DE3643842C2 - Anordnung zur berührungslosen Bestimmung der räumlichen Lage eines auf der Oberfläche eines Körpers befindlichen Objektpunkts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Aus der DE 34 41 498 A1 ist ein Verfahren zur mehrdimensionalen Erfassung der Lage eines oder mehrerer Lichtstrahlen bekannt. Der Lichtstrahl tritt durch eine mit Fluoreszenzfarbstoff dotierte Erfassungskomponente hindurch, wobei ein in der Erfassungskomponente absorbierter Intensitätsteil des Lichtstrahls als innere Abstrahlung von einem seitlich angeordneten lichtempfindlichen Halblei­ ter erfaßt wird. Aus dem Ansprechen verschiedener lichtempfindlicher Halblei­ ter von nebeneinander angeordneten Erfassungskomponenten wird in verschiede­ nen Ebenen die Position des Lichtstrahls bestimmt.

Aus der DE 29 06 641 A1 ist ein Verfahren zur optisch-elektronischen Messung des Abstands zwischen einer Meßeinrichtung und einem Prüfling bekannt. Zur Abstands- bzw. Positionsmessung wird mittels einer Lichtquelle auf einem Objektpunkt ein Lichtfleck erzeugt. Dieser Lichtfleck wird auf photosensitive Elemente unter Nutzung eines Linsensystems abgebildet.

Durch die DE-OS 29 41 053 ist eine lichtstrommodulierende optoelektronische Wegemeßvorrichtung bekannt, bei der zur Messung diffuses Licht verwendet wird, das durch trübes, lichtdurchlässiges Material erzeugt wird, welches vor den lichtempfindlichen Sensoren angeordnet ist. Mit Hilfe eines solchen Diffuslicht- Vorhangs, in den das Meßobjekt eintaucht, wird die Position des Meßobjekts in diesem Bereich festgestellt.

Bei diesem einachsigen Wegmeßsystem dient das trübe, lichtdurchlässige Mate­ rial dazu, die Gleichmäßigkeit der Empfindlichkeit sicherzustellen, das heißt, die Unterschiede der verschiedenen Sende- und Empfangslichtbausteine zu kom­ pensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu finden, die ohne Abschattungsprobleme und mit einem Geringstmaß an kon­ struktivem und zeitlichem Aufwand die direkte dreiachsige Messung der Koor­ dinaten von Punkten einer Objektoberfläche auf berührungslosem Weg ermög­ licht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen, die einige Ausführungsbeispiele optischer Systeme zur Abbildung eines Objektpunkts in ein optisch trübes Medium schematisch veranschaulichen, erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Vorderansicht eines optischen Empfangssystems zur Abbildung eines Objektpunktes bzw. einer Marke in ein optisch trübes Medium, welches den Bildraum ganz oder teilweise ausfüllt,

Fig. 2 die Seitenansicht des Systems nach Fig. 1,

Fig. 3 die Draufsicht des Systems nach Fig. 1,

Fig. 4 eine optisches Sende-/Empfangssystem zur räumlichen Lagebestimmung durch Abbildung eines Objektpunktes bzw. einer Marke in ein optisch trübes Medium, welches den Bildraum ganz oder teilweise ausfüllt, sowie eine mögliche Photodetektoren-Anordnung,

Fig. 5 eine Photodetektoren-Array in Prinzipdarstellung.

In der Prinzipdarstellung gemäß den Fig. 1 bis 3 ist mit 1 das das optisch trübe Medium 2 mit geeignetem Transmissions- und Streuverhalten enthaltende Gehäuse bezeichnet, im Bereich dessen Oberseite eine Abbildungsoptik 3 in Form einer Sammellinse angebracht ist. Der neben der optischen Achse 5 der Abbildungsoptik liegende Objektpunkt 6 wird mittels der Optik 3 in das den Bildraum 4 ganz oder teilweise auffüllende trübe Medium 2 abgebildet, wo­ durch der Bildpunkt 6′ erhalten wird.

In diesen Figuren ist auch die Lage des Objektpunkts 6 und der Bildpunkts 6′ koordinatenmäßig erfaßt. Dabei ist mit x₀ der Abstand des Objektpunkts 6 von der optischen Achse 5 in x-Richtung, mit y₀ der Abstand des Objektpunkts 6 von der optischen Achse in y-Richtung und mit z₀ der objektseitige Abstand des Objektpunkts 6 von der Hauptebene 7 der Optik bezeichnet. Die entspre­ chenden Abstände des Bildpunkts 6′ sind _B, _B und _B.

Die Koordinaten _B, _B, und _B des Bildpunkts 6′ werden über den Verlauf des Streu- und Transmissionsverhaltens der Lichtausbreitung im trüben Medium 2 mittels photosensitiver Elemente am Rand oder in Randnähe des trüben Medi­ ums erfaßt und zur Auswertung gebracht.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der auf einem Prüflingskörper 8 befindliche Objektpunkt durch eine Marke 9 verkörpert, wobei die Marke 9 auch auf die Oberfläche des Prüflingskörpers projiziert sein kann.

Die Marke 9 wird mittels der aus der Lichtquelle 10 und der Sammellinse 3 gebildeten optischen Baugruppe innerhalb des optischen trüben Mediums 2 abgebildet. Durch diese Abb. 9′ der Marke 9 liegt am Abbildungsort 9′ ein Streuzentrum vor. Die von diesem Zentrum ausgehende Lichtstrahlung wird mit Hilfe eines oder mehrerer photosensitiver Elemente bzw. Photodetektoren 11 in ein elektrisches Signal 12 umgewandelt, das gegebenenfalls über einen Ver­ stärker 13 einer Schaltungsanordnung 14 zugeführt und in dieser ausgewertet wird.

Die Photodetektoren 11 können aus einem Element oder, wie Fig. 5 zeigt, aus mehreren Elementen bestehen.

Claims (9)

1. Anordnung zur berührungslosen Bestimmung der räumlichen Lage eines optisch wirksamen Bereichs im Innern eines optisch trüben, ein Streu- und Transmissionsverhalten aufweisenden Mediums, wobei dieser Bereich mittels einer Lichtquelle erzeugt ist und räumlich nach drei Koordinaten mittels mindestens eines photosensitiven Elementes erfaßt und in einer Auswerte­ schaltung verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch wirk­ same Bereich eine in das Innere des Mediums mittels einer Abbildungsoptik (3) projizierte Abbildung (6′, 9) eines Punktes der Oberfläche eines Körpers ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Punkt eine Marke (9) ist.

3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optisch trübe Medium (2) mit der Abbildungsoptik eine Baueinheit bildet.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die als Photodetektoren (11) ausgebildeten photosensitiven Ele­ mente den Helligkeitsverlauf im optisch trüben Medium (2) in der Nähe der Grenzschicht in elektrische Signale umwandeln, die mittels einer elektroni­ schen Rechenschaltung auswertbar sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Photodetektoren (11), daß mit deren elektrischen Signalen eine Diffe­ renzschaltung zur Signalauswertung benutzbar ist.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtverteilung der Abbildung im optisch trüben Medium (2) nicht direkt an der Berandung mittels photosensitiver Elemente ausgewertet, sondern über Lichtleiter einem Lichtchopper zugeführt wird, wobei auf der den Lichtleitern abgewandten Seite nur ein Photodetektor positioniert ist und dieser über eine Öffnung sequentiell mit den Signalen der Lichtleiter beauf­ schlagt wird.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optisch trübe Medium (2) ein Festkörper, eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Mischform hiervon ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle (10) im sichtbaren oder unsichtbaren Wellen­ längenbereich emittiert.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optisch trübe Medium (2) mattiert und/oder optisch poliert ist und an seinen Grenzflächen oder im Medium eingearbeitete Photodetek­ toren (11) besitzt.