DE4021911A1 - Vorrichtung zur erfassung einer lichtempfangsposition - Google Patents
Vorrichtung zur erfassung einer lichtempfangspositionInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Erfassung einer Lichtempfangsposition, wie sie in einem
Nivellierinstrument und dergleichen Verwendung findet.
Im Stand der Technik ist beispielsweise eine Vorrichtung
zur Erfassung einer Lichtempfangsposition vorgeschlagen
worden, die in Nivellierinstrumenten Verwendung findet
und deren Aufbau in Fig. 1 gezeigt ist. In Fig. 1 sind
die einen Enden von sechzehn Lichtleitfasern 51 bis 66
längs einer geraden Linie angeordnet und bilden eine
Lichtempfangsebene. Die anderen Enden der sechzehn Licht
leitfasern 51 bis 66 sind jeweils mit sechzehn Lichttei
ler- oder Lichtverzweigungselementen 51A bis 66A verbun
den, so daß jeweils zwei Lichtleitfaserwege von jedem der
Lichtverzweigungselemente 51A bis 66A ausgehen, derart,
daß jeweils eine Lichtleitfaser 51b bis 54b der Licht
leitfaserpaare 51a und 51b bis 54a und 54b, die durch die
entsprechenden Lichtverzweigungselemente 51A, 52A, 53A
und 54A verzweigt worden sind, mit einem Lichtempfangs
element A verbunden sind, daß jeweils eine Lichtleitfaser
55b bis 58b der Lichtleitfaserpaare 55a und 55b bis 58a
und 58b, die durch die entsprechenden Lichtverzweigungs
elemente 55A, 56A, 57A und 58A verzweigt worden sind, mit
einem Lichtempfangselement B verbunden sind, daß jeweils
eine Lichtleitfaser 59b bis 62b der Lichtleitfaserpaare
59a und 59b bis 62a und 62b, die durch die entsprechenden
Lichtverzweigungselemente 59A, 60A, 61A und 62A verzweigt
worden sind, mit einem Lichtempfangselement C verbunden
sind, daß jeweils eine Lichtleitfaser 63b bis 66b der
Lichtleitfaserpaare 63a und 63b bis 66a und 66b, die
durch die entsprechenden Lichtverzweigungselemente 63A,
64A, 65A und 66A verzweigt worden sind, mit einem Licht
empfangselement D verbunden sind und daß ferner die ande
ren Lichtleitfasern 51a, 55a, 59a und 63a, die durch die
Lichtverzweigungselemente 51A, 55A, 59A bzw. 63A ver
zweigt worden sind, mit einem Lichtempfangselement E ver
bunden werden, daß die anderen Lichtleitfasern 52a, 56a,
60a und 64a, die durch die Lichtverzweigungselemente 52A,
56A, 60A bzw. 64A verzweigt worden sind, mit einem Licht
empfangselement F verbunden sind, daß die anderen Licht
leitfasern 53a, 57a, 61a und 65a, die durch die Lichtver
zweigungselemente 53A, 57A, 61A beziehungsweise 65A ver
zweigt worden sind, mit einem Lichtempfangselement G ver
bunden sind und daß die anderen Lichtleitfasern 54a, 58a,
62a und 66a, die durch die Lichtverzweigungselemente 54A,
58A, 62A bzw. 66A verzweigt worden sind, mit einem Licht
empfangselement H verbunden sind. Die Lichtempfangsele
mente A bis H sind mit einer Detektorschaltung 70 verbun
den, die wiederum mit einer CPU 71 verbunden ist, an die
eine Anzeigeeinheit 72 angeschlossen ist. Die Abweichung
einer gemessenen Position (einer zu messenden Position)
kann gemessen werden, indem die Vorrichtung zur Erfassung
der Lichtempfangsposition an der gemessenen Position an
geordnet wird, indem die Erfassungsvorrichtung mit einem
von einer Bezugsposition ausgehenden Lichtstrahl be
strahlt wird und indem die Position des Lichtstrahls auf
der Erfassungsvorrichtung gemessen wird. Wenn der Licht
strahl, der in die Lichtempfangsebene an den einen Enden
der Lichtleitfasern 51 bis 66 eintritt und entlang der
letzteren verläuft, an einer Position angeordnet wird,
die irgend einer der Lichtleitfasern 51 bis 66 ent
spricht, ist es möglich, festzustellen, welche Lichtleit
faser (der Lichtleitfasern 51 bis 66) von dem Lichtstrahl
betroffen ist, und das Ergebnis auf der Anzeigeeinheit 72
anzuzeigen, indem die Position des Lichtstrahls mittels
zweier Lichtempfangselemente auf der Grundlage der digi
talen Information von den zwei Sätzen von Lichtempfangs
elementen A bis D bzw. E bis H erfaßt wird.
Wenn sich jedoch beispielsweise ein Lichtstrahl an einer
einem Ende der Lichtleitfaser 53 entsprechenden Position
befindet, ist es unmöglich, festzustellen, welche Licht
leitfaser von dem Lichtstrahl betroffen ist, da, obwohl
das Lichtempfangselement A ein Signal aussendet, das an
gibt, daß es den Lichtstrahl empfangen hat, dieses Licht
empfangselement A im Beispiel mit insgesamt vier Licht
leitfasern 51 bis 51 verbunden ist. Eine solche Bestim
mung wird daher mit Hilfe eines Ausgangssignals des wei
teren Satzes von Lichtempfangselementen E bis H vollen
det. Das heißt, daß eine Kenntnis davon, daß der Licht
strahl mit einem Ende der Lichtleitfaser 53 in Beziehung
steht, auf der Grundlage der Ausgangssignale der Licht
empfangselemente A und G erlangt werden kann.
In der oben erwähnten herkömmlichen Vorrichtung zur Er
fassung einer Lichtempfangsposition besteht jedoch das
Problem, daß eine Position, die kleiner als die Schritt
weite zwischen zwei benachbarten Lichtleitfasern ist,
nicht erfaßt werden kann. Ferner entsteht das weitere
Problem, daß die Anordnung und die Verbindung der Licht
leitfasern komplex wird und der Betrieb der Anordnung
störanfällig ist, weil der Lichtstrahl von einer Mehrzahl
von Lichtleitfasern empfangen wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangsposition zu
schaffen, in der keinerlei Lichtleitfasern verwendet wer
den und die ein hohes Auflösungsvermögen besitzt.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der gattungsge
mäßen Art gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden
Teil des Anspruches 1.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung ist im
Unteranspruch angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild, mit dem das Prinzip
einer herkömmlichen Vorrichtung zur Er
fassung einer Lichtempfangsposition er
läutert wird;
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtemp
fangsposition; und
Fig. 3, 4 erläuternde Darstellungen der Beziehung
zwischen dem Lichtstrahl und dem Licht
empfangselementen.
In Fig. 2 ist das konstruktive Prinzip einer Vorrichtung
zur Erfassung einer Lichtempfangsposition gemäß einer be
vorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In die
ser Vorrichtung sind flache Lichtempfangselemente 1 bis
12, die alle die gleiche rechtwinklige Lichtempfangsober
fläche besitzen, ohne Abstand entlang einer geraden Linie
angeordnet und bilden einen Lichtempfangsbereich. Die
Ausgänge der Lichtempfangselemente 1 bis 4 sind mit einer
Digitalschaltung 13A verbunden, die Ausgänge der Licht
empfangselemente 5 bis 8 sind mit einer Digitalschaltung
13B verbunden und die Ausgänge der Lichtempfangselemente
9 bis 12 sind mit einer Digitalschaltung 13C verbunden.
Die Lichtempfangselemente 1, 5 und 9 sind außerdem mit
einer Analogschaltung 14A verbunden. Genauso sind die
Lichtempfangselemente 2, 6 und 10 mit einer Analogschal
tung 14B, die Lichtempfangselemente 3, 7 und 11 mit einer
Analogschaltung 14C und die Lichtempfangselemente 4, 8
und 12 mit einer Analogschaltung 14D verbunden. Die an
beiden Enden des Lichtempfangsbereichs angeordneten
Lichtempfangselemente 1A und 12A sind mit einer Digital
schaltung 15 verbunden.
Jede der Digitalschaltungen 13A, 13B, 13C und 15 umfaßt
einen Addierer zum Addieren der Eingangssignale, einen
Komparator und dergleichen und ist so ausgebildet, daß
ihre Ausgabe invertiert wird, wenn der Summen- oder Addi
tionswert aller Eingangssignale einen vorgegebenen Pegel
übersteigt. Die Ausgaben der Digitalschaltungen 13A, 13B,
13C und 15 werden in eine CPU (Zentraleinheit) 16 einge
geben. Weiterhin umfaßt jede der Analogschaltungen 14A
bis 14D einen Addierer, eine Spitzenwerthalteschaltung
und dergleichen und ist so ausgebildet, daß sie den Sum
men- oder Additionswert aller Eingangssignale auf einem
Meßpunkt hält. Die Ausgaben der Analogschaltungen 14A bis
14D werden ebenfalls in die CPU 16 eingegeben. Die in der
CPU 16 verarbeiteten Daten werden über eine Schnittstelle
17 als Kommunikationsdaten an ein externes Gerät gegeben.
Weiterhin werden die in der CPU 16 verarbeiteten Daten in
eine Anzeigeeinheit 18 eingegeben.
Nun wird der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung
beschrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Beziehung
zwischen dem Durchmesser R eines auf den Lichtempfangsbe
reich auftreffenden Lichtstrahls und den Lichtempfangs
elementen so festgesetzt, daß der Durchmesser des einen
kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Lichtstrahls län
ger ist als die Länge L des Lichtempfangselementes (die
gleich der Schrittweite ist) und kleiner als 2L ist.
(Genauer gesagt ist der Durchmesser des Lichtstrahls
dann maximal, wenn die Umfangslinie des Lichtstrahls mit
den äußeren Enden zweier benachbarter Lichtempfangsel
mente in Berührung kommt.) Wenn der einen solchen Durch
messer aufweisende Lichtstrahl die beiden Lichtempfangs
elemente 1 und 2 bestrahlt, werden die Ausgaben der
Lichtempfangselemente 1 und 2 in die Digitalschaltung 13A
eingegeben, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Digitalschal
tung 13A stellt fest, daß die Summe der Ausgangssignale
der Lichtempfangselemente 1 bis 4 einen vorgegebenen Wert
übersteigt, so daß sie eine Ausgabe, beispielsweise mit
HOHEM Pegel, erzeugt. Der vorgegebene Wert wird so fest
gesetzt, daß er die Beurteilung erlaubt, ob der Licht
strahl irgend einen Satz der Lichtempfangselemente 1 bis
4, 5 bis 8 oder 9 bis 12 betrifft; er wird auf einen Pe
gel eingestellt, der so niedrig ist, daß er einerseits
vom Rauschen nicht gestört wird und andererseits das Vor
liegen eines Lichtstrahls vom Nichtvorliegen des Licht
strahls unterscheiden kann, wobei berücksichtigt wird,
daß eine Unterscheidung auch dann möglich sein muß, wenn
sich der Lichtstrahl an einer Grenze zwischen zwei Sätzen
von Lichtempfangselementen befindet. Da die CPU 16 grob
beurteilen kann, welcher Satz von Lichtempfangselementen
vom Lichtstrahl betroffen ist, stellt sie in dem in Fig.
3 gezeigten Fall fest, daß der Lichtstrahl den Satz der
Lichtempfangselemente 1 bis 4 betrifft. Die anderen Aus
gaben der Lichtempfangselemente 1 und 2 werden in die
Analogschaltungen 14A bzw. 14B eingegeben. In den Analog
schaltungen 14A und 14B werden die von den Lichtempfangs
elementen 1 bzw. 2 empfangenen Lichtmengen des Licht
strahls in elektrische Analogwerte umgewandelt, die in
die CPU 16 eingegeben werden. Daher kann die CPU 16 be
stimmen, welches der Lichtempfangselemente 1, 2, 3 oder 4
vom Lichtstrahl betroffen ist, indem sie die maximale
Ausgabe der Analogschaltungen 14A bis 14D ermittelt. Im
Ergebnis wird in dem in Fig. 3 gezeigten Fall geurteilt,
daß der Lichtstrahl das Lichtempfangselement 2 betrifft.
Um eine Position zu lesen oder festzustellen, die kleiner
als die Länge eines Lichtempfangselementes (das heißt
kleiner als die Schrittweite) ist, vergleicht die CPU 16
den Analogwert der Analogschaltung mit der maximalen Aus
gabe mit dem Analogwert der Analogschaltung mit der
zweitgrößten Ausgabe.
In dem in Fig. 3 gezeigten Fall bestimmt die CPU 16 auf
der Grundlage der folgenden Gleichung einen Vergleichs
wert y:
y = (A-B)/(A+B).
Hierbei ist A der Analogwert des Lichtempfangselementes 1
und B der Analogwert des Lichtempfangselementes 2. Das
heißt, daß eine Mittelposition Y des Lichtstrahls erhal
ten werden kann, da der Vergleichswert y einen Verhält
niswert zwischen den Flächen der vom Lichtstrahl be
strahlten Lichtempfangselemente darstellt und die Infor
mation über die Position aus einem Wert erhalten werden
kann, der in einer im voraus erstellten Wiedergewinnungs
tabelle abgelegt ist. In dem in Fig. 4 gezeigten Fall, in
dem ein Lichtstrahl drei Lichtempfangselemente 1, 2 und 3
bestrahlt, kann die wahre Mittenposition Y des Licht
strahls erhalten werden, indem zunächst eine "falsche"
Mittenposition Y1 des die Lichtempfangselemente 1 und 2
bestrahlenden Lichtstrahls und eine "falsche" Mittenposi
tion Y2 des die Lichtempfangselemente 2 und 3 bestrahlen
den Lichtstrahls in der im voraus erstellten Wiedergewin
nungstabelle gesucht werden, wobei die Gleichungen y1 =
(A-B)/(A+B) beziehungsweise y2 = (C-B)/(C+B) verwendet
werden (A, B und C sind die Analogwerte der Lichtemp
fangselemente 1, 2 bzw. 3; B ist in diesem Fall der Maxi
malwert) und indem dann die Mittenposition zwischen Y1
und Y2 berechnet wird. Wenn diese Werte zu der Gruppe
oder dem Satz von Informationen, die von der Digital
schaltung 13A benötigt wird, addiert werden, kann die ab
solute Position H des Lichtstrahls erhalten werden. Die
Absolutposition H des Lichtstrahls wird von der Anzeige
einheit 18 digital angezeigt. Weiterhin können die die
Absolutposition H des Lichtstrahls betreffenden Daten an
ein externes Verarbeitungsgerät wie etwa einen Personal
computer über die Schnittstelle 17 übertragen werden. Wie
in Fig. 2 gezeigt, dienen die Lichtempfangselemente 1A
und 12A dazu, zu ermitteln, daß der Lichtstrahl die äuße
ren Grenzen des meßbaren Bereichs zwischen den Lichtemp
fangselementen 1 und 12 überschreitet, und um über die
Digitalschaltung 15 eine Ausgabe in die CPU 16 einzuge
ben. Da in diesem Fall die Position des die Lichtemp
fangselemente 1 oder 12 überschreitenden Lichtstrahls un
bestimmt wird, veranlaßt die CPU 16 ein (nicht gezeigtes)
geeignetes Alarmelement zur Erzeugung eines hörbaren
Alarmsignals, um eine fehlerhafte Erfassung zu verhin
dern.
Folglich kann eine Bedienungsperson die Position des
Lichtstrahls lediglich durch die Beobachtung der Anzeige
auf der Anzeigeeinheit 18 erkennen. Da die Anzeige der
Anzeigeeinheit 18 kein Wert mit minimalem Auflösungsver
mögen, welches der Länge eines jeden der Lichtempfangs
elemente 1 bis 12 entspricht, ist, sondern ein interpo
lierter Wert, bei dem auch kürzere Längen als die Länge
eines jeden der Lichtempfangselemente 1 bis 12 berück
sichtigt werden, kann die Position des Lichtstrahls mit
hohem Auflösungsvermögen erhalten werden.
Obwohl in der erläuterten Ausführungsform der Lichtemp
fangsbereich so aufgebaut ist, daß die flachen Lichtemp
fangselemente mit jeweils gleichem rechtwinkligen Licht
empfangsflächen entlang einer geraden Linie ohne Unter
brechung angeordnet sind, kann jedes Lichtempfangselement
auch eine kreisförmige Lichtempfangsfläche besitzen und
können die Lichtempfangselemente in einem Abstand vonein
ander mit einer vorgegebenen Schrittweite (also in einer
unterbrochenen Anordnung) angeordnet werden. Jedoch ist
es auch in diesem Fall erforderlich, daß die Beziehung
P R 2P zwischen der Schrittweite P (zwischen den Licht
empfangselementen) und dem Durchmesser R des Lichtstrahls
beibehalten wird.
Wenn die Anzahl der Lichtempfangselemente M × N ist (M
bzw. N sind natürliche Zahlen), können die Lichtempfangs
elemente in Gruppen von N Elementen angeordnet werden, so
daß eine Mehrzahl von M Gruppen oder Sätzen von Lichtemp
fangselementen mit M Digitalschaltungen und N Lichtemp
fangselemente derselben Gruppe mit den entsprechenden
Analogschaltungen verbunden werden können. In diesem Fall
können die Digitalschaltungen und die Analogschaltungen
zu den in Fig. 2 gezeigten Schaltungen äqivalent sein.
In dem in Fig. 2 gezeigten Fall, für den die obige Be
schreibung gegeben worden ist, gilt M = 3 und N = 4.
Wenn der Lichtstrahl die beiden Lichtempfangselemente 4
und 5 bestrahlt, kann die CPU 16 diese Tatsache auf der
Grundlage von HOHEN Signalpegeln bestimmen, da die Digi
talschaltungen 13A und 13B beide Signale mit HOHEM Pegel
ausgeben. In diesem Fall werden die Ausgaben der Analog
schaltungen 14D und 14A dazu benutzt, die Position des
Lichtstrahls zu berechnen.
Wie oben erwähnt, ist erfindungsgemäß der Aufbau des
Lichtempfangsbereichs einfach, da keinerlei Lichtleitfa
sern, die einen komplizierten Aufbau zur Folge hätten,
verwendet werden. Ferner kann die Position des Licht
strahls erfindungsgemäß mit hohem Auflösungsvermögen be
stimmt werden, da für die Ermittlung dieser Position
sowohl Analogwerte als auch Digitalwerte verwendet wer
den.
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangspo
sition,
gekennzeichnet durch
einen Lichtempfangsbereich, der aus M linear an geordneten Gruppen aufgebaut ist, die jeweils N linear und der Reihe nach angeordnete Lichtempfangselemente (1 bis 4; 5 bis 8; 9 bis 12) enthalten, wobei M und N je weils eine ganze Zahl ist;
M Digitalschaltungen (13A; 13B; 13C), die den je weiligen M Gruppen des Lichtempfangsbereichs entsprechen, wobei jede Digitalschaltung (13A; 13B; 13C) mit jedem Lichtempfangselement (1 bis 4; 5 bis 8; 9 bis 12) der entsprechenden Gruppe des Lichtempfangsbereichs verbunden ist und die Eingangssignale hiervon addiert, um eine Er fassungssignal-Information auszugeben, wenn der Summen wert einen vorgegebenen Pegel übersteigt;
N Analogschaltungen (14A, 14B, 14C, 14D), die je weils mit demjenigen Lichtempfangselement einer Gruppe des Lichtempfangsbereichs verbunden sind, dessen Position innerhalb der entsprechenden Gruppe der Position der be treffenden Analogschaltung entspricht, und die die Ein gangssignale der entsprechenden Lichtempfangselemente ad dieren, um eine Summenwert-Information auszugeben; und
Rechenmittel (16), die mit den M Digitalschaltun gen (13A, 13B, 13C) und den N Analogschaltungen (14A, 14B, 14C, 14D) verbunden sind, um die Lichtempfangsposi tion eines auf den Lichtempfangsbereich auftreffenden Lichtstrahls auf der Grundlage der Informationen von den M Digitalschaltungen und den N Analogschaltungen zu be rechnen.
einen Lichtempfangsbereich, der aus M linear an geordneten Gruppen aufgebaut ist, die jeweils N linear und der Reihe nach angeordnete Lichtempfangselemente (1 bis 4; 5 bis 8; 9 bis 12) enthalten, wobei M und N je weils eine ganze Zahl ist;
M Digitalschaltungen (13A; 13B; 13C), die den je weiligen M Gruppen des Lichtempfangsbereichs entsprechen, wobei jede Digitalschaltung (13A; 13B; 13C) mit jedem Lichtempfangselement (1 bis 4; 5 bis 8; 9 bis 12) der entsprechenden Gruppe des Lichtempfangsbereichs verbunden ist und die Eingangssignale hiervon addiert, um eine Er fassungssignal-Information auszugeben, wenn der Summen wert einen vorgegebenen Pegel übersteigt;
N Analogschaltungen (14A, 14B, 14C, 14D), die je weils mit demjenigen Lichtempfangselement einer Gruppe des Lichtempfangsbereichs verbunden sind, dessen Position innerhalb der entsprechenden Gruppe der Position der be treffenden Analogschaltung entspricht, und die die Ein gangssignale der entsprechenden Lichtempfangselemente ad dieren, um eine Summenwert-Information auszugeben; und
Rechenmittel (16), die mit den M Digitalschaltun gen (13A, 13B, 13C) und den N Analogschaltungen (14A, 14B, 14C, 14D) verbunden sind, um die Lichtempfangsposi tion eines auf den Lichtempfangsbereich auftreffenden Lichtstrahls auf der Grundlage der Informationen von den M Digitalschaltungen und den N Analogschaltungen zu be rechnen.
2. Vorrichtung zur Erfassung einer Lichtempfangspo
sition gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schrittweite P zwischen den Lichtempfangselementen (1 bis
12) mit dem Durchmesser R des Lichtstrahls in der folgen
den Beziehung stehen:
P R 2P.
P R 2P.
Applications Claiming Priority (1)
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