DE1153544B - Fotoelektrische Vorrichtung zum Messen und Einstellen der Lage von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen - Google Patents

Fotoelektrische Vorrichtung zum Messen und Einstellen der Lage von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen

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DE1153544B DEW20234A DEW0020234A DE1153544B DE 1153544 B DE1153544 B DE 1153544B DE W20234 A DEW20234 A DE W20234A DE W0020234 A DEW0020234 A DE W0020234A DE 1153544 B DE1153544 B DE 1153544B
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Description

  • Fotoelektrische Vorrichtung zuni Messen und Einstellen der Lage von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Vorrichtung zum Messen und Einstellen der Lage von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen, bei welcher das Objekt in einem geteilten Gesichtsfeld liegt oder in einem solchen abgebildet wird, dessen Hälften als Folge der Bewegungen eines schwingenden Elementes in zeitlicher Aufeinanderfolge ein für Lichtintensitäten empfindliches Vergleichsorgan beaufschlagen.
  • Bei den bekannten fotoelektrischen Einrichtungen zum Messen der Lage von Objekten sind zwei Arten zu unterscheiden. Bei der einen wird das Bild des Objektes durch die Abtastung in eine Impulsreihe zerlegt, wobei die zeitlichen Abstände der Einzelimpulse ein Maß für die Lage des Objektes abgeben. Bei der zweiten Art wird das Gesichtsfeld, in dem das Objekt oder sein Bild liegt, geteilt und die beiden Hälften intensitätsmäßig miteinander verglichen. Es ist sowohl bekannt, diesen Vergleich statisch, wie auch, ihn dynamisch durchzuführen. In jedem Falle aber wird die Aufteilung des Gesichtsfeldes durch besondere Mittel vorgenommen und ein etwa vorhandenes schwingendes Element dient lediglich nur noch dazu, die bereits festgelegten Hälften des Gesichtsfeldes wechselweise wirksam werden zu lassen.
  • Demgegenüber ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Gesichtsfeldes allein durch die Bewegung des schwingenden Elementes bestimmt ist und daß die Amplitude der Schwingungen so bemessen ist, daß - für zu dem Objekt bzw. dessen Bild symmetrische Schwingungen - bei der größten Auslenkung die Abschattung des lichtempfindlichen Organs einen Bruchteil der durch den Schwingvorgang maximal möglichen Abschattung ausmacht.
  • Die Erfindung bedient sich damit zwar auch der Methode, verschiedene Teile des das Objekt enthaltenden Gesichtsfeldes intensitätsmäßig miteinander zu vergleichen, indem sie die von diesen ausgehenden Lichtströme in zeitlicher Aufeinanderfolge einer Vergleichseinrichtung zuführt.
  • Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen sind jedoch außer dem schwingenden Element selbst keine Teile vorhanden, die die Aufteilung des Gesichtsfeldes von vornherein festlegen würden. Die Aufteilung des Gesichtsfeldes wird einzig und allein durch die Bewegung des schwingenden Elementes bestimmt. Dadurch, daß außerdem die Schwingamplitude eine solche Größe hat, daß bei der größten Auslenkung die Abschattung der Lichtröhre einen Bruch- ; teil der maximal möglichen ausmacht, ergibt sich eine Empfindlichkeit, die unter sonst gleichen Bedingungen von den bekannten Einrichtungen prinzipiell nicht erreichbar ist.
  • Gegenüber den bekannten Einrichtungen mit Vergleich der Impulsfolgezeiten leuchtet dieser Vorteil ohne weiteres ein, denn die Empfindlichkeit einer solchen Einrichtung ist etwa umgekehrt proportional der verwendeten Schwingamplitude. Diese kann bei Messung der Impulsfolgezeiten grundsätzlich nicht unter einen bestimmten Wert gedrückt werden, wenn die Lage der Impulse noch einwandfrei bestimmbar sein soll. Bei der vorliegenden Erfindung dagegen ist bei passender Bemessung von Teilstrich und Gesichtsfeldblende eine nahezu beliebige Verringerung der Schwingamplitude zu erreichen.
  • Hieraus wird auch der Vorteil klar, den die Erfindung gegenüber den bekannten Einrichtungen mit Intensitätsvergleich hat. Da bei diesen das Gesichtsfeld durch Prismen, Doppelspalte u. d'gl. bereits unterteilt ist, wird das schwingende Element bei immer weitergehender Verringerung seiner Schwingamplitude schließlich nur noch eine Gesichtsfeldhälfte erfassen können, weil Ungenauigkeiten bei der gegenseitigen Justierung von teilendem und schwingendem Element unvermeidlich sind. Demgegenüber ist die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.
  • Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen erläutert. In Fig. 1 a bedeutet R eine Braunsche Röhre, L einen Lichtpunkt auf dem Schirm der Braunsehen Röhre, der mit bekannten Mitteln erzeugt und symmetrisch um eine Nulllage senkrecht zu den Teilstrichen eines nachgeschalteten Maßstabes zum Schwingen gebracht wird, A 1 und A 2, zwei ein anamorphotisehes Abbildungssystem bildende Zylinderlinsen, M einen durchsichtigen Maßstab, T einen undurchsichtigen Teilstrich des Maßstabes M, L' ein durch die beiden Zylinderlinsen erzeugtes anamorphotisches Bild L, das die Gestalt eines langgezogenen Rechtecks hat und das so orientiert ist, daß seine lange Rechteckseite parallel zu den Teilstrichen verläuft und seine Schwingung in Richtung der Teilung des Maßstabes erfolgt, F eine Feldlinse, Z eine Fotozelle bzw. einen Fotomultiplier, dem durch die Feldlinse F das durch das System fließende Licht gebündelt zugeführt wird.
  • Man kann auch eine Anordnung nach Fig. 1 b benutzen: Von dem durch die Lampe S mit Hilfe des Kondensators K beleuchteten Teilstrich T des Maßstabes M wird durch das Objektiv O ein reelles Bild T' erzeugt, über welches eine Laufblende B, z. B. eine zum Schwingen gebrachte Saite, periodisch hinwegschwingt. Der durch die Anordnung fließende und durch die relative Lage zwischen Teilstrichbild T' und Blende B gesteuerte Lichtstrom wird einer Fotozelle Z zugeführt.
  • Die Wirkung der Erfindung wird nachfolgend an Hand von Beispielen der Fig. 2 bis 6 für die Anordnung nach Fig. 1 a beschrieben.
  • In diesen Figuren bedeutet 1. die von links oben nach rechts unten schraffierten Rechteckfelder die Teilstriche T des Maßstabes M, 2. die nicht schraffierten Rechteckfelder das Leuchtfeld L', und zwar das gestrichelt gezeichnete Rechteckfeld die linke Extremlage des. Leuchtfeldes und das ausgezogene Rechteckfeld die rechte Extremlage des Leuchtfeldes, - 3. das von links unten nach rechts oben schraffierte Gebiet die Oberfläche des Maßstabes M.
  • Fig. 2 stellt einen Ausschnitt des Maßstabes M dar, über dessen Teilstrich T das rechteckige, dem Teilstrich ähnliche, den Maßstab beleuchtende Bild des Lichtpunktes L als Leuchtfeld L' in Teilungsrichtung symmetrisch nach beiden Seiten zu einer Nullage schwingt. In der Zeichnung sind beide Extremlagen des. Leuchtfeldes eingezeichnet. Die Amplitude der Schwingung ist nach Fig.3 so bemessen, daß bei der Symmetriestellung, in der die Symmetrielinie der Schwingung mit der zur Teilungsrichtung senkrechten Symmetrielinie des Teilstriches zusammenfällt, sowohl- bei der rechten Extremlage des Leuchtfeldes L' als auch bei der linken Extremlage des Leuchtfeldes L' die Abschattung des Leuchtfeldes bzw. der Lichtröhre durch den Teilstrich T oder dessen Bild einen endlichen Bruchteil der maximalen Abschattung ausmacht, die durch ausschließliches Verschieben des Teilstriches relativ zur Lichtröhre in Teilungsrichtung erzielt werden kann.
  • In diesem Falle werden in den Extremlagen durch beliebig kleine Verschiebungen des Teilstriches relativ zum Leuchtfeld in Teilungsrichtung Lichtstromänderungen hervorgerufen. In Fig.3 ist dies der Fall, solange in der linken Extremlage die linke Kante des Teilstriches T und in der rechten Extremlage die rechte Kante des Teilstriches T zwischen beiden Längskanten des Leuchtfeldes zu liegen kommt.
  • Die Lichtstromänderung hat dann einen typischen zeitlichen Verlauf, -wie er in Fig. 8 a dargestellt ist. Wie leicht einzusehen ist, sind bei der Symmetriestellung die aufeinanderfolgenden Amplituden der Lichtstromänderungen von genau gleicher Größe.
  • In Fig. 4 fällt die beschriebene Symmetrielinie des Teilstriches in der Nullage der Schwingung nicht mehr mit der Symmetrielinie der Schwingung des Lichtfleckes zusammen. Es tritt aber sowohl in der linken als auch in der rechten Extremlage eine Abschattung ein, die nur einen Bruchteil der maximal möglichen Abschattung des Leuchtfeldes durch den Teilstrich ausmacht. In diesem Fall sind die Amplituden der aufeinanderfolgenden Lichtimpulsänderungen nicht mehr von gleicher Größe, wie dies in Fig. 8 b dargestellt ist. Wird die relative Stellung noch unsymmetrischer, aber so, daß sowohl links als auch rechts in den Extremlagen nur ein endlicher Bruchteil der maximal möglichen Abschattung des Leuchtfeldbildes durch den Teilstrich eintritt, so ergeben sich der Reihe nach Verläufe der Lichtstromänderungen, wie sie in den Fig. 8 c und 8 d dargestellt sind.
  • Wird der Teilstrich noch weiter relativ gegen die Nullage des schwingenden Lichtfleckes verschoben, so tritt schließlich nach Fig. 5 der Fall ein, bei dem bei der maximalen Elongation des Leuchtfeldes auf einer Seite die maximal mögliche Abschattung des Leuchtfeldbildes durch den Teilstrich eintritt. In Fig. 5 wird z. B. nur bei der linken Extremlage des Leuchtfeldbildes die maximale Abschattung erreicht, nicht aber bei der rechten Extremlage.
  • In diesem Fall ergibt sich eine Lichtstromänderung nach Fig. 8 e. Bei weiterer Verschiebung ergeben sich Lichtstromänderungen nach den Fig. 8 f und 8 g. Bei noch größerer Verschiebung, wie in Fig. 6 dargestellt, erfolgt die Lichtstromänderung nach Fig. 8h. Wird die Verschiebung noch größer gemacht, so daß sich in beiden Extremlagen Teilstrich und Lichtfleck nicht mehr überdecken, so erfolgt keine Lichtstromänderung mehr.
  • Erfolgen die sukzessiven Verschiebungen zwischen Leuchtfeld und Teilstrich aus der Symmetrielage heraus nach der anderen Seite, so ergeben sich der Reihe nach Lichtstromänderungen, wie sie in den Fig. 8 i bis 8 p dargestellt sind.
  • Die Fig. 8 h über 8 a bis 8 p stellen also dar, welchen Verlauf die Lichtstromänderungen haben, wenn der Teilstrich von einer Seite aus über die Symmetriestellung nach der anderen Seite des Leuchtfleckes verschoben wird.
  • Dabei sind die Figuren so angeordnet, daß die Größen der Lichtstromänderungen, die den Extremlagen des Leuchtfeldes entsprechen, untereinander gezeichnet sind. Die Linie D bezeichnet jeweils die linke Extremlage der Schwingung, die Linie G die rechte Extremlage. Man sieht, daß zwischen den Lichtstromänderungsverläufen der Fig. 8 b bis 8 h eine Art Phasenverschiebung gegen die entsprechenden Verläufe der Fig. 8 i bis 8 p eintritt, insofern als beispielsweise in Fig. 8 b auf der Linie D die kleinere Lichtstromänderung eintritt, auf der Linie G dagegen in Fig. 8 i.
  • Dieser Phasensprung wird bei der Messung als Kriterium dafür benutzt, ob der Teilstrich links oder rechts von der Symmetrielage liegt. Der für die Messung auswertbare Bereich liegt etwa zwischen den Fig. 8 d und 81 und stellt das nutzbare Gesichtsfeld der Anordnung dar.
  • Wie leicht ersichtlich ist, ergibt sich das größte nutzbare Gesichtsfeld und gleichzeitig die größte relative Lichtstromveränderung innerhalb des Gesichtsfeldes, wenn nach Fig. 7 die Breite des Teilstriches gleich der Breite des Lichtfleckes ist und zugleich die Amplitude der Schwingung den halben Wert dieser Breite hat. Das Gesichtsfeld ist dann gleich der Teilstrichbreite, d. h. bei einem Teilstrich von 10 Mikron Breite - 5 Mikron. Die Einstellung auf Null und auch die Messung der Verschiebung gegen die Nulllage kann z. B. auf dem Schirm eines Elektronenstrahloszillographen, dessen Zeitablenkung geeignet gewählt ist, erfolgen. Zur Einstellung wird der Teilstrich so lange verschoben, bis die Symmetriestellung entsprechend Fig. 8 a erreicht ist. Zur Messung der Abweichung des Teilstriches von der Symmetrielage wird der Unterschied zwischen größter und kleinster Amplitude, also im Falle der Fig. 8 b der Wert J h, auf dem Schirm gemessen. Eine Eichkurve für den Zusammenhang zwischen den Werten J h und der seitlichen Verschiebung gegen die Nullage wird in der Praxis am besten empirisch festgelegt, z. B. durch Interferenzmessung der Verschiebung des Teilstriches gegen die Symmetrielage. Es sei hervorgehoben, daß dieser dynamische Symmetrieabgleich alle Vorteile des visuell-optischen Symmetrieabgleiches hat. Vor allem wird in jedem Fall die Symmetrielinie des Teilstriches festgestellt, so daß also Schwankungen der Teilstrichbreiten von Strich zu Strich nicht in die Messung eingehen. Weiterhin geht in erster Ordnung auch die Schwingamplitude des Leuchtfeldes, sofern sie den obenerwähnten Forderungen entspricht, nicht in die Messung ein.
  • Werden, wie aus dem bisher Gesagten hervorgeht, die Parameter Leuchtfeldbreite, Teilstrichbreite und Schwingamplitude anders gewählt, als in den Fig. 2 bis 7 dargestellt ist, so gibt sich außerhalb des Gesichtsfeldes unter Umständen ein anderer Verlauf der Lichtstromänderung, als in den einzelnen Kurven der Fig. 8 dargestellt ist. Dies ist jedoch ohne Bedeutung für den Meßvorgang, da innerhalb des oben bezeichneten nützlichen Gesichtsfeldes die Verhältnisse urigeändert bleiben.
  • Läßt man über das Leuchtfeld eine schmale, rechteckige, senkrecht zur Teilungsrichtung verlaufende Blende in Teilungsrichtung schwingen, wie dies bei der schwingenden Saite nach Fig. 1 b der Fall ist, so entsteht im Leuchtfeld eine in Teilungsrichtung schwingende, nicht vom Licht durchstrahlte Lücke E nach Fig. 9 a, durch welche das Leuchtfeld in zwei voneinander getrennte Leuchtfelder L' wechselnder Größe zerlegt wird. In diesem Fall muß die Amplitude der Schwingung der Lücke E relativ zum Teilstrichbild T' so groß und das Teilstrichbild so breit sein, daß bei der Symmetriestellung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Nullage die Symmetrielinie des Teilstrichbildes T' und die Symmetrielinie der Lücke E zusammenfällt, im Falle der größten Auslenkung nach links und rechts die Lücke E den Teilstrich teilweise bedeckt, wie dies in Fig.9b für die rechte Extremlage der Schwingung dargestellt ist. Wie leicht einzusehen ist, ergeben sich in diesem Falle ganz analoge Verhältnisse, wie sie für die Anordnung nach Fig. 1 a beschrieben sind.
  • Die praktische Verwirklichung des Schwingvorganges kann an Stelle der eingangs beschriebenen Anordnung 1 a in bekannter Weise, z. B. auch dadurch erfolgen, daß der Teilstrich mit Hilfe einer Optik über einen Schwingspiegel auf eine Spaltblende abgebildet wird oder daß bereits der Maßstab selbst, z. B. mit Hilfe eines Schwingspiegels in Verbindung mit einer Blende mit einem schwingenden Lichtfleck beleuchtet wird.
  • Im folgenden wird eine elektrische Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, an Stelle einer Braunschen Röhre ein Zeigerinstrument zum Anzeigen zu verwenden.
  • Die Fig. 10 stellt eine Röhrenmeßbrücke dar, die aus zwei Pentoden V 1 und V 2 besteht, zwischen deren Kathodenwiderständen R 1 und R 2 ein Zeigerinstrument Z geschaltet ist. Auf die Steuergitter G 1 beider Pentoden wird die von der Fotozelle bzw. dem Multiplier gelieferte, gegebenenfalls vorher verstärkte Spannung, z. B. der Spannungsverlauf der Fig. 8 b gegeben. Auf die Schirmgitter G 2 der Pentoden wird je eine von zwei in der Phase um 1800 gegeneinander verschobenen Rechteckspannungen gegeben. Da Pentoden nur bei positiver Schirmgitterspannung arbeiten, sonst dagegen gesperrt sind, wird wegen der Gegenphasigkeit beider Spannungen erreicht, daß jeweils eine Pentode gesperrt ist, während die andere arbeitet. Um eine Synchronisierung dieses Schaltvorganges mit der Stellung des Schwingungserzeugers, z. B. einer schwingenden Saite, züz erreichen, wird die erforderliche Rechteckspannung aus der Spannung des Senders abgeleitet, die den Schwingungserzeuger betreibt.
  • Fig. 11a stellt noch einmal den Spannungsverlauf der Fotozellenspannung entsprechend Fig. 8 b dar, die Fig. 11 b den sinusförmigen Spannungsverlauf des Senders, welcher das schwingende Element der Vorrichtung, z. B. eine Saite in Schwingung hält, wobei nötigenfalls durch einen Phasenschieber dafür gesorgt ist, daß die Extremwerte der Senderspannungskurve mit den entsprechenden Extremlagen der Saite zeitlich zusammenfallen.
  • Den mit D bezeichneten Extremwerten dieser Kurve entspreche die linke Extremstellung der Saite, den mit G bezeichneten Extremwerten der Kurve entspreche die rechte Extremstellung der Saite.
  • Fig. 11 c stellt die Rechteckkurve dar, die sich nach elektronischer Umformung der Senderspannungskurve ergibt.
  • Diese Umformung kann in an sich bekannter Weise durch Verstärkung und anschließende Beschneidung der Sinuskurve oder auch mit Hilfe von elektronischen Schaltkreisen durchgeführt werden. Wird diese Rechteckspannung nach Fig. 11 c auf das Schirmgitter der Pentode V 1 gegeben, die Fotozellenkurve Fig. 11 a auf das Steuergitter, so verstärkt die Röhre nur die schraffiert gezeichneten Teile der Fotozellenkurve. Fig. 11d stellt eine Rechteckspannungskurve dar, die gegen die Rechteckspannungskurve der Fig. 11 c um 180° phasenverschoben ist, was mit Hilfe elektronischer Mittel leicht zu erreichen ist. Wird die phasenverschobene Rechteckspannung nach Fig. 11d auf das Schirmgitter der Pentode V 2 gegeben, während das Steuergitter entsprechend der Fotozellenkurve gesteuert wird, so verstärkt die Pentode V 2 nur die unschraffierten Teile der Fotozellenkurve. Das Zeigermeßgerät stellt sich entsprechend der Differenz zwischen der schraffierten und unschraffierten Fläche der Fotozellenkurve ein. Durch Anbringen zweier Ladekondensatoren an den Steuergittern kann aber auch erreicht werden, daß sich das Meßgerät entsprechend der Differenz der Spitzenspannungswerte einstellt. Das Meßgerät steht bei der Symmetriestellung auf Null und schlägt nach links oder rechts aus, je nachdem, nach welcher Richtung der Teilstrich aus der Symmetriestellung verschoben ist.
  • Die beschriebenen Beispiele beziehen sich auf Vorrichtungen, bei denen das Objekt, dessen Lage eingestellt oder gemessen werden soll, im Durchlicht beleuchtet wird.
  • Es ist selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch dann angewendet werden kann, wenn die Objekte, z. B. die Teilstriche eines Metallmaßstabes, im Aufficht beleuchtet werden.
  • Wie leicht ersichtlich ist, können die dem Symmetrieabgleich entsprechenden elektrischen Größen der lichtempfindlichen Elemente, insbesondere der Fotozellen, in bekannter Weise zur Steuerung, insbesondere von Teilmaschinen verwendet werden.
  • Die vorbeschriebene Vorrichtung zum Messen und Einstellen der Lage von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen, ist vorteilhaft zum Messen und Einstellen von Sternen, Zielmarken od. dgl. in der Geodäsie verwendbar.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Fotoelektrische Vorrichtung zum Messen und Einstellen der Lage von Objekten, insbesondere von Skalenteilstrichen, bei welcher das Objekt in einem geteilten Gesichtsfeld liegt oder in einem solchen abgebildet wird, dessen Hälften als Folge der Bewegungen eines schwingenden Elementes in zeitlicher Aufeinanderfolge ein für Lichtintensitäten empfindliches Vergleichsorgan beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Gesichtsfeldes allein durch die Bewegung des schwingenden Elementes bestimmt ist und daß die Amplitude der Schwingungen so bemessen ist, daß - für zu dem Objekt bzw. dessen Bild symmetrische Schwingungen - bei der größten Aaslenkung die Abschattung des lichtempfindlichen Organs einen Bruchteil der durch den Schwingvorgang maximal möglichen Abschattung ausmacht.
  2. 2. Fotoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Amplitude der Schwingungen, daß in der Extremlage je eine Kante des Objektes bzw. dessen Bildes mit der Symmetrielinie der Blende bzw. deren Bildes oder der Lichtquelle oder daß umgekehrt je eine Kante der Blende bzw. deren Bildes oder der Lichtquelle mit der Symmetrielinie des Objektes bzw. dessen Bildes zusammenfällt.
  3. 3. Fotoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, däß das Objekt oder dessen Bild ebenso breit ist wie die Fläche zwischen den abschattenden Kanten der Blende bzw. deren Bildes oder der Lichtquelle bzw. deren Bildes.
  4. 4. Fotoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch an sich bekannte elektronische Mittel zum Messen der den Extremlagen der Schwingungen zugeordneten Differenzen der Lichtströme.
  5. 5. Fotoelektrische Vorrichtung nach Ansprach 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Fotozelle ein Oszillograph gesteuert wird, aus dessen Anzeige die Lage des Objektes beobachtbar ist.
  6. 6. Fotoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Symmetrieabgleich entsprechende elektrische Größen in an sich bekannter Weise zur Steuerung, insbesondere von Teilmaschinen verwendet werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 863 384; deutsche Patentanmeldung W 10407 IX b / 42 d -2/05 (bekanntgemacht am 7. 10. 1954); deutsche Auslegeschrift Nr. 1079 336; britische Patentschrift Nr. 698 800; USA.-Patentschrift Nr. 2 489 305.
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