DE3803451A1 - Method for producing an optical sample beam pick up for a device for contactless optical distance measurement - Google Patents
Method for producing an optical sample beam pick up for a device for contactless optical distance measurementInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Meßstrahlenaufnehmers für eine Vorrichtung zur be rührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem Triangu lationsprinzip, - mit einem Empfangskopf, der den Meßstrahlen aufnehmer mit einer einfachgekrümmten oder doppeltgekrümmten Empfangsfläche aufweist, wobei eine Mehrzahl von nebeneinander in einem Lichtleiterbündel angeordneten Lichtleitern in Form von Glasfasern und/oder Kunststoff-Fasern mit zur Empfangs fläche orthogonaler Achse und dazu orthogonaler Stirnfläche in der Empfangsfläche münden. Die Meßstrahlen sind im allge meinen Laserstrahlen. Die Empfangsfläche ist nach den Gesetzen der sogenannten Strahlenoptik (vgl. Born "Optik", Springer 1972, S. 45 bis 77) geformt. Sind die beschriebenen Orthogo nalitätsbedingungen bei dem gattungsgemäßen Verfahren nur un genau erfüllt, so sind Meßungenauigkeiten und Reflektionsver luste die Folge.The invention relates to a method for producing an optical measuring beam pickup for a device for non-contact optical distance measurement according to the triangulation principle, - with a receiving head which has the measuring beam pickup with a single-curved or double-curved receiving surface, a plurality of light guides arranged side by side in a light guide bundle in the form of glass fibers and / or plastic fibers with an orthogonal axis to the receiving surface and an orthogonal end face in the receiving surface. The measuring beams are generally my laser beams. The reception area is shaped according to the laws of so-called radiation optics (cf. Born "Optik", Springer 1972, pp. 45 to 77). If the orthogonality conditions described in the generic method are only inaccurately met, measurement inaccuracies and reflection losses are the result.
Meßstrahlenaufnehmer des beschriebenen Aufbaus sind bekannt (DE 37 33 372.0-52, PatG § 3 (2)). Sie erhöhen das Auflösungs vermögen und die Meßgenauigkeit bei der berührungslosen opti schen Abstandsmessung mit elektronischer Auswertung der Meß ergebnisse. In bezug auf die Elektronik der Zusammenhänge wird verwiesen auf Elektronik 5/6.3, 1987, S. 69 bis 77. Die bekannten Meßstrahlenaufnehmer arbeiten in einer Vorrichtung zur berührungsfreien Entfernungsmessung mit Basisgerät und Meßkopf, die über Lichtleiter miteinander verbunden sind. Im Basisgerät wird ein Meßstrahl, z. B. von einem Laser ein Laserstrahl, erzeugt, der über eine Einkopplungsstufe in die Lichtleiter eingespeist wird. Im Meßkopf tritt dieser Meß strahl aus einer Auskopplungsstufe in Richtung auf ein Meß objekt aus. Der abgebildete Lichtpunkt wird von einem Objek tiv auf die Empfangsfläche des Meßstrahlenaufnehmers fokussiert. Über die Lichtleiter gelangt dieses Licht zu einem positions empfindlichen Halbleitersensor im Basisgerät. Anhand der Auf treffposition des fokussierten Lichtpunktes wird von einer Auswerte-Elektronik die Kontur des Meßobjektes ermittelt. Die Empfangsfläche kann einfach- oder doppelgekrümmt sein. Auf diese Weise kann mit verhältnismäßig einfachen Objektiven ge arbeitet werden, bei denen die Abbildung eines Lichtpunktes an sich nur für achsennahe Strahlen ausreichend genau ist. Die für achsenferne Strahlen auftretenden Ungenauigkeiten werden mit Hilfe der einfach- oder doppeltgekrümmten Empfangs fläche kompensiert. - Das alles hat sich bewährt und läßt sich auch dann verwirklichen, wenn die Optik der Zusammen hänge komplexer ist, als es vorstehend angedeutet wurde. Noch fehlt ein einfaches Verfahren, um einen Meßstrahlenaufnehmer des beschriebenen Aufbaus und der beschriebenen Zweckbestim mung mit den engen Toleranzen, die für optische Systeme we sentlich sind, herzustellen. Ein solches Verfahren anzugeben, ist Aufgabe der Erfindung.Measuring beam sensors of the construction described are known (DE 37 33 372.0-52, PatG § 3 (2)). They increase the resolution ability and the measuring accuracy with the non-contact opti distance measurement with electronic evaluation of the measurement Results. With regard to the electronics of the relationships reference is made to Electronics 5 / 6.3, 1987, pp. 69 to 77. Die Known measuring beam sensors work in one device for non-contact distance measurement with basic device and Measuring head, which are connected to each other via light guides. in the Base device is a measuring beam, for. B. from a laser Laser beam that is generated via a coupling stage in the Optical fiber is fed. This measurement occurs in the measuring head beam from a decoupling stage in the direction of a measurement object out. The light point shown is from an object tiv focused on the receiving surface of the measuring beam. This light reaches a position via the light guide sensitive semiconductor sensor in the base unit. Based on the The target position of the focused light spot is determined by a Evaluation electronics determines the contour of the measurement object. The Receiving surface can be single or double curved. On this way, with relatively simple lenses be worked in which the imaging of a point of light is in itself only sufficiently precise for rays close to the axis. The inaccuracies that occur for off-axis rays be with the help of single or double curved reception area compensated. - All of this has been tried and tested can also be realized when the look of together slopes is more complex than indicated above. Still lacks a simple method to use a measuring beam pickup of the structure and purpose described with the narrow tolerances that we for optical systems are essential to manufacture. To specify such a procedure is the object of the invention.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die zuein ander parallelen Lichtleiter nach Maßgabe ihrer Anordnung im Lichtleiterbündel in eine ebene Einbettungplatte orthogonal zu ihrer Achse eingebettet werden, in der die Stirnflächen der Lichtleiter freiliegen und/oder aus deren freier Ober fläche die Enden der Lichtleiter herausragen, daß die freie Oberfläche der Einbettungsplatte orthogonal zur Achse der Lichtleiter geschliffen und poliert wird und dabei die Stirn flächen der Lichtleiter geschliffen und poliert werden und daß danach die Einbettungsplatte so verformt wird, daß die geschliffene und polierte Oberfläche der Einbettungsplatte mit der Empfangsfläche zusammenfällt. Die Einbettungsplatte besteht beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, der zum Zwecke der Verformung erwärmt und danach wieder ab gekühlt wird. Um die Verformung sowie den Schleif- und Polier vorgang sehr genau mit den engen Toleranzen durchzuführen, lehrt die Erfindung, daß auf die Einbettungsplatte auf der Seite der Lichtleiterzuführung eine Niederhaltungsmasse auf gebracht und danach der Schleif- und Poliervorgang durchge führt wird. Die Niederhaltungsmasse wird zweckmäßigerweise nach dem Schleif- und Poliervorgang entfernt, z. B. ausge schmolzen.To achieve this object, the invention teaches that the one other parallel light guide according to their arrangement in Optical fiber bundle in a flat embedding plate orthogonal be embedded to their axis in which the end faces the light guide are exposed and / or from their free upper protrude the ends of the light guides that the free Surface of the embedding plate orthogonal to the axis of the Light guide is ground and polished while doing the forehead surfaces of the light guide are ground and polished and that the embedding plate is then deformed so that the ground and polished surface of the embedding plate coincides with the reception area. The embedding plate consists for example of a thermoplastic, which is heated for the purpose of deformation and then removed again is cooled. Deformation as well as grinding and polishing process very precisely with the narrow tolerances, the invention teaches that on the embedding plate on the A hold-down mass on the side of the light guide brought and then the grinding and polishing process leads. The hold-down mass is expedient removed after grinding and polishing, e.g. B. out melted.
Um die Einbettungsplatte so zu verformen, daß die geschlif fene und polierte Oberfläche der Einbettungsplatte mit der vorgegebenen Empfangsfläche ausreichend übereinstimmt, muß zunächst, wie bereits erwähnt, die Empfangsfläche festgelegt, d. h. nach den Gesetzen der Strahlenoptik berechnet werden. Die Verformung der Einbettungsplatte kann danach auf verschie dene Weise bewirkt werden. Zweckmäßig arbeitet man dazu mit entsprechenden Matrizen und Patrizen. Eine bevorzugte Ausfüh rungsform der Erfindung ist in diesem Zusammenhang dadurch gekennzeichnet, daß die Einbettungsplatte nach Maßgabe der Oberfläche einer Matrize oder Patrize verformt wird, die der Empfangsfläche entspricht. Insbesondere kann die Einbettungs platte im Wege des Vakuumtiefziehens verformt werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es, auf die Einbettungsplatte nach der Verformung eine Vergußmasse aufzubringen und dadurch die Krümmung zu fixieren.To deform the embedding plate so that the ground Open and polished surface of the embedding plate with the predetermined reception area sufficiently must first, as already mentioned, the reception area is defined, d. H. can be calculated according to the laws of radiation optics. The deformation of the embedding plate can then differ which are brought about. It is useful to work with corresponding matrices and patrices. A preferred embodiment tion form of the invention is in this context characterized in that the embedding plate according to the Surface of a female or male is deformed, which is the Receiving area corresponds. In particular, the embedding plate are deformed by means of vacuum deep drawing. in the The scope of the invention is based on the embedding plate the deformation to apply a potting compound and thereby the Fix curvature.
Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß erfindungs gemäß auf einfache Weise Meßstrahlenaufnehmer des beschrie benen Aufbaus und der beschriebenen Zweckbestimmung mit den engen Toleranzen, die für optische Systeme wesentlich sind, hergestellt werden können.The advantages achieved are the fact that fiction according to described in a simple manner benen structure and the purpose described with the narrow tolerances that are essential for optical systems, can be produced.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher er läutert. Es zeigenIn the following, the invention is based on only one Embodiment representing drawing in more detail he purifies. Show it
Fig. 1 das Schema einer Vorrichtung zur berührungslosen opti schen Entfernungsmessung mit nach dem erfindungsgemä ßen Verfahren hergestelltem Meßstrahlenaufnehmer und die Fig. 1 shows the diagram of a device for non-contact optical distance measuring rule with measuring beam according to the inventive method and the
Fig. 2, 3, 4 und 5 die verschiedenen Schritte des erfindungs gemäßen Herstellungsverfahrens, Fig. 2, 3, 4 and 5, the various steps of the production method according to Invention,
Fig. 6 den fertigen Meßstrahlenaufnehmer mit Erläuterung ei niger optischer Zusammenhänge und Fig. 6 shows the finished measuring beam with explanation of egg niger optical relationships and
Fig. 7 den vergrößerten Ausschnitt A aus dem Gegenstand der Fig. 6. Fig. 7 shows the enlarged section A from the object of Fig. 6.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung umfaßt ein Basisgerät 1 und ei nen Empfangskopf 2, die über Lichtleiter 3 in Form von Glas fasern oder Kunststoff-Fasern lichtleitend miteinander ver bunden sind.The device shown in Fig. 1 for non-contact optical distance measurement comprises a base unit 1 and egg NEN receiving head 2 , the fibers via light guide 3 in the form of glass or plastic fibers are connected to each other in a light-conducting manner.
Im Basisgerät 1 ist ein Laser 4, eine dem Laser 4 nachge schaltete Einkopplungsstufe 5, ein photooptisches Empfangs element 6 und eine ansonsten nicht näher dargestellte Auswer te- und Versorgungselektronik untergebracht. Das Basisgerät 1 ist über eine Versorgungsleitung 7 an ein elektrisches Netz angeschlossen. Das Basisgerät 1 ist in einem geschlossenen Gehäuse 8 angeordnet und eigensicher ausgeführt.In the base unit 1 , a laser 4 , a coupling stage 5 connected downstream of the laser 4 , a photo-optical receiving element 6 and an otherwise not shown evaluation and supply electronics are accommodated. The base unit 1 is connected to an electrical network via a supply line 7 . The basic device 1 is arranged in a closed housing 8 and is intrinsically safe.
Der Empfangskopf 2, der in einem Gehäuse 9 angeordnet ist, weist eine Auskopplungsstufe 10, ein einlinsiges Objektiv 11 und einen Strahlenempfänger 12 auf. Die Auskopplungsstufe 10 ist über die Lichtleiter 3 mit der Einkopplungsstufe 5 und der Empfangskopf 2 ist über die Lichtleiter 3 mit dem Empfangs element 6 verbunden.The receiving head 2 , which is arranged in a housing 9 , has a decoupling stage 10 , a single-lens objective 11 and a radiation receiver 12 . The decoupling stage 10 is connected via the light guide 3 to the coupling stage 5 and the receiving head 2 is connected via the light guide 3 to the receiving element 6 .
An seiner Vorderseite weist das Gehäuse 9 eine Austrittsöff nung 13 und eine Eintrittsöffnung 14 auf, hinter der das Ob jektiv 11 und der Empfangkopf 2 angeordnet sind.On its front side, the housing 9 has an outlet opening 13 and an inlet opening 14 , behind which the lens 11 and the receiving head 2 are arranged.
Im Betrieb wird der vom Laser 4 erzeugte Meßstrahl über die Einkopplungsstufe 5 in die Lichtleiter 3 eingeleitet. Durch die Lichtleiter 3 läuft der Meßstrahl zum Empfangskopf 2, wo er an der Auskopplungsstufe 10 austritt und durch die Aus trittsöffnung 13 ins Freie gelangt. Der Meßstrahl trifft auf ein Meßobjekt 15, wo ein Lichtpunkt abgebildet wird. Dieser Lichtpunkt wird von dem Objektiv 11 auf die zum Objektiv 11 hin konkav gewölbte Empfangsfläche 16 des Meßstrahlenaufnehmers 17 fokussiert. Von hier aus gelangt das Licht über die Licht leiter 3 zum photooptischen Empfangselement 6 im Basisgerät 1. Hierdurch wird der elektrische Zustand dieses Empfangselemen tes 6 geändert, was von der Auswerte-Elektronik registriert und entsprechend verarbeitet wird. Das Empfangselement 6 ist beispielsweise mit Photodioden bestückt.In operation, the measuring beam generated by the laser 4 is introduced into the light guide 3 via the coupling stage 5 . Through the light guide 3 , the measuring beam runs to the receiving head 2 , where it emerges at the decoupling stage 10 and through the opening 13 from the outside. The measuring beam strikes a measuring object 15 , where a light spot is imaged. This light spot is focused by the lens 11 onto the receiving surface 16 of the measuring beam sensor 17 , which is concavely curved toward the lens 11 . From here, the light reaches the photo-optical receiving element 6 in the base device 1 via the light guide 3 . This changes the electrical state of this receiving element 6 , which is registered by the evaluation electronics and processed accordingly. The receiving element 6 is equipped with photodiodes, for example.
Wesentlich für die beschriebene Anordnung ist der Empfangs kopf 2, der die einfachgekrümmte oder doppeltgekrümmte Empfangsfläche 16 aufweist, die erfindungsgemäß auf besondere Weise hergestellt wird. Dazu wird auf die Fig. 2 bis 5 ver wiesen. Die zueinander parallelen Lichtleiter 3 werden nach Maßgabe ihrer Anordnung im Lichtleiterbündel in eine ebene Einbettungsplatte 18 orthogonal zu ihrer Achse eingebettet (Fig. 2). In der Einbettungsplatte 18 liegen die Stirnflächen der Lichtleiter 3 frei und/oder aus der Einbettungsplatte 18 ragen die Enden der Lichtleiter heraus. Die freie Oberfläche der Einbettungsplatte 18 wird orthogonal zur Achse der Licht leiter 3 geschliffen und poliert (Fig. 3). Dabei werden auch die Stirnflächen der Lichtleiter 3 geschliffen und poliert. Danach wird die Einbettungsplatte 18 im Ausführungsbeispiel über eine Patrize 19 so verformt, daß die geschliffene und polierte Oberfläche der Einbettungsplatte 18 mit der Empfangs fläche 16 zusammenfällt (Fig. 4, 5). In der Fig. 3 wurde die Niederhaltungsmasse 20 dargestellt, die beim Schleif- und Po liervorgang eine Stabilisierung bewirkt, so daß mit optischer Genauigkeit geschliffen und poliert werden kann. Sie wird vor dem Biegevorgang (Fig. 4, 5) ausgeschmolzen. In Fig. 6 erkennt man, daß die Krümmung des fertigen Meßstrahlenaufnehmers durch eine Vergußmasse 21 fixiert wurde.Essential for the arrangement described is the receiving head 2 , which has the single-curved or double-curved receiving surface 16 , which is produced according to the invention in a special way. For this purpose, reference is made to FIGS. 2 to 5. The mutually parallel light guides 3 are embedded according to their arrangement in the light guide bundle in a flat embedding plate 18 orthogonal to their axis ( FIG. 2). The end faces of the light guides 3 are exposed in the embedding plate 18 and / or the ends of the light guides protrude from the embedding plate 18 . The free surface of the embedding plate 18 is ground and polished orthogonally to the axis of the light guide 3 ( FIG. 3). The end faces of the light guide 3 are also ground and polished. Then the embedding plate 18 is deformed in the exemplary embodiment via a male 19 such that the ground and polished surface of the embedding plate 18 coincides with the receiving surface 16 (FIGS . 4, 5). In Fig. 3, the hold-down mass 20 was shown, which causes a stabilization during the grinding and po liering process, so that grinding and polishing can be carried out with optical accuracy. It is melted out before the bending process ( Fig. 4, 5). In Fig. 6 it can be seen that the curvature of the finished measuring beam sensor was fixed by a casting compound 21 .
Claims (6)
einem Empfangskopf, der den Meßstrahlenaufnehmer mit einer einfachgekrümmten oder doppeltgekrümmten Empfangs fläche aufweist,
wobei eine Mehrzahl von nebeneinander in einem Lichtleiter bündel angeordneten Lichtleitern in Form von Glasfasern und/ oder Kunststoff-Fasern mit zur Empfangsfläche orthogonaler Achse und dazu orthogonaler Stirnfläche in der Empfangsfläche münden, dadurch gekennzeichnet,
daß die zueinander parallelen Lichtleiter nach Maßgabe ihrer An ordnung im Lichtleiterbündel in eine ebene Einbettungsplatte orthogonal zu ihrer Achse eingebettet werden, in der die Stirnflächen der Lichtleiter freiliegen und/oder aus deren freier Oberfläche die Enden der Lichtleiter herausragen,
daß die freie Oberfläche der Einbettungsplatte ortho gonal zur Achse der Lichtleiter geschliffen und poliert wird und dabei die Stirnflächen der Lichtleiter ge schliffen und poliert werden
und daß danach die Einbettungsplatte so verformt wird, daß die geschliffene und polierte Oberfläche der Einbettungsplatte mit der Empfangsfläche zusammenfällt.1. Method for producing an optical measuring beam for a device for contactless optical distance measurement according to the triangulation principle, with
a receiving head which has the measuring beam sensor with a single-curved or double-curved receiving surface,
wherein a plurality of light guides in the form of glass fibers and / or plastic fibers arranged side by side in a bundle of light guides open into the reception area with an axis orthogonal to the receiving surface and an end face orthogonal thereto, characterized in that
that the mutually parallel light guides are embedded according to their arrangement in the light guide bundle in a flat embedding plate orthogonal to their axis, in which the end faces of the light guides are exposed and / or the ends of the light guides protrude from their free surface,
that the free surface of the embedding plate is ground and polished orthogonally to the axis of the light guide and the end faces of the light guide are ground and polished
and that the embedding plate is then deformed so that the ground and polished surface of the embedding plate coincides with the receiving surface.
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