DE20022744U1

DE20022744U1 - Optisches Sensorsystem

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Publication number: DE20022744U1
Application number: DE20022744U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Rodi Anton De
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2010-11-29

Description

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Anton Rodi R06

Karlsruherstr. 12
69181 Leimen
06224/9242 20

Optisches Sensorsystem

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem mit dem Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Hiermit werden Relativbewegungen zwischen Maßstab und Lichtquelle/Sensor ausgewertet.

Für Winkel- und Weg Messsysteme ist es üblich die &ldquor; Durchlichtversion" als optische Anordnung zu wählen, bei der die Beleuchtungsquelle dem Empfangssensor gegenübersteht und sich dazwischen der Abbildungsmaßstab befindet.

Will man jedoch z. B. aus baulichen Gründen die Beleuchtungsquelle auf der gleichen Seite wie den Empfangssensor anbringen, so muß man gemäß dem Stand der Technik bei Präzisionsmesssystemen nur sehr schwer und teuer zur realisierende Methoden nach dem Reflexprinzip anwenden. Hiervon geht die Erfindung aus.

So sind z. B. halbdurchlässige Spiegelsysteme bekannt, die es erlauben, die Beleuchtung in den Empfangsstrahlenggang einzublenden, um so über die Reflexion den Empfangsstrahl zu erhalten. Es geht aber in der Praxis viel mehr Licht verloren, als der theoretisch berechnete Verlust von ³A der Beleuchtungsstärke. Dies ist in der industriell eingesetzten Sensorik unerwünscht, da man mit den LED-Strahlquellen ohnehin stets nur eine geringe Strahlungsleistung aufbringen kann, sich Strom sparende Schaltungen wünscht und bei erhöhten Temperaturen große Probleme bei dem LED-Einsatz bekommt. (Lichtausbeute, Verlustleistung, Alterung und Lebensdauer).

Eine zweite Methode der Reflexion, die mittels difraktiver Oberflächen den seitlich unter ca. 45° einfallenden Beleuchtungsstrahl in einer Beugungsordnung so ablenkt, daß der reflektierte Strahl mit der Empfangsebene zusammenfällt, ist ebenfalls wenig • praktikabel. Abgesehen von den ganz speziell ausgeführten und teuren Oberflächenstrukturen des Maßstabs beträgt die Effizienz der Strahlquelle auch nur ca. 25%, so

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daß diese Methode in den industriellen Anwendungen schwierig zu handhaben und unwirtschaftlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein optisches Sensorsystem zu schaffen, bei dem Beleuchtungsquelle und Empfangssensor auf einer Seite des Abbildungsmaßstabs angeordnet sind und das eine deutlich bessere Lichtausbeute liefert.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der Erfindung wird der seitlich vom Empfangsstrahl und vom Maßstab verlaufende Beleuchtungsstrahl unter dem Maßstab mit Ablenkspiegeln so gelenkt, daß der Maßstab im Durchlicht abgebildet wird. Damit erreicht man auf einfache Weise eine vorteilhafte Anordnung der Empfangsoptik und der Beleuchtungseinrichtung auf einer Seite des Maßstabs und erhält eine nur sehr geringe Abschwächung der Beleuchtungsstärke. Ganz besonders vorteilhaft ist diese Anordnung bei Absolutmaßstäben mit sogenanntem Linearcode, deren Codierung im Maßstabsverlauf zu einer sehr schmalen Maßstabsspur führt.

Die Strahlablenkungseinheit weist vorzugsweise zwei &ldquor; spiegelnde Flächen" zur Erzeugung eines etwa parallelen Strahlengangs des Beleuchtungs- und des Meßstrahls auf, die zweckmäßigerweise beide um 45° zu diesen Strahlen geneigt sind. Die &ldquor; spiegelnden Flächen" können sehr kostengünstig und praxisgerecht durch ein Prisma und durch Ausnutzung der Totalreflexion von Glas/Kunststoff zu Luft realisiert werden.

Dies ergibt sich aus:

sin sg = n'/n: eg = Grenzwinkel der Totalreflexion

n' = 1 Brechungsindex (Glas zu Luft) &eegr; = Brechungsindex (z.B. Glas, Kunststoff)

eg - arc*sin*(n7n) =arc*/sin*(1/1,5) 0 arc*sin*0,66

·■: *: &xgr;

das heißt der unter 45° einfallende Strahl wird total reflektiert und die Grenzflächen wirken wie Spiegel.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Es zeigen: Fig. 1a und 1b eine Seitenansicht, bzw. Aufsicht auf einen Aus

schnitt des erfindungsgemäßen Systems

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 3 und 4 ein Aüsführungsbeispiel mit Trennung des Sensors

vom Maßstab

In Fig. 1a ist ein in Richtung der Pfeile 2 bewegbarer Abbildungssmaßstab mit 1 bezeichnet. Dem Maßstab 1 gegenüber befindet sich ein Optikmodul 4, das den ankommenden Strahl zum Sensor lenkt und elektronisch auswertet. Eine Auswerteelektrohik ist mit 7 bezeichnet.

Besser ist die Anordnung gemäß der Erfindung aus der Aufsicht der Fig. 1b erkennbar. Man erkennt, daß eine LED-Beleuchtung 5 seitlich neben dem Maßstab 1 angeordnet ist. Der von der Beleuchtungsquelle 5 ausgehende Strahl wird von dem Strahlablenksystem 3 in Form von zwei Spiegeln zwei Mal abgelenkt und über einen Telezentrierspiegel 6 auf den optischen Sensor gelenkt, der Teil des Optikmoduls 4 ist.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Maßstabträger 20 geschnitten ist und die Blickrichtung in Richtung der Maßstabsspur 1 verläuft. Auch hier ist der LED-Strahlerzeuger 25 seitlich neben der Maßstabsspur 21 angeordnet. Ein mit dem Maßstabträger 20 verbundenes, hier trapezförmiges Prisma 23 mit zwei um 45° gegenüber der Richtung des Strahls 28 gezeigten Flächen stellt hier das Ablenksystem dar. Wegen der Totalreflexion des Strahls an diesen Flächen stellen diese Flächen Ablenkspiegel dar, die den Strahl 28 in einen Empfangsstrahl 29 umwandeln, der dem Optikmodul 24 zugeführt und dort mit dem angebrachten optischen Sensor elektronisch ausgewertet wird.

In Fig. 3 ist der Optikmodul 34 mit der Beleuchtungsquelle 35 und der Auswerteelektronik 37 mit dem optischen Sensor weiter entfernt von dem Maßstab 31 vorgesehen. Der Abstand wird durch eine Beleuchtungsfaser 38 für den Beleuchtungsstrahl und einen Bildleiter 39 für den, durch den Maßstab gefundenen Rückstrahl überbrückt. Der Abstand kann z. B. bis zu 200mm und darüber betragen. An den Enden der Faser 38, bzw. den Bildleitern 39 ist zweckmäßiger Weise ein Koppelglied 40, bzw. eine Anpaßoptik 41 vorgesehen. Auch hier ist ein Ablenkprisma 33 jenseits des Maßstabs • 31 vorgesehen.

Der mögliche Aufbau der Anpaßoptik 41 geht aus Fig. 4 hervor. Der Beleuchtungsstrahl der Beleuchtungsfaser 38 wird hierin zum Parallelstrahl aufgeweitet. Der aufgeweitete Strahl wird nach zweimaliger Ablenkung am Prisma 33 durch den Maßstabträger 30 mit dem Maßstab 31 in den Bildleiter 39 eingekoppelt und weitergeleitet.

Diese Ausbildung mit der Trennung des Messsystems von der Auswertung wird man bei begrenzten Einbaubedingungen am Messort, aber auch zur Vermeidung, der am Messort herrschenden hohen Temperaturen für den Optikmodul und die empfindliche Elektronik anwenden.

Die Erfindung kann bei verschiedenen Ausbildungsformen Anwendung finden. So ist es möglich, nur den Maßstabträger mit der Maßstabsspur zu bewegen und den Optikmodul samt Elektronik, aber auch die Strahlablenkeinheit, z.B. das Prisma feststehen zu lassen. Es ist jedoch auch möglich die Strahlablenkung mit dem Maßstabträger zu verbinden. Dann muß die Strahlablenkungseinheit, also z. B. das Prisma, jedoch über den gesamten Abbildungsbereich vorgesehen werden (also z. B. langes Prisma).

Man kann jedoch den Maßstabträger mit der Maßstabspur auch fest stehen lassen und den Optikmodul bewegen. Auch hier muß entweder die Ablenkeinheit mitbewegt werden oder &ldquor;lang" über den gesamten abzubildenden Bereich ausgebildet werden.

Claims

1. Optisches Sensorsystem, bei dem der Strahl einer Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) durch einen Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) geschickt wird, dann auf einen Empfangssensor (4; 24; 34) trifft und bei Relativbewegungen des Abbildungsmaßstabs zum Empfangssensor als Winkel oder Wegstrecke ausgewertet wird, und bei dem die Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) und der Empfangssensor (4; 24; 34) auf der gleichen Seite des Abbildungsmaßstabs (1; 21; 31) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der von der Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) und dem Empfangssensor (4; 24; 34) abgewandten Seite des Abbildungsmaßstabs (1; 21; 31) ein Ablenksystem (3; 23; 33) mit wenigstens zwei spiegelnden Flächen vorgesehen ist, das den seitlich vom Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) verlaufenden Strahl (28; 38) der Beleuchtungsquelle (5; 25; 35) in einen durch den Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) verlaufenden und zum Empfangssensor (4; 24; 34) gerichteten Empfangsstrahl (29; 39) umlenkt.

2. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem ein Prisma (23) ist, dessen beide schräge Seitenflächen durch Nutzung der Totalreflexion als Spiegel dienen.

3. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab (1; 21; 31) und der Empfangssensor (2; 24; 34) im Abstand zueinander angeordnet sind und daß dazwischen ein optisches Übertragungssystem (38; 39; 40; 41) angeordnet ist.

4. Optisches Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungssystem (38 bis 41) Lichtleitfasern (38) und/oder Bildleiter (39) beinhaltet.

5. Optisches Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß fester Zuordnung des Ablenksystems (3; 23; 33) zum Träger (20, 30) des Abbildungsmaßstabs (1; 21; 31) das Ablenksystem entlang des gesamten Abbildungsbereich des Abbildungsmaßstabs ausgebildet ist.