DE102007038640A1

DE102007038640A1 - Verfahren und Anordnung zum optischen Positionsmessen und Zeigen

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Publication number: DE102007038640A1
Application number: DE200710038640
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-16
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Verfahren und Anordnung zum optischen Positionsmessen und Zeigen mit zumindest einem optischen Sender und zumindest einem optischen Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass
a) der Sender wenigstens einen in einer Ebene einen Raumwinkel durchlaufenden Lichtstrahl aussendet,
b) die Dauer der Belichtung des Empfängers oder zumindest eines Teilbereichs dessen durch den ihn überstreichenden Lichtstrahl durch die Kombination aus der veränderlichen Lage der den Empfänger schneidenden Strahlebene und der Geometrie des Empfängers selbst und/oder zumindest einem sich im Strahlengang zwischen Sender und Empfänger befindlichen Gegenstands von bekannter Geometrie bestimmt wird,
c) aus dem Ausgangssignal des Empfängers eine Auswerteelektronik die Dauer der Belichtung durch den Lichtstrahl ermittelt,
d) und ein Rechner aus den geometrischen Daten, der Dauer der Belichtung, und gegebenenfalls der Laufgeschwindigkeit des Lichtstrahls oder aus Kalibrierdaten eine Positionsangabe in einem gewählten Bezugssystem berechnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Positionsmessen und Zeigen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Optische Positionsmessvorrichtungen sind Gegenstand intensiver Erforschung, was sich in einer entsprechend hohen Zahl von Patentanmeldungen wiederspiegelt.
Dabei wird in der Regel eine relativ zu einer Abtasteinheit verschiebbare Maßverkörperung lichtelektrisch abgetastet, indem das Licht einer Lichtquelle durch die Relativverschiebung zwischen Maßverkörperung und eines Abtastgitters moduliert wird und dieses modulierte Licht von Photodetektoren erfasst wird. Die Photodetektoren liefern somit positionsabhängige elektrische Abtastsignale, die in bekannter Weise weiterverarbeitet werden.
Nach einem solchen Verfahren arbeitende Positionsmessvorrichtung sind in US 4,840,488 und US 5,534,693 beschrieben.
Zur Bestimmung von Winkelmassen werden optische Abtastsysteme beschrieben, die im Wesentlichen aus Lichtschranken und einer Vielzahl von in einem Muster radial angeordneten Löchern oder Reflektoren bestehen. Ein derartiges optisches Abtastsystem ist Gegenstand von DE 197 55 157 A1 .
Die den bekannten Verfahren zugrunde liegenden Prinzipien basieren entweder auf der Messung von Intensitäten und/oder der Kombination einer Vielzahl von diskreten Zuständen. Bei beiden Vorgehensweisen muss dabei für den jeweiligen Anwendungsfall ein hoher adaptiver Aufwand betrieben werden, um geforderte Messgenauigkeiten oder geometrische Vorgaben einhalten zu können. Die hochgradige Spezialisierung führt zu hohen Kosten, da oft nur geringe Stückzahlen einer jeweiligen Ausführung Hergestellt werden, weshalb die angeführten Verfahren oft nur in der Industrie zum Einsatz kommen.
Darüber hinaus eignen sich die bestehenden Verfahren nicht für Aufgaben im Bereich des Anzeigens und datentechnischen Erfassens einer Position über größere Distanzen. Aus diversen Publikationen sind Ansätze bekannt, die ein optisches Human Machine Interface (HMI) zum Ziel haben, bei dem es z. B. mittels eines optischen Zeigegeräts in der Art eines Laser-Pointers möglich ist, die Maus auf dem Bildschirm eines Computers zu steuern. Hierbei wird wiederum mittels einer Vielzahl von Photoempfängern und der A/D-Wandlung deren Signale die Intensitätsverteilung des in einem Medium nach Auftreffen des Laserstrahls gestreuten Lichts in zumindest zwei Koordinatenrichtungen ermittelt um nach einer Interpolation auf die Position des eintretenden Lichtstrahls schließen zu können. Derartige Geräte wurden bisher mit den gewählten Ansätzen noch nicht zur Marktreife gebracht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum optischen Positionsmessen und Zeigen für den Aufbau von optischen Positionsmess- und Zeigevorrichtungen für eine Vielzahl von Anwendungsfällen zu schaffen, wobei insbesondere die Kostenreduktion durch einen vergleichsweise geringen messtechnischen Aufwand, die Skalierbarkeit und die zukünftigen Anwendungsmöglichkeiten der darauf abgeleiteten Systeme sich als vorteilhaft erweisen sollen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie erfindungsgemäße Anordnungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, die Dauer eines Ereignisses als Kenngröße für die Ermittlung des Ortes zu verwenden, an dem dieses Ereignis stattgefunden hat.
Zeitmessungen können heutzutage mit Hilfe von Zählerbausteinen und Taktgebern auf einfache Weise mit sehr hoher Auflösung realisiert werden. Optische Sende- und Empfangsbausteine aus Halbleitermaterial verfügen zudem über entsprechend kurze Reaktionszeiten, sodass deren Einfluss auf die Messung der Dauer eines aus einer Belichtung resultierenden Signals unter Berücksichtigung eines Schwellwerts ausreichend gering ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht nun darin, einen gebündelten Lichtstrahl über einen Empfänger wandern zu lassen, wobei die Dauer der Belichtung eines jeweiligen Empfängers durch eine diesem vorgeschaltete Blende mit entsprechend erfindungsgemäßem Ausschnitt, oder einer entsprechenden Geometrie des Empfängers selbst, bestimmt wird. Wird zum Beispiel eine Schlitzblende verwendet, wobei der Schlitz in der Breite entlang seiner Mittellinie abnimmt, und der Lichtstrahl auf einer Bahn senkrecht zu dieser Mittellinie mit konstanter Geschwindigkeit über die Blende geführt, lässt sich aus der gemessenen Dauer des Lichteinfalls auf einfache Weise die Bahn des Lichtstrahls auf der Blende bestimmen und daraus eine Positionsangabe generieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung existiert eine Reihe von Ausführungsmöglichkeiten. So lassen sich selbstverständlich sowohl lineare als auch rotatorische Messanordnungen auf Basis der vorliegenden Erfindung realisieren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Anordnung und Zusammenspiel derer Komponenten,
2 eine schematische Darstellung eines weiter ausdifferenzierten Empfängermoduls,
3 eine schematische Darstellung einer Aneinanderreihung von Empfängermodulen,
4 eine schematische Darstellung einer Positionsmessung auf einer Achse und
5 eine schematische Darstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Zeigevorrichtung in 2 Koordinatenrichtungen.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit Schema der weiteren Signalverarbeitung zur Ermittlung einer Positionsangabe. Die Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Sender S und einem Empfänger R. Der Sender wird gebildet aus einer Lichtquelle LS und einer Umlenkvorrichtung, die aus Motor EMK und einem auf der Motorachse angebrachten Umlenkspiegelspiegel M gebildet wird. Der photosensitive Bereich des Empfängers R wird durch eine Blende B mit trapezförmiger Öffnung beaufschlagt. Das Schema zeigt den Signalverlauf ausgehend vom Ausgangssignal des Empfängers R über einen Impulsdetektor PD zu einem Zähler C, der wiederum eine Recheneinheit P beaufschlagt, die aus dem Zeitwert T des Zählers C und einer sich im Speicher befindlichen Kalibrierkurve eine Position auf der gezeigten Achse ermittelt. Dabei erzeugt der Impulsdetektor PD einen Rechteckimpulseiner Dauer, die der Dauer der Belichtung des photosensitiven Bereichs des Empfängers R durch den im Verlauf seiner Rotation durch die Blende B tretenden Lichtstrahls LB entspricht. Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ω der Umlenkvorrichtung wird die Dauer der Belichtung dabei durch die Lage der Strahlebene BP relativ zum Empfänger R bestimmt, woraus sich noch oben erläutertem Schema auf einfache Weise eine relative Positionsangabe zwischen Sender S und Empfänger R bestimmen lässt, wenn die Strahlebene BP senkrecht zur Symmetrieachse SA der Blende B verläuft.
Zu den die Messgenauigkeit reduzierenden Faktoren zählen vor Allem Ungleichförmigkeiten der Konvergenz/Divergenz des Lichtstrahls LB, Toleranzenn in der Winkelgeschwindigkeit ω und eine Abweichung vom rechten Winkel zwischen Symmetrieachse SA und Strahlebene BP.
Mit der in 2 dargestellten weiteren Ausgestaltung des Empfängers können diese Einflüsse reduziert werden. Im gezeigten Fall sind vier, durch jeweils dem Zweck angepassten Blenden B1, B2, B3 und B4 voneinander abgegrenzte, photosensitive Bereiche vorgesehen. B1 und B4 weisen über die gesamte Länge eine konstante Breite auf und dienen zur Ermittlung eines Korrekturfaktors für die Zeitwerte der von Ihnen, in Bezug auf den überstreichenden Lichtstrahl gesehen, eingeschlossenen Blenden B2 und B3 zum Ausgleich von Schwankungen in der Winkelgeschwindigkeit und/oder von durch die relative Lage von Sender und Empfänger bedingten Abweichungen in Bezug auf die effektiven Querschnitte der Blendenöffnungen. Zur Kompensation von Ungleichförmigkeiten und/oder Konvergenz/Divergenz des Lichtstrahls bzw. von Abweichungen vom rechten Winkel zwischen Längsachse des Empfängers und Strahlebene sind B2 und B3 keilförmig und gegenläufig ausgebildet. Aus den jeweils aus B2 und B3 ermittelten Positionsangaben lässt sich so die tatsächliche Position des Lichtstrahls auf dem Empfänger trotz evtl. Störeinflüsse über einen Mittelwert annähern.
Die weitere Ausgestaltung des Empfängers zu einem Empfängermodul RM, das es ermöglicht, den Messweg einer Anordnung nach 1 in einer Messachse beliebig zu erweitern ist in 3 dargestellt. Dabei kann durch eine entsprechende Geometrie der photosensitiven Bereiche eines Empfängermoduls RM eine Symmetrie geschaffen werden, die es ermöglicht, eine beliebige Anzahl von Empfängermodulen entlang eines Messweges aneinander zu reihen. Im dargestellten Fall wurde eine Achsensymmetrie gewählt, wobei sich die Symmetrieachse SL durch die Stosskante zweier angrenzender Module ergibt.
4 zeigt eine mögliche Anordnung zur Bildung eines linearen Wegaufnehmers. Dabei wird die Position der Sendeeinheit S gemäß den Ausführungen nach 1 ermittelt und eine erforderliche Ausdehnung des Empfängers R über die Messstrecke durch die in 3 gezeigte Anordnung erreicht.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 zur Realisierung einer optischen Zeigevorrichtung ist als Draufsicht in 5 Skizziert.
Dabei kommt jeweils eine Empfänger RX und RY entlang einer jeweiligen Koordinatenrichtung zum Einsatz. Im gezeigten Fall besteht das Koordinatensystem aus den Achsen x und y. Der Aufbau der Sendeeinheit S gleicht im Wesentlichen dem des Senders aus 1, wobei eine Ergänzung um jeweils einen Umlenkspiegel MX und MY erfolgt, deren Aufgabe es ist, den Lichtstrahl LB aus seiner anfänglichen Rotationsebene BP in dazu senkrechte Zeigeebenen PX und PY umzulenken, die in gezeigter Anordnung zueinander ebenfalls senkrecht stehen. Die Rotationsebene BP verläuft in vorliegender Skizze parallel zur Papierebene, weshalb die Zeigeebenen PX und PY geschnitten und durch Linien dargestellt werden.
Über die somit erreichte Projektion der räumlichen Ausrichtung der Sendeeinheit auf die beiden Koordinatenachsen lässt sich ein Punkt P bestimmen, der z. B. in elektronischen Systemen mit Bildanzeige in der Form eines Zeigers auf dem Bildschirm dargestellt und zur Steuerung einer graphischen Benutzeroberfläche verwendet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 4840488 [0004]
- US 5534693 [0004]
- DE 19755157 A1 [0005]

Claims

Verfahren und Anordnung zum optischen Positionsmessen und Zeigen mit zumindest einem optischen Sender und zumindest einem optischen Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Sender wenigstens einen in einer Ebene einen Raumwinkel durchlaufenden Lichtstrahl aussendet, b) die Dauer der Belichtung des Empfängers oder zumindest eines Teilbereichs dessen durch den ihn überstreichenden Lichtstrahl durch die Kombination aus der veränderlichen Lage der den Empfänger schneidenden Strahlebene und der Geometrie des Empfängers selbst und/oder zumindest einem sich im Strahlengang zwischen Sender und Empfänger befindlichen Gegenstands von bekannter Geometrie bestimmt wird, c) aus dem Ausgangssignal des Empfängers eine Auswerteelektronik die Dauer der Belichtung durch den Lichtstrahl ermittelt, d) und ein Rechner aus den geometrischen Daten, der Dauer der Belichtung, und gegebenenfalls der Laufgeschwindigkeit des Lichtstrahls oder aus Kalibrierdaten eine Positionsangabe in einem gewählten Bezugssystem berechnet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zumindest ein Reflektor im Strahlengang zwischen Sender und Empfänger befindet, wobei die Dauer der Belichtung des zumindest einen Empfängers durch den reflektierten Strahl durch die Kombination aus der veränderlichen Lage der den Reflektor schneidenden Strahlebene und der Geometrie des Reflektors selbst und/oder zumindest einem sich im Strahlengang zwischen Sender und Reflektor befindlichen Gegenstands von bekannter Geometrie bestimmt wird.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Messen der Position des zumindest einen Senders in einem gegebenen Bezugssystem.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Messen der Position des zumindest einen Empfängers in einem gegebenen Bezugssystem.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 2 zum Messen der Position und/oder Lage und/oder Ausrichtung des zumindest einen im Strahlengang angebrachten Reflektors in einem gegebenen Bezugssystem.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zum Zeigen auf eine Position in einem gegebenen Bezugsystem.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 als Messwertgeber für ein System, dass durch eine nach dem angegebenen Verfahren gebildete Vorrichtung beaufschlagt ist.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Laser-Diode ausgesandter schmaler Lichtstrahl durch eine Umlenkvorrichtung in Rotation versetzt wird, dabei zumindest eine über einem flächenhaft ausgebildeten Photoempfänger angebrachte Blende mit einer einem Gradienten folgenden Öffnung überstreicht und bei Durchtritt durch die Blendenöffnung den Photoempfänger belichtet, dem ein Impulsdetektor nachgeschaltet ist, der einen Zähler beaufschlagt, welcher wiederum einen Rechner beaufschlagt, der aus der Signaldauer und Kalibrierdaten eine Position ermittelt.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Empfängermodul aus einer Vielzahl von Photoempfängern und einer Vielzahl von gegebenenfalls unterschiedlich geschnittenen und unmittelbar vor den Empfängern in der Art von Fenstern angebrachten Blenden gebildet wird, wobei ein Fenster mehreren Empfängern zugeordnet sein kann und mehrere Empfänger dieselbe Auswerteelektronik beaufschlagen können.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie eines einzelnen Empfängermoduls und insbesondere die Beschaffenheit der Fenster eine Aneinanderreihung einer Vielzahl solche Module derart ermöglicht, dass sich die Fenster zweier angrenzender Module bezüglich deren Stosskante spiegelbildlich verhalten.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von einer Laser-Diode ausgesandte schmale Lichtstrahl durch eine Umlenkvorrichtung in Rotation versetzt wird, dabei eine Blende mit einer einem Gradienten folgenden Öffnung überstreicht und bei Durchtritt durch die Blendenöffnung auf einen Reflektor trifft, der einen Photoempfänger belichtet, dem ein Impulsdetektor nachgeschaltet ist, der einen Zähler beaufschlagt, welcher wiederum einen Rechnet beaufschlagt, der aus der Signaldauer und Kalibrierdaten eine Position ermittelt.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektormodul aus einer Vielzahl von Reflektoren und einer Vielzahl von gegebenenfalls unterschiedlich geschnittenen und unmittelbar vor den Reflektoren in der von Fenstern angebrachten Blenden gebildet wird, wobei ein Fenster mehreren Reflektoren zugeordnet sein kann und mehrere Reflektoren denselben Empfänger beaufschlagen können.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie eines einzelnen Reflektormoduls und insbesondere die Beschaffenheit der Fenster eine Aneinanderreihung einer Vielzahl solcher Module derart ermöglicht, dass sich die Fenster zweier angrenzender Module bezüglich deren Stosskante spiegelbildlich verhalten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung den Lichtstrahl in Oszillation versetzt.