DE19727527C2 - Auf der Retroreflexion eines Laserstrahlers basierende Sensoreinrichtung - Google Patents
Auf der Retroreflexion eines Laserstrahlers basierende SensoreinrichtungInfo
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Abstract
Nichtig
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung, die auf der Retroreflexion
eines Laserstrahlers basiert.
Ziel dieser Sensoreinrichtung ist es, für die auf Retroreflexion und Pola
sationsdrehung basierende Lasersensorik eine in der Praxis einfach zu
handhabende retroflektive Fläche zu schaffen, die ein konturenscharfes
Lasersignal zur Auswertung liefert und damit wesentlich bessere, hoch
auflösende Feinabtastung ermöglicht.
In der DE 42 40 680 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von
strukturierten Mikrotripel-Reflexflächen beschrieben, gemäß welchem die
retroreflektierenden Mikrotripel würfelähnlich sind und einen Durchmesser
von 0,002 mm bis 0,8 mm haben und in Gruppen gleicher Mikrotripel zu
sammengefaßt sind, wobei der Durchmesser der Gruppen kleiner als 7
mm ist und mindestens zwei Gruppen und/oder mehr die Reflexfläche
bilden.
In der JP 6-273608, Patent abstracts of Japan, ist ein Rückstrahler be
schrieben, der eine große Reflexionseffizienz aufweist durch Bildung einer
Mehrzahl von Würfelecken, die im gemischten Zustand auf der Re
flexionsfläche und mit verschiedenen Formaten angeordnet sind.
In der Sensorik sind auf Retroreflexion und Polarisationsdrehung basie
rende Lasersensorsysteme z. B. als Reflexlichtschranken bekannt. Diese
mit Laserlicht und Polarisationsfilter arbeitenden Reflexlichtschranken
werden mit Retroreflektoren verwendet. Als Retroreflektoren gibt es dazu
großformatig geschliffene, teuere Glastripel, Hohlspiegel aus Metall und
herkömmliche Tripelrückstrahler aus Glas oder Kunststoff. Die Strahl
unterbrechung des retroreflektierten Strahles zwischen Retroreflektor und
Sender/Empfänger wird als binäres Signal interpretiert.
Bei der Entfernungsmessung mit Reflexsensorsystemen wird die benötig
te Zeit bis zur Rückkehr des retroreflektierten Strahles zur Berechnung
des Weges ermittelt. Es wird heute Laserlicht bevorzugt, um die Auf
spreizung des Lichtstrahles möglichst gering zu halten und so ein kontur
scharfes und energetisch starkes Signal zur Auswertung zu erhalten.
Bei der Gasanalyse wird das im gasdurchströmten Raum veränderte
Spektrum des retroreflektierten Strahles ausgewertet.
Um Fehler bei der Signalauswertung zu vermeiden, wird der Laserstrahl
oft zusätzlich polarisiert und/oder gepulst und/oder auf bestimmte Licht
spektren begrenzt.
Entscheidend ist bei allen genannten Systemen, einen möglichst kontur
scharfen retroreflektierten Strahl für die Signalauswertung zu erhalten, der
von Fremdlicht oder unerwünschten Reflexionsstrahlen unterscheidbar ist.
Solche unerwünschten Reflexionsstrahlen bilden sich z. B. bei der Be
obachtung von Glaskörpern in einer Flaschenabfüllanlage. Ebenso ent
stehen Reflexionen auf Metall-, Lack- oder Kunststoff-Oberflächen, z. B.
bei der sensorischen Beobachtung von Paketen in der Paketverteilung, in
Förderanlagen, bei der sensorischen Abtastung von Kraftfahrzeugen in
Waschanlagen.
Die Feinauflösung des Reflexsensorsystems ist davon abhängig, daß der
Retroreflektor ein konturscharfes, ein nicht mit Fremdstrahlung verwech
selbares Signal erhält.
Um dies zu erreichen, wird Laserlicht bevorzugt. Jedoch zeigt sich, daß
herkömmliche Retroreflektoren in ausreichender Präzision zu unwirt
schaftlich in der Herstellung sind oder aber den Laserstrahl nachteilig ver
ändern, wenn die Lichtquelle sich bewegt, z. B. durch Erschütterungen,
wenn der Sensor an einer Maschine befestigt ist.
Durch die Sensoreinrichtung gemäß der Erfindung soll eine wesentliche
Verbesserung der Feinabtastung des Sensorsystems durch exakte Um
lenkung des Laserstrahles im Retroflektor und Rücksendung eines kontu
renscharfen Signals bewirkt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Sensoreinrichtung, die auf der Re
troreflexion eines Laserstrahls basiert, gemäß Patentanspruch 1 vorge
schlagen. Hierbei sind folgende Regeln zu beachten.
Regel 1:
Der Retroflektor soll aus einer Fläche, vieler aneinandergereihter, kleiner Tripel bestehen. Je kleiner der Tripel, je kleiner ist auch der störende Strahlversatz zwischen eingehendem und ausgehendem Lichtstrahl.
Der Retroflektor soll aus einer Fläche, vieler aneinandergereihter, kleiner Tripel bestehen. Je kleiner der Tripel, je kleiner ist auch der störende Strahlversatz zwischen eingehendem und ausgehendem Lichtstrahl.
Regel 2:
Zum Bau eines solchen aus vielen Tripeln bestehenden Retroflektors für die Lasersensorik wird als einzig geeigneter Retroflexionskörper vorgeschlagen der würfelförmige Fullcube, oder auch Perkin- Elmer-Pyramide genannt. Seine rechteckigen Reflexionsflächen stehen mit etwa 90° zueinander.
Zum Bau eines solchen aus vielen Tripeln bestehenden Retroflektors für die Lasersensorik wird als einzig geeigneter Retroflexionskörper vorgeschlagen der würfelförmige Fullcube, oder auch Perkin- Elmer-Pyramide genannt. Seine rechteckigen Reflexionsflächen stehen mit etwa 90° zueinander.
Dagegen eignet sich nicht der pyramidale
Tripel, der nur ein Würfeleckenabschnitt ist.
Für die folgende Erklärung wird angenommen,
daß das eintreffende Licht exakt senkrecht
zur Oberfläche des pyramidalen Tripel
retroflektors eintrifft.
Die Reflexionsflächen des pyramidalen Tripels
sind dreieckig. Auf Ihnen befinden sich
Teilflächen, die bei der Strahlumlenkung
keine geeigneten Referenzpunkte auf den
anderen Teilflächen des Tripels finden, um
die eintreffenden Laserstrahlen vollständig
zu retroflektieren. Die Strahlen, die keine
geeigneten Referenzpunkte für die Lichtum
lenkung gefunden haben, um zurückzukehren,
werden durch den Glaskörper des aus vielen
Tripeln bestehenden Retroflektors gesandt.
Diese Strahlen werden hier Glaskörperirr
strahlen genannt.
Bei ihrem Weg durch den Glaskörper des
pyramidalen Tripelretroflektors treffen die
Glaskörperirrstrahlen dann auf einen
benachbarten Tripel und dringen in ihm ein.
Innerhalb des Nachbartripels treffen sie auf
eine Reflexionsfläche, die die Strahlen nun
zurückkehren läßt. Als Ergebnis erhält man
statt eines retroflektierten Strahlenbündels
sieben Retroflexionsstrahlenbündel.
Betrachtet man die Pyramiden von oben, so
erkennt man, daß jeweils 2 Pyramiden eine
gemeinsame Kathete haben, und daß diese
Tripel zueinander um 180° gedreht sind. Ein
pyramidaler Retroflektor besteht also aus
zwei Gruppen gleichartiger, aber in ihrer
Ausrichtungslage verschiedener Tripel.
Regel 3:
Jede Ecke des Fußes einer solchen Tripel- Pyramide hat einen Teilbereich, dem die dritte Referenzfläche für einen vollständigen Strahlengang für die Retroflexion fehlt. Jede Ecke erzeugt also ein Strahlenbündel von Glaskörperirrstrahlen, die durch den optischen Glaskörper irren, bis sie auf wirksame Umlenkflächen treffen.
Jede Ecke des Fußes einer solchen Tripel- Pyramide hat einen Teilbereich, dem die dritte Referenzfläche für einen vollständigen Strahlengang für die Retroflexion fehlt. Jede Ecke erzeugt also ein Strahlenbündel von Glaskörperirrstrahlen, die durch den optischen Glaskörper irren, bis sie auf wirksame Umlenkflächen treffen.
So entstehen aus zwei mal drei Ecken, die
alle in eine andere Richtung zeigen, sechs
getrennte Strahlenbündel, die aus Glaskörper
irrstrahlen bestehen und in Nachbartripeln
erst die geeignete Referenzfläche gefunden
haben, um zurückzukehren. Alle sechs
Glaskörperirrstrahlenbündel bilden bei ihrer
Rückkehr ein Muster, das den Eckpunkten eines
Sechsecks entspricht. Denn alle Richtungen
der Ecken der Pyramiden, sind jeweils 60°
verdreht zueinander.
Der ausgesendete Laserstrahl, der hier als
Sendestrahlbündel bezeichnet werden muß,
trifft auf eine oder mehrere pyramidale
Tripel, abhängig davon, ob er im Durchmesser
nur eine oder mehrere Lichteintrittsflächen
der Tripel trifft. Die Lichteintrittsfläche
ist ein Dreieck und ist der Fuß der
dreiseitigen Pyramide.
Der Teil des ausgesendeten Laserstrahlbündels,
der in das Zentrum der Pyramide oder
Pyramiden trifft und dort geeignete Referenz
punkte zur Lichtumlenkung und vollständigen
Retroflexion findet, kehrt als Zentral
strahlenbündel zurück. So ergibt sich bei
senkrechter Bestrahlung des pyramidalen
Retroflektors mit einem Laserstrahlenbündel
ein Retroflexionsmuster, das aus einem
Zentralstrahlenbündel und sechs umgebenden
Glaskörperirrstrahlen besteht.
Der pyramidale Retroflektor antwortet auf ein
ausgesendetes Laserstrahlbündel, dem
Sendestrahlbündel, mit sieben getrennten
Laserstrahlbündeln, nämlich dem retroflek
tierten Zentralstrahlbündel und sechs
Glaskörperirrstrahlenbündeln. Deshalb ist
der pyramidale Retroflektor zur Feinabtastung
mit Laserlicht ungeeignet.
Dagegen antwortet der Retroflektor aus
würfelförmigen Fullcube-Tripeln mit einem
einzigen Zentralstahlbündel. Diese Lehre ist
besonders wichtig, um zu verstehen, warum
Retroflektoren mit Fullcube-Tripeln für das
erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagen
werden.
Regel 4:
Mit der Kleinheit der Tripel wächst die Positionsgenauigkeit des Meßsystems.
Mit der Kleinheit der Tripel wächst die Positionsgenauigkeit des Meßsystems.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt die
Verwendung eines Retroflektors, der aus einer
Vielzahl von Tripeln besteht. Denn viele
kleine Tripel sind einem großen Tripel
vorzuziehen. Je kleiner die Tripel, um so
kleiner ist der Strahlversatz.
Für ein exaktes Meßsystem ist die Form
des retroflektierten Strahlenbündels
entscheidend.
Was aber bei bisherigen Retroflektoren, die
aus einer Vielzahl von Tripeln bestehen,
außeracht gelassen wurde, ist, daß das
Sendestrahlbündel seine Form verändert, wenn
es retroflektiert wird.
Eine einfache Ursache ist, daß die
reflektierenden Teilflächen der Tripel nicht
im Winkel exakt stehen oder die Teilflächen
nicht planeben sind, sondern rauh oder
gewölbt. Aber auch wenn die Teilflächen
optisch korrekt gestaltet sind, sind weitere
wichtige Regeln zu beachten.
Regel 5:
Die Fullcube-Tripel müssen zueinander absolut gleichmäßig ausgerichtet sein. Sonst wird das retroflektierte Strahlenbündel unnötig aufgeweitet und verformt.
Die Fullcube-Tripel müssen zueinander absolut gleichmäßig ausgerichtet sein. Sonst wird das retroflektierte Strahlenbündel unnötig aufgeweitet und verformt.
Regel 6:
Die Fullcube-Tripel müssen so klein gewählt werden, daß das Sendestrahlbündel mindestens 5 Fullcube-Tripel des Retroflektors trifft. Wird die Zahl der getroffenen Tripel erhöht, steigt die relative Formstabilität des retroflektierten Strahlenbündels.
Die Fullcube-Tripel müssen so klein gewählt werden, daß das Sendestrahlbündel mindestens 5 Fullcube-Tripel des Retroflektors trifft. Wird die Zahl der getroffenen Tripel erhöht, steigt die relative Formstabilität des retroflektierten Strahlenbündels.
Die Ursache für die Formveränderung des
retroflektierten Strahlenbündels liegt in der
Geometrie der Fullcube-Tripel. Jeder Fullcube-
Tripel hat von oben senkrecht betrachtet eine
waagerechte Schnittfläche in Form eines
Sechsecks. Alle Fullcube-Tripel bilden also
eine Fläche von sechseckigen Spiegeln, hier
Waben genannt, die aneinandergereiht ein
bienenwabenförmiges Muster ergeben.
Bewegt man nun ein Sendestrahlenbündel in
Form eines Kreises oder einer Elypse über die
bienenwabenförmigen Spiegelflächen, so
verändert sich ständig die Zahl der
angesprochenen Spiegel. Man kann den Strahl
in seinem Durchmesser oder Form zwar
verkleinern, so daß er nur eine Wabe trifft
und schmäler und kürzer als die Außenkante einer Wabe
ist. Dann jedoch würde der Sendestrahl beim
Auftreffen auf die Kante der Wabe nicht mehr
retroflektiert.
Der Strahl muß also mindestens so groß sein
in seiner Form, daß er beim Übergang von
einer Wabe zur nächsten Wabe beide Waben zugleich
berührt. Da das Licht im Fullcube-Tripel
umgelenkt wird, werden immer drei Punkte in
einer Wabe berührt, die abhängig vom
Einstrahlwinkel voneinander entfernt liegen,
verteilt über die Wabe.
Bewegt man also das Sendestrahlbündel über die
Waben und ist es kleiner im Durchmesser als
der gedachte Innenkreis eines Sechsecks, dann
werden je nach Position ein oder zwei oder
drei Waben beleuchtet. Das bedeutet, daß das
retroflektierte Strahlenbündel in seiner
Form sich während der Bewegung verändert von
100% nach bis zu 200% oder nahezu 300%.
Solche starken Schwankungen der Form des
retroflektierten Strahles müssen verhindert
werden, um möglichst präzise zu messen. Mit
der Vergrößerung der Form des Sendestrahles
oder mit der Verkleinerung der Fullcube-
Tripel nimmt die Zahl der berührten Waben zu,
jedoch die Schwankungsbreite der berührten
Waben während der Bewegung des Sendestrahl
bündels nimmt ab und damit verringert sich
die relative Verformung des retroflektierten
Strahlenbündels erheblich.
Es wird deshalb vorgeschlagen, das
Sendestrahlbündel in seiner Form so zu
wählen, daß es bei Bewegung über den
Retroflektor in jeder Position mindestens
5 oder mehr Fullcube-Tripel zugleich
berührt. Für Laserabtastungen des
Retroflektors wird für die Praxis eine
Schlüsselweite der Fullcube-Tripel von
0,002 mm bis 1,4 mm vorgeschlagen, wobei die
Schlüsselweite den Abstand zweier
paralleler Seiten der sechsseitigen
Grundfläche des Fullcube-Tripels beschreibt.
Fig. 1 zeigt einen pyramidalen Tripel, der
jeweils aus drei angrenzenden dreieckigen
Flächen (1, 2, 3) eines Würfelabschnittes
gebildet wird. Die Dreiecke sind als
gleichseitige Dreiecke dargestellt, sie
können aber auch verschiedene Schenkellängen
haben. In der Fig. 1 hat der pyramidale
Tripel eine lotrechte Ausrichtung seiner
Mittelachse. Die Mittelachse kann aber auch
außerhalb des Lotes liegen.
Fig. 2 zeigt einen Fullcube-Tripel, der
jeweils aus drei angrenzenden quadratischen
Flächen (1, 2, 3) einer Würfelecke gebildet
wird. In der Fig. 2 hat der Fullcube-Tripel
eine lotrechte Ausrichtung seiner Mittel
achse. Die Mittelachse kann aber auch
außerhalb des Lotes liegen.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines
Retroflektors der aus pyramidalen Tripeln
(7, 8), wie in Fig. 1 gezeigt, gebildet wird,
wobei die Fläche aus Tripel unterschiedlicher
Drehorientierung besteht. Tripel (8) ist um
180° zu Tripel (7) gedreht.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines
Retroflektors, der aus Fullcube-Tripeln
besteht, deren projezierte Grundfläche
jeweils eine sechsseitige Wabe ist. Der
Retroflektor ist aus Fullcube-Tripeln (9),
wie in Fig. 2 gezeigt, gleicher Ausrichtung
gebildet. Er kann aber auch aus Tripeln
unterschiedlicher Drehorientierung gebildet
sein.
Fig. 5 zeigt eine Monitorfläche (10) eines
Meßsystems für retroflektiertes Laserlicht,
das einen mit Laserlicht angestrahlten
pyramidalen Retroflektor beobachtet. Auf dem
Monitor sind die sechs retroflektierten
Glaskörperirrstrahlenbündel (11, 12, 13, 14,
15, 16) und das retroflektierte
Zentralstrahlbündel (17) sichtbar.
Fig. 6 zeigt eine Monitorfläche (10) eines
Meßsystems für retroflektiertes Laserlicht,
das einen mit Laserlicht angestrahlten
Retroflektor aus Fullcube-Tripeln beobachtet.
Auf dem Monitor sind keine Glaskörperirr
strahlenbündel, sondern nur ein einziges
retroflektiertes Zentralstrahlbündel (18)
sichtbar.
Fig. 7 zeigt ein Laserstrahlbündel in Form
einer Elypse (20) und dem Zentrum (19), das
auf einen Retroflektor trifft, der aus Full
cube-Tripeln (21) besteht. Die Fullcube-Tripel
sind nur mit Ihrer Grundfläche als Wabe
dargestellt. Die Elypse berührt 7 Waben. Das
bedeutet, bei Retroflexion in diesem Fall
sind 7 Fullcube-Tripel an der Retroflexion
des Laserstrahlenbündels beteiligt. Jeder
Fullcube-Tripel versetzt die ausgehenden
Strahlen zur Achse der eintreffenden
Strahlen. Dadurch wird das eintreffende
Strahlenbündel bei der Retroflexion in seiner
Form verzerrt, abhängig von der Zahl der
beteiligten Fullcube-Tripel und ihrer Lage
zueinander.
Fig. 8 bis 15 zeigen das gleiche
Strahlenbündel in Form einer Elypse. Bei
jeder Fig. 8 bis 15 ist aber das Zentrum (19)
mit seiner Elypse (20) relativ zur jeweiligen
Wabe etwas versetzt. Durch die Positions
änderung des Strahlenbündels werden
wechselnde Waben berührt. Dies hat eine
jeweils andere Strahlverformung des
retroflektierten Strahlenbündels zur Folge.
In Fig. 8 sind 5 Waben vom Strahlenbündel
berührt, in Fig. 9 sind 7 Waben, in Fig. 10
sind 6 Waben, in Fig. 11 sind 7 Waben, in
Fig. 12 sind 5 Waben, in Fig. 13 sind 5
Waben, in Fig. 14 sind 6 Waben und in Fig. 15
sind 5 Waben berührt.
Somit ist in diesem Beispiel die niedrigste
Wabenzahl 5 und höchste Wabenzahl 7. Die
dargestellte Elypse entspricht also einem
Laserstrahlbündel in der vorgeschlagenen,
relativen Mindestgröße von 5 Fullcube-
Tripeln.
Fig. 16 zeigt eine Sonderausbildung des
Mikroretroflektors. Es ist ein
beispielhafter Retroflektor aus zwei
verschieden großen Fullcube-Tripeln. Der
Retroflektor mit ca. 100 × 100 mm
Kantenlänge besitzt zwei Schraublöcher (22)
zur Befestigung. Der überwiegende Teil des
Retroflektors ist aus Fullcube-Tripeln (23)
mit einer Schlüsselweite von 4 mm gebildet.
Im Zentrum des Retroflektors befindet sich
eine Fläche (24) von kleineren Fullcube-
Tripeln in der Größe von etwa 1 mm
Schlüsselweite.
Auch bei dieser Sonderausbildung werden die
genannten Regeln gewahrt.
Fig. 17 zeigt eine Ausschnittvergrößerung
eines Bereiches der Fig. 16, in der die
Flächen aus großformatigen Fullcube-Tripeln
(23) an die Fläche der kleinformatigen
Fullcube-Tripel (24) trifft. Beide Flächen
berühren sich ohne besondere Trennlinie.
Diese Bauweise ist dann vorteilhaft, wenn der
Retroflektor aus sehr unterschiedlichen
Entfernungen beobachtet werden soll. Mit
zunehmender Entfernung nimmt der Durchmesser
des Sendestrahlbündels naturgemäß zu und
berührt eine immer größere Fläche des
Retroflektors. Hat das auf die Mitte des
Retroflektors gerichtete Sendestrahlbündel
einen Durchmesser in diesem Beispiel von etwa 30 mm
überschritten, dann berührt es nicht nur die
kleinformatigen Fullcube-Tripel, sondern auch
die großformatigen Fullcube-Tripel. Letztere
haben im allgemeinen eine etwas höhere
Retroflexionsleistung, weil die Gesamtfläche
der Retroflexion weniger Tripelkanten
enthält. Denn jede Kante ist eine streuende,
nicht retroflektierende Fläche. Durch
Verwendung von größeren Fullcube-Tripeln bei
größerem Abtastabstand zwischen Sender und
Retroflektor wird der Energieverlust durch
höhere Retroflexionsleistung der großen
Tripel ausgeglichen.
In Abhängigkeit von der Größe des Sendestrahl
bündel-Durchmessers oder seiner Form, sollten
die Schlüsselweiten der Fullcube-Tripel
gewählt werden. Je mehr Fullcube-Tripel vom
Sendestrahlbündel erfaßt werden, um so
geringer wird die prozentuale Verformung des
retroflektierten Strahlenbündels ausfallen.
Je geringer die Verformung, um so genauer
kann mit dem Strahlenbündel gemessen werden.
Mit dem Retroflektor für Meßaufgaben mit
Laserlicht in der Fig. 16 kann stufenlos der
Meßabstand und die damit verbundene
Vergrößerung oder Verkleinerung des
Lichtkegels des Sendestrahlbündels erreicht
werden, bei relativer Konstanz der Form des
retroflektierten Strahlenbündels.
Claims (2)
1. Sensoreinrichtung, die auf der Retroreflexion eines Laserstrahles basiert,
mit Mikrotripelrückstrahler, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Mikrotripel (9) jeweils aus drei aneinander angrenzenden, quadratischen
Flächen (4, 5, 6) einer Würfelecke gebildet werden und die Projektions
fläche der einzelnen Mikrotripel auf die Rückstrahlerfläche jeweils ein
gleichseitiges Sechseck bildet, dessen Schlüsselweite 0,002 mm bis 1,4
mm beträgt, und daß der Laserstrahl mindestens fünf Mikrotripel auf der
Rückstrahlerfläche zugleich berührt.
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
von den Mikrotripeln gebildete Reflexfläche des Retroreflektors von groß
formatigeren Tripeln umgeben ist.
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AT98108776T ATE214165T1 (de) | 1997-06-30 | 1998-05-14 | Auf der retroreflexion eines laserstrahles basierende sensoreinrichtung |
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DK98108776T DK0889334T3 (da) | 1997-06-30 | 1998-05-14 | Sensoranordning baseret på retrorefleksion af en laserstråle |
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Publication Number | Publication Date |
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