Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der
Verschiebung, und insbesondere eine neue und verbesserte
faseroptische Vorrichtung zum Messen der Verschiebung mit der
Möglichkeit zu einem stark vergrößerten Arbeitsabstand und
Meßbereich.
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Faseroptische Vorrichtungen zum Messen der Verschiebung,
die ein gegabeltes Faserbündel in Kombination mit einer
Lichtquelle sowie einen Photodetektor oder einen anderen
geeigneten Lichtempfänger zum Messen von Verschiebungen
verwenden, sind bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist im
US-Patent Nr. 3,327,584 von Kissinger beschrieben und
umfaßt ein Faserbündel, das an einem Ende in getrennte Arme
geteilt ist. Ein Arm enthält Übertragungsfasern, und der
andere Arm enthält Empfangsfasern. Das andere bzw.
gemeinsame Ende enthält ein gemeinsames Bündel von Übertragungs-
und Empfangsfasern. Wenn die Vorrichtung so angeordnet ist,
daß die Vorderseite des gemeinsamen Endes des Faserbündels
dicht an einem reflektierenden Target liegt, trifft das von
den Übertragungsfasern kommende Licht auf das Target und
wird zu den Empfangsfasern zurückreflektiert, von wo es zu
einem Lichtsensor oder einem anderen Lichtempfänger
geleitet wird. Die Menge des reflektierten Lichtes wird mit dem
Abstand zwischen der Endfläche der Fasern in dem
gemeinsamen Bündel und der Oberfläche des Target in Beziehung
gesetzt sowie mit dem Durchmesser der Fasern, der numerischen
Apertur der Fasern, der geometrischen Verteilung der
Übertragungs- und Empfangsfasern, der Gesamtzahl von Fasern,
und mit dem Reflexionsvermögen der Targetoberfläche. Wenn
also der Zwischenraum zwischen dem Bündel und dem Target
immer größer wird, ausgehend von einer Position des
direkten Kontakts der Endfläche des Bündels mit der
Oberfläche des Target, treffen immer größere Mengen Licht auf
die Empfangsfasern in einem im wesentlichen linearen
Verhältnis zur Verschiebung des Target. Die Menge des
reflektierten Lichtes erreicht ein Maximum und nimmt dann aber
ab, sobald die Endfläche des Bündels und das Target um mehr
als etwa 127 um auseinanderliegen.
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Verbesserungen gegenüber Vorrichtungen der eben
beschriebenen Art sind auch im stand der Technik bekannt. Die im US-
Patent Nr. 3,940,608 von Kissinger et al. beschriebene
Vorrichtung umfaßt einen Sensorkopf mit einem Paar
Projektionslinsen, die so angeordnet sind, daß die Endfläche des
gemeinsamen Bündels an ein Ende der Linse angrenzt, während
das andere Ende der Linse neben dem Objekt positioniert
sein kann, dessen Verschiebung ermittelt werden soll. In
einem vorgegebenen Abstand von dem Target erzeugt die Linse
das Bild der Endfläche des gemeinsamen Bündels auf dem
Objekt und wirft dieses Bild zurück auf die Endfläche, so daß
das von den zu der Lichtquelle gehörigen Fasern übertragene
Licht zu sich selbst zurückgeschickt wird. Genau in diesem
Abstand, der als Bildbrennpunkt bekannt ist, hat die
relative Stärke des von dem Sensor erfaßten Lichtes ein
deutliches Minimum, da das Licht auf die übertragungsfasern und
nicht auf die Empfangsfasern zurückreflektiert wird. Wenn
das Objekt bis zu einem Punkt diesseits oder jenseits des
Bildbrennpunktes verschoben wird, wird das auf die
Endfläche zurückreflektierte Bild defokussiert, so daß von dem
übertragenen Licht mehr auf die Empfangsfasern reflektiert
und zu der Lichtempfangseinrichtung übertragen wird, um ein
Ausgangssignal zu erzeugen, das die Target-Verschiebung
angibt.
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Der mit dem Patent Nr. 3,940,608 erreichte Vorteil liegt in
einer Vergrößerung des Arbeitsabstandes (der Abstand
zwischen dem Sensorkopf und der zu messenden Oberfläche) um
einen Faktor von etwa 100, d. h. von Hundersteln eines
Millimeters bis zu Millimetern. Außerdem erkennt das Patent
Nr. 3,940,608, daß durch Einstellen des Zwischenraumes
zwischen dem Ende der Faser und der Linse der Arbeitsabstand
wirksam verändert werden kann. Trotz der Änderung des
Arbeitsabstandes bleiben jedoch für eine bestimmte
Linsenanordnung die Empfindlichkeit und der Dynamikbereich der im
Patent Nr. 3,940,608 gezeigten Anordnung im wesentlichen
konstant.
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Darüberhinaus ist die im Patent Nr. 3,940,608 erläuterte
Vorrichtung ein hochempfindliches Meßgerät, das
möglicherweise nur begrenzt einsetzbar ist zur Messung einer
Verschiebung gegenüber einer Oberfläche, die Verunreinigungen
unterworfen ist, die das Reflexionsvermögen der
Targetoberfläche beeinträchtigen. Wenn beispielsweise eine Platte mit
der hochempfindlichen Vorrichtung gemäß dem Patent Nr.
3,940,608 gemessen wird, kann eine relativ geringe Menge
Schmutz zu einem falschen Meßwert führen, weil nur ein
relativ kleiner Punkt eines gebündelten Lichtstrahls auf die
Targetoberfläche auftrifft.
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Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber
der Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen nach dem
Patent Nr. 3,940,608, da sie das Messen von Verschiebungen in
wesentlich größeren Arbeitsabständen von einem Target und
in wesentlich größeren Dynamikbereichen ermöglicht.
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Außerdem kann die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen eingestellt
werden, was die Wahrscheinlichkeit falscher Meßwerte infolge
einer Verschmutzung der Targetoberfläche in den Fällen
einschränkt, in denen eine solche Verunreinigung möglich ist.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der
Verschiebung eines Objektes, die eine faseroptische Leitung
umfaßt, wie sie allgemein im US-Patent Nr. 3,940,608 von
Kissinger et al. gezeigt und beschrieben ist. Der
Sensorkopf von Kissinger et al. wird durch einen verbesserten
Sensorkopf gemäß der Erfindung ersetzt.
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Der Sensorkopf im Patent Nr. 3,940,608 verwendet Rücken-an-
Rücken angeordnete Projektionslinsen, die ein Objektiv
bilden, das relativ unempfindlich ist bezüglich der Position
der Faser gegenüber dem Objektiv, und das einen Lichtpunkt
erzeugt, der bei allen Sensorpositionen (bei einem
bestimmten Objektiv) im wesentlichen gleich groß ist. Gemäß der
Erfindung werden die Rücken-an-Rücken angeordneten Linsen
von Kissinger et al. durch eine einzige Fokussierlinse
ersetzt, die in der Lage ist, das Bild des Endes der
Faserleitung auf unendlich einzustellen, und es ist eine
Einrichtung angegeben, mit der die Faser in bezug auf die
Linse so angeordnet wird, daß die Position der Faser in
bezug auf die Linse verändert werden kann. Bei Verwendung
einer einzigen Fokussierlinse und nicht einer Rücken an
Rükken angeordneten Linsenanordnung gemäß dem Patent Nr.
3,940,608 kann der Benutzer die generelle Form der
Ansprechkennlinie dem jeweiligen Anwendungszweck anpassen,
indem er lediglich den Abstand zwischen dem Ende der Faser
und der Linse einstellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die kurze Zusammenfassung oben sowie weitere Aufgaben und
Vorteile der Erfindung sind anhand der folgenden
ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden
Zeichnung am besten zu verstehen. Darin zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer faseroptischen
Vorrichtung zum Messen der Verschiebung von der
Art, um die es bei der Erfindung geht;
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Fig. 2 eine graphische Darstellung der Ansprechkennlinie
einer bekannten Vorrichtung;
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Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Sensorkopfes
gemäß der Erfindung;
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Fig. 4 eine graphische Darstellung von drei
Ansprechkennlinien, die der Sensorkopf von Fig. 3 erzeugt; und
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Fig. 5 eine graphische Darstellung der gemäß der Erfindung
mit dem auf unendlich eingestellten Objektiv
erzeugten Ansprechkennlinie.
Ausführliche Beschreibung
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In Fig. 1 ist die Meßvorrichtung dargestellt, mit der die
Erfindung verwendet werden soll. Die Vorrichtung ist im
Kissinger-Patent '608 dargestellt und umfaßt eine
glasfaseroptische Leitung 10 von allgemein Y-förmiger
Konfiguration. Die Endfläche 12 von einem Arm 14 der faseroptischen
Leitung 10 ist im Bereich einer geeigneten Lichtquelle 20
angeordnet, und die Endfläche 18 des anderen Armes 16 ist
im Bereich eines Photosensor oder eines anderen geeigneten
Lichtempfängers 22 angeordnet, der das von der Lichtquelle
20 übertragene Licht empfängt. Die Leitungsarme 14 und 16
bilden ein gemeinsames Bündel 23 lichtleitender Fasern am
Fuß das Y, das an einem Ende eines Sensorkopfes 24
befestigt ist, dessen anderes oder Arbeitsende 26 im Bereich
der Oberfläche eines Objektes 30 positioniert werden kann,
dessen Verschiebung oder Position ermittelt werden soll.
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Die Ansprechkennlinie der relativen Lichtstärke des Systems
nach dem Kissinger-Patent '608 ist in Fig. 2 dargestellt.
Die dynamischen Meßbereiche sind in der Zeichnung
angegeben. Wie zu sehen ist, hat die Kennlinie auf jeder Seite
des Bildbrennpunktes ein Maximum, wobei dieser Brennpunkt
der Brennweite der Linse entspricht. Der Dynamikbereich im
vorderen Abschnitt der Kennlinie reicht von etwa 0,5 bis 1
cm, und weil das Bild scharf dargestellt ist, ist der
Dynamikbereich um den Nullpunkt sehr klein. In der hier
verwendeten Weise bezeichnet der Begriff "Dynamikbereich" die
geeignete maximale Distanz, die zur Messung zwischen einem
Maximum und einem Minimum auf der Verschiebungskurve
verwendet werden kann. So ist es zwar möglich, verschiedene
Entfernungen durch Einstellen der Linsenposition zu messen
(siehe Fig. 7 des Kissinger-Patents '608), doch der
Dynamikbereich bleibt relativ konstant. Eine Veränderung der
Linsenposition ist also erforderlich, um Targetabstände in
der Größenordnung von 2,5 mm zu ändern. Wie aus den steil
verlaufenden Kennlinien hervorgeht, bleibt auch die
Empfindlichkeit relativ konstant bei einer bestimmten
Linsenkonfiguration, was, wie oben erwähnt, die Brauchbarkeit der
Meßvorrichtung einschränken kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird eine einzelne Linse und
nicht ein Paar Mikroskoplinsen wie im Kissinger-Patent '608
verwendet. Die Linse kann auf unendlich eingestellt werden
und sollte einen geringen Abbildungsfehler und eine breite
Blendenöffnung besitzen. In der hier verwendeten Weise
versteht man unter "einstellen" das Positionieren des scharfen
Bildes der Vorderseite der Leitung 23. Wenn beispielsweise
der Bildbrennpunkt bei etwa 1 cm erscheint (siehe Fig. 2),
bedeutet dies, daß ein scharfes Bild der Vorderseite der
Leitung 23 in diesem Abstand von der Vorderseite des
Sensorkopfes erscheint.
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Gemäß der Erfindung kann jede beliebige einer Vielzahl von
handelsüblichen Linsen verwendet werden. In der bevorzugten
Ausführungsform wurde eine Mikroskoplinse mit einer
numerischen Apertur von 0,25 und einer Brennweite von 16 mm
verwendet. Der Unterschied zu der Linse nach Kissinger besteht
darin, daß gemäß der vorliegenden Erfindung Änderungen in
der Position der Faser in bezug auf die Linse zu großen
Änderungen in der Brennweite und der Größe des abgebildeten
Lichtpunktes am Bildbrennpunkt führen, während
vergleichbare Änderungen der Faserposition in bezug auf die
Rückenan-Rücken ausgebildete Linsenanordnung nach Kissinger wenig
oder keine Änderungen der Brennweite und Größe des
abgebildeten Lichtpunktes am Bildbrennpunkt bewirken.
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In Fig. 3 ist der Aufbau eines Sensorkopfes gemäß der
vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt. Die
faseroptische Leitung 23 (Fig. 1) endet in einer Vorderseite 32. Die
bei 34 schematisch dargestellte Linse ist in einem
herkömmlichen Gehäuse 36 angeordnet, das eine Gewindebohrung 38
umfaßt. Beispielsweise kann die Linse 34 eine der im
Kissinger-Patent gezeigten Projektionslinsen sein. Die Faser
23 ist in einer komplementären, mit einem Gewinde
versehenen Hülse 40 geführt, die in die Bohrung 38 geschraubt
und durch eine Verriegelungseinheit 42 gesichert werden
kann. Bei diesem Aufbau kann die Position der Endfläche 32
der Faserleitung 23 in bezug auf die Linse 34 fein
eingestellt werden. Normalerweise kann der Bildbrennpunkt in
einem Bereich von 0 bis unendlich liegen, wenn die Faser 23
über einen Bereich von 6,35 mm bewegt wird.
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Fig. 3 zeigt auch die Auswirkungen des Einstellens der
Position der Faseroptik in bezug auf die Linse. Vier
getrennte Positionen A bis D sind hier gezeigt, wobei
Position A die am weitesten entfernte Position und Position D
die am nächsten gelegene Position der Faser in bezug auf
die Linse ist. Wenn die Entfernung zwischen Faser und Linse
zwischen den Positionen A bis D eingestellt wird, ändert
sich die Position des Bildbrennpunktes, wie auf der rechten
Seite der Abbildung gezeigt ist, wobei sich auch die Größe
des abgebildeten Bildes (oder Lichtpunktes) entsprechend
ändert. Die Größenänderung des Lichtpunktes deutet auf eine
wesentliche Änderung der Empfindlichkeit zwischen den
Positionen A und D hin. Wie oben erwähnt, kann die Möglichkeit
zur Änderung der Empfindlichkeit eine wichtige Überlegung
bei faseroptischen Meßvorrichtungen in industriellen
Anwendungen sein.
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Die Erfindung beinhaltet auch die Möglichkeit, wesentlich
größere Abstände zu messen, als dies bei der Vorrichtung
nach Kissinger möglich ist, und auch den Dynamikbereich zu
verändern, d. h. den Bereich zu vergrößern, in dem die
Vorrichtung an einer einzigen Position der Faser in bezug auf
die Linse verwendet werden kann. Dies geht aus Fig. 4
hervor, die drei aktuelle Kurven der Lichtstärke in bezug auf
den gemäß der Erfindung erzielten Abstand vom Target zeigt.
Im Vergleich zu den vergleichbaren Kurven von Fig. 7 bei
Kissinger wird der Abstand zwischen den Nullen in
Zentimetern und nicht in Millimetern gemessen. Außerdem nimmt bei
der Erfindung mit der Änderung der Brennweite auch der
Dynamikbereich zu, und die Empfindlichkeit (zu erkennen an
der Schärfe der Null) nimmt ab. Diese Möglichkeit der
individuellen Anpassung der Ansprechkennlinie verbessert die
Brauchbarkeit der Erfindung wesentlich, da die Steigung der
Kurve entsprechend den Toleranzen des zu messenden Teils,
den herrschenden Umgebungsbedingungen und dem vorhandenen
Licht eingestellt werden kann.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung liegt in der
Möglichkeit, auf unendlich einzustellen. Wie nachfolgend
erläutert, vergrößert dies nicht nur deutlich den
Dynamikbereich der Vorrichtung, sondern es werden damit außerdem
Redundanzen vermieden, die jeder Vorrichtung innewohnen,
bei der die Ansprechkennlinie auf jeder Seite des
Bildbrennpunktes ein Maximum hat. Wenn beispielsweise, wie in
Fig. 2 gezeigt, Entfernungen zwischen 7,62 und 12,7 mm
gemessen würden, würde eine Reflexionslichtstärke von 50%
viermal erfaßt werden, was vier verschiedenen Positionen
des Sensorkopfes in bezug auf das Target entspricht.
Mehrfachsensoren oder komplexe Signalverarbeitungsvorrichtungen
sind in solchen Fällen erforderlich, um festzustellen,
welche der vier möglichen Positionen tatsächlich erfaßt wurde.
Wenn die Linse jedoch gemäß der vorliegenden Erfindung auf
unendlich eingestellt ist, erhält man die in Fig. 5
gezeigte Ansprechkennlinie, bei der es kein Minimum und
infolgedessen keine Redundanzen gibt. Wenn die Linse gemäß
der Erfindung auf unendlich eingestellt ist, wie in Fig. 5
gezeigt, reicht der Dynamikbereich bis etwa 13 cm.
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Bei der individuellen Anpassung der Ansprechkennlinie kommt
es zu einem Ausgleich zwischen Empfindlichkeit und
Dynamikbereich - je größer der Dynamikbereich umso kleiner die
Empfindlichkeit; in vielen Situationen ist jedoch die eine
oder andere dieser Überlegungen von größerer Bedeutung. Bei
der Anwendung der Erfindung hängen die Messungen wohl ab
von der Lage der Null (z. B. feststellen, ob ein Teil
innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen liegt) oder von der
Form der Ansprechkennlinie (z. B. bei analogen Messungen).