DE2163200C2

DE2163200C2 - Einrichtung zur berührungslosen Messung

Info

Publication number: DE2163200C2
Application number: DE2163200A
Authority: DE
Inventors: Karl 6301 Atzbach Lang
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1983-06-09
Also published as: FR2170466A5; IT976101B; US3833299A; DE2163200A1; GB1410613A; CH553412A

Description

S, 1416-1422), bei der mittels ParallelschlHzgiUern eine Lichtmodulation erzielt und daraus Signale mit geschwindigkeitsproportionaler Frequenz erhalten werden. Dabei sind zur Unterdrückung der Gleichsignalanteile zwei um eine halbe Gitterkonstante verschoben nebeneinanderliegende Gitter vorhanden, welche durch zwei fotoelektrische Empfänger abgetastet werden. Die dadurch bedingte Parallaxe ist insbesondere für geringe Flughöhen bzw. geringe Objektentfernungen in vielen Fällen untragbar.

Aus dem älteren Recht DE-PS 21 44 487 ist es zur Unterdrückung der Gleichsignalanteile bekannt, im Abbildungsstrahlengang ein doppelbrechendes Bauteil vorzusehen, das in der Ebene eines Gitters zwei um eine halbe Gitterkonstante gegeneinander verschobene Bilder erzeugt Dem Gitter sind über einen polarisierenden Teiler zwei fotoelektrische Empfänger nachgeschaltet Der Vorteil, die Gegentaktsignale aus einem Gitterfeld abzuleiten, wird hier also durch den Einsatz zusätzlicher optischer Bauteile erreicht

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit von Objekten ohne spezieile optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage zu schaffen, bei der in äußerst einfacher Weise die angeführten Nachteile bekannter Einrichtungen vermieden sind, und die eine einfache Gegentaktsignalgewinnung aus einem einzigen Gitterfeld ohne zusätzlichen Bauteileaufwand und mit gesteigerter Lichtausnutzung ermöglicht

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.

Die neue Einrichtung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine einfache Ausführungsform mit visueller Beobachtung. .

F i g. 2 eine Ausführungsform mit Radialgitter, Kompensation der Gitterstrichkonvergenz und Referenzsignalgewinnung,

Fig.3 eine neue Einrichtung mit Radialgitter, Referenzsignalteil und visueller Beobachtung,

F i g. 4 eine Einrichtung mit Abtastung zweier Gitter zur Zwei-Koordinaten-Messung,

Fig.5 eine Einrichtung zur Zwei-Koordinaten-Messung mit einem Radialgitter,

• F i g. 5a eine Draufsicht in Richtung der Drehachse des Gitters gemäß F i g. 5,

Fig.6 eine weitere Ausführungsform der neuen Einrichtung zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen,

Fig.7 eine. Einrichtung mit visueller Beobachtung über einen Pupillenhalbspiegel,

Fig. 7a eine Variante des Pupillenspiegels nach Fig. 7,

F i g. 8 eine Abwandlung des in F i g. 6 Gezeigten,

F i g. 9 eine weitere Variation.

In der Einrichtung nach F i g, 1 bildet ein Objektiv 1 ein nicht dargestelltes Objekt über einen polarisierenden Teiler 2 auf ein Gitter 3 ab. Dieses Gitter ist so ausgestaltet, daß sich auf einem transparenten Träger reflektierende Marken befinden. Der das Gitter 3 durchdringende Strp.hlungsanteil gelangt über eine Kondensorlinse 4 auf einen fotoelektrischen Empänger 5. Der von den Gittermarken reflektierte Strahlungsanteil wird über den Teiler 2 sowie eine Kondensorlinse 6 einem fotoelektrischen Empfänger 7 zugeführt Wie ersichtlich, ist zwischen den Teiler 2 und das Gitter 3 eine λ/4-Platte 8 eingefügt Mit dieser Anordnung erhält man in verlustarmer Weise aus den vom Gitter 3 reflektierten bzw. durchgelassenen Anteilen des Objektbildes Gegentaktsignale. Die über den Teiler 2 einfallende Strahlung erzeugt nach Durchgang durch die λ/4-Platte 8, durch das Gitter 3 und den Kondensor 4 im fotoelektrischen Empfänger 5 ein elektrisches Wechselsignal. Beim ersten und zweiten Durchgang durch die λ/4-Platte 8 erfährt ein an den spiegelnden Strichen des Gitters 3 reflektierter Strahlenanteil eine azimutale Polarisationsdrehung von 90°, so daß er vom polarisierenden Teiler 2 über den Kondensor 6 auf den fotoelektrischen Empfänger 7 geworfen wird. Dadurch stehen an den Ausgängen der Empfänger 5, 7 gleichstarke Gegentaktsignale an. Mit dem polarisierenden Teiler 2 wird gleichzeitig aus dem vom Objektiv 1 aufgenommenen Lichtbündel ein Anteil zur visuellen Objektbeobachtung abgetrennt

in Fig.2 ist eine Einrichtung /.ur Gewinnung trägerfrequenter Meßsignale mit einer rotierenden Gitterscheibe 14 dargestellt Dabei wird das Meßobjekt über das Objektiv 1 und ein Okular 15 mit zur Kompensation der zentral orientierten Lage der reflektierend ausgebildeten Striche der Gitterscheibe 14 gekippter Augenlinse 16 linear verzerrt abgebildet Aus am bewegten Gitter 14 reflektiertem und transmittiertem Bildanteil gewinnt man mittels der Kondensoren 4, 6 und der fotoelektrischen Empfänger 5, 7 die Gegentaktmeßsignale mit geschwindigkeitsproportionaler Frequenzmodulation. Aus der Abbildung eines ruhenden Referenzgitters 17 auf die Gitterscheibe 14 erhält man an einen? fotoelektrischen Empfänger 18 ein Signal mit konstanter Referenzfrequenz. Je nachdem, ob sich das Objektbild in oder gegen die Bewegungsrichtung des Gitters 14 bewegt erhält man Signale, deren Frequenz tiefer oder höher ist als die Referenzfreq2enz.

F i g. 3 zeigt eine Variante des in F i g. 2 dargestellten mit visueller Beobachtungsrichtung. Das Meßobjekt wird vom Objektiv 1 über einen polarisierenden Teiler 2 und eine diesem angeschlossene Λ/4-Platte 8 auf ein Radialgitter 14 abgebildet. Ein Teil des einfallenden Objektlichtes dient in Verbindung mit einem Okular 19 der visuellen Objektbeobachtung. Das kombinierte Auflicht-Durchlichtgitter 14 trennt den Bildinhalt in zwei gegenphasige Anteile. Der reflektierte Anteil gelangt mit an der λ/4-Platte um 90° gedrehter Polarisationsebene auf den lichtelektrischen Empfänger 5, der durchgelassene, Anteil auf. den Empfänger 7. Die Auswertung der elektrischen Ausgangssignale dieser Empfänger geschieht in an sich bekannter und daher hier r.'&ht mehr dargelegter Weise (z. B. mittels Gegentaktverstärker). Ein elektrisches Referenzsignal erhält man bei diestv Variante durch Abbildung eines Referenzgitters 17' auf einen vorzugsweise dem Objektbild entsprechenden Winkelbereich des Radialgitters 14, so daß der lichtelektrische Empfänger 18' nur das durchgelassene Wechsellicht mit konstanter, der Drehfrequenz des Gitters 14 entsprechender Frequenz aufnimmt.

Die in Fig.4 gezeigte Einrichtung eignet sich zur Messung nach zwei sich kreuzenden Koordinatenrichtungen. Das Objekttiv 1 bildet über den polarisierendtn Teiler 2 auf zwei Gitter 3', 3" ab, die wiederum spiegelnde Marken auf transparentem Träger aufweisen. Die beiden Objektbilder liefern im Zusammenwir-

ken mit diesen Gittern und λ/4-Platten 20, 21, einem weiteren polarisierenden Teiler 22 sowie Kondensoren 23,24,25,26 an den fotoelektrischen Empfängerpaaren 27, 28 und 29, 30 paarweise Gegentaktsignale, die den Koordinatenrichtungen zugeordnet sind.

F i g. 5 zeigt eine Variation des soeben Beschriebenen dahingehend, daß hier nur ein Gitter 3'" verwendet ist, das mit unterschiedlichen Bereichen die Funktionen der Gitter 3', 3" übernimmt. Daraus resultierend sind zusätzliche Bildleiter 31 vorgesehen, welche die Verbindung zwischen dem Teiler 2 und den Gitterbereichen herstellen.

In Fi g. 6 ist eine Einrichtung dargestellt, bei der das vom Meßobjekt her kommende Licht an einem polarisierenden Teiler 40 in die Bündel 41, 42 aufgespalten wird. Das Bündel 41 bildet das Objekt über Umlenkspiegel 33, 34, einen polarisierenden Strahlvereiniger 35 sowie ein Objektiv Γ und einen geometrischen Strahlenteiler in Form eines pupillenteilenden Spiegel? 5*^{1 mil} nachgeschalteter Feldlinse 53 (deren Lage im Zusammenhang mit der folgenden F i g. 7 näher beschrieben ist) in die Ebene des Radialgitters 44 ab. Das Bündel 42 erfährt auf seinem Wege über eine λ/2-Platte 36 und die Umlenkspiegel 37, 38 vor der Wiedervereinigung mit dem Bündel 41 irn Teiler 35 eine azimutale Bilddrehung um 90°, so daß sich die beiden Bilder in der Ebene des Gitters 44 in ihrer Orientierung zueinander senkrecht gekreuzt überlagern. Um bei diesem Verfahren zueinander senkrechte Polarisierung der beiden Bilder zu wahren, wird die Polarisationsrichtung des Bündels 42 beim Durchgang durch die λ/2-Platte 36 um 90° in der entsprechenden Richtung azimutal vorgedreht Die das Gitter durchdringenden Anteile der beiden abbildenden Bündel 41, 42 werden am polarisierenden Teiler 39 getrennt und über Kondensoren 23, 24 den lichtelektrischen Empfängern 27,29 zugeführt. Die am Gitter reflektierten Anteile der Bündel 41, 42 werden über den pupillenteilenden Spiegel 50 einem anderen polarisierenden Teiler 39/ zugeführt, dem über Kondensoren 25, 26 zwei fotoelektrische Empfänger 28, 30 nachgeschaltet sind. Die Signale der Empfängerpaare 29,30 bzw. 27, 28 sind im Gegentakt und haben gleiche Größe. Ein Teil des Lichtflusses wird mittels des Spiegels 50 einem Okular t9 zur visuellen Beobachtung zugeführt. Ein Polarisationsfilter 51 blendet je nach seiner Stellung eine Bildrichtung aus.

In der Anordnung nach Fig.7 trennt ein Pupillenhalbspiegel 50 einen Teil des über das Objektiv 1 einfallenden Objektlichtes zur visuellen Beobachtung über ein Okular 19 ab. Das übrige Objektlicht dient in schon beschriebener Weise in Verbindung mit dem Gitter 14, dem hier eine Feldlinse 53 vorgeschaltet ist, den Kondensoren 9, 10 und den fotoelektrischen Empfängern 5, 7 zur Gewinnung der Gegentaktsignale für die Messung des Geschwindigkeitsbetrages in einer Koordinate. Dabei erhält der Empfänger 7 sein Licht über die spiegelnde Rückseite des Pupillenhalbspiegels 50. Die Feldiinse 53 ist derart in den Strahlengang eingefügt, daß ihr Brennpunkt im Schnittpunkt der optischen Achse mit dem Spiegel 50 liegt Dadurch ist gewährleistet daß das reflektierte Licht jeweils eine spiegelnde Räche vorfindet Der Spiegel 50 kann auch durch ein zur optischen Achse asymmetrisch angeordnetes, beidseitig spiegelndes 1 :1 -Gitter 52 ersetzt werden (F i g. 7a). Der Vorteil des in dieser Figur Gezeigten liegt darin, daß man ohne polarisierenden Teiler auskommt.

Bei allen bisher dargestellten Einrichtungen wurde davon ausgegangen, daß nur ein vom Objekt her einfallendes Strahlenbündel vorgesehen ist Für bestimmte Fälle kann es jedoch insbesondere im Hinblick auf Einfachheit des optischen Aufbaus von Vorteil sein, zwei vom Objekt her einfallende Strahlenbündel zu verwenden. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in F i g. 8 dargestellt, wo vom Objekt her zwei Strahlenbündel I und Il einfallen. Das Strahlenbündel I wird über einen

ίο Umlenkspiegel 55 einem polarisierenden Teiler 35 zugeführt, während das Strahlenbündel II diesen polarisierenden Teiler nach Durchlaufen einer bilddrehenden Baugruppe 56, beispielsweise in Form eines drehbar gelagerten bilddrehenden Prismas, trifft. Das

aus den Anteilen der beiden Strahlenbündel I und Il zusammengesetzte Strahlenbündel durchläuft ein Objektiv 1" sowie eine Feldlinse 53 und trifft dann auf ein rotierendes, reflektierende Marken auf transparentem Träger aufweisendes Gitter 44 auf. Die das Gitter

durchdringenden Strahlungsanteile werden mittels eines nachgeschalteten polarisierenden Teilers 39 über Kondensoren 4, 6 zwei fotoelektrischen Empfängern 5, 7 zugeführt. Die am Gitter reflektierten Strahlungsanteile gelangen über die Feldlinse 53 sowie einen

Pupillenhalbspiegel 50 zu einem polarisierenden Teiler 39', der diese nach einer Aufspaltung entsprechend ihrer Polarisationsrichtung über Kondensoren 25, 26 fotoelektriachen Empfängern 28,30 zuführt. Die Ausgangssignale ^er genannten Empfänger sind paarweise im

Gegentakt. Durch Einstellung der Baugruppe 56 hat man es in der Hand, die gegenseitige Richtung der Meßkoordinaten zu variieren. Selbstverständlich können dem polarisierenden Teiler .13 oder dem Umlenkspiegel 53 Mittel zur visuellen Beobachtung zusätzlich nachgeordnet sein.

In gleicher Weise läßt sich für das in F i g. 5 Gezeigte einö doppeläugige Variante angeben. Eine solche ist in Fig.9 dargestellt. Wie ersichtlich, stellt diese Anordnung eine Verdoppelung des in F i g. I Gezeigten dar,

mit dem Unterschied, daß für beide Anordnungen ein gemeinsames rotierendes Gitter 3'" vorgesehen ist.

Soll die Ortslage gemessen werden, so muß bei den Formen der neuen Einrichtung mit Richtungskennung die AnzaM der durchlaufenen Perioden am Ausgang des Vergleichers unter Berücksichtigung der ebenfalls vorhandenen Richtungsinformation gezählt werden.

Soll die Entfernung eines Objekts gemessen werden, so ist dafür Sorge zu tragen, daß das bzw. die Gitter sich auch parallel zur optischen Achse relativ zur Bildebene

so bewegen können. Dazu ist es beispielsweise möglich, eine Anordnung nach F i g. 5 so auszugestalten, daß das Gitter auf seiner Drehachse schräg aufgebracht i"· und daher bei Drehung um seine Achse taumelt Demnach ergibt sich eine Amplitudenmodulation der Hüllkurve,

die pro Umlauf der Scheibe eine Periode liefert deren Phasenlage relativ zur Bewegung der Gitterscheibe von der Lage der Schräfenebene relativ zur optischen Achse abhängt Führt man dieses Hüllkurvensignal zusammen mit einem Referenzsignal für die Umdrehung einer an sich bekannten Phasenvergleichsstufe zu, so erhält man ein Signal, das der Entfernung des angemessenen Gegenstandes entspricht

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. I kann zum gleichen Zweck des Gitter 3 auf einem Schlitten 103

befestigt sein, der parallel zur optischen Achse längs verschieblich angeordnet ist Die Einstellung kann hier manuell erfolgen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnuneen

Claims

Objekts gegenüber einem fotoelektrischen Empfänger Patentansprüche; von der Relativgeschwindigkeit abhängige Meßgrößen erzeugen. Dabei verwendet man grundsätzlich drei

1. Einric..:ung zur berührungslosen Messung der verschiedene Methoden;

Geschwindigkeit, des Wegen oder der Entfernung 5 Einmal kann man das anzumessende Objekt mit

von keine speziellen Markierungen aufweisenden monochromatischer kohärenter Strahlung bestrahlen,

Objekten gegenüber eine Bezugslage mit einem dann das am Objekt gestreute Licht einfangen, dessen

Objektiv zur Abbildung der Objekte auf ein Frequenz infolge Dopplerverschiebung beeinflußt ist,

transparente Striche aufweisendes Gitter, bei und sodann die Frequenz des Streulichtes durch

welcher mindestens zwei durch das Gitter ortsfre- io Interferenz mit der Primärstrahlung oder mit in

quenzgefilterte Lichtflüsse durch fotoelektrische entgegengesetzter Richtung freqüenzverscüobenem

Wandler meßbar sind, wobei die gebildeten elektri- Licht messen. Dieses bekannte Verfahren bedingt im

sehen Signale in Gegenphase sind und eine der Hinblick auf die erforderlichen Laser und Interferome-

Bewegungsgeschwindigkeit der Objekte proportio- ter einen, in vielen Fällen untragbaren apparativen

nale Frequenzkomponente aufweisen, dadurch 15 Aufwand.

gekennzeichnet, daß der Träger des Gitters Zum anderen kann man das bewegte Objekt in eine

(3, 3', 3", 3'", 14, 44) transpartent, die Gitterstriche Bildebene abbilden, in der mindestens zwei in

dagegen spiegelnd ausgeführt sind und daß die Bewegungsrichtung versetzte fotoelektrische Abtaster

fotoelektrischen Wandler zum einen dem durch den angeordnet sind. Das Signal des ersten Abtasters, der in

transparenten Träger hindurchgehenden Lichtfluß 20 der Bewegungsrichtung als erster angeordnet ist wird

und zum anderen dem an den spiegelnden für eine vorgewählte Zeit τ in einem Kurzzeitspeicher

Gitterstrieben reflektierten Lichtfluß zugeordnet gespeichert und danach mit dem vom nächsten um die

sind. ... . Strecke c verschobenen zweiten Abtaster gelieferten

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Signal in einem Korrelator verglichen. Dabei wird die zeichnet, daß im Strahlengang ein polarisierender 25 Speicherzeit τ so geregelt, daß das Signal des zweiten Teiler (2) vorgesehen ist und daß zwischen diesem Abtasters mit dem verzögerten des ersten Abtasters Teiler und dem Gitter (3, 3', 3", 3'", 14) eine zeitlich zusammenfällt Dann ergibt sich die Geschwin-λ/4-Platte (8; 20,21) angeordnet ist digkeit des Objektbildes relativ zu den Abtastern, aus

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- der man über de« Abbildungsmaßstab die Objektgezeichnet, daß das vom Objekt her einfallende 30 schwindigkeit v₀ erhält, als

Strahlenbündel nach einer Aufspaltung mittels des , _ c_

polarisierenden Teilers (2) auf unterschiedliche * _r

Stellen der mit konstanter Frequenz umlaufenden

als Radialgitter ausgebildeten Gitters (3'") abgebil- Dieses bekannte Verfahren bedingt mit regelbarem

det wird derart daß die ALoildungssorte auf dem 35 Speicher und Korrelator einen komplizierten, störanfäl-

Gitter in bezug auf die Drehachse des Gitters ligen Geräteaufwand und liefert nur eine über die

gegeneinander um 90° versehe jen sind. Speicherzeit τ gemittelte Durchschnittsgeschwindig-

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- keit

zeichnet, daß zum Zwecke der Bewegungsmessung Schließlich kann man das bewegte Objekt auf ein

nach zwei Koordinatenrichtungen zwei Gitter (3', 40 Gitter mit der Linienzahl Ar pro mm abbilden, hinter dem

3") vorgesehen sind, deren Strichrichtungslagen ein Fotorempfänger das vom Objekt kommende Licht

zueinander den beiden gewünschten Meßkoordina- aufnimmt und vorzugsweise bei Vorliegen einer

tenrichtungen entsprechen, daß diesen Gittern ein bestimmten Ortsfrequenz in der Htlligkeitsverteilung

gemeinsamer polarisierender Teiler (2) vorgeschal- des Objekts eine Wechselspannung abgibt, deren

tet ist daß' sich jeweils im Strahlengang zwischen 45 Frequenz / der Geschwindigkeit des Objektbildes ν

diesem Teiler und den Gittern eine λ/4-Platte (20,21) relativ zum Gitter und zu k proportional ist. Es gilt

befindet und daß der dritten Austrittsfläche dieses f=v■ k polarisierenden Teilers ein weiterer polarisierender

Teiler (22) nachgeschaltet ist, welcher die von den Dieses Signal ist überlagert von längerperiodischen

Gittern reflektierten Strahlenanteile nach ihren 50 Signalen (Gleichlicht) entsprechend dem Integral über

Polarisationsrichtungen aufspaltet und getrennten die Bildanteile mit Ortsfrequenzen, die k nicht

fotoelektrischen Empfängern (28,30) zuführt, deren entsprechen. Zur Unterdrückung dieses Gleichlichtan-

Ausgangssignale mit den Ausgangssignalen von den teils ist eine Einrichtung mit einem speziellen Fotoemp-

Gittern nachgeschalteten fotoelektrischen Empfän- fängerpaar mit ineinandergeschachtelten streifenförmi-

gern (27,29) paarweise in Gegenphase sind. 55 gen Elektroden bekannt, die nur aus Bildanteilen mit k

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden entsprechender Ortsfrequenz ein Gegentaktsignal Iie-Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur fert und bei der sich die Gleichtaktanteile anderer Variation der Relativlage zwischen Gitter und Signale durch eine differenzbildende Brückenschaltung Bildebene in Richtung der optischen Achse vorgese- herausheben. Die speziellen Fotoempfänger dieser hen sind. 60 bekannten Einrichtung bedingen infolge ihrer schwierigen Geometrie wiederum hohen Aufwand, und sie

begrenzen, da sie sich nicht mit beliebiger Feinheit

;;< herstellen lassen, die Streifenzahl, welche in unmitteiba-

p rem Zusammenhang mit der Meßgenauigkeit des

|| Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach 65 Systems steht.

f! dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner ist eine Vorrichtung zur Steuerung von jB Es sind bereits optische Geschwindigkeitsmeßeinrich- Luftbildkameras zur Bildbewegungskompensation bett tungen bekannt, bei denen Relativbewegungen eines kannt(Journ. Opt. Soc. of America, Vol. 53, No. 12,1963,