-
-
Verfahren zur photoelektrischen Messung der Lage eines Strichs einer
Gradteilung und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens Es sind bereits Vorrichtungen
bekannt, die die elektrische Feststellung der Lage eines Objekts gestatten, beispielsweise
eines Lineals mit Maßeinteilung oder einer Markierungen tragenden Kulisse. Diese
Vorrichtungen beruhen im allgemeinen auf der Projektion des oszillierenden Bildes
mehrerer Striche einer Gradteilung auf ein Gitter, das seinerseits eine entsprechende
Anzahl von Schlitzen aufweist, um in der hinter dem Gitter aufgestellten photoelektrischen
Zelle elektrische Impulse zu erhalten, die auf ein Beobachtungsorgan wirken. Es
besteht in diesem Fall ein größerer Vorteil, wenn das Gitter eine möglichst große
Anzahl von Schlitzen trägt, damit der Lagefehler eines Schlitzes oder eines Teilstrichs
nur eine sehr untergeordnete Rolle in der Gesamtwirkung spielt.
-
Diese Vorrichtungen können nicht dafür verwendet werden, um die Lage
jedes Striches einer Gradteilung sicherzustellen, wie es geschehen mü!Bte, wenn
man ein Lineal mit Maßeinteilung eichen wollte, d. h. einzeln die Lagefehler jedes
der Teilstriche mit Bezug auf einen von ihnen zu messen, der willkürlich als Anfang
der Gradteilung genommen ist. Denn die bekannte Vorrichtung reagiert, wie bereits
erwähnt, nur durch die Koinzidenz des Bildes mehrerer Striche der Gradteilung mit
mehreren Schlitzen des Gitters.
-
Im Gegensatz hierzu gestattet es die Erfindung, die einzelne Lage
jeden Teilstriches einer Gradteilung mit Genauigkeit zu messen.
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Lage eines Teilstriches
einer Gradteilung
auf phcktoelekttis$hetm Wege und eine Einrichtung
zur Ausübung des Verfahrens.
-
Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine
lineare Lichtquelle ein Lichtbündel ausstrahlen läßt, das nachderReflexion auf die
eingeteilte Fläche eine photoelektrische Zelle erreicht, daß dieses Bündel auf der
mit Gradteilung versehenen Fläche ein Bild der Lichtquelle -erzeugt, dessen Breite
vosl derselbenGrößenordnung -ist wie die der Teilstriche der Gradteilung, daß man
das Lichtbundel oszillieren läßt, daß man die durch einen Teilstrich der Gradteilung
auf die photoelektrische Zelle reflektierten Strahlen durch Intensitätskontrast
zu denen wirken läßt, die durch die dem Teilstrich benachbarte Oberfläche reflektiert
werden, daß man die Zelle auf eine Meßvorrichtung wirken läßt, die auf die Ungleichheit
der Zeiten anspricht, die zwischen den nacheinander durch die erwähnte Zelle ausgesandten
Impulse verstreichen.
-
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine
lineare Lichtquelle, ein Projektionsobjektiv und einen Deflektor mit fortwährenden
Schwingungen, welcher, im Durchgang des Lichtbündels angebracht, diesem eine Schwingbewegung
erteilt, so daß ein Bestreichen über eine photoelektrische Zelle hervorgerufen wird,
die auf den Kontrakt zwischen der Intensität der durch den Teilstrich, dessen Lage
zu messen ist, reflektierten Strahlen und derjenigen durch die dem Teilstrich benachbarte
Fläche reflektierten Strahlen anspricht, wobei die Zelle auf eine Meßvorrichtung
wirkt, die auf die Ungleichheit der Zeiten anspricht, die zwischen den nacheinander
durch die photoelektrische Zelle ausgesandten elektrischen Impulsen verstreichen.
-
In den Zeichnungen ist die Erfindung in einigen Ausführungsformen
beispielsweise veranschaulicht.
-
Fig. I ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung; Fig. 2
ein Schnitt durch eine andere Ausfiihrungsform einer Einzelheit;.
-
Fig 3 und 3 a erläutern in Diagrammen die Arbeitsweise der Vorrichtung;
Fig. 4 stellt eine weitere Ausführungsform schematisch dar.
-
Die in Fig. I dargestellte Ausfährungsform besteht aus einer durch
einen gradlinigen Faden 1 gebildeten Lichtquelle - in einer elektrischen Gliihbirne
2, die in einem Gehäuse 21 gehalten ist, das seinerseits auf einem Gehäuse 22 befestigt
ist, das mit einem Rohr 23 fest verbunden ist. 24 ist das Objektiv, 25 ein'optischer
oszillierender Deflektor, der aus einer dicken Glasscheibe mit parallelen planen
Flächen besteht und von einer Spule 26 umgeben ist, in der ein aus einem Netz R
entnommener Wechselstrom fließt. Der Deflektor 25 oszilliert mit der Frequenz des
Netzes R in dem magnetischen Felde eines permanenten Magneten 27, wobei die Schwingungen
symmetrisch zu der optischen Achse 0-0 des Objektivs 24 sind.
-
Das Objektiv 24 bildet auf der Fläche 30 des zu kontrollierenden
Maßstabes das Bild 6 des Fadens.
-
Das zur HeEstellung des Bildes zusammenlaufende Lichtbüridef schwingt
von einer Seite der optischen Achse des Objektivs zu der anderen im Sinne der Pfeile
7 und streicht über eine Zone, die sich von einer Seite zur anderen der Vertiefung
8a erstreckt, die den Teilstrich der Gradteilung darstellt, dessen Lage zu messen
ist, wobei die Länge dieser Zone nur einen geringen Bruchteil des Abstandes zwischen
aufeinanderfolgenden Teilstrichen 8, 8', 8b dEr Gradteilung ist. Sobald dieses Bild
über die Vertiefung des Striches 8a hinübergeht, die eine Unterbrechung auf der
polierten Fläche 30 bildet, wird die in Richtung des Objektivs 24 des halbdurchsichtigen
Spiegels 28 und der photoelektrischen Zelle 3I reflektierte Lichtmenge eine plötzliche
Änderung erfahren, die in der Zelle einen elektrischen Impuls erzeugt. Dieser elektrische
Impuls wird auf die noch zu beschreibende Meßvorrichtung übertragen.
-
Das Gehäuse 22 enthält eine halbreflektierende und halbdurchsichtige
Glasscheibe 28, die in einem Rahmen 20 befestigt ist und das durch die Fläche 30
reflektierte Licht der zu kontrollierenden Maßteilung in Richtung der photoelektrischen
Zelle 31 zurücksendet.
-
Ein auf einem gelenkigen Halter 33 befestigter Spiegel 32 dreht sich
um eine, durch einen nicht dargestellten Handgriff betätigte Achse 34 und kann zwei
Stellungen einnehmen: die durch voll ausgezogene Linien gekennzeichnete Stellung
in Fig. I, in der das Lichtbündel auf das Fadenkreuz 35 eines Okulars 36 gerichtet
ist, und die strichpunktierte weggedrehte Lage, in der das Lichtbündel die photoelektrische
Zelle 3I direkt trifft.
-
Da das Bild des Teilstriches 8a durch das Objektiv 24 gebildet und
auf dem Fadenkreuz 35 zentriert sein wird, so weiß man, daß der Teilstrich 8n sich
in dem Nutzfeld des Mikroskops befindet.
-
Fig. 2 stellt eine abgewandelte Ausführungsform der visuellen Beobachtungseinrichtung
gemäß Fig. I dar. Der gelenkige Halter 33 ist durch einen festen Halter 37 ersetzt,
der mit einem teilweise reflektierenden und teilweise durchsichtigen Spiegel 38
versehen ist, damit ein Teil des Lichtbündels auf die photoelektrische Zelle wirken
kann und ein anderer Teil auf das Fadenkreuz 35 des Okulars 36 gerichtet wird. Diese
Einrichtung gestattet die gleichzeitige Benutzung der photoelektrischen Zelle und
der Vorrichtung für eine visuelle Beobachtung.
-
Die photoelektrische Zelle 3I ist durch einen Verstärker IO mit einem
Relais II mit augenblicklicher Wirkung verbunden, welches nach einem bekannten Verfahren
den ziemlich langen, durch die Zelle gelieferten Impuls in einen sehr kurzen Impuls
umformt.
-
Die elektrische Ablesevorrichtung kann auf vielfache Art verwirklicht
werden. Man benutzt beispielsweise eine Kathodenstrahlenröhre 40 mit ihrer normalen
Speisequelle 41, die an das Netz R angeschlossen sein kann. Die Elektronenröhre
42 sendet ein feines Elektronenhündel 43 auf den Fluoreszenzschirm 44, der eine
Teilung 45 trägt.
-
Das Auftreffen des Bündels 43 ist als ein leuchten-
der
Punkt sichtbar. Die Ablenkungsplatten 46, die von demselben Netz R wie der Deflektor
25 gespeist werden, lassen das Bündel 43 parallel zu der Teilung 45 und synchron
mit den Schwingungen des Deflektors 25 schwingen.
-
Die durch das Relais 1I gespeisten Ablenkungsplatten 47 lassen das
Kathodenbündel bei jedem Impuls einen plötzlichen Haken 48 beschreiben, der senkrecht
zu der Gradeinteilung 45 ist und als Index dient. Der Nullpunkt der Einteilung'entspricht
der auf der optischen Achse 0-0 genau zentrierten Lage des Teilstriches 8a.
-
In den Fig. 3 und 3 a, die die Schwingungen des Fadenbildes 6 auf
der Fläche 30 und diejenigen des leuchtenden Punktes auf dem Schirm 44 darstellen,
hat man zu beiden Seiten der als Symmetrieachse gewählten Achse als Abszissen die
Amplituden dieser Schwingungen als Funktion der Zeit aufgetragen.
-
Die Kurve S1 des durch das Bild 6 über der Zeit durchlaufenen Weges
muß notwendigerweise sinusförmig sein, da sie von einer periodischen Schwingungsbewegung
herrührt. Ebenso muß die Kurve 52 des durch das Kathodenbündel über der Zeit durchlaufenen
Weges sinusförmig sein, da die Ablenkungsplatten46 durch die sinusförmige Spannung
des Netzes R gespeist werden. Die beiden Sinuskurven S1 und S2 haben die gleiche
Periode P, da sie von dem gleichen Netz R herrühren, und da sie leicht in Phase
gebracht werden können, werden sie die Symrnetrieachse in denselben Ptinkten schneiden.
Die totalen Amplituden sind I für die Sinuskurve S1 und L für die Sinuskurve 52
wobei das Verhältnis L die Vergrößerung der Meßvorrichtung darstellt.
-
Da die Zeit als Abszisse aufgetragen ist, werden die Ordinaten der
Sinuskurve St in jedem Zeitpunkt die relative Lage des Fadenbildes mit Bezug auf
den Schnittpunkt der optischen Achse 0-0 mit der Fläche 30 darstellen.
-
Ebenso werden die Ordinaten der Sinuskurve S2 zu jeder Zeit die relative
Lage des Kathodenfleckes mit Bezug zu dem Nullpunkt der Teilung 45 darstellen. Die
aufeinanderfolgenden Durchgänge des Fadenbildes 6 über den Teilstrich 80 erzeugen
eine Reihe von plötzlichen ausstrahlenden Impulsen des Relais II, die das Kathodenbündel
in einer Folge von Haken 48 ablenken lassen, die sich genau auf dem Schirm derart
überlagern, daß der Beobachter von denselben nur einen einzigen sieht.
-
Wenn der Teilstrich 8a sich zufällig im Schnittpunkt der optischen
Achse 0-0 und der Fläche 30 befindet, werden gleiche Zeiten zwischen den aufeinanderfolgenden
Durchgängen des Fadenbildes 6 über den Teilstrich 80 verstreichen, und der Haken
48 wird über dem Nullpunkt der Gradeinteilung 45 des Schirms 44 entstehen. Dies
ist das Schema nach Fig. 3, in der die Augenblicke der Durchgänge t1, t2, t3, t4
usw. auf der Symmetrieachse der Sinuskurven berechnet sind und wo die Zeitintervalle
zwischen t1 und t2, t2 und t3 usw. unter sich gleich sind und einer ballen Periode
entsprechen.
-
Wenn dagegen. der Teilstrich 8a sich nicht auf der optischen Achse
0-0, sondern in einem gewissen Abstand y (Fig. I) von demselben befindet, werden
die aufeinanderfolgenden Durchgänge des Fadenbildes 6 über diesem Teilstrich sich
in ungleichen Zeitintervallen vollziehen, wie es beispielsweise aus Fig. 3 a hervorgeht,
in der die zwischen den Durchgängen tlo und t11 bzw. t12 und t13 verstreichende
Zeit kürzer ist als die entsprechende Zeit zwischen den Durchgängen t11 und t12
usw.
-
Diese Durchgänge bestimmen die Auslösung der Haken 48 in die Punkte
A, B, C, D usw. und die Kurve S2, die sich zu diesen Zeiten in dem Abstand Y von
der Achse X-X befindet. Da diese Punkte in der Zeit den Punkten a, b, c, d usw.
auf der Kurve S, entsprechen, die sich im Abstand y von derselben Achse befinden,
so erkennt man, daß Y, das den Lageabstand des Hakens 48 mit Bezug zum Nullpunkt
der Teilung 45 darstellt, der L Vergrößerung 1 zu y entspricht, das den Lageabstand
des Teilstrichs 8a mit Bezug auf die optische Achse darstellt.
-
Es ist bereits bekannt, wie man mittels zweier rein optischer Mikroskope
eine gegebene, Gradeinteilung mit einer Eicheinteilung oder zwei Abschnitten derselben
Gradeinteilung unter sich vergleicht. Benutzt man auf gleiche Weise zwei Vorrichtungen
der beschriebenen Ausführungsform, so wird man auf Grund der Lageabstände, deren
Messung soeben erläutert wurde, zu denselben Ergebnissen mit viel größerer Genauigkeit
gelangen können.
-
In der in Fig. 4 schematisch dargestellten weiteren Ausführungsform
ist eine Blende, die einen engen Schlitz darstellt, in der Nähe der photoelektrischen
Zelle 31 angeordnet. I ist der lineare Faden einer Glühlampe 2. 24 ist ein Objektiv,
das auf der Fläche 30 der zu kontrollierenden Maßteilung ein Bild 6 des Fadens I
erzeugt. Der optische Deflektor 25 erzeugt eine aufrechterhaltene Schwingung des
Lichtbündels, das die Fläche 30 treffen soll und das durch dieselbe in Richtung
der photoelektrischen Zelle 31 reflektiert wird. Ein Prisma g oder Spiegel deckt
die Hälfte des Objektivs 24 und richtet das durch die Fläche 30 reflektierte Bündel
in Richtung der photoelektrischen Zelle 3I.
-
Ein sehr enger Schlitz 49 ist in einer Blende 50 ausgebildet, das
vor der photoelektrischen Zelle angeordnet ist. Das Objektiv 24 bildet in der Ebene
der Blende 50 ein dunkles Bild 8C des Teilstrichs 80.
-
Die schwingende Bewegung des Reflektors. wird eine hin und her gehende
und aufrechterhaltene Bewiegung des Bildes 8C des Teilstrichs 8a gemäß den Pfeilen
7 mit Bezug auf den engen Schlitz 49 erzeugen, und jedes Mal, wenn das Bild8c über
den Schlitz 49 hinübergehen wird, wird eine plötzliche Änderung des Lichtflusses
eintreten, der die photoelektrische Zelle trifft, weil der Teilstrich 8a, wie bereits
obenerwäyhnt, weniger Licht wie die Fläche 30 reflektiert. Diese Lichtflußschwankungen
auf der Zelle 3I werden elektrische Impulse erzeu-
gen, die auf
das elektrische Meßorgan übertragen werden.
-
Es ist bei der Ausführungsform nach Fig. 4 notwendig, daß sich ein
reines optisches Bild 8C der Vertiefung 8a bildet, während dieses bei der Ausführung
nach Fig. I nicht erforderlich ist, und es genügt, daß ein diffuses Bündel die Zelle
erreicht.
-
In beiden Fällen ist der Abstand, der den Faden I von dem Objektiv
24 trennt, viel größer als derjenige, der das Objektiv von der Maßteilung trennt,
damit das Bild 6 des Fadens viel kleiner ist als der Faden selbst und damit die
Beschränkung dieses Bildes von derselben Größenordnung ist wie die der Teilstriche
der Gradteilung.
-
Es leuchtet ein, daß der Deflektor, der das von der Lichtquelle zu
der Zelle gehende Bündel schwingen läßt, ebenso zwischen die Lichtquelle und das
Objektiv wie zwischen das Objektiv und die zu prüfende Gradteilung wie auch zwischen
das Objektiv und die photoelektrische Zelle eingeschaltet werden kann.
-
PATENTANSPROCRB: I. Verfahren zur Messung der Lage eines Teilstriches
einer Gradteilung auf photoelektrischem Weg, dadurch gekennzeichnet, daß man eine
lineare Lichtquelle ein Lichtbündel ausstrahlen läßt, das nach Reflexion von der
gradgeteilten Fläche eine photoelektrische Zelle erreicht, daß dieses Bündel ein
Bild der Lichtquelle auf der gradgeteilten Fläche bildet, dessen Größe von derselben
Größenordnung ist wie die der Striche der Gradteilung, daß man das Lichtbündel oszillieren
läßt, daß man die von einem Teilstrich der Gradteilung reflektierten Strahlen auf
die photoelektrische Zelle durch Intensitätskontrast gegenüber denen wirken läßt,
die durch die dem Teilstrich benachbarte Fläche reflektiert werden, und daß man
die Zelle auf eine Meßvorrichtung wirken läßt, die auf ungleiche Zeiten anspricht,
die zwischen den nacheinander von der Zelle ausgesandten Impulsen verstreichen.
-
2. Vorrichtung zur Ausübung des photo-