DE69214951T2

DE69214951T2 - Sonden

Info

Publication number: DE69214951T2
Application number: DE69214951T
Authority: DE
Inventors: Clive Butler; Qingping Yang
Original assignee: British Technology Group Ltd
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2012-07-25
Also published as: ES2095480T3; US5659969A; GB2258043A; DE69214951D1; GB9215802D0; GB2258043B; WO1993002335A1; JPH06509415A; EP0595943B1; JP3171446B2; EP0595943A1; GB9116044D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Sonden, wie diese mit der Koordinatenmessung, Werkzeugmaschinen, Robotern und ähnlichen Maschinen verwendet werden.
Bei Koordinatenmeßmaschinen wird ein Objekt durch Relativbewegung einer Sonde und eines Objektes in gesteuerter Weise gewöhnlich ab einem Festpunkt gemessen, bis eine "Berührung" auf dem Objekt durch die Sonde angezeigt wird oder die Sonde um einen angegebenen Betrag versetzt ist. Die Koordinaten der Berührungsposition oder die Sondenanzeige, zusammen mit der Maschinenanzeige, werden aufgezeichnet. Durch Wiederholen derartiger Aktionen können die Dimensionen des Objektes bestimmt werden. Geeignete Aktionen werden mit Sonden in Werkzeugmaschinen, Robotern und ähnlichen Maschinen ausgeführt.
Die GB-Patentanmeldung 8815984.3, veröffentlicht als GB-A-2220748, beschreibt eine Berührungssonde für zweidimensionale Messungen, die auf einer geeigneten kinematischen Befestigung befestigt werden kann, um beweglich zu sein, damit Messungen in der dritten Dimension erfolgen können. Jedoch ist die Befestigung aufwendig und sperrig.
Die Verwendung eines Lichtkegels, der von einer Faseroptik emittiert und durch einen Planspiegel auf eine Anordnung einer Empfängerfaseroptik reflektiert ist, wurde zur Kraftmessung durch die Bestimmung der Richtung und Amplitude von kleinen seitlichen Versetzungen des Spiegels vorgeschlagen (EP-A-0429378 - CNRS/CEMAGREF), wenn der Spiegel befestigt ist, um auf eine einwirkende Kraft anzusprechen, beispielsweise in einem Anemometer durch eine Fluidströmung oder in einem "Joy-Stick". Bei dieser Anordnung fällt lediglich ein Teil des divergenten Lichtkegels auf den abgelenkten Spiegel ein, und je größer die Ablenkung ist, desto geringer ist das so einfallende Licht. Außerdem divergiert das reflektierte Licht weiter, so daß einiges an dem bereits reduzierten Licht die Faserempfängeranordnung verfehlt, während das Licht, das die Anordnung erreicht, aufgrund der fortgesetzten Divergenz von reduzierter Intensität ist.
Eine andere Form einer dreidimensionalen Sonde zur Verschiebungsanzeige beruht auf drei kleinen Gitterskalen, was jedoch auch sperrig, komplex und aufwendig ist.
Die EP-A-373644 offenbart eine dreidimensionale Sonde, bei der eine Z-Achsenoperation von einem Schalter abhängt. Die EP-A-390648 offenbart eine dreidimensionale Sonde, bei der die maximale Intensität des reflektierten Lichtes zu vermeiden ist, um ein Abtasten einer axialen Stiftbewegung zu liefern. Die FR-A-2365408 offenbart eine zweidimensionale Sonde, die unfähig ist, eine axiale Stiftbewegung zu erfassen. Die WO 90/15306 offenbart einen Vielverschiebungssensor für eine eindimensionale zielverschiebung.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Sonde vorzusehen, die derartige Nachteile überwindet und Messungen in allen drei Dimensionen liefert.
Gemäß der Erfindung ist eine Sonde für ein Positionsbestimmungsgerät und dergleichen vorgesehen, mit einem Sensor- oder Abtastraum, einem Stift, der für eine Positionsbestimmungsbewegung gelagert ist und sich in den Raum erstreckt, einer Einrichtung, um in den Raum Sensorstrahlung zu emittieren und einer Einrichtung zum sammeln der Sensorstrahlung von dem Raum, wobei der Stift in dem Raum eine Einrichtung trägt, um emittiert die Sensorstrahlung bei einer Bewegung der Ablenkeinrichtung mit einer Positionsbestimmungsbewegung des Stiftes abzulenken, wobei der Stift für eine dreidimensionale Positionsbestimmungsbewegung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung die Sensorstrahlung konzentriert und die Sammeleinrichtung eine Faseroptik mit einer Anordnung von optischen Faserelementen umfaßt und auf eine Änderung der Intensitätsverteilung der gesammelten abgelenkten Strahlung mit der dreidimensionalen Bewegung des Stiftes anspricht, wobei der Stift frei von einer mechanischen Verbindung für eine Positionsbestimmung ist.
Die Sensorstrahlung kann eine solche von Licht oder ähnliche Strahlung, einschließlich sichtbarem Licht, Infrarot-Licht, Ultraviolett-Licht und anderer elektromagnetischer Strahlung sein.
Die Sammeleinrichtung kann eine optoelektronische Einrichtung, die auf eine Intensitätsänderung des abgelenkten Lichtes anspricht, um ein ablenkungsbezogenes Signal zu erzeugen, und eine Signalverarbeitungsa nordnung, um davon die Bewegung der Ablenkeinrichtung abzuleiten und so die Stiftbewegung in drei Dimensionen zu bestimmen, umfassen. Die optoelektronische Einrichtung kann auf abgelenktes Licht ansprechen, das durch einzelne der optischen Faserelemente gesammelt ist.
Die Emissionseinrichtung für Lichtstrahlung kann wenigstens eine optisch Faser sein. Die Emissionsfaser kann eines der Sammelfaseroptikelemente sein.
Die Ablenkeinrichtung kann eine reflektierende oder brechende Vorrichtung zum Konzentrieren der abgelenkten Sensorstrahlung sein. Wenn die Strahlung Licht ist, kann die Ablenkeinrichtung eine Linse, ein Spiegel oder ein Prisma sein.
Die Sonde kann für eine analoge und/oder Beruhrungsoperation angeordnet sein.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Erfassen einer dreidimensionalen Bewegung eines Stiftes einer Sonde mit einem Befestigen eines fokussierenden brechenden oder reflektierenden Elementes auf dem innerseitigen Ende des Stiftes, einem Richten von Strahlung bei dem Element, gekennzeichnet durch ein Sammeln auf einer Sensoranordnung über eine Anordnung von Faseroptiken von fokussierter Strahlung, die durch das Element gebrochen oder reflektiert ist, ein Erfassen von Änderungen der Intensitätsverteilung auf der Sensoranordnung mit der Bewegung des Elementes und ein Bestimmen einer Intensitätsverteilungsbewegung des Stiftes aus den erfaßten Änderungen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Figur 1 einen schematischen Querschnitt einer Sonde nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
Figuren 2 bis 6 Faseroptikanordnungen für die Sonde zeigen,
Figur 7 eine optische Anordnung für einen Sondensensor zeigt,
Figur 8 ein schematisches Diagramm eines Sondensensors zeigt, und
Figuren 9, 10, 11, 12 und 13 Diagramme und Gleichungen sind, die nützlich für das Verständnis der Erfindung sind.
Bezüglich Figur 1 zeigt diese eine Sonde mit einem allgemein mit 10 bezeichneten Gehäuse und einem Körper 11, der innen zur Aufnahme eines Stifträgers 14 verschraubt und durch eine Kappe 18 und einen Deckel 13 verschlossen ist, welcher einen Befestigungsschaft 12 hat. Innerhalb des Gehäuses ist ein Sensorraum 60. Der Stiftträger 14 hat eine Öffnung 15, um eine zweidimensionale (seitwärts) Bewegung eines Stiftes 40 zu erlauben. Der Stift 40 verläuft durch und ist auf den Träger 14 in geeigneter Weise mittels einer Feder 20 gelegen, die durch eine Manschette 22 wirkt und am anderen Ende im Körper 11 untergebracht ist.
Der Stift 40 hat am inneren Ende einen Spiegel 42, der vorzugsweise sphärisch konkav ist. Der Spiegel ist am inneren Ende einer Stiftwelle 48. Diese Welle ist in einem teilsphärischen Teil 43 des Stiftes untergebracht, welcher Teil auf einem Niederreibungslager bleibt, das durch drei Kugeln gebildet ist, von denen lediglich eine bei 50, gelegen in einem Kugelsitz 17, der im Stiftträger 14 gebildet ist, gezeigt ist. Eine Abdichtung für die Öffnung 15 kann bei Bedarf vorgesehen sein.
Zusätzlich zu der Bewegung in zwei Dimensionen, die durch das Niederreibungslager geschaffen ist, liefert die erfindungsgemäße Sondenanordnung eine Bewegung in der dritten Dimension, indem in geeigneter Weise eine Bewegung des Stiftes 40 entlang der Längsachse der Welle 48 in einer Bohrung 45 durch den Teil 43 zugelassen wird. Die Bohrung ist mit einem linearen Kugellager 44 versehen, um die Bewegung in der dritten Dimension zu erlauben, da Fehler aufgrund eines Seitwärts-Lagerspiels klar minimiert werden müssen. Eine Feder 46, die zwischen dem Gehäuse des Lagers 44 und einem Gegenlager 47 auf der Stiftwelle 48 wirkt führt die Stiftwelle nach einer Verschiebung in eine Bezugsposition zurück, die durch das innere Ende des Kugellagers 44 gebildet ist. Ein Stiftkopf 41, beispielsweise ein Rubin von Kugelform, ist mit dem Ende der Welle 48 verschraubt. Andere Kopfformen können verwendet werden.
Eine Faseroptik 30 ist auf dem Deckel 13 durch den Schaft 12 befestigt, und das Ende 33 der Faseroptik 30 liegt zu dem Spiegel 42 im Sensorraum 60 frei. Die Faseroptik 30 ist durch drei oder vier Einstellschrauben zentriert, von denen eine bei 34 gezeigt ist. Der Deckel 13 hat einen glatten Oberflächenzustand für eine leichte Bewegung und um eine konsistente Position während einer Einstellung aufrechtzuerhalten. Eine Lichtquelle und ein Lichtsensor, die mit dem anderen Ende der Faseroptik 30 verbunden sind, sind allgemein mit 7 bezeichnet, und eine Verschiebungsanzeige ist allgemein mit 8 angegeben.
In der unabgelenkten, neutralen Position des Stiftes ist das Ende 33 der Faseroptik auf die longitudinale neutrale Achse der Sonde zentriert, und der konkave Spiegel 42 ist ebenfalls auf diese Achse zentriert. Die longitudinalen optischen Abmessungen werden unten betrachtet. Der Spiegel konzentriert Licht auf das Ende 33 der Faseroptik in einem Bereich von verschiedenen Intensitäten. Die Feder 20 veranschaulicht beispielsweise eine Ein richtung, um den Stift auf das Niederreibungslager und zu der longitudinalen neutralen Achse zu bringen, wobei eine Verschiebung auf dem Lager und ein Rückführen des Stiftes zu der neutralen Achse nach einer Ablenkung erlaubt sind. Die Feder zwängt die Manschette 22 in eine Anfangsposition in Kontakt mit dem Teil 43 und dem Träger 14.
Ungefähre Abmessungen eines Beispiels der Sonde, die als nichtbeschränkendes Beispiel gegeben sind, sind die folgenden, wobei die Bezugszeichen von Figur 1 verwendet sind:
Teil 43 26 mm Durchmesser
Kugeln 50 3 mm Durchmesser
Axialbewegung, Welle 48 3 mm
Gesamtlänge, Welle 48 60 mm
Diese Dimensionen zeigen die Gesamtabmessung dieses Ausführungsbeispiels an.
Es ist tatsächlich möglich, Sonden von kleinerer Abmessung zu machen, welche die Erfindung ausbilden. Andere konstruktive Einzelheiten, geeignete Materialien und Abschirmung von Streulicht ergeben sich ohne weiteres für den Fachmann. Geeignete Faseroptiken umfassen die HCN- und HCP-Typen, hergestellt durch Ensign-Bickford of Avon, Connecticut, USA. Typische Fasern mit einem Durchmesser von 1 mm können verwendet werden.
Die Form der Faseroptik 30 ist wichtig beim Vorsehen effektiver dreidimensionaler Messungen. Eine geeignete allgemeine Anordnung ist ein zentrales Faserelement, um Licht zu emittieren, das durch eine Anordnung von Faseroptikelementen umgeben ist, d. h., durch verschiedene Faserelemente in definierter Beziehung, um Licht zu empfangen, das von dem Spiegel 42 reflektiert ist. Die Figuren 2 bis 6 zeigen einige Formen der Faseroptik 30, obwohl andere möglich sind. Es wird angenommen, daß wenigstens drei Empfangsfaserelemente, die in einer Anordnung um das zentrale Faserelement vorgesehen sind, das eine sammelnde und eine emittierende Faser sein kann, benötigt werden, um dreidimensionale Information zu liefern. In geeigneter Weise speist eine LED, beispielsweise in einer Einheit 7, Licht zu der emittierenden Faser. Eine wellenlänge von etwa 950 nm ist geeignet.
Der Spiegel 42 hat drei Freiheitsgrade im Sensorvolumen 60, und wenn sich die Orientierung ändert, ändert der reflektierte Strahl von dem Spiegel die Lichtintensitätsverteilung auf der erfassenden optischen Faserelementanordnung. Aus diesen Änderungen müssen die Längs- und Seitwärts-Bewegungen der Stiftwelle und des Kopfes beispielsweise aus einer Nachschlagtabelle abgeleitet werden. Die Bewegungen des Spiegels in diesem Ausführungsbeispiel können in sphärischen Polarkoordinaten definiert werden.
Die Wirkung der Sonde ist die folgende. Licht von dem emittierenden Faserelement oder von Elementen bei dem Faseroptikende 33 wird längs der oben erwähnten, unabgelenkten, longitudinalen, neutralen Achse zu dem Spiegel 42 für einen Einfall darauf gerichtet. In der unabgelenkten Position des Stiftes wird das Licht vom Faseroptikende 33 zurück zu den Empfangsfaserelementen in dem Faseroptikende 33 reflektiert und kehrt längs der Faseroptik zu einer Signalverarbeitungsanordnung zurück, die in geeigneter Weise in Einheiten 7 und 8 enthalten ist. Wenn der Stift abgelenkt ist, wird das durch den Spiegel reflektierte Licht über das Faseroptikende 33 bewegt. Das Muster und der Betrag des längs der Faseroptik zurückkehrenden Lichtes werden verändert. Durch geeignete Techniken, die bekannt sind, wie beispielsweise Strahlteilen, kann das von dem Spiegel reflektierte Licht mit dem darauf einfallenden Licht in einer geeigneten optoelektronischen Einrichtung oder einem ähnlichen Vergleicher verglichen oder absolut gemessen und bei 80 angezeigt werden. Beispielsweise ist eine Analyse aufgrund eines Systems von nichtlinearen Gleichungen mit der Spiegelposition, die durch die Stiftposition definiert ist, als Unbekannten, geeignet. Wenn die Ursache der Ablenkung entfernt wird, stellt die Rückstell oder Zwangseinrichtung, wie beispielsweise die Feder 20 und die Feder 46, den Stift zu der unabgelenkten Position zurück.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Sonde gemäß der Erfindung von einfacherem Aufbau als die bisher bekannten Sonden ist und das Erfassen des Auftretens einer Stiftverschiebung nicht auf einem elektromechanischen Schalten beruht. Weiterhin kann die Sensorwirkung alle drei Richtungen der Stiftablenkung erfassen.
Jedoch sind auch verschiedene weitere Vorteile durch die Erfindung vorgesehen, wie dies nunmehr in Einzelheiten erläutert wird.
Die Anordnung kann in einem analogen oder einem Trigger-Modus arbeiten. In dem letzteren Fall ist eine Änderung im reflektierten Licht lediglich bedeutsam, wenn eine Belastung über einem vorbestimmten Pegel aufgetreten ist. Dies liefert eine Anordnung, die kompatibel mit bestehenden Koordinatenmeßgeräten ist.
Es ist vorteilhaft, die optische Faseranordnung nicht bei dem Fokus des Spiegels zu haben, wenn dieser in seiner anfänglichen, neutralen Position ist. Es liegt eine Verbesserung in der longitudinalen Empfindlichkeit durch eine derartige, leicht defokussierte Anordnung vor. Das Licht, das aus der Faseroptik austritt, kann längs einem oder mehreren der Sammelelemente gefördert werden.
Wenn sich im Gebrauch der Spiegel herumbewegt, ändert sich die Lichtintensität auf jeder Empfangs- und Detektorfaser. Im allgemeinen wird das von jeder Faser ausgegebene Licht durch eine nichtlineare Funktion der Einganspositionsparameter (x, y, z) beschrieben, die unbekannt sind und ermittelt werden müssen. Somit gibt eine Anordnung von Fasern Veranlassung zu einem Satz von nichtlinearen Gleichungen. In der Theorie liefern drei Fasern genügend Information. Fünf Empfangsfasern wurden verwendet (Figur 3), und dies erlaubt eine wirksame Lösung der kleinsten Quadrate, wobei die Effekte des Rauschens minimiert werden, das in der Praxis immer vorhanden ist. Andere Faseranordnungen, beispielsweise sieben Fasern (Figur 4) sind möglich. Faseranordnungen, die offengelegt sind, um die erforderliche Berechnung zu vermindern, sind ebenfalls möglich, wobei beispielsweise die Notwendigkeit für nichtlineare Gleichungen vermindert wird. Versuche, die fünf Fasern verwenden (Figur 3), haben eine Auflösung von 0,1 Mikrometer in der x- und y-Achse mit einer Tiefenauflösung von 1 Mikrometer ergeben. Ein Vergleich mit einer typischen handelsüblichen Sonde zeigt, daß eine Sonde gemäß der Erfindung einen Gesamtfehler hat, der die Hälfte von demjenigen der typischen Sonde für Stiftlängen von 50 bis 80 mm beträgt.
Figur 7 zeigt eine optische Anordnung, bei der ein Strahlteiler 71 Licht von einer Emissionsfaser 72 zu einem Spiegel 42 leitet. Von dem Spiegel 42 reflektiertes Licht verläuft durch den Strahlteiler 71 zu einer Sammelfaseroptik 73.
Figur 8 zeigt ein schematisches Diagramm einer Sondensensorschaltung. Eine Emissionsfaseroptik 81 und eine Sammelfaseroptik 82 sind mit einer Sonde 10 verbunden, die einen Stift 40 hat. Die Emissionsfaseroptik ist durch eine LED 181 gespeist, die durch eine Ansteuerung 182 erregt ist, welche durch eine Rückkopplungsvorrichtung 183 und eine Photodiode 184 geregelt ist die durch eine Faseroptik 185 mit der LED 181 in einer stabilisierten Schaltung mit optischer Rückkopplung verbunden ist. Eine weitere Faseroptik 186 verbindet die LED 181 mit einem Bezugskanal einer Photodiode und eines Verstärkers 187, einem Bandpassfilter 188 und einer Abtast- und Haltevorrichtung 189. Der Bezugskanal wird verwendet, um eine Drift in dem nunmehr beschriebenen Empfänger zu kompensieren. Jede Faser der Sammeloptik 82 hat eine Empfängerkanalanordnung ähnlich zu dem Bezugskanal einer Photodiode und eines Verstärkers, ein Bandpassfilter und eine Abtast- und Haltevorrichtung. Der Ausgang des Bezugskanals und jeder Faserkanal sind mit einem Multiplexer 190 und einem ADC (Analog/Digital-Umsetzer) 191 verbunden. Der ADC 191 hat eine Auflösung von 14 bits mit einer Umsetzungszeit von weniger als 10 Mikrosekunden. Ein Einzelchip-Mikroprozessor 192 kann die Sensorschaltung und eine geeignete Anzeige 193 betreiben. Alternativ kann ein Personal-Computer 194 für diesen Zweck angeordnet werden.
In einer Modifikation der Schaltung in Figur 8 sind Regelabweichungs- und Verstärkungssteuerungen in Schleifen und dem Multiplexer 190 und dem Mikroprozessor 192 vorgesehen. Ein Puffer ist zwischen den Multiplexer 190 und den ADC 191 eingeführt, so daß Steuersignale in die Schaltung eingespeist werden können. Der Mikroprozessor liefert auch ein Ausgangssignal für die Abtastund Haltevorrichtungen.
Da die dreidimensionale Messung eine große Datenmenge liefert, spielt die Modellgestaltung des Sensors eine Schlüsselrolle bei der Analyse des Sensorbetriebsverhaltens und führt zu einer Optimierung des Designs.
Das Sensormodell ist beispielsweise durch die Gleichungen (1) bis (5) beschrieben, die in Figur 13 gezeigt sind und die Bezugszeichen von Figur 9 sowie die Faseroptikanordnung und Nomenklatur von Figur 3 verwenden.
In Gleichung 1 bedeutet 1 die Stiftlänge.
(xi, yi, zi) ist die Position des Stiftkopfes in dem Objektkoordinatensystem (OCS), das in Figur 9 definiert ist.
(Θ, , z) ist in dem Sensorkoordinatensystem (SCS) definiert, wobei Θ die Breite, die Länge und z die Verschiebung längs der z-Achse bedeuten.
In Gleichung 2 bedeutet (X, Y, Z) die Position der Detektoren bezüglich des Zentrums der Bildebene. Sie verändert sich mit (xi, yi, zi).
(l&sub1;, m&sub1;, n&sub1;), (l&sub2;, m&sub2;, n&sub2;), (l&sub3;, m&sub3;, n&sub3;) sind die Richtungscosini von jeweils OX, OY, OZ in dem Sensorkoordinatensystem (SCS). Sie sind Funktionen von (Θ, , z).
Pd=(x, y, z)T ist die Position der Detektoren im SCS.
Po=(xo, y, zo)T ist die Position des Bildpunktes im SCS. Es ist auch eine Funktion von (Θ, , z).
Die Gleichungen 3 und 4 behandeln die Lichtintensität, und Gleichung 5 definiert u, v, Un und Vn mit:
I ist die Intensität bei der Detektorposition (X, Y, Z),
I&sub0; ist die Intensität im Zentrum der Bildebene,
f ist der Abstand vom Spiegelzentrum zum Zentrum der Bildebene,
λ ist die Lichtwellenlänge.
Bei gegebener Eingangsposition (xi, yo, zi) kann die durch die Faseranordnung (Ix1, Ix2, Iy1, Iy2, I0) (Figur 3) erfaßte Lichtintensität aus dem obigen Sensormodell bestimmt werden. Die typischen Lichtintensitätsverteilungen (Ix1, Ix2, Iy1, Iy2, I0) in einer Horizontalebene, definiert als eine x-y-Ebene, und in einer x-z-Ebene sind jeweils in den Figuren 10a und 10b gezeigt.
Mittels des Sensormodelles und einer nichtlinearen Minimierungsmethode der kleinsten Quadrate kann die Beziehung zwischen (xi, yi, zi) und (Ix1, Ix2, Iy1, Iy2, I0) durch fünf nichtlineare Gleichungen angenähert werden. Die wohlbekannte iterative Gauss-Newton-Methode wurde verwendet, um die nichtlinearen Gleichungen zu lösen. Alternativ könnte eine Nachschlagtabelle (LUT) oder die Kombination der empirischen Formeln und einer LUT verwendet werden, wobei letztere einfacher mit einem Mikroprozessor auszuführen ist. Die Analysen haben das Vorliegen einer einzigen Lösung in dem kleinen Positionsmessungsvolumen (≤ 1,5 mm im Kubus) bei dem Vorhandensein eines gewissen definierten Rauschpegels angezeigt.
Versuche gemäß der durch das GB Nationale Physikalische Laboratorium für analoge Sonden empfohlenen Methode, einschließlich statistischer Analyse der Ergebnisse, zeigen eine Wiederholbarkeit und eine absolute Genauigkeit, die besser als 1 Mikrometer ist, wird gleichmäßig in einem kalibrierten Testvolumen von 200 × 200 × 200 Mikrometern erreicht. Die Drift ist kleiner als 1 Mikrometer in 4 Stunden.
Die Tiefenempfindlichkeit kann mit nicht-koplanaren Faserenden (Figur 5) oder geneigten Faserenden (Figur 6) verbessert werden.
Eine opake oder lichtundurchlässige Scheibe im Zentrum des Spiegels und/oder bei der Emissionsfaser verbessert die Tiefenempfindlichkeit. Strahlteiler können verwendet werden, um die Anordnung der Lichtpfade zu ändern. Eine Anordnung von drei oder mehr ladungsgekoppelten Vorrichtungsstreifen kann anstelle der Fasern verwendet werden, wobei ein gewisser Verlust der Tiefenauflösung vorliegt, da die Anzahl der Graupegel für zahlreiche digitale Vorrichtungen begrenzt ist. Eine andere Alternative ist die Verwendung von analogen positionsempfindlichen Detektorvorrichtungen (PSD) in einer geeigneten Anordnung. Mehr als eine Wellenlänge der Strahlung kann verwendet werden, während das emittierte Licht in der Intensität moduliert wird, wobei beide Maßnahmen für eine Rauschreduktion relevant sind.
Andere Anordnungen gemäß den obigen Techniken sind für den Fachmann ersichtlich, beispielsweise das Umordnen des linearen Lagers und des Klapplagers.
Auch können Bewegungen in lediglich beliebigen zwei der drei Dimensionen bestimmt werden. Licht, das Infrarat- und Ultraviolett-Strahlung umfaßt, kann als das Ablenksensormedium verwendet werden, wobei Infrarot in den oben beschriebenen spezifischen Umgebungen benutzt wird. Selbstverständlich kann Mikrowellen- oder andere elektromagnetische Strahlung mit geeigneten Strahlungsquellen in dem Gehäuse und Ablenkvorrichtungen auf dem Stift verwendet werden. Andere Anordnungen der Strahlungsquelle sind möglich, beispielsweise im unteren Teil des Sensorraumes, um Strahlung durch einen Ablenker auf den Stift zu richten.

Claims

1. Sonde (10) für ein Positionsbestimmungsgerät und dergleichen, das in der Sonde einen Sensorraurn (60), einen Stift (40), der für eine Positionsbestimmungsbewegung gelagert (43,50) ist und sich in den Raum erstreckt, eine Einrichtung (81), um in den Raum Sensorstrahlung zu emittieren, und eine Einrichtung (92) zum Sammeln der Sensorstrahlung von dem Raum hat, wobei der Stift in dem Raum eine Einrichtung (42) lagert, um die emittierte Sensorstrahlung bei einer Bewegung der Ablenkeinrichtung mit der Positionsbestimmungsbewegung des Stiftes abzulenken, wobei der Stift für eine dreidimensionale Positionsbestimmungsbewegung gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung die Sensorstrahlung konzentriert und die Sammeleinrichtung eine Faseroptik umfaßt, die eine Anordnung von optischen Faserelementen (Ix1, Ix2, Iy1, Iy2) hat und für eine Änderung einer Intensitätsverteilung der gesammelten abgelenkten Strahlung mit der dreidimensionalen Bewegung des Stiftes empfindlich ist, wobei der Stift frei von einer mechanischen Verbindung für die Positionsbestimmung ist.

2. Sonde nach Anspruch 1, bei der die Sensorstrahlung Licht oder ähnliche Strahlung, einschließlich sichtbarem Licht, Infrarot-Licht, Ultraviolett-Licht und anderer elektromagnetischer Strahlung, ist.

3. Sonde nach Anspruch 1, bei der die Emissionseinrichtung für Lichtstrahlen bei wenigstens einer optischen Faser ist.

4. Sonde nach Anspruch 1, bei der die Emissionsfaser eine der Samrnelfaser-Optikelemente ist.

5. Sonde nach Anspruch 1, bei der die Sensorstrahlung Licht ist und die Sammeleinrichtung eine optoelektronische Einrichtung, die auf eine Intensitätsänderung des abgelenkten Lichtes anspricht, um ein ablenkungsbezogenes Signal zu erzeugen, und eine Signalverarbeitungsanordnung umfaßt, um hieraus die Bewegung der Ablenkungseinrichtung abzuleiten und dadurch die Stiftbewegung in drei Dimensionen zu bestimmen.

6. Sonde nach Anspruch 5, bei der die optoelektronische Einrichtung auf abgelenktes Licht anspricht, das durch einzelne optische Faserelernente gesammelt ist

7. Sonde nach Anspruch 1, bei der die Ablenkeinrichtung eine reflektierende oder eine brechende Vorrichtung ist, um die abgelenkte Sensorstrahlung zu konzentrieren.

8. Sonde nach Anspruch 7, bei der die Strahlung Licht ist und die Ablenkeinrichtung eine Linse, ein Spiegel oder ein Prisma ist.

9. Sonde nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Ablenken von Strahlung angeordnet ist, um Strahlung zu fokussieren, und gelagert ist, um Strahlung zu einem anderen Ort als der Sammeleinrichtung bei der neutralen Position des Stiftes zu fokussieren.

10. Sonde nach Anspruch 1, mit einer Einrichtung, die auf ein Ausgangssignal der Sammeleinrichtung anspricht, das die Intensitätsänderung der gesammelten abgelenkten Strahlung darstellt, um aus der Änderung des Ausgangssignales mittels der Methode der kleinsten Quadrate eine Bewegung der Ablenkeinrichtung abzuleiten und dadurch die Stiftbewegung in drei Dimensionen zu bestimmen.

11. Sonde nach Anspruch 1, bei der die Stiftbewegung vorgesehen ist, um für die Ablenkeinrichtung ein Bewegungsvolumen zu haben, das einzige Positionslösungen der Ablenkungseinrichtung für einen gewählten Rauschpegel enthält.

12. Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, die für eine analoge oder Berührungs-Operation angeordnet werden kann.

13. Verfahren zum Erfassen einer dreidimensionalen Bewegung eines Stiftes (40) einer Sonde (10), umfassend ein Befestigen eines fokussierenden brechenden oder reflektierenden Elementes (42) auf dem innerseitigen Ende des Stiftes, ein Richten von Strahlung bei dem Element, gekennzeichnet durch ein Sammeln auf einer Sensoranordnung über eine Anordnung von Faseroptiken (Ix1, Ix2, Iy1, Iy2) von fokussierter Strahlung, die durch das Element gebrochen oder reflektiert ist, Erfassen von Änderungen einer Intensitätsverteilung auf der Sensoranordnung mit einer Bewegung des Elementes und Bestimmen einer Bewegung des Stiftes aus den erfaßten Änderungen der Intensitätsverteilung.