DE102021201986A1 - Optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung - Google Patents

Optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors und ein Verfahren zum Betrieb derselbigen. Dabei emittiert eine Strahlungsquelle ein Lichtbündel in Richtung des Retroreflektors, von dem dieses entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert wird und auf eine Vier-Quadranten-Diode einfällt. Über eine Signalverarbeitungseinrichtung wird abhängig von der Position des Lichtbündels auf der Vier-Quadranten-Diode ein Regelungssignal erzeugt, welches von einer Verfolgungsaktuatorik genutzt wird, um das Lichtbündel dem Retoreflektor nachzuführen. Hierzu wird bestimmt, auf welchen von drei Regelungs-Abschnitten der Vier-Quadranten-Diode entlang einer vorgegebenen Richtung das zurückreflektierte Lichtbündel einfällt. Dazu dienen entweder die Ausgangssignale einzelner Quadranten der Vier-Quadranten-Diode und ein vorgegebener Signal-Schwellwert und/oder es erfolgt eine Bestimmung der Maximalwerte der Ausgangssignale der einzelnen Quadranten. Es wird jeweils ein Regelungssignal für die drei Regelungs-Abschnitte der Vier-Quadranten-Diode gebildet, die entlang der vorgegebenen Richtung benachbart zueinander angeordnet sind (Fig. 5).

Description

  • GEBIET DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Zur Bestimmung von dreidimensionalen Koordinaten im Raum sind Laser-Tracker seit längerem bekannt und werden z.B. bei der Vermessung großer Bauteile oder aber zur Kalibrierung von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Entsprechende Laser-Tracker umfassen üblicherweise ein Interferometer zur hochgenauen Abstandsmessung zu einem im Raum beweglichen Retroreflektor. Das von der Lichtquelle des Interferometers emittierte Lichtbündel wird dabei über eine Verfolgungsaktuatorik dem Retroreflektor automatisiert nachgeführt, der dieses entgegen der Einfallsrichtung wieder zurückreflektiert. Zur automatisierten Nachführung bzw. Verfolgung des Retroreflektors wird ein Teil des zurückreflektierten Lichtbündels über einen Strahlteiler ausgekoppelt und auf einen positionsempfindlichen Detektor geleitet. Als Detektoren kommen sog. PSDs (Position Sensitive Devices) oder Vier-Quadranten-Dioden in Betracht. Abhängig von der Position des einfallenden Lichtbündels auf dem Detektor bzw. abhängig von der Position des einfallenden Lichtbündels relativ zum Mittelpunkt der Vier-Quadranten-Diode wird über eine Signalverarbeitungseinrichtung ein Regelungssignal erzeugt, das von der Verfolgungsaktuatorik genutzt wird, um das Lichtbündel dem Retoreflektor nachzuführen; ein entsprechendes Vorgehen ist beispielsweise aus der US 4,994,661 A bekannt. Zur Erzeugung des Regelungssignals entlang einer ersten Hauptrichtung ist im Fall der Verwendung einer Vier-Quadranten-Diode in der Regel vorgesehen, dass die Ausgangssignale der beiden entlang einer ersten Hauptrichtung x angeordneten Quadranten in Differenz verschaltet werden. Das dabei resultierende Regelungssignal ist beispielhaft in 1 dargestellt; entlang der y-Achse ist das Regelungssignal aufgetragen, entlang der x-Achse der Versatz des Retroreflektors gegenüber der Strahlmitte, wobei x = 0 den Mittelpunkt der Vier-Quadranten-Diode bezeichnet. Wie aus der Darstellung ersichtlich, resultiert ein linearer Regelungsbereich zwischen den beiden Signalmaxima des Regelungssignals. Verwendet man z.B. eine Vier-Quadranten-Diode mit 4.5 mm Breite pro einzelner Photodiode und einem Abstand von 4.5 mm, was sich als optimal für einen Strahl mit einem 1/e2-Durchmesser von 4.5 mm erweist, so erstreckt sich der Regelbereich über einen seitlichen Versatz des Retroreflektors gegenüber dem mittigen StrahlEinfall von +/-3.02 mm, d.h. in Summe auf 6.04 mm. Für die Regelung ist somit nicht die komplette Länge der beiden Quadranten entlang der Richtung x nutzbar, die in diesem Beispiel jeweils +/- 4.5 mm beträgt. Wird im Messbetrieb der Lichtweg zwischen dem Retroreflektor und dem Detektor unterbrochen und bewegt sich der Retroreflektor während der Unterbrechungsdauer, so kann es vorkommen, dass das zurückreflektierte Lichtbündel nach der Strahlunterbrechung nicht mehr im Regelbereich auf den Detektor einfällt oder ggf. überhaupt nicht mehr auf den Detektor einfällt. Eine zeitaufwändige Suche des „verlorenen“ Retroreflektors über einen geeigneten Suchalgorithmus ist dann die Folge. Kann daher der für die Erzeugung des Regelungssignals nutzbare Bereich auf der Vier-Quadranten-Diode vergrößert werden, so verringert sich damit das Risiko, den Retroreflektor bei einer eventuellen Strahlunterbrechung zu „verlieren“.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors und ein Verfahren zum Betrieb derselbigen anzugeben, bei der ein vergrößerter Bereich auf dem Detektor zur Erzeugung eines Regelungssignals für die Verfolgungsaktuatorik zur Verfügung steht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
  • Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines beweglichen Retroreflektors weist auf:
    • - eine Strahlungsquelle, die ein Lichtbündel in Richtung des Retroreflektors emittiert, der dieses entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert,
    • - eine Vier-Quadranten-Diode, auf die zumindest ein Teil des zurückreflektierten Lichtbündels einfällt,
    • - eine Signalverarbeitungseinrichtung, die abhängig von der Position des einfallenden Lichtbündels auf der Vier-Quadranten-Diode mindestens ein Regelungssignal erzeugt, sowie
    • - eine Verfolgungsaktuatorik, die über das Regelungssignal ansteuerbar ist, um das Lichtbündel dem Retoreflektor nachzuführen., Die Signalverarbeitungseinrichtung ist zur Erzeugung von Regelungssignalen eingerichtet und ausgebildet ist, um
    • - zu bestimmen, auf welchen von drei Regelungs-Abschnitten der Vier-Quadranten-Diode entlang einer vorgegebenen Richtung das zurückreflektierte Lichtbündel einfällt, wozu
      • - die Ausgangssignale einzelner Quadranten der Vier-Quadranten-Diode und ein vorgegebener Signal-Schwellwert dienen,
      und/oder
      • - eine Bestimmung der Maximalwerte der Ausgangssignale der einzelnen Quadranten erfolgt, und
    • - jeweils ein Regelungssignal für die drei Regelungs-Abschnitte der Vier-Quadranten-Diode zu bilden, die entlang der vorgegebenen Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei
      • - für zwei nicht-benachbarte Regelungs-Abschnitte der Vier-Quadranten-Diode das Regelungssignal aus Maximal-Signalintensitäten und den Ausgangssignalen zweier Quadranten gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung angeordnet sind, und
      • - für einen zentralen Regelungs-Abschnitt zwischen den beiden vorgenannten Abschnitten das Regelungssignal aus der Differenz der Ausgangssignale der zwei Quadranten gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung angeordnet sind.
  • Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Signalverarbeitungseinrichtung ferner derart eingerichtet und ausgebildet ist,
    • - um aus den Ausgangssignalen der Quadranten einen Winkel einer Richtung gegenüber einer anderen vorgegebenen Richtung zu bestimmen, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel auf die Vier-Quadranten-Diode einfällt und,
    • - für den bestimmten Winkel einen winkelspezifischen Signal-Schwellwert heranzuziehen.
  • Hierbei kann die Signalverarbeitungseinrichtung ferner derart eingerichtet und ausgebildet sein,
    • - um die Maximal-Signalintensitäten über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor in Abhängigkeit vom Abstand des Retroreflektors anzupassen, und
    • - um die Maximal-Signalintensitäten ferner über einen winkelabhängigen Skalierungsfaktor in Abhängigkeit vom Winkel einer Richtung anzupassen, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel gegenüber einer vorgegebenen Richtung auf die Vier-Quadranten-Diode einfällt.
  • Es ist auch möglich, dass die Signalverarbeitungseinrichtung derart eingerichtet und ausgebildet ist, um die Maximal-Signalintensitäten über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor in Abhängigkeit vom Abstand des Retroreflektors anzupassen.
  • Vorzugsweise umfasst die Verfolgungsaktuatorik (40) zwei Antriebe, die ein Verschwenken des Lichtbündels um eine erste und eine zweite Rotationsachse ermöglichen.
  • Desweiteren kann vorgesehen sein, dass die Vier-Quadranten-Diode in Bezug auf ein im zurückreflektierten Lichtbündel auftretendes Streifenmuster so orientiert angeordnet ist, dass die Quadranten-Grenzen einen Winkel von 45° zu den Streifen des Streifenmusters einnehmen.
  • Ferner wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
  • Das Verfahren dient zum Betrieb einer optoelektronischen Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors mit
    • - einer Strahlungsquelle ein Lichtbündel in Richtung des Retroreflektors emittiert, von dem dieses entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert wird, und
    • - auf eine Vier-Quadranten-Diode zumindest ein Teil des zurückreflektierten Lichtbündels einfällt, und
    • - über eine Signalverarbeitungseinrichtung abhängig von der Position des Lichtbündels auf der Vier-Quadranten-Diode ein Regelungssignal erzeugt wird, und
    • - das Regelungssignal von einer Verfolgungsaktuatorik genutzt wird, um das Lichtbündel dem Retoreflektor nachzuführen.
  • Es wird bestimmt, auf welchen von drei Regelungs-Abschnitten der Vier-Quadranten-Diode entlang einer vorgegebenen Richtung das zurückreflektierte Lichtbündel einfällt, wozu
    • - die Ausgangssignale einzelner Quadranten der Vier-Quadranten-Diode und ein vorgegebener Signal-Schwellwert dienen,
    und/oder
    • - eine Bestimmung der Maximalwerte der Ausgangssignale der einzelnen Quadranten erfolgt, und
    • - jeweils ein Regelungssignal für die drei Regelungs-Abschnitte der Vier-Quadranten-Diode gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, wobei
    • - für zwei nicht-benachbarte Regelungs-Abschnitte der Vier-Quadranten-Diode das Regelungssignal aus Maximal-Signalintensitäten und den Ausgangssignalen zweier Quadranten gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung angeordnet sind, und
    • - für einen zentralen Regelungs-Abschnitt zwischen den beiden vorgenannten Abschnitten das Regelungssignal aus der Differenz der Ausgangssignale der zwei Quadranten gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung angeordnet sind.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass
    • - aus den Ausgangssignalen mehrerer Quadranten ein Winkel einer Richtung gegenüber einer anderen vorgegebenen Richtung bestimmt wird, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel auf die Vier-Quadranten-Diode einfällt und,
    • - für den bestimmten Winkel ein winkelspezifischer Signal-Schwellwert herangezogen wird.
  • Dabei ist möglich, dass
    • - die Maximal-Signalintensitäten über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor in Abhängigkeit vom Abstand des Retroreflektors angepasst werden, und
    • - die Maximal-Signalintensitäten ferner über einen winkelabhängigen Skalierungsfaktor in Abhängigkeit vom Winkel einer Richtung korrigiert werden, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel gegenüber einer vorgegebenen Richtung auf die Vier-Quadranten-Diode einfällt.
  • Vorzugsweise werden dabei der abstandsabhängige Skalierungsfaktor und der winkelabhängige Skalierungsfaktor in einer Initialisierungsphase bestimmt und abgespeichert.
  • Es ist auch möglich, dass die Maximal-Signalintensitäten über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor in Abhängigkeit vom Abstand des Retroreflektors angepasst werden.
  • Mit Vorteil wird dabei der abstandsabhängige Skalierungsfaktor in einer Initialisierungsphase bestimmt und abgespeichert.
  • Ferner erweist sich als vorteilhaft, wenn in einer Initialisierungsphase die nachfolgenden Größen messtechnisch erfasst und abgespeichert werden:
    • - Maximal-Signalintensitäten auf den einzelnen Quadranten
    • - Ansprech-Schwellwert, ab dem in den Quadranten der Vier-Quadranten- Diode ein gültiges Ausgangssignal ausgegeben wird
    • - Maximalwert der Summen-Intensität aus allen vier Quadranten
    • - Signal-Schwellwert für jeden Quadranten
  • Als maßgeblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen resultiert ein deutlich vergrößerter Bereich auf der als Detektor verwendeten Vier-Quadranten-Diode, der zur Erzeugung eines Regelungssignals für die Verfolgungsaktuatorik zur Verfügung steht. Eine eventuelle Strahlunterbrechung zwischen Detektor und Lichtquelle kann damit länger ausfallen, bevor eine zeitaufwändige neue Suche des Retroreflektors erforderlich wird. Das Gesamtsystem wird erheblich robuster gegen Fremdeinflüsse, die im Messbetrieb das Lichtbündel unterbrechen können.
  • Als weiterhin vorteilhaft erweist sich die Verwendung von Vier-Quadranten-Dioden als Detektor, die im Vergleich zu PSDs ein deutlich geringeres Signal-Rauschen aufweisen.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens in Verbindung mit den Figuren erläutert.
  • Figurenliste
  • Es zeigt
    • 1 eine Darstellung eines Regelungssignals für eine optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors gemäß dem Stand der Technik;
    • 2 eine stark schematisierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • 3 eine Draufsicht auf die Vier-Quadranten-Diode der Vorrichtung aus 2;
    • 4 eine Darstellung der Signalverläufe auf zwei Quadranten der Vier-Quadranten-Diode beim Überstreichen eines Lichtbündels entlang einer Hauptrichtung;
    • 5 eine Darstellung der verrechneten Ausgangssignale der Vier-Quadranten-Diode in den verschiedenen Regelungs-Abschnitten der Vier-Quadranten-Diode;
    • 6 eine Darstellung erfindungsgemäß erzeugter Regelungssignale;
    • 7 eine weitere Draufsicht auf die Vier-Quadranten-Diode der Vorrichtung aus 2.
  • BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung zur Verfolgung eines beweglichen Retroreflektors ist in 2 in stark schematisierter Form dargestellt.
  • Die in der Figur gezeigte Vorrichtung dient zur hochgenauen Abstandsmessung von einem Referenzpunkt 10, der den Mittelpunkt einer Referenzkugel bildet, zu einem im Raum beweglichen Retroreflektor 20. Dieser kann z.B. an einer beweglichen Komponente einer Werkzeugmaschine angeordnet sein, die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kalibriert werden soll. Zur Abstandsmessung wird vorliegend ein interferometrisches Messverfahren verwendet, das im weiteren Verlauf der Beschreibung noch erläutert wird.
  • Über eine nur stark-schematisiert angedeutete Verfolgungsaktuatorik 40 wird das von einer Lichtquelle 21 des Interferometers emittierte Lichtbündel dabei dem Retroreflektor 20 nachgeführt und möglichst mittig auf den Retroreflektor 20 ausgerichtet. Hierzu umfasst die Verfolgungsaktuatorik 40 im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Antriebe 41, 42, die ein Verschwenken des emittierten Lichtbündels um zwei Rotationsachsen A1, A2 ermöglichen, wobei die Rotationsachsen A1, A2 in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zueinander orientiert sind. Die konkrete Ausbildung der Verfolgungsaktuatorik 40 ist grundsätzlich nicht maßgeblich für die vorliegende Erfindung; in diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die US 4,714,339 verwiesen.
  • Das zur Abstandsmessung genutzte Interferometer umfasst einerseits einen durch das nachgeführte Lichtbündel ausgebildeten Messarm zwischen einem Strahlteiler 23 und dem beweglichen Retroreflektor 20; anderseits wird ein Referenzarm des Interferometers zwischen dem Strahlteiler 23 und einem stationären Retroreflektor 24 ausgebildet. Am Strahlteiler 23 erfolgt demzufolge die Aufspaltung des von der Lichtquelle 21 emittierten und über einen ersten Umlenkspiegel 22.1 geeignet umgelenkten Lichtbündels; die aufgespaltenen Lichtbündel propagieren dann im Messarm und im Referenzarm weiter. Sowohl vom beweglichen Retroreflektor 20 im Messarm wie auch vom stationären Retroreflektor 24 im Referenzarm werden die entsprechenden Lichtbündel entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert und über den Strahlteiler 23 interferierend zu einem Signal-Lichtbündel wiedervereinigt. Als Retroreflektoren 20, 24 können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Mess- und Referenzarm z.B. Tripelspiegel, Glas-Tripelprismen oder aber Kugeln mit einem Brechungsindex n = 2 zum Einsatz kommen. Das Signal-Lichtbündel gelangt nach dem Strahlteiler 23 über einen zweiten Umlenkspiegel 22.2 auf ein Aufspaltgitter 26, welches das darauf einfallende Signal-Lichtbündel in drei getrennte Raumrichtungen aufspaltet. Anschließend durchlaufen die drei aufgespaltenen Signal-Lichtbündel jeweils Polarisationsfilter 27.1 - 27.3 und beaufschlagen schließlich optoelektronische Detektorelemente 28.1 - 28.3, über die im Fall einer Abstandsänderung zwischen dem beweglichen Retroreflektor 20 und dem Referenzpunkt 10 phasenverschobene Inkrementalsignale erfassbar sind. Zur Erzeugung der phasenverschobenen Inkrementalsignale sind vorliegend noch polarisationsoptische Elemente 29.1 - 29.3 in Form von λ/4-Plättchen in den Strahlengängen vorgesehen.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in schematischer Form ferner ein Abstandssensor 25 zwischen dem Referenzpunkt 10 und den Interferometer-Komponenten angedeutet. Über diesen wird der Abstand zwischen dem Referenzpunkt 10 und dem Interferometer bestimmt und zusammen mit dem interferometrisch bestimmten Abstand zwischen Interferometer und Retroreflektor 20 zur Ermittlung des Abstands zwischen dem Retroreflektor 20 und dem Referenzpunkt 10 herangezogen. Im Zusammenhang mit dem verwendeten Interferometer sei ergänzend auf die EP 1 750 085 A2 verwiesen.
  • Es sei an dieser Stelle desweiteren ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Art und Weise der interferometrischen Abstandsmessung zum Retroreflektor 20 als auch die in 2 veranschaulichte Anordnung der verschiedenen Interferometer-Komponenten im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist. Das heißt, alternativ zum vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel können selbstverständlich auch andere Abstands-Messverfahren zum Einsatz kommen, z.B. sog. Absolute-Distance-Meter, die auf der Fizeau-Methode basieren oder aber sogenannte Frequency-Scanning-Interferometer.
  • Zur Verfolgung des im Raum beweglichen Retroreflektors 20 wird ein Teil des von diesem Retroreflektor 20 zurückreflektierten Lichtbündels am Strahlteiler 23 ausgekoppelt und fällt auf die Empfangsflächen eines nachgeordneten optoelektronischen Detektors ein, der als Vier-Quadranten-Diode 30 ausgebildet ist. Vorzugsweise wird die die Vier-Quadranten-Diode 30 in Bezug auf ein mögliches, im zurückreflektierten Lichtbündel auftretendes Streifenmuster so orientiert angeordnet, dass die Quadranten-Grenzen einen Winkel von 45° zu den Streifen des Streifenmusters einnehmen; ein derartiges Streifenmuster kann etwa durch interne Reflexionen entstehen. Die Vier-Quadranten-Diode 30 ist mit einer Signalverarbeitungseinheit 50 verbunden, die abhängig von der Position des Lichtbündels auf der Vier-Quadranten-Diode 30 mindestens ein Regelungssignal R erzeugt. Über das Regelungssignal R wird die Verfolgungsaktuatorik 40 bzw. deren Antriebe 41, 42 angesteuert, um das Lichtbündel dem im Raum beweglichen Retroreflektor 20 nachzuführen.
  • Trifft das emittierte Lichtbündel den beweglichen Retroreflektor 20 mittig und wird dadurch exakt entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert, so resultiert auf der Vier-Quadranten-Diode 30 ein Einfall des zurückreflektierten Lichtbündels im Zentrum der Vier-Quadranten-Diode 30. Bewegt sich der Retroreflektor 20 im Raum, so trifft das Lichtbündel nicht mehr mittig auf den Retroreflektor 20, was auf der Vier-Quadranten-Diode 30 einen seitlichen Versatz des darauf auftreffenden Lichtbündels zur Folge hat. Der dabei resultierende seitliche Versatz gegenüber dem Zentrum der Vier-Quadranten-Diode 30 wird erfasst und von der Signalverarbeitungseinheit 50 in ein oder mehrere Regelungssignale R für die Verfolgungsaktuatorik 40 umgesetzt, um wieder ein möglichst mittiges Einfallen des im Messarm propagierenden Lichtbündels auf den Retroreflektor 20 zu gewährleisten.
  • Eine Draufsicht auf die Detektionsebene der Vier-Quadranten-Diode 30 mit den Empfängerflächen der vier Quadranten Q1 - Q4, die sich um das Zentrum Z gruppieren, ist in 3 gezeigt. Ebenfalls in 3 angedeutet sind eine erste Hauptrichtung HR1 sowie eine senkrecht hierzu orientierte zweite Hauptrichtung HR2, auf die im Verlauf der weiteren Beschreibung noch Bezug genommen wird.
  • Beim eingangs erläuterten Verfahren zur Verfolgung des beweglichen Retroreflektors ist lediglich in einem räumlich begrenzten Bereich um das Zentrum Z der Vier-Quadranten-Diode 30 ein lineares Regelungssignal für die Verfolgungsaktuatorik 40 erzeugbar. Demgegenüber ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass nahezu über die gesamte laterale Ausdehnung der Empfangsflächen der Vier-Quadranten-Diode 30 mit Hilfe der Signalverarbeitungseinrichtung 50 mindestens ein geeignetes Regelungssignal R zur Nachführung des Lichtbündels erzeugbar ist. Nachfolgend wird das grundsätzliche Vorgehen grob skizziert, anschließend dieses dann anhand konkreter Beispiele im Detail erläutert. Betrachtet wird hierbei zunächst der Fall einer seitlichen Bewegung des einfallenden Lichtbündels entlang einer vorgegebenen Richtung, nämlich der ersten, horizontalen Hauptrichtung HR1, bei der in einer Konfiguration gemäß 3 vorrangig die Ausgangssignale I1, I4 aus dem ersten Quadranten Q1 und dem vierten Quadranten Q4 der Vier-Quadranten-Diode 30 betrachtet werden. In 4 ist der entsprechende Verlauf der Ausgangssignale I1, I4 aus diesen beiden Quadranten Q1, Q4 für eine derartige Bewegung veranschaulicht.
  • Nach einer - noch näher zu beschreibenden - Initialisierungsphase wird beim erfindungsgemäßen Vorgehen zunächst bestimmt, auf welchen von drei Regelungsabschnitten I, II, III der Vier-Quadranten-Diode 30 entlang einer vorgegebenen Richtung das vom beweglichen Retroreflektor 20 zurückreflektierte Lichtbündel einfällt; die entsprechenden Regelungs-Abschnitte I, II, III sind in 4 veranschaulicht. Die entsprechende Bestimmung des zugehörigen Regelungs-Abschnitts I, II, III kann erfolgen, indem die Ausgangssignale Ii (i = 1..4) einzelner Quadranten Q1 - Q4 der Vier-Quadranten-Diode 30 und ein vorgegebener Signal-Schwellwert GW0 sowie optional ein Ansprech-Schwellwert T herangezogen werden. Alternativ oder aber in Kombination hiermit können zur Bestimmung des Regelungsabschnittes I, II, III auch die Maximalwerte der Ausgangssignale Ii (i = 1..4) der einzelnen Quadranten Q1 - Q4 der Vier-Quadranten-Diode 30 bestimmt werden. Über Maximalwerte der Ausgangssignale Ii (i = 1..4) sind wie aus 4 ersichtlich die Grenzen zwischen den Regelungsabschnitten I und II bzw. II und III festgelegt. Für die drei Regelungs-Abschnitte I, II, III der Vier-Quadranten-Diode 30, die entlang der vorgegebenen Richtung HR1 benachbart zueinander angeordnet sind, wird dann jeweils ein Regelungssignal RI, RII, RIII gebildet, die zusammen das Regelungssignal R über alle Regelungs-Abschnitte I, II, III bilden. Für zwei nicht-benachbarte Regelungs-Abschnitte I, III der Vier-Quadranten-Diode 30 wird das Regelungssignal RI, RIII dabei aus Maximal-Signalintensitäten Ii,max (i = 1, 4) und den Ausgangssignalen Ii (i = 1, 4) zweier Quadranten Q1, Q4 gebildet, die entlang der vorgegebenen ersten Hauptrichtung HR1 angeordnet sind. Für einen zentralen Regelungs-Abschnitt II zwischen den beiden vorgenannten Abschnitten I, III wird das Regelungssignal RII aus der Differenz der Ausgangssignale Ii (i = 1,4) der zwei Quadranten Q1, Q4 gebildet, die entlang der vorgegebenen Richtung HR1 angeordnet sind.
  • In der oben erwähnten Initialisierungsphase werden zunächst einige Größen messtechnisch erfasst und in der Signalverarbeitungseinrichtung 50 abgespeichert, die für das anschließende, skizzierte erfindungsgemäße Vorgehen erforderlich sind. Dies sei im Folgenden kurz erläutert.
  • So werden in der Initialisierungsphase im Verlauf einer Scan-Bewegung des Lichtbündels entlang der beiden Hauptrichtungen HR1, HR2 über eine geeignete Ansteuerung der Antriebe 41, 42 der Verfolgungsaktuatorik 40 zunächst die Maximal-Intensitäten Iii,max (i = 1..4) auf den einzelnen Quadranten Q1 - Q4 bestimmt und über die Signalverarbeitungseinrichtung 50 abgespeichert.
  • Desweiteren wird in der Initialisierungsphase ein Ansprech-Schwellwert T bestimmt und abgespeichert, ab dem in den Quadranten Q1 - Q4 der Vier-Quadranten-Diode 30 ein gültiges Ausgangssignal Ii (i = 1..4) ausgegeben wird. Liegt die Signalintensität eines Ausgangssignals Ii (i = 1..4) unterhalb des Ansprech-Schwellwerts T, so wird dies als Rauschen des entsprechenden optoelektronischen Detektorelements im jeweiligen Quadranten Q1 - Q4 interpretiert und das Ausgangssignal Ii (i = 1..4) mit dem Wert 0 gleichgesetzt. Die Bestimmung des Ansprech-Schwellwerts T kann z.B. erfolgen, indem eine Messung des Dunkelstroms im jeweiligen Quadranten Q1 - Q4 erfolgt, wenn das Lichtbündel nicht die Vier-Quadranten-Diode 30 beaufschlagt. Der Ansprech-Schwellwert T ergibt sich dann aus dem gemessenen Dunkelstrom zuzüglich eines kleinen Offsetbetrags.
  • Ferner erfolgt in der Initialisierungsphase eine Bestimmung und Abspeicherung des Maximalwerts der Summen-Intensität Imax, sum aus allen vier Quadranten Q1 - Q4. Dieser Wert Imax, sum ergibt sich, wenn das Lichtbündel genau mittig auf die Vier-Quadranten-Diode 30 einfällt. Der Wert Imax, sum ändert sich mit dem Abstand L des Retroreflektors 20 und wird daher gemäß I' max ,sum = I max ,sum ⋅ α ( L )
    Figure DE102021201986A1_0001
    skaliert, wobei a(L) einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor darstellt, über den der sich aufgrund der beugungsbegrenzten Divergenz ergebende Abfall des Maximalwerts der Summen-Intensität Imax, sum mit dem Abstand L berücksichtigt wird. Über den Skalierungsfaktor a(L), der über den Maximalwert der Summen-Intensität Imax, sum kontinuierlich erfasst wird, werden dann die zuvor bestimmten und abgespeicherten Maximal-Signalintensitäten Ii,max(i = 1..4) der einzelnen Quadranten Q1 - Q4 skaliert: I' i ,max = ( i = 1,4 ) = I i ,max ⋅ α ( L )
    Figure DE102021201986A1_0002
    I'i,max (i = 1..4) stellt dann eine bezüglich des Abstands L angepasste Maximal-Signalintensität eines Quadranten der Vier-Quadranten-Diode 30 dar.
  • Desweiteren wird in der Initialisierungsphase ein Signal-Schwellwert GW0 für jeden Quadranten Q1 - Q4 bestimmt und abgespeichert, indem die Ausgangssignale Ii (i = 1, 4; 2, 3) aufgezeichnet werden, wenn sich das Lichtbündel entlang einer Hauptrichtung HR1 oder HR2 darüber bewegt; die derart aufgezeichneten Ausgangssignale I1 und I4 für die Quadranten Q1 und Q4 sind bei einer Bewegung entlang der ersten Hauptrichtung HR1 in 4 veranschaulicht. Aus diesen Signalverläufen wird dann der Signal-Schwellwert GW0 für jeden Quadranten Q1, Q4 bestimmt. Hierbei wird als Signal-Schwellwert GW0 für das Ausgangssignal I1 derjenige Wert festgelegt, bei dem das Ausgangssignal Ia sein Maximum erreicht; als Signal-Schwellwert GW0 für das Ausgangssignal I4 wird derjenige Wert festgelegt, bei dem das Ausgangssignal I1 sein Maximum erreicht. Im Normalfall sind wie in 4 veranschaulicht die Signal-Schwellwerte GW0 für beide Quadranten Q1 und Q4 identisch.
  • Mit Hilfe der verschiedenen, in der Initialisierungsphase bestimmten und abgespeicherten Größen Ii,max (i = 1..4), T, Imax,sum und GW0 wird dann im erfindungsgemäßen Verfahren im Detail wie nachfolgend erläutert vorgegangen.
  • Maßgeblich für dieses Vorgehen ist hierbei, dass die Vier-Quadranten-Diode entlang einer vorgegebenen Richtung in drei - fiktive - Regelungs-Abschnitte I, II, III unterteilt wird, die vom darauf einfallenden Lichtbündel überstrichen werden, wenn sich dieses entlang der vorgegebenen Richtung bewegt. Die entsprechenden Regelungs-Abschnitte I, II, III sind für eine Bewegung entlang der ersten Hauptrichtung HR1 in 4 kenntlich gemacht, sie umfassen einen zentralen Regelungs-Abschnitt II benachbart zum Zentrum der Vier-Quadranten-Diode sowie zwei nicht-benachbarte Regelungs-Abschnitte I und III, die sich in der Darstellung von 4 links und rechts vom zentralen Regelungs-Abschnitt II befinden.
  • Zunächst wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Vorgehens bestimmt, auf welchen der drei Regelungs-Abschnitte I, II, III das vom beweglichen Retroreflektor 20 zurückreflektierte Lichtbündel einfällt. Hierzu wird seitens der Signalverarbeitungseinrichtung 50 die nachfolgende Tabelle 1 verwendet. Tabelle 1
    Regelungs-Abschnitt Verhältnis I1,I4 Verhältnis I1,I4 zu Signal-Schwellwert GW0 Verhältnis I1,I4 zu Ansprech-Schwellwert T
    I I1 > I4 I4 < GW0 oder I1 > GW0 und gleichzeitig I4< GW0 I1 > T und gleichzeitig I4 < T oder I4 > T
    II I1 > GW0 und gleichzeitig I4 > GW0 I1 > T und gleichzeitig I4> T
    III I4> I1 I4 < GW0 oder I4 > GW0 und gleichzeitig I1 < GW0 I4 > T und gleichzeitig I1 < T oder I1 > T
  • Erfüllen die Ausgangssignale I1, I4 aus den Quadranten Q1, Q4 die für einen Regelungs-Abschnitt I, II, III aufgeführten Bedingungen aus Tabelle 1, so wird über die Signalverarbeitungseinrichtung 50 der zugehörige Regelungs-Abschnitt I, II, III eindeutig identifiziert.
  • Wandert das Lichtbündel z.B. entlang der Richtung HR1 vom Quadranten Q1 zum Quadranten Q4, so steigt zuerst das Ausgangssignal I1 über den Ansprech-Schwellwert T und kann verwendet werden; anschließend übersteigt das Ausgangssignal I4 ebenfalls den Ansprech-Schwellwert T. Solange für die Ausgangssignale nun I1 > I4 und zusätzlich I4 < GW0 ist, befindet man sich im Regelungs-Abschnitt I. Erfolgt nun eine Regelung dergestalt, dass sich das Lichtbündel in Richtung der Mitte des Retroreflektors bewegt, so gelangt man in Regelungs-Abschnitt II, sobald I1 > GW0 und I4 > GW0 gilt; für beide Ausgangssignale I1, I4 gilt dann auch I1 > T, I4 > T. Soll das Lichtbündel in der entgegengesetzten Richtung, also vom Quadranten Q4 kommend, auf die Mitte der Vier-Quadranten-Diode geregelt werden, so wird grundsätzlich analog vorgegangen. Zunächst überschreitet das Ausgangssignal I4 den Ansprech-Schwellwert T, dann das Ausgangssignal I1. Solange I1 < GW0 gilt, befindet sich das Lichtbündel im Regelungs-Abschnitt III, sobald I1 > GW0 und I4 > GW0 gilt, gelangt das Lichtbündel in den mittleren Regelungs-Abschnitt II.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu ist es auch möglich, dass die Identifikation des Regelungs-Abschnittes I, II, III , auf den das Lichtbündel einfällt, seitens der Signalverarbeitungseinrichtung 50 mit Hilfe der Maximalwerte der Ausgangssignale I1, I4 der einzelnen Quadranten Q1, Q4 erfolgt. Dies bedeutet, dass im Beispiel gemäß 4 die Grenze zwischen dem Regelungs-Abschnitt I und II über das Maximum des Ausgangssignals I1 identifiziert wird und analog hierzu die Grenze zwischen dem Regelungs-Abschnitten II und III über das Maximum des Ausgangssignals I4.
  • Wird die letztgenannte Vorgehensweise ergänzend zur Variante mit der Tabelle verwendet, so müssen beide Vorgehensweisen zur Identifikation des jeweiligen Regelungs-Abschnittes I, II, III das gleiche Ergebnis liefern. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine der beiden Vorgehensweisen mit einer höheren Präferenz versehen wird und diese Vorgehensweise dann die vorrangige Identifikation des Regelungsabschnitts I, II, III darstellt. Dies ist gerade dann vorteilhaft, wenn die Ausgangssignale der Vier-Quadranten-Diode stark verrauscht sind, weil sich der Retroreflektor z.B. in einem sehr großen Abstand befindet. Aufgrund des Rauschens kann es vorkommen, dass die Regelungs-Abschnitte durch lediglich eine der beiden Vorgehensweisen nicht eindeutig zu unterscheiden sind.
  • Verwendet man zum Beispiel bei verrauschten Ausgangssignalen die Vorgehensweise mit der Maximalwert-Bestimmung, so müssen die Maximalwerte der Ausgangssignale eindeutig bestimmt werden. Dies geschieht etwa durch die Bildung einer Ableitung des Ausgangssignal-Verlaufs bzw. durch die Bildung von Differenzen von zeitlich benachbarten Ausgangssignal-Werten. Sollte es nun vorkommen, dass z.B. eines der Ausgangssignale sich für eine längere Zeit auf demselben Niveau befindet oder aber die Differenzbildung um den Werte Null schwankt, so kann man zusätzlich anhand der erstgenannten Vorgehensweise mit Hilfe der Tabelle entscheiden, in welchem Regelungs-Abschnitt I, II, III man sich befindet. Das bedeutet, dass die Entscheidung bezüglich des Regelungs-Abschnitt I, II, III über die Maximalwert-Bestimmung erfolgt und diese Entscheidung mit Hilfe der Schwellwert-Kriterien aus der Tabelle überprüft wird. Ergeben beide Vorgehensweisen das gleiche Resultat, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass die Entscheidung korrekt ist.
  • Nachdem man auf die Art und Weise den relevanten Regelungs-Abschnitt I, II, III bestimmt hat, auf den das Lichtbündel einfällt, wird zur Bildung von Regelungssignalen RI, RII und RIII für die jeweiligen Regelungs-Abschnitte I, II, III wie nachfolgend erläutert vorgegangen. Dabei ist ein unterschiedliches Vorgehen für die beiden äußeren, nicht-benachbarten Regelungs-Abschnitte I, III einerseits und dem zentralen Regelungs-Abschnitt II andererseits vorgesehen.
  • Für den Fall, dass das Lichtbündel auf den Regelungs-Abschnitt I der Vier-Quadranten-Diode 30 einfällt, wird das zugehörige Regelungs-Signal RI aus der angepassten Maximal-Signalintensität I'1,max des Quadranten Q1 und den Ausgangssignalen I1, I4 der beiden Quadranten Q1, Q4 gebildet. Hierzu wird die zuvor bestimmte, angepasste Maximal-Signalintensität I'1,max des Quadranten Q1 mit dem gemessenen Ausgangssignal I1 zu einem Hilfs-Signal II,1 folgendermaßen verrechnet: I I ,1 = 2   ·  I' 1 ,max − I 1
    Figure DE102021201986A1_0003
  • Zur Erzeugung des Regelungssignals RI für den Regelungs-Abschnitt I wird dann die Differenz des Hilfs-Signals II,1 mit dem Ausgangssignal I4 des Quadranten Q4 gebildet: R I = I I ,1 − I 4
    Figure DE102021201986A1_0004
  • Das derart resultierende Regelungssignal RI ist proportional zum Versatz des Lichtbündels auf dem beweglichen Retroreflektor 20 gegenüber dem mittigen Einfall und kann herangezogen werden, mit Hilfe der Verfolgungs-Aktuatorik 40 wieder den mittigen Einfall des Messarm-Lichtbündels auf diesen Retroreflektor 20 herzustellen.
  • Wird festgestellt, dass das Lichtbündel auf den mittleren Regelungs-Abschnitt II einfällt, so erfolgt die Bildung des Regelungssignals RII für diesen -Abschnitt II über die Differenzbildung der Ausgangssignale I1, I4 der beiden Quadranten Q1, Q4: R II = I 1 − I 4
    Figure DE102021201986A1_0005
  • Im Fall, dass das Lichtbündel auf den Regelungs-Abschnitt III der Vier-Quadranten-Diode 30 einfällt, wird das zugehörige Regelungs-Signal RIII ähnlich zum Vorgehen im Regelungs-Abschnitt I gebildet, nämlich aus der Maximal-Signalintensität I4,max des Quadranten Q4 und den Ausgangssignalen I1, I4 der beiden Quadranten Q1, Q4. Dabei wird die zuvor bestimmte, angepasste Maximal-Signalintensität I'4,max des Quadranten Q4 mit dem gemessenen Ausgangssignal I4 zu einem Hilfs-Signal IIII,4 folgendermaßen verrechnet: I III ,4 = 2   ·  I' 4 max − I 4
    Figure DE102021201986A1_0006
  • Das Regelungssignal RIII für den Regelungs-Abschnitt III wird dann aus der Differenz des Hilfs-Signals IIII,4 mit dem Ausgangssignal I1 des Quadranten Q1 gebildet: R III = I III ,4 − I 1
    Figure DE102021201986A1_0007
  • Das derart resultierende Regelungssignal RIII ist wiederum proportional zum Versatz des Lichtbündels auf dem Retroreflektor 20 gegenüber dem mittigen Einfall und kann herangezogen werden, mit Hilfe der Verfolgungs-Aktuatorik 40 in den Regelungs-Abschnitt II zu gelangen und derart den mittigen Einfall des Messarm-Lichtbündels auf den beweglichen Retroreflektor 20 herzustellen.
  • In 5 sind für die verschiedenen Regelungs-Abschnitte I, II und III die Ausgangssignale I1, I4 und die Hilfssignale II,1, IIII,4 aus den Quadranten Q1 und Q4 als Funktion des Versatzes des Retroreflektors gegenüber dem mittigen Strahleinfall dargestellt. Im Regelungsabschnitt I ist das Hilfssignal II,1 und das Ausgangssignal I4, im Regelungsabschnitt II die Ausgangssignale I1, I4 und im Regelungsabschnitt III das Hilfssignal IIII,4 und das Ausgangsignal I1 gezeigt.
  • 6 zeigt das auf diese Art und Weise gewonnene Regelungssignal R für eine Bewegung des Lichtbündels entlang der ersten Hauptrichtung HR1, das sich aus den Regelungssignalen RI, RII und RIII zusammensetzt, die wie erläutert gewonnen wurden. Wie aus 6 ersichtlich, liegt nunmehr in diesem Beispiel über einen Bereich von deutlich über +/- 10mm um das Zentrum der Vier-Quadranten-Diode ein quasi lineares Regelungssignal R vor; der sogenannte „Fangbereich“ der Vier-Quadranten-Diode kann damit erfindungsgemäß gegenüber dem eingangs anhand von 1 erläuterten Stand der Technik erheblich vergrößert werden.
  • Analog zum erläuterten Vorgehen für die erste Hauptrichtung HR1 können auch die Regelungssignale bei einer Bewegung des Lichtbündels entlang der zweiten Hauptrichtung HR2 für die verschiedenen Regelungs-Abschnitte gewonnen werden.
  • Vorstehend wurde erläutert, wie erfindungsgemäß zur Erzeugung eines Regelungssignals vorgegangen wird, wenn eine Auslenkbewegung des zurückreflektierten Lichtbündels auf der Vier-Quadranten-Diode entlang einer der beiden Hauptrichtungen HR1 oder HR2 vorliegt. Darüber hinaus kann in der Praxis natürlich auch der Fall auftreten, dass aufgrund einer Bewegung des Retroreflektors im Messarm sich das Lichtbündel in einer beliebigen Richtung R(φ) über die Vier-Quadranten-Diode bewegt. Der entsprechende Fall mit einem sich unter dem Winkel φ gegenüber der ersten Hauptrichtung HR1 einfallenden Lichtbündel LB, das sich in Richtung R(φ) über die Vier-Quadranten-Diode 30 bewegt ist in 7 schematisiert dargestellt.
  • Ergänzend zum vorstehend erläuterten Vorgehen ist in diesem Fall zunächst der Winkel φ zu bestimmen, unter dem das Lichtbündel B vom Zentrum Z der Vier-Quadranten-Diode 30 aus detektiert wird. Wie aus der Figur ersichtlich, bezeichnet φ hierbei den Winkel der vorgegebenen Richtung gegenüber der anderen vorgegebenen Richtung HR1, also gegenüber der ersten Hauptrichtung. Die Winkelbestimmung erfolgt hierbei durch eine Betrachtung der Ausgangssignale I1 - I4 der verschiedenen Quadranten Q1 - Q4, die jeweils abhängig vom Winkel φ sind. So würden im Fall eines Winkels φ = 45° zunächst die beiden Quadranten Q1 und Q2 identische Ausgangssignale I1 = I2 liefern, während in den Quadranten Q3 und Q4 die Ausgangssignale noch Null wären. Durch den Vergleich der gemessenen Ausgangssignale I1 - I4 mit den in einer geeigneten Tabelle für jeden Quadranten abgespeicherten Zusammenhängen zwischen dem Winkel φ und dem jeweiligen Ausgangssignal I1 - I4 lässt sich somit der Winkel φ bestimmen.
  • Im Anschluss ist es dann erforderlich, den zur Identifikation des Regelungsabschnitts I, II, III erforderlichen Signal-Schwellwert GW0 abhängig vom bestimmten Winkel φ auszuwählen, also den winkelspezifischen Signal- -Schwellwert GWO(φ). Eine derartige Abhängigkeit liegt vor, da z.B. im Fall gemäß 7 das Lichtbündel LB im Unterschied zum oben erläuterten Fall mit einer Lichtbündel-Bewegung entlang der ersten Hauptrichtung HR1 (φ = 0°) nunmehr aus dem ersten Quadranten Q1 nicht mehr die gleiche Intensität des entsprechenden Ausgangssignals I1 resultiert, sondern eine verringerte Intensität I1". Entsprechend hat dies einen kleineren winkelabhängigen Signal-Schwellwerte GW0(φ) zur Folge. Der Zusammenhang zwischen dem Signal-Schwellwert GW0 und dem Winkel φ ist ebenfalls für jeden Quadranten Q1 - Q4 in einer geeigneten Tabelle abgespeichert, so dass daraus der entsprechende Signal-Schwellwert GW0(φ) bestimmt werden kann, um mit dessen Hilfe wie oben erläutert den richtigen Regelungsabschnitt I, II, III zu identifizieren.
  • In einem weiteren Schritt ist sodann erforderlich, die zur Bestimmung der Regelungssignale RI, RII, RIII heranzuziehenden Maximal-Signalintensitäten Ii,max (i = 1.. 4) der Quadranten Q1 - Q4 noch mit Skalierungsfaktoren a(L) und β(φ) in angepasste Maximal-Signalintensitäten I'' i,max (i = 1.. 4) umzuwandeln gemäß I'' i ,max ( i = 1..4 ) = I i ,max ( i = 1..4 )   ·   α ( L ) ⋅ β ( φ )
    Figure DE102021201986A1_0008
  • Hierbei werden über den Skalierungsfaktor α (L) die Maximal-Signalintensitäten Ii,max (i = 1, 4) an den jeweiligen Abstand L zum beweglichen Retroreflektor angepasst. Mit Hilfe des Skalierungsfaktors β (φ) erfolgt eine Anpassung der Maximal-Signalintensitäten Ii,max (i = 1, 4) auf den einzelnen Quadranten Q1 - Q4 in Abhängigkeit des Winkels φ. Die Skalierungsfaktoren a(L) bzw. β(φ) können z.B. jeweils vorab in einer Initialisierungsphase bestimmt und ebenfalls in einer geeigneten Tabelle abgelegt bzw. abgespeichert werden.
  • Mit Hilfe der derart bestimmten, angepassten Maximal-Signalintensitäten I"i,max (i = 1..4) und den Ausgangssignalen Ii (i = 1...4) können dann analog zum oben beschriebenen Vorgehen die Regelungssignale RI, RII, RIII für die verschiedenen Regelungsabschnitte I, II, III erzeugt werden. Das daraus resultierende Regelungssignal R weist ebenfalls in einem deutlich vergrößerten Bereich um das Zentrum der Vier-Quadranten-Diode einen quasi-linearen Verlauf auf.
  • Neben den erläuterten Ausführungsbeispielen und Varianten der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten.
  • So wäre es etwa möglich - alternativ zum zuletzt beschriebenen Vorgehen - beim Einfall des Lichtbündels entlang einer beliebigen Richtung R(φ) das Lichtbündel derart zu verschieben, dass es sich anschließend entlang einer der beiden Hauptrichtungen HR1, HR2 über die Vier-Quadranten-Diode bewegt. Dann könnte wie im ersten Beispiel mit der Bewegung entlang der Hauptrichtungen HR1 oder HR2 vorgegangen werden. Um das Lichtbündel derart zu verschieben kann ein geeignetes Steuersignal aus der Differenz der Intensitäten benachbarter Quadranten der Vier-Quadranten-Diode erzeugt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4994661 A [0002]
    • US 4714339 [0028]
    • EP 1750085 A2 [0030]

Claims (13)

  1. Optoelektronische Vorrichtung zur Verfolgung eines beweglichen Retroreflektors mit - einer Strahlungsquelle, die ein Lichtbündel in Richtung des Retroreflektors emittiert, der dieses entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert, - einer Vier-Quadranten-Diode, auf die zumindest ein Teil des zurückreflektierten Lichtbündels einfällt, - einer Signalverarbeitungseinrichtung, die abhängig von der Position des einfallenden Lichtbündels auf der Vier-Quadranten-Diode mindestens ein Regelungssignal erzeugt, - einer Verfolgungsaktuatorik, die über das Regelungssignal ansteuerbar ist, um das Lichtbündel dem Retoreflektor nachzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (50) zur Erzeugung von Regelungssignalen (RI, RII, RIII) eingerichtet und ausgebildet ist, um - zu bestimmen, auf welchen von drei Regelungs-Abschnitten (I, II, III) der Vier-Quadranten-Diode (30) entlang einer vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) das zurückreflektierte Lichtbündel (LB) einfällt, wozu - die Ausgangssignale (Ii; i = 1..4) einzelner Quadranten (Q1 - Q4) der Vier-Quadranten-Diode (30) und ein vorgegebener Signal-Schwellwert (GW0; GW0(φ)) dienen, und/oder - eine Bestimmung der Maximalwerte der Ausgangssignale (Ii; i = 1..4) der einzelnen Quadranten (Q1 - Q4) erfolgt, und - jeweils ein Regelungssignal (RI, RII, RIII) für die drei Regelungs-Abschnitte (I, II, III) der Vier-Quadranten-Diode (30) zu bilden, die entlang der vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) benachbart zueinander angeordnet sind, wobei - für zwei nicht-benachbarte Regelungs-Abschnitte (I, III) der Vier-Quadranten-Diode (30) das Regelungssignal (RI, RIII) aus Maximal-Signalintensitäten (Ii,max(i = 1..4); Ii.max' (i = 1..4); Ii.max" (i = 1..4)) und den Ausgangssignalen (Ii; i = 1..4) zweier Quadranten (Q1, Q4; Q2, Q3) gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) angeordnet sind, und - für einen zentralen Regelungs-Abschnitt (II) zwischen den beiden vorgenannten Abschnitten (I, III) das Regelungssignal (RII) aus der Differenz der Ausgangssignale (Ii; i = 1..4) der zwei Quadranten (Q1, Q4; Q2, Q3) gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) angeordnet sind.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (50) derart eingerichtet und ausgebildet ist, - um aus den Ausgangssignalen (Ii; i = 1..4) der Quadranten (Q1 - Q4) einen Winkel (φ) einer Richtung (R(φ)) gegenüber einer anderen vorgegebenen Richtung (HR1, HR2) zu bestimmen, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel (LB) auf die Vier-Quadranten-Diode (30) einfällt und, - für den bestimmten Winkel (φ) einen winkelspezifischen Signal-Schwellwert (GW0(φ)) heranzuziehen.
  3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (50) ferner derart eingerichtet und ausgebildet ist, - um die Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i = 1..4)) über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor (a(L)) in Abhängigkeit vom Abstand (L) des Retroreflektors (20) anzupassen, und - um die Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i= 1..4)) ferner über einen winkelabhängigen Skalierungsfaktor (β(φ)) in Abhängigkeit vom Winkel (φ) einer Richtung (R(φ)) anzupassen, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel (LB) gegenüber einer vorgegebenen Richtung (HR1, HR2) auf die Vier-Quadranten-Diode (30) einfällt.
  4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (50) derart eingerichtet und ausgebildet ist, um die Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i= 1..4)) über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor (a(L)) in Abhängigkeit vom Abstand (L) des Retroreflektors (20) anzupassen.
  5. Optoelektronische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfolgungsaktuatorik (40) zwei Antriebe (41, 42) umfasst, die ein Verschwenken des Lichtbündels um eine erste und eine zweite Rotationsachse (A1, A2) ermöglichen.
  6. Optoelektronische Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vier-Quadranten-Diode (30) in Bezug auf ein im zurückreflektierten Lichtbündel (LB) auftretendes Streifenmuster so orientiert angeordnet ist, dass die Quadranten-Grenzen einen Winkel von 45° zu den Streifen des Streifenmusters einnehmen.
  7. Verfahren zum Betrieb einer optoelektronischen Vorrichtung zur Verfolgung eines Retroreflektors, wobei - eine Strahlungsquelle ein Lichtbündel in Richtung des Retroreflektors emittiert, von dem dieses entgegen der Einfallsrichtung zurückreflektiert wird, und - auf eine Vier-Quadranten-Diode zumindest ein Teil des zurückreflektierten Lichtbündels einfällt, und - über eine Signalverarbeitungseinrichtung abhängig von der Position des Lichtbündels auf der Vier-Quadranten-Diode ein Regelungssignal erzeugt wird, und - das Regelungssignal von einer Verfolgungsaktuatorik genutzt wird, um das Lichtbündel dem Retoreflektor nachzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass - bestimmt wird, auf welchen von drei Regelungs-Abschnitten (I, II, III) der Vier-Quadranten-Diode (30) entlang einer vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) das zurückreflektierte Lichtbündel (LB) einfällt, wozu - die Ausgangssignale (Ii; i = 1..4) einzelner Quadranten (Q1 - Q4) der Vier-Quadranten-Diode (30) und ein vorgegebener Signal-Schwellwert (GW0; GW0(φ)) dienen, und/oder - eine Bestimmung der Maximalwerte der Ausgangssignale (Ii; i = 1..4) der einzelnen Quadranten (Q1 - Q4) erfolgt, und - jeweils ein Regelungssignal (RI, RII, RIII) für die drei Regelungs-Abschnitte (I, II, III) der Vier-Quadranten-Diode (30) gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) benachbart zueinander angeordnet sind, wobei - für zwei nicht-benachbarte Regelungs-Abschnitte (I, III) der Vier-Quadranten-Diode (30) das Regelungssignal (RI, RIII) aus Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i = 1..4); Ii.max' (i = 1..4); Ii.max" (i = 1..4)) und den Ausgangssignalen (Ii; i = 1..4) zweier Quadranten (Q1, Q4; Q2, Q3) gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) angeordnet sind, und - für einen zentralen Regelungs-Abschnitt (11) zwischen den beiden vorgenannten Abschnitten (I, III) das Regelungssignal (RII) aus der Differenz der Ausgangssignale (Ii; i = 1..4) der zwei Quadranten (Q1, Q4; Q2, Q3) gebildet wird, die entlang der vorgegebenen Richtung (HR1, HR2, R(φ)) angeordnet sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - aus den Ausgangssignalen (Ii; i = 1..4) mehrerer Quadranten (Q1 - Q4) ein Winkel (φ) einer Richtung (R(φ)) gegenüber einer anderen vorgegebenen Richtung (HR1, HR2) bestimmt wird, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel (LB) auf die Vier-Quadranten-Diode (30) einfällt und, - für den bestimmten Winkel (φ) ein winkelspezifischer Signal-Schwellwert (GW0(φ)) herangezogen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - die Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i = 1..4)) über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor (a(L)) in Abhängigkeit vom Abstand (L) des Retroreflektors (20) angepasst werden, und - die Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i= 1..4)) ferner über einen winkelabhängigen Skalierungsfaktor (β(φ)) in Abhängigkeit vom Winkel (φ) einer Richtung (R(φ)) korrigiert werden, unter dem das zurückreflektierte Lichtbündel (LB) gegenüber einer vorgegebenen Richtung (HR1, HR2) auf die Vier-Quadranten-Diode (30) einfällt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der abstandsabhängige Skalierungsfaktor (a(L)) und der winkelabhängige Skalierungsfaktor (β(φ)) in einer Initialisierungsphase bestimmt und abgespeichert werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i = 1..4)) über einen abstandsabhängigen Skalierungsfaktor (a(L)) in Abhängigkeit vom Abstand (L) des Retroreflektors (20) angepasst werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der abstandsabhängige Skalierungsfaktor (a(L)) in einer Initialisierungsphase bestimmt und abgespeichert wird.
  13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7-12, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Initialisierungsphase die nachfolgenden Größen messtechnisch erfasst und abgespeichert werden: - Maximal-Signalintensitäten (Ii,max (i = 1..4)) auf den einzelnen Quadranten (Q1 - Q4) - Ansprech-Schwellwert (T), ab dem in den Quadranten (Q1 - Q4) der Vier-Quadranten-Diode (30) ein gültiges Ausgangssignal (Ii (i = 1..4)) ausgegeben wird - Maximalwert der Summen-Intensität (Imax,sum) aus allen vier Quadranten (Q1 - Q4) - Signal-Schwellwert (GW0) für jeden Quadranten (Q1 - Q4)
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