dem Massstab 31 vorgesehen. Der Abstand wird durch eine Beleuchtungsfaser 38 für den Beleuchtungsstrahl und einen Bildleiter 39 für den, durch den Massstab geführten Rückstrahl überbrückt. Der Abstand kann z. B. bis zu 200 mm und darüber betragen. An den Enden der Faser 38, bzw. den Bildleitern 39 ist zweckmässiger Weise ein Koppelglied 40, bzw. eine Anpassoptik 41 vorgesehen. Auch hier ist ein Ablenkprisma 33 jenseits des
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Massstabes 31 vorgesehen.
Der mögliche Aufbau der Anpassoptik 1 geht aus Fig. 4 hervor. Der Beleuchtungsstrahl der Beleuchtungsfaser 38 wird hierin zum Parallelstrahl aufgeweitet. Der aufgeweitete Strahl wird nach zweimaliger Ablenkung am Prisma 33 durch den Massstabträger 30 mit dem Massstab 31 in den Bildleiter 39 eingekoppelt und weitergeleitet.
Diese Ausbildung mit der Trennung des Messsystems von der Auswertung wird man bei begrenzten Einbaubedingungen am Messort, aber auch zur Vermeidung der am Messort herrschenden hohen Temperaturen für das Optikmodul und die empfindliche Elektronik anwenden.
Man kann entgegen den obigen Ausführungen auch den Massstabträger mit der Massstabspur fest stehen lassen und das Optikmodul bewegen. Auch hier muss die Ablenkeinheit über den gesamten abzubildenden Bereich ausgeführt und kann auch mitbewegt werden.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Optisches Sensorsystem, bei dem der Strahl einer Beleuchtungsquelle durch einen Abbil- dungsmassstab geschickt wird, dann auf einen Empfangssensor trifft und bei Relativbewe- gungen des Abbildungsmassstabes zum Empfangssensor als Winkel oder Wegstrecke ausgewertet wird, bei dem die Beleuchtungsquelle und der Empfangssensor auf der glei- chen Seite des Abbildungsmassstabes angeordnet sind, bei dem auf der von der Beleuch- tungsquelle und dem Empfangssensor abgewandten Seite des Abbildungsmassstabes ein
Ablenksystem mit wenigstens zwei spiegelnden Flächen vorgesehen ist, das den seitlich vom Abbildungsmassstab verlaufenden Strahl der Beleuchtungsquelle in einen durch den
Abbildungsmassstab verlaufenden und zum Empfangssensor gerichteten Empfangstrahl umlenkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (20; 30) für den Abbildungsmassstab (1; 21 ;
31), wie an sich bekannt, ein eigenständiger Bauteil ist und sich das Ablenksystem, wie an sich bekannt, über die gesamte Länge des Abbildungsbereiches des Abbildungs- massstabes erstreckt.