DE3803818A1

DE3803818A1 - Geraet zur beruehrungslosen optischen entfernungsmessung nach dem statischen triangulationsverfahren

Info

Publication number: DE3803818A1
Application number: DE19883803818
Authority: DE
Inventors: Manfred Ing Grad Koppers; Lothar Dipl Ing Sebastian; Kuno Ing Grad Guse
Original assignee: Bochumer Eisenhuette Heintzmann GmbH and Co KG
Current assignee: Bochumer Eisenhuette Heintzmann GmbH and Co KG
Priority date: 1988-02-09
Filing date: 1988-02-09
Publication date: 1989-08-17
Also published as: DE3803818C2

Description

Die Erfindung bezieht sich gattungsgemäß auf ein Gerät zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem sta tischen Triangulationsverfahren, mit Netzgerät und Meßgerät, Laser im Netzgerät sowie einerseits Laserstrahlenauskoppler, andererseits Objektiv der Brennweite f und Meßstrahlenauf nehmer im Meßgerät, wobei der Meßabstand etwa der doppelten Brennweite 2 f entspricht, wobei Netzgerät und Meßgerät durch zumindest einen Lichtleiter aus Glasfaser und/oder Kunst stoff-Faser optisch verbunden sind und wobei außerdem ein Meßstrahlenempfänger mit einer Mehrzahl von Empfangselementen bildseitig im Abstand von etwa der doppelten Brennweite 2 f vorgesehen ist. Die Empfangselemente sind z. B. Fotodioden. - Es versteht sich, daß der Meßstrahlenempfänger mit einer elektronischen Auswertungseinrichtung verbunden ist, die die Meßwerte digital oder analog anzeigt. Das statische Triangu lationsverfahren arbeitet, rechnergestützt, mit den Hilfsmit teln der Trigonometrie. Bei den insoweit bekannten Geräten (Elektronik, 5/6.3 1987, S. 69-77, PatG § 3 (1) bilden das Netzgerät und das Meßgerät baulich eine Einheit. Dabei läßt sich nicht verhindern, daß die insbesondere im Netzgerät ent standene Wärme und daraus resultierende Wärmedehnungen die Meßgenauigkeit beeinflussen.

Bei dem bekannten gattungsgemäßen Gerät (DE 37 33 372.0-52, PatG § 3 (2)) sind das Meßgerät und das Netzgerät getrennt, jedoch befindet sich der Meßstrahlenempfänger im Netzgerät. Der Meßstrahlenaufnehmer besitzt bei dieser bekannten Ausfüh rungsform eine einfachgekrümmte oder doppeltgekrümmte Empfangsfläche, in der eine Mehrzahl von Lichtleitern mit zur Empfangsfläche orthogonaler Achse münden, wobei die Lichtleiter an die Empfangselemente angeschlossen sind. Hier sind zur Vermeidung störender Temperatureinflüsse besondere Maßnahmen erforderlich, was aufwendig ist.

Bei den bekannten Vorrichtungen folgt aus der strahlenopti schen Geometrie, daß der durch etwa die doppelte Brennweite gegebene Meßabstand, der absolute Meßbereich und die Meßge nauigkeit, in Abhängigkeit von den optischen Kenngrößen des Objektivs, in Zusammenhang stehen. Meßbereich und Meßabstand stehen zum Beispiel im Verhältnis von 1:5 bis 1:10. Die Meßgenauigkeit liegt im Zehntelmillimeterbereich bzw. im Hundertstelmillimeterbereich. Daraus resultiert, daß bei ge forderter höherer absoluter Meßgenauigkeit die Meßbereiche stark eingeengt, im besonderen jedoch die Meßgeräte in Abhän gigkeit hiervon sehr nahe an das Meßgerät herangeführt werden müssen. Das ließe sich vermeiden, wenn man die Meßbasis ex trem vergrößert, was der Aufgabe entgegensteht, derartige Geräte für den Einsatz in modernen Fertigungsprozessen bau lich zu minimieren. Anders liegen die Verhältnisse bei dyna mischen Meßgeräten mit mehrfach umgelenktem Sender und/oder Empfängerstrahlengang. Hier müssen jedoch einerseits die Um lenkelemente oder Ablenkelemente mechanisch linear oder rota tiv bewegt werden und andererseits diese Überlagerungsbewe gungen als mögliche Fehlerquellen in Kauf genommen oder mit hohem Aufwand wieder optisch, elektrisch oder mechanisch kom pensiert werden, wenn eine hohe Meßgenauigkeit bei großem Meßabstand erreicht werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Gerät so weiter auszubilden, daß bei kompakter Bauweise und verhältnismäßig großem Meßabstand mit hoher absoluter Meßge nauigkeit gearbeitet werden kann, und zwar ohne störende Temperatureinflüsse.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß auch der Meßstrahlenempfänger in dem Meßgerät angeordnet ist, dessen räumliche Koordinaten (Länge, Höhe, Breite) alle kleiner sind, als es der Brennweite f entspricht, und daß im Meßgerät im Strahlenweg der Meßstrahlen zwischen Objektiv und Meß strahlenaufnehmer eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln angeord net ist, deren Abstände sich zu etwa der doppelten Brennweite ergänzen und die sowohl für die Umlenkung von achsnahen als auch für die Umlenkung von achsfernen Strahlen eingerichtet sind, und daß zumindest einer der Umlenkspiegel, vorzugsweise der vor dem Meßstrahlenaufnehmer, als übersetzender Konvex spiegel ausgebildet ist. - Bei dem erfindungsgemäßen Gerät bewirken die Umlenkspiegel die kompakte Bauweise und wird gleichzeitig die Meßgenauigkeit dadurch verbessert, daß zumin dest einer der Umlenkspiegel, vorzugsweise der vor dem Meß strahlenaufnehmer, als übersetzender Konvexspiegel ausgebil det ist. Der Meßabstand, gegeben durch etwa die doppelte Brennweite, kann sehr groß gewählt werden, so daß es nicht erforderlich ist, das Gerät mit seinem Objektiv bis nahe an das zu messende Objekt heranzuführen. Eine störende Tempera turbeeinflussung wurde dadurch vermieden, daß auch der Meß strahlenempfänger in dem Meßgerät angeordnet ist, während der Laser mit seiner Temperaturentwicklung sich im Netzteil befindet.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. So kann der Meßstrahlenaufnehmer aus Empfangselementen bestehen, die in einer Ebene angeordnet sind. Man kann aber auch die Anord nung so treffen, daß der Meßstrahlenaufnehmer eine einfachge krümmte oder doppeltgekrümmte Empfangsfläche aufweist, in der eine Mehrzahl von Lichtleitern mit zur Empfangsfläche orthogonaler Achse mündet, wobei die Lichtleiter an die Empfangselemente angeschlossen sind, die auch hier in einer Ebene liegen können. Die Umlenkspiegel sind zweckmäßigerweise als Oberflächenspiegel, d. h. ohne ein die Verspiegelung ab deckendes Substrat, ausgeführt.

Zur Reduzierung der Streuung empfiehlt es sich, den Laster strahlenauskoppler als die austretenden Laserstrahlen bün delnden Kollimator auszubilden. Eine Ausführungsform des er findungsgemäßen Gerätes, die insbesondere zur Verwendung in explosionsgeschützten Räumen geeignet ist, ist dadurch ge kennzeichnet, daß alle sicherungsbedürftigen Bauteile in dem Netzgerät untergebracht sind und dieses explosionsgeschützt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert.

Die einzige Figur zeigt das Schema eines erfindungsgemäßen Gerätes.

Das in der Figur dargestellte Gerät dient zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem statischen Triangula tionsverfahren. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören ein Netz gerät 1 und ein Meßgerät 2, ein Laser 3 im Netzgerät sowie einerseits ein Laserstrahlenauskoppler 4 und andererseits ein Objektiv 5 der Brennweite f und ein Meßstrahlenaufnehmer 6 im Meßgerät 2. Der Meßabstand A entspricht etwa der doppel ten Brennweite 2 f. Netzgerät 1 und Meßgerät 2 sind durch eine Mehrzahl von Lichtleitern 7 in Form von Glasfasern und/oder Kunststoff-Fasern optisch verbunden. Außerdem ist ein Meß strahlenempfänger 8 bildseitig im Abstand von etwa der dop pelten Brennweite 2 f vorgesehen. Zum Meßstrahlenempfänger 8 gehört eine Mehrzahl von Empfangselementen, z. B. Fotode tektoren in Form von Fotodioden, die im Ausführungsbeispiel auf dem Meßstrahlenaufnehmer 6 angeordnet sind.

Auch der Meßstrahlenempfänger 8 ist in dem Meßgerät 2 ange ordnet, dessen räumliche Koordinaten alle kleiner sind als es der Brennweite f entspricht. Im Meßgerät 2 befindet sich im Strahlenweg des eingezeichneten Meßstrahls zwischen Objek tiv 5 und Meßstrahlenaufnehmer 6 eine Mehrzahl von Umlenk spiegeln 9, deren Abstände sich zu etwa der doppelten Brenn weite 2 f ergänzen und die sowohl für die Umlenkung von achs nahen als auch für die Umlenkung von achsfernen Meßstrahlen eingerichtet sind. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß zumindest ein Umlenkspiegel 9 als übersetzender Konvexspiegel ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das der Umlenk spiegel vor dem Meßstrahlenaufnehmer. Im Ausführungsbeispiel besteht fernerhin der Meßstrahlenaufnehmer 6 aus Empfangsele menten, die auf einer Ebene angeordnet sind. Alle Umlenkspie gel 9 sind Oberflächenspiegel, d. h. ohne die Verspiegelung abdeckendes und folglich die Reflexion beeinflussendes Sub strat. Der Laserstrahlenauskoppler 4 ist als die austretenden Laserstrahlen bündelnder Kollimator ausgebildet. - Das darge stellte Gerät kann in explosionsgeschützten Räumen verwendet werden, wenn alle sicherungsbedürftigen Bauteile in dem Netz gerät 1 untergebracht sind und dieses explosionsgeschützt ausgeführt ist.

Claims

1. Gerät zur berührungslosen optischen Entfernungsmessung nach dem statischen Triangulationsverfahren, - mit
Netzgerät und
Meßgerät,
Laser im Netzgerät sowie einerseits Laserstrahlenaus koppler, andererseits Objektiv der Brennweite f und Meßstrahlenaufnehmer im Meßgerät,
wobei der Meßabstand etwa der doppelten Brennweite 2f ent spricht, wobei Netzgerät und Meßgerät durch zumindest einen Lichtleiter aus Glasfaser und/oder Kunststoff-Faser optisch verbunden sind und wobei außerdem ein Meßstrahlenempfänger mit einer Mehrzahl von Empfangselementen, z. B. Fotodetekto ren in Form von Fotodioden, bildseitig im Abstand von etwa der doppelten Brennweite 2f vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Meßstrahlen empfänger in dem Meßgerät angeordnet ist, dessen räumliche Koordinaten (Länge, Höhe, Breite) alle kleiner sind, als es der Brennweite f entspricht, und daß im Meßgerät im Strahlen weg der Meßstrahlen zwischen Objektiv und Meßstrahlenaufneh mer eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln angeordnet ist, deren Abstände sich zu etwa der doppelten Brennweite ergänzen und die sowohl für die Umlenkung von achsnahen als auch für die Umlenkung von achsfernen Strahlen eingerichtet sind, und daß zumindest einer der Umlenkspiegel, vorzugsweise der vor dem Meßstrahlenaufnehmer, als übersetzender Konvexspiegel ausge bildet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahlenaufnehmer aus Empfangselementen besteht, die in einer Ebene angeordnet sind.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahlenaufnehmer eine einfachgekrümmte oder doppeltge krümmte Empfangsfläche aufweist, in der eine Mehrzahl von Lichtleitern mit zur Empfangsfläche orthogonaler Achse mün den, und daß die Lichtleiter an die Empfangselemente ange schlossen sind.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umlenkspiegel als Oberflächenspiegel (ohne die Verspiegelung abdeckendes Substrat) ausgeführt sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Laserstrahlenauskoppler als die austreten den Laserstrahlen bündelnder Kollimator ausgebildet ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Verwendung in explosionsgeschützten Räumen, dadurch gekennzeichnet, daß die sicherungsbedürftigen Bauteile in dem Netzgerät unterge bracht sind und dieses explosionsgeschützt ausgebildet ist.