DE1798193A1

DE1798193A1 - Photoelektronische Abtast(er)-Vorrichtung mit telezentrischem Fahrstrahlverlauf

Info

Publication number: DE1798193A1
Application number: DE19681798193
Authority: DE
Inventors: Lothar Franke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-09-06
Filing date: 1968-09-06
Publication date: 1971-09-23

Description

Photoelektronische Abtast(er)-Vorrichtung mit telezentrischem Fahrstrahlverlauf Die Erfindung bezeiht sich auf eine photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung, welche Strahlen in allen möglichen Wellenlängenbereichen auszusenden und/oder zu empfangen geeignet ist und deren optische Fahrstrahlachse in einem Gegenstandsraum telezentrisch, d ii. mit rnit ; lei zueinander verlaufenden Strahlen sich räumlich verlagernd und hierbei zeitlich aufeinanderlolgend verschiedene Objektpunkte des Gegenstandsraums abzutasten vermag.
Im tiie erforderlichen optischen Mittel beherbergenden Gerät wird je nach der aufgenommenen Strahlung - Sei es bei ausgesandter Strahlung die Strahlungsdichte des vom Objektpunkt oder einem Reflektor remittierten Strahls oder bei eigenstrahlendem Gegenstand die Strahlungsdichte des abge tasteten Objektpunkts - ein Signal gewonnen, welches Rückschlüsse über der Ort und die an dem Ort anzutreffende Strahlungsdichte erlaubt.
Telezentrische Fahrstrahlabtaster sind fiir die beriihrungslose Vermessung der Ausdehnung und/oder Lage in einem Raum von Gegenständen bedeutsam, weil der telezentrische Verlauf der Fahrstrahlaehse es ermöglicht, eine exakte Messung in der Richtung der Fahrstrahlbewegung auch dann durchzufihren, wenn die Gegenstandsweite zwischen abtaster und Meßobjekt veränderlich ist.
Anordnungen mit t bewegtem Fahrstrahl sind in verschiedener Ausführung bekannt geworden; entweder erfordern diese Geräte Schleifringzuführungen zu bewegten stromführenden Banelementen oder bewegte Abbildungsobjektive, die zur Erzielung einer größeren Abtastfrequenz sogar mehrfach vorhanden sein müssen; oder sie lassen eine exakte telezentrische Strahl führung nicht zu oder sie verändern je nach Lage des Fahrstrahls die Weglänge tlnd/oder die Strahlrichtung innerhalb der im Bildraum verwendeten abbildenden oder reflektierenden Systeme, so daß sich bei den bekannten Anordnungen zwischen der jeweiligen Fahrstrahlposition und der Lage des zu deren Messung dienenden bewegten Bauteils keine zwangsläufige Zuordnung nach einer einfachen mathematischen Funktion ermöglichen läßt.
Ein weiterer bekannter Fahrstrahlabtaster liegt beispiels weise gemäß DBP 960 785 in Form eines einen sogenannten Lichtvorhang erzeugenden Fahrstrahls vor.
Mierbei wird ein von einer Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel durch ein Objektiv mittels eines rotierenden Dacllspiegels, dessen Rotationsachse durch den Brennpunkt eines Parabolspiegels verläuft, in Rotation versetzt.
Durch die Reflexion an dem Parabolspiegel gelangt das Lichtbündel in den Gegenstandsraum. Infolge Reflexion an einer Reflektiorenwand ist es zugleich Sender- und Empfangs-Strahlenbündel, das auf dem Rückweg infolge Strouung oder Strahlenteilung auf ein lichtelektronisches Bauelement gelangt.
Diese bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß sie nicht streng im telezentrischen Strahlengang betrieben werden kann, weil durch das der Fahrstrahlablenkung dienenden Mehrfach Reflexionselement - beispielsweise einen Dachkant spiegel oder einen Polygonspiegel kein echter telezentrischer Strahlengang erzeugt werden kann, da bei der bekannien Vorrichtung gerade der ort der Telezentrikblende erfindungsgemäß durch diese Baueinheiten verstellt ist.
Ordnet itian hingegen den oder die Ablenkspiegel außerhalb des Brennpunktes an, so ergibt sic der Nachteil, daß je nach Stellung des Drehspiegels eine unterschiedliche Abbildungsgeometrie gegeben ist.
Diese Anordnung ist lediglich zum Nachweis von Objekten im vom Fahrstrahl überstrichenen Gegenstandsraum unabhängig von ihrer Lage und Größe, nicht aber zu deren Positions- und Größenvermessung bestimmt und geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, diese Nachteile zu vermeiden und eine Fahrstrahl-Abtast(er)-Vorrichtung zu schaffen, die ohne Bewegung und ohne Mehrfachanordnung stromführender oder den Gegenstandsraum abbildender Bauteile einen strengen telezentrischen Strahl ungsverlauf aufweist.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen derart bewegten Fahrstrahl zu bilden, daß das strahlungsempfind.-liche Bauelement einerseits und das Abbildungs-Objektiv andererseits nicht bewegt zu werden brauchen. Es muß also das strahlungsempfindliche Bauelement an einem Ort angeordnet sein, an dem die Bildpunkte von verschiedenen, räumlich getrennten Objektpunkten in einem Punkt zusammenfallen, im folgenden ruhender Bildort 1? genannt.
Die Erfindung betrifft eine photoelektronische Fahr-5 trahlabtas ter-Vorri chtung für tel ezentri schen Fahrs tralil verlauf.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit ruhendem Strahlungs sender und/oder ruhendem Strahlungsempfangselement und ruhendem Abbildungsobjektiv dadurch gelöst, daß die Strahlungsfläche des Strahlungssenders oder die strahlungsempfindliehe Fläche des Strahlungsespfangselements im bildseitigen. Brennpunkt des Abbildungsobjektivs angeordnet ist, wobei die Sende- oder Empfangsfläche vom Objektiv abgewandt angeordnet ist und im hinter dem Brennpunkt befindlichen Bildraum mindestens ein beweglicher Spiegel derart angeordnet ist, daß dieser mindestens einen Teil der nach Durchlaufen des Brennpunktes divergierenden Bildstrahlen in diesen zurückreflektiert.
Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß der Strahlungssender und/oder das Strahlungsempfangseleient und das Abbildungsobjektiv ruhend angeordnet sind.
Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß sich im bildseitigen Brennpunkt des Abbildungsobjektivs eine zur Sicherstellung des telezentrischen Strahlverlauts dienende Lochblende befindet, während die Austrittspupille des Strahlungssenders und/ oder die strahlungsempfindliche Fläche des Strahlungsempfangselements sich an einem durch eine Strahlungsteilungsfläche als Symmetrieebene definierten, zum bildseitigen Brennpunkt komplementären Ort befinden.
Gemäß einer besonderen Ausbildung der Erfindung ist der bewegliche Spiegel so angeordnet, daß er auf mindestens einem Teil einer Kreisbahn um den bildseitigen Brennpunkt zu rotieren vermag, wobei seine optische Achse mit dem Rotationsradius zusammenfällt und stets durch den Brennpunkt verläuft.
Da sich zur Sicherstellung der Telezentrik im Brennpunkt des Abbildungsobjektivs bekanntlich eine kleine Blendenöffnung befinden muß ist entweder, gemäß einer Lösung der gestellten Aufgabe vorgesehen, daß das strahlungsempfindliche Bauelement durchbohrt ist, wobei die Bohrung die Telezentrikblende darstellt; oder es wird, gemäß einer anderen Lösung, durch eine Strahlungsteilungsfläche als Symmetrieebene ein zum Brennpunkt komplementärer Ort definiert, an dem das Strahlungsempfangselement angeordnet ist.
Sofern der Fahrstrahlabtaster gleichzeitig zum Aussenden eines Strahls dient, ergibt sich für den Ort der Strtllllungssenderfläche oder der Austrittspupille eines strahlungssenden optischen Gerätes ebenfalls der Brennpunkt oder ein dazu komplementärer Ort.
Da entsprechend der Erfindung optische Teile, vorzugsweise Spiegel, dazu dienen, die wandernden Bildorte der Fahrstrahlen in den ruhenden Bildort zu reflektieren und abzubildeu, ist die Blickrichtung des Strahlungssenders bzw. Strahlungsempfängers dem Objektiv abgewandt und auf die noch zu beschreibenden Spiegelanordnungen gerichtet.
Gemäß einer weiteren Ausbildung ist vorgesehen, daß hinter der im Brennpunkt des Abbildungsobjektiys befind-Eichen Telezentrikblende mindestens ein beweglicher Spiegel mit positiver Brechkraft angeordnet ist, der das zum Fahrstrahl gehörende Strahlenbündel in sich so zurückreflektiert, daß seine optische Achse und die Achse des Bündels vor und nach der Reflexion zusammenfallen.
Durch die Erfindung werden die folgenden durchgreifenden Vorteile erzielt der Fahrstrahl eist einen streng telezentrischen Strahlungsverlauf auf, ohne Bewegung und ohne Mehrfachanordnung stromführender oder abbildungsobjektiver Teile.
Ferner werden die folgenden Vorteile erzielt Es herrschen konstante, optische Weglänge und konstante Strahiposition im Paraxialrau eines oder mehrerer in Bidraum gleichförmig bewegter, weiteghend aberrationsfreier, einfacher optischer Systeme; hierdurch wird eine zwangsläufige Zuordnung zwischen der Fahrstrahlposition ii Gegenstandsraum und der Lage des oder der Innensysteie nach einer einfachen Funktion sichergestellt und die auch bei schwankender Gegenstandsweite.
Durch das Zusammenwirken dieser vorteilhaften Eigenzchaften entsteht ein Meßsyste@ für hohe Genauigkeitsanforderungen bei einfacher Bauweise.
Der (oder die) bewegliche(n) Spiegel weist ein. solche Konkavkrümmung und einen solchen Abstand von Brennpunkt auf, daß er den Bildort in den Brennpunkt abbildet. Zur Erläuterung seien zwei Fälle näher ausgeführt. (Fig. 2).
Augenommen, der Objektpunkt des zun Zeitpunkt t in einer bestimmten Lage befindlichen Fahrstrahls liege in optisch Unendlichen, der Bildpunkt befindet sich dann in Brennpunkt.
Der (oder die) bewegliche(n) Spiegel zuß bzw. müssen sich in diesse Fall in einer Entfernung hinter der Telezentrikblende befindem, die dem Krümmu9ngaradius seiner Konkavfläche entspricht. Er bildet sodann den Bildpunkt - abberrationsfrei -"in sich" wieder im Brennpunkt ab.
Es besteht dabei freie Wahl fttr die Größe von Krümmung und Abstand, beide müssen lediglich übereinstimmen.
Liegt der abzubildende Objektpunkt nicht im optisch Unendlichen, so befindet sich der zugehörige Bildpunkt hinter der Telezentrikblende (und wandert auch ilt dem Fahrstrahl). Jetzt ist dem beweglichen Spiegel bei gegebener Konkavkrümmung ein solcher Abstand von der Telezentrikblende zu geben, daß er den Bildpunkt in den Brennpunkt schari abbildet.
Damit ist der "scharfe Bildort" in den " ruhenden Bldort" gebracht worden, so daß er in den dort befindlichen Strahlungsempfänger gelangen kann.
Der bewegliche Spiegel deiiniert das zu einem Fahrstrahl gehörende Strahlenbündel. Somit sind die äußeren Umrisse des Spiegels die Aperturblende des Fahratrahlbündels und dessen " Pupille ". Man kann erfindungsgemäß durch Wahl des Spiegeluirisses dei Fahrfltrahl einem gewünschten Quersohnitt geben.
Die Bewegung des Spiegels vollzicht sich, gemäß einer zweckmäßigen Ausithrung nach der Erfindung eo, daß sie den Brennpunkt der Telezentrikblende zum Rotationsmittelpunkt hat, Damit ergeben sich die bedeutenden Vorteile, daß alle Bildstrahlen von dem Spiegel in allen seinen Flächenelementen mit stets gleichbleibendem Reflexionswinkel von insbesondere 900 oder nahe 900 reflektiert werden, und daß weiterhin die Reflexionsstrahlen zwischen Spiegel und Sender- bzw. Empfängerort stets gleich lang sind.
Hieraus ergibt sich für die räumliche Zuordung vom Ort der Fahrstrahlachse im Objektraum und zugeordnetem Spiegelort eine eindeutig Beziehung Tg 6 = S T s = f # tg @ vgl. Fig. 1 Dies bedeutet, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels dem Tangens der Lateralgeschwindigkeit des telezentrischen Fahrstrahls entspricht. Koeffizient ist die Brennweite des Abbidungsobje@ivs. je kleiner die Brennweite ist, umso größer ist der Drehwinkel des Spiegels bei gleicher Lateralverschiebung der Fahrstrahlachse. Dise hat zur Folge, daß zur Ausmessung geringer seitlicher Verlagerungen im Objektraum (beispielsweise bei Vermessung einer Schattengrenze eines in dei Strahlengang eindringenden Werkstücks), die größere Empfindlichkeit hinsichtlich Erzielung eines möglichst großen Spiegel-Nachführwinkels von einer Objektiv k U r z e r e r Brennweite erreicht wird. Dies bedeutet den Vorteil, daß entgegen dem bei herkömmlicher Abbildung bestehenden Zwang zur Verwendung starker Fernrohrvergrößerungen, also großer Brennweiten durch die Erfindung kleine Bauformen mit kleinen, also raumsparenden und stabil zu verwirklichenden Strahlenlängen möglich werden.
Zum Antrieb des Spiegels dient beispielsweise ein Gelenk-oder Kurbelantrieb, der den Spiegel innerhalb des nutzbaren Bildwinkels des Objektives hin- und herbewegt Um die durch vorstehende beschriebene Anordnung gegebene Begrenzung der Spiegelbewegung zu überwinden und eine richtungsgleiche und kontinilerliche Spiegelbewegung zu ermöglichen, ist erfindungsgeiäß auch die zusitzliche Anordnung eines festen Umlenkspiegels, Prismas oder einer anderen Umlenk- bzw. Reflexionsfläche vorgesehen.
Diese Uilenkreflexionsfläche befindet sich - vom Objektiv gesehen-hinter der Telezentrikblende und hinter der gegebenenfalls vorhandenen Strahlenteilungsfläche. Die Umlenkreflexionsfläche lenkt die optische Hauptachse des Abbildungsobjektive vorzugsweise um 90° oder nahezu 90° seitlich um.
Diese Umlenkreflexionsfläche steht im allgemeinen still.
Die Kippachse dieser Reflexionsfläche gegen die optische Hauptachse des Abbindungsobjektivs definiert gemeinsam mit dieser diejenige Ebene, in der der Fahrstrahl wandert, also die Fahrstrahlfläohe, Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß die Strahlungsteilungsfläche und die Umlenkreflexionsfläche durch ein gemeinsames optisches Bauelement gebildet werden kann, das aus zwei miteinander verkitteten rechtwinkligen Prismen besteht, wobei die Kittfläche die Strahlenteilungsfläche ist.
Die beiden 90°- Prismen unterscheiden sich in ihren Kanten im Größenverhältnis 1 :#2, wobei die Hypothenusenfläche des kleineren Prismas auf eine Iathetenfläohe des größeren mit Strahlemteilungseigenschaft auigekittet ist.
Nachdem die Fahrstrahlen derart umgelenkt sind, erhalten die erfindungsgemäß beweglichen Spiegel eine gleichförmige und gleichsinnig durchlaufene Umlaufbahn.
Bei beispielsweise 900 Umlenkwinkel der festen Unlenkreflexicnsfläche rotieren der oder die beweglichen Spiegel auf einem Zylindermantel um die Objektivhauptachse. Die beweglichen Spiegel reflektieren die umgelenkten Strahlen in sich zurück, die dann durch die feste Umlenkreflexionsfläche wieder zum Brennpunkt und damit zum nruhenden"Sender-Eupfängerort gelangen.
Die Krümmung der konkaven Spiegel flächen und der Rotationsradius um die optische Hauptachse sind so bemessen, daß die optische Weglänge zwischen bildseitigem Brennpunkt und rotierendem Spiegel, zusammengesetzt aus der Strecke auf der optischen Haptachse bis zur festen Umlenkreflexionsfläche und dem Rotationsradius, genau oder annähernd gleich dem Krümmungsradius ist.
Anhand der Zeichnungen sei der Erfindungegedanke näher erläutert: Es zeigen Fig. 1 die räumliche Zuordnung vom Ort der Fahrstrahlachse im Objektraum und zugeordmeten Spiegel ort.
Fig, 2 ein Ausführungsbeispiel der Fahrstrahlabtastervorrichtung nach der Erfindung mit im Unendlichen befindlichem Objektpunkt in schematischer Darstellung, Fig. 3 eine andere Ausführungsform, bei der der Objektpunkt sich nicht im optisch Unendlichen befindet, Fig. 4 das Beispiel einer konstruktiven Anordnung, der Vorrichtung nach der Erfindung im Aufriss, Querschnitt und Grundriss, Fig. 5 eine Winkellageanzeigevorrichtung genä9 Fig. 4 rür magnetisches Abtastorgan in schematischer Darstellung, Fig. 6 eine Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 4 mit nach der Tangensfunktion geteilten Meßstrichen in Draufsicht und im Querschnitt, Fig. 7 eine Fahrstrahlabtastervorrichtung nach Fig. 4c in Form einer von einem Laserstrahl über einen Tripelspiegel rückgekoppelten Nachlaufsteuerung, Fig. 8 ein Tangens-Getriabe.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Fahrstrahlabtastervorrichtung nach der Erfidnung dargestellt.
Es bedeutet 1 ein im Unendlichen zu denkendes, endlich großes Flächenelement einer Strahlungsquelle, das durch einen Fahrstrahl 2 abgetastet wird, der durch ein Abbildungsobjektiv 3 der Fahrstrhl-Abtastervorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel im Brennpunkt 4 scharf abgebildet wird,der sich im Zentrum einer Telezentrik-Blendenöffnung 5 befindet. Im weiteren Verlaui divergieren die Strahlen des Fahrstrahl-Lichtbündels 2 wieder, bis sie auf einenbbeweglichen Konkavspiegel 6 gelangen, dessen Krümmungaradus gleich seinem Rotationsradius 14 ist, wobei der Rotations-und Krüimungsmittelpunkt mit dem Brennpunkt 4 zusammenfällt. Dadurch werden die Strahlen des Fahrstrahlbündels 2 wieder in sich zurückgeworfen, wobei die optischen Achsen vor und nach der Reflexion zusammenfallen; hierdurch entsteht im Brennpunkt 4 ein weiteres Bild des Flächenelements i, jedoch diesmal mit entgegengesetzter Strahlrichtung.
Das vom Konkavspiegel 6 reflektierte Strahlenbündel durchsetzt dabei eine Strahlungsteilungsfläche 7, wobei ein Teil des Strahlenstromes zu einem Punkt 8 gelangt, und dort auch ein Bild der Strahlungsquelle 1 entwirft. Der Punkt 8 stellt einen zum Brennpunkt 4 "komplementären Ort1 dar, da er zu ihm durch die Strahlungsteilungsfläche 7 symmetrisch liegt.
Die beiden Bildorte 4 und 8 sind"ruhende Bildorte" für alle in dieser Anordnung möglichen Fahrstrahlen 2.
Angenommen, der bewegliche Spiegel 6 habe seine Lage auf der Bildschale 13 in Position 9 verändert, so daß der Fahrstrahl 2 dann den Verlauf 12 innehat und ein anderes Flächenelement 13 im Objektraum abtastet. Auch in diesem Fall wird dessen Bild wieder in dieselbe ruhende Bildorte" bzw. 10 abgebildet.
Fig. 3 stellt den Fall dar, daß die Strahlungs-Flächenele mente 10 bzw. ii sich nicht im optisch Unendlichen bfinden. Die Bildpunkte liegen in diesem Fall nicht im Brennpunkt, sondern dahinter, z. B. am Ort 15, der entsprechend dem auf der Bildschale 16 wandernden Spiegel 6 mitwandert.
Der Rotationsradius 14 des Spiegels 6 ist so gewählt, daß dieser das Bild 10 nach der Reflexion wieder im Brennpunkt 4 (bzw. im komplementären Bildort 8) abbildet und damit wiederum ruhenden Bildort und scharfen Bildort vereinigt.
Die nach der Reflexion vom Spiegel 6 zurückgeworfenen Lichtbündelumrisse sind gestrichelt dargestellt; sie weichen geringfügig von dem Bündel vor der Reflexion ab, während beide optische Achsen nach wie vor zusammenfallen.
Da der Spiegel 6 bei der Anordnung nach Fig. 2 nur einen Sektor von der Größe des maximalen Bildwinkels des Objektivs 3 durchlaufen kann, müßte er in diesem Bereich eine und herlaufen. Die Anordnung mehrerer, einander in der Strahl führung ablasender und gleichsinnig umlaufender Spiegel verbietet sich jedoch, weil solche Spiegel aus dem Gehäuse des Abtasters austreten und zudem den Strahlengang vor dem Objektiv im Gegenstandsraum abdecken würden.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Schwierigkeit sei an Hand der Fig.4a - 4c erläutert, wobei Fig. 4 b den Seitenriß und Fig. 4 c den Grundriß der Fig. 4 a darstellen.
Um eine mehrfache, einander ablösende, in gleichförmiger und gleichsinniger Bewegung verlaufende Anordnung der Spiegel zu ermöglichen, ist eine feststehende Reflexionsfläche 19 angeordnet, die die Fahrstrahlen um vorzugsweise 900 umknickt, wobei ihre Kippachse 16 gemeinsam mit der optischen Achse 35 des Abbildungsobjektivs 1 die Ebene definiert, in der die Fahrstrahlachsen wandern.
Die Spiegel 6 sind vorzugsweise in gleichbleibender Kreisteilung angeordnet, (Fig. 4 b ) und befinden sich nach dem Ausführungsbeispiel im Innern eines topfartigen Gehäuses 20, das durch einen Motor 21 angetrieben werden kann und um die optische Achse des Abbildungsobjektives 9 als Rotationsachse zu rotieren vermag.
Die ICrümmung der Spiegel 6 und die optische Weglänge vor und nach der Reflexion entsprechen den im vorstehenden beschriebenen Bedingungen. Der Rotationsradius ist um den Betrag verkürzt, den der Abstand zwischen dem ruhenden Bildort 4 bzw. 10 und dem Schnittpunkt der Kippachse 16 mit der optischen Achse des Abbildungsobjektivs 5 bildet.
Um der im vorstehenden an lland der Fig. 5 erläuterten Aufgabenstellung zu genügen, und die wandernden Bildorte endlich entfernter Objektpunkte an die ruhenden Bildorte 4 bzw. 8 zu bringen und dort scharf abzubilden, sind Maßnahmen derart getroffen, daß das Abbildungsobjektiv 5 mit der Telezentrikblende 5 und der Sende-bzw. Empfangsfläche an in Bildorten 4 bzw. 8 einerseits eine in sich unveränderliche Baugruppe bilden, der gegenüber die feste Umlenkfläche 19 mit einem topfartigen Spiegelgehäuse 20 andererseits eine in sich unveränderliche Baugruppe bilden, deren gegenseitiger Abstand jedoch veränderlich ist, Durch eine besondere Ausbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die. Strahlungs-Teilungsfläche 7 und die Reflexionsfläche 19 zu einer Baueinheit vereinigt sind, die (Fig. 5) aus zwei rechtwinkligen Prismen besteht, deren kqrrespondierenae Kanten im Verhältnis i stehen und die so verkittet sind, daß die Hypothenusenfläche des kleineren Prismas mit einer Kathetenfläche des größeren Prismas die Strahlungsteilungsfläche 7 bilden, während die andere Kathetenfläche die - gegebenenfalls verspiegelte-Urlenk-Reflexionsfläche 19 bildet (Fig 2 und 5).
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist es auch möglich, orts- und dimensionsbestimmende Messungen im Gegenstandsraum durchzuführen, wenn sich in ihm eigenstrahlende Gegenstände oder solche Gegenstände befinden, die ein Strahlenfeld abschatten oder schwächen.
In diesen Fällen müssen von den die Fahrstrahlablenkung bewirkenden bewegten Teilen Taktgeber-Markierungen abgegeben werden, die entweder als -Zeit-Startpunkt den Laufbeginn jedes Fahrstrahls auf der einen Objektiv-Seite kennzeichnen oder die durch fortlaufende Abgabe digitaler Schrittsignale das Fortschreiten des Fahrstrahls im Objektraum abzählbar signalisieren. Erfindungsgemäß sind bevorzugt folgende Lösungsarten vorgesehen, die je nach Bedarfsfall Anwendung finden.
Gemäß Fig. 4 b trägt das rotierende topfförmige Gehäuse 20 in gleicher Zahl und Teilung wie die Spiegel 6 zusätzlich Taktgeber, beispielsweise Magnete 24, die sich in konstantem Winkelabstand von dem Spiegel 6 befinden und deren Signal von einem Abtast-Magnetkopf 25 aufgenommen werden kann. In gleicher Weise können andere bekannte Wegimpulsgeber, photoelektrischer, mechanischer, induktiver Art oder andere Verwendung finden. Die hierdurch gegebenen Ze i tme ß-Startsignale dienen in an sich bekannter Weise. zur zei-tabhängigen Bestimmung, der vom Strahlungsempfangselement des Abtasters gegebenen Signale über die Lage eines Gegenstandes im Objektraum. Vorraussetzung ist der Antrieb durch einen drehzahlkonstanten und mit der Zeitmeßeinrichtung synchronisierten Antriebsmotor, 21, der z, B.-ein Synchronmotor ist.
Für die Abgabe drehwinkelproportionaler Zählimpulse gemäß Fig. 6 ist das topfförmige Gehäuse 20 in an sich bekannter Weise mit einem Signalträgerring, beispielsweise einem aus radialen Taktgeberstrichen bestehenden Schwarz-Weiß-Raster 26 zur photoelektronischen Abtastung durch eine Lichtschranke 27 ausgerüstet.
Da entsprechend der oben aufgeführten Gleichung die Drehung des Spiegelträgertopfes 20 der Bewegung des Fahrstrahles im Objektraum durch die Tangens-Funktion zugeordnet ist, ist erfindungsgemäß für die Teilung des Abtastraster-Taktgeben 34 eine besondere, in Zuordnung zu den Spiegeln 6, durch die gleichfalls nach der Tangensfunktion verlaufende Speichenteilung vorgesehen. Wie im linken oberen Sektor der Fig. 6 dargestellt, entspricht der Abstand der radialen Taktgeberstriche 24 der Tangensfunktion der auf einer Tangente zum Spiegelverlauf gleichmäßig verteilten Markierungsstriche 26.
Dadurch entsprechen jedem aufeinanderfolgenden Abtastschritt zwischen benachbarten Signalmarkierungen 26 (die ungleichmäßigen Abstand voneinander haben) weggleiche, seitliche Verschiebnngen von Fahrstrahl-Hauptachsen im Objektraum. Anstelle eines synchronisierten Umlaufs der Spiegel 6 ist erfindungsgemäß auch die Anordnung eines Nachlaufmotors 29 möglich, der von einem im ruhenden Bildort 4 bzw. 8 befindlichen Strahlungsempfangselement 12 seine Stellbefehle erhält (Fig. 7). Ein Nachlaufmotor 29 erhält Stellbefehle von einen Verstärker 28, der von einem am ruhenden Bildort 8 befindlichen Strahlungsempfangselement 12 derart gesteuert wird> daß bei mittleren empfangenen Strahlungsstrom der Motor 29 stillsteht, und bei erhöhtem Strom, beispielsweise Uhrzeigerdrehung, bei vermindertem Strom-Gegen-Uhrzeigerdrehung ausführt. Eine solche Anordnung vermag beispielsweise stets eine Strahlungskante, sei es am Rande eines eigenstrahlenden Gegenstandes oder am Rande eines ein Strahlungsfeld abschattenden Gegenstandes aufzusuchen und ihren Verlauf zu folgen.
Die Anordnung hat besonderes Interesse, wenn das Strahlungsfeld durch die kohärente Strahlung eines Lasers gebildet wird, wie ebenfalls in Fig. 7 dargestellt ist. Ein Laser 30 sendet einen kohärenten Strahl über einen Tripelspiegel 31 zurück in einen Fahrstrahl-Abtaster 39, wobei beispielsweise der Radius eines Großdrehteils 32 in einer Karusselldrehbank abgetastet wird, die in den Rücklaufstrahl eintaucht. Der Nachlaufmotor 29 dreht den Spiegel 6 in solche Position, daß er stets der Schattenkante des Drehteils 32 folgt. Bei dieser Anordnung ist die Telezentrikblende entbehrlich, da der kohärente Laserstrahl eine ausschließlich telezentrische Abbildung des Drehteil schattens bewirkt.
Läßt man den Motor 29 den Spiegelträger 20 nicht direkt, sondern über ein Tangens-Getriebe 54-37 entsprechend ig. 8 antreiben, so ist die Nachführbewegung des Motors 29 direkt proportional der Schattengrenze des Gegenstands 32 z.B. also des Durchmessers des Drehteils einer Karusselldrehbank. Der Motor 29 serstellt in diesem Falle eine Spindel 34 mit einer Mutter 35, die eine Mitnehmergabel 36 über einen Zapfen 37 verstellt. Die Mitnehmergabel 36 ist mit der spigeltrommel-Einheit 20 verbunden. Mithin entspricht der Verstellweg des Motors 29 und der Spindel 54 dem Tangens der Winkelverstellung des Spiegelträgers 20 und damit der Durchmesserveränderung des Werkstücks 32.
Wegen der zuvor erläuterten Funktion der Brennweite des Abbildungsobjektivs 3 ergeben sic große, d., gut reproduzierbare Verstellwege, bei kleiner Brennweite, also kleiner Bauform des Fahrstrahlabtasters.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung für telezentrischen Fahrstrahlverlauf d a d u r c h g e k e n n. z e i c h n e t, daß die Strahlungsfläche eines Strahlungssenders (1) oder die strahlungsempfindliche Fläche eines StrahlungsempfangseIements (12) iuf bildseitigen Brennpunkt (4) eines Abbildungsobjektivs (3) angeordnet ist, wobei die Sende-(1) und/oder Empfangsfläche (12) vom Objektiv (3) abgewandt angeordnet ist, und in dem hinter dessen Brennpunkt (4) befindlichen Bildraum mindestens einZ beweglicher Spiegel (6) derart angeordnet ist, daß dieser mindestens einen.

Teil der nach Durchlaufen des Brennpunktes divergierenden Bildstrahlen (2) nach Durchlaufen des Brennpunktes (4) in diesen zurück reflektiert.
2. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im bildseitigen Brennpunkt (4) des Abbildungsobjektivs (3) zur Sicherstellung des telezentrischen Strahlverlaufs eine entsprechend dimellsionierte Lochblende (5) angeordnet ist, während die Austrittspupille des Strahlungssenders (i) und/oder die strahlungsempfindliche Fläche des Strahlungsempfängselements (12) an einem durch eine Strahlungsteilungsfläche (7) als Symmetrieebene definierten zum bildseitigen Brennpunkt (4) komplementären Ort (8) angeordnet ist, bzw. sind.
3. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung für telezentrischen Fahrstrahlverlauf mit ruhendem Strahlungssender II n d ruhendem Strahlungsempfangselement und ruhendem Abbildungsobjektiv nach Ansprüchen i und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Strahlungsfläche des Strahlungssenders (i) oder die strahlungsempfindliche Fläche des Strahlungsempfangselements (12) im bildseitigen Brennpunkt (4) angeordnet sind, wobei die Sende-und Empfangsrichtung (, i2) vom Objektiv (3) abgewandt ist, während sich die jeweils andere Sende- bzw. Empfangsfläche (1, 12) an einem durch eine Strahlungsteilungsfläche (9) als Symmetrieebene definierten, zum bildseitigen Brennpunkt (4) komplementären Bildort (8> befindet, und daß in dem hinter dem Brennpunkt (4) befindlichen Bildraum mindestens ein beweglicher Spiegel (6) derart angeordnet ist, daß er einen Teil der nach Durchlaufen des Brennpunktes (4) divergierenden Bildstrahlen (2) in diesem zurückreflektieren kann.
4. Photoelektronische Fahrastrahlabtastervorrichtung nach Anspruch 1,2 und/oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der bewegliche bzw. die beweglichen Spiegel (6) auf dem Teil einer Kreisbahn (16) um den bildseitigen Brennpunkt (4) derart drehbar angeordnet ist, bzw. sind, daß seine bzw. ihre optische Achse (n) mit dem Rotationsradius zusammenfällf bzw. - fallen und stets durch den Brennpunkt (4) verläuft bzw. verlaufen.
5. Photoelektronische Fahrastrahlabtastervorrichtung nach Anspruch 5 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung und der Rotationsradims des oder jedes bewegten Spiegels (6) so bemessen sind, daß die Bildpunkte abzutastender Objekte in den Bildseitigen Brennpunkt (4) reflektiert und dort scharf abgebildet werden, wodurch gleichzeitig die Scharfabbildung an den Ort ruhenden Bildes gelegt ist.
6. Photoelektronische Fahrastrahlabtastervorrichtung nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, d a d u r e h tg e k e n n z e i c h n e daß zum Antrieb des oder jedes Spiegels (6) ein Kurbel- oder Gelenkgetriebe vorgesehen ist.
7. Photoelektronische Fahrstrahlabtasltervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurchgekennzeichnet, daß hinter dem bildseitigen Brennpunkt (4) und gegebenenfalls hinter einer vorgesehenen Strahlungsteilungsfläche (7) eine feststehende Reflexionsfläche (19) angeordnet ist, die die optische Achse um vorzugsweise ca 900 oder genau 900 umzulenken gestattet, wobei die Abtastebene, in der der Fahrstrahl (2) verläuft, durch die durch die optische Achse und die Kippachse (22) dieser feststehenden Reflexionsfläche (19) gemeinsam verlaufenden Ebene definiert ist.
8. Photoelektronische Fahrastrahlabtastervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsteilungsfläche (7) und die feststehende Reflexionsfläche (19) ein gemeinsames optisches Bauelement bilden, das aus zwei rechtwinkligen Prismen Fig. 5 besteht, deren korrespondierende Wanten im Verhältnis 1 stehen und die so verkittet sind, daß die Hypothenusenfläche des kleineren mit einer Kathetenfläche -des größeren Prismas eine Strahlungsteilungsfläche (7) bilden, während die andere Kathetenfläche des größeren Prismas die Umlenk-Reflexionsfläche (i9) bildet.
9. Photoelektronische Fahrastrahlabtastervorrichtung nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Spiegel (6) au ! einer Kreisbahn um die optische Hauptachse des Abbildungsobjektives mit Spiegel fläche nach Innen derart rotierend angeordnet ist, daß der Schnittpunkt der optischen Hauptachse mit der feststehenden Reflexionsfläche (19) Rotationsmittelpunkt ist und die umgelenkte Fahrstrahlachse jeweils von dem bzw. jedem rotierenden Spiegel mit 900 Reflexionswinkel in sich zurückgeworfen wird. iO.
Photoelektronische Fahrstrahlabtästervorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die rotierenden Spiegel (6) konkav gekrümmt ist bzw. sind, wobei der Krllnungsradius genau oder annähernd genau der Weglänge zum bildseitigen Brennpunkt (4) entspricht und zusammengesetzt ist aus den Rotationsradius (14) des rotierenden Spiegels (6) und der Strecke der optischen Hauptachse (38), die zwischen dei Brennpunkt (4) und dem Auftreffpunkt der optischen Hauptachse (38) auf der festen Reflexionsfläche (15) verläuft.
11. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Krümmungsradius und/oder die optische Weglänge zum bildseitigen Brennpunkt (4) so gewählt sind, daß die der jeweiligen Abtastentfernung ii Objektraum entsprechenden bildseitigen Objektpunkt in den bildseitigen Brennpunkt (4) reflektiert und dort scharf abgebildet werden können.
12. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet daß der oder die rotierenden Spiegel (6) einen solchen Umriß (Pupille)" hat bzw. haben, daß der infolge Reflexion aus der gesamten Apertur des Objektivstrahlenganges ausgewählte Strahlungsraumwinkel so bemessen ist, daß er eine jeweils gewünschte Form des Fahrstralils (2) bedingt.
13. Photoelektronische Fahrastrahlabtastervorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die rotierenden Reflexionsspiegel (6) in der Rotationsehene und in der durch die Rotationsachse definierten Ebene unterschiedliche Krümmung aufweisen, z.B. als Zylinderhohlspiegel, dessen Krümmung in der Rotationsebene liegt.
14. Photoelektronische Fahrastrahlabtastervorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere rotierende Spiegel (6) mit untereinander gleichem Bogenabstand auf dem Rotationskreis angeordnet sind.
15. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die rotierende Spiegelanordnung (6) in einem topfförmigen Gehäuse (20) mit Rotationssymmetrie eingebaut ist, das auf seiner äußeren Bodenfläche einem dem Antrieb dienenden konzentrischen Wellenstumpf (40) aufweist.
16. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung nach Ansprüchen 1 i bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Scharfeinstellung und zur Einstellung eines ruhenden Empfangsortes für wandernde Bild punkte Mittel zur Veränderung der Entfernung zwischen dem bildseitigen Brennpunkt (4) und dem Strahlungsempfangselement (12) einerseits und dem Schnittpunkt der Objektiv-Hauptachse (38) nit der festen Reflexionsfläche (i9) andererseits vorgesehen sind.
17. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungsobjektiv (3) mit Telezentrikblende (5) Strahlunsteilungsfläche (9) und Sende- bzw. Strahlungsempfangselemente (1,12) einerseits und der feste Umlenkspiegel (19) mit dem bzw. den rotierenden Spiegeln (6) andererseits je eine in sich unveränderlich justierte Baugruppe bilden, deren gegenseitiger Abstand längs der optischen Achse verstellbar ist.
18. Photoelektronische Fahrstrahlabtastervorrichttrng nach einem der Ansprüche i bis i7, dadurch gekennzeichnet, daß die Telezentrikblende (5) durch das mit einer zweckmäßig zentralen Öffnung versehene Strahlunsempfangselement (12) gebildet ist.