DE3543787A1 - Messanordnung zur bestimmung des einfallswinkels von licht - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Bestimmung des Einfallswinkels von Licht auf einen positionsempfindlichen Lichtempfänger, der eine vom Einfallswinkel abhängige elektrische Größe erzeugt.

Bei einer bekannten Meßanordnung dieser Art ("Qualitätstechnik" 30 (1985) Heft 7, Seiten 205 und 206) wird über die Bestimmung des Einfallswinkels von Licht eine Abstandsänderung eines Objektes von einer Lichtquelle erfaßt. Die bekannte Meßanordnung enthält zu diesem Zwecke, der Lichtquelle nachgeordnet eine erste Optik, mit der ein gebündelter Lichtstrahl erzeugt wird. Dieser gebündelte Lichtstrahl trifft auf das Objekt und wird von dessen Oberfläche als Licht auf eine Sammeloptik reflektiert. In dieser Sammeloptik wird das reflektierte Licht gesammelt und auf einen positionsempfindlichen Lichtempfänger geleitet. Ändert sich bei der bekannten Meßanordnung der Abstand des Objektes von der Lichtquelle, dann führt dies zu einer Änderung des Einfallswinkels des Lichtes in die Sammeloptik und damit zu einem anderen Auftreffpunkt des die Sammeloptik verlassenden Lichtstrahles auf dem positionsempfindlichen Lichtempfänger. An dem positionsempfindlichen Lichtempfänger ist eine Meßelektronik angeschlossen, in der aus den unterschiedlichen Positionen des Lichtstrahls auf dem Empfänger eine Meßgröße ermittelt wird, die der Abstandsänderung proportional ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zur Bestimmung des Einfallswinkels von Licht auf einen positionsempfindlichen Lichtempfänger anzugeben, die sich mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält bei einer Meßanordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß der Lichtempfänger in Einfallsrichtung des Lichtes hinter einer Blende eine Einrichtung mit zwei parallel zur Blende und parallel zueinander angeordneten Fluoreszensplatten, die jeweils zumindest an zwei einander gegenüber liegenden Seitenflächen jeweils eine Fotodetektor-Einrichtung tragen; den Fotodetektor-Einrichtungen ist eine elektronische Auswerteschaltung nachgeordnet, die eine dem Einfallswinkel des Lichtes entsprechende Meßgröße erzeugt.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht darin, daß sie - auch bei diffusem Licht - ohne eine Sammeloptik vor dem Lichtempfänger auskommt, wodurch der Herstellungsaufwand vergleichsweise gering wird. Dazu trägt in vorteilhafter Weise auch bei, daß infolge Fortfalls der Sammeloptik aufwendige Justierarbeiten bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Meßanordnung unterbleiben können. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung wird darin gesehen, daß sie infolge der Verwendung von Fluoreszenzplatten für den Lichtempfänger verhältnismäßig großflächig ohne besonderen zusätzlichen Aufwand ausgeführt sein kann, was bei dem bekannten positionsempfindlichen Lichtempfänger nicht der Fall ist. Es kann somit mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung auch ein relativ großer Bereich des Einfallswinkels erfaßt werden.

Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Fluoreszenzplatte ein plattenförmiger, fluoreszierende Moleküle enthaltender Lichtkonzentrator verstanden, wie er beispielsweise in der DE-OS 26 20 115 beschrieben ist. Auf die Fluoreszenzplatte auftreffendes Licht regt fluoreszierende Moleküle zur Fluoreszenz an. Das Fluoreszenlicht wird in der Fluoreszenzplatte zu den Seitenflächen hin durch Totalreflexion übertragen. Das übertragene Licht wird an den Seitenflächen mittels Fotodetektor-Einrichtungen erfaßt.

Bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung können an den Seitenflächen jeder Fluoreszenzplatte einander gegenüberliegend nur jeweils zwei Fotodetektor-Einrichtungen vorhanden sein. Bei einer derartigen Ausstattung der Fluoreszenzplatte ist die Schwerpunktkoordinate des einfallenden diffusen Lichts in einer Dimension bestimmbar. Dies ist zur Erfassung des Einfallswinkels dann ausreichend, wenn eine Änderung des Einfallswinkels nur in einer Ebene ermittelt werden soll.

Ist dagegen beabsichtigt, den Einfallswinkel als Raumwinkel zu ermitteln, dann ist jede Fluoreszenzplatte an jeder ihrer Seitenflächen mit einer Fotodetektor-Einrichtung zu versehen, mit der dann in einfacher Weise der Ort des Fleckes des einfallenden diffusen Lichts in karthesischen Koordinaten bestimmbar ist.

Zur Ausgestaltung der Fotodetektor-Einrichtungen wird auf die parallele Patentanmeldung P (VPA 85 P 4 447 DE) verwiesen, in der diesbezüglich die verschiedenen vorteilhaften Ausführungsformen im einzelnen dargelegt sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht in ihrer Anwendung zur Abstandsmessung eines Objektes, indem dem Lichtempfänger eine einen gebündelten Lichtstrahl auf das Objekt sendende Lichtquelle räumlich fest zugeordnet ist. Der besondere Vorteil der Anwendung der erfindungsgemäßen Meßanordnung zur Abstandsmessung besteht darin, daß mit ihr ohne jede Sammeloptik eine genaue Messung von Abstandsänderungen des Objektes zu der räumlich fest angeordneten Lichtquelle möglich ist. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, daß eine Messung auch des Abstandes des Objektes von der Lichtquelle bzw. vom Lichtempfänger möglich ist.

Besonders einfach hinsichtlich der Auswertung ist die Anwendung der Meßanordnung dann, wenn die Lichtquelle derart angeordnet ist, daß der von ihr ausgesendete, gebündelte Lichtstrahl im rechten Winkel zur Ebene der Blende verläuft.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßanordnung in einer Anwendung zur Abstandsmessung eines Objektes dargestellt.

Die gezeigte Meßanordnung enthält einen Lichtempfänger 1, der auf der einem Objekt 2 zugewandten Seite eine Blende 3 mit einer Öffnung 4 aufweist. Dem Lichtempfänger 1 ist räumlich fest eine Lichtquelle 5 zugeordnet, die eine Optik enthält, von der ein gebündelter Lichtstrahl 6 zu dem Objekt 2 gesandt wird.

Von dem Objekt 2, das sich zunächst in der ausgezogen gezeichneten Position befinden soll, wird aufgrund einer gewissen Rauheit seiner Oberfläche 7 diffuses Licht 8 in Richtung auf den Lichtempfänger 1 reflektiert. Das diffuse Licht 8 tritt durch die Öffnung 4 der Blende 3 hindurch und fällt zunächst auf eine Fluoreszenzplatte 9, die in einer Ebene parallel zur Ebene der Blende 3 angeordnet ist. Ein Teil des diffusen Lichtes 8 dringt durch eine Fluoreszenzplatte 9 hindurch und fällt auf eine weitere Fluoreszenzplatte 10, die in Einfallsrichtung des diffusen Lichtes 8 hinter der einen Fluoreszenzplatte 9 und in einer Ebene parallel zur Ebene der Fluoreszenzplatte 9 liegt.

Die eine Fluoreszenzplatte 9 ist auf einander gegenüberliegenden Seiten 11 und 12 mit jeweils einer Fotodetektor- Einrichtung 13 und 14 versehen. Entsprechend ist die weitere Fluroeszenzplatte 10 auf einander gegenüberliegenden Seiten mit einer Fotodetektor-Einrichtung 15 und einer weiteren Fotodetektor-Einrichtung 16 versehen. Die elektrischen Anschlüsse aller Fotodetektor- Einrichtungen 13 bis 16 sind mit einer Auswerteschaltung 17 verbunden.

Die dargestellte Meßanordnung arbeitet in folgender Weise:

Wird von der Lichtquelle 5 der gebündelte Lichtstrahl 6 auf die Oberfläche 7 des Objektes 2 gesandt, dann tritt ein Schwerpunktstrahl 18 des reflektierten, diffusen Lichtes 8 im Punkte A in die eine Fuoreszenzplatte 9 ein. Der Ort A wird mittels der Fotodetektor-Einrichtungen 13 und 14 dieser Fluoreszenzplatte 9 in der Auswerteschaltung 17 über die ihr zugeleiteten elektrischen Signale ermittelt. Der Schwerpunktstrahl 18 fällt im Punkte B auch auf die weitere Fluoreszenzplatte 10; der Ort B wird in entsprechender Weise mittels der Fotodetektor-Einrichtungen 15 und 16 in der Auswerteschaltung 17 ermittelt, die diesbezüglich so aufgebaut sein kann, wie es in der bereits erwähnten Parallelanmeldung im einzelnen beschrieben ist. In der Auswerteschaltung 17 wird aus den aufgenommenen elektrischen Meßwerten eine Größe Δ x ermittelt, die der Differenz der Punkte A und B auf den Fluoreszenzplatten 9 und 10 entspricht. Da die beiden Fluoreszenzplatten 9 und 10 in einem festen Abstand a angeordnet sind, läßt sich in der Auswerteschaltung ohne weiteres über die Beziehung der Winkel ϕ bestimmen, der ein Maß für den Einfallswinkel des diffusen Lichtes 8 darstellt.

Ist die Lichtquelle 6 - wie es im dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall ist - räumlich fest dem Lichtempfänger 1 zugeordnet und zwar so, daß der von der Lichtquelle 5 abgegebene gebündelte Lichtstrahl 6 senkrecht zur Ebene der Blende 3 bzw. der Fluoreszenzplatten 9 und 10 verläuft, dann läßt sich mit der dargestellten Meßanordnung auch der Abstand s des Meßobjektes 2 vom Lichtempfänger 1 bestimmen. Ist nämlich der Abstand h bekannt, dann ist der Abstand s durch die Beziehung bestimmt

Aus den Beziehungen 1 und 2 ergibt sich, daß in der Auswerteschaltung 17 nach Bestimmung von Δ x lediglich noch die Rechenoperation gemäß Gleichung (2) durchgeführt werden muß, um den Abstand s eines Objektes 2 von einem Lichtempfänger 1 bzw. einer Lichtquelle 5 ermitteln zu können. Eine entsprechende Meßgröße ist dann am Ausgang 19 der Auswerteschaltung 17 abnehmbar.

Mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist ferner eine Abstandsänderung eines Objektes zu einer Lichtquelle 5 oder einem Lichtempfänger 1 ermittelbar. Hat sich beispielsweise das Objekt 2 in die in der Figur strichliert angezeichnete Lage bewegt, dann wird von der Oberfläche 7 des Meßobjektes 2 diffuses Licht in einer Weise auf die Fluoreszenzplatten 9 und 10 des Lichtempfängers 1 gelenkt, wie dies in der Figur durch die strichlierten Strahlen wiedergegeben ist. Ein Schwerpunktstrahl 20 des diffusen Lichtes 21 tritt dann zwar wieder im Punkte A in die Fluoreszenzplatte 9 ein, fällt jedoch im Punkte C auf die weitere Fluoreszenzplatte 10. Es ergibt sich dann ein anderes Δ x und damit ein anderer Abstand s des Objektes 2 vom Lichtempfänger 1. Durch Differenzbildung der unterschiedlichen gemessenen Abstände s in der Auswerteschaltung 17 entsprechend den elektrischen Größen kann dann am Ausgang 19 eine Meßgröße erzeugt werden, die der Abstandsänderung proportional ist.

Claims (3)

1. Meßanordnung zur Bestimmung des Einfallswinkels von Licht auf einen positionsempfindlichen Lichtempfänger, der eine vom Einfallswinkel abhängige elektrische Größe erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (1) in Einfallsrichtung des Lichtes (8) hinter einer Blende (3) eine Einrichtung mit zwei parallel zur Blende (3) und parallel zueinander angeordneten Fluoreszenzplatten (9, 10) enthält, die jeweils zumindest an zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen (11, 12) jeweils eine Fotodetektor-Einrichtung (12, 13; 15, 16) tragen, und daß den Fotodetektor-Einrichtungen (12, 13; 15, 16) eine elektronische Auswerteschaltung (17) nachgeordnet ist, die eine dem Einfallswinkel des Lichtes (8) entsprechende Meßgröße abgibt.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Anwendung zur Abstandsmessung eines Objektes (2), indem dem Lichtempfänger (1) eine einen gebündelten Lichtstrahl (6) auf das Objekt (2) sendende Lichtquelle (5) räumlich fest zugeordnet ist.

3. Anwendung der Meßanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) derart angeordnet ist, daß der von ihr ausgesendete, gebündelte Lichtstrahl (6) im rechten Winkel zur Ebene der Blende (3) verläuft.