DE69116636T2 - Optischer Fühler - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fotosensorvorrichtung, die in der Lage ist, die Form oder Position eines Objekts, das von Interesse ist, auf eine indirekte und genaue Weise zu messen.
- Ein herkömmliches Verfahren zum Messen der Form oder Position eines intessiernden Objekts auf eine indirekte und genaue Weise besteht darin, die mit verschiedenen Fernsehkameras erhaltenen Bildinformationen zu verarbeiten. Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens ist jedoch begrenzt, da es eine komplizierte und schwierig handhabbare Ausrüstung erfordert.
- -Im Gegensatz dazu hat die Verwendung von Faseroptiken zum indirekten Messen der Form oder Position eines interessierenden Objekts den Vorteil, daß eine einfache und kompakte Ausrüstung realisierbar ist.
- Das US-Patent 4 861 131 beschreibt eine Fotosensorvorrichtung zum Bestimmen der Verschiebung eines Objekts relativ zu dem optischen System. Die Fotosensorvorrichtung umfaßt zwei optische Fasern, die jeweils eine Lichtprojektionseinheit und eine Lichtempfangseinheit aufweisen. Eine optische Faser ist zu jeder Seite einer Kondensorlinse und parallel zu deren optischer Achse angeordnet. Ihre jeweiligen Enden, die der Kondensorlinse zugewandt sind, sind in Längsrichtung entlang der optischen Achse gestaffelt, wobei der jeweilige emittierte Lichtstrahl die Ebene des Objekts an unterschiedlichen Positionen trifft. Da jedoch eine Messung der Verschiebung des Objekts mit dem reflektierten Licht bestimmt wird, das von zwei unterschiedlichen Punkten auf der Oberfläche des Objekts kommt, ist ein derartiges Nachweissystem lediglich zum Nachweis von flachen Oberflächen geeignet. Weiter erfordert dieses System auch eine beträchtliche Anzahl von optischen Komponenten und beinhaltet eine aufwendige Kalibrierung.
- Die Figur 7 zeigt einen Faseroptiksensorkopf nach dem Stand der Technik, der allgemein durch 01 bezeichnet ist. Wie gezeigt ist, umfaßt der Sensorkopf 01 eine Lichtprojektionseinheit 02 und eine Lichtempfangseinheit 03, die Seite an Seite angeordnet sind, wobei jedes Element aus vielen optischen Fasern zusammengesetzt ist, die zusammen in genauer Ausrichtung in einem Bündel vorgesehen sind. Wenn die Spitze der Sonde mit einem zu messenden Objekt (oder Ziel) 04 in Berührung steht, kehrt das aus dem Lichtprojektionselement 02 ausgehende Licht zu dem Element zurück, ohne daß es dem Lichtempfangselement 03 eingespeist wird. Wenn andererseits die Sonde von dem Ziel 04 entfernt wird, so daß eine bestimmte Lücke (Sonde-zu-Ziel-Lücke) geschaffen wird, wird das von dem Lichtprojektionselement 02 unter einem bestimmten Strahldivergenzwinkel ausgehende Licht durch das Ziel 04 in dem schraffierten Gebiet so reflektiert, daß es in das Lichtempfangselement 03 eintreten kann. In einer den oben beschriebenen Sensorkopf 01 verwendenden Faseroptiksensorvorrichtung wird die Veränderung in der von dem Ziel 04 reflektierten Lichtmenge festgestellt, um kleine Verschiebungen des Ziels oder seiner Form oder Position zu messen. Wie in der Figur 7 gezeigt ist, ist die Lichtprojektionseinheit des Sensorkopfes 01 von der Lichtempfangseinheit getrennt, und diffuses Licht wird von der Projektionseinheit emittiert. Da die Lichtempfangseinheit nur das Licht empfängt, das von dem schraffierten Gebiet auf dem Ziel reflektiert wird, ist die Auflösungskraft des Sensorkopfes 01 in der Richtung einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse kleiner als in der axialen Richtung.
- Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Fotosensorvorrichtung zu schaffen, die die Nachteile von Vorrichtungen nach dem Stand der Technik überwindet und eine indirekte Messung der Form oder Position eines Ziels ermöglicht, wobei sich die Vorrichtung durch eine einfache und kompakte Anordnung auszeichnet, und die dennoch eine hohe Auflösungskraft in dreidimensionalen Richtungen aufweist.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eine Fotosensorvorrichtung mit den in Anspruch 1 dargelegten Merkmalen. Alternativ dazu umfaßt die Fotosensorvorrichtung die in Anspruch 4 dargestellten Merkmale.
- In den Zeichnungen zeigen:
- Fig.1 eine Darstellung, die schematisch die erfindungsgemäße Fotosensorvorrichtung zeigt;
- Fig.2 eine Darstellung, die schematisch eine Fotosensorvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungform zeigt;
- Fig.3 die Endfläche einer optischen Verbindungsvorrichtung, an der die Kemmittenposition von optischen Fasern gemessen wurde;
- Fig.4 (a), (b) Darstellungen, die ein Verfahren zum Bestimmen der Kante einer V-förmigen Vertiefung veranschaulichen;
- Fig.5 eine Tabelle, die die Wiedergabegenauigkeit der Kernmittenposition mit der erfindungsgemäßen Fotosensorvorrichtung auflistet;
- Fig.6 eine charakteristische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Abstand von dem Sensorkopf zu einem ebenen Spiegel und die von dem Spiegel reflektierte Lichtmenge zeigt; und
- Fig.7 eine Darstellung, die schematisch den Aufbau eines faseroptischen Sensorkopfes nach dem Stand der Technik zeigt.
- Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schematisch in der Figur 1 gezeigt. Von einer optischen Faser A projiziertes diffuses Licht wird in einen konvergenten Strahl mittels einer Kondensorlinse D umgewandelt, und durch Anordnung eines Ziels C im Brennpunkt des konvergenten Strahls kann das von jedem kleinen Abschnitt auf dem Ziel C reflektierte Licht festgestellt werden. Der erfindungsgemäße Fotosensor, der auf die oben beschriebene Weise arbeitet, weist den Vorteil auf, daß er eine hohe Auflösung nicht nur in der Richtung der optischen Achse sondern auch in der Richtung einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse sicherstellt.
- Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nachfolgend im einzelnen in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen 2 bis 6 beschrieben.
- Die Figur 2 zeigt eine Fotosensorvorrichtung gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. In Figur 2 ist durch das Bezugszeichen 1 eine Lichtquelle in Form eines Halbleiterlasers gezeigt, die durch eine Treiberschaltung 2 angesteuert wird, um Licht bei einer Wellenlänge von 830 nm zu emittieren, und die unter einer Frequenz von 10 kHz moduliert ist. Das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht wird durch eine optische Faser 3 zu einem optischen Drei-dB-Koppler 4 geführt, wo es in zwei Strahlen aufgespalten wird, von denen einer in eine optische Faser 5 abgegeben wird, und der andere in eine optische Faser 6. Alle in der hier diskutierten Ausführungsform verwendeten optischen Fasern sind vom Gradientenindex- (GI) Typ und weisen einen Kerndurchmesser von 50 um auf. Der durch die optische Faser 5 fortschreitende Strahl kann in einen Sensorkopf 7 gelangen, wo er durch eine Kondensorlinse (Gradientenindexlinse) 8 focussiert und als konvergenter Strahl auf ein Ziel 9 projiziert wird. Das von dem Ziel 9 reflektierte Licht wird durch die Kondensorlinse 8 gesammelt und wieder in die optische Faser 5 eingespeist, wo es dem optischen Koppler 4 zugeführt wird, der es in zwei Strahlen aufteilt, von denen einer in die optische Faser 3 und der andere in die optische Faser 10 eingespeist wird.
- Das aus der optischen Faser 10 austretende Licht wird durch einen Detektor 11a detektiert, der die von dem Ziel 9 reflektierte Lichtmenge mißt, wogegen das aus der optischen Faser 6 austretende Licht durch einen Detektor 11b detektiert wird, der die auf das Ziel 9 projizierte Lichtmenge mißt. Die gemessenen Lichtmengen werden jeweils durch Lock-In-Verstärker 12a und 12b verstärkt. Die verstärkten Signale werden in einen Computer 13 eingespeist, der auf Grundlage des Verhältnisses dieser beiden Signale den Reflexionsgrad an dem Punkt auf dem Ziel 9 bestimmt, auf den der konvergente Lichtstrahl projiziert wird.
- Der Sensorkopf 7 ist auf einer dreiachsigen Positioniervorrichtung 14 angebracht, die in drei Richtungen X, Y und Z mittels des Computers 13 über eine Steuereinrichtung 15 bewegbar ist. Die dreiachsige Positioniervorrichtung 14 ist mit einer linearen Kodierungsvorrichtung für jede Achse ausgestattet, und der Computer 13 ist in der Lage, die Position für jede Achse auf richtige Weise abzulesen.
- Das Ziel 9 ist eine optische Verbindungsvorrichtung 17 mit acht Fasern. Die Endfläche 18 der Verbindungsvorrichtung 17 ist von der in der Figur 3 gezeigten Art und bildet eine glatte Ebene mit dem Maß 3 mm x 6,4 mm. Der Kunststoffteil 19 der Verbindungsvorrichtung 17 weist zwei Durchgangslöcher 20 (in der Größe von 0,69 mm) zum Einführen von Führungsstiften auf. Der Silikonteil 21 weist zum Fixieren der optischen Fasern 22 acht V-förmige Rillen 23 auf, die einen Abstand von 250 um aufweisen. Die einzelnen optischen Fasern 22 (Außendurchmesser 125 um) werden in Berührung mit den V- förmigen Rillen 23 mittels eines Haftstoffs fixiert. Somit ist die Lücke zwischen jeder optischen Faser 22 und der V- förmigen Rille 23, in der sie fixiert ist, mit einem Haftstoff aufgefüllt.
- Mit der oben beschriebenen Vorrichtung wurde ein Experiment ausgeführt, um die Mitte des Kerns einer jeden optischen Faser 22 durch Erkennen der Form der Endfläche 18 der optischen Verbindungsvorrichtung 17 zu bestimmen. Zuerst wurde die optische Verbindungsvorrichtung 17 auf solche Weise fixiert, daß die Endfläche 18 senkrecht zu der optischen Achse des Sensorkopfes 7 war. Dann wurde die dreiachsige Positioniervorrichtung 17 auf solche Weise bewegt, daß das durch die Kondensorlinse 8 projizierte Licht an einer geeigneten Position auf der Endf läche 18 der Verbindungsvorrichtung fokussiert werden würde. Die dreiachsige Positioniervorrichtung 14 wurde in die Richtung der Z-Achse auf solche Weise ausgerichtet, daß der Detektor 11a eine maximale Menge von reflektiertem Licht feststellen würde. Nachfolgend wurde unter Feststellung der auf die Endfläche 18 der Verbindungsvorrichtung projizierten Lichtmenge und der davon reflektierten Lichtmenge der Silikonteil 21 der Endfläche 18 durch Bewegen der dreiachsigen Positioniervorrichtung 14 um Schritte von 45 um und 2 um jeweils in den Richtungen der X- und Y-Achsen abgetastet. Während des Abtastens speicherte der Computer 13 die Werte des Reflexionsgrades an den jeweiligen Abtastpunkten auf der Endfläche 18 der Verbindungsvorrichtung wie auch die durch die Kodierungsvorrichtungen gelesenen Werte an diesen Punkten in den Richtungen der X- und Y-Achsen.
- Der Silikonteil 21 der Endfläche 18 der Verbindungsvorrichtung weist einen höheren Reflexionsgrad auf als die optischen Fasern 22 oder der Haftstoff, so daß durch Verarbeitung der erhaltenen Daten mit einem geeigneten Schwellwert, der für die Stärke des Reflexionsgrades eingestellt wird, die Form der Kanten einer jeden V-förmigen Rille 23 festgestellt werden konnte. Wenn der Reflexionsgrad an jedem Punkt auf der Endfläche 18 der Verbindungsvorrichtung in acht Abstufungswerten durch Bildverarbeitung der Daten dargestellt wurde, stellte sich heraus, daß der Silikonteil 21 einen höheren Reflexionsgrad aufwies als der Kunststoffabschnitt 19, und die V-förmigen Rillen 23, die die optischen Fasern 22 und den Haftstoff enthielten, die jeweils einen geringeren Reflexionsgrad als der Silikonteil 21 aufwiesen, wurden erkannt.
- Die somit erhaltenen Daten für die Gebiete in der Nähe der V- förmigen Rillen 23 wurden in größeren Einzelheiten analysiert, um die Position der Mitte des Kerns einer jeden optischen Faser 22 zu bestimmen. Bisher wurden die Kanten der V- förmigen Rillen 23 durch gerade Linien angenähert, wie in den Figuren 4 (a) und 4 (b) gezeigt ist. Ein Maximalwert (Max) des Reflexionsgrades an dem Silikonteil 21 und ein Minimalwert (Min) des Reflexionsgrades an den optischen Fasern 22 oder dem Haftstoffbereich wurden unter Verwendung von Min + (Max - Min)/8 als binärer Schwellwert bearbeitet zur Erkennung der Kanten der V-förmigen Rillen 23. Die Größe jeder V- förmigen Rille wurde kleiner ermittelt als sie tatsächlich war. Wenn jedoch die Position der Mitte des Kerns jeder optischen Faser 22 unter der Annahme berechnet wurde, daß jede optische Faser in die V-förmige Rille 23, in der sie fixiert ist, einbeschrieben ist, konnte die Position der Kemmitte mit einer Genauigkeit von < 5 um festgestellt werden, wie in der Tabelle der Figur 5 aufgeführt ist.
- In der diskutierten Ausführungsform wird die Endfläche einer optischen Verbindungsvorrichtung als das Ziel für eine Messung verwendet. Man sollte jedoch natürlicherweise verstehen, daß die Form oder Position von anderen Zielen auf gleiche Weise meßbar ist, wenn der Schweliwert geeignet abgewandelt wird. In der Ausführungsform werden GI-Fasern mit einem Kerndurchmesser von 50 um verwendet, wobei jedoch Messungen mit höherer Auflösung unter Verwendung von Einmoden- (Single- mode; SM) Fasern eines kleineren Kerndurchmessers (< 10 um) erzielbar sind.
- Das gleiche wie oben beschriebene Verfahren kann auf ein ebenes Ziel zum Feststellen jeglicher Unregelmäßigkeiten oder Defekte auf seiner Oberfläche oder zum Messen seiner Oberflächenrauhigkeit angewendet werden. In diesem Fall wird der Sensorkopf zweidimensional parellel zu der Ebene der Oberfläche des Ziels zur Abtastung bewegt und die von der Zieloberfläche reflektierte Lichtmenge wird aufgezeichnet.
- Zum Ermitteln der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Fotosensorvorrichtung wurde zudem ein Experiment ausgeführt mit der Ausrüstung, die zu der in der Figur 2 gezeigten gleich ist, mit der Ausnahme, daß ein ebener Spiegel als Ziel anstelle der optischen Verbindungsvorrichtung verwendet wurde. Zuerst wurde der ebene Spiegel senkrecht zu der optischen Achse des Sensorkopfes 7 fixiert. Unter Projektion von Licht von dem Sensorkopf 7 auf den ebenen Spiegel wurde die 3-achsige Positioniervorrichtung 14 lediglich in der Richtung der Z-Achse bewegt, um die Beziehung zwischen dem Abstand von dem ebenen Spiegel zu dem Sensorkopf 7 und die von dem Spiegel reflektierte Lichtmenge zu untersuchen. Die Figur 6 zeigt die Ergebnisse einer Messung, die mit der Ausrüstung ausgeführt wurde, die zu der in der Figur 2 gezeigten Anordnung gleich ist, mit der Ausnahme, daß die Gradientenindexfasern durch Einmodenfasern ersetzt wurden. Die horizontale Achse des in der Figur 6 gezeigten Graphen gibt den Abstand zwischen dem Sensorkopf und dem ebenen Spiegel wieder, und die vertikale Achse gibt den Reflexionsgrad für Licht von dem Spiegel wieder. Wie gezeigt, erhöht sich der Reflexionsgrad von an dem Spiegel reflektiertem Licht abrupt an einem Punkt in der Nähe des Brennpunktes des konvergenten Strahls, der von der Kondensorlinse kommt.
- Unter Ausnützung einer solchen Eigenart des reflektierten Lichts an einem Punkt in der Nähe des Brennpunktes des konvergenten Strahls können keine Verschiebungen in der Richtung der optischen Achse wie auch die Amplitude oder Periode von Schwingungen gemessen werden.
- Berechnungen zeigen, daß die Veränderung in der Lichtmenge, die auftritt bei Abweichung des Abstands von dem Sensorkopf zu dem Ziel gegenüber dem Fall für maximale Lichtaufnahme, sich wie folgt ergibt:
- wobei S die Empfindlichkeit des Fotosensors, 2rmax der Kerndurchmesser der optischen Fasern, tmax der Tangens des maximalen Lichtaufnahmewinkels der Faser und m die Vergrößerung der Kondensorlinse ist.
- Folglich kann zur Erhöhung der Empfindlichkeit für den Nachweis von Verschiebungen der Wert von 2rmax verringert, der von tmax erhöht, und der von m verringert werden. Mit anderen Worten, die Notwendigkeit für eine höhere Empfindlichkeit zur Feststellung von einer Verschiebung kann durch Verwendung einer optischen Faser erfüllt werden, die einen kleineren Kerndurchmesser und einen höheren Brechungsindex aufweist, während die Vergrößerung der Kondensorlinse verringert wird.
- In der in der Figur 2 gezeigten Sensorvorrichtung kann der optische Koppler 4 durch einen Strahlteiler ersetzt werden. Bei Bedarf kann die Treiberschaltung 2 durch den Computer 13 auf solche Weise gesteuert werden, daß jegliche Veränderungen in der Beleuchtungsstärke von der Lichtquelle 1 auf der Grundlage der Ergebnisse der Aufzeichnung der auf das Ziel projizierten Lichtmenge kompensiert werden.
- Wie auf den vorhergehenden Seiten beschrieben wurde, ermöglicht die erfindungsgemäße Fotosensorvorrichtung, daß die Form oder Position von Zielen mit einer einfach aufgebauten Vorrichtung korrekt meßbar sind.
Claims (12)
1. Ein optischer Fühler mit:
einer Lichtquelle (1);
einem Fühlerkopf (7), der eine Lichtprojektionseinheit, eine
Lichtempfangseinheit und eine Kondensorlinse (8) enthält,
wobei die Lichtprojektionseinheit koaxial zu der
Lichtempfangseinheit ist, wobei die Kondensorlinse das Licht von der
Lichtquelle in einen konvergenten Strahl umformt, wobei der
Fühlerkopf das reflektierte Licht erfaßt, nachdem es von
einem Ziel, dessen Ebene senkrecht zu der optischen Achse des
Fühlerkopfes (7) ist, reflektiert und wieder durch die
Kondensorlinse gesammelt worden ist; und
einer Detektorvorrichtung (11a, 11b, 13) zum Detektieren des
reflektierten Lichts, das durch den Fühlerkopf erfaßt worden
ist, um die Verschiebung des Ziels in der Richtung der
optischen Achse zu detektieren, dadurch gekennzeichnet,
daß der Fühlerkopf eine einzige Lichtempfangseinheit und
koaxiale Lichtprojektionseinheit umfaßt;
wobei der von dem Kondensor ausgegebene konvergente
Lichtstrahl auf eine Referenzzielebene fokussiert ist und die
Detektorvorrichtung die Verschiebung des Ziels von der
Referenzzielebene entlang der Richtung der optischen Achse durch
Detektieren einer Veränderung in der Menge des reflektierten
Lichts feststellt.
2. Ein optischer Fühler nach Anspruch 1, wobei die
Detektorvorrichtung einen Reflexionsgrad an kleinen Oberflächen des
Ziels detektiert.
3. Ein optischer Fühler nach Anspruch 1, wobei die
Detektorvorrichtung einen Oberflächenzustand des Ziels detektiert.
4. Ein optischer Fühler mit:
einer Lichtquelle (1);
einem Fühlerkopf (7), der eine Lichtprojektionseinheit, eine
Lichtempfangseinheit und eine Kondensorlinse (8) enthält,
wobei die Lichtprojektionseinheit koaxial zu der
Lichtempfangseinheit ist, wobei die Kondensorlinse derart angeordnet ist,
daß die optische Achse normal zu einem Ziel ist und sie das
Licht von der Lichtquelle in einen konvergenten Strahl
umformt, wobei der Fühlerkopf das reflektierte Licht erfaßt,
nachdem es von dem Ziel reflektiert worden ist und wieder
durch die Kondensorlinse gesammelt worden ist; und
einer Detektorvorrichtung (11a, 11b, 13) zum Detektieren des
reflektierten Lichts, das durch den Fühlerkopf erfaßt worden
ist
dadurch gekennzeichnet, daß
der Fühlerkopf eine einzige Lichtempfangseinheit und koaxiale
Lichtprojektionseinheit umfaßt;
wobei der von dem Kondensor ausgegebene konvergente
Lichtstrahl auf eine glatte Oberfläche des Ziels fokussiert ist;
und
daß weiter vorgesehen ist
eine Vorrichtung (14, 16) zum Bewegen des Fühlerkopfes oder
des Ziels derart, daß der von dem Fühlerkopf ausgehende
konvergente Strahl das Ziel zweidimensional abtastet, wobei der
Abstand von dem Ziel zu dem Fühlerkopf aufrechterhalten wird,
so daß der Fühlerkopf einen maximalen Pegel der reflektierten
Lichtmenge erfaßt.
5. Ein optischer Fühler nach Anspruch 4, wobei die
Detektorvorrichtung den Reflexionsgrad an kleinen Oberflächen des
Ziels detektiert, um die Form des Ziels gemäß dem Unterschied
im Reflexionsgrad zu bestimmen.
6. Ein optischer Fühler nach Anspruch 4, wobei die
Detektorvorrichtung die reflektierte Lichtmenge detektiert, die durch
den Fühlerkopf erfaßt worden ist, um den Oberflächenzustand
des Ziels gemäß dem Unterschied in der reflektierten
Lichtmenge zu bestimmen.
7. Ein optischer Fühler nach Anspruch 4, bei dem die sich
bewegende Vorrichtung einen daran angebrachten, linearen
Codeumsetzer (16) aufweist, und wobei die Detektorvorrichtung
(13) ein Detektionssignal gemäß einer Triggerauslösung durch
einen Zählerimpuls von dem linearen Codeumsetzer abtastet.
8. Ein optischer Fühler gemäß einem der vorhergenden
Ansprüche, bei dem die Transmission von Licht der Lichtquelle zu
dem Fühlerkopf und von dem Fühlerkopf zu der
Detektorvorrichtung durch Faseroptiken ausgeführt ist.
9. Ein optischer Fühler nach Anspruch 8, der weiter eine
Kompensationsvorrichtung umfaßt zum Kompensieren der
Veränderungen im Einstrahlungsniveau von der Lichtquelle durch
Überwachen der Lichtmenge, die auf das Ziel projiziert wird.
10. Ein optischer Fuhler gemäß einem der vorhergenden
Ansprüche, der weiter eine Vorrichtung (4) umfaßt zum Trennen des
von der Lichtquelle (1) zu dem Fühlerkopf (7) zu
übertragenden Lichts von dem Licht, das von dem Fühlerkopf zu der
Detektorvorrichtung (11, 13) zu übertragen ist.
11. Ein optischer Fühler nach Anspruch 10, wobei die
trennende Vorrichtung einen optischen Koppler umfaßt.
12. Ein optischer Fühler nach Anspruch 10, wobei die
trennende Vorrichtung einen Strahlteiler umfaßt.
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DE69116636D1 (de) | 1996-03-07 |
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