DE10059040A1 - Optisches Sensorsystem - Google Patents

Abstract

Es wird ein optisches Sensorsystem beschrieben, bei dem der Strahl einer Beleuchtungsquelle durch einen Abbildungsmaßstab geschickt wird, dann auf einen Empfangssensor trifft und ausgewertet wird. DOLLAR A Die Beleuchtungsquelle und der Empfangssensor sind auf einer Seite des Abbildungsmaßstabs angeordnet. Der seitlich vom Abbildungsmaßstab verlaufende Strahl der Beleuchtungsquelle wird auf der gegenseite des Abbildungsmaßstabs mittels spiegelnder Fläche in einen durch den Abbildungsmaßstab verlaufenden und zum Empfangssensor gerichteten Empfangsstrahl umgelenkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem mit dem Merkmalen des Oberbeg­ riffs des Anspruchs 1. Hiermit werden Relativbewegungen zwischen Maßstab und Lichtquelle/Sensor ausgewertet.

Für Winkel- und Weg Messsysteme ist es üblich die "Durchlichtversion" als optische Anordnung zu wählen, bei der die Beleuchtungsquelle dem Empfangssensor gege­ nübersteht und sich dazwischen der Abbildungsmaßstab befindet.

Will man jedoch z. B. aus baulichen Gründen die Beleuchtungsquelle auf der glei­ chen Seite wie den Empfangssensor anbringen, so muß man gemäß dem Stand der Technik bei Präzisionsmesssystemen nur sehr schwer und teuer zur realisierende Methoden nach dem Reflexprinzip anwenden. Hiervon geht die Erfindung aus.

So sind z. B. halbdurchlässige Spiegelsysteme bekannt, die es erlauben, die Be­ leuchtung in den Empfangsstrahlenggang 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 ¾ 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 spa­ rende Schaltungen wünscht und bei erhöhten Temperaturen große Probleme bei dem LED-Einsatz bekommt. (Lichtausbeute, Verlustleistung, Alterung und Lebens­ dauer).

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 Oberflächen­ strukturen 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein optisches Sensorsystem zu schaffen, bei dem Beleuchtungsquelle und Empfangssensor auf einer Seite des Abbildungs­ maßstabs angeordnet sind und das eine deutlich bessere Lichtausbeute liefert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der Erfindung wird der seitlich vom Empfangsstrahl und vom Maßstab verlaufen­ de 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 Beleuch­ tungsstärke. Ganz besonders vorteilhaft ist diese Anordnung bei Absolutmaßstäben mit sogenanntem Linearcode, deren Codierung im Maßstabsverlauf zu einer sehr schmalen Maßstabsspur führt.

Die Strahlablenkungseinheit weist vorzugsweise zwei "spiegelnde Flächen" zur Er­ zeugung 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 rea­ lisiert werden.

Dies ergibt sich aus:
sin εg = n'/n:
εg = Grenzwinkel der Totalreflexion
n' = 1 Brechungsindex (Glas zu Luft)
n = Brechungsindex (z. B. Glas, Kunststoff)

εg = arc*sin*(n'/n) = arc*/sin*(1/1,5) 0 arc*sin*0,66

εg ≅ 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 1b eine Seitenansicht, bzw. Aufsicht auf einen Aus­ schnitt des erfindungsgemäßen Systems

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel mit Trennung des Sensors vom Maßstab

In Fig. 1a ist ein in Richtung der Pfeile 2 bewegbarer Abbildungssmaßstab mit 1 be­ zeichnet. Dem Maßstab 1 gegenüber befindet sich ein Optikmodul 4, das den an­ kommenden Strahl zum Sensor lenkt und elektronisch auswertet. Eine Auswerte­ elektronik ist mit 7 bezeichnet.

Besser ist die Anordnung gemäß der Erfindung aus der Aufsicht der Fig. 1b erkenn­ bar. Man erkennt, daß eine LED-Beleuchtung 5 seitlich neben dem Maßstab 1 ange­ ordnet 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.

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 LED-Strahlerzeuger 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 Ab­ lenksystem dar. Wegen der Totalreflexion des Strahls an diesen Flächen stellen die­ se Flächen Ablenkspiegel dar, die den Strahl 28 in einen Empfangsstrahl 29 umwan­ deln, der dem Optikmodul 24 zugeführt und dort mit dem angebrachten optischen Sensor elektronisch ausgewertet wird.

In Fig. 3 ist der Optikmodul 34 mit der Beleuchtungsquelle 35 und der Auswerteelekt­ ronik 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 gefundenen Rückstrahl überbrückt. Der Abstand kann z. B. bis zu 200 mm und darüber betragen. An den Enden der Fa­ ser 38, bzw. den Bildleitern 39 ist zweckmäßiger Weise ein Koppelglied 40, bzw. eine Anpaßoptik 41 vorgesehen. Auch hier ist ein Ablenkprisma 33 jenseits des Maßstabs 31 vorgesehen.

Der mögliche Aufbau der Anpaßoptik 41 geht aus Fig. 4 hervor. Der Beleuchtungs­ strahl der Beleuchtungsfaser 38 wird hierin zum Parallelstrahl aufgeweitet. Der auf­ geweitete Strahl wird nach zweimaliger Ablenkung am Prisma 33 durch den Maß­ stabträger 30 mit dem Maßstab 31 in den Bildleiter 39 eingekoppelt und weitergelei­ tet.

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 den Optikmodul und die empfindliche Elektronik anwenden.

Die Erfindung kann bei verschiedenen Ausbildungsformen Anwendung finden. So ist es möglich, nur den Maßstabträger mit der Maßstabsspur zu bewegen und den Op­ tikmodul samt Elektronik, aber auch die Strahlablenkeinheit, z. B. das Prisma festste­ hen zu lassen. Es ist jedoch auch möglich die Strahlablenkung mit dem Maßstabträ­ ger zu verbinden. Dann muß die Strahlablenkungseinheit, also z. B. das Prisma, je­ doch über den gesamten Abbildungsbereich vorgesehen werden (also z. B. langes Prisma).

Man kann jedoch den Maßstabträger mit der Maßstabspur auch fest stehen lassen und den Optikmodul bewegen. Auch hier muß entweder die Ablenkeinheit mitbewegt werden oder "lang" über den gesamten abzubildenden Bereich ausgebildet werden.

Claims (5)

1. Optisches Sensorsystem, bei dem der Strahl einer Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) durch einen Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) geschickt wird, dann auf einen Empfangssensor (4; 24; 34) trifft und bei Relativbewegungen des Abbildungs­ maßstabs zum Empfangssensor als Winkel oder Wegstrecke ausgewertet wird, und bei dem die Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) und der Empfangssensor (4; 24; 34) auf der gleichen Seite des Abbildungsmaßstabs (1; 21; 31) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) und dem Empfangssensor (4; 24; 34) abgewandten Seite des Abbildungs­ maßstabs (1; 21; 31) ein Ablenksystem (3; 23; 33) mit wenigstens zwei spie­ gelnden Flächen vorgesehen ist, das den seitlich vom Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) verlaufenden Strahl (28; 38) der Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) in einen durch den Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) verlaufenden und zum Empfangs­ sensor (4; 24; 34) gerichteten Empfangsstrahl (29; 39) umlenkt.

2. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem ein Prisma (23) ist, dessen beide schräge Seitenflächen durch Nutzung der Totalreflexion als Spiegel dienen.

3. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) und der Empfangssensor (2; 24; 34) im Abstand zueinander angeordnet sind und daß dazwischen ein optisches Über­ tragungssystem (38; 39; 40; 41) angeordnet ist.

4. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungssystem (38 bis 41) Lichtleitfasern (38) und/oder Bildleiter (39) beinhaltet.

5. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß fester Zuordnung des Ablenksystems (3; 23; 33) zum Träger (20, 30) des Abbildungsmaßstabs (1; 21; 31) das Ablenksystem entlang des ge­ samten Abbildungsbereich des Abbildungsmaßstabs ausgebildet ist.