DE4121539A1 - Optischer sensor auf fiberbasis fuer eine kamera mit variabler schaerfentiefe - Google Patents
Optischer sensor auf fiberbasis fuer eine kamera mit variabler schaerfentiefeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Triangulationsvermessungssystem
und betrifft insbesondere ein berührungsfreies
Sensor- und Kamerasystem mit einem optischen
Sensor auf Fiberbasis, das eine variable Geometrie hat und
in Echtzeit umkonfigurierbar ist, um eine gewünschte
Leistung zu erzielen.
Der Abstand von einem Referenzpunkt oder einer Referenzebene
zu einem bestimmten Zielpunkt kann auf verschiedene
Weise gemessen werden. Passive Techniken wie Stereographie
oder Messung des Abstands vom Brennpunkt erfordern beleuchtete
Zieloberflächen und benötigen üblicherweise komplex
gemusterte Oberflächen zum Erzielen von zuverlässigen Resultaten.
Bei aktiven Echotechniken wie RADAR, SONAR und
LIDAR wird emittierte elektromagnetische Energie, akustische
Energie bzw. Lichtenergie benutzt, und die von der
Zieloberfläche reflektierte Energie wird überwacht. Bei
diesen Techniken wird eine "Laufzeit"-Messung als Basis zur
Entfernungsmessung benutzt, und diese Techniken sind üblicherweise
teuer und kompliziert.
Bei der Maschinenvideoforschung und -anwendung wird eine
andere aktive Technik benutzt, bei der mit strukturierter
Beleuchtung gearbeitet wird. Ein Lichtstrahl wird auf die
Zieloberfläche in einer Richtung gerichtet, die zu der optischen
Achse der ein- oder zweidimensionalen Erfassungsvorrichtung
nicht koaxial ist. Der Schnitt des Lichtstrahls
und der Zieloberfläche ergibt einen Lichtfleck, der auf die
Erfassungsebene der Abbildungsvorrichtung abgebildet wird.
Die 3D-Position dieses Flecks im Raum kann aus der bekannten
Position und Ausrichtung der Abbildungsvorrichtung aus
grundlegenden trigonometrischen Beziehungen berechnet werden.
Diese Technik mit struktuierter Beleuchtung wird als
Triangulation bezeichnet.
Die Fig. 1a und 1b zeigen einfache Lasertriangulationsvorrichtungen.
Bei der in den Fig. 1a und 1b dargestellten
Geometrie einer Anordnung aus einem Laser 10, einer Linse
11, einem Detektor 12 und einem Objekt 13 wird ein reflektierter
Fleck auf dem Detektor 12 höher abgebildet, wenn
sich die Zieloberfläche weiter von der Abbildungslinse wegbewegt.
Bei den meisten Vorrichtungen, bei denen diese Geometrie
benutzt wird, ist jedoch der reflektierte Fleck nur
für eine Zielentfernung scharf und für alle anderen Entfernungen
innerhalb der Schärfentiefe in veränderlichem Grad
unscharf, wie es in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist. Die Unschärfe
reduziert die Empfindlichkeit der Vorrichtung und
vermindert effektiv die Schärfentiefe, d. h. den Bereich, in
welchem ein System eine zufriedenstellende Auflösung erbringen
kann.
Drei der grundlegenden Leistungsmeßwerte eines Vermessungssystems
sind die sogenannte Standoff-Entfernung, die Schärfentiefe
und das Entfernungsauflösungsvermögen. Die
Standoff-Entfernung ist der nominelle Bereich der Vorrichtung
und wird üblicherweise willkürlich als der Nahpunkt,
Mittelpunkt oder Fernpunkt in der Schärfentiefe gewählt.
Das Auflösungsvermögen ist die kleinste Änderung in Entfernungswerten,
die das System unterscheiden kann, und variiert
üblicherweise über der Schärfentiefe. Triangulationsvorrichtungen
werden für eine gewisse Standoff-Entfernung,
eine gewisse Schärfentiefe und ein gewisses Entfernungsauflösungsvermögen
gebaut. Das heißt, die Geometrie einer Vorrichtung
wird auf der Basis des Verwendungszwecks gewählt,
und gewünschte Änderungen in den Leistungsdaten erfordern
das Ändern der Abbildungsoptik. In gewissen Fällen, beispielsweise
bei dem Abbilden in entfernten Bereichen, ist
eine solche Unflexibilität nicht akzeptabel.
Ein erstes Problem, das deshalb zu lösen ist, besteht
darin, für eine Abbildung auf einem Detektor zu sorgen, die
frei von Unschärfe ist, so daß alle Zielreflexionen scharf
sind. Ein zweites Problem, das zu überwinden ist, besteht
darin, einen Sensor zu bauen, der umkonfigurierbar ist, und
zwar in dem Sinn, daß die Standoff-Entfernung, die Schärfentiefe
und/oder das Entfernungsauflösungsvermögen mittels
elektronischer Steuerung verändert werden können, ohne daß
Komponenten ausgetauscht werden müssen.
In der photographischen Industrie ist es bekannt, daß das
Neigen der Kamera im Augenblick der Belichtung zu einem Effekt
führt, der als Trapezverzerrung oder Keystoning bezeichnet
wird, wobei parallele Linien des Objekts als konvergierende
Linien in dem Resultat erscheinen. Das kann
beim Drucken bereinigt werden, indem das Vergrößerergestell
um denselben Winkel geneigt wird, um den die Kamera geneigt
wurde. Zum Erzielen einer scharfen Abbildung in dem gesamten
Resultat muß das Vergrößererobjektiv auch etwas geneigt
werden, so daß die Ebenen des Objektivs, des Gestells
und des Negativs sich alle an einem gemeinsamen Ort treffen,
und zwar gemäß einem Prinzip, das in der Optik als
Scheimpflug-Prinzip oder -Bedingung bezeichnet wird. Die
Scheimpflug-Bedingung kann auch auf andere Weise interpretiert
werden: eine Linie auf der Objektivseite der Linse wird
auf eine Linie auf der Bildseite der Linse abgebildet, und
die beiden Linien schneiden sich mit der Linie, die die
Ebene der Linse darstellt, wie es in Fig. 3a gezeigt ist.
Wenn der Lichtstrahl für das System in Richtung irgendeiner
Linie auf der Objektseite der Linse gerichtet wird, dann
sollte der Detektor längs der durch die Scheimpflug-Bedingung
vorgeschriebenen Linie auf der Bildseite angeordnet
sein, um ein unschärfefreies Abbilden von Zielreflexionen
zu erleichtern, wie es in Fig. 3b gezeigt ist.
Die drei Systemparameter - Standoff-Entfernung, Schärfentiefe
und Entfernungsauflösungsvermögen - können berechnet
werden, wenn die Geometrie des
Triangulationsvermessungssystems bekannt ist und
Information über die Abbildungslinse und den Detektor
vorliegt. Umgekehrt, von diesen drei Leistungsmeßwerten
können zwei beliebige gewählt werden, und die
Systemgeometrie kann bestimmt werden, wenn eine bestimmte
Abbildungslinse und ein bestimmter Detektor gegeben sind.
Das Vorsehen der mechanischen Freiheitsgrade in einem
solchen Sensor führt zu einem umkonfigurierbaren System,
das in einem breiten Bereich von Leistungsmeßwerten arbeiten
kann, ohne daß Systemkomponenten ausgetauscht werden
müssen.
Ein tiefenvariables Triangulationsvermessungssystem bildet
den Gegenstand US-A 49 63 017. Das Vermessungssystem
beinhaltet eine ein Lichtbündel emittierende Komponente zum
Erzeugen und Richten eines Lichtstrahls auf ein Objekt,
eine Photodetektorkomponente, die in der Lage ist, die
Entfernung längs einer einzelnen Achse zu messen, d. h.
einen linearen Photodetektor, und eine
Abbildungslinsenkomponente zum Abbilden von an dem Objekt
reflektierten Licht auf den Detektor. Eine Bildlinie wird
definiert, die sich longitudinal durch den Photodetektor
erstreckt, und eine Ebenenachse, die durch die Linsenkomponente
hindurchgeht. Eine dieser drei Systemkomponenten
ist an einem festen Ort, und Einrichtungen sind vorgesehen
zum einstellbaren Positionieren der anderen beiden Komponenten
derart, daß das Lichtbündel, die Ebenenachse und die
Bildlinie sich alle ungefähr in einem gemeinsamen Punkt
schneiden und die Scheimpflug-Bedingung erfüllen. Die beiden
beweglichen Komponenten sind umkonfigurierbar, wodurch
die Werte von zwei Leistungsparametern, die aus der Gruppe
ausgewählt werden, welche aus der Standoff-Entfernung, der
Schärfentiefe und dem Entfernungsauflösungsvermögen in einem
Punkt innerhalb der Schärfentiefe besteht, gewählt werden
können und die Systemgeometrie geändert werden kann, um
diese Werte zu erzielen. Das System beinhaltet eine Einrichtung
zum Berechnen der Systemgeometrie und der Entfernung
aus empfangenen Detektorsignalen. Ein Scanner kann
vorgesehen sein, um das Lichtbündel längs einer Linie oder
über einem Bereich abzutasten oder abzulenken. Die Lichtquelle
kann ein Laser sein, und der Photodetektor kann eine
Lateraleffektphotodiode, ein Linearmatrixsensor oder ein
positionsempfindlicher Photovervielfacher sein.
Bei dem oben beschriebenen System hat es sich gezeigt, daß
es vorzuziehen ist, daß das Lichtbündel zu einem kleinen
Fleck auf dem Ziel fokussiert wird. Das erleichtert das
Verbessern des Auflösungsvermögens und der Genauigkeit, mit
der die Empfangsoptik von dem Ziel reflektiertes Licht sammeln
und auf einen Detektor fokussieren kann. Das Aufrechterhalten
eines kleinen Flecks auf dem Ziel, wenn das
Ziel abgetastet wird, erfordert eine dynamische Echtzeitregelung
der Laserfleckgröße.
Außerdem wird, um ein großes Auflösungsvermögen zu erleichtern,
bevorzugt, daß der Detektor lang ist und eine große
Anzahl von effektiven Elementen aufweist. Das Auflösungsvermögen
und die Genauigkeit des Detektors verbessern die
Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.
Darüber hinaus kann, wie oben dargelegt, die Position der
Linse relativ zu dem Detektor einzustellen sein, um ein zufriedenstellendes
Auflösungsvermögen zu erzielen. Bei einigen
Linsenbrennweiten ist jedoch ein verlangter Linse-Detektor-
Abstand nicht geeignet. Zum Beispiel kann der Linse-
Detektor-Abstand in einigen Fällen mehr als 3 m (10 Fuß)
betragen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen hochempfindlichen
Detektor mit einem großen dynamischen Bereich und einer
großen Zahl effektiver Elemente und ferner eine Einrichtung
zum Abtasten des Detektors zu schaffen, um Entfernungsdaten
darstellende elektrische Signale zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung für ein
tiefenvariables Triangulations-Vermessungssystem
geschaffen, das Mittel zum Emittieren eines Lichtbündels,
Mittel zum Fokussieren eines emittierten Lichtbündels auf
ein Objekt und eine Linsenvorrichtung enthält zum Abbilden
von reflektiertem Licht auf ein Eingangsende der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, die ein
Lichtwellenleiterbündel mit einem Eingangsende und einem
Ausgangsende aufweist. Das Eingangsende ist so angeordnet,
daß Transmissionen von der Linsenvorrichtung eingefangen
werden. Ferner enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Einrichtung zum Abtasten (Scannen) des
Leiterausgangsendes auf einer Zeitbasis. Die
Abtasteinrichtung ist so konfiguriert, daß ein
Zeitbasissignal generiert wird, das am Leiterausgangsende
vorhandene Lichtsignale darstellt. Das Zeitbasissignal
sorgt für eine Entfernungsmessung, wobei eine Sammlung von
Entfernungsmessungen erhalten wird. Jede Entfernungsmessung
wird mit Daten, die mit der Bündelorientierung der Sonde in
Beziehung stehen, gespeichert, und aus dieser Information
kann ein dreidimensionales Bild oder Modell eines Objektes
gebildert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigen
Fig. 1a und 1b ein Einzelpunkttriangulationssystem zum
Messen der Entfernung zu nahen und fernen
Objekten,
Fig. 2a und 2b das Verhalten eines üblichen Triangulationsvermessungssystems,
Fig. 3a und 3b zur Veranschaulichung, daß eine Linie
im Objektraum auf eine Linie im Bildraum
abgebildet wird und daß die Beziehung der
Linien durch die Scheimpflug-Bedingung
gegeben ist,
Fig. 4 ein Triangulationsvermessungssystem,
das die Scheimpflug-Bedingung erfüllt,
und die bekannten Systemparameter,
aus denen die Standoff-Entfernung, die
Schärfentiefe und das
Entfernungsauflösungsvermögen berechnet
werden, und umgekehrt,
Fig. 5 eine schematische Draufsicht und
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der tiefenvariablen Vermessungskamera,
die
den Gegenstand der oben erwähnten weiteren
US-A 49 63 017 der Anmelderin
bildet,
Fig. 6a und 6b die Umkonfiguration des in Fig. 5 gezeigten
Systems zum Messen der Entfernung zu
fernen und nahen Objekten,
Fig. 7 einen X-Y-Scanner, der bei Vermessungssystemen
verwendbar ist,
Fig. 8 das Abtasten eines Objekts unter Verwendung
der tiefenvariablen Vermessungskamera,
Fig. 9 das Abtasten eines Objekts unter Verwendung
der tiefenvariablen Vermessungskamera
und das Erzeugen eines Bildes aus
den während des Abtastvorganges erzielten
Daten,
Fig. 10 eine erste Schärfentiefe und einen ersten
Feldwinkel für die tiefenvariable Vermessungskamera,
Fig. 11 eine zweite Schärfentiefe und einen zweiten
Feldwinkel für die tiefenvariable
Vermessungskamera,
Fig. 12 ein Zoom- oder Vario-Objektiv als Teil
einer tiefenvariablen Vermessungskamera,
Fig. 13a und 13b das Abtasten unter Verwendung der in Fig.
12 gezeigten Kamera,
Fig. 14 die geometrische Konfiguration eines Vermessungssystems,
Fig. 15a-15c Komponenten einer tiefenvariablen Vermessungssystemkamera
mit Echtzeitfleckgrößenregelung,
Lichtwellenleiterbanddetektor
und umlaufendem Polygon zum Abtasten
der Lichtwellenleiter,
Fig. 16 eine tiefenvariable Vermessungskamera mit
Echtzeitfleckengrößenregelung, Lichtwellenleiterbanddetektor
und codierter Scheibe
zum Abtasten der Lichtwellenleiter,
Fig. 17 den Betrieb einer Codiererscheibe,
Fig. 18 eine Ausführungsform einer Codiererscheibe,
Fig. 19a und 19b weitere Ausführungsformen einer Codiererscheibe,
Fig. 20 einen zulässigen Betriebsbereich für die
Spiegelwinkelgeschwindigkeit,
Fig. 21 eine Blockschaltbilddarstellung von
Steuereinrichtungen des in Fig. 15 gezeigten
Kamerasystems und
Fig. 22 ein Blockschaltbild einer in Fig. 21 gezeigten
Synchronisiertorschaltung.
Ein Punktentfernungsmesser, der in der Lage ist, eine einzelne
Entfernungsmessung durchzuführen, ist in Fig. 4 gezeigt.
In diesem Triangulationsvermessungssystem befindet
sich eine Abbildungslinse 15 an einem festen Ort relativ zu
einem Laser 16 und einem linearen Detektor 17, die beweglich
und so positioniert sind, daß die Scheimpflug-Bedingung
erfüllt und gewährleistet ist, daß alle Flecken des
von dem Objekt 18 reflektierten Lichtes auf dem Detektor
scharf sind. Das Laserbündel 19 bildet einen Winkel A mit
der Horizontalen, den Triangulationswinkel in dieser Konfiguration.
Die Abbildungslinse 15 hat eine Brennweite f und
Brennpunkte 20, und die Triangulationsbasis B des Systems
wird ab dem Mittelpunkt der Linse längs einer Ebenenachse
21, die sich durch die Linse erstreckt, zu dem Punkt 22 gemessen,
wo sich das Laserbündel und die Ebenenachse schneiden.
Eine Bildlinie 23, die sich longitudinal durch den
Photodetektor 17 erstreckt, schneidet die Ebenenachse 21
und das Laserbündel 19 in dem gemeinsamen Punkt 22 gemäß
der Scheimpflug-Bedingung. Die Standoff-Entfernung, die
Schärfentiefe und das Entfernungsauflösungsvermögen in einem Punkt
innerhalb der Schärfentiefe sind berechenbare
Funktionen des Triangulationswinkels, der Triangulationsbasis,
der Linsenbrennweite, der Detektorlänge und effektiven
Körnigkeit oder Granularität und der Detektorposition längs
der Bildlinie, wie es in Fig. 4 gezeigt ist.
Beliebige zwei von diesen drei Systemleistungsmeßwerten
oder -parametern können gewählt und daraus bestimmt werden,
wie die Systemgeometrie sein muß, wenn eine bestimmte Linse
und ein bestimmter Photodetektor gegeben sind. Das gilt für
andere Ausführungsformen des Vermessungssystems, zu denen
eine Ausführungsform gehört, bei der die ein Lichtbündel
emittierende Komponente fest ist und die Abbildungslinsen-
und die Photodetektorkomponente beweglich sind, und eine
weitere Ausführungsform, bei der der Photodetektor an einem
festen Ort ist und die Abbildungslinsenkomponente und die
ein Lichtbündel emittierende Komponente beweglich sind.
Der Begriff Schärfentiefe, wie er hier benutzt wird, bezieht
sich auf einen Bereich von Entfernungen, in welchem
ein System eine zufriedenstellende Auflösung liefern kann.
Der Begriff Standoff-Entfernung, wie er hier benutzt wird,
bezieht sich auf eine Entfernung von einem Referenzpunkt an
der Kamera, wie z. B. dem Mittelpunkt der Linse in Fig. 4,
zu einer nächstgelegenen Objektoberfläche, die gemessen
werden kann. Der Begriff Entfernungsauflösungsvermögen, wie
er hier benutzt wird, bezieht sich auf das Auflösungsvermögen
in irgendeinem bestimmten Punkt innerhalb der Schärfentiefe.
Bei dem Einzelpunktentfernungsmesser, der in Fig. 4
gezeigt ist, diktiert die Position des unteren Endes des
Detektors 17 die Standoff-Entfernung, wogegen die Position
des oberen Endes des Detektors 17 den maximalen Entfernungswert
diktiert, und die Entfernung zwischen dem minimalen
und maximalen Bereichswert ist die Schärfentiefe. Das
Entfernungsauflösungsvermögen nimmt dann monoton variierende
Werte innerhalb der Schärfentiefe auf der Basis der
Anzahl von Pixelelementen in dem Detektor und seiner Länge
an. Das Entfernungsauflösungsvermögen ist über der gesamten
Schärfentiefe nicht konstant, sondern ist für das Nahfeld
feiner als für das Fernfeld. Wenn der Detektor vertikaler
wird, wird das Auflösungsvermögen zunehmend feiner, und die
Schärfentiefe ist kleiner. Die Beziehung und die Wechselwirkung
zwischen diesen drei Leistungsparametern dürfte dem
Fachmann klar sein.
Die tiefenvariable Vermessungskamera nach Fig. 5 ist in
Echtzeit umkonfigurierbar und ist ein System, das eine kontinuierlich
variable Standoff-Entfernung und Schärfentiefe
sowie ein kontinuierlich variables Entfernungsauflösungsvermögen
gestattet, ohne daß Bauteile ausgetauscht werden
müssen. Ein Scanner 24 ist üblicherweise vor dem tiefenvariablen
Triangulationsvermessungssystem 25 angeordnet, um
den Lichtstrahl und die Sichtachse in irgendeine beliebige
Richtung zur beliebigen Zielentfernungserfassung zu richten
oder, wenn der Lichtstrahl über einem Bereich abgelenkt
wird, volle Felder von Daten zu erzielen. Ein Systemgeometrie-
und Vermessungscomputer 26 führt die notwendigen Berechnungen
aus, einschließlich der Berechnung der Entfernung
aus empfangenen Photodetektorsignalen. Algorithmen
sind vorgesehen, um die Systemgeometrie zu bestimmen, wenn
die Leistungserfordernisse, die Linsenbrennweite und das
Detektorauflösungsvermögen gegeben sind.
Eine Abbildungslinse 27 ist an einem festen Ort auf der Basis
der Vorrichtung befestigt. Die Abbildungslinsenkomponente
kann, statt eine einzelne Linse zu sein, ein Linsensystem
sein, das eine effektive Ebenenachse hat. Die ein
Lichtbündel emittierende Vorrichtung besteht aus einem Laser
28 und aus einem in der Ausrichtung variablen Spiegel
29 zum Ändern des Triangulationswinkels des Laserbündels
30. Der Spiegel 29 ist in dieser Draufsicht vertikal und
befindet sich auf einer Drehstufe 31. Der Laser 28 und eine
Basis 32 für die Drehstufe sind auf einem Bauteil 33 befestigt,
das seinerseits auf einem motorisch angetriebenen
Linearschieber 34 abgestützt ist. Die Bewegung der ein
Lichtbündel emittierenden Vorrichtung in der Y-Richtung
stellt die Triangulationsbasis des Systems ein. Eine X-, Y-
Stufenanordnung ist vorgesehen zum einstellbaren Positionieren
des Photodetektors 35, der eine Lateraleffektphotodiode,
eine lineare Matrix, ein Zeilenabtastsensor oder ein
positionsempfindlicher Photovervielfacher mit zugeordneter
Elektronik sein kann. Der Detektor befindet sich auf einer
Drehstufe 36, die auf einer Grundplatte 37 abgestützt ist.
Ein Bauteil 38 trägt diese Vorrichtung, führt eine Linearbewegung
in X-Richtung aus und ist auf einem motorisch
angetriebenen Linearschieber 39 für die Bewegung in der X-
Richtung befestigt. Einzelheiten der Linear- und Drehstellantriebe
in einem solchen System sind nicht dargestellt, da
sie dem Fachmann bekannt sind.
Die Fig. 6a und 6b zeigen das tiefenvariable Triangulationsvermessungssystem
25 in der Einzelpunktentfernungsmesserkonfiguration
und außerdem, wie das System sich geometrisch
selbst umkonfiguriert, um die verlangte Leistung zu
erbringen. Diese Figuren veranschaulichen, daß Entfernungsdaten
aus einer unendlichen oder großen Schärfentiefe mit
geringem Auflösungsvermögen erzielt werden können und daß
dann Daten mit sehr feinem Auflösungsvermögen in interessierenden
Gebieten erzielt werden können, indem einfach die
Geometrie der Vorrichtung verändert wird. In beiden Konfigurationen
schneiden sich das Laserbündel 30, die Ebenenachse
40 der Abbildungslinsenkomponente und eine Bildlinie
41 in Längsrichtung durch den Photodetektor 35 alle in einem
gemeinsamen Punkt. Das System, das so wie in Fig. 6a
konfiguriert ist, erfaßt Entfernungsdaten von einem fernen
Objekt mit geringem Auflösungsvermögen und einer großen
Schärfentiefe. Die Systemtriangulationsbasis ist klein, was
auch für den Triangulationswinkel gilt. Wenn das System so
wie in Fig. 6b konfiguriert ist, damit es eine große Triangulationsbasis
und einen großen Triangulationswinkel hat,
ist die Standoff-Entfernung klein, und Entfernungsdaten
werden von einem nahen Objekt mit hohem Entfernungsauflösungsvermögen
und geringer Schärfentiefe erzielt.
Fig. 7 ist ein Diagramm der tiefenvariablen Vermessungskamera,
das ausführlicher die Abtasteinrichtung 24 zeigt. Die
Abtasteinrichtung oder der Scanner 24 hat einen Satz Spiegel
zum Biegen der optischen Ebene aufwärts und abwärts sowie
vor und zurück. Die dargestellte Abtasteinrichtung hat
zwei Spiegel 69 und 70 zum Ablenken eines Laserbündels 71
in orthogonalen Richtungen. Der Spiegel 69 ist in dieser
Draufsicht nahezu vertikal und wird um eine Achse geschwenkt,
die zur Basis 72 rechtwinklig ist. Durch das
Schwenken dieses Spiegels wird das Laserbündel längs einer
Richtung abgelenkt, um das Objekt längs einer Linie abzutasten.
Der zweite Spiegel 70 ist in der Draufsicht nahezu
horizontal und schwenkt um eine longitudinale Achse, um das
Laserbündel in der orthogonalen Richtung abzulenken. Beide
Spiegel werden benutzt, um einen Bereich abzutasten, z. B.
durch Abtasten längs einer Linie, und dann in der rechtwinkeligen
Richtung für eine kurze Strecke und längs einer zu
der ersten Linie parallelen Linie, usw.
Ein tatsächlicher Systembetrieb ist üblicherweise folgener:
- 1. Der Benutzer oder ein Computer bestimmt Leistungsziele und gewünschte Werte von zwei der folgenden drei: Standoff-Entfernung, Schärfentiefe und Entfernungsauflösungsvermögen in einem Punkt innerhalb der Schärfentiefe.
- 2. Der Computer führt Berechnungen durch, um festzustellen, ob die Ziele erreicht werden können.
- 3. Wenn diese Ziele erreicht oder überschritten werden können, berechnet der Computer 26 die erforderliche optimale Systemgeometrie auf der Basis von früherer Information über die Linsenbrennweite, die empfindliche Detektorlänge und das effektive Detektorauflösungsvermögen.
- 4. Linear- und Drehstellantriebe werden in dem tiefenvariablen Triangulationsvermessungssystem 68 positioniert, um die Systemgeometrie einzustellen.
- 5. Entfernungsdaten werden gewonnen, indem der Laser gespeist wird, die Abtasteinrichtung 24 betätigt wird und der Detektor abgelesen wird. Empfangene Photodetektorsignale werden einer geeigneten Verstärkungsausrüstung zugeführt, aufbereitet, digitalisiert und abgespeichert.
- 6. Entfernungswerte werden in dem Computer 26 aus den gespeicherten Daten, der bekannten Systemgeometrie und geeigneten Eichtabellen berechnet.
Die tiefenvariable Vermessungskamera kann in vielfältigen
Umgebungen für viele Zwecke benutzt werden. Das Arbeitsvolumen,
d. h. das abzutastende Volumen kann für viele Fälle
definiert und maßgeschneidert werden. Ein Vermessungsfall
ist eine berührungsfreie Präzisionsmeßvorrichtung zur Prüfung
von Präzisionsflugzeugtriebwerksteilen. Es gibt eine
Vielfalt von automatisierten Rendezvous- und Andockfällen.
Diese Vorrichtung ist immer dort brauchbar, wo berührungsfreie
Entfernungsinformation verlangt wird, insbesondere
wenn die Information eine dynamische Systemkonfiguration
erfordert, um sie auf interessierende Gebiete zu fokussieren.
Die Konfiguration der tiefenvariablen Vermessungskamera,
wie sie bis zu diesem Punkt erläutert worden ist, eignet
sich für Fälle, in denen der Abstand zwischen Linse und Detektor
zum Erfüllen der Scheimpflug-Bedingung kurz ist. Zum
Beispiel und gemäß Fig. 8 wird ein Vermessungssystem 76 gemäß
der Scheimpflug-Bedingung konfiguriert und hat einen
Laser 78, eine Linse 80 und einen Detektor 82. Die Kamera
ist gemäß der Darstellung konfiguriert zum Erzeugen eines
Bildes eines Objekts 84 auf einem Sockel 86. Wie dargestellt
wird das von dem Laser 78 emittierte Bündel auf das
Objekt 84 gerichtet, und ein entsprechendes Bild eines fokussierten
Flecks auf dem Objekt wird zur Linse 80 und auf
den Detektor 82 reflektiert.
Das Erzeugen eines Bildes des Objekts 84 ist in Fig. 9 gezeigt,
in der ein Bild 88 auf einem Bildschirm 90 gezeigt
ist. Fig. 10 zeigt das Kamerasystem, das so konfiguriert
ist, daß es eine große Schärfentiefe hat. Wenn die Kamera
76 so konfiguriert ist, daß sie eine große Schärfentiefe
und große Feldwinkel hat, könnte ein Bild wie das auf dem
Bildschirm 90 gezeigte Bild erzeugt werden. Das Arbeitsvolumen
ist, wie dargestellt, durch ein Gebiet 92 begrenzt.
Fig. 11 zeigt ein Bild, das auf dem Bildschirm 90 erzeugt
werden würde, wenn die Kamera 76 so konfiguriert wäre, daß
sie ein kleines Arbeitsvolumen hat.
Zum Erleichtern eines hohen Auflösungsvermögens eines erzeugten
Bildes für variierende Schärfentiefen wie den in
den Fig. 10 und 11 dargestellten Schärfentiefen wird die
Entfernung zwischen Linse und Detektor üblicherweise verändert,
wie es dargestellt ist, indem die Linse-Detektor-Entfernungen
verglichen werden, die in den Fig. 6a und 6b gezeigt
sind. Bei einigen Linsenbrennweiten ist jedoch die
verlangte Linse-Detektor-Entfernung nicht möglich, um die
Vermessungskamera in einer praktischen Größe zu erzielen
zu halten. Beispielsweise kann die Linse-Detektor-Entfernung
in einigen Fällen mehr als 3 m (10 Fuß) betragen.
Zum Lösen des Problems einer ungeeigneten Linse-Detektor-
Entfernung kann die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform
benutzt werden. In der in Fig. 12 gezeigten Ausführungsform
hat eine tiefenvariable Vermessungskamera 100 einen Laser
102, ein Vario- oder Zoom-Objektiv 104 und einen Detektor
106. Sowohl das Zoom-Objektiv als auch der Detektor sind
auf einem Drehteller 108 befestigt. Der Detektor 106 ist
auf einer Drehstufe 110 befestigt, so daß die relative Ausrichtung
des Detektors zum Zoom-Objektiv ebenfalls eingestellt
werden kann. Das Zoom-Objektiv 104 kann ein im Handel
erhältliches Objektiv sein, wie z. B. ein Fujinon
C14X25MO3 mit Motorzoom-, -fokus- und -irisobjektiv. Dieses
Objektiv kann selbstverständlich modifiziert werden, beispielsweise
durch Entfernen von mechanischen Anschlägen, um
den Fokussierbereich, den Zoombereich usw. zu vergrößern.
Die Verwendung des Zoomobjektivs 104 setzt voraus, daß die
Schärfentiefe des Systems 100 eingestellt werden kann und
die Scheimpflug-Bedingung erfüllt wird, indem einfach das
Zoomobjektiv 104, der Drehteller 108 und die Drehstufe 110
eingestellt werden. Diese Konfiguration eliminiert deshalb
die Notwendigkeit, die Entfernung zwischen Objektiv und Detektor
für Fälle innerhalb des Arbeitsbereiches des Zoomobjektivs
104 einzustellen. Gemäß der Darstellung in Fig. 12
kann die Schärfentiefe der Kamera 100 beispielsweise so
breit wie die Schärfentiefe sein, die durch Linien 112a und
112b begrenzt wird, oder kann so klein sein wie die Schärfentiefe,
die durch Linien 114a und 114b begrenzt wird.
Wichtig ist, daß in der in Fig. 12 dargestellten Konfiguration
die Scheimpflug-Bedingungen noch erfüllt werden können,
um das Erzeugen von fokussierten Bildern des von dem
Ziel reflektierten Flecks in dem gesamten Arbeitsvolumen zu
erleichtern.
Mit dem Zoomobjektiv 104 wird die Scheimpflug-Bedingung experimentell
bestimmt. Der Zoom, d. h. die Systemschärfentiefe
und die Ausrichtung des Zoomobjektivs 104 werden zuerst
eingestellt. Dann wird ein Objekt in dem Schnittpunkt
der optischen Achse des Zoomobjektivs und der Laserbündelachse
plaziert. Der Brennpunkt des Zoomobjektivs wird dann
so eingestellt, daß das engste, d. h. schärfste Bild des reflektierten
Flecks auf dem Detektor gebildet wird. Da das
Objektiv in dem Schnitt der optischen Achse und der Bündelachse
ist, sollte das Bild in dem Mittelpunkt des Detektors
gebildet werden. Der Detektor wird dann so gedreht, daß außerhalb
der Achse gelegene Bilder auf dem Detektor ebenfalls
scharf sind. Nachdem der Detektor so eingestellt worden
ist, daß alle Fleckbilder in der gesamten Schärfentiefe
scharf sind, bedeutet dieser Zustand notwendigerweise, daß
die Scheimpflug-Bedingungen erfüllt sind. Es gibt konkurrierende
Forderungen in jedem Fall, und ein Systembenutzer
muß eine "optimierende" Wahl treffen, die alle Zwänge vernünftig
gut berücksichtigt. Die Zwänge beinhalten Zoomobjektivfeldwinkel
und Triangulationsbasiskonfigurationen.
Das Zoomobjektiv, das benutzt wird, ist ein 14 : 1-Zoomobjektiv,
das in der Lage ist, bis zu einer Nähe von 60 cm (2
Fuß) zu fokussieren. Das ist ein f/3,5-Objektiv mit variabler
Brennweite von nominell 25-350 mm, einem Fokussierbereich,
nach dem Entfernen von in der Fabrik angebrachten
mechanischen Anschlägen, von 60 cm (2 Fuß) bis 15 m (50
Fuß) und einem Zoomfeldwinkel von 2°38′ bis 35°29′. Der effektive
Feldkegelscheitel liegt innerhalb der Objektivvorrichtung
und könnte ungefähr 60 cm (2 Fuß) entfernt von der
Laserachse plaziert werden, was eine "Triangulationsbasis"
von etwa 60 cm (2 Fuß) bedeutet. Bei vollem Feldwinkel von
35,5° sollte die Schärfentiefe bei kürzester Standoff-Entfernung
(60 cm oder 2 Fuß) 3,02 m (9,9 Fuß) betragen. Das
heißt, wenn das Objektiv bei vollem Feldwinkel benutzt wird
und die naheste Entfernungsablesung bei 60 cm (2 Fuß) ist,
wird die entfernteste Ablesung bei 3,63 m (11,9 Fuß) sein.
Wenn das Auflösungsvermögen gleichmäßig verteilt wäre,
würde es von 610 bis 1219 µm (24 bis 48 mils) reichen, je
nachdem, ob 4096 oder 2048 Abtastproben pro Entfernungsablesung
geliefert werden können. Das tatsächliche
Auflösungsvermögen wird besser nahe 60 cm (2 Fuß) und
schlechter bei 3,66 m (12 Fuß) sein. Wenn das Feld am
schmalsten ist und das Objektiv auf 60 cm (2 Fuß) Standoff-
Entfernung ausgerichtet ist, sollte die Schärfentiefe 5,84
cm (2,3 Zoll) betragen. In diesem Fall wird das Auflösungsvermögen
innerhalb der gesamten Schärfentiefe ziemlich konstant
sein und von 15,24 bis 27,94 µm (0,6 bis 1,1 mils)
reichen. Wenn das Objektiv statt dessen für größte
Standoff-Entfernung ausgerichtet ist, bei größter
Entfernungsablesung von 3,05 m (10 Fuß), wäre die Schärfentiefe
58,42 cm (23 Zoll), d. h. die Ablesungen würden von
2,47 m (8 Fuß 1 Zoll) bis 3,05 m (10 Fuß) reichen. Das Auflösungsvermögen
liegt in dem Bereich von 152,4 bis 279,4 µm
(6 bis 11 mils).
Gemäß den Fig. 13a und 13b, auf die nun Bezug genommen
wird, weist eine Kamera 100 ein Abtastspiegel 116 und
eine Horizontalabtastachsensteuereinrichtung 118 auf. Fig.
13b zeigt eine Seitenansicht der in Fig. 13a dargestellten
Ausführungsform. Gemäß der Darstellung in den Fig. 13a und
13b ist der Abtastspiegel 116 drehbar befestigt und kann um
wenigstens 45° relativ zu einem Laser 102 gedreht werden.
Die Horizontalabtaststeuereinrichtung 118 ermöglicht, das
gesamte System einschließlich des Abtastspiegels um 360° zu
drehen. In einer tatsächlichen Ausführung wird der Spiegel
auf ±45° Drehung, d. h. 90° insgesamt, begrenzt. Durch Vorsehen
dieser Drehung kann das System 100 benutzt werden, um
ein Objekt abzubilden, das in irgendeiner Position angeordnet
ist.
Unter Bezugnahme auf die Systemgeometrie einschließlich des
Zoomobjektivs und unter Bezugnahme auf Fig. 14 werden die
Gleichungen erläutert, die die Geometrie zur Standoff-Entfernung
(SO), zur Schärfentiefe (DOF) und zum Auflösungsvermögen
längs der optischen Achse des Objektivs in Beziehung
setzen. Die interessierende Achse ist die Laserbündelachse,
d. h. 1-b-a, und die Gleichungen für SO, DOF und das
Auflösungsvermögen als Funktion der Geometrie sind folgende.
Für beliebiges x gelten folgende Gleichungen:
wobei
L = L₁ - s (2)
Also,
und
Ω = π - Ψ - Φ (8)
wobei
Φ = R + ζ (9).
Eine einfache Linse wird nicht gleichzeitig eine Schärfentiefe
von 60 cm bis 3 m (2′ bis 10′) und ein hohes Auflösungsvermögen
gestatten und eine akzeptable Linse-Detektor-
Entfernung (ti) und einen akzeptablen Detektorwinkel ψ ergeben.
Das heißt, aus den Gleichungen ist zu erkennen, daß
eine kleine Standoff-Entfernung ein unakzeptabel großes ti
erfordert. Ein ausgeklügelteres Linsensystem vereinfacht
die mechanischen Anforderungen an die Positionierung der
optischen Elemente beträchtlich.
Die Verwendung des Zoomobjektivs mit variabler Brennweite
beseitigt dieses Problem. Das beste Auflösungsvermögen wird
mit einem gegebenen Zoomobjektiv bei minimalem Feldwinkel
(maximalem Zoom) und Rechtwinkeligkeit zwischen optischer
Achse und Laserbündel erreicht. Das ergibt auch die gleichmäßigste
Verteilung des Auflösungsvermögens innerhalb der
Schärfentiefe. Diese Anordnung mag nicht in allen Fällen
praktisch sein, da sich Ziele in einer beträchtlichen Entfernung
von dem System befinden können, so daß sich eine
gewisse Beschränkung der Objektivausrichtung bei gegebenem
Feldwinkel ergibt.
Das Minimieren der Triangulationsbasis, wenn ein Zoomobjektiv
wie oben erläutert benutzt wird, ergibt ebenfalls ein
größeres Auflösungsvermögen, weil der Feldkegel den Laserstrahl
längs einer kürzeren Linie schneidet. Ein erstes
Problem ist jedoch das Fokussieren in kurzen Entfernungen
mit einem Zoomsystem. Eine Möglichkeit, das zu erreichen,
besteht darin, der Detektorposition zu gestatten, längs der
optischen Achse des Objektivs zu variieren, was mit Komplexität
verbunden ist. Ein weiteres Problem ist, daß, je näher
das Objektiv bei dem Laserstrahl ist, umso ungleichmäßiger
die Verteilung des Auflösungsvermögens innerhalb einer
gegebenen Schärfentiefe ist. Das wird deutlich klar bei
großer Standoff-Entfernung und großer Schärfentiefe. Diese
konkurrierenden Zwänge sollten für jeden Fall "optimiert"
werden.
Fig. 15a zeigt eine tiefenvariable Vermessungssystemkamera
150 mit einer Echtzeitfleckgrößenregeleinrichtung 152 und
einem Lichtwellenleiterbanddetektor 154. Die Kamera 150
weist außerdem einen Laser 156 und eine Linse 158 auf, die
auf X,Y-Stufen 160 bzw. 162 montiert sind. Die Linse könnte
selbstverständlich fest sein. Der Detektor 154 ist auf einer
Drehstufe 164 montiert. Der Lichtwellenleiterdetektor
154 weist ein Lichtwellenleiterbündel 166 auf, das an seinem
Ausgangsende 168 innerhalb einer Abtasteinheit 170 angeordnet
ist. Die Abtasteinheit 170 weist einen Polygonspiegel
172 auf, der drehbar angeordnet und mit dem
Lichtwellenleiterbündelausgangsende 168 ausgerichtet ist,
und eine Photovervielfacherröhre 174. Eine Fokussierlinse
176 und eine Präzisionsschlitzblende 177 sind zwischen dem
Polygonspiegel 172 und der Röhre 174 angeordnet. Die Röhre
174 ist mit einem Computer 178 verbunden, der seinerseits
mit einem Bildschirm 180 verbunden ist.
Im Betrieb und zum Abbilden eines Objekts 182 emittiert der
Laser 156 ein Bündel 184. Das Bündel 184 wird durch den
Echtzeitfleckgrößenregler 152 empfangen. Der Regler 152 fokussiert
das Bündel 184 auf das Objekt 182. Ein Bild des
Brennflecks 186 wird durch die Linse 158 empfangen und auf
den Detektor 154 fokussiert. Licht, das auf den Detektor
154 fokussiert wird, wird über das Lichtwellenleiterbündel
166 übertragen und an dem Ausgangsende 168 emittiert. Wenn
sich der Polygonspiegel 172 dreht, tastet er das Ausgangsende
168 des Lichtwellenleiterbündels ab und reflektiert
Licht durch die Fokussierlinse 176 und die Schlitzblende
177 in die Photovervielfacherröhre 174. Die Photovervielfacherröhre
174 erzeugt ihrerseits ein Signal, das
durch den Computer 178 interpretiert wird.
Die Kamera 150 kann einen Abtastkopf 190 aufweisen, der benutzt
wird, um die Richtung des Bündels 184 und die Reflexion
des fokussierten Flecks 186 zu steuern. Der Abtastkopf
kann der gleiche Mechanismus sein wie der in den Fig. 13a
und 13b gezeigte Abtastmechanismus.
Der Echtzeitfleckgrößenregler kann ein im Handel erhältlicher
Regler sein wie z. B. der General Scanning Linear
Translater (Linearumsetzer) LT1320A, der von General Scanning,
Watertown, MA, erhältlich ist. Durch Aufrechterhalten
einer kleinsten Größe des Brennflecks auf dem Objekt 186
werden das Auflösungsvermögen und die Genauigkeit, mit der
die Linse 158 und der Detektor 154 reflektiertes Licht von
dem Ziel sammeln können, verbessert. Der Echtzeitregler ist
dynamisch, denn die Brennfleckgröße kann in Echtzeit und
während eines Abtastvorganges verändert werden. Ein Laser,
der für Entfernungsmeßvorgänge benutzt wird, hat üblicherweise
einen endlichen Bündeldurchmesser auf seiner gesamten
Länge, und der Durchmesser ändert sich konstant, ausgenommen
an einer Stelle BW, die als Bündeleinschnürung (beam
waist) bezeichnet wird und in Fig. 15b gezeigt ist. Der
Durchmesser des Bündels ist an der Stelle der Bündeleinschnürung,
minimal. In Vermessungsfällen ist der Teil des
Bündels, der benutzt werden kann, das Doppelte der
Rayleigh-Länge RL, zentriert, um die Bündeleinrichtung, wo
die Rayleigh-Länge gleich (πdo²)/4 λ ist, wobei do der Bündeldurchmesser
an der Einschnürung und λ die Lichtwellenlänge
ist. Außerhalb der Rayleigh-Länge weitet sich das
Bündel mit großer Geschwindigkeit bei kleiner Bündeleinschnürung
auf, und das Ergebnis ist ein großer Fleck auf
dem Ziel. Eine genaue Messung außerhalb der Rayleigh-Länge
ist schwierig, wenn nicht gar unmöglich.
Gemäß der ausführlicheren Darstellung in Fig. 15c wird als
Linearumsetzer oder -verschieber 152 das Modell LT1320A von
General Scanning verwendet, in welchem eine feste Linse 192
und eine Linse 194, die sich mit einem galvanometergetriebenen
Schlitten 196 verschiebt, benutzt. Der Umsetzer 152
hat einen nutzbaren Hub von etwa 7,62 mm (0,3 Zoll) und
liefert Fleckgrößen von weniger als 254 µm (10 mils oder
0,010″) über einem Bereich von etwa 60 cm (2 Fuß) bis 3,35
m (11 Fuß). Die Fleckgröße oder der Einschnürungsdurchmesser
und dessen Entfernung von dem letzten optischen Element
in der mit zwei Linsen versehenen Optik des Umsetzers 152
stehen in Beziehung zu den Linearbrennweiten und deren
relativem Abstand, und durch Steuern des Abstands kann die
Bündeleinschnürungsposition längs der Bündelachse gesteuert
werden. Eine feste negative 4-mm-Linse gefolgt von einer
bewegbaren positiven 81-mm-Linse, konfiguriert gemäß der
Darstellung in Fig. 15c, ergibt einen Bereich von etwa 3 m
(10 Fuß) der Einschnürungspositionierung bei Fleckgrößen
von weniger als etwa 254 µm (10 mils) über der zulässigen
Linsenbewegung von 7,62 mm (0,3 Zoll).
Es gibt zwei Möglichkeiten, die in Fig. 15c gezeigte Konfiguration
zu benutzen. Die erste erfordert, daß die bewegliche
Linse an einem Hubende positioniert ist und bewegt
wird, während die Gestalt der fokussierten Reflexion auf
dem positionsempfindlichen Lichtdetektor überwacht wird.
Wenn die Reflexion das engste Profil hat, d. h., wenn die
Breite der Reflexion ein Minimum ist, ist das Bündel am
schärfsten. An diesem Punkt erfolgt eine Entfernungsmessung,
Diese Möglichkeit ist zwar ziemlich zuverlässig,
sie kann jedoch etwas langsam sein, und zwar wegen der
Zeit, die es dauert, um die Fokussierlinse zu drehen, bis
sich der engste Brennpunkt ergibt.
Die zweite Möglichkeit mag zwar etwas weniger zuverlässig
sein, ist aber viel schneller. Der Umsetzermodul wird geeicht,
um die Linsenposition in Beziehung zu setzen zum gemessenen
resultierenden Bündeleinschnürungsort, und es wird
eine Suchtabelle erstellt. Im Gebrauch wird die Einschnürung
in dem bekannten Mittelpunkt des Schärfentiefenbereiches
für das Vermessungssystem positioniert, und die
Vermessung wird begonnen. Der jüngste Entfernungswert wird
zusammen mit der Suchtabelle benutzt, um die Einschnürung
für die nächste Entfernungsablesung zu positionieren. Die
Einschnürungsposition wird immer um ein Entfernungselement
(engl. "range element" oder abgekürzt "rangel") zurück
sein, aber bei den meisten "wohlerzogenen" skulpturierten
Oberflächen wird die Oberfläche trotzdem innerhalb dem Doppelten
der Rayleigh-Länge sein, und es wird sich eine
kleine Fleckgröße ergeben. Die Technik versagt bei
Sprungdiskontinuitäten in der Oberfläche und bei denjenigen
Gebieten auf der Oberfläche, wo der Entfernungsgradient zu
groß ist. Diese Situation kann gemeistert werden, indem ein
gewisses Maß der Reflexionssignalform überwacht wird, also
z. B. die Breite in dem "Halbes Maximum"-Punkt, und diejenigen
Ablesungen festgehalten werden, bei denen die Messung
einen gewissen Schwellenwert übersteigt. Durch Zurückleiten
der festgehaltenen Orte und Verwenden der Ablesungen zum
Positionieren des Umsetzers können mehr Ablesungen vorgenommen
werden. An diesem Punkt sollte sich ein eng fokussiertes
Bündel auf der Zieloberfläche ergeben, und infolgedessen
sind gute Entfernungsablesungen möglich.
Es wird nun wieder auf Fig. 15a Bezug genommen. Der Lichtwellenleiterdetektor
154 erleichtert ein großes Auflösungsvermögen
und eine große Genauigkeit, um die Empfindlichkeit
des Gesamtsystems zu verbessern. Der Detektor 154 kann eine
relativ große Anzahl von Erfassungselementen, d. h. Lichtwellenleitern,
aufweisen. Zum Maximieren der Lichtempfindlichkeit
und des Dynamikbereiches wird ein 25,4 mm (1 Zoll)
breites und 1,6 mm (1/16 Zoll) dickes Band aus kohärenten
Lichtwellenleitern benutzt, das aus 10-µ-Lichtwellenleitern
besteht. Diese Lichtwellenleiter haben eine numerische
Apertur von 0,66, was einen vollen Lichtakzeptanzkegel von
82° bedeutet. Das andere Ende des Lichtwellenleiterbandes
befindet sich in einem Gehäuse, wo es auf eine Lichtmusterinformation
hin abgetastet werden kann, wie es im folgenden
beschrieben ist.
Die Lichtwellenleiter übertragen das fokussierte Licht zu
dem drehbaren Polygonspiegel 172, der sich auf gesteuerte
Weise und in einer zeitgerechten Folge dreht. Wenn sich der
drehbare Polygonspiegel 172 dreht, tastet er das Ausgangsende
168 des Lichtwellenleiterbündels ab. Die Drehgeschwindigkeit
des sich drehenden Polygonspiegels 172 bewirkt,
daß ein zeitgerechtes Lichtsignal an die Photovervielfacherröhre
174 abgegeben wird. Die Röhre 174 kann eine
Photovervielfacherröhre vom Typ Hamamatsu sein. Mehr Einzelheiten
bezüglich der besonderen Steuereinrichtungen sind
in folgenden angegeben.
Fig. 16 zeigt eine weitere Ausführungsform einer tiefenvariablen
Vermessungskamera 200. Die Kamera 200 weist einen
Echtzeitfleckgrößenregler 202 auf, einen Lichtwellenleiterdetektor
204, ein Lichtwellenleiterbündel 206
und ein Zoomobjektiv 208. Das Zoomobjektiv 208 ist auf einer
linearen, angelenkten Stufe 210 montiert, die um einen
Stift 212 drehbar ist. Das Zoomobjektiv 208 könnte selbstverständlich,
statt auf einer linearen Stufe montiert zu
sein, auf einem Drehteller montiert sein. Der Lichtwellenleiterdetektor
204 ist auf einer Drehstufe 214 montiert.
Die Arbeitsweise der Kamera 200 stimmt mit der Kamera
150 nach Fig. 15 im wesentlichen überein. Die Kamera 200
hat jedoch ein Zoomobjektiv 208, das oben mit Bezug auf die
Fig. 12, 13a und 13b beschrieben worden ist. Die in Fig. 16
dargestellte Ausführungsform weist außerdem eine Lichtwellenleiterabtasteinheit
250 auf. Die Abtasteinheit 250 weist
eine Codierscheibe 252, eine Photovervielfacherröhre 254
und einen Lichtleiter 256 auf. Das Ausgangsende 258 des
Lichtwellenleiterbündels 206 ist mit der Codierscheibe 252
ausgerichtet. Eine Seitenansicht der Codierscheibe 252 ist
in Fig. 17 gezeigt. Die Codierscheibe 252 weist gemäß der
Darstellung in Fig. 18 Spiralabtastschlitze 260a-c auf.
Kurz gesagt, wenn sich die Scheibe dreht, werden die Abtastschlitze
abwechselnd mit dem Ausgangsende 258 des
Lichtwellenleiterbündels 206 ausgerichtet, und Licht, das
durch sie übertragen wird, wird gestattet, durch einen ausgerichteten
Schlitz hindurchzugehen und über den Lichtleiter
256 in die Photovervielfacherröhre 254 zu gelangen. Die
Spiralabtastschlitze bewirken, daß das Lichtwellenleiterausgangsende
258 auf zeitlicher Basis und mit konstanter
Geschwindigkeit abgetastet wird. Auf diese Weise wird ein
Zeitbasislichtsignal an die Photovervielfacherröhre 254 abgegeben,
und ein Computer 262 kann benutzt werden, die
Zeitbasissignale zu interpretieren, um ein geometrisches
oder mathematisches Computermodell und/oder auf dem Bildschirm
264 ein Bild 266 zu erzeugen. Ein Bild des fokussierten
Flecks auf einem Objekt führt, wenn es mit Entfernungseichtabellen
und der Kenntnis der orthogonalen Abtastachsenpositionen
verknüpft wird, zu dem Bild 266. Die besondere
Steuerung der in Fig. 16 dargestellten Ausführungsform
wird im folgenden beschrieben.
Fig. 18 zeigt eine ausführlichere Ansicht der Scheibe 252,
die eine "Einmal-pro-Umdrehung"-Spur 268, eine Abtasteinschaltspur
270 und eine "3600-Impulse-pro-Umdrehung"-Spur
272 aufweist. Diese Spuren sind im folgenden ausführlicher
erläutert. Aus Fig. 18 ist zu erkennen, daß, wenn sich die
Scheibe 252 dreht, jeder Schlitz 260a-c abwechselnd so angeordnet
wird, daß er gestattet, Licht aus dem Ausgangsende
258 des Lichtwellenleiterbündels 206 in die Photovervielfacherröhre
254 zu emittieren. Die Abtastspiralschlitze
sorgen dafür, daß das Lichtsignal, das an die Photovervielfacherröhre
254 abgegeben wird, eine Zeitbasis hat, d. h.
das Licht wird auf einer Zeitbasis durch das Lichtwellenleiterausgangsende
258 über die Codierscheibe 252 in den
Lichtleiter 256 gesendet.
Fig. 19a zeigt eine weitere Ausführungsform einer Codierscheibe
300, die benutzt werden kann. Die Codierscheibe 300
weist vier Abtastspiralschlitze 302a-d auf. Ein Lichtwellenleiterausgangsende
304 ist gezeigt, um einen Abtastvorgang
weiter zu veranschaulichen. Anhand von Fig. 19a dürfte
klar sein, daß viele Konfigurationen einer Codierscheibe
zum Ausführen eines Abtastvorganges an einem Lichtwellenleiterausgangsendbündel
in Frage kommen und benutzt werden
können.
Bei dem grundlegenden Abtasten gehen transparente Abtastschlitze
über die Bündelstirnseite hinweg, vorzugsweise mit
einer konstanten Geschwindigkeit. Die Schlitze sollten
ziemlich nahe bei dem Lichtwellenleiterende angeordnet sein
(etwa 127 bis 254 µm (5 bis 10 mils), und jedes Licht, das
durch einen Schlitz übertragen wird, kann z. B. durch einen
Lichtleiter zu einer Photovervielfacherröhre geleitet werden.
Das zeitliche Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre
ist das elektrische Analogon des räumlichen
Lichtmusters auf dem Lichtwellenleiterband. Das Photovervielfacherröhrenausgangssignal
wird dann digitalisiert und
für Entfernungsberechnungen benutzt.
Fig. 19b zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer Codierscheibe
310 mit radialen Schlitzen 312a-d. Ein Ausgangsende
314 eines Lichtwellenleiterbündels ist gezeigt.
Wenn ein radialer Schlitz bei der Codierscheibe benutzt
wird, wie es in Fig. 19b gezeigt ist, ist, wenn sich die
Codierscheibe dreht, die Geschwindigkeit, mit der sich der
Schlitz über die Bandstirnseite bewegt, proportional zu
1/(cos R)². Das heißt, daß Bild des Schlitzes auf der Bandstirnseite
bewegt sich in der Nähe der Ränder des Bandes
schneller als in der Mitte. R sollte so klein wie möglich
gehalten werden, was die Verwendung einer großen Codierscheibe
bedeutet. Selbst bei einer Scheibe mit einem Durchmesser
von 15,2 cm (6 Zoll) ist jedoch der Winkel, der
durch den Schlitz vertikal zu dem Bandrand aufgespannt
wird, fast 10°, und das führt zu einer Geschwindigkeitsveränderung
von mehr als 3%.
Vorzugsweise sorgt die Codierscheibe dafür, daß gilt x=aR,
wobei x die Strecke längs der Bandstirnseite während
einer Ablenkung, R die Codierscheibenausrichtung und a eine
Konstante ist, die in Beziehung zu der Anzahl von Schlitzlinien
auf der Scheibe und der Breite des Lichtwellenleiterbandes
steht. Da gilt x=aR, steht die Abtastgeschwindigkeit
in linearer Beziehung zu der Scheibenwinkelgeschwindigkeit,
die konstant ist. Es gilt r=aR, wobei r
die radiale Position des Schlitzes bei dem Winkel R ist.
Wenn die in Fig. 18 gezeigte Scheibe im Gegenuhrzeigersinn
gedreht wird, geht die Ablenkrichtung über die Bandstirnseite
von links nach rechts. Drei Schlitze sind gezeigt,
obgleich weniger oder mehr als drei Schlitze benutzt werden
können. Bei nur zwei Schlitzen würde das Erfordernis von
nominell 150 Ablenkungen pro Sekunde eine Scheibenwinkelgeschwindigkeit
von 4500 U/min erfordern. Bei vier Schlitzen
wird die Geschwindigkeit auf 2250 U/min verringert, bei
zehn Schlitzen auf 900 U/min. Die Kompromisse sind hier die
Scheibengeschwindigkeit, die Eichtabellen für jeden Schlitz
und der Winkel, unter welchem der Schlitz die Bandstirnseite
"schneidet". Das Drehen der Scheibe mit einer annehmbaren
Geschwindigkeit, d. h. mit 2000 bis 3000 U/min, erbringt
gute Ergebnisse. Jeder transparente Schlitz wird
sich von den anderen etwas unterscheiden, wahrscheinlich
genug, um seine eigene Eichtabelle zu verlangen, weshalb
das Minimieren der Anzahl der Schlitze vorteilhaft ist.
Schließlich, je größer die Anzahl der Schlitze ist, umso
weniger orthogonal sind die Relativausrichtungen der
Schlitze und der Bandstirnseite. Das kann berücksichtigt
werden, indem das Band etwas anderes ausgerichtet und das
Schlitzentwurfsgesetz gestört wird.
Viele andere Abtastsysteme kommen in Frage und könnten benutzt
werden. Beispielsweise könnte ein Zylinder mit Längsschlitzen
benutzt werden. Eine Photovervielfacherröhre wäre
in dem Zylinder angeordnet und dem Lichtwellenleiterbündelausgangsende
zugewandt. Die Bündelausgangsendfläche könnte
maschinell bearbeitet sein, so daß sie eine gekrümmte Geometrie
hat und der zylindrischen Oberfläche des Zylinders
angepaßt ist.
Der gezeigte Lichtleiter ist einfach ein Pyramidenstumpf,
der aus vier Teilen von Frontflächenspiegelglas besteht,
das Licht längs der inneren Oberfläche reflektiert. Der
Auswahl der Winkel in dem Lichtleiter muß Aufmerksamkeit
geschenkt werden, um ein Problem zu vermeiden, das manchmal
bei dieser Lösung auftritt und speziell darin besteht, daß
es manchmal möglich ist, daß Licht sich seinen eigenen Weg
in dem Lichtleiter sucht, und zwar nur, um umzukehren und
sich zurück- und wieder hinauszubewegen. In diesem Fall muß
der Lichtleiter so konstruiert sein, daß er die Lichtstrahlen,
die aus den Lichtwellenleitern austreten, unter einem
maximalen Winkel empfängt (+/-41°).
Damit die Kamera dichte Entfernungskarten und/oder Entfernungsmessungen
an willkürlich gewählten Orten erzielen
kann, ist ein optisches Abtastuntersystem vorgesehen. Es
ist in der Lage, Entfernungsmeßmatrizen von bis zu 256×256
innerhalb eines Feldes von bis zu 90°×90° bereitzustellen.
Es ist wahrscheinlich zweckmäßig, die Matrixelemente auf
n×m zu beschränken, wobei n und m Potenzen von zwei sind.
Das heißt, Matrixgrößen können 128×64, 32×32, 16×128, usw.
sein. Der minimale Feldwinkel wird durch die Matrixgröße
und durch den Feldwinkel, der der Mindestabtastschrittgröße
zugeordnet ist, diktiert.
Die Abtastfunktion für das Bündel und das optische System
wird erfüllt, indem eine koordinierte Bewegung eines Abtastspiegels
und eine Drehung des "optischen Kopfes" ausgeführt
werden, wie es in den Fig. 13a und 13b gezeigt ist.
Der optische Kopf besteht aus dem Laser, einer
Fokussteuereinrichtung (nicht gezeigt) und der optischen
Vorrichtung (Motorzoomobjektiv und motorisch angetriebene
Lichtwellenleiterdetektorvorrichtung). Er wird am Ende
"stehen" und um die Laserbündelachse schwenkbar sein, wie
es in den Fig. 13a und 13b gezeigt ist. Der Spiegel ist wie
dargestellt befestigt, und seine Schwenkachse schneidet das
Laserbündel wie dargestellt. Das Ergebnis definiert ein
sphärisches Koordinatensystem mit dem Ursprung im Bündel/
Spiegel-Schnittpunkt. Alle Entfernungsmessungen werden
mit Bezug auf diesen Punkt vorgenommen.
Ein Problem, das mit einer kontinuierlichen Rasterabtastung
verbunden ist, ist das "Verschmieren" (der Nachzieheffekt)
das Laserflecks, das mit der Fleckgeschwindigkeit und der
Zeit verbunden ist, die für eine volle optische Abtastung
des Lichtwellenleiterbandes erforderlich ist. Eine Möglichkeit,
dieses Problem zu lösen, besteht darin, folgendes in
Betracht zu ziehen. Die geregelte Laserbündelfleckgröße
wird auf dem Ziel in der Größenordnung von 254 µm (10 mils)
sein. Willkürlich wird die zulässige Strecke ausgewählt,
die der Fleck während der Lichtwellenleiterabtastung zurücklegen
kann, als ein Fleckdurchmesser oder 254 µm (10
mils). Man kann jede andere Zahl benutzen, macht man sie
aber zu klein, reduziert man die zulässige Entfernungsabtastgeschwindigkeit,
und macht man sie zu groß, ergibt sich
ein größerer Verschmier- oder Nachzieheffekt. Es erscheint
zweckmäßig, das Verschmieren auf ein Ausmaß in der Größenordnung
des Verschmierens zu begrenzen, das mit dem Fleck
selbst verbunden ist. Wenn jedoch bekannt ist, wieviel Zeit
die Lichtwellenleiterabtastung benötigt, kann die maximal
zulässige Fleckgeschwindigkeit auf dem Teil berechnet werden.
Je kürzer die Lichtwellenleiterabtastzeit ist, umso
schneller ist die zulässige Fleckgeschwindigkeit. Diese
Überlegung liegt auf der Linie, ein Stroboskop zu benutzen,
um eine schnelle Bewegung effektiv einzufrieren. Je kürzer
die Schnappschußzeit ist, umso schneller kann die Bewegung
sein und trotzdem wirksam eingefroren werden.
Bei einer gegebenen festen A/D-Datenrate oder -übertragungsgeschwindigkeit
von 750 kHz, welche durch die verfügbare
Hardware festgelegt ist, führen weniger Abtastproben
zu einer kürzeren Lichtwellenleiterabtastzeit tf. Das
Lichtwellenleiterband ist 25,4 mm (1 Zoll) breit und besteht
aus 10-µm-Lichtwellenleitern oder -Lichtleitfasern,
so daß es in dem Band etwa 2500 Lichtwellenleiter gibt.
Eine 256- oder 512malige Abtastung längs der Bandstirnseite
sollte ausreichend sein und kein wichtiges Detail in
dem räumlichen Muster von Licht auf dem Band auslassen. Die
Schlitze sind sehr dünn, z. B. 25,4 µm (0,001″). Wenn die
transparenten Schlitze auf der Abtastscheibe zu breit gemacht
werden, kann das Auflösungsvermögen reduziert werden.
Eine Überabtastung des Bandes, beispielsweise 4096 Abtastproben
oder mehr, hat wenig Wert, weil die Lichtwellenleiter
als Punktquellen wirken und eine Abtastung, die feiner
als der gegenseitige Lichtwellenleiterabstand ist, keine
neue Information liefert. Infolgedessen werden 1028 Abtastproben
pro Lichtwellenleiterabtastung bevorzugt. Das gibt
eine ausreichende Überdeckung der Anzahl von Lichtwellenleitern
(etwa jeden zweiten), während es einen feinen Abtastschlitz
erlaubt, der breit genug ist, um ein Lichtwellenleiterausfallproblem
zu vermeiden.
Bei 750 kHz werden 1028 Abtastproben eine Zeit von 1,37 ms
benötigen. Die zulässige Fleckgeschwindigkeit auf dem Teil
beträgt dann 254 µm/1,37 ms=185,4 mm/s (10 mils/1,37 ms=7,30
Zoll pro Sekunde oder 7,30 mils/ms). Es gilt v=rω,
und r kann zwischen 36 und 305 cm (14 und 120 Zoll), d. h.
0,3 und 3,05 m (ca. 1 und 10 Fuß) liegen. Diese Werte können
selbstverständlich geändert werden. So beträgt die maximale
zulässige Bündelwinkelgeschwindigkeit ωb=v/r=7,30/r
rad/s. Die maximal zulässige Spiegelwinkelgeschwindigkeit
beträgt deshalb:
daher gilt
um eine 250-µm-(10-mils-)Punkt-Verschmierung zu verhindern.
Es sei beachtet, daß selbst dann, wenn diese Geschwindigkeit
erlaubt wird und wenn 150 Entfernungselemente/s erzielt
werden, die 1,37 ms, die für eine
Lichtwellenleiterabtastung benötigt werden, 21% der Zeit
zwischen Entfernungselementen betragen und daß sich der
Fleck 21% des Weges zu der neuen Fleckposition zu der Zeit
bewegt haben wird, zu der die Lichtwellenleiterabtastung
beendet ist. Das setzt jedoch voraus, daß es nicht mehr als
eine 254-µm-(10-mils-)"Verschmierung" gibt.
Wenn die Gleichung (10) betrachtet wird, so ist zu erkennen,
daß, je näher das Ziel bei dem Spiegel ist und je
schmaler der Feldwinkel (und daher der Spiegelauslenkungswinkel)
ist, man umso näher an die vollen 150 Entfernungselemente/s
gelangen kann, sofern nicht die Vorschrift hinsichtlich
des Verschmierens gelockert wird. Anders betrachtet,
es gibt eine Linie in dem Winkelgeschwindigkeit/
Entfernung-Raum, unterhalb welcher man die volle Entfernungselementrate
mit akzeptabler Verschmierung erzielen
kann, wie es in Fig. 20 gezeigt ist. Solange die
Spiegelwinkelgeschwindigkeit kleiner als ωm ist, gibt es
weniger als eine 254-µm-(10-mils-)Verschmierung des Fleckes.
Wenn nun die Matrixgröße der Abtastung gering ist und
der Feldwinkel relativ groß ist, wird das System wahrscheinlich
spiegelgeschwindigkeitsbegrenzt sein. Das heißt,
der Spiegel würde sich mit einer Winkelgeschwindigkeit bewegen
müssen, die außerhalb der zulässigen Zone liegt. Für
eine Länge-n-Raster über einem R°-Feld in einer gewissen
Entfernung R gilt
R°/ s = verlangte Spiegelgeschwindigkeit ωmr.
Diese muß kleiner als oder gleich ωm aus Gleichung (10)
sein. Wenn das nicht der Fall ist, wird die Winkelgeschwindigkeit
auf ωm eingestellt, und die Entfernungselementrate
muß eingestellt werden, um sie der maximalen Rate anzupassen.
Nun gilt
n/ s = berechnete Entfernungselementrate c (14)
Aber eine variable Steuerung der Abtastscheibengeschwindigkeit
ist nicht vorgesehen (zur einfacheren Eichung), so daß
nur gestattet werden kann
Das bedeutet, benutze jeden Abtastschlitz, jeden zweiten,
jeden dritten, usw. Wenn so das maximale gewählt wird,
daß gilt ≦c, wenn c kleiner als nominell (150 Entfernungselemente/s)
ist, dann ist die nächste mögliche Entfernungselementrate
halb so groß wie die nominelle, die nächste
ein Drittel, ein Viertel, usw. Die Verwendung des Wertes
von führt zu
In einigen Fällen wird es schneller sein, den Spiegel mit
hoher Geschwindigkeit in die nächste Position weiterzuschalten,
eine Entfernungsablesung vorzunehmen, wieder weiterzuschalten,
usw. Das passiert intuitiv, wenn eine große
Winkelüberdeckung (ein großer Feldwinkel) und wenige Entfernungselemente
innerhalb dieser Überdeckung bevorzugt
werden. Es wird eine gewisse maximale Weiterschaltfrequenz
geben, die durch die Einstellzeit bestimmt wird, welche mit
der Spiegeldynamik verbunden ist. Diese sei mit Ω Entfernungselemente/s
bezeichnet. Dann gilt
Dieser Wert sollte mit dem verglichen werden, der durch die
Gleichung (16) bestimmt wird, und der kleinste Wert sollte
benutzt werden. Wenn der Wert aus Gleichung (16) kleiner
ist, wird eine gleichmäßige Rasterabtastung mit der Rate
gewählt. Wenn die Gleichung (17) den kleineren Wert ergibt,
wird eine weitergeschaltete Rasterabtastung mit der maximalen
Rate ()≦Ω gewählt. Wenn der Wert aus der Gleichung
(16) zur Steuerung benutzt wird, muß eine neue verlangte
Spiegelabtastgeschwindigkeit ωmr berechnet werden.
Es sei der Faktor 2 im Nenner betrachtet, der die Abtastwinkelverdopplung
aufgrund einer Änderung im Spiegelwinkel
angibt.
Da die Rasterabtastfunktion mit der Lichtwellenleiterabtastung
eng gekoppelt ist, beeinflußt die Wahl, die für die
Spiegelabtastung getroffen wird, stark die Lichtwellenleiterabtastfunktionalität
und -hardware. Die folgende Erläuterung
bezieht sich auf die Lichtwellenleiterabtastscheibe
und beschreibt das Verfahren, das benutzt wird, um den Rasterspiegel
mit der Scheibendrehung zu synchronisieren. Der
grundlegende Bereich von Spiegelabtastgeschwindigkeiten für
die gleichmäßige Spiegelabtastbetriebsart reicht von 1,74°
bis 15,0°. Wenn etwa 1 mm (39 mils) an Fleckpositionskörnigkeit
oder -granularität bei 3 m (10 Fuß oder 120 Zoll)
benötigt wird, dann gilt
Das ergibt 19 333 Zählwerte, d. h. Positionen des Bündels pro
Bündelumdrehung oder 38 666 effektive Zählwerte pro Spiegelumdrehung,
da das Bündel mit der doppelten Spiegelablenkung
abgelenkt wird. Für Impedanzanpaßzwecke ist ein Antriebsmotor
mit dem Spiegel über ein 4 : 1-Übersetzungsverhältnis
verbunden, d. h. vier Motorumdrehungen werden eine
Spiegelumdrehung ergeben, so daß 9666 Zählwerte pro Motorumdrehung
benötigt werden, wie es in Gleichung (20) gezeigt
ist, wobei die im folgenden verwendete Abkürzung U
jeweils Umdrehungen bedeutet und die Abkürzung ZW jeweils
Zählwerte.
So ergeben 9666 Schritte pro Motorumdrehung eine ausreichende
Spiegelpositionierungskörnigkeit, d. h. bei einer ungefähren
Spiegelpositionssteuerung von 1 mm bei 3 m (10
Fuß). Das liegt im Rahmen und kann tatsächlich leicht vergrößert
werden auf 20 000 Schritte pro U, was besser als 1/2
mm Flecksteuerung bei 3 m (10 Fuß) ergibt. Es seien dann
20 000 Schritte pro Motorumdrehung angenommen.
So ergeben sich für den Fall der 15°/s-Spiegelwinkelgeschwindigkeit
Für den Fall 1,74°/s ergeben sich
Der Spiegelmotor muß mit Geschwindigkeiten zwischen 350 und
3500 Schritten pro Sekunde stufenweise bewegt werden. Es
wird bevorzugt, den Spiegelmotor unter Verwendung eines intelligenten
Reglers zu betreiben, der zwei Achsen koordinieren
kann, indem der Codierer von einer zum Steuern der
anderen benutzt wird. Die Bandabtastscheibe hat drei spiralförmige
Schlitze und dreht sich mit 150/3=50 U/s=3000 U/min.
Das Anordnen einer inkrementellen Codierspur
auf der Scheibe ermöglicht, deren Ausgangsmaterial als Eingangssignal
für den Motorregler zu benutzen. Der Regler hat
eine Betriebsart, bei der er unter Verwendung eines
"Codierverhältnisses" läuft, wobei es sich im wesentlichen
um einen durch n dividierenden Zähler handelt. Für jeweils
n Zählwerte des gewählten Codierers wird er 1 Zählwert
an einen ausgewählten Motor abgeben. Die Spiegelmotorgeschwindigkeit
wird gesteuert, indem verschiedene Werte
von n als Codiererverhältnis ausgewählt werden. Der Codiererleseabschnitt
der Motorreglerplatine kann Codierimpulse
mit einer Geschwindigkeit von bis zu 500 kHz verfolgen.
Niedrigere Geschwindigkeiten können vorgesehen werden.
Es wird jedoch bevorzugt, schnelle Impulsfrequenzen zu benutzen.
Wenn eine Impulsfrequenz von 200 kHz ausgewählt
wird, so ergibt das Arbeiten mit 150 Entfernungselementen/s,
200 000/150=1333,33 Scheibenzählwerte pro
Entfernungselement. Es muß eine ganze Zahl an Zählwerten
pro Entfernungselement geben, so daß 210 kHz benutzt wird,
was zu 1400 Scheibenzählwerten pro Entfernungselement
führt. Das wiederum führt zu 4200 Zählwerten pro Umdrehung
der Abtastscheibe. Das sollte zufriedenstellend sein, insbesondere
bei einer Scheibe mit einem Durchmesser von 152
mm (6 Zoll), weil beträchtlich mehr Zählwerte pro Umdrehung
schwieriger und daher teurer in der Herstellung wären. Der
Grund, warum höhere Codiererimpulszählwerte pro Scheibenumdrehung
verlangt werden, kann folgendermaßen erklärt werden.
Um eine relativ feine Kontrolle über die Rasterspiegelabtastgeschwindigkeit
zu haben, wird die Abtastgeschwindigkeit
in °/s berechnet durch:
Eine Feinkontrolle über ω wird erzielt, wenn eine kleine
Änderung von ω aus einer Einheitsänderung von n resultiert.
Es gilt aber
so daß die Feinkontrolle in umgekehrter Richtung zu n²
steht. Für ein gegebenes gewünschtes ω wird die Gleichung
(23) für n gelöst. Der Zähler der Gleichung (23) steht in
direkter Beziehung zu der Zahl der Scheibencodierimpulse
und, wegen der konstanten Scheibengeschwindigkeit, der Codiererimpulsfrequenz.
Daraus folgt, daß eine schnellere Codiererimpulsfrequenz
ein größeres n für ein gewünschtes ω
erfordert, also eine feinere Kontrolle über ω. Zum Erleichtern
des Triggerns des A/D-Wandlers kann eine Spur auf der
Scheibe vorgesehen sein, die einen Impuls liefert, wenn jeder
der drei Spiralschlitze eine Abtastung des Lichtwellenleiters
beginnt. Diese Impulse könnten gleichzeitig mit den
Abtastungen beginnen oder den Spiralen in gewissem Ausmaß
vorangehen, so daß die beste Anzahl von Codiererimpulsen
zum Warten vor dem Triggern des A/D-Wandlers bestimmt werden
kann. In dem ersten Fall wird die A/D-Platine direkt
getriggert, wenn sie freigegeben wird. Der zweite Fall verlangt
etwas Hardware zum Zählen/Triggern, ist aber programmierbar/
eichbar. Wenn eine variable Positionierung des optischen
Codiererlesekopfes vorgesehen ist, kann eine mechanische
"Programmierung" erfolgen.
Der Abtastspiegel bewirkt eine vertikale Rasterablenkung im
Arbeitsraum. Der Einfachheit halber erfolgt das in einer
einzigen Richtung. Die Bewegung des Spiegels ist 1) eine
gesteuerte Ablenkung abwärts und 2) ein schneller Rücklauf
aufwärts. Die Abwärtsbewegung muß zu einer geeigneten Zeit
beginnen, so daß sie mit der Lichtwellenleiterabtastscheibe
synchronisiert ist, und zwar unter Berücksichtigung der
Zeit, die benötigt wird, um den Spiegel auf seine Geschwindigkeit
zu beschleunigen. Das heißt, der Spiegel muß auf
Geschwindigkeit kommen und in der ersten Meßposition sein,
wenn einer der Abtastschlitze gerade eine Lichtwellenleiterabtastung
beginnt. Aerotechnische Umsetzerregler kann für den
Spiegelmotorantrieb benutzt werden. Die größte Anstiegszeit,
die benötigt wird, um im schlimmsten Fall auf
Geschwindigkeit zu kommen, kann für jeden Fall bestimmt
werden. Das ist einer gewissen Anzahl von Abtastscheibendrehungen
äquivalent. Die Anzahl der Scheibenimpulse die
durch diese Zahl von Scheibendrehungen dargestellt wird,
ist wiederum einer Zahl von Spiegelmotorimpulsen über das
Codiererverhältnis n äquivalent. Diese Zahl sei mit nb bezeichnet.
An diesem Punkt wird der Abtastspiegel nb Impulse
vor der Spiegelposition zum Erzielen des ersten Entfernungselements
positioniert. Dann wird bei dem "Einmal-pro-
Umdrehung"-Impuls der Scheibe die Codiererverfolgung an dem
Motorregler freigegeben. Der Spiegel wird auf Geschwindigkeit
beschleunigt, während sich die Abtastscheibe schnell
dreht, und der Spiegel und die Scheibe werden im Verriegelungsschritt
sein für die "gute Messung" der Scheibendrehungen
und das Einsetzen der Entfernungsabtastung. An dem
Ende der Abtastung wird die Spiegelbewegung angehalten, das
Folgen des Codierers beendet, und der Spiegel wird mit hoher
Geschwindigkeit zurück in die Position vor der Abtastung
gebracht.
Fig. 21 zeigt ein Blockschaltbild 400 eines tiefenvariablen
Triangulationsvermessungssystems. Das Vermessungssystem
weist eine Abtastscheibe 402 auf, die im Betrieb benutzt
wird, um Signale aus einem Ausgangsende eines Lichtwellenleiterbündels
zu codieren, wie es oben beschrieben worden
ist. Ein Codierer 404 ist so angeordnet, daß er in der Lage
ist, Signale aus Codierspuren auf der Scheibe 402 zu empfangen.
Der Codierer 404 ist mit einer Synchronisiertorschaltung
406 und einer phasensynchronisierten Schleife
oder PLL-Schaltung 408 verbunden. Eine Photovervielfacherröhre
(PMT) 410 ist mit einer Aufbereitungsschaltung 412
verbunden, die ihrerseits mit einem logarithmischen Verstärker
414 verbunden ist. Ein Analog/Digital-Abtasttriggersignal
mit einer Frequenz von 150 Hz wird aus einer weiteren Codierspur
auf der Scheibe 402 gewonnen. Das Scheibenabtastsignal
wird auch benutzt, um über einen monostabilen
Multivibrator (MM) 418 den Verstärker 414 rückzusetzen.
Signale aus dem logarithmischen Verstärker 414 und der
PLL-Schaltung 408, die ein Signal mit 720 kHz liefert, werden
an einen Computerregler 420 angelegt. Der Computerregler
420 ist mit einem Schrittmotor 422 zum Steuern der Drehung
eines Rasterabtastspiegels 424 verbunden. Ein Zähler
kann zwischen den Computerregler 420 und den Schrittmotor
422 geschaltet sein, um die Impulse zu zählen, die zu dem
Schrittmotor 422 gesendet werden. Der Computerregler 420
ist außerdem mit einem Schrittmotor 428 verbunden, der benutzt
wird, um die Horizontalabtastdrehung eines Vermessungssystems
430 zu steuern. Das System 430 kann mit dem in
Fig. 14 gezeigten Vermessungssystem 150 identisch sein. Der
Computerregler 420 ist, wie dargestellt, außerdem mit einer
dynamischen Fokussiereinheit 432 verbunden, die mit der
Echtzeitfleckgrößensteuereinrichtung 152 identisch sein
kann, welche in Fig. 14 gezeigt ist. Der Computerregler 420
ist außerdem mit einer Drehstufe 434 für das optische Untersystem,
einer Detektorbündelstufe 436, einer Motorfokuseinrichtung
438 und einer Motorzoomeinrichtung 440
zum Steuern des Zoomobjektivs und einem Eichschienenmotor
444 verbunden.
Gemäß dem in Fig. 21 gezeigten Blockschaltbild besteht das
Vermessungssystem aus vier Grundabschnitten - einem mechanischen
Untersystem, einem optischen Untersystem, einem
Eichsystem und einem Rechensystem. In bezug auf das mechanische
Untersystem gibt es sechs mechanische Freiheitsgrade.
Zwei Freiheitsgrade gibt es für die Laserbündelabtastung
- einen für die Bewegung des Rasterablenkspiegels und
einem zum Drehen der gesamten optischen Vorrichtung. Zwei
Freiheitsgrade gibt es zur Zoom- und Fokussteuerung des Motorzoomobjektivs.
Einen weiteren Freiheitsgrad gibt es für
die Manipulation der Objektivvorrichtung selbst. So gibt
es einen Freiheitsgrad für die Drehbewegung der Gesamtanordnung
aus Objektiv und Lichtwellenleiterbündel, und der
andere Freiheitsgrad dient zur Drehung des Erfassungsendes
des Lichtwellenleiterbündels selbst. Alle Motoren sind Mikroschrittmotoren
und werden durch einen 6-Achsen-Schrittmotor-
Regler gesteuert, der sich auf einem PC-Bus befindet.
Der Regler gibt Schrittimpulse an jeden Motorumsetzermodul
ab, welcher jeder Motorwicklung einen proportionalen Strom
liefert. Der Regler liest außerdem die Codierersignale zum
Schließen eines Regelkreises an dem Motor, an dem der Codierer
angeordnet ist, oder zum Steuern eines Motors auf
der Basis eines Zustands eines anderen Motors.
Das Eichsystem enthält eine Präzisionsschiene von ungefähr
3 m (10 Fuß), auf der ein Zielschlitten und ein Eckwürfelretroreflektor
für ein Interferometersystem laufen. Es wird
ebenfalls mittels Schrittmotor angetrieben und durch den
Reglerkanal gesteuert, der üblicherweise den Horizontalabtastmotor
steuert, da die Abtastfunktion während der
Eichung gesperrt ist. Der Eichschienenmotor und der Horizontalabtastmotor
haben die gleiche Größe und Leistung.
Weitere Einzelheiten hinsichtlich der Eichung sind im folgenden
angegeben.
In dem optischen Untersystem wird das Abtastlaserbündel in
eine dynamische Fokussiervorrichtung gerichtet, die im folgenden
beschrieben ist und bei der es sich grundsätzlich um
ein computergesteuertes Teleskop handelt. Der Computerregler
kann entweder ein Analogsignal aus einem D/A-Wandler
oder Digitalsignale aus einer programmierbaren E/A(PIO)-
Platine empfangen, und der Regler positioniert eine Linse
des Teleskops in bezug auf die andere Linse. Das Bündel
verläßt das Teleskop und wird zu einem kleinen Fleck fokussiert,
nachdem es an dem Rasterabtastspiegel reflektiert
worden ist. Das Bündel trifft auf das Ziel auf, und ein
Teil der reflektierten Lichtenergie wird durch das Motor-
Zoom/Fokus-Objektiv aufgefangen und auf das Ende des kohärenten
Lichtwellenleiterbündels fokussiert, wiederum nachdem
es an dem Rasterspiegel befestigt worden ist. Das
Licht tritt an dem Ausgangsende des Bündels aus und wird
durch die Abtastscheibe abgetastet, wobei in diesem Punkt
das Licht, das durch die Scheibe durchgelassen worden ist,
sich weiter zu dem Lichtleiter und in die Photovervielfacherröhre
(PMT) 410 bewegt. Das Signal aus der Photovervielfacherröhre
410 geht in einen Strom-Spannungsverstärker
und gelangt zu dem logarithmischen Verstärker 414. Von da
aus wird das Signal zu dem A/D-Wandler geleitet, wo es digitalisiert
und über einen Hochgeschwindigkeitsbus an eine
Digitalsignalprozessor-(DSP-)Karte abgegeben wird. Das Ergebnis
der Verarbeitung ist ein Entfernungswert, der zu dem
Computerregler 420 geleitet und gespeichert wird.
Der Computerregler 420 ist ein industrieller IBM PC/AT auf
80 386-Basis mit 25 MHz. Er wird benutzt, um das Verhalten
des Systems abzustimmen und Entfernungsdaten zu speichern,
zu manipulieren und anzuzeigen. Der Computerregler 420 ist
ein Computer mit vierzehn Schlitzen, und alle erforderlichen
Karten passen in den Computerregler. Zehn Platinen -
CPU, NEC Video, DSP, D/A-A/D, OMS-6-Achsen-Regler, Ethernet,
PIO-Platine, Interferometer, COM/Parallel-Platine und
Periskop-Entstörer - befinden sich auf dem Bus.
Die Abtastscheibe hat, wie oben beschrieben, vorzugsweise
drei klare, dünne Spiralschlitze auf einem lichtundurchlässigen
Hintergrund zum Abtasten der Lichtwellenleiterbündelstirnseite.
Es gibt außerdem drei Codiererspuren, die am
äußeren Umfang der Lichtwellenleiterbündelstirnseite angeordnet
sind. Die äußerste Spur ist eine 3600-Impulse-Codiererspur,
die eine 180-kHz-Impulsfolge an die PLL-Schaltung
408 und die Synchronisiertorschaltung 406 abgibt, wenn sich
die Scheibe mit 50 Umdrehungen pro Sekunde (3000 U/min)
dreht. Die PLL-Schaltung 408 multipliziert diese Frequenz
mit vier, um ein Signal mit 720 kHz zur A/D-Abtastprobentriggerung
abzugeben. Das dient zum Synchronisieren des
A/D-Wandlers mit der Position der Abtastscheibe 402.
Die mittlere Codiererspur liefert drei Impulse pro Umdrehung
für das Einsetzen einer Abtastung für jeden der drei
Spiralschlitze auf der Scheibe 402. Dieses Signal triggert
den A/D-Wandler, um eine Anzahl von Ablesungen zu machen,
wenn er durch die CPU konfiguriert worden ist, das zu tun.
Dieses Signal unterbricht außerdem die CPU über die PIO-
Platine, um das steuernde Programm über eine neue Abtastablenkung
oder wenigstens den Vorbeigang eines weiteren Spiralschlitzes
zu informieren, wenn die Spiralschlitze auf
eine langsamere Entfernungselementrate umgeschaltet werden,
so daß das steuernde Programm zählen kann, um festzustellen,
von welcher Spirale die Daten kommen. Das Abtasttriggersignal
wird außerdem benutzt, um den monostabilen Multivibrator
418 zu triggern, der das Ausgangssignal des logarithmischen
Verstärkers 414 zwischen den Abtastungen rücksetzt.
Die innere Spur liefert einen Impuls pro Umdrehung, um die
Ausgangsposition der Abtastscheibe festzulegen. Das ist
notwendig, weil die Scheibe in einer Steuerschleife ohne
Rückführung in bezug auf das übrige System schnell gedreht
wird und das System keine andere Möglichkeit hat, die wahre
Position der Scheibe zu ermitteln. Das Signal unterbricht
die CPU über die PIO-Platine und wird außerdem zu der Synchronisiertorschaltung
406 geleitet.
Die Synchronisiertorschaltung 406 synchronisiert den Rasterspiegel
424 mit der Abtastscheibe 402, da die Impulse
der äußeren Codiererspur benutzt werden, um den Spiegel
über ein vom Benutzer wählbares Codiererverhältnis in dem
Motorregler anzutrieben. Der Spiegel muß präzise und abgestimmt
auf die Abtastscheibe 402 gesteuert werden, wenn
Entfernungsmessungen besonderen Orten auf der Zieloberfläche
genau zugeordnet werden sollen, und die Synchronisiertorschaltung
406 wird benutzt, um die Synchronisierung zu
erzielen. Die Synchronisiertorschaltung 406 ist in Fig. 22
als Blockschaltbild dargestellt. Die Synchronisiertorschaltung
406 weist ein JK-Flipflop 450 und eine UND-Schaltung
452 auf. Der einmal pro Umdrehung gelieferte oder 1/U-Impuls
wird dem Flipflop 450 zugeführt, von diesem abgegeben
und mit dem Codierersignal UND-verknüpft. Das Ausgangssignal
aus der UND-Schaltung 452 wird an den Motorregler angelegt,
d. h. an den OMS-6-Achsen-Regler.
Solange die Rücksetzleitung des Flipflops 450 durch die
PIO-Platine auf L-Pegel gehalten wird, hat das Ausgangssignal
des Flipflops den Signalwert L, und die UND-Schaltung
452 läßt das Codierersignal nicht zu dem Motorregler durch.
Wenn das System bereit ist, eine Rasterabtastung zu starten,
wartet es auf einen "Einmal-pro-Umdrehung"-Impuls,
gibt den Motorregler zur Codiererabtastbetriebsart frei und
weist die PIO-Platine an, die Rücksetzleitung auf einen H-
Pegel zu setzen, und wartet auf den nächsten "Einmal-pro-
Umdrehung"-Impuls. Wenn der nächste "Einmal-pro-Umdrehung"-
Impuls erscheint, taktet er das Flipflop 450, welches den
Ausgang auf einen H-Pegel setzt, wodurch die UND-Schaltung
452 freigegeben wird, um Codierersignale durchzulassen, in
welchem Punkt der Abtastspiegel die Drehung beginnt. Er signalisiert
außerdem der CPU, das der A/D-Wandler freigegeben
wird, so daß, wenn die Abtasteinsetzimpulse aus der
mittleren Spur erscheinen, der A/D-Wandler die vorbestimmte
Zahl, z. B. 2048, von Umwandlungen mit der Frequenz von 720
kHz nimmt, die durch die PLL-Schaltung 408 eingestellt ist.
Die CPU überwacht die Abtasteinsetzimpulse, um festzustellen,
wann oder ob damit fortzufahren ist, den A/D-Wandler
freizugeben. Es gibt eine Zeit zwischen dem "Einmal-pro-Umdrehung"-
Impuls und dem ersten Abtasteinsetzimpuls zum Einstellen
des A/D-Wandlers.
Die Eichschine trägt ein Eichziel und einen Retroreflektor
für das Interferometersystem, das benutzt wird, um präzise,
unabhängige Meßwerte der Zielposition zu liefern. Da die
Schiene nur relativ gleichmäßige Bewegung machen kann,
wird das Interferometer in der Lage sein, das Ziel zu verfolgen,
sofern nicht die Schienengeschwindigkeit zu groß
ist. Die Schienengeschwindigkeit sollte deshalb während der
Eichung begrenzt sein.
Zwei verschiedene Eichungen werden ausgeführt. Die erste
ist eine Eichung der dynamischen Fokussiervorrichtung zum
Aufbauen einer Suchtabelle der Teleskoplinsenoperation über
dem gemessenen Entfernungswert. Die Eichschiene wird in die
Ausgangsstellung gebracht, das Interferometer wird auf Null
gesetzt, und der Brennpunkt wird variiert, bis der Fleck
auf dem Ziel am kleinsten ist. Das wird bestimmt durch
rechtzeitiges Analysieren der Gestalt des Ausgangssignals
des logarithmischen Verstärkers 414 - die "spitzeste" Gestalt
ergibt den kleinsten Fleck. Für jede Zielposition
wird das Antriebssignal, das für den engsten Brennpunkt erforderlich
ist, in der Suchtabelle zur dynamischen Fokussierung
gespeichert. Diese Aufgabe kann manuell oder maschinell
ausgeführt werden, je nach dem relativen Ausmaß
der Zeitspanne, die für den manuellen Betrieb erforderlich
ist, gegenüber der, die zur Codeentwicklung für den automatischen
Betrieb erforderlich ist. Parallele Digitalsignale
werden zu der dynamischen Fokussiervorrichtung zum Positionieren
gesendet, und die Vorrichtung sendet ein digitales
"Position-eingestellt"-Signal zurück, das der Computer abfragt,
um festzustellen, wann die dynamische Fokussierung
abgeschlossen ist.
Die zweite Eichaufgabe besteht darin, Suchtabellen für jede
der "Konfigurationen" des Systems aufzubauen. Eine Konfiguration
ist grundsätzlich ein Statusvektor, dessen Komponenten
die Positionen der vier optischen Komponenten - Zoom,
Fokus, optische Vorrichtung und Lichtwellenleiterbündelendausrichtung
- sind, die die Standoff-Entfernung, die
Schärfentiefe und das Entfernungsauflösungsvermögen des Systems
festlegen. Zum Einrichten irgendeiner Konfiguration
wird die allgemeine Arbeitsweise darin bestehen, alle vier
Achsen in die Ausgangsstellung zu bringen, die inneren und
Motorreglerpositionszähler rückzusetzen und die vier Achsen
in ihren geeigneten Positionen zu positionieren. Die Eichschiene
wird in die Ausgangsstellung gebracht, dann bewegt,
bis eine von null verschiedene Reflexion durch das System
registriert wird. Der ungenaue Entfernungswert, der durch
diese Messung erzielt wird, wird benutzt, um die dynamische
Fokussierung einzustellen, und ein weiterer, im allgemeinen
genauerer Wert wird erzielt. Die Position des Schwerpunkts
des Reflexionssignals an dem Lichtwellenleiterbündel, das
durch die drei Abtastspiralschlitze gelesen wird, wird in
die geeignete der drei Suchtabellen eingetragen und den
Entfernungswerten zugeordnet, die an dem Interferometer abgelesen
werden.
Claims (23)
1. Vorrichtung für ein tiefenvariables Triangulationsvermessungssystem,
das Mittel zum Emittieren eines
Lichtbündels, Mittel zum Fokussieren eines emittierten
Lichtbündels auf ein Objekt und eine Linseneinrichtung aufweist
zum Abbilden von reflektiertem Licht auf ein Eingangsende
der Vorrichtung, gekennzeichnet durch:
ein Lichtwellenleiterbündel (166), das ein Eingangsende und ein Ausgangsende (168) aufweist, wobei das Eingangsende des Bündels (166) so angeordnet ist, daß es Transmissionen aus der Linseneinrichtung einfängt,
eine Vorrichtung (170) zum Abtasten bzw. Scannen des Bündelausgangsendes (168) auf einer Zeitbasis, wobei die Abtastvorrichtung (170) derart konfiguriert ist, daß ein Zeitbasissignal generiert wird, das an dem Bündelausgangsende (168) vorhandene Lichtsignale anzeigt, und
Mittel zum Berechnen der Systemgeometrie und der Entfernung aus dem Zeitbasissignal,
ein Lichtwellenleiterbündel (166), das ein Eingangsende und ein Ausgangsende (168) aufweist, wobei das Eingangsende des Bündels (166) so angeordnet ist, daß es Transmissionen aus der Linseneinrichtung einfängt,
eine Vorrichtung (170) zum Abtasten bzw. Scannen des Bündelausgangsendes (168) auf einer Zeitbasis, wobei die Abtastvorrichtung (170) derart konfiguriert ist, daß ein Zeitbasissignal generiert wird, das an dem Bündelausgangsende (168) vorhandene Lichtsignale anzeigt, und
Mittel zum Berechnen der Systemgeometrie und der Entfernung aus dem Zeitbasissignal,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Lichtwellenleiterbündel (166) 10 µm Lichtwellenleiter
enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Lichtwellenleiterbündel (166) mehrere 10 µm
Lichtwellenleiter enthält, die zur Bildung eines kohärenten
Lichtwellenleiterbandes gebündelt sind, das 2,5 cm (1 Zoll)
breit und 1,6 mm (1/16 Zoll) dick ist, wobei die Lichtwellenleiter
eine numerische Apertur von 0,66 haben.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtastvorrichtung (170) ein opakes bzw. nicht
durchscheinendes Kodierrad aufweist, das wenigstens einen
transparenten bzw. lichtdurchlässigen Abtastschlitz aufweist
und das neben dem Ausgangsende (168) des Lichtwellenleiterbündels
(166) angeordnet und relativ zu diesem drehbar
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kodierrad Abtastschlitze aufweist,
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Abtastschlitz im wesentlichen rechteckförmig
ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Abtastschlitz spiralförmig ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kodierrad Kodierspuren aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kodierspuren eine "Einmal-Pro-Umdrehung"-Spur,
eine Abtast-Anfangsspur und eine 3600-Pulse-Pro-Umdrehung-
Spur aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch
eine Lichtleitung bzw. Lightpipe, die mit dem Ausgangsende
(168) des Lichtwellenleiterbündels (166) ausgerichtet
ist, wobei das Kodierrad zwischen der Lichtleitung
und dem Ausgangsende des Lichtwellenleiterbündels angeordnet
ist, und eine Photovervielfacherröhre (174), die neben einem
Ausgangsende der Lichtleitung angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtleitung eine abgestumpfte Pyramide enthält,
die ein Frontflächen-Spiegelglas aufweist zum Reflektieren
von Licht entlang ihrer innenseitigen Oberfläche.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Photovervielfacherröhre (174) vom Typ Hamamatsu
ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtasteinrichtung (170) einen Polygonspiegel,
der mit dem Ausgangsende (168) des Lichtwellenleiterbündels
ausgerichtet ist, und eine Photovervielfacherröhre aufweist,
die mit dem Polygonspiegel ausgerichtet ist, um von
dem Polygonspiegel reflektiertes Licht aus dem Ausgangsende
des Lichtwellenleiterbündels zu empfangen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Photovervielfacherröhre (174) vom Typ Hamamatsu
ist.
15. Vorrichtung zum Umwandeln von Lichtausgangssignalen
aus einem Ausgangsende eines Lichtwellenleiterbündels
in elektrische Zeitbasissignale, gekennzeichnet durch ein
opakes bzw. lichtdurchscheinendes Kodierrad mit wenigstens
einem transparenten bzw. lichtdurchlässigem Abtastschlitz,
wobei das Kodierrad neben dem Ausgangsende des
Lichtwellenleiterbündels angeordnet und relativ zu diesem
drehbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kodierrad drei Abtastschlitze aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Abtastschlitz im wesentlichen rechteckförmig
ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Abtastschlitz spiralförmig ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß das Kodierrad Kodierspuren aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kodierspuren eine "Einmal-pro-Umdrehung"-
Spur, eine Abtastanfangsspur und eine 3600-Pulse-pro-Umdrehung-
Spur aufweisen.
21. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet
durch
eine Lichtleitung bzw. eine Lightpipe, die mit dem
Ausgangsende des Lichtwellenleiterbündels ausgerichtet ist,
wobei das Kodierrad zwischen der Lichtleitung und dem Ausgangsende
des Lichtwellenleiterbündels angeordnet ist, und
eine Photovervielfacherröhre neben einem Ausgangsende der
Lichtleitung angeordnet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtleitung eine abgestumpfte Pyramide aufweist,
die ein Frontflächen-Spiegelglas aufweist zum Reflektieren
von Licht entlang ihrer innenseitigen Oberfläche.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,
daß die Photovervielfacherröhre vom Typ Hamamatsu
ist.
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