DE2556366C2 - Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem Target, mit einem Mittel zur Erzeugung einer virtuellen Quelle des Strahls enthaltenden System optischer Elemente und wenigstens einer linearen Reihenanordnung fotoelektri scher Elemente, dfe> zur Erzeugung eines Video-Aus gangssignals geeignet ist und mit einer elektronischen Schaltkreisanordnung zur Verarbeitung des Video-Ausgangssignals der oder jeder Reihenanordnung von fotoelektrischen Elementen.

Mit dieser Vorrichtung zur Stellungsanzeige wird die Position eines Lichtstrahles bezüglich einer vorgegebenen Richtung oder in Koordinaten χ und y bezüglich zweier zueinander orthogonaler Koordinatenachsen oder - in einer Ausgestaltung letzterer Variante - in Koordinaten χ und y zweier zueinander orthogonaler Koordinatenachsen und in wenigstens einer Komponente (z. B. der horizontalen) des Winkels, den der Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Achse einschließt, angezeigt.

In vielen Anwendungsgebieten wie im Bergbau, bei der Gesteinsbohrung und bei Tunnelbohrungen, ist es für den Arbeiter an der Abbaumaschine, am Drill- oder Bohrgerät wichtig zu überwachen, ob die Maschine sich in der gewünschten Abbau- bzw. Bohrrichtung bewegt oder nicht.

Im letzteren Fall sind natürlich schnelle und genaue Korrekturen erforderlich. Insbesondere beim Stollenbzw. Tunnelbau ist es bei dieser Arbeit von großer Bedeutung, daß ein Zusammentreffen mit oder eine Beschädigung von Versorgungsleitungen aufgeschlossen ist. Das Problem ist wesentlich komplizierter, falls die Maschine selbst sich unter Tage in einer Neigung zur Horizontalen befindet. Weiterhin können die bekannten Schneideinrichtungen, die in den üblicherweise benutzten Schnittwerkzeugen auf Drehköpfen oder Auslegern montiert sind, in einer horizontalen und in einer vertikalen Ebene schwingen, was die genaue Positionierung erschwert. Bekannt ist eine Vorrichtung (DE-AS 19 15 935), bei der ein Strahl direkt auf die Fotodioden Reihenanordnungen auftrifft. Mit dieser Vorrichtung kann die Strahlposition gemessen werden, jedoch nicht die Strahlrichtung oder -drehung. Bei einer weiteren Vorrichtung ist es bekannt, einen Strahlaufteiler zwischenzuschalten. Dieser Strahlaufteiler ist jedoch keine virtuelle Quelle und darüber hinaus auch keine streuende virtuelle Quelle. Mit dieser Vorrichtung können deshalb nur Winkel, d. h. die Richtung

gemessen werden, wenn eine Linse in den Lichtstrahl eingeschwenkt wird. Dann können jedoch keine Drehungen gemessen werden.

Es ist für den Zweck der Positionierungsüberwachung auch bekannt, einen Laserstrahl anzuwenden, der so gerichtet ist, daß er auf das Abbaufeld trifft. Die übliche Praxis besteht darin, daß ein Arbeiter den »Fleck« des Strahles beobachtet, um Korrekturen zu veranlassen, falls notwendig. Solche Korrekturen sind jedoch nicht sehr genau und im besten Fall nur quasi - quantitativ. Eine andere übliche Praxis besteht darin, ein Target, z. B. einen Karton, an der Maschine zu befestigen, auf welches der Laserstrahl auftrifft. Der Arbeiter beobachtet den resultierenden Leuchtfleck. Zusätzlich zu dem schon erwähnten Problem kann ein weiteres dadurch entstehen, daß eine Verrückung der Maschine, z. B. eine Roübewegung, auch zu einer Verschiebung des Targets führt, die die Relativbewegung zwischen dem Target und dem Strahl derart beeinflußt, daß letzterer von dem Karton verschwindet.

Die üblichen Praktiken sind unzureichend genau, menschlichen Fehlern unterworfen und sie bringen eine zusätzliche Belastung für den Arbeiter an der Maschine. Ein weiteres Problem besteht darin, daß es oft wünschenswert ist, genaue Daten oder eine genaue Information der Position des Laserstrahls nicht nur unter Tage, auf der Bearbeitungsseite, sondern auch über Tage, z. B. für das Prüfpersonal und/oder eine Fernsteuerung, eine automatische Steuerung und für die Verarbeitung der Daten zu erhalten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Stellungsmessung und/oder eine Winkelmessung erlaubt; dabei soll eine genaue Messung der Koordinaten »X« und »Y« unabhängig voneinander und auch unabhängig vom Einfallswinke! des LasersUahis möglich sein, wie auch andererseits eine Messung des Einfallwinkels des Laserstrahls unabhängig von den »X«- oder »Ye-Koordinaten. Die beim Stand der Technik auftretenden und oben erwähnten Probleme sollen vermieden werden.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem Target erfindungsgemäß dadurch, daß die virtuelle Quelle ein zur Erzeugung eines davon abstreuenden Raumlichtkegels geeignete Streumittel aufweist, und daß das System optischer Elemente an sich bekannte Abbildungsmittel enthält, die zur Erzeugung einer schmalen, im wesentlichen bandförmigen Abbildung der auf den Streumitteln erscheinenden virtuellen Quelle im wesentlichen senkrecht auf der oder jeder Reihenanordnung geeignet sind, und daß die Schaltkreisanordnung Mittel zum Abtasten der Video-Ausgangssignale der oder jeder Reihenanordnung end integrierende Mittel zum Erfassen des Zentrums der Verteilung des Video-Ausgangssignals enthält.

Vorzugsweise sind als erste Einrichtungen, die eine virtuelle Quelle des Strahles bilden, ein Streuschirm oder eine Sammellinse mit einer Streuoberfläche oder ein unterlagertes Element aus einem überlagerten Streuschirm und einer Fresnel-Linse vorgesehen. In der Ausführungsform, bei der der Strahlwinkel zusätzlich gemessen wird, kann der Schirm mit einem Raster von durchgehenden Öffnungen versehen sein oder einem Muster von Streubeveichen und durchlässigen Bereichen, wobei das Verhältnis der perforierten zu den nichtperforierten (oder streuenden zu durchlässigen) Schirmbereichen den Erfordernissen entsprechend vorgewählt wird. Es ist jedoch immer sichergestellt, daß für einen gegebenen Strahldurchmesser wenigstens zvrei

Öffnungen oder durchlässige Bereiche vorhanden sind.

Die Abbildungseinrichtungen können in zylindrisehen oder plan-zylindrischen Linsen bestehen, die der oder jeweils der Reihenanordnung zugeordnet und räumlich benachbart sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die fotoelektrischen Elemente Fotodioden; die oder jede

ίο Reihenanordnung ist außerhalb der Mittelachse der Sammellinse positioniert.

Vorzugsweise liegen bei der Messung zweier Koordinaten mit zwei Reihenanordnungen die Reihenanordnungen im wesentlichen in einer Ebene. Falls zusätzlich die Winkelneigung zu messen ist, wird die dritte Reihe vorzugsweise in einer weiter von der Lichtquelle entfernten Ebene angeordnet, als es die beiden komplonar angeordneten Reihen sind. Falls eine vierte Reihe vorgesehen ist, z. B. wenn die dritte und die vierte Reihe zur Messung des Winkels des Strahle mit der Achse der Vorrichtung in zwei zueinander orthogonalen Richtungen dienen, so liegen die dritte und die vierte Reihe vorzugsweise in einer Ebene und erstrecken sich im wesentlichen rechtwinklig zueinander.

Die Schaltkreisanordnung kann Einrichtungen zur Analyse des Video-Ausgangssignales einer einzelnen Reihenanordnung oder Einrichtungen zur aufeinanderfolgenden Prüfung der entsprechenden Video-Ausgangssignale jeder einer Mehrzahl von Reihen ent- halten, und sie enthält einen Integrator zur Messung der totalen Intensität der Beleuchtung einer gegebenen Spannungsspitze im Video-Ausgangssignal und zur Ermittlung der genauen Impulsmitte im nächstfolgenden Impuls.

Der Integrator ist mit Einrichtungen zur Festlegung des Beginns und des Endes der integration bei im wesentlichen gleichem Spannungspegel versehen. Er kann so geschaltet sein, daß er bei Erreichen der Impulsmitte des nächstfolgenden Impulses seine Integration beendet und auch einer Verschiebung derselben folgt. Er kann eine Transistorschaltung in Form einer Stromquelle enthalten, die einen Kondensator speist. 1-etzterer ist mit seiner einen Elektrode an Masse angeschlossen.

Vorzugsweise ist eine Anzeige - und/oder Aufzeichnungsgerät und/oder eine Datenverarbeitungsanlage an den beschriebenen Schaltkreis angeschlossen. Das Anzeigegerät kann als digital anzeigendes Sichtgerät sowohl mit ± Richtungsanzeigen für jede Koordinate als auch mit Fehl-Anzeigen ausgebildet sein.

Es können Einrichtungen vorgesehen sein, die d:e Anzeigen in dem Fall festhalten, in denen der Strahl acSeiorGentlich unterbrochen ist oder aus dem optischen System wandert. In diesem Fall kann nach vorbestimmter Zeit ein auditives und/oder visuelles Warnsignal abgegeben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen sche^iatisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine allgemeine räumliche Anordnung der Vorrichtung bei ihrer Anwendung im Tunnelbau und in einer Ausführungsform mit Stellungsanzeige im orthogonalen Zweikoordinatensystem,
Fig. 2 eine vergrc Serte perspektivische Ansicht des Sichtgerätes der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung,

Fig. 3 eine vergrößerte schemtische, perspektivische Ansicht eines Teiles der Stellungs-Meßeinrichtung mit Anzeige im Zweikoordinatensystem,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen Video-Signal-Verarbeitungs-Schaltkreises zum Einsatz in allen Ausführungsformen,

Fig. 5 Zeitdiagramme der Signale an verschiedenen Teilen des Schaltkreises nach Fig. 4,

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht der Vorrichtung in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der drei Reihen von fotoelektrischen Elementen benutzt sind und eine passende Seitenplatte des Gehäuses der Vorrichtung entfernt ist, und

Fig. 7 eine Ansicht der Rückseite der Vorrichtung nach Fig. 6, wobei einige Teile zwecks Klarheit weggelassen sind.

Unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 ist zunächst schematisch ein Stollen bzw. ein Tunnel 10 dargestellt, der einen Stollenort bzw. ein Abbaufeld 11 besitzt, die von einer nicht dargestellten Bohrmaschine bearbeitet werden. In einiger Entfernung vom Abbaufeld 11 ist ein Laser 12 aufgestellt, der einen kontinuierlichen sichtbaren Laserstrahl emittiert. Der Laserstrahl definiert die Richtung oder den rechtweisenden Kurs, auf dem die Maschine herangefahren werden soll.

In dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Stellungs-, Meß- und Anzeigeeinrichtung 13 im Weg des Laserstrahles angeordnet, die eine Anzeige in zwei zueinander orthogonalen Koordinaten übermittelt und unten eingehender beschrieben wird. Die Einrichtung 13 ist über Kabel mit einem unter Tage liegenden Sichtgerät 14 und einem über Tage liegenden Sichtgerät 15 verbunden, wobei ersteres betriebsmäßig vom Arbeitspersonal 16 im Stollen bzw. Tunnel 10 überwacht wird.

Die Geräte 14 und 15 sind im wesentlichen ähnlich, jedoch ist letzteres in das Gehäuse des Energie-Versorgungsgerätes eingebaut. Jedes Gerät besitzt ein Metallgehäuse mit vier Sichtscheiben 17, diew korrespondierend zu den anzuzeigenden Koordinaten ±x und ±y angeordnet sind. Hinter den Sichtscheiben 17 befinden sich digital anzeigende Elemente, vorzugsweise Lichtemissionsdioden (LED's). Im Zentrum zwischen den Sicherheitsscheiben 17 ist eine Lampe 18 angeordnet, die bei Fehlerfreiheit leuchtet. Wenn der Laserstrahl gesperrt ist oder völlig aus dem Target wandert, so blinkt das Sichtgerät 14, 15 in einem vorbestimmten Zeitintervall und die letzten Zahlen bleiben auf dem Sichtgerät 14, 15 stehen. Dieses visuelle Warnsignal kann ergänzt oder ersetzt werden durch ein Tonsignal wie Klingeln, Hupen oder Summen.

Gemäß Fig. 3 enthält die Meßeinrichtung 13 eine zirkulare plankonvexe Sammellinse 20 mit einer Streuoberfläche 21. Die Mittelachse der Vorrichtung und der Linse 20 ist in einer unterbrochenen Linie angezeigt und mit 22 bezeichnet. Die Linse 20 kann einen größeren Durchmesser haben als der Laserstrahl; aber dies ist nicht kritisch. Die Linse 20 mit ihrer Streuoberfläche 21 bildet ein reales Bild (virtuelle Quelle) des Laser-»Flekkes« und verbessert die Lichtverteilung über die volle Targetfläche. Die virtuelle Quelle bewegt sich mit den Bewegungen des Laserstrahles.

Es soll hier angenommen werden, daß der Strahldurchmesser der üblichen, im Handel erhältlichen Laser zeitlich nicht konstant ist, sondern Schwankungen um einen Mittelwert unterworfen ist und daß überdies der Strahldurchmesser eine Funktion des Abstandes von der Quelle ist; dementsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so gestaltet, daß diese Faktoren berücksichtigt sind und jederzeit eine genaue Anzeige erfolgt.

Im Abstand von der Linse 20 und außerhalb der Mittelachse 22 sind zwei diskrete »lineare« Reihenanordnungen (array) 24, 25 von fotoelektrischen Elementen angeordnet, die vorzugsweise aus Festkörper-Fotos dioden bestehen und mit einer Empfängerschaltung integriert sind, um eine Video-Informnation von den Fotodioden mittels eines benachbarten Schieberegisters zu erhalten, das nacheinander mit jeder Fotodiode verbunden ist, sobald jeweils ein logisches Signal durch das

ίο Schieberegister läuft. Derartige »lineare« Reihenanordnungen sind bekannt, und ein konventioneller Typ ist in verschiedenen Längen mit 16 bis zu einigen hundert Dioden erhältlich. Jedoch können andere Arten von Reihenanordnungen benutzt werden, die nach verschie-

IS denen Prinzipien arbeiten, z. B. ladungsgekoppelte Vorrichtungen, die die gleiche Funktion erfüllen.

Die beiden Reihen 24, 25 liegen in einer Ebene und sind mit ihren »linearen« Dimensionen oder »Linien« 28, 29 gegenseitig rechtwinkelig orientiert, korrespon dierend zu den orthogonalen Koordinaten der zu mes senden Strahlposition. Vor jeder Reihe 24, 25 auf der Seite gegenüber der Linse 20, befinden sich eine entsprechende Zylinderlinse 26,27 die auf den Brennpunkt des »Bildfleckes« auf der Linse 20 und die zugeordnete Reihe 24, 25 abgestimmt ist. Darüber hinaus verzieht jede Zylinderachse 25, 26 den Bildfleck in einen relativ schmalen Streifen oder ein Band, der bzw. das sich konkret zur »Linie« 28 oder 29 der entsprechenden Reihenanordnung 34 oder 25 erstreckt.

Wie zu sehen ist, sind die Zyiinderlinsen 26 und 27 ebenfalls senkrecht zueinander angeordnet.

Die dargestellte räumliche Anordnung der diskreten »linearen« Reihen von Fotodioden und zugehörigen Linsen 26,27 löst das reale Bild auf der Linse 20 in zwei voneinander unabhängige Bilder auf, die mit der Position des realen Bildes in den zwei orthogonalen Koordinaten korrespondieren. Falls die x- und y-Achse wie in Fig. 3 gezeigt durch die Linse 20 verlaufen, so registriert die Reihenanordnung 24 nur die jc-Position. wäh- rend die Reihenanordnung 25 unabhängig von der Reihenanordnung 24 nur die y-Position registriert. Im Ergebnis brauchen die Reihen 24, 25 nicht auf der Achse 22 angeordnet zu sein. Um das optische Ausgangssignal der Fotodioden - Reihen 24, 25 - weiter zu verarbeiten, ist ein elektroni scher Schaltkreis vorgesehen, dessen Blockschaltbild in Fig. 4 gezeigt ist. Die verschiedenen Spannungs-Kurvenformen des Schaltkreises sind in Fig. S dargestellt. Die Anordnung umfaßt einen logischen Zeitgeber-

so und Steuermodul 30, einen elektronischen Schalter 31 (der entfallen kann, falls nur eine Reihenanordnung benutzt wird), einen Phasenteiler 32, Torglieder 33, 34, einen Integrator 35 und eine Schwellwert-Vergleichsschaltung 36, die, wie aus der Zeichnung und nachfol- gender Funktionsbeschreibung ersichtlich, miteinander verbunden sind.

Der Modul 30 schließt den Schaltkreis ein, der mit den integrierten Fotodioden - Reihenanordnungen 24, 25 - verbunden ist, die bereits oben erläutert sind, d. h.

Taktimpulsgeneratoren, die zwei sich nicht überlappende Taktimpulse erzeugen, die durch das Schieberegister geschoben werden und nacheinander die MOS-Schalter-Linien öffnen und schließen, um nacheinander jede Fotodiode mit der Video-Linie und einem Abtast-

fi5 impulsgenerator zur Erzeugung eines Start-Abtastimpulses / zu verbinden. Dieser Impuls läuft durch das Schieberegister, lädt nacheinander jede Fotodiode auf das negative Potential der Speisequelle auf und »öffnet«

sic. Die Ludung, die durch jede Fotodiode abfließt, bevor der nächste Tastimpuls / erfolgt, ist proportional des totalen auf sie fallenden Strahlungsflusses (Lichtleistung). Der nächste Impuls / lädt die Fotodioden wieder auf das Bezugspotential auf und ersetzt die an die Video-Linie verlorene Ladung.

Der >iektronische Schalter 31 dient dazu, die periodische Prüfung der Reihenanordnungen 24 und 25 sequentiell und abwechselnd zu ermöglichen. In typischer Weise ist der Schalter 31 für jede Reihenanordnung für eine Sekunde offen, während der eine große Zahl von Impulsen (mit einigen Millisekunden Abstand) passieren. Die Ergebnisse werden über eine Sekunde hinweg von einem Binärzähler (nicht dargestellt) gemittelt.

Die Spannungskurve A der Reihenanordnungen ist (in Fig. 5) als glatte, stoßfreie Kurve dargestellt; sie enthält aber in Wirklichkeit eine Vielzahl von stufenförmigen Änderungen. Die erste Spannungsspitze wird, wie unten beschrieben, zur Messung der totalen Intensität des einfallenden Lichtes genutzt, während die Schaltung aus der zweiten Spannungsspitze das Zentrum der Lichtverteilung ermittelt.

Das Signal aus der Prüfanordnung gelangt zum Phasenteiler 32, der zwei Ausgangssignale B und C abgibt. Ausgangssignal B wird in seiner Amplitude verringert, während Ausgangssignal C invertiert und in seiner Amplitude verdoppelt wird. Der Grund dafür liegt in dem Wunsch, über die gesame Kurvenform zwischen zwei aufeinanderfolgenden /-Impulsen zu integrieren, welche die Lichtverteilung entlang der Reihe repräsentiert. Hingegen ist es im zweiten Prüfvorgang nur erwünscht, bis zum Maximum der Spannungsspitze zu integrieren. Es ist daher einfacher, dies in negativer Richtung bei zweifacher Spannungshöhe zu finden, als die halbe Höhe der Spannungsspitze im positiven Bereich zu finden.

Die Signale B und C werden über die logischen Torglieder 33 und 34 weitergeleitet, die vom Modul 30 durch Impulse G und H, wie unten beschrieben, gesteuert werden. Das Ausgangssignal D der Torglieder 33,34 gelangt an einen Integrator 35. Es wurde gefunden, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die üblichen Operationsverstärker wegen der benutzten hohen Frequenz nicht zur Integration geeignet sind. Daher wird an deren Seile eine nicht im Detail dargestellte Schaltung benutzt, die eine Transistor-Stromquelle umfaßt, die einen geerdeten Kondensator speist, d. h., eine seiner Elektroden ist mit der den Schaltelementen der Schaltung gemeinsamen Bezugsleitung verbunden.

Das Bezugspotential für das integratorausgangssignal E ist strichliniert angedeutet (Fig. 5). Das Signal £ wird an die Schwell wert-Vergleichsschaltung 36 weitergeleitet, die einen Schmitt-Trigger enthält. Für die Vergleichsschaltung 36 wird eine beliebige Bezugsspannung gewählt. Ihre Hysterese liegt über dem Rauschpegel.

Es ist anzumerken, daß der Integrator 35 so beschaffen bzw. beschaltet ist, daß er auf der gleichen Ausgangssignalhöhe stehenbleibt wie am Anfang, unabhängig vom Obergang in der Kurvenform des zweiten A-Impulses. Mit anderen Worten: Der Impulsabstrich von E fällt zeitlich mit dem Maximum der zweiten Spannungsspitze in A zusammen und triggert den Impuls F (Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 36). Der Impuls E wird in den Modul 30 gegeben, der ein UND-Gatter 40 und einen Inverter 41 enthält, der ausgangsseitig mit dem UND-Gatter 40 und eingangsseitig mit der G-Impulsleitung verbunden ist. Der G-Impuls wird von einem Hauptzähler im Modul 30 erzeugt. Daher ist der Ausgangsimpuls H-F-G, d. h., das logische Produkt des Signals F und des invertierten Signals G. Der Augang der Anordnung wird von H einem Zähler (nicht dargestellt) zugeführt, um gegebenenfalls die digitalen Anzeigen in den Sichtgeräten 14, 15 zu erzeugen.

Die Länge des Impulses H ist daher proportional der Länge des Zeitintervalls oder der Verschiebung zwisehen dem zweiten /-Impuls und dem Zentrum des zweien /l-Impulses.

Aus vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß der Schaltkeis ein analoges Signal ausgangsseitig der Fotodioden erzeugt. Die angewandte Integrationsechnik sorgt für eine solche Erkennung der Impulsmitte des A-Impulses, die unempfindlich hinsichtlich möglicher Kurvenformfehler und Unregelmäßigkeiten des Impulses ist. Folglich ist das Auflösungsvermögen des Systems besser, tatsächlich etwa lOmal besser, als es dem typisehen Strahldurchmesser des Lasers entsprechen müßte, und Fehler aufgrund der oben beschriebenen Schwankungen oder wegen der Instabilitäten des Strahldurchmessers sind eliminiert. Die Auflösung ist besser als sie bei einem bloßen Abzählen der beleuchteten Dioden in der Reihenanordnung wäre.

Mit der bevorzugten, oben beschriebenen Ausführungsform vorliegender Erfindung wird somit eine Positionsmessung in zwei orthogonalen Koordination und unter Verwendung zweier eindimensionaler Reihenan-Ordnungen .nit einem höheren Auflösungsgrad erreicht als bisher ei zielbar erschien. Dies geschieht ohne Rückgriff auf ein zweidimensionales Matarixfeld, welches den Einsatz von n² Fotodioden anstelle von 2/i Fotodioden erfordern würde, wobei η die Zahl der Fotodioden in einer erfindungsgemäß genutzten linearen Reihe ist. Weder ein mechanisches noch ein thermionisches Abtastgerät ist erforderlich, um die Erfindung anzuwenden.
In den Fig. 6 und 7 ist eine im Verhältnis zu den Fig. 1 bis 5 weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche in Ergänzung zu den beiden orthogonalen Koordinaten wie χ und y eine dritte Reihe von Fotodioden nutzt, um eine Komponente der Winkeineigung des Strahlers zur Achse der Vorrichtung zu messen. Es sind die gleichen Bezugszeichen für funktionell äquivalente Elemente gewählt.

Die Vorrichtung gemäß den Fig. 6 und 7 befindet sich in einem Gehäuse 50 mit einem Fenster 51 (nach der Darstellung rechts) für den Eintritt des Laserstrahles. Der Strahl passiert eine Fresnel-Linse 52 und einen Streuschirm 53, der entweder mit einer Platte mit durchgehenden Öffnungen 54 vorbestimmter Größe oder mit einer Platte mit lichtdurchlässigen Bereichen ausgerüstet ist. Das Verhältnis der gesamten Fläche der Perforation oder durchlässigen Bereiche zu den nichtperforierten oder diffusen Bereichen des Schirmes 53 wird entsprechend dem beabsichtigten Einsatzzweck vorgewählt. Wie im vorbeschriebenen Fall arbeiten hier die Fresnel-Linse 52 und die nichtperforierten Teile des Schirmes 53 derart zusammen, daß eine virtuelle Quelle gebildet wird, von welcher Streulicht in das Innere 55 des Gehäuses 50 gesendet wird. Wie in der vorigen Ausführungsform sind zwei diskrete lineare Reihen 24, 25 von Fotodioden außerhalb der effektiven Achse der Vorrichtung angeordnet, die Reihen 24, 25 liegen koplanar und sind mit ihren »Linien« zueinander rechtwinkelig orientiert. Vor jeder Reihe 24,25 befindet sich wiederum eine entsprechende Zylinderlinse 26, 27, um

die Lichtstrahlen zu bündeln und in eine schmales bandförmiges Bild umzuformen bzw. zu verziehen. Eine weitere Beschreibung dieses Teiles der Vorrichtung erübrigt sich.

Unmittelbar hinter den Reihen 24, 25 befindet sich ein Streuschirm 60, der sowohl das Licht empfängt, das direkt durch die Öffnungen 54 oder durchlässigen Bereiche des Schirmes 63 tritt, als auch das dort zerstreute Licht. Die Fresnel-Linse 52 dient dazu, die Intensitätsverteilung des von dem Schirm 60 empfangenen Lichtes auszugleichen. Der Schirm 60 ist ein ebener Schirm, bestehend aus einem Polystyrol-Film. Es kann angenommen werden, daß die Linsen-Schirm-Anordnung 52, 60 im wesentlichen wie ein Teleskop arbeitet und daß die Position der virtuellen Quelle auf dem Schirm 60 unabhängig davon ist, woher das Licht einfallt, d. h. sie ist aHein vom Winke! abhängig, den der Strahl mit der Achse der Vorrichtung einschließt.

In der dargestellten Ausführungsform verläuft der gezeigte Lichtstrahl ausgehend vom Schirm 60 über eine Zylinderlinse 61 zu der dritten linearen Reihe 62 von Fotodioden. Die Elemente 61. 62 sind so orientiert, daß die horizontale Komponente des Einfallwinkels gemessen wird. Natürlich kann die Anordnung in Strahlrichtung hinter den Reihen einfach verdoppelt werden, um auch eine Messung der vertikalen Komponente des Einfallwinkels zu ermöglichen. Diese Möglichkeit ist in Fig. 4 strichliniert angedeutet. Das Gehäuse 50 enthält weiterhin Trageinrichtungen 65 für den Schaltkreis gemäß Fig. 4. Dieser Schaltkreis erfordert nur eine sehr geringe Änderung für die Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7: Für jede zusätzliche Reihe - wie Reihe 62 - besteht eine zusätzliche Verbindung zum elektronischen Schalter 31, der mit der angemessenen Zahl von zusätzlichen Prüfstellungen versehen ist. so daß die Reihen 24, 25, 62 ... sequentiell abgetastet werden. Die Spannungs-Kurvenformen entsprechen wie zuvor den in Fig. 5 gezeigten. Umgekehrt benötigt die Einzel-Reihenanordnung, wie bereits ausgeführt, nur eine kleine Änderung, die nicht die prinzipielle Funktion des Schaltkreises berührt, ebenso nicht die Integrations-Technik zur Erkennung des Zentrums des /i-Impulses. Weiterhin sind der Einzel-Reihenanordnung und den anderen Ausführungsformen die Vorteile des ausgezeichneten Auflösungsvermögens des elektronischen Schaltkreises und die Unabhängigkeit der gemessenen Werte von den Werten der Komponenten in den anderen Richtungen gemeinsam.

Es ist davon auszugehen, daß die Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 bei der Bildung einer zusätzlichen Information sehr vorteilhaft ist und dies mit Hilfe einfacher, ökonomicher Mittel erreicht. Die Vorrichtung bleibt in ihrer räumlichen Gestalt kompakt. Die Verwendung des perforierten Schirmes 53 ist weit vorzuziehen gegenüber z. B. dem Einsatz von Strahlteilern, die notwendigerweise ausgerichtet werden, in ihrer Ausrichtung gehalten werden müßten und eine große Zahl von Einzelteilen bedingten.

Es ist augenscheinlich eine große Zahl von Modifikationen innerhalb des Erfindungsgedankens möglich. So kann die Linse 20 durch einen Streuschirm ersetzt werden. Die Zylinderlinsen 26, 27 können durch andere optische Elemente mit gleichen Bündel- und Streueftekten ersetzt werden. Die Fotodioden - Reihenanordnungen 24,25,62, . . . brauchen nicht integriert ausgeführt sein, sondern können jeweils als diskrete Reihenanordnungen vorliegen. Obwohl eine komplanare Anordnung der Reihen wünschenswert ist, können die optischen Elemente 26, 27 so eingestellt sein, daß sic eine fehlende Komplanarität kompensieren. Jede Reihe schließt dabei mit dem Lichtfleck keinen Winkel ein, der im vollen Bereich der möglichen Fleckbewegungen stabil bleibt. Die Lichtquelle braucht kein Laser zu sein. Der Schaltkreis kann »verdoppelt werden«, um separat und simultan die Video-Ausgangssignale der entsprechenden Reihen zu erzeugen, - im Gegensatz zur sequentiellen Arbeitsweise. Tatsächlich können die Video-Ausgangssignale, wenn gewünscht, digital ausgegeben werden; jedoch ist dies nicht bevorzugt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie anstelle einer bloßen Anzeige ein Eingangssignal für ein automatisches Fernsteuer- odt. Korrektursystem liefert, und sie kann Bestandteil eines geschlossenen Regelsystems sein.

Der Ausgang des elektronischen Schaltkreises kann alternativ oder zusätzlich zur Anzeige in einer Datenverarbeitungsanlage genutzt werden.

Es ist natürlich nicht wesentlich, daß die Reihen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Falls z. B. zwei Koordinaten gemessen werden, kann die Richtung der Koordinaten, mittels derer das Ergebnis ermittelt wird, wunschgemäß gewählt werden. Ebenso ist die Erfindung nicht auf zwei Koordinaten beschränkt. In einer Ausführung der Erfindung wurden drei in einer Ebene, in Winkeln von 80°, 120° und 120" zueinander liegende Reihen benutzt.

Ein weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht bei der Verwendung für Aufgaben in Koordinaten-Erkennungssystemen im wesentlichen wie zuvor in dem System der optischen Elemente, den erwähnten linearen Reihen fotoelektrischer Elemente und in dem Aufbau des Schaltkreises. Es kann ein paralleler Strahl verwendet werden, und das zu erkennende Objekt wird im Strahlengang angeordnet. Die Vorrichtung wird in diesem Falle zur Erkennung der äußeren Schattenlinien des Objektes benutzt, und die Schaltkreisanordnung ist so ausgestaltet, daf- sie Übergänge vom Schatten zum Licht ermittelt.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem Target, mit einem Mittel zur Erzeugung einer virtuellen Quelle des Strahls enthaltenden System optischer Elemente und wenigstens einer linearen Reihenanordnung fotoelektrischer Elemente, die zur Erzeugung eines Video-Ausgangssignals geeignet ist, und mit einer elektronischen Schaltkreisanordnung zur Verarbeitung des Video-Ausgangssignals oder jeder Reihenanordnung von fotoelektrischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuelle Quelle ein zur Erzeugung eines davon abstreuenden Raumlichtkegels geeignete Streumittel (21; 52, 53; 60) aufweist, und daß das System optischer Elemente an sich bekannte Abbildungsmittej (26,27) enthält, die zur Erzeugung einer schmalen, iia wesentlichen bandförmigen Abbildung der auf den Streumitteln (21; 52, 53; 60) erscheinenden virtuellen Quelle im wesentlichen senkrecht auf der oder jeder Reihenanordnung (24, 25; 24,52, 62) geeignet sind, und daß die Schaltkreisanordnung Mittel (30, 31, 33, 34) zum Abtasten der Video-Ausgangssignale der oder jeuer Reihenanordnung (24, 25; 24, 25, 62) und integrierende Mittel zum Erfassen des Zentrums der Verteilung des Video-Ausgangssignals enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streumittel ein Streuschirm (60), eine mit einer SfceuobepJ/äche versehene Sammellinse (20, 21) oder tine, aus einem überlagerten Streuschirm (53) und einer FrK iel-Linse (52) gebildeten Untereinheit enthalten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (53) mit einem Muster von durchlässigen Bereichen (54) und Streubereichen versehen ist, wobei das Verhältnis der durchlässigen zu den streuenden Schirmbereichen den Erfordernissen nach vorwählbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Reihenanordnung (24, 25; 62) außerhalb der Mittelachse (22) der Vorrichtung angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahls relativ zu einem Target durch wenigstens zwei Koordinaten, dadurch gekennzeichnet, daß zwei lineare Reihenanordnungen (24, 25) vorhanden sind, die getrennt, im Abstand und in einer relativen Neigung entsprechend der Neigung der gewünschten Koordinaten angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das System optischer Elemente ein zweites von den ersten Streumitteln (52, 53) unabhängiges Streumittel (60) für die Erzeugung einer zweiten virtuellen Quelle des Strahls, wenigstens eine weitere lineare Gruppierung (62) fotoelektrischer Mittel, und weiterhin Abbildungsmittel (61) zur Erzeugung eines schmalen, im wesentlichen bandförmigen Abbildes der zweiten virtuellen Quelle (60) auf der oder jeder weiteren linearen Reihenanordnung enthält, wobei die Position dieses Abbildes nur vom Einfallwinkel des Strahls zur Achse der Vorrichtung abhängig ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten Reihenanordnungen (24, 25) im wesentlichen in einer Ebene

liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Reihenanordnung (62) in einer Ebene liegt, die waiter von der Licht quelle entfernt ist als die ersten - mindestens zwei - Reihenanordnungen (24, 25).

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierenden Mittel einen Integrator (35) zur Messung

to der totalen Intensität der Beleuchtung einer gegebenen Spannungsspitze im Video-Ausgangssignal und zur Ermittlung der genauen Impulsmitte im nächstfolgenden Impuls, und Mittel (36,30) zur Festlegung des Beginns und des Endes der Integration bei im

is wesentlichen gleichen Spannungspegel aufweisen.