CH629297A5 - Device for determining the polar coordinates of the offset of an object with respect to an optical reference line - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE Ordnung liegt und dass die Maske einen Bereich aufweist, der für die von der Strahlenquelle abgegebene Strahlung durchlässig ist.

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Polarkoordinaten der 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, Ablage eines Objektes bezüglich einer optischen Referenzlinie, dass sich die Detektoranordnung beim Objekt befindet.

mit einem Strahlçnsender und einem Strahlenempfänger, 5

dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlensender oder-empfän-

ger eine Einrichtung (12) zur Umgrenzung eines in Richtung der

Referenzlinie auszusendenden bzw. aus dieser Richtung zu emp- Die Erfindungbetrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der fangenden Strahlenbündels aufweist, welche Einrichtung derart Polarkoordinaten der Ablage eines Objekts bezüglich einer ausgebildet ist, dass das Strahlenbündel im Querschnitt senk- io optischen Referenzlinie, mit einem Strahlensender und einem recht zur Referenzrichtung mindestens eine geradlinige Begren- Strahlenempfänger.

zungslinie und zumindest eine im wesentlichen eine logarithmi- Eine derartige Vorrichtung kann bekannterweise dazu ausge-

sche Spirale bildende Begrenzungslinie aufweist, welche sich auf bildet sein, ein geordnetes Objekt zu vermessen, das eine der Referenzlinie treffen und dass eine Einrichtung (13) zum Strahlung abgibt, die durch eine beim Objekt speziell vorhan-

Rotieren dieses Strahlenbündels mit einer Referenzfrequenz um 15 dene Strahlungsquelle erzeugt wird, oder die als Infrarotstrah-die Referenzlinie vorgesehen ist, sowie gekennzeichnet durch lung vom Objekt oder vom Ziel selbst erzeugt wird.

eine Detektoranordnung zur Erzeugung eines elektrischen Sie kann aber auch dazu ausgebildet sein, die Lage eines

Signals jeweils bei Erfassung des Obj ekts im Strahlenbündel, Obj ekts bezüglich eines ausgesandten Leitstrahles zu bestim-wobei die Signaldauer bzw. Intervalldauer zwischen Signalen men, etwa zur Führung des Objekts mittels des Leitstrahles. Ein dem Winkelabstand des Objekts von der Referenzlinie und die 20 wesentlicher Faktor bei beiden Messvorgängen ist darin zu Signal-Phasenlage bezüglich der Referenzfrequenz dem Rota- erblicken, dass sich der Abstand zwischen dem Objekt und der tionswinkel des Objekts um die Referenzlinie entspricht. Beobachtungs- bzw. Führungsstelle ändert. Aus diesem Grund

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Objekt ein muss die Vorrichtung bei nahe gelegenem Objekt einen grossen Strahlung aussendendes, zu vermessendes Zielobjekt ist, Raumwinkel um die optische Referenzlinie erfassen, wogegen gekennzeichnet durch eine Anordnung (11) zum Fokussieren der 25 die Anforderungen hinsichtlich der Wahrnehmungsempfindlich-empfangenen Strahlung in einer Bildebene, die einen der Refe- keit geringer sind. Wenn dagegen im anderen Fall das Objekt in renzrichtung entsprechenden Referenzpunkt aufweist, wobei die einer grossen Entfernung erscheint, ist innerhalb eines engeren Einrichtung (12) zur Umgrenzung des zu empfangenden Strah- Raumwinkels eine grössere Wahrnehmungsempfindlichkeit er-lenbündels in dieser Ebene angeordnet ist. forderlich.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 30 Es ist bereits eine Messvorrichtung bekannt, beidereineng dass die Einrichtung zur Umgrenzung des zu empfangenden begrenzter, fächerförmiger Ortungsstrahl (Richtstrahl) abwech-Strahlenbündels eine rotierbare Blende (12) mit einem strah- selnd in Vertikalrichtung und seitlich über das Sichtfeld der lungsundurchlässigen Bereich (22; 32; 41,43; 51,53) sowie einem Messvorrichtung geschwenkt wird, wobei die Zeiten, zu denen strahlungsdurchlässigen Bereich (21; 31; 42,44; 52,54) aufweist, der Ortungsstrahl auf ein Objekt auftrifft, einMass für die

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 35 Position des Objektes sind. Um das erforderliche breite dass hinter der Blende (12) ein Sensor (15) angeordnet ist, der Gesichtsfeld zu erfassen, wenn sich das Objekt in geringem das empfangene Strahlungssignal in das elektrische Signal um- Abstand zur Messvorrichtung befindet, und um dennoch die wandelt. Messzeit zu begrenzen, ist es notwendig, mit einer verhältnismäs-

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, sig grossen Schwenkgeschwindigkeit zu arbeiten, weshalb die dass der durchlässige Bereich der rotierbaren Blende (12) aus 40 Geschwindigkeit, mit der z. B. der Luftraum bestrichen wird, Zonen (42,44; 52,54) besteht, wobei eine erste Zone (42; 52) entsprechend gross sein muss. Der hieraus folgende schnelle geradlinige Begrenzungen und eine zweite Zone (44; 54) Begren- Durchgang des Ortungsstrahles über das Objekt erfordert eine zungen in Form von logarithmischen Spiralen aufweist und schnelle Reaktion des Detektors an der Messvorrichtung, was oft dazwischen je ein undurchlässiger Bereich angeordnet ist. schwer zu erreichen ist. Es tritt noch eine weitere Begrenzung

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 45 auf, wenn die Strahlungsquelle mit einer verhältnismässig niedri-dass die durchlässigen Zonen (42,44; 52,54) eine solche Form gen Frequenz moduliert ist, was oft der Fall ist, wenn die haben, dass die Dauer der im Detektor empfangenen Strahlungs- Strahlungsquelle aus einer pulsierenden Laserquelle besteht, signale unabhängig von der radialen Lage der abgebildeten Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es üblich, die Zeit Strahlung bezüglich des Referenzpunktes ist, während die Inter- des Durchgangs des Ortungsstrahles über das Zielobjekt zu valle zwischen den Signalen ein Mass für die radiale Lage der 50 verlängern, indem die Breite des fächerförmigen Strahlenbün-abgebildeten Strahlung ist. delsvergrössert wird, wodurch sich jedoch in entsprechender

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, Weise eine Verringerung der Messgenauigkeit ergibt. Um trotz dass sieh die Breiten der ersten und der zweiten Zonen bzw. die dem Ausgeführten eine ausreichende Messgenauigkeit zu erhal-entsprechenden Impulsbreiten durch ihre Längen unterscheiden, ten, wenn sich das Objekt in grossem Abstand zur Messvorrich-

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 55 tung befindet, ist es möglich die Messvorrichtung mit Zoom-dass die im wesentlichen logarithmische Spirale im Bereich der Optiken zu versehen, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wer-Referenzlinie in eine lineare Spirale übergeht, welche in der den kann und sich das Sichtfeld bezüglich des Abstandes zum Referenzlinie endet. Objekt verringert. Eine andere Massnahme besteht in der Ver-

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Wendung von zwei Messvorrichtungen, wobei die eine ein breites dass die Detektoranordnung (15) einen Photosensor aufweist, 60 Sichtfeld und eine geringe Messgenauigkeit, dagegen die andere dessen strahlungsempfindlicher Bereich die Bündelbegrenzung Messvorrichtung ein enges Sichtfeld und eine grosse Messgenau-festlegt und der zum Rotieren des Bündels drehbar angeordnet igkeit hat. Eine dritte Massnahme besteht in der Verwendung ist. ;. von auswechselbaren Objektiven, die unterschiedliche Vergrös-

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei vom Strahlensender serungen ergeben.

ein Strahlenbündel erzeugt wird, welches ein Leitstrahl zur 65 Um eine gute Messgenauigkeit bei schwachen Signalen zu Führung dés Objekts ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erhalten ist ein grosser Öffnungsdurchmesser des optischen

Leitstrahl durch eine rotierende Maske bestimmt ist, die im Systems erwünscht, wodurch aber die Zoom-Objektive sehr

Strahlengäng zwischen einer Strahlenquelle und der Detektoran- teuer und auch sehr gross werden. Das gleiche gilt, wenn

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auswechselbare Objektive verwendet werden, wobei zusätzlich noch beim Auswechseln der Objektive ein gewichtiger Funktionsausfall eintritt. Die Einrichtungen zur Erzeugung eines fächerförmigen zum Abtasten geeigneten Richtstrahles sind infolge der erforderlichen, hohen Herstellungspräzision in der Regel sehr kompliziert und heikel, wodurch dieser Teil der Messvorrichtung teuer wird. Hierdurch wird auch die erwähnte Alternative, nämlich die Verwendung von zwei getrennten Messvorrichtungen teuer und kompliziert.

Es wird nun die Schaffung einer verbesserten Vorrichtung der eingangs genannten Art bezweckt, wobei diese wesentlich einfacher sein soll. Es sollen dabei die Erfordernisse hinsichtlich des zu erfassenden Raumwinkels mit dem Erfordernis einer grossen Messgenauigkeit innerhalb eines begrenzten Bereiches dieses Raumwinkels kombiniert sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Strahlensender oder -empfänger eine Einrichtung zur Umgrenzung eines in Richtung der Referenzlinie auszusendenden bzw. aus dieser Richtung zu empfangenden Strahlenbündels aufweist, welche Einrichtung derart ausgebildet ist, dass das Strahlenbündel im Querschnitt senkrecht zur Referenzrichtung mindestens eine geradlinige Begrenzungslinie und zumindest eine im wesentlichen eine logarithmische Spirale bildende Begrenzungslinie aufweist, welche sich auf der Referenzlinie treffen, dass eine Einrichtung zum Rotieren dieses Strahlenbündels mit einer Referenzfrequenz um die Referenzlinie vorgesehen ist, und dass eine Detektoranordnung vorgesehen ist zur Erzeugung eines elektrischen Signals jeweils bei Erfassung des Objekts im Strahlenbündel, wobei die Signaldauer bzw. Intervalldauer zwischen Signalen dem Winkelabstand des Objekts von der Referenzlinie und die Signal-Phasenlage bezüglich der Referenzfrequenz dem Rotationswinkel des Objekts um die Referenzlinie entspricht.

In einer Variante ist das Objekt ein Strahlung aussendendes, zu vermessendes Zielobjekt. In einer anderen Variante wird vom Strahlensender ein Strahlenbündel erzeugt, welches ein Leitstrahl zur Führung des Objekts ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele, insbesondere der erstgenannten Variante näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Blende bzw.

Maske zur Festlegung des Aufnahmefeldes bzw. Ortungsstrahles und indirekt auch die Form eines Abschnittes des Ortungsstrahles,

Fig. 3 eine vergrösserte Darstellung des Zentrumbereiches aus Fig. 2,

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel einer Blende oder Maske, und

Fig. 5 eine vergrösserte Darstellung des Zentrumbereiches aus Fig. 4.

Aus Fig. 1, die einen Längsschnitt durch den schematischen Aufbau einer Messvorrichtung zeigt, ist eine Objektivlinse 11 ersichtlich, die die Strahlung aufnimmt, die von einem Objekt abgegeben wird und ein Abbild auf eine Blende projiziert, die in der Bildebene der Objektivlinse angeordnet ist. Diese Blende ist konzentrisch in einem Lager 14 drehbar gelagert, wofür ein Elektromotor 13 vorhanden ist. In Verbindung mit dieser drehbaren Blende sind noch an sich bekannte Fühler 16 vorhanden, die deshalb nicht detailliert beschrieben werden. Durch diese Fühler wird ein elektrisches Signal erzeugt, wobei dieses Signal eine eindeutige Funktion der momentanen Winkellage der Blende ist. Hinter der Blende befindet sich ein Photodetektor 15, dessen Ausgangssignal zu einem Steuerkreis 17 zur Verarbeitung des Signales geleitet wird. Der Steuerkreis 17 kann einen bekannten Aufbau haben. Weiterhin wird das Ausgangssignal vom Fühler 16 ebenfalls dem Steuerkreis 17 zur Verarbeitung und Auswertung zugeleitet.

Die Objektivlinse 11 und die Blende 12 sind innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 18 angeordnet, wobei diese Bauteile zu demjenigen Ziel hin gerichtet sind, dessen Koordinaten bestimmt werden sollen. Die Messvorrichtung wird bevorzugter-5 weise innerhalb eines grösseren Gehäuses eines Zielgerätes angeordnet, wobei noch Organe vorhanden sind um das Zielen zum ZiêTfiin zu erleichtern.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der drehbaren Blende 12. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, besteht diese aus zwei Teilen, io nämlich aus einemTeil 21, derz. B. als Öffnung ausgebildet ist, durch die die Strahlung zum Photodetektor 15 hindurchtreten kann, und einem zweiten Teil 22, der für die Strahlung undurchlässig ist. Wenn sich die Blende dreht, dann bildet der durchlässige Teil 21 ein Aufnahmefeld, das sich um die Drehachse 23 der 15 Blende dreht, wobei in diesem Fall das Zentrum mit dem Zentrum des Siehtfeldes zusammenfällt. Die Form des Aufnahmefeldes wird durch die Form der Öffnung 21 bestimmt, und aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die den undurchlässigen Teil 21 begrenzende Linie der Blende aus einer logarithmischen Spirale 20 26 und einer geraden Linie 25 besteht, wobei beide Kurvenzüge 25 und 26 im Drehzentrum 23 der Maske zusammentreffen.

Aus Fig. 3, die eine vergrösserte Darstellung des um das Drehzentrum 23 der Blende liegenden Bereiches ist, ist der Übergang zwischen der logarithmischen Spirale 36 und der 25 geraden Linie 35 deutlicher ersichtlich. Nahe beim Zentrum geht die logarithmische Spirale 36 in eine lineare Spirale 34 über, die im Drehzentrum 33 an die gerade Linie 35 anschliesst, oder das Drehzentrum liegt unmittelbar neben dieser Anschlussstelle. Der Grund, warum dem durchlässigen Teil 21,31 diese darge-30 stellte Form gegeben wird, wird anschliessend noch deutlicher erläutert.

Die von einem Zielobjekt abgegebene Strahlung wird von der Linse 11 auf einen Punkt der Blende 12projiziert, wobei angenommen wird, dass dieser Punkt nicht mit dem Drehzen-35 tram zusammenfällt. Der Punkt wird also auf der Fläche der drehbaren Blende einen Kreis beschreiben, dessen Zentrum auf dem Drehzentrum 23,33 der Maske liegt. Während dieser Drehung passiert der Punkt den durchlässigen Teil 21,31 der Blende und wodurch jedes Mal mittels des Detektors ein Aus-40 gangssignal erzeugt wird, wenn die von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung kontinuierlich ist, oder eine Impulsfolge, wenn die Strahlungsquelle impulsmoduliert ist. Der Impuls oder die Impulsfolge wird beim Drehen der Blende nach jeder Umdrehung wiederholt und aufgrund der Form des durchlässigen Teiles 45 der Blende ist die Länge des Impulses oder der Impulsfolge ein direktes Mass für den Abstand zwischen dem erwähnten Punkt und dem Drehzentrum. Die Phasenlage des Impulses oder der Impulsfolge bezüglich der Drehung der Blende ist ein Mass für die Richtung vom Drehzentrum zum abgebildeten Punkt hin. so Auf diese Weise wird eine Bestimmung der Lage des Punktes in polaren Koordinaten erhalten, woraus man auch eine hierzu korrespondierende Richtung zum Objekt hin erhält.

Die Länge des Impulses oder der Impulsfolge bzw. die Phasenlage wird durch den Verarbeitungs-Steuerkreis 17 festge-55 stellt, wobei ein Bezugssignal, das zum Phasenvergleich erforderlich ist, vom Fühler 16 stammt. Der zum Verarbeiten des Signals dienende Steuerkreis 17 kann einen Mikrocomputer enthalten, der neben der Verarbeitung des Signals mit Hilfe eines bekannten Rechenprogramms zur Positionsbestimmung des Zielobjek-60 tes auch eine Transformation der polaren Koordinaten in kartesi-sche Koordinaten vornimmt, falls gewünscht.

Durch die Form der den durchlässigen Teil der Blende begrenzenden Linie, wie sie in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, bei der diese Grenzlinie aus einem geraden Linienstück 25,35 65 und einem Kurvenzug einer logarithmischen Spirale 26,36 besteht, wird ein Impuls oder eine Impulsfolge erzielt, deren Länge proportional ist dem Logarithmus des Kehrwertes des Abstandes zwischen dem erwähnten Punkt und dem Drehzen

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trum der Blende. Daraus folgt, dass sich die Messungenauigkeit in radialer Richtung proportional zum Abstand zwischen dem erwähnten Punkt und dem Zentrum verhält. Da die Richtungsbestimmung von der Zeit des Durchgangs der geraden Linie 25, 35 am Punkt abhängt, verhält sich auch die Messungenauigkeit in s der tangentialen Richtung proportional zum Abstand vom Zen-tFum. Auf diese Weise ist es möglich eine gute Messgenauigkeit im Zentrumsbereich des Sichtfeldes mit einem weiten Sichtfeld zu kombinieren. Diese Beziehung zwischen der Messungenauig-keitund dem Abstand zum Zentrum ist dann vorhanden, wenn io die begrenzte Ansprechgeschwindigkeit des Photodetektors oder die Impulsfrequenz der Strahlungsquelle die Auflösung bestimmen. Diese Beziehung gilt sehr nahe beim Zentrum nicht mehr, wo diese Bedingungen eine so gute Auflösung gewährleisten,

dass andere Umstände, wie die begrenzte Bildschärfe, die Gren- 15 zen bestimmen. Aus diesem Grund ist es zweckmässig, der erwähnten Begrenzungslinie der Blende nahe dem Zentrum die Form einer linearen Spirale 34 zu geben, wodurch vermieden wird, dass der dynamische Umfang der Messvorrichtung so ausgelastet wird, dass damit eine grössere Auflösung erreicht 20 wird als sie überhaupt verwendbar ist.

Im folgenden wird noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Blende erläutert. Eine mögliche Abwandlung besteht in geänderter Formgebung des durchlässigen Teiles der Blende, um Eigenschaften der Messgenauigkeit verschiedenen Anwendungsgebieten anzupassen. Eine solche Ausführungsform der Blende ist aus Fig. 4 ersichtlich, in der diese ganz dargestellt ist, wogegen in Fig. 5 eine vergrösserte Darstellung des Zentrumbereiches der Blende gezeigt ist. Iii beiden Figuren 4 und 5 ist der undurchlässige Teil der Blende mit den Bezugszeichen 41,43 30 bzw. 51 und 53 versehen, wogegen die durchlässigen Teile der Blende mit den Bezugszeichen 42,44 bzw. 52 und 54 versehen

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sind. Mit einer solchen Form des durchlässigen Teiles werden bei jeder Umdrehung der Blende vom Photodetektor 15 zwei Impulse erzielt, die eine konstante Länge haben, wobei aber der Intervall zwischen den Impulsen ein eindeutiges Mass für den Abstand zwischen dem projizierten Punkt und dem Drehzentrum der Blende ergibt. Die konstante Länge der Impulse ergibt die Möglichkeit für den zum Verarbeiten des Signals dienenden Steuerkreis 17, jegliche Störimpulse, die auftreten können, zu unterdrücken. Daraus folgt, dass eine solche Ausführungsform der Blende besonders für solche Anwendungen geeignet ist, bei denen mit Störeinflüssen gerechnet werden kann. Um eine Verwechslung zwischen den beiden Pulsfolgen zu vermeiden, ist es zweckmässig, die B ereiche 42,52 bzw. 44 und 54 mit unterschiedlichen Breiten zu versehen.

Bei einer abgewandelten Ausführung der vorstehend beschriebenen Variante wird anstelle der rotierenden Blende 12 und des Detektors 15, ein drehbarer Photodetektor verwendet, dessen strahlungsempfindlicher Bereich analog dem durchlässigen Teil der Blende 12 ausgebildet ist, wobei das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors z. B. über Schleifringe abgenommen wird.

Bei der zweiten Variante der Erfindung (nicht dargestellt) wird anstefle des Photodetektors eine Strahlenquelle bei der Messvorrichtung angeordnet, wobei am Zielobjekt ein Photodetektor vorgesehen ist. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Informationen hinsichtlich der Lage des Zielobj ektes vom Objekt selbst und nicht von der Mess Vorrichtung empfangen werden sollen. In diesem Fall werden Informationen betreffend die Winkellage des rotierenden Teils der Messanordnung dem Zielobjekt durch an sich bekannte Modulation der Strahlungsquelle telemetriseli übermittelt.

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1 Blatt Zeichnungen