DE2210681A1

DE2210681A1 - Einrichtung zur beruehrungslosen messung

Info

Publication number: DE2210681A1
Application number: DE2210681A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Hartmann; Hans-Werner Stankewitz
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1972-03-06
Filing date: 1972-03-06
Publication date: 1973-09-20
Also published as: CH556539A; DE2210681C3; DE2210681B2; IT977775B; US3856400A; FR2174863A1; FR2174863B1; GB1426753A

Description

UfuerZeichen: A 1 848/B 2718 633 Wetzlar,den. 2. März 1972. Pat Se/GG KhMWi 2101811

Einrichtung zur berührungslosen Messung

Die Erfindung bezieht sich auf* eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit, des Weges oder der Entfernung von Objekten ohne spezielle optische Max*kierungen gegenüber einer Bezugslage.

Es sind bereits optische Geschwindigkeitsmeßeiurichtungen bekannt, bei denen Relativbewegungen eines Objektes gegenüber einem fotoelektrischen Empfänger von. der Relativgeschwindigkeit abhängige Meßgrößen erzeugen. Dabei verwendet man grundsätzlich drei vei'schiedeue Methodenf

Einmal kann man das anzumesstnxde Ofcjekt mit roc no chroma ti sch er* kohärenter Strahlung bestrahlen} darin das am Objekt gestreute Licht einfangen, dessen Frequenz infolge Doppl.trVerschiebung beeinflußt ist, und sodann die Frequenz des Streulichtes durch Interferenz mit der Primärstrahlung oder mit in entgegengesetzter Richtung frequenzverschobeiiem Licht messen» Dieses vorbekannte Verfahren bedingt im Hinblick auf die erforderlichen Laser und Interferometer eineti in vielen Fällen untragbaren apparativen Aufwand.

Zum anderen kann man das bewegte Objekt in eine Bildebene abbilden, in der mindestens zwei in Bewegungsrichtung versetzte fotoelektrische Abtaster angeordnet sind. Das Signal des ersten Abtasters, der in der Bewegungsrichtung· als erster angeordnet ist, wird für eine vorgevkuVi; ο Zeit T in einem Kurzzeitspeicher gespeichert und aar:-*,?. mit deifi vom nächsten um die Strecke c verschobenen zweiten Abtaster gelieferten Signal in einem Korrelator verglichen» Dabei wird die Speicherzeit T so geregelt, daß das Signal

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des zweiten Abtasters mit dem verzögerten des ersten Abtasters zeitlich zusammenfällt. Dann ergibt sich die Geschwindigkeit des Objektbildes relativ zu den Abtastern, aus der man über den Abbildungsmaßstab die Objektgeschwindigkeit v_o erhält, als

»■„ - f .

Dieses bekannte Verfahren bedingt mit regelbarem Speicher und Korrelator einen komplizierten, störanfälligen Geräteaufwand und lie'fert nur eine über die Speicherzeit T gemittelte Durchschnittsgeschwindigkeit.

Schließlich kann man das bewegte Objekt auf ein Gitter mit der Linienzahl k pro mm abbilden, hinter dem ein Fotoempfänger das vom Objekt kommende Licht aufnimmt und vorzugsweise bei Vorliegen einer bestimmten Ortsfrequenz in der Helligkeitsverteilung des Objektes eine Wechselspannung abgibt, deren Frequenz f der Geschwindigkeit des Objektbildes ν relativ zum Gitter und zu k proportional ist.

Es gilt

f ü ν . k

Dieses Signal ist überlagert von längerperiodischen Signalen (Gleichlicht) entsprechend dem Integral über die Bildanteile mit Ortsfrequerizen, die k nicht entsprechen. Zur Unterdrückung dieses Gleichlichtanteils ist eine Einrichtung mit einem speziellen Fotoempfängerpaar mit ineinandergeschachtelten streifenförmigen Elektroden bekannt, die nur aus Bildanteilen mit k entsprechender Ortsfrequenz ein Gegentaktsignal liefert und bei der sich die Gleichtaktanteile anderer Signale durch eine differenzbildende Brückenschaltung herausheben. Die speziellen Fotoempfänger dieser bekannten Einrichtung bedingen infolge ihrer schwierigen Geometrie wiederum hohen Aufwand, und sie begrenzen, da sie sich nicht mit beliebiger Feinheit herstellen lassen, die

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Streifenzabl, welche in unmittelbarem Zusammenhang mit der Meßgenauigkeit des Systems steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur rungslosen Messung der Geschwindigkeit oder Entfernung von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage zu schaffen, bei der in äußerst einfacher Weise die angeführten Nachteile bekannter Einrichtungen vermieden sind, die sich mit handelsüblichen optischen und elektronischen Bauteilen leicht realisieren läßt und eine große Flexibilität in Bezug auf die speziellen Eigenarten vorliegender Meßobjekte aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art mit Abbildung des Objektes auf ein Gittex· und Messung des dieses Gitter verlassenden Lichtbünclels mittels fotoelektrischer Mittel« Diese Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß im Abbildungsstrahlengang in der Nähe der Abbildungsebene eines Objektivs als Korrelator und Ortsfrequenzfilter ein Träger mit flächenhafien, fotoelektrisch voneinander unterscheidbareii Strukturen angeordnet ist, welche entsprechend ihrer Farbe abwechselnd zeilenweise nebeneinanderliegen, und daß diesem Träger über· mindestens einen chromatischen Teiler vorzugsweise zwei fotoelektrische Empfänger nachgeordnet sind, deren Ausgangssignale aufgrund der physikalischen Ausbildung des Gitters um definierte Beträge gegeneinander in ihrer Phasenlage verschoben sind. Dabei können nur in zwei Farben ausgeführte, vorzugsweise als Striche oder Rechtecke ausgebildete Strukturen vorgesehen sein, und die Empfänger werden dann so angeordnet, daß ihre Ausgangs signale im logen.takt sind.» Auch können zum Zwecke der Messung nach zwei Xoo^cLinaten.-richtungen in mehr als zwei Farben ausgeführte Strukturen abwechselnd zeilenweise angeordnet sein.

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In Fortführung dieses Gedankens können die farbigen Strukturen als mit ihren Seiten parallel zueinander und nebeneinander liegende, mit vier fotoelektrisch voneinander unter- ^scheidbaren Farben eingefärbte Dreiecke ausgebildet sein, wobei jeweils vier unterschiedlich gefärbte Dreiecke in einem Punkt zusammenstoßen und über entsprechende chromatische Teiler vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet ist. Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der neuen Einrichtung zur Messung nach zwei Koordinatenrichtungen liegt darin, daß die Strukturen vorzugsweise als Rechtecke in zwei Farben ausgeführt und nach Art eines Schachbretts angeordnet sind, sowie daß Antriebsmittel zum kontinuierlichen Bewegen des Trägers nach einer Koordinatenrichtung vorgesehen sind. Die chromatischen Teiler können als Interferenzfilter ausgebildet sein. Schließlich können die farbigen Strukturen als Rechteckraster ausgebildet sein, wobei die Rechtecke einander abwechselnder Zeilen das Licht einer Farbe besonders stark bzw. besonders schwach absorbieren und die Rechtecke einander abwechselnder Spalten das Licht einer anderen Farbe besonders stark bzw. schwach absorbieren und über mindestens einen entsprechenden chromatischen Teiler vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet ist.

In vielen Fällen ist es von Vorteil, die farbigen Strukturen nebst den zugehörigen chromatischen Teilern für Messungen mit infrarotem oder ultraviolettem Licht auszulegen.

Der besondere Vorteil des Anmeldungsgegenstandes gegenüber Bekanntem liegt darin, daß bei der Erzeugung von Signalen mit Richtungskennung die Anwendung relativ einfacher Gitter als K°rrelatoren möglich ist, ohne daß dadurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Ausführungsbeispiele für die neue Einrichtung sind in den

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Zeichnungen schematisch dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine neue Einrichtung zum Messen nach einer Koordinatenrichtung,

Fig. 1a eine Abwandlung des in Fig.1 dargestellten Gitters zum Messen nach zwei Koordxnatenrxchtungen,

Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform des Schachbrettgitters nac^h Fig.1a,

Fig. 3 eine Einrichtung mit mehrfarbigem Gitter zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen»

In Fig.1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein bewegtes transparentes Objekt bezeichnet, dessen jRelativgeschwindigkeit im Durchlicht gemessen werden soll. Dieses Objekt 1 wird von einer Lampe 2 über einen Kondensor 3 beleuchtet. Ein Objektiv h bildet das Objekt 1 in die Ebene eines Gitters 5 ab. Dieses Gitter ist ausfzwei fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben eingefärbten, mit ihren Längskanten nebeneinanderliegenden Streifen 6, 6* gebildete Dadurch, daß die Gitterstreifen abwechselnd verschiedene Farben aufweisen, wird durch die unterschiedliche Färbung benachbarter Streifen eine Energieaufspaltung zwischen um eine halbe Gitterkonstante gegeneinander versetzten Bildpunkten erzeugt. Die unterschiedlich gefärbten Lichtanteile werden mittels eines chromatischen Teilers 8 voneinander getrennt und dann je einem fotoelektrischen Empfänger 10 oder 11 zugeführt.

Da die Objektstruktur, wie auf dem Objekt 1 durch dunkle Bereiche angedeutet, das Licht verschieden stark hindurchläßt, enthalten die Ausgangssignale der Fotozellen 10, veränderliche Gleichanteile entsprechend der zeitlichen Änderung der Helligkeitsverteilung in der Ebene des Gitters 5 infolge der Bewegung des Objektes 1. Durch die Über-

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lagerung der Objektstruktur mit der Struktur des Gitters ergibt sich eine Ausfilterung der Bildstrukturanteile, deren Ortsfrequenz der Gitterkonstante entspricht. Dabei werden zusätzliche niederfrequentere Bildanteile als störender Gleichlichtanteil durchgelassen. Für um eine halbe Gitterkonstante versetzte Bildpunkte gilt das gleiche aber mit dem Unterschied, daß nur die der Gitterkonstante entsprechende Ortsfrequenz gegenüber dem erstgenannten Ortssignal um 180 in der Phase verschoben ist. Durch anschließende Differenzbildung der aus den beiden Bildanteilen gewonnenen elektrischen Signale der beiden Empfänger 10, 11 erhält man eine Elimination der gleichphasigen Gleichlichtanteile und eine Addition der gegenphasigen Signalanteile der ausgefilterten Ortsfrequenz. Bei Bewegung des Objektes wird dann, wie bekannt, die Ortsfrequenz in geschwindigkeitsproportionale Zeitfrequenz ungesetzt und gemessen.

Es ist natürlich auch möglich, bei ortsfester Lage des Objektes das Gitter 5 relativ zur optischen Achse des Gerätes definiert zu bewegen (Antrieb 15, gestrichelt angedeutet). Tut man solches beispielsweise in einer Richtung, so erhält man am Ausgang des Empfängers bei ruhendem Objekt eine Zeitfrequenz, die nur der Bewegungsgeschwindigkeit des Gitters 5 proportional ist. Bei bewegtem Objekt dagegen erhält man eine Zeitfrequenz, die je nach Bewegungsrichtung des Objektes entweder der Summe oder der Differenz von Objekt- und Gitterbewegungsgeschwindigkeit proportional ist. Aus diesen Signalen lassen sich in bekannter Weise durch Vergleich mit einem nur von der Gitterbewegung abgeleiteten Signal (z.B. mittels eines phasenempfindlichen Gleichrichters) Größe und Richtung der Objektbewegung bestimmen.

Soll die Ortslage gemessen werden, sqmuß die Anzahl der durchlaufenen Perioden am Ausgang des Vergleichers unter

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Berücksichtigung der ebenfalls vorhandenen Richtungsinformation gezählt werden.

Zur Gewinnung einer Richtungsinformation können in bekanniter Weise polarisierende optische Mittel in den Strahlengang eingefügt werden.

Mit der in Fig.1 dargestellten Einrichtung lassen sich auch Messungen nach zwei Koordinatenrichtungen durchführen, wenn das Gitter 5 durch ein solches nach Fig. 1a ersetzt wird» Wie ersichtlich, ist dieses Gitter nach Art eines Schachbretts ausgeführt, d.h. die Farbstreifen der einzelnen Gitterzeilen sind in aufeinanderfolgenden Zeilen jeweils um eine halbe Periode versetzt. Um hier zu einer eindeutigen Aussage darüber zu kommen, welche Signalanteile den jeweiligen Koordinatenrichtungen zugeordnet sind, wird das Gitter mittels eines Antriebs 15 nach einer Koordinatenrichtung angetrieben. Beim Messen fallen also an jedem der beiden Empfänger 10, 11 zwei Signale an, die sich hinsichtlich ihrer Frequenz erheblich voneinander unterscheiden. Das sich bei einer Bewegung des Objektes ergebende niederfrequentere Signal gibt mit seinen Amplitudenänderungen ein Maß für die Bewegung des Objektes nach der einen Koordinatenrichtung, während die Änderung der Phasenlage des höherfrequenteren Signals ein Maß für die Bewegung des Objektes nach der anderen Koordinatenrichtung sind. Die Auswertung dieser Signale erfolgt in bekannter und daher hier nicht mehr besonders beschriebener Weise.

Fig.2 zeigt einen Ausschnitt aus einem für zwei Farben ausgelegten Schachbrettraster, bei dessen Anwendung der Antrieb des Gitters längs der einen Koordinatenrichtung entfallen kann. In den Feldern dieses Rasters ist abweichend vom in Fig.1a Gezeigten durch Einzeichnung der jeweiligen Transmissionsdiagramme aufgezeigt, daß benachbarte Felder unter-

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schiedliche Transmissionen für die beiden Farben aufweisen. Jedes Feld hat also eine gewisse bestimmte Transmission für jede der beiden Farben. Die Rechtecke einander abwechselnder Zeilen absorbieren (Zeile 10) bzw. transmittieren (Zeile 11) das Licht der einen Farbe (gestrichelt eingezeichnet) besonders stark. Die Rechtecke einander abwechselnder Spalten absorbieren (spalte I3) bzw. transmittieren (Spalte 12) hingegen das Licht der anderen Farbe (durchgezogen dargestellt) besonders stark. Xm Licht der M einen Farbe (gestrichelt) erscheinen daher nur die Zeilen, im Licht der anderen Farbe (ausgezogen) nur die Spalten kontrastreich. Demgemäß sind nunmehr die Meßsignale je eines der fotoelektrischen Empfänger 10, 11 je einer Koordinatenrichtung zugeordnet.

In Fig.3 ist eine Einrichtung zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen dargestellt, bei der ein mehrfarbiges Raster Verwendung findet. Auch hier wird von einer Lichtquelle 2 über einen Kondensor 3 ein transparentes Objekt 1 beleuchtet und mittels einer Optik 4 in die Ebene eines Rasters abgebildet, zu dem Fig.3a Einzelheiten seiner Teilung erkennen läßt. Dem Raster sind über chromatische Teiler 32-3^ vier fotoelektrische Empfänger 28-31 nachgeordnet, welche bei einer relativen Bewegung des Objektbildes zum Raster jeweils paarweise zueinander im Gegentakt befindliche Signale liefern. Die Auswertung dieser Signale erfolgt in bekannter und daher nicht mehr eigens beschriebener Weise.

Wie ersichtlich, ist auch bei dieser Einrichtung das Raster 25 in der Weise aufgebaut, daß auf einem Träger 26 rechteckförmige, einander berührende Muster aufgebracht sind. Jedes Muster besteht aus vier dreieckförmigen, durch die Diagonalen des Rechtecks begrenzten Farbfeldern, die je Rechteck in vier voneinander fotoelektrisch unterscheidbaren Farben eingefärbt sind. Die Anordnung dieser Rechtecke ist derart, daß

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gleichfarbige Dreiecke in allen Rechtecken die gleiche Orientierung haben.

Nachdem also das Raster vier unterschiedliche Farben aufweist, sind die chromatischen Teiler J2-3k derart ausgebildet, daß jeder von ihnen jeweils nur einen Farbanteil aus dem Farbgemisch ausblendet, die übrigen Anteile aber nahezu ungehindert durchläßt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die fotoelektrischen Empfänger 28-31 tatsächlich nur Lichtflüsee erhalten, die einer speziellen ihnen zugeordneten Farbe entsprechen.

Bei den soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Einrichtungen zur Geschwindigkeitsmessung wurde vorausgesetzt, daß das anzumessende Objekt in die Ebene der Korrelationsraster scharf abgebildet wird, denn nur in diesem Falle haben die elektrischen Ausgangssignale der Korrelatoren maximale Amplitude. Sollen diese Einrichtungen hingegen erfindungsgemäß zur Messung der Entfernung von Objekten verwendet werden, so wird die Einstellung der das Objekt abbildenden Optik so lange verändert, bis die Amplitude der Ausgangssignale maximal und damit die Schärfenebene des Objektbildes eingefangen ist. Aus dieser optimalen Einstellung läßt sich dann in bekannter Weise die Objektentfernung ermitteln, beispielsweise durch vorherige Eichung der Lage der Schärfenebene in Bezug auf unterschiedliche Objektentfernungen.

Wie ersichtlich, sind alle Ausführungsbeispiele in Durchlichtdarstellung gezeigt, d.h. bei allen dargestellten Einrichtungen sind die Raster transparent ausgeführt und die fotoelektrischen Empfänger befinden sich, in Lichtrichtung gesehen, hinter den Rastern. Selbstverständlich lassen sich für die Beispiele entsprechende Rasterausführungen herstellen, welche die Funktionen eines Reflexionsgitters ausüben,

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wobei dann die fotoelektrischen Empfänger vor den Rastern angeordnet sind. Anstelle der dargestellten fotoelektrischen Empfänger kann auch jedem oppositionellen Richtungskoordinatenpaar ein gemeinsamer fotoelektrischer Empfänger zugeordnet sein, der mit den Strahlenanteilen wechselweise beaufschlagt wird. Ja, es ist sogar möglich, beim in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen fotoelektrischen Empfänger vorzusehen, der über einen Abfrager zyklisch mit den den vier Koordinatenrichtungen entsprechenden Strahlenanteilen beaufschlagt wird.

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Claims

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Ansprüche

Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit, des Weges oder der Entfernung von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage mit Abbildung des Objektes auf ein Raster und Messung des dieses Raster nach dem Zusammenwirken mit diesem Raster verlassenden Lichtflusses mittels fotoelektrischer Mittel, deren Ausgangssignale eine der Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Frequenzkomponente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß im Abbildungsstrahlengang in der Nähe der Abbildungsebene eines Objektivs (k) als Korrelator und Ortsfrequenzfilter ein Raster (5» 25) in Form eines Trägers (26) mit flächenhaften, fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren farbigen Strukturen (6, 6*, 27) angeordnet ist, welche entsprechend ihrer Farbe abwechselnd zeilenweise nebeneinanderliegen und daß diesem Träger über mindestens einen chromatischen Teiler (8) vorzugsweise zwei fotoelektrische Empfänger (lO, 11) nachgeordnet sind, deren Ausgangssignale aufgrund der physikalischen Ausbildung des Rasters um definierte Beträge gegeneinander in ihrer Phasenlage verschoben sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur in zwei Farben ausgeführte, vorzugsweise als Striche oder Rechtecke (6, 6») ausgebildete Strukturen vorgesehen sind und daß die Empfänger (10, 11) so angeordnet sind, daß ihre Ausgangssignale im Gegentakt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß zum Zwecke der Messung nach zwei Koordinatenrichtungen die Strukturen vorzugsweise als Rechtecke (6^ftI) in zwei Farben ausgeführt und nach Art eines Schachbretts angeordnet sind und daß Antriebsmittel (15) zum

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kontinuierlichen Bewegen des Trägers nach einer Koordinatenrichtung vorgesehen sind.

h. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß zum Zwecke der Messung nach zwei Koordinatenrichtungen in mehr als zwei Farben ausgeführte Strukturen abwechselnd zeilenweise angeordnet sind.

5· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der chromatische Teiler als Interferenzfilter ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet,daß die farbigen Strukturen als mit ihren Seiten parallel zueinander und nebeneinander liegende, mit vier fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben eingefärbte Dreiecke (27) ausgebildet sind, wobei jeweils vier unterschiedlich gefärbte Dreiecke in einem Punkt zusammenstoßen, und daß über entsprechende chromatische Teiler (32, 33» 3*0 vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger (28, 29, 30, 31) zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die farbigen Strukturen des Rasters in zwei Farben eo ausgebildet sind, daß die Strukturen benachbarter Zeilen (20, 21) das Licht der einen Farbe abwechselnd besonders stark bzw. besonders schwach absorbieren und die Strukturen benachbarter Spalten (22, 23) das Licht der anderen Farbe besonders stark bzw. besonders schwach absorbieren und daß über mindestens einen entsprechenden chromatischen Teiler (8) vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß die farbigen Strukturen (6, 6*, 27) nebst den zu* gehörigen chromatischen Teilern für Messungen mit infrarotem oder ultraviolettem Licht ausgelegt sind.

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