DE1548573B2

DE1548573B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer linearen Abmessung eines Strahlen aussendenden, durchlassenden oder reflektierenden Objektes

Info

Publication number: DE1548573B2
Application number: DE19661548573
Authority: DE
Inventors: Lionel Richard Chislehurst Kent Baker (Großbritannien). G02b 9-60
Original assignee: British Scientific Instrument Research Association, Chislehurst, Kent (Großbritannien)
Priority date: 1965-02-08
Filing date: 1966-02-07
Publication date: 1970-10-15
Also published as: DE1548573A1; US3450889A; SE321807B; GB1139731A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestim- Verhältnis der Breite des Zwischenbildes zur Breite men einer linearen Abmessung eines Strahlen aus- der Abtastbereiche. Wechseln z. B. auf der Abtastsendenden, durchlassenden oder reflektierenden Ob- scheibe durchlässige und undurchlässige Bereiche jektes, bei dem der vom Objekt bestimmte Strahlen- gleicher Breite miteinander ab, so ist der Modulationsgang in oder nahe der Abbildungsebene eines 5 grad 0, wenn deren Breite gleich der halben Breite Zwischenbildes durch eine Abtastscheibe mit Be- des Zwischenbildes ist, und der Modulationsgrad erreichen unterschiedlicher Strahlungsdurchlässigkeit reicht ein Maximum, wenn die Breite der Bereiche moduliert wird und bei dem aus dem entsprechend gleich der Breite des Zwischenbildes ist.
modulierten Abtastsignal eines strahlungsempfind- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zur liehen Elementes ein der linearen Abmessung ent- ίο Auswertung des modulierten Signals keinerlei aufsprechendes Signal gewonnen wird. wendige impulsverarbeitende Vorrichtungen oder

Die zu messende Lineardimension des Objektes träge arbeitende Integriervorrichtungen erforderlich, bestimmt die Breite des Zwischenbildes, und vom Helligkeitsschwankungen und Lageänderung des Ob-Verhältnis dieser Breite zur Breite der unterschied- jektes lassen das Meßergebnis praktisch unbeeinflußt, lieh strahlungsdurchlässigen Bereiche der Abtast- 15 da weder absolute Strahlungsintensitäten noch die scheibe hängt der zeitliche Verlauf des vom strah- genaue zeitlich Lage von Impulsen gemessen wird, lungsempfindlichen Element gelieferten modulierten Da das Meßergebnis auch von der Drehzahl der AbSignals ab. Verschiedene Größen dieses Signals kön- tastscheibe unabhängig ist, kann diese Drehzahl in nen als Meßgröße zur Ermittlung der linearen Dirnen- weiten Grenzen variiert werden und dadurch die Fresion des Objektes herangezogen werden. Man könnte 20 quenz des modulierten Signals dem optimalen Arz. B. den Mittelwert der durchgelassenen Strahlungs- beitsbereich der Signalumformereinrichtung angepaßt intensität verwenden. Dies wäre jedoch ein sehr un- werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Vergenaues Verfahren. Bei einem bekannten Verfahren fahrens besitzt ein zwischen dem Objekt und einem (USA.-Patentschrift 3 003 064) wird die Dauer der strahlungsempfindlichen Element angeordnetes AbIntervalle, in denen das Zwischenbild durch die Ab- 25 tastsystem, bei dem eine Optik durch einen Spalt ein tastscheibe nicht verdunkelt ist, gemessen, und zwar Bild des Objektes auf eine mit Bereichen unterschieddurch Integration der durch die Abtastung entstehen- licher Strahlungsdurchlässigkeit versehene rotierende den einzelnen Impulse. Man hat dadurch den Vorteil, Abtastscheibe projiziert, sowie ein an das strahlungsdaß Helligkeitsschwankungen des Objektes und Dreh- empfindliche Element angeschlossenes Signalumforzahlschwankungen der Scheibe das Meßergebnis in 30 mersystem, das aus dem Abtastsignal des strahlungserster Näherung nicht beeinflussen können. Ein Nach- empfindlichen Elementes ein der zu bestimmenden teil liegt jedoch· darin, daß seitliche Verschiebungen linearen Abmessung entsprechendes elektrisches Sides Objektes das Meßergebnis verfälschen können gnal bildet. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß da- und daß die Vorrichtung, da sie eine Integrierstufe durch gekennzeichnet, daß das Signalumformeraufweist, verhältnismäßig träge arbeitet. Bei einer an- 35 system ein die Gleich- und Wechselstromkomponente deren bekannten Vorrichtung (deutsche Auslegeschrift des Abtastsignals trennendes Filter und ein die 1112 640) wird die Zeitdauer gemessen, die ein Gleich- mit der Wechselstromkomponente verglei-Lichtstrahl zum Abtasten des Objektes benötigt, wo- chendes Meßinstrument aufweist,
bei ein Nachteil dieser Vorrichtung darin liegt, daß Eine besonders bevorzugte Anwendung des erfinsie zu beiden Seiten des Objektes angeordnet sein 40 dungsgemäßen Verfahrens besteht in der Übermuß und außerdem nicht für selbstleuchtende Ob- wachung von an der Vorrichtung vorbeigeführten jekte geeignet ist. Eine weitere bekannte Vorrichtung Objekten auf konstante Abmessung, z. B. Dicke. (USA.-Patentschrift 3 102 204), bei der ebenfalls die Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn das VerZeit gemessen wird, während der ein wandernder fahren so durchgeführt werden kann, daß das Meß-Lichtstrahl vom Objekt unterbrochen wird, hat eben- 45 instrument nur bei einer Abweichung von der Sollfalls die genannten Nachteile und ist ferner verhält- abmessung einen Ausschlag zeigt. Bei der Solldicke nismäßig kompliziert im Aufbau, da sie Einrichtun- muß somit der Modulationsgrad des Abtastsignals gen zur Erzeugung von Referenzlichtimpulsen in ge- Null sein. Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weitersetzmäßig zu- und abnehmenden Zeitintervallen be- bildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in benötigt. 50 sonders einfacher Weise dadurch erreicht werden,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein daß die Abtastscheibe in an sich bekannter Weise ab-Verfahren der genannten Art dahingehend zu ver- wechselnd strahlungsdurchlässige und strahlungsunbessern, daß das Meßergebnis gegen Helligkeits- durchlässige Sektoren gleicher Breite aufweist und Schwankungen und Lageänderungen des Objektes so- relativ zu dem das Bild des Objektes ausblendenden wie Drehzahlschwankungen der Abtastscheibe prak- 55 Spalt in einer zur optischen Achse des Abtastsystems tisch unempfindlich ist, daß die Gewinnung der senkrechten Ebene verschiebbar gelagert ist. Hier-Meßanzeige aus dem modulierten Signal mit ein- durch kann die effektive Breite der am Meßspalt vorfachen und nicht träge arbeitenden elektrischen Ein- beilaufenden Abtastbereiche geändert und hierdurch richtungen möglich ist und daß die Meßempfindlich- der Meßbereich an die gewünschte Sollabmessung des keit bequem und genau einstellbar ist. 60 Objektes angepaßt werden.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren der eingangs Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß als Maß Zeichnungen näher erläutert.

der linearen Abmessung das Verhältnis der Wechsel- F i g. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der

Stromkomponente zur Gleichstromkomponente des Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens;

modulierten Abtastsignals gemessen wird. 65 F i g. 2 ist ein Schnitt längs der Linie A-A von

Das Verhältnis der Wechselstromkomponente zur Fig. 1;

Gleichstromkomponente, im folgenden auch als Mo- F i g. 3 zeigt in gleicher Darstellung wie Fi g. 2 eine

dulationsgrad bezeichnet, ist ein direktes Maß für das geänderte Ausführungsform;

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F i g. 4 zeigt in gleicher Darstellung wie F i g. 2 Wert von ρ bekannt ist, stellt der vom Meßinstru-

und 3 eine weitere Ausführungsform; ment 25 aufgezeigte Modulationsgrad des Signals 20

F i g. 5 zeigt eine andere Ausführungsform des ein Maß für den Durchmesser der Stange 11 dar. Die

elektrischen Teiles der Vorrichtung. Abtastscheibe 16 wird so gewählt, daß der Wert

Bei allen diesen Beispielen dient die Vorrichtung 5 von ρ nicht kleiner ist als die Breite des Zwischenzur Messung einer linearen Abmessung eines Objek- bildes 13. Um eine gute Linearität im Verhältnis zwites, das Strahlung aussendet, durchläßt oder reflek- sehen dem Modulationsgrad des Signals 20 und der tiert, ohne daß sie mit dem Objekt in unmittelbaren Breite W des Bildes 13 (und damit des Durchmesser-Kontakt kommt, beispielsweise zur Messung des wertes der Stange 11) zu bekommen, wird die VorDurchmessers einer heißen zylindrischen Stange 11, io richtung so eingerichtet, daß der Wert W größer ist die infrarote oder sichtbare Lichtstrahlung aussendet. als P/2, jedoch kleiner als p.

Wie aus den F i g. 1 und 2 ersichtlich, gelangt die Bei der Abwandlung gemäß F i g. 3 ist die Vorvon der Stange 11 ausgesandte Strahlung durch eine richtung insgesamt dieselbe wie die in F i g. 1 und 2 Sammellinse 12, die die Stange 13 auf einem Spalt 14 gezeigte; jedoch besitzen die Sektoren 17a der Abin einer Platte 15 abbildet. Der Spalt 14 ist länglich 15 tastscheibe 16 eine größere Länge, und die Abtast- und erstreckt sich in der Richtung, in der der Stan- scheibe 16 kann gegenüber dem Spalt 14 längs der gendurchmesser 11 gemessen werden soll, d. h. im Achse XY verschoben werden. Da die Sektoren 17a rechten Winkel zur Längsachse der Stange 11. Der auf dem Gitter 16 von Radiallinien begrenzt sind, Spalt 14 läßt die Strahlung durch, die umgebende liegen sie an ihren der Achse 9 näheren Enden dichter Platte 15 jedoch nicht. Unmittelbar im Bereich der 20 beisammen ^aIs an ihrem äußeren Ende. Somit kann Platte 15 befindet sich auf der der Linse 12 abge- die räumliche Dichte oder Frequenz der Sektoren wandten Seite eine drehbar auf einer Achse 9 senk- 17a (d. h. die Zahl der Sektoren 17 a auf einer gerecht ihrer Ebene gelagerte Abtastscheibe 16. Eine gebenen Strecke in Richtung des Spaltes 14) durch Anzahl lichtundurchlässiger Sektoren 17 von jeweils Bewegung der Abtastscheibe 16 gegenüber dem Spalt gleicher Winkelbreite, von denen nur einige ge- 25 14 längs der Achse XY geändert werden. Die Sektozeigt sind, sind ringförmig in gleichen Winkelabstän- ren 17 α in F i g. 3 sind ebenfalls sämtlich von gleicher den auf der Abtastscheibe 16 angeordnet. Ein nicht Winkelbreite.

gezeigter Motor versetzt die Abtastscheibe 16 derart Beim Gebrauch der Vorrichtung gemäß F i g. 3 in Drehung, daß die Sektoren 17 sich andauernd und wird die Abtastscheibe mit konstanter Geschwindigmit konstanter Geschwindigkeit am Spalt 14 vorbei- 30 keit um ihre Achse gedreht, so daß die Sektoren 17 bewegen, wobei jeder Sektor 17 etwa rechtwinklig mit konstanter Geschwindigkeit ständig über die zur Spaltrichtung 14 verläuft. Zwischen den Licht- Länge des Spaltes 14 hinweglaufen. Die Abtastscheibe undurchlässigen Sektoren 17 befinden sich licht- wird in der ΑΎ-Richtung verschoben zur Änderung durchlässige Sektoren 18, die unter sich und mit den der Entfernung zwischen der Achse 9 und dem Spalt Sektoren 17 von gleicher Winkelbreite sind. Eine 35 14, wodurch die Entfernung q zwischen den Mitteln fotoelektrische Zelle 19 ist auf der der Linse 12 ab- benachbarter Sektoren 17 a, die sich über den Spalt gewandten Seite der Abtastscheibe 16 vorgesehen und 14 hinwegbewegen, geändert wird. Wenn der Wert q so angeordnet, daß sie die Strahlung der Stange 11 von einem Wert, der größer ist als die Breite W des empfängt, die von dem Spalt 14 und der Abtast- Bildes 13, vermindert wird, vermindert sich auch der scheibe 16 durchgelassen wird. Die fotoelektrische 40 Modulationsgrad des Signals 20, bis q gleich W ist Zelle 19 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal 20, und die Modulation Null oder ein Minimum wird, das die von der Abtastscheibe 16 durchgelassene Wenn die Abtastscheibe 16 weiter gegenüber dem Strahlung repräsentiert. Das elektrische Signal 20 be- Spalt 14 im Sinne einer weiteren Verminderung des steht normalerweise aus einer Gleichstromkompo- Wertes von q bewegt wird, wächst der Modulationsnente, die von einer Wechselstromkomponente über- 45 grad des Signals 20 wieder an, jedoch mit entgegenlagert ist. Es wird einem Filter 21 zugeführt, das die gesetzter Phase. Für eine Absolutmessung von W Komponenten trennt. Die Gleichstromkomponente wird die Abtastscheibe 16 längs der Linie XY ver-22 wird von dem Filter 21 unmittelbar einem Meß- schoben, bis der Modulationsgrad des Signals 20 Null instrument 25 zugeführt. Die Wechselstromkompo- ist oder ein Minimum erreicht. Der Wert von q kann nente 23 wird von dem Filter 21 über ein Schmal- 50 aus den geometrischen Abmessungen der Vorrichtung bandfilter 24 dem Meßinstrument 25 zugeführt. Das errechnet werden; da im Minimum des Modulations-Meßinstrument 25 stellt das Amplitudenverhältnis grades q gleich W ist, kann der Wert von W und dades Wechselstroms zum Gleichstrom fest und ergibt mit der Durchmesser der Stange 11 gefunden werden. damit ein Maß für den Modulationsgrad des elektri- F i g. 4 zeigt eine weitere Abwandlung. Die Anordschen Ausgangssignals 20 der Fotozelle 19, der 55 nung ist im wesentlichen ähnlich der in den F i g. 1 wiederum ein Maß für die Breite des Zwischenbildes und 2 gezeigten, abgesehen davon, daß die räumliche und damit für die Lineardimension des Objektes ist. Dichte der sich über den Spalt 14 bewegenden Sek-

Die Strahlung des Objektes 11 bildet ein Zwischen- toren 17 verändert wird durch Drehung der Achsen

bild 13 der Breite W auf dem Spalt 14. Der Modu- der Drehachse 9 der Abtastscheibe 16 um den Mittel-

lationsgrad des Ausgangssignals 20 der Fotozelle 19 60 punkt des Spaltes 14, wodurch der Winkel Θ zwi-

hängt ab von dem Verhältnis der Breite W des Bildes sehen der Richtung der Sektoren 17 und der des

13 und der Entfernung ρ zwischen den Mitten be- Spaltes 14 geändert wird. Die Abtastscheibe 16 wird

nachbarter Sektoren 17 der Abtastscheibe 16. Wenn mit konstanter Geschwindigkeit um die Achse 9 ge-

die Breite W des Bildes 13 klein ist verglichen mit p, dreht, die so gewählt ist, daß man eine geeignete er-

so nähert sich der Modulationsgrad des Signals 20 65 scheinende Modulationsfrequenz des Signals 20 der

dem Wert 1. Wenn die Breite wächst, fällt der Modu- fotoelektrischen Zelle 19 erhält. Bei dem in Fig. A-

lationsgrad, bis W gleich ρ ist und die Modulation gezeigten Beispiel ist die Breite des Spaltes 14 gleich

des Signals 20 Null oder nahezu Null wird. Da der einem Viertel der Entfernung ρ zwischen den Mitten

benachbarter Sektoren 17, gemessen in einer Richtung senkrecht zu den Sektoren 17.

Bei der Benutzung der Vorrichtung gemäß Fig.4 wird die Drehachse der Abtastscheibe um einen im Zentrum des Spaltes 14 befindlichen Punkt zur Änderung des Winkels Θ gedreht, bis man für den Modulationsgrad des Signals 20 einen Minimalwert erhält. Wenn diese Bedingung eintritt, ist die Breite W des Bildes 13 auf der Abtastscheibe 14 gleich q der in Spaltrichtung gemessenen Entfernung zwischen den Mitten benachbarter Sektoren. Da q gleich p/sin Θ ist, kann der Wert von q aus der Geometrie der Vorrichtung errechnet werden; er gibt ein Maß für den Durchmesser der Stange 11.

Die Vorrichtung nach F i g. 4 kann alternativ folgendermaßen benutzt werden. Es wird die Alternative gemäß F i g. 5 für die Ausgangsschaltung der Fotozelle benutzt, bei der das Ausgangssignal 20 der Fotozelle 19 durch das Filter 24 in das Wechselstrom-Meßinstrument 26 gelangt. Der Modulationsgrad des Signals 20 kann auf dem Wechselstrom-Meßinstrument abgelesen werden, wenn Θ gleich 0° ist (d. h. wenn q unendlich ist); der Modulationsgrad wird weiterhin gemessen bei einem vorher ausgewählten Wert O₁ des Winkels Θ. Aus diesen beiden Meßwerten können die Breite W des Bildes 13 und damit der Durchmesser der Stange 11 bestimmt werden.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Einzelheiten der obigen Beispiele. Beispielsweise kann die Abtastscheibe 16 vor oder hinter dem Spalt 14 vorgesehen sein, vorausgesetzt, daß sie genügend dicht bei dem Spalt 14 und bei der Bildebene des Bildes 13 liegt.

Die Vorrichtung nach den obigen Beispielen der Erfindung kann ohne Änderung benutzt werden zur Messung der linearen Erstreckung einer Strahlung absorbierenden Stange, die die Strahlungsquelle teilweise von der fotoelektrischen Zelle abschirmt, in welchem Falle das Bild der Stange dunkel auf hellem Hintergrund erscheint.

Es ist möglich, gleichzeitig mehrere verschiedene Lineardimensionen eines Körpers unter Benutzung einer entsprechenden Anzahl Abtastemrichungen der beschriebenen Art, die an einen gemeinsamen Signalformer angeschlossen sind, zu messen. Die Abtastein- richtungen haben verschiedene Abtastfrequenzen, so daß das zu jeder zu messenden Dimension gehörende Signal aus dem Ausgangssignal ausgefiltert werden kann.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann benutzt werden zum Lesen eines gedruckten Codes, der aus einer Serie von Linien verschiedener Breite besteht. Die Vorrichtung kann auch benutzt werden zur Feststellung der Entfernung eines Objektes bestimmter Breite von dem Meßinstrument, da die Breite des Abbildes von dieser Entfernung abhängt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen einer linearen Abmessung eines Strahlen aussendenden, durchlassenden oder reflektierenden Objektes, bei dem der vom Objekt bestimmte Strahlengang in oder nahe der Abbildungsebene eines Zwischenbildes durch eine Abtastscheibe mit Bereichen unterschiedlicher Strahlungsdurchlässigkeit moduliert wird und bei dem aus dem entsprechend modulierten Abtastsignal eines strahlungsempfindlichen Elementes ein der linearen Abmessung entsprechendes Signal gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß der linearen Abmessung das Verhältnis der Wechselstromkomponente zur Gleichstromkomponente des modulierten Abtastsignals gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verschieben der Abtastscheibe relativ zu dem das Bild des Objektes ausblendenden Spalt die für die Modulation des Strahlengangs wirksame Breite der Bereiche unterschiedlicher Strahlungsdurchlässigkeit so eingestellt wird, daß das Verhältnis der Wechselstromkomponente zur Gleichstromkomponente ein Minimum ist, und daß die hierfür erforderliche relative Verschiebungsstrecke der Abtastscheibe zum Spalt gemessen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem zwischen dem Objekt und einem strahlungsempfindlichen Element angeordneten Abtastsystem, bei dem eine Optik durch einen Spalt ein Bild des Objektes auf eine mit Bereichen unterschiedlicher Strahlungsdurchlässigkeit versehene rotierende Abtastscheibe projiziert, und mit einem an das strahlungsempfindliche Element angeschlossenen Signalumformersystem, das aus dem Abtastsignal des strahlungsempfindlichen Elementes ein der zu bestimmenden linearen Abmessung entsprechendes elektrisches Signal bildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalumformersystem ein die Gleich- und Wechselstromkomponente des Ab-' tastsignals trennendes Filter (21) und ein die Gleich- mit der Wechselstromkomponente vergleichendes Meßinstrument (25) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastscheibe (16) in an sich bekannter Weise abwechselnd strahlungsdurchlässige und strahlungsundurchlässige Sektoren (17, 18) gleicher Breite aufweist und relativ zu dem das Bild des Objektes ausblendenden Spalt (14) in einer zur optischen Achse des Abtastsystems senkrechten Ebene verschiebbar gelagert ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen