DE102013022637B3 - Alignment element for an optical distance sensor, optical sensor arrangement and method for aligning an optical distance sensor - Google Patents
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Abstract
Ausrichtelement für einen optischen Abstandssensor (1), insbesondere einen optischen Abstandssensor (1) zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung, wobei das Ausrichtelement (15) mindestens eine Einstrahlfläche (19) aufweist oder ausbildet, wobei das Ausrichtelement (15) im Bereich der Einstrahlfläche (19) eine Durchstrahlöffnung (21) mit einem vorbestimmten Durchmesser aufweist, wobei das Ausrichtelement (15) mindestens ein Befestigungsmittel zur Befestigung des Ausrichtelements (15) an dem optischen Abstandssensor (1) aufweist oder ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Befestigungsmittel derart ausgebildet und/oder relativ zu der Durchstrahlöffnung (21) angeordnet ist, dass der optische Abstandssensor (1) eine gewünschte Ausrichtung aufweist, wenn ein auf die Einstrahlfläche gerichteter Lichtstrahl (10) zumindest teilweise von der Seite der Einstrahlfläche (19) durch die Durchstrahlöffnung (21) tritt, wobei die Einstrahlfläche (19) des Ausrichtelements (15), die die Durchstrahlöffnung (21) aufweist, als Reflexionsfläche ausgebildet ist oder eine Reflexionsfläche aufweist, wobei die Reflexionsfläche Lichtstrahlen aus einem vorbestimmten Spektralbereich reflektiert.Alignment element for an optical distance sensor (1), in particular an optical distance sensor (1) for determining a movement error of a rotary device, the alignment element (15) having or forming at least one irradiation surface (19), the alignment element (15) in the region of the irradiation surface ( 19) has a transmission opening (21) with a predetermined diameter, wherein the alignment element (15) has or forms at least one fastening means for fastening the alignment element (15) to the optical distance sensor (1), characterized in that the at least one fastening means is designed in such a way and/or is arranged relative to the transmission opening (21) in such a way that the optical distance sensor (1) has a desired orientation when a light beam (10) directed onto the irradiation surface passes at least partially from the side of the irradiation surface (19) through the transmission opening (21 ) occurs, with the irradiation surface (19) of the alignment lements (15), which has the transmission opening (21), is designed as a reflective surface or has a reflective surface, the reflective surface reflecting light rays from a predetermined spectral range.
Description
Die Erfindung betrifft ein Ausrichtelement für einen optischen Abstandssensor, insbesondere einen optischen Abstandssensor zur Abstandsmessung in einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung. Weiter betrifft die Erfindung eine optische Sensoranordnung, insbesondere zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung sowie ein Verfahren zur Ausrichtung eines solchen optischen Abstandssensors.The invention relates to an alignment element for an optical distance sensor, in particular an optical distance sensor for measuring distances in a device for determining a movement error of a rotary device. The invention further relates to an optical sensor arrangement, in particular for determining a movement error of a rotary device, and a method for aligning such an optical distance sensor.
Es sind optische Sensoren zur Abstandsmessung oder zur Messung von Winkelfehlern bekannt. So beschreibt die Veröffentlichung Probst et. al., „Messung von Winkel- und Formabweichungen an Spiegelpolygonfläche mit einem Phaseninterferometer“, PTB-Mitteilungen 103 1/93, 1993 ein sogenanntes Autokollimationsfernrohr (AKF) zur Messung von Winkelfehlern.Optical sensors for measuring distances or measuring angle errors are known. The publication Probst et. al., "Measurement of angular and shape deviations on a mirror polygon surface with a phase interferometer", PTB-Mitteilungen 103 1/93, 1993 a so-called autocollimation telescope (AKF) for measuring angular errors.
Optische Sensoren zur Abstandsmessung können z.B. einen Abstand zwischen dem Sensor und einem Zielobjekt messen. Solche optischen Sensoren können beispielsweise als sogenannte Sender-Empfänger-Sensoren ausgebildet sein, wobei ein Sender des Sensors einen Lichtstrahl erzeugt und ein Empfänger des Sensors den (reflektierten) Lichtstrahl empfängt und in Abhängigkeit des empfangenen Lichtstrahls den Abstand ermittelt.For example, optical distance measuring sensors can measure a distance between the sensor and a target object. Such optical sensors can be designed, for example, as so-called transmitter-receiver sensors, with a transmitter of the sensor generating a light beam and a receiver of the sensor receiving the (reflected) light beam and determining the distance as a function of the received light beam.
Es ist auch bekannt, optische Sensoren zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung zu verwenden. Eine Drehvorrichtung bezeichnet hierbei eine Vorrichtung, wobei mindestens ein drehbarer Teil der Drehvorrichtung um eine Drehachse drehbar ist. Solche Drehvorrichtungen können beispielsweise Drehschwenkgelenke oder Drehtische sein.It is also known to use optical sensors to determine a movement error of a rotary device. In this case, a rotary device designates a device, wherein at least one rotatable part of the rotary device can be rotated about an axis of rotation. Such rotary devices can be, for example, swivel joints or turntables.
Während einer Drehung des drehbaren Teils der Drehvorrichtung um die Drehachse können Bewegungsfehler auftreten, die aus einer Abweichung von einer idealen, reinen Drehbewegung resultieren. Derartige Abweichungen werden z.B. durch eine Lagerung des drehbaren Teils, einer Bewegungsführung des drehbaren Teils, aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder durch in oder auf die Drehachse wirkende Kräfte oder Momente verursacht. Solche Kräfte und Momente können hierbei statische oder dynamische Kräfte oder Momente sein.During a rotation of the rotatable part of the rotary device about the axis of rotation, movement errors can occur which result from a deviation from an ideal, pure rotary movement. Such deviations are caused, for example, by a bearing of the rotatable part, a movement guidance of the rotatable part, due to manufacturing tolerances and/or by forces or moments acting in or on the axis of rotation. Such forces and moments can be static or dynamic forces or moments.
Der Begriff Bewegungsfehler umfasst hierbei translatorische und rotatorische Bewegungsfehler. Somit können bei einer Drehung um die Drehachse Abweichungen von der idealen Drehbewegung in sechs voneinander unabhängigen Freiheitsgraden auftreten. Bei mehrstufigen Drehvorrichtungen, die also mehrere Drehachsen aufweisen, sind Bewegungsfehler einer Drehachse gegebenenfalls zusätzlich abhängig von einer Winkelposition der verbleibenden Drehachse(n).The term movement error here includes translational and rotational movement errors. Thus, when rotating around the axis of rotation, deviations from the ideal rotational movement can occur in six mutually independent degrees of freedom. In the case of multi-stage rotary devices, which therefore have a plurality of rotary axes, movement errors in one rotary axis may also be dependent on an angular position of the remaining rotary axis(s).
Aus diesem Grund ist es üblich, Bewegungsfehler einer Drehvorrichtung zu erfassen, um beispielsweise eine Aussage über eine Genauigkeit, insbesondere Drehgenauigkeit, der Drehvorrichtung machen zu können. In Abhängigkeit von ermittelten Bewegungsfehlern der Drehvorrichtung kann auch eine Kalibrierung der Drehvorrichtung erfolgen, wobei z.B. systematische Bewegungsfehler ermittelt und anschließend rechnerisch korrigiert werden können. Insbesondere kann ein Bewegungsfehler zu bestimmten oder allen Winkelpositionen der Drehachse ermittelt werden. Somit kann später, beispielsweise im Betrieb der Drehvorrichtung, dieser Bewegungsfehler berücksichtigt werden. Wird die Drehachse zur Positionierung z.B. eines Werkstückes bei einer Bearbeitung oder Vermessung des Werkstückes genutzt, so kann der vorher ermittelte Bewegungsfehler bei der Bearbeitung oder Vermessung des Werkstückes berücksichtigt werden. Insbesondere kann der Bewegungsfehler bei der Vermessung eines Werkstückes durch ein Koordinatenmessgerät (KMG) berücksichtigt werden, um eine Vermessungsgenauigkeit zu erhöhen.For this reason, it is customary to detect movement errors of a rotating device in order, for example, to be able to make a statement about the accuracy, in particular rotational accuracy, of the rotating device. Depending on the determined movement errors of the rotary device, the rotary device can also be calibrated, whereby, for example, systematic movement errors can be determined and then corrected by calculation. In particular, a movement error can be determined for certain or all angular positions of the axis of rotation. This movement error can thus be taken into account later, for example during operation of the rotary device. If the rotary axis is used, for example, to position a workpiece when machining or measuring the workpiece, the previously determined movement error can be taken into account when machining or measuring the workpiece. In particular, the movement error can be taken into account when measuring a workpiece using a coordinate measuring machine (CMM) in order to increase the measuring accuracy.
Die nachveröffentlichte WO 2014 / 108 187 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung eines oder mehrerer Fehler eines Drehpositionsermittlungssystems. Hierbei wird ein Prüfkörper oder Prüfelement, insbesondere ein rotationssymmetrisches Prüfelement, und eine Sensoranordnung zur Ermittlung des vorhergehend erläuterten Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung beschrieben. In der Druckschrift wird ein Sensorhalter mit drei senkrecht zueinander stehenden Wänden beschrieben. An den Wänden sind Abstandssensoren angebracht, die einen Abstand zwischen den Abstandssensoren und dem vorhergehend erwähnten Prüfelement erfassen. In Abhängigkeit der Ausgangssignale dieser Abstandssensoren können Translationsfehler in drei voneinander unabhängigen Raumrichtungen sowie Rotationsfehler um zwei voneinander unabhängige Raumrichtungen ermittelt werden.The subsequently published WO 2014/108 187 A1 discloses a method for determining one or more errors in a rotational position determination system. A test body or test element, in particular a rotationally symmetrical test element, and a sensor arrangement for determining the previously explained movement error of a rotary device are described here. The publication describes a sensor holder with three walls that are perpendicular to one another. Distance sensors are attached to the walls, which detect a distance between the distance sensors and the test element mentioned above. Depending on the output signals of these distance sensors, translational errors in three independent spatial directions as well as rotational errors in two independent spatial directions can be determined.
Die WO 2013 / 007 285 A1 offenbart eine Korrektur und/oder Vermeidung von Fehlern bei der Messung von Koordinaten eines Werkstückes. Hierin wird ein Messsystem beschrieben, welches einen Stab umfasst, der zwei kugelförmige Messkörper trägt, die in axialer Richtung in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Weiter ist ein Arm offenbart, an dem eine Anordnung von Sensoren befestigt ist. Hierbei ist ein erster Sensor in axialer Richtung auf eine obere Kugel gerichtet, um eine Relativposition in einer axialen Richtung zu messen. Ein zweiter und ein dritter Sensor sind in radialer Richtung auf die obere Kugel ausgerichtet, wobei die Sensoren in verschiedene, z.B. zueinander senkrecht stehenden, Richtungen ausgerichtet sind, um radiale Relativpositionen in zwei verschiedenen Richtungen zu messen. Ein vierter und ein fünfter Sensor sind ebenfalls in zwei zueinander senkrecht stehenden radialen Richtungen ausgerichtet, jedoch auf die untere Kugel, um zwei voneinander unabhängige radiale Relativpositionen an einer anderen axialen Position zu messen. Der Stab kann hierbei konzentrisch oder annähern konzentrisch zu der zu vermessenden Drehachse auf dem drehbaren Teil der Drehvorrichtung angeordnet sein. Weiter beschreibt die Druckschrift, wie Messsignale der Sensoren genutzt werden können, um eine relative Position und/oder Ausrichtung der Kugeln zueinander zu ermitteln und/oder eine Veränderung der relativen Position und/oder Ausrichtung der Kugeln zu ermitteln und/oder zu korrigieren.WO 2013/007 285 A1 discloses a correction and/or avoidance of errors when measuring coordinates of a workpiece. A measuring system is described herein which comprises a rod which carries two spherical measuring bodies which are arranged at a predetermined distance from one another in the axial direction. Also disclosed is an arm to which is attached an array of sensors. Here, a first sensor is directed toward an upper ball in the axial direction to measure a relative position in an axial direction. A second and third sensor are radially aligned with the upper sphere, where the sensors are aligned in different directions, for example perpendicular to one another, in order to measure radial relative positions in two different directions. A fourth and a fifth sensor are also aligned in two mutually perpendicular radial directions, but on the lower sphere to measure two independent relative radial positions at another axial position. The rod can be arranged concentrically or approximately concentrically to the axis of rotation to be measured on the rotatable part of the rotary device. The publication also describes how measurement signals from the sensors can be used to determine a relative position and/or orientation of the balls to one another and/or to determine and/or correct a change in the relative position and/or orientation of the balls.
Die beiden Druckschriften beschreiben somit, wie Bewegungsfehler in fünf von sechs Freiheitsgraden durch die Verwendung von Abstandssensoren ermittelt werden können.The two documents thus describe how motion errors can be determined in five out of six degrees of freedom by using distance sensors.
Bei der Verwendung von optischen Abstandssensoren z.B. zur Ermittlung von Abständen zwischen den Sensoren und den Kugeln des vorhergehend erläuterten Doppelkugelnormals kann der Abstand durch Emittierung eines (Laser-)Lichtstrahls und eine Reflexion des Lichtstrahls an dem Prüfelement erfolgen. Hierbei ist die Ausrichtung eines optischen Abstandssensors relativ zu einem Zielobjekt, insbesondere dem vorhergehend erläuterten Prüfelement, wesentlich, da bei einer ungenauen Ausrichtung der reflektierte Lichtstrahl nur zum Teil oder gar nicht in einen Erfassungsbereich des optischen Sensors fällt. In diesem Fall ist keine zuverlässige Abstandsmessung möglich. When using optical distance sensors, e.g. to determine distances between the sensors and the spheres of the double-sphere standard explained above, the distance can be determined by emitting a (laser) light beam and reflecting the light beam on the test element. In this case, the alignment of an optical distance sensor relative to a target object, in particular the test element explained above, is essential, since if the alignment is imprecise, the reflected light beam falls only partially or not at all in a detection range of the optical sensor. In this case no reliable distance measurement is possible.
Eine Ausrichtung des optischen Sensors relativ zum Zielobjekt derart, dass der emittierte Lichtstrahl in den Erfassungsbereich des optischen Sensors reflektiert wird, ist in der Regel sehr zeitaufwendig. Dies bedeutet, dass vor der eigentlichen Abstandserfassung zur Ermittlung von Bewegungsfehlern der Drehvorrichtung viel Zeit notwendig ist, um die entsprechenden Abstandssensoren auszurichten.Aligning the optical sensor relative to the target object in such a way that the emitted light beam is reflected into the detection area of the optical sensor is usually very time-consuming. This means that a lot of time is needed to align the corresponding distance sensors before the actual distance detection for determining movement errors of the rotary device.
Insbesondere ist die Ausrichtung bei sphärischen oder zylindrischen Zielobjekten eine große Herausforderung. Weiter erschwerend kommt hinzu, dass manche optische Abstandssensoren Lichtstrahlen im nicht-sichtbaren Spektralbereich emittieren, was die visuelle gestützte Ausrichtung weiter erschwert.In particular, alignment with spherical or cylindrical targets is a major challenge. A further complication is that some optical distance sensors emit light rays in the non-visible spectral range, which makes visual alignment even more difficult.
Die
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Somit ergibt sich das technische Problem, ein Ausrichtelement für einen optischen Sensor, insbesondere für einen optischen Abstandssensor zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung, eine optische Sensoranordnung sowie ein Verfahren zur Ausrichtung eines optischen Sensors zu schaffen, welche eine zeitlich schnelle und genaue Ausrichtung des optischen Sensors relativ zu einem Zielobjekt ermöglicht.This results in the technical problem of creating an alignment element for an optical sensor, in particular for an optical distance sensor for determining a movement error of a rotary device, an optical sensor arrangement and a method for aligning an optical sensor, which aligns the optical sensor quickly and precisely relative to a target object.
Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 6 und 8. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The technical problem is solved by the objects with the features of
Es ist eine Grundidee der vorliegenden Erfindung, ein Ausrichtelement für einen optischen Sensor, insbesondere für einen optischen Abstandssensor zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung, zu schaffen, welches derart an dem optischen Sensor befestigt werden kann, dass der optische Sensor mit Hilfe des Ausrichtelements optimal zu einem zu empfangenden Lichtstrahl ausgerichtet werden kann. Insbesondere kann ein von dem optischen Sensor oder einer Lichtquelle des Ausrichtelements emittierter Lichtstrahl nur dann in einen Erfassungsbereich des optischen Sensors gelangen, wenn der von einem Zielobjekt reflektierte Lichtstrahl genau auf den oder mit einer vorbestimmten geringen Abweichung von dem reflektieren Lichtstrahl reflektiert wird.It is a basic idea of the present invention to create an alignment element for an optical sensor, in particular for an optical distance sensor for determining a movement error of a rotary device, which can be attached to the optical sensor in such a way that the optical sensor can be optimally aligned with the aid of the alignment element can be aligned with a light beam to be received. In particular, a light beam emitted by the optical sensor or a light source of the alignment element can only reach a detection range of the optical sensor if the light beam reflected by a target object is exactly on or with a predetermined ten slight deviation from the reflected light beam is reflected.
Vorgeschlagen wird ein Ausrichtelement für einen optischen Abstandssensor. Der optische Abstandssensor kann zur Abstandsmessung bei einer Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung dienen. Dies ist insbesondere in den eingangs erläuterten Druckschriften beschrieben.An alignment element for an optical distance sensor is proposed. The optical distance sensor can be used for distance measurement when determining a movement error of a rotary device. This is described in particular in the publications explained at the outset.
Der optische Abstandssensor kann einen Abstand zwischen dem optischen Sensor und einem Zielobjekt, beispielsweise einem Prüfelement oder -körper, der auf einem drehbaren Teil einer Drehvorrichtung angeordnet ist, erfassen. Dies kann beispielsweise durch eine Laufzeiterfassung erfolgen. Vorzugsweise ist jedoch der optische Sensor ein laser-interferometrischer Sensor. Hierbei wird ein Abstand zwischen dem Sensor und dem Zielobjekt mittels Interferometrie erfasst. Hierbei wird eine Phasenverschiebung eines von dem Zielobjekt reflektierten Lichtstrahls, insbesondere eines reflektierten Laserstrahls, oder dessen Modulation gegenüber einem emittierten Lichtstrahl bestimmt. Diese Phasenverschiebung ist entfernungsabhängig, sodass in Abhängigkeit der Phasenverschiebung ein Abstand zwischen dem optischen Sensor und dem Zielobjekt bestimmt werden kann.The optical distance sensor can detect a distance between the optical sensor and a target object, for example a test element or body, which is arranged on a rotatable part of a rotating device. This can be done, for example, by recording the runtime. However, the optical sensor is preferably a laser-interferometric sensor. Here, a distance between the sensor and the target object is detected by means of interferometry. In this case, a phase shift of a light beam reflected by the target object, in particular a reflected laser beam, or its modulation in relation to an emitted light beam is determined. This phase shift is distance-dependent, so that a distance between the optical sensor and the target object can be determined as a function of the phase shift.
Weiter weist das Ausrichtelement mindestens eine Einstrahlfläche auf oder bildet diese aus. Die Einstrahlfläche kann hierbei beispielsweise eine ebene Fläche oder eine teil- oder halbkugelförmige Fläche sein. Insbesondere ist die Einstrahlfläche eine Außenfläche des Ausrichtelements.Furthermore, the alignment element has at least one irradiation surface or forms one. In this case, the irradiation surface can be, for example, a flat surface or a part-spherical or hemispherical surface. In particular, the irradiation surface is an outer surface of the alignment element.
Das Ausrichtelement weist im Bereich der Einstrahlfläche eine Durchstrahlöffnung mit einem vorbestimmten Durchmesser auf. Der vorbestimmte Durchmesser wird in Abhängigkeit eines Durchmessers des emittierten Lichtstrahls bestimmt, insbesondere um ein vorbestimmtes, geringes Maß größer als der Durchmesser des emittierten Lichtstrahls, z.B. 10% größer als der Durchmesser des Lichtstrahls. Der Durchmesser des Lichtstrahls kann hierbei z.B. einen Lichtfleckdurchmesser bezeichnen, der z.B. von einem Hersteller der Lichtquelle angegeben wird. Den Durchmesser des Lichtstrahls kann insbesondere abhängig von der verwendeten Optik sein. Tritt beispielsweise ein paralleles Lichtbündel aus, so kann der Durchmesser mehrere Zentimeter betragen. Vorzugsweise kann der Durchmesser jedoch im µm- oder mm-Bereich liegen.In the area of the irradiation surface, the alignment element has a transmission opening with a predetermined diameter. The predetermined diameter is determined as a function of a diameter of the emitted light beam, in particular larger than the diameter of the emitted light beam by a predetermined small amount, for example 10% larger than the diameter of the light beam. In this case, the diameter of the light beam can, for example, designate a light spot diameter which is specified, for example, by a manufacturer of the light source. The diameter of the light beam can depend in particular on the optics used. For example, if a parallel beam of light emerges, the diameter can be several centimeters. However, the diameter can preferably be in the μm or mm range.
Beispielsweise kann ein Durchmesser der Durchstrahlöffnung 1 mm betragen.For example, a diameter of the transmission opening can be 1 mm.
In Bezug auf die Einstrahlfläche kann die Lichtquelle zur Erzeugung des Lichtstrahles auf einer der Einstrahlfläche abgewandten Seite des Ausrichtelements angeordnet. Auch der optische Sensor, insbesondere ein Erfassungsbereich des optischen Sensors, kann auf der der Einstrahlfläche abgewandten Seite des Ausrichtelements angeordnet sein. Somit bezeichnet die Einstrahlfläche eine äußere Oberfläche des Ausrichtelements, auf die Lichtstrahlen, die, z.B. vom Zielobjekt, hin zum optischen Sensor gestrahlt werden, auftreffen können.In relation to the irradiation surface, the light source for generating the light beam can be arranged on a side of the alignment element that faces away from the irradiation surface. The optical sensor, in particular a detection area of the optical sensor, can also be arranged on the side of the alignment element facing away from the irradiation surface. Thus, the irradiation surface designates an outer surface of the alignment element onto which light beams that are radiated, e.g. from the target object, towards the optical sensor can impinge.
Erfindungsgemäß weist das Ausrichtelement mindestens ein Befestigungsmittel zur Befestigung des Ausrichtelements an dem optischen Sensor auf oder bildet dieses aus. Das Befestigungsmittel dient zur mechanischen Verbindung des Ausrichtelements mit dem optischen Sensor. Insbesondere ermöglicht das Befestigungsmittel die Herstellung einer lösbaren mechanischen Verbindung, beispielsweise einer reibschlüssigen Verbindung, insbesondere einer Klemmverbindung. Jedoch sind auch Befestigungsmittel vorstellbar, die eine weitere Art der mechanischen Verbindung, beispielsweise eine kraftschlüssige oder eine formschlüssige mechanische Verbindung des optischen Sensors mit dem Ausrichtelement ermöglichen. Vorzugsweise ist die Verbindung eine lösbare mechanische Verbindung.According to the invention, the alignment element has or forms at least one fastening means for fastening the alignment element to the optical sensor. The fastening means serves to mechanically connect the alignment element to the optical sensor. In particular, the fastening means enables the production of a detachable mechanical connection, for example a frictional connection, in particular a clamp connection. However, fastening means are also conceivable which enable a further type of mechanical connection, for example a non-positive or a positive mechanical connection of the optical sensor to the alignment element. The connection is preferably a detachable mechanical connection.
Weiter ist das mindestens eine Befestigungsmittel derart ausgebildet und/oder relativ zu der Durchstrahlöffnung angeordnet, dass der optische Sensor eine gewünschte Ausrichtung aufweist, wenn ein auf die Einstrahlfläche gerichteter Lichtstrahl zumindest teilweise von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung tritt.Furthermore, the at least one fastening means is designed and/or arranged relative to the transmission opening in such a way that the optical sensor has a desired orientation when a light beam directed onto the irradiation surface passes through the transmission opening at least partially from the side of the irradiation surface.
Die gewünschte Ausrichtung des optischen Sensors bezeichnet hierbei eine Ausrichtung, bei der der optische Sensor derart relativ zu zu erfassenden Lichtstrahlen ausgerichtet ist, dass diese erfasst werden können, insbesondere mit einer vorbestimmten Signalqualität erfasst werden können. Beispielsweise kann in der gewünschten Ausrichtung ein Signal-Rauschverhältnis größer als -3dB sein.The desired alignment of the optical sensor refers here to an alignment in which the optical sensor is aligned relative to the light beams to be detected in such a way that they can be detected, in particular can be detected with a predetermined signal quality. For example, in the desired orientation, a signal-to-noise ratio can be greater than -3dB.
Bevorzugt gelangt ein von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung tretender Lichtstrahl in einen Erfassungsbereich des Sensors. Insbesondere kann der Lichtstrahl ausschließlich dann in einen Erfassungsbereich des Sensors gelangen, wenn er von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung tritt. In diesem Fall ist der Lichtstrahl gleichzeitig ein zu erfassender Lichtstrahl. Hierbei ist möglich, dass das Ausrichtelement, inbesondere die Einstrahlfläche, einen Teil des Erfassungsbereichs des Sensors verdeckt.A light beam passing through the transmission opening from the side of the irradiation surface preferably reaches a detection area of the sensor. In particular, the light beam can only reach a detection area of the sensor when it passes through the transmission opening from the side of the irradiation surface. In this case, the light beam is at the same time a light beam to be detected. It is possible here for the alignment element, in particular the irradiation surface, to cover part of the detection area of the sensor.
Der durch den optischen Sensor zu erfassende Lichtstrahl kann jedoch auch parallel oder nahezu parallel zu dem von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung tretenden Lichtstrahl verlaufen. Insbesondere kann der zu erfassende Lichtstrahl in diesem Fall außerhalb der Einstrahlfläche verlaufen. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn das Ausrichtelement einen Erfassungsbereich des Sensors nicht verdecken soll und daher derart am optischen Sensor befestigt wird, dass bei Durchtritt eines Lichtstrahls durch die Durchstrahlöffnung die gewünschte Ausrichtung gegeben ist, aber der Erfassungsbereich nicht verdeckt ist.However, the light beam to be detected by the optical sensor can also run parallel or almost parallel to the light beam passing through the transmission opening from the side of the irradiation surface. In particular, the to be recorded In this case, the transmitted light beam runs outside the irradiation area. This can be the case, for example, if the alignment element is not intended to cover a detection area of the sensor and is therefore attached to the optical sensor in such a way that the desired alignment is given when a light beam passes through the transmission opening, but the detection area is not covered.
Der auf die Einstrahlfläche gerichtete Lichtstrahl kann hierbei von einer Lichtquelle erzeugt werden, die baulich getrennt von dem optischen Sensor ausgebildet sein kann. In diesem Fall kann die Lichtquelle mit einer vorbestimmten Lagedifferenz und Ausrichtungsdifferenz zum optischen Sensor angeordnet sein.The light beam directed onto the irradiation surface can be generated by a light source that can be structurally separate from the optical sensor. In this case, the light source can be arranged with a predetermined positional difference and alignment difference from the optical sensor.
Es ist jedoch auch möglich, dass der optische Sensor die Lichtquelle umfasst. Dies wird nachfolgend näher erläutert.However, it is also possible for the optical sensor to include the light source. This is explained in more detail below.
Insbesondere kann der auf die Einstrahlfläche gerichtete Lichtstrahl ein, z.B. von einem Zielobjekt, reflektierter Lichtstrahl sein. Dies wird ebenfalls nachfolgend näher erläutert.In particular, the light beam directed onto the irradiation surface can be a light beam reflected, for example, from a target object. This is also explained in more detail below.
Das beschriebene Ausrichtelement ermöglicht somit in vorteilhafter Weise eine gewünschte Ausrichtung des optischen Sensor, indem der optische Sensor mit dem daran befestigten Ausrichtelement derart ausgerichtet wird, dass ein auf die Einstrahlfläche gerichteter und gegebenenfalls zu erfassender Lichtstrahl zumindest teilweise durch die Durchstrahlöffnung tritt.The alignment element described thus advantageously enables a desired alignment of the optical sensor by aligning the optical sensor with the alignment element attached to it in such a way that a light beam directed onto the irradiation surface and possibly to be detected passes at least partially through the transmission opening.
In einer bevorzugten Ausführungsform tritt ein von dem optischen Sensor oder einer Lichtquelle des Ausrichtelements emittierter Lichtstrahl, der von der Einstrahlfläche abgewandten Seite durch die Durchstrahlöffnung tritt, oder ein Anteil davon ausschließlich dann von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung, wenn der Lichtstrahl in sich oder nahezu in sich reflektiert wird.In a preferred embodiment, a light beam emitted by the optical sensor or a light source of the alignment element, which passes through the transmission opening on the side facing away from the irradiation surface, or a portion thereof, exclusively from the side of the irradiation surface through the transmission opening when the light beam enters or is almost reflected in itself.
Dies bedeutet, dass ein durch die Durchstrahlöffnung gestrahlter Lichtstrahl ausschließlich dann wieder durch die Durchstrahlöffnung zurückgestrahlt werden kann, wenn der Lichtstrahl in sich oder nahezu in sich reflektiert wird.This means that a light beam radiated through the transmission opening can only be reflected back through the transmission opening if the light beam is reflected in itself or almost in itself.
In diesem Zusammenhang bedeutet in sich reflektiert, dass eine Strahlrichtung des reflektierten Lichtstrahles entgegengesetzt zur Strahlrichtung des emittierten Lichtstrahls ist, wobei die Lichtstrahlen konzentrisch zueinander verlaufen. Dies bedeutet, dass sich (theoretische) Mittellinien des emittierten und des reflektierten Lichtstrahles überlagern. Somit wird der von einem Zielobjekt reflektierte Lichtstrahl genau auf den emittierten Lichtstrahl reflektiert.In this context, reflected in itself means that a beam direction of the reflected light beam is opposite to the beam direction of the emitted light beam, with the light beams running concentrically with one another. This means that (theoretical) center lines of the emitted and reflected light beam overlap. Thus, the light beam reflected from a target object is accurately reflected onto the emitted light beam.
Nahezu in sich reflektiert bedeutet, dass der reflektierte Lichtstrahl mit einer vorbestimmten geringen Abweichung von dem emittierten Lichtstrahl reflektiert wird, wobei die Lichtstrahlen nicht mehr ideal konzentrisch zueinander verlaufen. Die vorbestimmte geringe Abweichung kann beispielsweise durch einen Winkel aus einem Winkelbereich von -1 ° bis 1 ° charakterisiert sein. Somit ist es möglich, dass auch geringfügige Abweichungen der Mittellinien voneinander, beispielsweise Abweichungen kleiner als 1°, auftreten, wobei der reflektierte Lichtstrahl oder ein vorbestimmter Anteil des reflektierten Lichtstrahls trotzdem durch die Durchstrahlöffnung tritt.Almost internally reflected means that the reflected light beam is reflected with a predetermined slight deviation from the emitted light beam, with the light beams no longer being ideally concentric with one another. The predetermined slight deviation can be characterized, for example, by an angle from an angular range of −1° to 1°. It is therefore possible for the center lines to also deviate slightly from one another, for example deviations of less than 1°, with the reflected light beam or a predetermined portion of the reflected light beam still passing through the transmission opening.
Vorzugsweise tritt ein von dem optischen Sensor oder der Lichtquelle des Ausrichtelements emittierter Lichtstrahl, der von einer der Einstrahlfläche abgewandten Seite durch die Durchstrahlöffnung tritt, oder ein vorbestimmter Anteil des reflektierten Lichtstrahls ausschließlich dann von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung in einen Erfassungsbereich des optischen Sensors, wenn der Lichtstrahl in sich oder nahezu in sich reflektiert wird.Preferably, a light beam emitted by the optical sensor or the light source of the alignment element, which passes through the transmission opening from a side facing away from the irradiation surface, or a predetermined portion of the reflected light beam then exclusively from the side of the irradiation surface through the transmission opening into a detection area of the optical sensor , when the light beam is reflected in itself or almost in itself.
Wird der emittierte Lichtstrahl nicht in sich reflektiert oder weicht er um mehr als ein vorbestimmtes Maß, beispielsweise um mehr als 1°, von dem emittierten Lichtstrahl ab, so trifft der reflektierte Lichtstrahl auf die Einstrahlfläche und tritt nicht mehr mit einem ausreichend großen Anteil durch die Durchstrahlöffnung.If the emitted light beam is not reflected in itself or if it deviates from the emitted light beam by more than a predetermined amount, for example by more than 1°, the reflected light beam hits the irradiation surface and no longer passes through the surface with a sufficiently large proportion transmission aperture.
Somit tritt der reflektierte Lichtstrahl ausschließlich dann in den Erfassungsbereich oder Messbereich des optischen Sensors, wenn der emittierte Lichtstrahl in sich reflektiert wird. Insbesondere gelangt der reflektierte Lichtstrahl direkt, d.h. ohne weitere Reflexion oder Streuung an weiteren Objekten, von dem Zielobjekt in den Erfassungsbereich. Z.B. kann der reflektierte Lichtstrahl durch die Durchstrahlöffnung auf eine Sensorfläche, beispielsweise eine CCD-Sensorfläche, des optischen Sensors treffen.Thus, the reflected light beam only enters the detection range or measuring range of the optical sensor when the emitted light beam is reflected in itself. In particular, the reflected light beam reaches the detection area directly, i.e. without further reflection or scattering on other objects, from the target object. For example, the reflected light beam can strike a sensor surface, for example a CCD sensor surface, of the optical sensor through the transmission opening.
Das vorgeschlagene Ausrichtelement ermöglicht in vorteilhafter Weise, wenn es an dem optischen Sensor befestigt wird, dass dieser durch z.B. visuelle Überwachung des auf die Einstrahlfläche reflektierten Lichtstrahls derart relativ zu einem Zielobjekt ausgerichtet wird, dass ein von dem optischen Sensor oder einer Lichtquelle des Ausrichtelements emittierter Lichtstrahl in sich oder nahezu in sich reflektiert wird, wodurch sichergestellt wird, dass z.B. bei einer nachfolgenden Abstandsmessung genügend Licht in den Erfassungsbereich des optischen Sensors reflektiert wird. Dadurch, dass der Lichtstrahl im Falle einer Reflexion mit einem unerwünschten Winkel auf die Einstrahlfläche trifft, kann die Ausrichtung in vorteilhafter Weise visuell unterstützt werden. Insbesondere kann/können, wie nachfolgend noch näher erläutert, der optische Sensor und/oder das Zielobjekt derart relativ zueinander positioniert werden, dass der reflektierte Lichtstrahl oder ein vorbestimmter Anteil davon durch die Durchstrahlöffnung tritt, wodurch sichergestellt wird, dass der Sensor wie gewünscht ausgerichtet ist.When attached to the optical sensor, the proposed alignment element advantageously enables the latter to be aligned relative to a target object, for example by visually monitoring the light beam reflected onto the irradiation surface, in such a way that a light beam emitted by the optical sensor or a light source of the alignment element is reflected in itself or almost in itself, which ensures that, for example, during a subsequent distance measurement, sufficient light enters the detection area of the optical sensor is reflected. Due to the fact that the light beam strikes the irradiation surface at an undesired angle in the event of reflection, the alignment can advantageously be visually supported. In particular, as explained in more detail below, the optical sensor and/or the target object can be positioned relative to one another in such a way that the reflected light beam or a predetermined proportion thereof passes through the transmission opening, thereby ensuring that the sensor is aligned as desired .
Nach Ausrichtung des optischen Sensors kann das Ausrichtelement wieder von dem optischen Sensor entfernt und eine Abstandsmessung durchgeführt werden.After the optical sensor has been aligned, the alignment element can be removed from the optical sensor again and a distance measurement can be carried out.
Somit ermöglicht das Ausrichtelement ein zeitlich schnelles Ausrichten des Abstandsensors relativ zum Zielobjekt.The alignment element thus enables the distance sensor to be aligned quickly relative to the target object.
In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Befestigungsmittel derart ausgebildet und/oder relativ zu der Durchstrahlöffnung angeordnet, dass eine Zentralachse der Durchstrahlöffnung einer zentralen Symmetrieachse des Erfassungsbereichs des Sensors entspricht. Der Erfassungsbereich des optischen Sensors kann beispielsweise kegelförmig ausgebildet sein. Hierdurch wird sichergestellt, dass ein durch die Durchstrahlöffnung reflektierter Lichtstrahl möglichst mittig in den Erfassungsbereich des optischen Sensors eintritt. Treten nach der Ausrichtung, z.B. während einer nachfolgenden Messung, (kleinere) Winkeländerungen bei der Reflexion des emittierten Lichtstrahles, beispielsweise durch eine nachträgliche Veränderung der relativen Ausrichtung zwischen optischem Sensor und Zielobjekt, auf, so wird hierdurch in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass auch in diesem Fall noch reflektiertes Licht in den Erfassungsbereich des optischen Sensors gelangen kann. Eine Änderung der relativen Ausrichtung zueinander kann beispielsweise beim Lösen des Ausrichtelements und/oder bei einer Verdrehung des Zielobjektes erfolgen. Insbesondere kann somit also sichergestellt werden, dass auch ein Lichtstrahl, der unter einem Winkel, der kleiner als ein vorbestimmter Maximalwinkel ist, in den Erfassungsbereich des optischen Sensors reflektiert wird, wodurch auch in diesem Fall noch eine zuverlässige Abstandsmessung möglich ist.In a further embodiment, the at least one fastening means is designed and/or arranged relative to the transmission opening in such a way that a central axis of the transmission opening corresponds to a central axis of symmetry of the detection area of the sensor. The detection range of the optical sensor can be cone-shaped, for example. This ensures that a light beam reflected through the transmission opening enters the detection area of the optical sensor as centrally as possible. If, after the alignment, e.g. during a subsequent measurement, (smaller) angle changes occur in the reflection of the emitted light beam, e.g. due to a subsequent change in the relative alignment between the optical sensor and the target object, this advantageously ensures that in this If reflected light can still reach the detection area of the optical sensor. A change in the alignment relative to one another can take place, for example, when the alignment element is released and/or when the target object is rotated. In particular, it can thus be ensured that even a light beam that is reflected at an angle that is smaller than a predetermined maximum angle is reflected into the detection range of the optical sensor, whereby a reliable distance measurement is still possible in this case.
Weiter ist vorstellbar, dass das Ausrichtelement eine zentrale Längsachse aufweist, wobei eine Zentralachse der Durchstrahlöffnung auf der zentralen Längsachse des Ausrichtelements angeordnet ist. Insbesondere kann das Ausrichtelement rotationssymmetrisch zur zentralen Längsachse ausgebildet sein.It is also conceivable that the alignment element has a central longitudinal axis, with a central axis of the transmission opening being arranged on the central longitudinal axis of the alignment element. In particular, the alignment element can be rotationally symmetrical to the central longitudinal axis.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ausrichtelement als Hohlzylinder ausgebildet, wobei der Hohlzylinder eine erste Stirnfläche und eine Mantelfläche aufweist. Die Durchstrahlöffnung ist hierbei in der ersten Stirnfläche angeordnet. Somit bildet die erste Stirnfläche die Einstrahlfläche aus. Weiter kann der Hohlzylinder zu der Stirnseite, die der ersten Stirnseite gegenüberliegend angeordnet ist, hin geöffnet sein.In a preferred embodiment, the alignment element is designed as a hollow cylinder, with the hollow cylinder having a first end face and a lateral surface. In this case, the transmission opening is arranged in the first end face. The first end face thus forms the irradiation surface. Furthermore, the hollow cylinder can be open toward the end face that is arranged opposite the first end face.
Hierbei kann ein Innendurchmesser des Hohlzylinders derart gewählt werden, dass das Ausrichtelement auf den optischen Sensor, insbesondere eine Befestigungsfläche des optischen Sensors, aufsteckbar ist. Hierzu kann der Innendurchmesser um ein vorbestimmtes Maß geringer als ein Außendurchmesser eines die Befestigungsfläche bildenden Abschnitts des Sensors gewählt werden.An inner diameter of the hollow cylinder can be selected in such a way that the alignment element can be plugged onto the optical sensor, in particular a fastening surface of the optical sensor. For this purpose, the inner diameter can be selected to be smaller by a predetermined amount than an outer diameter of a section of the sensor that forms the fastening surface.
In diesem Fall ist das Ausrichtelement also als Ausrichthülse ausgebildet. Der Hohlzylinder weist hierbei ein Innenvolumen auf, wobei der optische Sensor und/oder die vorhergehend erläuterte Lichtquelle des Ausrichtelements im Innenvolumen angeordnet sein kann.In this case, the alignment element is therefore designed as an alignment sleeve. In this case, the hollow cylinder has an inner volume, in which case the optical sensor and/or the previously explained light source of the alignment element can be arranged in the inner volume.
Hierdurch wird in vorteilhafter Weise gleichzeitig zur vorhergehend erläuterten Ausrichthilfe ein mechanischer Schutz des optischen Sensors durch das Ausrichtelement bereitgestellt. Insbesondere kann das als Ausrichthülse ausgebildete Ausrichtelement den optischen Sensor vor Verschmutzung und mechanischer Beschädigung schützen. Auch das Zielobjekt kann durch die Ausrichthülse vor Beschädigung geschützt werden, falls der optische Sensor mit dem Zielobjekt, z.B. während der Ausrichtung, kollidieren sollte. Weiter ermöglicht die Ausrichthülse auch eine gefahrlose Lagerung des Sensors, wobei z.B. der Sensorkopf mit einer empfindlichen Linse auch bei Lagerung geschützt ist.In this way, mechanical protection of the optical sensor by the alignment element is advantageously provided at the same time as the alignment aid explained above. In particular, the alignment element designed as an alignment sleeve can protect the optical sensor from dirt and mechanical damage. The target object can also be protected from damage by the alignment sleeve if the optical sensor collides with the target object, e.g. during alignment. The alignment sleeve also enables safe storage of the sensor, with the sensor head being protected with a sensitive lens even during storage, for example.
Das Ausrichtelement kann beispielsweise zumindest teilweise aus Kunststoff gefertigt sein.The alignment element can be made at least partially of plastic, for example.
Alternativ oder kumulativ kann das Ausrichtelement an einer Sensorhalterung und somit nicht am Sensor selbst befestigt werden.Alternatively or cumulatively, the alignment element can be attached to a sensor holder and thus not to the sensor itself.
Erfindungsgemäß ist die Einstrahlfläche des Ausrichtelements, die die Durchstrahlöffnung aufweist, als Reflexionsfläche ausgebildet. Hierbei reflektiert die Reflexionsfläche Strahlen aus einem vorbestimmten Spektralbereich. Insbesondere umfasst der Spektralbereich der Reflexionsfläche des Ausrichtelements eine Wellenlänge oder einen Spektralbereich, mit der der Lichtstrahl von dem optischen Sensor oder der Lichtquelle des Ausrichtelements emittiert wird und/oder mit der der emittierte Lichtstrahl von dem Zielobjekt reflektiert wird. Die vorbestimmte Spektralbereich kann beispielsweise Wellenlänge in einem Bereich von 1520 nm bis 1610nm umfassen. Selbstverständlich können jedoch auch weitere Wellenlängen im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich verwendet werden.According to the invention, the irradiation surface of the alignment element, which has the transmission opening, is designed as a reflection surface. In this case, the reflection surface reflects rays from a predetermined spectral range. In particular, the spectral range of the reflection surface of the alignment element includes a wavelength or a spectral range with which the light beam is emitted by the optical sensor or the light source of the alignment element and/or with which the emitted light beam is reflected by the target object. the predetermined spectral range can include, for example, wavelengths in a range from 1520 nm to 1610 nm. Of course, other wavelengths in the visible or non-visible range can also be used.
Dies ermöglicht, wie nachfolgend noch näher erläutert, eine visuelle oder kamerabasierte Erfassung eines auf die Einstrahlfläche gestrahlten und somit von dieser Einstrahlfläche reflektierten Lichtstrahles. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erfasst werden, ob der emittierte Lichtstrahl in sich reflektiert wird.As will be explained in more detail below, this enables a visual or camera-based detection of a light beam that is radiated onto the irradiation surface and is therefore reflected by this irradiation surface. In this way, it can be detected in an advantageous manner whether the emitted light beam is reflected in itself.
In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform emittiert die Reflexionsfläche unter Bestrahlung Strahlung mit einem vorbestimmten Spektralbereich.In an embodiment not according to the invention, the reflection surface emits radiation with a predetermined spectral range when irradiated.
Beispielsweise kann die Reflexionsfläche eine fluoreszierende oder lumineszierende Fläche sein, die unter Bestrahlung mit dem reflektierten Lichtstrahl Strahlung mit dem vorbestimmten Spektralbereich emittiert. Hierbei kann die Reflexionsschicht insbesondere mit Bestrahlung in einem Wellenlängenbereich von 1500 nm bis 1590 nm angeregt werden. Der vorbestimmte Spektralbereich, mit welchem Strahlung von der Reflexionsfläche emittiert wird, kann hierbei von der Wellenlänge oder dem Spektralbereich, mit welchem der Lichtstrahl von dem optischen Sensor oder der Lichtquelle des Ausrichtelements emittiert wird und/oder von dem Zielobjekt reflektiert wird, verschieden sein. Insbesondere kann der vorbestimmte Spektralbereich, mit welchem die Reflexionsfläche Strahlung emittiert, zumindest einen Teilbereich des Spektralbereichs von sichtbarem Licht umfassen. Emittiert der optische Sensor oder die Lichtquelle des Ausrichtelements einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge oder einem Spektrum im nicht-sichtbaren Bereich, so kann durch die derart ausgebildete Reflexionsfläche in vorteilhafter Weise eine Umwandlung in sichtbares Lichts erfolgen, was eine visuelle Erfassung und somit eine Ausrichtung z.B. durch einen Benutzer vereinfacht.For example, the reflection surface can be a fluorescent or luminescent surface which, when irradiated with the reflected light beam, emits radiation with the predetermined spectral range. In this case, the reflection layer can be excited in particular with radiation in a wavelength range from 1500 nm to 1590 nm. The predetermined spectral range with which radiation is emitted from the reflection surface can differ from the wavelength or the spectral range with which the light beam is emitted by the optical sensor or the light source of the alignment element and/or is reflected by the target object. In particular, the predetermined spectral range with which the reflection surface emits radiation can include at least a partial range of the spectral range of visible light. If the optical sensor or the light source of the alignment element emits a light beam with a wavelength or a spectrum in the non-visible range, the reflection surface designed in this way can advantageously convert it into visible light, which enables visual detection and thus alignment, e.g simplified a user.
In nicht erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Einstrahlfläche des Ausrichtelements, die die Durchstrahlöffnung aufweist, als Sensorfläche ausgebildet. Beispielsweise kann die Einstrahlfläche als CCD-Array ausgebildet sein oder ein solches CCD-Array umfassen. Selbstverständlich können auch andere, insbesondere flächig ausbildbare, Sensoren zur Erfassung von Strahlung verwendet werden.In embodiments that are not according to the invention, the irradiation surface of the alignment element, which has the transmission opening, is designed as a sensor surface. For example, the irradiation surface can be designed as a CCD array or can include such a CCD array. Of course, other sensors, in particular sensors that can be formed over an area, can also be used to detect radiation.
Insbesondere ermöglicht die Sensorfläche eine Erfassung einer Intensität eines auf die Sensorfläche treffenden Lichtstrahls und/oder eine Position des Lichtstrahls in einem sensoreigenen Koordinatensystem. Ist auch eine Position der Durchstrahlöffnung im sensoreigenen Koordinatensystem bekannt, so kann ein Abstand und eine Richtung des auf die Reflexionsfläche treffenden Lichtstrahles relativ zur Durchstrahlöffnung bestimmt werden.In particular, the sensor surface enables an intensity of a light beam impinging on the sensor surface and/or a position of the light beam in a sensor-specific coordinate system to be detected. If a position of the transmission opening is also known in the sensor's own coordinate system, then a distance and a direction of the light beam impinging on the reflection surface can be determined relative to the transmission opening.
Die Sensorfläche kann beispielsweise Licht in einem vorbestimmten Spektralbereich erfassen, wobei der Spektralbereich eine Wellenlänge oder einen Spektralbereich umfasst, mit welchem der optische Sensor oder die Lichtquelle des Ausrichtelements Licht emittiert oder mit dem Licht vom Zielobjekt reflektiert wird.The sensor surface can, for example, detect light in a predetermined spectral range, the spectral range comprising a wavelength or a spectral range with which the optical sensor or the light source of the alignment element emits light or with which light is reflected from the target object.
Die Sensorfläche kann hierbei datentechnisch mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sein. Die Auswerteeinrichtung kann wiederum, wie vorhergehend erläutert, die Position des Lichtstrahles auf der Sensorfläche relativ zur Durchstrahlöffnung bestimmen. Weiter kann die Auswerteeinrichtung eine Anzeigeeinrichtung derart ansteuert, dass die vorhergehend erläuterten Informationen z.B. einem Benutzer darstellbar sind.The sensor surface can be connected in terms of data to an evaluation device. As explained above, the evaluation device can in turn determine the position of the light beam on the sensor surface relative to the transmission opening. Furthermore, the evaluation device can control a display device in such a way that the information explained above can be displayed to a user, for example.
Auch kann die Auswerteeinrichtung, wie nachfolgend noch näher erläutert, eine Positioniereinrichtung des optischen Sensors und/oder des Zielobjekts derart ansteuern, dass der optische Sensor und das Zielobjekt derart relativ zueinander positioniert werden, dass der vom Zielobjekt reflektierte Lichtstrahl durch die Durchstrahlöffnung tritt.As explained in more detail below, the evaluation device can also control a positioning device of the optical sensor and/or the target object in such a way that the optical sensor and the target object are positioned relative to one another in such a way that the light beam reflected by the target object passes through the transmission opening.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Ausrichtelement mindestens eine Lichtquelle. Die Lichtquelle ist hierbei derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass zumindest ein Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahls von einer der Einstrahlfläche abgewandten Seite durch die Durchstrahlöffnung hindurchtritt.In a further embodiment, the alignment element comprises at least one light source. The light source is designed and/or arranged in such a way that at least part of the light beam generated by the light source passes through the transmission opening from a side facing away from the irradiation surface.
Der Lichtstrahl kann hierbei einen vorbestimmten maximalen Durchmesser aufweisen, der insbesondere kleiner oder gleich einem Durchmesser der Durchstrahlöffnung sein kann. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass der Durchmesser des Lichtstrahls größer als der Durchmesser der Durchstrahlöffnung ist.In this case, the light beam can have a predetermined maximum diameter, which in particular can be smaller than or equal to a diameter of the transmission opening. However, it is also conceivable that the diameter of the light beam is larger than the diameter of the transmission opening.
Die Lichtquelle kann hierbei an dem Ausrichtelement mechanisch befestigt sein. Insbesondere kann die Lichtquelle in dem vorhergehend erläuterten Innenvolumen der Ausrichthülse angeordnet sein. Eine Strahlrichtung des mit der Lichtquelle erzeugten Lichtstrahles kann hierbei parallel zur Zentralachse der Durchstrahlöffnung sein oder sich mit dieser überlagern.In this case, the light source can be mechanically fastened to the alignment element. In particular, the light source can be arranged in the previously explained inner volume of the alignment sleeve. A beam direction of the light beam generated with the light source can be parallel to the central axis of the transmission opening or can overlap with it.
In einer ersten Alternative dient die Lichtquelle einer Beleuchtung. In diesem Fall kann die Lichtquelle ein- und ausschaltbar sein. Vorzugsweise kann die Lichtquelle in diesem Fall dimmbar sein. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Ausrichtung in einer dunklen Umgebung erleichtert, da die Durchstrahlöffnung durch die Lichtquelle beleuchtet wird, wobei Licht durch die Durchstrahlöffnung nach außen tritt. Dies ermöglicht es, eine Position der Durchstrahlöffnung visuell, z.B. durch einen Benutzer, zu erfassen. Somit kann ein auf die Einstrahlfläche reflektierter Lichtstrahl durch relative Ausrichtung des optischen Sensors zum Zielobjekt vereinfacht hin zur Durchstrahlöffnung geführt werden.In a first alternative, the light source is used for illumination. In this case, the light source can be switched on and off. preferred In this case, the light source can be dimmable. This advantageously facilitates alignment in a dark environment, since the transmission opening is illuminated by the light source, light exiting through the transmission opening. This makes it possible to detect a position of the transmission opening visually, for example by a user. Thus, a light beam reflected onto the irradiation surface can be guided to the transmission opening in a simplified manner by aligning the optical sensor relative to the target object.
Alternativ oder kumulativ kann die Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahles dienen, der durch die Durchstrahlöffnung hindurch emittiert wird, wobei die Durchstrahlöffnung derart relativ zur Lichtquelle angeordnet ist, dass der von einem Zielobjekt reflektierte Lichtstrahl ausschließlich dann wieder durch die Durchstrahlöffnung hindurchtritt, wenn der emittierte Lichtstrahl in sich oder nahezu in sich reflektiert wird.Alternatively or cumulatively, the light source can be used to generate a light beam that is emitted through the transmission opening, with the transmission opening being arranged relative to the light source in such a way that the light beam reflected by a target object only passes through the transmission opening again when the emitted light beam is in is reflected in itself or almost in itself.
Somit kann, wie vorhergehend bereits erläutert, der Lichtstrahl, der zur Ausrichtung des optischen Sensors genutzt wird, entweder von dem optischen Sensor selbst oder von der Lichtquelle, die baulich separat vom optischen Sensor ausgebildet ist, erzeugt werden. In diesem Fall kann das vorgeschlagene Ausrichtelement auch zur Ausrichtung von optischen Sensoren oder weiteren Sensoren verwendet werden. Beispielsweise kann das Ausrichtelement zur Ausrichtung eines optischen Sensors zur Winkelmessung, insbesondere eines sogenannten Autokollimationsfernrohrs (AKF), genutzt werden.Thus, as already explained above, the light beam that is used to align the optical sensor can be generated either by the optical sensor itself or by the light source that is structurally separate from the optical sensor. In this case, the proposed alignment element can also be used to align optical sensors or other sensors. For example, the alignment element can be used to align an optical sensor for angle measurement, in particular a so-called autocollimation telescope (AKF).
Ein Autokollimationsfernrohr kann Winkeländerungen eines Objekts messen. Dazu wird an dem Objekt ein Reflektor angebracht, beispielsweise ein Spiegel. Der Autokollimator besitzt eine Lichtquelle, die einen Lichtstrahl aussendet. Der Lichtstrahl wird auf den Spiegel gerichtet, vom Spiegel reflektiert und auf einen Detektor fokussiert. Verkippt das Objekt, wandert der Fokus auf dem Detektor.An autocollimation telescope can measure changes in the angle of an object. For this purpose, a reflector, for example a mirror, is attached to the object. The autocollimator has a light source that emits a beam of light. The light beam is directed onto the mirror, reflected by the mirror and focused onto a detector. If the object tilts, the focus on the detector moves.
Hierbei weisen AKF jedoch einen nur sehr geringen Winkelbereich auf, in welchem eine zuverlässige Erfassung möglich ist. Das Ausrichtelement kann somit in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden, ein AKF derart relativ zu einem zu vermessenden Zielobjekt zu positionieren, dass dieses Zielobjekt in einem erfassbaren Winkelbereich zum AKF orientiert ist.In this case, however, ACFs only have a very small angular range in which reliable detection is possible. The alignment element can thus be used in an advantageous manner to position an AKF relative to a target object to be measured in such a way that this target object is oriented in a detectable angular range to the AKF.
Beispielsweise ist es vorstellbar, dass das AKF korrespondierende Befestigungselemente aufweist, die mit den Befestigungselementen des Ausrichtelements zusammenwirken, um das Ausrichtungselement an einem AKF derart zu befestigen, dass ein Lichtstrahl, der von der Lichtquelle des Ausrichtelements emittiert wird, parallel zu Lichtstrahlen des AKF orientiert ist. Hierbei kann das Ausrichtelement beispielsweise auf das AKF aufgesteckt werden, wobei eine Linse des AKF zumindest teilweise verdeckt wird. In diesem Fall kann zuerst eine Ausrichtung des AKF relativ zum zu vermessenden Zielobjekt erfolgen, wobei nachfolgend erforderlich ist, das Ausrichtelement wieder zu entfernen Es ist auch möglich, dass Ausrichtelement, insbesondere die Einstrahlfläche, derart auszugestalten, dass es einen Erfassungsbereich des AKF nicht vollständig oder nicht mehr als ein vorbestimmtes Maß verdeckt. Hierzu ist es z.B. möglich, die Einstrahlfläche kleiner als ein Durchmesser einer Linse oder eines Objektivs des AKF auszubilden. Auch vorstellbar ist, dass die Einstrahlfläche weitere Öffnungen aufweist. Z.B. kann ein die Einstrahlfläche aufweisender Abschnitt des Ausrichtelements speichenförmig ausgebildet sein. In diesem Fall erfolgt eine Ausrichtung mittels der vorhergehend erläuterten Durchstrahlöffnung während die weiteren Öffnungen die Messung mittels des AKF ermöglichen.For example, it is conceivable that the AKF has corresponding fastening elements that interact with the fastening elements of the alignment element in order to fasten the alignment element to an AKF in such a way that a light beam emitted by the light source of the alignment element is oriented parallel to light rays of the AKF . In this case, the alignment element can be plugged onto the AKF, for example, with a lens of the AKF being at least partially covered. In this case, the AKF can first be aligned relative to the target object to be measured, in which case it is then necessary to remove the alignment element again It is also possible to design the alignment element, in particular the irradiation surface, in such a way that it does not cover a detection area of the AKF completely or not covered by more than a predetermined amount. For this purpose, it is possible, for example, to design the irradiation surface to be smaller than the diameter of a lens or an objective of the AKF. It is also conceivable that the irradiation surface has further openings. For example, a portion of the alignment element having the irradiation surface can be spoke-shaped. In this case, alignment takes place using the transmission opening explained above, while the other openings enable measurement using the AKF.
Weiter alternativ kann das Ausrichtelement derart an dem AKF befestigt werden, dass eine gleichzeitige Ausrichtung und Vermessung möglich ist. Hierzu kann das Ausrichtelement beispielsweise an einer Außenfläche des AKF befestigt werden.As a further alternative, the alignment element can be attached to the AKF in such a way that simultaneous alignment and measurement is possible. For this purpose, the alignment element can be attached to an outer surface of the AKF, for example.
Weiter vorgeschlagen wird eine optische Sensoranordnung, insbesondere zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung. Die Sensoranordnung umfasst mindestens einen optischen Sensor, insbesondere einen Abstandssensor, insbesondere einen interferometrischen Abstandssensor. Weiter umfasst die optische Sensoranordnung mindestens ein Ausrichtelement gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen.An optical sensor arrangement is also proposed, in particular for determining a movement error of a rotary device. The sensor arrangement comprises at least one optical sensor, in particular a distance sensor, in particular an interferometric distance sensor. Furthermore, the optical sensor arrangement comprises at least one alignment element according to one of the previously described embodiments.
Das Ausrichtelement ist hierbei mittels des mindestens einen Befestigungsmittels zur Befestigung des Ausrichtelements derart an dem optischen Sensor angeordnet, dass der optische Sensor eine gewünschte Ausrichtung aufweist, wenn ein auf die Einstrahlfläche gerichteter Lichtstrahl zumindest teilweise von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung tritt. Insbesondere kann ein von dem optischen Sensor oder einer Lichtquelle des Ausrichtelements emittierter Lichtstrahl, der von einer der Einstrahlfläche abgewandten Seite durch die Durchstrahlöffnung tritt, oder ein vorbestimmter Anteil davon ausschließlich dann von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchlassöffnung treten, wenn der Lichtstrahl in sich oder nahezu in sich reflektiert wird.
Insbesondere kann in diesem Fall der reflektierte Lichtstrahl durch die Durchstrahlöffnung in einen Erfassungsbereich des optischen Sensors treten.The alignment element is arranged on the optical sensor by means of the at least one fastening means for fastening the alignment element in such a way that the optical sensor has a desired alignment when a light beam directed onto the irradiation surface passes through the transmission opening at least partially from the side of the irradiation surface. In particular, a light beam emitted by the optical sensor or a light source of the alignment element, which passes through the transmission opening from a side facing away from the irradiation surface, or a predetermined portion thereof can only pass through the transmission opening from the side of the irradiation surface if the light beam enters or is almost reflected in itself.
In particular, in this case the reflected light beam can pass through the transmission opening into a detection area of the optical sensor.
Der optische Sensor kann hierbei korrespondierende Befestigungsmittel aufweisen, die mit dem mindestens einen Befestigungsmittel des Ausrichtelements derart zusammenwirken, dass die vorhergehend beschriebene Anordnung herstellbar ist. Insbesondere ermöglichen das Befestigungsmittel des Ausrichtelements und das korrespondierende Befestigungsmittel des optischen Sensors eine zentrische Befestigung des Ausrichtelements an dem Sensor, wobei eine Zentralachse der Durchstrahlöffnung einer zentralen Strahlrichtung des optischen Sensors bzw. der Lichtquelle des Ausrichtelements entspricht. Somit kann eine Strahlrichtung des optischen Sensors oder der Lichtquelle des Ausrichtelements parallel zur Zentralachse der Durchstrahlöffnung sein. Emittiert der optische Sensor den Lichtstrahl, insbesondere wenn der optische Sensor als Sender-Empfänger-Sensor ausgebildet ist, so ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Abstandsmessung und die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausrichtung gleichzeitig bei Benutzung des optischen Sensors erfolgen kann, da zur Abstandsmessung und zur Ausrichtung dieselbe Lichtquelle genutzt wird. Alternativ ist, wie vorhergehend erläutert, eine von dem optischen Sensor baulich getrennt ausgebildete Lichtquelle nutzbar, um den Lichtstrahl zur Ausrichtung zu emittieren.In this case, the optical sensor can have corresponding fastening means which interact with the at least one fastening means of the alignment element in such a way that the arrangement described above can be produced. In particular, the fastening means of the alignment element and the corresponding fastening means of the optical sensor enable the alignment element to be fastened centrally on the sensor, with a central axis of the transmission opening corresponding to a central beam direction of the optical sensor or the light source of the alignment element. Thus, a beam direction of the optical sensor or the light source of the alignment element can be parallel to the central axis of the transmission opening. If the optical sensor emits the light beam, in particular if the optical sensor is designed as a transmitter-receiver sensor, the result is advantageously that the distance measurement and the alignment proposed according to the invention can take place simultaneously when using the optical sensor, since the distance measurement and the Alignment uses the same light source. Alternatively, as explained above, a light source that is structurally separate from the optical sensor can be used to emit the light beam for alignment.
Der optische Sensor kann hierbei einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wellenlänge oder einer Wellenlänge aus einem vorbestimmten Spektralbereich emittieren und empfangen.In this case, the optical sensor can emit and receive a light beam with a predetermined wavelength or a wavelength from a predetermined spectral range.
Hierbei kann der optische Sensor an einem Sensorhalter befestigt sein. Somit kann die vorgeschlagene optische Sensoranordnung auch einen solchen Sensorhalter umfassen.Here, the optical sensor can be attached to a sensor holder. Thus, the proposed optical sensor arrangement can also include such a sensor holder.
Die vorgeschlagene optische Sensoranordnung ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache und zeitlich schnelle Ausrichtung des optischen Sensors relativ zu einem Zielobjekt. Insbesondere kann durch Beobachtung der Einstrahlfläche und eines auf die Einstrahlfläche reflektierten Lichtstrahles eine relative Positionierung des optischen Sensors zum Zielobjekt derart erfolgen, dass der reflektierte Lichtstrahl durch die Durchstrahlöffnung tritt und somit in optimaler Weise in einen Erfassungsbereich des optischen Sensors eintreten kann. Bei einer solchen Ausrichtung ist gewährleistet, dass bei einer nachfolgenden Abstandsmessung ein ausreichendes Signal zur Abstandsmessung erzeugt wird.The proposed optical sensor arrangement advantageously enables simple and quick alignment of the optical sensor relative to a target object. In particular, by observing the irradiation surface and a light beam reflected onto the irradiation surface, the optical sensor can be positioned relative to the target object in such a way that the reflected light beam passes through the transmission opening and can thus optimally enter a detection area of the optical sensor. With such an alignment it is ensured that a sufficient signal for distance measurement is generated in a subsequent distance measurement.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die optische Sensoranordnung mindestens eine Bilderfassungseinrichtung. Diese kann beispielsweise als Kamera ausgebildet sein. Die Bilderfassungseinrichtung ist derart angeordnet, dass die Einstrahlfläche in einem Erfassungsbereich der Bilderfassungseinrichtung angeordnet ist. Somit kann die Bilderfassungseinrichtung die Einstrahlfläche und insbesondere einen auf die Einstrahlfläche vom Zielobjekt reflektierten Lichtstrahl abbilden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine bildbasierte Bestimmung einer Position eines reflektierten Lichtstrahls relativ zu der Durchstrahlöffnung.In a further embodiment, the optical sensor arrangement comprises at least one image acquisition device. This can be designed as a camera, for example. The image capturing device is arranged in such a way that the irradiation surface is arranged in a capturing area of the image capturing device. The image acquisition device can thus image the irradiation surface and in particular a light beam reflected from the target object onto the irradiation surface. This advantageously enables an image-based determination of a position of a reflected light beam relative to the transmission opening.
Diese Information oder das von der Bilderfassungseinrichtung erzeugte Bild kann, wie vorhergehend beschrieben, z.B. einen Benutzer auf einer Anzeigeeinrichtung dargestellt werden. Die Bilderfassungseinrichtung kann hierbei Licht aus einem vorbestimmten Spektralbereich abbilden. Hierbei kann der Spektralbereich, mit dem die Bilderfassungseinrichtung Objekte abbilden kann, die Wellenlänge oder den Spektralbereich umfassen, mit dem der optische Sensor oder die Lichtquelle des Ausrichtelements den Lichtstrahl emittiert oder mit dem der Lichtstrahl vom Zielobjekt reflektiert wird. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass auch nicht-sichtbares Licht genutzt werden kann, um den optischen Sensor relativ zum Zielobjekt auszurichten, da das nicht-sichtbare Licht durch eine entsprechende Bilderfassungseinrichtung für einen Benutzer visuell erfassbar dargestellt werden kann.This information or the image generated by the image acquisition device can, as previously described, be presented to a user on a display device, for example. In this case, the image acquisition device can image light from a predetermined spectral range. The spectral range with which the image acquisition device can image objects can include the wavelength or the spectral range with which the optical sensor or the light source of the alignment element emits the light beam or with which the light beam is reflected by the target object. This advantageously results in the fact that non-visible light can also be used in order to align the optical sensor relative to the target object, since the non-visible light can be represented visually by a corresponding image capturing device for a user.
Alternativ oder kumulativ umfasst die Sensoranordnung mindestens ein Positioniermittel zur relativen Ausrichtung des optischen Sensors zu einem Zielobjekt. Insbesondere kann die optische Sensoranordnung ein Positioniermittel zur Ausrichtung des optischen Sensors umfassen.Alternatively or cumulatively, the sensor arrangement comprises at least one positioning means for aligning the optical sensor relative to a target object. In particular, the optical sensor arrangement can include a positioning means for aligning the optical sensor.
Beispielsweise kann der optische Sensor an einer motorisch verstellbaren Positioniereinrichtung, beispielsweise einem CNC-gesteuerten Verschiebegestell, befestigt sein. Mittels des mindestens einen Positioniermittels ist der optische Sensor in mindestens einer Raumrichtung, vorzugsweise in drei voneinander unabhängigen Raumrichtungen, positionierbar. Auch kann eine Orientierung des optischen Sensors, z.B. durch Rotation um eine oder mehrere Raumrichtungen, durch das Positioniermittel einstellbar sein.For example, the optical sensor can be attached to a positioning device that can be adjusted by a motor, for example a CNC-controlled displacement frame. The optical sensor can be positioned in at least one spatial direction, preferably in three mutually independent spatial directions, by means of the at least one positioning means. An orientation of the optical sensor, e.g. by rotation about one or more spatial directions, can also be adjusted by the positioning means.
Alternativ oder kumulativ kann auch das Zielobjekt mittels eines Positioniermittels positionierbar sein. Für ein solches Positioniermittel gelten die gleichen Ausführungen wie für das Positioniermittel des optischen Sensors.Alternatively or cumulatively, the target object can also be positionable by means of a positioning means. The same explanations as for the positioning means of the optical sensor apply to such a positioning means.
In diesem Fall kann die optische Sensoranordnung weiter eine Steuer- und Auswerteeinrichtung umfassen, wobei mittels der Auswerteeinrichtung eine Position eines vom Zielobjekt reflektierten Lichtstrahles relativ zur Durchstrahlöffnung bestimmbar ist, wobei in Abhängigkeit dieser relativen Position die Steuereinrichtung das mindestens eine Positioniermittel derart ansteuert, dass der vom Zielobjekt reflektierte Lichtstrahl durch die Durchstrahlöffnung tritt. Beispielsweise können mittels der Auswerteeinrichtung ein Abstand und eine Richtung, z.B. in Polarkoordinaten, des reflektierten Lichtstrahls oder eines geometrischen Mittelpunkts des reflektierten Lichtstrahls, von einem Zentrum der Durchstrahlöffnung bestimmt werden. In Abhängigkeit der Richtung und des Abstandes kann dann die Steuereinrichtung das mindestens eine Positioniermittel derart ansteuern, dass der Abstand zwischen dem Lichtstrahl und der Durchstrahlöffnung minimiert wird, vorzugsweise auf Null reduziert wird.In this case, the optical sensor arrangement can also include a control and evaluation device, with the evaluation device being able to determine a position of a light beam reflected by the target object relative to the transmission opening, with the control device activating the at least one positioning means depending on this relative position in such a way that the Target object reflected light beam through the transmission aperture kicks. For example, the evaluation device can be used to determine a distance and a direction, eg in polar coordinates, of the reflected light beam or a geometric center point of the reflected light beam from a center of the transmission opening. Depending on the direction and the distance, the control device can then control the at least one positioning means in such a way that the distance between the light beam and the transmission opening is minimized, preferably reduced to zero.
Der reflektierte Lichtstrahl kann hierzu insbesondere sensorbasiert erfasst werden. Beispielsweise kann der Lichtstrahl mittels einer als Sensorfläche ausgebildeten Einstrahlfläche erfasst werden. Alternativ kann der Lichtstrahl, wie vorhergehend erläutert, mittels einer Bilderfassungseinrichtung erfasst werden.For this purpose, the reflected light beam can be detected in particular in a sensor-based manner. For example, the light beam can be detected by means of an irradiation surface designed as a sensor surface. Alternatively, as explained above, the light beam can be captured by means of an image capturing device.
Ist der optische Sensor an einem Sensorhalter befestigt, so kann das Positioniermittel auch zur Positionierung des Sensorhalters verwendet werden.If the optical sensor is attached to a sensor holder, the positioning means can also be used to position the sensor holder.
Das Positioniermittel kann auch als KMG ausgebildet sein. Hierzu kann beispielsweise der Sensorhalter mittels des KMG positionierbar sein.The positioning means can also be designed as a CMM. For this purpose, for example, the sensor holder can be positioned using the CMM.
Durch die Positionierbarkeit des optischen Sensors und/oder des Zielobjekts durch ein steuerbares Positioniermittel kann in vorteilhafter Weise eine geregelte Ausrichtung erfolgen, wobei eine Regeldifferenz beispielsweise durch den vorhergehend erläuterten Abstand zwischen Lichtstrahl und Durchstrahlöffnung gegeben ist. Hierdurch lässt sich der Ausrichtvorgang weiter beschleunigen.Because the optical sensor and/or the target object can be positioned by a controllable positioning means, controlled alignment can advantageously take place, with a control difference being given, for example, by the previously explained distance between the light beam and the transmission opening. This allows the alignment process to be further accelerated.
Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ausrichtung eines optischen Sensors relativ zu einem Zielobjekt. Der optische Sensor kann hierbei insbesondere ein Sensor zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung sein. Hierbei wird ein Ausrichtelement gemäß einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen derart an dem optischen Sensor angeordnet, dass der optische Sensor eine gewünschte Ausrichtung aufweist, wenn ein auf die Einstrahlfläche gerichteter Lichtstrahl zumindest teilweise von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung tritt. Weiter wird ein Lichtstrahl erzeugt und auf die Einstrahlfläche gerichtet wird. Weiter werden der optische Sensor und/oder der Lichtstrahl in Abhängigkeit einer Position des Lichtstrahls auf der Einstrahlfläche derart relativ zueinander ausgerichtet, dass zumindest ein vorbestimmter Anteil des Lichtstrahls durch die Durchstrahlöffnung hindurchstrahlt.A method for aligning an optical sensor relative to a target object is also proposed. In this case, the optical sensor can in particular be a sensor for determining a movement error of a rotary device. In this case, an alignment element according to one of the previously described embodiments is arranged on the optical sensor such that the optical sensor has a desired alignment when a light beam directed onto the irradiation surface passes through the transmission opening at least partially from the side of the irradiation surface. Furthermore, a light beam is generated and directed onto the irradiation surface. Furthermore, the optical sensor and/or the light beam are aligned relative to one another depending on a position of the light beam on the irradiation surface in such a way that at least a predetermined portion of the light beam shines through the transmission opening.
Insbesondere kann das Ausrichtelement derart an dem optischen Sensor angeordnet werden, dass ein von dem optischen Sensor oder einer Lichtquelle des Ausrichtelements emittierter Lichtstrahl, der von einer der Einstrahlfläche des Ausrichtelements abgewandten Seite durch die Durchstrahlöffnung tritt, oder ein vorbestimmter Anteil davon, ausschließlich dann von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchstrahlöffnung tritt, wenn der Lichtstrahl in sich reflektiert wird. Insbesondere kann der reflektierte Lichtstrahl in den Erfassungsbereich des optischen Sensors treten. Weiter wird ein Lichtstrahl erzeugt und von dem Zielobjekt reflektiert. Weiter wird der optische Sensor und/oder das Zielobjekt in Abhängigkeit einer Position des reflektierten Lichtstrahles auf der Einstrahlfläche derart relativ zueinander ausgerichtet, dass ein vorbestimmter Anteil des von dem Zielobjekt reflektierten Lichtstrahls durch die Durchstrahlöffnung hindurchstrahlt. Hierbei kann sowohl der Sensor als auch das Zielobjekt ausgerichtet werden. Dies kann durch eine manuelle Positionierung, z.B. durch einen Benutzer, erfolgen. Auch kann ausschließlich das Zielobjekt oder ausschließlich der Sensor ausgerichtet werden. Die Ausrichtung kann jedoch auch durch ein Positioniermittel, insbesondere ein motorisches verstellbares Positioniermittel, erfolgen.In particular, the alignment element can be arranged on the optical sensor in such a way that a light beam emitted by the optical sensor or a light source of the alignment element, which passes through the transmission opening from a side facing away from the irradiation surface of the alignment element, or a predetermined proportion thereof, exclusively from the Side of the irradiation surface occurs through the transmission opening when the light beam is reflected in itself. In particular, the reflected light beam can enter the detection range of the optical sensor. Furthermore, a light beam is generated and reflected from the target object. Furthermore, the optical sensor and/or the target object is aligned relative to one another depending on a position of the reflected light beam on the irradiation surface in such a way that a predetermined proportion of the light beam reflected by the target object shines through the transmission opening. Here, both the sensor and the target object can be aligned. This can be done by manual positioning, e.g. by a user. Also, only the target object or only the sensor can be aligned. However, the alignment can also be carried out by a positioning means, in particular a motor-driven adjustable positioning means.
Auch kann eine sensor- oder bildbasierte Erfassung des reflektierten Lichtstrahles, eine Bestimmung der Position des Lichtstrahles relativ zur Durchstrahlöffnung und eine in Abhängigkeit dieser relativen Position erfolgende Ausrichtung, insbesondere mittels des vorhergehend erläuterten Positioniermittels, erfolgen. Auch kann ein Abstand und eine Richtung des auf die Einstrahlfläche reflektierten Lichtstrahls von der Durchstrahlöffnung, beispielsweise in einem Polarkoordinatensystem, dessen Zentrum ein Mittelpunkt der Durchstrahlöffnung ist, bestimmt werden. Dann kann die Ausrichtung beispielsweise in Abhängigkeit des Abstandes und der Richtung erfolgen.A sensor-based or image-based detection of the reflected light beam, a determination of the position of the light beam relative to the transmission opening and an alignment depending on this relative position, in particular by means of the previously explained positioning means, can take place. A distance and a direction of the light beam reflected onto the irradiation surface from the transmission opening can also be determined, for example in a polar coordinate system whose center is a center point of the transmission opening. The alignment can then take place, for example, as a function of the distance and the direction.
Während der sensor- oder bildbasierten Auswertung kann beispielsweise eine Intensität des auf die Einstrahlfläche reflektierten Lichtstrahls bestimmt werden. Ein Ausrichtvorgang kann beispielsweise dann beendet werden, wenn der auf die Einstrahlfläche reflektierte Lichtstrahl derart relativ zur Durchstrahlöffnung positioniert wurde, dass die Intensität kleiner als eine vorbestimmte Intensität, vorzugsweise Null, ist. An intensity of the light beam reflected onto the irradiation surface can be determined, for example, during the sensor-based or image-based evaluation. An alignment process can be ended, for example, when the light beam reflected onto the irradiation surface has been positioned relative to the transmission opening in such a way that the intensity is less than a predetermined intensity, preferably zero.
In diesem Fall kann angenommen werden, dass der gesamte oder ein vorbestimmter Anteil des reflektierten Lichtstrahls durch die Durchstrahlöffnung tritt.In this case it can be assumed that all or a predetermined portion of the reflected light beam passes through the transmission opening.
Dieses Abbruchkriterium erlaubt in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Ausrichtung, da, falls der reflektierte Lichtstrahl durch die Durchstrahlöffnung tritt, in der Regel kein reflektierter Lichtstrahl auf der Einstrahlfläche mehr durch z.B. einen Sensor oder eine Bilderfassungseinrichtung erfassbar ist. Entsprechend kann eine Ausrichtung so lange erfolgen, wie eine Intensität des auf die Einstrahlfläche reflektierten Lichtstrahles größer als oder gleich der vorbestimmten Intensität ist.This termination criterion allows reliable alignment in an advantageous manner, since if the reflected light beam passes through the transmission opening, there is usually no more reflected light beam on the irradiation surface, for example by a sensor or an image acquisition device can be acquired. Accordingly, alignment can be performed as long as an intensity of the light beam reflected onto the irradiation surface is greater than or equal to the predetermined intensity.
Selbstverständlich ist hierbei zu berücksichtigen, dass der Lichtstrahl auch neben die Einstrahlfläche reflektiert werden kann, wobei ebenfalls kein auf die Einstrahlfläche reflektierter Lichtstrahl erfassbar sein kann. Somit ist zusätzlich sicherzustellen, dass vor Beendigung des Ausrichtvorgangs z.B. der Abstand zwischen dem auf die Einstrahlfläche reflektierten Lichtstrahl und der Durchstrahlöffnung verringert wurde.Of course, it must be taken into account here that the light beam can also be reflected next to the irradiation surface, it also being possible for no light beam reflected onto the irradiation surface to be detected. It must therefore also be ensured that before the alignment process is completed, e.g. the distance between the light beam reflected onto the irradiation surface and the transmission opening has been reduced.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht eines optischen Sensors und eines Zielobjekts bei nicht optimaler Ausrichtung, -
2 eine schematische Seitenansicht eines optischen Sensors und eines Zielobjekts bei optimaler Ausrichtung, -
3 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung bei nicht optimaler Ausrichtung, -
4 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung bei optimaler Ausrichtung, -
5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Sensoranordnung, -
6 einen Querschnitt durch eine Sensoranordnung, -
7 einen Querschnitt durch ein Ausrichtelement, -
8 ein schematischer Querschnitt durch eine weitere optische Sensoranordnung, -
9 eine perspektivische Ansicht eines Sensors, -
10 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausrichtelements -
11 eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung und -
12 eine optische Sensoranordnung zur Ausrichtung von fünf optischen Sensoren relativ zu einem Zielobjekt
-
1 a schematic side view of an optical sensor and a target object with non-optimal alignment, -
2 a schematic side view of an optical sensor and a target object with optimal alignment, -
3 a schematic side view of a sensor arrangement according to the invention with non-optimal alignment, -
4 a schematic side view of a sensor arrangement according to the invention with optimal alignment, -
5 a schematic side view of a further sensor arrangement according to the invention, -
6 a cross section through a sensor arrangement, -
7 a cross section through an alignment element, -
8th a schematic cross section through another optical sensor arrangement, -
9 a perspective view of a sensor, -
10 a perspective view of an alignment element according to the invention -
11 a perspective view of a sensor arrangement and -
12 an optical sensor array for aligning five optical sensors relative to a target object
Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.In the following, the same reference symbols designate elements with the same or similar technical features.
In
Der Sensor 1 umfasst eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger, die in einem Gehäuse 6 des Sensors 1 angeordnet sein können. In einem Sensorkopf 7 ist eine Linse 8 angeordnet. Durch diese Linse 8 wird ein von der Lichtquelle des Sensors 1 erzeugter Lichtstrahl 9 emittiert.The
In
In
In
In diesem Fall wird der Lichtstrahl 9, der von der Lichtquelle des optischen Sensors 1 durch die Linse 8 emittiert wird, in sich reflektiert. In dem in
In
In
Der Hohlzylinder weist hierbei einen Innendurchmesser auf, der um ein vorbestimmtes Maß kleiner als ein Außendurchmesser des zylinderförmigen Abschnitts 13 des Sensorkopfes 7 ist. Somit kann das Ausrichtelement 15 auf den Sensorkopf 7 aufgesteckt und gehaltert werden. Somit ist eine reibschlüssige Verbindung zwischen Sensorkopf 7 und Ausrichtelement 15 herstellbar. Somit bilden Innenflächen des Mantelabschnitts 17 des Ausrichtelements 15 die Befestigungsmittel des Ausrichtelements 15 zur Befestigung an dem optischen Sensor 1. Es ist aber auch vorstellbar, dass der Innendurchmesser des Hohlzylinders größer als der Außendurchmesser ist und das Ausrichtelement 15 mittels eines Befestigungsmittels, z.B. einer Schraube, am Sensorkopf 7 befestigt wird.In this case, the hollow cylinder has an inner diameter which is smaller by a predetermined amount than an outer diameter of the
Die dargestellte Befestigung des Ausrichtelements 15 an dem optischen Sensor 1 erfolgt hierbei derart, dass eine Zentralachse der Durchstrahlöffnung 21 einer Mittellinie des emittierten Lichtstrahls 9 entspricht, d.h. auf dieser angeordnet ist. Insbesondere ist das Ausrichtelement 15 konzentrisch zu dem Lichtstrahl 9 auf dem optischen Sensor 1 angeordnet.The illustrated attachment of the
Ein Durchmesser der Durchstrahlöffnung 21 ist hierbei derart gewählt, dass der Lichtstrahl 9 von einer der Einstrahlfläche 19 abgewandten Seite der Stirnseite 18 durch die Durchstrahlöffnung 21 tritt. Weiter ist der Durchmesser der Durchstrahlöffnung 21 derart gewählt und das Ausrichtelement 15 derart an dem optischen Sensor 1 befestigt, dass der vom Zielobjekt 2 reflektierte Lichtstrahl 10 ausschließlich dann von der Seite der Einstrahlfläche 19 durch die Durchstrahlöffnung 21 zurückgestrahlt wird, wenn der Lichtstrahl 9 in sich oder nahezu in sich reflektiert wird. In
Somit kann visuell oder, wie nachfolgend näher erläutert, auch sensor- oder kamerabasiert erfasst werden, dass der Lichtstrahl 9 nicht in sich, sondern unter einem Winkel, der größer als ein vorbestimmter gewünschter Winkel ist, von dem Zielobjekt 2 reflektiert wird.It can thus be detected visually or, as explained in more detail below, also based on sensors or cameras, that the
In
In
Ausgangssignale der Bilderfassungseinrichtung 23 können zur automatischen Ausrichtung verwendet werden. Insbesondere kann in Abhängigkeit des von der Bilderfassungseinrichtung 23 erzeugten Bildes ein Abstand und eine Richtung des Bereichs 22, in welchen der reflektierte Lichtstrahl 10 fällt, von der Durchstrahlöffnung 21 bestimmt werden. Die Richtung kann beispielsweise in einem geeigneten Koordinatensystem, beispielsweise einem Polarkoordinatensystem, bestimmt werden. Hierzu können geeignete Verfahren der Bildverarbeitung, z.B. Detektions- oder Segmentierungsverfahren, verwendet werden. Diese können z.B. intensitätsbasiert durchgeführt werden. Hierbei kann z.B. berücksichtigt werden, dass die abgebildete Einstrahlfläche 19 im Bereich 22 eine höhere Intensität aufweist als in den verbleibenden Bereichen der Einstrahlfläche 19.Output signals from the
Der bildbasiert bestimmte Abstand und die Richtung können dann zur Steuerung z.B. einer motorischen Positioniereinrichtung (nicht dargestellt) des optischen Sensors 1 und/oder des Zielobjektes 2 genutzt werden. Hierbei wird in Abhängigkeit des Abstandes und der Richtung der optische Sensor 1 derart relativ zum Zielobjekt 2 positioniert, dass der reflektierte Lichtstrahl 10 durch die Durchstrahlöffnung 21 in den Erfassungsbereich des optischen Sensors 1 tritt.The distance and the direction determined based on the image can then be used to control, for example, a motorized positioning device (not shown) of the
In
Weiter dargestellt ist, dass in einem Innenvolumen 20 des Ausrichtelements, also auf der von der Einstrahlfläche 19 abgewandten Seite des Ausrichtelements 15, eine weitere Lichtquelle 26 angeordnet ist, die durch Zuleitungen 27 mit Energie versorgbar ist. Die Lichtquelle 26 kann hierbei beispielsweise als LED ausgebildet sein. Mittels der weiteren Lichtquelle 26 ist das Innenvolumen 20 beleuchtbar. Hierbei tritt Licht von der der Einstrahlfläche 19 abgewandten Seite durch die Durchstrahlöffnung 21. Somit kann eine Position der Durchstrahlöffnung 21, insbesondere bei Dunkelheit, besser visuell oder kamera- oder sensorbasiert erfasst werden.It is also shown that in an
Dies ermöglicht somit eine vereinfachte Ausrichtung auch bei Dunkelheit.This enables simplified alignment even in the dark.
In
Die Lichtquelle 28 ist derart innerhalb des Innenvolumens 20 des Ausrichtelements 15 angeordnet, dass ein von der Lichtquelle 28 emittierter Lichtstrahl 9 von der der Einstrahlfläche 19 abgewandten Seite durch die Durchstrahlöffnung 21 tritt und nur dann von der Seite der Einstrahlfläche 19 durch die Durchstrahlöffnung 21 zurückgestrahlt wird, wenn der emittierte Strahl 9 in sich oder nahezu in sich reflektiert wird.The
Das in
In
Die Ausrichtung kann, wie vorhergehend bereits erläutert, durch eine Positionierung des AKF 29 und/oder des Spiegels 31 zueinander erfolgen, wobei die Ausrichtung derart eingestellt wird, dass der emittierte Lichtstrahl 9 an dem Spiegelelement 31 in sich reflektiert wird. In
In
In
In
In
Für eine nachfolgende Abstandsmessung während einer Drehung des drehbaren Teils 33 werden Ausrichtelemente 15 von den Sensorköpfen 7 (siehe z.B.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- optischer Sensoroptical sensor
- 22
- Zielobjekttarget object
- 33
- KugelBullet
- 44
- StabRod
- 55
- Zentralachsecentral axis
- 66
- GehäuseHousing
- 77
- Sensorkopfsensor head
- 88th
- Linselens
- 99
- Lichtstrahlbeam of light
- 1010
- reflektierter Lichtstrahlreflected light beam
- 1111
- Erfassungsbereich des optischen SensorsDetection range of the optical sensor
- 1212
- Haltevorrichtungholding device
- 1313
- Zylinderabschnittcylinder section
- 1414
- konusförmiger Abschnittconical section
- 1515
- Ausrichtelementalignment element
- 1616
- optische Sensoranordnungoptical sensor array
- 1717
- Mantelabschnittcoat section
- 1818
- Stirnseiteface
- 1919
- Einstrahlflächeirradiation surface
- 2020
- Innenvolumeninternal volume
- 2121
- Durchstrahlöffnungtransmission aperture
- 2222
- Bereicharea
- 2323
- Bilderfassungseinrichtungimage capture device
- 2424
- Erfassungsbereichdetection range
- 2525
- Leuchtflächeluminous surface
- 2626
- Lichtquellelight source
- 2727
- Zuleitungensupply lines
- 2828
- weitere Lichtquelleanother light source
- 2929
- Autokollimationsfernrohrautocollimation scope
- 3030
- Objektivlens
- 3131
- Spiegelmirror
- 3232
- LochHole
- 3333
- drehbarer Teilrotating part
- 3434
- Drehtischturntable
- 3535
- Sensorhaltersensor holder
- 3636
- Positioniermittelpositioning means
- αa
- Winkelangle
- xx
- erste Horizontalrichtungfirst horizontal direction
- yy
- zweite Horizontalrichtungsecond horizontal direction
- ze.g
- Vertikalrichtungvertical direction
- MM
- MittelpunktFocus
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-
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