DE1808054C2

DE1808054C2 - Einrichtung zur beruehrungslosen Messung der Bewegung eines Objekts

Info

Publication number: DE1808054C2
Application number: DE19681808054
Authority: DE
Inventors: Zimmer Karl F
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1968-11-09
Filing date: 1968-11-09
Publication date: 1971-04-29
Also published as: DE1808054B1

Description

r Λ Ι 2
^! Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur be- gemessen wird, die ebenfalls stattfindende Bewegung ⁽ _% rUhungslosen Messung der Bewegung eines Objekts in der Y-Achse völlig unberücksichtigt bleibt. Aus * >jbu einem Bezugssystem mittel» lichtelektrischer Ab- der zyklischen Umschaltung ergibt sich fernerhin, ' tastung mit einer Fotokathode zur Umwandlung der daß die Möglichkeit zur Aufaahme sehr hoher Abtaststrahlen in einen Elektrodenstrahl, einer der 5 Schwingungen, d. h. die Bandbreite bei einer solchen • Fotokathode nachgeschaltcten Ablenkeinheit, einer Einrichtung, nur begrenzt ist. Die vorliegende Erfinr Blende und einem Elektrodenvervielfacher, bei der dung hat die Aufgabe, die Messung von sehr s die Differenz der bei Bewegung des Objekts am schnellen, in beliebiger Richtung verlaufenden Be- \i Ausgang des Elektrodcnvervielfachers auftretenden wegungen eines Meßobjektes zu ermöglichen. Sie U Spannungsänderung zu einer Vergleichsspannung auf io betrifft eine Weiterbildung des Gegenstandes des J-| die Ablenkeinheit der Abtasteinrichtung geschaltet Hauptpatents, die von einer Einrichtung zur bell;; ist (Nachführrsignal). . rührungslosen Wegmessung eines Objekts ausgeht, Ii Einrichtungen zur berührungslosen Wegmessung, bei dem die Bewegung eines Objekts zu einem Bell die auf dem Prinzip der Umwandlung einer von dem zugssystem mittels lichtelektrischer Abtastung mit i Meßobjekt ausgehenden Lichtstrahlung in eine Elek- 15 einer Fotokathode zur Umwandlung der Abtast-μ ,tronenstrahlung beruhen, sind beispielsweise aus der strahlen in einen Elektronenstrahl, einer der Fotof» ftSA.-Patentschrift 3161725 bekannt. Die Wirkungs- kathode nachgeschalteten Ablenkeinheit, einer \i 'weise der bekannten Anordnungen ist so, daß die Blende und einem Elektronenvervielfacher, bei der Ζ von dem Meßobjekt ausgehende Strahlung mit Hilfe die Differenz der bei Bewegung des Objekts am Aus-I eines geeigneten optischen Systems auf die Foto- 30 gang des Elektronen vervielfachers auftretenden _E, kathode einer Abtaströhre geworfen wird und diese Spannungsänderung zu einer Vergleichsspannung auf I von dem auf sie geworfenen optischen Biid ein die- die Ablenkeinheit der Abtasteinrichtung geschalte! f. sem entssprechendes Elektronenbild entwickelt. Der ist (Nachfihrsignal) und die darin besteht, daß /x. 'i Fotokathode, die sich in einer sogenannten Abtast- i'4tzliche, von einem Generator frequenzgesteuert I röhre befindet, sind eine Blende, Ablenkeinheiten 95 Ablenkeinheiten für die das optische System bzw ■i_t> für den Elektronenstrahl und ein Elektronenverviel- die Abtasteinrichtung durchsetzenden Strahlung vor- Y fächer nachgeschaltet, der einen Strom erzeugt, des- gesehen sir-d, daß die-unabhängig von einer Objekt ; sen Intensität der optischen Strahlungsenergie des bewegung um einen Mittelwert schwankende Ausabgetasteten Meßobjekts entspricht. Da das Meß- gangsspannung des Elektronenvervielfacher« und ein objekt sine Hellfeld-Dunkelfeld-Verteilung aufweist, 30 der Ablenkspannung frequenzgleicher Ausgang des wird bei Bewegung des Meßobjektes der Ausgangs- gleichen oder eines weiteren Generators auf einen I strom des Elektronenvervielfachcrs bzw. eine die- Phasendiskriminator geschaltet sind, dessen Aus- % sem entsprechende Spannung je nach Stellung des gangsspannung als Nachführsignal zusätzlich oder Meßobjekts unterschiedliche Werte annehmen und separat an die Ablenkeinheit der Abtastvorrichtung

- somit ein Maß für die Meßobjektbewegung dar- 35 angelegt ist.

stellen. Die Lösung der spezifischen Aufgabe der vor-Ee ist bei Wegmessern dieser Art üblich, die Aus- liegenden Erfindung, die von einer Einrichtung der gangsspannung des Elektronenvervielfachers mit eingangs beschriebenen Art ausgeht, besteht darin, ' einer konstanten Vergleichsspannung zu vergleichen daß zur Messung von Bewegungen in beliebiger . und das gewonnene und gegebenenfalls verstärkte 40 Richtung in einer Ebene das Meßobjekt zwei senk-' Differenzsignal den Ablenkplatten einer sich eben- recht zueinander stehende Hellfeld-Dunkelfeld-Uber-, falls in der Abtaströhre befindlichen Ablenkeinheit gänge aufweist, daß am Ausgang des optischen ■ in dem Sinne wieder zuzuführen, daß die Intensitäts- Systems für jeden HeUfeld-Dunkelfeld-Übergang eine S änderung des Elektronenstrahls infolge der Objekt- Abtasteinheit vorgesehen ist und daß jeweils die Abbewegung rückgängig gemacht wird, so daß, von der 45 lenkeinheit für den Elektronenstrahl der einen Ab-Abtaslröhre aus gesehen, das Meßobjekt immer an tasteinheit so mit dem Ausgang der anderen Abtastderselben Stelle, beispielsweise an dem durch die einheit verbunden ist, daß jeweils die Meßlinie Hellfeld-Dunkelfeld-Verteilung sich ergebenden Kon- (Visierlinie) der Abtasteinheit für den einen HeIltrastsprung abgetastet wird. Somit ist äas der Ab- feld-Dunkelfeld-Übergang der Bewegung des Meßlenkeinheit zugeführte verstärkte Differenzsignal der 50 Objekts in Richtung des anderen Hellfeld-Dunkelfeld-' Bewegung des Meßobjekts c'irekt proportional und Überganges nachgeführt ist.

- kann als Anzeigegroße beispielsweise einem Oszillo- Das hat den Vorteil, daß die Linie, in welcher die graphen zugeleitet werden. Bewegung des Meßobjekts jeweils in einer Koordl·

Mit den bekannten Anordnungen ist es jedoch natenrichtung abgetastet wird, bei gleichzeitiger Be-. nicht immer möglich, komplizierte, insbesondere 55 wegung des Meßobjekts in Richtung der anderen nicht geradlinige Bewegungsabläufe, zu verfolgen. Koordinate sich nicht so stark verschieben kann, Zw« ist in der USA.-Patentschrifi 3161725, bei- daß die Abtastung für die erste Koordinate dadurch spielsweise Spalte % schon erwähnt, daß es möglich unmöglich wird, daß das Meßobjekt aus dem Geist, die Ablenkeinheit mit X- und !"-Ablenkplatten sichtsfeld (d.h. aus der Meßlinie) für die erste Koauszurüsten und durch zyklische Umschaltung zwi- 60 ordinate herauswandert Die Erfindung ermöglicht sehen den beiden Ablenkeinheiten zwei verschiedene somit ein automatisches Nachstellen der jeweiligen Ausgangssignale getrennt für die X- und die Y-Ko- Abtastlinien für die Bewegung in einer Koordinttenordkate bei entsprechender Umschaltung auch des richtung in Abhängigkeit von der Bewegung in der Ausganges zu gewinnen. Eine derartige Einrichtung anderen Koordinatenrichtung,
fet jedoch ungeeignet zur Aufnahme von sehr schnell 65 Im folgenden werden Aufbau und Wirkungiweise vcfiäüfeuden Bewegungen, beispielsweise einer sehr der Erfindung an einer als Beispiel dienenden Ausschnellen Rotationsbewegung, weil während der führungsformi unter Bezugnahme1 auf die Zeichnun-Dauer, während der die Bewegung in der X-Achse gen näher beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 ein AusfÜhrungsbeispiel der Erfindung, Meßobjektbewegung verursachte Intensitätsande lung

Fig 2a und 2b das auf den Fotokathoden der des Elektronenstrahls wieder rückgängig gemacht

beiden Abtastcmhcitsn abgebildete Meßobjekt bei wird, d. h., daß, von der Abtaströhie aus gesehen.

Bev^gung in y-Rkhtimg. das. Meßobjekt immer an derselben Stelle, beit>piels

la Jäss Atslt*n«igsbei$piil nach Fig. 1 ist mit 1 5 weise im Falle der Bewegung in der y-Richtung am an upiöcfja Syst™ bs«£khs£!, daB das sich in be- Meßpunkt i9 bzw. für Bewegungen in der x-RicliikiHgcr Weise bewende Objekt 4 auf die beiden tung am Meßpunkt 20 abgeiastei wird. Das der Ab-Fotokaihodcn 5 and 6 der dem optischen System lenkeinheit zugeführte Differenzsignal ist dann bei «schgsschal&tea Abtastemheitcn 2 und 3 abbildet. Bewegung des Meßobjekts dieser Bewegung direkt Die Verbindung der beiden Abtasteinheiten 2 und 3 io proportional. Die Differenzverstärker und weitere «it dem optischen System 1 geschieht über eine ge- Schaltungseinheiten sind in Fig. 1 durch die Käst- «gnctc Slrahkmemknkeimichtung7, die in der Lsge chen 21 und 22 symbolisch dargestellt. Hierdurch ist, das von &ua optischen System 1 kommende Bild sind ohne weiteres auch sehr schnell verlaufende gleichzeitig as! beide Fotokathoden 5 und 6 zu Meßobjektbewegungen in beliebiger Richtung darwerfen. Solche Strahlenumknkeinrichtungen sind 15 stdlbar, beispielsweise bei Anschluß der Meßausbekannt, sie können beispielsweise aus geeigneten gänge der einzelnen Abtasteinheiten an die x- und Prismen und Spiegeln aufgebaut sein, so daß hierauf y-Ablenkplatten eines üblichen Oszillographen, auch rächt näher eingegangen zu werden braucht. Ebenso kreisförmige Bewegungen oder sonstige Kurven, ist es möglich, jede Abtasteinheit mit einem getrenn- Führt das Meßobjekt 4 jedoch eine so starke Belen Objektiv «1 versehen. Das von einer fremden ao wegung, beispielsweise in y-Richtung aus, daß in Lichtquelle angestrahlte oder gegebenenfalls selbst- Fig. 1 die Meßlinie 18 der Abtasteinheit völlig aus •trahlende Meßobjekt 4 weist im Ausführungsbeispiel dem Bereich der Hellfeld-Dunkelfeld-Verteilung in eine I-förmige Heüfeid-Dunkelfeld-Verteilung auf das Dunkelfeld gerät bzw. daß bei rechteckförmi- und bewegt sich in Richtung des Pfeiles8 fort; eine gem Meßschlitz nach Fig. 2a und 2b die entspre-Zerlegung der Bewegungsrichtung in die x- und 35 chende Meßlinie 18' aus dem Hellschlitz auswandern y-Richtung ergibt die entsprechend mit 9 und 10 ge- würde, so ist eine gleichzeitige Messung von Bewekennzetchneten Anteile. Die Hellfeld-Dunkelfeld gungen in der x-Richtung unmöglich. Es wird des-Veiteilung des Meßobjektes 4 kann jedoch auch so halb den den Abtasteinheiten 2 und 3 zugeordneten sein, daß ein rechteckförmiges Hellfeld von einem Ablenkeinheiten 23 und 24, die für die Lage der Dunkelfeld umgeben ist, wie das Fig.2a bzw. 2b 30 Meßlinien 17 bzw. 18, in welchen das Meßobjekt zeigen; ebenfalls kann das Hellfeld 25 aus einem abgetastet wird, verantwortlich sind, zusätzlich noch Kreis bestehen. Die beiden Abtasteinheiten 2 i**id 3 die Ausgangsgröße oder ein proportionaler Anteil haben die Aufgabe, das von der Strahlenumienk- der Ausgangsgröße der jeweils anderen Abtasteinheit einheit 7 auf .hre Fotokathoden 5 und 6 geworfene in dem Sinne zugeführt, -daß die Meßlinie, in diesem optische B. * entsprechend der jeweiligen Strahlungs- 35 Fall die Meßiinie 18 für die x-Richtung in ihrem energie in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Meßbereich gehatten wird, daß sie also praktisch die Die Abtasteinheiten weisen deshalb den Foto- Bewegungen des Meßobjektes in der y-Richtung mitkathoden naciigeschaltet elektrostatische Linsen 11 macht. Das hat k nerlei Einfluß auf die Genauigkeit und 12 auf, die die austretenden Elektronen so bün- der Messung in der x-Richtung, da ja durch das dein, daß sie durch die öffnung 13 bzw. 14 der 40 ledigliche Verschieben der einzelnen Meßlinien keine Blenden 15 und 16 fallen. Sie gelangen dann auf die Helligkeitsänderung eintritt.

Prallplatten eines Elektronenvervielfachers und sind J_n den Fig.2a und 2b ist dieser Vorgang noch-

sn der Lage, an einem beispielsweise nachgeschalte- mais genauer dargestellt. Man sieht, daß das Meß-

tem Widerstand einen Spannungsabfall zu erzeugen. objekt bzw. dessen Abbildung auf der jeweiligen

Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: 45 Fotokathode eine Bewegung nach oben in der

Bewegt sich das Meßobjekt etwa in der y-Rich- y-Richtung macht, die von der Abtasteinheit, d. h. tung, so wird an der Abtasteinheit 2, die in diesem von der mit der Meßlinie 17' arbeitenden Abtast-Fall für die y-Richtung zuständig sein soll, eine einheit ohne weiteres aufgenommen wird. Diese Be-Spannungsänderung dadurch auftreten, daß sich eine wegung in y-Richtung des Meßobjekts bewirkt je-Änderung in der Hellfeld-Dunk. ifeld-Verteilung des 50 doch gleichzeitig, daß der Hellschlitz 25 des Meßauf der Fotokathode 5 abgebildeten Bildes des Meß- Objekts aus dem Bereich der Meßlinie 18' für die Objekts ergibt; beispielsweise bei Bewegung nach Bewegungen in der x-Richtung herauswandert, oben wird der Dunkelfeldanteil größer und somit der Durch die Nachführung der Meßlinie 18' (gestrichelt von der AbiasteJibeit 2 zur Verfügung gestellte dargestellt als 18") wird der Abtasteinheit 3 weiter-Elektronenstrom geringer werden. Dabei erfolgt die 55 hin die Möglichkeit gegeben, auch Bewegungen in Abtastung des Meßobjekts 4 von dt-n Abtasteinheiten der x-Richtung zu messen. Dasselbe erfolgt natüraus jeweils nur in einer sehr schmalen Meßlinie 17 lieh auch umgekehrt, so daß bei Bewegungen des für die Abtasteinheit 2 bzw. 18 für die Abtastein- Meßobjekts diesen die Meßlinien der einzelnen Abheit 3, was durch entsprechende Bündelung des tasteinheiten trägheitslos nachgeführt werden. Elektronenstrahls durch in die Abtasteinheiten ein- 60 I_n einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist es '^gebaute Ablenkeinheiten möglich ist. dann noch möglich, wenn beispielsweise die Aus-

Es ist üblich, das von den Abtasteinheiten ge- gangsgröße der Abiasteinbeiten einen bestimmten

lieferte Ausgangs&gnal mit einer konstanten Ver- maximalen Wert überschreiten, d. h. wenn eine

gleichsspannung zu vergleichen, beispielsweise unter Korrektion des Aus-dem-Bückfeld-Wandern ledig-

Verwendung eines Differentialverstärkers, und das 65 Hch durch Einwirken auf die Ablenkeinheiten der

gewonnene und gegebenenfalls verstärkte Differenz- anderen Abtasteinheiten nicht mehr möglich ist,

signal den Ablenkplatten derselben Abtasteinheit in Nachführmotoren für die x- und y-Richtung vorzu-

dem Sinne wieder z, da£ dis durch die sehen. Diese Motoren sind dann in der Lage, das

gesamte Meßgerät, beispielsweise durch Verdrehen des Fußpunktes bzw. durch Verändern der Winkellage zur Horizontalen, der Meßobjektbewegung nachzuführen. Zu diesem Zweck können beispielsweise Zenerdioden in den jeweiligen Ausgangsstromkreisen vorgesehen werden, die bei Überschreiten einer bestimmten Signalschwelle Regeleinrichtungen zun» Betätigen der Nachführmotoren in Gang setzen. Durch die Nachführung über Motoren können dann größere, _ langsam veriaufende und unter Umständen bleibende Objektveränderungen ausgeglichen werden, während sehr schnell verlaufende Vorgänge elektronisch erfaßt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur berührungslosen Messung der Bewegung eines Objekts zu einem Bezugssystem mittels lichtelektrischer Abtastung mit einer Fotokathode zur Umwandlung der Abtast- ao strahlen in einen Elektronenstrahl, einer der Fotokathode nachgeschalteten Ablenkeinheit, einer Blende und einem Elektronenvervielfacher, bei der die Differenz der bei Bewegung des Objekts am Ausgang des Elektronenverviel- as fachers auftretenden Spannungsänderung zu einer Vergleichssp?nnung auf die Ablenkeinheit der Abtasteinrichtung geschaltet ist (Nachführsignal), nach Patent 1548877, dadurch gekennzeichnet, daS zur Messung von Bewegungen in beliebiger Richtung in einer Ebene das Meßobjekt (4) zwei senkrecht zueinander stehende Hellfeld-Dunkelfeld-Übergttage aufweist, daß am Ausgang des optischen Systems (1) für jeden Hellfeld-Dunkelfeld-Übergang eine Abtasteinheit (2, 3) vorgesehen ist und daß jeweils die Ablenkeinheit (23 bzw. 24) für den Elektronenstrahl der einen Abtasteinheit (2 bzw. 3) so mit dem Ausgang der anderen Abtasteinheit (3 bzw. 2) verbanden ist, daß jeweils die Meßlinie (Visierlinie) der Abtasteinheit für den einen Hellfeld-Dunkelfeld-Übergang der Bewegung des Meßobjekts (4) in Richtung des anderen Hellfeld-Dunkelfeld-Überganges nachgeführt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem rechteckförmigen Hellfeld (25) und einem dieses mindestens teilweise umgebenden Dunkelfeld erzeugten HeIlfeld-Dunkelfeld-Übergänge auf dem Meßobjekt (4) im rechten Winkel zueinander angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten vorbestimmter Spannungsgrenzwerte am Ausgang einer oder beider Abiasteinheiten (2, 3) zwei die gesamte Meßeinrichtung der Meßobjektbewegung nachführende, jeweils für die x- bzw. y-Richtung

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen