DE102013102816A1

DE102013102816A1 - Optische Messvorrichtung, insbesondere Autokollimationsfernrohr, mit verringerter Messabweichung

Info

Publication number: DE102013102816A1
Application number: DE102013102816.0A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Rainer Sagemüller
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: DE102013102816B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung (10), insbesondere ein Autokollimationsfernrohr, mit einem optischen Sensoreinrichtung (16) und einem Hohlzylinderelement (18), das derart relativ zu der optischen Sensoreinrichtung (16) angeordnet ist, dass ein Messstrahlengang (34, 38) zwischen der optischen Sensoreinrichtung (16) und dem Messobjekt (12) durch das Hohlzylinderelement (18) und entlang einer Längsachse (36) des Hohlzylinderelements (18) verläuft, und wobei das Hohlzylinderelement (18) ein sensornahes Ende (20) und ein sensorfernes Ende (22) aufweist. Es wurde festgestellt, dass aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dem sensornahen und dem sensorfernen Ende (22) Luftverwirbelungen (48) in dem Hohlzylinderelement (18) hervorgerufen werden, die die Ursache für Messabweichungen in derartigen optischen Messvorrichtungen (10) sein können. Entsprechend werden Lösungen zur Verringerung oder Vermeidung derartiger Verwirbelungen (48) aufgezeigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung, insbesondere ein Autokollimationsfernrohr, zum Messen einer Eigenschaft eines Messobjekts, mit einer optischen Sensoreinrichtung und einem Hohlzylinderelement, das derart relativ zu der optischen Sensoreinrichtung angeordnet ist, dass ein Messstrahlengang zwischen der optischen Sensoreinrichtung und dem Messobjekt durch das Hohlzylinderelement und entlang einer Längsachse des Hohlzylinderelements verläuft, und wobei das Hohlzylinderelement ein sensornahes Ende und ein sensorfernes Ende aufweist.
Derartige optische Messvorrichtungen sind im Stand der Technik bereits bekannt. Beispielsweise zeigt die Druckschrift WO 2012/037909 A2 eine solche optische Messvorrichtung.
Optische Messvorrichtungen, die auf die voranstehend benannte Weise arbeiten, können insbesondere zur hochgenauen Bestimmung von kleinen Drehwinkeln, Taumel- oder Ablauffehlern von Linearachsen oder aber zur Durchführung von Messungen bezüglich der wiederholgenauen Positionierung von Drehgelenken eingesetzt werden. Eine bevorzugte Art von optischer Messvorrichtung, die hierbei Einsatz findet, ist ein Autokollimationsfernrohr (AKF). Eine derartige optische Messvorrichtung bietet eine sehr hohe absolute Genauigkeit bei der Messung von Winkeln in einem Bereich von beispielsweise deutlich weniger als einer Bogensekunde. Des Weiteren wird eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit bereitgestellt. Folglich eignen sich diese optischen Messgeräte, insbesondere Autokollimationsfernrohre, besonders zum hochgenauen Messen von kleinsten Winkelbewegungen eines zu vermessenden Messobjekts.
Die Technik eines Autokollimationsfernrohrs an sich ist bereits seit langer Zeit im Stand der Technik bekannt. Dabei wird ein Lichtstrahl auf die Oberfläche des zu vermessenden Objekts gestrahlt. Der von der Oberfläche des zu vermessenden Messobjekts reflektierte Lichtstrahl fällt dann zurück in die optische Messvorrichtung auf einen Sensor, der dazu in der Lage ist, den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf den optischen Sensor ortsaufgelöst zu erfassen. Der Weg des einfallenden Lichtstrahls und des reflektierten Lichtstrahls wird auch als Messstrahlengang bezeichnet. Steht die Oberfläche des zu vermessenden Messobjekts senkrecht zu dem auf sie einfallenden Lichtstrahl, wird deckungsgleich mit dem einfallenden Strahlengang zurück in die optische Messvorrichtung reflektiert und trifft auf einen bekannten, kalibrierten Punkt auf dem optischen Sensor. Weicht der Auftreffpunkt des reflektierten Lichtstrahls von diesem kalibrierten Punkt ab, muss die Oberfläche des zu vermessenden Messobjekts zu dem einfallenden Lichtstrahl geneigt angeordnet sein. Aufgrund der bekannten Dimensionen der optischen Messeinrichtung kann aus dem Auftreffpunkt des reflektierten Lichtstrahls auf den optischen Sensor bestimmt werden, um welchen Winkel die Oberfläche des Messobjekts zu dem einfallenden Lichtstrahl geneigt ist. Derartige Autokollimationsfernrohre sind etwa aus der Druckschrift DE 714415 C bekannt.
Ein Messstrahlengang bzw. ein Abstand des optischen Sensors zu dem Messobjekt kann groß sein. Häufig weisen derartige optische Messvorrichtungen ein sich lang erstreckenden Hohlzylinderelement auf, in dem der Messstrahl zwischen einem optischen Sensor der optischen Messeinrichtung und dem Messobjekt geführt ist. Das Hohlzylinderelement ist in der Regel lichtundurchlässig ausgebildet, damit kein Streulicht auf den optischen Sensor der optischen Messeinrichtung fallen kann und so das Messergebnis beeinflussen könnte. Des Weiteren wird, um ein Abschatten des von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahls durch eine Lichtquelle zu vermeiden, in der Regel ein Strahlteiler verwendet, um das von einer Lichtquelle emittierte Licht in den Messstrahlengang einzukoppeln. Beispiele für derartige optische Messvorrichtungen sind etwa in der Druckschrift DE 1 207 112 A oder der eingangs erwähnten Druckschrift WO 2012/037909 A2 gezeigt.
In derartigen optischen Messeinrichtungen, insbesondere Autokollimationsfernrohren neuerer Bauart wird in der Regel ein Laser als Lichtquelle verwendet. Als optischer Sensor werden in der Regel Kameras, insbesondere CCD-Kameras eingesetzt. Grundsätzlich sind jedoch als optische Sensoren auch alle anderen Arten von Arrays mit fotosensitiven Elementen denkbar. Des Weiteren sind auch analoge optische Sensoren bekannt.
Qualifizierungsmessungen solcher optischen Messeinrichtung haben gezeigt, dass während des Messbetriebs, beispielsweise in senkrechten Einbaulagen, in denen ein optischer Sensor unterhalb des Hohlzylinderelements angeordnet ist, periodische Messabweichungen auftreten können. In Testmessungen beliefen sich die Messabweichungen auf bis zu 0,3 Winkelsekunden und wiesen eine Periodendauer von etwa 2 Minuten auf. Abhängig von dem Typ, den optischen Eigenschaften, beispielsweise der Brennweite, und der Dimensionierung einer optischen Messeinrichtung kann die Messabweichung auch noch größere Werte annehmen und die Periodendauer im Minutenbereich variieren. Bei hochgenauen Messungen sind derartige Effekte natürlich unerwünscht, da sie das Messergebnis derart beeinflussen können, dass dem Messergebnis nicht mehr vertraut werden kann.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige periodische Messungenauigkeiten in optischen Messvorrichtungen, insbesondere in Autokollimationsfernrohren, zu vermeiden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird daher vorgeschlagen, die eingangs genannte Messvorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass die optische Messvorrichtung eine Temperaturausgleichseinrichtung zum Ausgleichen einer Temperaturdifferenz zwischen dem sensornahen Ende und dem sensorfernen Ende aufweist, und/oder dass das Hohlzylinderelement an dem sensornahen Ende mindestens eine erste Fluiddurchtrittsöffnung und an dem sensorfernen Ende mindestens eine zweite Fluiddurchtrittsöffnung aufweist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird vorgeschlagen, die eingangs genannte optische Messvorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass das Hohlzylinderelement hermetisch verschlossen ist, und wobei in einem Innenraum des Hohlzylinderelements ein Vakuum vorliegt, oder dass in dem Hohlzylinderelement mindestens ein einen senkrecht zu der Längsachse verlaufenden Querschnitt des Hohlzylinderelements verschließendes transparentes Festkörperelement angeordnet ist.
Bei der optischen Messvorrichtung kann es sich insbesondere um eine optische Messvorrichtung handeln, die zum Einsatz in der industriellen Messtechnik oder in einer industrielen Anwendung geeignet ist. Des Weiteren kann es sich bei der optischen Messvorrichtung insbesondere um ein Autokollimationsfernrohr handeln.
Unter "hermetisch verschlossen" soll dabei eine luftdichte Abdichtung des Hohlzylinderelements verstanden werden, die dazu in der Lage ist, das in dem Hohlzylinderelement vorherrschende Vakuum aufrecht zu erhalten. Unter einem "Vakuum" soll ein Druck innerhalb des Hohlzylinderelements von weniger als 300 mbar (30.000 Pascal), vorzugsweise weniger als 10^–3 mbar, weiter vorzugsweise weniger als 10^–7 mbar verstanden werden. Das Hohlzylinderelement sollte insbesondere derart verschlossen sein, dass ein solches Vakuum über einen Zeitraum von zumindest einem Tag, vorzugsweise zumindest einer Woche, weiter vorzugsweise dauerhaft, erhalten werden kann.
Alternativ kann mittels mindestens eines den Querschnitt des Hohlzylinderelements verschließenden Festkörperelements ebenfalls eine Luftbewegung innerhalb des Hohlzylinderelements vermieden werden. Dabei können mehrere Festkörperelemente, beispielsweise mehrere transparente Lamellen, vorgesehen sein, die zwischen dem sensornahmen und dem sensorfernen Ende verteilt angeordnet sind, insbesondere in jeweils gleichen Abständen. Es kann aber beispielsweise auch vorgesehen sein, dass ein einziges Festkörperelement, beispielsweise ein Festköperzylinder, beispielsweise aus Glas, mit einem dem Hohlzylinderelement entsprechenden Querschnitt innerhalb des Hohlzylinderelements angeordnet ist. Der Festkörperzylinder kann dabei eine Länge von mindestens 50% der Länge des Hohlzylinderelements aufweisen. Unter „transparent“ kann dabei beispielsweise verstanden werden, dass ein Material des Festkörperelements einen Transmissionsgrad von mehr als 80% in einem Wellenlängenbereich des Messstrahls aufweist.
Das „Hohlzylinderelement“ kann ein langgestrecktes Hohlzylinderelement. Der Zylinder des Hohlzylinderelements kann jeden beliebigen Querschnitt aufweisen. Keinesfalls muss das Hohlzylinderelement zwangsläufig einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dieser kann auch dreieckig, viereckig oder n-eckig ausgeführt sein.
Bei der Untersuchung der periodischen Messabweichungen wurde festgestellt, dass diese auf die Erwärmung der optischen Messeinrichtung zurückzuführen sind. Da beispielsweise CCD-Kameras oder aber auch Lasereinrichtungen als Lichtquellen elektrisch betrieben werden, erwärmt sich die optische Messvorrichtung aufgrund von Energiedissipation mit der Dauer des Messbetriebs. Temperaturmessungen haben ergeben, dass zwischen dem sensorfernen Ende des Hohlzylinderelements, das in der Regel Raumtemperatur von beispielsweise etwa 22°C aufweist, und dem sensornahen Ende des Hohlzylinderelements eine Temperaturdifferenz von bis zu 7°K vorliegen kann, so dass das sensornahe Ende und die dort befindlichen Elemente der optischen Messeinrichtung eine Temperatur von etwa 29°C aufweisen.
Durch den dadurch vorhandenen Temperaturunterschied über das Hohlzylinderelement stellt sich in diesem mit der Zeit ein Austausch der in dem Hohlzylinderelement vorhandenen Luftmassen ein. In dem unteren Teil bzw. dem sensornahen Ende des Hohlzylinderelements erwärmte Luft steigt nach oben, um sich dort wieder abzukühlen und nach unten zu sinken. Der Effekt bzw. das Vorgehen ist in etwa mit dem einer allgemein bekannten "Lavalampe" zu vergleichen. Aufgrund des an und für sich abgeschlossenen Systems innerhalb des Hohlzylinderelements stellt sich mit der Zeit ein Zustand einer wellenförmigen Bewegung der Luftmassen im Rohr ein, so dass regelmäßige Verwirbelungen zwischen aufsteigender warmer Luft und abfallender kalter Luft entstehen. Hierdurch wird ein durch das Hohlzylinderelement verlaufender Messstrahl verzerrt. Da der Brechungsindex von Luft von deren Dichte und damit ihrer Temperatur abhängt, entstehen im Bereich der Verwirbelungen Grenzflächen, an denen der Messstrahl gebrochen bzw. reflektiert wird. Auf diese Weise kommt es zu zwar geringen, aber dennoch das Messergebnis beeinflussenden, insbesondere refraktiven, Effekten, die zu den Messabweichungen führen. Des Weiteren können aufgrund der zyklischen Luftbewegungen auch zyklische Erwärmungen des Hohlzylinderelements auftreten. Diese können zu zyklischen Verformungen des Hohlzylinderelements führen. Aufgrund der wellenförmigen Bewegung der Luftmassen sind diese Messabweichungen zyklisch.
Auf Basis dieser der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnis der Erfinder, konnten verschiedene Aspekte identifiziert werden, die Messabweichungen deutlich zu verringern oder ganz zu vermeiden.
Wie voranstehend ausgeführt wurde, kann dieses zum einen durch einen Ausgleich einer Temperaturdifferenz über dem Hohlzylinderelement, beispielsweise eine Kühlung des Hohlzylinderelements, insbesondere von dessen sensornahem Ende, oder eine Erwärmung des Hohlzylinderelements, insbesondere von dessen sensorfernem Ende, erzielt werden. Dadurch wird die Temperaturdifferenz über das Hohlzylinderelement verringert oder ganz ausgeglichen, was den die Verwirbelungen erzeugenden Temperaturunterschied verringert. Des Weiteren ist es möglich, durch Öffnungen am sensornahen Ende des Hohlzylinderelements und am sensorfernen Ende des Hohlzylinderelements innerhalb des Hohlzylinderelements eine Art Kamineffekt zu erzeugen, der das Entweichen der aufsteigenden Luftmassen ermöglicht. Gleichzeitig wird durch die Öffnungen am sensornahen Ende des Hohlzylinderelements ein Nachströmen von Umgebungsluft ermöglicht. Auf diese Weise können die Verwirbelungen innerhalb des Hohlzylinderelements ebenfalls vermieden werden. Letztlich kann selbstverständlich durch Vorsehen eines Vakuums innerhalb des Hohlzylinderelements die Verwirbelung von Luftmassen vollständig vermieden werden.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird daher vollkommen gelöst.
In einer Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Temperaturausgleichseinrichtung eine Kühleinrichtung aufweist, die ein Kühlfluid entlang einer Außenseite des Hohlzylinderelements an dem sensornahen Ende fördert.
Auf diese Weise kann der Temperaturdifferenz direkt an dem erwärmten sensornahen Ende entgegengewirkt werden.
In einer Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung das Kühlfluid von dem sensornahen Ende in Richtung des sensorfernen Endes fördert.
Auf diese Weise wird bereitgestellt, dass das Kühlfluid an dem sensornahen Ende Wärme abführt und in Richtung des sensorfernen Endes transportiert. Abhängig von dem Temperaturniveau des Kühlfluids nach der Wärmeaufnahme an dem sensornahen Ende kann eine geringfügige Erwärmung des sensorfernen Endes erreicht werden. Auf diese Weise kann ein Temperaturausgleich über das Hohlzylinderelement weiter verbessert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung derart ausgebildet ist, dass das Kühlfluid die Außenfläche des Hohlzylinderelements vollständig umgebend gefördert wird.
Beispielsweise kann dies mittels einer Ventilatoreinrichtung bereitgestellt sein, die auf der Längsachse des Hohlzylinderelements angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine vollumfängliche gleichmäßige Kühlung des sensornahen Endes des Hohlzylinderelements bereitstellt.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Temperaturausgleichseinrichtung mindestens einen elektrothermischen Wandler, insbesondere ein Peltierelement aufweist, um das Ausgleichen der Temperaturdifferenz zu bewirken.
Die Technik eines Peltierelements ist dem Durchschnittsfachmann an sich bekannt. Es handelt sich um einen elektrothermischen Wandler, der den bekannten Peltier-Effekt nutzt. Ein Peltierelement ermöglicht es beispielsweise, durch anlegen eines elektrischen Stroms einen Wärmeübergang in einer bestimmten Richtung zu erzwingen. Dies ermöglicht es, ein Peltierelement beispielsweise zum gezielten Kühlen von Bauteilen zu verwenden, ohne notwendigerweise Fluide einsetzen zu müssen.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Temperaturausgleichseinrichtung ein um das sensornahe Ende des Hohlzylinderelements gebogenes Kühlrohr aufweist, das mindestens eine Austrittsöffnung für das Kühlfluid aufweist, die in Richtung des Hohlzylinderelements weist, und wobei die Kühleinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie das Kühlmedium durch das Kühlrohr fördert.
Auf diese Weise kann ebenfalls eine besonders effektive Kühlung des sensornahen Endes des Hohlzylinderelements bereitgestellt werden, indem durch die mindestens eine Öffnung des gebogenen Rohres austretendes Kühlfluid auf eine Außenfläche des sensornahen Endes des Hohlzylinderelements trifft, insbesondere jeweils als Prallstrahl. Ein Prallstrahl trifft senkrecht auf die Außenfläche des Hohlzylinderelements.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung ist vorgesehen, dass die Temperaturausgleichseinrichtung derart angeordnet ist, dass das Kühlfluid sowohl die optische Sensoreinrichtung als auch das sensornahe Ende des Hohlzylinderelements umströmt.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, nicht nur das erwärmte sensornahe Ende des Hohlzylinderelements zu kühlen, um das die Verwirbelungen antreibende Temperaturgefälle über das Hohlzylinderelement auszugleichen, sondern auch die optische Sensoreinrichtung zu kühlen, die aufgrund der von ihr aufgenommenen elektrischen Energie die Ursache für den Temperaturanstieg darstellt.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung ist vorgesehen, dass das Hohlzylinderelement mehrere erste Fluiddurchtrittsöffnungen aufweist, die über einen Umfang des Hohlzylinderelements gleichmäßig verteilt angeordnet sind, und dass das Hohlzylinderelement mehrere zweite Fluiddurchtrittsöffnungen aufweist, die über den Umfang des Hohlzylinderelements gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Auf diese Weise wird ein besonders guter Kamineffekt in dem Hohlzylinderelement bereitgestellt und ein umfangreicher Luftaustausch zwischen der Umgebungsluft und der innerhalb des Hohlzylinderelements erwärmten Luft ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass an der mindestens einen ersten Fluiddurchtrittsöffnung und an der mindestens einen zweiten Fluiddurchtrittsöffnung eine Lichtfalle angeordnet ist.
Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Umgebungslicht in den Innenraum des Hohlzylinderelements eintritt und auf diese Weise das Messergebnis aufgrund des Streulichts verfälscht wird.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Lichtfalle als Labyrinth ausgebildet ist.
Ein solches Labyrinth in Form von mehreren, versetzt angeordneten Wänden, die zwar einen Luftdurchtritt durch das Labyrinth ermöglichen, jedoch keine direkte Sichtlinie von einem Ausgang des Labyrinths zu einem Eingang des Labyrinths offenlassen, stellt eine besonders einfache Möglichkeit bereit, ein Luftaustausch von Umgebungsluft mit dem Innenraum des Hohlzylinderelements bereitzustellen ohne jedoch das Messergebnis aufgrund von Streulicht zu verfälschen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Lichtfalle aus einem im Wesentlichen lichtundurchlässigen und fluiddurchlässigen Element, insbesondere ein Element aus einem geschäumten Kunststoff, ausgebildet ist.
Mittels eines solchen Schaumstoffelements, das beispielsweise aus einem Thermoplast, beispielsweise auf Basis von Polypropylen, Polystyrol oder Polyvinylchlorid, einem Duroplast, beispielsweise auf Basis von Polyurethan oder Nitrilkautschuk, oder einem Elastomer, beispielsweise auf Basis von Polyurethan oder einem Phenoplast, geschäumt sein kann, kann ebenfalls auf konstruktiv einfache Weise mit geringem baulichen Aufwand eine Lichtfalle erzeugt sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Lichtfalle als ein das Hohlzylinderelement umgebenes Ringelement aus einem geschäumten Kunststoff ausgebildet ist.
In dieser Ausgestaltung wird es insbesondere möglich, im Falle von mehreren gleichmäßig über dem Umfang des Hohlzylinderelements verteilten Eintrittsöffnungen bzw. Austrittsöffnungen diese allesamt gleichzeitig mittels eines einzigen Ringelements aus einem geschäumten Kunststoff zu versehen.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass an einer Außenseite des Hohlzylinderelements Aussteifungen angeordnet sind, die das Hohlzylinderelement gegenüber einem Atmosphärendruck oder Umgebungsdruck aussteifen.
Auf diese Weise wird erreicht, dass das Hohlzylinderelement dazu in der Lage ist, im Falle des in ihm erzeugten Vakuums dem Atmosphärendruck zu widerstehen, ohne sich zu verformen oder zusammengedrückt zu werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Kühlfluid Umgebungsluft ist.
Auf diese Weise ist es nicht nötig, ein separates Kühlfluid zuzuführen und abzuführen. Die Verwendung von Umgebungsluft ermöglicht des Weiteren besonders einfach die Verwendung eines Ventilators als Kühleinrichtung. Des Weiteren kann aber auch vorgesehen sein, dass das Kühlfluid eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder ein Öl, ist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die optische Sensoreinrichtung eine elektrisch betriebene optische Sensoreinrichtung ist, wobei die optische Sensoreinrichtung insbesondere eine Kamera, eine CCD-Kamera oder ein aus fotosensitiven Elementen gebildetes Array aufweist.
Auf diese Weise kann eine besonders gut ortsaufgelöste Bildauswertung in der optischen Messvorrichtung bereitgestellt werden. Des Weiteren wird die Verwendung einer solchen elektrisch betriebenen optischen Sensoreinrichtung weiterhin ermöglicht, ohne dass die im Stand der Technik bekannten Messabweichungen auftreten.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die optische Messvorrichtung eine Betriebsposition aufweist, in der das sensornahe Ende unterhalb des sensorfernen Endes angeordnet ist.
In bestimmten Anwendungen kann eine derartige Anordnung der optischen Messeinrichtung notwendig sein. Bisher traten insbesondere in derartigen Anwendungen, wenn das sensornahe Ende beispielsweise senkrecht unterhalb des sensorfernen Endes angeordnet war, die eingangs beschriebenen Messabweichungen auf. Mittels der vorgeschlagenen optischen Messeinrichtung wird nun auch ein Einsatz in dieser Anordnung ohne die Messabweichungen möglich. Natürlich sind des Weiteren auch andere Anordnungen denkbar, beispielsweise dass das sensornahe Ende oberhalb des sensorfernen Endes angeordnet ist oder aber das Hohlzylinderelement eine im Wesentliche waagerechte Einbaulage aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messeinrichtung kann vorgesehen sein, dass ein Gehäuse der optischen Sensoreinrichtung und/oder des Hohlzylinderelements aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet ist, beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung. Eine Eisen-Nickel-Legierung weist einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, insbesondere kann sie 64 % Eisen und 36 % Nickel aufweisen. Eine solche Legierung hat die Werkstoffnummer 1.3912.
In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Festkörperelement derart ausgebildet ist, das es keine optische Wirkung aufweist, insbesondere auf den auf das Messobjekt einfallenden Messstrahlengang. In einer weiteren Ausgestaltung der optischen Messvorrichtung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Festkörperelement als eine planparallele Platte ausgebildet ist, und wobei das mindestens eine Festkörperelement derart angeordnet ist, dass sich die Oberflächen der planparallelen Platte senkrecht zu der Längsachse des Hohlzylinderelements erstrecken.
Auf diese Weise wird vermeiden, dass das mindestens eine Festkörperelement die Messung negativ beeinflusst.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer optischen Messeinrichtung, insbesondere eines Autokollimationsfernrohrs,
2a eine schematische Darstellung des im Rahmen der vorliegenden Erfindung identifizierten Problems,
2b ein Diagramm, das das in der 2a dargestellte Problem quantifiziert,
3a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer optischen Messeinrichtung,
3b eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer optischen Messeinrichtung entlang einer Linie X-X in der 3a,
3c ein beispielhaftes Diagramm, das die Auswirkungen der erfindungsgemäßen Maßnahmen verdeutlicht,
3d–3g schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen einer optischen Messvorrichtung mit verschiedenen Ausgestaltungen einer Temperaturausgleichseinrichtung,
4a–4c weitere Ausführungsformen einer optischen Messeinrichtung,
5 noch eine weitere Ausführungsform einer optischen Messeinrichtung
6a und 6b noch weitere Ausführungsformen einer optischen Messvorrichtung.
1 zeigt eine optische Messvorrichtung 10. In der Figur ist der grundsätzliche Aufbau einer solchen optischen Messeinrichtung, die in der Darstellung der 1 als Autokollimationsfernrohr ausgebildet ist, schematisch dargestellt.
Die optische Messvorrichtung 10 dient dazu, ein Messobjekt 12 zu vermessen. Insbesondere soll eine der optischen Messvorrichtung 10 zugewandte Oberfläche 14 des Messobjekts 12 vermessen werden. Hierzu weist die optische Messvorrichtung 10 eine optische Sensoreinrichtung 16 auf. Zwischen der optischen Sensoreinrichtung und dem Messobjekt 12 ist ein Hohlzylinderelement 18 vorgesehen, das anliegend an die optische Sensoreinrichtung 16 angeordnet ist.
Das Hohlzylinderelement 18 ist ein langgestrecktes Hohlzylinderelement. Der Zylinder kann dabei jeden beliebigen Querschnitt aufweisen. Keinesfalls muss das Hohlzylinderelement 18 zwangsläufig einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, dieser kann auch dreieckig, viereckig oder n-eckig ausgeführt sein. Eine Außenseite des Hohlzylinderelements 18 ist mit dem Bezugszeichen 19 gekennzeichnet.
Das Hohlzylinderelement 18 weist ein sensornahes Endes 20 auf, mit dem es anliegend an die optische Sensoreinrichtung 16 angeordnet ist. Dem sensornahen Ende 20 entgegengesetzt ist ein sensorfernes Ende 22 des Hohlzylinderelements 18 angeordnet. Das sensorferne Ende 22 ist folglich dem Messobjekt 12 zugewandt.
Innerhalb des Hohlzylinderelements 18 ist in der Regel ein Objektiv 24 vorgesehen, das in der schematischen Darstellung der 1 lediglich mittels eines einzigen optischen Elements angedeutet ist. Es kann jedoch eine Vielzahl von optischen Elementen aufweisen. Des Weiteren weist die optische Messvorrichtung in der Regel eine Lichtquelle auf, die schematisch mit dem Bezugszeichen 26 angedeutet ist. In der Regel ist vorgesehen, dass von der Lichtquelle 26 emittiertes Licht mittels eines Strahlteilers 28 eingekoppelt wird. Des Weiteren ist ein optischer Sensor 30 vorgesehen, der beispielsweise als Kamera, insbesondere CCD-Kamera, ausgebildet ist und das von dem Messobjekt 12 reflektierte Licht aufnimmt. Grundsätzlich kann des Weiteren eine Regelungseinrichtung 32 vorgesehen sein, um beispielsweise einen automatisierten Messablauf durchzuführen und sowohl die Lichtquelle 26 zu steuern als auch die Messergebnisse des optischen Sensors 30 auszuwerten.
Folglich geht von der Lichtquelle 26 ein Messstrahl 34 aus, der auf die Oberfläche 14 des Messobjekts 12 fällt und von dieser reflektiert wird. Er fällt dann durch das Hohlzylinderelement 18 als Rückstrahl 38 zurück durch den Strahlteiler 28 auf den optischen Sensor 30. Der Messstrahl 34 und der Rückstrahl 38 – zusammen der Messstrahlengang – verlaufen folglich entlang einer Längsachse 36 des Hohlzylinderelements 18. Dabei soll "entlang" nicht zwingend parallel verstanden werden. Da gerade eine Verkippung der Fläche 14 relativ zu einer Sensorfläche des optischen Sensors 30 gemessen wird, ist es zwangsläufig, dass eine gewisse Verkippung des Rückstrahls 38 auf dem Weg von dem Messobjekt 12, zurück auf den optischen Sensor 30 vorliegt. Der Begriff "entlang" ist daher dahingehend zu verstehen, dass der Messstrahl 34 und der Rückstrahl 38 entlang der Längserstreckung des Hohlzylinderelements 18 durch das Hohlzylinderelement 18 verlaufen.
Wie aus der Darstellung der 1 ersichtlich ist, würde in dem Fall, dass die Oberfläche 14 eine senkrechte Ausrichtung 40 relativ zu dem Messstrahl 34 aufweist bzw. eine Oberflächennormale der Oberfläche 12 parallel zu dem Messstrahl 34 verläuft, der Messstrahl 34 auf dem Hinweg und auf dem Rückweg von bzw. zu dem Messobjekt 12 deckungsgleich verlaufen. Ein solcher Auftreffort des Messstrahls 34 auf den optischen Sensor 30 kann entsprechend kalibriert sein und weist auf eine entsprechende Lage des Messobjekts 12 relativ zu der optischen Messeinrichtung 10 hin. Weist die Oberfläche 14 des Messobjekts 12 gegenüber dieser Ausrichtung eine Verkippung auf, wie dies mittels des Winkels 42 bezeichnet ist, weist ein von dem Messobjekt 12 auf den optischen Sensor 30 verlaufender Rückstrahl 38 ebenfalls eine Verkippung zu einer Einfallsrichtung des Messstrahls 34 auf. Hier trifft folglich derselbe Winkel 42 auf. Der Auftreffort auf dem optischen Sensor 30 variiert folglich und aus dem Auftreffort kann somit auf den Winkel 42 rückgeschlossen werden.
In bestimmten Anwendungen kann es notwendig sein, dass in einer Betriebsposition das sensornahe Ende 20 unterhalb des sensorfernen Endes 22 angeordnet ist, wie dies beispielsweise in der 1 durch die Richtung der Schwerkraft 43 angedeutet ist.
In der 2a ist dargestellt, welche Auswirkungen dieses im Falle einer üblichen optischen Messvorrichtung 10 haben kann. Wie bereits eingangs erwähnt wurde, erwärmt sich beispielsweise aufgrund der elektronischen Komponenten der optischen Sensoreinrichtung 16 das sensornahe Ende 20 des Hohlzylinderelements 18.
Hierdurch steigt die an dem sensornahen Ende 20 erwärmte Luft 44 innerhalb des Hohlzylinderelements 18 nach oben. An dem sensorfernen Ende 22 kühlt sich die Luft dann wieder ab und sinkt als kalte Luft 46 wiederum herunter zu dem sensornahen Ende 20. Folglich gibt es innerhalb des geschlossenen Hohlzylinderelements 18 eine zyklische Bewegung der Luftmassen und dadurch hervorgerufene Verwirbelungen 48 innerhalb des Hohlzylinderelements 18. Aufgrund der dadurch zwangsläufig entstehenden Grenzschichten aufgrund der Verwirbelungen 48 und aufgrund der unterschiedlichen Temperatur und Dichteniveaus der Luft, welche ebenfalls unterschiedliche Brechungsindices der Luft zur Folge haben, wird das Messergebnis der optischen Messeinrichtung 10 zyklisch beeinflusst.
Die 2b zeigt ein beispielhaftes Diagramm 50, das den zeitlichen Verlauf eines erfassten Winkels in Bogensekunden wiedergibt. Da es sich bei der in dem Diagramm 50 dargestellten Aufzeichnung um ein zweidimensionales Sensorarray handelt, ist folglich ein Winkel in X-Richtung 52, ein Winkel in Y-Richtung 54 und ein Gesamtwinkel 56 aufgetragen.
Erkennbar ist das über die Zeit zyklisch schwankende Messergebnis. Es wurde festgestellt, dass eine Periodendauer 58 bei etwa 2 Minuten liegt. Im dargestellten Beispiel lag die Messabweichung in der Spitze bei etwa 0,2 Bogensekunden.
3a zeigt eine Ausführungsform der optischen Messeinrichtung 10. In dieser Ausführungsform ist eine Temperaturausgleichseinrichtung 61 vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Temperaturausgleichseinrichtung 61 als Kühleinrichtung 60 ausgebildet, die ein Kühlmedium 62, in dem vorliegenden Beispiel Umgebungsluft, fördert. Auf diese Weise wird das Kühlmedium 62 entlang der Außenseite 19 des Hohlzylinderelements 18 an dem sensornahen Ende 20 gefördert.
So wird das sensornahe Ende 20 gekühlt, so dass eine Temperaturdifferenz zwischen dem sensornahen Ende 20 und dem sensorfernen Ende 22 reduziert wird, was den Luftmassenaustausch und die Anzahl von Verwirbelungen 48 reduziert. Auf diese Weise können die Messabweichungen deutlich reduziert werden.
Insbesondere kann die Kühleinrichtung 60 als Ventilatorelement ausgebildet sein. Eine Rotationsachse eines solchen Ventilatorelements kann mit der Längsachse 36 des Hohlzylinderelements 18 zusammenfallen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das Hohlzylinderelement 18 entlang einer gesamten Außenseite 18 gleichmäßig mit dem Kühlmedium 62 umströmt wird. Das Ventilatorelement kann aber auch außerhalb der Längsachse 36 angeordnet sein, wie dies durch die Anordnung 60‘ in gestrichelten Linien dargestellt ist. Das Kühlmedium 62 kann dann schräg oder senkrecht zu der Längsachse 36 um das sensornahe Ende 20 strömen.
Insbesondere kann die Kühleinrichtung 60 auf einer dem Hohlzylinderelement 18 abgewandten Seite der optischen Sensoreinrichtung 16 angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Kühlmedium 62 sowohl entlang der optischen Sensoreinrichtung 16 als auch entlang dem sensornahen Ende 20 des Hohlzylinderelements 18 transportiert werden. Auf diese Weise wird sowohl das sensornahe Ende 20 als auch die optische Sensoreinrichtung 16 gekühlt.
In der 3b ist eine alternative Ausgestaltung gezeigt, die in der 3b dargestellte Ansicht ist ein Schnitt entlang der Linie X-X in der 3a. Die alternative Ausgestaltung der Kühleinrichtung 60 und der Temperaturausgleichseinrichtung 61, die in der 3b aufgegriffen ist, findet sich jedoch in der 3a nicht.
Vorgeschlagen wird demgemäß, dass ein gebogenes Rohr 64 vorgesehen ist, das ähnlich zu einem Schneckenrohr eines Turboverdichters ausgeführt ist. Das gebogene Rohr 64 ist um das Hohlzylinderelement 18 herumgeführt. Das Kühlfluid 62 wird, beispielsweise mittels eines Ventilators oder einer Pumpe, in das Rohr 64 und weist zumindest eine, vorzugsweise mehrere Öffnungen 66 auf, durch die das Kühlfluid aus dem Rohr wiederum radial in Richtung des Hohlzylinderelements 18 nach innen entweichen kann. Auf diese Weise wird ermöglicht, das Hohlzylinderelement 18 gleichmäßig in seinem gesamten Umfang beispielsweise mittels einer Prallstrahlung zu kühlen, wie dies aus der 3b hervorgeht.
Die 3c zeigt die entsprechend in einem lediglich beispielhaften Testaufbau aufgezeichneten Werte für Winkelabweichungen in X-Richtung 52, Y-Richtung 54 und den Gesamtwinkel 56. Wie zu erkennen ist, kann durch eine Kühlung einer Temperaturdifferenz auf lediglich beispielsweise 2°C die Winkelabweichung in einen Bereich von maximal 0,05 Bogensekunden verringert werden, so dass diese kaum größer als das allgemeine Rauschen eines solchen Messaufbaus ist.
Die 3d bis 3g zeigen weitere Ausgestaltungen der Temperaturausgleichseinrichtung 61.
In der 3d weist das Hohlzylinderelement 18 eine Doppelwandung auf. Zusätzlich zu der Wand an der Außenseite 19 weist das Hohlzylinderelement 18 einen Innenzylinder 84 auf, so dass ein ringförmiger Zwischenraum 82 zwischen dem Innenzylinder 84 und der Wand an der Außenseite 19 ausgebildet ist. In diesem ringförmigen Zwischenraum 82 kann ein Fluid über eine Eintrittsöffnung 86 hin zu einer Austrittsöffnung 88 strömen. Die Eintrittsöffnung 86 kann insbesondere an dem sensornahen Ende 20 und die Austrittsöffnung 88 an dem sensorfernen Ende 22 angeordnet sein. Insbesondere wird es auf diese Weise möglich, mittels eines flüssigen Kühlfluids 62 zu kühlen und größere Wärmemengen abzutransportieren. Es versteht sich, dass innerhalb des ringförmigen Zwischenraums 82 auch Lamellen oder Führungskanäle für das Kühlfluid 62 vorgesehen sein können, so dass das Kühlfluid beispielsweise auf einem Spiralweg von dem Eintritt 86 zu dem Austritt 88 strömt.
In der 3e ist eine Ausgestaltung der Temperaturausgleichseinrichtung 61 vorgesehen, in der diese eine sogenannte Kühlschnecke 92 aufweist. Bei der Kühlschnecke 92 handelt es sich um einen spiralförmig ausgebildeten Leiter für das Kühlfluid 62, der auf der Außenseite 19 des Hohlzylinderelements 18 anliegt. Dieser weist entsprechend den Eintritt 86 und den Austritt 88 für das Kühlfluid 62 auf. Auch auf diese Weise kann eine entsprechende Kühlung des Hohlzylinderelements 18 bereitgestellt werden, insbesondere an dem sensornahen Ende 20.
In der 3f ist eine zu der 3e ähnliche Ausgestaltung vorgesehen, bei dieser ist die Kühlschnecke 92 jedoch an einer Innenseite des Hohlzylinderelements 18 angeordnet.
Bei den in 3d bis 3f dargestellten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, den Eintritt 86 an dem sensornahen Ende 20 und den Austritt 88 an dem sensorfernen Ende 22 anzuordnen bzw. allgemein gesprochen den Eintritt 86 an dem wärmeren Ende und den Austritt 88 an dem kühleren Ende. Auf diese Weise kann es möglich sein, mittels des Kühlfluid 62 beispielsweise das sensornahe Ende 20 zu kühlen und dann mit dem erwärmten Kühlfluid 62 gleichzeitig das sensorferne Ende 22 zu erwärmen. Auf diese Weise kann besonders wirksam eine Temperaturdifferenz zwischen dem sensornahen Ende 20 und dem sensorfernen Ende 22 ausgeglichen werden.
Selbstverständlich sind auch weitere Ausgestaltungen zur Bereitstellung des Temperaturausgleichs mittels der Temperaturausgleichseinrichtung 61 möglich. Beispielsweise kann auch vorgesehen sein, dass mindestens eine Ventilatoreinrichtung (nicht dargestellt) innerhalb des Hohlzylinderelements 18 angeordnet ist, um ein Kühlfluid 62 durch das Hohlzylinderelement 18 zu fördern. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass ein solches Ventilatorelement nicht den Messstrahl 34 stört oder verdeckt.
In der 3g ist eine weitere Ausführungsform der Temperaturausgleichseinrichtung 61 dargestellt. Dabei weist die Temperaturausgleichseinrichtung 61 mindestens einen elektrothermischen Wandler 94, insbesondere ein Peltier-Element, auf. In der dargestellten Ausführungsform sind mehrere elektrothermische Wandler 94 vorgesehen. Diese sind verteilt über das Hohlzylinderelement 18, insbesondere dessen Außenseite 19, angeordnet. Mittels eines elektrothermischen Wandlers wird es möglich, durch gezieltes Anlegen eines elektrischen Stroms einen Wärmeübergang weg von dem Hohlzylinderelement 18 zu dessen Kühlung bzw. hin zu dem Hohlzylinderelement 18 zu dessen Erwärmung zu erzwingen. Auf diese Weise wird es, beispielsweise mittels einer geeigneten Regelungseinrichtung und entsprechender Temperatursensoren, möglich, mittels der elektrothermischen Wandler und ihrer gezielten Ansteuerung den Temperaturausgleich in dem Hohlzylinderelement 18 herbeizuführen.
Die 4a zeigt eine weitere Möglichkeit, die Messabweichungen zu vermeiden. Hierzu sind an dem sensornahen Ende 20 erste Fluiddurchtrittsöffnungen 68 vorgesehen, die gleichmäßig über den Umfang des Hohlzylinderelements 18 verteilt sind. An dem sensorfernen Ende 70 sind zweite Fluiddurchtrittsöffnungen 70 vorgesehen, die ebenfalls gleichmäßig über den Umfang des Hohlzylinderelements 18 verteilt sind. Auf diese Weise kann die an dem sensornahen Ende 20 erwärmte Luft in dem Hohlzylinderelement 18 nach oben steigen, so dass ein aufsteigender Luftstrom 72 entsteht. Die Luft kann dann in dem sensorfernen Ende 22 durch die zweite Fluiddurchtrittsöffnungen 70 entweichen. Gleichzeitig ist es möglich, dass Umgebungsluft von außen durch die erste Fluiddurchtrittsöffnungen 68 nachströmt. Selbstverständlich ist diese in der 4a dargestellte Ausführungsform auch mit der beispielsweise in den 3a und 3b dargestellten Ausführungsform einer Kühleinrichtung kombinierbar.
Die 4b zeigt eine weitere Ausgestaltung. Um zu vermeiden, dass durch die erste Fluiddurchtrittsöffnung 68 und/oder die zweite Fluiddurchtrittsöffnung 70 Streulicht in das Innere des Hohlzylinderelements 18 eintritt, was wiederum das Messergebnis verfälschen könnte, kann vorgesehen sein, einen Schaumstoffring 74 bzw. einen Ring aus geschäumtem Kunststoff um die ersten Fluiddurchtrittsöffnungen 68 und/oder die zweiten Fluiddurchtrittsöffnungen 70 herum anzuordnen. Solch ein Schaumstoffring ist zwar durchlässig für das Kühlfluid 62, jedoch lichtundurchlässig. Auf diese Weise kann der Eintritt von Streulicht vermieden werden. Grundsätzlich können alle Materialien verwendet werden, die sehr gut luftdurchlässig, aber auf der anderen Seite nahezu lichtundurchlässig sind.
Die 4c zeigt eine weitere Möglichkeit, eine solche "Lichtfalle" bereitzustellen, dies kann beispielsweise mittels eines Labyrinths 76 erfolgen, das ebenfalls ringförmig oder separat vor jede der ersten Fluiddurchtrittsöffnungen 68 und/oder den zweiten Fluiddurchtrittsöffnungen 70 bereitgestellt ist. Dieses Labyrinth 76 erlaubt keine direkte Sichtlinie durch den einen Eingang des Labyrinths zu einem Ausgang des Labyrinths. Jedoch ist gleichzeitig ermöglicht, dass das Kühlfluid 62 durch das Labyrinth 76 hindurchtritt.
Letztlich zeigt die 5 eine weitere Möglichkeit, die Verwirbelungen 48 zu vermeiden. Hierbei ist das Hohlzylinderelement 18 hermetisch verschlossen. Mit anderen Worten ist das Hohlzylinderelement 18 luftdicht abgeschlossen. Des Weiteren ist ein Vakuum 80 in einem Innenraum des Hohlzylinderelements 18 erzeugt, beispielsweise mittels einer nicht dargestellten Pumpenvorrichtung. Auf diese Weise befindet sich keinerlei Fluid innerhalb des Hohlzylinderelements 18. Etwaige Messabweichungen aufgrund des sich zyklisch innerhalb des Hohlzylinderelements 18 bewegenden Fluids sind somit ausgeschlossen. Die hermetische Dichtung des Hohlzylinderelements 18 ist schematisch mit dem Bezugszeichen 78 gekennzeichnet.
Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass an der Außenseite 19 des Hohlzylinderelements Aussteifungen 82 vorgesehen sind. Des Weiteren können Aussteifungen 84 an einer der beiden Stirnseiten des Hohlzylinderelements 18 vorgesehen sein. Grundsätzlich kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich auch die optische Sensoreinrichtung 16 mit dem Vakuum 80 beaufschlagt wird und sich die hermetische Dichtung 78 folglich auch um die optische Sensoreinrichtung 16 herum erstreckt. Auch ein Gehäuse der optischen Sensoreinrichtung 16 könnte dann mit entsprechenden Aussteifungen 82, 84 versehen sein. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass durch Atmosphärendruck von außen das Hohlzylinderelement 18 verformt wird.
Die 6a zeigt eine weitere Ausführungsform der optischen Messeinrichtung 10. Statt des Vakuums 80 in dem Innenraum des Hohlzylinderelements 18 zur Vermeidung der Verwirbelungen 48 kann auch vorgesehen sein, dass innerhalb des Hohlzylinderelements 18 ein Festkörperelement 90 angeordnet ist. Das Festkörperelement 90 weist eine senkrecht zu der Längsachse 36 des Hohlkörperelements 18 verlaufende Form eines Querschnitts 96 auf, der der des Hohlzylinderelements 18 entspricht. Auf diese Weise ist der Querschnitt 96 verschlossen und es können keinerlei gasförmige Fluide innerhalb des Hohlzylinderelements 18 strömen. Insbesondere ist vorgesehen, dass nur ein einziges Festkörperelement 90 vorgesehen ist, insbesondere ein massives Zylinderelement, das aus einem Material hergestellt ist, das einen Transmissionsgrad von mehr als 80 % in einem Wellenlängenbereich aufweist, mit dem die optische Messvorrichtung 10 arbeitet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die optische Messvorrichtung 10 trotz des Festkörperelements 90 arbeiten kann. Gleichzeitig ist jedoch der Innenraum des Hohlzylinderelements 18 weitestgehend ausgefüllt, so dass keine strömenden Luftmassen auftreten können. Es kann vorgesehen sein, dass ein Teil des Innenraums des Hohlzylinderelements 18 freigelassen ist, beispielsweise um den Strahlteiler 28 zum Einkuppeln des Messstrahls 34 anordnen zu können. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Erstreckung entlang der Längsachse 36 des Festkörperelements 90 mindestens 50 % der gesamten Längserstreckung des Hohlzylinderelements 18 beträgt. Auf diese Weise wird eine signifikante Bewegung von Luftmassen weitestgehend vermieden.
Die 6b zeigt einen dem Prinzip der optischen Messeinrichtung in der 6a ähnelnden Aufbau. Es sind dabei mehrere Festkörperelemente 90, 90', 90'' vorgesehen. Jedes der Festkörperelemente 90 ist als Lamelle, d.h. als dünne Scheibe ausgebildet, insbesondere mit einer Dicke von weniger als 3 mm. Die Festkörperelemente 90, 90', 90'' sind entlang der Längsachse 36 in dem Hohlzylinderelement 18 verteilt angeordnet. Sie erstrecken sich jeweils ebenfalls über den gesamten Querschnitt 96, so dass dieser verschlossen ist und eine Bewegung von Luftmassen über das gesamte Hohlzylinderelement 18 zwischen dem sensornahen Ende 20 und dem sensorfernen Ende 22 vermieden ist. Eine Bewegung von Luftmassen kann dann nur in Teilabschnitten zwischen den Festkörperelementen 90, 90', 90'' erfolgen. Auf diese Weise können signifikante Luftbewegungen, die zu Messabweichungen führen können, vermieden werden.
Jedes der Festkörperelemente 90, 90', 90'' ist in jeder der Ausgestaltungen nach den 6a und 6b dabei so auszubilden, dass es keinerlei optische Wirkung auf den Messstrahl 34 entfaltet. Insbesondere darf es die Kollimationseigenschaft des Messstrahls 34 nicht ändern. Insbesondere ist daher jedes der Festkörperelemente 90, 90', 90'' als eine planparallele Platte ausgebildet, wobei sich die Oberflächen der planparallelen Platte senkrecht zu der Längsachse 36 des Hohlzylinderelements 18 erstrecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/037909 A2 [0002, 0005]
DE 714415 C [0004]
DE 1207112 A [0005]

Claims

Optische Messvorrichtung (10), insbesondere Autokollimationsfernrohr, zum Messen einer Eigenschaft eines Messobjekts (12), mit einer optischen Sensoreinrichtung (16) und einem Hohlzylinderelement (18), das derart relativ zu der optischen Sensoreinrichtung (16) angeordnet ist, dass ein Messstrahlengang (34, 38) zwischen der optischen Sensoreinrichtung (16) und dem Messobjekt (12) durch das Hohlzylinderelement (18) und entlang einer Längsachse (36) des Hohlzylinderelements (18) verläuft, und wobei das Hohlzylinderelement (18) ein sensornahes Ende (20) und ein sensorfernes Ende (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das die optische Messvorrichtung (10) eine Temperaturausgleichseinrichtung (61) zum Ausgleichen einer Temperaturdifferenz zwischen dem sensornahen Ende (20) und dem sensorfernen Ende (22) aufweist, und/oder dass das Hohlzylinderelement (18) an dem sensornahen Ende (20) mindestens eine erste Fluiddurchtrittsöffnung (68) und an dem sensorfernen Ende (22) mindestens eine zweite Fluiddurchtrittsöffnung (70) aufweist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturausgleichseinrichtung (61) eine Kühleinrichtung (60) aufweist, die ein Kühlfluid (62) entlang einer Außenseite (19) des Hohlzylinderelements (18) an dem sensornahen Ende (20) fördert.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturausgleichseinrichtung (61) mindestens einen elektrothermischen Wandler (92), insbesondere ein Peltierelement aufweist, um das Ausgleichen der Temperaturdifferenz zu bewirken.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturausgleichseinrichtung (61) ein um das sensornahe Ende (20) des Hohlzylinderelements (18) gebogenes Kühlrohr aufweist, das mindestens eine Austrittsöffnung für das Kühlfluid (62) aufweist, die in Richtung des Hohlzylinderelements (18) weist, und wobei die Kühleinrichtung (60) derart ausgebildet ist, dass sie das Kühlmedium durch das Kühlrohr (64) fördert.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturausgleichseinrichtung (61) derart angeordnet ist, dass das Kühlfluid (62) sowohl die optischen Sensoreinrichtung (16) als auch das das sensornahe Ende (20) des Hohlzylinderelement (18) umströmt.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlzylinderelement (18) mehre erste Fluiddurchtrittsöffnungen (68) aufweist, die über einen Umfang des Hohlzylinderelements (18) gleichmäßig verteilt angeordnet sind, und dass das Hohlzylinderelement (18) mehre zweite Fluiddurchtrittsöffnungen (70) aufweist, die über den Umfang des Hohlzylinderelements (18) gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der mindestens einen ersten Fluiddurchtrittsöffnung (68) und an der mindestens einen zweiten Fluiddurchtrittsöffnung (70) eine Lichtfalle (74, 76) angeordnet ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle als Labyrinth (76) ausgebildet ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle (74, 76) aus einem im Wesentlichen lichtundurchlässigen und fluiddurchlässigen Element, insbesondere einem Element aus einem geschäumten Kunststoff, ausgebildet ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtfalle (74, 76) als ein das Hohlzylinderelement (18) umgebendes Ringelement (74) aus einem geschäumten Kunststoff ausgebildet ist.
Optische Messvorrichtung, insbesondere Autokollimationsfernrohr, zum Messen einer Eigenschaft eines Messobjekts (12), mit einem optischen Sensoreinrichtung (16) und einem Hohlzylinderelement (18), das derart relativ zu der optischen Sensoreinrichtung (16) angeordnet ist, dass ein Messstrahlengang (34, 38) zwischen der optischen Sensoreinrichtung (16) und dem Messobjekt (12) durch das Hohlzylinderelement (18) und entlang einer Längsachse (36) des Hohlzylinderelements (18) verläuft, und wobei das Hohlzylinderelement (18) ein sensornahes Ende (20) und ein sensorfernes Ende (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlzylinderelement (18) hermetisch verschlossen ist, wobei in einem Innenraum des Hohlzylinderelements (18) ein Vakuum (80) vorliegt, oder dass in dem Hohlzylinderelement (18) mindestens ein einen senkrecht zu der Längsachse (36) verlaufenden Querschnitt (96) des Hohlzylinderelements (18) verschließendes transparentes Festkörperelement angeordnet ist.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Außenseite (19) des Hohlzylinderelements (18) Aussteifungen (82, 84) angeordnet sind, die das Hohlzylinderelement (18) gegenüber einem Atmosphärendruck aussteifen.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (62) Umgebungsluft ist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Sensoreinrichtung (16) eine elektrisch betriebene optische Sensoreinrichtung (16) ist, wobei die optische Sensoreinrichtung (16) insbesondere eine Kamera (30), eine CCD-Kamera oder ein aus photosensitiven Elementen gebildetes Array aufweist.
Optische Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messvorrichtung (10) eine Betriebsposition aufweist, in der das sensornahe Ende (20) unterhalb des sensorfernen Endes (22) angeordnet ist.