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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Feststellen des Auftrefforts eines Lichtflecks auf einem flächigen
Element. Solche Lichtflecke entstehen, wenn ein Lichtstrahl auf
einen Detektor oder einen Reflektor trifft und dort einen Lichtpunkt
erzeugt. Solche Vorrichtungen mit einen Lichtstrahl aussendenden
Vorrichtungen und entsprechenden Detektoren und ggf. Reflektoren
werden beim Ausrichten von Anlagen, Maschinen und Maschinenteilen
oft eingesetzt.
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In
der Vergangenheit wurden für solche Zwecke Messuhren verwendet.
Oft wurden auch Drähte gespannt. Die Einführung
von optischen Geräten zur Ausrichtung hat den Vorteil,
dass die mit Spiel behafteten und im rauen industriellen Gebrauch
mitunter verbogenen mechanischen Elemente, die bei der Verwendung
von Messuhren erforderlich sind, nicht im gleichen Umfang benötigt
werden. Optische Vorrichtungen und Verfahren zur Ausrichtung von
Anlagen, Maschinen und Maschinenteilen sind aus der
DE 39 11 307 beziehungsweise der korrespondierenden
US 5,026,998 bekannt. Weiter
gibt auch die
DE 38 14 466 und
die korrespondierende
US 6,356,348 Beispiele
für die Anwendung solcher optischer Vorrichtungen zur Ausrichtung
von Anlagen, Maschinen und Maschinenteilen.
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Solche
Vorrichtungen und Verfahren haben oft Probleme damit, Schwankungen
in der Intensität des Laserstrahls korrekt zu erfassen,
besonders wenn als Detektoren Fotodioden oder Position Sensitive
Devices (PSD's), die auf Fotodioden basieren, eingesetzt werden.
Weiter ist bei analogen mehrdimensional auslesbaren Sensoren eine
aufwändige Linearisierung notwendig. Die rechnerische oder elektronische
Erfassung pixelorientierter Detektoren ist wiederum schwierig, insbesondere
wenn nur eine einzige Aufnahme zur Bestimmung des Auftrefforts des
Lichtflecks verwendet wird.
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Über
die Lösung dieser Probleme hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, solche lichtoptischen Vorrichtungen zur Feststellung
des Auftreffpunkts eines Lichtorts weiter im Hinblick auf Genauigkeit
und Auflösung zu verbessern. Insbesondere ist es Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, höhere Genauigkeit und höhere
Ortsauflösung der bereits bekannten elektronischen Elemente
durch eine Verbesserung der elektronischen und digitalen Auswertung
zu erreichen. Zusätzlich ist es eine Aufgabe, mit der verbesserten
Auswertung auch den Abstand des flächigen Elements von
der Lichtquelle zu bestimmen. Eine weitere Aufgabe besteht in der
Reduzierung der Zahl der eingesetzten Bauelemente.
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Diese
Aufgaben werden dadurch gelöst, dass in neuartiger Weise
ein Reflektor eingesetzt wird, der aus mehreren einzelnen reflektierenden Elementen
besteht, wobei jeder Einzelspiegel in seiner Reflexion verändert
werden kann. Diese Veränderbarkeit der Reflexion der Einzelspiegel
ist die Eigenschaft der Einzelspiegel, die in der vorliegenden Erfindung
ausgenutzt wird.
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In
der einfachsten Form der Erfindung, siehe 1, wird
eine solche Vorrichtung an zwei beispielhaft dargestellten Wellen 1, 2 in
zwei Gehäusen angebracht. In dem an der Welle 1 angebrachten
Gehäuse sendet die Lichtquelle 5 einen Lichtstrahl 3 aus,
der am Reflektor 6 als Lichtstrahl 4 zurückgeworfen
wird und im selben Bauelement wie die Lichtquelle 5 über
einen Detektor 7 ausgewertet wird. Der Detektor 7 kann
eine Fotodiode sein. Auch ein ein- oder zweidimensionales PSD beziehungsweise
ein ein- oder zweidimensional auswertbarer Pixel-orientierter Detektor,
zum Beispiel auf CMOS- oder CCD-Basis, kann verwendet werden.
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Dabei
können nach der Lichtquelle 5, vor dem Reflektor 6 und/oder
vor dem Detektor 7 Linsen oder Linsensysteme 10, 11, 12 angeordnet
sein. Weiter kann vor dem Reflektor 6 auch ein Filter 8 angeordnet
sein, der für die Wellenlänge der Lichtquelle 5 durchlässig
ist und andere Wellenlängen blockiert, um Einflüsse
des Lichts aus der Umgebung auszuschalten. Ein solcher Filter kann
auch vor dem Detektor angeordnet werden.
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Erfindungsgemäß ist
dabei der Reflektor 6 als aus mehreren Einzelreflektoren 6a bestehender Reflektor
ausgeführt. Die Einzelreflektoren 6a können
dabei vorteilhaft in Form einer Matrix angeordnet sein. Insbesondere
ist die Verwendung eines so genannten LCoS-Spiegels sinnvoll. LCoS
steht für Liquid Crystal an Silicon. Für Displayanwendungen werden
in LCoS-Bauelementen oft Einzelspiegel in Form einer Matrix mit
oder ohne Zwischenräume angeordnet. So können
einzelne Pixel an- und ausgeschaltet werden. LCoS-Spiegel werden
auf Halbleiter-Wafern hergestellt, die eben oder nur sehr wenig gekrümmt
sind. Solche LCoS-Spiegel sind für die vorliegende Erfindung
besonders geeignet. Unter der Bezeichnung D-ILA sind solche Systeme
von der Firma JVC erhältlich, unter der Bezeichnung SXRD
von Sony. Selbstverständlich sind auch mit TFT-Transistoren
angesteuerte Flüssigkristallspiegel als Einzelreflektoren
von der Erfindung umfasst. Die Verwendung von elektrochromen Einzelspiegelelementen (EC-Spiegeln)
ist ebenfalls möglich.
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Wenn
in einer Matrix von Einzelspiegeln zunächst zeilenweise
und dann spaltenweise einzelne Spalten und Zeilen nacheinander so
geschaltet werden, dass die von diesen Einzelreflektoren ausgehende
auf den Detektor treffende Intensität stark verringert
oder erhöht wird, ändert sich die Signalstärke auf
dem Detektor. Werden nun Signalstärken auf dem Detektor
den einzelnen auf erhöhte oder verringerte Reflexion geschalteten
Spiegelelementen zugeordnet, so kann der Auftreffort des Lichtflecks
auf dem Reflektor mit hoher Auflösung und hoher Genauigkeit
bestimmt werden. Tatsächlich kann so ein Profil, also eine
Verteilung der Intensität über den Ort, für
den jeweiligen Lichtfleck aufgenommen werden.
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Wenn
nun zusätzlich zur Stärke des gesamten Signals
auf dem Detektor auch noch der Auftreffort auf dem Detektor gemessen
wird, z. B. durch Verwendung von PSDs oder pixelorientierter Detektoren,
wie sie z. B. in Digitalkameras verwendet werden, kann außer
dem Auftreffort auf dem Reflektor auch der Auftreffort auf dem Detektor
ausgelesen werden. So ist es möglich, dann nicht nur den
parallelen Versatz, sondern auch den Winkelversatz zu bestimmen.
In den in der
DE 39 11 307 beschriebenen
Ausrichtgeräten ist diese gleichzeitige Bestimmung von
Parallel- und Winkelversatz nur unter Einsatz eines zweiten Detektors
möglich, der im Lichtweg vor oder nach dem ersten Detektor
angeordnet sein muss. Wenn der im Lichtweg näher zur Lichtquelle
angeordnete Detektor nicht transparent oder wenigstens teildurchlässig
ist, so muss ein Strahlteiler z. B. ein Form eines teildurchlässigen
Spiegels oder als Beam Splitter Cube eingefügt werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird also durch die mehrteilige,
z. B. in Form einer Matrix, und elektronisch ansteuerbare Ausführung
des Reflektors die Verwendung des zweiten Detektors und des Strahlteilers überflüssig.
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In
der in 1 beschriebenen Ausführungsform entspricht
diese Erfindung dem Verfahren zum Wellenausrichten, das im Buch
,Shaft Alignment Handbook' von John Piotrowski als ,Reverse Indicator
Method' bezeichnet wird. Dort wird eine Ausführungsform
beschrieben, mit der zwei Messuhren über Stangen an die
Kupplungsscheibe auf der jeweils anderen Welle herangeführt
werden. Bisher bekannte lichtoptische Ausrichtgeräte, die
nach diesem Prinzip arbeiten, werden normalerweise in Form von zwei Bauelementen
ausgeführt, die je einen einen Lichtstrahl aussendenden
Laser als Lichtquelle und je einen Detektor enthalten. Dort wird
an jeder Welle eines dieser Laser und Detektor enthaltenden Bauelemente
angebracht. In der vorliegenden Erfindung kann derselbe Effekt erzielt
werden, indem nur ein Laser und ein Detektor verwendet werden.
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Ein
wichtiges Element der vorliegenden Erfindung ist es, dass es einerseits
möglich ist, durch Auswertung des Detektorsignals den Auftreffort
des Lichtstrahls auf dem Reflektor zu bestimmen, indem der Effekt
der Änderung der Reflexion der Einzelspiegel auf das Detektorsignal
aufgenommen wird. Andererseits wird mit der vorliegenden Erfindung
durch die Änderung der Reflexion der Einzelspiegel auch
die Erfassung des Auftrefforts des Lichtstrahls auf dem Detektor
verbessert, indem das auftreffende Signal in mehreren hintereinander
erfolgenden Aufnahmen bei verschiedener Reflexion der Einzelspiegel
erfasst wird.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Hier befinden sich die Detektoren im selben Bauelement wie der Reflektor.
Der gesamte Reflektor kann mechanisch in zwei Stellungen gebracht
werden. Einmal gelangt der einfallende Lichtstrahl 31 vom
hier nur symbolisch dargestellten Bauelement mit der Lichtquelle über
die Linse 21 auf den Reflektor 22, der aus mindestens
zwei Einzelspiegeln bestehen muss, und von dort als reflektierter Strahl 32 auf
den Detektor 23. Weiter kann in einer zweiten Spiegelstellung
der Lichtstrahl 31 als Strahl 33 vom Reflektor 22 auf
einen zweiten Reflektor 24 und danach den Detektor 25 treffen.
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Weiter
ist es mit der Erfindung möglich, auch die Entfernung zwischen
der Lichtquelle und dem reflektierenden Element zu bestimmen. Dies
kann dadurch erreicht werden, dass die Form und die Signalstärke
des Lichtflecks auf dem Detektor einerseits aus der Charakteristik
der Lichtquelle und der abbildenden Elemente 10, 11, 12 berechnet
wird und andererseits eine genaue Messung der Lichtverteilung auf
dem flächigen Element in der oben beschriebenen Art und
Weise vorgenommen wird. Wenn die Charakteristik des Lichtflecks
auf dem Detektor für verschiedene Abstände zwischen
Lichtquelle und reflektierendem Element berechnet wird, so kann
durch Messung der Form, insbesondere der Größe,
und der Intensität eines tatsächlichen Lichtflecks
und nachfolgenden Vergleich mit berechneten Lichtflecken ermittelt
werden, in welchem Abstand sich die Lichtquelle zum reflektierenden
Element befindet.
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In
einer anderen besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist es vorgesehen, dass der LCoS- oder EC-Spiegel gleichzeitig
auch als Fotodetektor ausgeführt ist. Das heißt,
dass jeder Einzelspiegel des flächigen Elements, also des
Reflektors, gleichzeitig zum Beispiel als Fotodiode ausgeführt
ist oder auch als ein Pixel eines CCD- oder CMOS-Detektors. Ein
Fotodetektor und das reflektierende Element fallen dann zusammen.
Es ist möglich, auf einen der beiden Detektoren 23 oder 25 zu verzichten,
wenn der Reflektor selbst aus detektierenden Einzelreflektoren besteht.
So kann die Ausführungsform der 2 verwirklicht
werden bei verringerter Anzahl elektronischer Bauelemente. Dann kann
auch auf die mechanische Beweglichkeit des Reflektors 22 verzichtet
werden. Darüber hinaus kann es nicht nur in dieser Ausführungsform
der Erfindung sinnvoll sein, beispielsweise mit zwei verschiedenen
Wellenlängen der Lichtquelle zu arbeiten. Es kann z. B.
eine Laserwellenlänge gewählt werden, die von
dem Flüssigkristallmaterial besonders gut reflektiert wird,
und eine zweite Wellenlänge, deren Transmission durch das
Flüssigkristallmaterial besonders hoch ist, wenn die detektierenden
Elemente auf dem Halbleiterbauelement angebracht sind, das den Träger
für die Flüssigkristallreflektoren darstellt.
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In
der
DE 39 11 307 ist
beschrieben, dass Messungen an mehreren Punkten vorgenommen werden,
z. B. unter mehreren Winkelstellungen der Wellen. Dabei kann es
vorkommen, dass der Lichtfleck den Detektor verlässt. Dieser
Effekt macht eine neue Ausrichtung der Detektoren auf der Welle
notwendig. Mit der vorliegenden Erfindung kann diesem Effekt begegnet
werden, indem durch eine Änderung der Winkelstellung der
Einzelreflektoren der Auftreffpunkt des Lichtflecks wieder näher
zur Mitte des Detektors gebracht wird.
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Mit
der vorliegenden Erfindung kann also die Genauigkeit bestehender
Vorrichtungen in mehrfacher Hinsicht verbessert werden, indem die
bestehenden Vorrichtungen durch die Einfügung eines aus mehreren
Einzelspiegeln bestehenden reflektierenden Elements erweitert werden,
das seinerseits andere Elemente ersetzen kann, wie z. B. Strahlteiler oder
Fotodetektoren.
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Erstens
kann die Zahl der gemessenen Auftrefforte erhöht werden.
So ist eine bessere Mittelung möglich. Zweitens wird die
Genauigkeit gesteigert, indem zum Beispiel immer Zeilen und Spalten
von Spiegeln oder sogar einzelne Spiegel in ihren Auswirkungen auf
die Signalstärke und/oder den Auftreffort untersucht werden
können. Drittens wird die digitale Auswertung der die Detektorsignale
zwar aufwändiger, aber auch stark verbessert. So können
nun den z. B. spalten-/zeilenweise ausgelenkten Spiegeln Signalstärken
und ggf. Signalorte einzelner Teile des Lichtflecks zugeordnet werden.
In Zusammenhang mit der Berechnung der Intensitätsverteilung
und Ortsverteilung eines Lichtflecks kann nun auch der Abstand zwischen
Lichtquelle und flächigem Element berechnet werden. Dies
war vor der Erfindung nicht möglich.
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Weiter
ist es möglich, dem Lichtfleck bestimmte geometrische Formen
zu geben. Bisher wurde in dieser Beschreibung von einem Lichtfleck
gesprochen, der im Normalfall über einen mehr oder weniger
punktförmigen oder elliptischen Querschnitt verfügt.
Es kann aber auch sinnvoll sein, den Lichtstrahl so aufzuweiten
oder auszublenden, dass auf dem flächigen Element eine
Linie entsteht. Auch andere Figuren, wie Fadenkreuze, Sterne, Ringe
oder Gittermuster können mit der vorliegenden Erfindung verwendet
werden.
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Bei
Auswahl einer geeigneten Form kann die digitale oder elektronische
Auswertung entsprechend gewählt werden. Wenn z. B. eine
gerade Linie als Form des Lichtstrahls gewählt wird, so
kann die Ansteuerung der Einzelspiegel in einem ersten Versuch zeilen-
und spaltenweise erfolgen. Wird nur eine einfache Fotodiode als
Detektor verwendet, so kann aufgrund des Ergebnisses dieser ersten
Messung eine zweite vorgenommen werden, bei der das Ergebnis der
im Computer vorgenommenen Anpassung einer Geraden an die Orte der
Einzelspiegel, deren Reflexionsänderung die höchste
Verringerung des Signals auf der Fotodiode mit sich brachte. Dann
werden nur noch diese Spiegel in ihrer Reflexion verändert,
so dass der von ihnen reflektierte Teil der Lichtlinie nicht mehr
auf die Fotodiode gelangen kann. Auf der Basis dieser zweiten Messung
können dann iterativ diejenigen Einzelspiegel ermittelt
werden, bei denen das Ausschalten der Reflexion das Signal auf der
Fotodiode ganz zum Verschwinden bringt. Wenn diese dann einmal ermittelt
sind, kann weiter in einer komplementären Vergleichsmessung
durch Ausschalten der Reflexion nur der nach den bisherigen Ergebnissen
nicht getroffenen Einzelspiegel überprüft werden,
ob sich jetzt das Signal der Fotodiode nicht verringert. Es versteht
sich, dass die hier für eine Lichtlinie vorgenommenen Überlegungen
auch auf andere geometrische Figuren angewendet werden können. Es
können auch die bekannten Verfahren zur Auswertung von
Signalen auf bildgebenden Sensoren herangezogen werden, die nicht
notwendigerweise den oben beschriebenen iterativen Prozess umfassen.
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Vorrichtung
und Verfahren der vorliegenden Erfindung können vorteilhaft
nicht nur, wie in der
DE 39 11
307 beschrieben, zur Ausrichtung zweier Gegenstände
relativ zueinander verwendet werden, sondern auch zur Vermessung
der Geradheit eines Gegenstands, indem eine der beiden Komponenten der
Vorrichtung entlang des Gegenstandes geführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3911307 [0002, 0010, 0016, 0021]
- - US 5026998 [0002]
- - DE 3814466 [0002]
- - US 6356348 [0002]