DE3714776A1

DE3714776A1 - Optoelektronische messanordnung

Info

Publication number: DE3714776A1
Application number: DE19873714776
Authority: DE
Inventors: Dietmar Klinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-05-04
Filing date: 1987-05-04
Publication date: 1988-11-24

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßanordnung zur Ermittlung der relativen Lage zweier Körper zueinander, wobei von einer an dem Körper angeordneten Strahlenquelle Strahlen ausgehen, die von einem am anderen Körper angeordneten Empfänger empfangen und durch zweidimensionale Empfangsdioden verarbeitet werden.

Aus der DE-OS 33 14 089 ist eine optoelektronische Meßanordnung bekannt, die aus drei, an einem Referenzkörper angeordneten jeweils zweidimensional messenden und durch ihre Flächennormalen ein räumliches Koordinatensystem aufspannenden, positionsempfindlichen Empfangsdioden besteht, auf die im Ruhezustand der Meßanordnung vom Meßkörper aus drei Lichtbündel senkrecht gerichtet sind und aus deren drei Signalpaaren sechs Lagesignale entsprechend den sechs Freiheitsgraden des Meßkörpers angebbar sind. Diese Meßanordnung geht jedoch davon aus, daß Meßkörper und Referenzkörper im unmittelbaren Kontakt stehen. Mit der bekannten Meßanordnung ist es daher nicht möglich, die Lage eines Meßkörpers zu einem Referenzkörper zu bestimmen, wenn beide Körper einen unbekannten Abstand voneinander haben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Meßanordnung zu schaffen, mit der die die relative Lage zweier Körper zueinander beschreibenden Koordinaten meßbar sind, wenn die Körper sich in einem Abstand voneinder befinden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch einen Empfänger mit einer Strahleneintrittsfläche und mit zwei im Strahlengang hintereinander angeordneten und um einen Winkel gegeneinander verdrehten Strahlenteilungswürfeln zur Aufspaltung des einfallenden Hauptstrahles in drei Teilstrahlen, die auf jeweils eine zweidimensionale Empfangsdiode auftreffen, wobei aus den jeweiligen Signalpaaren der drei Empfangsdioden die Lage des Strahleneintrittspunktes auf der Strahleneintrittsfläche sowie der räumliche Einfallswinkel des Hauptstrahles angebbar sind. Dieses bedeutet, daß vier relative Koordinaten der beiden Körper zueinander meßbar sind. Zur vollständigen Beschreibung der relativen Lage der beiden Korper zueinander werden jedoch sechs relative Koordinaten benötigt.

Vorzugsweise sind die beiden Strahlenteilungswürfel um einen rechten Winkel gegeneinander verdreht und jeder Würfel lenkt den Reflexionsstrahl um einen rechten Winkel gegenüber dem einfallenden Hauptstrahl ab.

In Fortbildung der Erfindung wird zur Messung der gegenseitigen Verdrehung der beiden Körper zueinander der Strahl in dem Sender in einen Hauptstrahl und einen Nebenstrahl aufgeteilt, wobei die Lage des Nebenstrahles zum Hauptstrahl durch eine vierte Empfangsdiode im Empfänger meßbar ist.

Verlaufen der Hauptstrahl und der Nebenstrahl parallel zueinander, dann ist nur die Verdrehung der beiden Körper gegeneinander meßbar und der Abstand der beiden Körper voneinder kann nur durch ein optisches Interferometer oder eine Ultraschallmessung bestimmt werden.

Verlaufen der Hauptstrahl und der Nebenstrahl jedoch in einem Winkel zueinander, so ist nicht nur die Verdrehung der beiden Körper gegeneinander sondern auch der Abstand der beiden Körper voneinander nach dem Triangulationsmeßverfahren meßbar.

In weiterer Fortbildung der Erfindung ist die vierte Empfangsdiode um die Empfängerachse drehbar und in ihrem Abstand von der Empfängerachse veränderbar.

Wird ein polarisierter Lichtstrahl oder der kohärente Lichtstrahl eines Lasers verwandt, so ist es auch möglich, die Verdrehung der beiden Körper gegeneinander durch die Messung der hierdurch bedingten Mitdrehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichtstrahles zu messen. Hierdurch ist eine Bestimmung der fünften Koordinate der relativen Lage beider Körper zueinander mit nur einem Lichtstrahl möglich.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben. Es zeigen:

Fig. 1 einen zu vermessenden Industrieroboter Fig. 2 den Aufbau eines Empfängers und

Fig. 3 den Aufbau des Senders.

In Fig. 1 ist ein Industrieroboter R wiedergegeben, der bezüglich seiner Aufstellung und in seinen Funktionsabläufen genau vermessen werden soll. Hierfür ist an seinem Arbeitsarm ein Empfänger 2 angeordnet, auf den von einem Sender 1 zwei Lichtstrahlen, ein Hauptstrahl 11 und ein Nebenstrahl 12, fallen. Der Sender 1 besteht, wie in Fig. 3 wiedergegeben ist, aus einer Lichtquelle 17, die einen Lichtstrahl 10 aussendet. Der Lichtstrahl 10 tritt entweder direkt oder aufgespalten als Hauptstrahl 11 und Nebenstrahl 12 aus dem Sender 1 aus.

In Fig. 2 ist der physikalische Aufbau des Empfängers 2 wiedergegeben. Vom Sender 1 trifft der Lichtstrahl 10, 11 auf eine Strahleneintrittsfläche 21 auf. Diese Strahleneintrittsfläche 21 ist gewöhnlich eine Fläche eines ersten Strahlenteilerwürfels 22. Der Strahlenteilerwürfel 22 hat eine in seinem Inneren verlaufende Strahlenteilerschicht 23, durch die der Lichtstrahl 10, 11 in einen durchgehenden Strahl 13 und einen abgelenkten Strahl 14 aufgeteilt wird. Der Strahl 14 fällt auf eine flächenförmige Empfangsdiode 31, während der die Strahlenteilerschicht 23 durchsetzende Strahl 13 in einen zweiten Strahlenteilerwürfel 24 eintritt. Hier fällt der Strahl 13 wiederum auf eine Strahlenteilerschicht 25, durch die der Strahl 13 in den durchgehenden Strahl 15 und den abgelenkten Strahl 16 aufgeteilt wird. Der durchgehende Strahl 15 fällt auf die flächenförmige Empfangsdiode 32 und der abgelenkte Strahl 16 auf die flächenförmige Empfangsdiode 33. Obgleich die beiden Strahlenteilerwürfel 21, 24 in der Regel um einen rechten Winkel gegeneinander verdreht sind und die abgelenkten Strahlen 14, 16 in Bezug auf den durchgehenden Strahl 10, 11, 13, 15 gleichfalls jeweils rechtwinkelig abgelenkt werden, besteht keine physikalische Notwendigkeit, daß es sich hierbei um rechte Winkel handeln muß.

Fällt der auf die Eintrittsfläche 21 auftreffende Hauptstrahl 10, 11 senkrecht auf den Mittelpunkt der Eintrittsfläche 21, dann fallen die drei Strahlen 14, 15, 16 jeweils auf den Mittelpunkt 311, 321, 331 der zugehörigen Dioden 31, 32, 33. Die Mittelpunkte 311, 321, 331 jeder Diode 31, 32, 33 sind jeweils als Nullpunkt eines auf jeder Diode gedachten Koordinatensystems mit der Abzisse x und der Ordinate y anzusehen.

Trifft der einfallende Strahl 10, 11 nicht in dem Mittelpunkt und/oder unter einem Winkel α auf die Eintrittsfläche 21 auf, so treffen die drei Teilstrahlen 14, 15, 16 ebenfalls außermittig auf die Empfangsdioden 31, 32, 33 auf. Aus den sechs Koordinatenpaaren x, y der drei flächenförmigen Empfangsdioden 31, 32, 33 läßt sich dann mit einer nicht dargestellten EDV-Anlage sowohl der Eintrittspunkt 211 auf der Eintrittsfläche 21 als auch der Eintrittswinkel α zur Eintrittsfläche 21 berechnen.

Dieses bedeutet, daß nur mit einem Strahl 10, 11 in Bezug auf die relative Lage zweier Körper 1, 2 nur eine Verschiebung der Körper parallel zueinander und eine Kippung der Körper gegeneinander meßbar ist.

Um auch eine Verdrehung beider Körper 1, 2 zueinander und ihren gegenseitigen Abstand messen zu können, wird im Sender 1 der Lichtstrahl 10 durch einen Strahlenteilerwürfel 26 mit einer Strahlenteilerfläche 27 in den Hauptstrahl 11 und den Nebenstrahl 12 aufgeteilt. Ein Umlenkspiegel 28 lenkt den Strahl 12 nochmals um, so daß der Nebenstrahl 12 parallel oder nahezu parallel zum durchgehenden Hauptstrahl 11 verläuft. Im Empfänger 2 fällt der Nebenstrahl 12 auf eine vierte Empfangsdiode 34. Läuft der Nebenstrahl 12 parallel zum Hauptstrahl 11 so kann nur eine Verdrehung beider Körper 1, 2 zueinander gemessen werden.

Wird eine Lichtquelle 17 mit einem polarisierten Lichtstrahl oder ein Laser mit einem kohärenten Lichtstrahl als Lichtstrahl 11 verwandt, so ist es auch möglich, die Verdrehung der beiden Körper 1, 2 gegeneinander durch die Messung der hierdurch bedingten Mitdrehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichtstrahles 11 zu messen.

Läuft der Nebenstrahl 12 hingegen, beispielsweise infolge der definierten Kippung des Umlenkspiegels 28 unter einem Winkel zum Hauptstrahl 11, so kann außerdem nach dem Triangulationsmeßverfahren der Abstand zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 2 gemessen werden. Hierzu ist es jedoch notwendig, daß im Empfänger 2 die Empfangsdiode 34 um die Empfängerachse drehbar und in ihrem Abstand von der Empfängerachse veränderbar ist. Damit kann die Empfängerdiode 34 dem Nebenstrahl 12 folgenden.

Als flächenförmige Empfangsdioden 31, 32, 33, 34 lassen sich Quadranten-, Matrix- und Lateraleffektdioden verwenden.

Claims

1. Optoelektronische Meßanordnung zur Ermittlung der relativen Lage zweier Körper zueinander, wobei von einer an dem einen Körper angeordneten Strahlenquelle Strahlen ausgehen, die von einem am anderen Körper angeordneten Empfänger empfangen und durch zweidimensionale Empfangsdioden verarbeitet werden, gekennzeichnet durch einen Empfänger (2) mit einer Strahleneintrittsfläche (21) und mit zwei im Strahlengang (10, 11) hintereinander angeordneten und um einen Winkel gegeneinander verdrehten Strahlenteilungswürfeln (22, 24) zur Aufspaltung des einfallenden Strahles (10, 11) in drei Teilstrahlen (14, 15, 16), die auf jeweils eine zweidimensionale Empfangsdiode (31, 32, 33) auftreffen, wobei die aus den jeweiligen Koordinatenpaaren (x, y) der Auftreffpunkte ermittelten Signalen der drei Empfangsdioden (31, 32, 33) die Lage des Strahleneintrittspunktes (211) auf der Strahleneintrittsfläche (21) sowie die beiden Winkel zur Angabe des räumlichen Einfallswinkels (α) des Hauptstrahles (10, 11) auf der Strahleneintrittsfläche (21) angebbar sind.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlenteilungswürfel (22, 24) um einen rechten Winkel gegeneinander verdreht sind.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Würfel (22, 24) den Reflexionsstrahl (14, 16) um einen rechten Winkel gegenüber dem einfallenden Strahl (10, 11) ablenkt.

4. Meßanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der gegenseitigen Verdrehung der beiden Körper (1, 2) gegeneinander, der Strahl (10) im Sender (1) in einen Hauptstrahl (11) und einen Nebenstrahl (12) aufgeteilt wird, wobei die Lage des Nebenstrahles (12) zum Hauptstrahl (11) durch eine vierte Empfangsdiode (34) im Empfänger (2) meßbar ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrahl (11) und der Nebenstrahl (12) parallel zueinander verlaufen und der Abstand der beiden Körper (1, 2) voneinander durch ein optisches Interferometer oder durch Ultraschallmessung bestimmbar ist.

6. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrahl (11) und der Nebenstrahl (12) in einem Winkel zueinander verlaufen, so daß der Abstand der beiden Körper (1, 2) voneinander nach dem Triangulationsmeßverfahren meßbar ist.

7. Meßanordnung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Empfangsdiode (34) um die Empfängerachse drehbar und in ihrem Abstand von der Empfängerachse veränderbar ist.

8. Meßanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (17) mit polarisiertem Licht zur Erzeugung der Lichtstrahlen.

9. Meßanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Laser als Lichtquelle (17).

10. Meßanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung der beiden Körper (1, 2) gegeneinander durch eine Messung der hierdurch bedingten Mitdrehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichtstrahles (10, 11) meßbar ist.

11. Meßanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerdioden (31, 32, 33, 34) Quadranten-, Matrix- oder Lateraleffektdioden sind.