DE2164607A1

DE2164607A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines parallel zu sich selbst verschobenen fahrstrahles

Info

Publication number: DE2164607A1
Application number: DE2164607A
Authority: DE
Inventors: Arthur Dipl Ing Dr Walter
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1971-12-24
Filing date: 1971-12-24
Publication date: 1973-06-28
Also published as: FR2164899B1; US3814495A; GB1408459A; SE383212B; FR2164899A1; DE2164607B2; IT971849B; DE2164607C3

Description

FA. ERWII-T SICK
Wal durch

Vorrichtung zur Erzeugung eines parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahles

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahles aus einem auf einer Achse einfallenden Lichtstrahl mit wenigstens einer um eine senkrecht auf der Lichtstrahlachse stehende Drehachse umlaufenden, parallel zu der Drehachse angeordneten ebenen Spiegelfläche, welche bei der Drehung die Lichtstrahlachse zeitweise schneidet, und mit einer gekrümmten Spiegelfläche, welche von der ebenen Spiegelfläche zurückgeworfene Lichtstrahlen in zueinander parallele Bahnen reflektiert. Derartige Vorrichtungen werden vorzugsweise bei der Erzeugung von Lichtvorhängen angewendet, welche beim Einbringen eines Hindernisses ein Alarmsignal auslösen sollen.

Es sind bereits zahlreiche derartige Vorrichtungen bekannt, welche im allgemeinen mit Spiegelrädern oder Schwingspiegeln sowie mit Parabelzylinderspiegeln arbeiten. Um eine exakte Parallelversdiebung des Fahrstrahls zu erzielen, muss jedoch ein relativ hoher optischer Aufwand getrieben werden.

Das Ziel'der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der ein-

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Dr. ■* Dr. ManHZ · Dr. DwM · Dlpi.-Ine. FJnrterwtM Dipl.-Ing. Oftafcow

t München «, RotMrt-Koch-Stra·· 1 7 Stuttgvt-tad OmnMatt, Marfettra·· »

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gangs genannten Gattung zu schaffen, welche einen streng zu sich selbst parallel verschobenen Fahrstrahl liefert, ohne dass komplizierte oder einerkostspieligenBearbeitung bedürfende optische Einrichtungen verwendet werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass die gekrümmte Spiegelfläche ein Zylinderspiegel ist, dessen Krümraungsmittelpunkt mit der Drehachse zusammenfällt, und dass die ebene Spiegelfläche von einer zu ihr parallelen, durch die Drehachse verlaufenden gedachten Fläche einen Abstand gleich der Hälfte des Krümmungsradius des Zylinderspiegels hat. Erfindungsgemäss werden also lediglich einfach in der erforderlichen Genauigkeit herstellbare ebene und zylindrische optische Spiegelflächen verwendet. Gleichwohl wird aufgrund der erfindungsgemäss gewählten besonderen Anordnung dieser Flächen eine absolute Parallelität bei der Parallelverschiebung des Fahrstrahles erzielt.

Nach einer bevorzugten Aueführungsform sind symj&trisch zu der gedachten Fläche zwei ebene Spiegelflächen vorgesehen, welche gemeinsam mit gleicher Drehzahl um die Drehachse umlaufen. Dabei sind vorzugsweise beide ebenen Spiegelflächen an einem um die Drehachse umlaufenden Körper ausgebildet.· Diese Ausführungsform

/p«rallelen entspricht einem Spiegelrad mit zwei'ebenen spiegelnden Flächen.

Eine weitere besondere bevorzugte Aueführungsform ist so ausgebildet, dass bei senkrecht auf der Eingangslichtstrahlachse stehenden ebenen Spiegelflächen die Abmessungen der Spiegelflächen in Richtung senkrecht zur Eingangslichtstrahlachse durch zwei unterschiedlich groese Winkel um die Drehachse in bezug auf die Lichtstrahlachse begrenzt sind» Dabei ist der grössere der beiden Kinkel vorteilhafterweise kleiner oder gleich 60°. Hierbei wird eine optimale Ausnutzung der spiegelnden Flächen dadurch erzielt, dass die Abmessungen des Zylinderspiegels in Umfangsrichtung durch

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eben die gleichen beiden Winkel, jedoch abgezogen von 180° begrenzt sind. Vorzugsweise sind die Abmessungen des Zylinderspiegels in Umfangsrichtung nach beiden Seiten jedoch noch etwas verlängert·

Um einen möglichst grossen Auslenkbereich des Fahrstrahls zu bekommen, sind die beiden Winkel erfindungsgemäss wie folgt verknüpft: tg/₂ - 3.tgy_i#

Der die ebenen Spiegelflächen tragende Drehkörper hat bevorzugt senkrecht zur Drehachse einen Parallelogrammquerschnitt, wobei die ebenen Spiegelflächen zweckmässigerweise an den kleinen Parallelogrammseiten ausgebildet sind·

Aufgrund der erfindungsgemäss vorgeschlagenen Abmessungen und Anordnung der ebenen Spiegelflächen und der Zylinderspiegelfläche wird unter strenger Einhaltung der Parallelitätsbedingung ein optimaler Abtastbereich erzielt. Wegen der durch die erfindungsgemässen Bedingungen erforderlichen Anordnung des Drehspiegels in der Nähe des Zylinderspiegels kommt es besonders auf die von derErfindung vorgeschlagenen Bemessungsregeln an, um einen akzeptablen Abtaatbereich zu erzielen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist so ausgebildet, dass der Fahrstrahl durch einen Strahlenteilerspiegel und ein Messfeld auf einen Reflektor und von dort in sich zurück über den Strahlenteiler in eine erste Photofcelle gelenkt wird. Zweckmässigerweise wirdder ?ahrstrahl ausserdem über den Strahlenteilerspiegel auf ein Raster mit senkrecht zur Bewegungsrichtung des auftreffenden Fahrstrahls verlaufenden Rasterstrichen gelenkt, wobei das das Raster passierende Licht in einer zweiten Photozelle gesammelt wird, deren Ausgangssignal als Taktmassstab verwendet wird. Aufgrund der exakten Parallelität des *

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periodisch hin und her verschobenen Fahrstrahls dank der erfindungsgemessen Anordnung kann.auf diese Weise eine ausserordentlich exakte Ortsbestimmung.eines Hindernisses in dem Messfeld erfolgen.

Wenn auch die Verwendung eines umlaufenden Drehspiegels bei der Vorrichtung gemäss der Erfindung bevorzugt ist, lässt sich der Erfindungsgedanke auch dann verwirklichen, wenn ein um die Drehachse hin und her beweglicher Schwingspiegel verwendet"wird, α sofern die vorstehend definierten Dimeneionsforderungen erfüllt sind·

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben} in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Vorrichtung gemäss der Erfindung,

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht zur Veranschaulichung der Erzeugung des in sich selbst parallel verschobenen Fahrstrahles und

m Fig. 3 einen schematischen Strahlengang einer erfindungsgemäs-

sen Vorrichtung zur digitalen Längenmessung.

Nach Fig. 1 fällt entlang der Achse 13 ein Eingangslichtstrahl in die erfindungsgemässe ,Vorrichtung ein. Auf der Lichtstrahlach» 13 befindet sich die Drehachse 14- eines Körpers 17 mit Parallelogrammquerschnitt senkrecht zur Drehachse 14, welche auf der Zeichenebene senkrecht steht. An den kleinen Seiten des Perallelogrammkb'rpern 17 befinden sich ebene Spiegelflächen 15, ·

/ ο c β 1

Zur Definition der Lage der ebenen Spiegelflächen 15, 15' ist es wichtig, dass der Körper 1? momentan in der Stellung nach Pig. 1 festgehalten gedacht wird. In dieser Lage stehen die ebenen Spiegelflächen 15» 15* senkrecht auf der Lichtstrahlachse

Die beiden Spieeelflächen 15» 15' weisen von einer gedachten, zu ihnen, parallelen und durch die Drehachse 14- "verlaufenden Fläche 18 einen Abstand r/2 auf, d. h. ihr gegenseitiger Abstand beträgt insgesamt r.

Von der Drehachse 14- ausgehende Vektoren zu den vier Ecken des Parallelogramms schliessen mit der Lichtstrahlachse 13 Winkel ι/., Yp* " Ιλ ^und"i/2 ^e^ⁿ" ¹^¹"⁰¹¹ cü-⁰¹⁵⁰ Angaben wird die Lage der Spiegelflächen 15» 15* eindeutig definiert.

Das zweite wichtige Element des Erfindungsgegenstand.es ist eine Zylinderspiegelfläche 16, deren Krümmungsradius gleich dem Abstand der ebenen Spiegelflächen 15» 15'» nämlich r ist.

Die räumliche Lage und Abmessung des Zylinderspiegels 16 sind einmal dadurch bestimmt, dass die Zylinderachse mit der Drehachse 14- zusammenfällt· Zum anderen ist die Ausdehnung des Zylinderspiegels 16 in Umfangsrichtung durch die gleichen beiden Winkel jL und 4^ gegenüber der Lichtstrahlachse 13 bestimmt wie die Anordnung der ebenen Spiegelflächen 15» 15'· Betrachtet man die Aaordnung von Pig. 1 als ein Koordinatensystem mit der Drehachse 14- als Ursprung und der Lichtstrahl achse 13 als x-Achse, so ist die Umfangsabmessung des Zylinderspiegels 16 durch die Winkel 180 -,/-ι und 180 - /p bestimmt *'sofern die Winkel der ebenen Spiegelfläche 15' mit f^ und /^ bezeichnet werden. Die die ebene Spiegelfläche 15 definierenden Winkel lauten dann a 180 + Z₁ und 180» + J₂ (mit -y^ und -f₂ bezeichnet)

+) (mit Z₁ und J₀ bezeichnet)
^{J1 /2} 30$e20/

In Fig· 2 sind diejenigen zwei Grenzstellungen des Drehkörpers 17 eingezeichnet, die die beiden am weitesten voneinander entfernten Fahrstrahlen 11, 11' liefern. Die von der Drehachse 14 zu den Reflektionspunkten auf dem Zylinderspie gel 16 verlaufenden Vektoren dieser Grenz-Fahrstrahlen 11, 11' schliessen die Winkel fa und y*2 mit der Lichijstrahlachse 13 ein. Die Drehrichtung des Körpers 17 ist durch den Pfeil f angedeutet.

Um einen optimalen Abtastbereich zu erzielen, muss erfindungsgemäss die Forderung

erfüllt sein.

line weitere erfindungsgemässe Optimierungsbedingung für die Winkel JL und Jg lautet:

Für die Höhen yi und y2 der Fahrstrahlen 11, 11' über der Licht strahlachse 13 gelten folgende Bedingungen;

yi ■ r ^v
y2 « r ·

Demnach ist der für die Abtastung mit einem parallel su sich selbst verschobenen Fahrstrahl ausnutzbare Bereich wie folgt:

Ay » r · (siny₂ - sin
Im folgenden wird ein praktisches Zahlenbeispiel gegeben:

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Es sei angenommen,dass L· » 22° und /ρ ^β ^ 30'· Es gilt dann

y2 m 0,772 · r
yi - 0,375 · r.

Daraus fol*gt

Ar - 0,397 r.

Zweckmässigerweise wählt man Äy jedoch etwas kleiner, z. B. gleich 0,357 · r, um nach unten und oben noch etwas Reserve zu haben· Ss ergeben sich somit folgende effektive Maximal- und' Minimalwerte für y:

y2 - 0,752 · * y1 - 0,395 · s?*

Damit ergibt sich folgende Bedingung für die Wahl von r r - 2,8 ·

so dass für einen gewünschten Abtastbereich Ay ohne weiteres der Betrag r bestimmt werden kann«

Der durch die erfindungsgemässe Vorrichtung erzielbare streng in sich selbst parallel verschobene Ifahrstrahl 11 kann sehr vorteilhaft für Messzwecke ausgenutzt werden. Wegen der durch ihn erreichbaren hohen Messgenauigkeit bietet sich eine di^itale Auswertung an, die zu_dem den vorteil naj5~ aasSyOT« Gleichung

r ♦ ii i η

" Π ί π ? Γ- / CJ 0

Eine bevorzugte Anwendung für Messzwecke zeigt Fig. 3· Die Ablenkeinheit 19 enthält die erfindungsgemässe Ablenkvorrichtung, aus der also dor innerhalb des Bereiches Aj ständig parallel verschobene Fahrstrahl 11 (11') austritt. Der Fahrstrahl gelangt einmal durch einen vorzugsweise unter 4-5° angeordneten Strahlenteilerspiegel auf einen Reflektor 21, der den Fahrstrahl in sich zurückwirft· Der Fahrstrahl wird dann an dem Teilerspiegel 20 reflektiert und durch eine geeignete Optik 27 in eine erste Photozelle 23 gelenkt. Der Bereich vor dem Reflektor 21 bis zum Lichtaustritt aus dem Gerät (gestrichelte Linie) stellt das Messfeld 22 dar, in dem beispielsweise ein Hindernis 26 angeordnet sein kann.

Ausserdem wird der Fahrstrahl 11 durch den Teilerspiegel 2o auf ein Raster 24 gelenkt, Das das Raster passierende Licht wird durch eine Optik 28 in eine zweite Photozelle 25 gelenkt. Das Ausgangssignal der Photozelle 25 liefert einen Taktmassstab, der für die genaue Örtliche Feststellung des Hindernisses 26 wesentlich ist. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung lässt sich mit Vorteil auch bei Einsatz anderer Ablenksysteme verwenden. Die Ausgangssignale der beiden Photozellen 23, 25 werden erfindungsgemäss logisch derart verknüpft, dass die gewünschte Länge innerhalb der Messstrecke dargestellt wird.

Bei den oben angenommenen Werten 22° für jfc und 50° 30* für f~ und einer angenommenen Spiegeldrehzahl von 3OOO UpM ergibt sich die Durchlaufzeit des Fahrstrahles 11 durch den Nutzbereich Ay wie folgt:

Da auf dem Spiegelradkörper 17 zwei ebene Spiegelflächen vorliegen, ergibt sich die Abtastfrequenz wie folgt:

·. 2 - 100 Hz.

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Eine Abtastperiode hat folgenden Wert:
T « 1/f « 10 ms.

Bei diesem Beispiel beträgt also die Zeit, während der der Abtastfahrstrahl zur Verfügung steht ca. 30 % der Gesamtperiodenzeit.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Schaffungje'ines digital messenden Präzisions-Iiichtvorhanges verläuft wie folgt:

Die Breite Ay des Abtastfeldes 22, die Tiefe des Messfeldes und die Auflösung A werden vorgegeben. Zu bestimmen sind nunmehr nocl der Radius r sowie die Winkel J* und J^ und der Rastermassstab.

Zunächst wird einer der Winkel j« oder J^ vorgegeben und der andere Winkel nach der oben angegebenen Formel ausgerechnet. Da die Messhöhe <dy vorgegeben ist, lässt sich nunmehr aus den obigen Formeln der Radius r bestimmen. Hierbei sollte noch die etwas kleinere Wahl der effektiven Grenzen des Abtastbereiches berücksichtigt werden. Wegen der überstrahlung des Lichtstrahles werden zweckmässigerweise nur 90 # des maximal ausnutzbaren Bereiches verwendet.

Die Rasterfeldbreite B ergibt sich aus folgender Beziehung; B.2A·

Unter Berücksichtigung der oben für j * und j>₂ angenommenen Werte von 22° bzw. 50° 30* werden für die übrigen Grossen folgende Werte angenommen: ,

j&y ^β 20, Iiänge des Messfeldes =* 60, A *

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•te - 0,397.

Berücksichtigt man, dass nur 90 # des maximal möglichen Abtastbereiches ausgenutzt werden sollen, so ergibt sich für

20

^{r =} ö,9 · ö,397 " ⁵⁶»^{5 mm}

Abgerundet wird für r ein Wert von 56 mm gewählt. Die Rasterfeldbreite B bestimmt sich wie folgt:

B « 2 · 7ßßQ = 0,04 mm.
Die theoretische Messgenauigkeit beträgt:

£ H"· A ■ + 0,02 mm.

Als Werkstoff für den Zylinder und den Drehspiegel werden vorzugsweise Materialien mit kleiner Wärmeausdehnung verwendet. Insbesondere eignen sich Quarzglas und Zerodur sowie Jenaer Glas ⁿ2000^fl.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahles aus einem auf einer Achse einfallenden Lichtstrahl mit wenigstens einer um eine senkrecht auf der Lichtstrahlachse stehende Drehachse umlaufenden, parallel zu der Drehachse angeordneten ebenen Spiegelfläche, welche bei der Drehung die Lichtstrahlachse zeitweise schneidet, und mit einer gekrümmten Spiegelfläche, welche von der ebenen Spiegelfläche zurückgeworfene Lichtstrahlen in zueinander parallele Bahnen reflektiert, dadurch gekennzeichnet, i dass die gekrümmte Spiegelfläche ein Zylinderspiegel (16) ist, dessen Krümmungsmittelpunkt mit der Drehachse (14-) zusammenfällt, und dass die ebene Spiegelfläche (15) von einer zu ihr parallelen, durch die Drehachse (1²I-) verlaufenden gedachten Fläche (18) einen Abstand^^gleich der Hälfte des Krümmungsradius (r) des Zylinderspiegels (16) hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass symmetrisch zu der gedachten Fläche (18) zwei ,parallele

'ebene Spiegelflächen (15» 15') vorgesehen sind, welche gemeinsam mit gleicher Drehzahl um die Drehachse (14-) umlaufen.

J. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k ο η η ζ s i c ^u. not, dass beide ebenen Spiegelflächen (15» 15') &a einem um die Drehachse (14) umlaufenden Körper (17) ausgebildet sind.

4-. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass bei senkrecht auf der Eingangslichtstrahlachse (13) stehenden ebenen Spiegelflächen (15i 15'j Fig. 1) die Abmessungen der Spiegelflächen in Richtung senkrecht zur Eingangslichtstrahlachse durch zwei unterschiedlich grosse Winkel (jtit/^i ~£\* ~Jb) ^um

(14-) in Bezug auf die Lichtstrahlachse (13) begrenzt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4·, dadurch gekennse.ichn e t , dass der grössere der !seiden Winkel (/o) kleiner oder gleich 60 ist·

6. Vorrichtung nach Anspruch 4· oder 5» dadurch gekennzeichnet , dass die Abmessungen des Zylinderspiegels (16) in ümfangsrichtung durch eben die gleichen beiden Winkel jedoch abgezogen von 180° (180°-^, 180°-/p) begrenzt sind.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Zylinderspiegels (16) in Umfangerichtung nach beiden Seiten noch etwas verlängert sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4- bis 7» dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Winkel· (J^tP^) wie folgt verknüpft sind:

tgjf₂ - 3 · tg^j .

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der die ebenen Spiegelflächen (15» 15') tragende Drehkörper (17) senkrecht zur Drehachse (14·) einen Parallelogrammquerschnitt hat.

/insbesondere

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet , dass der Fahrstrahl (11) durch einen Strahlenteilerspiegel (20) und ein Messfeld auf einen Eeflektor (21) und von dort in sich zurück über den Strahlenteiler (20) in eine erste Photozelle (23) gelenkt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich-

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net, dass der Fahrstrahl (11) über den Strahlenteilerspiegel (20) ausserdem auf ein Raster (24) mit senkrecht zur Bewegungsrichtung des auftreffenden Fahrstrahls (11) verlaufenden Rasterstrichen gelenkt wird, wobei das das Raster (24) passierende Licht in einer zweiten Photozelle (25) gesammelt wird, deren Ausgangssignal als Taktmassstab verwendet wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g e k e η n- ! zeichnet, dass die Länge de? Hessfeldes (22) durch optische Mittel vergrössert oder verkleinert wird, um eine Anpassung an die Grosse des Messobjektes zu erzielen, " wobei die optischen Mittel hinter dem Teilerspiegel (20) angeordnet sind, damit nur am Messfeld (22) und Reflektor (21) etwas zu ändern ist.

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