DE3220790A1

DE3220790A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines telezentrischen lichtstrahls und verwendung der vorrichtung

Info

Publication number: DE3220790A1
Application number: DE19823220790
Authority: DE
Inventors: Urs-Peter 4125 Riehen Studer
Original assignee: Zumbach Electronic AG
Current assignee: Zumbach Electronic AG
Priority date: 1981-06-04
Filing date: 1982-06-02
Publication date: 1982-12-23
Also published as: GB2100467A; US4444457A; JPH04356010A; JPH0529887B2; JPS581120A; AU554732B2; ZA823825B; AU8437682A; JPH07119899B2; DE3220790C2; ES512821A0; CH658523A5; IT8221617A0; CA1175129A; IT1151256B; ES8304671A1; GB2100467B

Description

-J-

Vorrichtung zur Erzeugung eines telezentrischen Lichstrahls und Verwendung der Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines telezentrischen Lichstrahls, der zu sich selbst parallel durch einen bestimmten Bereich abgelenkt wird. Es soll hierbei mit einfachen Mitteln verhältnismässig geringer Abmessungen eine Ablenkung des Lichtstrahls über einen erheblichen Bereich erzielt werden. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 umschrieben.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, unter Verwendung einer Vorrichtung der oben erwähnten oder entsprechenden Art einfache Messverfahren anzugeben. Bei einer Ablenkvorrichtung mit mindestens einem Paar von planparallelen, rotierenden Spiegeln erfolgt die Strahlablenkung nach einer einfachen Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion. Diese erfindungsgemässe Verwendung ist im Anspruch 9 umschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Verwendungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1

zeigt eine Stirnansicht des Ausführungsbeispiels,

Figur 2

zeigt einen Axialschnitt des Ausführungsbeispiels und die

Figuren 3 bis 6 zeigen Verwendungsbeispiele der Vorrichtung

nach Figuren 1 und 2.

Figur 1 zeigt einen eintretenden Lichtstrahl 1 aus einem Laser 2, der als telezentrischer, austretender Lichtstrahl I¹ mit einer Auslenkung H bezüglich der optischen Achse des ein-

tretenden Lichtstrahls 1 abgelenkt werden soll. Die Ablenkung erfolgt mittels eines rotierenden Spiegelsystems quadratischer Form. Der gegenseitige Abstand je zweier paralleler, gegenüberliegender Spiegelflächen 3 beträgt S. Die drehbaren Spiegel 3 sind in einen Ring 4 eingesetzt, der einteilig mit einem Flansch 5 und einer Nabe 6 ausgebildet ist. Die Teile 4 bis 6 bilden einen Träger für die Spiegel 3. Die Nabe 6 ist mit einer nicht dargestellten Welle verbunden, die mit genau definierter Winkelgeschwindigkeit, beispielsweise durch einen Synchron- oder Schrittmotor, angetrieben werden kann. Solche Antriebe sind bekannt und nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der aus den Teilen 4, 5 und 6 bestehende Träger weist zwischen den Teilen 4 und 5 vier rechtwinklig stehende Anfräsungen auf, in deren Bereich schlitzartige Fenster 7 zwischen Stegen 7' entstehen, durch welche gemäss Figur 2 der einfallende Strahl 1 eintreten kann. Die Achse des Trägers 4, 5, 6 ist gegenüber der optischen Achse des einfallenden Lichtstrahls 1 und des reflektierten Lichtstrahls 1¹ geneigt, und die Spiegelflächen 3 weisen entsprechende Neigung auf. Es entsteht damit ein zickzackförmiger Strahlengang, wie Figur 2 zeigt, wobei der Lichtstrahl jeweils an zwei gegenüberliegenden Spiegelflächen 3 reflektiert wird. Die Art der Reflexion ist in Figur 1 angedeutet. Aus dieser Figur geht hervor, dass für einen bestimmten Drehwinkel des Spiegelsystems aus einer Nullstellung, in welcher zwei Spiegel senkrecht und zwei Spiegel parallel zur optischen Achse des einfallenden und reflektierten Lichtstrahls stehen, der eintretende Strahl 1 an der hinten liegenden Spiegelfläche mit einem Winkel 2areflektiert und dann auch an der hinten liegenden wirksamen Spiegelfläche um den gleichen Winkel 2 α reflektiert wird. Er tritt also immer genau parallel zur Achse des eintretenden Lichtstrahls aus und bewegt sich bei fortlaufender Drehung der Spiegelflächen, beispielsweise in dem in Figur 1 durch Pfeil angedeuteten Uhrzeigersinn wiederholt von unten nach oben. Wie aus den Angaben in Figur 1 hervorgeht, beträgt die Auslenkung

H = 2S. sinot

worin S dem Abstand zwischen gegenüberliegenden zugeordneten Spiegelflächen 3 entspricht.

Aus dem vorstehenden ergibt sich ohne weiteres, dass die Vorrichtung gemäss Figuren 1 und 2 aus sehr einfachen Elementen, insbesondere ebenen Spiegeln aufgebaut ist und mit diesen einfachen Mitteln eine Bewegung des austretenden Lichtstrahls nach einer sehr einfachen mathematischen Funktion ergibt. Dieser mathematische Zusammenhang ist sehr genau, wenn einfach zu erfüllende Bedingungen gegeben sind, nämlich dass die Drehachse des drehbaren Spiegelsystems in der optischen Achse des eintretenden Strahls 1 liegt, dass die Spiegelflächen genau symmetrisch zu dieser Achse und parallel angeordnet sind, und dass der Drehwinkel des Spiegelsystems genau erfasst werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil der Ausführungsform nach Figuren 1 und 2 besteht darin, dass das Spiegelsystem bezüglich der Drehachse zentralsyrametrisch ausgebildet und somit praktisch ausgewuchtet ist. Ein ähnlich symmetrisches System wäre auch gegeben, wenn nur zwei oder mehr als vier Spiegelflächen in beliebiger mehreckiger Anordnung vorhanden wären. Die Ausführung mit zwei oder vier Spiegeln hat jedoch den Vorteil gegenüber möglichen Systemen mit mehr Spiegelflächen, dass die Amplitude des abgelenkten telezentrischen Lichtstrahls oder Lichtbündels bezogen auf gegebene Abmessungen des Spiegelsystems maximal ausfällt.

Es wäre eine weitere Ausführungsvariante in dem Sinne möglich, dass einem Spiegel 3 gemäss Figur 1 eine ebene Spiegelfläche in der Drehachse des Spiegelsystems gegenüberliegt. Der Strahl würde durch einen derartigen Spiegel gleich umgelenkt, wie durch das dargestellte Spiegelsystem, doch wäre die seitliche Auslenkung insgesamt nur halb so gross, und es wäre erforderlich, das rotierende Spiegelsystem auszuwuchten.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Verwendungsmöglichkeit, wobei zur Erzielung telezentrischer Strahlen in Richtung

zweier senkrecht zueinander stehender optischer Achsen weitere Spiegel vorgesehen sind. Entsprechende Teile sind gleich bezeichnet wie in den Fig. 1 und 2. Der Lichtstrahl der Lichtquelle 2 wird mittels eines halbreflektierenden Spiegels 30 in zwei Strahlen 1a und Ib aufgeteilt, die über weitere Spiegel 31 und 32 dem drehbaren quadratischen Spiegelsystems 3 zugeführt werden. Sie gelangen von dort über weitere Spiegel 33 und 34 in einen Messbereich, in welchem sich ein zu messendes Objekt 35 befindet. Die telezentrischen Strahlen 1a und 1b stehen im Messbereich senkrecht aufeinander und gestatten in dieser Weise zwei Dimensionen des Objekts 35 zu erfassen. Mittels Linsen 36 und 37 werden die Lichtstrahlen auf Photozellen oder - Dioden 38 und 39 gesammelt, welche elektrische Signale zur Auswertung an die oben erwähnte Rechenvorrichtung übertragen. Im Augenblick des Abblendens und Aufblendens des Lichtstrahls wird jeweils festgestellt, in welcher Winkelstellung sich das Spiegelsystem 3 befindet, und es kann dann anhand der einfachen gespeicherten Sinusfunktion ermittelt werden, an welchen Stellen bezüglich der optischen Achse, die Abblendung und Aufblendung erfolgt ist. Daraus lässt sich eine Abmessung und/oder eine Position des Objekts ermitteln. Pfeile deuten die Laufrichtung der Strahlen an.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Verwendungsbeispiels. Der Lichtstrahl 1 wird durch einen halbreflektierenden Spiegel 41 in Halbstrahlen la und 1b aufgeteilt und über Spiegel 42 und 43 dem drehbaren Spiegelsystem 3 zugeführt. Die austretenden telezentrischen Strahlen gelangen über Spiegel 44 und 45 in einen Messbereich, in welchem sich ein zu messendes Objekt 46 befindet. Die Bereiche der telezentrischen Strahlen liegen in einem gewissen Abstand voneinander. Die Eintrittsrichtung der Halbstrahlen 1a und Ib in das Spiegelsystem 3 und die Weite der Fenster 7 zwischen den Stegen 7* sind so gewählt, dass abwechslungsweise, zeitlich versetzt, telezentrische Strahlen 1a oder 1b im Messbereich auftreten. Es ist daher auch möglich, mittels ein und derselben Sammellinse 47 beide Strahlen auf eine ge-

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»einsame Photozelle 48 zu werfen, welche alle erforderlichen Signale an den Rechner weiterleitet. Die Ausführung nach Fig. 4 gestattet bezogen auf gegebene Abmessungen des drehbaren Spiegelsystems 3 doppelt so grosse Objekte zu messen als die Ausführung nach Fig. 1 und 2. Die Vorrichtung könnte aber auch zur Messung beliebig kleiner Objekte verwendet werden, indem dieselben etwa in die Mitte des Bereichs des einen telezentrischen Strahls (1a oder 1b) gebracht werden und der Rechner zur entsprechenden Auswertung umgeschaltet wird,

Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Verwendung. Vom Lichtstrahl 1 wird mittels eines ersten teilreflektierenden Spiegels 51 ein Drittel des Lichts als Strahl 1c direkt in das drehbare Spiegelsystem 3 geworfen. Die durch den Spiegel 51 durchtretenden 2/3 des Lichts werden nach passender Führung im wesentlichen gemäss Fig. 4 von vorne in das drehbaren Spiegelsystem 3 geworfen. Es treten dann direkt bzw. über Spiegel 52 und 53 telezentrische Strahlen la bis 1c nebeneinander aus, wodurch der Messbereich bezogen auf die Abmessungen des Spiegelsystems verdreifacht wird, was die Messung eines grossen Objekts 54 erlaubt. Ist es nicht möglich, bei der Ausführung nach Fig. 5 die telezentrischen Strahlen zeitlich nacheinander zu erzeugen, kann dem Bereich jedes telezentrischen Strahls eine Sammellinse 55 und ein photoelektrischer Wandler 56 zugeordnet sein, wie Fig. 5 andeutet.

Fig. 6 zeigt ein Verwendungsbeispiel der schematisch dargestellten Vorrichtung nach Figuren 1 und 2, wobei entsprechende Teile gleich bezeichnet sind, wie in den Figuren 1 und 2. Der einfallende Lichtstrahl 1 gelangt zur optimalen Ausnützung des Raumes in einem Gehäuse 15 über einen Ablenkspiegel 16 zum drehenden Spiegelsystem 3, und der abgelenkte Lichtstrahl 1¹ fällt durch ein optisches Fenster 17 des Gehäuses 15 mit einer bestimmten Neigung auf die Oberfläche 18 eines Objekts 19. Ein im Gehäuse 15 angeordneter Empfänger 20, dem eine Optik 21 zugeordnet ist, spricht an, wenn der Lichtstrahl 1¹ auf eine ganz bestimmte Stelle in der optischen

Achse 22 auftrifft. In Figur 6 ist angedeutet, dass der Lichtstrahl 1¹ in, bezogen auf die Rotation des Spiegelsystems 3 unterschiedlichen Momenten an die erwähnte bestimmte Stelle in der optischen Achse 22 gelangt, je nach dem, ob sich das Objekt 19 bzw. seine Oberfläche 18 näher oder weiter von der Optik 21 entfernt befindet. Es lässt sich also aus dem Zeitpunkt, bzw. dem momentanen Drehwinkel des Spiegelsystems 3 beim Auftreffen des Lichtstrahls 1* auf die bestimmte Stelle der Oberfläche 18 auf die Entfernung dieser Oberfläche von der Optik 21 und damit auf die Position der Oberfläche 18, bzw. des Objekts 19 schliessen. Die Berechnung dieser Position kann in einfacher Weise durch einen Rechner erfolgen, dem als Eingangsinformation der Drehwinkel des Spiegelsystems 3 zugeführt wird. Es wird dann festgestellt, dass der Strahl 1' bei einem Drehwinkel α 1 oder α 2 an die erwähnte Stelle der Oberfläche gelangt, je nach dem, ob sich die Oberfläche 18 in der Position al oder a2 befindet. Der Rechner kann nun anhand einer einfachen Sinusfunktion ermitteln, in welcher Position sich jeweils die Oberfläche 18 befindet. Aus den geometrischen Gegebenheiten der Messvorrichtung kann also ohne eigentliche Eichung der Rechner ohne weiteres so programmiert bzw. eingestellt werden, dass korrekte umgerechnete Messwerte zur Verfügung stehen.

Natürlich sind andere Ausführungen und Verwendungen der Ablenkvorrichtung möglich.

So könnten die Spiegel gemäss Fig. 3 oder 4 derart umstellbar sein, dass wahlweise gemäss Fig. 3 zwei Dimensionen oder gemäss Fig. 4 ein grösseres Objekt gemessen werden kann. Die Auswertung der Messung kann nach irgendwelchen an eich bekannten Methoden erfolgen. Zum Beispiel kann sich im Bereiche eines oder mehrerer telezentrischer Strahlen ein optischer Raster oder Messstab befinden, in welchem Falle der Rechner anhand der auftretenden Lichtimpulse auf die Grosse und / oder Lage des Messobjekts schliesst.

Claims

PATENTANSPRUECHE

1. Vorrichtung zur Erzeugung mindestens eines telezentrischen Lichtstrahls, der zu sich selbst parallel durch .einen bestimmten Bereich abgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an einem drehbar gelagerten Träger (4-6) mindestens ein Paar von planparallelen Innenspiegeln (3) gebildet ist, wobei die optische Achse des Lichtstrahls (T) einer Lichtquelle (2) zur Rotationsebene des Trägers bzw. der Spiegel (3) geneigt ist, und wobei der Träger (4-6) einseitig der Spiegel (3) gelagert ist und auf dieser Seite Fenster (7) für den Durchtritt des Lichtstrahls (1) aufweist, während der Träger (4-6) auf der anderen Seite offen ist und den Durchtritt des Lichtstrahls (1) seitlich je eines Spiegels (3) zulässt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelebenen parallel zur Drehachse stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehreckiger, insbesondere quadratischer drehbarer Spiegel (3) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse des eintretenden, abzulenkenden Lichtstrahls (1) die Drehachse des Trägers (4-6) schneidet.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass den drehbaren Spiegeln (3) mehrere Strahlen (1a-1c) aus verschiedenen Richtungen zugeführt werden und dass die austretenden telezentrischen Strahlen

über ortsfeste Spiegel (33,34,44,45,52,53) in verschiedene Bereiche gelenkt werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei austretende, telezentrische Strahlen (la,1b) in senkrecht zueinander stehende Richtungen umgelenkt werden und sich in einem Messbereich kreuzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr austretende, telezentrische Strahlen (1a,1b,Ic) parallel zueinander in nebeneinander liegende Bereiche gelenkt werden um den totalen von telezentrischen Strahlen bestrichenen Bereich zu erweitern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen der einfallenden Strahlen (1a,1b) so gewählt und die Fenster (7) des Trägers (4-6) so bemessen sind, dass austretende telezentrische Strahlen in zwei Bereichen in zeitlichem Abstand abwechslungsweise auftreten, und dass eine gemeinsame Optik (47,48) zum Empfang aller telezentrischen Strahlen vorgesehen ist.

9. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Messung einer Dimension oder Lage eines Objekts (35,46,54), wobei das Objekt in den genannten Bereich gebracht und ermittelt wird, für welche Zeitpunkte bzw. Drehwinkel der drehbaren Spiegel (3) sich der Lichtstrahl (1) an mindestens einer bestimmten Stelle des Objekts befindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rechner aus dem oder den Zeitpunkten bzw. Drehwinkeln gemäss einer einfachen Funktion, insbesondere Sinusfunktion, die Lage des Lichtstrahls (1) an der bzw. den bestimmten Stelle bzw. Stellen und damit die Dimension und / oder Lage ermittelt.

10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (1) mit bestimmter Neigung gegen die Oberfläche (18) eines Objekts (19) gerichtet wird und aus dem Zeitpunkt bzw. dem Drehwinkel beim Druchgang des Lichtstrahls durch eine bestimmte Stelle der Oberfläche auf die Lage der Oberfläche bzw. des Objekts geschlossen wird.