DE3441498A1

DE3441498A1 - Verfahren und anordnung zur erfassung der position von lichtstrahlen

Info

Publication number: DE3441498A1
Application number: DE19843441498
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr.-Ing. 1000 Berlin Weber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1984-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1986-05-15
Also published as: DE3441498C2

Description

Verfahren und Anordnung zur Erfassung der
Position von Lichtstrahlen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Position von Lichtstrahlen, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.
Es ist bekannt, die Position eines Lichtstrahles z.B. mit einer Diodenmatrix zu erfassen. Die jeweils belichtete Diode oder auch Dioden stellen dabei jeweils ein Maß für die Position des Lichtstrahls dar. Verwendet werden können auch Zwei- oder Mehrquadrantendetektoren, wobei der Schwerpunkt des auffallenden Lichtstrahls und damit seine relative Lage berechnet werden kann.
Die Nachteile solcher Anordnungen sind ihre insgesamt sehr kleine lichtempfindliche Fläche (häufig ist eine abbildende Optik notwendig) und es kann nur eine zweidimensionale Orts- bestimmung durchgeführt werden. Nachteilig ist ferner, daß der Lichtstrahl selbst nur für eine reine Positionserfassung, d.h. nicht weiterverwendet werden kann, weil er in den Photodioden vollständig in andere Energieformen wie Strom oder Wärme umgewandelt wird.
Verfahren Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues/ zur mehrdimensionalen Erfassung der Lage (Position bzw. Verlauf) eines oder mehrerer Lichtstrahlen und eine besonders zweckmäßige Anordnung dazu zu schaffen.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Anordnungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Anhand von schematischen Ausführungsbeispielen in der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Erfassungskomponente Fig. 2 Erfassungskomponenten aneinandergereiht in einer Schicht Fig. 3 eine Anordnung in zwei Schichten Fig. 4 eine Anordnung mit zweimal zwei Schichten Fig. 5 Skizze zur Berechnung des Verlaufs des Lichtstrahls Fig. 6 Folien mit versetzt dotierten Schmalbereichen Fig. 7 Überdeckung durch geschichtete Folie nach Fig. 6 Fig. 8 Zweischichtaufbau mit Folien entsprechend Fig. 7 Fig. 9a - 9c Auskopplung durch Lichtbrechung mit verschiedener Folienführung Fig. 10 Auskopplung durch Glasprismen Fig. 11 Erfassungskomponente dotiert mit mehr als einem Farbstoff Fig. 12 Erfassungskomponente je für sich mit unterschiedlichen Farbstoffen dotiert.
In Fig. 1 ist zunächst eine grundlegende Erfassungskomponente 1/2 nach der Erfindung dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einer Schicht 1 in Stab-, Streifen- oder Folienform, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff dotiert ist, auf die ein Lichtstrahl 3 trifft. Der Farbstoff hat auf der Wellenlänge (den Wellenlängen) des Lichtstrahls 3 ein Absorptionsmaximum. Die Farbstoffkonzentration ist dabei so zu wählen, daß nicht die gesamte Intensität des Strahles absorbiert wird, sondern ein wesentlicher Teil hindurchgeht. Als Basismaterialien für die Schicht 1 kommen Glas oder Kunststoffe infrage, wie z.B. Epoxydharz, Polyester, Polyvenylchlorid oder Cellulosehydrat. Als Farbstoffe können z.B. verwendet werden Rhodamin 6G, Natrium-Fluorescein, Stilbene oder andere.
Der von der Schicht 1 absorbierte Intensitätsanteil wird, entsprechend der Fluoreszenzquantenausbeute des Farbstoffes als Fluoreszenzintensität innerhalb der Schicht 1 abgestrahlt.
Infolge der teilweisen Totalreflexion des Fluoreszenzlichtes an den Begrenzungsflächen der Schicht (Übergang vom optisch dichteren Schichtmedium zum optisch dünneren Medium Luft) wird auch ein merklicher Anteil des Fluoreszenzlichtes auf die lichtempfindliche Photodiode 2 fallen. Wird von der Photodiode 2 ein Signal abgegeben, dann bedeutet dies, daß durch die angekoppelte Schicht ein Lichtstrahl hindurchge- treten ist. Ein Auswertegerät 4 registriert den Lichtstrahldurchgang. Das auf die Photodiode 2 auffallende Fluoreszenzlicht kann in seiner Intensität vergrößert werden, wenn die Begrenzungsflächen der Schicht 1, da wo der Lichtstrahl 3 nicht hindurch tritt, verspiegelt werden.
Fig. 2 zeigt, wie durch Nebeneinanderlegen mehrerer solcher Erfassungskomponenten 1/2 sich ein eindimensionales Ortsraster ergibt. Je nachdem, auf welche Erfassungskomponente 1/2 der Lichtstrahl 3 auftrifft, wird die entsprechende Photodiode 2 ein Signal abgeben, welches der Auswerteeinheit 4 zugeführt wird. Damit ist eine Koordinate für den Lichtstrahl auftreffpunkt bestimmt.
Die zweite Koordinate wird dadurch bestimmt, daß eine gleichartige Erfassungskomponentenanordnung in einer zweiten 0 Schicht B um 90 gedreht, direkt oder in einem bestimmten Abstand zur ersten Schicht A angebracht wird (Fig. 3). Der auftreffende Lichtstrahl 3 geht durch die Schicht A hindurch und die jeweils angeregte Photodiode 2 ist ein Maß für die y-Koordinate. Für die x-Koordinate wird in der Schicht B ein Signal erzeugt.
Eine Aussage über die z-Komponente, d.h. über die Richtung des Lichtstrahls 3 in Bezug auf die von den Schichten A + B aufgespannte Ebene erhält man, wenn eine dritte Schicht C und eie vierte Schicht D aufgespannt werden (vgl. Fig. 4).
Dabei ist Schicht C gleichsinnig wie Schicht A und Schicht D gleichsinnig wie Schicht B orientiert.
Vgl. Fig. 5 kann zwischen Schicht B und Schicht C ein endlicher Abstand d eingehalten werden, um die Auflösung für die z-Komponente zu vergrößern. Bei senkrechtem Auffall auf die von A + B aufgespannte Ebene muß der Lichtstrahl in der Schicht C durch die positionsgleiche Erfassungskomponente hindurchtreten, wie in der Schicht A. Entsprechendes gilt für Schicht B und C. Bei schrägem Auffall kann der Winkels (Abweichung vom senkrechten Auffall in y-Richtung) und Winkel 13 (Abweichung von dem senkrechten Auffall in x-Richtung) gemäß folgender Gleichungen berechnet werden.
x d = arc tg d d fest x Meßwert P = arc tag d y Meßwert d Bei einer Strahlverfolgung über einen längeren Weg können noch mehrere Schichten hintereinandergelegt werden. Die Begrenzung ist gegeben durch die Absorption in den einzelnen Schichten.
Die Größe (Abmaße) der Erfassungskomponenten und der Lichtstrahldurchmesser sind grundsätzlich frei wählbar, sie können speziellen Aufgaben angepaßt werden. Im Normalfall wird der zu vermessende Lichtstrahldurchmesser kleiner sein als die Breite einer Erfassungskomponente 1/2 - das wäre in den dargestellten Figuren für die schicht A die Ausdehnung in der x-Richtung-.Ist der Lichtstrahldurchmesser größer, dann werden mehrere Photodioden gleichzeitig angesprochen, so daß dann der Schwerpunkt des Strahles zu ermitteln ist. Die Ausdehnung der Erfassungskomponente 1/2 in Strahlrichtung - also die Richtung senkrecht zur x-y-Ebene - ist grundsätzlich frei wählbar und hat als zu beachtende Randbedingungen die Absorption und die geforderte Ortsauflösung in z-Richtung.
Die Absorption geht als Produkt c Schichtdicke ein (t = Absorptionskoeffizient, c = Konzentration). Es ist damit festzustellen, daß grundsätzlich für jede Ausdehnungsrichtung der Erfassungskomponente die Abmaße frei wählbar sind.
Eine mögliche Ausführungsform für eine sehr kleine Ausdehnung der Komponente in z-Richtung sei anhand der Fig. 6 beschrieben. Die Erfassungskomponente besteht dabei aus mehreren dünnen Folien 6 z.B. Polyvenylchlorid (dotiert mit Farbstoff durch Diffusion) und einer Dicke im Bereich.
Die Farbstoffkonzentration wird entsprechend hoch angesetzt.
Bei einer Schichtdicke von 90,u wird z.B. für eine Lichtstrahlwellenlänge von X - 531 nm eine Farbstoffkonzentration von c = 1 10 molar für Rhodamin 6G gewählt. Dabei ist jede Folie nur in einem schmalen Bereich 5 dotiert, der restliche Bereich bleibt trãnsparent. Die Folien werden dann so übereinander gelegt, daß die jeweils dotierten Bereiche aneinanderpassen, so daß eine vollständige Überdeckung der Meßfläche gegeben ist (Fig. 7). Entsprechend werden die um 900 verdrehten Folien 6 aufgebaut und mit den anderen zusammengefügt, so daß sich eine Anordnung wie in Fig. 8 ergibt. Die Anzahl der Folien 6, die Breite 5 der dotierten Bereiche, Abmaße von Folien und Farbstoffkonzentrationen, sowie die Farbstoffe und deren Konzentration sind frei wählbar und sind den jeweiligen Aufgaben anzupassen.
Die Auskopplung der in den Folien 6 erzeugten Fluoreszenzstrahlung kann direkt - durch Brechung - auf eine Photodiode 2 erfolgen, wobei die Folie 6 beliebig verdreht oder räumlich versetzt werden kann (vgl. Fig. 9a bis 9c). Die Auskopplung kann auch durch Glasprismen 7 erfolgen, welche auf die Folie 6 (im Bereich der Dotierung mit Farbstoff) aufgedrückt werden (Fig. 10).
Die Erfassungskomponenten - unabhängig davon, in welcher Bauform sie ausgeführt werden - können auch mit mehr als nur einem Farbstoff dotiert werden, wie es Fig. 11 zeigt. Oder es kann nach Fig. 12 auch jede Erfassungskomponente für sich mit unterschiedlichen Farbstoffen dotiert werden. Die Er- fassungskomponenten 1/2 werden dann entsprechend (lagenmäßig) hintereinander in Bezug auf die Lichtstrahleinfallrichtung angeordnet. In einer Anordnung nach Fig. 11 würde das bedeuten, an beiden Seiten der Erfassungskomponente eine Photodiode 2, die jeweils eine andere spektrale Empfindlichkeit hat (angepaßt an den jeweiligen Farbstoff) anzubringen.
In der Anordnung nach Fig. 12 erfolgt die Wellenlängentrennung/den unterschiedlichen Erfassungskomponenten 1/2, die ja nur für eine Wellenlänge empfindlich sind. Die in Bild 11 und 12 dargestellten Ausführungsformen-sind auch mit Folien realisierbar.
Grundsätzlich kann auch mit mehr als zwei Farbstoffen als Kombination gearbeitet werden, was auch bedeutet, daß mit mehr als zwei Wellenlängen gearbeitet werden kann.
Durch die Erfindung bieten sich folgende Vorteile: Es kann eine große lichtempfindliche Fläche erstellt werden. Der Lichtstrahl kann in seiner räumlichen Lage bestimmt werden.
Es können mehrere verschieden frequente Lichtstrahlen Verwendung finden und der Lichtstrahl steht nach der Positionsbestimmung - in seiner Intensität reduziert - weiter zur Verfügung.
Das ganze System ist modular aufgebaut und besteht nur aus zwei Komponenten, der lichtempfindlichen Erfassungskomponente 1/2 mit Photodiode 1 und einer Auswerteeinheit 4.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Erfassung der Position von Lichtstrahlen unter Verwendung lichtempfindlicher Halbleiter, aus deren jeweiliger Belichtung die Position des Lichtstrahls bestimmbar wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (3) durch eine mit Fluoreszenzfarbstoff dotierte lichtdurchlässige Erfassungskomponente (1/2) hindurch tritt, wobei ein in der Erfassungskomponente tal/2) absorbierter Intensitätsteil des Lichtstrahls (3) als innere Abstrahlung von einem seitlichen, den Lichtdurchtritt nicht behindernden lichtempfindlichen Halbleiter (2) als Lichtdurchgang erfaßt wird und daß aus dem Ansprechen verschiedener lichtempfindlicher Halbleiter (2) von nebeneinander angeordneten Erfassungskomponenten (1/2) in verschiedenen Ebenen die Position des Lichtstrahls (3) bestimmt wird.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß - Erfassungskomponenten (1/2) in Stab-, Streifen- oder Folienform Verwendung finden, die stirn- oder endseitig jeweils mit einer für das Fluoreszenzlicht empfindlichen Photodiode (2) in baulicher Einheit versehen sind, - mehrere der Erfassungskomponenten (1/2) in paralleler Längserstreckung insbesondere schmalseitig nebeneinander gelegt und zu einer größeren Fläche zusammengefaßt sind, - mehrere der zusammengefaßten Flächen übereinander in Schichten (A, B, C, D) angeordnet sind, wobei die Achsen der Längserstreckungen der Erfassungskomponenten (1/2) in den verschiedenen Schichten (A bis D) senkrecht zueinander stehen, - die Photodioden (2) mit einer Auswerteeinheit (4) verbunden sind, die aus den Signalen zweier Schichten (A, B) die flächenhafte Position des Lichtstrahls (3) und aus den flächenhaften Positionen weiterer Schichten (C, D) die räumliche Position bzw. den Verlauf des Lichtstrahls (3) bestimmt.
3.Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungskomponente (1/2) aus dotiertem Kunststoff oder Glas besteht, von dem die vom Lichtstrahl (3) durchdrungenen Flächen und die Stirnfläche zur Photodiode (2) unverspiegelt, dagegen alle anderen Flächen für die Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes verspiegelt sind.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungskomponente (1/2) nur teilweise in Bereichen freier Form und Abmessung dotiert sind.
5. Anordnung nach. den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierten Bereiche mit mehr als einem Fluoreszenzfarbstoff versehen sind.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungskomponenten (1/2) mit unterschiedlichen Farbstoffdotierungen räumlich übereinander angeordnet sind, so daß Lichtstrahlen (3) unterschiedlicher Wellenlänge in unterschiedlichen Erfassungskomponenten (1/2) absorbiert werden.
7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungskomponenten (1/2), die mit zwei Farbstoffen gleichzeitig dotiert sind, mit jeweils zwei Photodioden (2) versehen werden, die entsprechend der Maxima der beiden Fluoreszenzlichtverteilungen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungskomponenten (1/2) aus Folien (6) bestehen, die jeweils nur in einem schmalen Bereich (5) der Folie (6) mit Fluoreszenzfarbstoff dotiert sind, an dem sich auch die Photodiode (2) befindet, und daß der andere Folienbereich nicht dotiert ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (6) zu Erfassungskomponenten (1/2) geschichtet werden, wobei der schmale Bereich (5) pro Schicht so versetzt ist, daß insgesamt der gesamte Folienbereich dotiert erscheint.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auskopplung des Fluoreszenzlichtes zur Photodiode (2) hin, die direkte Brechung vorgesehen ist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auskopplung des Fluoreszenzlichtes zur Photodiode (2) hin, die Verwendung eines aufgesetzten Glasprismas (7) vorgesehen ist.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzfarbstoffe durch Diffusion in die Erfassungskomponenten (1/2) eingebracht sind.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzfarbstoffe in das noch flüssige Material für die Erfassungskomponenten (1/2) vor dem Erstarren zugefügt sind.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Erfassungskomponenten (1/2) räumlich nicht aneinander stoßen müssen, sondern dazwischen ein Abstand sein kann.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Lichtstrahlen, deren Durchmesser größer ist als die Breite einer Erfassungskomponente (1/2) oder als der dotierte Bereich einer Folie (6), aus den Intensitätssignalen der angesprochenen Photodioden (2) der Schwerpunkt des Lichtstrahles (3) bestimmt wird.