DE2556366A1 - Stellungs-anzeige-system - Google Patents
Stellungs-anzeige-systemInfo
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Description
l'ATENTANWAUr
STKPHANIENtIFEIJ 2 TELEFON 06 21/2SS1JB
ZED INSTRUMENTS LIMITED a British Company of Radiatron House 76 Crown Road
Twickenham, Middlesex TWl 3ET England
Stellungs-Anzeige-System
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Stellungsanzeige,
die die Position eines Lichtstrahles bezüglich einer vorgegebenen Richtung oder in Koordinaten χ und y bezüglich
zweier zueinander orthogonaler Koordinatenachsen oder - in einer Ausgestaltung letzterer Variante - in Koordinaten χ und y zweier
zueinander orthogonaler Koordinatenachsen und in wenigstens
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einer Komponente (z.B. der horizontalen) des Winkels, den^der, ·
Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Achse, einschließt, anzeigt.
In vielen Anwendungsgebieten wie im Bergbau, bei der Gesteinsbohrung
und bei Tunnelbohrungen, ist es für den Arbeiter an der
Abbaumaschine, am Brill - oder Bohrgerät wichtig zu überwachen,
ob die Maschine sich in der gewünschten Abbau- bzw. Bc&richtung
bewegt oder nicht. - ■
Im letzteren Fall sind natürlich schnelle und genaue Korrekturen
erforderlich. Insbesondere beim Stollen - bzw. Tunnelbau ist es
bei dieser Arbeit von großer Bedeutung, daß ein Zusammentreffen
mit oder eine Beschädigung von Versorgungsleitungen ausgeschlos-τ.
sen ist. Das Problem ist wesentlich komplizierter-, -falls" die
Maschine sich selbst unter Tage in einer Neigung zur Horizontalen
befindet. Weiterhin können die bekannten Schneideinrichtungen,
die in den üblicherweise benutzten Schnittwerkzeugen auf ©rehköpfen oder Auslegern montiert sind, in einer horizontalen und in
einer vertikalen Ebene schwingen, was die genaue Positionierung erschwert. - " : . '".-■..
Es ist für den Zwe ck der Position! erungsüberwachung be kannt,
einen Laserstrahl anzuwenden, der so gerichtet ist, daß er auf das Abbaufeld trifft. Die übliche Praxis besteht darin, daß ein
Arbeiter den "Fleck" des Strahles beobachtet,um Korrekturen zu
veranlassen, falls notwendig. Solche Korrekturen sind jedoch nicht sehr genau und im besten Fall nur quasi - quantitativ.
Eine andere übliche Praxis besteht darin, ein Target, z.B. einen Karton, an der Maschine zu befestigen, auf welches der Laserstrahl
auftrifft. Der Arbeiter beobachtet den resultierenden
Leuchtfleck. Zusätzlich zu dem schon erwähnten Problem kann ein weiteres dadurch entstehen, daß eine Verrückung der Maschine,
z.B. eine Rollbewegung, auch zu einer Verschiebung des Targets führt, die die Relativbewegung zwischen dem Target und
dem Strahl derart beeinflußt, daß letzterer von dem Karton verschwindet. ·
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Sicher sind die üblichen Praktiken unzureichend genau, menschlichen
'Fehlern unterworfen, und sie bringen eine zusätzliche Belastung für den Arbeiter an der Maschine.
Ein weiteres Problem besteht darin, daß es oft wünschenswert ist, genaue Daten oder eine genaue Information der Position
ues Laserstrahles nicht nur unter Tage, auf der Bearbeitungsseite, sondern auch über Tage, z.B. für das Prüfpersonal
und/oder eine iernsteuerung, eine automatische Steuerung und für die Verarbeitung der Daten zu erhalten.
Diese Probleme v/erden ausgehend von einer Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem
Target, mit einem System optischer Elemente, wenigstens einer linearen Reihenanordnung von fotoelektrischen Elementen, die
geeignet ist, ein Video - Ausgangssignal zu erzeugen, und mit
einer elektronischen Schaltungsanordnung, die das Video - Ausgangssignal der Reihenanordnung^) der fotoelektrischen Elemente
verarbeitet, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das System der optischen Elemente erste Einrichtungen enthält,die eine
virtuelle Quelle des Strahles bilden, und Abbildungseinrichtungen, die ein schmales, im wesentlichen bandförmiges Abbild der
virtuellen Quelle auf der Reihenanordnung oder jeder der Reihenanordnungen erzeugen, und daß die Schaltkreisanordnung
Einrichtungen enthält, die das Zentrum der Verteilung des Video - Ausgangssignales ermitteln.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem Target in wenigstens zwei Koordinaten und mit wenigstens
zwei diskreten, räumlich getrennten linearen Reihenanordnungen fotoelektrischer Elemente sind Abbildungseinrichtungen vorgesehen,
die geeignet sind, ein "schmales", im wesentlichen bandförmiges
Abbild einer virtuellen Quelle auf· jeder der Reihenanordnungen
zu erzeugen, wobei die entsprechenden Abbildungseinrichtungen korrespondierend zu den ausgewählten Koordinatenachsen
zueinander geneigt sind. Die linearen Reihenanordnungen
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in einen solchen korrespondierenden Winkel disponiert und derart angeordnet, daß voneinander unabhängige Video - Ausgangssignale
erzeugt werden. Es sollte jedoch davon ausgegangen werden, daß bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer einzelnen Reihenanordnung, z.B. bei einer Distanzmessung, die elektronische Signalverarbeitung selbst
bei geeigneter Modifikation des Systems der optischen Elemente unverändert bleibt . Darüberhinaus erzeugt die einzelne Reihenanordnung
ein Ausgangssignal, das unabhängig von der Position
des Strahles ist, in Koordinaten einer, z.B. um 90 , hinsichtlieh des Meßobjektes der einzelnen Reihe geneigten Koordinatenachse
.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das
System optischer Elemente Einrichtungen für die Erzeugung einer zweiten virtuellen Quelle des Lichtstrahles, die unabhängig
von den erstgenannten derartigen Einrichtungen sind, wenigstens eine weitere lineare Reihenanordnung fotoelektrischer
Elemente und weiterhin Abbildungseinrichtungen zur Erzeugung eines schmalen, im wesentlichen bandförmigen Abbildes der
zweiten virtuellen Quelle auf der oder jeder der weiteren linearen Reihenanordnungen, wobei die Position dieses Abbildes
nur vom Winkel abhängt, den der Strahl mit der Achse der Vorrichtung
einschließt.
Vorzugsweise sind als erste Einrichtungen, die eine virtuelle Quelle des Strahles bilden,ein Streuschirm oder eine Sammellinse
mit einer Strauoberfläche oder ein unterlagertes Element aus einem überlagerten Streuschirm und einer Fresnel-Linse vorgesehen.
In der Ausführungsform , bei der der Strahlwinkel zusätzlich
gemessen wird, kann der Schirm mit einem Raster von durchgehenden O'ffnungen versehen sein oder einem Muster von
Streubereichen und durchlässigen Bereichen, wobei das Verhältnis der perforierten zu den nichtperforierten (oder streuenden
zu durchlässigen) Schirmbereichen den Erfordernissen entsprechend
vorgewählt wird. Es ist jedoch immer sichergestellt, daß für einen gegebenen Strahldurchmesser wenigstens zwei Offnungen oder
durchlässige· Bereiche vorhanden sind.
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Die Abbildungseinrichtungen können in zylindrischen oder plan-zylindrischen Linsen bestehen, die der oder jeweils
der Reihenanordnung zugeordnet und räumlich benachbart sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die fotoelektrischen
Elemente Fotodioden; die oder jede Reihenanordnung ist außerhalb der Mittelachse der Sammellinse positioniert.
Vorzugsweise liegen bei der Messung zweier Koordinaten mit
zwei Reihenanordnungen die Reihenanordnungen im wesentlichen in einer Ebene. Falls zusätzlich die Winkelneigung zu messen
ist, wird die dritte Reihe vorzugsweise in einer weiter von der Lichtquelle entfernten Ebene angeordnet, als es die beiden
komplanar angeordneten Reihen sind. Falls eine vierte Reihe vorgesehen
ist, z.B. wenn die dritte und die vierte Reihe zur Messung des V/inkels des Strahles mit der Achse der Vorrichtung
in zv/ei zueinander orthogonalen Richtungen dienen, so liegen die dritte und die vierte Reihe vorzugsweise in einer Ebene und
erstrecken sich im wesentlichen rechtwinkelig zueinander.
Die ochaltkreisanordnung kann Einrichtungen zur Analyse-des
Video - Ausgangssignales einer einzelnen Reihenanordnung oder Einrichtungen zur aufeinanderfolgenden Prüfung der entsprechenden
Video - Ausgangssignale jeder einer Mehrzahl von Reihen enthalten, und sie enthält einen Integrator zur Messung der totalen Intensität
der Beleuchtung einer gegebenen Spannun^sspitze im
Video - Ausgangssignal und zur Ermittlung der genauen Impulsmitte
im nächstfolgenden Impuls.
Der Integrator ist mit Einrichtungen zur Festlegung des Beginns und des Endes der Integration bei im wesentlichen gleichem Spannungspegel
versehen. Er kann so geschaltet sein, daß er bei Erreichen der Impulsmitte des nächstfolgenden Impulnos Keine Integration
beendet und auch einer Verschiebung derselben folgt. Er kann eine Transistorschaltung in Form einer Stromquelle enthalten,
die einen Kondensator speist. Letzterer ist mit seiner
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-6-einen Elektrode an Mause angeschlossen.
Vorzugsweise ist ein Anzeige - und/oder Aufzeichnungsgerät
und/oder eine Datenverarbeitungsanlage an den beschriebenen Schaltkreis angeschlossen. Das Anzeigegerät
kann als digital anzeigendes Sichtgerät sowohl mit - Richtungsanzeigen für jede Koon
Fehl - Anzeigen ausgebildet sein.
Fehl - Anzeigen ausgebildet sein.
- Richtungsanzeigen für jede Koordinate, als auch mit
Es können Einrichtungen vorgesehen sein, die die Anzeigen in dem Fall festhalten, in denen der Strahl außerordentlich
unterbrochen ist oder aus dem optischen System wandert. In diesem Pail kann nach vorbestimmter Zeit ein aUlitives
und/oder visuelles Warnsignal abgegeben werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 eine allgemeine räumliche Anordnung der Vorrichtung
bei ihrer Anwendung im Tunnelbau und in einer Ausführungsform mit Stellungsanzeige im orthogonalen Zweikoordinatensystem,
Pig.2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Sichtgerätes
der in Fig.1 gezeigten Vorrichtung,
Fig.3 eine vergrößerte schematische, perspektivische Ansicht
eines Teiles der Stellungs - Meßeinrichtung mit Anzeige
im Zweikoordinatensystem,
Pig.4 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen
Video - Signal - Verarbeitungs - Schaltkreises zum Einsatz in allen Ausführungsformen,
Fig.5 Zeitdiagramme der Signale an verschied--enen Teilen des
Schaltkreises nach Pig.4,
Pig.6 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung in
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der drei Reihen von fotoelektrischen Elementen benutzt sind und eine passende
Seitenplatte des Gehäuses der Vorrichtung entfernt ist, und
Pig.7 eine Ansicht der Rückseite der Vorrichtung nach Pig.6,
wobei einige Teile zwecks Klarheit weggelassen sind.
Unter Bezug auf die Figuren 1 und 2 ist zunächst schematisch ein Stollen bzw. ein Tunnel 10 dargestellt, der einen Stollenort
bzw. ein Abbaufeld 11 besitzt, die von einer nicht dargestellten Bohrmaschine bearbeitet werden. In einiger Entfernung vom Abbaufeld
11 ist ein Laser 12 aufgestellt, der einen kontinuierlichen
sichtbaren Laserstrahl emittiert. Der Laserstrahl de-
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finiert die Richtung oder den rechtweisenden Kurs, auf dem die Maschine herangefahren werden soll.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Stellungs - Meß-
- und Anzeigeeinrichtung 13 im Weg des Laserstrahles angeordnet, die eine Anzeige in zwei zueinander orthogonalen Koordinaten
übermittelt und unten eingehender beschrieben wird. Die Einrichtung 13 ist über Kabel mit einem unter Tage liegenden Sichtgerät
14 und einem über Tage liegenden Sichtgerät 15 verbunden,
wobei ersteres betriebsmäßig vom Arbeitspersonal 16 im Stollen bzw. Tunnel 10 überwacht wird.
Die Geräte 14 und 15 sind im wesentlichen ähnlich, jedoch ist letzteres in das Gehäuse des Energie - Versorgungsgerätes eingebaut.
Jedes Gerät besitzt ein Metallgehäuse mit vier Sichtscheiben 17, die korrespondierend zu den anzuzeigenden Koordinaten
- χ und - γ angeordnet sind. Hinter den Sichtscheiben17
befinden sich digital anzeigende Elemente, vorzugsweise Lichtemissionsdioden (LED's). Im Zentrum zwischen den Sichtscheiben
ist eine Lampe 13 angeordnet, die bei Fehlerfreiheit leuchtet.
Wenn der Laserstrahl gesperrt ist oder völlig aus dem Target
wandert, so blinkt das Sichtgerät 14, 15 Xn einem vorbestimmten
Zeitintervall und die letzten Zahlen bleiben auf dem Sichtgerät 14, 15 stehen. Dieses visuelle Warnsignal kann ergänzt
oder ersetzt werden durch ein Tonsignal wie Klingeln, Hupen oder Summen.
Gemäß Fig.3 enthält die Meßeinrichtung 13 eine zirkuläre
plankonvexe Sammellinse 20 mit einer Streuoberfläche 21. Die
Mittelachse der Vorrichtung und der Linse 20 ist in einer unterbrochenen
Linie angezeigt und mit 22 bezeichnet. Die Linse 20 kann einen größeren Durchmesser haben als der Laserstrahl;
aber dies ist nicht kritisch. Die Linse 20 mit ihrer Streu oberflMche
21 bildet ein reales Bild (virtuelle Quelle) des •Laser - "Fleckes" und verbessert die Lichtverteilung über die
volle Targetfläche. Die virtuelle Quelle bewegt sich mit den Bewegungen des Laserstrahles.
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Es soll hier angenommen werden, daß der Strahldurchmesser der üblichen, im Handel erhältlichen Laser zeitlich nicht konstant
ist, sondern Schwankungen um einen Mittelwert unterworfen ist und daß überdies der Strahldurchmesser eine Funktion des Abstandes
von der Quelle ist; dementsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so gestaltet, daß diese Faktoren berücksichtigt
sind und jederzeit eine genaue Anzeige erfolgt.
Im Abstand von der Linse 20 und außerhalb der Mittelachse 22 sind zwei diskrete "lineare" Reihenanordnungen (array) 24,25
von fotoelektrischen Elementen angeordnet, die vorzugsweise aus Festkörper-Fotodioden bestehen und mit einer Empfängerschaltung
integriert sind, um eine Video-Information von den Fotodioden mittels eines benachbarten Schieberegisters zu erhalten,
das nacheinander mit jeder Fotodiode verbunden ist, sobald jeweils ein logisches Signal durch das Schieberegister
läuft. Derartige "lineare" Reihenanordnungen sind bekannt, und ein konventioneller Typ ist in verschiedenen Längen mit 16 bis
zu einigen hundert Dioden bei Integrated Photomatrix Limited of Dorchester, Dorset, England, erhältlich. Ihre Arbeitsweise ist
z.B. in "Control and Instrumentation" vom September 1973, beschrieben
und bedarf dementsprechend an dieser Stelle keiner weiteren Beschreibungen. Jedoch können andere Arten von Reihenanordnungen
benutzt werden, die nach verschiedenen Prizipien arbeiten, z.B. ladungsgekoppelte Vorrichtungen, die die gleiche
Funktion erfüllen.
Die beiden Reihen 24, 25 liegen in einer Ebene und sind mit
Ihren "linearen" Dimensionen oder "Linien" 28, 29 gegenseitig
rechtwinkelig orientiert, korrespondierend zu den orthogonalen Koordinaten der zu messenden Strahlposition. Vor jeder Reihe 24,
25 auf der Seite gegenüber der Linse 20, befindet sich eine entsprechende
Zylinderlinse 26, 27 die auf den Brennpunkt des "Bildfleckes" auf der Linse 20 und die zugeordnete Reihe 24, 25 abgestimmt ist. Darüberhinaus verzieht jede Zylinderachse 25, 26
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den Bildfleck in einen relativ schmalen Streifen oder ein Band,
der bzw. das sich senkrecht zur "Linie" 23 oder 29 der entsprechenden Reihenanordnung 24 oder 25 erstreckt.
Wie zu sehen ist , sind die Zylinderlinsen 26 und 27 ebenfalls senkrecht zueinander angeordnet.
Die dargestellte räumliche Anordnung der diskreten "linearen" Reihen von Fotodioden und zugehörigen Linsen 26, 27 löst das
reale Bild auf der Linse 20 in zwei voneinander unabhängige Bilder auf, die mit der Position des realen Bildes in den zwei
orthogonalen Koordinaten korrespondieren. Falls die x- und y- Achsf
wie in Fig.3 gezeigt durch die Linse 20 verlaufen, so registriert die Reihenanordnung 24 nur die x- Position, während die Reihenanordnuiii^
25 unabhängig von dex1 Reihenanordnung 24 nur die y- Position
registriert. Im Ergebnis brauchen die Reihen 24, 25 nicht auf der Achse 22 angeordnet zu sein.
Um das optische Ausgangssignal der Fotodioden - Reihen 24, 25-weiter
zu verarbeiten, ist ein elektronischer Schaltkreis vorgesehen, dessen Blockschaltbild in Fig.4 gezeigt ist, Die verschiedenen Spannungs - Kurvenformen des Schaltkreises sind in
Fig.5 dargestellt.
Die Anordnung umfaßt einen logischen Zeitgeber- und Steuermodul 30, einen elektronischen Schalter 31 (der entfallen kann,
falls nur eine Reihenanordnung benutzt wird), einen Phasenteiler 32, Torglieder 33, 34, einen Integrator 35 und eine
Schwellwert - Vergleichsschaltung 36, die, wie aus der Zeichnung und nachfolgender Funktionsbeschreibung ersichtlich, miteinander
verbunden sind.
Der Modul 30 schließt den Schaltkreis ein, der mit den integrierten
Fotodioden - Reihenanordnungen 24, 25-verbunden ist, die bereits oben erläutert sind, d.h. Taktimpulsgeneratoren,
die zwei sich nicht überlappende Taktimpulse erzeugen, die
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durch das Schieberegister geschoben werden und nacheinander die HOS - Schalter - Linien öffnen und schließen, um nacheinander
jede Fotodiode mit der Video-Linie und einem Abtastimpulsgenerator zur Erzeugung eines Start - Abtastimpulses I
zu verbinden. Dieser Impuls läuft durch das Schieberegister, lädt nacheinander jede Fotodiode auf das negative Potential
der Speisequelle auf und "öffnet" sie. Die Ladung, die durch jede Fotodiode abfließt, bevor der nächste Tastimpuls I erfolgt,
ist proportional des totalen auf sie fallenden Strahlungsflusses (Lichtleistung). Der nächste Impuls I lädt die Fotodioden
wieder auf das Bezugspotential auf und ersetzt die an die Video - Linie verlorene Ladung.
Der elektronische Schalter 31 dient dazu, die periodische Prüfung der lieihenanordnungen 24 und 25 sequentiell und abwechselnd
zu ermöglichen. In typischer \,reise ist· der Schalter
für jede Reihenanordnung für eine Seicunde offen, während der eine große Zahl von Impulsen (mit einigen Millisekunden Abstand)
passieren. Die Ergebnisse v/erden über eine Sekunde hinweg von einem
Binärzähler (nicht dargestellt) gemittelt.
Die Spannungskurve A der Reihenanordnungen ist (in Fig.5) als
glatte, stoßfreie Kurve dargestellt; sie enthält aber in Wirklichkeit
eine Vielzahl von stufenförmigen Änderungen. Die erste
Spannungsspitze wird, wie unten beschrieben, zur Messung der totalen Intensität des einfallenden Lichtes genutzt, während
die Schaltung aus der zweiten Spannungsspitze das Zentrum der
Lichtverteilung ermittelt.
Das Signal aus der Prüfanordnung gelangt zum Phasenteiler 32, der zwei Ausgangssignale B und C abgibt. Ausgangssignal B wird
in aeiner Amplitude verringert, während Ausgangssignal C invertiert,
und in seiner Amplitude verdoppelt wird. Der Grund dafür liegt in dem V7unsch, über die gesamte Kurvenform zwischen
zwei aufeinanderfolgenden I - Impulsen zu integrieren, welche die Lichtverteilung entlang der Reihe repräsentiert; Hingegen
ist es im zweiten PrüfVorgang nur erwünscht, bis zum Maximum
der Spannungsspitze zu integrieren. Es ist daher einfacher,
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dies in negativer Richtung bei zweifacher Spannungshöhe zu
.finden, als die halbe Höhe der Spannungsspitze im positiven
Bereich zu finden.
Die Signale B und C werden über die logischen Torglieder 33 und
weitergeleitet, die vom Modul 30 durch Impulse G- und H, wie unten
beschrieben, gesteuert werden. Das Ausgangssignal D der Torglieder 33, 34 gelangt an einen Integrator 35. Es wurde gefunden,
daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die üblichen
Operationsverstärker wegen der benutzten hohen Frequenz nicht zur Integration geeignet sind. Daher wird an deren Stelle eine
nicht im Detail dargestellte Schaltung benutzt, die eine Transistor - Stromquelle umfaßt, die einen geerdeten Kondensator
speist, d.h., eine seiner Elektroden ist mit der den Schaltelementen der Schaltung gemeinsamen Bezugsleitung verbunden.
Das Bezugspotential für das Integratorausgangssignal E ist strichliniert angedeutet (Pig.5). Das Signal E wird an die
Schwellwert - Vergleichsschaltung 36 v/eitergeleitet, die einen Schmitt - Trigger enthält. Pur die Vergleichsschaltung 36 wird
eine beliebige Bezugsspannung gewählt. Ihre Hysterese liegt über
dem Rauschpegel.
Es ist anzumerken, daß der Integrator 35 so beschaffen bzw. beschaltet
ist, daß er auf der gleichen Ausgangssignalhöhe stehenbleibt wie am Anfang, unabhängig vom Übergang in der Kurvenform
des zweiten A - Impulses. Mit anderen Worten: Der Impulsabstrich von E fällt zeitlich mit dem Maximum der zv/eiten Spannungsspitze
in A zusammen und triggert den Impuls P (Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 36). Der Impuls, E wird in den Modul 30 gegeben,
der ein UND - Gatter 40 und einen Inverter 41 enthält, der ausgangsseitlg mit dem UND-Gatter 40 und eingangsseitig mit der
Gr - Impulsleitung verbunden ist. Der G - Impuls v/ird von einem Hauptzähler im Modul 30 erzeugt. Daher ist der Ausgangsimpuls
H=P0G (H = F & G nach dt. Schreibweise, z.B. Oppelt "Kleines
Handbuch technischer Regelvorgänge" 4. Aufl.), d.h., das logische Produkt des Signales P und des invertierten Signales G.
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Der Ausgang der Anordnung wird von H einem Zähler (nicht dargestellt)
zugeführt, um gegebenenfalls die digitalen Anzeigen in den Sichtgeräten 14, 15 zu erzeugen.
Die Länge des Impulses H ist daher proportional der Länge des Zeitintervalls oder der Verschiebung zwischen dem zweiten
I - Impuls und dem Zentrum des zweiten A - Impulses.
Aus vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß der Schaltkreis ein analoges Signal ausgangsseitig der Fotodioden erzeugt.
Die angewandte Integrationstechnik sorgt für eine solche Urkennung der Impulsmitte des A - Impulses, die unempfindlich
hinsichtlich möglicher Kurvenformfehler und Unregelmäßigkeiten
des Impulses ist. Folglich ist das Auflösungsvermögen des
Systems besser, tatsächlich etwa 10 mal besser, als es dem typischen Strahldurchmesser des Lasers entsprechen müßte, und
Fehler aufgrund der oben beschriebenen Schwankungen oder wegen de:
Instabilitäten des Strahldurchmessers sind eliminiert. Die Auflösung ist besser als sie bei einem bloßen Abzählen der
beleuchteten Dioden in der Reihenanordnung wäre.
Kit der bevorzugten , oben beschriebenen Ausführungsform vorliegender
Erfindung wird somit eine Positionsmessung in zwei orthogonalen Koordination und unter Verwendung zweier eindimensionaler
Reihenanordnungen mii einem höheren Auflösungsgrad erreicht als bisher erzielbar erschien. Dies geschieht
ohne Rückgriff auf ein zweidimensionales Matrixfeld, welches
2
den Einsatz von η Fotodioden anstelle von 2n Fotodioden erfordern würde, wobei η die Zahl der Fotodioden in einer erfindungsgemäß genutzten linearen Reihe ist. ^eder ein mechanisches noch ein thermionisches Abtastgerät sind erfprderlich, um die Erfindung anzuwenden.
den Einsatz von η Fotodioden anstelle von 2n Fotodioden erfordern würde, wobei η die Zahl der Fotodioden in einer erfindungsgemäß genutzten linearen Reihe ist. ^eder ein mechanisches noch ein thermionisches Abtastgerät sind erfprderlich, um die Erfindung anzuwenden.
In den Fig.6 und 7 ist eine im Verhältnis zu den Fig.1 bis 5
weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche in Ergänzung zu den beiden orthogonalen Koordinaten
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-H-
wie χ und y eine dritte Reihe von Fotodioden nutzt, um eine
Komponente der Viinkelneigun,;; des Strahlers zur Achse der
Vorrichtung zu messen. Es sind die gleichen Bezugszeichen für funktionell äquivalente Elemente gewählt.
Die Vorrichtung gemäß den Fig. 6 und 7 "befindet sich in
einem Gehäuse 50 mit einem Fenster 51 (nach der Darstellung rechts) für den Eintritt des Laserstrahles. Der Strahl
passiert eine Fresnel - Linse 52 und einen Streuschirm 53, der entweder mit einer Platte mit durchgehenden Offnungen
vorbestimmter G-röße oder mit einer Platte mit lichtdurchlässigen Bereichen ausgerüstet ist. Das Verhältnis der gesamten Fläche der Perforation oder durchlässigen Bereiche zu
den nichtperforierten oder diffusen Bereichen des Schirmes wird entsprechend dem beabsichtigten Einsatzzweck vorgewählt.
Wie im vorbeschriebenen Fall arbeiten hier die Fresnel - Linse und die nichtperforierten Teile des Schirmes 53 derart zusammen,
daß eine virtuelle Quelle gebildet wird, von welcher Streulichtin
das Innere 55 des Gehäuses 50 gesendet wird. V/ie in der vorigen Ausfuhrungsform sind zwei diskrete lineare
Reihen 24, 25 von Fotodioden außerhalb der effektiven Achse der Vorrichtung angeordnet, die Reihen 24, 25 liegen koplanar
und sind mit ihren "Linien" zueinander rechtwinkelig orientiert. Vor jeder Reihe 24, 25 befindet, sich wiederum eine entsprechende
Zylinderlinse 26, 27, um die Lichtstrahlen zu bündeln und in
ein schmales bandförmiges Bild umzuformen bzw. zu verziehen. Eine v/eitere Beschreibung dieses Teiles der Vorrichtung erübrigt
sich.
Unmittelbar hinter den Reihen 24, 25 befindet sich ein Streuschirm
60, der sowohl das Licht empfängt, das direkt durch die Öffnungen 54 oder durchlässigen Bereiche des Schrimes 63 tritt,
als auch das dort zerstreute Licht. Die Fresnel - Linse 52 dient dazu, die Intensitätsverteilung des von dem Schirm 60 empfangenen
Lichtes auszugleichen. Der Schirm 60 ist ein ebener Schirm,.
bestehend aus einem Polystyrol - Film. Es kann angenommen werden,
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daß die Linsen - Schirm - Anordnung 52, 60 im wesentlichen
wie ein Teleskop arbeitet und daß die Position der virtuellen Quelle auf dem Schirm 60 unabhängig davon ist, woher das Licht
einfällt, d.h. sie ist allein vom Winkel abhängig, den der Strahl mit der Achse der Vorrichtung einschließt.
In der dargestellten Ausführungsform verläuft der gezeigte
Lichtstrahl ausgehend vom Schirm 60 über eine Zylinderlinse 61 zu der dritten linearen Reihe 62 von Fotodioden. Die Elemente
61, 62 sind so orientiert, daß die horizontale Kompnente des Einfallwinkels gemessen wird. Natürlich kann die Anordnung
in Strahlrichtung hinter den Reihen einfach verdoppelt v/erden, um auch ei,ne Messung der vertikalen Komponente des Einfall
winkels zu ermöglichen. Diese Möglichkeit ist in Pig.4 strichliniert
angedeutet. Das Gehäuse 50 enthält weiterhin Trageinrichtungen 65 für den Schaltkreis gemäß Pig.4. Dieser Schaltkreis
erfordert nur eine sehr geringe Änderung für die Ausführungsform nach den Pig.6 und 7: Pur jede zusätzliche Reihe
- wie Reihe 62 - besteht eine zusätzliche Verbindung zum elektronischen Schalter 31, der mit der angemessenen Zahl von
zusätzlichen PrüfStellungen versehen ist, so daß die Reihen 24,
25, 62 ... sequentiell abgetastet v/erden. Die Spannungs - Kurvenformen entsprechen wie zuvor den in Pig.5 gezeigten. Umgekehrt
benötigt die Einze-1- Reihenanordnung, wie bereits ausgeführt, nur eine kleine Änderung, die nicht die prinzipielle Punktion des
Schaltkreises berührt, ebenso nicht die Integrations-Technik zur Erkennung des Zentrums des A - Impulses. Weiterhin sind der
Einzel - Reihenanordnung und den anderen Ausführungsformen die Vorteile des ausgezeichneten Auflösungsvermögens des elektronischen
Schaltkreises und die Unabhängigkeit der gemessenen Werte von den Werten der Komponenten in den anderen Richtungen gemeinsam.
Es ist davon auszugehen, daß die Ausführungsform nach äen
Pig.6 und 7 bei iier Bildung einer zusätzlichen Information
sehr vorteilhaft ist und dies mit Hilfe einfacher, ökonomischer Mittel erreicht. Die Vorrichtung bleibt in ihrer räumlichen
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G-estalt kompakt. Die Verwendung des perforierten Schirmes 53
ist weit vorzuziehen gegenüber z.B. dem Einsatz von Strahlteilern, die notwendigerweise ausgerichtet werden, in ihrer
Ausrichtung ^ehalten v/erden müßten und eine große Zahl von
■"einzelteilen bedingten.
Es ist augenscheinlich eine große Zahl von Modifikationen innerhalb
des Erfindun^'Sgedankens möglich. So kann die Linse 20 durch
einen Streuschirm ersetzt werden. Die Zylinderlinsen 26, 27 können
durch andere optische Elemente mit gleichen Bündel- und Streueffekten ersetzt werden. Die Fotodioden - Reihenanordnungen 24, 25,
62, ... brauchen nicht integriert ausgeführt sein, sondern können jeweils als diskrete Reihenanordnungen vorliegen. Obwohl eine
koinplanare Anordnung der Reihen wünschenswert ist, können die optischen Elemente 26, 27 so eingestellt sein, daß sie eine
fehlende Momplanarität kompensieren. Jede Reihe schließt dabei
mit dem Lichtfleck einen Winkel ein, der im vollen Bereich der möglichen Pleckbewegimgen stabil bleibt. Die Lichtquelle braucht
kein Laser zu sein. Der Schaltkreis kann "verdoppelt werden", um separat und simultan die Video - Alis gangs signale der entsprechenden
Reihen zu erzeugen, - im Gegensatz zur sequentiellen Arbeitsweise. Tatsächlich können die Video - Ausgangssignale, wenn gewünscht,
digital ausgegeben werden; jedoch ist dies nicht bevorzugt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie anstelle einer bloßen Anzeige ein Eingangssignal für ein
automatisches Pernsteuer-, oder Korrektursystem liefert, und sie
kann Bestandteil eines geschlossenen Regelsystems sein.
Der Ausgang des elektronischen Schaltkreises kann alternativ oder
zusätzlich zur Anzeige in einer Datenverarbeitungsanlage genutzt werden.
Es ist natürlich nicht wesentlich, daß die Reihen orthogonal zueinander
ausgerichtet sind. Palis z.B. zwei Koordinaten gemessen werden, kann die Richtung der Koordinaten, mittels derer das
!■.rgebnis ermittelt wird, wunschgemäß gewühlt werden. Ebenso ist die
Erfindung nicht auf zwei .Koordinaten beschränkt. In einer Aus-
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führung der Erfindung wurden drei in einer Ebene, in Winkeln von 30°, 120° und 120 zueinander liegende Reihen benutzt.
Ein weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht
bei der Verwendung für Aufgaben in Koordinaten - Erkennungssystemen im wesentlichen wie zuvor in dem System
der optischen Elemente, den erwrhnten linearen !leihen
fotoelelctrischer Elemente und in dem Aufbau des Schaltkreises.
Es kann ein paralleler Strahl verwendet werden, und das zu erkennende Objekt wird im Strahlengang angeordnet.
Die Vorrichtung wird in diesem Falle zur Erkennung der äußeren Schattenlinien des Objektes benutzt, und die
Schaltkreisanordnung ist so ausgestaltet, daß sie Übergänge
vom Schatten zum Licht ermittelt.
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Claims (13)
1J Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ
zu einem Target, mit einem System optischer Elemente, wenigstens einer linearen Reihenanordnung der fotoelektrischen Elemente,
die geeignet ist, ein Video - Ausgangssignal zu erzeugen, und mit. einer elektronischen Schaltkreisanordnung,
die das Video -■ Aus gangs signal der Reihenanordnung(-en) der
fotoelektrischen Elementen verarbeitet, dadurch gekennzeichnet,
daß das System der optischen Elemente erste Einrichtungen (20, 21;52, 53) enthält, die eine virtuelle Quelle des. Strahles
bilden,, und iibbildungseinrichtungen (26, 27), die ein schmales,
im wesentlichen bandförmiges Abbild der virtuellen Quelle auf der Reihenanordnung oder jeder der Reihenanorrinungen (25, 25)
erzeugen, und daß die ilchaltkreisanordnung Einrichtungen (33,
33 - 36, 40, 41) enthält, die das Zentrum der Verteilung des Video - Ausgangssignales ermitteln .
2. Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles zu
einem Target in wenigstens zwei Koordinaten, mit einem System optischer Elemente, wenigstens einer linearen Reihenanordnung
der fotoelektrischen Elemente und mit einer elektronischen Schalt^
kreisandrdnung, die das Video - Ausgangssignal der Weihen-.
anordnung(en) der fotoelektrischen Elemente verarbeitet, dadurch
gekennzeichnet, daß · .
a) das System der optischen Elemente erste Einrichtungen (20, 21; 52, 53) enthält, die eine virtuelle Quelle des Strahles
bilden, und Abbildun^seinrichtungen (26, 27) , die ein
schmales, im wesentlichen bandförmiges Abbild der virtuellen
Quelle auf jeder der Reihenanordnungen (24, 25) erzeugen,
wobei die Abbildungseinrichtungen miteinander einen Winkel einschließen, der mit den gewünschten Koordinaten - Rieh.--tungen
korrespondiert;
b) wenigstens zwei lineare diskrete Reihenanordnungen (24,25) vorgesehen sind, die räumlich getrennt mit einem entsprechendn
Winkel zueinander angeordnet sind, der mit den gewählten Koordinaten - Richtungen korrespondiert, und welche Reihenanordnungen
in den Zentren der Verteilungen der Video - Aus-
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-er-
gangssignale liegen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System optischer Elemente zweite Einrichtungen für die
Erzeugung einer zweiten virtuellen Quelle des Lichtstrahles enthält, die unabhängig von den ersten Einrichtungen (20, 21; 52, 53)
sind, wenigstens eine weitere lineare Reihenanordnung (62) fotoelektrischer Elemente und weiterhin Abbildungseinrichtungen (61)
zur Erzeugung eines schmalen, im wesentlichen bandförmigen Abbildes der zweiten virtuellen Quelle auf der Reihenanordnung
oder jeder der· weiteren linearen Reihenanordnungen, wobei die Position dieses Abbildes nur vorn Einfallwinkel des
Strahles abhängig ist, den dieser mit der Achse der Vorrichtung einschließt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Einrichtungen (20, 21; 52, 53), die ©ine. virtuelle
des Strahles bilden, ein Streuschirm oder eine oarnmellinse (20)
mit einer Streuoberfläche (21) oder ein unterlagertes Element aus. einem überlagerten Streuschirm und einer Prensel - Linse
vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schirm (53) mit einem Muster von durchlässigen und Streu- Bereichen versehen ist, wobei das Verhältnis der
durchlässigen zu den Streu - Bereichen nach den Erfordernissen vorbestimmbar ist..
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtungen
aus.zylindrischen oder plan - zylindrischen Linsen (26, 27, 61)
bestehen, die der· oder jeweils der Reihenanordnung (24 bzw. 25 bzw. 62) zugeordnet und räumlich benachbart sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenanordnungen (24,
-3-
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25; 62) jeweils außerhalb der Mittelachse (22) der Vorrichtung
angeordnet sind.
S. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten beiden Reihenanordnungen (24, 25) im wesentlichen in einer Ebene liegen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte Reihenanordnung (62) in einer Ebene liegt, die weiter von der Lichtquelle entfernt ist als die
ersten - mindestens zwei - Reihenanordnungen (24f 25)·
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreisanordnung
Einrichtungen zur Analyse des Video - Ausgangssignales einer einzelenen Reihenanordnung oder Einrichtungen (31) zur aufeinanderfolgenden
Prüfung der entsprechenden Video - Ausgangssignale jeder einer Mehrzahl von Reihenanordnungen enthält und
daß ein Integrator (35) zur Messung der totalen Intensität der Beleuehtung anhand einer gegebenen Spannungsspitze im Video Ausgangssignal
und zur Ermittlung der genauen Impulsmitte im nächstfolgenden Impuls vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,· dadurch gekennzeichnet, daß der
Integrator (35) mit Einrichtungen (36, 30) zur Festlegung des
Beginns und des Endes der Integration bei im wesentlichen gleichem
Spannungspegel versehen ist.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigsten einAheeigege&t
und/oder ein Aufzeichnungsgerät und/oder eine Datenverarbeitungsanlage (14) mit der Schaltungsanordnung verbunden ist.
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13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Anzeigegerät oder jedes Anzeigegerät als digital anzeigendes Sichtgerät (14) ausgebildet ist, das sowohl Sichtscheiben (17)
für - Richtungsanzeigen Tür eine oder jede Koordinate, als auch eine Lampe (1ΰ) für eine Fehl- Kichtungsanzeige besitzt, daß
Einrichtungen vorgesehen sind, die in diesem Fall nach einer vorbestimmten Zeit ein auditives und/oder visuelles Warnsignal
abgeben.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: DAHLMANN, G., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 6940 WEINHEIM |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |