DE3220790C2 - Optisch-mechanischer Abtaster mit parallel zu sich selbst ablenkbarem Lichtstrahl - Google Patents

Abstract

Zur Erzeugung eines telezentrischen Lichtstrahls, der über einen bestimmten Bereich abgelenkt wird, fällt ein eintretender Lichtstrahl (1) auf einen ebenen drehenden Spiegel (3). Der dort reflektierte Lichtstrahl gelangt über einen weiteren mitrotierenden, ebenen, parallelen Spiegel (3) als telezentrischer Lichtstrahl (1Δ) zum Ausgang der Vorrichtung. Es wird hierbei mittels einfacher optischer Mittel eine Ablenkung über einen, verglichen mit den Abmessungen der Vorrichtung, erheblichen Bereich erzielt, und die Bewegung des abgelenkten Lichtstrahls erfolgt nach einer einfachen mathematischen Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion. Diese einfache mathematische Zuordnung eines Drehwinkels ( α) und einer Auslenkung des Lichtstrahls erlaubt eine besonders einfache Auswertung von Meßergebnissen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optisch-mechanischen Abtaster mit parallel zu sich selbst ablenkbarem Lichtstrahl, mit sich paarweise gegenüberliegenden, zueinander parallelen und um eine gemeinsame Achse rotierenden Reflexionsflächen.

Bei einer bekannten solchen Vorrichtung erfolgt jedoch die Ausführung der Strahlzuführung parallel zur Drehachse. Aus dieser ist jedoch ersichtlich, daß zwei aufeinanderfolgend gegenläufig rotierende Anordnungen erforderlich sind und eine koaxiale Strahlführung benötigt wird.

Bei einer anderen Vorrichtung wird mittels eines rotierenden Spiegels in an sich bekannter Weise abgelenkt und mittels einer Sammeloptik parallel gemacht. Der Nachteil dieser Ausführung liegt darin, daß eine genaue Sammeloptik erforderlich ist und es außerordentlich schwierig wird, den Durchgang des Stiahls durch den Meßbereich nach einer Funktion erfolgen, zu lassen, die in einer einfachen mathematischen Relation /ur Drehung des Spiegels steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abtaster der genannten Art zu schaffen, bei dem mit einfachen Mitteln verhältnismäßig geringer Abmessungen eine Ablenkung des Lichtstrahls über einen erheblichen Meßbereich erzielt wird, wobei mit mindestens einem Paar planparalleler, rotieren Jer Spiegel die Strahlablenkung nach einer einfachen Funktion, insbesondere einer Sinusfunktion, erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reflexionsflächen im wesentlichen parallel zur Rotationsachse angeordnet sind und einen im wesentlichen quer zur Rotationsachse verlaufenden zickzackförmigen Strahlengang ergeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis tO. Nachstehend ist die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise näher beschrieben; es zeigt

Fig. 1 eine Stirnansic.it des erfindungsgemäßen Abtasters;

F i g. 2 einen Axialschnitt desselben und die

F i g. 3 bis 6 Verwendungsbeispiele des Abtasters nach den F i g. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt einen eintretenden Lichtstrahl 1 aus einem Laser 2. der als austretender Lichtstrahl 1' mit einer Auslenkung H bezüglich der optischen Achse des eintretenden 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 Spiege¹ 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.

Derartige Mittel sind an sich bekannt.

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 schlitzartigc Fenster 7 zwischen Stegen 7' entstehen, durch welche gemäß F i g. 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 Γ geneigt, und die Spiegelflächen 3 weisen entsprechende Neigung auf. Es entsteht damit ein zickzackförmiger Strahlengang, wie F i g. 2 zeigt, wobei der Lichtstrahl jeweils an zwei gegenüberliegenden Spiegelflächen 3 reflektiert wird.

Die Art der Reflexion ist in F i g. I angedeuiet. 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 Lichtstahls stehen, der eintreiende Strahl 1 an der hinten liegenden Spiegelfläche mit einem Winkel 2 >

to reflektiert und dann auch an der hinten liegenden wirksamen Spiegelfläche um den gleichen Winkel 2/v reflektiert wird. Er tritt also immer genau parallel zur Achse des eintretenden Lichtstrahls aus und bewegt sich bei

orilaufender Drehung der Spiegelflächen, beispielsweise in dem in Fi g. 1 durch Pfeil angedeuteten Uhrzeigersinn wiederholt von unten nach oben. Wie aus den Angaben in F i g. 1 hervorgeht, beträgt die Auslenkung

H = 2S χ sin λ.

worin Sdem Abstand zwischen gegenüberliegenden zugeordneten SpL-igeflächen 3 entspricht.

Aus dem vorstehenden ergibt sich ohne weiteres, daß ίο der Abtaster gemäß Fig. 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 Drehwinkei des Spiegelsystems genau erfaßt werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemcßen Ausrührungsform nach den F i g. 1 und 2 besteht darin, daß das Spiegelsystem bezüglich der Drehachse zentralsymmetrisch 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, zu sich selbst parallelen Lichtstrahls oder Lichtbündels bezogen auf gegebene Abmessungen des Spiegelsystems maximal ausfällt.

F-'.s wäre eine weitere Ausführungsvarianie sn dem Sinne möglich, daß einem Spiegel 3 gemäß Fig.! 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 wäie erforderlich, das rotierende Spiegelsystem auszuwuchten.

!•"ig. 3 zeigt schematisch eine Verwendungsmöglichkeit, wobei zur Erzielung zu sich selbst parallel veriaufender Strahlen in Richtung zweier senkrecht zueinander stehender optischer Achsen weitere Spiegel vorgesehen sind. Entsprechende Teile sind gleich bezeichnet v, ic in den F i g. 1 und 2. Der Lichtstrahl der Lichtquelle 2 wird mittels eines halbreflektierenden Spiegels 30 in zwei Strahlen la und Ib aufgeteilt, die über weitere Spiegel 31 und 32 dem drehbaren quadratischen Spiegelsystem 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 Strahlen la und Ib 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 e,o zur Auswertung an die oben erwähnte Rechenvorrichtung übertragen. Im Augenblick des Abblendens und Aiifblcnclens des Lichtstrahls wird jeweils festgestellt, in welcher Winkelstellung sich das Spiegelsystem 3 befindet, und es kann dan.i anhand der einfachen gespeicherten .Sinusfiinktion ermittelt werden, an welchen Stellen bezüglich der optischen Achse, die Abblendung und Aufblcndung erfolgt ist.

Daraus läßt sich eine Abmessung und/oder eine Position des Objekts ermitteln. Pfeile deuten die Laufrichtung der Strahlen an.

F i g. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Verwendungsbeispiels. Der Lichtstrahl 1 wird durch einen halbreflektierenden Spiegel 41 in Halbstrahlen la und lö aufgeteilt und über Spiegel 42 und 43 dem drehbaren Spiegelsystem 3 zugeführt. Die austretenden Strahlen gelangen über Spiegel 44 und 45 in einen Meßbereich, in welchem sich ein zu messendes Objekt 46 befindet. Die Bereiche der Strahlen liegen in einem gewissen Abstand voneinander. Die Eintrittsrichtung der Halbstrahlen la und \b in das Spiegelsystem 3 und die Weite der Fenster 7 zwischen den Stegen 7' sind so gewählt, daß abwechslungsweise, zeitlich vc.setzt. parallel zu sich selbst verlaufende Strahlen la oder Ib im Meßbereich auftreten. Es ist daher auch möglich, mittels ein und derselben Sammellinse 47 beide Strahlen auf eine gemeinsame Photozelle 48 zu werfen welche alle erforderlichen Signale an den Re?':ner weiterleitet.

Die Ausführung nach F i g. 4 gestiftet bezogen auf gegebene Abmessungen des drehbaren Spiegelsystems 3 doppelt so große Objekte zu messen als die Ausführung nach F i g. 1 und 2. Der Abtaster könnte abei auch zur Messung beliebig kleiner Objekte verwendet werden, indem dieselben etwa in die Mitte des Bereichs des einen Strahls (la oder \b) gebracht werden und der Rechner zur entsprechenden Auswertung umgeschaltei wird.

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

F i g. 6 z.eigt ein Verwendungsbeispiel der :>chematisch dargestellten Vorrichtung nach F i g. 1 und 2. wobei entsprechende Teile gleich bezeichnet sind, wie in den Fig. 1 und 2. Der einfallende Lichtstrahl 1 gelangt zur optimalen Ausnutzung des Raumes in einem Gehäuse 15 über einen Ablenkspiegel 16 zum drehenden Spiegelsystem 3, und der abgelenkte Lichtstrahl !' fällt durch ε^;η optisches Fenster 17 des Gehäuses 15 mit einer bestimmten Neigung auf die Oberfläche 18 eines Objekts 19. Ein im Gehaust '.5 angeordneter Empfänger 20, dem eine Optik 21 zugeordnet ist. spricht an, >venn der Licht strahl Γ auf eine ganz bestimmte Stelle in der optischen Achse 22 aufirifft. In F i g. 6 ist angedeutet, daß der Lichtstrahl Γ in, bezogen auf die Rotation des Spicgelsystems 3, unterschiedlichen Momenten an die erwähnte bestimmte Stelle in der optischen ^chse 22 ge'angt, 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 Γ 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 Γ bei einem Drehwinkel aI odera2 an die erwähnte Stelle der Oberfläche gelangt, je nach dem, ob sich die Oberfläche 18 in der Position a I oder a 2 befindet. Der Rechner kann nun anhand einer einfachen Sinusfunktion ermitteln, in welcher Position sich jeweils die Oberfläche 18 befindet. Aus den geometrischen Gegebenenheiten des Abtasters kann also ohne eigentliche Eichung der Rechner ohne weiteres so programmiert bzw. eingestellt werden, daß korrekte umgerechnete Meßwerte /ur Verfugung stehen.

Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Ausführungen und Verwendungen der Ablenkvorrichtung

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derart umstellbar sein, daß wahlweise gemäß F i g. 3 zwei Dimensionen oder gemäß F i g. 4 ein größeres Objekt gemessen werden kann. Die Auswertung der Messung kann nach irgendwelchen an sich bekannten Methoden erfolgen. Zum Beispiel kann sich im Bereich eines oder mehrerer Strahlen ein optischer Raster oder Meßstab befinden, in welchem Fall der Rechner anhand der auftretenden Lichtimpulse auf die Größe und/oder Lage des Meßobjekts schließt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
30

40

45

50

60

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanischer Abtaster mit parallel zu sich selbst ablenkbarem Lichtstrahl, mit sich paarweise gegenüberliegenden, zueinander parallelen und um eine gemeinsame Achse rotierenden Reflexionsflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen (3) im wesentlichen parallel zur Rotationsachse angeordnet sind und einen im wesentlichen quer zur Rotationsachse verlaufenden zickzackförmigen Strahlengang ergeben.

2. Abtaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen zur Rotationsachse leicht geneigt sind.

3. Abtaster nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Paare sich gegenüberstehender Reflexionsflächen nach Art der Seiten eines geradzahligen Vielecks vorgesehen sind.

4. Abiäsier nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittslichtstrahl die Rotationsachse schneidet.

5. Abtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen an einem Träger befestigt und dieser mit einer Nabe verbunden ist, wobei der Strahldurchgang mittels Fenster bildenden Ausnehmungen ermöglicht wird.

6. Abtaster nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß den drehbaren Reflexionsflächen m:hrere Strahlen aus verschiedenen Richtungen zugeführt werden und daß dem Ablenker ortsfeste Spiegel nachgeschaltet sind.

7. Abtaster nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß zwei austretende Strahlen (la, \b) in senkrecht zueinander stehende Richtungen umgelenkt werden und sich in einem Meßbereich kreuzen.

8. Abtaster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr austretende Strahlen (la, Xb. \c)parallel zueinander in nebeneinander liegende Bereiche gelenk' werden, um den totalen von Strahlen bestrichenen Bereich zu erweitern.

9. Abtaster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der einfallenden Strahlen (la. \b) so gewählt und die Fenster (7) des Trägers so bemessen sind, daß austretende Strahlen in zwei Bereichen in zeitlichem Abstand abwechslungsweise auftreten und daß eine gemeinsame Optik (47. 48) zum Empfang aller Strahlen vorgesehen ist.

10. Verwendung eines optisch-mechanischen Abtasters nach den Ansprüchen I bis 9 für berührungslose Dickenmessung in an sich bekannter Weise.