DE19713336C1 - Ortsempfindlicher fotoelektrischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ortsempfindlichen, fotoelektrischen Sensor, insbesondere zur Ermittlung der Lage und/oder der Abweichung eines fokussierten Lichtflecks von einer Mittenposition, insbesondere eines Zielpunktes in der Geodäsie, mit einem Theodoliten oder Tachymeter.

Aus der optischen Meßtechnik werden beispielsweise zur Ermittlung der Lage von Strukturen und/oder Kanten auf Werkstückoberflächen oder bei der Abtastung von Maßstäben sogenannte Differenzfotoelemente eingesetzt, welche aus mindestens zwei in Differenz geschalteten Fotoelementen bestehen (GB 1 391 064).

Aus der gleichen Druckschrift und aus den Schriften US 4 110 627, DE 31 43 948 A1 und DD 273 113 sind auch Kreis-Kreisring-Detektoren (KKR) zum Einfangen von Kanten und zum Abtasten von Strukturen bekannt. Bei diesen Detektoren ist es nicht unbedingt notwendig, daß eine abzutastende Struktur quer zu ihrem Verlauf überfahren wird. Im allgemeinen wird die richtige Position, z. B. einer auf den Detektor abgebildeten Struktur, mit einem solchen Detektor dann als gegeben angenommen, wenn das Differenzsignal gleich Null ist. Eine unterschiedliche Abtastkennlinie (flache Kennlinie) kann durch Veränderung des Winkels erreicht werden, unter dem mit dem Detektor die abzutastende Struktur überfahren wird.

Ferner sind Quadrantenfotoempfänger als positionssensitive fotoelektrische Elemente bekannt, bei denen die einzelnen Fotoelemente geeignet in Differenz geschaltet oder die Signale der einzelnen Fotoelemente geeignet verarbeitet sind, daß die Lage eines kleinen darauf abgebildeten Lichtflecks detektiert werden kann. Die erhaltenen Signale sind abhängig von der Position des Flecks. Je nach Größe des zu detektierenden Lichtflecks kann auch die Abweichung desselben aus einer zentralen Lage und auch in gewissen Grenzen die Richtung der Abweichung bestimmt werden. Bei derartigen Empfängern besteht Bedarf nach einer Kennlinienverbreiterung, wenn z. B. der zu lokalisierende Lichtfleck oder die Lichtfigur sehr schmal bzw. klein sind.

Aber auch eine im Fokusbereich platzierte Schneide mit einem dahinter angeordneten fotoelektrischen Empfänger kann angewendet werden.

Aus der EP 0 465 584 B1 sind ortssensitive fotoelektrische Sensoren für Anwendungen bei geodätischen Geräten, wie Tachymetern, bekannt, die aus mehreren Segmenten fotoelektrischer Elemente bestehen. Mit diesen Detektoren bzw. Sensoren werden von einem geodätischen Gerät ausgesendete Laserspots nach Reflexion an einem im Zielort angeordneten Reflektor wieder eingefangen und aus ihrer Position auf der Sensorfläche die Lage des Reflektor- oder Zielortes ermittelt.

Im Interesse einer hohen Orts- bzw. Winkelauflösung wählt man zweckmäßig den Fokuspunkt möglichst klein und die örtliche Empfindlichkeitsänderung des Sensors möglichst abrupt, um schon bei einer Abweichung in der Größenordnung des Durchmessers des Lichtflecks oder Spots einen vollständigen Umschlag des Sensors zu erhalten. In diesem Falle, also bei sehr kleinem Spotdurchmesser, verläuft die Abtastkennlinie sehr steil, und bei größeren Abweichungen kann zwar noch die Richtung der Abweichung festgestellt werden, die Größe der Abweichung ist aber nicht mehr ersichtlich. Dieses kann jedoch ein Nachteil sein, wenn z. B. manuell oder durch einen Regelkreis die Mittenposition eingestellt werden soll. Durch Defokussieren oder durch Verwenden einer minderwertigen, abbildenden Optik kann zwar auch die Steilheit der Kennlinie verändert werden, aber nur auf Kosten der Genauigkeit.

Aus der EP 0 316 624 A2 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erkennen und Detektieren von Kanten eines Objektes bekannt, bei welchen u. a. ein Kreis-Kreisring-De­ tektor angewendet wird. Dabei sind um einen kreisförmigen zentralen Detektorelement vier periphere sektorförmige Detektorelemente vorgesehen, deren Dimensionen entsprechend abgestimmt und geeignet in Differenz geschaltet sind. Die zu detektierende Kante des Objektes wird mit einer abbildenden Optik auf den Detektor abgebildet.

Die JP 09223327 A beschreibt ein Abtastsystem für das Abtasten von CD's, welche ein zwei Objektlinsen umfassendes optisches System umfaßt, wobei diese Linsen unterschiedliche Brennweiten besitzen. Ein Fokus und Spurlagedetektor ist vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ortsempfindlichen fotoelektrischen Sensor mit einer verbreiterten Kennlinie zu schaffen, mit welchem es auch bei kleiner Lichtfleckgröße möglich ist, bei größeren Abweichungen sowohl die Größe als auch die Richtung der Abweichung zu ermitteln.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem ortsempfindlichen fotoelektrischen Sensor gemäß dem Oberbegriff mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs enthaltenen Mitteln gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind Ausführungen und Präzisierungen der Erfindung dargelegt.

Danach setzt sich der ortsempfindliche fotoelektrische Sensor aus mindestens zwei in Differenz geschaltete fotoelektrische Empfänger und aus einem eine Struktur, Körperkante oder einen Lichtfleck (Lichtspot) auf diese Empfänger abbildenden optischen System zusammen. Der fotoelektrische Sensor kann zwei sich in einer Linie berührende, Fotoempfänger umfassen. Gemäß einer anderen Ausführung kann auch ein an sich bekannter Quadrantenfotoempfänger mit vier Empfängerflächen zum Einsatz kommen, von denen jeweils zwei sich gegenüberliegende Empfängerflächen in Differenz geschaltet sind.

Um eine mit Bereichen unterschiedlicher Steilheit ausgestattete Kennlinie zu erhalten, ist das optische System als ein mindestens bifokales System mit mindestens zwei konzentrischen, abbildenden Zonen ausgeführt, um auf diese Weise mindestens zwei unterschiedliche Brennweiten realisieren zu können.

Dabei können die mindestens zwei abbildenden Zonen flächengleich sein. Es ist aber auch jedes andere geeignete Verhältnis der Zonen denkbar. Ein besonders einfach ausgebildetes optisches System besteht aus einer Sammellinse, welche mindestens zwei annähernd flächengleiche, abbildende Bereiche oder Zonen besitzt, die eine unterschiedliche Flächenkrümmung, d. h. unterschiedliche Krümmungsradien, haben, um auf diese Weise unterschiedliche Brennweiten realisieren zu können.

Um Farb- und Öffnungsfehler bei der Abbildung einer Struktur, Kante oder eines Lichtspots auf die Empfängerflächen zu minimieren, ist das optische System als ein Achromat ausgebildet. Grundsätzlich können auch andere optische Systeme Anwendung finden.

Mit dem erfindungsgemäßen Sensor ist eine einfach realisierbare Anordnung gegeben, eine Kennlinie einer Abtasteinrichtung flacher und damit breiter zu gestalten, ohne ihre Steigung bzw. Steilheit in ihrem Mittenbereich erheblich zu verkleinern, sondern sie im wesentlichen in diesem Bereich konstant zu halten. Wird z. B. der fotoelektrische Empfänger im Brennpunkt einer abbildenden Zone des optischen Systems angeordnet, so verursacht die andere abbildende Zone des optischen Systems gleichzeitig auf dem fotoelektrischen Empfänger einen Zerstreuungskreis, was zu einer Verbreiterung der Abtastkennlinie, d. h. zu einer Verminderung ihrer Steigung führt. Im fokussierten Bereich, d. h. in der Brennebene der jeweils anderen abbildenden Zone des optischen Systems, bleibt eine große Steigung bzw. Steilheit der Abtastkennlinie erhalten, d. h. der fokussierte Anteil dagegen führt zu einem Kennlinienverlauf mit sehr schmalem und steilen Mittenbereich. Tatsächlich beobachtet wird dann die Summe dieser beiden Kennlinien und damit der gewünschte Gesamtverlauf der Kennlinie.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen fotoelektrischen Sensors können wie folgt angegeben werden. Da beide abbildenden Zonen des Systems konzentrisch angeordnet sind, bleibt auch infolge der Rotationssymmetrie bei einer Drehung des abbildenden System um die optische Achse die Abbildung selbst unbeeinflußt. Je nach Dimensionierung der einzelnen abbildenden Zonen des abbildenden Systems können die Steigung und auch die Breite der einzelnen Kennlinienbereiche relativ frei gewählt werden. Ebenso kann auch die energetische Aufteilung zwischen flachem und steilem Teil der Kennlinie frei wählbar sein, wobei es sicher vorteilhaft ist, die Energieverteilung auf die einzelnen Bereiche gleichmäßig vorzunehmen. Ein weiterer nicht zu unterschätzenden Vorteil besteht darin, daß keine Umschaltung und keine mechanische Bewegung beim Übergang von einem Bereich zum anderen notwendig ist.

Das abbildende bifokale optische System ist technologisch einfach herstellbar, indem beispielsweise eine Randzone einer Linsenfläche mit kleinerem Radius an eine gegebene Linsenfläche mit einem größeren Radius oder umgekehrt angeschliffen wird.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Sensor mit fokussiertem Lichtfleck und dazu gehöriger Kennlinie,

Fig. 2 einen Sensor mit nicht fokussiertem Lichtfleck und Kennlinie,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Sensor mit Abtastkennlinie,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das abbildende optische System mit koaxialen Zonen und

Fig. 5 schematisch die Anwendung des Sensor zur optischen Zielsuche in der Geodäsie.

Fig. 1 zeigt einen bekannten ortsempfindlichen fotoelektrischen Sensor, welcher aus einem optischen System 1 und einem fotoelektrischen Empfänger 2 besteht. Dieser Empfänger 2 ist als ein aus zwei, an einer Kante 3 zusammenstoßenden Fotoelementen a und b zusammengesetzt, welche elektrisch in Differenz geschaltet sind und so einen Differenzfotoempfänger darstellen. Die heutige, überwiegend übliche Bauform bzw. Herstellungsweise der derartigen Empfänger 2 besteht vor allem darin, daß die Segmente der Empfänger 2 durch eine entsprechende Dotierung und Kontaktierung auf monolitischem Silizium erzeugt sind. Dabei ist entweder die Kathode oder die Anode allen Segmenten gemeinsam. Die einzelnen Segmente sind entsprechend elektrisch verschaltet, um eine gewünschte Signalkennlinie zu realisieren. Durch das optische System 1 wird ein z. B. von einem entfernten Ziel kommend er Lichtspot 4 in die Fokusebene des Systems 1 abgebildet, in der der Empfänger 2 angeordnet ist. Mit x ist die Koordinate (Weg) angegeben, welche die Relativlage zwischen dem vom optischen System 1 entworfenen Bild des Lichtflecks und dem Empfänger 2 kennzeichnet.

Das nebenstehende Diagramm zeigt den Verlauf des durch den Empfänger 2 erzeugten elektrischen Differenzsignals Δ = I_a-I_b über dem durchlaufenen Weg x (oder auch y gemäß Fig. 3), wobei die Steilheit des dargestellten Kennlinienverlaufs von der Spotgröße abhängt. Bei fokussierter Abbildung ist der abgebildete Spot 4 besonders klein und die örtliche Empfindlichkeitsänderung beim Übergang über die Kante 3 recht abrupt, was z. B. für eine definierte Kanten- oder Strukturabtastung von Wichtigkeit ist. Man erhält also schon bei einer Abweichung in der Größenordnung des Durchmessers des Spots einen vollständigen "Umschlag" des Sensors. Bei größeren Abweichungen des abgebildeten Spots 4 von der Kante 3 kann zwar noch die Richtung der Abweichung festgestellt werden, die Größe der Abweichung ist aber nicht mehr ersichtlich.

Eine Verkleinerung der Steigung der Kennlinie im Bereich des Nulldurchganges kann im einfachsten Fall dadurch erreicht werden, daß eine Defokussierung des optischen Systems 1 durchgeführt wird. Die Ebene der Fotoelemente a und b liegt nun nicht mehr in der Fokusebene des Systems 1. Der auf die Fotoelemente a und b abgebildete Spot 3 nimmt eine größere Fläche 5 ein, wie es in der Fig. 2 bei einem bekannten Sensor veranschaulicht ist.

Anstelle eines aus zwei Fotoelementen a und b zusammengesetzten Empfängers 2 kann, wenn die Position eines Lichtspots oder -flecks bestimmt werden soll, auch ein aus vier Fotoelementen c; d und e; f bestehender Empfänger 6 verwendet werden. Ein solcher Empfänger 6 ist als Beispiel bei einem erfindungsgemäßen Sensor nach Fig. 3 dargestellt. Mit ihm kann in der Ebene, also in zwei Dimensionen die Position eines Spots ermittelt werden. Der in Fig. 3 dargestellte Sensor gemäß der Erfindung besitzt ein abbildendes optisches System 8, welches als ein bifokales optisches System mit zwei Brennpunkten ausgebildet ist. Der Einfachheit halber ist das System 8 in Fig. 3 und auch in der Draufsicht in Fig. 4 als eine Sammellinse mit zwei konzentrischen abbildenden Zonen 9 und 10 mit den unterschiedlichen Krümmungsradien r₁ und r₂ dargestellt. Grundsätzlich ist es auch möglich, in Abhängigkeit vom Verwendungszweck mehr als zwei solcher Zonen vorzusehen, um eine entsprechende Anzahl von Foci zu erhalten. Wird nun z. B. der fotoelektrische Empfänger 6, der beispielsweise in Fig. 3 als Quadrantenempfänger mit den Fotoelementen c; d und e; f dargestellt ist, im Fokus 11 der äußeren Zone 9 des Systems 8 angeordnet, so verursacht die andere, innere Zone 10, also das kreisförmige Zentrum des Systems 8, in der eingestellten Fokusebene einen Zerstreuungskreis 12 größeren Durchmessers. Dieser verursacht den breiten Bereich flach verlaufender Kennlinie. Der fokussierte Lichtspot im Fokus 11 erzeugt den steilen Bereich der Abtastkennlinie. Somit ist mit dem erfindungsgemäßen Sensor eine Kennlinie realisierbar, welche einen weiten Bereich mit kleiner und einen kleinen, zentralen Bereich mit großer Steilheit besitzt.

Zur Abbildung gleicher Lichtanteile ist es vorteilhaft, wenn die abbildenden Zonen 9 und 10 annähernd flächengleich sind. Je nach Anwendungszweck kann es jedoch auch zweckmäßig sein, den Zonen unterschiedliche Flächeninhalte zu geben.

Um einen möglichst kleinen Fokuspunkt zu erhalten, sollte das abbildende optische System 1 bzw. 8 als ein Achromat ausgeführt sein.

In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßer Sensor bei einem geodätischen Gerät zur optischen Zielsuche dargestellt. Dabei ist eine Einheit 12, bestehend aus Empfangsteil 13 und Sender 14, vorgesehen, die in einer Entfernung von einer Zielstation 15 aufgestellt ist. Der Sender 14 umfaßt eine Lichtquelle 16, zweckmäßig eine Laserdiode, und eine einen stark gebündelten Lichtspot erzeugende Optik 17, der zu einem Reflektor 18 der Zielstation 15 gesendet und von diesem zurück zum Empfangsteil 13 der Einheit 12 reflektiert wird. Das Empfangsteil 13 umfaßt neben einem Bandpaßfilter 19 und einem fotoelektrischen Empfänger 20 das erfindungsgemäße, abbildende optische System 21, welches zwei abbildende Zonen unterschiedlicher Brennweite besitzt. Der Empfänger 20 ist als an sich bekannter Quadrantenfotoempfänger ausgebildet.

Claims (6)

1. Ortsempfindlicher fotoelektrischer Sensor, umfassend einen, aus mindestens zwei in Differenz geschalteten Fotoelementen bestehenden, fotoelektrischen Empfänger und ein, eine Struktur oder einen Lichtfleck in die Ebene des Empfängers abbildendes optisches System, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System als ein mindestens bifokales optisches System (8) ausgebildet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (8) mindestens zwei konzentrische abbildende Zonen (9; 10) unterschiedlicher Brennweite umfaßt.

3. Sensor nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (8) eine Linse mit mindestens zwei abbildenden, konzentrischen Zonen (9; 10) unterschiedlicher Flächenkrümmung ist.

4. Sensor nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (8) als ein Achromat ausgeführt ist.

5. Sensor nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei abbildenden Zonen (9; 10) annähernd flächengleich sind.

6. Sensor nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem geodätischen Gerät zur Zielsuche angeordnet ist.