DE19709310A1 - Optoelectronic adjusting aid for adjusting optical structures, e.g. light barriers esp. photo diodes - Google Patents
Optoelectronic adjusting aid for adjusting optical structures, e.g. light barriers esp. photo diodesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Justierhilfe aus einer Mehr zahl von Photosensoren.The invention relates to an optoelectronic adjustment aid from a multi number of photosensors.
Bei der Justage optischer Aufbauten müssen Lichtstrahlen über meist große Distanzen hinweg durch direkte Ablenkung des Lichtstrahls oder indirekte Ablenkung über Spiegel möglichst genau auf einen Punkt gerichtet werden, an dem sich beispielsweise ein optischer Sensor zur Detektion des Lichts oder ein Spiegel zur Reflexion des Lichts auf einen derartigen optischen Sensor befindet. Beispiele für derartige Aufbauten sind Reflex- und Ein weglichtschranken, Entfernungsmesser und optische Datenübertragungs systeme. Mit dem bloßen Auge kann hierbei aufgrund der großen Distanzen zwischen Lichtquelle und Target nur ungenau justiert werden. Neben den großen Distanzen kommt erschwerend hinzu, daß in derartigen Anlagen oft mit mit bloßem Auge nicht sichtbaren Infrarotlicht gearbeitet wird, so daß eine Justage nach Augenmaß entfällt oder nur mit IR-Sichtgeräten durchgeführt werden kann. In den meisten Fällen ist man daher darauf angewiesen, das am optischen Sensor detektierte Signal zu optimieren, wobei der Sensor allerdings zunächst zumindest teilweise vom Lichtstrahl getroffen werden muß. Dies verlängert die Zeiten zur Einrichtung und Einstellung eines derartigen Systems.When adjusting optical structures, light beams usually have to be large Distances through direct deflection of the light beam or indirect Distraction can be focused as precisely as possible on a point, which is, for example, an optical sensor for detecting the light or a mirror for reflecting the light onto such an optical one Sensor is located. Examples of such structures are reflex and on Path sensors, rangefinders and optical data transmission systems. With the naked eye, this can be due to the large distances between the light source and target can only be adjusted inaccurately. In addition to the Large distances make it difficult that often in such systems working with infrared light not visible to the naked eye, so that adjustment by eye is not necessary or only with IR viewing devices can be carried out. In most cases you are on it instructed to optimize the signal detected at the optical sensor, the sensor, however, initially at least partially from the light beam must be taken. This extends the time to set up and Setting up such a system.
Eine weitere Möglichkeit ist, positionsempfindliche Bauelemente wie z. B. Linienhalbleiter zur Anzeige der Größe der Dejustage zu verwenden.Another option is to position sensitive components such. B. Line semiconductors to display the size of the misalignment.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Justierhilfe für optische Aufbauten zu schaffen, die einfach und kostengünstig zu reali sieren ist und sich insbesondere bei der Justage von Reflex- und Einweg lichtschranken, Entfernungsmessern und optischen Datenübertragungs systemen einsetzen läßt.The invention is therefore based on the object of an adjustment aid for To create optical structures that can be realized simply and inexpensively sieren and is particularly in the adjustment of reflex and disposable light barriers, rangefinders and optical data transmission systems can be used.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optoelektronische Justierhilfe, bestehend aus einer Mehrzahl von Photosensoren, ins besondere Photodioden, und wenigstens einem optischen Signalgeber, insbesondere einer Leuchtdiode, sowie einer Meß- und Auswerteeinheit, wobei die Meß- und Auswerteeinheit imstande ist, die im Beleuchtungsfall durch die Photosensoren fließenden Ströme derart auszuwerten, daß der optische Schwerpunkt des einfallenden Lichts ermittelt und mit einer Soll position verglichen wird sowie der Grad deren Übereinstimmung mittels eines optischen Signalgebers angezeigt wird.The object is achieved by an optoelectronic Adjustment aid, consisting of a plurality of photosensors, ins special photodiodes, and at least one optical signal transmitter, in particular a light-emitting diode and a measuring and evaluation unit, the measuring and evaluation unit is capable of being used in the lighting case to evaluate currents flowing through the photosensors such that the optical focus of the incident light is determined and with a target position is compared and the degree of their agreement using an optical signal generator is displayed.
Damit gibt die Justierhilfe ein für den Anwender auch über große Distanzen sichtbares optisches Signal ab, wenn der optische Schwerpunkt des einfallenden Lichts der vorher festgelegten Sollposition nahe kommt und/oder diese erreicht. Die Stärke des optischen Signals korreliert vorzugsweise mit der Nähe zur Sollposition. Diese Sollposition ist eine feste Position auf der Justierhilfe. Die Justierhilfe wird dann so gehaltert, daß diese Sollposition mit der Position zur Deckung kommt, auf die der Lichtstrahl und insbesondere dessen optischer Schwerpunkt fallen soll. Meist befindet sich also in Strahlrichtung direkt hinter dem durch die Sollposition ausgezeichneten Punkt der optische Sensor z. B. der Licht schranke oder ein auf einen Sensor gerichteter Reflektor, so daß der Licht strahl nach Entfernen der Justierhilfe auf diesen Punkt eingestellt ist und nur noch die Feinjustage mit Hilfe des Sensorsignals erfolgen muß.The adjustment aid thus provides the user with a long distance visible optical signal when the optical focus of the incident light comes close to the predetermined target position and / or achieved this. The strength of the optical signal correlates preferably with proximity to the target position. This target position is a fixed one Position on the adjustment aid. The adjustment aid is then held so that this target position coincides with the position to which the Light beam and especially its optical focus should fall. Most of the time it is in the beam direction directly behind that through the Target position excellent point of the optical sensor z. B. the light barrier or a reflector aimed at a sensor so that the light beam is set to this point after removing the adjustment aid and only the fine adjustment with the aid of the sensor signal has to be carried out.
Vorzugsweise sind die Photosensoren in einer Ebene und symmetrisch zu einem Symmetriezentrum angeordnet, da eine symmetrische Anordnung die Auswertung der Sensorströme und die Zuordnung zu einer räumlichen Position des angesprochenen Sensors vereinfacht. Dieses Symmetrie zentrum stimmt vorzugsweise mit der Sollposition des optischen Schwer punkts überein.The photosensors are preferably in one plane and symmetrical a center of symmetry because of a symmetrical arrangement the evaluation of the sensor currents and the assignment to a spatial one Position of the addressed sensor simplified. This symmetry The center preferably coincides with the target position of the optical gravity points match.
In vorteilhafter Weise sind jeweils n Photosensoren der Justierhilfe zu einer Untereinheit zusammengefaßt, innerhalb derer sie relativ zueinander parallel geschaltet sind. Die Sensorströme Im werden über eine Wider standskette aus n+1 in Reihe geschalteten Widerständen ausgelesen, wobei die durch die Widerstandskette abgeführten Kantenströme Ia und Ib der Meß- und Auswerteeinheit zugeführt werden.Advantageously, n photosensors of the adjustment aid are combined to form a subunit, within which they are connected in parallel relative to one another. The sensor currents I m are read out via a resistance chain of n + 1 resistors connected in series, the edge currents I a and I b discharged by the resistance chain being fed to the measuring and evaluation unit.
Vorzugsweise haben dabei alle Widerstände der Widerstandskette den
gleichen Widerstandswert R. Dies vereinfacht die Auswertung der Sensor
ströme zu Bildung des optischen Schwerpunkts innerhalb der Untereinheit,
da sich bei Durchnumerierung der Sensoren einer Untereinheit die dem
optischen Schwerpunkt entsprechende mittlere Ordnungsnummer m aus
dem Quotienten der Kantenströme ergibt:
All the resistors in the resistor chain preferably have the same resistance value R. This simplifies the evaluation of the sensor currents to form the optical center of gravity within the subunit, since when the sensors of a subunit are numbered, the average order number m corresponding to the optical center of gravity results from the quotient of the edge currents :
n ist dabei die Anzahl der Sensoren. In diesem Fall ist also der Kantenstrom Ia bzw. Ib proportional zur mittleren Ordnungsnummer des Sensors, auf den der optische Schwerpunkt der Lichtverteilung fällt.n is the number of sensors. In this case, the edge current I a or I b is proportional to the average order number of the sensor on which the optical focus of the light distribution falls.
Das Ausgangssignal wird vorzugsweise durch geeignete Verstärker schaltungen mit analogen mathematischen Operationen erzeugt und kann dem optischen Signalgeber beispielsweise als Versorgungsstrom zugeführt werden. Damit ist dieser in der Lage, ein optisches Signal entsprechend der Dejustage abzugeben. Vorzugsweise ist daher jeder Untereinheit wenigstens ein optischer Signalgeber - möglichst jedoch zwei - zugeordnet, dessen Leuchtstärke mit Hilfe des Kantenstroms Ia bzw. Ib oder einem dazu proportionalen Signal gesteuert wird.The output signal is preferably generated by suitable amplifier circuits with analog mathematical operations and can be supplied to the optical signal generator, for example, as a supply current. This enables it to emit an optical signal corresponding to the misalignment. Therefore, each subunit is preferably assigned at least one optical signal transmitter - if possible two - whose luminosity is controlled with the aid of the edge current I a or I b or a signal proportional to it.
Vorteilhaft ist eine Justierhilfe, die nicht nur einen optischen Signalgeber zur Anzeige des Betrags der Dejustage hat, sondern weitere, mit denen eine Richtung der Dejustage signalisiert werden können. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Photosensoren in einer Zeile angeordnet, wobei sich im Symmetriezentrum der Zeile und an den beiden Zeilenenden jeweils ein optischer Signalgeber befindet. Der optische Signal geber im Zentrum zeigt eine zentrierte Justage des optischen Schwerpunkts eines einfallenden Lichtstrahls an und die Signalgeber an den Enden der Zeile eine Dejustage des optischen Schwerpunkts in Richtung des jeweiligen Zeilenendes.An adjustment aid that is not only an optical signal transmitter is advantageous to display the amount of misalignment, but more with which one Direction of misalignment can be signaled. In an advantageous Embodiment of the invention are the photosensors in one line arranged, being in the center of symmetry of the row and on the two An optical signal transmitter is located at each end of the line. The optical signal The encoder in the center shows a centered adjustment of the optical center of gravity of an incident light beam and the signal transmitter at the ends of the Line a misalignment of the optical center of gravity in the direction of the respective Line end.
Vorteilhaft ist weiterhin, zwei derartige Sensorzeilen über Kreuz in einem rechten Winkel und mit einem gemeinsamen Mittelpunkt anzuordnen. Damit können Dejustagen in zwei Dimensionen senkrecht zu Strahlachse erfaßt werden, was im allgemeinen auftritt. Es sind jedoch auch andere, z. B. zielscheibenartige, Anordnungen der Sensoren denkbar.It is also advantageous to have two such sensor lines crosswise in one to arrange at right angles and with a common center. This allows misalignments in two dimensions perpendicular to the beam axis what is generally occurring. However, there are others e.g. B. target-like, arrangements of the sensors conceivable.
Die Anzahl von Photosensoren der Justierhilfe wird je nach Anwendungs zweck gewählt. Um über sehr große Distanzen hinweg zu justieren, ist es zweckmäßig die Fläche der Justierhilfe so groß zu wählen, daß sie aus der Entfernung noch gut sichtbar ist und diese über die volle Länge und/oder Breite oder auch flächendeckend mit Photosensoren zu bestücken. Bei sehr großen Distanzen ist es auch von Vorteil, mehr als nur zwei optische Signalgeber je Koordinatenrichtung zu verwenden, da Helligkeitsunter schiede über große Distanzen möglicherweise nicht mehr erkannt werden. The number of photo sensors of the adjustment aid depends on the application purpose chosen. To adjust over very long distances, it is expedient to choose the area of the adjustment aid so large that it from the Distance is still clearly visible and this over the full length and / or To be equipped with photo sensors across the width or area. At very long distances it is also an advantage to have more than just two optical ones Signalers to use in each coordinate direction, as brightness is lower differences over long distances may no longer be recognized.
Es werden dann vorzugsweise pro Zeile mehrere Signalgeber geschaltet, die jeweils auf ihre direkte Umgebung reagieren.A plurality of signal transmitters are then preferably switched per line react to their immediate surroundings.
In vorteilhafter Weise ist die Justierhilfe in einem Gehäuse untergebracht, das eine transparente Frontplatte zum Schutz der Photosensoren und der Signalgeber von mechanischen Schäden aufweist. Weiterhin läßt sich dieses Gehäuse vorzugsweise auf den jeweiligen Retroreflektor oder optischen Sensor, auf welchen justiert werden soll, aufsetzen oder aufstecken, so daß die Justierhilfe während des Justiervorgangs an diesem befestigt ist.The adjustment aid is advantageously accommodated in a housing, which is a transparent front plate to protect the photosensors and the Signaling mechanical damage. Furthermore, this can Housing preferably on the respective retroreflector or optical Put on or plug on the sensor to be adjusted so that the adjustment aid is attached to it during the adjustment process.
Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigenAn example of the invention is shown in the drawing and below described. Show
Fig. 1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Justierhilfe, Fig. 1 is a plan view of an adjusting aid according to the invention,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine derartige Justierhilfe, Fig. 2 shows a section through such an adjustment aid,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der optoelektronischen Elemente der Justierhilfe. Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of the optoelectronic elements of the adjustment aid.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Justierhilfe in Aufsicht dargestellt. Sie weist zwei Zeilen von Photosensoren 1, 2, 3, 4 auf, die jeweils senkrecht zueinander angeordnet und auf ein quadratisches Substrat aufgebracht sind. Die Photosensoren sind beispielsweise Photodioden, z. B. PIN-Dioden. Die gemeinsame Mitte der Zeilen ist das Symmetriezentrum 5 jeder einzelnen Zeile wie auch der beiden Zeilen. Dort befindet sich ein optischer Signalgeber 6, insbesondere eine Leuchtdiode. An den Zeilenenden ist jeweils eine weitere Leuchtdiode 7, 8, 9, 10 angeordnet. Die Lage des Symmetriezentrums 5 ist mit der Lage der Sollposition 12, auf welche der optische Schwerpunkt eines einfallenden Lichtstrahls zu justieren ist, identisch. Die Justierhilfe wird so in den Strahlengang eingebracht, daß der Lichtstrahl senkrecht oder nahezu senkrecht auf die Justierhilfe auftrifft. Weiterhin wird die Justierhilfe so angeordnet, daß der Punkt, auf den der optische Schwerpunkt fallen soll, z. B. der Mittelpunkt eines optischen Sensors, mit der Sollposition 12 in Richtung der Flächennormalen der Justierhilfe zur Deckung kommt.In Fig. 1, an adjustment aid according to the invention is shown in supervision. It has two rows of photosensors 1 , 2 , 3 , 4 , each arranged perpendicular to one another and applied to a square substrate. The photosensors are, for example, photodiodes, e.g. B. PIN diodes. The common center of the lines is the center of symmetry 5 of each individual line as well as the two lines. There is an optical signal transmitter 6 , in particular a light-emitting diode. A further light-emitting diode 7 , 8 , 9 , 10 is arranged at the line ends. The position of the center of symmetry 5 is identical to the position of the target position 12 , to which the optical center of gravity of an incident light beam is to be adjusted. The adjustment aid is introduced into the beam path in such a way that the light beam strikes the adjustment aid vertically or almost perpendicularly. Furthermore, the adjustment aid is arranged so that the point on which the optical focus should fall, for. B. the center of an optical sensor, with the target position 12 in the direction of the surface normal of the adjustment aid.
Die Photosensoren 1, 2, 3, 4 der dargestellten Justierhilfe sind zu Unter einheiten 13 zusammengefaßt, die jeweils einen Arm der kreuzförmigen Sensoranordnung, also vier Photosensoren, umfassen. Es ist auch möglich, jede der zwei Sensorzeilen zu einer solchen Untereinheit zusammen zufassen. Innerhalb einer jeden Untereinheit wird der optische Schwer punkt des eingestrahlten und auf die Sensoren treffenden Lichts durch Auswertung der Ströme durch die einzelnen Sensoren bestimmt und diese Information zur Regulierung der Leuchtstärke der Leuchtdioden ver wendet, welche die Untereinheit räumlich abschließen, z. B. der Leucht dioden 6 und 9 bei Untereinheit 13.The photosensors 1 , 2 , 3 , 4 of the adjustment aid shown are combined into sub-units 13 , each comprising an arm of the cross-shaped sensor arrangement, that is to say four photosensors. It is also possible to combine each of the two sensor lines to form such a subunit. Within each subunit, the optical center of gravity of the incident and incident light is determined by evaluating the currents through the individual sensors and this information is used to regulate the luminosity of the light-emitting diodes, which spatially complete the subunit, e.g. B. the light emitting diodes 6 and 9 at subunit 13 .
Wie die Photosensoren ausgelesen werden, ist im Ersatzschaltbild in Fig. 3 dargestellt und erläutert.How the photosensors are read is shown and explained in the equivalent circuit in FIG. 3.
Fällt z. B. auf den Photosensor 2 der optische Schwerpunkt eines Licht strahls, so leuchtet das LED 9 stark und das LED 6 schwach. Damit wird eine starke Dejustage des optischen Schwerpunkts in Richtung der aus den LEDs 6 und 9 definierten Achse angezeigt. Diese Dejustage kann durch leichte Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls kompensiert werden, so daß der optische Schwerpunkt auf der Justierhilfe nach Über streichen der Sensoren 3 und 4 unter sukzessive schwächerem Aufleuchten von LED 9 bzw. stärkerem von LED 6 die Sollposition 12 einnimmt.Falls z. B. on the photosensor 2, the optical focus of a light beam, the LED 9 lights up strongly and the LED 6 weakly. This shows a strong misalignment of the optical center of gravity in the direction of the axis defined by LEDs 6 and 9 . This misalignment can be compensated for by a slight change in the direction of propagation of the light beam, so that the optical focus on the adjustment aid after swiping over the sensors 3 and 4 with successively weaker lighting of LED 9 or stronger LED 6 assumes the target position 12 .
Falls die Verteilung des einfallenden Lichts über der Justierhilfe nicht punktförmig, sondern ausgedehnt ist, so daß mehrere Sensoren auch unterschiedlicher Untereinheiten bestrahlt werden, leuchten die LEDs der jeweiligen Untereinheiten auf. Die Leuchtstärke ist dann wie im eindimensionalen Fall abhängig davon, wo der Schwerpunkt der Licht einstrahlung auf der lichtempfindlichen Gesamtfläche der Sensoren einer Untereinheit liegt. Bei einem optischen Schwerpunkt der Gesamtlicht verteilung, der im durch die LEDs 6, 8 und 9 definierten Quadranten liegt, leuchten diese drei LEDs mehr oder weniger stark, so daß der Techniker weiß, in welche Richtung der Strahl dejustiert ist und diesen entsprechend nachstellen kann.If the distribution of the incident light over the adjustment aid is not punctiform, but is extended, so that several sensors of different subunits are also irradiated, the LEDs of the respective subunits light up. As in the one-dimensional case, the luminosity then depends on where the focus of the light radiation lies on the light-sensitive total area of the sensors of a subunit. With an optical focus of the total light distribution, which lies in the quadrant defined by the LEDs 6 , 8 and 9 , these three LEDs shine more or less so that the technician knows in which direction the beam is misaligned and can adjust it accordingly.
Falls der Strahldurchmesser so klein ist, daß er nur einen einzigen Sensor anspricht, wird die Ortung des Strahls außerhalb der Sensorzeilen, z. B. innerhalb des o.g. Quadranten erschwert. In diesem Fall ist es günstiger, eine andere, flächendeckendere Anordnung von Photosensoren auf einem Substrat zu wählen.If the beam diameter is so small that it only has one sensor responds, the location of the beam outside the sensor lines, z. B. within the above Quadrants difficult. In this case, it is cheaper a different, more extensive arrangement of photosensors on one To choose substrate.
Die Photosensoren sind auch für Infrarotstrahlung ausgelegt, wodurch sich die Justierhilfe vorteilhaft als aktives Target bei der Justage von nicht sichtbarem Licht einsetzen läßt. The photosensors are also designed for infrared radiation, which means the adjustment aid advantageous as an active target in the adjustment of not visible light.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch die Justierhilfe aus Fig. 1 gezeigt. Der Schnitt erfolgte entlang der durch die Leuchtdioden 7 und 9 definierten Linie. Die LEDs 6, 7 und 9 sowie die Photosensoren 1, 2, 3, 4 sind hier mit den Bezugsziffern 6', 7' und 9' bzw. 1', 2', 3', 4' bezeichnet, diese Elemente aus den beiden Figuren entsprechen einander. FIG. 2 shows a section through the adjustment aid from FIG. 1. The cut was made along the line defined by the light-emitting diodes 7 and 9 . The LEDs 6 , 7 and 9 and the photosensors 1 , 2 , 3 , 4 are designated here by the reference numerals 6 ', 7 ' and 9 'or 1 ', 2 ', 3 ', 4 ', these elements from the two Figures correspond to each other.
Die optoelektronischen Elemente 1', 2', 3', 4', 6', 7', 9' sind auf einem Substrat angeordnet, das hier beispielsweise Teil eines Gehäuses ist, in dem sich ein Elektronikmodul befindet. Dieses Elektronikmodul umfaßt die Meß- und Auswerteeinheit 11 zur Auswertung der durch die einzelnen Photo sensoren fließenden Ströme und deren Umwandlung in ein Signal zur Steuerung der Leuchtstärke der Leuchtdioden. Weiterhin enthält das Elektronikmodul die Spannungsversorgung der Photosensoren.The optoelectronic elements 1 ', 2 ', 3 ', 4 ', 6 ', 7 ', 9 'are arranged on a substrate, which here is, for example, part of a housing in which an electronics module is located. This electronics module comprises the measuring and evaluation unit 11 for evaluating the currents flowing through the individual photo sensors and converting them into a signal for controlling the luminosity of the light-emitting diodes. The electronics module also contains the voltage supply for the photosensors.
Die optoelektronischen Elemente 1', 2', 3', 4', 6', 7', 9' sowie die Meß- und Auswerteeinheit 11 sind in einem Gehäuse untergebracht, das hier nur teilweise dargestellt ist. Es ist an der Oberseite mit einer transparenten Frontplatte 16 abgedeckt, welche die optoelektronischen Elemente vor mechanischem Schaden schützt. Weiterhin weist es an seiner Unterseite Fußleisten 18 auf, mit deren Hilfe es paßgenau auf ein Zielobjekt, hier einen Retroreflektor 17, aufgesetzt bzw. gesteckt werden kann. An den Fußleisten können sich zusätzlich seitlich Feststellschrauben befinden, mit denen die Justiereinrichtung fest und ohne Spiel an einem Zielobjekt befestigt werden kann. So wird gewährleistet, daß die Sollposition der Justiereinheit stets mit der Position zur Deckung gebracht wird, auf die der optische Schwerpunkt des Lichtstrahls auf dem Zielobjekt, hier dem Retroreflektor 17, justiert werden soll.The optoelectronic elements 1 ', 2 ', 3 ', 4 ', 6 ', 7 ', 9 'and the measuring and evaluation unit 11 are accommodated in a housing, which is only partially shown here. It is covered on the top with a transparent front plate 16 , which protects the optoelectronic elements from mechanical damage. Furthermore, it has baseboards 18 on its underside, with the aid of which it can be fitted or plugged onto a target object, here a retroreflector 17 . On the baseboards there may also be locking screws on the side, with which the adjustment device can be fixed to a target object without play. This ensures that the target position of the adjustment unit is always brought into line with the position to which the optical center of gravity of the light beam on the target object, here the retroreflector 17 , is to be adjusted.
Fig. 3 zeigt ein ein Ersatzschaltbild der optoelektronischen Elemente der Justierhilfe, insbesondere eine Möglichkeit, zur Verschaltung und Auslese der Photodioden, bei der die Information über den Ort des optischen Schwerpunkts besonders einfach zu erhalten ist. Fig. 3 shows a an equivalent circuit diagram of the optoelectronic elements of the adjusting aid, in particular a possibility for wiring and readout of the photodiode, wherein the information is particularly easy to get over the location of the optical center of gravity.
Die vier Photosensoren bzw. Photodioden 1'', 2'', 3'', 4'' sind relativ zueinander parallel geschaltet und bilden eine Untereinheit 13', welche von einer Spannungsquelle 23 mit der Betriebsspannung der Dioden versorgt wird.The four photosensors or photodiodes 1 ″, 2 ″, 3 ″, 4 ″ are connected in parallel with respect to one another and form a subunit 13 ′ which is supplied with the operating voltage of the diodes by a voltage source 23 .
Die Untereinheit weist außerdem eine Widerstandskette 14, bestehend aus fünf in Reihe geschalteten Widerständen 15, 19, 20, 21 auf. Je ein Photo sensor 1'', 2'', 3'', 4'' ist über eine Verbindungsleitung mit dem oder den jeweils benachbarten Photosensor(en) und mit der Spannungsquelle 23 verbunden. Je ein Photosensor ist außerdem mit zwei Widerständen ver bunden, die in der Widerstandskette benachbart sind. Beispielsweise ist der Sensor 1'' mit den Widerständen 15 und 19 verbunden, der Sensor 2'' mit den Widerständen 19 und 20 und so weiter.The subunit also has a resistance chain 14 , consisting of five resistors 15 , 19 , 20 , 21 connected in series. Each photo sensor 1 ″, 2 ″, 3 ″, 4 ″ is connected via a connecting line to the adjacent photo sensor (s) and to the voltage source 23 . Each photosensor is also connected to two resistors that are adjacent in the resistor chain. For example, sensor 1 ″ is connected to resistors 15 and 19 , sensor 2 ″ is connected to resistors 19 and 20 and so on.
Die Widerstände können prinzipiell beliebige Werte haben, jedoch ist es vorteilhaft, ihnen jeweils den gleichen Widerstandswert R zuzuweisen, da dies die Auswertung des Meßsignals erheblich vereinfacht.In principle, the resistors can have any values, but it is advantageous to assign them the same resistance value R since this considerably simplifies the evaluation of the measurement signal.
Die Enden der Widerstandskette 14 sind mit Leitungen 24, 25 verbunden, die zur Meß- und Auswerteeinheit führen. Diese Meß- und Auswerteeinheit ist beispielsweise eine Anordnung von Operationsverstärkern zur Verstärkung der über die Widerstandskette abgeführten Kantenströme und zu deren weiterer Signalverarbeitung.The ends of the resistance chain 14 are connected to lines 24 , 25 , which lead to the measuring and evaluation unit. This measuring and evaluation unit is, for example, an arrangement of operational amplifiers for amplifying the edge currents dissipated via the resistor chain and for further signal processing thereof.
Bei Lichteinfall auf das Sensorsystem wirken die Photosensoren bzw. Photodioden als Stromquellen mit in der Regel unterschiedlicher Strom stärke Im. Je nach räumlicher Anordnung der Photosensoren und nach der Lichtverteilung über das Sensorsystem bzw. über die Photosensoren sind auch die Stromstärken Im für die verschiedenen Ordnungsnummern m verschieden groß. Würden die einzelnen Im separat gemessen werden, ließe sich aufgrund der bekannten Kennlinie - bzw. des Licht-Stromfluß- Zusammenhangs - der Photodioden direkt ein Profil der Lichtverteilung über das Sensorsystem in Abhängigkeit von der Ordnungsnummer m als ein Spektrum diskreter Beleuchtungswerte erstellen. Damit wäre die Orts information über die Beleuchtungsstärke am m-ten Photosensor und damit beispielsweise die Lokalisation eines Lichtflecks einfach zu erhalten, wenn die räumliche Anordnung der Sensoren bekannt ist. Die Einzelsensor auslese führt jedoch bei einem Sensorsystem aus einer Vielzahl von Photo sensoren zu großem Elektronikaufwand.In the event of light falling on the sensor system, the photosensors or photodiodes act as current sources with generally different amperages I m . Depending on the spatial arrangement of the photosensors and on the light distribution via the sensor system or via the photosensors, the current intensities I m for the different order numbers m are of different sizes. If the individual I m were measured separately, a profile of the light distribution over the sensor system depending on the order number m as a spectrum of discrete lighting values could be created directly on the basis of the known characteristic - or the light-current flow relationship - of the photodiodes. This would make it easy to obtain the location information about the illuminance at the mth photosensor and thus, for example, the location of a light spot if the spatial arrangement of the sensors is known. However, the individual sensor readout leads to great electronics expenditure in a sensor system made up of a large number of photo sensors.
Die Photodioden sind daher untereinander parallel geschaltet, und eine Photodiode ist über je einen Widerstand 15, 19, 20, 21, 22 mit ihren Nachbarn querverbunden, wobei die Widerstände eine Widerstandskette aus in Reihe geschalteten Widerständen bilden. Anstelle der Einzelsignale Im werden die über die Widerstandskette abfließenden Kantenströme Ia und Ib von einer allen Photosensoren gemeinsamen Meß- und Auswerteeinheit gemessen. The photodiodes are therefore connected in parallel with one another, and a photodiode is cross-connected to its neighbors via a respective resistor 15 , 19 , 20 , 21 , 22 , the resistors forming a resistor chain of resistors connected in series. Instead of the individual signals I m , the edge currents I a and I b flowing off via the resistance chain are measured by a measuring and evaluation unit common to all photosensors.
In den Kantenströmen Ia und Ib ist die Ortsinformation enthalten.The location information is contained in the edge currents I a and I b .
Im folgenden wird der allgemeine Fall von m Photosensoren Dm diskutiert. (In Fig. 3 gilt m=4.)The general case of m photosensors D m is discussed below. (In Fig. 3, m = 4.)
Als Spezialfall wird zunächst der Fall betrachtet, daß eine punktförmige Beleuchtung eines Sensorsystems aus n Photodioden und n+1 Widerständen vorliegt, bei der nur der m-te Photosensor angesprochen wird. Damit weist nur die m-te Stromquelle einen Stromfluß Im auf, d. h. alle anderen In = 0 für n ≠ m. Stromfluß Im an der m-ten Stelle im Sensorsystem bedeutet, daß ein Strom Ia über m Einzelwiderstände R bzw. den Gesamtwiderstand mR und ein Strom Ib über n+1-m Einzelwiderstände R bzw. den Gesamt widerstand (n+1-m)R als Kantenstrom abfließt. Dabei gilt Stromerhaltung Ia+Ib=Im.As a special case, the case is first considered that there is a point illumination of a sensor system consisting of n photodiodes and n + 1 resistors, in which only the mth photosensor is addressed. Thus, only the mth current source has a current flow I m , ie all other I n = 0 for n ≠ m. Current flow I m at the mth point in the sensor system means that a current I a over m individual resistances R or the total resistance mR and a current I b over n + 1-m individual resistances R or the total resistance (n + 1- m) R flows off as an edge current. Current conservation I a + I b = I m applies.
Für den Stromfluß Ib folgt in diesem Fall
For the current flow I b follows in this case
und für die Ordnungsnummer m des angesprochenen Photosensors folgt
and follows for the order number m of the addressed photosensor
bzw. m ∞ Ib für Ia+Ib=Im=const. (konstanter Lichteinfall).or m ∞ I b for I a + I b = I m = const. (constant incidence of light).
Der Strom Ib beinhaltet daher die Ortsinformation über den Lichtfleck, wenn bekannt ist, wo sich der Sensor m befindet.The current I b therefore contains the location information about the light spot if it is known where the sensor m is located.
Auch bei nicht punktförmiger Beleuchtung eines einzelnen Photosensors
sondern bei Lichteinstrahlung über das Sensorsystem tragen die
Kantenströme Ia und Ib eine Ortsinformation. Man kann zeigen, daß für
den Quotienten
The edge currents I a and I b also carry location information when a single photosensor is not spot-lit but when light is irradiated via the sensor system. One can show that for the quotient
allgemein folgendes gilt:
the following generally applies:
Der Quotient ist damit - bis auf den Faktor n+1 - die mit den Sensorströmen Im gewichtete mittlere Ordnungszahl m, entspricht also der Nummer des Sensors mit dem Schwerpunkt der Lichteinstrahlung. Wiederum gilt, daß die mittlere Ordnungsnummer proportional zum Kantenstrom ist: m ∞ Ib.The quotient is thus - apart from the factor n + 1 - with the sensor currents I m weighted mean atomic number of m, that corresponds to the number of the sensor with the center of gravity of light. Again, the middle order number is proportional to the edge current: m ∞ I b .
Diese Information ist für die Anwendung einer derartigen Untereinheit aus Photodioden in der erfindungsgemäßen Justierhilfe ausreichend, in der es nicht darum geht, ein Linien- oder zweidimensionales Profil bzw. ein Bild der Lichtverteilung zu erzeugen, sondern den Ort des Schwerpunkts der Lichteinstrahlung in ein oder zwei Dimensionen auf der Frontfläche der Justierhilfe festzulegen. Zur Umrechnung der mittleren Ordnungszahl in in die tatsächliche räumliche Position muß nur die räumliche Anordnung der Sensoren bekannt sein, die z. B. wie in Fig. 1 gestaltet ist. Das Stromsignal Ib bzw. Ia ist direkt proportional zum räumlichen Abstand des Sensors mit der Nummer m bzw. m zu einem Bezugspunkt am Anfang einer Sensorzeile, wenn die Sensoren innerhalb der Sensorzeile äquidistant angeordnet sind.This information is sufficient for the use of such a sub-unit of photodiodes in the adjustment aid according to the invention, which is not about generating a line or two-dimensional profile or an image of the light distribution, but the location of the center of gravity of the light radiation in one or two Determine dimensions on the front surface of the adjustment aid. To convert the average atomic number into the actual spatial position, only the spatial arrangement of the sensors needs to be known. B. is designed as in Fig. 1. The current signal I b or I a is directly proportional to the spatial distance of the sensor with the number m or m from a reference point at the start of a sensor line if the sensors are arranged equidistantly within the sensor line.
Dadurch, daß m nicht notwendig ganzzahlig ist, können auch Zwischen werte zwischen den durchnumerierten Sensoren zugeordnet werden. m = 2,5 bedeutet beispielsweise, daß der optische Schwerpunkt auf halber Strecke zwischen Sensor 2 und Sensor 3 liegt, wenn die Sensoren äquidistant in einer Geraden angeordnet sind.Because m is not necessarily an integer, intermediate values can also be assigned between the numbered sensors. m = 2.5 means, for example, that the optical center of gravity lies halfway between sensor 2 and sensor 3 if the sensors are arranged equidistantly in a straight line.
Die Beleuchtungsstärke der optischen Signalgeber kann im Prinzip direkt mit Hilfe der Kantenströme Ia und Ib reguliert werden, da Ia/b umso größer wird, je näher der optische Schwerpunkt des eingestrahlten Lichts der räumlichen Position des Widerstandskettenendes a/b bzw. des ersten bzw. letzten Sensors der Untereinheit ist. Mit dem verstärkten Strom Ia/b wird dann eine Leuchtdiode betrieben, die sich an den jeweiligen Enden der Untereinheit entsprechend der räumlichen Position des ersten bzw. letzten Sensors der Untereinheit befinden. Im in Fig. 1 gezeigten Beispiel der Justierhilfe ist Ia am größten, wenn sich der optische Schwerpunkt bei Photosensor 1 - in Fig. 3 Bezugsziffer 1'' - befindet. Ia steuert also die Helligkeit Leuchtdiode 9. Ebenso ist Ib am größten, wenn sich der optische Schwerpunkt bei Photosensor 4 - in Fig. 3 Bezugsziffer 4'' - befindet. Mit Ib wird die Helligkeit der LED 6 gesteuert.In principle, the illuminance of the optical signal transmitters can be regulated directly with the aid of the edge currents I a and I b , since I a / b increases the closer the optical center of gravity of the incident light is to the spatial position of the resistor chain end a / b or the first one or last sensor of the subunit. A light-emitting diode is then operated with the amplified current I a / b , which are located at the respective ends of the subunit in accordance with the spatial position of the first or last sensor of the subunit. In the example of the adjustment aid shown in FIG. 1, I a is greatest when the optical center of gravity is at photosensor 1 — reference number 1 ″ in FIG. 3. I a thus controls the brightness of the light-emitting diode 9 . Likewise, I b is greatest when the optical center of gravity is at photosensor 4 - reference number 4 ″ in FIG. 3. The brightness of the LED 6 is controlled with I b .
LED 6 aus Fig. 1 wird vorzugsweise durch ein Stromsignal versorgt, das sich aus der Summe der entsprechenden Kantenströme Ib der jeweiligen vier Untereinheiten zusammensetzt. Damit dient LED 6 der Positions anzeige aller vier Untereinheiten und schließlich der Anzeige, daß der optische Schwerpunkt in zwei Dimensionen so gut wie im Rahmen der Meßgenauigkeit feststellbar mit der Sollposition übereinstimmt.LED 6 from FIG. 1 is preferably supplied by a current signal which is composed of the sum of the corresponding edge currents I b of the respective four subunits. LED 6 thus serves to display the position of all four subunits and finally to indicate that the optical center of gravity in two dimensions agrees with the target position as well as can be determined within the measurement accuracy.
Um verschiedene Beleuchtungsstärken und/oder Wellenlängen und damit verschiedene maximale Stromstärken Im durch eine Photodiode auszu gleichen und ein nahezu konstantes optisches Signal der Leuchtdioden bei optimaler Justage bzw. (innerhalb der Fläche der Justiereinheit) maximaler Dejustage zu erzielen, ist es von Vorteil, die Meß- und Auswerteeinheit mit variablen Verstärkungsgraden zu betreiben. Zu Beginn der Justage kann somit eine hohe Verstärkung eingestellt werden, um erstmal ein optisches Signal zu bekommen. Dieses dient der groben Orientierung, wo auf der Fläche der Justiereinheit sich der optische Schwerpunkt befindet. Übersteuern die LEDs, da die Stromstärke aufgrund der besseren Justage zunimmt, wird einfach der Verstärkungsfaktor verkleinert.In order to equalize different illuminance levels and / or wavelengths and thus different maximum current intensities I m by means of a photodiode and to achieve an almost constant optical signal from the light-emitting diodes with optimal adjustment or (within the area of the adjustment unit) maximum misalignment, it is advantageous to Operate measuring and evaluation unit with variable degrees of gain. At the beginning of the adjustment, a high gain can be set to get an optical signal. This serves as a rough guide to where the optical center of gravity is on the surface of the adjustment unit. Overdrive the LEDs, since the current strength increases due to the better adjustment, the gain factor is simply reduced.
Eine weitere Möglichkeit, ein konstantes optisches Signal im Fall optimaler
Justage zu erhalten, ist, die Kantenströme Ia und Ib zu normieren, indem
die einzelnen Ströme durch den Gesamtkantenstrom Ia+Ib geteilt werden,
also der Quotient
Another way of obtaining a constant optical signal in the case of optimal adjustment is to normalize the edge currents I a and I b by dividing the individual currents by the total edge current I a + I b , that is to say the quotient
gebildet wird.is formed.
Die Auswertemethoden zur Bildung des Quotienten
The evaluation methods for forming the quotient
sind bei herkömmlichen PSDs bekannt, bei denen ebenfalls dieser Quotient gebildet wird, um die gewünschte Ortsinformation zu erhalten. are at known PSDs, in which this quotient is also formed to get the desired location information.
11
, ,
11
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11
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22nd
, ,
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', ',
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33rd
, ,
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', ',
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44th
, ,
44th
', ',
44th
''
Photosensoren
'' Photo sensors
55
Symmetriezentrum
Center of symmetry
66
, ,
66
', ',
77
, ,
77
', ',
88th
, ,
99
, ,
99
', ',
1010th
optische Signalgeber, Leuchtdiode
optical signal transmitter, light emitting diode
1111
Meß- und Auswerteeinheit
Measuring and evaluation unit
1212
Sollposition
Target position
1313
, ,
1313
' Untereinheit
'Subunit
1414
Widerstandskette
a, b Enden der Widerstandskette
Resistance chain
a, b ends of the resistor chain
1515
, ,
1919th
, ,
2020th
, ,
2121st
, ,
2222
Widerstand
resistance
1616
Frontplatte
Front panel
1717th
Retroreflektor
Retroreflector
1818th
Fußleisten
Baseboards
2323
Spannungsquelle
Voltage source
2424th
, ,
2525th
Verbindungsleitungen zur Meß-
und Auswerteeinheit
Connection lines to the measuring and evaluation unit
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DE19709310C2 (en) | 2000-07-27 |
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