(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離または光線の入射角度測定装置であって、該光線を測定されるべき物体上に投影するための光学的放出すなわち放光システム（７）と、反射された光線を位置検出器上に投影するための光学的受容すなわち受光システム（１１、１３および２２、２５および３０）を有している測定装置において、前記受光システム（１１、１３および２１、２５および３０）はその光線をして角度変化が圧縮されて屈折せしめるプリズム（１１、２２）を有しており、かくして対応する測定範囲を測定するのに必要とされる位置検出器（１２、２４）の寸法を減少することが可能とされ、更に、１つの組立体を有しており、該組立体は放光システム（７）と、光線を圧縮を供なって屈折する受光システム（１１、１３、２１、２２、２５、３０）と、光線をして角度変化の拡大を伴なって屈折せしめる受光システム（２６、２８、２９、３０）と、位置検出器（１２、２４および２７）とを１つのハウジング（３１）内に組合せて有していることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
光線の入射角度測定装置であって、該光線を測定されるべき物体上に投影するための光学的放出すなわち放光システム（７）と、反射された光線を位置検出器上に投影するための光学的受容すなわち受光システム（２６、２８、２９および３０）とを有する測定装置において、前記受光システムは光線をして角度変化が拡大されて屈折せしめるプリズム（２６）を有しており、かくして小さな角度変化に対する位置検出器（２７）の感度を増大することが許容されていることを特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載の測定装置において、前記プリズム（１１、２２）の入口表面（１０、２３）は受光システムの光軸（ＡＯ′）とほぼ４５°の角度をなしていることを特徴とする測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載の測定装置において、前記プリズム（２６）の出口表面（２９）が前記受光システムの光軸（ＡＯ″）とほぼ４０°の角度をなしていることを特徴とする測定装置。
【請求項５】
前記プリズムの出口表面が光学的要素（１３、２５および２８および３０）を有して、屈折した光線を位置検出器（１２、２４、２７）上に投影するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項６】
前記第１のプリズム（１１）の出口表面および第２のプリズム（２６）の出口表面に設けられた光学的要素は屈折された光線を前記位置検出器（１２、２４、２７）上に集光する単一の球状鏡（３０）または２つの球状鏡によって構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の測定装置。
【請求項７】
前記プリズム（１１）を有する前記受光システムが、放光システムとは分離されており、光学軸（ＡＯ′）と平行をなして配設されている位置検出器（１２）上に屈折光線を投影するべく、前記プリズムおよび前記光学的要素（１３）の出口表面下に配設されている鏡（１９）を有しており、前記放光システムおよび受光システムはハウジング（１４）内に配設された検出器を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
【請求項８】
前記受光システム（２１と２２、２５）が集光レンズ（２５）を備えた前記プリズム（２２）と、集光レンズまたはレンズ部分（２１）の組合せ物を有しており、前記要素の各々は屈折光を受光し、該屈折光をして光線と受光システムの光学軸（ＡＯ′）との間に形成される角度を供なって前記位置検出器（２４）上に投影せしめるように作られていることを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
【請求項９】
前記位置検出器（２４）は前記受光システムの光学軸（ＡＯ′）に関して９０°の角度をなして配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は距離すなわち光線の入射角度を測定するための装置に関するものであり、該測定装置は前記光線をして被測定物上に投影するための光学的放出システムすなわち放光システムと、反射された光線を位置検出器上に投影するための光学的受容システムすなわち受光システムを有している。
【０００２】
【従来の技術】
光／電子工学的システムにより入射角度または距離を測定するということは図１に示すように通常三角法の原理に基づいて行なわれる。良好な精度を得るためには、この方法の場合、大きなベースが必要となるが、これがまずこの方法の第１の欠点となる。第２の欠点は測定範囲が極めて限定され、大きなデッドゾーン（Ｚ）が生じてしまうということである。これらの欠点があることは検出器の場合にとりわけ不便である。というのも、検出器の場合単一ハウジング内に光源と受光器が含まれなければならず、ハウジングの寸法は出来るだけ小さくしたいからである。
【０００３】
【発明の概要】
従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的とする所は距離すなわち光線の入射角度を測定するための装置であって、小さなベース（基礎）を有し、すなわちその寸法が既知の装置のそれよりも小さく、しかも測定範囲は大きくなるような測定装置を提供することである。
【０００４】
この目的が達成される装置においては、前記受光システムがプリズムを有しており、該プリズムは光の角度変化を圧縮して光線を屈折し、かくして対応する測定範囲を測定するために必要とされる位置検出器の寸法を減ずることが可能とされる。また別の装置においては、前記受光システムがプリズムを有しており、該プリズムは光線の角度変化を拡大させて光線を屈折せしめており、かくして小さな角度変化に対する位置検出器の感度を増大させることが可能とされている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
【実施例】
三角測量法によって距離を測定する既存の方法を図式的に示している図１は光源１と、光学的放出システム２を示している。システム２は基準表面からそれぞれｄおよびｄ′だけ離れた位置にある測定される物体３および３′へと、光源からの放出ビームを投影している。光線は測定物体により放散的に反射され、受容レンズまたは光受容システム４内へと集積され、前記レンズまたは受光システム４から距離Ｃにある位置検出器５上へと投影される。この概略構造において、位置検出器上における基準Ｒからの距離ｂは測定距離ｄの関数である。
【０００６】
高精度を得るためには、光学的放出システムの光学軸線ＡＯと光受容システムの光軸ＡＯ′間において大きな基準値Ａが必要とされる。更には、図１においてはっきりと示されているように、測定範囲は光学的構造体と位置検出器の寸法によって制限される。また、重要なデットゾーンＺの存在に注目されたい。
【０００７】
本発明の基本的概念は光受容システム内における光の角度変化は非線形的に圧縮または増幅するということにある。本発明のアイディアを実現することにより、大きな測定範囲を備え、光受容および放散システムがより互いに近くなるコンパクトな検出器が提供される。
【０００８】
光の伝播は進行する媒体の反射係数に依存し、スネル−デカルトの法則（図２）によって表現される。
【数１】
0004370012.tif 000002
ここにｉは入射角、ｒは屈折角度、ｎｉは空気の屈折率、ｎｒは進行媒体の屈折率である。空気中を伝播し、ガラス（ｎ＝１．５）内へと進入する光の場合には、ｉが０〜９０°迄変化する時にΔｒ／Δｉの比率は０．６６〜０迄変動することが観察される。ここにΔｒは屈折角度の角度変化であり、Δｉは入射角度の変化である。
【０００９】
かくして、屈折の多い媒体から屈折の少ない媒体へと通過する光線の伝播を考える時には、シュネール−デカルトの法則に係る角度変動から完全反射迄が観察される。
【００１０】
圧縮または増幅効果を損なわないようにするためには、進入表面および進出表面が平行にならないような注意が払われなければならない。通常、このことはプリズムを使用することで実現される。しかしながら、屈折率が光線の通路に沿って変動する光学材料を利用することも可能である。かくしてプレートの入口および出口表面が平行をなしている場合においてさえ、角度変化の圧縮または増幅作用が得られる。
【００１１】
次に検出器を用いた場合（図３参照）について説明するが、該検出器は更に電気的および電子的回路および他の部品を有する測定装置の一部分をなしている。今光線を利用して測定を行なうとして、該光線の入射角すなわち反射してくる光の角度が、Δｉ＝４０°だけ変化したとすれば、本発明により、この変化を適当なプリズムを介することにより略２０°へと圧縮することが出来る。検出器の測定範囲はかくして顕著に拡大される。プリズム１１の面によって形成される角度を決定してやることによって、該プリズムの入口表面上において光学的角度圧縮を行なうことが可能であり、出口表面上において過剰に圧縮されることが防止される。進出した光線は次にやはりプリズムの出口表面と一体構造のものとすることの出来るレンズによって位置検出器上に集光（フォーカス）される。極めて図式的にではあるが、図３は光源６、光軸ＡＯを有する光放散システム７および光源からの距離がｄである測定物体８ならびに破線で示すように減少距離ｄ′（これは減少したデッドゾーンを表わしている）を有する物体９を示している。
【００１２】
図３に示されるように、より大きな距離ｄに位置する物体８からくる入射光線ｉと、より小さな距離ｄ′に位置する物体９からくる入射光線ｉ′との間に変化があるため、すなわちプリズム１１の入口表面１０上に光が衝突した時にΔｉ＝４０°の角度変化が生ずるために、プリズムの出口においてはΔｒ＝２０°の光線変化が生ずる。言いかえるならば、光源と位置検出器の間には小さな距離しか存在していないが、検出器１２の測定範囲はより大きく、そのデッドゾーンは減少する。図３はまた、プリズムから出てくる光線を位置検出器上へと集光しているレンズ１３はプリズムと一体に構成出来ることを示している。
【００１３】
図４および図５は検出器すなわち、光源および位置検出器を有する光−電子組立体の検出器の２つの例示的実施例を示している。図４は左側において光放出システムを、右側において受光システムを示すとともに、ハウジング１４内における光源６を示している。光源６は光源を保持し、調節するための既知の（図示せぬ）手段装置と、反射を出来るだけ少なく保持するための黒色化された内側段差１５とを有している。ハウジングの出口付近において、光学的システム７は光を光源６から測定物体（図示せず）上へと投影しているのが見える。光軸ＡＯは破線として例示されている。ハウジングは光学窓１６によって外側から閉じられている。
【００１４】
受光システムは同一ハウジング内に集積化されており、光学的窓１７により外側から閉じられている。被測定物体のより近くのものから入って来る入射光線ｉは光軸ＡＯとほぼ４０°の角度をなしており、プリズム１１の進入表面１０上へと落下する。前記進入表面１０は光軸ＡＯ′とほぼ４５°をなして切られている。入射光線ｉの屈折光線ｒ′は次にレンズ１３中を通過するが、該レンズはプリズムの出口表面と一体をなしており、その焦点距離は例えばｆ＝６である。次に、進出した屈折光線は鏡１９上に落下し、光線は該鏡により位置検出器１２上へと反射される。被測定物のより遠くにあるものの位置から来る入射光線ｉはプリズムの進入表面１０によって屈折され、屈折光線ｒとなる。光線ｒもまたレンズ１３中を通過し、鏡１９上に落下し、ここから位置検出器１２上へと反射される。
【００１５】
測定装置はハウジング内に収納されており、位置検出器のみならず、当業界では周知の測定および制御回路を有している。図４に記載の構造によれば、従来技術の検出器とくらべて寸法が減少した検出器が実現される。
【００１６】
図５に係る実施例は更なる検出距離の増大を許容するとともに、コンパクトな構造および減少サイズによる大きな測定範囲を得ることを可能としている。放光システムおよび受光システムは相並んで、単一のハウジング内に配設されている。放光システムは光源６と集光レンズ７を有しており、該レンズは光を測定すべき図示せぬ物体上へと投光している。受光システムは前述の実施例において説明したようなプリズムと集光レンズ並びに反射光を類似の位置検出器上に集光するレンズまたはレンズ部分の組合せによって構成されている。
【００１７】
反射光が光軸に対して−６°〜０°の角度をなして衝突すると、レンズ２１はこれらの光線を位置検出器２４上で−６〜０の地点間に集光する。
【００１８】
入射角度が０°〜３０°の間で変動する場合には、入射光線ｉおよびｉ′はプリズム２２の入口表面２３によって屈折され、以後光軸に対して直角をなして配設されている位置検出器２４上へとレンズ２５を介して集光される。屈折した光線ｒおよびｒ′は検出器上において、厳密にシステムの光軸内に位置する地点Ｏと、同検出器の端部に位置する地点３０との間に集光される。
【００１９】
プリズムによって生成された非線形的角度圧縮の故に、測定距離が減少するにつれて測定の角度に関する感度は減少する。測定距離が減少するにつれて、プリズムによって集光される光量もまた減少する。何故ならば、その場合光量の大部分はプリズムの入口表面によって外側に反射されてしまうからである。このことは測定装置の飽和を防止する傾向をもたらすので好ましい因子でもある。
【００２０】
図６に記載された光学的構造体においては、プリズム２６を用いることで角度を圧縮するよりはむしろ拡大させ、位置検出器２７上における測定感度を増大させることにより、更に検出距離を増大させることが意図されている。短かい範囲における測定に対しては、位置検出器１２の情報が用いられ、入射光線ｉ′からｉへの角度変化量が圧縮測定され得る。長範囲における測定は検出器２７がプリズム２６およびレンズ２８を経ての角度変化量Δｉ′＝ｉからｉ″の拡大値に反応することで行なわれる。
【００２１】
図式的例示である図６は図３の装置に加えて光線を拡大するための装置をも例示している。プリズム２６は光学的放散システムの光軸ＡＯとは平行をなしている光軸ＡＯ″に関して傾斜している表面が出口表面２９となるように配設されている。出口表面２９は光軸ＡＯ″と約４０°の角度を形成することが出来る。図６は、中間距離ｄに位置する物体８から出てくる入射光線ｉと、より大きな距離ｉ″に位置する物体からくる入射光線ｉ″の間のΔｉ′＝８°なる変化量がプリズム２６上には生じ、これが同プリズムの出口において検出器２７上における光線の変化Δｒ′＝１６°となってあらわれる変化をもたらしていることを示している。
【００２２】
要求に応じて、図６のシステムは長距離測定のための検出器にして、角度拡大機能を有する光学的システムまたは長距離用の慣用的システムと、短距離用の角度圧縮機能を有する光学的システムとを組合せたことになり、大きな測定範囲を提供できる検出器が実現されることを許容している。
【００２３】
図７に示された実施例によれば、短距離測定におけるプリズム１１による角度圧縮の利点と、長距離測定におけるプリズム２６による角度拡大の利点とを結合した検出器が実現されている。２つのプリズムを含んだ放光システムおよび受光システムは単一のハウジング３１内に相並んで集積化されているので、構造は単一鏡の使用の故に極めてコンパクトなものになる。ここに鏡３０は短距離測定の際には位置検出器１２または２４上に、長距離測定の際には位置検出器２７上にそれぞれ入射光線を集光する目的で用いられるレンズ１３または２５およびレンズ２８の代りに用いられている。単一の球状鏡を用いる代りに、各プリズムに１個宛２つの球状鏡を用いることが可能である。２つの検出器１２または２４と２７の代りに単一の検出器を設けることも可能である。
【００２４】
角度値の圧縮および拡大の２つの手順が図６および図７において同時に記述され、例示されてきたが、これら２つの手順の内１つのみの手順を適用することも全く可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】三角法の測定原理を示す概略図。
【図２】スネル−デカルト則を説明する図。
【図３】本発明の測定原理を示す図。
【図４】本発明の装置の第１実施例を示す図。
【図５】本発明の第２実施例を示す図。
【図６】図３の測定原理を更に広げた測定原理を示す図。
【図７】本発明の別の実施例を示す図。
【符号の説明】
７  放光システム
１１、１３および２１、２２、２５および３０
２６、２８、２９および３０  受光システム
１２、２４、２７  位置検出器
１１、２２、２６  プリズム
１０、２３  プリズムの入口表面
２９  プリズムの出口表面
１３、２５および２８および３０  光学要素
３０  球状鏡
１９  鏡
１４  ハウジング
２５  受光レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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