DE10156911A1

DE10156911A1 - Vorrichtung zur Ermittlung bzw. Justierung eines Auftreffpunktes sowie Ausrichthilfe

Info

Publication number: DE10156911A1
Application number: DE2001156911
Authority: DE
Inventors: Thomas Meinert; Theodor Wanner
Original assignee: Sensopart Industriesensorik GmbH
Current assignee: Sensopart Industriesensorik GmbH
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: DE10156911B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung bzw. Justierung eines Auftreffpunktes eines optischen Strahls auf einem Zielfeld, umfassend eine den optischen Strahl emittierende Strahlenquelle (12) sowie eine Einrichtung (22) zur Beobachtung des Zielfeldes. Um auch bei großen Entfernungen oder ungünstigen Sichtverhältnissen auf das Zielfeld auftreffende Strahlung beobachten zu können, wird vorgeschlagen, dass die Einrichtung (22) einen im Strahlengang angeordneten Strahlenteiler (24), eine auf einer Seite des Strahlenteilers (24) angeordnete Reflexionsfläche (30), eine zwischen dieser und dem Strahlenteiler (24) angeordnete erste Optik, in deren Fokalebene die Reflexionsfläche angeordnet ist, und auf gegenüberliegender Seite des Strahlenteilers angeordnete sowohl die erste Optik durchsetzende Strahlung als auch vom Zielfeld stammende und von dem Strahlenteiler reflektierte Strahlung erfassende zweite Optik (38, 40) umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung bzw. Justierung eines Auftreffpunktes eine optischen Strahls auf einem Zielfeld umfassend eine den optischen Strahl emittierende Strahlenquelle und eine Einrichtung zur Beobachtung des Zielfeldes sowie Ausrichthilfe.
Werden geodätische Geräte, Lichtschranken oder Lichttaster - ganz allgemein als Sensoren bezeichnet - mit großem Abstand zwischen Strahlenquelle und Zielfeld oder mit für das menschliche Auge unsichtbarer Strahlung wie IR-Strahlung betrieben, so ist eine Sichtbarmachung des auf das Zielfeld auftreffenden Strahls oder Spots nicht mehr gegeben. Somit sind optische Hilfsmittel erforderlich, um eine Ausrichtung der Strahlenquelle und damit des Gerätes bzw. des Sensors auf das Zielfeld zu ermöglichen.
Um einen Theodoliten zu justieren, wird in der DE 42 17 000 C2 eine Anordnung eines Laserpen in einem Zielfernrohr des Theodoliten mit einem Objektiv für die visuelle Zielung einer Laserdiode vorgeschlagen, der eine Linse oder Linsengruppe kleineren Durchmessers zugeordnet ist. Das Objektiv für die visuelle Zielung, das aus mehreren Linsen besteht, ist mit einer zentrisch angeordneten Linse oder Linsengruppe kleineren Durchmessers zu einem Objektiv anderer Apertur kombiniert und die Laserdiode ist hinter diesem kombinierten Objektiv anderer Apertur angeordnet und bildet mit diesem einen kompletten Laserpen. Dabei wird die von der Laserdiode ausgestrahlte Energie durch das kombinierte Objektiv mit anderer Apertur nach unendlich abgebildet.
Auch sind sogenannte Laserpointer bekannt, die am Gehäuse eines Sensors angebracht werden, wobei eine Ausrichtung auf die Sende-Empfangsachse des Sensors erfolgt. Nachteilig einer entsprechenden Anordnung ist es, dass der getrennt zu der Anordnung einstellbare Laserpointer als Ausrichthilfe exakt zu den optischen Achsen des Sensors ausgerichtet sein muss. Unabhängig hiervon ist auch bei großen Abständen des Sensors zum Zielfeld die Intensität des Laserstrahls der Ausrichthilfe häufig nicht mehr ausreichend, um von einem menschlichen Auge ohne Hilfsmittel erfaßt zu werden.
In der DE 88 15 531 U1 ist ein Sensor mit Zieleinrichtung beschrieben, die als Kimme und Korn oder Einfachteleskop ausgebildet ist. Eine entsprechende Ausrichthilfe ist individuell in einem Sensor zu integrieren und stellt damit eine kostenträchtige Lösung dar.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass mit konstruktiv einfachen Maßnahmen ein auf ein Zielfeld auftreffender optischer Strahl auch dann erfassbar ist, wenn große Abstände zwischen Strahlenquelle, also Sender und Zielfeld bestehen. Ferner soll die Möglichkeit gegeben sein, einen auf das Zielfeld auftreffenden für das menschliche Auge unsichtbaren Strahl optisch sichtbar zu machen. Auch soll eine Ausrichthilfe zur Justierung eines optischen Strahlers auf eine Zielfeld zur Verfügung gestellt werden.
Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass die Einrichtung einen in dem Strahlengang angeordneten Strahlenteiler, eine auf einer Seite des Strahlenteilers angeordnete Reflexionsfläche, eine zwischen dieser und dem Strahlenteiler angeordnete erste Optik, in deren Fokusebene die Reflexionsfläche angeordnet ist, und auf gegenüberliegender Seite des Strahlenteilers angeordnete sowohl die erste Optik durchsetzende Strahlung als auch vom Zielfeld stammende und von dem Strahlenteiler reflektierte Strahlung erfassende zweite Optik umfasst.
Erfindungsgemäß wird das Prinzip der Autokollimation benutzt, wobei durch Ablenken von von der Vorrichtung emittierter Strahlung ein scheinbarer Zielpunkt im Zielfeld der Vorrichtung erzeugt wird, der mittels der zweiten Optik beobachtet wird, bei der es sich im einfachsten Fall um das menschliche Auge selbst handeln kann.
Dabei kann der Strahlenteiler, die erste und zweite Optik sowie die Reflexionsfläche eine gesonderte Einheit sein, die einem Sensor wie geodätischem Gerät, Lichtschranke, Lichttaster etc. zur Ausrichtung auf ein Zielfeld zuordbar ist.
Insbesondere umfasst die zweite Optik jedoch ein Objektiv, über das von dem Strahlenteiler kommende Strahlung fokussierbar ist. Ist dem Objektiv ein Okular nachgeordnet, so fallen Fokalebene des Objektives mit Fokalebene von dem Objektiv nachgeordneter Okularoptik zusammen.
Objektiv und Okular stellen eine abbildende Optik dar, um den scheinbaren Auftreffpunkt der Strahlung auf dem Zielfeld zu erfassen und somit die Vorrichtung wie einen Sensor wie Lichtschranke oder Lichttaster oder ein geodätisches Gerät, um nur einige Anwendungsfälle zu nennen, zu justieren.
Dabei kann die Beobachtungseinrichtung den Sichtbereich für den Beobachter soweit einschränken, dass zur von der Strahlenquelle emittierten einen Sendespot bildende Strahlung ein sinnvolles Verhältnis gegeben ist. Ferner kann durch ein entsprechendes Brennweitenverhältnis von Objektiv- zu Okularoptik, die zwischen dem Strahlenteiler und dem Beobachter angeordnet ist, eine Vergrößerung in der Darstellung des Zielfeldes für ein menschliches Auge ermöglicht werden (Teleskop). Sinnvollerweise sollten handelsübliche Monokulare verwendet werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Fokalebene des Objektives Bildleiter bzw. der Eintrittsflächen dieser angeordnet sind, um so den durch Autokollimation dargestellten scheinbar in einem Zielfeld auftreffenden Strahl oder Sendespot entfernt zu der Vorrichtung beobachten zu können. Somit ist auf einfache Weise eine Bildübertragung möglich. Auch kann ein Abbilden in der Fokalebene auf ein Kameramodul wie z. B. CCD- oder CMOS-Cam erfolgen, so dass eine Bildübertragung gleichfalls möglich ist. Das über die Lichtleiter bzw. das Kameramodul übertragene Bild kann sodann auf einem Monitor wie LCD-Matrixschirm dargestellt werden.
Insbesondere und nach hervorzuhebender Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reflexionsfläche als Strahlungswandler ausgebildet ist. Dies ist dann von Vorteil, wenn die von der Strahlenquelle emittierte Strahlung für das optische Auge nicht sichtbar ist, also z. B. Infrarotstrahlung. Ein entsprechender Strahlungswandler kann ein phosphorisierender Schirm sein, mittels dessen z. B. unsichtbare IR-Strahlung in sichtbares Licht gewandelt wird, so dass mit der als passiv zu bezeichnenden Beobachtungs- oder Justageeinrichtung ein Justieren der Vorrichtung selbst möglich ist, auch wenn die in der Vorrichtung von der Strahlenquelle emittiert Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.
Auch kann die Reflexionsfläche in Richtung optischer Achse der ersten Optik justierbar sein, um eine Abstimmung der Fokallagen vom Bild des Zielfeldes (Bildebene) und des von der Reflexionsfläche stammenden Justierspots in der Beobachtungsebene zu ermöglichen.
Des Weiteren sieht eine hervorzuhebende Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Strahlenteiler als physikalischer Teil ausgebildet ist, so dass eine gewünschte Intensitätsverteilung zwischen von der Reflexionsfläche durchgelassene und von dem Zielfeld stammende und von der Reflexionsfläche reflektierte Strahlung erfolgt. Folglich kann eine Abstimmung der von der zweiten Optik erfaßten Intensitäten erfolgen.
Ein selbständiger Lösungsvorschlag bezieht sich eine Ausrichthilfe für einen auf ein Zielfeld zu justierenden Strahl, insbesondere von einem Objektiv kollinierten Strahl von z. B. einer Leuchtdiode oder Laserdiode und zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausrichthilfe in einem Gehäuse angeordneten von dem zu justierenden Strahl durchsetzten Strahlenteiler, eine auf einer Seite des Strahlenteilers angeordnete Reflexionsfläche, eine zwischen dieser und dem Strahlenteiler angeordnete erste Optik, in deren Fokalebene die Reflexionsfläche angeordnet ist, und auf gegenüberliegender Seite des Strahlenteilers angeordnete sowohl die erste Optik durchsetzende Strahlung als auch vom Zielfeld stammende und von dem Strahlenteiler reflektierte Strahlung erfassende zweite Optik umfasst.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Um von einem Gerät emittierte Strahlung auf ein Zielfeld auszurichten, muss der auf das Zielfeld auftreffende Strahl bzw. Spot optisch erfaßt werden. Um bei großen Abständen zwischen Gerät und Zielfeld oder bei der Emission von für das menschliche Auge unsichtbarer Strahlung den Auftreffpunkt im Zielfeld beobachten zu können, ist erfindungsgemäß eine Ausrichthilfe vorgesehen, die nach dem Autokollimationsprinzip arbeitet und im Zusammenhang mit einer Lichtschranke erläutert werden soll, ohne dass hierdurch eine Einschränkung der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt. Vielmehr ist diese überall dort anwendbar, wo ein Auftreffpunkt eines von einem Sender emittierten Strahls auf einem Zielfeld zu beobachten ist, um insbesondere die Strahlenquelle und damit das Gerät selbst justieren zu können.
Dabei kann die nachstehend erläuterte Ausrichthilfe in dem Gerät integriert sein oder isoliert z. B. als Zusatz- oder Aufsatzgerät handhabbar sein.
In einem Gehäuse 10 befindet sich ein Sender wie Infrarot-Sender 12, der in Fokalebene einer Optik 14 angeordnet ist, so dass die von dem Sender 12 emittierte Strahlung parallel ausgerichtet wird. Die Strahlung 16 durchsetzt fluchtend zueinander ausgerichtete Öffnungen 18, 20 des Gehäuses 10, um punktförmig (Spot) auf einem nicht dargestellten Zielfeld aufzutreffen. Um den Auftreffpunkt zu beobachten und damit das Gehäuse 10 und somit die Lichtschranke justieren zu können, ist eine als Ausrichthilfe bezeichnete Einrichtung 22 vorgesehen, die einen Strahlenteiler 24 umfaßt, der im Ausführungsbeispiel im Winkel von 45° zu den parallel verlaufenden Strahlen 16 geneigt zwischen den zueinander fluchtenden Öffnungen 18, 20 in einem Gehäuseabschnitt 26 angeordnet ist. Andere Winkel sind gleichfalls möglich.
Der Gehäuseabschnitt 26 begrenzt einen kanalartigen Raum 28, dessen Bodenfläche als Reflexionsfläche 30 ausgebildet ist. Die Reflexionsfläche 30 befindet sich in Fokalebene einer als Kollimatorlinse ausgebildeten Optik 32, so dass von dem Teilerspiegel 24 stammende Strahlung 34 auf die Reflexionsfläche 30 fokussiert wird. Die von der Reflexionsfläche 30 reflektierte Strahlung wird von der Optik 32 parallelisiert, um auf in Bezug auf die Reflexionsfläche 30 gegenüberliegender Seite des Strahlungsteilers 24 von einer Beobachtungseinrichtung 36 erfaßt zu werden. Dabei kann die Beobachtungseinrichtung 36 - wie im Ausführungsbeispiel - aus einem Objektiv 38 und einem Okular 40 bestehen.
Ein durch das Okular 40 schauender Beobachter sieht somit die in der Fokalebene 42 des Objektives 38 fokussierte und von der Reflexionsfläche 30 reflektierte Strahlung als Punkt innerhalb des Gesamtgesichtsfeldes. Dieser Punkt entspricht dabei dem Auftreffpunkt der Strahlung auf dem Zielfeld, das gleichzeitig über die Beobachtungseinrichtung 16 erfaßt wird. Somit kann problemlos eine Justage des Gehäuses 10 und damit des entsprechenden Gerätes - im Ausführungsbeispiel der Lichtschranke - auf das Zielfeld erfolgen.
Die Beobachtungseinrichtung 36 kann im einfachsten Fall auch ohne abbildende Optik, also ohne Objektiv 38 und Okular 40 ausgebildet sein. Der Beobachter sieht in diesem Fall über den Teilerspiegel 24 gleichzeitig das Zielfeld und den von der Kollimatorlinse 32 erzeugten Zielpunkt.
Mittels der Beobachtungseinrichtung 36 kann der Sichtbereich für den Beobachter soweit eingeschränkt werden, dass zum Sendespot der Strahlenquelle 12 ein sinnvolles Verhältnis gegeben ist. Ferner kann durch ein vorgegebenes Brennweitenverhältnis von Objektiv 38 und Okular 40 eine Vergrößerung in der Darstellung des Zielfeldes ermöglicht werden (Teleskop). Hierzu können handelsübliche Monokulare verwendet werden.
Sofern von der Lichtquelle 12 für das menschliche Auge nicht sichtbares Licht emittiert wird, kann der scheinbare Auftreffpunkt ebenfalls optisch erfaßt werden, indem die Reflexionsfläche 30 als Strahlungswandler ausgebildet wird. So kann die Reflexionsfläche als phosphoreszierender Schirm ausgebildet sein, so dass für das menschliche Auge nicht sichtbare IR- Strahlung in sichtbares Licht gewandelt wird. Die Ausrichthilfe 32 ist somit auch zur Justage von Sensoren einsetzbar, deren Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.
Um eine unabhängige Beobachtung sicherzustellen, wenn z. B. ein Sensor in einem für einen Beobachter nicht zugänglichen Bereich angeordnet ist, kann eine Bildübertragung erfolgen. Dabei kann z. B. in der Fokalebene des Objektives 38 die Eintrittsfläche von Bildleitern verlaufen, um eine Übertragung z. B. an einen Monitor wie z. B. LCD-Matrixschirm zu ermöglichen. Aber auch eine Übertragung über in der Fokalebene 42 angeordnete Kameramodule wie CCD- oder CMOS-Cam ermöglicht eine Bildaufnahme und Übertragung.
Die erste und zweite Optik, der Strahlenteiler und die Reflexionsfläche können erwähntermaßen als gesonderte Einheit ausgebildet sein, um auf einen Strahl ausgerichtet zu werden, der auf ein Zielfeld zu justieren ist.
Ferner kann es sich beim Strahlenteiler um einen physikalischen Teiler handeln, so dass gezielt die Intensitäten des von der Reflexionsfläche stammende Justierspots und des Lichts des Zielfeldes aufeinander abgestimmt werden können.
Auch kann die Reflexionsfläche 30 in Richtung optischer Achse 31 der ersten Optik 32 justierbar sein, um eine Abstimmung der Fokallagen vom Bild des Zielfeldes (Bildebene) und des von der Reflexionsfläche 31 stammenden Justierspots in der Beobachtungsebene zu ermöglichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung bzw. Justierung eines Auftreffpunktes eine optischen Strahls auf einem Zielfeld umfassend eine den optischen Strahl emittierende Strahlenquelle sowie eine Einrichtung zur Beobachtung des Zielfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (22) einen im Strahlengang angeordneten Strahlenteiler (24), eine auf einer Seite des Strahlenteilers (24) angeordnete Reflexionsfläche (30), eine zwischen dieser und dem Strahlenteiler (24) angeordnete erste Optik, in deren Fokalebene die Reflexionsfläche angeordnet ist, und auf gegenüberliegender Seite des Strahlenteilers angeordnete sowohl die erste Optik durchsetzende Strahlung als auch vom Zielfeld stammende und von dem Strahlenteiler reflektierte Strahlung erfassende zweite Optik (38, 40) umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Optik ein menschliches Auge ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Optik ein Objektiv (38) umfasst, dessen Fokalebene mit Fokalebene eines Okulars (40) zusammenfällt.

4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fokalebene (42) des Objektivs (38) Eintrittsfläche von zumindest einem Bildleiter angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fokalebene (42) des Objektivs (38) ein Kameramodul wie Bildsensor, insbesondere CCD- oder CMOS-Cam angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Bildleiter bzw. dem Kameramodul oder Bildsensor empfangenes Bild auf einen Monitor wie LCD-Matrixschirm übertragbar ist.

7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (30) als Strahlungswandler ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (30) als phosphorisierender Schirm ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsteiler (24) zur Achse der auf das Zielfeld auftreffenden Strahlung einen von 45° abweichenden Winkel beschreibt.

10. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler (24) ein physikalischer Teiler ist.

11. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (30) in Richtung optischer Achse (31) der ersten Optik (32) verstellbar ist.

12. Ausrichthilfe für einen auf ein Zielfeld zu justierenden Strahl, insbesondere von einem Objektiv kollimierten Strahl von z. B. einer Leuchtdiode oder Laserdiode, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichthilfe einen in einem Gehäuse angeordneten von dem zu justierenden Strahl durchsetzten Strahlenteiler (24), eine auf einer Seite des Strahlenteilers (24) angeordnete Reflexionsfläche (30), eine zwischen dieser und dem Strahlenteiler (24) angeordnete erste Optik, in deren Fokalebene die Reflexionsfläche angeordnet ist, und auf gegenüberliegender Seite des Strahlenteilers angeordnete sowohl die erste Optik durchsetzende Strahlung als auch vom Zielfeld stammende und von dem Strahlenteiler reflektierte Strahlung erfassende zweite Optik (38, 40) umfasst.