DE3511757A1

DE3511757A1 - Vorrichtung zur bestimmung der position eines eine lichtquelle aufweisenden positionsgebers

Info

Publication number: DE3511757A1
Application number: DE19853511757
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Heydenreich; Volker Dr Wittwer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1985-03-30
Filing date: 1985-03-30
Publication date: 1986-10-02

Description

Vorrichtung zur Bestimmung der Position
eines eine Lichtquelle aufweisenden Positionsgebers Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines eine Lichtquelle aufweisenden Positionsgebers mit einer Lichtempfängeranordnung, einer Auswerteeinrichtung und einer Anzeigevorrichtung.
Derartige Vorrichtungen gestatten das berührungslose Erfassen der Position eines Positionsgebers und werden in der Steuer- und Regelungstechnik häufig eingesetzt.
In der DE-PS 26 20 115 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie beschrieben, bei der ein Fluoreszenzkollektor verwendet wird, um mit Hilfe von Fluoreszenzzentren einfallendes Licht in Licht anderer Wellenlänge umzuwandeln und durch Mehrfachreflexion an den Begrenzungsflächen zu Solarzellen zu leiten, die entlang den Berandungen angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen kompakten Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtempfängeranordnung einen mit seiner Sammlerfläche zur Lichtquelle ausgerichteten Fluoreszenzkollektor aufweist, der an gegenüberliegenden Berandungsflächen mit Solarzellen bestückt ist, deren Ausgangssignale die Auswerteeinrichtung speisen, durch die die Position des bestrahlten Ortes auf der Sammlerfläche bestimmbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird somit ein Positionsgeber eingesetzt, der Strahlung emittiert oder Strahlung einer fremden Lichtquelle geeignet ablenkt und einen Fluoreszenzkollektor bestrahlt. Das an den verschiedenen Berandungsflächen des Fluoreszenzkollektors austretende Licht wird getrennt unter Einsatz von Solarzellen erfaßt, um daraus den Einstrahlungsort zu bestimmen.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Position eines entlang einer Gerade verschiebbaren Positionsgebers erfaßt, der somit als Wegmesser eingesetzt werden kann. Als Fluoreszenzkollektor kann ein runder Kollektorstab oder eine gestreckte rechteckige Platte verwendet werden. Aus dem Intensitätsverhältnis an den beiden Enden des gestreckten Fluoreszenzkollektors ergibt sich der Einstrahlort.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Fluoreszenzkollektor zur Realisierung eines Grafik-Tableaus verwendet, bei dem eine Zeichenstiftlampe oder ein Lichtgriffel verwendet wird, um im Fluoreszenzkollektor Fluoreszenzlicht zu erzeugen, das an allen vier Seitenflächen des Kollektors nachgewiesen wird. Die Seitenflächen können dabei durchgehend mit Solarzellen oder Photozellen bestückt sein. Zur Koordinatenbestimmung des Einstrahlortes werden die Intensitätsverhältnisse an gegenüberliegenden Seitenflächen ausgewertet. Da die Linien gleicher Intensitätsverhältnisse bei Annäherung an die Berandungen des Kollektors zunehmend von einer Geraden abweichen, ist es zweckmäßig, approximative Rechenmethoden heranzuziehen, um die Auflösung des Tableaus, insbesondere im Randbereich, zu erhöhen. Dies setzt ein rasterförmiges Ausmessen des Kollektors voraus. Eine einfachere Möglichkeit die Auflösung zu erhöhen besteht darin, lediglich einen inneren Ausschnitt des Fluoreszenzkollektors zu benutzen und den Randbereich mit einem Abdeckrahmen abzudecken.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung zur eindimensionalen Erfassung der Position eines Positionsgebers in einer perspektivischen Ansicht zusammen mit einer schematisierten Darstellung der Lichtquelle des Positionsgebers und einem Blockschaltbild für die Auswerteeinrichtung und Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zur zweidimensionalen Erfassung der Bewegung der Lichtquelle eines Positionsgebers in einer perspektivischen Darstellung zusammen mit einem Blockschaltbild für die Auswerteeinrichtung.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Koordinate eines Positionsgebers mit einer Lichtquelle 1 dargestellt. Der mit der Lichtquelle 1 versehene Positionsgeber ist in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Weise entlang einer Geraden verschiebbar oder um eine Achse verdrehbar, so daß der die Lichtquelle 1 verlassende Lichtstrahl 2 beim Auftreffen auf einen gestrecken plattenförmigen Fluoreszenzkollektor 3 eine Linie beschreibt. Der Fluoreszenzkollektor 3 besteht in an sich bekannter Weise aus einer transparenten Schicht, deren Brechungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist und die Fluoreszenzzentren enthält. Licht, das über die in Fig. 1 vorne gezeichnete Sammlerfläche 4 in den Fluoreszenzkollektor 3 eingestrahlt wird, erzeugt im Fluoreszenzkollektor eine Sekundärstrahlung, die sich innerhalb des einen flachen Lichtwellenleiter bildenden Fluoreszenzkollektors 3 nach allen Seiten ausbreitet.
An den beiden seitlichen Stirnflächen 5, 6 des Fluoreszenzkollektors 3 sind Solarzellen 7, 8 angeordnet, die das empfangene Sekundärlicht in einen elektrischen Strom umwandeln, dessen Höhe davon abhängig ist, wieviel Sekundärlicht eingefangen wird.
Wenn der EinstSahlungsort 9 des Lichtstrahls 2 in der Mitte zwischen den Solarzellen 7, 8 liegt, geben beide Solarzellen 7, 8 an den Eingang zugeordneter Stromverstärker 10, 11 den gleichen Meßstrom ab. Wandert der Einstrahlungsort 9, wie in Fig. 1 dargestellt, nach rechts in Richtung auf die Solarzelle 8 zu, so erhöht sich der in den Stromverstärker 10 eingespeiste Meßstrom, während der in den Verstärker 11 über die Solarzelle 7 eingespeiste Meßstrom kleiner wird. Das Verhältnis dieser beiden Meßströme ist der linearen Koordinate des Einstrahlungsortes 9 zugeordnet, wobei innerhalb eines gewissen Bereichs näherungsweise eine Linearität erreichbar ist.
Wie man in Fig. 1 erkennt, ist auf der Sammlerfläche 4 eine Schlitzblende 12 vorgesehen, durch die erreicht wird, daß der Einstrahlungsort innerhalb eines eng begrenzten Bereichs bleibt, da bei einer Annäherung des Einstrahlungsortes 9 an die in Fig. 1 oben dargestellte Seitenfläche 13 oder die in Fig. 1 unten dargestellte Seitenfläche 14 das Verhältnis der Solarzellenströme verändert würde.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Seitenflächen 13, 14 verspiegelt, um den Austritt von Licht und damit Lichtverluste zu vermeiden.
Die Lichtquelle 1 des Positionsgebers kann eine Leuchtdiode sein, die über einen Ansteuerverstärker 15 betrieben wird. Der Ansteuerverstärker 15 ist seinerseits mit einem Frequenzgenerator 16 verbunden, so daß die Lichtquelle 1 einen im Takt des Frequenzgenerators 16 modulierten Lichtstrahl 2 erzeugt. Auf diese Weise kann durch den Stromverstärkern 10, 11 nachgeschaltete Filter 17, 18 Fremdlicht, das in die Schlitzblende 12 einfällt, unwirksam gemacht werden.
Die über die Stromverstärker 10, 11 und die Filter 17, 18 verstärkten und gefilterten Signale der Solarzellen 7, 8 gelangen an die Eingänge 19, 20 eines Dividiergliedes 21, an dessen Ausgang 22 das Verhältnis der Solarzellensignale ansteht. Mit Hilfe einer Auswerteschaltung 23 und einem Festwertspeicher 24 werden den am Ausgang 22 anliegenden Signalverhältnissen lineare Koordinaten zugeordnet, die über eine Anzeigeeinrichtung 25 ausgegeben werden. Die Auswerteschaltung 23 kann eine Interpolationsschaltung erhalten, um unter Verwendung von im Festwertspeicher 24 gespeicherten Stützstellen auch Zwischenwerte zu bestimmen. Es ist aber auch möglich, die Auswerteschaltung 23 so auszubilden, daß in Abhängigkeit vom Wert des Signals am Ausgang 22 ein Korrekturfaktor aus dem Festwertspeicher 24 ausgelesen wird, der zur Umrechnung des Signals am Ausgang 22 in einen Koordinatenwert verwendet wird.
Während die in Fig. 1 dargestellte Anordnung lediglich eine einzige Koordinate zu erfassen gestattet, ist es mit der in Fig. 2 dargestellten Anordnung möglich, die Koordinaten innerhalb einer Ebene zu erfassen.
Entsprechend der eindimensionalen Vorrichtung gemäß Fig. 1 verfügt die zweidimensionale Vorrichtung gemäß Fig. 2 über einen Frequenzgenerator 16, der über einen Ansteuerverstärker 15 eine Lichtquelle 1 moduliert, die beispielsweise in einem Lichtgriffel 30 angeordnet ist und einen am vorderen Ende 31 des Lichtgriffels 30 austretenden Lichtstrahl 32 erzeugt, der am Einstrahlungsort 39 in einen plattenförmigen Fluoreszenzkollektor 43 eindringt und im Fluoreszenzkollektor 43 Sekundärlicht erzeugt, das infolge von Totalreflexionen bis zu Solarzellen 47, 57 geführt wird, in denen in Abhängigkeit von der Entfernung des Einstrahlortes 39 vom Fluoreszenzkollektorrand Meßströme erzeugt werden.
Wie man in Fig. 2 erkennt, ist die zweidimensionale Einrichtung in Gestalt eines Grafik-Tabletts ausgebildet, wobei die Sammlerfläche 44 des Fluoreszenzkollektors 43 die Abtastfläche bildet. Die Sammlerfläche 44 ist an ihrem Rand durch einen Abdeckrahmen 62 abgedeckt, wenn nur der innere Ausschnitt der Sammlerfläche 44 verwendet werden soll, für den die Ausgangssignale der Solarzellen 47, 57 mit größerer Genauigkeit erfaßt und ausgewertet werden können. Zum Rand des Fluoreszenzkollektors 43 ergeben sich nämlich erhebliche Verzerrungen, die sich am einfachsten vermeiden lassen, wenn der Randbereich nicht verwendet wird.
Wie man in Fig. 2 erkennt, sind mehrere Solarzellen 47 entlang der Seitenfläche 63 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden, in der Zeichnung nicht sichtbaren Seitenfläche 64 sind ebenfalls mehrere parallel geschaltete Solarzellen angeordnet. Das Verhältnis der Meßströme der auf den Seitenflächen 63 und 64 angeordneten Solarzellen ist ein Maß dafür, wo sich der Einstrahlungsort 39 zwischen den Seitenflächen 63 und 64 befindet. Hierdurch wird die erste Koordinate erfaßt.
Die Erfassung der zweiten Koordinate geschieht mit Hilfe der auf der Seitenfläche 65 angeordneten Solarzellen 57, denen auf der gegenüberliegenden Seitenfläche 66 mehrere parallel geschaltete, in der Zeichnung nicht sichtbare Solarzellen zugeordnet sind. Das Verhältnis der Meßströme der Solarzellen auf den Seitenflächen 65 und 66 erfaßt die zweite Koordinate.
Die für die Erfassung der ersten Koordinate erforderlichen Meßströme gelangen über Leitungen 70, 71 zu den Verstärkern 10 und 11, denen, wie im ersten Ausführungsbeispiel, Filter 17, 18 und ein Dividierglied 21 und eine Auswerteschaltung 23 zugeordnet sind.
Die Solarzellensignale für die zweite Koordinate gelangen über Leitungen 72, 73 zu Verstärkern 80 und 81, denen Filter 87 und 88 zugeordnet sind. Ein Dividierglied 91 liefert das Verhältnis der Signale auf den Leitungen 72 und 73, aus dem mit Hilfe einer Auswerteschaltung 93 die zweite Koordinate ermittelt wird. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist den Auswerteschaltungen 23 und 93 eine Anzeigeeinrichtung zugeordnet, die jeweils ein Koordinatenpaar anzeigt, das von der Lage des Einstrahlungsortes 39 abhängt.
Zur Interpolation und zur Korrektur von Verzerrungen im Bild der Geraden gleicher Abszissen oder gleichen Ordinaten ist ein Festwertspeicher 94 vorgesehen, der diejenigen geometrie- und aufbauabhängigen Informationen enthält, die zur Bestimmung korrekter Koordinaten aufgrund der an den Ausgängen der Dividierglieder 21 und 91 liegenden Signale erforderlich sind. Diese Daten können beispielsweise experimentell durch Eichmessungen bestimmt werden, wobei für jeden möglichen Einstrahlungsort 39 auf der Sammlerfläche 44 im Festwertspeicher 94 ein Wertepaar gespeichert wird, das die den beiden Koordinaten zugeordneten Signalverhältnisse wiedergibt. Nach dem Eichvorgang kann dann aufgrund vorliegender Signalverhältnisse der Inhalt des Festwertspeichers 94 als Tabelle (Look-Up-Table) verwendet werden, um den Signalverhältnissen an den Ausgängen der Dividierglieder 21, 91 ein Koordinatenpaar zuzuordnen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, im Festwertspeicher 94 Linien gleicher Abszissen Werte und Linien gleicher Ordinatenwerte abzuspeichern und mit Hilfe von Iterationsverfahren ausgehend von gemessenen Signalverhältnissen die zugeordneten Koordinatenpaare zu berechnen.
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Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines eine Lichtquelle aufweisenden Positionsgebers PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines eine Lichtquelle aufweisenden Positionsgebers mit einer Lichtempfängeranordnung, einer Auswerteeinrichtung und einer Anzeigevorrichtung, dadurch gek e n n z e i c h n e t, daß die Lichtempfängeranordnung einen mit seiner Sammlerfläche (4, 44) zur Lichtquelle (1) ausgerichteten Fluoreszenzkollektor (3, 43) aufweist, der an gegenüberliegenden Berandungsflächen (5, 6, 63 bis 66Y mit Solarzellen (6, 7, 47, 57) bestückt ist, deren Ausgangssignale die Auswerteeinrichtung speisen, durch die die Position des bestrahlten Ortes (9, 39) auf der Sammlerfläche (4, 44) bestimmbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k en nzei chn et , daß der Fluoreszenzkollektor (3, 43) ein mit einem in Längsrichtung geschlitzten Abschirmmantel versehener runder Kollektorstab ist und das Licht des in Längsrichtung verschiebbaren Positionsgebers auf den Schlitz im Abschirmmantel ausgerichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gek enn ze ichn et , daß der Fluoreszenzkollektor (3) eine gestreckte rechteckförmige Platte ist, die auf der zum Positionsgeber weisenden Sammlerfläche (4) mit einer in Längsrichtung verlaufenden Schlitzblende (12) versehen ist, entlang der der Einstrahlungsort (9) des Lichtes des Positionsgebers verschiebbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, da durch ge k ennz eich n et , daß die gestreckten Seitenflächen (13, 14) des plattenförmigen Fluoreszenzkollektors (3) verspiegelt sind und die Solarzellen (7, 8) auf den Stirnflächen (S, 6) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch geke n nzei chnet , daß der Fluoreszenzkollektor (43) eine rechteckförmige Platte ist, die an allen vier Seitenflächen (63, 64, 65, 66) mit Solarzellen (47, 57) versehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gek e n n z e i c h n e t , daß auf einer Seitenfläche (63 bis 66) mehrere elektrisch parallel geschaltete Solarzellen (47, 57) angeordnet sind.
7. Vorrichtung'nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h gek ennze ichnet , daß die an gegenüberliegenden Seitenflächen (5, 6; 63, 64; 65, 66) angeordneten Solarzellen (7, 8, 47, 57) über Verstärker (10, 11, 80, 81) mit einem Dividierglied (21, 91) verbunden sind, dessen Ausgangssignal der Position des Einstrahlortes (9, 39) der Lichtquelle (1) zwischen den Seitenflächen (5, 6, 63 bis 66) zugeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gek e nnze ichnet , daß zur Erfassung zweier Koordinaten zwei Dividierglieder (21, 91) mit zugeordneten Solarzellen (47, 57) vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) des Positionsgebers mit einer Frequenz amplitudenmoduliert ist und den Verstärkern (10, 11, 80, 91) Filter (17, 18, 87, 88) mit der gleichen Frequenz zugeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auswerteeinrichtung eine Auswerteschaltung (23, 93) mit einem Festwertspeicher (24, 94) aufweist, mit dessen Hilfe die Signalverhältnisse zwischen den Ausgangssignalen (19, 20; 70, 71; 72, 73) gegenüberliegender Solarzellen in Koordinaten umrechenbar sind.