DE102005044770A1

DE102005044770A1 - Verfahren zur Montage und Justage einer elektrooptischen Vorrichtung sowie Messgerät montiert und justiert nach einem derartigen Verfahren

Info

Publication number: DE102005044770A1
Application number: DE200510044770
Authority: DE
Inventors: Uwe Skultety-Betz; Bjoern Haase; Joerg Stierle; Peter Wolf; Gunter Flinspach; Kai Renz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-03-29
Also published as: CN101268398A; EP1929350A1; WO2007033860A1; US20100165320A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage und Justage einer elektro-optischen Vorrichtung, bei dem eine Optik (42) in drei Achsen (X; Y; Z) relativ auf ein weiteres Bauteil (26, 46) ausgerichtet wird, insbesondere ein Verfahren zur Justage einer Empfangsoptik (42) relativ zu einem optischen Empfänger (46). DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Optik (42) zuerst in einer ersten (X) und einer zweiten Richtung (Y) einjustiert wird und die Optik (42) in der dritten Richtung (Z) anschließend über einen Schweißprozess an einem Optikträger (40) fixiert wird. DOLLAR A Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messgerät, insbesondere ein Distanzmessgerät (10), justiert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage und Justage eines ersten, ein Messsignal abbildenden Elements auf einem Trägerelement. Bei dieser Montage wird das abbildende Element relativ zu einem zweiten, das Messsignal empfangenden Element justiert. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messgerät, welches nach einem derartigen Verfahren montiert und justiert wird.

Elektro-optische Messgeräte mit einer abbildenden bzw. fokussierenden Optik müssen präzise einjustiert sein, damit ein auszuwertendes Messsignal in ausreichender Qualität einem Empfänger des Geräts zugeleitet werden kann. Es ist bereits eine Mehrzahl von Verfahren zur Justage abbildender Elemente auf ein zugeordnetes Empfangselement bekannt.

Aus der DE 10314772 A1 ist eine Vorrichtung zum Justieren eines optischen Spiegels in einem optischen Messgerät bekannt, die einen einen Spiegel aufnehmenden, an einem Trägerprofil gehaltenen Spiegelträger und drei durch im Spiegelträger in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordneten Gewindebohrungen hindurch tretende Justierstifte aufweist. Die Justierstifte, die durch Verschrauben in den Gewindebohrungen axial verstellbar sind, stützen sich mit ihren Fußpunkten an am Trägerprofil ausgebildeten Widerlagern ab. Zum Zwecke einer exakten Schnelljustierung des Spiegels sind die Widerlager so ausgebildet, dass sie einerseits den Spiegelträger über die Justierstifte zentrieren und andererseits mindestens zwei Widerlager ein radiales Auswandern des Fußpunktes des jeweiligen Justierstifts zulassen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Verfahren zur Montage und Justage einer Optik relativ zu einem Empfangselement, insbesondere ein solches Verfahren zur Justage einer Empfangsoptik in einem Optikträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es die schnelle und genaue Justage eines optischen Systems ohne Notwendigkeit einer Nachbearbeitung, wie beispielsweise einer zusätzlichen Fixierung oder Abdichtung des optischen Elementes ermöglicht. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Justage eines ersten, ein Messsignal abbildenden Elementes in Form einer Optik, beispielsweise einer Empfangsoptik, relativ zu einem zweiten, das Messsignal empfangenden Element, beispielsweise einer Photodiode wird die Optik zuerst in einer ersten und einer zweiten Richtung einjustiert, indem beispielsweise die Position der Optik in X- und Y-Richtung angefahren und gehalten wird. Anschließend wird die Optik in der dritten Richtung (Z-Richtung)justiert und über einen Schweißprozess fixiert.

Dies ermöglicht eine einfache und schnelle Justage, insbesondere von elektro-optischen Messgeräten, wie beispielsweise Entfernungsmessgeräten, da die Optik, insbesondere die Empfangsoptik und nicht die elektronischen bzw. elektrischen Komponenten des Messsystems justiert wird. Zudem erfordert der erfindungsgemäße Montage- und Justageprozess keine zusätzlichen Fixierelemente, wie beispielsweise Klemmschrauben, um die erfolgte Justage zu sichern. Nach dem erfindungsgemäßen Schweißprozess ist die Optik, beispielsweise eine Empfangsoptik eines elektro-optischen Messgeräts, sowohl in ihrer Position ausgerichtet, als auch fixiert. Die Optik muss somit nicht mehr zusätzlich, beispielsweise mit Klebstoff oder Klemmschrauben gesichert werden.

Auch zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise Umlenkspiegel, sind bei dieser einfachen, Drei-Achsen-Justage nicht erforderlich, sodass sich ein kompaktes und preiswertes optisches Messgerät realisieren lässt, welches trotz seiner kompakten Bauweise die erforderliche genaue Justage seiner elektro-optischen Komponenten gewährleistet.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.

In vorteilhafter Weise lässt sich die Position der Optik in der dritten zu justierenden Richtung (Z-Richtung) über zumindest einen Parameter des Schweißprozesses justieren. So kann beispielsweise die Position der Optik über die Dauer des Schweißprozesses eingestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Optik und/oder der die Optik aufnehmende Optikträger zumindest eine Energieleitkante auf, über die bei dem Schweißprozess frei werdende Energie geleitet wird. Da die Energieleitkante in vorteilhafter Weise konisch ausgebildet werden kann, ergibt sich in dieser eine entsprechend erhöhte Energiedichte, sodass die Energieleitkante in Abhängigkeit von Parametern des Schweißprozesses entsprechend stark aufgeschmolzen wird. In vorteilhafter Weise stellt diese Energieleitkante nach dem Justageprozess, d. h. nach Abschluss des Schweißvorgangs eine feste Verbindung zwischen der Optik und dem Optikträger her. In vorteilhafter Weise lässt sich somit durch die Dimensionierung der Energieleitkante die Position der Optik während des Schweiß- bzw. Justageprozesses einjustieren.

So kann beispielsweise die Position der Optik in der dritten, einzujustierenden Richtung (Z-Richtung) über einen Anpressdruck der Schweißvorrichtung bzw. einer Komponente der Schweißvorrichtung einjustiert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bzw. eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Messgeräts besteht die Optik aus Kunststoff. In vorteilhafter Weise lässt sich somit ein Ultraschall-Schweißprozess zur Montage und Justage der Optik verwenden. So lässt sich beispielsweise durch eine entsprechende Dimensionierung der Energieleitkante an der Optik oder am Träger die Abstandseinstellung zwischen der Optik, beispielsweise einer Empfangslinse, zu einem Empfänger über die Schweißparameter, wie beispielsweise die Einwirkdauer, den Druck, oder die Frequenz einstellen.

Die Optik wird bei diesem Verfahren von vorteilhafter Weise derart justiert, dass die durch die Optik definierte optische Achse, beispielsweise die Empfangsachse eines biaxialen optischen Systems in einer gewissen Entfernung zentrisch auf eine zweite optische Achse, beispielsweise die Sendeachse des gleichen optisch bi-axialen Systems, ausgerichtet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dieses Justageverfahren durch einen Steuer- oder Regelkreis derart automatisiert, dass der justierende Schweißprozess über eine entsprechende Steuergröße, wie beispielsweise der Abstand der Optik zum Empfängerelement oder die Signalstärke des mit dem Empfängerelements detektierten optischen Messsignals gesteuert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage und Justage eines abbildenden Elements, beispielsweise einer Optik, relativ zu einem empfangenden Element, beispielsweise einer Photodiode, ermöglicht ein Messgerät, insbesondere ein Distanzmessgerät mit sehr kompakten Maßen. Auf diese Weise ist ein optischer Entfernungsmesser, insbesondere ein handgehaltener Laser-Entfernungsmesser als kompaktes und preiswertes Messgerät realisierbar.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. eines nach diesem Verfahren justierten Messgeräts ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren justierten Messgeräts dargestellt, welches in der nachfolgenden Beschreibung zur Erläuterung des Verfahrens dient. Die Figuren der Zeichnung, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 ein elektro-optisches Entfernungsmessgerät in einer perspektivischen Übersichtsdarstellung,
2 einen Optikträger mit einjustierter Optik in einer Aufsicht auf die Unterseite,
3 eine Frontalansicht des Optikträgers mit einjustierter Optik entsprechend 2,
4 eine Detaildarstellung der Flügelzone zwischen Optik und Optikträger gemäß 2.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein als Entfernungsmessgerät 10 ausgeführtes elektro-optisches Messgerät. Dieses weist ein Gehäuse 12, Betätigungselemente 14 zum Ein- bzw. Ausschalten des Entfernungsmessgeräts 10 sowie zum Starten bzw. Konfigurieren eines Messvorgangs auf. Neben den Bedienelementen 14 besitzt das Messgerät 10 eine Ausgabeeinheit 16 in Form eines Displays zur Wiedergabe von Messergebnissen sowie zur Darstellung von Angaben betreffend den Gerätestatus. Auf einem elektronischem Trägerelement, beispielsweise einer Leiterplatte 18, innerhalb des Gehäuses 12 des Messgeräts 10 sind eine als Laserdiode ausgeführte Sendeeinheit 20 zur Erzeugung eines optischen Sendemesssignals sowie elektronische Komponenten einer Auswerteeinheit angeordnet. Das elektronische Träger-Element 18 ist über Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben an einem Optikträger befestigt. Der Optikträger weist zudem einen Lichtkanal 22, eine Umlenkeinheit 24 sowie eine Empfangsoptik zur Bündelung von Messsignalanteilen auf ein Empfangselement hin, auf. Die Sendeeinheit 20, der Lichtkanal 22, die Umlenkeinheit 24 für einen Referenzpfad 34 sowie ein Empfangseinheit 26 sind in 1 lediglich schematisch angedeutet.
Zur Messung eines Abstands des Entfernungsmessgeräts 10 zu einem entfernten Gegenstand wird im Betrieb des Messgeräts eine Sendemesssignal von der Sendeeinheit 20 entlang eines Sendepfads 28 ausgesendet. Die Sendemessstrahlung verlässt das Messgerät über ein Fenster 30 im Gehäuse 12 des Gerätes 10. Das von der Oberfläche eines entfernten, zu vermessenden Gegenstands reflektierte, bzw. gestreute Messsignal gelangt über den Empfangspfad 29 wieder zum Messgerät 10 zurück und wird über ein Fenster 32 zum Teil in das Gehäuse eingekoppelt. Mittels einer in 1 nicht dargestellten Empfangsoptik wird das Empfangsmesssignal gebündelt, bzw. fokussiert und von einem Empfangselement 26, beispielsweise einer Photodiode, insbesondere einer APD, detektiert. In alternativen Ausführungsformen eines derartigen Messgeräts können das Eintrittsfenster in das Messgerät und die Empfangsoptik auch einstückig ausgebildet sein.
2 zeigt eine Aufsicht auf die Unterseiter eines Optikträgers 40 mit bereits montierter und justierter Empfangslinse 42. Am Optikträger 40 befestigt sind eine Sendeeinheit 20 in Form einer Laserdiode 44, nebst einer zugehörigen Kollimationslinse 46 zur Aussendung eines kollimierten optischen Messsignals entlang der Sendeachse 28 des optischen Messgeräts. Des Weiteren ist eine Empfangseinheit 26 in Form einer Photodiode, insbesondere einer APD 46, ebenfalls am Optikträger 40 befestigt. Der Optikträger 40 kann beispielsweise die Leiterplatte 18 selbst sein, oder aber auf einer Leiterplatte befestigt sein. Dazu weist der Oprikträger im Ausführungsbeispiel gemäß 2 Länglöcher 62 auf, mit denen der Optikträger an der Leiterplatte 18 befestigt werden kann. Der Optikträger könnte beispielsweise aber auch aus einer separaten Metall- oder Kunststoffstruktur bestehen, die zusammen mit einer Leiterplatte 18 und dem Optikträger 40 in das Gehäuse 12 des Messgerätes 10 eingesetzt wird.
Bei der Justage der Optik 42 ist die Laserdiode 44 sowie der Empfänger 46 bereits fest mit dem Kunststoffträger 40 verbunden. Die Kollimationsoptik 42 ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren derart zu justieren, dass ein über den Sendepfad 28 ausgesendetes Messsignal, welches in einer bestimmten Entfernung an einem zu vermessenden Objekt reflektiert oder gestreut wird, zumindest zum Teil über den Empfangspfad 29 auf die aktive Fläche der Empfangsdiode 46 gebündelt bzw. abgebildet wird. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Begriffe gebündelt bzw. abgebildet synonym verwendet.
Die Ausrichtung der Empfangsachse 29 auf die Sendeachse 28 geschieht bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Empfangsoptik 42. Die Position der Linse in X- und Y-Richtung (siehe hierzu 3) wird angefahren und gehalten. Dazu kann die Empfangsoptik 42 beispielsweise von einem Manipulator gegriffen und an die gewünschte Stelle positioniert werden. Anschließend wird die Position der Optik 42 in Z-Richtung variiert, optimiert und anschließend fixiert.
Sowohl die Justage der Linse 42 in Z-Richtung d. h. die Variation der Position der Linse in Richtung der Z-Achse, als auch die Fixierung der Linse an der gewünschten Stelle z1 (siehe 4) erfolgt erfindungsgemäß über einen Schweißvorgang. Die Position der Linse in X- und Y-Richtung wird vor dem Verschweißen angefahren und während des Verschweißens gehalten. Die Z-Richtung wird beispielsweise über die Dauer des Schweißvorgangs und unter Kontrolle eines Längenmesssystems eingestellt.
Bei der in den 2–4 dargestellten Ausführungsform besteht sowohl der Optikträger 40 als auch die Empfangsoptik 42 aus Kunststoff. In diesem Fall kann der Schweißvorgang ein Ultraschallschweißvorgang sein.
4 zeigt eine Detaildarstellung des Bereichs 50 in 2. Dargestellt in dieser Detaildarstellung sind die Abbildungsoptik 42, die Auflagekante 60 des Optikträgers 40 sowie die Sonotrode 52 eines Ultraschallschweißgeräts. Am Optikträger 40 ausgebildet ist eine Energieleitkante 54 in Form eines in Richtung auf die Linse 42 spitz zulaufenden kegelförmigen Doms. Diese Energieleitkante 54 kann einstückig mit dem Optikträger ausgebildet sein, insbesondere wenn dieser aus Kunststoff gefertigt ist. Die Optik 42 kann in alternativen Ausführungsformen ebenfalls eine entsprechende Energieleitkante aufweisen bzw. kann die im Verfahren benutzte Energieleitkante lediglich an der Optik, beispielsweise einstückig ausgebildet sein. Die Sonotrode 52 wird mit ihrer Anlagefläche 56 gegen den Randbereich 58 der Optik 42 gedrückt, sodass diese ebenfalls gegen die Energieleitkante 54 des Optikträgers 40 gedrückt wird. Die in die Optik 42 mittels der Sonotrode 52 eingekoppelten akustischen Wellen heizen das Kunststoffmaterial der Optik 42 als auch die Energieleitkante 54 auf. Dabei erwärmt sich die Energieleitkante 54 aufgrund ihrer spitz zulaufenden Form stärker als der massive Körper der Empfangsoptik 42. Durch Einstellung der Schweißparameter lässt sich eine Justage des Linsenkörpers 42 in Richtung der Z-Achse erreichen. So kann beispielsweise über die eingekoppelte Energie bzw. über den mittels der Sonotrode 52 auf den Linsenkörper 42 ausgeübten Druck der Abstand z1 zwischen der- im Ausführungsbeispiel ebenen Optikseite 59 und der Anlagekante 60 des Optikträgers 40 eingestellt werden, indem die Energieleitkante 54 mehr oder weniger stark aufgeschmolzen und über den von der Sonotrode 52 auf den Linsenkörper 42 übertragenen Druck verformt wird.
Die Linse 42 der Abbildungsoptik muss in Z-Richtung auf einen definierten Abstand zum Detektorelement der Empfangsdiode 46 justiert werden. Der Justagebereich liegt dabei typischer Weise bei ca. ± 0,2 mm. Die Genauigkeitsanforderungen an den Justageprozess liegen um ca. eine Größenordnung über dem Justagebereich. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Energieleitkante, welche am Optikträger 40 bzw. an der Linse 42 ausgebildet ist, lässt sich die Abstandseinstellung z1 zwischen der Linse und dem Optikträger und somit zwischen der Linse 42 und dem Empfangselement 46 über diverse Schweißparameter, wie beispielsweise die Einwirkdauer, der ausgeübte Druck oder die verwendete Frequenz einstellen. Eine typische Größenordnung für die Höhe der Energieleitkante liegt dabei zwischen 0,1 mm und 1 mm, mit einer bevorzugten Höhe im Bereich von ca. 0,5–0,6 mm.
Die Ausrichtung der Empfangsachse 29 auf die Sendeachse 28 geschieht im erfindungsgemäßen Verfahren somit über die Justage der Empfangsdiode. Die Justierung der Empfangslinse 42 kann dabei derart erfolgen, dass beispielsweise die Signalstärke des auf den Empfänger 26 auftreffenden Messsignals beobachtet wird. Alternativer Weise kann einen Längenmesssystem sicherstellen, dass ein zuvor ermittelter definierter Abstand zwischen der Linsenunterseite 59 und der aktiven Fläche der Empfangsdiode 46 eingestellt wird.
Ein derartiger Prozess lässt sich in vorteilhafter Weise automatisieren, indem beispielsweise das bei der Justage detektierte Empfangssignal einer Empfangsdiode 46 oder ein Signal eines Längenmesssystems zur Steuerung der Einwirkdauer, des Drucks oder anderer Parameter der Laser-Schweißvorrichtung genutzt wird. Insbesondere lässt sich ein geschlossener Regelkreis realisieren, der eine automatische Justierung der Optik in drei Achsen ermöglicht.
Nach der Schweißung ist die Linse sowohl ausgerichtet, als auch durch die Verschweißung der Kunststoffkomponenten von Linse und die Träger bzw. Energieleitkante fixiert. Eine zusätzliche Sicherung der Optik mittels Klebstoff oder Klemmschrauben ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die einfache und schnelle Justage eines optischen Systems. Bei diesem Verfahren wird die Linse und nicht die elektronischen Komponenten des Systems justiert. Zusätzliche Fixierelemente, um eine erfolgreiche Justage anschließend zu sichern, sind nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. ein mit diesem Verfahren hergestelltes Messgerät sind nicht auf das in den Figuren und der Beschreibung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht beschränkt auf die Verwendung eines Ultraschall-Schweißprozesses. Ebenso möglich ist beispielsweise ein Laser-Schweißprozess, insbesondere ein Durchstrahllaserschweißprozess, bei dem beispielsweise das optische Schweißsignal in Form eines infraroten Laserstrahls die Optik nahezu vollständig transmittiert und im Optikträger bzw. einer entsprechend ausgebildeten Energieleitkante derart absorbiert wird, dass sowohl die Energieleitkante als auch benachbarte Bereiche der Optik angeschmolzen werden und somit eine feste Verbindung eingehen. Durch unterschiedliche Additive in den zu verbindenden Werkstücken lasst sich deren Transmissions- bzw. Absorptionsgrad auf die jeweils verwendete Schweißwellenlänge einstellen.

Claims

Verfahren zur Montage und Justage einer elektro-optischen Vorrichtung bei dem eine Optik (42) in drei Achsen (X; Y; Z) relativ auf ein weiteres Bauteil (26, 46) ausgerichtet wird, insbesondere ein Verfahren zur Justage einer Empfangsoptik (42) relativ zu einem optischen Empfänger (46), dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (42) zuerst in einer ersten (X) und einer zweiten Richtung (Y) einjustiert wird und die Optik (42) in der dritten Richtung (Z) anschließend über einen Schweißprozess an einem Optikträger (40) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (z1) der Optik (42) in der dritten Richtung (Z) über zumindest einen Parameter des Schweißprozesses justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (z1) der Optik (42) in der dritten Richtung (Z) über die zeitliche Dauer des Schweißprozesses justiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (42) und/oder der Optikträger (40) über zumindest eine Energieleitkante (54) verfügt, die nach Abschluss des Schweißprozesses eine feste Verbindung zwischen Optik (42) und Optikträger (40) herstellt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (z1) der Optik (42) in der dritten Richtung (Z) durch Dimensionierung der Energieleitkante (54) justiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (z1) der Optik (42) über einen Anpressdruck der Schweißvorrichtung justiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (42) aus Kunststoff besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißprozess ein Ultraschallschweißprozess ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (42) derart justiert wird, dass die durch die Optik (42) definierte optische Achse (29) in einer gewissen Entfernung zentrisch auf eine zweite optische Achse (28) blickt.
Messgerät, insbesondere ein optisches Distanzmessgerät (10), mit zumindest einem abbildenden Element (42) und einem empfangenden Element (26, 46), justiert gemäß einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.