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Einrichtung zur Erfa;^sulJg einer Ortskoordinate eines
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Lichtunktes Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung
einer Ortskoordinate eines Lichtpunktes, mit mindestens einer Linse zur Abbildung
des Lichtpunktes auf einen ortsempfindlichen Detektor.
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Eine derartige Einrichtung, bei welcher als ortsempfindlicher Detektor
ein ortsempfindlicher Halbleiterdetektor verwendet wird, ist aus der DE-OS 31 19
505 bekannt. Mit dieser bekannten Einrichtung können unter Zuhilfenahme von Triangulationsverfahren
die Ortskoordinaten der Oberfläche von dreidimensionalen Objekten erfaßt werden.
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Hierzu wird das Objekt mit Hilfe eines Laserstrahls punktuell abgetastet,
wobei die auf dem Objekt erzeugten Lichtpunkte bzw. Lichtflecke über ein seitlich
angeordnetes Objektiv auf den ortsempfindlichen Halbleiterdetektor abgebildet werden.
Aus der bekannten Lage des Laserstrahls und aus der über den ortsempfindlichen Halbleiterdetektor
gemessenen Höhe eines Lichtpunktes lassen sich dann jeweils die drei kartesischen
Ortskoordinaten dieses Punktes der Oberfläche des Objekts ermitteln. Da der Dynamikbereich
der verwendeten positionsempfindlichen Halbleiterkletektoren nicht ausreicht, um
alle extremen Schwankungen de. Intensität des gestreuten Lichtes zu verarbeiten,
ist bei der bekannten Einrichtung zusätzlich eine Regelung vorgesehen, mit welcher
die Leistung des Laserstrahles dem lokalen Streuvermögen der Oberfläche des Objekts
angepaßt wird. Ein Nachteil der bei der bekannten Einrichtung eingesetzten ortsempfindlichen
Halbleiter-
detektoren ist jedoch ihre relativ niedrige Grenzfrequenz.
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Diese Grenzfrequenz beträgt etwa 50 bis 100 kHz, was einer Abtastfrequenz
der Höhenkoordinaten der Oberfläche des Objekts von etwa 10 kHz entspricht. Als
Folge dieser niedrigen Grenzfrequenz der ortsempfindlichen Halbleiterdetektoren
ist dann aber auch die Regelung der Leistung des Laserstrahles relativ langsam Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einrichtung der eingangs genannten
Art die obere Grenzfrequenz des ortsempfindlichen Detektors deutlich zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:
a) der ortsempfindliche Detektor besteht aus einem Verlaufsfilter und einem nachgeordneten
Photodetektor, b) das Verlaufsfilter ist zumindest angenähert in der Bildebene der
Linse angeordnet, c) der Transmissionsgrad des Verlaufsfilters ist in Richtung der
zu erfassenden Ortskoordinate veränderlich.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird also anstelle eines ortsempfindlichen
Halbleiterdetektors ein Verlaufsfilter mit einem nachgeordneten, nicht ortsempfindlichen
Photodetektor verwendet Diese Kombination aus Verlaufsfilter und Photodetektor wirkt
dann als ortsempfindlicher Detektor, da sich der Transmissionsgrad des Verlaufsfilters
in Richtung der zu erfassenden Ortskoordinate ändert. Falls die Intensität des Streulichtes
als konstant angenommen werden kann, kann dann aus der Größe des von dem Photodetektor
erzeugten Signales wegen der bekannten, ortsabhängigen Strahlabschwächung
durch
das Verlaufsfilter die in ihrer Richtung vorgegebene Ortskoordinate eines jeweils
auf dem Objekt erzeugten Lichtpunktes ermittelt werden. Die mit der Erfindung erzielten
Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die obere Grenzfrequenz des aus Verlaufsfilter
und nachgeordnetem Photodetektor bestehenden ortsempfindlichen Detektors in den
Rereich von einigen NHz angehoben wird, wobei diese Anhebung der oberen Grenzfrequenz
bei niedrigen Empfangsleistungen von einigen Mikrowatt erreicht wird. Die Anhebung
der oberen Grenzfrequenz bei niedrigen Empfangsleistungen ist insbesondere bei der
industriellen Anwendung von Triangulationsverfahren wichtig, da hier aus Sicherheits-
und Kostengründen auf Laser mit einer Ausgangsleistung von einigen Watt verzichtet
werden muß und eine Beschränkung auf einige zehn Milliwatt erforderlich ist.
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Wegen stark unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften der meisten
Objekte ändert sich im allgemeinen die Intensität des von dem ortsempfindlichen
Detektor empfangenen Streulichtes. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
ist daher vorgesehen, daß in dem Strahlengang zwischen der Linse und dem Photodetektor
ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist und daß die Intensität des an dem teildurchlässigen
Spiegel reflektierten Lichtes durch einen zweiten Photodetektor erfaßbar ist. Die
Intensitätsschwankungen des empfangenen Streulichtes können dann durch die Kenntnis
der Intensität des an dem teildurchlässigen Spiegel reflektierten Lichtes kompensiert
werden. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, daß das Verhältnis der Intensität des
durch das Verlaufsfilter hindurchgehenden Lichtes zu der Intensität des an dem teildurchlässigen
Spiegel reflektierten Lichtes durch einen Dividierer ermittelbar ist. Das Ausgangssignal
des Dividierers bildet dann ein intensitätsunabhängiges elektrisches Signal für
die Ermittlung der
gewünschten Ortskoordinate.
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Das bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendete Verlaufsfilter
kann als Graukeil ausgebildet sein. Derartige Graukeile dienen in der Optik zur
stetigen Abschwächung des Lichtes, ohne seine Eigenschaften wie Polarisation und
Farbe zu ändern.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet das Verlaufafilter
gleichzeitig den teildurchlässigen Spiegel. Eine derartige Verringerung des baulichen
A wands kann dadurch erreicht werden, daß das Verlaufsfilter aus einem Glasträger
und einer mit zunehmender Dicke darauf aufgebrachten Schicht aus einem Material
besteht, welches teilweise reflektierend ist und ein mit der Dicke zunehmendes Absorptionsvermögen
aufweist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der
dem Verlaufsfilter nachgeordnete Photodetektor als Photovervielfacher ausgebildet.
Hierbei wird durch die Kombination einer Photokathode mit einem Elektronenvervielfacher
eine äußerst hohe Empfindlichkeit erreicht.
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Dementsprechend ist es auch zweckmäßig, wenn der dem teildurchlässigen
Spiegel zugeordnete zweite Photodetektor ebenfalls als Photovervielfacher ausgebildet
ist.
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Das Transmissions-/Reflexionsverhältnis eines teildurchlässigen Spiegels
wird im allgemeinen von der Polarisation des Lichtes beeinflußt. Falls dieser Einfluß
zu unzulässig großen Unsicherheiten in der Erfassung der eindimensionalen Ortskoordinate
führen sollte, kann dies auf einfache Weise dadurch verhindert werden, daß dem teildurchlässigen
Spiegel ein Polarisationstilter vorgeschaltet wird.
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Das von dem Photodetektor gebildete Signal ist in der Regel nicht
als lineare Funktion der zu ermittelnden Ortskoordinate anzusehen. Bei einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß das von dem Photodetektor
gebildete Signal einer Elektronikeinheit zur Kalibrierung und Linearisierung dieses
Signals zuführbar ist. Unter Kalibrierung ist hierbei die zur Erzielung absoluter
Werte der Ortskoordinate erforderliche Festlegung des Nullpunktes und der Steigung
zu verstehen.
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Die Elektronikeinheit kann dann auch dem Dividierer nachgeschaltet
sein, wobei dann das intensitätsunabhängige elektrische Ausgangssignal des Dividierers
kalibriert und linearisiert wird.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist schließlich
vorgesehen, daß die von dem Photodetektor und dem zweiten Photodetektor gebildeten
Signale einem Summierer zuführbar sind und daß der Ausgang des Summierers mit einer
Regeleinrichtung zur Regelung der Leistung einer den Lichtpunkt erzeugenden Lichtquelle
verbunden ist. Da die Summe der von den Photodetektoren gebildeten Signale in erster
Näherung proportional zur Intensität des Lichtflusses durch die Linse ist, kann
dann über das Ausgangssignal des Summierers die Leistung der Lichtquelle so geregelt
werden, daß eine überlastung der Photodetektoren vermieden wird und der Dynamikbereich
des Dividierers nicht überschritten wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 das Grundprinzip der Erfindung in stark vereinfachter
schematischer Darstellung, Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung
zur Erfassung einer Ortskoordinate eines Lichtpunktes,
Figur 3
einen in der Ausführungsform nach Figur 2 als Verlaufsfilter verwendeten Graukeil,
Figur 4 ein Verlaufsfilter, welches gleichzeitig als teildurchlässiger Spiegel wirkt
und Figur 5 eine bevorzugte zweite Ausführungsform einer Einrichtung zur Erfassung
einer Ortskoordinate eines Lichtpunktes.
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Gemäß Figur 1 ist zur punktuellen Abtastung eines Objekts 0 auf der
Senderseite eine Lichtquelle Lq vorgesehen, welcher ein Modulator M und ein Scanner
Sc zur Strahlablenkung nachgeordnet sind Zur Erfassung einer Ortskoordinate x der
auf dem Objekt O erzeugten Lichtpunkte ist auf der Empfängerseite eine Linse L vorgesehen9
welcher ein Verlaufsfilter V und ein Photodetektor P1 nachgeordnet sind Der von
der Lichtquelle Lq erzeugte Lichtstrahl wird mit Hilfe des Scanners Sc über die
Oberfläche des Objektes O geführt, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
die Höhenlage der auf der Oberfläche erzeugten Lichtpunkte entsprechend der vertikal
verlaufenden Ortskoordinate x erfaßt werden soll Beleuchtet nun der Lichtstrahl
den Ort 1 auf der Oberfläche des Objektes O, so wird der entsprechende Lichtpunkt
bzw. Lichtfleck mit Hilfe der Linse L auf das in der Bildebene der Linse L angeordnete
Verlauf sfilter V abgebildet. Das Streulicht durchsetzt das Verlaufsfilter V am
Ort 11, wird um einen ortsabhängigen Faktor durch das Verlaufsfilter V geschwächt,
gelangt zum Photodetektor Pl und erzeugt nach Vorverstärkung in einem Verstärker
Ve7 ein vom Ort 1' abhängiges elektrisches Signal 11(11). Dementsprechend beleuchtet
der Lichtstrahl zu einem späteren Zeitpunkt den Ort 2 auf der Oberfläche des Objektes
0, wobei das Streulicht das Verlaufsfilter V am Ort 2' durchsetzt9 um einen ortsabhängigen
Faktor durch das Verlauvsfilter V geschwächt wird, zum Photodetektor Pl gelangt
und nach
Vorverstärkung im Verstärker Vel ein vom Ort 2' abhängiges
elrktriscbes Signal I1(2') erzeugt. Das quer zur optischen Achse angeordnete Verlaufsfilter
V ist in :bezug auf die Richtung der Ortskoordinate x bzw. die entsprechende Richtung
x' in der Bildebene so ausgerichtet, daß sich sein Transmissionsgrad in der Richtung
x' stetig ändert.
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Unter der Voraussetzung, daß die Intensität des Streulichtes konstant
ist, kann aus der Größe des Signals 11 wegen der bekannten ortsabhängigen Strahlabschwächung
durch das Verlaufsfilter V nach einer Kalibrierung und Linearisierung in einer Elektronikeinheit
E die Ortskoordinate x des über die Oberfläche des Objektes O geführten Lichtpunktes
ermittelt werden.
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Im Zusammenhang mit dem in Figur 1 dargestellten Grundprinzip ist
noch zu erwähnen, daß als Lichtquelle Lq in der Regel ein Laser verwendet wird.
Die Aufgabe des Modulators M wird an späterer Stelle bei der Beschreibung der Figur
5 näher erläutert. Bei der Linse L handelt es sich um eine Sammellinse in Form eines
Linsensystems, beispielsweise um ein Objektiv. Als Verlaufsfilter V kann beispielsweise
der in Figur 3 dargestellte und an späterer Stelle noch zu beschreibende Graukeil
verwendet werden.
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Als Photodetektor Pl kann beispielsweise eine Siliziumphotodiode verwendet
werden, wobei jedoch die Verwendung eines Photovervielfachers wegen dessen wesentlich
höherer Empfindlichkeit zu bevorzugen ist.
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Die in Figur 1 dargestellte Senderseite entfällt, wenn die Bewegung
eines Objekts verfolgt werden soll. In diesem Fall wird auf dem Objekt eine punktförmige,
in einem relativ großen Raumwinkel strahlende Lichtquelle wie zum Beispiel eine
Leuchtdiode befestigt. Denkbar ist auch eine Bohrung im Objekt, die von rückwärts
derart durchleuchtet wird, daß das Licht ebenfalls auf die Linse L trifft.
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Basierend auf dem in Figur 1 dargestellten Grundprinzip zeigt Figur
2 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zur Erfassung einer Ortskoordinate
eines Lichtpunktes.
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Im Unterschied zu Figur 1 ist hier zwischen der Linse L und dem Verlauf
sfilter V' ein teildurchlässiger Spiegel 5 in den Strahlengang eingefügt. Dieser
teildurchlässige Spiegel 5 list dabei zur optischen Achse geneigt, beispielsweise
um einen Winkel von 4TO. Das an dem teildurchlässigen Spiegel S reflektierte Streulicht
gelangt zu einem zweiten Photodetektor P2 und erzeugt nach Vorverstärkung in einem
Verstärker Ve2 ein der Intensität des reflektierten Streulichts proportionales elektrisches
Signal I2. Mit Hilfe dieses Signales I2 können dann Intensitätsschwankungen des
am Objekt O (val. Figur 1) reflektierten Streulichts kompensiert werden Hierzu wird
in einem Dividierer D das Signal I1 durch das Signal I2 dividiert und das Ausgangssignal
I1/I2 des Dividierers D zur Kalibrierung und Linearisierung der Elektronikeinheit
E zugeführt. Das intensitätsunabhängige Ausgangssignal der Elektronikeinheit E entspricht
dann der Ortskoordinate x des über die Oberfläche des Objektes O (via, Figur 1)
geführten Lichtpunktes.
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Als Photodetektor P2 kann bei der Ausführungsform nach Figur 2 beispielsweise
eine Siliziumphotodiode verwendet werden, wobei jedoch auch hier wieder die Verwendung
eines Photovervielfachers wegen dessen wesentlich höherer Empfindlichkeit zu bevorzugen
ist. Als Verlaufsfilter V' kann beispielsweise wieder der in Figur 3 dargestellte
Graukeil verwendet werden. Dieser Graukeil besteht aus einem keilförmig geschliffenen
Grauglas K1, welches durch einen gleichen Keil K2 farblosen Glases zu einer Planplatte
ergänzt ist. Dabei ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Abschwächung des durch
den Graukeil hindurchgehenden Lichtes mit der Dicke des keilförmigen Grauglases
K1 und damit ortsabhängig veränderlich ist.
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Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Verl aufsfilters.
Hier ist auf einen Glasträger G aus farblosem Glas eine Schicht Sch mit zunehmender
Dicke aufgebracht, wobei diese Schicht Sch aus einem absorbierenden Material besteht.
Wirkt nun dieses absorbierende Material der Schicht Sch auch teilweise reflektierend,
so kann das Verlaufsfilter gleichzeitig auch als teildurchlässiger Spiegel verwendet
werden. Diese Erfordernisse werden beispielsweise durch eine äußerst dünne, aber
dennoch keilförmig auf den Glasträger G aufgebrachte Schicht Sch aus Chrom erfüllt.
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Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung zur Erfassung
einer Ortskoordinate eines Lichtpunktes. Im Unterschied zu der Ausführungsform nach
Figur 2 wird hier ein geneigt zur optischen Achse angeordnetes Verlaufsfilter Vl'
verwendet, welches entsprechend Figur 4 aufgebaut ist und damit gleichzeitig als
teildurchlässiger Spiegel St wirkt. Damit das Transmissions-/ Reflexionsverhältnis
dieses teildurchlässigen Spiegel S' nSht von der Polarisiation des Lichtes beeinflußt
werden kann, ist außerdem vor dem teildurchlässigen Spiegel S' bzw. Verlaufsfilter
V" ein Polarisationsfilter Pf in den Strahlengang eingefügt. Ein weiterer Unterschied
zu der Ausführungsform nach Figur 2 besteht darin, daß mit Hilfe eines Summierers
Su die Summe der Signale 11 und I2 gebildet wird und das Ausgangssignal dieses Summierers
einer Regeleinrichtung R zugeführt wird. Da die Summe der Signale I1 + I2 in erster
Näherung proportional zur Intensität des Lichtflusses durch die Linse L ist, kann
dann das Ausgangs signal As der Regeleinrichtung zur Regelung der Leistung der Lichtquelle
Lq dem in Figur 1 dargestellten Modulator M zugeführt werden. Diese Regelung der
Lichtleistung wird dazu benutzt, um eine überlastung der bevorzugi eingesetzten
Photovervielfacher
zu vermeiden und um innerhalb des Dynamikbereichs des Dividierers D zu bleiben.
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Falls die Bewegung eines Objektes verfolgt werden soll und die Lichtquelle
dementsprechend auf dem bewegten Objekt befestigt ist und selbst als zu erfassender
Lichtpunkt bzw. Lichtfleck dient, so kann über die Regeleinrichtung R unmittelbar
die Stromversorgung der Lichtquelle und somit deren Leistung beeinflußt werden.
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Mit den vorstehend geschilderten Einrichtungen wird eine äußerst schnelle
Erfassung einer Ortskoordinate ermöglicht. Damit wird dann er auch die rasche Erfassung
und Erkennung der gesamten Oberfläche dreidimensionaler Objekte ermöglicht. Hierzu
brauchen unter Beibehaltung einer einzigen Senderseite zur Abtastung des Objektes
lediglich zwei oder drei der in Figur 2 oder 5 dargestellten Einrichtungen eingesetzt
zu werden. Aus der DE-OS 31 47 129, insbesondere Figur 4, geht außerdem eine Anordnung
hervor, welche mit Hilfe eines einzigen eindimensionalen ortsempfindlichen Detektors
die Erfassung und Erkennung der gesamten Oberfläche dreidimensionaler Objekte ermöglicht.
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12 Patentansprüche 5 Figuren
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