Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Objektposition sowie eine Reflektoranordnung dafür. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Objektposition unter Verwendung optischer Messtechniken.The invention relates to a device and a method for determining an object position and a reflector arrangement therefor. In particular, the invention relates to an apparatus and method for determining an object position using optical measurement techniques.
Die Messung einer Position eines Objekts hat vielfache Anwendungen, beispielsweise bei der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion, bei der Vermessung von Räumen oder dergleichen. Optische Messverfahren haben sich zur berührungslosen Ermittlung einer Position in einer oder mehreren Dimensionen etabliert. Bei derartigen Verfahren kann Licht, beispielsweise in einem aufgeweiteten Strahlenkegel, Strahlenfächer, Parallelstrahl mit größerem Durchmesser oder als kollimierter Strahl, in einen Raumbereich gesendet werden, in dem sich das Objekt befindet, dessen Position bestimmt werden soll. Dieses Licht gelangt direkt oder indirekt zu einem Detektor, dessen Ausgangssignal zur Bestimmung der Position des Objekts ausgewertet wird. Verschiedene optische Messverfahren wie beispielsweise Pulslaufzeitmessungen, Interferenzmessung oder Triangulation erlauben dann die Bestimmung der Position. Beispielhaft wird auf Laserweglängenmessgeräte verwiesen, die phasen- oder amplitudenmodulierte optische Signale abgeben und die Bestimmung eines Abstands eines Objekts erlauben. In K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von optischen Frequenzkämmen beschrieben. Die deutschen Patentanmeldungen 10 2008 045 386 und DE 10 2008 045 387 beschreiben optische Messmethoden zur Bestimmung einer Objektposition in drei Dimensionen und zum Vermessen einer Oberfläche.The measurement of a position of an object has many applications, for example in quantitative quality control, in particular in industrial production, in the measurement of rooms or the like. Optical measuring methods have established themselves for the non-contact determination of a position in one or more dimensions. In such methods, light, for example in an expanded cone of rays, fan beams, larger diameter parallel beam, or as a collimated beam, may be transmitted to a space in which the object whose position is to be determined is located. This light passes directly or indirectly to a detector whose output signal is evaluated to determine the position of the object. Various optical measuring methods such as pulse transit time measurements, interference measurement or triangulation then allow the determination of the position. By way of example, reference is made to laser path length measuring devices which emit phase- or amplitude-modulated optical signals and allow the determination of a distance of an object. In K. Minoshima and H. Matsumoto, "High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 30, pp. 5512-5517 (2000) For example, a distance measurement using optical frequency combs will be described. The German patent applications 10 2008 045 386 and DE 10 2008 045 387 describe optical measuring methods for determining an object position in three dimensions and for measuring a surface.
In praktischen Anwendungen optischer Messverfahren zur Positionsbestimmung kann einer bzw. können mehrere der Pfade, den bzw. die das Licht zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor durchlaufen soll, unterbrochen sein, beispielsweise wenn ein Abschnitt des Objekts, dessen Position bestimmt werden soll, den Detektor gegenüber der Lichtquelle abschattet. Ähnlich können auch andere Hindernisse eine Abschattung hervorrufen. Dies kann dazu führen, dass die Positionsermittlung nicht mehr möglich ist.In practical applications of optical measurement methods for position determination, one or more of the paths that the light is to pass between a light source and a detector may be interrupted, for example, when a portion of the object whose position is to be determined faces the detector the light source shadows. Similarly, other obstacles can cause shadowing. This can lead to position determination being no longer possible.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zur optischen Bestimmung einer Position, die bzw. das die Bestimmung der Position selbst dann erlaubt, wenn einer der Pfade zwischen einer Lichtquelle oder einem Detektor und dem Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, so unterbrochen ist, dass Licht nicht mehr von der Lichtquelle zu dem Detektor laufen kann.Thus, there is a need for an apparatus and method for optically determining a position that allows determination of the position even if one of the paths between a light source or a detector and the object whose position is to be determined is so interrupted, that light can no longer run from the light source to the detector.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, ein Verfahren und eine Reflektoranordnung mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsformen.According to the invention the object is achieved by a device, a method and a reflector assembly having the features specified in the independent claims. The dependent claims define advantageous or preferred embodiments.
Vorrichtungen und Verfahren nach unterschiedlichen Ausführungsbeispielen verwenden optische Signale zur Positionsbestimmung. Unter einem optischen Signal wird dabei elektromagnetische Strahlung verstanden, die eine Wellenlänge im für das menschliche Auge sichtbaren oder im für das menschliche Auge nicht sichtbaren Spektralbereich (IR- oder UV-Licht) aufweisen kann. Das optische Signal kann zeitlich und/oder räumlich moduliert sein. Unter der Bestimmung einer Position wird die Ermittlung einer Koordinate oder mehrerer Koordinaten des Objekts bzw. von Signalen oder Daten verstanden, die eine derartige Koordinate oder mehrere derartige Koordinaten der Position des Objekts repräsentieren. Die Koordinate oder die Koordinaten kann bzw. können alternativ oder zusätzlich zur Position eines Punkts des Objekts im Raum auch die Lage des Objekts im Raum, d. h. seine Winkelausrichtung, repräsentieren.Devices and methods according to different embodiments use optical signals for position determination. In this case, an optical signal is understood to mean electromagnetic radiation which may have a wavelength in the spectral range (IR or UV light) visible to the human eye or not visible to the human eye. The optical signal can be temporally and / or spatially modulated. The determination of a position means the determination of one or more coordinates of the object or of signals or data representing such a coordinate or several such coordinates of the position of the object. The coordinate or the coordinates can or alternatively or in addition to the position of a point of the object in space, the position of the object in space, d. H. its angular orientation, represent.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts nach einem Aspekt ist eingerichtet, um eine Weglänge wenigstens eines Pfades zwischen dem Objekt und wenigstens einer Referenzposition zu ermitteln. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelleneinrichtung zum Aussenden von optischen Signalen, eine Detektoreinrichtung, die eingerichtet ist, um wenigstens ein optisches Signal nach Durchlaufen des wenigstens einen Pfades zu erfassen, und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Detektoreinrichtung gekoppelt und eingerichtet ist, um das von der Detektoreinrichtung erfasste wenigstens eine optische Signal zum Ermitteln der Weglänge auszuwerten. Die Vorrichtung ist eingerichtet, um einen Verlauf des wenigstens einen Pfades in einer Mehrzahl von Pfaden derart zu identifizieren oder um einen Verlauf des wenigstens einen Pfades derart einzustellen, dass basierend auf dem von der Detektoreinrichtung erfassten wenigstens einen optischen Signal die Position des Objekts bestimmbar ist.An apparatus for determining a position of an object according to one aspect is arranged to determine a path length of at least one path between the object and at least one reference position. The device comprises a light source device for emitting optical signals, a detector device which is configured to detect at least one optical signal after passing through the at least one path, and an evaluation device which is coupled to the detector device and adapted to that of the detector device detected at least one optical signal to determine the path length to evaluate. The device is set up to identify a course of the at least one path in a plurality of paths or to set a profile of the at least one path such that the position of the object can be determined based on the at least one optical signal detected by the detector device.
Die Vorrichtung nach dem Aspekt ist so eingerichtet, dass zusätzliche Flexibilität im Hinblick auf den Verlauf des Pfades oder der Pfade vorgesehen ist, der bzw. die die zur Positionsbestimmung ausgewerteten optischen Signale durchlaufen. Der Pfad bzw. die Pfade, die zur Positionsbestimmung herangezogen werden, kann bzw. können aus einer größeren Anzahl möglicher Pfade ausgewählt werden, wobei die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass eine Zuordnung der erfassten optischen Signale zu dem entsprechenden Pfad bzw. den entsprechenden Pfaden in der Mehrzahl von Pfaden möglich ist. Dies erlaubt es, als den Pfad bzw. die Pfade, deren Weglängen bestimmt werden, denjenigen bzw. diejenigen Pfade aus der Mehrzahl möglicher Pfade auszuwählen, in dem bzw. denen die Lichtpropagation von einer Quelle zu einem Detektor nicht durch ein Hindernis unterbrochen ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Verlauf des wenigstens einen Pfades, der zur Positionsbestimmung herangezogen wird, so eingestellt werden, dass in dem Pfad die Lichtpropagation von einer Quelle zu einem Detektor nicht durch ein Hindernis unterbrochen ist.The device according to the aspect is arranged to provide additional flexibility with regard to the path or paths of the path through which the optical signals evaluated for position determination pass. The path (s) used to determine the position may be selected from a larger number of possible paths, wherein the device is arranged so that an assignment of the detected optical signals to the corresponding path or the corresponding paths in the plurality of paths is possible. This makes it possible to select as the path or paths whose path lengths are determined, those paths from the plurality of possible paths in which the light propagation from a source to a detector is not interrupted by an obstacle. Alternatively or additionally, the course of the at least one path used for determining the position can be adjusted such that in the path the light propagation from a source to a detector is not interrupted by an obstacle.
Das Identifizieren des Verlaufs des Pfades in der Mehrzahl von Pfaden kann ein Identifizieren der optischen Komponenten der Vorrichtung beinhalten, die das erfasste optische Signal passiert hat. Die optischen Komponenten können eine von mehreren Lichtquellen, einer von mehreren Reflektoren oder einer von mehreren Detektoren sein.Identifying the course of the path in the plurality of paths may include identifying the optical components of the device that passed the detected optical signal. The optical components may be one of a plurality of light sources, one of a plurality of reflectors, or one of a plurality of detectors.
Falls die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass die optischen Signale ohne Reflexion von einer Lichtquelle zu einem Detektor laufen oder falls nur ein Reflektor vorgesehen ist, ist die Mehrzahl möglicher Pfade bestimmt durch die verschiedenen Anfangspositionen, an denen Licht von der Lichtquelleneinrichtung abgegeben wird, und die verschiedenen Endpositionen, an denen Licht zur Detektion erfasst wird. Das Identifizieren des wenigstens einen Pfades kann dann ein Identifizieren der Anfangsposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, und/oder ein Identifizieren der Endposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, umfassen. Dabei sind die Anfangspositionen und die Endpositionen so eingerichtet, dass eine Anzahl der möglichen Pfade größer ist als eine Anzahl der Koordinaten der zu bestimmenden Position. Das Identifizieren der Anfangsposition und/oder Endposition erfordert nicht notwendig, dass die Koordinaten der Anfangsposition und/oder Endposition bekannt sind, sondern umfasst allgemein eine Zuordnung des Pfades, den das Licht durchlaufen hat, zu einer von mehreren möglichen Lichtquellen und/oder zu einem von mehreren möglichen Detektoren.If the device is arranged so that the optical signals pass without reflection from a light source to a detector or if only one reflector is provided, the plurality of possible paths is determined by the different initial positions at which light is emitted from the light source device, and various end positions at which light is detected for detection. Identifying the at least one path may then include identifying the initial position of the path that the detected signal has traversed, and / or identifying the end position of the path that the detected signal has traversed. In this case, the initial positions and the end positions are set up such that a number of the possible paths is greater than a number of the coordinates of the position to be determined. Identifying the initial position and / or end position does not necessarily require that the coordinates of the initial position and / or end position be known, but generally includes an association of the path the light has traversed to one of several possible light sources and / or to one of several possible detectors.
Falls die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass die optischen Signale an einem von mehreren Reflektoren reflektiert werden, wenn sie von einer Lichtquelle zu einem Detektor laufen, ist die Mehrzahl möglicher Pfade bestimmt durch die möglichen Anfangspositionen, an denen Licht von der Lichtquelleneinrichtung abgegeben wird, durch die Reflektoren, an denen die optischen Signale reflektiert werden können, und durch die möglichen Endpositionen, an denen Licht zur Detektion erfasst wird. Das Identifizieren des wenigstens einen Pfades kann dann ein Identifizieren der Anfangsposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, und/oder ein Identifizieren des Reflektors, an dem das Licht reflektiert wird, und/oder ein Identifizieren der Endposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, umfassen. Dabei sind die Anfangspositionen, die Reflektoren und die Endpositionen so eingerichtet, dass eine Anzahl der möglichen Pfade größer ist als eine Anzahl der Koordinaten der zu bestimmenden Position. Das Identifizieren der Anfangsposition und/oder des Reflektors und/oder der Endposition erfordert nicht notwendig, dass die Koordinaten der Anfangsposition und/oder des Reflektors und/oder der Endposition bekannt sind, sondern umfasst allgemein eine Zuordnung des Pfades, den das Licht durchlaufen hat, zu einer von mehreren möglichen Lichtquellen und/oder zu einem von mehreren Reflektoren und/oder zu einer von mehreren möglichen Detektoren.If the device is arranged to reflect the optical signals at one of a plurality of reflectors as they pass from a light source to a detector, the plurality of possible paths are determined by the possible initial positions at which light is emitted from the light source device the reflectors where the optical signals can be reflected and the possible end positions at which light is detected for detection. Identifying the at least one path may then include identifying the initial position of the path the detected signal has passed through, and / or identifying the reflector at which the light is reflected, and / or identifying the end position of the path that it detected Signal has passed through. In this case, the initial positions, the reflectors and the end positions are set up such that a number of the possible paths is greater than a number of the coordinates of the position to be determined. The identification of the initial position and / or the reflector and / or the end position does not necessarily require that the coordinates of the initial position and / or the reflector and / or the end position are known, but generally includes an assignment of the path that has passed through the light, to one of a plurality of possible light sources and / or to one of a plurality of reflectors and / or to one of a plurality of possible detectors.
Die Anfangspositionen können beispielsweise Enden optischer Fasern oder Umlenkspiegel sein, von denen aus optische Signale in Richtung des Objekts abgegeben werden. Ähnlich können die Endpositionen Enden optischer Fasern sein, von denen aus die optischen Signale zu einem Fotodetektor oder zu mehreren Fotodetektoren geleitet werden.The initial positions may be, for example, ends of optical fibers or deflection mirrors from which optical signals are emitted in the direction of the object. Similarly, the end positions may be ends of optical fibers from which the optical signals are directed to a photodetector or to multiple photodetectors.
Um eine Redundanz derart zu erzeugen, dass die Anzahl der möglichen Pfade größer als die Anzahl der zu bestimmenden Koordinaten ist, so dass auch bei Abschattung eines Pfades noch eine Positionsbestimmung möglich bleibt, kann eine Anzahl und Anordnung von Anfangspositionen der Pfade, an denen optische Signale ausgegeben werden, oder eine Anzahl und Anordnung von Endpositionen der Pfade ausreichend groß gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Anzahl und Anordnung von an dem Objekt oder an einer vorgegebenen Position anzubringenden Reflektoren derart gewählt werden, dass bei einer Abschattung in einem Pfad der Mehrzahl von Pfaden die Position des Objekts bestimmbar bleibt.In order to generate a redundancy such that the number of possible paths is greater than the number of coordinates to be determined, so that a position determination remains possible even when a path is shadowed, a number and arrangement of initial positions of the paths at which optical signals or a number and arrangement of end positions of the paths are chosen to be sufficiently large. Alternatively or additionally, a number and arrangement of reflectors to be attached to the object or to a predetermined position can be chosen such that the position of the object remains determinable in the case of shading in a path of the plurality of paths.
Falls mehrere Reflektoren, insbesondere mehrere Retroreflektoren vorgesehen sind, kann jeder der Reflektoren mit einem nichtlinearen optischen Element versehen sein, welches das an dem entsprechenden Reflektor reflektierte Licht passieren muss. Das nichtlineare optische Element kann jeweils ein sättigbarer Absorber sein. Die sättigbaren Absorber können abhängig von der Lichtquelleneinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sich immer nur einer der Absorber in seinem lichtdurchlässigen Zustand befindet, so dass vermieden wird, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr als ein Reflektor optische Signale reflektiert. So können die erfassten optischen Signale einem oder mehreren Lichtpfaden zugeordnet werden, die nur über den Reflektor verlaufen, der eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt.If a plurality of reflectors, in particular a plurality of retroreflectors are provided, each of the reflectors can be provided with a nonlinear optical element which must pass the light reflected at the corresponding reflector. The nonlinear optical element may each be a saturable absorber. Depending on the light source device, the saturable absorbers can be configured in such a way that only one of the absorbers is always in its light-permeable state, so that it is avoided that more than one reflector reflects optical signals at a particular time. Thus, the detected optical signals can be assigned to one or more light paths, which run only over the reflector, which receives a sufficiently high light intensity.
Um eine Identifizierung der Reflektoren zu ermöglichen, kann eine Abschätzung der Objektposition verwendet werden. Falls das Objekt beispielsweise ein Roboterarm ist, kann die Robotersteuerung eine Abschätzung der Position liefern, aus der ermittelt werden kann, welcher von mehreren an dem Roboterarm angebrachten Reflektoren gerade eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt, dass er Licht reflektiert. To enable identification of the reflectors, an estimate of the object position may be used. For example, if the object is a robotic arm, the robot controller may provide an estimate of the position from which it can be determined which of a plurality of reflectors mounted on the robotic arm is receiving a sufficiently high light intensity to reflect light.
Die Reflektoren können auch so eingerichtet sein, dass die reflektierten optischen Signale in einer für den jeweiligen Reflektor spezifischen Weise codiert werden. Beispielsweise kann jeder der Reflektoren mit einem ihm zugeordneten Polarisations- oder Wellenlängenfilter versehen sein, so dass anhand der Polarisation oder Wellenlänge des reflektierten optischen Signals der entsprechende Reflektor identifizierbar ist. Bei einer weiteren Ausführungsform kann jeder Reflektor so eingerichtet sein, dass er eine für ihn charakteristische Wellenlängenverschiebung hervorruft. Bei weiteren Ausführungsformen können elektrooptische Modulatoren oder elektrooptische Schalter verwendet werden, um die an verschiedenen Reflektoren reflektierten optischen Signale zeitlich zu modulieren.The reflectors may also be arranged so that the reflected optical signals are coded in a manner specific to the respective reflector. For example, each of the reflectors may be provided with an associated polarization or wavelength filter, so that based on the polarization or wavelength of the reflected optical signal, the corresponding reflector is identifiable. In a further embodiment, each reflector may be arranged to cause a wavelength shift characteristic of it. In further embodiments, electro-optic modulators or electro-optical switches can be used to time-modulate the optical signals reflected at different reflectors.
Der Reflektor bzw. die Reflektoren kann bzw. können beweglich, insbesondere drehbar gelagert, an dem Objekt anbringbar sein. Durch Auswahl einer geeigneten Stellung des Reflektors bzw. der Reflektoren kann erreicht werden, dass eine ausreichend hohe Zahl von nicht abgeschatteten Pfaden zur Verfügung steht, für die optische Signale erfasst und anschließend ausgewertet werden können.The reflector or the reflectors can or can be mounted movably, in particular rotatably, on the object. By selecting a suitable position of the reflector or the reflectors can be achieved that a sufficiently high number of unshaded paths is available, can be detected for the optical signals and then evaluated.
Die Vorrichtung kann eine optische Komponente aufweisen, die einen Verlauf des wenigstens einen Pfades beeinflusst, wobei eine Position oder Ausrichtung der optischen Komponente steuerbar ist. Die Vorrichtung kann eine mit der optischen Komponente gekoppelte Steuereinrichtung zum Steuern der Position oder Ausrichtung der optischen Komponente umfassen. Die optische Komponente erlaubt eine Einstellung des wenigstens einen Pfades derart, dass eine ausreichende Anzahl von optischen Signalen erfasst wird, um die Positionsbestimmung zu erlauben.The device may have an optical component that influences a profile of the at least one path, wherein a position or orientation of the optical component is controllable. The device may include a controller coupled to the optical component for controlling the position or orientation of the optical component. The optical component allows adjustment of the at least one path such that a sufficient number of optical signals are detected to permit position determination.
Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Abschätzung der Position des Objekts zu ermitteln, und um die Position oder Ausrichtung der optischen Komponente abhängig von der Abschätzung der Position des Objekts zu steuern. Falls das Objekt eine Komponente einer steuerbaren Maschine, beispielsweise eines Roboterarms ist, können für die Abschätzung erforderliche Daten von der Steuerung der Maschine bereitgestellt werden.The controller may be configured to determine an estimate of the position of the object and to control the position or orientation of the optical component depending on the estimate of the position of the object. If the object is a component of a controllable machine, such as a robotic arm, data necessary for the estimation may be provided by the controller of the machine.
Die optische Komponente kann eine Lichtquelle oder einen Detektor umfassen, die relativ zu einem Raumbereich bewegt werden, in dem das Objekt zu positionieren ist. Auf diese Weise kann die Lichtquelle oder der Detektor so positioniert werden, dass in dem Pfad, der von dem wenigstens einen optischen Signal zurückgelegt wird, keine Abschattung vorliegt.The optical component may comprise a light source or a detector which are moved relative to a spatial area in which the object is to be positioned. In this way, the light source or the detector can be positioned so that there is no shadowing in the path traveled by the at least one optical signal.
Die steuerbare optische Komponente kann auch einen Umlenkspiegel umfassen. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Ausrichtung des Umlenkspiegels derart einzustellen, dass das wenigstens eine optische Signal von dem Umlenkspiegel wahlweise direkt in den Raumbereich, in dem das Objekt zu positionieren ist, oder auf einen weiteren Umlenkspiegel gelenkt wird. Da das wenigstens eine optische Signal wahlweise von einem von mehreren Umlenkspiegeln aus in den Raumbereich eingestrahlt werden kann, kann der wenigstens eine Pfad so ausgewählt werden, dass keine Abschattung in dem Pfad vorliegt. Der Umlenkspiegel und der weitere Umlenkspiegel kann jeweils als ein Kippspiegel oder als ein Scanspiegel ausgebildet sein.The controllable optical component may also comprise a deflection mirror. The control device may be configured to adjust an orientation of the deflection mirror such that the at least one optical signal from the deflection mirror is selectively directed directly into the spatial region in which the object is to be positioned or to a further deflection mirror. Since the at least one optical signal can optionally be radiated into the spatial area from one of a plurality of deflecting mirrors, the at least one path can be selected such that there is no shading in the path. The deflecting mirror and the further deflecting mirror can each be designed as a tilting mirror or as a scanning mirror.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um Laufzeiten des wenigstens einen optischen Signals für mehrere Pfade zu ermitteln und die Position des Objekts durch Multilateration basierend auf den Laufzeiten zu ermitteln. So kann eine Positionsbestimmung in zwei oder drei Dimensionen erfolgen.The evaluation device can be set up to determine transit times of the at least one optical signal for a plurality of paths and to determine the position of the object by multilateration based on the transit times. Thus, a position determination can take place in two or three dimensions.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, um den wenigstens einen Pfad aus der Mehrzahl von Pfaden derart auszuwählen oder den Verlauf des wenigstens einen Pfades derart einzustellen, dass ein Signalpegel des von der Detektoreinrichtung erfassten wenigstens einen optischen Signals erhöht wird. Insbesondere kann der Verlauf des wenigstens einen Pfades derart eingestellt werden, dass der Signalpegel für das von der Detektoreinrichtung erfasste wenigstens eine optische Signal einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Die Einstellung des Verlaufs kann abhängig von Struktureigenschaften des Objekts oder eines daran angebrachten Reflektors erfolgen.The apparatus may be configured to select the at least one path from the plurality of paths or to adjust the course of the at least one path such that a signal level of the at least one optical signal detected by the detector device is increased. In particular, the profile of the at least one path can be adjusted such that the signal level for the at least one optical signal detected by the detector device exceeds a predetermined threshold value. The adjustment of the gradient can be done depending on the structural characteristics of the object or a reflector attached thereto.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts angegeben, die eine Lichtquelleneinrichtung zum Aussenden von optischen Signalen, eine Detektoreinrichtung zum Erfassen wenigstens eines optischen Signals nach Durchlaufen wenigstens eines Pfades und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Detektoreinrichtung gekoppelt und eingerichtet ist, um das von der Detektoreinrichtung erfasste wenigstens eine optische Signal zum Ermitteln einer Weglänge des von dem erfassten wenigstens einen optischen Signals durchlaufenen Pfades auszuwerten, umfasst, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Lichtleitfaser, deren eines Ende an dem Objekt angebracht ist und deren anderes Ende mit wenigstens einer von der Lichtquelleneinrichtung und der Detektoreinrichtung gekoppelt ist, und wenigstens einen Reflektor zum Reflektieren des entlang dem wenigstens einen Pfad propagierenden optischen Signals umfasst. Der Reflektor kann an einer bekannten Position angeordnet sein.According to a further aspect, an apparatus for determining a position of an object is provided, which comprises a light source device for emitting optical signals, a detector device for detecting at least one optical signal after passing through at least one path and an evaluation device which is coupled to the detector device and set up, to evaluate the at least one optical signal detected by the detector device for determining a path length of the path traveled by the detected at least one optical signal, the device further comprising an optical fiber having one end attached to the object and the other end having at least one of the Light source device and the detector device is coupled, and at least one reflector for reflecting the propagating along the at least one path optical signal. The reflector may be arranged at a known position.
Diese Ausgestaltung erlaubt es, dass das optische Signal an dem Objekt abgestrahlt und/oder an dem Objekt erfasst wird, nachdem es an einem ortsfest angeordneten Reflektor reflektiert wurde.This configuration allows the optical signal to be radiated on the object and / or detected on the object after it has been reflected on a reflector arranged in a stationary manner.
Das optische Signal kann eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate umfassen. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um die Weglänge des Pfades basierend auf einer mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente der von der Detektoreinrichtung erfassten Intensität als Funktion der Zeit zu bestimmen.The optical signal may comprise a sequence of light pulses at a repetition rate. The evaluation device can be set up to determine the path length of the path based on a signal component of the intensity detected by the detector device which oscillates at a multiple of the repetition rate as a function of time.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts angegeben, bei dem eine Weglänge wenigstens eines Pfades zwischen dem Objekt und wenigstens einer Referenzposition ermittelt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Aussenden von optischen Signalen; Erfassen wenigstens eines optischen Signals nach Durchlaufen des wenigstens einen Pfades; und Auswerten des erfassten wenigstens einen optischen Signals zum Ermitteln der Weglänge. Ein Verlauf des wenigstens einen Pfades wird in einer Mehrzahl von Pfaden derart identifiziert oder ein Verlauf des wenigstens einen Pfades wird derart eingestellt, dass basierend auf dem erfassten wenigstens einen optischen Signal die Position des Objekts bestimmbar ist.According to a further aspect, a method for determining a position of an object is specified, in which a path length of at least one path between the object and at least one reference position is determined. The method comprises the steps of: emitting optical signals; Detecting at least one optical signal after passing through the at least one path; and evaluating the detected at least one optical signal to determine the path length. A course of the at least one path is identified in a plurality of paths in this way, or a profile of the at least one path is adjusted such that the position of the object can be determined based on the detected at least one optical signal.
Das Verfahren erlaubt die Durchführung einer Positionsbestimmung selbst bei Abschattung in einem Pfad, da der wenigstens eine Pfad, den das erfasste wenigstens eine optische Signal durchläuft, geeignet so gewählt oder eingestellt wird, dass Probleme im Hinblick auf Abschattungen vermieden werden, die für andere Pfade existieren können.The method allows a position to be determined even when shaded in a path, since the at least one path that the detected at least one optical signal travels is suitably chosen or adjusted to avoid problems with shadowing that exists for other paths can.
Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.Further developments of the method are defined in the dependent claims.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren können verschiedene Messtechniken zur optischen Positionsbestimmung eingesetzt werden. Nach einem Ausführungsbeispiel kann das optische Signal ein optischer Frequenzkamm sein. Das optische Signal kann eine Repetitionsrate aufweisen. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Signalkomponente des wenigstens einen erfassten Signals auszuwerten, die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Phasenlage einer derartigen Signalkomponente zu ermitteln. Bei einem Ausführungsbeispiel können derartige Signalkomponenten mehrerer erfasster Signale ausgewertet werden, um mehrere voneinander linear unabhängige Weglängen zu messen, um zwei oder drei Koordinaten des Objekts zu bestimmen.In the apparatus and the method, various measurement techniques for optical position determination can be used. In one embodiment, the optical signal may be an optical frequency comb. The optical signal may have a repetition rate. The evaluation device can be set up to evaluate a signal component of the at least one detected signal which oscillates at a multiple of the repetition rate. The evaluation device can be set up to determine a phase position of such a signal component. In one embodiment, such signal components of a plurality of detected signals may be evaluated to measure a plurality of linearly independent path lengths to determine two or three coordinates of the object.
Nach einem weitere Aspekt wird eine Reflektoranordnung zur optischen Bestimmung einer Position eines Objekts angegeben. Die Reflektoranordnung kann insbesondere bei der Vorrichtung oder dem Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden. Die Vorrichtung umfasst voneinander beabstandet angeordnete Reflektoren zum Reflektieren von optischen Signalen und Mittel zum Beeinflussen der Reflexion der optischen Signale, wobei die Mittel eingerichtet sind, um die Reflexion der optischen Signale an den Reflektoren derart zu beeinflussen, dass jedes reflektierte optische Signal einem Reflektor der Reflektoren zuordenbar ist.In another aspect, a reflector assembly is provided for optically determining a position of an object. The reflector arrangement can be used in particular in the apparatus or the method according to an embodiment. The device comprises spaced-apart reflectors for reflecting optical signals and means for influencing the reflection of the optical signals, the means being arranged to influence the reflection of the optical signals at the reflectors such that each reflected optical signal is a reflector of the reflectors is assignable.
Die Verwendung einer derartigen Reflektoranordnung bei der Positionsbestimmung erlaubt es, dass mehr als ein Reflektor zur Reflexion optischer Signale zur Verfügung steht, so dass selbst bei Abschattung eines Reflektors der Reflektoranordnung eine Positionsbestimmung anhand der an einem weiteren Reflektor der Reflektoranordnung reflektierten Signale möglich bleibt. Die Mittel zum Beeinflussen erlauben die Identifizierung desjenigen Reflektors, an dem die Reflexion stattfindet.The use of such a reflector arrangement in the position determination allows more than one reflector to be available for reflection of optical signals, so that even with shading of a reflector of the reflector arrangement a position determination based on the signals reflected at a further reflector of the reflector arrangement remains possible. The means for influencing allow the identification of the reflector on which the reflection takes place.
Die Mittel zum Beeinflussen können beispielsweise einen elektrooptischen Amplitudenmodulator, der eine Pockels-Zelle umfassen kann, oder einen Flüssigkristall-Modulator umfassen. Die Mittel zum Beeinflussen können auch einen sättigbaren Absorber umfassen, der so eingerichtet sein kann, dass optische Signale jeweils nur an einem Reflektor der Reflektoranordnung reflektiert werden.The means for influencing may include, for example, an electro-optical amplitude modulator, which may comprise a Pockels cell, or a liquid crystal modulator. The means for influencing may also include a saturable absorber, which may be arranged so that optical signals are each reflected only at a reflector of the reflector arrangement.
Die Mittel zum Beeinflussen können derart eingerichtet sein, dass jeder Reflektor das optische Signale derart reflektiert, dass das reflektierte optische Signal einen Polarisationszustand aufweist, der dem Reflektor zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann jeder Reflektor eine ihm zugeordnete, spezifische Wellenlängenverschiebung hervorrufen.The influencing means may be arranged such that each reflector reflects the optical signal in such a way that the reflected optical signal has a polarization state associated with the reflector. Alternatively or additionally, each reflector can cause a specific wavelength shift associated therewith.
Die Messanordnungen, das Verfahren und die Reflektoranordnung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zur Positionsbestimmung eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.The measuring arrangements, the method and the reflector arrangement according to various embodiments of the invention can generally be used for position determination. An exemplary field of application are measurement applications in quantitative quality control, in particular in industrial production. However, the embodiments of the invention are not limited to these applications.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the accompanying drawings.
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel. 1 is a schematic representation of a device according to an embodiment.
2A und 2B sind schematische Darstellungen einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 2A and 2 B are schematic representations of a device according to another embodiment.
3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 3 is a schematic representation of a device according to another embodiment.
4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 4 is a schematic representation of a device according to another embodiment.
5 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 5 is a schematic representation of a device according to another embodiment.
6 ist eine schematische Darstellung einer Reflektoranordnung nach einem Ausführungsbeispiel. 6 is a schematic representation of a reflector assembly according to an embodiment.
7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 7 is a schematic representation of a device according to another embodiment.
8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. 8th is a schematic representation of a device according to another embodiment.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.Hereinafter, embodiments of the invention are explained in detail. The features of the various embodiments may be combined with each other unless expressly excluded in the following description. Although individual embodiments are described with respect to specific applications, for example in the context of an industrial plant, the present invention is not limited to these applications.
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen einer Position eines Objekts. Das Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, kann beispielsweise eine Komponente einer Maschine einer industriellen Anlage sein, z. B. ein Ende eines Roboterarms 19. 1 is a schematic representation of a device 1 for determining a position of an object. The object whose position is to be determined, for example, may be a component of a machine of an industrial plant, for. B. an end of a robot arm 19 ,
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelleneinrichtung mit einer Lichtquelle 2a, eine Detektoreinrichtung mit einem Fotodetektor 2b und eine mit der dem Fotodetektor 2b gekoppelte Auswerteeinrichtung. Bei der Vorrichtung von 1 sind die Lichtquelle 2a und der Detektor 2b in einer schematisch dargestellten Messeinheit 2 kombiniert. Die Lichtquelle 2a erzeugt ein optisches Signal, beispielsweise ein amplituden- oder phasenmoduliertes Signal, das mit optischen Komponenten geeignet zu einem Lichtkegel 7 aufgeweitet wird. Die Vorrichtung 1 ist für eine Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung eingerichtet, bei der das von der Lichtquelle 2 erzeugte optische Signal von einem Reflektor an dem Objekt 19 reflektiert und von dem Detektor 2b erfasst wird. Durch eine Auswertung des von dem Detektor 2b erfassten Signals, das beispielsweise eine Intensität des auf den Detektor einfallenden optischen Signals repräsentieren kann, ermittelt die Auswerteeinrichtung 6 die von dem optischen Signal, das an dem Objekt reflektiert wurde, zurückgelegte Weglänge.The device 1 includes a light source device with a light source 2a , a detector device with a photodetector 2 B and one with the photo detector 2 B coupled evaluation device. In the device of 1 are the light source 2a and the detector 2 B in a measuring unit shown schematically 2 combined. The light source 2a generates an optical signal, for example an amplitude or phase modulated signal, which with optical components suitable for a cone of light 7 is widened. The device 1 is arranged for a path length measurement in a reflection arrangement in which the light source 2 generated optical signal from a reflector on the object 19 reflected and from the detector 2 B is detected. By an evaluation of the from the detector 2 B detected signal, which may represent, for example, an intensity of the incident on the detector optical signal, determines the evaluation 6 the path length traveled by the optical signal reflected at the object.
Um eine Positionsermittlung auch bei Abschattung eines Retroreflektors, beispielsweise durch das Objekt 19 selbst, zu erlauben, weist die Vorrichtung 1 eine Mehrzahl von Retroreflektoren 5a, 5b, 5c auf, die an dem Objekt angebracht sind. Die Mehrzahl von Pfaden, die von optischen Signalen potenziell durchlaufen werden können, umfasst die Pfade, die von einer Lichtquelle über einen der Retroreflektoren zu einem Detektor führen. Das Vorsehen der Mehrzahl von Retroreflektoren 5a, 5b, 5c führt zu einer Redundanz von Pfaden derart, dass eine Weglängenmessung zur Positionsbestimmung auch noch möglich ist, falls ein Pfad der Mehrzahl von Pfaden durch ein Hindernis unterbrochen ist. Bei der in 1 schematisch dargestellten Betriebsposition ist der Retroreflektor 5c durch das Objekt 19 selbst abgeschattet, so dass ein optisches Signal, das von der Lichtquelle 2a in Richtung des Retroreflektors 5c ausgestrahlt wird, den Retroreflektor 5c nicht erreicht.In order to determine a position even with shading of a retroreflector, for example by the object 19 itself, to allow, points the device 1 a plurality of retroreflectors 5a . 5b . 5c on, which are attached to the object. The plurality of paths potentially traversable by optical signals includes the paths leading from a light source via one of the retroreflectors to a detector. The provision of the plurality of retroreflectors 5a . 5b . 5c leads to a redundancy of paths such that a path length measurement for position determination is still possible if one path of the plurality of paths is interrupted by an obstacle. At the in 1 schematically shown operating position is the retroreflector 5c through the object 19 itself shaded, leaving an optical signal coming from the light source 2a in the direction of the retroreflector 5c is broadcast, the retro-reflector 5c not reached.
Die Anzahl und Anordnung der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c an dem Objekt 19 kann derart gewählt werden, dass für alle Positionen des Objekts 19, in denen eine Positionsbestimmung nötig ist, zumindest ein freier Propagationspfad zwischen einem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c und einer Lichtquelle 2a und einem Detektor 2b existiert. Der Pfad oder die Pfade, den bzw. die die optischen Signale von der Lichtquelle 2a zu dem entsprechenden Retroreflektor bzw. den entsprechenden Retroreflektoren und zurück zu dem Detektor 2b durchlaufen können, repräsentieren wenigstens einen Pfad, der von optischen Signalen durchlaufen wird, die von dem Detektor 2b erfasst und zur Weglängenmessung ausgewertet werden.The number and arrangement of retroreflectors 5a . 5b . 5c on the object 19 can be chosen such that for all positions of the object 19 in which a position determination is necessary, at least one free propagation path between one of the retroreflectors 5a . 5b . 5c and a light source 2a and a detector 2 B exist. The path or paths that the optical signals from the light source 2a to the corresponding retroreflector or retroreflectors and back to the detector 2 B can pass through, represent at least one path which is traversed by optical signals from the detector 2 B recorded and evaluated for Weglängenmessung.
Basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Signal ermittelt die Auswerteeinrichtung 6 die von dem optischen Signal zurückgelegte Wegläge. Um aus der Weglänge einen Rückschluss auf die Position des Objekts 19 zu erhalten, identifiziert die Auswerteeinrichtung, welchen Weg der Mehrzahl von möglichen Wegen das erfasste optische Signal durchlaufen hat. Bei der Vorrichtung 1, die eine Mehrzahl von Retroreflektoren 5a, 5b, 5c an dem Objekt 19 aufweist, beinhaltet das Identifizieren des von dem erfassten optischen Signal durchlaufenen Pfades ein Identifizieren des Retroreflektors der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c, an dem das erfasste optische Signal reflektiert wurde.Based on that of the detector 2 B detected optical signal determines the evaluation 6 the distance traveled by the optical signal. To derive from the path length a conclusion to the position of the object 19 the evaluation device identifies which path of the plurality of possible paths the detected optical signal has traveled. In the device 1 containing a plurality of retroreflectors 5a . 5b . 5c on the object 19 identifying the path traversed by the detected optical signal includes identifying the retroreflector of the retroreflectors 5a . 5b . 5c at which the detected optical signal was reflected.
Information darüber, an welchem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c das erfasste optische Signal reflektiert wurde, kann bei der in 1 dargestellten Anwendung beispielsweise aus Daten ermittelt werden, die von einer Steuerung 20 des Roboterarms bereitgestellt werden. Die von der Steuerung 20 bereitgestellte Information kann eine Abschätzung für die Position des Objekts 19 liefern, aus der derjenige Retroreflektor der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c ermittelt werden kann, an dem das erfasste optische Signal reflektiert wurde. Die für die Ermittlung erforderliche Information über die Position der Retroreflektoren an dem Objekt 19 ist bekannt. Information about which of the retroreflectors 5a . 5b . 5c the detected optical signal has been reflected, can be used in the 1 For example, the application shown can be determined from data obtained from a controller 20 be provided of the robot arm. The from the controller 20 provided information may be an estimate for the position of the object 19 from which the retroreflector of the retroreflectors 5a . 5b . 5c can be determined, at which the detected optical signal was reflected. The information required for the determination of the position of the retroreflectors on the object 19 is known.
Um zu vermeiden, dass in einer Betriebsposition, wie sie schematisch in 1 dargestellt ist, bei der sowohl auf den Retroreflektor 5a als auch auf den Retroreflektor 5b Licht einfällt, gleichzeitig ein optisches Signal, das an dem Retroreflektor 5a reflektiert wurde, und ein weiteres optisches Signal, das an dem Retroreflektor 5b reflektiert wurde, von dem Detektor 2b erfasst wird, kann jeder der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c mit einem optischen Element versehen sein, mit dem die Reflexion von optischen Signalen an dem entsprechenden Retroreflektor unterdrückt werden kann. Jeder der Retroreflektoren kann mit einem sättigbaren Absorber versehen sein, der von dem optischen Signal passiert werden muss. Die sättigbaren Absorber schalten erst dann in einen transparenten Zustand, wenn ein ausreichend hoher Lichtpegel bzw. eine ausreichend hohe Lichtleistung auf sie einfällt. Die sättigbaren Absorber können so ausgestaltet sein, dass immer nur einer der sättigbaren Absorber transparent ist, so dass optische Signale nur an einem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c reflektiert werden. Falls mehrere unabhängige Weglängenmessungen durchgeführt werden, beispielsweise um mehrere Koordinaten der Position des Objekts zu bestimmen, können die sättigbaren Absorber so ausgestaltet sein, dass jeder Absorber erst dann transparent wird, wenn die gesamte, von verschiedenen Lichtquellen auf den Absorber einfallende Lichtintensität einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert kann so gewählt sein, dass Licht von mehr als einer Lichtquelle auf einen Absorber einfallen muss, damit dieser transparent wird.In order to avoid being in an operating position, as shown schematically in 1 is shown, in both the retroreflector 5a as well as the retroreflector 5b Light is incident, at the same time an optical signal, which at the Retroreflektor 5a was reflected, and another optical signal at the retroreflector 5b was reflected from the detector 2 B any of the retroreflectors can be detected 5a . 5b . 5c be provided with an optical element with which the reflection of optical signals at the corresponding retroreflector can be suppressed. Each of the retroreflectors may be provided with a saturable absorber which must be passed by the optical signal. The saturable absorbers only switch to a transparent state when a sufficiently high light level or a sufficiently high light output is incident on them. The saturable absorbers may be designed such that only one of the saturable absorbers is transparent, so that optical signals are only applied to one of the retroreflectors 5a . 5b . 5c be reflected. If a plurality of independent path length measurements are performed, for example to determine a plurality of coordinates of the position of the object, the saturable absorbers can be designed such that each absorber only becomes transparent if the total light intensity incident on the absorber by different light sources exceeds a predetermined threshold , The threshold may be selected so that light from more than one light source must be incident on an absorber to become transparent.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann jeder der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c oder kann ein Teil der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c mit einem elektrooptischen Schalter oder elektrooptischen Modulator versehen sein. Mit den elektrooptischen Schaltern kann eine Reflexion an den unterschiedlichen Retroreflektoren 5a, 5b, 5c zeitsequentiell erlaubt werden. Durch Synchronisierung zwischen einer Steuerung der elektrooptischen Schalter und der Signalauswertung in der Auswerteeinrichtung 6 können die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassten optischen Signale einem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c zugeordnet werden. Mit elektrooptischen Modulatoren können die an unterschiedlichen Retroreflektoren 5a, 5b, 5c reflektierten optischen Signalen so moduliert werden, dass eine Unterscheidung der an den unterschiedlichen Retroreflektoren reflektierten Signale durch eine Filterung an dem Detektor 2b oder in der Auswerteeinrichtung 6 möglich ist. Beispielsweise kann den an unterschiedlichen Retroreflektoren 5a, 5b, 5c reflektierten optischen Signalen eine Amplitudenmodulation aufgeprägt werden, so dass die Identifizierung des Retroreflektors durch geeignete Signalfilterung in der Auswerteeinrichtung 6 erfolgen kann.In other embodiments, each of the retroreflectors may be 5a . 5b . 5c or may be part of the retroreflectors 5a . 5b . 5c be provided with an electro-optical switch or electro-optical modulator. With the electro-optical switches, a reflection on the different retroreflectors 5a . 5b . 5c time sequential. By synchronization between a control of the electro-optical switch and the signal evaluation in the evaluation 6 For example, the optical signals detected at a particular time can be used by one of the retroreflectors 5a . 5b . 5c be assigned. Electro-optical modulators can be used on different retroreflectors 5a . 5b . 5c reflected optical signals are modulated so that a distinction of the signals reflected at the different retroreflectors by filtering on the detector 2 B or in the evaluation device 6 is possible. For example, at different retroreflectors 5a . 5b . 5c reflected optical signals amplitude modulation are impressed, so that the identification of the retroreflector by suitable signal filtering in the evaluation 6 can be done.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann jeder der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c oder kann ein Teil der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c mit einem Filter, beispielsweise einem Polarisations- oder Wellenlängenfilter, versehen sein. Die Messeinheit 2 kann entsprechend eingerichtet sein, um die erfassten optischen Signale basierend auf ihrem Polarisationszustand oder ihrer Wellenlänge zu unterscheiden und einem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c zuzuordnen.In other embodiments, each of the retroreflectors may be 5a . 5b . 5c or may be part of the retroreflectors 5a . 5b . 5c be provided with a filter, such as a polarization or wavelength filter. The measuring unit 2 may be configured to distinguish the detected optical signals based on their polarization state or wavelength and one of the retroreflectors 5a . 5b . 5c assigned.
Unter Bezugnahme auf 1 wurde eine Weglängenmessung in Bezug auf eine durch die Messeinheit 2 definierte ortsfeste Bezugsposition beschrieben. Weglängenmessungen können auch in Bezug auf mehrere Referenzpositionen durchgeführt werden, beispielsweise wenn mehrere Koordinaten der Position des Objekts im Raum ermittelt werden sollen.With reference to 1 was a path length measurement with respect to a through the measuring unit 2 defined fixed reference position described. Path length measurements can also be performed with respect to several reference positions, for example, if several coordinates of the position of the object in space are to be determined.
2A und 2B sind schematische Darstellungen einer Vorrichtung 21 zum Bestimmen einer Position eines Objekts 19 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 21, die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. 2A and 2 B are schematic representations of a device 21 for determining a position of an object 19 according to a further embodiment. Elements or devices of the device 21 , which in their design and function with reference to 1 described elements or devices of the device 1 are denoted by the same reference numerals.
Die Vorrichtung 21 umfasst drei beabstandet voneinander angeordnete Messeinheiten 2, 3 und 4, von denen jede eine Lichtquelle und einen Detektor aufweist, eine Mehrzahl von an dem Objekt 19 angebrachten Retroreflektoren 5a, 5b, 5c und eine mit den Messeinheiten 2, 3 und 4 gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die basierend auf den von den Detektoren der Messeinheiten 2, 3 und 4 erfassten optischen Signale die von den erfassten optischen Signalen zurückgelegten Weglängen ermittelt. Die Lichtquelle der Messeinheit 2 gibt optische Signale in einen Lichtkegel 7 ab. Die Lichtquelle der Messeinheit 3 gibt optische Signale in einen Lichtkegel 8 ab. Die Lichtquelle der Messeinheit 4 gibt optische Signale in einen Lichtkegel 9 ab.The device 21 comprises three measuring units arranged at a distance from one another 2 . 3 and 4 each having a light source and a detector, a plurality of the object 19 attached retroreflectors 5a . 5b . 5c and one with the measurement units 2 . 3 and 4 coupled evaluation device 6 based on that of the detectors of the measuring units 2 . 3 and 4 detected optical signals determined by the detected optical signals path lengths. The light source of the measuring unit 2 gives optical signals in a cone of light 7 from. The light source of the measuring unit 3 gives optical signals in a cone of light 8th from. The light source of the measuring unit 4 gives optical signals in a cone of light 9 from.
Das Vorsehen der Mehrzahl von an dem Objekt 19 angebrachten Retroreflektoren 5a, 5b, 5c bewirkt, dass bei der in 2A schematisch dargestellten Betriebsposition optische Signale von der Messeinheit 2 einen Pfad 12 zu dem Retroreflektor 5b und zurück zu der Messeinheit 2 durchlaufen können, dass optische Signale von der Messeinheit 3 einen Pfad 13 zu dem Retroreflektor 5b und zurück zu der Messeinheit 3 durchlaufen können, dass optische Signale von der Messeinheit 4 einen Pfad 14 zu dem Retroreflektor 5b und zurück zu der Messeinheit 4 durchlaufen können, dass optische Signale von der Messeinheit 2 einen Pfad 15 zu dem Retroreflektor 5a und zurück zu der Messeinheit 2 durchlaufen können und dass optische Signale von der Messeinheit 4 einen Pfad 16 zu dem Retroreflektor 5c und zurück zu der Messeinheit 4 durchlaufen können. Da die Anzahl von Pfaden größer als drei ist, können drei Raumkoordinaten der Position des Objekts 19 bestimmt werden. Aufgrund der mehreren Retroreflektoren 5a, 5b, 5c ist die Positionsbestimmung möglich, obwohl das Objekt 19 den Retroreflektor 5c gegen die Messeinheiten 2 und 3 abschattet.The provision of the plurality of on the object 19 attached retroreflectors 5a . 5b . 5c causes at the in 2A schematically illustrated operating position optical signals from the measuring unit 2 a path 12 to the retroreflector 5b and back to the measurement unit 2 can go through that optical signals from the measuring unit 3 a path 13 to the retroreflector 5b and back to the measurement unit 3 can go through that optical signals from the measuring unit 4 a path 14 to the retroreflector 5b and back to the measurement unit 4 can go through that optical signals from the measuring unit 2 a path 15 to the retroreflector 5a and back to the measurement unit 2 can go through and that optical signals from the measuring unit 4 a path 16 to the retroreflector 5c and back to the measurement unit 4 can go through. Since the number of paths is greater than three, three spatial coordinates of the position of the object 19 be determined. Due to the multiple retroreflectors 5a . 5b . 5c the position determination is possible, although the object 19 the retro reflector 5c against the measuring units 2 and 3 shades.
Die Vorrichtung 21 ist so eingerichtet, dass für die von den Detektoren der Messeinheiten 2, 3 und 4 erfassten optischen Signale die entsprechenden Pfade ermittelbar sind. Das Identifizieren der entsprechenden Pfade kann ein Identifizieren desjenigen Retroreflektors 5a, 5b, 5c umfassen, an dem das erfasste optische Signal reflektiert wurde. Dazu können insbesondere die verschiedenen unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Methoden eingesetzt werden. Zusätzlich kann das Identifizieren der entsprechenden Pfade ein Identifizieren der Lichtquelle umfassen, von der das optische Signal ausgegeben wurde. Um eine Unterscheidung der Lichtquellen zu ermöglich, können die Lichtquellen beispielsweise optische Signale unterschiedlicher Charakteristik, beispielsweise mit unterschiedlichen Wellenlängen, unterschiedlicher Polarisation oder unterschiedlicher Phasen- oder Amplitudenmodulation erzeugen.The device 21 is set up for that of the detectors of the measuring units 2 . 3 and 4 detected optical signals, the corresponding paths can be determined. Identifying the corresponding paths may include identifying the retroreflector 5a . 5b . 5c include, where the detected optical signal was reflected. For this purpose, in particular the various with reference to 1 described methods are used. In addition, identifying the respective paths may include identifying the light source from which the optical signal was output. In order to make it possible to distinguish the light sources, the light sources can, for example, generate optical signals of different characteristics, for example with different wavelengths, different polarization or different phase or amplitude modulation.
2B zeigt die Vorrichtung 21, wobei ein drittes Objekt 18 die Retroreflektoren 5b und 5c gegenüber der Messeinheit 4 abschattet, so dass das von der Lichtquelle der Messeinheit 4 in Richtung des Retroreflektors 5b entlang einem Pfad 14' ausgegebene optische Signal und das von der Lichtquelle der Messeinheit 4 in Richtung des Retroreflektors 5c entlang einem Pfad 16' ausgegebene optische Signal nicht zu den Retroreflektoren 5b, 5c gelangt. Aufgrund der Anzahl und Anordnung der Retroreflektoren 5a, 5b und der Lichtquellen und Detektoren der Messeinheiten 2, 3 können die Weglängen der Signalpfade 12, 13 und 15, in denen keine Abschattung vorliegt, gemessen und zur Positionsbestimmung herangezogen werden. 2 B shows the device 21 , being a third object 18 the retroreflectors 5b and 5c opposite the measuring unit 4 shaded, leaving the light source of the measuring unit 4 in the direction of the retroreflector 5b along a path 14 ' output optical signal and that of the light source of the measuring unit 4 in the direction of the retroreflector 5c along a path 16 ' output optical signal not to the retroreflectors 5b . 5c arrives. Due to the number and arrangement of the retroreflectors 5a . 5b and the light sources and detectors of the measuring units 2 . 3 can change the path lengths of the signal paths 12 . 13 and 15 , in which there is no shading, measured and used to determine the position.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung zur Positionsbestimmung derart, dass diejenigen Pfade, in denen keine Abschattung vorliegt, zur Positionsbestimmung herangezogen werden, kann auch erreicht werden, indem eine Lichtquelleneinrichtung an einer Mehrzahl von Positionen optische Signale ausgibt. Dazu kann die Lichtquelleneinrichtung mehrere Lichtquellen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können unter Verwendung eines Strahlteilers optische Signale, die beispielsweise von einem Laser erzeugt werden, von mehreren Positionen aus in den Raumbereich eingestrahlt werden, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die beispielsweise von einem einzigen Laser erzeugten optischen Signale in einer Mehrzahl von optischen Fasern geführt werden, wobei die Enden der optischen Fasern als voneinander beabstandete Lichtquellen wirken.An embodiment of the device for position determination such that those paths in which there is no shading are used to determine the position can also be achieved by emitting a light source device at a plurality of positions optical signals. For this purpose, the light source device can have a plurality of light sources. Alternatively or additionally, using a beam splitter, optical signals which are generated, for example, by a laser, can be radiated from a plurality of positions into the spatial region in which the position of the object is to be determined. In another embodiment, the optical signals generated by, for example, a single laser may be guided in a plurality of optical fibers, the ends of the optical fibers acting as spaced-apart light sources.
3 ist eine schematische Darstellungen einer Vorrichtung 31 zum Bestimmen einer Position eines Objekts 19 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 31, die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. 3 is a schematic representations of a device 31 for determining a position of an object 19 according to a further embodiment. Elements or devices of the device 31 , which in their design and function with reference to 1 described elements or devices of the device 1 are denoted by the same reference numerals.
Die Vorrichtung 31 umfasst eine Lichtquelleneinrichtung mit einer Messeinheit 32, die einen Laser 32a und einen (nicht dargestellten) Detektor umfasst, einen an dem Objekt 19 angebrachten Retroreflektor 5 und eine Auswerteeinrichtung 6, die mit dem Detektor gekoppelt ist, um das von dem Detektor erfasste optische Signal bzw. die von dem Detektor erfassten optischen Signale zur Weglängenbestimmung auszuwerten. Die Messeinheit 32 ist mit einer Mehrzahl von optischen Fasern 33, 34, 35 gekoppelt, in die die von dem Laser 32a erzeugten optischen Signale eingekoppelt werden. Von Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 aus werden die optischen Signale in Lichtkegeln 46, 47, 48 in den Raumbereich abgegeben, in dem das Objekt positioniert ist, dessen Position bestimmt werden soll. Die Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 können so positioniert sein, dass der Retroreflektor 5 für alle Positionen des Objekts 19, in denen eine Positionsbestimmung gewünscht wird, eine freie Sichtlinie zu wenigstens einem der Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 hat. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 so positioniert sein, dass der Retroreflektor 5 für alle Positionen des Objekts 19, in denen eine Positionsbestimmung gewünscht wird, auch unter Berücksichtigung der Abschattung durch das Objekt 19 eine freie Sichtlinie zu mindestens einer Anzahl von Enden der optischen Fasern aufweist, die der Anzahl von zu bestimmenden Koordinaten des Objekts entspricht. Die Anordnung und Anzahl der Enden der Glasfasern kann abhängig von den geometrischen Eigenschaften des Objekts 19 sowie ggf. abhängig von den geometrischen Eigenschaften anderer Objekte gewählt werden, die in dem Raumbereich angeordnet sind, in dem die Position des Objekts 19 bestimmt werden soll.The device 31 comprises a light source device with a measuring unit 32 that have a laser 32a and a detector (not shown), one on the object 19 attached retroreflector 5 and an evaluation device 6 coupled to the detector for evaluating the optical signal detected by the detector and the path length detection optical signals detected by the detector, respectively. The measuring unit 32 is with a plurality of optical fibers 33 . 34 . 35 coupled to that of the laser 32a generated optical signals are coupled. From ends 36 . 37 . 38 the optical fibers 33 . 34 . 35 The optical signals are emitted in cones of light 46 . 47 . 48 into the space area in which the object is positioned whose position is to be determined. The ends 36 . 37 . 38 the optical fibers 33 . 34 . 35 can be positioned so that the retroreflector 5 for all positions of the object 19 in which a position determination is desired, a free line of sight to at least one of the ends 36 . 37 . 38 the optical fibers 33 . 34 . 35 Has. In a further embodiment, the ends 36 . 37 . 38 the optical fibers 33 . 34 . 35 be positioned so that the retroreflector 5 for all positions of the object 19 in which a position determination is desired, also taking into account the shading by the object 19 has a free line of sight to at least a number of ends of the optical fibers, which corresponds to the number of coordinates of the object to be determined. The arrangement and number of ends of the glass fibers may depend on the geometric properties of the object 19 and possibly depending on the geometric properties other objects are arranged, which are arranged in the space area in which the position of the object 19 should be determined.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung zur Positionsbestimmung derart eingerichtet, dass eine Position des Retroreflektors relativ zu dem Objekt eingestellt werden kann. Dazu kann beispielsweise der Retroreflektor 5 um eine Längsachse des Endstücks des Roboterarms drehbar gelagert sein, wie mit dem Pfeil 43 schematisch angedeutet. Insbesondere kann der Retroreflektor 5 derart angebracht sein, dass nur eine Drehung um eine rotationssymmetrische Achse des Roboterarms erforderlich ist, um den Retroreflektor 5 zu positionieren. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, dass die momentane Position des Retroreflektors 5 die wirkenden statischen Kräften zwischen den Roboterachsen nicht beeinflusst.In one embodiment, the position determining device is configured such that a position of the retroreflector relative to the object can be adjusted. This can, for example, the retroreflector 5 be rotatably mounted about a longitudinal axis of the end piece of the robot arm, as with the arrow 43 indicated schematically. In particular, the retroreflector 5 be mounted so that only a rotation about a rotationally symmetrical axis of the robot arm is required to the retroreflector 5 to position. Such a configuration allows the instantaneous position of the retroreflector 5 does not affect the acting static forces between the robot axes.
Die Position der Retroreflektors kann derart eingestellt werden, dass der Retroreflektor eine freie Sichtlinie zu wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Detektor aufweist. Die Einstellung der Position des Retroreflektors kann durch eine Steuerelektronik abhängig von Informationen über die momentane Position des Objekts 19, die von der Steuerung 20 des Roboterarms bereitgestellt werden, oder durch eine Regelelektronik abhängig von von einem oder mehreren Detektoren der Vorrichtung erfassten Lichtintensitäten erfolgen. Die Steuerelektronik oder Regelelektronik kann ein entsprechendes Steuersignal an einen Aktuator ausgeben, um die Position oder Ausrichtung des Retroreflektors zu beeinflussen. Die Einstellung der Position des Retroreflektors kann derart erfolgen, dass eine erfasste Lichtintensität des reflektierten optischen Signals erhöht, insbesondere maximiert wird.The position of the retroreflectors can be adjusted such that the retroreflector has a free line of sight to at least one light source and at least one detector. Adjusting the position of the retroreflector may be controlled by control electronics depending on information about the instantaneous position of the object 19 that from the controller 20 be provided by the robot arm, or by control electronics depending on detected by one or more detectors of the device light intensities. The control electronics or control electronics can output a corresponding control signal to an actuator to influence the position or orientation of the retroreflector. The adjustment of the position of the retroreflector can be made such that a detected light intensity of the reflected optical signal is increased, in particular maximized.
Die Vorrichtung 31 kann derart eingerichtet sein, dass der Retroreflektor 5 in einen der Strahlkegel 46, 47, 48 gedreht werden kann, um eine Abschattung zu vermeiden. Dazu weist die Vorrichtung 31 einen Aktuator 42 auf, mit dem eine Position des Retroreflektors 5 eingestellt werden kann.The device 31 may be arranged such that the retroreflector 5 into one of the beam cones 46 . 47 . 48 can be rotated to avoid shading. For this purpose, the device 31 an actuator 42 on, with which a position of the retroreflector 5 can be adjusted.
Wenn der Retroreflektor beweglich, insbesondere drehbar gelagert, an dem Objekt 19 angebracht ist, erfolgt die Bestimmung der Position des Objekts abhängig von sowohl der oder den Weglängen, die aus den erfassten optischen Signalen ermittelt werden, als auch einer Position oder Ausrichtung des Retroreflektors relativ zu dem Objekt 19. Informationen über die Position oder Ausrichtung des Retroreflektors relativ zu dem Objekt 19 können von der Steuerelektronik oder Regelelektronik bereitgestellt werden, die die Position oder Ausrichtung des Retroreflektors relativ zu dem Objekt steuert oder regelt. Vorteilhaft ist dabei die Steuerelektronik oder Regelelektronik derart eingestellt, dass sie Informationen über einen Drehwinkel des Retroreflektors abhängig von einer für die Positionsbestimmung des Objekts gewünschten Genauigkeit bereitstellt. Alternativ oder zusätzlich kann Information über einen Drehwinkel des Retroreflektors auch von einer geeigneten Sensorik bereitgestellt werden, beispielsweise von einem an dem Objekt angebrachten analogen oder digitalen Winkel-Encoder. Insbesondere kann Information über den Drehwinkel mit um so höherer Genauigkeit bereitgestellt werden, je weiter von der Drehachse entfernt der Retroreflektor angeordnet ist.If the retroreflector is movable, in particular rotatably mounted, on the object 19 is appropriate, the determination of the position of the object takes place depending on both the path length (s) determined from the detected optical signals and a position or orientation of the retroreflector relative to the object 19 , Information about the position or orientation of the retroreflector relative to the object 19 may be provided by the control electronics or control electronics that control or regulate the position or orientation of the retroreflector relative to the object. Advantageously, the control electronics or control electronics are set such that they provide information about a rotation angle of the retroreflector depending on a desired for determining the position of the object accuracy. Alternatively or additionally, information about a rotation angle of the retroreflector can also be provided by a suitable sensor system, for example by an analog or digital angle encoder attached to the object. In particular, information about the rotation angle can be provided with the higher accuracy the farther from the rotation axis the retroreflector is arranged.
Eine beweglich gelagerte Anbringung eines Retroreflektors an dem Objekt ist nicht nur für einen Retroreflektor möglich, sondern auch dann, wenn mehrere Retroreflektoren an dem Objekt vorgesehen sind, wie dies unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben wurde. In diesem Fall können die Retroreflektoren eine zueinander vorgegebene Anordnung, d. h. fixe Relativpositionen, aufweisen. Die Reflektoranordnung kann so positioniert werden, dass der für eine hohe Signalgüte am günstigsten liegende Retroreflektor in einen Strahlkegel gedreht wird, so dass keine Abschattungsprobleme auftreten. Eine Einstellung der Position oder Ausrichtung der Reflektoranordnung kann auch derart erfolgen, dass der Detektor der Vorrichtung einen möglichst hohen Signalpegel erfasst.A movably mounted attachment of a retroreflector to the object is possible not only for a retroreflector, but also when multiple retroreflectors are provided on the object as described with reference to FIG 1 and 2 has been described. In this case, the retroreflectors may have a mutually predetermined arrangement, ie fixed relative positions. The reflector arrangement can be positioned in such a way that the retroreflector most favorably located for a high signal quality is turned into a beam cone so that no shading problems occur. An adjustment of the position or orientation of the reflector arrangement can also take place in such a way that the detector of the device detects the highest possible signal level.
Unter Bezugnahme auf 1–3 wurden Ausführungsbeispiele im Kontext einer Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung erläutert, bei der ein oder mehrere Reflektoren am Objekt vorgesehen ist bzw. sind, und eine Lichtquelle und ein Detektor ortsfest vorgesehen sind. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann auch der umgekehrte Strahlengang realisiert sein, wobei Licht an dem Objekt abgestrahlt und nach Durchlaufen eines Pfades über einen, beispielsweise ortsfest vorgesehenen, Reflektor wieder am Objekt empfangen wird.With reference to 1 - 3 Embodiments have been explained in the context of a path length measurement in a reflection arrangement, in which one or more reflectors is or are provided on the object, and a light source and a detector are provided stationary. In further embodiments, the reverse beam path can be realized, wherein light is emitted to the object and, after passing through a path via a, for example, stationary provided, reflector is again received at the object.
7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 91 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung mit einem Laser oder einer anderen Lichtquelle 92a und mit einer Detektoreinrichtung 92b sowie eine mit der Detektoreinrichtung 92b gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und Funktion den entsprechenden Komponenten der unter Bezugnahme auf 1–3 erläuterten Ausführungsbeispiele entsprechen. Mit der Messeinrichtung ist über geeignete optische Komponenten eine Lichtleitfaser 93 gekoppelt, die das von der Lichtquelle 92a erzeugte optische Signal bis zu dem Objekt führt, dessen Position ermittelt werden soll und das beispielhaft als Roboterhand eines Roboterarms 94 dargestellt ist. Das an dem Objekt angebrachte Ende 107 der Lichtleitfaser 93 empfängt das optische Signal, nachdem es von dem Ende 107 der Lichtleitfaser zu einem Retroreflektor und zurück zu dem Ende 107 der Lichtleitfaser gelaufen ist, und führt es zu der Detektoreinrichtung 92b. 7 is a schematic representation of a device 91 according to a further embodiment. The device comprises a measuring device with a laser or another light source 92a and with a detector device 92b and one with the detector device 92b coupled evaluation device 6 which, with regard to their design and function, the corresponding components of the reference to 1 - 3 correspond to explained embodiments. The measuring device is an optical fiber via suitable optical components 93 coupled to that from the light source 92a generated optical signal leads to the object whose position is to be determined and the example as a robot hand of a robot arm 94 is shown. The end attached to the object 107 the optical fiber 93 receives the optical signal after it has arrived from the end 107 the optical fiber to a retroreflector and back to the end 107 the optical fiber has passed and leads it to the detector device 92b ,
Die Vorrichtung 91 weist eine Mehrzahl von Retroreflektoren 97, 101–103 auf, die an bekannten Orten, beispielsweise ortsfest, angeordnet sind. Beispielhaft sind zwei Reflektoranordnungen 95, 96 mit jeweils drei Retroreflektoren dargestellt. Sofern keine Abschattung vorliegt, durchläuft das optische Signal, das an dem Ende 107 der Lichtleitfaser aus dieser austritt, eine Mehrzahl von Pfaden 98, 104–106 zu jeweils einem der Retroreflektoren, von wo es zurück auf das Ende 107 der Lichtleitfaser reflektiert wird. Falls erforderlich, können an dem Ende 107 der Lichtleitfaser geeignete optische Komponenten vorgesehen sein, die beispielsweise einen Abstrahlkegel des optischen Signals aus dem Ende 107 der Lichtleitfaser oder ein Einkoppeln von reflektierten Signalen in die Lichtleitfaser 93 beeinflussen können. Die reflektierten optischen Signale werden über die Lichtleitfaser 93 zu der Detektoreinrichtung 92b geführt, um Weglängen der verschiedenen Pfade zu ermitteln.The device 91 has a plurality of retroreflectors 97 . 101 - 103 on, in known places, for example, stationary, are arranged. By way of example, two reflector arrangements 95 . 96 each represented with three retroreflectors. If there is no shading, the optical signal passes through at the end 107 the optical fiber exits from this, a plurality of paths 98 . 104 - 106 to each one of the retroreflectors, from where it returns to the end 107 the optical fiber is reflected. If necessary, can be at the end 107 the optical fiber suitable optical components may be provided, for example, a Abstrahlkegel the optical signal from the end 107 the optical fiber or a coupling of reflected signals into the optical fiber 93 can influence. The reflected optical signals are transmitted through the optical fiber 93 to the detector device 92b guided to determine path lengths of the various paths.
Ein Zuordenbarkeit von erfassten Signalen zu unterschiedlichen Pfaden, d. h. eine Identifizierung desjenigen Retroreflektors, an dem ein der Detektoreinrichtung 92b über die Lichtleitfaser 93 zugeführtes Signal reflektiert wurde, kann wie bei den unter Bezugnahme auf 1–3 beschriebenen Vorrichtungen realisiert werden. Beispielsweise können die Retroreflektoren so eingerichtet sein, dass das daran reflektierte optische Signal geeignet codiert wird, beispielsweise im Hinblick auf seine Wellenlänge oder Polarisation. Alternativ oder zusätzlich kann eine zeitsequentielle Reflexion an unterschiedlichen Retroreflektoren vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine grobe Abschätzung der Position des Objekts, die beispielsweise durch die Steuerung des Roboterarms 94 bereitgestellt werden kann, verwendet werden, um unterschiedliche erfasste Signal den unterschiedlichen Pfaden zuzuordnen. Durch Vorsehen einer ausreichend großen Anzahl von Retroreflektoren kann eine Redundanz derart geschaffen werden, dass eine Positionsbestimmung selbst dann noch möglich ist, falls eine Abschattung in einem Pfad oder in mehreren Pfaden vorliegt. Bei der Vorrichtung 91 ist eine Positionsbestimmung beispielsweise selbst dann noch möglich, wenn alle Reflektoren der Reflektoranordnung 95 gegenüber dem Ende 107 der Lichtleitfaser abgeschattet sind.An assignability of detected signals to different paths, ie an identification of that retroreflector to which one of the detector means 92b over the optical fiber 93 supplied signal may be, as in the reference to 1 - 3 described devices can be realized. For example, the retroreflectors may be arranged to suitably encode the optical signal reflected thereon, for example, in terms of its wavelength or polarization. Alternatively or additionally, a time-sequential reflection at different retroreflectors may be provided. Alternatively or additionally, a rough estimate of the position of the object, for example by the control of the robot arm 94 can be used to assign different detected signal to the different paths. By providing a sufficiently large number of retroreflectors, redundancy can be provided such that position determination is still possible even if shading exists in one path or in multiple paths. In the device 91 is a position determination, for example, even then possible if all the reflectors of the reflector assembly 95 towards the end 107 the optical fiber are shaded.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Mehrzahl von Retroreflektoren kann auch eine Mehrzahl von Lichtleitfasern vorgesehen sein.Alternatively or in addition to a plurality of retroreflectors, a plurality of optical fibers may also be provided.
8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 111 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung mit einem Laser oder einer anderen Lichtquelle 112a und mit einer Detektoreinrichtung 112b sowie eine mit der Detektoreinrichtung 112b gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und Funktion den entsprechenden Komponenten der unter Bezugnahme auf 1–3 erläuterten Ausführungsbeispiele entsprechen. Mit der Messeinrichtung sind über geeignete optische Komponenten mehrere Lichtleitfasern 114–116 gekoppelt. Die Lichtleitfasern 114–116 können insbesondere über einen optischen Multiplexer 113 mit der Messeinrichtung gekoppelt sein, so dass selektiv optische Signale in eine der Lichtleitfasern 114–116 eingekoppelt werden können und selektiv reflektierte optische Signale, die in einer der Lichtleitfasern 114–116 geführt werden, von der Detektoreinrichtung 112b erfasst und ausgewertet werden können. Enden 134–136 der Lichtleitfasern 114–116 sind an dem Objekt, dessen Position ermittelt werden soll und das beispielhaft als Roboterhand eines Roboterarms 94 dargestellt ist, so angeordnet, dass das von der Lichtquelle 92a erzeugte optische Signal aus den Enden 134–136 in unterschiedliche Bereiche 117–119, beispielsweise in unterschiedlichen Lichtkegeln, austritt, wenn es in der entsprechenden Lichtleitfaser 114–116 geführt wird. Ein in die entsprechende Lichtleitfaser an ihrem Ende 134–136 nach Durchlaufen des Pfades zu einem Retroreflektor wieder eingekoppeltes Signal wird in der entsprechenden Lichtleitfaser zu der Detektoreinrichtung 112b geführt. Falls erforderlich, können an dem Objekt geeignete Komponenten vorgesehen sein, die beispielsweise einen Abstrahlkegel des optischen Signals aus den Enden 134–136 der Lichtleitfasern oder ein Einkoppeln von reflektierten Signalen in die Lichtleitfasern 113–115 beeinflussen können. Beispielsweise kann an den Enden jeder Lichtleitfaser, an denen diese Licht in den Raumbereich abgeben oder Licht aus dem Raumbereich empfangen, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll, jeweils ein Kollimator vorgesehen sein. 8th is a schematic representation of a device 111 according to a further embodiment. The device comprises a measuring device with a laser or another light source 112a and with a detector device 112b and one with the detector device 112b coupled evaluation device 6 which, with regard to their design and function, the corresponding components of the reference to 1 - 3 correspond to explained embodiments. With the measuring device are several optical fibers via suitable optical components 114 - 116 coupled. The optical fibers 114 - 116 in particular via an optical multiplexer 113 be coupled to the measuring device, so that selectively optical signals in one of the optical fibers 114 - 116 can be coupled and selectively reflected optical signals in one of the optical fibers 114 - 116 be guided by the detector device 112b recorded and evaluated. end up 134 - 136 the optical fibers 114 - 116 are at the object whose position is to be determined and exemplified as the robot hand of a robot arm 94 is shown, arranged so that from the light source 92a generated optical signal from the ends 134 - 136 in different areas 117 - 119 , for example, in different cones of light, leaking when in the appropriate optical fiber 114 - 116 to be led. One in the appropriate optical fiber at its end 134 - 136 After passing through the path to a retroreflector re-coupled signal is in the corresponding optical fiber to the detector device 112b guided. If necessary, suitable components may be provided on the object, including, for example, a radiation cone of the optical signal from the ends 134 - 136 the optical fibers or a coupling of reflected signals into the optical fibers 113 - 115 can influence. For example, a collimator may be provided at the ends of each optical fiber at which they emit light into the spatial area or receive light from the spatial area in which the position of the object is to be determined.
Die Vorrichtung 111 weist eine Mehrzahl von Retroreflektoren 121–125 auf, die ortsfest angeordnet sein können. Die Retroreflektoren können so angeordnet sein, dass für die relevanten Betriebspositionen der Roboterarms jeweils nur einer der Lichtkegel 117–119 Licht auf die Retroreflektoren 121–125 einstrahlt, wobei der entsprechende Lichtkegel, der freie Sicht auf die Reflektoranordnung hat, abhängig von der Position und Ausrichtung des Roboterarms 94 unterschiedlich sein kann. Abhängig von der Position oder Ausrichtung des Roboterarms 94 kann der optische Multiplexer 113 so gesteuert werden, dass entsprechend Licht in eine gewünschte Lichtleitfaser der Lichtleitfasern 113–115 eingekoppelt wird, die freie Sicht auf eine ausreichende Anzahl an Retroreflektoren 121–125 hat.The device 111 has a plurality of retroreflectors 121 - 125 on, which can be arranged stationary. The retroreflectors may be arranged so that only one of the light cones for the relevant operating positions of the robot arm 117 - 119 Light on the retroreflectors 121 - 125 radiates, wherein the corresponding light cone, which has a clear view of the reflector assembly, depending on the position and orientation of the robot arm 94 can be different. Depending on the position or orientation of the robot arm 94 can the optical multiplexer 113 be controlled so that in accordance with light in a desired optical fiber of the optical fibers 113 - 115 coupled, the clear view of a sufficient number of retroreflectors 121 - 125 Has.
Neben der durch den Multiplexer 113 realisierten Auswahl der Position, an der das optische Signal am Objekt abgestrahlt und empfangen werden kann, kann die Zuordenbarkeit von den erfassten optischen Signalen nach ihrer Reflexion zu unterschiedlichen Pfaden, d. h. eine Identifizierung desjenigen Retroreflektors 121–125, an dem ein der Detektoreinrichtung 92b zugeführtes Signal reflektiert wurde, wie bei den unter Bezugnahme auf 1–3 beschriebenen Vorrichtungen realisiert werden. Beispielsweise können die Retroreflektoren so eingerichtet sein, dass das daran reflektierte optische Signal geeignet codiert ist, beispielsweise im Hinblick auf seine Wellenlänge oder Polarisation. Alternativ oder zusätzlich kann eine zeitsequentielle Reflexion an unterschiedlichen Retroreflektoren vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine grobe Abschätzung der Position des Objekts, die beispielsweise durch die Steuerung des Roboterarms 94 bereitgestellt werden kann, verwendet werden, um unterschiedliche erfasste Signal den unterschiedlichen Pfaden zuzuordnen.In addition to through the multiplexer 113 realized selection of the position at which the optical signal emitted and received at the object can be, the assignability of the detected optical signals after their reflection to different paths, ie an identification of that retroreflector 121 - 125 to which one of the detector means 92b supplied signal was reflected as in the reference to 1 - 3 described devices can be realized. For example, the retroreflectors may be arranged so that the optical signal reflected thereon is suitably coded, for example with regard to its wavelength or polarization. Alternatively or additionally, a time-sequential reflection at different retroreflectors may be provided. Alternatively or additionally, a rough estimate of the position of the object, for example by the control of the robot arm 94 can be used to assign different detected signal to the different paths.
Auch wenn unter Bezugnahme auf 7 und 8 Vorrichtungen beschrieben wurden, bei denen eine ausreichende Anzahl von Reflektoren bzw. Enden von Lichtleitfasern vorgesehen sind, so dass eine Positionsbestimmung auch bei Abschattung in einem Pfad möglich ist, können nach einem weiteren Aspekt der Erfindung die unter Bezugnahme auf 7 und 8 erläuterten Vorrichtungen auch so eingerichtet sein, dass die Anzahl der Pfade, deren Weglänge bestimmbar ist, gleich der Anzahl der zu bestimmenden Freiheitsgrade des Objekts ist.Even if referring to 7 and 8th Devices have been described in which a sufficient number of reflectors or ends of optical fibers are provided so that a position determination is also possible with shading in a path, according to a further aspect of the invention with reference to 7 and 8th explained devices may also be set up so that the number of paths whose path length can be determined, equal to the number of degrees of freedom of the object to be determined.
Unter Bezugnahme auf 1–3, 7 und 8 wurden Ausführungsbeispiele im Kontext einer Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung erläutert. Alternativ kann auch eine Einfachanordnung gewählt werden, bei der Licht an dem Objekt ausgegeben oder erfasst wird. Eine Ausgestaltung der Vorrichtung derart, dass auch bei Abschattung in einem Pfad zwischen Lichtquelle und Detektor noch eine Positionsbestimmung möglich ist, kann beispielsweise erreicht werden, indem Enden einer Mehrzahl von optischen Fasern an dem Objekt 19 voneinander beabstandet vorgesehen sind. Die optischen Fasern können mit einer Lichtquelle verbunden sein, so dass die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Anfangspositionen für Pfade der optischen Signale dienen. Die optischen Fasern können alternativ mit einem Detektor oder mehreren Detektoren verbunden sein, wobei die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Endpositionen für die Pfade der optischen Signale dienen, von denen aus die Signale zu dem Detektor bzw. den Detektoren geführt werden.With reference to 1 - 3 . 7 and 8th Exemplary embodiments have been explained in the context of a path length measurement in a reflection arrangement. Alternatively, a simple arrangement can be selected in which light is emitted or detected at the object. An embodiment of the device such that a position determination is still possible even when shading in a path between the light source and the detector can be achieved, for example, by terminating a plurality of optical fibers on the object 19 are provided spaced from each other. The optical fibers may be connected to a light source so that the ends of the optical fibers provided on the object serve as initial positions for paths of the optical signals. The optical fibers may alternatively be connected to one or more detectors, the ends of the optical fibers provided on the object serving as end positions for the paths of the optical signals from which the signals are fed to the detector (s).
Falls das Ende einer optischen Faser oder mehrere Enden mehrerer optischer Fasern an dem Objekt angebracht ist bzw. sind, kann das Ende der optischen Faser bzw. können die Enden der optischen Fasern beweglich, insbesondere drehbar gelagert, vorgesehen sein. Eine Einstellung der Position des Endes der optischen Faser bzw. der Enden der optischen Faser, das bzw. die an dem Objekt vorgesehen ist bzw. sind, kann wie unter Bezugnahme auf 3 für den Retroreflektor 5 beschrieben erfolgen.If the end of an optical fiber or a plurality of ends of a plurality of optical fibers is attached to the object, the end of the optical fiber or the ends of the optical fibers may be movable, in particular rotatably mounted. Adjusting the position of the end of the optical fiber (s) provided on the object may be as described with reference to FIG 3 for the retroreflector 5 described described.
4 ist eine schematische Darstellungen einer Vorrichtung 51 zum Bestimmen einer Position eines Objekts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 51, die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung 51 ist eingerichtet, um einen Verlauf eines Pfades, den ein optisches Signal zwischen einem Objekt und einer Referenzposition durchläuft, zu verändern. 4 is a schematic representations of a device 51 for determining a position of an object according to a further embodiment. Elements or devices of the device 51 , which in their design and function with reference to 1 described elements or devices of the device 1 are denoted by the same reference numerals. The device 51 is arranged to change a course of a path through which an optical signal passes between an object and a reference position.
Die Vorrichtung 51 umfasst eine Messeinheit 2 mit einer Lichtquelle 2a und einem Detektor 2b, der beispielsweise ein Fotodetektor sein kann, sowie einen am Objekt anbringbaren Retroreflektor 59. Auch wenn in 4 schematisch nur eine Lichtquelle und ein Detektor dargestellt ist, kann eine entsprechend größere Anzahl von Lichtquellen und/oder Detektoren vorgesehen sein, um die Messung mehrerer voneinander unabhängiger Weglängen zur Bestimmung mehrerer Koordinaten durchzuführen. Die Vorrichtung 51 ist eingerichtet, um den Verlauf des Pfades oder der Pfade, den optische Signale zu dem Retroreflektor 59 und zurück zu dem Detektor 2b durchlaufen, einzustellen. Dazu umfasst die Vorrichtung 51 einen steuerbar kippbaren Umlenkspiegel 52, der als ein Kippspiegel mit mehreren Kippstellungen oder als ein Scanspiegel mit einem Kontinuum von Winkelstellungen ausgebildet sein kann. Die Vorrichtung 51 umfasst einen weiteren Umlenkspiegel 53, der ebenfalls als ein Kippspiegel oder als ein Scanspiegel ausgebildet sein kann.The device 51 includes a measuring unit 2 with a light source 2a and a detector 2 B , which may be a photodetector, for example, as well as a retroreflector attachable to the object 59 , Even if in 4 schematically only a light source and a detector is shown, a correspondingly larger number of light sources and / or detectors may be provided to perform the measurement of a plurality of independent path lengths for determining a plurality of coordinates. The device 51 is set up to track the path or paths, the optical signals to the retroreflector 59 and back to the detector 2 B go through, adjust. This includes the device 51 a controllably tiltable deflection mirror 52 which may be formed as a tilting mirror with multiple tilting positions or as a scanning mirror with a continuum of angular positions. The device 51 includes a further deflection mirror 53 which may also be formed as a tilting mirror or as a scanning mirror.
Im Betrieb der Vorrichtung 51 werden die von der Lichtquelle 2a erzeugten optischen Signale in Richtung des Umlenkspiegels 52 ausgegeben. Der Umlenkspiegel 52 kann insbesondere um zwei durch einen Punkt 54 des Umlenkspiegels 52 verlaufende orthogonale Achsen drehbar gelagert sein. Der Punkt 54 kann insbesondere im Wesentlichen dem Flächenmittelpunkt des Bereichs auf dem Umlenkspiegel 52 entsprechen, auf den das von der Lichtquelle 2a ausgegebenen Signal auftrifft. Die Vorrichtung 51 weist eine Steuereinrichtung 56 auf, mit der die Ausrichtung des Umlenkspiegels 52 so eingestellt werden kann, dass der Umlenkspiegel 52 die optischen Signale wahlweise direkt in den Raumbereich, in dem sich das Objekt befindet, dessen Position bestimmt werden soll, oder auf den weiteren Umlenkspiegel 53 lenkt. Durch Verkippung des Umlenkspiegels 52 kann der Verlauf des Pfades zwischen einem bei 57 dargestellten Verlauf, der direkt von dem Umlenkspiegel 52 in den Raumbereich führt, und einem bei 58 dargestellten Verlauf, der über den weiteren Umlenkspiegel 53 in den Raumbereich führt, angepasst werden.In operation of the device 51 be the ones from the light source 2a generated optical signals in the direction of the deflection mirror 52 output. The deflection mirror 52 especially by two by one point 54 the deflecting mirror 52 extending orthogonal axes to be rotatably mounted. The point 54 In particular, it can essentially be the area center of the area on the deflection mirror 52 correspond to that of the light source 2a issued signal hits. The device 51 has a control device 56 on, with the orientation of the deflecting mirror 52 can be adjusted so that the deflection mirror 52 Optionally, the optical signals directly into the space in which the object is located, whose position is to be determined, or on the further deflection mirror 53 directs. By tilting the deflecting mirror 52 can the course of the path between one at 57 shown course, directly from the deflecting 52 into the room area leads, and one at 58 Course shown, the over the other deflection mirror 53 leads into the room area, to be adjusted.
Die Steuereinrichtung 56 kann so eingerichtet sein, dass der Verlauf des Pfades, den die optischen Signale von dem Umlenkspiegel 52 zu dem Reflektor 59 oder von dem Umlenkspiegel 52 über den weiteren Umlenkspiegel 53 zu dem Reflektor 59 durchlaufen, frei von Hindernissen ist. Dazu kann die Steuereinrichtung 56 den Umlenkspiegel abhängig von einem von dem Detektor 2b erfassten Signal, beispielsweise einer Lichtintensität des reflektierten wenigstens einen optischen Signals, steuern.The control device 56 can be arranged so that the course of the path, the optical signals from the deflection mirror 52 to the reflector 59 or from the deflection mirror 52 over the further deflection mirror 53 to the reflector 59 go through, is free of obstacles. For this purpose, the control device 56 the deflection mirror depending on one of the detector 2 B detected signal, for example, a light intensity of the reflected at least one optical signal, control.
Der weitere Umlenkspiegel 53 kann ebenfalls kippbar gelagert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der weitere Umlenkspiegel 53 um zwei durch einen Punkt 55 des Umlenkspiegels 53 verlaufende orthogonale Achsen drehbar gelagert. Der Punkt 55 kann insbesondere im Wesentlichen dem Flächenmittelpunkt des Bereichs auf dem Umlenkspiegel 53 entsprechen, auf den das optische Signal trifft, wenn es von der Lichtquelle 2a über den Umlenkspiegel 52 auf den Umlenkspiegel 53 gelenkt wird. Eine derartige Ausgestaltung der Vorrichtung erlaubt es, Licht von dem weiteren Umlenkspiegel 53 wahlweise direkt in den Raumbereich oder auf einen (nicht dargestellten) dritten Umlenkspiegel zu lenken.The further deflection mirror 53 can also be tilted stored. In one embodiment, the further deflection mirror 53 by two by one point 55 the deflecting mirror 53 extending orthogonal axes rotatably mounted. The point 55 In particular, it can essentially be the area center of the area on the deflection mirror 53 correspond to which the optical signal hits when it comes from the light source 2a over the deflection mirror 52 on the deflection mirror 53 is steered. Such a configuration of the device allows light from the further deflection mirror 53 optionally direct into the space area or on a (not shown) third deflection mirror.
Die Vorrichtung 51 kann derart ausgebildet sein, dass sie eine Mehrzahl von kippbaren Umlenkspiegeln aufweist, wobei mehrere der Umlenkspiegel so steuerbar sind, dass auf sie auftreffendes Licht wahlweise direkt in den Raumbereich, in dem sich das Objekt befindet, oder auf einen weiteren Umlenkspiegel gelenkt werden kann. Die Mehrzahl von Umlenkspiegeln kann in einer im Wesentlichen ringförmigen Anordnung vorgesehen sein.The device 51 may be formed such that it has a plurality of tiltable deflection mirrors, wherein a plurality of deflection mirrors are controllable so that incident on them light can be directed either directly into the space area in which the object is located, or to another deflection mirror. The plurality of deflecting mirrors may be provided in a substantially annular arrangement.
Bei der Vorrichtung 51 wird die Positionsbestimmung abhängig von der Weglänge, die basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Signal, und abhängig davon, ob der Umlenkspiegel 52 das Licht direkt in den Raumbereich oder auf den weiteren Umlenkspiegel 53 lenkt, ermittelt. Falls mehrere Umlenkspiegel vorgesehen sind, die wahlweise optische Signale direkt in den Raumbereich oder zu eifern weiteren Umlenkspiegel lenken, erfolgt die Positionsbestimmung abhängig von der Weglänge, die basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Signal ermittelt wird, und abhängig von dem Pfad, entlang dem die optischen Signale zwischen Umlenkspiegeln gelenkt werden.In the device 51 the position determination is dependent on the path length based on that of the detector 2 B detected optical signal, and depending on whether the deflection mirror 52 the light directly into the room area or on the further deflection mirror 53 directs, determines. If a plurality of deflecting mirrors are provided, which selectively direct optical signals directly into the spatial area or to drive further deflecting mirrors, the position determination takes place depending on the path length which is based on that of the detector 2 B detected optical signal, and depending on the path along which the optical signals are directed between deflecting mirrors.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Ausrichtung des kippbaren Umlenkspiegels 52 bzw. können die Ausrichtungen mehrerer kippbarer Umlenkspiegel derart eingestellt werden, dass ein Signalpegel des von dem Detektor 2b erfassten optischen Signals erhöht, insbesondere maximiert, wird. Die Steuereinrichtung 56 kann dazu in einer Regelschleife mit dem Detektor 2b gekoppelt sein. So kann im Hinblick auf Struktureigenschaften des Reflektors oder der Objektoberfläche, die beispielsweise zu einer anisotropen Reflexion oder Streuung führen, ein höheres Messsignal erreicht werden.In one embodiment, the orientation of the tiltable deflection mirror 52 or the orientations of a plurality of tiltable deflection mirrors can be adjusted such that a signal level of the detector 2 B detected optical signal increases, in particular maximized is. The control device 56 can do this in a closed loop with the detector 2 B be coupled. Thus, with regard to structural properties of the reflector or the object surface, which lead to, for example, an anisotropic reflection or scattering, a higher measurement signal can be achieved.
5 ist eine schematische Darstellungen einer Vorrichtung 61 zum Bestimmen einer Position eines Objekts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 61, die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung 61 ist eingerichtet, um einen Verlauf eines Pfades, den ein optisches Signal zwischen einem Objekt und einer Referenzposition durchläuft, einzustellen. 5 is a schematic representations of a device 61 for determining a position of an object according to a further embodiment. Elements or devices of the device 61 , which in their design and function with reference to 1 described elements or devices of the device 1 are denoted by the same reference numerals. The device 61 is arranged to set a course of a path which an optical signal passes between an object and a reference position.
Die Vorrichtung 61 umfasst eine Messeinheit 2 mit einer Lichtquelle 2a und einem Detektor 2b, und eine mit der Messeinheit 2 gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Signal eine von dem erfassten Signal zurückgelegte Weglänge ermittelt. Ein Retroreflektor 5 ist an dem Objekt 19 angebracht, um von der Lichtquelle 2a erzeugte optische Signale zu dem Detektor 2b zurückzureflektieren. Auch wenn in 5 schematisch nur eine Lichtquelle und ein Detektor dargestellt ist, kann die Vorrichtung 61 eine größere Anzahl von Lichtquellen und/oder Detektoren aufweisen, um die Messung mehrerer voneinander unabhängiger Weglängen zur Bestimmung mehrerer Koordinaten durchzuführen. Die Anzahl und Anordnung der Lichtquellen und/oder Detektoren der Vorrichtung 61 kann so gewählt sein, dass bei geeigneter Positionierung der Vorrichtung 61 relativ zu einem Laborsystem sowohl die drei Raumkoordinaten eines Punkts des Objekts 19 als auch eine Ausrichtung des Objekts 19 im Raum ermittelt werden können, wobei dazu wenigstens ein weiterer Retroreflektor an dem Objekt 19 angebracht sein kann.The device 61 includes a measuring unit 2 with a light source 2a and a detector 2 B , and one with the measuring unit 2 coupled evaluation device 6 based on that of the detector 2 B detected optical signal determined by the detected signal path length determined. A retro reflector 5 is on the object 19 attached to the light source 2a generated optical signals to the detector 2 B reflect back. Even if in 5 schematically only one light source and a detector is shown, the device 61 have a larger number of light sources and / or detectors to perform the measurement of a plurality of independent path lengths for determining a plurality of coordinates. The number and arrangement of the light sources and / or detectors of the device 61 can be chosen so that with appropriate positioning of the device 61 relative to a laboratory system both the three spatial coordinates of a point of the object 19 as well as an orientation of the object 19 can be determined in space, with at least one additional retroreflector on the object 19 can be appropriate.
Die Vorrichtung 61 ist derart eingerichtet, dass eine Position der Messeinheit 2 relativ zu einem Laborsystem veränderbar ist. Die Vorrichtung 61 umfasst eine Führungsschiene 62, an der die Messeinheit 2 beweglich gelagert ist, so dass sie an verschiedenen Positionen relativ zu dem Raumbereich, in dem sich das Objekt 19 befindet, angeordnet werden kann. Beispielsweise kann die Messeinheit 2 an einem von der Führungsschiene 62 geführten Wagen vorgesehen sein. Eine Steuereinrichtung 63 ist mit der Messeinheit 2 verbunden, um die Position der Messeinheit 2 entlang der Führungsschiene 62 zu steuern. Die Vorrichtung 61 umfasst ein Positionsmesssystem 64, um die Position der Messeinheit 2 relativ zu einem Laborsystem zu ermitteln. Das Positionsmesssystem 64 kann beispielsweise einen Glasmaßstab oder ein anderes Inkrementalsystem umfassen. Das Positionsmesssystem 64 stellt an eine Recheneinrichtung 65 die Position der Messeinheit 2 im Laborsystem bereit, und die Auswerteeinrichtung 6 stellt an die Recheneinrichtung 65 eine oder mehrere ermittelte Weglängen bereit, die für Pfade zwischen Referenzpositionen an der Messeinheit 2 und dem Objekt 19 ermittelt wurden. Die Recheneinrichtung 65 ermittelt basierend auf diesen Daten die Position des Objekts 19 im Laborsystem.The device 61 is set up such that a position of the measuring unit 2 is changeable relative to a laboratory system. The device 61 includes a guide rail 62 at which the measurement unit 2 is movably mounted, so that they are in different positions relative to the space area in which the object 19 located, can be arranged. For example, the measuring unit 2 at one of the guide rail 62 be provided guided carriage. A control device 63 is with the measurement unit 2 connected to the position of the measuring unit 2 along the guide rail 62 to control. The device 61 includes a position measuring system 64 to the position of the measuring unit 2 relative to a laboratory system. The position measuring system 64 For example, it may include a glass scale or other incremental system. The position measuring system 64 puts to a computing device 65 the position of the measuring unit 2 ready in the laboratory system, and the evaluation device 6 sets to the computing device 65 one or more determined path lengths ready for paths between reference positions on the measuring unit 2 and the object 19 were determined. The computing device 65 determines the position of the object based on this data 19 in the laboratory system.
Im Betrieb der Vorrichtung 61 wird die Messeinheit 2 entlang der Führungsschiene 62 an eine Position bewegt, in der optische Signale den Pfad von der Messeinheit 2 zu dem Retroreflektor 5 und zurück zu dem Messeinheit 2 durchlaufen können, ohne auf ein Hindernis im Pfad aufzutreffen. Durch die Positionierung der Messeinheit 2 wird der Verlauf des Pfades, dessen Weglänge zur Positionsbestimmung optisch ermittelt wird, so angepasst, dass die Position des Objekts bestimmbar ist.In operation of the device 61 becomes the measuring unit 2 along the guide rail 62 moved to a position in which optical signals the path from the measuring unit 2 to the retroreflector 5 and back to the measurement unit 2 can go through without encountering an obstacle in the path. By positioning the measuring unit 2 the course of the path whose path length is optically determined to determine the position is adjusted so that the position of the object can be determined.
Die Steuereinrichtung 63, die die Position der Messeinheit 2 steuert, kann mit der Steuerung 20 des Roboterarms verbunden sein. So kann die Messeinheit 2 abhängig von Daten über die momentane Stellung des Roboterarms, aus denen auf mögliche Abschattungen geschlossen werden kann, an eine Position verstellt werden, an der der Pfad von der Lichtquelle 2a über den Reflektor 5 zu dem Detektor 2b nicht durch das Objekt 19 oder ein drittes Objekt unterbrochen ist.The control device 63 indicating the position of the measuring unit 2 controls, can with the controller 20 be connected to the robot arm. So can the measurement unit 2 be adjusted to a position at which the path from the light source depending on data on the current position of the robot arm, from which can be closed to possible shadowing 2a over the reflector 5 to the detector 2 B not by the object 19 or a third object is broken.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung 63 mit der Auswerteeinrichtung 6 verbunden sein, und die Position der Messeinheit 2 kann von der Steuereinrichtung 63 abhängig von dem Signal, beispielsweise abhängig von einer Lichtintensität, gesteuert werden, das der Detektor 2b erfasst. Die Steuereinrichtung 63 kann in einer Regelschleife mit der Auswerteeinrichtung 6 verbunden sein, um die Position der Messeinheit 2 so zu steuern, dass ein von dem Detektor 2b erfasster Signalpegel des optischen Signals erhöht, beispielsweise maximiert wird.In a further embodiment, the control device 63 with the evaluation device 6 be connected, and the position of the measuring unit 2 can from the controller 63 be controlled depending on the signal, for example, depending on a light intensity that the detector 2 B detected. The control device 63 can in a control loop with the evaluation 6 be connected to the position of the measuring unit 2 to control one of the detector 2 B detected signal level of the optical signal increases, for example, is maximized.
Die unter Bezugnahme auf 5 erläuterte Vorrichtung 61 ist so eingerichtet, dass die Lichtquelle 2a und der Detektor 2b relativ zu dem Raumbereich bewegt werden können, in dem sich das Objekt befindet. Bei einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann nur die Lichtquelle 2a oder nur der Detektor 2b relativ zu dem Raumbereich beweglich angeordnet sein. Bei einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Lichtquelle 2a und der Detektor 2b relativ zu dem Raumbereich unabhängig voneinander beweglich sein.The referring to 5 explained device 61 is set up so that the light source 2a and the detector 2 B relative to the space in which the object is located. In a device according to a further embodiment, only the light source 2a or just the detector 2 B be arranged movable relative to the space area. In a device according to a further embodiment, the light source 2a and the detector 2 B be movable independently relative to the space area.
Unter Bezugnahme auf 4 und 5 wurden Vorrichtungen nach Ausführungsbeispielen im Kontext einer Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung erläutert. Die Vorrichtungen können auch bei einer Einfachanordnung eingesetzt werden, bei der Licht an dem Objekt ausgegeben oder erfasst wird. Eine Ausgestaltung der Vorrichtung derart, dass auch bei Abschattung in einem Pfad zwischen Lichtquelle und Detektor noch eine Positionsbestimmung möglich ist, kann beispielsweise erreicht werden, indem Enden einer Mehrzahl von optischen Fasern an dem Objekt voneinander beabstandet vorgesehen sind. Die optischen Fasern können mit einer Lichtquelle verbunden sein, so dass die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Anfangspositionen für Pfade der optischen Signale dienen. Die optischen Fasern können alternativ mit einem Detektor oder mehreren Detektoren verbunden sein, wobei die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Endpositionen für Pfade der optischen Signale dienen, von denen aus die Signale zu dem Detektor bzw. den Detektoren geführt werden.With reference to 4 and 5 Devices according to embodiments have been explained in the context of a path length measurement in a reflection arrangement. The devices can also be used in a simple arrangement in which light is emitted or detected at the object. An embodiment of the device in such a way that positional determination is still possible even with shadowing in a path between the light source and the detector can be achieved, for example, by providing ends of a plurality of optical fibers at a distance from one another. The optical fibers may be connected to a light source so that the ends of the optical fibers provided on the object serve as initial positions for paths of the optical signals. The optical fibers may alternatively be connected to one or more detectors, the ends of the optical fibers provided on the object serving as end positions for paths of the optical signals from which the signals are fed to the detector (s).
Unter Bezugnahme auf 1–5, 7 und 8 wurden Anordnungen beschrieben, bei denen optische Signale zu einem Strahlenkegel aufgeweitet werden. Bei weiteren Ausführungsformen kann bei jeder der unter Bezugnahme auf 1–5, 7 und 8 beschriebenen Vorrichtungen eine geeignete Optik vorgesehen sein, mit der optische Signale beispielsweise in einem Strahlenfächer oder einem Parallelstrahl mit größerem Durchmesser in den Raumbereich gelenkt werden, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll.With reference to 1 - 5 . 7 and 8th arrangements have been described in which optical signals are widened into a cone of rays. In further embodiments, in each of the above with reference to 1 - 5 . 7 and 8th a suitable optics may be provided, are directed with the optical signals, for example in a fan beam or a parallel beam with a larger diameter in the space area in which the position of the object to be determined.
6 ist eine schematische Darstellung einer Reflektoranordnung 71 zur Positionsbestimmung nach einem Ausführungsbeispiel. Die Reflektoranordnung 71 ist eingerichtet, um eine Unterscheidung von an unterschiedlichen Reflektoren der Reflektoranordnung 71 reflektierten optischen Signalen zu ermöglichen und kann bei den Vorrichtungen 1, 21 und 31, die unter Bezugnahme auf 1–3 beschrieben wurden, eingesetzt werden. 6 is a schematic representation of a reflector assembly 71 for position determination according to an embodiment. The reflector arrangement 71 is arranged to distinguish from at different reflectors of the reflector assembly 71 Reflected optical signals and can in the devices 1 . 21 and 31 referring to 1 - 3 described are used.
Die Reflektoranordnung 71 umfasst eine Mehrzahl von Reflektoren 73, 74, die beabstandet voneinander an einem Körper 72 angebracht sind. Die Reflektoren 73, 74 können insbesondere Retroreflektoren sein. Der Reflektor 73 ist eingerichtet, um ein auf ihn einfallendes optisches Signal 77 parallel zu der Einfallsrichtung als optisches Signal 78 zu reflektieren. Der Reflektor 74 ist eingerichtet, um ein auf ihn einfallendes optisches Signal 79 parallel zu der Einfallsrichtung als optisches Signal 80 zu reflektieren. Vor dem Reflektor 73 ist ein optisches Element 75 vorgesehen, und vor dem Reflektor 74 ist ein optisches Element 76 vorgesehen. Die optischen Elemente 75, 76 sind so eingerichtet, dass das an dem Reflektor 74 reflektierte Signal 80 dem Reflektor 74 zuordenbar ist, und dass das an dem Reflektor 73 reflektierte Signal 78 dem Reflektor 73 zuordenbar ist. Die optischen Elemente 75, 76 können insbesondere so ausgebildet sein, dass sie keine mechanisch beweglichen Elemente umfassen.The reflector arrangement 71 includes a plurality of reflectors 73 . 74 spaced apart on a body 72 are attached. The reflectors 73 . 74 may in particular be retroreflectors. The reflector 73 is set up to receive an optical signal incident on it 77 parallel to the direction of incidence as an optical signal 78 to reflect. The reflector 74 is set up to receive an optical signal incident on it 79 parallel to the direction of incidence as an optical signal 80 to reflect. In front of the reflector 73 is an optical element 75 provided, and in front of the reflector 74 is an optical element 76 intended. The optical elements 75 . 76 are set up so that the at the reflector 74 reflected signal 80 the reflector 74 is assignable, and that to the reflector 73 reflected signal 78 the reflector 73 is assignable. The optical elements 75 . 76 may in particular be designed so that they do not comprise mechanically movable elements.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Elemente 75, 76 als passive Elemente ausgebildet sein, die sicherstellen, dass das an dem zugeordneten Reflektor 73 bzw. 74 reflektierten Licht eine detektierbare Charakteristik aufweist, die für die reflektierten Signale 78 und 80 unterschiedliche ist. Die Elemente 75, 76 können als Polarisations- oder Wellenlängenfilter ausgebildet sein. Beispielsweise können die Elemente 75, 76 so ausgebildet sein, dass an jedem Reflektor eine für diesen Reflektor spezifische Verschiebung der Wellenlänge hervorgerufen wird.In one embodiment, the elements 75 . 76 be designed as passive elements that ensure that the at the associated reflector 73 respectively. 74 reflected light has a detectable characteristic, which for the reflected signals 78 and 80 is different. The Elements 75 . 76 can be designed as a polarization or wavelength filter. For example, the elements 75 . 76 be formed so that at each reflector specific for this reflector displacement of the wavelength is caused.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Elemente 75, 76 einen nichtlinearen optischen Shutter umfassen. Die Elemente 75, 76 können beispielsweise jeweils als sättigbarer Absorber ausgebildet sein, dessen Absorptionskoeffizient mit steigender einfallender Lichtintensität abnimmt. Die sättigbaren Absorber können so eingerichtet sein, dass jeweils nur einer der Absorber eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt, dass er in seinen transparenten Zustand übergeht. Die Identifizierung des entsprechenden Reflektors, der gerade eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt, kann basierend auf einer groben Abschätzung oder durch Auswertung eines zweidimensionalen Übersichtsbildes der Reflektoranordnung erfolgen.In a further embodiment, the elements 75 . 76 comprise a non-linear optical shutter. The Elements 75 . 76 For example, each may be formed as a saturable absorber whose absorption coefficient decreases with increasing incident light intensity. The saturable absorbers may be arranged such that only one of the absorbers in each case receives a sufficiently high light intensity that it changes into its transparent state. The identification of the corresponding reflector, which is currently receiving a sufficiently high light intensity, can be made based on a rough estimate or by evaluating a two-dimensional overview image of the reflector arrangement.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Elemente 75, 76 jeweils einen elektrooptischen Schalter oder elektrooptischen Modulator umfassen. Beispielsweise kann jedes der Elemente 75, 76 als elektrooptischer Amplitudenmodulator ausgebildet sein. Der Amplitudenmodulator kann jeweils eine Pockels-Zelle und wenigstens einen, vorteilhaft zwei Polarisatoren umfassen. Alternativ kann jedes der Elemente 75, 76 einen Flüssigkristallmodulator umfassen. Mit derartigen Modulatoren kann den reflektierten Signalen 78, 80 eine Phasen- oder Amplitudenmodulation aufgeprägt werden, die durch entsprechende Filterung durch den Detektor oder die nachgeschaltete Auswerteelektronik eine Unterscheidung der reflektierten Signalen 78, 80 erlaubt.In a further embodiment, the elements 75 . 76 each comprise an electro-optical switch or electro-optical modulator. For example, each of the elements 75 . 76 be designed as electro-optical amplitude modulator. The amplitude modulator may each comprise a Pockels cell and at least one, advantageously two polarizers. Alternatively, each of the elements 75 . 76 comprise a liquid crystal modulator. With such modulators, the reflected signals 78 . 80 a phase or amplitude modulation are impressed, which by appropriate filtering by the detector or the downstream evaluation a distinction of the reflected signals 78 . 80 allowed.
Die Vorrichtungen und Verfahren zur Positionsbestimmung, die unter Bezugnahme auf 1–8 erläutert wurden, können unterschiedliche optische Messtechniken zur Weglängenbestimmung einsetzen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein optischer Frequenzkamm-Generator als Lichtquelle verwendet werden, der eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Folge von Lichtpulsen wird nach Durchlaufen des Pfades, dessen Weglänge gemessen werden soll, erfasst. Die Auswerteeinrichtung kann die Weglänge basierend auf einer Phasenlage einer Signalkomponente der Folge von Lichtpulsen bestimmen, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Die Lichtquelleneinrichtung, Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung in den verschiedenen Ausführungsbeispielen können insbesondere die in der deutschen Patentanmeldung deutschen Patentanmeldungen DE 10 2008 045 386 beschriebene Ausgestaltung aufweisen.The positioning devices and methods described with reference to 1 - 8th can be used, different optical measurement techniques for Weglängenbestimmung use. In one embodiment, an optical frequency comb generator may be used as a light source that generates a train of light pulses at a repetition rate. The sequence of light pulses is detected after passing through the path whose path length is to be measured. The evaluation device can determine the path length based on a phase angle of a signal component of the sequence of light pulses, which oscillates at a multiple of the repetition rate. The light source device, detector device and evaluation device in the various embodiments can in particular the German patent applications in the German patent application DE 10 2008 045 386 have described embodiment.
Die Vorrichtungen und Verfahren zur Positionsbestimmung nach den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können auch in Kombination mit anderen optischen Messmethoden zur Weglängenmessung, beispielsweise Interferenzmessungen, eingesetzt werden. Während Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, bei denen die Lichtquelle und der Detektor integral in einer Messeinheit vorgesehen sind, können bei weiteren Ausführungsbeispielen die Lichtquelle und der Detektor auch separat vorgesehen und unabhängig voneinander relativ zu dem Objekt positionierbar sein.The devices and methods for position determination according to the different embodiments can also be used in combination with other optical measurement methods for path length measurement, for example interference measurements. While embodiments have been described in which the light source and the detector are integrally provided in a measuring unit, in further embodiments, the light source and the detector may also be separately provided and independently positionable relative to the object.
Durch Vorsehen einer geeigneten Anzahl und Anordnung von Anfangspositionen, an denen optische Signale ausgesendet werden, und/oder von Endpositionen, an denen optische Signale erfasst werden, und/oder von Reflektoren können bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen nicht nur die drei Koordinaten eines Punkts des Objekts im Raum ermittelt werden, sondern alternativ oder zusätzlich kann auch die Ausrichtung des Objekts, d. h. seine Winkellage im Raum, ermittelt werden.By providing a suitable number and arrangement of initial positions at which optical signals are emitted, and / or end positions at which optical signals are detected, and / or reflectors, in the various embodiments not only the three coordinates of a point of the object in FIG Space can be determined, but alternatively or additionally, the orientation of the object, d. H. its angular position in space, be determined.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine Positionsbestimmung selbst dann, wenn ein Pfad, in den ein optisches Signal ausgegeben wird, durch ein Hindernis unterbrochen wird. Die Vorrichtungen und Verfahren können allgemein zum Positionsbestimmung eingesetzt werden, wobei ein beispielhaftes Anwendungsfeld die quantitative Messung in industriellen Einrichtungen ist.The devices and methods according to various embodiments of the invention allow position determination even when a path in which an optical signal is output is interrupted by an obstacle. The devices and methods can be generally used for position determination, with an exemplary field of application being the quantitative measurement in industrial installations.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102008045386 [0002, 0102] DE 102008045386 [0002, 0102]
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DE 102008045387 [0002] DE 102008045387 [0002]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser”, Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512–5517 (2000) [0002] K. Minoshima and H. Matsumoto, "High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 30, pp. 5512-5517 (2000) [0002]
