DE2556366A1

DE2556366A1 - Stellungs-anzeige-system

Info

Publication number: DE2556366A1
Application number: DE19752556366
Authority: DE
Inventors: Keith Gilbert Doyle
Original assignee: Zed Instruments Ltd
Current assignee: Zed Instruments Ltd
Priority date: 1974-12-16
Filing date: 1975-12-15
Publication date: 1976-06-24
Also published as: US4039825A; ZA757735B; GB1513380A; DE2556366C2; AU501783B2; AT371598B; ATA952675A; CH607046A5; AU8750875A

Description

DIPL.-ING. G. υΑΙΙΙ,ΜΑΝΝ

l'ATENTANWAUr

CPOO ΜΛ INITT¹TM J,

STKPHANIENtIFEIJ 2 TELEFON 06 21/2SS¹JB

ZED INSTRUMENTS LIMITED a British Company of Radiatron House 76 Crown Road

Twickenham, Middlesex TWl 3ET England

Stellungs-Anzeige-System

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Stellungsanzeige, die die Position eines Lichtstrahles bezüglich einer vorgegebenen Richtung oder in Koordinaten χ und y bezüglich zweier zueinander orthogonaler Koordinatenachsen oder - in einer Ausgestaltung letzterer Variante - in Koordinaten χ und y zweier zueinander orthogonaler Koordinatenachsen und in wenigstens

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einer Komponente (z.B. der horizontalen) des Winkels, den^der, · Lichtstrahl mit einer vorgegebenen Achse, einschließt, anzeigt.

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

Im letzteren Fall sind natürlich schnelle und genaue Korrekturen erforderlich. Insbesondere beim Stollen - bzw. Tunnelbau ist es bei dieser Arbeit von großer Bedeutung, daß ein Zusammentreffen mit oder eine Beschädigung von Versorgungsleitungen ausgeschlos-τ. sen ist. Das Problem ist wesentlich komplizierter-, -falls" die Maschine sich selbst unter Tage in einer Neigung zur Horizontalen befindet. Weiterhin können die bekannten Schneideinrichtungen, die in den üblicherweise benutzten Schnittwerkzeugen auf ©rehköpfen oder Auslegern montiert sind, in einer horizontalen und in einer vertikalen Ebene schwingen, was die genaue Positionierung erschwert. - " : . '".-■..

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

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Sicher sind die üblichen Praktiken unzureichend genau, menschlichen 'Fehlern unterworfen, und sie bringen eine zusätzliche Belastung für den Arbeiter an der Maschine.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß es oft wünschenswert ist, genaue Daten oder eine genaue Information der Position ues Laserstrahles nicht nur unter Tage, auf der Bearbeitungsseite, sondern auch über Tage, z.B. für das Prüfpersonal und/oder eine iernsteuerung, eine automatische Steuerung und für die Verarbeitung der Daten zu erhalten.

Diese Probleme v/erden ausgehend von einer Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem Target, mit einem System optischer Elemente, wenigstens einer linearen Reihenanordnung von fotoelektrischen Elementen, die geeignet ist, ein Video - Ausgangssignal zu erzeugen, und mit einer elektronischen Schaltungsanordnung, die das Video - Ausgangssignal der Reihenanordnung^) der fotoelektrischen Elemente verarbeitet, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das System der optischen Elemente erste Einrichtungen enthält,die eine virtuelle Quelle des Strahles bilden, und Abbildungseinrichtungen, die ein schmales, im wesentlichen bandförmiges Abbild der virtuellen Quelle auf der Reihenanordnung oder jeder der Reihenanordnungen erzeugen, und daß die Schaltkreisanordnung Einrichtungen enthält, die das Zentrum der Verteilung des Video - Ausgangssignales ermitteln.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem Target in wenigstens zwei Koordinaten und mit wenigstens zwei diskreten, räumlich getrennten linearen Reihenanordnungen fotoelektrischer Elemente sind Abbildungseinrichtungen vorgesehen, die geeignet sind, ein "schmales", im wesentlichen bandförmiges Abbild einer virtuellen Quelle auf· jeder der Reihenanordnungen zu erzeugen, wobei die entsprechenden Abbildungseinrichtungen korrespondierend zu den ausgewählten Koordinatenachsen zueinander geneigt sind. Die linearen Reihenanordnungen

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in einen solchen korrespondierenden Winkel disponiert und derart angeordnet, daß voneinander unabhängige Video - Ausgangssignale erzeugt werden. Es sollte jedoch davon ausgegangen werden, daß bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer einzelnen Reihenanordnung, z.B. bei einer Distanzmessung, die elektronische Signalverarbeitung selbst bei geeigneter Modifikation des Systems der optischen Elemente unverändert bleibt . Darüberhinaus erzeugt die einzelne Reihenanordnung ein Ausgangssignal, das unabhängig von der Position des Strahles ist, in Koordinaten einer, z.B. um 90 , hinsichtlieh des Meßobjektes der einzelnen Reihe geneigten Koordinatenachse .

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt das System optischer Elemente Einrichtungen für die Erzeugung einer zweiten virtuellen Quelle des Lichtstrahles, die unabhängig von den erstgenannten derartigen Einrichtungen sind, wenigstens eine weitere lineare Reihenanordnung fotoelektrischer Elemente und weiterhin Abbildungseinrichtungen zur Erzeugung eines schmalen, im wesentlichen bandförmigen Abbildes der zweiten virtuellen Quelle auf der oder jeder der weiteren linearen Reihenanordnungen, wobei die Position dieses Abbildes

nur vom Winkel abhängt, den der Strahl mit der Achse der Vorrichtung einschließt.

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

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

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die fotoelektrischen Elemente Fotodioden; die oder jede Reihenanordnung ist außerhalb der Mittelachse der Sammellinse positioniert.

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

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

Der Integrator ist mit Einrichtungen zur Festlegung des Beginns und des Endes der Integration bei im wesentlichen gleichem Spannungspegel versehen. Er kann so geschaltet sein, daß er bei Erreichen der Impulsmitte des nächstfolgenden Impulnos Keine Integration beendet und auch einer Verschiebung derselben folgt. Er kann eine Transistorschaltung in Form einer Stromquelle enthalten, die einen Kondensator speist. Letzterer ist mit seiner

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-6-einen Elektrode an Mause angeschlossen.

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

- Richtungsanzeigen für jede Koordinate, als auch mit

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

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine allgemeine räumliche Anordnung der Vorrichtung bei ihrer Anwendung im Tunnelbau und in einer Ausführungsform mit Stellungsanzeige im orthogonalen Zweikoordinatensystem,

Pig.2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht des Sichtgerätes der in Fig.1 gezeigten Vorrichtung,

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

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

Fig.5 Zeitdiagramme der Signale an verschied--enen Teilen des Schaltkreises nach Pig.4,

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

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

Unter Bezug auf die Figuren 1 und 2 ist zunächst schematisch ein Stollen bzw. ein Tunnel 10 dargestellt, der einen Stollenort bzw. ein Abbaufeld 11 besitzt, die von einer nicht dargestellten Bohrmaschine bearbeitet werden. In einiger Entfernung vom Abbaufeld 11 ist ein Laser 12 aufgestellt, der einen kontinuierlichen sichtbaren Laserstrahl emittiert. Der Laserstrahl de-

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finiert die Richtung oder den rechtweisenden Kurs, auf dem die Maschine herangefahren werden soll.

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

Die Geräte 14 und 15 sind im wesentlichen ähnlich, jedoch ist letzteres in das Gehäuse des Energie - Versorgungsgerätes eingebaut. Jedes Gerät besitzt ein Metallgehäuse mit vier Sichtscheiben 17, die korrespondierend zu den anzuzeigenden Koordinaten - χ und - γ angeordnet sind. Hinter den Sichtscheiben17 befinden sich digital anzeigende Elemente, vorzugsweise Lichtemissionsdioden (LED's). Im Zentrum zwischen den Sichtscheiben ist eine Lampe 13 angeordnet, die bei Fehlerfreiheit leuchtet. Wenn der Laserstrahl gesperrt ist oder völlig aus dem Target wandert, so blinkt das Sichtgerät 14, 15 Xn einem vorbestimmten Zeitintervall und die letzten Zahlen bleiben auf dem Sichtgerät 14, 15 stehen. Dieses visuelle Warnsignal kann ergänzt oder ersetzt werden durch ein Tonsignal wie Klingeln, Hupen oder Summen.

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

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

Im Abstand von der Linse 20 und außerhalb der Mittelachse 22 sind zwei diskrete "lineare" Reihenanordnungen (array) 24,25 von fotoelektrischen Elementen angeordnet, die vorzugsweise aus Festkörper-Fotodioden bestehen und mit einer Empfängerschaltung integriert sind, um eine Video-Information von den Fotodioden mittels eines benachbarten Schieberegisters zu erhalten, das nacheinander mit jeder Fotodiode verbunden ist, sobald jeweils ein logisches Signal durch das Schieberegister läuft. Derartige "lineare" Reihenanordnungen sind bekannt, und ein konventioneller Typ ist in verschiedenen Längen mit 16 bis zu einigen hundert Dioden bei Integrated Photomatrix Limited of Dorchester, Dorset, England, erhältlich. Ihre Arbeitsweise ist z.B. in "Control and Instrumentation" vom September 1973, beschrieben und bedarf dementsprechend an dieser Stelle keiner weiteren Beschreibungen. Jedoch können andere Arten von Reihenanordnungen benutzt werden, die nach verschiedenen Prizipien arbeiten, z.B. ladungsgekoppelte Vorrichtungen, die die gleiche Funktion erfüllen.

Die beiden Reihen 24, 25 liegen in einer Ebene und sind mit Ihren "linearen" Dimensionen oder "Linien" 28, 29 gegenseitig rechtwinkelig orientiert, korrespondierend zu den orthogonalen Koordinaten der zu messenden Strahlposition. Vor jeder Reihe 24, 25 auf der Seite gegenüber der Linse 20, befindet sich eine entsprechende Zylinderlinse 26, 27 die auf den Brennpunkt des "Bildfleckes" auf der Linse 20 und die zugeordnete Reihe 24, 25 abgestimmt ist. Darüberhinaus verzieht jede Zylinderachse 25, 26

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den Bildfleck in einen relativ schmalen Streifen oder ein Band, der bzw. das sich senkrecht zur "Linie" 23 oder 29 der entsprechenden Reihenanordnung 24 oder 25 erstreckt.

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

Die dargestellte räumliche Anordnung der diskreten "linearen" Reihen von Fotodioden und zugehörigen Linsen 26, 27 löst das reale Bild auf der Linse 20 in zwei voneinander unabhängige Bilder auf, die mit der Position des realen Bildes in den zwei orthogonalen Koordinaten korrespondieren. Falls die x- und y- Achsf wie in Fig.3 gezeigt durch die Linse 20 verlaufen, so registriert die Reihenanordnung 24 nur die x- Position, während die Reihenanordnuiii^ 25 unabhängig von dex¹ Reihenanordnung 24 nur die y- Position registriert. Im Ergebnis brauchen die Reihen 24, 25 nicht auf der Achse 22 angeordnet zu sein.

Um das optische Ausgangssignal der Fotodioden - Reihen 24, 25-weiter zu verarbeiten, ist ein elektronischer Schaltkreis vorgesehen, dessen Blockschaltbild in Fig.4 gezeigt ist, Die verschiedenen Spannungs - Kurvenformen des Schaltkreises sind in Fig.5 dargestellt.

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

Der Modul 30 schließt den Schaltkreis ein, der mit den integrierten Fotodioden - Reihenanordnungen 24, 25-verbunden ist, die bereits oben erläutert sind, d.h. Taktimpulsgeneratoren, die zwei sich nicht überlappende Taktimpulse erzeugen, die

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durch das Schieberegister geschoben werden und nacheinander die HOS - Schalter - Linien öffnen und schließen, um nacheinander jede Fotodiode mit der Video-Linie und einem Abtastimpulsgenerator zur Erzeugung eines Start - Abtastimpulses I zu verbinden. Dieser Impuls läuft durch das Schieberegister, lädt nacheinander jede Fotodiode auf das negative Potential der Speisequelle auf und "öffnet" sie. Die Ladung, die durch jede Fotodiode abfließt, bevor der nächste Tastimpuls I erfolgt, ist proportional des totalen auf sie fallenden Strahlungsflusses (Lichtleistung). Der nächste Impuls I lädt die Fotodioden wieder auf das Bezugspotential auf und ersetzt die an die Video - Linie verlorene Ladung.

Der elektronische Schalter 31 dient dazu, die periodische Prüfung der lieihenanordnungen 24 und 25 sequentiell und abwechselnd zu ermöglichen. In typischer \,^reise ist· der Schalter für jede Reihenanordnung für eine Seicunde offen, während der eine große Zahl von Impulsen (mit einigen Millisekunden Abstand) passieren. Die Ergebnisse v/erden über eine Sekunde hinweg von einem Binärzähler (nicht dargestellt) gemittelt.

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

Das Signal aus der Prüfanordnung gelangt zum Phasenteiler 32, der zwei Ausgangssignale B und C abgibt. Ausgangssignal B wird in aeiner Amplitude verringert, während Ausgangssignal C invertiert, und in seiner Amplitude verdoppelt wird. Der Grund dafür liegt in dem V7unsch, über die gesamte Kurvenform zwischen zwei aufeinanderfolgenden I - Impulsen zu integrieren, welche die Lichtverteilung entlang der Reihe repräsentiert; Hingegen ist es im zweiten PrüfVorgang nur erwünscht, bis zum Maximum der Spannungsspitze zu integrieren. Es ist daher einfacher,

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dies in negativer Richtung bei zweifacher Spannungshöhe zu .finden, als die halbe Höhe der Spannungsspitze im positiven Bereich zu finden.

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

Das Bezugspotential für das Integratorausgangssignal E ist strichliniert angedeutet (Pig.5). Das Signal E wird an die Schwellwert - Vergleichsschaltung 36 v/eitergeleitet, die einen Schmitt - Trigger enthält. Pur die Vergleichsschaltung 36 wird eine beliebige Bezugsspannung gewählt. Ihre Hysterese liegt über dem Rauschpegel.

Es ist anzumerken, daß der Integrator 35 so beschaffen bzw. beschaltet ist, daß er auf der gleichen Ausgangssignalhöhe stehenbleibt wie am Anfang, unabhängig vom Übergang in der Kurvenform des zweiten A - Impulses. Mit anderen Worten: Der Impulsabstrich von E fällt zeitlich mit dem Maximum der zv/eiten Spannungsspitze in A zusammen und triggert den Impuls P (Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 36). Der Impuls, E wird in den Modul 30 gegeben, der ein UND - Gatter 40 und einen Inverter 41 enthält, der ausgangsseitlg mit dem UND-Gatter 40 und eingangsseitig mit der Gr - Impulsleitung verbunden ist. Der G - Impuls v/ird von einem Hauptzähler im Modul 30 erzeugt. Daher ist der Ausgangsimpuls H=P⁰G (H = F & G nach dt. Schreibweise, z.B. Oppelt "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge" 4. Aufl.), d.h., das logische Produkt des Signales P und des invertierten Signales G.

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Der Ausgang der Anordnung wird von H einem Zähler (nicht dargestellt) zugeführt, um gegebenenfalls die digitalen Anzeigen in den Sichtgeräten 14, 15 zu erzeugen.

Die Länge des Impulses H ist daher proportional der Länge des Zeitintervalls oder der Verschiebung zwischen dem zweiten I - Impuls und dem Zentrum des zweiten A - Impulses.

Aus vorstehenden Erläuterungen ergibt sich, daß der Schaltkreis ein analoges Signal ausgangsseitig der Fotodioden erzeugt. Die angewandte Integrationstechnik sorgt für eine solche Urkennung der Impulsmitte des A - Impulses, die unempfindlich hinsichtlich möglicher Kurvenformfehler und Unregelmäßigkeiten des Impulses ist. Folglich ist das Auflösungsvermögen des Systems besser, tatsächlich etwa 10 mal besser, als es dem typischen Strahldurchmesser des Lasers entsprechen müßte, und Fehler aufgrund der oben beschriebenen Schwankungen oder wegen de: Instabilitäten des Strahldurchmessers sind eliminiert. Die Auflösung ist besser als sie bei einem bloßen Abzählen der beleuchteten Dioden in der Reihenanordnung wäre.

Kit der bevorzugten , oben beschriebenen Ausführungsform vorliegender Erfindung wird somit eine Positionsmessung in zwei orthogonalen Koordination und unter Verwendung zweier eindimensionaler Reihenanordnungen mii einem höheren Auflösungsgrad erreicht als bisher erzielbar erschien. Dies geschieht ohne Rückgriff auf ein zweidimensionales Matrixfeld, welches

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den Einsatz von η Fotodioden anstelle von 2n Fotodioden erfordern würde, wobei η die Zahl der Fotodioden in einer erfindungsgemäß genutzten linearen Reihe ist. ^eder ein mechanisches noch ein thermionisches Abtastgerät sind erfprderlich, um die Erfindung anzuwenden.

In den Fig.6 und 7 ist eine im Verhältnis zu den Fig.1 bis 5 weiterentwickelte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, welche in Ergänzung zu den beiden orthogonalen Koordinaten

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wie χ und y eine dritte Reihe von Fotodioden nutzt, um eine Komponente der Viinkelneigun,;; des Strahlers zur Achse der Vorrichtung zu messen. Es sind die gleichen Bezugszeichen für funktionell äquivalente Elemente gewählt.

Die Vorrichtung gemäß den Fig. 6 und 7 "befindet sich in einem Gehäuse 50 mit einem Fenster 51 (nach der Darstellung rechts) für den Eintritt des Laserstrahles. Der Strahl passiert eine Fresnel - Linse 52 und einen Streuschirm 53, der entweder mit einer Platte mit durchgehenden Offnungen vorbestimmter G-röße oder mit einer Platte mit lichtdurchlässigen Bereichen ausgerüstet ist. Das Verhältnis der gesamten Fläche der Perforation oder durchlässigen Bereiche zu den nichtperforierten oder diffusen Bereichen des Schirmes wird entsprechend dem beabsichtigten Einsatzzweck vorgewählt. Wie im vorbeschriebenen Fall arbeiten hier die Fresnel - Linse und die nichtperforierten Teile des Schirmes 53 derart zusammen, daß eine virtuelle Quelle gebildet wird, von welcher Streulichtin das Innere 55 des Gehäuses 50 gesendet wird. V/ie in der vorigen Ausfuhrungsform sind zwei diskrete lineare Reihen 24, 25 von Fotodioden außerhalb der effektiven Achse der Vorrichtung angeordnet, die Reihen 24, 25 liegen koplanar und sind mit ihren "Linien" zueinander rechtwinkelig orientiert. Vor jeder Reihe 24, 25 befindet, sich wiederum eine entsprechende Zylinderlinse 26, 27, um die Lichtstrahlen zu bündeln und in ein schmales bandförmiges Bild umzuformen bzw. zu verziehen. Eine v/eitere Beschreibung dieses Teiles der Vorrichtung erübrigt sich.

Unmittelbar hinter den Reihen 24, 25 befindet sich ein Streuschirm 60, der sowohl das Licht empfängt, das direkt durch die Öffnungen 54 oder durchlässigen Bereiche des Schrimes 63 tritt, als auch das dort zerstreute Licht. Die Fresnel - Linse 52 dient dazu, die Intensitätsverteilung des von dem Schirm 60 empfangenen Lichtes auszugleichen. Der Schirm 60 ist ein ebener Schirm,. bestehend aus einem Polystyrol - Film. Es kann angenommen werden,

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daß die Linsen - Schirm - Anordnung 52, 60 im wesentlichen wie ein Teleskop arbeitet und daß die Position der virtuellen Quelle auf dem Schirm 60 unabhängig davon ist, woher das Licht einfällt, d.h. sie ist allein vom Winkel abhängig, den der Strahl mit der Achse der Vorrichtung einschließt.

In der dargestellten Ausführungsform verläuft der gezeigte Lichtstrahl ausgehend vom Schirm 60 über eine Zylinderlinse 61 zu der dritten linearen Reihe 62 von Fotodioden. Die Elemente 61, 62 sind so orientiert, daß die horizontale Kompnente des Einfallwinkels gemessen wird. Natürlich kann die Anordnung in Strahlrichtung hinter den Reihen einfach verdoppelt v/erden, um auch ei,ne Messung der vertikalen Komponente des Einfall winkels zu ermöglichen. Diese Möglichkeit ist in Pig.4 strichliniert angedeutet. Das Gehäuse 50 enthält weiterhin Trageinrichtungen 65 für den Schaltkreis gemäß Pig.4. Dieser Schaltkreis erfordert nur eine sehr geringe Änderung für die Ausführungsform nach den Pig.6 und 7: Pur jede zusätzliche Reihe - wie Reihe 62 - besteht eine zusätzliche Verbindung zum elektronischen Schalter 31, der mit der angemessenen Zahl von zusätzlichen PrüfStellungen versehen ist, so daß die Reihen 24, 25, 62 ... sequentiell abgetastet v/erden. Die Spannungs - Kurvenformen entsprechen wie zuvor den in Pig.5 gezeigten. Umgekehrt benötigt die Einze-1- Reihenanordnung, wie bereits ausgeführt, nur eine kleine Änderung, die nicht die prinzipielle Punktion des Schaltkreises berührt, ebenso nicht die Integrations-Technik zur Erkennung des Zentrums des A - Impulses. Weiterhin sind der Einzel - Reihenanordnung und den anderen Ausführungsformen die Vorteile des ausgezeichneten Auflösungsvermögens des elektronischen Schaltkreises und die Unabhängigkeit der gemessenen Werte von den Werten der Komponenten in den anderen Richtungen gemeinsam.

Es ist davon auszugehen, daß die Ausführungsform nach äen Pig.6 und 7 bei iier Bildung einer zusätzlichen Information sehr vorteilhaft ist und dies mit Hilfe einfacher, ökonomischer Mittel erreicht. Die Vorrichtung bleibt in ihrer räumlichen

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G-estalt kompakt. Die Verwendung des perforierten Schirmes 53 ist weit vorzuziehen gegenüber z.B. dem Einsatz von Strahlteilern, die notwendigerweise ausgerichtet werden, in ihrer Ausrichtung ^ehalten v/erden müßten und eine große Zahl von ■"einzelteilen bedingten.

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

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

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

Es ist natürlich nicht wesentlich, daß die Reihen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Palis z.B. zwei Koordinaten gemessen werden, kann die Richtung der Koordinaten, mittels derer das !■.rgebnis ermittelt wird, wunschgemäß gewühlt werden. Ebenso ist die Erfindung nicht auf zwei .Koordinaten beschränkt. In einer Aus-

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führung der Erfindung wurden drei in einer Ebene, in Winkeln von 30°, 120° und 120 zueinander liegende Reihen benutzt.

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

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Claims

1J Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles relativ zu einem Target, mit einem System optischer Elemente, wenigstens einer linearen Reihenanordnung der fotoelektrischen Elemente, die geeignet ist, ein Video - Ausgangssignal zu erzeugen, und mit. einer elektronischen Schaltkreisanordnung, die das Video -■ Aus gangs signal der Reihenanordnung(-en) der fotoelektrischen Elementen verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das System der optischen Elemente erste Einrichtungen (20, 21;52, 53) enthält, die eine virtuelle Quelle des. Strahles bilden,, und iibbildungseinrichtungen (26, 27), die ein schmales, im wesentlichen bandförmiges Abbild der virtuellen Quelle auf der Reihenanordnung oder jeder der Reihenanorrinungen (25, 25) erzeugen, und daß die ilchaltkreisanordnung Einrichtungen (33, 33 - 36, 40, 41) enthält, die das Zentrum der Verteilung des Video - Ausgangssignales ermitteln .

2. Vorrichtung zur Stellungsanzeige eines Lichtstrahles zu einem Target in wenigstens zwei Koordinaten, mit einem System optischer Elemente, wenigstens einer linearen Reihenanordnung der fotoelektrischen Elemente und mit einer elektronischen Schalt^ kreisandrdnung, die das Video - Ausgangssignal der Weihen-. anordnung(en) der fotoelektrischen Elemente verarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß · .

a) das System der optischen Elemente erste Einrichtungen (20, 21; 52, 53) enthält, die eine virtuelle Quelle des Strahles bilden, und Abbildun^seinrichtungen (26, 27) , die ein schmales, im wesentlichen bandförmiges Abbild der virtuellen Quelle auf jeder der Reihenanordnungen (24, 25) erzeugen, wobei die Abbildungseinrichtungen miteinander einen Winkel einschließen, der mit den gewünschten Koordinaten - Rieh.--tungen korrespondiert;

b) wenigstens zwei lineare diskrete Reihenanordnungen (24,25) vorgesehen sind, die räumlich getrennt mit einem entsprechendn Winkel zueinander angeordnet sind, der mit den gewählten Koordinaten - Richtungen korrespondiert, und welche Reihenanordnungen in den Zentren der Verteilungen der Video - Aus-

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gangssignale liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das System optischer Elemente zweite Einrichtungen für die Erzeugung einer zweiten virtuellen Quelle des Lichtstrahles enthält, die unabhängig von den ersten Einrichtungen (20, 21; 52, 53) sind, wenigstens eine weitere lineare Reihenanordnung (62) fotoelektrischer Elemente und weiterhin Abbildungseinrichtungen (61) zur Erzeugung eines schmalen, im wesentlichen bandförmigen Abbildes der zweiten virtuellen Quelle auf der Reihenanordnung oder jeder der· weiteren linearen Reihenanordnungen, wobei die Position dieses Abbildes nur vorn Einfallwinkel des Strahles abhängig ist, den dieser mit der Achse der Vorrichtung einschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Einrichtungen (20, 21; 52, 53), die ©ine. virtuelle des Strahles bilden, ein Streuschirm oder eine oarnmellinse (20) mit einer Streuoberfläche (21) oder ein unterlagertes Element aus. einem überlagerten Streuschirm und einer Prensel - Linse vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (53) mit einem Muster von durchlässigen und Streu- Bereichen versehen ist, wobei das Verhältnis der durchlässigen zu den Streu - Bereichen nach den Erfordernissen vorbestimmbar ist..

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungseinrichtungen aus.zylindrischen oder plan - zylindrischen Linsen (26, 27, 61) bestehen, die der· oder jeweils der Reihenanordnung (24 bzw. 25 bzw. 62) zugeordnet und räumlich benachbart sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenanordnungen (24,

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25; 62) jeweils außerhalb der Mittelachse (22) der Vorrichtung angeordnet sind.

S. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten beiden Reihenanordnungen (24, 25) im wesentlichen in einer Ebene liegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Reihenanordnung (62) in einer Ebene liegt, die weiter von der Lichtquelle entfernt ist als die ersten - mindestens zwei - Reihenanordnungen (24_f 25)·

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreisanordnung Einrichtungen zur Analyse des Video - Ausgangssignales einer einzelenen Reihenanordnung oder Einrichtungen (31) zur aufeinanderfolgenden Prüfung der entsprechenden Video - Ausgangssignale jeder einer Mehrzahl von Reihenanordnungen enthält und daß ein Integrator (35) zur Messung der totalen Intensität der Beleuehtung anhand einer gegebenen Spannungsspitze im Video Ausgangssignal und zur Ermittlung der genauen Impulsmitte im nächstfolgenden Impuls vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10,· dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (35) mit Einrichtungen (36, 30) zur Festlegung des Beginns und des Endes der Integration bei im wesentlichen gleichem Spannungspegel versehen ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigsten einAheeigege&t und/oder ein Aufzeichnungsgerät und/oder eine Datenverarbeitungsanlage (14) mit der Schaltungsanordnung verbunden ist.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigegerät oder jedes Anzeigegerät als digital anzeigendes Sichtgerät (14) ausgebildet ist, das sowohl Sichtscheiben (17) für - Richtungsanzeigen Tür eine oder jede Koordinate, als auch eine Lampe (1ΰ) für eine Fehl- Kichtungsanzeige besitzt, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die in diesem Fall nach einer vorbestimmten Zeit ein auditives und/oder visuelles Warnsignal abgeben.

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