WO2005005910A1 - Visiereinrichtung und vorrichtung mit einer kontaktlos oder kontaktbehaftet einsetzbaren mess-, arbeits- und/oder wirkeinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Visiereinrichtung zur Erzeugung einer optisch wahrnehmbaren Zielmarkierung auf einem Objekt, mit mindestens einer Lichtquelle zur Bereitstellung von zwei Visierstrahlen (6, 7), ist im Hinblick auf eine erhöhte Präzision der Zielmarkierung derart ausgestaltet, dass die beiden Visierstrahlen (6, 7) auf jeweils ein optisches Bauteil (8, 9) gerichtet sind, mittels derer die Visierstrahlen (6, 7) in jeweils eine Beleuchtungsebene (10, 11) derart aufspaltbar sind, dass sich die beiden Beleuchtungsebenen (10, 11) in einem Winkel schneiden, wobei der Schnittpunkt die Zielmarkierung bildet. Des Weiteren ist eine Vorrichtung mit einer kontaktlos oder kontaktbehaftet einsetzbaren Mess-, Arbeits- und/oder Wirkeinrichtung angegeben, die mit einem Objekt jeglicher Art an einem vorgebbaren Zielort wechselwirkt, wobei der Zielort mittels erfindungsgemässer Visiereinrichtung peilbar ist.

Description

„Visiereinrichtung und Vorrichtung mit einer kontaktlos oder kontaktbehaftet einsetzbaren Mess-, Arbeits- und/oder Wirkeinrichtung"

Die Erfindung betrifft eine Visiereinrichtung zur Erzeugung einer optisch wahrnehmbaren Zielmarkierung auf einem Objekt, mit mindestens einer Lichtquelle zur Bereitstellung von zwei Visierstrahlen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einer kontaktlos oder kontaktbehaftet einsetzbaren Mess-, Arbeitsund/oder Wirkeinrichtung, die mit einem Objekt jeglicher Art an einem vorgebbaren Zielort wechselwirkt, wobei der Zielort mittels Visiereinrichtung peilbar ist.

Visiereinrichtungen und Vorrichtungen der hier in Rede stehenden Art sind seit Längerem aus der Praxis bekannt und finden insbesondere im Rahmen der berührungslosen Temperaturmessung eine breite Anwendung. Vorrichtungen zur berührungslosen Temperaturmessung umfassen im Allgemeinen einen Detektor zum Nachweis einer von einem Messfleck auf einem Messobjekt ausgehenden Wärmestrahlung, ein optisches System zur Abbildung der vom Messfleck ausgehenden Wärmestrahlung auf den Detektor sowie eine Visiereinrichtung zur Kennzeichnung der Position des Messflecks auf dem Messobjekt mittels sichtbarem Licht. Zudem sind Vorrichtungen bekannt, bei denen zusätzlich zur Position des Messflecks auch die Größe des Messflecks auf dem Messobjekt sichtbar gemacht wird.

In der Praxis werden zur Sichtbarmachung eines Messflecks auf einem Objekt in überwiegender Weise Laserstrahlen verwendet. Dabei ergibt sich jedoch eine Reihe von Problemen: Wird der Laser beispielsweise abseits der optischen Achse des Strahlungsdetektors angeordnet und der Laserstrahl unter einem kleinen Winkel zur optischen Achse des Detektors ausgekoppelt, so bilden der Laser-Visierstrahl und die optische Achse des Detektors zwei windschiefe Geraden, die sich in einer bestimmten Entfernung von dem Detektor schneiden. Eine derartige Visiereinrichtung liefert folglich nur in einem einzigen festen Abstand des Messobjekts vom Detektor eine fehlerfreie Zielmarkierung, während für alle anderen Entfernungen eine mehr oder weniger große Abweichung zwischen der erzeugten Zielmarkierung und dem tatsächlichen Messfleck auftritt. Die in Infrarotmessgeräten - sowohl bei Infrarotthermometern als auch bei Infrarotkameras - eingesetzten Optiken sind oftmals im sichtbaren Bereich nicht durchlässig. Um eine genaue entfernungsunabhängige Mittelpunktsanzeige mittels Laservisier zu erhalten, sind Konstruktionen notwendig, die im Zentralbereich der Infrarotoptik auf der optischen Achse des Infrarotdetektors Umlenkspiegel bzw. Ablenkprismen sowie optische Fenster enthalten. Allen Konstruktionen ist gemeinsam, dass sie recht aufwendig sind, wobei in diesem Zusammenhang lediglich beispielhaft auf die US 4315 150 verwiesen sei.

Auf Grund der speziellen Bearbeitung der infrarotoptischen Materialien ist die Einbringung von Zentralbohrungen in die Objektive relativ teuer. Die Bauelemente zur Messmittelpunktsvisierung vermindern durch ihre Baugröße die effektive Öffnung des infraroten Messkanals. Auf Grund ihrer Eigenstrahlung stellen sie zudem insbesondere bei Geräte- und Objekttemperaturänderungen eine schwer zu kompensierende Störgröße im optischen Kanal dar. Außerdem sorgen Beugungserscheinungen an den konstruktionsbedingt auftretenden Kanten für eine Verringerung der geometrischen Auflösung.

Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Visiereinrichtung sowie eine Vorrichtung mit einer kontaktlos oder kontaktbehaftet einsetzbaren Mess-, Arbeits- und/oder Wirkeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der einerseits eine Markierung der Position und/oder Größe eines Messflecks mit einfachen Mittel und mit hoher Präzision ermöglicht ist und bei der andererseits Störeinflüsse auf der Achse der Mess-, Arbeits- und/oder Wirkeinrichtung minimiert sind.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich einer Visiereinrichtung zur Erzeugung einer optischen wahrnehmbaren Zielmarkierung auf einem Objekt durch eine Visiereinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Visiereinrichtung zur Erzeugung einer optisch wahrnehmbaren Zielmarkierung auf einem Objekt der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass die beiden Visierstrahlen auf jeweils ein optisches Bauteil gerichtet sind, mittels derer die Visierstrahlen in jeweils eine Beleuchtungsebene derart aufspaltbar sind, dass sich die beiden Beleuchtungsebenen in einem Winkel schneiden, wobei der Schnittpunkt die Zielmarkierung bildet. In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass Bauteile einer Visiereinrichtung, die sich auf der Achse einer Mess-, Arbeits- und/oder Wirkeinrichtung befinden, einen Messvorgang störend beeinflussen und einen Arbeitsvorgang unter Umständen sogar unmöglich machen. Darüber hinaus ist erkannt worden, dass durch die erfindungsgemäße Aufspaltung zweier Visierstrahlen mittels optischer Bauteile in zwei sich schneidende Beleuchtungsebenen eine sichtbare Zielmarkierung in Form eines Fadenkreuzes erzeugbar ist. Dabei befindet sich die Zielmarkierung - unabhängig von der Entfernung eines Messobjekts - stets exakt auf der Achse einer Mess- bzw. Arbeitseinrichtung, ohne dass irgendwelche störenden Bauteile auf der Achse angeordnet sind. Im Ergebnis ist folglich ein parallaxenfreies entfernungsunabhängiges Visieren ermöglicht.

Im Konkreten könnte es sich bei der Lichtquelle um einen Laser handeln, der zur Bereitstellung von zwei Visierstrahlen mittels eines Strahlteilers in zwei unaufge- weitete Teilstrahlen aufgeteilt wird. Der Laser könnte dabei in vorteilhafter Weise als ein batteriebetriebener Miniaturlaser mit geringer, für das menschliche Auge unschädlicher Ausgangsleistung ausgestaltet sein, beispielsweise in Form eines Diodenlasers oder Halbleiterlasers. Die Ausgangsleistung des Lasers könnte typischerweise im Bereich von 1 mW liegen, wodurch sicher gestellt ist, dass die Temperatur eines Messflecks durch die von der Visiereinrichtung auf den Messfleck abgestrahlte Energie nicht beeinflusst wird.

Die beiden so erzeugten Visierstrahlen sind auf jeweils ein optisches Bauteil gerichtet, wobei jedes der beiden optischen Bauteile jeweils einen der beiden Visierstrahlen in eine Beleuchtungsebene, d.h. in einen Fächerstrahl, aufspaltet. Zur Vermeidung unnötiger Verluste, d.h. zur Erzeugung eines möglichst hellen sichtbaren Fadenkreuzes, könnten die optischen Bauteile aus einem Material mit guten Transmissionseigenschaften hergestellt sein. In vorteilhafter Weise könnten daher Materialien wie Glas, Plexiglas oder transparente Kunststoffe Verwendung finden, was zudem den Vorteil hat, dass die optischen Bauteile äußerst kostengünstig herstellbar sind.

Zur Aufspaltung des Visierstrahls beim Durchlaufen des optischen Bauteils könnte dieses zumindest eine - konkav oder konvex - gekrümmte Fläche aufweisen. Im Hinblick auf eine leichte Handhabbarkeit und einfache Justierung bieten sich insbe- sondere kreisförmige oder halbkreisförmige Flächen an, wobei auch elliptische oder sogar asymmetrisch gekrümmte Flächen prinzipiell denkbar wären. Wichtig hierbei ist lediglich, dass der Visierstrahl unter unterschiedlichen Winkeln derart auf das optische Bauteil trifft, dass nach Durchlaufen des optischen Bauteils eine Aufspaltung des Visierstrahls erreicht ist.

Damit die Aufspaltung des Visierstrahls in einer Ebene erfolgt, könnte eine zylinder- förmige Ausgestaltung des optischen Bauteils, beispielsweise in Form eines Vollzy- linders, vorgesehen sein. Die Visierstrahlen durchlaufen dann sowohl beim Eintritt in das optische Bauteil als auch beim Austritt aus dem optischen Bauteil gekrümmte Flächen, wodurch eine Beleuchtungsebene erzeugt wird. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, das optische Bauteil als Halbzylinder auszugestalten, so dass der Visierstrahl nur auf eine gekrümmte Fläche trifft, während er - je nach Orientierung des Halbzylinders - entweder beim Eintritt in das optische Bauteil oder beim Austritt aus dem optischen Bauteil eine glatte Fläche „sieht".

Zur Auffächerung der Visierstrahlen könnten neben den brechenden/beugenden Bauteilen, wie Zylindern und Prismen, auch diffraktive optische Elemente - sogenannte Hologramme - und/oder (mikro-)mechanische Scanner eingesetzt werden. Dabei ist es ebenfalls denkbar, dass die Visierstrahlen zur Auffächerung mehrere Bauteile durchlaufen, die zusammen eine Funktionseinheit bilden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung, die sich durch eine besonders einfache Handhabbarkeit auszeichnet und die vielfach einsetzbar ist, könnten die optischen Bauteile an der Außenwandung eines zylinderförmigen Gehäuses angeordnet sein. Das zylinderförmige Gehäuse könnte dabei beispielsweise zur Aufnahme eines Strahlungsdetektors sowie einer zugehörigen Abbildungsoptik dienen.

Als Zylinder ausgeführte optische Bauteile könnten tangential an der Außenwandung des Gehäuses angebracht werden. Dabei könnte die Zylinderachse des optischen Bauteils zudem orthogonal zur Zylinderachse des Gehäuses ausgerichtet sein. Eine derartige Anordnung und Ausrichtung der optischen Bauteile an dem Gehäuse ist mit wenig Justageaufwand realisierbar und liefert - wie weiter unten im Detail beschrieben wird - in Kombination mit einer entsprechenden Ausrichtung der Visierstrahlen die gewünschte Zielmarkierung. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung könnten anstelle eines einzigen Lasers, der über einen Strahlteiler in zwei Visierstrahlen aufgespalten wird, zwei Laser vorgesehen sein, so dass jedem optischen Bauteil ein eigener Laser zugeordnet ist.

Die Laser könnten ebenfalls an der Außenwandung des zylinderförmigen Gehäuses angeordnet sein und von der dem zu untersuchenden oder zu bearbeitenden Objekt abgewandten Seite her auf die optischen Bauteile ausgerichtet sein. Dabei könnten die Laser insbesondere so ausgerichtet sein, dass die Visierstrahlen orthogonal auf der Zylinderachse der optischen Bauteile stehen. Dabei könnten die Laser entweder parallel zur Achse des Gehäuses ausgerichtet sein oder aber - wenn dies beispielsweise aus baulichen Gründen notwendig sein sollte - unter einem Winkel zur Gehäuseachse auf die optischen Bauteile ausgerichtet sein. Der Abstand der Laser von der Gehäuseachse ist dabei grundsätzlich beliebig wählbar.

Bezüglich der genauen Positionierung der Laser entlang des äußeren Gehäuse- umfangs könnte vorgesehen sein, dass die Position der Laser mit den Anlagepunkten der optischen Bauteile an der Außenwandung des Gehäuses übereinstimmt. Sind die Laser zudem parallel zur Achse des Gehäuses ausgerichtet, so ist sichergestellt, dass die sich als Schnittpunkt der beiden Beleuchtungsebenen ergebende Zielmarkierung stets die zentrale Gehäuseachse kennzeichnet, und zwar unabhängig von der Entfernung des zu untersuchenden oder zu bearbeitenden Objektes.

In vorteilhafter Weise könnte vorgesehen sein, dass die optischen Bauteile entlang des äußeren Gehäuseumfangs einen Winkel kleiner als 180° miteinander einschließen. Würden die beiden optischen Bauteile nämlich exakt gegenüberliegend positioniert, so wären die beiden entstehenden Beleuchtungsebenen deckungsgleich und man würde folglich kein Fadenkreuz als Zielmarkierung erhalten. In der Praxis erweist sich ein Winkel im Bereich von 90° als vorteilhaft, da die beiden Beleuchtungsebenen dann nahezu senkrecht aufeinander stehen und ein deutlich erkennbares Fadenkreuz als Zielmarkierung bilden.

Für den Fall, dass Objekte bearbeitet oder untersucht werden sollen, die nur unter einem Winkel anvisiert werden können, könnte der Winkel zwischen den beiden optischen Bauteilen entsprechend verkleinert werden, so dass die Beleuchtungsebenen auf dem Objekt als senkrecht zueinander ausgerichtet erscheinen.

Im Hinblick auf eine besonders komfortable und leistungsstarke Ausgestaltung könnte die Visiereinrichtung insgesamt vier Laser und dementsprechend vier Visierstrahlen umfassen, wobei jeder Visierstrahl wie oben beschrieben in eine Beleuchtungsebene, d.h. in einen Fächerstrahl aufgespalten werden könnte. Beim Visieren mit mehr als zwei Fächerstrahlen ergibt sich die Möglichkeit, Strahldichteschwankungen innerhalb einer Beleuchtungsebene auszugleichen. In der Praxis sind die optischen Mittel zur Auffächerung der Laservisierstrahlen nämlich in der Regel derart beschaffen, das die Strahldichte des erzeugten Fächerstrahls auf einer Seite höher ist als auf der anderen Seite. Werden die Mittel zur Auffächerung paarweise gegenüberliegend, d.h. um 180° versetzt zueinander angeordnet, so überlagert sich die Flanke geringerer Strahldichte des einen Fächerstrahls mit der Flanke höherer Strahldichte des anderen Fächerstrahls, wodurch insgesamt eine homogene, rotationssymmetrische Ausleuchtung erreicht wäre. Auf diese Weise könnte folglich eine möglichst hohe Strahldichte der Laserzielmarkierung im Messfleck und damit eine gute Sichtbarkeit realisiert werden. Zur Erzeugung eines Fadenkreuzes bestehend aus zwei sich im Messfleckmittelpunkt schneidenden und senkrecht zueinander verlaufenden Beleuchtungslinien könnten die optischen Mittel zur Auffächerung der vier Visierstrahlen jeweils um 90° versetzt zueinander angeordnet sein.

In einer speziellen Ausführungsform, die - wie im Detail weiter unten beschrieben wird - besonders vorteilhaft zur Visualisierung der Messfleckgröße in Verbindung mit einem berührungslos arbeitenden Temperaturmessgerät einsetzbar ist, könnte die Breite der in eine Beleuchtungsebene aufgespaltenen Fächerstrahlen eine seitliche Begrenzung aufweisen. Eine derartige Breitenbegrenzung könnte bspw. durch eine besondere Gestaltung der strahlaufweitenden Bauelemente oder durch Einbeziehung von Blenden realisiert werden.

Im Hinblick auf eine Vorrichtung einer kontaktlos oder kontaktbehaftet einsetzbaren Mess-, Arbeits- und/oder Wirkeinrichtung ist die obige Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch eine Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23. Bei der Messeinrichtung könnte es sich beispielsweise um ein Pyrometer, ein Radiometer oder eine Infrarot-Kamera zur berührungslosen Temperaturmessung handeln. In an sich bekannter Weise könnte diese Messeinrichtung einen Detektor umfassen, auf den von einem Messfleck auf einem Objekt emittierte elektromagnetische Strahlung mittels einer Abbildungsoptik abbildbar ist. Der Detektor könnte beispielsweise zentriert in das zylinderförmige Gehäuse der Visiereinrichtung eingesetzt sein. Bei einer derartigen Anordnung befindet sich die mittels der Visiereinrichtung in Form eines Fadenkreuzes erzeugte Zielmarkierung stets im Zentrum des Messflecks, und ein parallaxenfreies entfernungsunabhängiges Visieren ist realisiert.

Neben der genauen Lage des Mittelpunktes des Messflecks ist oftmals dessen entfernungsunabhängige Größendarstellung von Interesse. Die weitaus meisten Infrarotthermometer nutzen Optiken mit einem Scharfpunkt in endlicher Entfernung. Bei diesen Geräten entspricht der Messfleckdurchmesser unmittelbar vor dem Gerät dem Linsendurchmesser. Mit zunehmender Entfernung vom Messgerät verringert sich der Messfleckdurchmesser und ist im Scharfpunkt am kleinsten. Hinter dem Scharfpunkt vergrößert sich der Messfleckdurchmesser wieder. Zur Kennzeichnung des Messfleckdurchmessers wurde bisher die in der Offenlegungsschrift DE 196 54 276 A1 offenbarte Schiefstrahltechnik benutzt, bei der die Laserstrahlen gleichsam schräg die hier diskutierten Beleuchtungsebenen durchstoßen. Diese Technik benötigt jedoch zur Mittelpunktskennzeichnung eine recht aufwendige Sonderlösung zur Darstellung eines Zentralstrahls.

Alternativ zu der bekannten Schiefstrahltechnik könnte die seitliche Begrenzung der Fächerstrahlen derart gewählt sein, dass die seitlichen Flanken der Fächerstrahlen zur Visualisierung des Messfleckdurchmessers einsetzbar sind. Im Konkreten könnte die Seitenbegrenzung so eingestellt sein, dass vom Detektor aus gesehen bis zum Scharfpunkt die eine Flanke des Fächerstrahls und hinter dem Scharfpunkt die andere Flanke des Fächerstrahls den äußeren Umfang des Messflecks markiert. Im Scharfpunkt stimmt die Breite des Fächerstrahls dann folglich exakt mit dem Messfleckdurchmesser überein. Anstelle der Messeinrichtung könnte eine Arbeits- oder Wirkeinrichtung vorgesehen sein, bei der es sich im Konkreten beispielsweise um eine Bohrmaschine oder um ein chirurgisches Gerät handeln könnte. Bei Bohrmaschinen oder ähnlichen Geräten besteht im Allgemeinen das Problem, dass der Bohrvorgang in mehreren Einzelschritten durchgeführt werden muss. Zunächst muss üblicherweise manuell eine Zielmarkierung am gewünschten Zielort auf dem Objekt erzeugt werden. Sodann wird der Bohrer - im Ruhezustand - auf die Zielmarkierung aufgesetzt, und erst danach wird der Bohrer angetrieben und auf Umdrehung gebracht. Beim Einsetzen der Bohrerrotation kommt es häufig zu einem Abrutschen des Bohrers von der Zielmarkierung, was im Ergebnis eine unpräzise und unsaubere Bearbeitung zur Folge hat. Bei einer Bohrmaschine mit erfindungsgemäßer Visiereinrichtung kann der Bohrer hingegen schon vor dem eigentlichen Aufsetzen des Bohrers auf das zu bearbeitende Objekt in Rotation versetzt werden, da die Zielmarkierung, d.h der voraussichtliche Aufsetzpunkt des Bohrers auf dem Objekt, stets sichtbar ist. Durch die sichtbare Zielmarkierung ist somit eine zügige Vorwärtsbewegung des Bohrkopfes auch unter Rotationsbedingungen erleichtert.

Eine weitere konkrete Anwendung im Rahmen der berührungslosen Temperaturmessung ist eine Echtzeitentfernungsmessung zwischen Messobjekt und dem Infrarotmesssystem auf dessen optischer Achse. Dabei wird ein sog. Videovisier eingesetzt, bei dem ein Laser eine Linie in der Szene erzeugt. Die Position der Linie kann durch Auswertung der mittleren Spalte des Videobildes der Kamera des Videovisiers ermittelt werden. Die Videokamera arbeitet zum Austasten des Linienabbilds aus dem Nutzbild im gepulsten Betrieb. Alternativ kann die Position der Linie mittels zusätzlicher positionsempfindlicher Flächendioden - beispielsweise einem PSD (Position Sensitive Detector) - ermittelt werden. Die Position der Linie wird zur Bestimmung der Entfernung zwischen Messobjekt und Infrarotsystem genutzt. Diese Entfernungsinformation liefert im Zusammenhang mit einer Scharfstellen- position am IR-Messsystem, die weiter unten erläutert wird, die benötigten Vorabinformationen, um IR-Messflecklage und -große im Videobild automatisch und richtig einzublenden. Dem Videobild der Szene wird ein synthetisches Bild überlagert, welches auf einem separaten Monitor oder auf einem Bildschirm am Messgerät selbst zur Anzeige gebracht wird. Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 24 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 in einer schematischen Draufsicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Visiereinrichtung zur Erzeugung einer optisch wahrnehmbaren Zielmarkierung auf einem Objekt.

Fig. 3 in einer perspektivischen Ansicht, schematisch, im Wesentlichen die Vorrichtung aus Fig. 1 , jedoch mit anderen optischen Mitteln zur Strahlauffächerung,

Fig. 4 in einer perspektivischen Ansicht, schematisch, die Vorrichtung aus Fig. 3, jedoch mit einer ins Endliche abbildenden Abbildungsoptik,

Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht, schematisch, ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit insgesamt vier Visierstrahlen,

Fig. 6 in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel eines optischen Bauteils zur Auffächerung der Visierstrahlen,

Fig. 7 in einer perspektivischen Ansicht, schematisch, ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit insgesamt vier Lasermodulen, Fig. 8 in einer perspektivischen Ansicht die Ausbreitung der Fächerstrahlen bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 7 und

Fig. 9 in einer schematischen Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei Lasermodulen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer kontaktlos einsetzbaren Messeinrichtung, die mit einem Objekt jeglicher Art an einem vorgebbaren Zielort wechselwirkt, wobei der Zielort mittels einer Visiereinrichtung peilbar ist. Die Vorrichtung weist einen Detektor 1 auf, auf den von einem Messfleck auf einem nicht dargestellten Objekt ausgehende elektromagnetische Strahlung mittels einer Linse 2 abbildbar ist.

Die Visiereinrichtung umfasst zwei Laser 3, 4, die abseits der optischen Achse 5 des Detektors 1 angeordnet sind. Die Laser 3, 4 erzeugen zwei Visierstrahlen 6, 7, die parallel zur optischen Achse 5 des Detektors 1 laufen und auf zwei an dem äußeren Umfang der Linse 2 angeordnete optische Bauteile 8, 9 treffen. Der erste Laser 3 und das zugehörige optische Bauteil 8 befinden sich - gemäß der perspektivischen Darstellung in Fig. 1 - hinter der optischen Achse 5, während der zweite Laser 4 und das zugehörige optische Bauteil 9 unterhalb der optischen Achse 5 angeordnet sind. Bezüglich der optischen Achse 5 schließen die beiden Laser 3, 4 und entsprechend die beiden optischen Bauteile 8, 9 einen Winkel von 90° miteinander ein.

Durch das hintere optische Bauteil 8 wird der Visierstrahl 6 des ersten Lasers 3 in eine senkrecht zur Bildebene orientierte Beleuchtungsebene 10 aufgespalten. Der Visierstrahl 7 des zweiten Lasers 4 wird hingegen durch das untere optische Bauteil 9 in eine senkrecht zur Beleuchtungsebene 10, d.h. parallel zur Bildebene orientierte Beleuchtungsebene 11 aufgespalten. Insgesamt ergeben sich durch die Aufspaltung der beiden Visierstrahlen 6, 7 zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Beleuchtungsebenen 9, 10, deren Schnittpunkt unabhängig von der Entfernung vom Detektor 1 die optische Achse 5 des Detektors 1 in Form eines Fadenkreuzes markiert. Fig. 2 zeigt in einer schematischen Draufsicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Visiereinrichtung. Die Visiereinrichtung umfasst ein konzentrisch um die optische Achse 5 angeordnetes Gehäuse 12, an dem die beiden - nicht dargestellten - Laser sowie die beiden optischen Bauteile 8, 9 angeordnet sind. Die beiden optischen Bauteile 8, 9 sind als Vollzylinder ausgebildet und liegen tangen- tial an der Außenwandung des Gehäuses 12 an. Die Zylinderachse 13 der optischen Bauteile 8, 9 ist dabei orthogonal zur Achse 14 des Gehäuses 12 ausgerichtet. Die beiden Laser sind derart parallel zur Gehäuseachse 14 ausgerichtet, dass der Auftreffpunkt 15, 16 des Visierstrahls 6, 7 auf dem optischen Bauteil 8, 9 auf einer in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Geraden liegt, die durch einen Punkt auf der Gehäuseachse 14 und dem Anlagepunkt des optischen Bauteils 8, 9 an der Außenwandung des Gehäuses 12 gebildet ist.

Wie in Fig. 3 angedeutet, kann durch eine besondere Gestaltung der strahlaufweitenden Bauelemente, insbesondere durch Einbeziehung von Blenden (nicht dargestellt), die Breite der ausgeleuchteten Linie begrenzt werden. In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sitzt der Detektor 1 im Brennpunkt der Linse 2, wodurch sich eine ins Unendliche abbildende Optik, d.h. eine unabhängig von der Entfernung gleichbleibende Messfleckgröße ergibt. Die Blenden und damit die Strahlbegrenzung sind dabei so gewählt, dass jeweils die äußeren Flanken der seitliche begrenzten Fächerstrahlen 10, 11 entlang des äußeren Umfangs des Messflecks verlaufen und somit die Messfleckgröße - entfernungsunabhängig - markieren.

Fig. 4 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Vorrichtung zur berührungslosen Temperaturmessung mit einer ins Endliche abbildenden Abbildungsoptik 2, d.h. mit einem Scharfpunkt 17 in endlicher Entfernung, wie sie in der Praxis sehr verbreitet ist. Während die Messfleckgröße unmittelbar vor dem Gerät dem Linsendurchmesser entspricht, schnürt sich die Messfleckgröße mit wachsender Entfernung zunächst immer weiter ein. Der Scharfpunkt 17 der Anordnung ergibt sich an der Position der stärksten Einschnürung mit dem kleinsten Messfleckdurchmesser. Hinter dem Scharfpunkt 17 vergrößert sich der Messfleckdurchmesser wieder. Fig. 4 zeigt den Detektor 1 mit Linse 2 und den durch den eingeschnürten, schlauchförmigen Verlauf dargestellten Durchmesser des Messobjektes in verschiedenen Entfernungen. Durch eine Begrenzung der Fächerstrahlen 10, 11 auf den Durchmesser des Messflecks im Scharfpunkt 17 kann entsprechend Fig. 4 eine Zielkreuzdarstellung erreicht werden. Genauer gesagt durchlaufen die Fächerstrahlen 10, 11 den kleinsten Messfleckdurchmesser mit einer Breite, die dem Durchmesser entspricht. Vor dem Scharfpunkt 17 begrenzt eine Flanke 18 der Fächerstrahlen 10, 11 den Meßfleck, hinter dem Scharfpunkt 17 die andere Flanke 19. Im Scharfpunktbereich wird gleichsam ein Kreuz dargestellt, dessen Dimension und Lage Durchmesser und Mittelpunkt des Messflecks darstellen.

Fig. 5 zeigt die Erweiterung des Prinzips durch zwei weitere Fächerstrahlanordnungen, so dass die Visiereinrichtung insgesamt vier Laser 20 sowie vier Mittel 21 zur Strahlauffächerung umfasst. Jeweils zwei Fächerstrahlanordnungen liegen dabei einander paarweise gegenüber. Diese Anordnungen generieren Fächerstrahlen, die sich im Bereich des kleinsten Messflecks vollständig mit den auf der jeweils gegenüberliegenden Seite erzeugten Fächerstrahlen überlappen. Hinter dem Scharfpunkt 17 kennzeichnen die jeweils äußeren Flanken der Fächerstrahlen die Größe des Messflecks. Damit ergibt sich eine Anordnung, bei der die äußere Begrenzung des aus vier Linien bestehenden Messkreuzes die Messfleckgröße exakt und in jeder Entfernung darstellt. In der Nähe des Scharfpunktes 17 wird das Messkreuz durch zwei durchgehende, othogonal aufeinanderstehende Beleuchtungslinien 22, 23 dargestellt.

Die optischen Mittel 21 sind so gestaltet, dass die Strahldichte entlang einer Beleuchtungslinie 22, 23 auf einer Seite geringer ist als auf der anderen. Durch diese Maßnahmen erreicht man eine möglichst hohe Strahldichte der Laserzielmarkierung im Messfleck und damit eine gute Sichtbarkeit. Die fehlende Symmetrie der Zielkreuzdarstellung wird durch die jeweils um 180° versetzte Anordnung von zwei Laserbeleuchtungsanordnungen entsprechend Fig. 5 kompensiert, da sich dann die Flanke geringerer Strahldichte des einen Fächerstrahls mit der Flanke höherer Strahldichte des anderen Fächerstrahls überlappt. Auf diese Weise kann die Mittelpunktskennzeichnung rotationssymmetrisch und mit erhöhter Helligkeit im Zentralbereich erfolgen.

Fig. 6 zeigt eine konkrete Ausführung eines optischen Mittels 21 zur Strahlauffächerung eines Laservisierstrahls. Auf der Strahleintrittsseite ist das Bauteil 21 im Sinne eines Axikons mit einer keilförmigen, abgerundeten Spitze ausgestaltet. Der Strahl trifft folglich unter einer Vielzahl unterschiedlicher Winkel auf das Bauteil 21 , wo- durch sich der gezeigte Strahlverlauf ergibt. Beim Austritt aus dem Bauteil 21, d.h. beim Übergang in das optische dünnere Medium, treffen die aufgefächerten Strahlen auf eine ebene Grenzfläche, was zu einer weiteren Vergrößerung des Strahlöffnungswinkels führt. Auf der Strahlaustrittsseite können entsprechend der speziellen Anforderungen Blenden zur seitlichen Begrenzung des Fächerstrahls angebracht werden.

Fig. 7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel mit insgesamt vier Fächerstrahlen. Der Unterschied zur Ausführung gemäß Fig. 5 besteht darin, dass die vier Laser als Lasermodule 24 ausgeführt sind. Die Lasermodule 24 sind in einem zylindrischen Gehäuse gekapselt und umfassen neben den eigentlichen Lasern eine vorgeschaltete Optik zur Strahlauffächerung bestehend aus einem Laserliniengenerator und einer Kollimatorlinse, so dass die Laserstrahlen bereits aufgefächert aus den Gehäusen austreten.

Das IR-Objektiv 25, mit dem die IR-Strahlung auf dem IR-Detektor 1 abgebildet wird, setzt sich aus zwei Linsen zusammen. Die dem Detektor abgewandte Linse ist fest in einem Fensterring 26 gehalten. Der Fensterring 26 weist insgesamt vier Durchgänge auf, so dass die Fächerstrahlen den Fensterring 26 ungehindert passieren können. Die dem Detektor 1 zugewandte Linse des IR-Objektivs 25 kann mittels eines Positioniermechanismus 27 entlang der optischen Achse verschoben werden. Mit anderen Worten ist das IR-Objektiv 25 im Sinne eines Vario-Objektivs ausgebildet.

Fig. 8 zeigt schließlich die räumliche Ausbreitung der vier Fächerstrahlen hinter dem Fensterring 26. In Fig. 8 c) ist die Situation dargestellt, in der die inneren Flanken der Fächerstrahlen einander berühren und somit ein geschlossenes Fadenkreuz bilden. Fig. 8 d) zeigt die Situation im Scharfpunkt, d.h. an der Position der stärksten Einschnürung mit dem kleinsten Messfleckdurchmesser. Bis zu diesem Punkt wird die Messfleckgröße durch die äußeren Flanken der Fächerstrahlen begrenzt. Hinter dem Scharfpunkt - dargestellt in den Fig. 8 e) und f) - vergrößert sich der Messfleckdurchmesser wieder und wird durch die inneren Flanken der Fächerstrahlen begrenzt. Fig. 9 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines IR-Thermometers zur berührungslosen Temperaturmessung mit einer Visiereinrichtung mit insgesamt zwei Lasermodulen 28, 29. Der Strahlverlauf der IR-Strahlung ist gestrichelt dargestellt. Die IR-Strahlung wird von dem IR-Objektiv 25, dass der Einfachheit halber als einzelne Linse dargestellt ist, auf den IR-Detektor 1 fokussiert. Wie bereits erwähnt umfasst die Visiereinrichtung zwei Lasermodule 28, 29. Das erste Lasermodul 28 erzeugt mittels eines in das Modul 28 integrierten Laserliniengenerators einen Fächerstrahl, dessen Aufspaltungsebene mit der Zeichenebene übereinstimmt und die optische Achse 5 - gepunktet dargestellt - des IR-Thermometers einschließt. Das zweite Lasermodul 29 erzeugt mit Hilfe des entsprechenden Laserliniengenerators einen Fächerstrahl senkrecht dazu, d.h. senkrecht zur Zeichenebene. Die beiden Fächerstrahlen werden in dem illustrierten Ausführungsbeispiel mittels eines Strahlteilers 30 überlagert, wobei prinzipiell auch der Einsatz eines Prismas denkbar ist.

Das zweite Lasermodul 29 bzw. der Strahlteiler 30 sind derart ausgerichtet, dass der erzeugte Fächerstrahl die optische Achse 5 des IR-Thermometers nur in einer ganz bestimmten Entfernung vom Detektor 1 schneidet. Mit anderen Worten weist die Visiereinrichtung in einer Ebene einen gewissen Parallaxenfehler auf. Auch die Messfleckgrößendarstellung ist nur in einer Entfernung genau. Diese Nachteile werden jedoch dadurch kompensiert, dass die Vorrichtung zum einen fertigungstechnisch extrem günstig ist. Zum anderen ist die Bedienerfreundlichkeit dahingehend verbessert, dass durch die sofortige Überlagerung der beiden Fächerstrahlen über einen weiten Entfernungsbereich hinweg ein vollständiges Visierkreuz sichtbar ist. Hierin unterscheidet sich die Ausführung ganz wesentlich von dem in Figur 8 im Detail dargestellten Strahlverlauf, bei dem die Fächerstrahlen lediglich um einen relativ scharf begrenzten Bereich vor und hinter dem Scharfpunkt ein vollständiges Visierkreuz bilden. Es sei angemerkt, dass es anstelle einer Ausführung mittels Strahlteiler 30 oder Prisma auch möglich ist, die beiden Lasermodule 28, 29 dicht nebeneinander zu positionieren und das zweite Lasermodul 29 gegenüber der optischen Achse 5 des IR-Thermometers leicht zu verkippen, so dass dessen Fächerstrahl die optische Achse 5 nur in einem Punkt schneidet. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass die zuvor rein willkürlich gewählten Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dienen, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränken.

Claims

Patentansprüche

1. Visiereinrichtung zur Erzeugung einer optisch wahrnehmbaren Zielmarkierung auf einem Objekt, mit mindestens einer Lichtquelle zur Bereitstellung von zwei Visierstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Visierstrahlen (6, 7) auf jeweils ein optisches Bauteil (8, 9) gerichtet sind, mittels derer die Visierstrahlen (6, 7) in jeweils eine Beleuchtungsebene (10, 11) derart aufspaltbar sind, dass sich die beiden Beleuchtungsebenen (10, 11) in einem Winkel schneiden, wobei der Schnittpunkt die Zielmarkierung bildet.

2. Visiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lichtquelle um einen Laser (3, 4) handelt.

3. Visiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil (8, 9) aus einem transparenten Material wie Glas, Plexiglas, Kunststoff oder dergleichen hergestellt ist.

4. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem optischen Bauteil (8, 9) um ein Beugung erzeugendes Element mit einer gekrümmten, vorzugsweise kreisförmigen oder elliptischen Fläche handelt.

5. Visiereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil (8, 9) als Zylinder, vorzugsweise als Vollzylinder, ausgestaltet ist.

6. Visiereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil (8, 9) als Halbzylinder ausgestaltet ist.

7. Visiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem optischen Bauteil (8, 9) um ein diffraktives optisches Element handelt.

8. Visiereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem optischen Bauteil (8, 9) um ein elektrooptisches Element oder um einen (mikro-)mechanischen Scanner handelt.

9. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil (8, 9) als eine Funktionseinheit ausgeführt ist.

10. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil (8, 9) an der Außenwandung eines zylinderförmigen Gehäuses (12) angeordnet ist.

11. Visiereinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil (8, 9) tangential an der Außenwandung des Gehäuses (12) anliegt.

12. Visiereinrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderachse (13) des optischen Bauteils (8, 9) orthogonal zur Zylinderachse (14) des Gehäuses (12) ausgerichtet ist.

13. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes optische Bauteil (8, 9) ein eigener Laser (3, 4) vorgesehen ist.

14. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3, 4) an der Außenwandung des zylinderförmigen Gehäuses (12) auf der vom Objekt abgewandten Seite des optischen Bauteils (8, 9) angeordnet ist.

15. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3, 4) orthogonal zur Zylinderachse (13) des optischen Bauteils (8, 9) ausgerichtet ist.

16. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3, 4) parallel zur Achse (14) des Gehäuses (12) ausgerichtet ist.

17. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffpunkt (15, 16) des Visierstrahls (6, 7) auf dem optischen Bauteil (8, 9) auf einer durch einen Punkt auf der zentralen Achse (14) des Gehäuses (12) und dem Anlagepunkt des optischen Bauteils (8, 9) an der Außenwandung des Gehäuses (12) gebildeten Gerade liegt.

18. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Bauteile (8, 9) einen Winkel kleiner 180° miteinander einschließen.

19. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Bauteile (8, 9) einen Winkel im Bereich von 90° miteinander einschließen.

20. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt vier optische Bauteile (21) vorgesehen sind.

21. Visiereinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeweils zwei optische Bauteile (21) paarweise gegenüberliegen.

22. Visiereinrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte optische Bauteile (21) einen Winkel von 90° miteinander einschließen.

23. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der optischen Bauteile (8, 9, 21) erzeugten Fächerstrahlen (10, 11) eine seitliche Begrenzung aufweisen.

24. Vorrichtung mit einer kontaktlos oder kontaktbehaftet einsetzbaren Mess-, Arbeits- und/oder Wirkeinrichtung, die mit einem Objekt jeglicher Art an einem vorgebbaren Zielort wechselwirkt, wobei der Zielort mittels Visiereinrichtung peilbar ist, g e k e n n z e i c h n e t d u rc h eine Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23 oder 31 bis 34.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Messeinrichtung um ein Pyrometer, ein Radiometer oder eine Infrarot-Kamera zur berührungslosen Temperaturmessung handelt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrometer, das Radiometer oder die Infrarot-Kamera einen Detektor (1) umfasst, auf den von einem Messfleck auf dem Objekt emittierte elektromagnetische Strahlung mittels einer Abbildungsoptik abbildbar ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1) zentriert in das zylinderförmige Gehäuse (12) der Visiereinrichtung eingesetzt ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die seitliche Begrenzung der Fächerstrahlen (10, 11) derart gewählt ist, dass die Flanken (18, 19) der Fächerstrahlen (10, 11) zur Visualisierung der Messfleckgröße einsetzbar sind.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, mit einer Abbildungsoptik mit einem Scharfpunkt (17) in endlicher Entfernung, dadurch gekennzeichnet, dass vom Detektor (1) aus gesehen bis zum Scharfpunkt (17) die eine Flanke (18) des Fächerstrahls (10, 11) und hinter dem Scharfpunkt (17) die andere Flanke (19) des Fächerstrahls (10, 11) den äußeren Umfang des Messflecks markiert.

30. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Arbeitseinrichtung um eine Bohrmaschine, ein chirurgisches Gerät oder dergleichen handelt.

31. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle als Lasermodul (24) ausgeführt ist, das den Laser und eine vorgeschaltete Optik, vorzugsweise in einem zylinderförmigen Gehäuse gekapselt, umfasst.

32. Visiereinrichtung nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die vorgeschaltete Optik einen Laserliniengenerator und eine Kollimatorlinse umfasst.

33. Visiereinrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass zwei dicht beieinander positionierte Lasermodule (28, 29) vorgesehen sind, wobei die Laserliniengeneratoren der Lasermodule (28, 29) zumindest annähernd orthogonal zueinander ausgerichtete Fächerstrahlen erzeugen.

34. Visiereinrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Fächerstrahlen derart ausgerichtet ist, dass er die optische Achse (5) einschließt, und der andere Fächerstrahl derart ausgerichtet ist, dass er die optische Achse (5) in einem bestimmten Punkt schneidet.