Optische Winkelmesseinrichtung

Werbung
(19)
*DE102010021367B420120308*
(10)
(12)
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2010 021 367.5
(22) Anmeldetag: 25.05.2010
(43) Offenlegungstag: 01.12.2011
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 08.03.2012
(51) Int Cl.:
G01B 11/26 (2006.01)
B64D 45/08 (2006.01)
Innerhalb von drei Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten(§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu § 2
Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.,
51147, Köln, DE
(74) Vertreter:
Gramm, Lins & Partner GbR, 30173, Hannover, DE
(72) Erfinder:
Mainz, Henning, 38102, Braunschweig, DE;
Schneider, Oliver, 38106, Braunschweig, DE
(54) Bezeichnung: Optische Winkelmesseinrichtung
(57) Zusammenfassung: Optische Winkelmesseinrichtung
zur Messung eines Winkels (β, γ) zwischen einer zu erfassenden Fläche (11, 16, 26, 29) und einer Bezugsebene (12,
30, 31), wobei die optische Winkelmesseinrichtung (1, 17,
18, 19, 20, 21, 22) wenigstens eine Lentikularfolie (4) aus
einem transparenten Material aufweist, die eine Linsenseite (6) und eine der Linsenseite (6) abgewandte Rückseite
aufweist, wobei auf der Linsenseite (6) eine Mehrzahl von
sich in einer Längsrichtung gerade erstreckenden optischen
Linsen (7) vorgesehen ist und auf der Rückseite ein optisch
erfassbares geometrisches Muster (3) an der Lentikularfolie
(4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Muster (3) eine Anordnung einer Mehrzahl parallel
verlaufender gerader Linien mit gleich bleibender Breite aufweist, und dass ein Winkel (α) im Bereich zwischen 0,0001°
und 5° zwischen den Linien und der Längsrichtung der Linsen (7) gebildet ist, wodurch sich auf der Linsenseite (6) ein
oder mehrere schräg zu den Linsen (7) verlaufende Balken
(9) optisch abzeichnen, die ihre Position abhängig vom Betrachtungswinkel in Längsrichtung der Linsen (7) stufenlos
ändern.
(56) Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht
gezogene Druckschriften:
US
US
US
US
US
US
EP
2007 0 137 052
3 873 210
3 572 942
3 468 545
3 885 876
3 495 908
0 663 603
A1
A
A
A
A
A
A1
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft eine optische Winkelmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine optische Winkelmessanordnung mit einer ersten und einer zweiten solchen optischen Winkelmesseinrichtung gemäß dem Patentanspruch 8, eine optische
Justiereinrichtung mit einer ersten und einer zweiten solchen optischen Winkelmesseinrichtung gemäß dem Patentanspruch 9, ein optisches Winkelerfassungssystem gemäß dem Patentanspruch 10
sowie vorteilhafte Verwendungen einer solchen Einrichtungen gemäß dem Patentanspruch 11. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung eines Winkels gemäß dem Patentanspruch 12.
[0002] Aus der US 2007/0137052 A1 ist ein betrachtungswinkel-sensitives optisches Element bekannt,
das zum Bestimmen einer Winkellage oder einer Position vorgesehen ist. Aus der US 3,405,908 geht
eine Einrichtung hervor, mit der ein Benutzer eines
Bildtelefons sich in der richtigen Position zu der Kamera des Bildtelefons ausrichten kann. Hierfür werden zwei Paralaxeinheiten vorgeschlagen, die jeweils
Lentikularfolien aufweisen. Aus der US 3,885,876
geht ein optisches chromatographisches Anzeigemittel für eine Navigationsführung hervor. Aus der
US 3,873,210 geht eine optische Einrichtung mit einer Lentikularfolie hervor, die einem Fahrzeugführer
das Einparken oder Andocken erleichtert. Aus der
US 3,468,545 geht eine Einrichtung zum Anzeigen
der Kopfbewegung eines Golfspielers hervor. Aus der
EP 0 663 603 A1 geht ein Bilderrahmen hervor, bei
dem durch eine Lentikularfolie ein optischer Tiefeneindruck des Rahmens erzeugt werden soll. Aus der
US 3,572,942 geht ein Positionsanzeigeinstrument
hervor, das aus zwei in einem Winkel aufgestellten
Gitterstrukturen besteht.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde,
Möglichkeiten zur Messung eines Winkels zwischen
einer zu erfassenden Fläche und einer Bezugsebene aufzuzeigen, die auch dann mit vernünftigem Aufwand ausführbar sind, wenn das die zu erfassende Fläche aufweisende Objekt zumindest zeitweise
nicht oder nur schwer zugänglich ist.
[0004] Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1, 8, 9, 10, 11 und 12 angegebene Erfindung
gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.
[0005] Gemäß Anspruch 1 wird eine optische Winkelmesseinrichtung, nachfolgend kurz Winkelmesseinrichtung genannt, vorgeschlagen, die wenigstens
eine Lentikularfolie aus einem transparenten Material aufweist, die eine Linsenseite und eine der Linsenseite abgewandte Rückseite aufweist, wobei auf der
Linsenseite eine Mehrzahl von sich in einer Längs-
richtung gerade erstreckenden optischen Linsen vorgesehen ist und auf der Rückseite ein optisch erfassbares geometrisches Muster angeordnet ist. Das optisch erfassbare geometrische Muster ist hierbei auf
die Lentikularfolie abgestimmt. Vorgeschlagen wird
hiermit ein zumindest zweischichtiger Aufbau aus
dem optisch erfassbaren geometrischen Muster und
der Lentikularfolie, wobei das geometrische Muster
durch die zumindest teilweise transparente Lentikularfolie sichtbar ist, d. h. sozusagen unter der Lentikularfolie liegt. Durch Betrachtung der auf diese Weise aufgebauten Winkelmesseinrichtung aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen erscheint das
geometrische Muster in Folge der Wirkung der Lentikularfolie mit einem in Abhängigkeit von der Betrachtungsrichtung, d. h. dem Betrachtungswinkel, variierenden Erscheinungsbild. Vorteilhaft ist das geometrische Muster in Bezug auf die Lentikularfolie derart
ausgebildet, dass in Abhängigkeit von der Betrachtungsrichtung eine eindeutige Zuordnung und damit
Messung des Winkels zwischen der zu erfassenden
Fläche und der Bezugsebene möglich ist.
[0006] Die Winkelmesseinrichtung kann auf der zu
erfassenden Fläche angebracht sein, aber auch an
einem anderen Bauteil mit einer definierten Justierung bezüglich der zu erfassenden Fläche. Zumindest ist die Winkelmesseinrichtung in Bezug auf die
zu erfassende Fläche zu justieren. Die zu erfassende Fläche kann auch die Rückseite der Lentikularfolie oder eine ggf. auf der Rückseite angeordnete Substratschicht sein.
[0007] Eine Lentikularfolie ist eine so genannte Linsenrasterfolie, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Vielzahl sehr kleiner optischer Linsen oder Prismen vorhanden ist, die sich streifenförmig parallel zueinander in einer Längsrichtung erstrecken. Linsenrasterfolien besitzen durch die in Reihen angeordneten optischen Linsen die Eigenschaft, ein auf der
Rückseite vorhandenes Bild je nach Blickwinkel anders erscheinen zu lassen. In Folge dessen ist die mit
der Lentikularfolie versehene Winkelmesseinrichtung
nur in einer Winkelkoordinatenrichtung sensitiv bezüglich Winkeländerungen. Dies hat den Vorteil, dass
in anderen Winkelkoordinatenrichtungen die Betrachtungsrichtung variiert werden kann, ohne die Messung des Winkels zu verfälschen.
[0008] Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine
berührungslose optische Winkelmessung mit einfachen, preisgünstigen Mitteln auch an unzugänglichen
oder schwer zugänglichen Objekten erfolgen kann.
Zudem kann die Winkelmessung auch an bewegten
Objekten auch bei schneller Bewegung erfolgen. Die
erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung hat den
Vorteil, dass sie völlig lageunabhängig einsetzbar ist,
d. h. insbesondere unabhängig von Fliehkräften oder
der Wirkrichtung der Schwerkraft. Hierdurch wird ein
sehr großer Anwendungsbereich für die erfindungs-
2/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
gemäße Winkelmesseinrichtung eröffnet. Vorteilhaft
kann beispielsweise eine Messung an drehenden
Teilen, wie z. B. die Messung des Anstellwinkels eines rotierenden Helikopter-Rotorblatts, durchgeführt
werden.
[0009] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht
darin, dass Lentikularfolien preisgünstig in verschiedensten Ausführungen, d. h. mit unterschiedlicher
Linsendichte (gemessen in LPI, lenses per inch = Linsen pro Inch) verfügbar sind. Dies erlaubt den einfachen und preisgünstigen Aufbau von Winkelmesseinrichtungen, die für den jeweiligen Einsatzzweck angepasst sind. Auf Grund der günstigen Kosten kann
die Winkelmesseinrichtung auch für eine Einmalverwendung ausgeführt sein, z. B. für die Verwendung
bei zerstörenden Materialprüfungen oder in Gefahrenbereichen.
[0010] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Messung des Winkels auch aus großer Entfernung erfolgen kann, wobei die Messgenauigkeit entfernungsunabhängig ist. Vorteilhaft können Messauflösungen im Bereich von mindestens 0,
1 Grad realisiert werden. Der nutzbare Messbereich
liegt je nach verwendetem Linsentyp zwischen +50
Grad bis –50 Grad, wobei sich die Grad-Angaben
auf den möglichen Bereich von –180 bis +180 Grad
beziehen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass
die Winkelmessung direkt erfolgen kann, z. B. durch
sofortiges Ablesen von der Winkelmesseinrichtung
oder durch rechnergestützte Auswertung, die ebenfalls sofort und sehr schnell erfolgen kann. Weiterhin bestehen Vorteile gegenüber anderen aufwendigen Messsystemen, wie z. B. Stereo-Kamerasystemen, die aufwendige Kalibrierungen für jede Messung erfordern. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung kann fertig kalibriert hergestellt werden und ist
im Anwendungsfall nur nach justiert auf der zu erfassenden Oberfläche anzubringen. In der Folge ist keine weitere Kalibrierung der Winkelmesseinrichtung
erforderlich.
[0011] Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass weniger Messkomponenten als bei bekannten Messsystemen erforderlich sind. So kann beispielsweise auf eine elektrische Stromversorgung
oder eine spezielle Beleuchtung verzichtet werden.
Für die Winkelmessung ist dann lediglich ein Beobachter, z. B. eine Bedienperson oder eine Kamera,
erforderlich.
[0012] Gegenüber bekannten aufwendigen Messsystemen hat die erfindungsgemäße Winkelmesseinrichtung einen geringeren Platzbedarf. Vorteilhaft kann die Winkelmesseinrichtung als einfacher
Messstreifen ausgebildet werden. Ein entsprechender Messstreifen kann relativ klein und vor allem sehr
dünn ausgebildet werden, so dass er ohne eine we-
sentliche Störung eines Objekts, auf der der Messstreifen angebracht wird, eingesetzt werden kann.
[0013] Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass
zur Messung des Winkels kein aufwendiges Messequipment erforderlich ist. Im einfachsten Fall kann
der zu messende Winkel direkt an der Winkelmesseinrichtung von einem Menschen abgelesen werden.
Selbstverständlich ist auch eine automatisierte Auswertung und Messung möglich, z. B. durch optische
Erfassungsmittel wie z. B. eine Kamera.
[0014] Das geometrische Muster kann direkt auf der
Rückseite der Lentikularfolie aufgebracht sein, z. B.
aufgedruckt sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine separate Substratschicht vorgesehen, auf der das geometrische Muster aufgebracht ist. Vorteilhaft ist das geometrische
Muster auf der der Lentikularfolie zugewandten Seite des Substrats aufgebracht. Bei Verwendung eines
zumindest teilweise transparenten Substratmaterials
kann das geometrische Muster auch in das Substrat
eingefügt oder auf der der Lentikularfolie abgewandten Seite des Substrats aufgebracht sein.
[0015] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung weist die optische Winkelmesseinrichtung
eine Befestigungsfläche auf, die zur Anbringung der
optischen Winkelmesseinrichtung auf der zu erfassenden Fläche eingerichtet ist, wobei die Befestigungsfläche auf der Rückseite der Lentikularfolie
oder einer auf der Rückseite angeordneten Substratschicht angeordnet ist. Die Befestigungsfläche kann
z. B. mit einem Streifen doppelseitigem Klebeband
versehen sein.
[0016] Gemäß Anspruch 1 weist das geometrische
Muster eine Anordnung einer Mehrzahl parallel verlaufender gerader Linien mit gleich bleibender Breite
auf. Die Linsen der Lentikularfolie erstrecken sich in
Längsrichtung in nahezu gleiche Richtung wie die Linien. Wesentlich ist hierbei, dass sich die Linsen der
Lentikularfolie nicht exakt in der gleichen Richtung erstrecken wie die Linien, sondern dass zumindest eine
geringfügigere Winkeldifferenz vorgesehen ist.
[0017] Die Winkeldifferenz bewirkt eine Art „optische
Verstimmung”, die zur Folge hat, dass die beispielsweise in horizontaler Richtung verlaufenden Linien
bei einer Betrachtung der Lentikularfolie in Form eines oder mehrerer schräg verlaufender Balken erscheinen. Die erscheinenden schräg verlaufenden
Balken weisen dabei einen erheblich größeren Winkel zur Horizontalen auf als die Winkeldifferenz zwischen den Linien des geometrischen Musters und
den Linsen der Lentikularfolie. Zudem erscheinen die
Linien nicht mehr als einzelne Linien, sondern sind
als durchgehender Balken mit von der Winkeldifferenz abhängiger Balkenbreite sichtbar. Ein weiterer
Effekt hierbei ist, dass bei angenommenem horizon-
3/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
talem Verlauf der Linien der entstehende Balken je
nach Betrachtungsrichtung, d. h. je nach zu messendem Winkel, seine Horizontalposition verändert. Je
nach gewählter Winkeldifferenz kann die Stärke der
Abhängigkeit der horizontalen Variation des Balkens
in Abhängigkeit von der Variation des zu messenden
Winkels angepasst werden. Eine sehr geringe Winkeldifferenz führt zu einer großen Sensitivität, d. h. zu
einer starken Veränderung der horizontalen Position
des Balkens bei einer Winkelveränderung. Ein größerer Winkel bewirkt einen schmaleren Balken und
eine vergleichsweise geringere Horizontalbewegung.
Es wurde festgestellt, dass eine Winkeldifferenz mit
einem Betrag im Bereich zwischen 0,0001 Grad und
5 Grad zwischen den Linien und der Längsrichtung
der Linsen besonders vorteilhaft für eine gute Messgenauigkeit und Messauflösung ist.
[0018] Der erscheinende Balken ändert seine Position in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel stufenlos. Die Positionsänderung geschieht in Längsrichtung der Linsen und ist unabhängig zu einer Änderung des Betrachtungswinkels um eine Achse senkrecht zum Linsenraster.
[0019] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung weist die Winkelmesseinrichtung ein optisches Anzeigemittel zum direkten Ablesen des gemessenen Winkels von der Winkelmesseinrichtung
aufweist, insbesondere ein aus dem Material der
Winkelmesseinrichtung gebildetes optisches Anzeigemittel. Dies erlaubt eine einfache direkte Ablesung des gemessenen Winkels von der Winkelmesseinrichtung durch einen menschlichen Betrachter.
Vorteilhaft kann das Anzeigemittel ohne elektrische
Energieversorgung betrieben werden. Hierdurch ist
die Winkelmesseinrichtung sehr universell einsetzbar. Das Anzeigemittel kann den gemessenen Winkel beispielsweise direkt mit alphanumerischen Zeichen, insbesondere aus Ziffern gebildeten Zahlen,
wiedergeben. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Anzeigemittel eine Skala zum Ablesen des gemessenen Winkels auf. So
kann beispielsweise im Bereich des zuvor erwähnten
Balkens, der bei einer Betrachtung der mit Linien als
geometrischem Muster ausgebildeten Winkelmesseinrichtung erscheinen, eine Skala mit Winkelangaben in der Einheit Grad oberhalb oder unterhalb des
Balkens auf dem auf der Rückseite der Lentikularfolie oder dem Substrat aufgedruckt sein. Vorteilhaft ist
die Skala außerhalb des von der Lentikularfolie überdeckten Bereichs des Substrats oder in einem nicht
mit Linsen versehenen Bereich der Lentikularfolie angeordnet.
[0020] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung weist das geometrische Muster eine Binärkodierung auf. In Betrachtungsrichtung der Winkelmesseinrichtung erscheinen unterschiedliche Binärsymbole auf der Winkelmesseinrichtung, die automa-
tisiert optisch ausgewertet werden können. Durch die
Binärkodierung ist eine einfache und störungsarme
digitale Messung des Winkels möglich.
[0021] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung weist das geometrische Muster eine alphanumerische oder anwendungsspezifische Kodierung
auf, Die anwendungsspezifische Kodierung kann z.
B. durch Verwendung einfach ablesbarer geometrischer Symbole, wie z. B. Balken oder Kreise, realisiert werden, Dies erlaubt eine einfache Ablesung
des gemessenen Winkels durch einen menschlichen
Betrachter. Möglich ist selbstverständlich auch eine
automatische Erfassung und Auswertung mittels einer optischen Erfassungseinrichtung, z. B. einer Kamera.
[0022] Grundsätzlich kann das geometrische Muster z. B. einfarbig als schwarz-weiß-Muster ausgebildet sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung weist das geometrische Muster eine Farbkodierung auf. Durch die Verwendung einer Farbkodierung sind weitere Unterscheidungsmöglichkeiten bezüglich der Winkelerfassung möglich. Zudem
kann über Farben eine einfach erkennbare diskrete Bewertung des gemessenen Winkels auch durch
einen menschlichen Betrachter erfolgen. So können
beispielsweise die geometrischen Muster derart ausgebildet sein, dass bei bestimmten kritischen Winkeln
Symbole in einer Warnfarbe, z. B. rot, erscheinen,
während bei erwünschten Winkeln Symbole in einer
anderen Farbe, z. B. grün, erscheinen.
[0023] Die Erfindung betrifft ferner eine optische
Winkelmessanordnung mit einer ersten und einer
zweiten Winkalmesseinrichtung der zuvor beschriebenen Art. Hierbei ist die erste optische Winkelmesseinrichtung spiegelsymmetrisch zur zweiten optischen Winkelmesseinrichtung mit einer in Querrichtung der Linsen der Lentikularfolie verlaufenden Symmetrieachse angeordnet. Mit einer solchen Winkelmessanordnung kann die Messauflösung und -genauigkeit gegenüber einer einfachen Winkelmesseinrichtung verdoppelt werden. Die erscheinenden Balken
bewegen sich bei einer solchen Winkelmessanordnung gegenläufig zueinander. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und die zweite
Winkelmesseinrichtung auf einer gemeinsamen ebenen Fläche oder auf zueinander parallelen Flächen
angeordnet.
[0024] Die Erfindung betrifft ferner eine optische Justiereinrichtung mit einer ersten und einer zweiten
Winkelmesseinrichtung der zuvor beschriebenen Art.
Hierbei ist die erste optische Winkelmesseinrichtung
spiegelsymmetrisch zur zweiten optischen Winkelmesseinrichtung mit einer in Längsrichtung der Linsen der Lentikularfolie verlaufenden Symmetrieachse angeordnet. Durch die spiegelsymmetrische Anordnung erscheinen, beispielsweise unter Zugrunde-
4/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
legung der Verwendung paralleler Linien als geometrisches Muster, spiegelsymmetrische Balken, die je
nach Betrachtungsrichtung in unterschiedlichen horizontalen Richtungen veränderbar sind. Durch entsprechende Ausrichtung eines Objekts in Bezug auf
die Justiereinrichtung derart, dass die aus der Betrachtungsrichtung des Objekts die erkennbaren Balken zueinander in der gleichen Position angeordnet
sind, ist eine Justierung des Objekts in einer gewünschten Winkel lage möglich. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die erste und die zweite
Winkelmesseinrichtung auf einer gemeinsamen ebenen Fläche oder auf zueinander parallelen Flächen
angeordnet.
[0025] Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches
Winkelerfassungssystem mit wenigstens einer optischen Winkelmesseinrichtung, optischen Winkelmessanordnung oder optischen Justiereinrichtung der
zuvor beschriebenen Art, wobei selbstverständlich
auch Kombinationen hiervon vorteilhaft sind. Das
optische Winkelerfassungssystem weist zudem eine
auf die Winkelmesseinrichtung ausgerichtete Kamera und eine elektronische Auswerteeinrichtung auf,
die mit der Kamera verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung ist dazu eingerichtet, z. B. durch SoftwareProgrammierung, von der Kamera gelieferte Bilder
durch Bildverarbeitung auszuwerten und hieraus einen Winkel zwischen der zu erfassenden Fläche und
der Bezugsebene zu ermitteln. Dies erlaubt eine automatisierte Messung von Winkeln und eine automatisierte weitere Auswertung, z. B. in der Art, dass automatisch bestimmte Funktionen bei Erreichen bestimmter Winkel ausgeführt werden.
[0026] Die Erfindung betrifft ferner eine optische
Messanordnung mit einer ersten und einer zweiten
Winkelmesseinrichtung der zuvor beschriebenen Art.
Die erste und die zweite Winkelmesseinrichtung sind
auf zueinander parallelen Flächen oder derselben
Fläche in einem Winkel bezüglich ihrer Längsachsen
zueinander angeordnet. Die erste und die zweite Winkelmesseinrichtung können insbesondere in einem
rechten Winkel zueinander angeordnet sein. Dies erlaubt eine Winkelmessung in mehr als einer Winkelkoordinatenrichtung.
[0027] Die Erfindung betrifft ferner vorteilhafte Verwendungen von Einrichtungen der zuvor beschriebenen Art, nämlich einer optischer Winkelmesseinrichtung, einer optischen Winkelmessanordnung, einer
optischen Justiereinrichtung, einer optischen Messanordnung und/oder einem optischen Winkelerfassungssystem Vorteilhaft kann eine solche Einrichtung zur Anstellwinkelmessung von Teilen von Fluggeräten, insbesondere von Rotorblättern von Hubschraubern und/oder Trägflächen oder Leitwerken
von Flugzeugen verwendet werden. Hierdurch können die Anstellwinkel in jeder Betriebssituation des
Fluggeräts, auch im Flug, mit geringem Aufwand er-
fasst werden. Da die Winkelmesseinrichtung als relativ dünne Folie herstellbar ist, ist eine Anbringung
auf Teilen von Fluggeräten ohne weiteres möglich,
insbesondere ohne wesentliche Störung der Luftströmung.
[0028] Eine weitere vorteilhafte Verwendung einer
solchen Einrichtung besteht darin, eine berührungslose Winkelmessung von optisch erkennbaren, im
Übrigen zumindest zeitweise unzugänglichen oder
schwer zugänglichen Objekten durchzuführen. So
können beispielsweise in einem Windkanal platzierte
Objekte vermessen werden, was eine optische dynamische Winkelmessung im Windkanal mit geringem
Aufwand ermöglicht.
[0029] Eine weitere vorteilhafte Verwendung einer
solchen Einrichtung besteht in einer Winkel- und/oder
Distanzausrichtung von Objekten in einem Raum.
Mittels der einer solchen Einrichtung kann eine einfache und gut reproduzierbare Platzierung von Objekten in dem Raum durchgeführt werden. So können beispielsweise an Wänden des Raums zwei oder
mehrere Winkelmesseinrichtungen angeordnet werden. Die Platzierung eines Objekts in dem Raum erfolgt dann durch Verschieben bis zu einem Punkt, an
dem alle Winkelmesseinrichtungen den gewünschten Wert anzeigen. Eine solche Winkel- und/oder Distanzausrichtung ist z. B. vorteilhaft für eine Ausrichtung von Kameras in einem Studio einsetzbar.
[0030] Eine weitere vorteilhafte Verwendung einer
solchen Einrichtung besteht in einer Gleitpfadanzeige für landende Fluggeräte an Flugplätzen und/oder
Schiffsdecks. So kann z. B. der Winkel auf der Winkelmesseinrichtung entweder direkt angezeigt werden. Möglich sind auch Klartext-Anzeigen im Sinne
von „zu hoch”, „zu tief” und „gut”. Die Anzeige kann
auch durch verschiedene Farben durchgeführt werden. So kann z. B. durch die Farbe grün angezeigt
werden, dass sich das Fluggerät auf dem vorgegebenen Gleitpfad befindet. Eine rote Anzeige zeigt an,
dass sich das Fluggerät unterhalb des Gleitpfades
befindet. Eine blaue Anzeige zeigt an, dass sich das
Fluggerät oberhalb des Gleitpfades befindet.
[0031] Weitere vorteilhafte Verwendungen einer solchen Einrichtung bestehen in der Winkelbestimmung
im Vermessungswesen oder in der dynamischen
Deformationsmessung von Bauteilen. Im Vermessungswesen eignet sich die Einrichtung insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine verringerte
Genauigkeit ausreichend ist, z. B. Bauwerksüberwachung, Fluchtungsmessungen, optisches Ausrichten,
Modellverfolgungssystem, Positionshalten 2D/3D
[0032] Wie erkennbar ist, hat die erfindungsgemäße Verwendung einer Lentikularfolie zur Messung eines Winkels vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Daher
betrifft die Erfindung ganz allgemein die Verwendung
5/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
einer Lentikularfolie zur Messung eines Winkels zwischen einer zu erfassenden Fläche und einer Bezugsebene.
[0033] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur
Messung eines Winkels zwischen einer zu erfassenden Fläche und einer Bezugsebene mit den Schritten:
a) Anbringung einer optischen Winkelmesseinrichtung, optischen Winkelmessanordnung oder
optischen Justiereinrichtung der zuvor beschriebenen Art auf der zu erfassenden Fläche,
b) Anordnen eines Beobachters in der Bezugsebene mit einer auf die optische Winkelmesseinrichtung, die optische Winkelmessanordnung
oder die optische Justiereinrichtung gerichteten
Betrachtungsrichtung,
c) Bestimmen des Winkels zwischen der zu erfassenden Fläche und der Bezugsebene durch
Auswertung des vom Beobachter empfangenen
optischen Bilds der optischen Winkelmesseinrichtung, der optischen Winkelmessanordnung oder
der optischen Justiereinrichtung.
[0034] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
[0035] Es zeigen
[0036] Fig. 1 eine Winkelmesseinrichtung in perspektivischer Ansicht und
[0037] Fig. 2 eine Substratschicht in Draufsicht und
[0038] Fig. 3 einen Ausschnitt einer Winkelmesseinrichtung und
[0039] Fig. 4 eine Winkelmesseinrichtung in Draufsicht und
[0040] Fig. 5 eine optische Winkelmessanordnung
und
[0041] Fig. 6 und Fig. 7 eine Funktionsdarstellung
einer Winkelmessanordnung und
[0042] Fig. 8 eine Kalibrierkurve einer Winkelmessanordnung und
[0043] Fig. 9 ein Winkelerfassungssystem und
[0044] Fig. 10 ein Hubschrauber-Rotorblatt und
[0045] Fig. 11 einen Hubschrauber mit einem Winkelerfassungssystem und
[0046] Fig. 12 eine Gleitpfadanzeige für landende
Fluggeräte und
[0047] Fig. 13 Anzeigesymbole der Gleitpfadanzeige gemäß Fig. 12 und
[0048] Fig. 14 eine Justiereinrichtung und
[0049] Fig. 15 eine Anzeigedarstellung der Justiereinrichtung gemäß Fig. 14 und
[0050] Fig. 16 eine Anordnung mit zwei Justiereinrichtungen gemäß Fig. 14 und
[0051] Fig. 17 ein optisches Anzeigemittel zum direkten Ablesen des gemessenen Winkels von der
Winkelmesseinrichtung.
[0052] In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
[0053] Die Fig. 1 zeigt eine Winkelmesseinrichtung
1 mit einer Substratschicht 2, einem auf der Substratschicht 2 aufgebrachten geometrischen Muster 3 und
einer auf dem geometrischen Muster 3 angeordneten
Lentikularfolie 4. Die Winkelmesseinrichtung kann als
relativ dünne Folie mit einer Dicke von weniger als 1
mm hergestellt werden. Entsprechend weist die Winkelmesseinrichtung 1 im Wesentlichen Erstreckungen in x- und y-Richtung gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Koordinatensystem auf. In z-Richtung kann
die Winkelmesseinrichtung mit der genannten sehr
geringen Erstreckung von unter 1 mm hergestellt werden.
[0054] Auf einer Linsenseite 6 weist die Lentikularfolie 4 in x-Richtung längs verlaufende Linsen 7 auf. Auf
der Rückseite der Lentikularfolie 4 ist die Substratschicht 2 mit dem geometrischen Muster 3 angeordnete. Eine Unterseite 5 der Winkelmesseinrichtung
1 kann als Befestigungsfläche ausgebildet sein, die
eine Befestigung der Winkelmesseinrichtung auf einer zu erfassenden Fläche ermöglicht. Beispielsweise kann die Winkelmesseinrichtung 1 auf einfache
Weise mit doppelseitigem Klebeband auf der zu erfassenden Fläche befestigt werden.
[0055] Die Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Substrat 2 ohne die Lentikularfolie 4. Erkennbar ist ein
geometrisches Muster 3, das im dargestellten Ausführungsbeispiel als Anordnung einer Mehrzahl parallel verlaufender gerader Linien mit im Wesentlichen
gleich bleibender Breite und gleichem Abstand voneinander ausgebildet ist. Je nach Anwendungsfall
kann der Abstand auch leicht abweichen, was zu Vorteilen für bestimmte Anwendungen führen kann. Vorteilhaft entspricht dabei die Linienbreite dem Abstand
zwischen den Linien. Zusätzlich ist in der Fig. 2 eine Skala 8 dargestellt, die in der Nähe des geometrischen Musters 3 ebenfalls auf die Substratschicht
2 aufgebracht ist. Die Skala 8 kann als Anzeigemittel zur direkten Ablesung eines gemessenen Winkels
6/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
dienen, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
Die Substratschicht 2 kann beispielsweise aus einem
beliebigen bedruckbaren Material bestehen, z. B. aus
Rapier. Das Muster 3 und die Skala 8 können beispielsweise mit einem handelsüblichen Drucker, z. B.
einem Laserdrucker oder einem Tintenstrahldrucker,
auf die Substratschicht 2 aufgedruckt sein.
[0056] Die Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Anordnung
der Linsen 7 der Lentikularfolie 4 in Bezug auf die Linien des Musters 3. Die Linsen 7 weisen in Längsrichtung eine geringfügige Winkeldifferenz α zu den
Linien des Musters 3 auf. Die Winkeldifferenz kann
nach Bedarf in bestimmten Grenzen sinnvoll festgelegt werden. Generell gilt, je kleiner der Winkel
ist, desto höher ist die erzielbare Messauflösung. In
den nachfolgend betrachteten Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, dass eine Lentikularfolie mit einem Linsenabstand von 75 LPI verwendet wird. Dementsprechend sind auch die Linien des
Musters 3 mit einem Abstand von 75 LPI, d. h. 25,4
mm:75 = 0,3387 mm Abstand wie die Linsen 7 ausgebildet. Bezüglich des Winkels α wird von einem Wert
von 1 Grad ausgegangen. Dieser kann je nach Anforderung variiert werden.
[0057] Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass
eine Anordnung der Lentikularfolie mit einem Winkelversatz zu den Linien des Musters 3 dazu führt, dass
auf der Winkelmesseinrichtung überwiegend senkrecht verlaufende Balken erscheinen, wie dies in der
Fig. 4 durch die Balken 9 dargestellt ist. Die Fig. 4
zeigt die Winkelmesseinrichtung 1 gemäß den Fig. 1
bis Fig. 3 in Draufsicht. Durch eine Variation des Betrachtungswinkels der Winkelmesseinrichtung ergibt
sich der Effekt, dass die Balken 9 nach links bzw.
rechts wandern. Die Veränderung der Position der
Balken 9 ist dabei proportional zur Veränderung des
Betrachtungswinkels. Durch die vorgesehene Skala
8 kann direkt anhand der Skala 8 und einem darunter
angeordneten Balken 9 die Veränderung des Winkels
abgelesen werden. Zudem ändert sich die Breite der
Balken 9 mit dem Winkel α derart, dass die Balken 9
bei einer Verkleinerung des Winkels α breiter werden.
[0058] Die Fig. 5 zeigt eine optische Winkelmessanordnung, bei der eine erste Winkelmesseinrichtung
51 und eine zweite Winkelmesseinrichtung 52 auf
einer gemeinsamen ebenen Oberfläche angeordnet
sind. Die erste Winkelmesseinrichtung 51 und die
zweite Winkelmesseinrichtung 52 sind gemäß den
Fig. 1 bis Fig. 3 aufgebaut. Hierbei ist die zweite Winkelmesseinrichtung 52 spiegelsymmetrisch zu der
ersten Winkelmesseinrichtung 51 angeordnet, und
zwar mit einer im Wesentlichen senkrecht zu den Linien des Musters 3 bzw. den Linsen 7 verlaufenden
Symmetrieachse S. Durch eine solche Anordnung
von zwei Winkelmesseinrichtungen 51, 52 kann die
Messauflösung verdoppelt werden, da zwei zueinan-
der gegenläufige Balken 9, 10 erscheinen, wie in den
Fig. 6 und Fig. 7 erkennbar.
[0059] Die Fig. 6 und Fig. 7 zeigen fotografisch erfasste Beispiele einer Winkelmessanordnung gemäß
Fig. 5. Die Fig. 6 zeigt die Winkelmessanordnung
bei einem Betrachtungswinkel von 8 Grad, die Fig. 7
zeigt dieselbe Winkelmessanordnung bei einem Betrachtungswinkel von 24 Grad. Wie erkennbar ist, verändern beide Balken 9, 10 symmetrisch zur Symmetrieachse S ihre Position. Von der Fig. 6 zur Fig. 7
sind die Balken 9, 10 mehr zur Symmetrieachse S
hingewandert. Durch Auswertung des Abstands der
Balken 9, 10 voneinander, z. B. indem eine Tangente
an die inneren Begrenzungslinien gelegt wird, kann
eine direkte Winkelmessung mittels der Winkelmessanordnung erfolgen. Mit einer derartigen Winkelmessanordnung kann eine Messgenauigkeit von +/–0,
5 Grad erzielt werden. Durch eine Verbesserung der
Druckgenauigkeit des Musters 3 kann die Messgenauigkeit auf mindestens +/–0,1 Grad gesteigert werden. Der nutzbare Messbereich liegt je nach Lentikularfolientyp in einem Bereich zwischen +/–50 Grad.
[0060] Die Fig. 8 zeigt eine gemessene Kalibrierkurve einer Winkelmessanordnung gemäß Fig. 5. Dargestellt ist der Betrachtungswinkel über den Balkenabstand. Wie erkennbar ist, bestätigen die Messungen die lineare Abhängigkeit zwischen dem Betrachtungswinkel und dem Balkenabstand.
[0061] Die Fig. 9 zeigt ein Winkelerfassungssystem
mit einer Winkelmesseinrichtung 1, die auf einem
Bauteil 11 befestigt ist. Das Bauteil 11 kann z. B.
ein Rotorblatt eines Hubschraubers, ein Leitwerk eines Flugzeugs oder ein deformierbares Bauteil eines Fahrzeugs sein. In der Anordnung gemäß Fig. 9
wird über die Winkelmesseinrichtung 1 ein Winkel
β gegenüber einer Bezugsfläche 12 erfasst, z. B.
einer Fußboden-Ebene. Das Winkelerfassungssystem weist ferner eine Kamera 13 und eine elektronische Auswerteeinrichtung in Form eines Computers
14 mit einer Anzeigeeinheit 15 auf. Als Kamera seien
alle optischen Erfassungseinrichtungen verstanden,
die mittels einer elektronischen Auswerteeinrichtung
auswertbare Bilder abgeben.
[0062] Die Kamera 13 ist auf die Winkelmesseinrichtung 1 ausgerichtet. Hierdurch werden Bilder der Winkelmesseinrichtung 1 erfasst und von der Kamera an
den Computer 14 abgegeben. Der Computer 14 weist
eine Auswertesoftware auf, über die anhand von Vergleichen der empfangenen Bilder mit Referenzdaten
die Veränderung des Balkens 9 der Winkelmesseinrichtung 1 ermittelt werden kann. Die Auswertesoftware berechnet hieraus direkt eine Winkeländerung
und zeigt diese auf der Anzeigeeinrichtung 15 an.
[0063] Anhand der Fig. 10 und Fig. 11 wird eine weitere vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen
7/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
Winkelmesseinrichtung im Bereich der Anstellwinkelmessung von Hubschrauber-Rotorblättern beschrieben. Vorteilhaft kann mit einer solchen Einrichtung
eine Messung des Anstellwinkelverlaufs des Rotorblatts während der Rotordrehung erfolgen, d. h. bei
fliegendem Hubschrauber. Die Fig. 10 zeigt ein Rotorblatt 16 mit einer Längsachse L. Entlang des Rotorblatts 16 sind drei Winkelmesseinrichtungen 17,
18, 19 mit einer Ausrichtung der Lentikularfolie senkrecht zur Längsachse L befestigt. Zusätzlich sind drei
Winkelmesseinrichtungen 20, 21, 22 entlang des Rotorblatts 16 mit einer Ausrichtung parallel angeordnet.
Die Winkelmesseinrichtungen 17, 18, 19, 20, 21, 22
können beispielsweise gemäß den Fig. 1 bis Fig. 5
ausgebildet sein. Mit den Winkelmesseinrichtungen
17, 18, 19 kann eine Schlagwinkelmessung durchgeführt werden. Mit den Winkelmesseinrichtungen 20,
21, 22 kann eine Anstellwinkelmessung durchgeführt
werden.
[0064] Die Fig. 11 zeigt einen Hubschrauber 23 mit
einem Rotor 24, an dem zwei Rotorblätter 16 angeordnet sind. Beispielhaft sind in der Fig. 11 die Winkelmesseinrichtungen 18, 21 dargestellt. Für die eigentliche Erfassung des Schlagwinkels und des Anstellwinkels ist oberhalb des Hubschraubers 23 eine Kamera 13 angeordnet, die den gesamten von
den Rotorblättern 16 überstrichenen Drehkreis erfasst. Die Kameraeinrichtung 13 ist vorteilhaft mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung verbunden,
z. B. dem anhand der Fig. 9 beschriebenen Computer 14 und der Anzeigevorrichtung 15.
[0065] Für Messungen des Anstellwinkelverlaufs
von Hubschrauber-Rotorblättern wird derzeit beispielsweise ein Hubschraubermodell im Windkanal
verwendet. Momentan wird die Messung durch eine Analyse von Stereo-Bildern durchgeführt, die von
zwei bis vier Kamerasystemen erzeugt werden. Vor
der Messung sind eine aufwendige Kalibrierung des
kompletten Mess-Volumens mit Hilfe von KalibrierMarkern und eine Vermessung mit Theodolit erforderlich. Der Anstellwinkel des Rotorblatts kann mit
dieser Methode über die Lage von zwei Markern im
Raum bestimmt werden, die an der Vorder- und Hinterkante des Rotorblatts angebracht sind. Die Messgenauigkeit dieser Methode liegt bei etwa +/–0,5
Grad.
[0066] Durch Verwendung der erfindungsgemäßen
Winkelmesseinrichtung gemäß den Fig. 10 und
Fig. 11 kann diese Messung erheblich vereinfacht
werden. Es sind lediglich die Winkelmesseinrichtungen 17, 18, 19, 20, 21, 22 in Form von Messstreifen
auf einem Rotorblatt oder beiden Rotorblättern anzubringen. Zur Erfassung der Winkelinformationen ist
nur eine Kamera 13 erforderlich. Diese macht während des Betriebs des Hubschraubers 23 Aufnahmen des kompletten Rotors. Die Messstreifen sind
bereits vorkalibriert, so dass eine besondere Kalibrie-
rung nicht mehr erforderlich ist. Mit Kenntnis der geometrischen Abmessungen kann durch Auswertung
der von der Kamera 13 gelieferten Bilder eine Messung des Anstellwinkels und des Schlagwinkels mit
erhöhter Messgenauigkeit gegenüber dem bekannten Verfahren durchgeführt werden.
[0067] Die Fig. 12 zeigt eine vorteilhafte Anwendung
der erfindungsgemäßen Winkelmesseinrichtung in
einer Gleitpfadanzeige für landende Fluggeräte. Die
Fig. 12 zeigt als Fluggerät beispielhaft ein Flugzeug
28, das auf einer Landebahn 26 landen soll. Der optimale Gleitpfad wird durch eine Linie 30 dargestellt,
die in einem optimalen Aufsetzpunkt 27 für das Flugzeug 28 endet. Im Bereich der Landebahn 26 ist eine erste Winkelmesseinrichtung 25 und eine zweite
Winkelmesseinrichtung 33 angeordnet, derart, dass
die Winkelmesseinrichtungen 25, 33 vom Piloten des
Flugzeugs 28 erkennbar sind. Die Winkelmesseinrichtung 25 ist nach Art eines Schilds senkrecht auf
einem Pfosten neben der Landebahn, d. h. außerhalb
der unmittelbaren Flugrichtung, angeordnet. Die Winkelmesseinrichtung 25 ist bezüglich ihrer Höhe derart angeordnet, dass sich ein Schnittpunkt mit dem
optimalen Gleitpfad 30 ergibt. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine eben bezüglich der Landebahn
26 angeordnete zweite Winkelmesseinrichtung 33 im
Bereich des Aufsetzpunkts 27 angeordnet sein, z. B.
neben der Landebahn 26 oder in die Landebahn 26
eingelassen. Durch entsprechende Wahl des geometrischen Musters 3 der Winkelmesseinrichtung 25, 33
kann eine von einem Betrachter einfach auswertbare
optische Gleitpfadanzeige realisiert werden, die gegenüber anderen technischen Lösungen den Vorteil
hat, dass sie ausfallsicher ist und ohne Stromversorgung auskommt.
[0068] Die Fig. 13 zeigt mögliche Anzeigebilder der
Winkelmesseinrichtung 25. Fig. 13a zeigt durch das
Symbol „Pfeil nach oben” an, dass sich das Flugzeug 28 unterhalb des optimalen Gleitpfads 30 befindet und der Pilot eine Korrektur durch Höhenrudergabe herbeiführen soll. Gemäß Fig. 13b wird durch ein
Gleichheitszeichen angezeigt, dass sich das Flugzeug 28 auf dem optimalen Gleitpfad 30 befindet. Gemäß Fig. 13c wird durch das Symbol „Pfeil nach unten” angezeigt, dass sich das Flugzeug 28 oberhalb
des optimalen Gleitpfads 30 befindet. Der Pilot erhält hierdurch den Hinweis, dass er das Flugzeug 28
durch Tiefenrudergabe auf den optimalen Gleitpfad
30 bringen soll.
[0069] Die Fig. 14 zeigt eine Justiereinrichtung mit
einer ersten Winkelmesseinrichtung 53 und einer
zweiten Winkelmesseinrichtung 54. Die Winkelmesseinrichtungen 53, 54 entsprechen dem in den Fig. 1
bis Fig. 3 beschriebenen Aufbau. Die Winkelmesseinrichtungen 53, 54 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, wobei eine Symmetrieachse S
parallel zu der Längserstreckung der Linsen 7 bzw.
8/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
der Linien des Musters 3 mittig zwischen den Winkelmesseinrichtungen 53, 54 vorhanden ist. Mit der Justiereinrichtung gemäß Fig. 14 werden Anzeigebilder
gemäß Fig. 15 erzeugt. Gemäß Fig. 15a) wird ein Anzeigebild dargestellt, dass eine Positionierung eines
Objekts zu weit links von einer Soll-Winkellage indiziert. Die Fig. 15b) zeigt eine optimale Ausrichtung
des Objekts, was daran erkennbar ist, dass die auf
der Justiereinrichtung erkennbaren Balken die gleiche Position in Vertikalrichtung haben. Die Fig. 15c)
zeigt ein Anzeigebild der Justiereinrichtung bei zu
weit rechts von der SollWinkellage ausgerichtetem
Objekt.
[0070] Die Fig. 16 zeigt eine Anwendung zweier Justiereinrichtungen gemäß den Fig. 14 und Fig. 15 an
einer Wand 29 eines Raums. Eine erste Justiereinrichtung 55 ist links von einem Objekt 32 an der Wand
29 angebracht, eine zweite Justiereinrichtung 56 ist
rechts von dem Objekt 32 an der Wand 29 angebracht. Die in der Fig. 16 jeweils unterhalb der jeweiligen Justiereinrichtung 55, 56 dargestellten Anzeigebilder geben an, welches Erscheinungsbild die jeweilige Justiereinrichtung bei einer jeweiligen Position A,
B oder C eines Betrachters abgibt. Bei einer Positionierung an der Position B, d. h. auf einer Linie 31, ist
erkennbar, dass bei beiden Justiereinrichtungen 55,
56 angezeigt wird, dass eine gewünschte Winkellage
und damit eine Sollposition in dem Raum erreicht ist.
Auf diese Weise lassen sich in einem Raum mit wenig Aufwand Gegenstände immer wieder an der gleichen Position anordnen.
[0071] Die Fig. 17 zeigt anhand von fünf beispielhaft gewählten Winkelmesswerten die Anzeigedarstellung eines optischen Anzeigemittels, das zum direkten Ablesen des gemessenen Winkels von der
Winkelmesseinrichtung vorgesehen ist. Das in den
fünf Anzeigedarstellungen wiedergegebene optische
Anzeigemittel weist im linken Bereich eine direkte
zahlenmäßige, d. h. numerische Anzeige von Winkelmesswerten auf. Im rechten Bereich ist eine Balkendarstellung vorgesehen. Mit der numerischen Anzeige kann vom zu messenden Winkel beispielsweise
die Zehnerstelle einer zweistelligen Dezimalzahl angezeigt werden. Mit der Balkenanzeige ist eine Darstellung der Einerstelle der zweistelligen Dezimalzahl
darstellbar. Sowohl die numerische Anzeige als auch
die Balkendarstellung sind auf der Winkelmesseinrichtung 1 in Form des geometrischen Musters 3 realisiert, das unterhalb des mit den Linsen F versehenen Bereichs der Lentikularfolie 4 angeordnet ist. Die
Lentikularfolie 4 ist derart ausgebildet, dass sich die
Zehnerstelle nach jeweils 10 Grad Veränderung des
Betrachtungswinkels ändert. Im Bereich der Balkendarstellung ist die Lentikularfolie derart ausgebildet,
dass sich die vorgesehenen fünf Felder für die Balken
jeweils nach 5 Grad Veränderung des Betrachtungswinkels ändern. Mit einer solchen Anzeigevorrichtung
lassen sich Winkel mit einer Auflösung von 1 Grad
messen. Interessanterweise ändert sich die Darstellung jeweils schon bei einer Änderung des Betrachtungswinkels von 1 Grad. In der Fig. 17a) ist die Anzeigedarstellung bei einem Betrachtungswinkel von
0 Grad wiedergegeben. In der Fig. 17b) ist die Anzeigedarstellung bei einem Betrachtungswinkel von
4 Grad wiedergegeben. In der Fig. 17c) ist die Anzeigedarstellung bei einem Betrachtungswinkel von
8 Grad wiedergegeben. Wie man erkennt, nimmt die
Anzahl der Balken bei einer Vergrößerung der Einerstelle von 0 bis 5 zu, während die Anzahl der Balken
bei einer Vergrößerung der Einerstelle von 6 bis 0
wieder abnimmt. In der Fig. 17d) ist beispielhaft die
Anzeigedarstellung für einen Winkel von 19 Grad dargestellt, in der Fig. 17e) für einen Winkel von 32 Grad.
[0072] Mit einem solchen Anzeigemittel können Winkel in 1 Grad-Schritten gemessen werden. Für die
Erfassung negativer Winkel kann ein zusätzliches
Anzeigefeld links von der Zehnerstelle vorgesehen
sein, über die ein Minus-Zeichen angezeigt wird. Mit
dem anhand der Fig. 17 beschriebenen Anzeigemittel kann prinzipiell auch eine höhere Auflösung als
1 Grad erzielt werden. In diesem Fall werden weitere Anzeigefelder benötigt, für die jeweilige geometrische Muster 3 auf der Rückseite der Lentikularfolie 4
vorzusehen sind.
Patentansprüche
1. Optische Winkelmesseinrichtung zur Messung
eines Winkels (β, γ) zwischen einer zu erfassenden
Fläche (11, 16, 26, 29) und einer Bezugsebene (12,
30, 31), wobei die optische Winkelmesseinrichtung
(1, 17, 18, 19, 20, 21, 22) wenigstens eine Lentikularfolie (4) aus einem transparenten Material aufweist,
die eine Linsenseite (6) und eine der Linsenseite (6)
abgewandte Rückseite aufweist, wobei auf der Linsenseite (6) eine Mehrzahl von sich in einer Längsrichtung gerade erstreckenden optischen Linsen (7)
vorgesehen ist und auf der Rückseite ein optisch erfassbares geometrisches Muster (3) an der Lentikularfolie (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass das geometrische Muster (3) eine Anordnung
einer Mehrzahl parallel verlaufender gerader Linien
mit gleich bleibender Breite aufweist, und dass ein
Winkel (α) im Bereich zwischen 0,0001° und 5° zwischen den Linien und der Längsrichtung der Linsen
(7) gebildet ist, wodurch sich auf der Linsenseite (6)
ein oder mehrere schräg zu den Linsen (7) verlaufende Balken (9) optisch abzeichnen, die ihre Position
abhängig vom Betrachtungswinkel in Längsrichtung
der Linsen (7) stufenlos ändern.
2. Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische
Winkelmesseinrichtung (1, 17, 18, 19, 20, 21, 22) eine Befestigungsfläche (5) aufweist, die zur Anbringung der optischen Winkelmesseinrichtung (1, 17,
18, 19, 20, 21, 22) auf der zu erfassenden Fläche
9/17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
(11, 16, 26, 29) eingerichtet ist, wobei die Befestigungsfläche (5) auf der Rückseite der Lentikularfolie
(4) oder einer auf der Rückseite angeordneten Substratschicht (2) angeordnet ist.
3. Optische Winkelmesseinrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Winkelmesseinrichtung
(1, 17, 18, 19, 20, 21, 22) ein optisches Anzeigemittel (8) zum direkten Ablesen des gemessenen Winkels (β, γ) von der Winkelmesseinrichtung aufweist,
insbesondere ein aus dem Material der Winkelmesseinrichtung gebildetes optisches Anzeigemittel.
4. Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigemittel (8) eine Skala zum Ablesen des gemessenen Winkels (β, γ) aufweist.
5. Optische Winkelmesseinrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Muster (3) eine Binärkodierung aufweist.
6. Optische Winkelmesseinrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Muster (3) eine alphanumerische oder anwendungsspezifische Kodierung aufweist.
7. Optische Winkelmesseinrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das geometrische Muster (3) eine
Farbkodierung aufweist.
8. Optische Winkelmessanordnung mit einer ersten und einer zweiten Winkelmesseinrichtung nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
erste optische Winkelmesseinrichtung (51) spiegelsymmetrisch zur zweiten optischen Winkelmesseinrichtung (52) mit einer in Querrichtung der Linsen (7)
der Lentikularfolie (4) verlaufenden Symmetrieachse
(S) angeordnet ist.
9. Optische Justiereinrichtung mit einer ersten und
einer zweiten optischen Winkelmesseinrichtung oder
optischen Winkelmessanordnung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste optische
Winkelmesseinrichtung (53) spiegelsymmetrisch zur
zweiten optischen Winkelmesseinrichtung (54) mit einer in Längsrichtung der Linsen (7) der Lentikularfolie
(4) verlaufenden Symmetrieachse (S) angeordnet ist.
10. Optisches Winkelerfassungssystem mit wenigstens einer optischen Winkelmesseinrichtung, optischen Winkelmessanordnung oder optischen Justiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einer auf die optische Winkelmesseinrichtung (1, 17, 18, 19, 20, 21, 22), optische Winkelmessanordnung (51, 52) oder optische Justiereinrichtung
(53, 54) ausgerichteten Kamera (13) und einer elektronischen Auswerteeinrichtung (14, 15), die mit der
Kamera (13) verbunden ist, wobei die Auswerteeinrichtung (14, 15) dazu eingerichtet ist, von der Kamera (13) gelieferte Bilder durch Bildverarbeitung auszuwerten und hieraus einen Winkel (β, γ) zwischen
der zu erfassenden Fläche (11, 16, 26, 29) und der
Bezugsebene (12, 30, 31) zu ermitteln.
11. Verwendung wenigstens einer Einrichtung
nach einem der vorhergehenden Ansprüche für wenigstens eine der folgenden Anwendungen:
a) Anstellwinkelmessung von Teilen von Fluggeräten (23, 28), insbesondere von Rotorblättern (16)
von Hubschraubern (23), Tragflächen oder Leitwerken von Flugzeugen (28),
b) berührungslose Winkelmessung von optisch erkennbaren, im übrigen zumindest zeitweise unzugänglichen oder schwer zugänglichen Einrichtungen,
insbesondere von in einem Windkanal angeordneten
Objekten,
c) Winkel- und/oder Distanzausrichtung von Objekten
(32) in einem Raum, insbesondere Kameraausrichtung in einem Studio,
d) Gleitpfadanzeige für landende Fluggeräte (28) an
Flugplätzen und/oder auf Schiffsdecks,
e) Winkelbestimmung im Vermessungswesen, insbesondere bei Anwendungen, bei denen eine verringerte Genauigkeit ausreichend ist, z. B. Bauwerksüberwachung, Fluchtungsmessungen, optisches Ausrichten, Modellverfolgungssystem, Positionshalten 2D/
3D,
f) dynamische Deformationsmessung von Bauteilen.
12. Verfahren zur Messung eines Winkels (β, γ)
zwischen einer zu erfassenden Fläche (11, 16, 26,
29) und einer Bezugsebene (12, 30, 31) mit den
Schritten:
a) Anbringung einer optischen Winkelmesseinrichtung (1, 17, 18, 19, 20, 21, 22), optischen Winkelmessanordnung (51, 52) oder optischen Justiereinrichtung (53, 54) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf
der zu erfassenden Fläche,
b) Anordnen eines Beobachters (13) in der Bezugsebene (12, 30, 31) mit einer auf die optische Winkelmesseinrichtung (1, 17, 18, 19, 20, 21, 22), die optische Winkelmessanordnung (51, 52) oder die optische Justiereinrichtung (53, 54) gerichteten Betrachtungsrichtung,
c) Bestimmen des Winkels (β, γ) zwischen der zu erfassenden Fläche (11, 16, 26, 29) und der Bezugsebene (12, 30, 31) durch Auswertung des vom Beobachter (13) empfangenen optischen Bilds der optischen Winkelmesseinrichtung (1, 17, 18, 19, 20, 21,
22), der optischen Winkelmessanordnung (51, 52)
oder der optischen Justiereinrichtung (53, 54).
10/17
Es folgen 7 Blatt Zeichnungen
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
Anhängende Zeichnungen
11 / 17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
12 / 17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
13 / 17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
14 / 17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
15 / 17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
16 / 17
DE 10 2010 021 367 B4 2012.03.08
17 / 17
Herunterladen