WO2011029811A1 - Vorrichtung, verfahren und reflektoranordnung zur positionsbestimmung - Google Patents

Vorrichtung, verfahren und reflektoranordnung zur positionsbestimmung Download PDF

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WO2011029811A1
WO2011029811A1 PCT/EP2010/063091 EP2010063091W WO2011029811A1 WO 2011029811 A1 WO2011029811 A1 WO 2011029811A1 EP 2010063091 W EP2010063091 W EP 2010063091W WO 2011029811 A1 WO2011029811 A1 WO 2011029811A1
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WO
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path
optical
reflectors
reflector
paths
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PCT/EP2010/063091
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Bernd Spruck
Cristina Alvarez Diez
Simon Brattke
Lars-Christian Wittig
Oliver Schmidt
Frank Hoeller
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Carl Zeiss Ag
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/87—Combinations of systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/875—Combinations of systems using electromagnetic waves other than radio waves for determining attitude
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/74—Systems using reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. IFF, i.e. identification of friend or foe
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40623—Track position of end effector by laser beam

Definitions

  • the identification of the initial position and / or the reflector and / or the end position does not necessarily require that the coordinates of the initial position and / or the reflector and / or the end position are known, but generally includes an assignment of the path that has passed through the light, to one of a plurality of possible light sources and / or to one of a plurality of reflectors and / or to one of a plurality of possible detectors.
  • the controllable optical component may also comprise a deflection mirror.
  • the control device can be configured to set an orientation of the deflection mirror such that the at least one optical signal from the deflection mirror is selectively directed directly into the spatial region in which the object is to be positioned or onto another deflection mirror. Since the at least one optical signal can optionally be radiated into the spatial area from one of a plurality of deflecting mirrors, the at least one path can be selected such that there is no shading in the path.
  • the deflecting mirror and the further deflecting mirror can each be designed as a tilting mirror or as a scanning mirror.
  • the position of the retroreflectors can be adjusted such that the retroreflector has a free line of sight to at least one light source and at least one detector.
  • the adjustment of the position of the retroreflector can be effected by control electronics depending on information about the instantaneous position of the object 19 provided by the controller 20 of the robotic arm, or through control electronics depending on light intensities detected by one or more detectors of the device.
  • the control electronics or control electronics can output a corresponding control signal to an actuator to influence the position or orientation of the retroreflector.
  • the adjustment of the position of the retroreflector can be made such that a detected light intensity of the reflected optical signal is increased, in particular maximized.
  • the device 31 may be arranged such that the retroreflector 5 can be rotated into one of the beam cones 46, 47, 48 in order to avoid shading.
  • the device 31 has an actuator 42, with which a position of the retroreflector 5 can be adjusted.
  • the retroreflectors may be arranged such that only one of the light cones 1 17-1 19 radiates light onto the retroreflectors 121 -125 for the relevant operating positions of the robotic arm, the corresponding light cone having a clear view of the reflector arrangement being dependent on the position and orientation of the robot arm 94 may be different.
  • the optical multiplexer 13 can be controlled so that light is correspondingly coupled into a desired optical fiber of the optical fibers 1 13-1 15, which has a clear view of a sufficient number of retroreflectors 121-125.
  • the device 51 comprises a controllably tiltable Um- steering mirror 52, which may be formed as a tilting mirror with multiple tilt positions or as a scanning mirror with a continuum of angular positions.
  • the device 51 comprises a further deflection mirror 53, which may likewise be designed as a tilting mirror or as a scanning mirror.
  • the optical signals generated by the light source 2a are output in the direction of the deflection mirror 52.
  • the deflection mirror 52 may in particular be rotatably mounted about two orthogonal axes extending through a point 54 of the deflection mirror 52.
  • the point 54 may substantially correspond to the centroid of the area on the deflection mirror 52, which is incident on the signal emitted by the light source 2a.
  • the device 51 has a control device 56 with which the orientation of the deflecting mirror 52 can be set such that the deflecting mirror 52 can optionally direct the optical signals directly into the spatial region in which the object is located, or its position on the further deflection mirror 53 steers.
  • the further deflection mirror 53 can also be tiltably mounted.
  • the further deflection mirror 53 is rotatably mounted about two orthogonal axes extending through a point 55 of the deflection mirror 53.
  • the point 55 may substantially correspond to the area center of the area on the deflection mirror 53, which is hit by the optical signal when it is guided by the light source 2a via the deflection mirror 52 onto the deflection mirror 53.
  • Such a configuration of the device makes it possible to direct light from the further deflecting mirror 53 either directly into the spatial area or onto a third deflecting mirror (not shown).
  • the device 51 may be designed such that it has a plurality of tiltable deflecting mirrors, wherein a plurality of the deflecting mirrors are controllable such that light incident on them is selectively directed directly into the spatial area in which the object is located, or to another deflecting mirror can.
  • the plurality of deflecting mirrors may be provided in a substantially annular arrangement.
  • the position determination is determined as a function of the path length, which is determined based on the optical signal detected by the detector 2b, and depending on whether the deflection mirror 52 directs the light directly into the spatial area or onto the further deflection mirror 53. If a plurality of deflecting mirrors is provided which selectively direct optical signals directly into the spatial area or to a further deflecting mirror, the position is determined as a function of the path length which is determined on the basis of the optical signal detected by the detector 2b and depending on the path along which the optical signals are directed between deflecting mirrors.
  • the orientation of the tiltable deflection mirror 52 or the orientations of a plurality of tiltable deflection mirrors can be adjusted such that a signal level of the optical signal detected by the detector 2b is increased, in particular maximized.
  • the controller 56 may be coupled to the detector 2b in a closed loop.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a device 61 for determining a position of an object according to another embodiment. Elements or devices of the device 61 which correspond in their design and function with reference to elements or devices of the device 1 described with reference to FIG. 1 are designated by the same reference numerals.
  • the device 61 is configured to set a course of a path which an optical signal passes between an object and a reference position.
  • the device 61 comprises a measuring unit 2 with a light source 2 a and a detector 2 b, and an evaluation device 6 coupled to the measuring unit 2, one of which is based on the optical signal detected by the detector 2 b detected signal detected path length determined.
  • a retroreflector 5 is mounted on the object 19 to reflect back to the detector 2b optical signals generated by the light source 2a.
  • the device 61 is set up such that a position of the measuring unit 2 relative to a laboratory system is variable.
  • the device 61 comprises a guide rail 62, on which the measuring unit 2 is movably mounted, so that it can be arranged at different positions relative to the space area in which the object 19 is located.
  • the measuring unit 2 may be provided on a carriage guided by the guide rail 62.
  • a control device 63 is connected to the measuring unit 2 in order to control the position of the measuring unit 2 along the guide rail 62.
  • the device 61 comprises a position measuring system 64 in order to determine the position of the measuring unit 2 relative to a laboratory system.
  • the position measuring system 64 may comprise, for example, a glass scale or another incremental system.
  • the position measuring system 64 provides the position of the measuring unit 2 in the laboratory system to a computing device 65, and the evaluation device 6 provides to the computing device 65 one or more determined path lengths determined for paths between reference positions on the measuring unit 2 and the object 19.
  • the computing device 65 determines based on these data, the position of the object 19 in the laboratory system.
  • control device 63 may be connected to the evaluation device 6, and the position of the measuring unit 2 may be controlled by the control device 63 depending on the signal, for example depending on a light intensity detected by the detector 2b.
  • the control device 63 can be connected in a control loop to the evaluation device 6 in order to control the position of the measuring unit 2 in such a way that a signal level of the optical signal detected by the detector 2b is increased, for example maximized.
  • the device 61 explained with reference to Fig. 5 is arranged so that the light source 2a and the detector 2b can be moved relative to the space in which the object is located.
  • only the light source 2a or only the detector 2b may be arranged to be movable relative to the spatial region.
  • the light source 2a and the detector 2b may be movable independently of each other relative to the space area.
  • devices according to embodiments in the context of path length measurement in a reflection arrangement have been explained.
  • the devices can also be used in a simple arrangement in which light is emitted or detected at the object.
  • An embodiment of the device such that a position determination is still possible even when shadowed in a path between the light source and the detector can be achieved, for example, by providing ends of a plurality of optical fibers spaced from one another on the object.
  • the optical fibers may be connected to a light source so that the ends of the optical fibers provided on the object serve as initial positions for paths of the optical signals.
  • the optical fibers may alternatively be connected to one or more detectors, the ends of the optical fibers provided on the object serving as end positions for paths of the optical signals from which the signals are fed to the detector (s).
  • the detector s
  • any of the devices described with reference to FIGS. 1-5, 7, and 8 may have suitable optics for directing optical signals into the spatial area, for example, in a fan beam or a larger diameter parallel beam to determine the position of the object.
  • 6 is a schematic representation of a reflector arrangement 71 for position determination according to an embodiment.
  • the reflector assembly 71 is arranged to allow discrimination of optical signals reflected at different reflectors of the reflector assembly 71, and may be employed in the devices 1, 21, and 31 described with reference to Figs. 1-3.
  • the reflector assembly 71 includes a plurality of reflectors 73, 74 spaced apart from each other on a body 72.
  • the reflectors 73, 74 may in particular be retroreflectors.
  • the reflector 73 is configured to reflect an incident optical signal 77 parallel to the incident direction as the optical signal 78.
  • the reflector 74 is configured to reflect an incident optical signal 79 parallel to the incident direction as the optical signal 80.
  • An optical element 75 is provided in front of the reflector 73, and an optical element 76 is provided in front of the reflector 74.
  • the optical elements 75, 76 are set up such that the signal 80 reflected at the reflector 74 can be assigned to the reflector 74 and that the signal 78 reflected at the reflector 73 can be assigned to the reflector 73.
  • the optical elements 75, 76 may in particular be designed so that they do not comprise any mechanically movable elements.
  • the elements 75, 76 may be formed as passive elements that ensure that the light reflected at the associated reflector 73, 74 has a detectable characteristic that is different for the reflected signals 78, 80.
  • the elements 75, 76 can be designed as polarization or wavelength filters.
  • the elements 75, 76 can be designed in such a way that a shift of the wavelength specific to this reflector is produced at each reflector.
  • the elements 75, 76 may comprise a non-linear optical shutter.
  • the elements 75, 76 can each be designed as a saturable absorber whose absorption coefficient decreases with increasing incident light intensity.
  • the saturable absorbers may be arranged such that only one of the absorbers in each case receives a sufficiently high light intensity that it changes into its transparent state.
  • the identification of the corresponding reflector, which is currently receiving a sufficiently high light intensity, can be made based on a rough estimate or by evaluating a two-dimensional overview image of the reflector arrangement.
  • the elements 75, 76 may each comprise an electro-optical switch or electro-optical modulator.
  • each of the elements 75, 76 can be designed as an electro-optical amplitude modulator.
  • the amplitude modulator may each comprise a Pockels cell and at least one, advantageously two polarizers.
  • each of the elements 75, 76 may comprise a liquid crystal modulator. With such modulators, the reflected signals 78, 80 can be impressed with a phase or amplitude modulation, which allows a distinction of the reflected signals 78, 80 by appropriate filtering by the detector or the downstream evaluation electronics.
  • not only the three coordinates of a point of the Object can be determined in space, but alternatively or additionally, the orientation of the object, ie its angular position in space, be determined.
  • the devices and methods according to various embodiments of the invention allow position determination even when a path in which an optical signal is output is interrupted by an obstacle.
  • the devices and methods can be generally used for position determination, an exemplary field of application being the quantitative measurement in industrial installations.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts (19) umfasst eine Lichtquelleneinrichtung (2a) zum Aussenden von optischen Signalen, eine Detektoreinrichtung (2b) zum Erfassen wenigstens eines optisches Signals nach Durchlaufen wenigstens eines Pfades (57, 58), dessen Weglänge optisch bestimmt werden soll, und eine Auswerteeinrichtung (6) zum Auswerten des von der Detektoreinrichtung (2b) erfassten wenigstens einen optische Signals, um die Weglänge des von dem erfassten Signal durchlaufenen Pfades zu ermitteln. Nach einem Aspekt ist die Vorrichtung (51) eingerichtet ist, um einen Verlauf des wenigstens einen Pfades (57, 58) derart einzustellen, dass basierend auf dem von der Detektoreinrichtung (2b) erfassten wenigstens einen optischen Signal die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.

Description

Vorrichtung, Verfahren und Reflektoranordnung zur Positionsbestimmung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Objektposition sowie eine Reflektoranordnung dafür. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Objektposition unter Ver- wendung optischer Messtechniken.
Die Messung einer Position eines Objekts hat vielfache Anwendungen, beispielsweise bei der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion, bei der Vermessung von Räumen oder dergleichen. Optische Messverfahren haben sich zur berührungslosen Ermittlung einer Position in einer oder mehreren Dimensionen etabliert. Bei derartigen Verfahren kann Licht, beispielsweise in einem aufgeweiteten Strahlenkegel, Strahlenfächer, Parallelstrahl mit größerem Durchmesser oder als kollimierter Strahl, in einen Raumbereich gesendet werden, in dem sich das Objekt befindet, dessen Position bestimmt werden soll. Dieses Licht gelangt di- rekt oder indirekt zu einem Detektor, dessen Ausgangssignal zur Bestimmung der Position des Objekts ausgewertet wird. Verschiedene optische Messverfahren wie beispielsweise Pulslaufzeitmessungen, Interferenzmessung oder Triangulation erlauben dann die Bestimmung der Position. Beispielhaft wird auf Laserweglängen- messgeräte verwiesen, die phasen- oder amplitudenmodulierte optische Signale ab- geben und die Bestimmung eines Abstands eines Objekts erlauben. In K. Minoshima and H. Matsumoto, „High-accuracy measurement of 240-m distance in an optical tunnel by use of a compact femtosecond laser", Applied Optics, Vol. 39, No. 30, pp. 5512-5517 (2000) wird eine Distanzmessung unter Verwendung von optischen Frequenzkämmen beschrieben. Die deutschen Patentanmeldungen 10 2008 045 386 und DE 10 2008 045 387 beschreiben optische Messmethoden zur Bestimmung einer Objektposition in drei Dimensionen und zum Vermessen einer Oberfläche.
In praktischen Anwendungen optischer Messverfahren zur Positionsbestimmung kann einer bzw. können mehrere der Pfade, den bzw. die das Licht zwischen einer Lichtquelle und einem Detektor durchlaufen soll, unterbrochen sein, beispielsweise wenn ein Abschnitt des Objekts, dessen Position bestimmt werden soll, den Detektor gegenüber der Lichtquelle abschattet. Ähnlich können auch andere Hindernisse eine Abschattung hervorrufen. Dies kann dazu führen, dass die Positionsernnittlung nicht mehr möglich ist.
Es besteht somit ein Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren zur optischen Bestimmung einer Position, die bzw. das die Bestimmung der Position selbst dann erlaubt, wenn einer der Pfade zwischen einer Lichtquelle oder einem Detektor und dem Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, so unterbrochen ist, dass Licht nicht mehr von der Lichtquelle zu dem Detektor laufen kann. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, ein Verfahren und eine Reflektoranordnung mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmalen. Die abhängigen Ansprüche definieren vorteilhafte oder bevorzugte Ausführungsformen. Vorrichtungen und Verfahren nach unterschiedlichen Ausführungsbeispielen verwenden optische Signale zur Positionsbestimmung. Unter einem optischen Signal wird dabei elektromagnetische Strahlung verstanden, die eine Wellenlänge im für das menschliche Auge sichtbaren oder im für das menschliche Auge nicht sichtbaren Spektralbereich (IR- oder UV-Licht) aufweisen kann. Das optische Signal kann zeit- lieh und/oder räumlich moduliert sein. Unter der Bestimmung einer Position wird die Ermittlung einer Koordinate oder mehrerer Koordinaten des Objekts bzw. von Signalen oder Daten verstanden, die eine derartige Koordinate oder mehrere derartige Koordinaten der Position des Objekts repräsentieren. Die Koordinate oder die Koordinaten kann bzw. können alternativ oder zusätzlich zur Position eines Punkts des Ob- jekts im Raum auch die Lage des Objekts im Raum, d.h. seine Winkelausrichtung, repräsentieren.
Eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts nach einem Aspekt ist eingerichtet, um eine Weglänge wenigstens eines Pfades zwischen dem Objekt und wenigstens einer Referenzposition zu ermitteln. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelleneinrichtung zum Aussenden von optischen Signalen, eine Detektoreinrichtung, die eingerichtet ist, um wenigstens ein optisches Signal nach Durchlaufen des wenigstens einen Pfades zu erfassen, und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Detektoreinrichtung gekoppelt und eingerichtet ist, um das von der Detektoreinrichtung erfasste wenigstens eine optische Signal zum Ermitteln der Weglänge auszuwerten. Die Vorrichtung ist eingerichtet, um einen Verlauf des wenigstens einen Pfades in einer Mehrzahl von Pfaden derart zu identifizieren oder um einen Verlauf des we- nigstens einen Pfades derart einzustellen, dass basierend auf dem von der Detektoreinrichtung erfassten wenigstens einen optischen Signal die Position des Objekts bestimmbar ist. Die Vorrichtung nach dem Aspekt ist so eingerichtet, dass zusätzliche Flexibilität im Hinblick auf den Verlauf des Pfades oder der Pfade vorgesehen ist, der bzw. die die zur Positionsbestimmung ausgewerteten optischen Signale durchlaufen. Der Pfad bzw. die Pfade, die zur Positionsbestimmung herangezogen werden, kann bzw. können aus einer größeren Anzahl möglicher Pfade ausgewählt werden, wobei die Vor- richtung so eingerichtet ist, dass eine Zuordnung der erfassten optischen Signale zu dem entsprechenden Pfad bzw. den entsprechenden Pfaden in der Mehrzahl von Pfaden möglich ist. Dies erlaubt es, als den Pfad bzw. die Pfade, deren Weglängen bestimmt werden, denjenigen bzw. diejenigen Pfade aus der Mehrzahl möglicher Pfade auszuwählen, in dem bzw. denen die Lichtpropagation von einer Quelle zu einem Detektor nicht durch ein Hindernis unterbrochen ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Verlauf des wenigstens einen Pfades, der zur Positionsbestimmung herangezogen wird, so eingestellt werden, dass in dem Pfad die Lichtpropagation von einer Quelle zu einem Detektor nicht durch ein Hindernis unterbrochen ist. Das Identifizieren des Verlaufs des Pfades in der Mehrzahl von Pfaden kann ein I- dentifizieren der optischen Komponenten der Vorrichtung beinhalten, die das erfass- te optische Signal passiert hat. Die optischen Komponenten können eine von mehreren Lichtquellen, einer von mehreren Reflektoren oder einer von mehreren Detektoren sein.
Falls die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass die optischen Signale ohne Reflexion von einer Lichtquelle zu einem Detektor laufen oder falls nur ein Reflektor vorgesehen ist, ist die Mehrzahl möglicher Pfade bestimmt durch die verschiedenen Anfangspositionen, an denen Licht von der Lichtquelleneinrichtung abgegeben wird, und die verschiedenen Endpositionen, an denen Licht zur Detektion erfasst wird. Das Identifizieren des wenigstens einen Pfades kann dann ein Identifizieren der Anfangsposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, und/oder ein Identifizieren der Endposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, umfassen. Dabei sind die Anfangspositionen und die Endpositionen so eingerichtet, dass eine Anzahl der möglichen Pfade größer ist als eine Anzahl der Koordinaten der zu bestimmenden Position. Das Identifizieren der Anfangsposition und/oder Endposition erfordert nicht notwendig, dass die Koordinaten der Anfangsposition und/oder End- Position bekannt sind, sondern umfasst allgemein eine Zuordnung des Pfades, den das Licht durchlaufen hat, zu einer von mehreren möglichen Lichtquellen und/oder zu einem von mehreren möglichen Detektoren. Falls die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass die optischen Signale an einem von mehreren Reflektoren reflektiert werden, wenn sie von einer Lichtquelle zu einem Detektor laufen, ist die Mehrzahl möglicher Pfade bestimmt durch die möglichen Anfangspositionen, an denen Licht von der Lichtquelleneinrichtung abgegeben wird, durch die Reflektoren, an denen die optischen Signale reflektiert werden können, und durch die möglichen Endpositionen, an denen Licht zur Detektion erfasst wird. Das Identifizieren des wenigstens einen Pfades kann dann ein Identifizieren der Anfangsposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, und/oder ein Identifizieren des Reflektors, an dem das Licht reflektiert wird, und/oder ein Identifizieren der Endposition des Pfades, den das erfasste Signal durchlaufen hat, umfassen. Da- bei sind die Anfangspositionen, die Reflektoren und die Endpositionen so eingerichtet, dass eine Anzahl der möglichen Pfade größer ist als eine Anzahl der Koordinaten der zu bestimmenden Position. Das Identifizieren der Anfangsposition und/oder des Reflektors und/oder der Endposition erfordert nicht notwendig, dass die Koordinaten der Anfangsposition und/oder des Reflektors und/oder der Endposition bekannt sind, sondern umfasst allgemein eine Zuordnung des Pfades, den das Licht durchlaufen hat, zu einer von mehreren möglichen Lichtquellen und/oder zu einem von mehreren Reflektoren und/oder zu einer von mehreren möglichen Detektoren.
Die Anfangspositionen können beispielsweise Enden optischer Fasern oder Umlenk- spiegel sein, von denen aus optische Signale in Richtung des Objekts abgegeben werden. Ähnlich können die Endpositionen Enden optischer Fasern sein, von denen aus die optischen Signale zu einem Fotodetektor oder zu mehreren Fotodetektoren geleitet werden. Um eine Redundanz derart zu erzeugen, dass die Anzahl der möglichen Pfade größer als die Anzahl der zu bestimmenden Koordinaten ist, so dass auch bei Abschattung eines Pfades noch eine Positionsbestimmung möglich bleibt, kann eine Anzahl und Anordnung von Anfangspositionen der Pfade, an denen optische Signale ausgegeben werden, oder eine Anzahl und Anordnung von Endpositionen der Pfade aus- reichend groß gewählt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Anzahl und Anordnung von an dem Objekt oder an einer vorgegebenen Position anzubringenden Reflektoren derart gewählt werden, dass bei einer Abschattung in einem Pfad der Mehrzahl von Pfaden die Position des Objekts bestimmbar bleibt.
Falls mehrere Reflektoren, insbesondere mehrere Retroreflektoren vorgesehen sind, kann jeder der Reflektoren mit einem nichtlinearen optischen Element versehen sein, welches das an dem entsprechenden Reflektor reflektierte Licht passieren muss. Das nichtlineare optische Element kann jeweils ein sättigbarer Absorber sein. Die sättigbaren Absorber können abhängig von der Lichtquelleneinrichtung derart ausgestaltet sein, dass sich immer nur einer der Absorber in seinem lichtdurchlässigen Zustand befindet, so dass vermieden wird, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr als ein Reflektor optische Signale reflektiert. So können die erfassten optischen Signale einem oder mehreren Lichtpfaden zugeordnet werden, die nur über den Reflektor verlaufen, der eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt. Um eine Identifizierung der Reflektoren zu ermöglichen, kann eine Abschätzung der Objektposition verwendet werden. Falls das Objekt beispielsweise ein Roboterarm ist, kann die Robotersteuerung eine Abschätzung der Position liefern, aus der ermittelt werden kann, welcher von mehreren an dem Roboterarm angebrachten Reflektoren gerade eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt, dass er Licht reflektiert.
Die Reflektoren können auch so eingerichtet sein, dass die reflektierten optischen Signale in einer für den jeweiligen Reflektor spezifischen Weise codiert werden. Beispielsweise kann jeder der Reflektoren mit einem ihm zugeordneten Polarisationsoder Wellenlängenfilter versehen sein, so dass anhand der Polarisation oder Wellen- länge des reflektierten optischen Signals der entsprechende Reflektor identifizierbar ist. Bei einer weiteren Ausführungsform kann jeder Reflektor so eingerichtet sein, dass er eine für ihn charakteristische Wellenlängenverschiebung hervorruft. Bei weiteren Ausführungsformen können elektrooptische Modulatoren oder elektrooptische Schalter verwendet werden, um die an verschiedenen Reflektoren reflektierten opti- sehen Signale zeitlich zu modulieren.
Der Reflektor bzw. die Reflektoren kann bzw. können beweglich, insbesondere drehbar gelagert, an dem Objekt anbringbar sein. Durch Auswahl einer geeigneten Stellung des Reflektors bzw. der Reflektoren kann erreicht werden, dass eine ausrei- chend hohe Zahl von nicht abgeschatteten Pfaden zur Verfügung steht, für die optische Signale erfasst und anschließend ausgewertet werden können. Die Vorrichtung kann eine optische Komponente aufweisen, die einen Verlauf des wenigstens einen Pfades beeinflusst, wobei eine Position oder Ausrichtung der optischen Komponente steuerbar ist. Die Vorrichtung kann eine mit der optischen Komponente gekoppelte Steuereinrichtung zum Steuern der Position oder Ausrichtung der optischen Komponente umfassen. Die optische Komponente erlaubt eine Einstellung des wenigstens einen Pfades derart, dass eine ausreichende Anzahl von optischen Signalen erfasst wird, um die Positionsbestimmung zu erlauben.
Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Abschätzung der Position des Objekts zu ermitteln, und um die Position oder Ausrichtung der optischen Komponente abhängig von der Abschätzung der Position des Objekts zu steuern. Falls das Objekt eine Komponente einer steuerbaren Maschine, beispielsweise eines Roboterarms ist, können für die Abschätzung erforderliche Daten von der Steuerung der Maschine bereitgestellt werden.
Die optische Komponente kann eine Lichtquelle oder einen Detektor umfassen, die relativ zu einem Raumbereich bewegt werden, in dem das Objekt zu positionieren ist. Auf diese Weise kann die Lichtquelle oder der Detektor so positioniert werden, dass in dem Pfad, der von dem wenigstens einen optischen Signal zurückgelegt wird, kei- ne Abschattung vorliegt.
Die steuerbare optische Komponente kann auch einen Umlenkspiegel umfassen. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Ausrichtung des Umlenkspiegels derart einzustellen, dass das wenigstens eine optische Signal von dem Umlenkspie- gel wahlweise direkt in den Raumbereich, in dem das Objekt zu positionieren ist, o- der auf einen weiteren Umlenkspiegel gelenkt wird. Da das wenigstens eine optische Signal wahlweise von einem von mehreren Umlenkspiegeln aus in den Raumbereich eingestrahlt werden kann, kann der wenigstens eine Pfad so ausgewählt werden, dass keine Abschattung in dem Pfad vorliegt. Der Umlenkspiegel und der weitere Umlenkspiegel kann jeweils als ein Kippspiegel oder als ein Scanspiegel ausgebildet sein.
Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um Laufzeiten des wenigstens einen optischen Signals für mehrere Pfade zu ermitteln und die Position des Objekts durch Multilateration basierend auf den Laufzeiten zu ermitteln. So kann eine Positionsbestimmung in zwei oder drei Dimensionen erfolgen. Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, um den wenigstens einen Pfad aus der Mehrzahl von Pfaden derart auszuwählen oder den Verlauf des wenigstens einen Pfades derart einzustellen, dass ein Signalpegel des von der Detektoreinrichtung erfassten wenigstens einen optischen Signals erhöht wird. Insbesondere kann der Verlauf des wenigstens einen Pfades derart eingestellt werden, dass der Signalpegel für das von der Detektoreinrichtung erfasste wenigstens eine optische Signal einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Die Einstellung des Verlaufs kann abhängig von Struktureigenschaften des Objekts oder eines daran angebrachten Reflektors erfolgen.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts angegeben, die eine Lichtquelleneinrichtung zum Aussenden von optischen Signalen, eine Detektoreinrichtung zum Erfassen wenigstens eines optischen Signals nach Durchlaufen wenigstens eines Pfades und eine Auswerteeinrichtung, die mit der Detektoreinrichtung gekoppelt und eingerichtet ist, um das von der Detektoreinrichtung erfasste wenigstens eine optische Signal zum Ermitteln einer Weglänge des von dem erfassten wenigstens einen optischen Signals durchlaufenen Pfades auszuwerten, umfasst, wobei die Vorrichtung weiterhin eine Lichtleitfaser, deren eines Ende an dem Objekt angebracht ist und deren anderes Ende mit wenigstens einer von der Lichtquelleneinrichtung und der Detektoreinrichtung gekoppelt ist, und wenigstens einen Reflektor zum Reflektieren des entlang dem wenigstens einen Pfad propagierenden optischen Signals umfasst. Der Reflektor kann an einer bekannten Position angeordnet sein. Diese Ausgestaltung erlaubt es, dass das optische Signal an dem Objekt abgestrahlt und/oder an dem Objekt erfasst wird, nachdem es an einem ortsfest angeordneten Reflektor reflektiert wurde.
Das optische Signal kann eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate um- fassen. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um die Weglänge des Pfades basierend auf einer mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszillierenden Signalkomponente der von der Detektoreinrichtung erfassten Intensität als Funktion der Zeit zu bestimmen. Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts angegeben, bei dem eine Weglänge wenigstens eines Pfades zwischen dem Objekt und wenigstens einer Referenzposition ermittelt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte: Aussenden von optischen Signalen; Erfassen wenigstens eines optischen Signals nach Durchlaufen des wenigstens einen Pfades; und Auswerten des erfassten wenigstens einen optischen Signals zum Ermitteln der Weglänge. Ein Verlauf des wenigstens einen Pfades wird in einer Mehrzahl von Pfaden derart identifi- ziert oder ein Verlauf des wenigstens einen Pfades wird derart eingestellt, dass basierend auf dem erfassten wenigstens einen optischen Signal die Position des Objekts bestimmbar ist.
Das Verfahren erlaubt die Durchführung einer Positionsbestimmung selbst bei Ab- schattung in einem Pfad, da der wenigstens eine Pfad, den das erfasste wenigstens eine optische Signal durchläuft, geeignet so gewählt oder eingestellt wird, dass Probleme im Hinblick auf Abschattungen vermieden werden, die für andere Pfade existieren können. Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Bei der Vorrichtung und dem Verfahren können verschiedene Messtechniken zur optischen Positionsbestimmung eingesetzt werden. Nach einem Ausführungsbeispiel kann das optische Signal ein optischer Frequenzkamm sein. Das optische Signal kann eine Repetitionsrate aufweisen. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Signalkomponente des wenigstens einen erfassten Signals auszuwerten, die mit dem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Phasenlage einer derartigen Signalkomponente zu ermitteln. Bei einem Ausführungsbeispiel können derartige Signalkomponenten meh- rerer erfasster Signale ausgewertet werden, um mehrere voneinander linear unabhängige Weglängen zu messen, um zwei oder drei Koordinaten des Objekts zu bestimmen.
Nach einem weitere Aspekt wird eine Reflektoranordnung zur optischen Bestimmung einer Position eines Objekts angegeben. Die Reflektoranordnung kann insbesondere bei der Vorrichtung oder dem Verfahren nach einem Ausführungsbeispiel eingesetzt werden. Die Vorrichtung umfasst voneinander beabstandet angeordnete Reflektoren zum Reflektieren von optischen Signalen und Mittel zum Beeinflussen der Reflexion der optischen Signale, wobei die Mittel eingerichtet sind, um die Reflexion der opti- sehen Signale an den Reflektoren derart zu beeinflussen, dass jedes reflektierte optische Signal einem Reflektor der Reflektoren zuordenbar ist. Die Verwendung einer derartigen Reflektoranordnung bei der Positionsbestimmung erlaubt es, dass mehr als ein Reflektor zur Reflexion optischer Signale zur Verfügung steht, so dass selbst bei Abschattung eines Reflektors der Reflektoranordnung eine Positionsbestimmung anhand der an einem weiteren Reflektor der Reflektoranord- nung reflektierten Signale möglich bleibt. Die Mittel zum Beeinflussen erlauben die Identifizierung desjenigen Reflektors, an dem die Reflexion stattfindet.
Die Mittel zum Beeinflussen können beispielsweise einen elektrooptischen Amplitudenmodulator, der eine Pockels-Zelle umfassen kann, oder einen Flüssigkristall- Modulator umfassen. Die Mittel zum Beeinflussen können auch einen sättigbaren Absorber umfassen, der so eingerichtet sein kann, dass optische Signale jeweils nur an einem Reflektor der Reflektoranordnung reflektiert werden.
Die Mittel zum Beeinflussen können derart eingerichtet sein, dass jeder Reflektor das optische Signale derart reflektiert, dass das reflektierte optische Signal einen Polarisationszustand aufweist, der dem Reflektor zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann jeder Reflektor eine ihm zugeordnete, spezifische Wellenlängenverschiebung hervorrufen. Die Messanordnungen, das Verfahren und die Reflektoranordnung nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung können allgemein zur Positionsbestimmung eingesetzt werden. Ein beispielhaftes Anwendungsfeld sind Messanwendungen in der quantitativen Qualitätskontrolle, insbesondere in der industriellen Produktion. Jedoch sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung nicht auf diese Anwendun- gen beschränkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 2A und 2B sind schematische Darstellungen einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Reflektoranordnung nach einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach einem weiteren Aus- führungsbeispiel.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlos- sen wird. Auch wenn einzelne Ausführungsbeispiele im Hinblick auf spezifische Anwendungen, beispielsweise im Kontext einer industriellen Anlage, beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen einer Position eines Objekts. Das Objekt, dessen Position bestimmt werden soll, kann beispielsweise eine Komponente einer Maschine einer industriellen Anlage sein, z.B. ein Ende eines Roboterarms 19.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtquelleneinrichtung mit einer Lichtquelle 2a, eine Detektoreinrichtung mit einem Fotodetektor 2b und eine mit der dem Fotodetektor 2b gekoppelte Auswerteeinrichtung. Bei der Vorrichtung von Fig. 1 sind die Lichtquelle 2a und der Detektor 2b in einer schematisch dargestellten Messeinheit 2 kombiniert. Die Lichtquelle 2a erzeugt ein optisches Signal, beispielsweise ein amplituden- oder phasenmoduliertes Signal, das mit optischen Komponenten geeignet zu einem Licht- kegel 7 aufgeweitet wird. Die Vorrichtung 1 ist für eine Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung eingerichtet, bei der das von der Lichtquelle 2 erzeugte optische Signal von einem Reflektor an dem Objekt 19 reflektiert und von dem Detektor 2b erfasst wird. Durch eine Auswertung des von dem Detektor 2b erfassten Signals, das beispielsweise eine Intensität des auf den Detektor einfallenden optischen Signals repräsentieren kann, ermittelt die Auswerteeinrichtung 6 die von dem optischen Signal, das an dem Objekt reflektiert wurde, zurückgelegte Weglänge.
Um eine Positionsermittlung auch bei Abschattung eines Retroreflektors, beispielsweise durch das Objekt 19 selbst, zu erlauben, weist die Vorrichtung 1 eine Mehrzahl von Retroreflektoren 5a, 5b, 5c auf, die an dem Objekt angebracht sind. Die Mehrzahl von Pfaden, die von optischen Signalen potenziell durchlaufen werden können, umfasst die Pfade, die von einer Lichtquelle über einen der Retroreflektoren zu einem Detektor führen. Das Vorsehen der Mehrzahl von Retroreflektoren 5a, 5b, 5c führt zu einer Redundanz von Pfaden derart, dass eine Weglängenmessung zur Positionsbestimmung auch noch möglich ist, falls ein Pfad der Mehrzahl von Pfaden durch ein Hindernis unterbrochen ist. Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Be- triebsposition ist der Retroreflektor 5c durch das Objekt 19 selbst abgeschattet, so dass ein optisches Signal, das von der Lichtquelle 2a in Richtung des Retroreflektors 5c ausgestrahlt wird, den Retroreflektor 5c nicht erreicht.
Die Anzahl und Anordnung der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c an dem Objekt 19 kann derart gewählt werden, dass für alle Positionen des Objekts 19, in denen eine Positionsbestimmung nötig ist, zumindest ein freier Propagationspfad zwischen einem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c und einer Lichtquelle 2a und einem Detektor 2b existiert. Der Pfad oder die Pfade, den bzw. die die optischen Signale von der Lichtquelle 2a zu dem entsprechenden Retroreflektor bzw. den entsprechenden Retroreflektoren und zurück zu dem Detektor 2b durchlaufen können, repräsentieren wenigstens einen Pfad, der von optischen Signalen durchlaufen wird, die von dem Detektor 2b erfasst und zur Weglängenmessung ausgewertet werden.
Basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Signal ermittelt die Auswerteeinrichtung 6 die von dem optischen Signal zurückgelegte Wegläge. Um aus der Weglänge einen Rückschluss auf die Position des Objekts 19 zu erhalten, identifiziert die Auswerteeinrichtung, welchen Weg der Mehrzahl von möglichen Wegen das erfasste optische Signal durchlaufen hat. Bei der Vorrichtung 1 , die eine Mehrzahl von Retroreflektoren 5a, 5b, 5c an dem Objekt 19 aufweist, beinhaltet das Identifizieren des von dem erfassten optischen Signal durchlaufenen Pfades ein I- dentifizieren des Retroreflektors der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c, an dem das erfasste optische Signal reflektiert wurde. Information darüber, an welchem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c das erfasste optische Signal reflektiert wurde, kann bei der in Fig. 1 dargestellten Anwendung beispielsweise aus Daten ermittelt werden, die von einer Steuerung 20 des Roboter- arms bereitgestellt werden. Die von der Steuerung 20 bereitgestellte Information kann eine Abschätzung für die Position des Objekts 19 liefern, aus der derjenige Retroreflektor der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c ermittelt werden kann, an dem das erfasste optische Signal reflektiert wurde. Die für die Ermittlung erforderliche Information über die Position der Retroreflektoren an dem Objekt 19 ist bekannt.
Um zu vermeiden, dass in einer Betriebsposition, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, bei der sowohl auf den Retroreflektor 5a als auch auf den Retroreflektor 5b Licht einfällt, gleichzeitig ein optisches Signal, das an dem Retroreflektor 5a reflektiert wurde, und ein weiteres optisches Signal, das an dem Retroreflektor 5b re- flektiert wurde, von dem Detektor 2b erfasst wird, kann jeder der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c mit einem optischen Element versehen sein, mit dem die Reflexion von optischen Signalen an dem entsprechenden Retroreflektor unterdrückt werden kann. Jeder der Retroreflektoren kann mit einem sättigbaren Absorber versehen sein, der von dem optischen Signal passiert werden muss. Die sättigbaren Absorber schalten erst dann in einen transparenten Zustand, wenn ein ausreichend hoher Lichtpegel bzw. eine ausreichend hohe Lichtleistung auf sie einfällt. Die sättigbaren Absorber können so ausgestaltet sein, dass immer nur einer der sättigbaren Absorber transparent ist, so dass optische Signale nur an einem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c reflektiert werden. Falls mehrere unabhängige Weglängenmessungen durchgeführt wer- den, beispielsweise um mehrere Koordinaten der Position des Objekts zu bestimmen, können die sättigbaren Absorber so ausgestaltet sein, dass jeder Absorber erst dann transparent wird, wenn die gesamte, von verschiedenen Lichtquellen auf den Absorber einfallende Lichtintensität einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert kann so gewählt sein, dass Licht von mehr als einer Licht- quelle auf einen Absorber einfallen muss, damit dieser transparent wird.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann jeder der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c oder kann ein Teil der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c mit einem elektrooptischen Schalter o- der elektrooptischen Modulator versehen sein. Mit den elektrooptischen Schaltern kann eine Reflexion an den unterschiedlichen Retroreflektoren 5a, 5b, 5c zeitsequentiell erlaubt werden. Durch Synchronisierung zwischen einer Steuerung der elektrooptischen Schalter und der Signalauswertung in der Auswerteeinrichtung 6 können die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfassten optischen Signale einem der Retro- reflektoren 5a, 5b, 5c zugeordnet werden. Mit elektrooptischen Modulatoren können die an unterschiedlichen Retroreflektoren 5a, 5b, 5c reflektierten optischen Signalen so moduliert werden, dass eine Unterscheidung der an den unterschiedlichen Retro- reflektoren reflektierten Signale durch eine Filterung an dem Detektor 2b oder in der Auswerteeinrichtung 6 möglich ist. Beispielsweise kann den an unterschiedlichen Retroreflektoren 5a, 5b, 5c reflektierten optischen Signalen eine Amplitudenmodulation aufgeprägt werden, so dass die Identifizierung des Retroreflektors durch geeignete Signalfilterung in der Auswerteeinrichtung 6 erfolgen kann.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann jeder der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c oder kann ein Teil der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c mit einem Filter, beispielsweise einem Polarisations- oder Wellenlängenfilter, versehen sein. Die Messeinheit 2 kann entsprechend eingerichtet sein, um die erfassten optischen Signale basierend auf ihrem Polarisationszustand oder ihrer Wellenlänge zu unterscheiden und einem der Retroreflektoren 5a, 5b, 5c zuzuordnen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wurde eine Weglängenmessung in Bezug auf eine durch die Messeinheit 2 definierte ortsfeste Bezugsposition beschrieben. Weglän- genmessungen können auch in Bezug auf mehrere Referenzpositionen durchgeführt werden, beispielsweise wenn mehrere Koordinaten der Position des Objekts im Raum ermittelt werden sollen.
Fig. 2A und 2B sind schematische Darstellungen einer Vorrichtung 21 zum Bestim- men einer Position eines Objekts 19 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 21 , die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung 21 umfasst drei beabstandet voneinander angeordnete Messeinheiten 2, 3 und 4, von denen jede eine Lichtquelle und einen Detektor aufweist, eine Mehrzahl von an dem Objekt 19 angebrachten Retroreflektoren 5a, 5b, 5c und eine mit den Messeinheiten 2, 3 und 4 gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die basierend auf den von den Detektoren der Messeinheiten 2, 3 und 4 erfassten optischen Signa- le die von den erfassten optischen Signalen zurückgelegten Weglängen ermittelt. Die Lichtquelle der Messeinheit 2 gibt optische Signale in einen Lichtkegel 7 ab. Die Lichtquelle der Messeinheit 3 gibt optische Signale in einen Lichtkegel 8 ab. Die Lichtquelle der Messeinheit 4 gibt optische Signale in einen Lichtkegel 9 ab.
Das Vorsehen der Mehrzahl von an dem Objekt 19 angebrachten Retroreflektoren 5a, 5b, 5c bewirkt, dass bei der in Fig. 2A schematisch dargestellten Betriebsposition optische Signale von der Messeinheit 2 einen Pfad 12 zu dem Retroreflektor 5b und zurück zu der Messeinheit 2 durchlaufen können, dass optische Signale von der Messeinheit 3 einen Pfad 13 zu dem Retroreflektor 5b und zurück zu der Messeinheit
3 durchlaufen können, dass optische Signale von der Messeinheit 4 einen Pfad 14 zu dem Retroreflektor 5b und zurück zu der Messeinheit 4 durchlaufen können, dass optische Signale von der Messeinheit 2 einen Pfad 15 zu dem Retroreflektor 5a und zurück zu der Messeinheit 2 durchlaufen können und dass optische Signale von der Messeinheit 4 einen Pfad 16 zu dem Retroreflektor 5c und zurück zu der Messeinheit
4 durchlaufen können. Da die Anzahl von Pfaden größer als drei ist, können drei Raumkoordinaten der Position des Objekts 19 bestimmt werden. Aufgrund der mehreren Retroreflektoren 5a, 5b, 5c ist die Positionsbestimmung möglich, obwohl das Objekt 19 den Retroreflektor 5c gegen die Messeinheiten 2 und 3 abschattet.
Die Vorrichtung 21 ist so eingerichtet, dass für die von den Detektoren der Messein- heiten 2, 3 und 4 erfassten optischen Signale die entsprechenden Pfade ermittelbar sind. Das Identifizieren der entsprechenden Pfade kann ein Identifizieren desjenigen Retroreflektors 5a, 5b, 5c umfassen, an dem das erfasste optische Signal reflektiert wurde. Dazu können insbesondere die verschiedenen unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Methoden eingesetzt werden. Zusätzlich kann das Identifizieren der entsprechenden Pfade ein Identifizieren der Lichtquelle umfassen, von der das optische Signal ausgegeben wurde. Um eine Unterscheidung der Lichtquellen zu ermöglich, können die Lichtquellen beispielsweise optische Signale unterschiedlicher Charakteristik, beispielsweise mit unterschiedlichen Wellenlängen, unterschiedlicher Polarisation oder unterschiedlicher Phasen- oder Amplitudenmodulation erzeugen.
Fig. 2B zeigt die Vorrichtung 21 , wobei ein drittes Objekt 18 die Retroreflektoren 5b und 5c gegenüber der Messeinheit 4 abschattet, so dass das von der Lichtquelle der Messeinheit 4 in Richtung des Retroreflektors 5b entlang einem Pfad 14' ausgegebene optische Signal und das von der Lichtquelle der Messeinheit 4 in Richtung des Retroreflektors 5c entlang einem Pfad 16' ausgegebene optische Signal nicht zu den Retroreflektoren 5b, 5c gelangt. Aufgrund der Anzahl und Anordnung der Retroreflektoren 5a, 5b und der Lichtquellen und Detektoren der Messeinheiten 2, 3 können die Weglängen der Signalpfade 12, 13 und 15, in denen keine Abschattung vorliegt, gemessen und zur Positionsbestimmung herangezogen werden.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung zur Positionsbestimmung derart, dass diejenigen Pfade, in denen keine Abschattung vorliegt, zur Positionsbestimmung herangezogen werden, kann auch erreicht werden, indem eine Lichtquelleneinrichtung an einer Mehrzahl von Positionen optische Signale ausgibt. Dazu kann die Lichtquelleneinrichtung mehrere Lichtquellen aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können unter Verwendung eines Strahlteilers optische Signale, die beispielsweise von einem Laser erzeugt werden, von mehreren Positionen aus in den Raumbereich eingestrahlt werden, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die beispielsweise von einem einzigen Laser erzeugten optischen Signale in einer Mehrzahl von optischen Fasern geführt werden, wobei die Enden der optischen Fasern als voneinander beabstandete Lichtquellen wirken.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellungen einer Vorrichtung 31 zum Bestimmen einer Position eines Objekts 19 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 31 , die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrich- tung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Die Vorrichtung 31 umfasst eine Lichtquelleneinrichtung mit einer Messeinheit 32, die einen Laser 32a und einen (nicht dargestellten) Detektor umfasst, einen an dem Objekt 19 angebrachten Retroreflektor 5 und eine Auswerteeinrichtung 6, die mit dem Detektor gekoppelt ist, um das von dem Detektor erfasste optische Signal bzw. die von dem Detektor erfassten optischen Signale zur Weglängenbestimmung auszuwerten. Die Messeinheit 32 ist mit einer Mehrzahl von optischen Fasern 33, 34, 35 gekoppelt, in die die von dem Laser 32a erzeugten optischen Signale eingekoppelt werden. Von Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 aus werden die opti- sehen Signale in Lichtkegeln 46, 47, 48 in den Raumbereich abgegeben, in dem das Objekt positioniert ist, dessen Position bestimmt werden soll. Die Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 können so positioniert sein, dass der Retroreflektor 5 für alle Positionen des Objekts 19, in denen eine Positionsbestimmung gewünscht wird, eine freie Sichtlinie zu wenigstens einem der Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 hat. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Enden 36, 37, 38 der optischen Fasern 33, 34, 35 so positioniert sein, dass der Retroreflektor 5 für alle Positionen des Objekts 19, in denen eine Positionsbestimmung ge- wünscht wird, auch unter Berücksichtigung der Abschattung durch das Objekt 19 eine freie Sichtlinie zu mindestens einer Anzahl von Enden der optischen Fasern aufweist, die der Anzahl von zu bestimmenden Koordinaten des Objekts entspricht. Die Anordnung und Anzahl der Enden der Glasfasern kann abhängig von den geo- metrischen Eigenschaften des Objekts 19 sowie ggf. abhängig von den geometrischen Eigenschaften anderer Objekte gewählt werden, die in dem Raumbereich angeordnet sind, in dem die Position des Objekts 19 bestimmt werden soll.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung zur Positionsbestimmung derart eingerichtet, dass eine Position des Retroreflektors relativ zu dem Objekt eingestellt werden kann. Dazu kann beispielsweise der Retroreflektor 5 um eine Längsachse des Endstücks des Roboterarms drehbar gelagert sein, wie mit dem Pfeil 43 schematisch angedeutet. Insbesondere kann der Retroreflektor 5 derart angebracht sein, dass nur eine Drehung um eine rotationssymmetrische Achse des Roboterarms er- forderlich ist, um den Retroreflektor 5 zu positionieren. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt es, dass die momentane Position des Retroreflektors 5 die wirkenden statischen Kräften zwischen den Roboterachsen nicht beeinflusst.
Die Position der Retroreflektors kann derart eingestellt werden, dass der Retroreflek- tor eine freie Sichtlinie zu wenigstens einer Lichtquelle und wenigstens einem Detektor aufweist. Die Einstellung der Position des Retroreflektors kann durch eine Steuerelektronik abhängig von Informationen über die momentane Position des Objekts 19, die von der Steuerung 20 des Roboterarms bereitgestellt werden, oder durch eine Regelelektronik abhängig von von einem oder mehreren Detektoren der Vorrich- tung erfassten Lichtintensitäten erfolgen. Die Steuerelektronik oder Regelelektronik kann ein entsprechendes Steuersignal an einen Aktuator ausgeben, um die Position oder Ausrichtung des Retroreflektors zu beeinflussen. Die Einstellung der Position des Retroreflektors kann derart erfolgen, dass eine erfasste Lichtintensität des reflektierten optischen Signals erhöht, insbesondere maximiert wird.
Die Vorrichtung 31 kann derart eingerichtet sein, dass der Retroreflektor 5 in einen der Strahlkegel 46, 47, 48 gedreht werden kann, um eine Abschattung zu vermeiden. Dazu weist die Vorrichtung 31 einen Aktuator 42 auf, mit dem eine Position des Retroreflektors 5 eingestellt werden kann.
Wenn der Retroreflektor beweglich, insbesondere drehbar gelagert, an dem Objekt 19 angebracht ist, erfolgt die Bestimmung der Position des Objekts abhängig von sowohl der oder den Weglängen, die aus den erfassten optischen Signalen ermittelt werden, als auch einer Position oder Ausrichtung des Retroreflektors relativ zu dem Objekt 19. Informationen über die Position oder Ausrichtung des Retroreflektors relativ zu dem Objekt 19 können von der Steuerelektronik oder Regelelektronik bereitge- stellt werden, die die Position oder Ausrichtung des Retroreflektors relativ zu dem Objekt steuert oder regelt. Vorteilhaft ist dabei die Steuerelektronik oder Regelelektronik derart eingestellt, dass sie Informationen über einen Drehwinkel des Retroreflektors abhängig von einer für die Positionsbestimmung des Objekts gewünschten Genauigkeit bereitstellt. Alternativ oder zusätzlich kann Information über einen Dreh- winkel des Retroreflektors auch von einer geeigneten Sensorik bereitgestellt werden, beispielsweise von einem an dem Objekt angebrachten analogen oder digitalen Winkel-Encoder. Insbesondere kann Information über den Drehwinkel mit um so höherer Genauigkeit bereitgestellt werden, je weiter von der Drehachse entfernt der Retro- reflektor angeordnet ist.
Eine beweglich gelagerte Anbringung eines Retroreflektors an dem Objekt ist nicht nur für einen Retroreflektor möglich, sondern auch dann, wenn mehrere Retroreflek- toren an dem Objekt vorgesehen sind, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. In diesem Fall können die Retroreflektoren eine zueinander vor- gegebene Anordnung, d.h. fixe Relativpositionen, aufweisen. Die Reflektoranordnung kann so positioniert werden, dass der für eine hohe Signalgüte am günstigsten liegende Retroreflektor in einen Strahlkegel gedreht wird, so dass keine Abschattungs- probleme auftreten. Eine Einstellung der Position oder Ausrichtung der Reflektoranordnung kann auch derart erfolgen, dass der Detektor der Vorrichtung einen mög- liehst hohen Signalpegel erfasst.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 -3 wurden Ausführungsbeispiele im Kontext einer Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung erläutert, bei der ein oder mehrere Reflektoren am Objekt vorgesehen ist bzw. sind, und eine Lichtquelle und ein Detek- tor ortsfest vorgesehen sind. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann auch der umgekehrte Strahlengang realisiert sein, wobei Licht an dem Objekt abgestrahlt und nach Durchlaufen eines Pfades über einen, beispielsweise ortsfest vorgesehenen, Reflektor wieder am Objekt empfangen wird. Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 91 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung mit einem Laser oder einer anderen Lichtquelle 92a und mit einer Detektoreinrichtung 92b sowie eine mit der Detektoreinrichtung 92b gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und Funktion den entsprechenden Komponenten der unter Bezugnahme auf Fig. 1 -3 erläuterten Ausführungsbeispiele entsprechen. Mit der Messeinrichtung ist über geeignete optische Komponenten eine Lichtleitfaser 93 gekop- pelt, die das von der Lichtquelle 92a erzeugte optische Signal bis zu dem Objekt führt, dessen Position ermittelt werden soll und das beispielhaft als Roboterhand eines Roboterarms 94 dargestellt ist. Das an dem Objekt angebrachte Ende 107 der Lichtleitfaser 93 empfängt das optische Signal, nachdem es von dem Ende 107 der Lichtleitfaser zu einem Retroreflektor und zurück zu dem Ende 107 der Lichtleitfaser gelaufen ist, und führt es zu der Detektoreinrichtung 92b.
Die Vorrichtung 91 weist eine Mehrzahl von Retroreflektoren 97, 101 -103 auf, die an bekannten Orten, beispielsweise ortsfest, angeordnet sind. Beispielhaft sind zwei Reflektoranordnungen 95, 96 mit jeweils drei Retroreflektoren dargestellt. Sofern kei- ne Abschattung vorliegt, durchläuft das optische Signal, das an dem Ende 107 der Lichtleitfaser aus dieser austritt, eine Mehrzahl von Pfaden 98, 104-106 zu jeweils einem der Retroreflektoren, von wo es zurück auf das Ende 107 der Lichtleitfaser reflektiert wird. Falls erforderlich, können an dem Ende 107 der Lichtleitfaser geeignete optische Komponenten vorgesehen sein, die beispielsweise einen Abstrahlkegel des optischen Signals aus dem Ende 107 der Lichtleitfaser oder ein Einkoppeln von reflektierten Signalen in die Lichtleitfaser 93 beeinflussen können. Die reflektierten optischen Signale werden über die Lichtleitfaser 93 zu der Detektoreinrichtung 92b geführt, um Weglängen der verschiedenen Pfade zu ermitteln. Ein Zuordenbarkeit von erfassten Signalen zu unterschiedlichen Pfaden, d.h. eine Identifizierung desjenigen Retroreflektors, an dem ein der Detektoreinrichtung 92b über die Lichtleitfaser 93 zugeführtes Signal reflektiert wurde, kann wie bei den unter Bezugnahme auf Fig. 1 -3 beschriebenen Vorrichtungen realisiert werden. Beispielsweise können die Retroreflektoren so eingerichtet sein, dass das daran reflektierte optische Signal geeignet codiert wird, beispielsweise im Hinblick auf seine Wellenlänge oder Polarisation. Alternativ oder zusätzlich kann eine zeitsequentielle Reflexion an unterschiedlichen Retroreflektoren vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine grobe Abschätzung der Position des Objekts, die beispielsweise durch die Steuerung des Roboterarms 94 bereitgestellt werden kann, verwendet werden, um unterschiedliche erfasste Signal den unterschiedlichen Pfaden zuzuordnen. Durch Vorsehen einer ausreichend großen Anzahl von Retroreflektoren kann eine Redundanz derart geschaffen werden, dass eine Positionsbestimmung selbst dann noch möglich ist, falls eine Abschattung in einem Pfad oder in mehreren Pfaden vorliegt. Bei der Vorrichtung 91 ist eine Positionsbestimmung beispielsweise selbst dann noch möglich, wenn alle Reflektoren der Reflektoranordnung 95 gegenüber dem Ende 107 der Lichtleitfaser abgeschattet sind.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Mehrzahl von Retroreflektoren kann auch eine Mehrzahl von Lichtleitfasern vorgesehen sein.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 1 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung umfasst eine Messeinrichtung mit einem Laser oder einer anderen Lichtquelle 1 12a und mit einer Detektoreinrichtung 1 12b sowie eine mit der Detektoreinrichtung 1 12b gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und Funktion den entsprechenden Komponenten der unter Bezugnahme auf Fig. 1 -3 erläuterten Ausführungsbeispiele entsprechen. Mit der Messeinrichtung sind über geeignete optische Komponenten mehrere Lichtleitfasern 1 14-1 16 gekoppelt. Die Lichtleitfasern 1 14-1 16 können insbesondere über einen optischen Multiplexer 1 13 mit der Messeinrichtung gekoppelt sein, so dass selektiv optische Signale in eine der Lichtleitfasern 1 14-1 16 eingekoppelt werden können und selektiv reflektierte optische Signale, die in einer der Lichtleitfasern 1 14-1 16 geführt werden, von der Detektoreinrichtung 1 12b erfasst und ausgewertet werden können. Enden 134-136 der Lichtleitfasern 1 14-1 16 sind an dem Objekt, dessen Position ermittelt werden soll und das beispielhaft als Roboterhand eines Roboterarms 94 dargestellt ist, so angeordnet, dass das von der Lichtquelle 92a erzeugte optische Signal aus den Enden 134-136 in unterschiedliche Bereiche 1 17-1 19, beispielsweise in unterschiedlichen Lichtkegeln, austritt, wenn es in der entsprechenden Lichtleitfaser 1 14-1 16 geführt wird. Ein in die entsprechende Lichtleitfaser an ihrem Ende 134- 136 nach Durchlaufen des Pfades zu einem Retroreflektor wieder eingekoppeltes Signal wird in der entsprechenden Lichtleitfaser zu der Detektoreinrichtung 1 12b geführt. Falls erforderlich, können an dem Objekt geeignete Komponenten vorgesehen sein, die beispielsweise einen Abstrahlkegel des optischen Signals aus den Enden 134-136 der Lichtleitfasern oder ein Einkoppeln von reflektierten Signalen in die Lichtleitfasern 1 13-1 15 beeinflussen können. Beispielsweise kann an den Enden jeder Lichtleitfaser, an denen diese Licht in den Raumbereich abgeben oder Licht aus dem Raumbereich empfangen, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll, jeweils ein Kollimator vorgesehen sein. Die Vorrichtung 1 1 1 weist eine Mehrzahl von Retroreflektoren 121 -125 auf, die ortsfest angeordnet sein können. Die Retroreflektoren können so angeordnet sein, dass für die relevanten Betriebspositionen der Roboterarms jeweils nur einer der Lichtkegel 1 17-1 19 Licht auf die Retroreflektoren 121 -125 einstrahlt, wobei der entspre- chende Lichtkegel, der freie Sicht auf die Reflektoranordnung hat, abhängig von der Position und Ausrichtung des Roboterarms 94 unterschiedlich sein kann. Abhängig von der Position oder Ausrichtung des Roboterarms 94 kann der optische Multiplexer 1 13 so gesteuert werden, dass entsprechend Licht in eine gewünschte Lichtleitfaser der Lichtleitfasern 1 13-1 15 eingekoppelt wird, die freie Sicht auf eine ausreichende Anzahl an Retroreflektoren 121 -125 hat.
Neben der durch den Multiplexer 1 13 realisierten Auswahl der Position, an der das optische Signal am Objekt abgestrahlt und empfangen werden kann, kann die Zuor- denbarkeit von den erfassten optischen Signalen nach ihrer Reflexion zu unter- schiedlichen Pfaden, d.h. eine Identifizierung desjenigen Retroreflektors 121 -125, an dem ein der Detektoreinrichtung 92b zugeführtes Signal reflektiert wurde, wie bei den unter Bezugnahme auf Fig. 1 -3 beschriebenen Vorrichtungen realisiert werden. Beispielsweise können die Retroreflektoren so eingerichtet sein, dass das daran reflektierte optische Signal geeignet codiert ist, beispielsweise im Hinblick auf seine Wel- lenlänge oder Polarisation. Alternativ oder zusätzlich kann eine zeitsequentielle Reflexion an unterschiedlichen Retroreflektoren vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine grobe Abschätzung der Position des Objekts, die beispielsweise durch die Steuerung des Roboterarms 94 bereitgestellt werden kann, verwendet werden, um unterschiedliche erfasste Signal den unterschiedlichen Pfaden zuzuord- nen.
Auch wenn unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 Vorrichtungen beschrieben wurden, bei denen eine ausreichende Anzahl von Reflektoren bzw. Enden von Lichtleitfasern vorgesehen sind, so dass eine Positionsbestimmung auch bei Abschattung in einem Pfad möglich ist, können nach einem weiteren Aspekt der Erfindung die unter Bezugnahme auf Fig. 7 und 8 erläuterten Vorrichtungen auch so eingerichtet sein, dass die Anzahl der Pfade, deren Weglänge bestimmbar ist, gleich der Anzahl der zu bestimmenden Freiheitsgrade des Objekts ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 -3, 7 und 8 wurden Ausführungsbeispiele im Kontext einer Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung erläutert. Alternativ kann auch eine Einfachanordnung gewählt werden, bei der Licht an dem Objekt ausgege- ben oder erfasst wird. Eine Ausgestaltung der Vorrichtung derart, dass auch bei Abschattung in einem Pfad zwischen Lichtquelle und Detektor noch eine Positionsbestimmung möglich ist, kann beispielsweise erreicht werden, indem Enden einer Mehrzahl von optischen Fasern an dem Objekt 19 voneinander beabstandet vorge- sehen sind. Die optischen Fasern können mit einer Lichtquelle verbunden sein, so dass die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Anfangspositionen für Pfade der optischen Signale dienen. Die optischen Fasern können alternativ mit einem Detektor oder mehreren Detektoren verbunden sein, wobei die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Endpositionen für die Pfade der optischen Signale dienen, von denen aus die Signale zu dem Detektor bzw. den Detektoren geführt werden.
Falls das Ende einer optischen Faser oder mehrere Enden mehrerer optischer Fasern an dem Objekt angebracht ist bzw. sind, kann das Ende der optischen Faser bzw. können die Enden der optischen Fasern beweglich, insbesondere drehbar gelagert, vorgesehen sein. Eine Einstellung der Position des Endes der optischen Faser bzw. der Enden der optischen Faser, das bzw. die an dem Objekt vorgesehen ist bzw. sind, kann wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 für den Retroreflektor 5 beschrieben erfolgen.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellungen einer Vorrichtung 51 zum Bestimmen einer Position eines Objekts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 51 , die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung 51 ist eingerichtet, um einen Verlauf eines Pfades, den ein optisches Signal zwischen einem Objekt und einer Referenzposition durchläuft, zu verändern.
Die Vorrichtung 51 umfasst eine Messeinheit 2 mit einer Lichtquelle 2a und einem Detektor 2b, der beispielsweise ein Fotodetektor sein kann, sowie einen am Objekt anbringbaren Retroreflektor 59. Auch wenn in Fig. 4 schematisch nur eine Lichtquelle und ein Detektor dargestellt ist, kann eine entsprechend größere Anzahl von Lichtquellen und/oder Detektoren vorgesehen sein, um die Messung mehrerer voneinander unabhängiger Weglängen zur Bestimmung mehrerer Koordinaten durchzuführen. Die Vorrichtung 51 ist eingerichtet, um den Verlauf des Pfades oder der Pfade, den optische Signale zu dem Retroreflektor 59 und zurück zu dem Detektor 2b durchlaufen, einzustellen. Dazu umfasst die Vorrichtung 51 einen steuerbar kippbaren Um- lenkspiegel 52, der als ein Kippspiegel mit mehreren Kippstellungen oder als ein Scanspiegel mit einem Kontinuum von Winkelstellungen ausgebildet sein kann. Die Vorrichtung 51 umfasst einen weiteren Umlenkspiegel 53, der ebenfalls als ein Kippspiegel oder als ein Scanspiegel ausgebildet sein kann.
Im Betrieb der Vorrichtung 51 werden die von der Lichtquelle 2a erzeugten optischen Signale in Richtung des Umlenkspiegels 52 ausgegeben. Der Umlenkspiegel 52 kann insbesondere um zwei durch einen Punkt 54 des Umlenkspiegels 52 verlaufende orthogonale Achsen drehbar gelagert sein. Der Punkt 54 kann insbesondere im Wesentlichen dem Flächenmittelpunkt des Bereichs auf dem Umlenkspiegel 52 entsprechen, auf den das von der Lichtquelle 2a ausgegebenen Signal auftrifft. Die Vorrichtung 51 weist eine Steuereinrichtung 56 auf, mit der die Ausrichtung des Umlenkspiegels 52 so eingestellt werden kann, dass der Umlenkspiegel 52 die optischen Signale wahlweise direkt in den Raumbereich, in dem sich das Objekt befindet, des- sen Position bestimmt werden soll, oder auf den weiteren Umlenkspiegel 53 lenkt. Durch Verkippung des Umlenkspiegels 52 kann der Verlauf des Pfades zwischen einem bei 57 dargestellten Verlauf, der direkt von dem Umlenkspiegel 52 in den Raumbereich führt, und einem bei 58 dargestellten Verlauf, der über den weiteren Umlenkspiegel 53 in den Raumbereich führt, angepasst werden.
Die Steuereinrichtung 56 kann so eingerichtet sein, dass der Verlauf des Pfades, den die optischen Signale von dem Umlenkspiegel 52 zu dem Reflektor 59 oder von dem Umlenkspiegel 52 über den weiteren Umlenkspiegel 53 zu dem Reflektor 59 durchlaufen, frei von Hindernissen ist. Dazu kann die Steuereinrichtung 56 den Umlenk- Spiegel abhängig von einem von dem Detektor 2b erfassten Signal, beispielsweise einer Lichtintensität des reflektierten wenigstens einen optischen Signals, steuern.
Der weitere Umlenkspiegel 53 kann ebenfalls kippbar gelagert sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der weitere Umlenkspiegel 53 um zwei durch einen Punkt 55 des Umlenkspiegels 53 verlaufende orthogonale Achsen drehbar gelagert. Der Punkt 55 kann insbesondere im Wesentlichen dem Flächenmittelpunkt des Bereichs auf dem Umlenkspiegel 53 entsprechen, auf den das optische Signal trifft, wenn es von der Lichtquelle 2a über den Umlenkspiegel 52 auf den Umlenkspiegel 53 gelenkt wird. Eine derartige Ausgestaltung der Vorrichtung erlaubt es, Licht von dem weiteren Um- lenkspiegel 53 wahlweise direkt in den Raumbereich oder auf einen (nicht dargestellten) dritten Umlenkspiegel zu lenken. Die Vorrichtung 51 kann derart ausgebildet sein, dass sie eine Mehrzahl von kippbaren Umlenkspiegeln aufweist, wobei mehrere der Umlenkspiegel so steuerbar sind, dass auf sie auftreffendes Licht wahlweise direkt in den Raumbereich, in dem sich das Objekt befindet, oder auf einen weiteren Umlenkspiegel gelenkt werden kann. Die Mehrzahl von Umlenkspiegeln kann in einer im Wesentlichen ringförmigen Anordnung vorgesehen sein.
Bei der Vorrichtung 51 wird die Positionsbestimmung abhängig von der Weglänge, die basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Signal, und abhän- gig davon, ob der Umlenkspiegel 52 das Licht direkt in den Raumbereich oder auf den weiteren Umlenkspiegel 53 lenkt, ermittelt. Falls mehrere Umlenkspiegel vorgesehen sind, die wahlweise optische Signale direkt in den Raumbereich oder zu einem weiteren Umlenkspiegel lenken, erfolgt die Positionsbestimmung abhängig von der Weglänge, die basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Sig- nal ermittelt wird, und abhängig von dem Pfad, entlang dem die optischen Signale zwischen Umlenkspiegeln gelenkt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann die Ausrichtung des kippbaren Umlenkspiegels 52 bzw. können die Ausrichtungen mehrerer kippbarer Umlenkspiegel derart einge- stellt werden, dass ein Signalpegel des von dem Detektor 2b erfassten optischen Signals erhöht, insbesondere maximiert, wird. Die Steuereinrichtung 56 kann dazu in einer Regelschleife mit dem Detektor 2b gekoppelt sein. So kann im Hinblick auf Struktureigenschaften des Reflektors oder der Objektoberfläche, die beispielsweise zu einer anisotropen Reflexion oder Streuung führen, ein höheres Messsignal er- reicht werden.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellungen einer Vorrichtung 61 zum Bestimmen einer Position eines Objekts nach einem weiteren Ausführungsbeispiel. Elemente oder Einrichtungen der Vorrichtung 61 , die in ihrer Ausgestaltung und Funktion unter Be- zugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Elementen oder Einrichtungen der Vorrichtung 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Vorrichtung 61 ist eingerichtet, um einen Verlauf eines Pfades, den ein optisches Signal zwischen einem Objekt und einer Referenzposition durchläuft, einzustellen. Die Vorrichtung 61 umfasst eine Messeinheit 2 mit einer Lichtquelle 2a und einem Detektor 2b, und eine mit der Messeinheit 2 gekoppelte Auswerteeinrichtung 6, die basierend auf dem von dem Detektor 2b erfassten optischen Signal eine von dem erfassten Signal zurückgelegte Weglänge ermittelt. Ein Retroreflektor 5 ist an dem Objekt 19 angebracht, um von der Lichtquelle 2a erzeugte optische Signale zu dem Detektor 2b zurückzureflektieren. Auch wenn in Fig. 5 schematisch nur eine Lichtquelle und ein Detektor dargestellt ist, kann die Vorrichtung 61 eine größere Anzahl von Lichtquellen und/oder Detektoren aufweisen, um die Messung mehrerer voneinander unabhängiger Weglängen zur Bestimmung mehrerer Koordinaten durchzuführen. Die Anzahl und Anordnung der Lichtquellen und/oder Detektoren der Vorrichtung 61 kann so gewählt sein, dass bei geeigneter Positionierung der Vorrichtung 61 relativ zu einem Laborsystem sowohl die drei Raumkoordinaten eines Punkts des Objekts 19 als auch eine Ausrichtung des Objekts 19 im Raum ermittelt werden können, wobei dazu wenigstens ein weiterer Retroreflektor an dem Objekt 19 angebracht sein kann.
Die Vorrichtung 61 ist derart eingerichtet, dass eine Position der Messeinheit 2 rela- tiv zu einem Laborsystem veränderbar ist. Die Vorrichtung 61 umfasst eine Führungsschiene 62, an der die Messeinheit 2 beweglich gelagert ist, so dass sie an verschiedenen Positionen relativ zu dem Raumbereich, in dem sich das Objekt 19 befindet, angeordnet werden kann. Beispielsweise kann die Messeinheit 2 an einem von der Führungsschiene 62 geführten Wagen vorgesehen sein. Eine Steuereinrich- tung 63 ist mit der Messeinheit 2 verbunden, um die Position der Messeinheit 2 entlang der Führungsschiene 62 zu steuern. Die Vorrichtung 61 umfasst ein Positionsmesssystem 64, um die Position der Messeinheit 2 relativ zu einem Laborsystem zu ermitteln. Das Positionsmesssystem 64 kann beispielsweise einen Glasmaßstab o- der ein anderes Inkremental System umfassen. Das Positionsmesssystem 64 stellt an eine Recheneinrichtung 65 die Position der Messeinheit 2 im Laborsystem bereit, und die Auswerteeinrichtung 6 stellt an die Recheneinrichtung 65 eine oder mehrere ermittelte Weglängen bereit, die für Pfade zwischen Referenzpositionen an der Messeinheit 2 und dem Objekt 19 ermittelt wurden. Die Recheneinrichtung 65 ermittelt basierend auf diesen Daten die Position des Objekts 19 im Laborsystem.
Im Betrieb der Vorrichtung 61 wird die Messeinheit 2 entlang der Führungsschiene 62 an eine Position bewegt, in der optische Signale den Pfad von der Messeinheit 2 zu dem Retroreflektor 5 und zurück zu dem Messeinheit 2 durchlaufen können, ohne auf ein Hindernis im Pfad aufzutreffen. Durch die Positionierung der Messeinheit 2 wird der Verlauf des Pfades, dessen Weglänge zur Positionsbestimmung optisch ermittelt wird, so angepasst, dass die Position des Objekts bestimmbar ist. Die Steuereinrichtung 63, die die Position der Messeinheit 2 steuert, kann mit der Steuerung 20 des Roboterarms verbunden sein. So kann die Messeinheit 2 abhängig von Daten über die momentane Stellung des Roboterarms, aus denen auf mögliche Abschattungen geschlossen werden kann, an eine Position verstellt werden, an der der Pfad von der Lichtquelle 2a über den Reflektor 5 zu dem Detektor 2b nicht durch das Objekt 19 oder ein drittes Objekt unterbrochen ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung 63 mit der Auswerteeinrichtung 6 verbunden sein, und die Position der Messeinheit 2 kann von der Steuereinrichtung 63 abhängig von dem Signal, beispielsweise abhängig von einer Lichtintensität, gesteuert werden, das der Detektor 2b erfasst. Die Steuereinrichtung 63 kann in einer Regelschleife mit der Auswerteeinrichtung 6 verbunden sein, um die Position der Messeinheit 2 so zu steuern, dass ein von dem Detektor 2b erfasster Signalpegel des optischen Signals erhöht, beispielsweise maximiert wird.
Die unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläuterte Vorrichtung 61 ist so eingerichtet, dass die Lichtquelle 2a und der Detektor 2b relativ zu dem Raumbereich bewegt werden können, in dem sich das Objekt befindet. Bei einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann nur die Lichtquelle 2a oder nur der Detektor 2b relativ zu dem Raumbereich beweglich angeordnet sein. Bei einer Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Lichtquelle 2a und der Detektor 2b relativ zu dem Raumbereich unabhängig voneinander beweglich sein.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 wurden Vorrichtungen nach Ausführungsbeispie- len im Kontext einer Weglängenmessung in einer Reflexionsanordnung erläutert. Die Vorrichtungen können auch bei einer Einfachanordnung eingesetzt werden, bei der Licht an dem Objekt ausgegeben oder erfasst wird. Eine Ausgestaltung der Vorrichtung derart, dass auch bei Abschattung in einem Pfad zwischen Lichtquelle und Detektor noch eine Positionsbestimmung möglich ist, kann beispielsweise erreicht wer- den, indem Enden einer Mehrzahl von optischen Fasern an dem Objekt voneinander beabstandet vorgesehen sind. Die optischen Fasern können mit einer Lichtquelle verbunden sein, so dass die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Anfangspositionen für Pfade der optischen Signale dienen. Die optischen Fasern können alternativ mit einem Detektor oder mehreren Detektoren verbunden sein, wobei die an dem Objekt vorgesehenen Enden der optischen Fasern als Endpositionen für Pfade der optischen Signale dienen, von denen aus die Signale zu dem Detektor bzw. den Detektoren geführt werden. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 -5, 7 und 8 wurden Anordnungen beschrieben, bei denen optische Signale zu einem Strahlenkegel aufgeweitet werden. Bei weiteren Ausführungsformen kann bei jeder der unter Bezugnahme auf Fig. 1 -5, 7 und 8 be- schriebenen Vorrichtungen eine geeignete Optik vorgesehen sein, mit der optische Signale beispielsweise in einem Strahlenfächer oder einem Parallelstrahl mit größerem Durchmesser in den Raumbereich gelenkt werden, in dem die Position des Objekts bestimmt werden soll. Fig. 6 ist eine schematische Darstellung einer Reflektoranordnung 71 zur Positionsbestimmung nach einem Ausführungsbeispiel. Die Reflektoranordnung 71 ist eingerichtet, um eine Unterscheidung von an unterschiedlichen Reflektoren der Reflektoranordnung 71 reflektierten optischen Signalen zu ermöglichen und kann bei den Vorrichtungen 1 , 21 und 31 , die unter Bezugnahme auf Fig. 1 -3 beschrieben wurden, eingesetzt werden.
Die Reflektoranordnung 71 umfasst eine Mehrzahl von Reflektoren 73, 74, die beabstandet voneinander an einem Körper 72 angebracht sind. Die Reflektoren 73, 74 können insbesondere Retroreflektoren sein. Der Reflektor 73 ist eingerichtet, um ein auf ihn einfallendes optisches Signal 77 parallel zu der Einfallsrichtung als optisches Signal 78 zu reflektieren. Der Reflektor 74 ist eingerichtet, um ein auf ihn einfallendes optisches Signal 79 parallel zu der Einfallsrichtung als optisches Signal 80 zu reflektieren. Vor dem Reflektor 73 ist ein optisches Element 75 vorgesehen, und vor dem Reflektor 74 ist ein optisches Element 76 vorgesehen. Die optischen Ele- mente 75, 76 sind so eingerichtet, dass das an dem Reflektor 74 reflektierte Signal 80 dem Reflektor 74 zuordenbar ist, und dass das an dem Reflektor 73 reflektierte Signal 78 dem Reflektor 73 zuordenbar ist. Die optischen Elemente 75, 76 können insbesondere so ausgebildet sein, dass sie keine mechanisch beweglichen Elemente umfassen.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Elemente 75, 76 als passive Elemente ausgebildet sein, die sicherstellen, dass das an dem zugeordneten Reflektor 73 bzw. 74 reflektierten Licht eine detektierbare Charakteristik aufweist, die für die reflektierten Signale 78 und 80 unterschiedliche ist. Die Elemente 75, 76 können als Polarisa- tions- oder Wellenlängenfilter ausgebildet sein. Beispielsweise können die Elemente 75, 76 so ausgebildet sein, dass an jedem Reflektor eine für diesen Reflektor spezifische Verschiebung der Wellenlänge hervorgerufen wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Elemente 75, 76 einen nichtlinearen optischen Shutter umfassen. Die Elemente 75, 76 können beispielsweise jeweils als sättigbarer Absorber ausgebildet sein, dessen Absorptionskoeffizient mit steigender einfallender Lichtintensität abnimmt. Die sättigbaren Absorber können so eingerichtet sein, dass jeweils nur einer der Absorber eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt, dass er in seinen transparenten Zustand übergeht. Die Identifizierung des entsprechenden Reflektors, der gerade eine ausreichend hohe Lichtintensität empfängt, kann basierend auf einer groben Abschätzung oder durch Auswertung eines zweidimensionalen Übersichtsbildes der Reflektoranordnung erfolgen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Elemente 75, 76 jeweils einen elektrooptischen Schalter oder elektrooptischen Modulator umfassen. Beispielsweise kann jedes der Elemente 75, 76 als elektrooptischer Amplitudenmodulator ausgebil- det sein. Der Amplitudenmodulator kann jeweils eine Pockels-Zelle und wenigstens einen, vorteilhaft zwei Polarisatoren umfassen. Alternativ kann jedes der Elemente 75, 76 einen Flüssigkristallmodulator umfassen. Mit derartigen Modulatoren kann den reflektierten Signalen 78, 80 eine Phasen- oder Amplitudenmodulation aufgeprägt werden, die durch entsprechende Filterung durch den Detektor oder die nachge- schaltete Auswerteelektronik eine Unterscheidung der reflektierten Signalen 78, 80 erlaubt.
Die Vorrichtungen und Verfahren zur Positionsbestimmung, die unter Bezugnahme auf Fig. 1 -8 erläutert wurden, können unterschiedliche optische Messtechniken zur Weglängenbestimmung einsetzen. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein optischer Frequenzkamm-Generator als Lichtquelle verwendet werden, der eine Folge von Lichtpulsen mit einer Repetitionsrate erzeugt. Die Folge von Lichtpulsen wird nach Durchlaufen des Pfades, dessen Weglänge gemessen werden soll, erfasst. Die Auswerteeinrichtung kann die Weglänge basierend auf einer Phasenlage einer Sig- nalkomponente der Folge von Lichtpulsen bestimmen, die mit einem Vielfachen der Repetitionsrate oszilliert. Die Lichtquelleneinrichtung, Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung in den verschiedenen Ausführungsbeispielen können insbesondere die in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 045 386 beschriebene Ausgestaltung aufweisen.
Die Vorrichtungen und Verfahren zur Positionsbestimmung nach den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können auch in Kombination mit anderen optischen Messmethoden zur Weglängenmessung, beispielsweise Interferenzmessungen, eingesetzt werden. Während Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, bei denen die Lichtquelle und der Detektor integral in einer Messeinheit vorgesehen sind, können bei weiteren Ausführungsbeispielen die Lichtquelle und der Detektor auch separat vorgesehen und unabhängig voneinander relativ zu dem Objekt positionierbar sein.
Durch Vorsehen einer geeigneten Anzahl und Anordnung von Anfangspositionen, an denen optische Signale ausgesendet werden, und/oder von Endpositionen, an denen optische Signale erfasst werden, und/oder von Reflektoren können bei den verschie- denen Ausführungsbeispielen nicht nur die drei Koordinaten eines Punkts des Objekts im Raum ermittelt werden, sondern alternativ oder zusätzlich kann auch die Ausrichtung des Objekts, d.h. seine Winkellage im Raum, ermittelt werden.
Die Vorrichtungen und Verfahren nach verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung erlauben eine Positionsbestimmung selbst dann, wenn ein Pfad, in den ein optisches Signal ausgegeben wird, durch ein Hindernis unterbrochen wird. Die Vorrichtungen und Verfahren können allgemein zum Positionsbestimmung eingesetzt werden, wobei ein beispielhaftes Anwendungsfeld die quantitative Messung in industriellen Einrichtungen ist.

Claims

A N S P R Ü C H E
1 . Vornchtung zum Bestimmen einer Position eines Objekts (19), die eingerichtet ist, um eine Weglänge wenigstens eines Pfades zwischen dem Objekt (19) und wenigstens einer Referenzposition zu ermitteln, umfassend
eine Lichtquelleneinrichtung (2a; 32a, 33-38; 92a; 1 12a) zum Aussenden von optischen Signalen,
eine Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32; 92b; 1 12b), die eingerichtet ist, um wenigstens ein optisches Signal nach Durchlaufen des wenigstens einen Pfades (12, 15; 12-16; 12, 13, 15; 57, 58) zu erfassen, und
eine Auswerteeinrichtung (6), die mit der Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32; 92b; 1 12b) gekoppelt und eingerichtet ist, um das von der Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32) er- fasste wenigstens eine optische Signal zum Ermitteln der Weglänge auszuwerten, wobei die Vorrichtung (1 ; 21 ; 31 ; 51 ; 61 ; 91 ; 1 1 1 ) eingerichtet ist, um einen Verlauf des wenigstens einen Pfades (12, 15; 12-16; 12, 13, 15) in einer Mehrzahl von Pfaden (12, 15; 12-16; 12, 13, 15, 14', 16') derart zu identifizieren oder um einen Verlauf des wenigstens einen Pfades (57, 58) derart einzustellen, dass basierend auf dem von der Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32; 92b; 1 12b) erfassten wenigstens einen optischen Signal die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
wobei die Vorrichtung (1 ; 21 ; 31 ; 91 ; 1 1 1 ) eingerichtet ist, um zum Identifizieren des Verlaufs des wenigstens einen Pfades von dem wenigstens einen erfassten optischen Signal passierte Komponenten (5a, 5b, 5c; 36-38; 95, 101 -103; 121 -125) der Vorrichtung zu identifizieren.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei eine Anzahl der Mehrzahl von Pfaden größer ist als eine Anzahl von zu bestimmenden Koordinaten der Position des Objekts (19).
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Lichtquelleneinrichtung (2a; 32a, 33-38) eingerichtet ist, um die optischen Signale an einer Mehrzahl von Anfangspositionen (2-4; 36-38; 134-136) in die Mehrzahl von Pfaden auszugeben, wobei eine Anzahl und Anordnung der Mehrzahl von Anfangspositionen (2-4; 36-38; 134-136) derart ist, dass bei einer Abschattung in einem Pfad der Mehrzahl von Pfaden die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32) eingerichtet ist, um an einer Mehrzahl von Endpositionen (2-4; 134-136) der Mehrzahl von Pfaden das wenigstens eine optische Signal zu erfassen, wobei eine Anzahl und Anordnung der Mehrzahl von Endpositionen (2-4; 134-136) derart ist, dass bei einer Abschattung in einem Pfad der Mehrzahl von Pfaden die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend einen Reflektor (5) oder mehrere Reflektoren (5a-5c; 73, 74; 97, 101 -103; 121 -125) zum Reflektieren von entlang der Mehrzahl von Pfaden (12-16) propagierenden optischen Signalen, wobei eine Anzahl und Anordnung der Reflektoren (5; 5a-5c; 95, 101 -103; 121 -125) derart ist, dass bei einer Abschattung in einem Pfad der Mehrzahl von Pfaden die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
wobei mehrere Reflektoren (5a-5c; 73, 74; 97, 101 -103; 121 -125) vorgesehen sind, die jeweils mit einem nichtlinearen optischen Element, insbesondere einem sättigbaren Absorber, versehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6,
wobei mehrere Reflektoren (5a-5c; 73, 74; 97, 101 -103) vorgesehen und eingerichtet sind, um von den Reflektoren (5a-5c; 73, 74; 97, 101 -103) reflektierte optische Signale derart zu codieren, dass die reflektierten optischen Signalen jeweils einem Reflektor der Reflektoren zuordenbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
wobei die Reflektoren (5a-5c; 73, 74; 97, 101 -103) eingerichtet sind, um eine Codierung über eine Polarisation oder Wellenlänge der reflektierten optischen Signale vorzunehmen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-9,
wobei der Reflektor (5) oder die Reflektoren (5a-5c) beweglich, insbesondere drehbar gelagert, an dem Objekt (19) anbringbar ist bzw. sind.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 10,
wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, um eine Abschätzung der Position des Objekts (19) zu ermitteln und um eine Position oder Ausrichtung des Reflektors (5) bzw. der Reflektoren (5a-5c) relativ zu dem Objekt (19) abhängig von der Abschätzung der Position des Objekts (19) zu steuern.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend eine optische Komponente (52, 53; 2a, 2b), die einen Verlauf des wenigstens einen Pfades beeinflusst, wobei eine Position oder Ausrichtung der optischen Komponente (52, 53; 2a, 2b) steuerbar ist, und eine mit der optischen Komponente (52, 53; 2a, 2b) gekoppelte Steuereinrichtung (56; 63) zum Steuern der Position oder Ausrichtung der optischen Komponente (52, 53; 2a, 2b).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
wobei die Steuereinrichtung (56; 63) eingerichtet ist, um eine Abschätzung der Position des Objekts (19) zu ermitteln, und um die Position oder Ausrichtung der optischen Komponente (52, 53; 2a, 2b) abhängig von der Abschätzung der Position des Objekts (19) zu steuern.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
wobei die optische Komponente eine Lichtquelle (2a) oder einen Detektor (2b) um- fasst, und wobei die Steuereinrichtung (56) eingerichtet ist, um eine Änderung der Position der optischen Komponente (2a, 2b) relativ zu einem Raumbereich hervorzurufen, in dem das Objekt (19) zu positionieren ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12-14,
wobei die optische Komponente einen Umlenkspiegel (52) umfasst.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
wobei die Steuereinrichtung (56) eingerichtet ist, um eine Ausrichtung des Umlenkspiegels (52) derart einzustellen, dass das wenigstens eine optische Signal von dem Umlenkspiegel wahlweise direkt in einen Raumbereich, in dem das Objekt (19) zu positionieren ist, oder auf einen weiteren Umlenkspiegel (53) gelenkt wird.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinrichtung (6) eingerichtet ist, um Weglängen mehrerer Pfade (12, 13, 15) zu ermitteln und die Position des Objekts (19) durch Multilateration basierend auf den Weglängen zu ermitteln.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Vorrichtung (1 ; 21 ; 31 ; 51 ; 61 ; 91 ; 1 1 1 ) eingerichtet ist, um den wenigstens einen Pfad aus der Mehrzahl von Pfaden derart auszuwählen oder den Verlauf des wenigstens einen Pfades derart einzustellen, dass ein Signalpegel des von der Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32; 92b) erfassten wenigstens einen optischen Signals erhöht wird.
19. Verfahren zum Bestimmen einer Position eines Objekts (19), bei dem eine Weglänge wenigstens eines Pfades zwischen dem Objekt (19) und wenigstens einer Referenzposition ermittelt wird, umfassend
Aussenden von optischen Signalen,
Erfassen wenigstens eines optischen Signals nach Durchlaufen des wenigstens einen Pfades (12, 15; 12-16; 12, 13, 15; 57, 58), und
Auswerten des erfassten wenigstens einen optischen Signals zum Ermitteln der Weglänge,
wobei ein Verlauf des wenigstens einen Pfades (12, 15; 12-16; 12, 13, 15) in einer Mehrzahl von Pfaden derart identifiziert oder ein Verlauf des wenigstens einen Pfades (57, 58) derart eingestellt wird, dass basierend auf dem erfassten wenigstens einen optischen Signal die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.
20. Verfahren nach Anspruch 19,
wobei zum Identifizieren des Verlaufs des wenigstens einen Pfades (12, 15; 12-16; 12, 13, 15) wenigstens eine von einer Anfangsposition aus mehreren möglichen Anfangspositionen (2-4; 36-38) des wenigstens einen Pfades, eine Endposition aus mehreren möglichen Endpositionen (2-4) des wenigstens einen Pfades oder ein Re- flektor von mehreren möglichen Reflektoren (5a-5c; 97, 101 -103; 121 -125) des wenigstens einen Pfades identifiziert wird.
21 . Verfahren nach Anspruch 19 oder 20,
wobei eine Anzahl und Anordnung von Anfangspositionen (2-4; 36-38; 134-136) der Mehrzahl von Pfaden oder eine Anzahl und Anordnung von Endpositionen (2-4; 134- 136) der Mehrzahl von Pfaden derart festgelegt wird, dass bei einer Abschattung in einem Pfad der Mehrzahl von Pfaden die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-21 ,
wobei eine Anzahl und Anordnung von an dem Objekt (19) oder ortsfest angebrachten Reflektoren (5; 5a-5c; 97, 101 -103; 121 -125) zum Reflektieren von entlang der Mehrzahl von Pfaden propagierendem Licht derart festgelegt wird, dass bei einer Abschattung in einem Pfad der Mehrzahl von Pfaden die Position des Objekts (19) bestimmbar ist.
23. Verfahren nach Anspruch 22,
wobei jeder Reflektor der Reflektoren (5a-5c; 97, 101 -103; 121 -125) auf ihn einfallendes Licht nur reflektiert, wenn eine Intensität des auf den Reflektor einfallenden Lichts eine vorgegebene Schwelle übersteigt.
24. Verfahren nach Anspruch 22,
wobei jeder Reflektor der Reflektoren (5a-5c; 73, 74; 97, 101 -103; 121 -125) ein daran reflektiertes optische Signal (78, 80) derart codiert, dass die reflektierten optischen Signalen (78, 80) den entsprechenden Reflektoren zuordenbar sind.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-24,
wobei der Reflektor (5) bzw. die Reflektoren (5a-5c) beweglich, insbesondere drehbar gelagert, an dem Objekt (19) angebracht sind.
26. Verfahren nach Anspruch 25,
wobei eine Position oder Ausrichtung des Reflektors (5) bzw. der Reflektoren (5a-5c) abhängig von einer Abschätzung für die Position des Objekts (19) eingestellt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-26,
wobei der Verlauf des wenigstens einen Pfades abhängig von Intensitäten, die von der Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32; 92b; 1 12b) für den wenigstens einen Pfad er- fasst werden, eingestellt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27,
wobei eine Anfangsposition oder eine Endposition des wenigstens einen Pfades relativ zu einem Raumbereich verändert wird, in dem sich das Objekt (19) befindet, um den Verlauf des wenigstens einen Pfades einzustellen.
29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, wobei eine Ausrichtung eines Umlenkspiegels (52) derart gesteuert wird, dass das wenigstens eine optische Signal von dem Umlenkspiegel (52) wahlweise direkt in den Raumbereich, in dem sich das Objekt (19) befindet, oder auf einen weiteren Umlenkspiegel (53) gelenkt wird, um den Verlauf des wenigstens einen Pfades einzu- stellen.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-29,
wobei der wenigstens eine Pfad (12, 15; 12-16; 12, 13, 15) aus der Mehrzahl von Pfaden (12, 15; 12-16; 12, 13, 15) derart ausgewählt oder ein Verlauf des wenigstens einen Pfades (57, 58) derart eingestellt wird, dass ein Signalpegel des von der Detektoreinrichtung (2b; 2-4; 32) erfassten wenigstens einen optischen Signals erhöht wird.
31 . Verfahren nach einem der Ansprüche 19-30,
welches mit der Vorrichtung (1 ; 21 ; 31 ; 51 ; 61 ; 91 ; 1 1 1 ) nach einem der Ansprüche 1 -18 durchgeführt wird.
32. Reflektoranordnung (71 ) für eine optische Bestimmung einer Position eines Objekts (19), umfassend
voneinander beabstandet angeordnete Reflektoren (73, 74) zum Reflektieren von optischen Signalen (77, 79) und
Mittel (75, 76) zum Beeinflussen der Reflexion der optischen Signale (77, 79), wobei die Mittel (75, 76) eingerichtet sind, um die Reflexion der optischen Signale (77, 79) an den Reflektoren (73, 74) derart zu beeinflussen, dass jedes reflektierte optische Signal der reflektierten optischen Signale (78, 80) einem Reflektor der Reflektoren (73, 74) zuordenbar ist.
33. Reflektoranordnung nach Anspruch 32,
wobei die Mittel (75, 76) eingerichtet sind, um eine Amplitude oder Phase der reflek- tierten optischen Signale (78, 80) zu beeinflussen.
34. Reflektoranordnung nach Anspruch 32 oder 33,
wobei die Mittel (75, 76) einen elektrooptischen Modulator oder einen elektroopti- schen Schalter umfassen.
35. Reflektoranordnung nach Anspruch 32, wobei die Mittel (75, 76) eingerichtet sind, um eine Charakteristik eines reflektierten optischen Signals (78, 80) abhängig davon zu beeinflussen, an welchem Reflektor (73, 74) das optische Signal reflektiert wird.
36. Reflektoranordnung nach Anspruch 35,
wobei die Mittel (75, 76) derart eingerichtet sind, dass die reflektierten Signale (78, 80) anhand ihres Polarisationszustandes oder ihrer Wellenlänge einem Reflektor der Reflektoren (73, 74) zuordenbar sind.
37. Reflektoranordnung nach einem der Ansprüche 32-36,
wobei die Mittel einen Aktuator (42) zum Positionieren der Reflektoren (73, 74) umfassen, der eingerichtet ist, um die Reflektoren (73, 74) so zu positionieren, dass nur ein Reflektor oder nur ein Teil der Reflektoren die optischen Signale (77, 79) reflektiert.
38. Reflektoranordnung nach Anspruch 37,
welche zur Verwendung bei der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -18 eingerichtet ist.
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