DE1255361B - Optische Abtasteinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. Cl.:

G 06

Deutsche Kl.: 42 m6 - 7/10

Nummer: 1255 361

Aktenzeichen: N 24147IX c/42 m6

Anmeldetag: 12. Dezember 1963

Auslegetag: 30. November 1967

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtasteinrichtung mit einer Lampe, deren intensitätsmodulierte Strahlung zu einem Bündel von schmalem, streifenförmigem Querschnitt fokussiert ist und durch einen verschlüsselte Informationen in Form undurchsichtiger und durchsichtiger Flächen enthaltenden Aufzeichnungsträger hindurch auf mehrere Strahlungsdetektoren geleitet wird, deren Ausgangssignale durch auf die Modulationsfrequenz der Strahlung abgestimmte Verstärker verstärkt werden.

Eine derartige optische Abtasteinrichtung kann beispielsweise zum Lesen von Informationen einer Lochkarte oder zum Abtasten verschlüsselter Informationen einer in geeigneter Weise gelochten Trommel einer drehbaren Lageanzeigeeinrichtung bzw. eines Lochstreifens einer Maschinensteuereinrichtung Anwendung rinden.

Bei den bekannten optischen Abtasteinrichtungen dieser Art bestehen die Lampen meist aus einer üblichen Glühfadenlampe. Die Strahlung derartiger Glühfadenlampen kann jedoch nicht auf einfache Weise mit Hochfrequenz moduliert werden, und es sind deshalb stets Gleichstromverstärker für die Ausgangssignale der Detektoren notwendig, die bekanntlich den Nachteil geringen Verstärkungsgrades und geringer Trift besitzen. Mit den bekannten Glühfadenlampen konnte außerdem keine ideale punktförmige Lichtquelle realisiert werden, so daß auch keine ideale Parallelstrahlung erreicht werden konnte. Auch besteht der Nachteil, daß infolge des mit der Zeit auftretenden Durchhängens des Glühfadens die Parallelität der Strahlung nachläßt. Die Einhaltung einer genauen Parallelität der Strahlung ist aber für ein möglichst großes und konstantes Kontrastverhältnis und damit für ein genaues Arbeiten der Detektoren von großer Wichtigkeit.

Um diese Nachteile der bekannten optischen Abtasteinrichtungen zu vermeiden, wird, ausgehend von einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art, erfindungsgemäß vorgeschlagen, als Lampe eine durch einen Impulsgenerator gespeiste Halbleiterdiode zu verwenden.

Eine in Durchlaßrichtung betriebene Halbleiterdiode erzeugt auch bei Zimmertemperatur eine nicht kohärente Infrarotstrahlung. Da die Strahlung einer solchen Halbleiterdiode nicht durch Erwärmung erzeugt wird, kann auch auf einfache Weise eine Impulsmodulation bis ins Megahertzgebiet erreicht werden. Damit ist die Verstärkung der Ausgangssignale der Detektoren durch schmalbandige Wechselspannungsverstärker mit den Vorteilen großen Wirkungsgrades und großer Stabilität möglich. Außerdem stellt eine Optische Abtasteinrichtung

Anmelder:

National Research Development Corporation,

London

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls
und Dr. E. v. Pechmann, Patentanwälte,
München 90, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Ronald Francis Broom,

Cyril Hilsum, Baidock, Hertfordshire;

Donald Bayley,

lohn Dennis, Crowborough, Sussex

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 12. Dezember 1962

(46 889),

vom 17. Juli 1963 (28 276)

Halbleiterdiode als Lampe eine ideale punktförmige Lichtquelle dar, deren Lage sich praktisch nicht verändert. Es ist damit also auch eine sehr genaue und konstante Parallelführung der Strahlung und demzufolge ein gutes Kontrasteverhältnis erreichbar.

Der Aufzeichnungsträger kann ein nach einem Binärcode gelochter Streifen oder eine Karte sein. Er kann auch ein an einem linear bewegbaren oder winkelverdrehbaren Teil einer Maschine od. dgl. befestigter digitaler Geber sein, durch welchen die jeweilige relative Lage dieses Teils in digitaler Form angezeigt wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt perspektivisch eine Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung, und zwar in Verbindung mit einem geradlinig bewegten Aufzeichnungsträger;

F i g. 2 und 3 zeigen die Stirnansicht bzw. Seitenansicht einer Ausbildungsform der erfindungsgemäßen

709 690/233

Abtasteinrichtung, und zwar in Verbindung mit einem winkelbeweglichen bzw. drehbaren Aufzeichnungsträger.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung, bei der ein geradlinig bewegbares Organ, z. B. ein beweglicher Schlitten einer Werkzeugmaschine, ein zur Erzeugung digitaler Informationen dienendes Element 21 trägt, das sich zusammen mit dem Schlitten od. dgl. bewegt und mehrere parallele Kanäle 22 aufweist, von denen jeder jeweils eine Folge von undurchsichtigen und durchsichtigen Streifen gleicher Länge enthält, wobei die Länge der Streifen bei jedem der nebeneinanderliegenderi Kanäle halb so groß ist wie die Länge der Streifen bei dem jeweils unmittelbar vorausgehenden Kanal. Bei jeder bestimmten Stellung 23 liefern bei dieser Anordnung die undurchsichtigen und durchsichtigen Streifen der parallelen Kanäle eine digitale, binär verschlüsselte Anzeige der Stellung des zur Erzeugung digitaler Informationen dienenden Elements 21 und damit auch des Organs, an welchem das Element 21 befestigt ist, gegenüber dem ortsfesten Bezugsorgan 23.

Die auf diese Weise angezeigte binäre Zahl wird automatisch mit Hilfe einer Halbleiterdiodenlampe 24 abgelesen, deren Strahlung mit Hilfe eines Linsensystems 25 in Form eines Strahlenbündels mit einem Querschnitt in Gestalt eines dünnen Streifens auf einen Satz von geradlinigen öffnungen 27 fokussiert wird, welche in der Längsrichtung miteinander fluchten. Auf diese Weise werden mehrere getrennte Strahlen erzeugt, und jeder dieser Strahlen fällt an der Station 23 auf einen der Streifen oder Kanäle 22. Je nachdem, ob der betreffende Kanal an der Station 23 durchsichtig oder undurchsichtig ist, können die ■Strahlen der Lampe 24 die Streifen passieren oder zurückgehalten werden. Die durchgelassenen Strahlen werden mit Hilfe von Photozellen 26 nachgewiesen, die unter dem die digitalen Informationen liefernden Element 21 angeordnet und jeweils einem der Kanäle 22 zugeordnet sind. Die Ausgangssignale sämtlicher Photozellen liefern zusammen die erforderliche binär verschlüsselte Zahl.

Die Halbleiterlampe 24 wird durch einen elektrischen Impulsgenerator 28 gespeist, der z. B. Impulse von 100 Mikrosekunden Dauer liefert. Da Halbleiterlampen mit sehr hohen Frequenzen moduliert werden können, besitzt die Strahlung der Lampe 24 die Form von Impulsen, welche den der Lampe zugeführten elektrischen Impulsen entsprechen. Impulsförmige elektrische Signale, die den Photozellen 26 entnommen werden, werden einzelnen Impulsverstärkern oder Filtern 29 zugeführt, die für die Impulswiederholungsfrequenz des Impulsgenerators 28 empfindlich sind.

F i g. 2 und 3 zeigen ein System ähnlich demjenigen nach Fig. 1, doch ist dieses System geeignet, Winkelbewegungen zu messen. Im vorliegenden Fall hat das die digitalen Informationen liefernde Element die Form einer Scheibe 30, die auf einer Welle 31 sitzt, deren Winkelstellung gemessen werden soll; die Scheibe 30 trägt e inen Satz von konzentrischen kreisrunden Mustern, die durch Eingravieren oder Aufdampfen eines geeigneten Materials erzeugt sind. Die Strahlung einer Halbleiterdiodenlampe 35 wird durch ein Linsensystem 32 zu einem dünnen Lichtbündel zusammengefaßt und auf einen Satz von geradlinigen Öffnungen 34 geworfen, welche radial zu der Scheibe 30 auf einer geraden Linie angeordnet sind. Auf jedes der Muster auf der Scheibe 30 fällt somit ein gesonderter Lichtstrahl. Hinter der Scheibe 30 befindet sich ein Photozellenaggregat 33, das ebenso viele Photozellen enthält, wie einzelne Lichtstrahlen und Muster auf der Scheibe vorhanden sind. Die Ausgangssignale der Photozellen 33 repräsentieren in digitaler Form die Winkelstellung der Welle 31.

Der Halbleiterlampe 35 werden elektrische Impulse von einem Hochfrequenz-Impulsgenerator 36 zugeführt, und die Ausgangssignale der Photozellen gelangen zu einzelnen Verstärkern oder Filtern 37, die auf die Impulsfrequenz des Generators 36 abgestimmt sind.

Der Impulsgenerator kann eine unstabile Multivibratorschaltung umfassen, die so aufgebaut ist, daß sie Triggerimpulse erzeugt, mittels deren eine monostabile Flip-Flop-Schaltung getriggert wird. Die Ausgangsimpulse der monostabilen Schaltung können zweckmäßig eine Dauer von 150 Mikrosekunden haben, wobei die Impulswiederholungsfrequenz 10 Hz beträgt. Gegebenenfalls kann man jedoch die Impulswiederholungsfrequenz ohne weiteres auf 1000 Hz oder darüber erhöhen. Diese Impulse werden über eine Emitterfolgeschaltung einem Leistungstransistor zugeführt, dessen Kollektorlast die Lampe umfaßt. Die Stärke der der Lampe zugeführten Stromimpulse soll auf etwa 2 A begrenzt werden.

Bei der Halbleiterlampe, die bei den beschriebenen Ausbildungsformen der Erfindung verwendet wird, kann es sich um eine Diode mit einer PN-Verbindungsstelle handeln, die aus Galliumarsenid oder Indiumphosphid oder einer Legierung aus diesen beiden Stoffen besteht oder aus einer Legierung von Galliumarsenid oder Galliumphosphid, wobei Zink durch Diffusion in die Oberfläche des Halbleiters eingebracht ist, um eine PN-Verbindungsstelle zu erzeugen. In der Praxis umfaßt die Diodenlampe mit einer PN-Verbindungsstelle eine Scheibe aus einem Halbleitermaterial, in deren Oberfläche Zink durch Diffusion eingebracht ist, um die PN-Verbindungsstelle zu erzeugen; diese Scheibe ist über einer Öffnung oder einem Fenster in einer Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 3 mm angeordnet, wobei die Scheibe aus mit Gold plattiertem Molybdän besteht; ein mit Gold plattierter Stift aus Molybdän mit einem Durchmesser von 1 mm steht in Legierungsverbindung mit der Oberseite des Halbleiters. Die Fläche in der Umgebung des Stiftes wird dann so weggeätzt, daß der Stift auf einer Insel aus dem gedopten Halbleitermaterial stehenbleibt. Der Stift und die Scheibe bilden ohmsche Kontakte für die PN-Verbindungsstelle, und wenn eine geeignete Spannung in der Vorwärtsrichtung angelegt wird, wird Infrarotstrahlung durch das zentrale Fenster der Scheibe ausgesandt, um durch ein Linsensystem auf den verschiedenen Photozellen fokussiert zu werden. Bei den Photozellen kann es sich um Siliciumphotozellen handeln, die für Infrarotstrahlung derjenigen Wellenlänge empfindlich sind, welche von Galliumarseniddiodenlampen ausgesandt wird.

Da eine Diodenlampe praktisch eine punktförmige Strahlungsquelle ist, kann das optische System eine genaue Fokussierung bewirken, und es ist nicht erforderlich, das Vorhandensein einer Lichtquelle mit einer relativ großen, ungenau abgegrenzten Strahlungsfläche zu berücksichtigen, wie es z. B. bei der Verwendung eines Glühfadens aus Metall der Fall ist; da bei ähnlichen Diodenlampen die beleuchtete

Fläche genau die gleiche Lage einnimmt, ist es beim Auswechseln solcher Lampen nicht erforderlich, eine erneute Fokussierung od. dgl. vorzunehmen.

Ein großer Vorteil der Diodenlampen gegenüber den gebräuchlicheren Lampen mit Glühfaden aus Metall besteht im vorliegenden Fall darin, daß dann, wenn eine Diodenlampe mit einer PN-Verbindungsstelle moduliert bzw. mit Impulsen gespeist wird, eine Verstärkung der Photozellensignale mit Hilfe gewöhnlicher Wechselstromverstärker erfolgen kann und keine Gleichstromverstärkung erforderlich ist. Der Modulations- oder Impulsbetrieb einer Diodenlampe ermöglicht den Betrieb mit geringer Leistung und geringen mittleren Energieverlusten, so daß sich eine geringere Erwärmung ergibt und im Vergleich mit einer Wolframfadenlampe eine sehr raumsparende Anordnung möglich ist; im Hinblick auf die kleinen Abmessungen und das geringe Gewicht einer Diodenlampe ist eine solche Lampe erheblich stabiler als eine Lampe mit Wolframfaden. Ferner kann man eine Diodenlampe mit einer niedrigen Spannung betreiben, wobei sich wiederum eine geringere Heizwirkung ergibt als bei einer Glühfadenlampe.

Ein weiterer wichtiger Vorteil einer Diodenlampe mit einer PN-Verbindungsstelle im Vergleich mit einer Wolframfadenlampe besteht darin, daß Streulicht und Reflexionen von gelochten Papierstreifen oder Karten das Kontrastverhältnis begrenzen, welches mit Hilfe einer Metallfadenlampe erzielt werden kann, und zwar auf etwa 7 :1, während das bei einer Diodenlampe mit einer PN-Verbindungsstelle erzielbare Kontrastverhältnis höher liegt als 500 : 1; selbst bei durchscheinendem Material beträgt das Kontrastverhältnis noch bis zu 16 : 1, d. h., ein System bekannter Art könnte bei Verwendung eines solchen Materials nicht betrieben werden.

Die Verwendung einer Diodenlampe mit einer PN-Verbindungsstelle ermöglicht es außerdem, die Geschwindigkeit des Ausgebens der Information im Vergleich zu bekannten Systemen außerordentlich zu erhöhen.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Optische Abtasteinrichtung, insbesondere für Stellungsanzeiger, mit einer Lampe, deren intensitätsmodulierte Strahlung zu einem Bündel von schmalem, streifenförmigem Querschnitt fokussiert ist und durch einen verschlüsselte Informationen in Form undurchsichtiger und durchsichtiger Flächen enthaltenden Aufzeichnungsträger hindurch auf mehrere Strahlungsdetektoren geleitet wird, deren Ausgangssignale durch auf die Modulationsfrequenz der Strahlung abgestimmte Verstärker verstärkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe eine durch einen Impulsgenerator (2) gespeiste Halbleiterdiode (1) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiodenlampe (1) aus Galliumarsenid, Galliumphosphid oder einer Legierung davon besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 974 742;

deutsche Auslegeschrift Nr. 1 048 943;

USA.-Patentschriften Nr. 2 382 251, 2 873 441;

Neue Technik im Büro, Heft 12/1959, S. 296, 297; Feinwerktechnik, Heft 3/1962, S. 98 bis 100;

Archiv für Technisches Messen, November 1958, S. 235 bis 238;

Automatik, Oktober 1960, S. 383, 384;

Kretzmann. »Handbuch der industriellen Elektronik«, 1954, S.'llO, 111;

Electronic Engineering, Dezember 1957, S. 571;

Applied Physics Letters, Vol. 1, Nr. 3 vom 1. November 1962, S. 62 bis 64;

Physical. Review Letters, Vol. 9, Nr. 9 vom 1. November 1962, S. 366 bis 368.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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