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Verfahren und Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Entfernung
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zwischen einer Meßrichtung und wählbaren Stellen auf der Oberfläche
eines Prüflings Die Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Merkmale des Oberbegriffs
des Anspruches 1 aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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In der noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 33
31 552.3 ist ein derartiges Verfahren beschrieben. Die dort erwähnten Realisierungsmöglichkeiten
für die Bestimmung der Bildweite als Grundlage für die Ermittlung der zu messenden
Entfernung sind jedoch nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend. Der Erfindung
liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe löst ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Die Abbildung eines punktförmigen Bereichs der Marke, bei dem es sich
auch um den gesamten Bereich der punktförmigen Marke handeln kann, ergibt nicht
nur den Vorteil, daß die zu bestimmende Entfernung
auch aus dem
Durchmesser des Ringes ermittelt weordeUnS L+£+J kann. In Verbindung mit der Lichtintensitätsmessung
in der durch den Schnitt der Strahlen gebildeten Ringzone erhält man auch eine maximale
Empfangshelligkeit sowie eine maximale Änderung der Empfangshelligkeit bei Änderungen
der Meßentfernung, was für die Genauigkeit der Entfernungabestimmung von großer
Bedeutung ist.
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Hinzu kommt noch der Vorteil der Unempfindlichkeit gegen unterschiedliche
Lichtdichte in den verschiedenen Bereichen der Abbildungsoptik, die beispielsweise
auf einer ungleichen Helligkeitsverteilung infolge einer partiellen Abschattung
oder einer glänzenden Oberfläche des Prüflings in der rechten Marke beruhen kann.
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Im Hinblick auf eine Unempfindlichkeit gegen solche unterschiedlichen
Helligkeiten ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Anspruch
2 von besonderem Vorteil. Eine große Schärfe, d.h. eine möglichst große Helligkeitsänderung
bei Änderungen der Meßentfernung wird durch eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gemäß des Anspruches 3 begünstigt.
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Der Erfindung lieg-t auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches
4.
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Der besondere Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß eine derartige
Abbildungsoptik besonders kostengünstig ist, da sie nur sphärische Linsen benötigt.
Allerdings braucht es sich bei der Linse oder den Linsen, aus denen die Abbildungsoptik
gebildet ist, nicht um massive Linsen zu handeln. Es können FRESNEL-Linsen und sogar
nur Segmente von massiven Linsen oder FRESNEL-Linsen verwendet werden, die konzentrisch
um die optischen Achse der Abbildungsoptik herum angeordnet sind.
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Die der Abbildungsoptik zugeordnete Lichtempfangsfläche, also diejenige
Fläche, auf die von der Abbildungsoptik kommenden Lichtstrahlen auftreffen, kann
ortsveränderlich sein, um sie jeweils
in diejenige Position bringen
zu können, in welcher die durch die Strahlenschnittpunkte gebildete Ringzone liegt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich jedoch die Lichtempfangsfläche,
die durch eine Sensorfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung oder durch
eine Empfangsfläche einer Lichtleiteinrichtung gebildet sein kann, über derjenigen
Flächenbereich, in dem bei unterschiedlichen Bildweiten innerhalb des Meßbereichs
die Schnittpunkte der von der Marke kommenden Strahlung liegen.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der lichtelektrischen Wandlereinrichtung
und/oder der Lichtleiteinrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 9 bis 17.
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Die Beleuchtungseinrichtung kann in der optischen Achse der Projektionsoptik
angeordnet sein, und zwar vor oder hinter der Abbildungsoptik. Im letztgenannten
Falle ist es nur erforderlich, daß die Abbildungsoptik eine zentrale Durchgangsöffnung
für den Beleuchtungsstrahl hat. Es ist sogar möglich, die lichtelektrischen Wandlereinrichtung
und/oder die Lichtleiteinrichtung mit einer solchen zentralen Durchgangsöfffnung
zu versehen. Dann kann das Licht der Beleuchtungseinrichtung, welche beispielsweise
durch eine Leuchtdiode oder einen Laser gebildet sein kann, auch durch diese Bauteile
hindurch geführt werden. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, die Beleuchtungseinrichtung
außerhalb der optischen Achse der Projektionsoptik anzuordnen und den von ihr erzeugten
Lichtstrahl in die optische Achse einzuspiegeln, und zwar vor oder hinter der Abbildungsoptik.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische
Darstellung der prinzipiellen Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, jedoch
ohne die lichtelektrische Wandlereinrichtung, Figur 2 eine Darstellung in Diagrammform
der funktionalen Zusammenhänge
zwischen der zu bestimmenden Bildweite
und dem Durchmesser der Abbildung einer punktförmigen Marke, Figur 3 einen schematisch
dargestellten Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Meßposition, Figuren 4 und 5 je eine perspektivisch dargestellte Ansicht
unterschiedlich ausgebildeter lichtelektrischer Wandlereinrichtungen, Figur 6 eine
schematisch und unvollständig dargestellte Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
der lichtelektrischen Wandlereinrichtung, Figuren 7 bis 11 je eine schematische
Darstellung verschiedener Ausführungsformen der lichtelektrischen Wandlereinrichtung
und der zugehörigen Lichtleiteinrichtung, Figur 12 eine schematisch dargestellte
Seitenansicht der Abbildungsoptik und der lichtelektrischen Wandlereinrichtung einer
weiteren Ausführungsform, Figur 13 eine Draufsicht auf die lichtelektrische Wandlereinrichtung
gemäß Figur 12, Figur 14 eine Draufsicht entsprechend Figur 13 auf eine abgewandelte
Ausführungsform einer lichtelektrischen Wandlereinrichtung, Figur 15 einen unvollständig
dargestellten Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Lichtleiteinrichtung,
Figur 16 eine Stirnansicht der Lichtleiteinrichtung gemäß Figur 15, Figur 17 eine
Seitenansicht des Endabschnittes der Lichtleiteinrichtung gemäß den Figuren 15 und
16 sowie der zugeordneten lichtelektrischen Wandlereinrichtung, Figur 18 eine perspektivisch
dargestellte Ansicht des Endabschnittes einer anderen Ausführungsform einer Lichtleiteinrichtung
mit zugehöriger lichtelektrischer Wandlereinrichtung,
Figur 19
eine unvollständige schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer
Lichtleiteinrichtung und der zugehörigen lichtelektrischen Wandlereinrichtung, Figur
20 eine Draufsicht auf die Empfangsfläche der Lichtleiteinrichtung gemäß Figur 19,
Figur 21 ein Längsschnitt einer anderen Ausführungsform der Lichtleiteinrichtung
und der zugeordneten lichtelektrischen Wandlereinrichtung, Figur 22 eine Seitenansicht
einer anderen Ausführungsform der Lichtleiteinrichtung, Figur 23 eine Stirnansicht
der Lichtleiteinrichtung gemäß Figur 22, Figur 24 eine schematische Darstellung
der Abbildungsoptik und einer sich in Längsrichtung der optischen Achse erstrekkenden
lichtelektrischen Wandlereinrichtung mit ebener EmpfangsFläche, Figur 25 eine schematische
Darstellung einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 24 durch die Anordnung
eines rotierenden Prismas zwischen der Abbildungsoptik und der lichtelektrischen
Wandlereinrichtung, Figur 26 eine schematische Darstellung einer lichtelektrischen
Wandlereinrichtung für eine analoge Positionsbestimmung der Abbildung der Marke,
Figur 27 eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung der Abbildungsoptik
der lichtlelektrischen Wandlereinrichtung und der zugehörigen Beleuchtungseinrichtung,
Figur 28 eine schematische Darstellung einer anderen möglichen Anordnung der Abbildungsoptik
der lichtelektrischen Wandlereinrichtung und der Beleuchtungseinrichtung.
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Wie Figur 1 zeigt, weist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Bestimmung
der Entfernung zwischen ihr und einer wählbaren Stelle auf der Oberfläche eines
Prüflings eine Beleuchtungseinrichtung 01 sowie eine Projektionsoptik 02 auf, mittels
deren auf der ausgewählten Stelle der Oberfläche des Prüflings eine punktförmige
Marke 03 erzeugt wird. Der Abstand zwischen der Projektionsoptik
02
und der punktförmigen Marke 03 ist mit xl bezeichnet. nurcg 8 geeignete Maßnahmen,
beispielsweise eine Ringblende 04, ist sichergestellt, daß die von der punktförmigen
Marke 03 ausgehenden Lichtstrahlen 05 nur den äußeren Randbereich einer Abbildungsoptik
06 beaufschlagen, die gleichachsig zur Projektionsoptik 02 angeordnet ist durch
eine nicht-gaußsche Ausbildung der Abbildungsoptik 06 wird erreicht, daß die aus
der Abbildungsoptik 06 austretenden Lichtstrahlen 05 sich n einer zur optischen
Achse konzentrischen Ringzone schneiden, die auch als Taille des Strahlenbündels
bezeichnet werden kann. Der Abstand dieser Ringzone von der Abbildungsoptik stellt
die Bildweite dar, die mit x2 bezeichnet ist. Die Bildweite x2 ist abhängig von
der zu ermittelnden Entfernung xl. Wie aus Figur 2 hervorgeht, ist aber auch der
Radius y der Ringzone eine Funktion der Bildweite x2 und der Entfernung xl. Deshalb
kann die Entfernung nicht nur aus der Bildweite x2 ermittelt werden, sondern auch
dem Radius y der die Abbildung der Marke 03 darstellenden Ringzone oder Taille des
Strahlenbündels.
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Die Abbildungsoptik 06 braucht nicht, wie in Figur 1 dargestellt,
aus einer oder mehreren massiven Linsen zu bestehen. Es könnten auch Linsensegmente
oder beispielsweise FRESNEL-Linsen verwendet werden, was vor allem bei großen Durchmessern
kostengünstiger ist als massive Linsen. Allerdings ist auch in diesem Falle eine
rotationssymetrische Anordnung der Abbildungsoptik um die optische Achse herum von
Vorteil, um Vorzugsrichtungen zu vermeiden, d.h.
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beispielsweise bei einer glänzenden Oberfläche des Prüfling und partiellen
Abschattungen eine ungleiche Strahlenverteilung zu vermeiden.
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Eine Realisierungsmöglichkeit des in Figur 1 dargestellten Prinzips
der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zeigt Figur 3. Diese Meßvorrichtung weist ein
hohlzylindrisches Außengehäuse 2 auf, dessen eines, bei der Messung der Oberfläche
1 zugewandtes Ende als Fassung für eine erste Linse 3 ausgebildet ist, die eine
plankonvexe Form hat. Im Inneren dieses Außengehäuses 2 ist ein
zylindrisches
Gehäuse 4 angeordnet, dessen Längsachse mit derjenigen des Außengehäuses 3 zusammenfällt.
Das eine, offene Ende des zylindrischen Gehäuses 4 liegt an der konvex gekrümmten
Fläche der ersten Linse 3 an. An das andere Ende schließt sich ein einstückig mit
dem zylindrischen Gehäuse 4 ausgebildeter Träger 5 an.
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Das zylindrische Gehäuse 4 enthält in dem sich an den konischen Träger
5 anschließenden Endabschnitt eine Halterung 6, welche eine vorzentrierte Lichtquelle
7, bei der es sich im Ausführungsbeispiel um eine LED handelt, auf die Längsachse
des zylindrischen Gehäuses 4 ausrichtet. Der sich an die erste Linse 3 anschließende
Endabschnitt des zylindrischen Gehäuses 4 ist als Fassung für eine plankonvexe Linse
8 ausgebildet, deren konvexe Seite an der konvexen Seite der ersten Linse 3 anliegt.
Beide Linsen 3 und 8 bilen eine Projektionsoptik, deren optische Achse in der Längsachse
des zylindrischen Gehäuses 4 liegt, auf die auch exakt der aus der Lichtquelle 7
austretende Strahl ausgerichtet ist. Die Projektionsoptik, die durch eine von der
Halterung 6 getragene dritte Linse ergänzt sein kann, projiziert eine rotationssymmetrische
Marke auf diejenige Stelle der Oberfläche 1, deren Abstand von der Meßvorrichtung
ermittelt werden soll. Da die Meßvorrichtung auf einer definierten Bahn bewegt werden
kann, kann mit ihrer Hilfe auch das abgetastete Profil der Oberfläche 1 bestimmt
werden.
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Der zwischen der Innenwandfläche des Außengehäuses 2 und der Außenmantelfläche
des zylindrischen Gehäuses 4 liegende Ringbereich der ersten Linse 3 gibt den Randstrahlen
des Strahlenbündels, das die Oberfläche 1 infolge der Projektion der Marke reflektiert,
einen Verlauf, der zumindest annähernd parallel ist zur Längsachse des Außengehäuses
2. Es entsteht deshalb im Zwischenraum zwischen dem zylindrischen Gehäuse 4 und
dem Außengehäuse 2 ein ringförmiges Strahlenbündel, das auf die konvexe Oberfläche
einer ringförmigen, plankonvexen Linse 9 fällt, die das sich an den Träger 5 anschließende
Ende des zylindrischen Gehäuses
4 umgibt und im Außengehäuse 2
zentriert ist. Dadurch zein= triert die Linse 9 auch das zylindrische Gehäuse 4.
Eine in geringes Abstand vor der konvexen Oberfläche 9 angeordnete Ringblende 10
blendet die Randstrahlen des ringförmigen Strahlenbündes aus.
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(De ringförmige Linse 9, welche zusammen mit der ersten Linse 3 eine
nicht-gaußsche Abbildungsoptik bildet, schafft durch ihren Abstand von der Linse
3 den erforderlichen Einbauraum für die Projektionsoptik und deren Lichtquelle.
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Die ringförmige Linse 9 gibt den aus ihr auf der der Linse 3 abgekehrten
Seite austretenden Strahlen einen konvergierenden Verlauf, wobei der Winkel, den
diese Strahlen mit der optischen Achse einschließen, vom Abstand zwischen der Meßvorrichtung
und derjenigen Stelle der Oberfläche 1 abhängt, auf die die Marke projiziert wird,
weil dieser Abstand die Bildweite festlegt, die ihrerseits von dem genannten Winkel
abhängt.
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Wie Figur 3 zeigt, ist in dem konvergierenden Abschnitt der die Marke
abbildenden Strahlen dort, wo das Stahlenbündel seine Taille hat,eine Spiegellochblende
11 konzentrisch zur optischen Achse und in einer von der optischen Achse lotrecht
durchstoßenen Ebene im Außengehäuse 2 angeordnet. Die Spiegelschicht liegt auf der
der ringförmigen Linse 9 zugekehrten Seite. An die der Linse 9 abgekehrte Seite
schließt sich eine im Außengehäuse 2 festgelegte Halterung 12 für eine Photodiode
13 an, auf deren lichtempfindliche Fläche diejenigen Strahlen fallen, welche durch
das Loch der Spiegellochblende 11 hindurchfallen. Eine zweite Photodiode 14 ist
im konischen Träger 5 gehaltert, und zwar in der Art, daß ihre lichtempfindliche
Fläche der Spiegellochblende 11 zugekehrt ist. Beide Photodioden 13 und 14 liegen
in der Längsachse des Außengehäuses 2 und damit in der optischen Achse der Abbildungsoptik.
Die Photodiode 14 wird von denjenigen Strahlen beaufschlagt, welche von der Spiegellochblende
11 reflektiert werden.
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Der Abstand der Spiegellochblende 11 von der ringförmigen Linse 9
und die Größe ihres Loches sowie die Positionen der Photodioden 13 und 14 bezDglich
der SpiRellochklßnds 11 nind so gewählt, daß bei einem Abstand der Meßvorrichtung
von der Oberfläche 1, der in der Mitte des Meßbereichs liegt, die Hälfte des aus
der ringförmigen Linse 9 austretenden Lichts auf die Photodiode 13 und die andere
Hälfte auf die Photodiode 14 fällt. Bei größeren Abständen zwischen der Meßvorrichtung
unci der Oberfläche 1 ist der auf die Photodiode 13 fallende Teil des Strahlenbündels
entsprechend kleiner, während der reflektierte und auf die Photodiode 14 fallende
Teil entsprechend größer ist. Sind die Abstände hingegen kleiner, dann erhöht sich
die Beleuchtungsintensität der Photodiode 13 auf Kosten der Beleuchtungsintensität
der Photodiode 14.
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Durch eine Differenzbildung der beiden von den Photodioden 13 und
14 erzeugten Signale kann deshalb ein Signal erzeugt werden, dessen Größe ein Maß
für den Abstand zwischen der Meßvorrichtung und der Meßstelle auf der Oberfläche
1 darstellt, wobei durch die Differenzbildung sich unterschiedliche Intensitäten
des Projektionslichtstrahls und unterschiedliche Reflexionsbedingungen nicht auf
das Meßergebnis auswirken können.
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Statt einer Aufteilung des aus der Abbildungsoptik austretenden Strahlenbündels,
wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3 der Fall ist, kann man aber
auch die aus der Abbildungsoptik austretenden Strahlen direkt auf die lichtelektrische
Wandlereinrichtung fallen lassen. Letztere kann, wie Figur 4 zeigt, eine rotationssymetrische
Ausbildung haben und dort koaxial zur optischen Achse der Abbildungsoptik angeordnet
sein, wo die aus ihr austretenden Strahlen sich schneiden und die punktförmige Marke
in einem Ring abbilden. Da sich diese Ringzone bei einer Änderung der Entfernung
zwischen der Meßvorrichtung und der Oberfläche des Prüflings in Richtung der optischen
Achse verschiebt und außerdem ihren Durchmesser verändert, besteht die in Figur
4 rotadargestellte lichtelektrische Wandlereinrichtung 20 aus einem
rotationssyme
trischen Trägerkörper 21, dessen Länge mindesSens^5 gleich der Länge des Verschiebebereichs
der Ringzone innerhalb des Meßbereiches ist und dessen sich in Richtung seiner Längsachse
Gnderender Durchmesser zumindest annähernd auf den Durchmesser der die Abbildung
der Marke darstellenden Ringzone bei unterschiedlichen Bildweiten abgestimmt ist.
Der Trägerkörper 21 trägt auf seiner Oberfläche in axialer Richtung nebeneinander
seperate, ringförmige Phototsensoren 22 der im übrigen nicht dargestellten lichtelektrischen
Wandlereinrichtung. Da die Signalgröße der Photosensoren 21 von der Beleuchtungsintensität
abhängt, erzeugt derjenige Photosensor das größte elektrische Signal, der in der
durch die Schnittpunkte der Lichtstrahlen gebildeten Ringzone liegt. Da jeder der
Photosensoren 22 einer bestimmten Bildweite und damit auch einer bestimmten Entfernung
zwischen der Meßvorrichtung und der Oberfläche entspricht, kann diese Entfernung
mit einer von der axialen Erstreckung der Photosensoren 22 abhängigen Genauigkeit
ermittelt werden.
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Wie Figur 5 zeigt, kann der lichtelektrische Wandler auch eine kreiszylindrische
Mantelfläche haben. Weiterhin zeigt Figur 5, daß anstelle der ringförmigen Photosensoren
22 auf den Träger 23 auch in Richtung einer Mantellinie sich erstreckende Reihen
von einzelnen Photosensoren 24 aufgebracht sein können, wobei es sich bei diesen
Photosensoren 24 auch um Photosensoren mit ebener Empfangsfläche handeln kann. Es
wäre sogar möglich, wie noch in Verbindug mit Figur 26 erläutert werden wird, die
Photosensoren als sich über die gesamte Trägerlänge erstreckende Streifen auszubilden.
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Eine andere Ausbildung der konzentrisch zur optischen Achse der Abbildungsoptik
angeordneten und sich über den Variationsbereich der Bildweite in Richtung der optischen
Achse erstreckenden lichtelektrichen Wandlereinrichtung 25 zeigt Figur 6. Der zylindrische,
massive oder rohrförmige Träger 26 trägt im Abstand voneinander Scheiben 27, die
auf der der Abbildungsoptik zugekehrten Seite in ihrem äußeren Randbereich je einen
ringförmigen Photo-
J sensor 28 tragen. Innerhalb des Photosensors
28 kann auf jeder Scheibe 27 eine Elektronik angeordnet sein, welche beispielsweise
den erforderlichen Verstärker, einen Speicher und andere erforderlichen Komponenten
aufhält. Ferner kann, wie Figur 6 zeigt, der Träger 26 die erforderlichen Anschlüße
29 tragen.
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Wie die Figuren 7 bis in zeigen, kann man, wie dies auch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß Figur 3 der Fall ist, in den Strahlengang zwischen der Abbildungsoptik und
der lichtelektrischen Wandlereinrichtung eine Lichtleiteinrichtung anordnen. Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 besteht diese Lichtleiteinrichtung 30 aus
koaxial zur optischen Achse und in deren Richtung nebeneinander angeordneten, scheibenförmigen
Prismen, welche die von der Abbildungsoptik 31 kommenden Strahlen reflektieren und
auf eine ebene Sensorfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung 32 werfen,
die zwischen Abbildungsoptik 31 und Lichtleiteinrichtung 30 so angeordnet ist, daß
die optische Achse lotrecht zur Empfangsfläche verläuft. Welches der Prismen die
Strahlen reflektiert, hängt von der Bildweite ab. Aufgrund des Durchmessers des
auf der Empfangsfläche der lichtelektrischen Wandlereinrichtung 32 abgebildeten
Ringes der von der Bildweite abhängt, kann die zu bestimmenden Entfernung ermittelt
werden. Hierzu kann, wie die Figuren 13 und 14 zeigen, die Empfangsfläche der lichtelektrischen
Wandlereinrichtungen 32 aus einem Raster einzelner Photosensoren oder aus konzentrisch
angeordneten, ringförmigen Photosensoren bestehen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 besteht die Lichtleiteinrichtung
aus einzelnen, konzentrisch zur optischen Achse und in deren Längsrichtung versetzt
angeordneten, ringförmigen Spiegeln 32 deren Spiegel fläche einen sehr flache Kegelstumpf
definiert, um optimale Reflektionsverhältnisse zu erzielen. Der Außendurchmesser
der Spiegel 33 ist dabei so gewählt, daß dann, wenn die Bildweite gleich dem Abstand
einer der Spiegel von der Abbildungsoptik ist, der benachbarte, der Abbildungsoptik
näherliegende Spiegel keine oder möglichst wenige Strahlen des Strahlenbündels
ablenkt.
Jedem der Spiegel 33 ist ein auf der optischen Achse angeordneter, scheibenförmiger
Photosensor 34 zuges-dnet, der an der der Abbildungsoptik abgekehrten Seite des
benacobarten Spiegels angeordnet sein kann und dadurch keinen separaten Träger benötigt.
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Wie Figur 9 zeigt ist es auch möglich, einen hohlzylindrischen Träger
35 hoher Lichtdurchlässigkeit vorzusehen, der auf seiner Außenmantelfläche in axialer
Richtung nebeneinander ringförmige Prismen 36 trägt, die auch an den Trägern 35
angeformt sein können. Diese Prismen 36 haben eine von den aus der Abbildungsoptik
kommenden Strahlen zumindest annähernd lotrecht beaufschlagte Fläche, und sie lenken
die Strahlen radial nach innen durch den Träger 35 hindurch zu den dort in axialem
Abstand voneinander angeordneten scheibenförmigen Phototsensoren 37. Auch hier kann
wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 die Bildweite und damit die zu bestimmende
Entfernung aufgrund desjenigen Photosensors 37 ermittelt werden, welcher mit der
größten Beleuchtungsintensität beaufschlagt wird. Analog zu der möglichen Ausbildung
der Lichtleiteinrichtung 30 als FRESNEl-Spiegel können die Prismen 36 durch FRESNEL-Linsen
gebildet sein.
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Die Figuren 11 und 10 zeigen, daß die ringförmigen Spiegel 38 bzw.
die ringförmigen Prismen 39 unmittelbar auf der lichtelektrischen Wandlereinrichtung
angeordnet sein können, die in diesem Falle aus einem rotationssymetrischen Träger
und ringförmige Photosensoren 40 besteht, deren Sensorfläche die Außenmantelfläche
des rotationasymetrischen Körpers zumindest teilweise bildet. Gegenüber einer unmittelbaren
Beaufschlagung der Sensorfläche, die an sich auch möglich wäre, wie dies die Figuren
4 und 5 zeigen, erreicht man durch die Spiegelung oder Brechung einer günstigeren
Einfallswinkel und damit eine höhere Beleuchtungsintensität der Photosensoren.
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Anstatt die Bildweite aufgrund des Abstandes des Bildes von der Abbildungsoptik
zu ermitteln, kann man die zu messende Entfernung
auch aufgrund
des Durchmessers bestimmen, welchen die die Abbildung der Marke darstellende Ringzone
oder Taille des Strahlenbündels hat. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 12
und 13 weist deshalb die lichtelektrische Wandlereinrichtung 41 eine ebene Sensorfläche
auf, zu der die optische Achse der Abbildungsoptik 42 lotrecht verläuft. Die Sensorfläche
ist aus einzelnen Photosensoren 43 zusammengesetzt, welche rechtwinklig zueinander
verlaufende Zeilen und Reihen, also eine Matrix, bilden. Mittels einer Elektronik
läßt sich aufgrund der Signale der einzelnen Photosensoren 43 der Durchmesser des
Strahlenbündels ohne Schwierigkeiten ermitteln.
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Wie Figur 14 zeigt, wäre es selbstverständlich auch möglich, Photosensoren
44 in Form konzentrischer Ringe anzuordnen. Die Ermittlung des Durchmessers des
auf dieser Sensorfläche abgebildeten Ringes ist hier einfacher als bei einer Matrix.
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Sofern beispielsweise außer Raumgründen die lichtelektrische Wandlereinrichtung
nicht direkt mit den von der Abbildungsoptik kommenden Strahlen beaufschlagt werden
kann, kann man eine Lichtleiteinrichtung 45 verwenden, die aus koaxial angeordneten
rohrförmigen Lichtleitern 46 besteht. Diese Lichtleiter 46 sind, wie Figur 15 zeigt,
an ihrem einen Ende in Achsrichtung versetzt so angeordnet, daß das jeweils im Durchmesser
kleinere Rohr über das im Durchmesser größere Rohr ein Stück weit übersteht. Dieses
gestufte Ende der Lichtleiteinrichtung 45 wird in der optischen Achse der Abbildungsoptik
in demjenigen Bereich angeordnet, in dem die Taille des Strahlenbündels bei unterschiedlichen
Entfernungen liegt. Abhängig von der Entfernung werden dann die Stirnflächen der
Lichtleiter 46 mit stark unterschiedlicher Intensität beleuchtet, wobei die größte
Beleuchtungsintensität derjenigen Stelle entspricht, an der die Marke abgebildet
wird, das Strahlenbündel also seine Taille hat. Am anderen Ende der Lichtleiter
46 läßt sich dann mittels einer lichtelektrischen Wandlereinrichtung 41 oder einer
lichtelektrischen Wandlereinrichtung gemäß Figur 14 aus dem Durchmesser der Ringzone
die gesuchte Entfernung
bestimmen.
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m rotz einer rotationasymetrischen Lichtleiteinrichtung 47, welche
wie die Lichtleiteinrichtung 45 ausgebildet sein kann, eine einfache li-chtelektrische
Wandlereinrichtung 48 verwenden zu können, die von allen von der Lichtleiteinrichtung
weitergeleiteten Strahlen beaufschlagt wird, kann man das für den Lichtaustritt
vorgesehene Ende der rotationasymetrischen Lichtleiteinrichtung abschrägen, wobei
die Winkel dieser Abschrägung so gewählt werden müssen, daß ein Lichtaustritt nur
in einer einzigen, vom Zentrum zum äußeren Rand sich erstreckenden Zone erfolgt,
im übrigen jedoch das Licht so von der Schrägfläche reflektiert wird, daß es zu
dieser Zone gelangt. Die lichtelektrische Wandlereinrichtung 48 kann dann als Linearsensor
ausgebildet sein.
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Sofern man die rohrförmigen Lichtleiter aus einer schneidfähigen Folie
oder dergleichen herstellt, kann man, wie Figur 18 zeigt, das Lichtaustrittsende
durch Schnitte, die in Richtung je einer Mantellinie verlaufen, in Streifen 49 unterteilen,
welche an ihrem freien Ende gebündelt sind. Auch hier genügt dann die Verwendung
eines Linearsensors 50.
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Die gleiche Möglichkeit bildet eine Lichtleiteinrichtung 51 die aus
einzelnen, strangförmigen Lichtleitern 52 kombiniert ist. Das eine Ende der einzelnen
Lichtleiter 52 kann hier, wie Figur 20 zeigt, in einer Ringzone angeordnet sein.
Sofern zwei konzentrische Bündel genügen, was bei dem Ausführungsbeispiel gemäß
den Figuren 19 und 20 angenommen ist, hat man in diesem Falle auch die Möglichkeit,
alle Lichtleiter des äußeren Bündels und andererseits alle Lichtleiter des anderen
Bündels zu bündeln und das von ihnen weitergeleitete Licht zwei Photosensoren 53
zuzuleiten, bei denen es sich um einfache Photosensoren mit ebener Empfangsfläche
handeln kann.
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Eine andere Ausführungsform einer Lichtleiteinrichtung 61, welche
in der Lage ist, das Licht verschiedener Ringzonen zu bündeln, zeigt Figur 21. Die
Lichtleiteinrichtung 61 besteht aus mehreren, ineinander gesteckten Lichtleitern
62 in Form je eines Kegels, wobei die einzelnen Kegel aneinander anliegen können.
Der Kegelwinkel ist so gewählt, daß die der Abbildungsoptik zugekehrte, ringförmige
Stirnfläche am offenen Ende der Kegel zumindest nahezu lotrecht von den auftrefenden
Strahlen beaufschlagt wird.
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Zweckmäßigerweise wird die Kegelhöhe so gewählt, daß die vom Licht
beaufschlagte Außenmantelfläche der Lichtleiteinrichtung 61 Stufen bildet. Hierdurch
liegen die der Abbildungsoptik zugekehrten Enden der Lichtleiter in unterschiedlichen
Abständen von der Abbildungsoptik, so daß sich die Bildweite unmittelbar daraus
ergibt, welcher der Lichtleiter 62 mit der höchsten Beleuchtungsintensität beaufschlagt
wird. Die Lichtleiter 62 weisen statt einer Kegelspitze eine Abflachung auf, an
der je ein Photosensor 63 anliegt.
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Eine Lichtleiteinrichtung, welche in ihrer Wirkung mit derjenigen
gemäß den Figuren 15 und 16 vergleichbar ist, die jedoch wesentlich einfacher herzustellen
ist, zeigen die Figuren 22 und 23.
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Diese Lichtleiteinrichtung 64 ist aus einer dreieckförmigen oder trapezförmigen
Folie gewickelt. Hierdurch erhält das eine Ende der Lichtleiteinrichtung 64 eine
Kegelstumpfform mit Stufen, an denen die von der Abbildungsoptik kommenden Strahlen
in die Lichtleiteinrichtung eintreten können. Am anderen Ende erhält man dann einen
ringähnlichen Bereich maximaler Helligkeit, aus dem der Durchmesser der Abbildung
der Marke und die Entfernung zwischen der Vorrichtung und der Marke ermittelt werden
können.
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Sofern die lichtelektrische Wandlereinrichtung nur aus einem ebenen
Linearsensor 65 bestehen würde, würde sie, wie Figur 24 zeigt, nur von einem Teil
von der Abbildungsoptik 66 kommenden
Strahlen beaufschlagt. Die
Ermittlung der Bildweite ist aber hier besonders einfach, da der Linearsensor 65
aus einer Reihe einzelner Sensoren gebildet sein könnte. Eine bessere Ausnutzung
der von der Abbildungsoptik 66 kommenden Strahlen erhält man dann, wenn man einen
zweiten Linearsensor oder mehr als zwei Linearsensoren so bezüglich der optischen
Achse anordnet, daß die Empfangsflächen jeweils von Teilen des Strahlenbündels beaufschlagt
werden. Man kann jedoch, wenn auch zeitlich versetzt, alle von der Abbildungsoptik
kommenden Strahlen auf eine lichtelektrische Wandlereinrichtung 68 mit ebener Sensorfläche
lenken. Diese lichtelektrische Wandlereinrichtung 68 besteht wie der Linearsensor
63 beispielsweise aus einer Reihe einzelner Photosensoren.
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Eine Realisierung einer solchen Reihe von Photosensoren ist mit einem
CCD-Lineararray möglich. Im Strahlengang zwischen der lichtelektrischen Wandlereinrichtung
68 und der Abbildungsoptik ist in diesem Falle ein Dove-Prisma 69 anzuordnen, das
um die optische Achse rotiert, wie dies durch den Pfeil 70 angedeutet ist.
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Sofern ein Linearsensor Anwendung findet, ist es nicht notwendig,
diesen aus einer Reihe einzelner Photosensoren zu bilden. Die Stelle größter Beleuchtungsintensität
kann auch, wie Figur 26 zeigt, nach einer analogen Meßmethode ermittelt werden.
Es kann dann eine handelsübliche, ebene Photodiode 71 mit Substrat und zwei weiteren
elektrischen Anschlüssen verwendet werden. Die Bestimmung der Stelle größter Beleuchtungsintensität
läßt sich hier aus der Aufteilung des der Diode auf halber Länge zugeführten Stromes
I in die an den beiden Enden abnehmbaren Ströme I1 und I2 bestimmen. Das Verhältnis
von I2 zu I1 gleicht dem Verhältnis von xl zu x2, wobei xl der Abstand der Stelle
größter Beleuchtungsintensität von der Austrittstelle des Stromes I1 und x2 der
entsprechende Abstand von der Austrittstelle des Stromes I2 bedeutet.
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Die Beleuchtungseinrichtung 72 braucht nicht, wie in den Figuren 1
und 3 dargestellt, zwischen den Linsen der Projektionsoptik und
der
Abbildungsoptik angeordnet zu sein. Sofern die Beleuchtungseinrichtung 72 in der
optischen Achse liegt und die lichtelektrische Wandlereinrichtung 73 einen in der
optischen Achse liegenden Durchlaßkanal für den Strahl der Beleuchtungseinrichtung
72 hat, kann mit die lichtelektrische Wandlereinrichtung 73 auch zwischen der Abbildungsoptik
74 und der Beleuchtungseinrichtung 72 anordnen.
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Wie Figur 28 zeigt, ist es aber auch möglich, das Licht der Beleuchtungseinrichtung
75, bei der es sich wie bei der Beleuchtungseinrichtung 72 um einen Laser handeln
kann, in die optische Achse einzuspiegeln. Die Beleuchtungseinrichtung 75 ist daher
aus der optischen Achse heraus versetzt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur
28 wird das Licht der Beleuchtungseinrichtung 75 mittels zweier Spiegel 76 zwischen
der Abbildungsoptik 75 und der lichtelektrischen Wandlereinrichtung 78 eingespiegelt.
Der Einspiegelungspunkt könnte aber auch an einer anderen Stelle der optischen Achse
liegen, also beispielsweise vor der Abbildungsoptik.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur
allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Bestandteile der
Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in
den Ansprüchen erwähnt sind.