JPH02504315A - 参照光、特にレーザ光に関して対象物の参照軸の相対位置を確定するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 参照゛′　ｔにレーザ゛′に間して　象牙の照軸の相・！′ｌＦを　　　るなめ の 本発明は、特許請求の範囲１のｖＩ置き部分に係る装置に関する。

この種の周知の装置において、部分光は入射する主参照光に直角に分岐される０ 周知の装置においては、レーザ。

ガイデッド・コントロール（ＤＥ−Ａｌ　３７１００６８）用に工業ロボットの 測定ヘッド内に収納されているが、分離ミラー（ｓｐｌｉｔｔｉｎｇｍｉｒｒｏ ｒ）を横切り直進して参照光が入射する位置検出器は、参照先に垂直な測定ヘッ ドの再配置を確定する動作をし、一方、直角に分岐された部分光が入射する別の 位置検出器は、参照光回りの測定ヘッドの回転に比例した信号を出す目的を果た す、参照光の光Ｂ（ｂｅａｒＡｐａｔｈ）内に挿入された拡大レンズは特定の寸 法に合わせて作られているので、最初に述べた位置検出器上のＸ方向およびＹ方 向の拡大に効果があり、そして分離ミラーからの再位置検出器の距離は異なる大 きさに配置されていて、参照光が当たる位を検出器は分離ミラーの近くに配置さ れ、別の位置検出器はそこから参照光に対し垂Ｉに充分に大きな距離に配置する 。その結果として、周知の装置はレーザ光に垂直な方向に大きな距離を必要とす る。

この発明は、特許請求の範囲１の前置き部分に従った装置を創出する職務に基づ いており、周知の装置よりも必要とする距離が実質上より少ないにもかかわらず 、測定対象物上の測定点間の距離に対し大きな実効的な長さの差を呈するので、 参照光に関する測定対象物の参照軸の平行変位だけでなく角度変位の確定に対し てもまた同様に、充分な分解性能と充分な精度をもって使用することができる。

前述の職務は、特許請求の範囲１の限定部分に示された特徴によって解決される 。

本発明に係る装置において、明らかに増加した距離はり象物における測定点、す なわち参照先の光路内の直接側ｊ点と部分光の光路内の仮想測定点との間で幾何 学的に達成され、同一の特種な２′Ｍ反射により生じる分岐した部分光の回折に よってこの装置に対してはすでに最適な小さな距離を有し、そしてこの長さの差 は、このために特に適合された光学的な拡大システムの特定の寸法に合わせて作 られることにより、さらに光学的に拡大される。

この発明に係る装置の特にコンパクトで、しかもまた耐妨害性（ｉｎｔｅｒｆｅ ｒｅｎｃｅ−ｐｒｏｏｆ）の強化は、特許請求の範囲２に従って達成され、それ により集束光システムは位置検出器だけでなく分離ミラーおよび傷内ミラーと共 にコンパクトな光学ガラスシステム内に固定され、そのために測定点距離の光学 的な拡大用集束光システムはコンパクトな光学ガラスシステムの入口側における 光路内に取付けられ、従って既に分離ミラーの前面となる。

放射トランスミッタから装置への距離ばかりでなく参照光の軸回りの装置の回転 も、本発明に係る特許請求の範囲′　３によるこの装置において検出することが でき、これにより放射トランスミッタは対象物に向かって２本の参照光を発しく それらの間には鋭角を含む）、両者とも位置検出器上に入射する。各検出器に入 射する両替照光の両侵入点の分離は、位置検出器を適当に選択してそれらに対し て置くことで可能である。しかしながら、より簡単な２軸位置検出器を使用でき るように（請求の範囲４）、交互に２つのこの発明を、図面を参照しながら以下 の実施例によって更に詳細に説明する０図面において 第１図乃至第３図はこの発明の基本を形成する装置の形式の原理的な動作モード の説明のための構成図、第４図は本発明に係る装置において代りに使用すること ができる２本の参照光での測定の原理の説明のための透視図、 第５図は本発明に係る装置の実施例を示す透視図、第６ａ図乃至第６Ｃ図は本発 明に係る装置において使用可能な位置検出器の構造図、 を示す。

第１図乃至第５図によれば、空間的に固定された放射トランスミッタＳは、実質 上平行に焦点合わせされた主参照光Ｒｐを、好適にはレーザ光を発し、それは２ つの光電位置検出器２３および２５上に入射するような方向に発せられ、これら の検出器は物理的にすなわち実質的に一方が他方の後ろに間隔を開けて配列され ており、図面中に矩形によって図的に再現される。この位置検出器は固定参照軸 ＢＡを表示する対象物にしっかりと取付けられ、主参照光Ｒｐに関するその位置 は、平行変位および角度変位に関して、かつ−第４図による２光線の原理を使用 して一主参照光Ｒｐ回りの角度位置に関してもまた確定することができる。第４ 図による２本光線の原理は更にまた、固定空間点、例えば放射トランスミッタＳ の位置からの対象物の距離を確定することを可能にする。

対象物は、その詳細が問題ではないので、図中では参照軸ＢＡだけで表される。

位置検出器２３および２５は、図に矩形によって概略的に示されている。これら は、基本的な測定原理を説明するために、第１図、２図および４図中に一方が他 方の後ろに物理的に表される。この種の装置の実施例において、それらはしかし ながら実際には、第３図から原理的に明らかなように、物理的にではなく、仮想 的に一方が他方の後ろに配列されるだけである。

第１図および第２図による位置検出器２３．２５は、第１図および第２図にのみ 記入されているが、主参照光Ｒｐまなはこれから分岐された部分光ＲＰ・（第３ 図）のそれぞれの投射点ＡおよびＡ′がこの中の基準点ＢＰからの検出器面内に 表示する間隔の、実質上相互に垂直な座標Ｘとｙ（検出器２３）またはＸ′とｙ ’　　（検出器２５）の大きさおよび符号に対応した電気信号を供給する。検出 器面内の基準点ＢＰの位置は、実際的な測定技術の前述の事項に従って任意に選 択可能であるが、しかし最初から固定されれば、既知である。この種類による機 能の基本的なやり方の説明をする第１図乃至第３図において、基準点ＢＰは位置 検出器２３および２５の下側の前方コーナーに図解するためにそれぞれ位置し、 一方それらを接続している線は対象物によって固定された参照軸ＢＡと一致して いる。

位置検出器２３および２５は、参照軸Ｂ’Ａを表示する対象物に配置されるので 、これらの座標軸は主参照光Ｒ，の投影方向に整列される。

第１図に見られる参照軸ＢＡの位置において、位置検出器２３および２５上の主 参照光Ｒｐの入射点ＡとＡ′は、それぞれの基準点ＢＰからの大きさおよび方向 が同じ距離を有するので、座標Ｘもまた座標Ｘ′に対応し、かつ座標ｙが座標ｙ ′に対応し、そして検出器はデータ処理装置、例えば市販の昔通のコンピュータ に対し適当な信号変換器３によって対応する信号Ｓ工ｔＳＸ・、ＳｙおよびＳｙ ・を供給する。ＸおよびＹ方向における平行変位およびヨーイング角度とピッチ 角度の変位による信号から、コンピュータは別々に、または他の基準によって、 補正を必要とする変位を排除するために、対象物の予定組立て点における保証す べき補正値と共に主参照光Ｒｐに関する対象物の参照軸ＢＡの相対位置を計算す る。

データ変換器３を有するコンピュータ４と共に端子ＳＫ＋Ｓ、、Ｓ、、およびＳ ｌ、は第１図にのみ図示されているが、勿論的の図面にもまた同様の意図のなめ に用意される。

第１図と比較して第２図は、主参照光ＲＦに間して参照軸ＢＡが異なる相対位置 を示すが、これは種々の理由で測定場所における対象物の位置の変化の結果、例 えば対象物を形成する機械の操作上の原因による応力の結果である。

参照軸ＢＡの位置が変化すれば、参照光Ｒ，に関する位置検出器２３および２５ の位置と、それによって検出面上のそれぞれの入射点の位置もまた変化する。第 ２図における位置的な変化は、角度位置の変化が支配的である。勿論、純然なる 平行変位もまた関係し得るし、従って、主参照光Ｒｐに関する参照軸ＢＡの距離 の一様な変化や、両変位の組合わせのようなものも有り得る。第２図の図の平面 内におけるだけでなくこれに垂直な角度変化も、従って、ヨーイング角度変位も ピッチ角度の変位もまた、結果として二つの位置検出器の少くとも一つに対する 入射点ＡまたはＡ′の位置における変化が生じることも明らかである。入射点の 位置変化に基づき、そしてその結果として生じる座標Ｘおよびｙ、またはＸ′お よびＸ′における変化のために、対応する変化もまた結果として信号Ｓ８および Ｓｙ、またはＳ、およびＳ２．を生じ、周知の放射源Ｓから位置検出器１および ２が遠い場合にコンピュータは、測定距離における参照軸ＢＡの位置に関した対 応するステートメントおよび対応する補正値の処理に入ることが可能である。

物理的に他方の後ろにある第１図および第２図による位置検出器２３および２５ の配置は、主参照光Ｒ，に対する前方の位置検出器２３が少くと６部分的に透明 であるということが前提となる。これは、現時点では簡単に実現することは技術 的にできない、従って、この形式による周知の装置においても、また第３図およ び第５図によるこの発明に係る装置においても同様に、昔通の光不透過の位置検 出器２３および２５が、主参照光Ｈｐの投影方向内の両位置検出器の中の１つを 単に仮想配置に関連して使用されるだけである（第３図を参照することにより、 以下でなお説明する）。

第３図によれば、位置検出器２５は主参照光Ｒｐの投影方向における位置検出器 ２３の後方に仮想的に、物理的にはビーム・トランスミッタＳから放射する投影 方向の向かって外側にのみ配置される。この位置検出器２３は前記の投影方向内 に物理的に維持され、そして前述において議論された配列のように、参照軸ＢＡ がこれに平行に位置する場合に、主参照光Ｒ，に実質的に垂直な検出面により配 置される。

位置検出器２うは主参照光Ｒｐの横方向に外れた対象物に配置され、一方、その 検出面は位置検出器２３の検出面上に垂直に位置し、そして第３図の図面の平面 に垂直な軸回りに、第１図に応じた位置に比例して回転される。参照軸ＢＡが参 照光Ｒ，に平行に位置する場合、この参照光Ｒｐが位置検出器２３に到達する前 にビーム分離器に入射して、それから部分光Ｒ２・を分岐し、位置検出器２５の 検出面に垂直に入射する。予定した初期の整列位置における参照光Ｒｐ−の入射 点Ａ′は、基準点ＢＰから位置検出器２３上の参照光Ｒ，の入射点までの距離に 関して一致するので、第１図による配列に関する限りでは、同じ条件が機能的に 存在する。

分離ミラーの前面および／または位置検出器２３の前面および／まなは位置検出 器２５の前面における光学レンズ２１の挿入を介して、放射源Ｓから放射する主 参照光Ｒ２の投影方向内に、位置検出器２５のいかなる所望の仮想配置をも、従 って位置検出器２３の前方または後方のどちらでも、本発明に係る装置において 達成することができ、それに関し第３図に破線により３つの例を示す。

適当に構成したレンズ２１を介して、放射源Ｓがら見える検出面を拡大すること も可能であり、これにより測定範囲の整合を得ることができる。

第１図乃至第３図による機能的な原理の場合、コンピュータのために要求される 放射源Ｓからの位置検出器２３および２５の距離の１￥報は、測定装置とは無関 係にどんな方法ででも得られる。

これに対して、本発明に係りそして第４図に図示された代替的に使用可能な測定 原理は、さらにこの情報を同じ装置によって得るための可能性を表し、これによ り平行変位と、ヨーイングおよびピッチ角度変位とを確定可能である。

これは第４図によって可能にされ、これにより、なお、主参照光Ｒ１に加えて、 これに鋭角に、副番照光Ｒｓが放射源Ｓにより発せられ、ここで両替照光に対す る投影角度および方向は、参照軸Ｂ　Ａの可能な全部の位置に対して、両替照光 が位置検出器１および２の少なくとも１つの検出面上に入射するよう選択される ０両参照光間の既知の角度αに対し、一方のまたは他方の検出面内の２つの入射 点Ａ１およびＡ　ｐ　、＊たはＡ１・およびＡ、・のそれぞれの間隔は、放射源 Ｓからの当該位置検出器２３まなは２５の距離の一つの物差しとなり、従って、 計算に必要なこの距離の情報が一方で得られ、他方では放射源Ｓからの位置検出 器の距離における変化もまた検出可能であることは明らかである。

それ以上に、両入射点のそれぞれの座標Ｘおよびｙ、または座標Ｘ′およびｙ′ におけるそれ自身を表示する各検出面内の入射点間の距離の方向はまた、角度位 置または対象物により互いに堅く連結された検出器の両方の回転角度についての 、およびこれにより主参照光ＲＰに対する参照軸ＢＰについての、そして従って またこの角度位置における変化の方向についてのステートメントを可能にする。

第５図は本発明に係る装置の一実施例を示す図であり、第３図による実効的な検 出器間隔に与える光学的な影響を有する仮想的な位置検出器アラインメントの原 理に基づいて動作すると共に第４図による２光線の原理に基づいてもまた選択的 に動作し、そしてそれは特に小寸法で顕著であり、それにも拘らず、これと比較 して実際の寸法に関して非常に大きな間隔の、より大きな検出器を示す装置のよ うに動作し、従って広い角度測定感度と共に広い測定範囲を第５図による装置に おいて、放射トランスミッタＳは主参照光Ｒｐと副番照光Ｒ８を発する。対象物 の端において、この装置は、対象物にしりかつと固定可能であり、そしてレンズ ２１を介して２本の参照光Ｒ１およびＲ８が入る測定部２０を示す、測定部２０ では、これら参照先は最初に分離ミラー２２に入射する。これは参照光Ｒｐおよ びＲ８が第１の位置検出器２３に直進することを可能にし、この検出面は実質的 に参照光Ｒｐに対し垂直に向いている。

分離ミラー２２により入射参照光Ｒ１およびＲ、から分岐された部分光Ｒ７・お よびＲ，・は、第１の位置検出器２３の検出面と大体同じ平面内に検出面がある 第２の位置検出器２５に導かれる０位置検出器２３と２５の間に特に大きな仮想 間隔を得るために、部分光Ｒ，・およびＲ，・は最初に入射参照光ＲｐおよびＲ ８の入射方向に反対の斜め下方向へ分離ミラー２２によって反射され、次いで再 度、適切に昔通の偏向ミラー２４にて幾何学的に延長され、その座標軸が位置検 出器２３の座標軸に実質的に平行となるよう位置検出器２５上にのみ入射される 。

レンズ２１は、放射源Ｓから見られる位置検出器２３および２５が、一方では実 際の寸法と比較して実質的に拡大され、そして他方では測定部２０における寸法 に関して他方の後ろに一方が実質的に充分広い間隔に配置され、その上に参照光 ＲｐおよびＲ１が放射源Ｓから発射される投影方向内に直接に入射する検出器２ ３′および２５′とじて見えてくるように構成される。

測定部２０の個々の構成要素、すなわち集束光システム２１、分離ミラー２２、 偏向ミラー２４および位置検出器２３．２５が、特に光学的に活性な表面での水 蒸気の凝縮をも排除する安定した耐妨害性のコンパクトな光学ガラスシステム内 に一緒に固定される。

第５図の実施例によれば、寸法の大きさは１カートンの煙草の箱またはもっと小 さいオーダ・−であり、対象物の位置または参照光Ｒ，に関するその固定参照軸 の位置を最も精密に測定することができ、そして初期位置に関する位置的な変動 は以下の成分に関して別々に確定することができる。

ａ）　　全方向における平行変位、 ｂ）　　ピッチ角度変位、 Ｃ）　　ヨーイング角度変位、および ｄ）　　回転角度変位。

それ以上に、放射源Ｓからの検出器の距離およびそれに関する変位もまたこの装 置により確定可能である。

第６図による簡単な実施例における位置検出器は、好ましくないやり方では、二 つの入射点ＡｐおよびＡｓに関して各検出面内で混合された電気的な出力信号を 供給するであろうから、第５図による装置内のその様なまたは類似した検出器の 使用上での放射トランスミッタＳは、二つの入射点の座標が対応する電気信号と して交互に同期して、かつそれにより別々に生じるように速いシーケンスで参照 光ＲｐおよびＲ８を交互に発する。

第６ａ図乃至第６ｃ図は、この装置において使用可能なアナログの２軸光電半導 体装置検出器の構造形態の効果の基本的な方法を説明するのに役立つ。

第６ａ図乃至第６ｃ図による位置検出器は、金の被覆層３０、その下の空乏域３ １および更にその下の高抵抗基板３２を示し、ここで電流工。は金の被覆層３０ と、実質的に四角な基板の断面に沿った表面および底面ばがりでなく基板に横方 向にも配置されたコンタクト・ストリップ３３とを伝導し、このコンタクト・ス トリップにより供給電流１、は分割されて部分電流となって流れ去る。この電流 工。の分割は、金の被覆層上に入射する光線の場所に依存する。この図示された 構造形態においては、供給電流１０は４つの部分電流に分割され、個々のコンタ クト・ストリップ３３により流れ去り、これらの大きさについては中心から光線 の入射点までの距離に依存する。従ってこの光線が空乏域と基板とに一致する正 方形の金の被覆層の中心に正確に入射した場合、この４つの部分電流は各々の間 で互いに等しい大きさとなる。座標中心からの入射光線の偏心点間隔の直角成分 を、互いに対向して配置された２つ一組のコンタクト・ストリップ３３において 起こり得る電流の差から読み取ることができる。

他に向いた構造形態のものは基本的に別として、前記したような位置検出器は周 知であり、商業的に入手可能である。

ニＥＥｉｉ：５ｉｂ ニＴシｒＢｃ 国際調査報告 国際調査報告

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．電磁放射の、特にレーザ光の、空間的に固定されそして実質的に平行に焦点 合わせされた参照光に関して対象物の参照軸の相対位置を確定するための装置に 、ａ）参照光（Ｒｐ）用の空間的に固定された放射トランスミッタと、 ｂ）対象物に固定可能であり、かつ、対象物上に２つの測定点の異なる１つにそ れぞれ組み合わされる２軸光電位置検出器（２３，２５）であって、これらは参 照光（Ｒｐ）の投影方向内に実質的には少なくとも一方が他方の後ろに位置して おり、そしてそれぞれの検出面における参照光（Ｒｐ）の入射点（Ａ，Ａ′）が その中の基準点からの間隔を示す相互に垂直な座標（ｘ，ｙ，ｘ′，ｙ′）の大 きさと符号に対応した電気信号を供給する位置検出装置と、および ｃ）両位置検出器（２３，２５）と組合わされ、そしてこの位置検出器（２３， ２５）によって供給された信号から参照光（Ｒｐ）の中心線に関して参照軸（Ｂ Ａ）の相対位置を計算するための電子データ処理装置（３，４）と、そしてその 中に ｄ）参照光（Ｒｐ）の光路内に配置されて、一方の位置検出器（２３）に引き続 き直進する参照光（Ｒｐ）から他方の位置検出器（２５）に向かって部分光（Ｒ ｐ′）を分岐する分離ミラー（２２）と、 を更に備え、 ｅ）位置検出器（２３，２５）が、大よそ相互に平行な検出面を有して参照光（ Ｒｐ）に関し大体同じ高さに配置され、 ｆ）分岐される部分光（Ｒｐ′）は最初に、分離ミラー（２２）により反射され 、到来する参照光（Ｒｐ）の方向に反対する成分となり、次いで偏向ミラー（２ ４）を用いて他方の位置検出器（２５）に向かって反射され、そして ｇ）拡大集束光学システム（２１）が部分光（Ｒｐ′）の光路内に少くとも挿入 されている ことを特徴とする参照光、特にレーザ光に関して対象物の参照軸の相対位置を確 定するための装置。
2. ２．集束光学システム（２１）は、参照光（Ｒｐ）の光路内の分離ミラー（２２ ）の前面に配置されて、分離ミラー（２２）、偏向ミラー（２４）および位置検 出器（２３，２５）と共にコンパクトな光学ガラスシステム内に固定されること を特徴とする請求の範囲１に記載の装置。
3. ３．放射トランスミッタ（Ｓ）は、実質的に平行に焦点合わせされた２本の参照 光（Ｒｐ，Ｒｓ）が対象物に向かって相互に鋭角（α）に発射され、この両参照 光（Ｒｐ，Ｒｓ）が位置検出器（２３，２５）に入るよう装備されていることを 特徴とする請求の範囲１または２に記載の装置。
4. ４．放射トランスミッタ（Ｓ）は、参照光（Ｒｐ，Ｒｓ）を交互に発射するよう 装備されていることを特徴とする請求の範囲３に記載の装置。