DD226402A1 - Optoelektronische kollimationsanordnung zur winkelmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Kollimationsanordnung zur automatischen Messung und Registrierung der relativen Winkellage zweier ueber einen groesseren Abstand voneinander entfernter Objekte. Sie ist insbesondere dort vorteilhaft, wo die relative Lageaenderung zweier Objekte zueinander nicht nur durch Winkelverkippung, sondern auch durch Parallelverschiebung der Objekte bzw. Abstandsaenderung hervorgerufen wird. Mit der erfindungsgemaessen Messanordnung, deren Optikschema, dem einer herkoemmlichen Kollimationsanordnung entspricht, koennen schnell und genau, unabhaengig von subjektiven Ablesefehlern Winkelmessungen ueber fuer Kollimationsanordnungen relativ grosse Messbereiche durchgefuehrt werden. Dazu befinden sich in der Sende- und der Empfangsebene der erfindungsgemaessen Kollimationsanordnung optoelektronische Funktionselemente, die mit einem Elektronikblock in Verbindung stehen und so angeordnet sind, dass ueber den gesamten Messbereich jeweils mindestens ein optoelektronisches Funktionselement der Sendeebene auf mindestens einem optoelektronischen Funktionselement der Empfangsebene abgebildet ist.

Description

Optoelektronische Kollimationsanordnung zur Winkelmessung Anwendung^gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Kollimationsanordnung zur automatischen Messung und Registrierung der relativen Winkellage zweier voneinander entfernter Objekte. Ihre Anwendung ist besonders dort vorteilhaft, wo die relative Lageänderung zweier Objekte zueinander nicht nur durch Winkelverkippung, sondern auch durch Paralleleverschiebung der Objekte bzw. Abstandsänderung hervorgerufen wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Messung der relativen Winkellage zweier voneinander entfernter Objekte erfolgt im allgemeinen mit einer optischen Kollimationsanordnung

Hierbei wird der Winkel zwischen den Richtungsverkörperungen, Kollimator- und Richtfernrohrachse bei einer Kollimator/ Richtfernrohr-Anordnung bzw. Autokollimationsfernrohr- und Spiegelachse bei einer Autokollimationsanordnung gemessen. Gegenüber Abstandsänderung und Parallelverschiebung zwischen Kollimator und Richtffernrohr bzw. Autokollitnationsfernrohr und Spiegel ist die Anordnung invariant, d.h. eine Abstandsänderung und eine Parallelverschiebung haben lediglich einen Einfluß auf den Meßbereich, nicht auf das Meßergebnis. Eine in der Pokalebene des Kollimators befindliche beleuchtete Marke, Fadenkreuz oder ähnliches wird ins Unendliche abgebildet und erscheint somit durch ein Fernrohrobjektiv

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abgebildet ala reeles Bild in dessen Brennebene auf einer Strichplatte. Die Auswanderung der Marke gegenüber dem Koordinatenursprung des auf der Strichplatte abgetragenen Koordinatensystems ist ein Maß für die relative Winkellage der RichtungsVerkörperungen zueinander. Durch die Betrachtung und Auswertung des Bildes mit dem Auge, mittels eines Okulars, wird das Meßergebnis nicht nur durch Abbildungsfehler, sondern auch durch subjektive Ablesefehler verfälscht.

Der maximal meßbare Winkelbereich zwischen den beiden Objekten ist abhängig von der Bildhöhe, der Objektivbrennweite, der Meßdistanz zwischen den Objekten, dem Durchmesser der Öffnungsblende und gegebenenfalls von der Spiegelgröße« Optimiert man die einzelnen Größen bei vorgegebener größerer ffießdistanz und hoher geforderter Winkelauflösung unter Beachtung der fertigungstechnisch vertretbaren Baumaße (bestimmt durch Brennweite und Blendendurchmesser) so zeigt sich, das eine Winkelabmessung hier innerhalb eines sehr kleinen Meßbereichs möglich ist. Der Winkelmeßbereich kann vergrößert werden, wenn das Richtfernrohr bzw. das AKP mechanisch nachgeführt wird, so daß dach der Winkelverkippung die optischen Achsen von Kollimator und Fernrohr bzw. Spiegel und AK3? wieder fluchten

Mittels trivialer Meßmethoden wird dann der während der mechanischen Nachführung überstrichene Y/inkel gemessen.

Durch die mechanische nachführung und eine zusätzlich notwendige Winkelmeßvorrichtung entsteht ein höherer Fertigungsaufwand, ein größerer Zeitaufwand zur Messung und ein zusätzlicher Meßfehler durch Spiele und Toleranzen der mechanischen Baugruppen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, innerhalb eines für eine Kollimationsanordnung großen Meßbereichs, die relative Winkellage zwischen zwei über einen größeren Abstand voneinander entfernten Objekten schnell und genau, unabhängig von sub-

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jektiven Ablesefehlern, zu messen und zu registrieren.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, deren Optikschema dem einer herkömmlichen Kollimationsanordnung entspricht, mit der jedoch, gegenüber bekannten, optischen Kollimationsanordnungen ohne Verwendung einer mechanischen Nachführeinrichtung, über einen größeren Winkelmeßbereich gemessen werden kann. Die Bildverarbeitung und Meßwertberechnung soll automatisch realisierbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer optoelektronischen Kollimationsanordnung zur Winkelmessung bestehend aus einem Objektiv und einem Spiegel oder 2 Objektiven, einer in einer Pokalebene angeordneten Sendeebene und einer in einer weiteren Fokalebene angeordneten Empfangsebene dadurch gelöst, daß in der Sendeebene und in der Empfangsebene mehrere optoelektronische, mit einem Elektronikblock in Verbindung stehende Funktionselemente vorhanden sind, wobei diese so angeordnet sind, daß über den gesamten Meßbereich jeweils mindestens ein optoelektronisches Punktionselement der Sendeebene auf mindestens einem optoelektronischen Punktionselement der Empfangsebene abgebildet ist. Die optoelektronischen Punktionselemente in der Sendeebene können z«B. LED sein oder mit Lichtquellen in Verbindung stehende Lichtleitfasern, deren Enden in der Sendeebene angeordnet sind. Es erweist sich als günstig, wenn der Abstand zweier benachbarter optischer Punktionselemente in jedem Fall unterschiedlich ist. Es bietet sich an, in der Empfangsebene CCD-Zeilen bzw. CCD-Matrix zu verwenden.

Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist, daß Winkel in einem, für eine Kollimationsanordnung relativ großen Meßbereich gemessen werden können, ohne Verwendung von mechanisch beweglichen Baugruppen, durch welche zusätzliche Meßfehler entstehen. Durch die optoelektronische Bildverarbei-

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tung und Heßwertbestimmung werden subjektive Ablesefehler ausgeschlossen. Durch statistische Berechnungen kann der mit den optoelektronischen Punktionselementen in Verbindung stehende Elektronikblock aus den Meßwerten mehrerer benachbarter aktivierter optoelektronischer Funktionselemente hochgenaue Meßergebnisse liefern.

Ausführunpsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem^Ausführungsbeispiel erläutert werden

In der dazugehörigen Zeichnung zeigt

Pig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Kollimationsanordnung.

Der in Pig. 1 dargestellte prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Kollimationsanordnung umfaßt eine Sendeeinheit 1 und eine Empfangseinheit 2, die in einem größeren Abstand voneinander jeweils auf einem Objektlmontiert sind und mit deren Hilfe die veränderliche relative Winkellage der Objekte zueinander gemessen werden kann. Das Optikschema entspricht dem einer herkömmlichen optischen Kollimationsan-Ordnung, d.h. die Sendeebene befindet sich in der Pokalebene des Objektivs der Sendeeinheit 3 und die Empfangsebene steht in der Pokalebene des Objektivs der Empfangseinheit 4.

Im Unterschied zu den bekannten optischen Kollimationsanordnungen werden statt einer, auf der optischen Achse liegenden Leuchtmarke als abzubildendes Objekt und der in der Empfangsebene befindlichen Strichplatte jeweils eine Vielzahl von flächenhaft angeordneten optoelektronischen Funktionseleraenten, deren Ein- und Ausgangsgrößen durch einen Elektronikblock 7 gesteuert und ausgewertet werden, verwendet. Die EichtungsVerkörperungen werden somit jeweils durch die aktiven optoelektronischen Punktionselemente und Optik- Hauptpunkte bestimmt.

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Im Atisführungsbeispiel entspricht die Anordnung der optoelektronischen Punktionselemente in der Sendeeinheit 1 einer LED-Matrix 5 und die in der Empfangseinheit 2 eine CCD-Matrix 6. Eine in der Sendeebene achsmittig angeordnete LED wird beim Fluchten der Achsen von Sendeeinheit 1 und Empfangseinheit 2, d.h. bei einer relativen Winkellage von 0° achsmittig in der Empfangsebene abgebildet. Schließen Sendeeinheit 1 und Empfangseinheit 2 einen größer werdenden Winkel ein, so wandert das Bild der achsmittig liegenden LED aus dem Bildfeld der Empfangsebene. Die LED sind nun so angeordnet, daß mindestens eine außerachsial liegende LED vorhanden ist, deren Bild bei dieser Winkellage im Bildfeld liegt. Bei maximal zulässigen Abstand zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit 2 gibt es in jeder relativen Winkellage innerhalb des Meßbereichs mindestens eine LED deren Bild innerhalb des Bildfeldes liegt.

Die einzelnen LED werden der Reihe nach oder nach einer durch Auswertung früherer Messungen gegebenenfalls eingegebener optimierter Reihenfolge, durch den Elektronikblock gesteuert, eingeschaltet, bis von der Empfangseinheit ein Signal empfangen wird. Aus der relativen Lage der aktiven LED zum aktivierten CCD-Pixel (es können auch mehrere CCD-Pixel aktiviert werden) ergeben sich die Ausgangswerte für die Berechnung der relativen Winkellage der Objekte zueinander. Das gleichzeitige Ansteuern aller LSD ist dann möglich, wenn diese nicht gleichmäßig auf einem Raster verteilt sind, sondern ihr Abstand untereinander in jedem Pail unterschiedlich ist, so daß aus dem Abstand der in der Empfangsebene auftretenden Intensitätsmaxima des abgegebenen Lichte3 von mindestens 2 benachbarten aktiven LED, mittels eines Strukturerkennungsalgorithmus auf die Lage dieser geschlossen werden kann. Unabhängig vom großen Winkelmeßbereich über . große Meßdistanzen, welche vorrangig durch die erläuterte Anordnung von einer Yielzahl von LED in der Sendeebene realisiert wird, ist die extrem hohe Meßgenauigkeit der Anordnung gegenüber den herkömmlichen optischen KoIlimations-

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anordnungen.

Die geforderte Winkelauflösung wird zum einen durch eine möglichst dichte Anordnung der CCD-Pixel erreicht, wobei die Lage des CCD-Pixel zur Berechnung des Winkelwertes herangezogen wird, welches die größte Lichtintensität registriert zum anderen durch statistische Berechnung der genauen Lage des Lichtintensitätsmaxima der abgebildeten LED aus den analogen Ausgangssignalen von mehreren bei einander liegenden aktivierten CCD-Pixeln. Dadurch wird der Meßfehler um ein vielfaches geringer als das Rastermaß der CCD-Pixel.

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Claims (5)

1. - 7 Erfindungsanspruch

   1. Optoelektronische Kollimationsanordnung zur Winkelmessung, bestehend aus einem Objektiv und einein Spiegel oder 2 Objektiven, einer in einer Pokalebene angeordneten Sendeebene und einer in einer weiteren Pokalebene angeordneten Empfangsebene gekennzeichnet dadurch, daß in der Sendeebene und in der Empfangsebene mehrere optoelektronische, mit einem Elektronikblock in Verbindung stehende Punktionselemente vorhanden sind, wobei diese so angeordnet sind, daß über den gesamten Meßbereich jeweils mindestens ein optoelektronisches Punktionselement der Sendeebene auf mindestens einem optoelektronischen Punktionselement der Empfangsebene abgebildet ist.
2. 2. Optoelektronische Kollimationsanordnung zur Winkelmessung nach Punkt 1, gekennzeichnet, dadurch, daß die optoelektronischen Punktionselemente in der Sendeebene LED sind.
3. 3. Optoelektronische Kollimationsanordnung zur Winkelmessung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die optoelektronischen Punktionselemente in der Sendeebene Lichtleitfasern sind.
4. 4. Optoelektronische Kollimationsanordnung zur Winkelmessung nach Punkt 1, 2 oder 3 gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zweier benachbarter optoelektronischer Punktionselemente in der Sendeebene in jedem Pail unterschiedlich ist.
5. 5. Optoelektronische Kollimationsanordnung zur Winkelmessung nach Punkt 1, 2, 3 oder 4 gekennzeichnet dadurch, daß die optoelektronischen Punktionselemente in der Empfangsebene Pixel von CCD-Zeilen bzw. einer CCD-Matrix sind.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung

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