DE2209667C3

DE2209667C3 - Einrichtung zur beruhrungslosen Messung

Info

Publication number: DE2209667C3
Application number: DE2209667A
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl.-Ing. Heitmann; Eckart Schneider
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1972-03-01
Filing date: 1972-03-01
Publication date: 1980-09-04
Also published as: GB1421571A; CH556029A; DE2209667B2; DE2209667A1; JPS5712104B2; FR2174064A1; IT977774B; JPS4925971A; US3856401A; FR2174064B1; NL7301793A

Description

ίο Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit oder des Weges von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage nach einer oder zwei Meßkoordinatenrichtungen.

Es sind bereits optische Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen bekannt, bei denen das bewegte Objekt auf ein Gitter mit Linienzahl k pro mm abgebildet wird, 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 / der Geschwindigkeit des Objektfeldes ν relativ zum Gitter und zu k proportional ist. Es gilt

^2> / = ν · k

Dieses Signal ist überlagert von längerperiodischen Signalen (Gleichlicht) entsprechend dem Integral über die Bildanteile mit Ortsfrequenzen, die k nicht entsprechen. Zur Unterdrückung dieses Gleichlichtanteils ist eine Einrichtung mit einem speziellen Fotoempfängerpaar mit ineinandergeschachtelten streif enförmigen Elektroden bekannt (DE-OS 1673408), 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 Streifenzahl, welche in unmittelbarem Zusammenhang mit der Meßgenauigkeit des Systems steht.
Des weiteren ist eine Einrichtung zur Kompensation der Bewegung eines Bildes in einer Luftbildkamera während der Belichtungszeit bekannt (GB-PS 1249302), bei der mittels eines Dachkanten- oder Pyramidenrasters und diesem nachgeschalteter fotoelektrischer Empfänger Steuersignale abgeleitet wer-

V) den, welche entweder den Film in der Kamera oder das abbildende optische System dieser Kamera derart nachführen, daß ein abzubildendes Objekt während der Belichtungszeit stets auf die gleiche Stelle des Films abgebildet wird. Diese vorbekannte Einrichtung erbringt keine Richtungsinformation, so daß ihre Anwendung nur in einer vorgegebenen Bewegungsrichtung möglich ist.

Durch die FR-PS 2044366 ist weiterhin ein Geschwindigkeitsmesser bekannt, der mit einem Gitter

bo arbeitet und dessen fotoelektrischer Empfänger eine geschwindigkeitsproportionale Frequenz erzeugt. Zwischen Gitter und fotoelektrischem Empfänger dieser Einrichtung ist eine Optik sowie eine in deren Brennebene montierte Schlitzblende angeordnet. Bei

·,-, paralleler Relativbewegung zwischen Meßobjekt und Meßeinrichtung wird die geschwindigkeitsproportionale Frequenz aus den vom Objekt ausgehenden Lichtflüssen, die aufgrund der durchlässigen bzw. un-

durchlässigen Gitterzonen den fotoelektrischen Empfänger beaufschlagen, erzeugt Die Messung erfolgt ?$ durch direkte Objektabtastung. Die Einrichtung ist

ϊξ technisch aufwendig und erbringt keine Richtungsin-

: formation. Ihre Anwendung ist ebenfalls nur in einer

■■; vorgegebenen Bewegungsrichtung möglich.

; Letztlich ist durch die DE-PS 2144487 auch eine

r Einrichtung mit einem optischen Korrelator zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit von Objekten ohne spezielle Markierung gegenüber einer Bezugslage geschützt, deren Ausgangssignale im Gegentakt sind und die bei bewegtem Objekt eine Zeit- ■ frequenz liefert, die je nach Bewegungsrichtung des

Objektes entweder der Summe oder der Differenz von Objekt- und Gitterbewegungsgeschwindigkeit proportional ist. Die Messung der Objektbewegung ist mit dieser Einrichtung jedoch nur in einer Koordinatenrichtung möglich.

Der vorliegenden Erfindung lag dH Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage zu schaffen, mit der in äußerst einfacher Weise Richtungsinformationen auch entsprechend zwei sich kreuzenden Koordinatenrichtungen gewonnen werden können. Dabei ist darauf zu achten, daß die neue Einrichtung sich mit handelsüblichen optischen und elektronischen Bauteilen leicht realisieren läßt.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung gemäß des Oberbegriffs der Ansprüche 1 und 2, Ute sich dadurch auszeichnet, daß ein das Gitter des optischen !Correlators senkrecht zur optischen Achse in oszillierende Bewegung versetzender elektrischer Antrieb vorgesehen ist.

Die neue Einrichtung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreuzgitter verwendet ist, welches ein Antrieb kontinuierlich senkrecht zur optischen Achse bewegt.

Bei Verwendung eines Kreuzgitters bewirkt der Antrieb eine Bewegung parallel zu den Rasterelementen. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß bei Verwendung eines Kreuzgitters der Antrieb eine Bewegung bewirkt, deren Richtung mit der Diagonalen der Rasterelemente einen Winkel einschließt.

Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß der Antrieb bei Verwendung eines einkoordinatigen Dachkantenrasters derart erfolgt, daß die Bewegung senkrecht zur optischen Achse und zu den Dachkanten verläuft.

Es ist jedoch aber auch möglich, daß bei Verwendung eines einkoordinatigen Dachkantenrasters der Antrieb derart erfolgt, daß die Richtung der Bewegung mit der optischen Achse und/oder den Dachkanten einen Winkel Φ90° einschließen.

Ausführungsbeispiele für die neue Einrichtung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung zum Messen nach einer Koordinatenrichtung,

Fig. 2 eine Einrichtung τυτι Messen nach zwei Koordinatenrichtungen.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein bewegtes transparentes Objekt bezeichnet, dessen Relativgeschwindigkeit im Durchlicht gemessen werden soll. Dieses Objekt 1 wird von einer Lampe 2 über einen Kondensor 3 beleuchtet. Ein Objektiv 4 bildet das Objekt 1 in die Ebene eines Gitters 5 ab. Dieses Gitter 5 ist als Furchengitter mit dreieckförmigem Furchenquerschnitt 6 ausgebildet. Dadurch, daß die Flanken der Gitterfurchen abwechselnd ungleiche Neigungen aufweisen, wird eine Energieaufspaltung zwischen um eine halbe Gitterkonstante gegeneinander versetzten Bildpunkten durch die unterschiedliche Lichtablenkung benachbarter Flanken erzeugt. Die Energie je einer Ablenkungsrichtung wird über Kondensoren 8, 9 je einem der fotoelektrischen Empfänger 10, 11 zugeführt.

ι ο Da die Objektstruktur, wie auf dein Objekt 1 durch dunkle Bereiche angedeutet, das Licht verschieden stark hindurchläßt, enthalten die Ausgangssignale der Fotozellen 10, 11 veränderliche Gleichanteile entsprechend der zeitlichen Änderung der Helligkeitsverteilung in der Ebene des Gitters 5 infolge der Bewegung des Objektes 1. Durch die Überlagerung der Objektstruktur mit der Struktur des Gitters ergibt sich eine Ausfilterung der Bildstrukturanteile, deren Ortsfrequenz der Gitterkonstante entspricht. Dabei wer- den 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 erhält man eine Elimination der gleichphasigen Gleichlichtanteile und eine

jo Addition der gegenphasigen Signalanteile der ausgefilterten Ortsfrequenz. Bei Bewegung des Objektes relativ zum Raster wird dann, wie bekannt, die Ortsfrequenz in geschwindigkeitsproportionale Zeitfrequenz umgesetzt und gemessen.

Das Gitter 5 ist in Pfeilrichtung verschieblich gelagert. Ein in der Zeichnung gestrichelt dargestellter elektrischer Antrieb 15 gestattet es, das Gitter relativ zur optischen Achse definiert zu bewegen. Tut man solches, so erhält man auch bei ortsfester Lage des Objektes am Ausgang der Empfänger 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, so muß die Anzahl der durchlaufenden Perioden am Ausgang des Vergleichers unter Berücksichtigung der ebenfalls vorhandenen Richtungsinformation gezählt werden.

InFig. 2 ist eine Abwandlung des in F i g. 1 Gezeigten dargestellt. Hier weisen gleichlautende Bezugszeichen auf gleiche Bauteile hin. Das Gitter 25 besteht hier jedoch aus auf einem Träger 26 in einer Vielzahl vorhandenen gleichartigen, mit den Kanten ihrer Grundflächen parallel zueinander und nebeneinander

bo liegenden Pyramiden 27. Durch die Normalen der Pyramidenflächen sind in der Ebene des Gitters zwei Richtungspaare definiert, denen vier fotoelektrische Empfänger 28 bis 31 mit vier Kondensoren 32 bis 35 zugeordnet sind. Es ist also möglich, mittels dieses

_b5 Gitters in der Gitterebene nach zwei zueinander nicht parallelen Richtungen zu messen. Darüber hinaus läßt sich mit Hilfe dieser Gitteranordnung für jede Koordinatenrichtung ein Gegentaktsignalpaar gewinnen,

die es in der oben beschriebenen Weise ermöglichen, Gleichlichtanteile aus den anfallenden Meßsignalen zu eliminieren.

Wie angedeutet, ist auch hier ein Antrieb 15 vorhanden, der aber in Abweichung vom in Fig. 1 Gezeigten derart am beweglich gelagerten Gitter 25 angreift, daß dieses senkrecht zur optischen Achse und vorzugsweise in Richtung der Diagonalen seiner Rastereleniente bewegt wird. Aus dieser Bewegung lassen sich in bereits oben beschriebener Weise richtungsdefinierende Signale ableiten, und zwar für jede der durch die Rasterelementeanordnung vorbestimmten Koordinatenrichtungen.

Selbstverständlich ist es möglich, die jeweils einei

ι Koordinatenrichtung zugeordneten fotoelektrischer Empfänger durch einen einzigen fotoelektrischer Empfänger zu ersetzen, der beispielsweise mittels eines oszillierenden Spiegels wechselweise den beider Richtungen der das Gitter verlassenden Strahlenbün-

ι» del zugeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit oder des Weges von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage nach einer oder zwei Meßkoordinatenrichtungen unter Verwendung eines optischen Korrektors, der eine Abbildungsoptik, mindestens ein vorzugsweise in der Bildebene dieser Optik angeordnetes Gitter sowie ein mindestens einen fotoelektrischen Empfänger enthaltendes Empfängersystem umfaßt und Signale mit einer der Bewegungsgeschwindigkeit proportionalen Frequenzkomponenten erzeugt und dessen als Ortsfrequenzfilter wirkendes Gitter im Querschnitt dreieckförmig dreidimensionale Strukturen aufweist, die zeilenweise nebeneinanderliegend angeordnet sind, und in welchem diesem Gitter je Meßkoordiantenrichtung vorzugsweise zwei fotoelektrische Empfänger zugeordnet sind, deren Ausgangssignale aufgrund der geometrischen Ausbildung des Gitters für dessen Ortsfrequenz im Gegentakt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Gitter (6; 25) des optischen Korrelators senkrecht zur optischen Achse in oszillierende Bewegung versetzender elektrischer Antrieb (15) vorgesehen ist.

2. Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit oder des Weges von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage nach einer oder zwei Meßkoordinatenrichtungen unter Verwendung eines optischen Korrelators, der eine Abbildungsoptik, mindestens ein vorzugsweise in der Bildebene dieser Optik angeordnetes Gitter sowie eine mindestens einen fotoelektrischen Empfänger enthaltendes Empfängersystem umfaßt und Signale mit einer der Bewegungsgeschwindigkeit proportionalen Frequenzkomponenten erzeugt und dessen als Ortsfrequenzfilter wirkendes Gitter im Querschnitt dreieckförmige, dreidimensionale Strukturen aufweist, die zeilenweise nebeneinanderliegend angeordnet sind, und in welchem diesem Gitter je Meßkoordinatenrichtung vorzugsweise zwei fotoelektrische Empfänger zugeordnet sind, deren Ausgangssignale aufgrund der geometrischen Ausbildung des Gitters für dessen Ortsfrequenz im Gegentakt sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kreuzgitter (25) verwendet ist, welches ein Antrieb (15) kontinuierlich senkrecht zur optischen Achse bewegt.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Kreuzgitters (25) der Antrieb (15) eine Bewegung parallel zur Diagonalen der Rasterelemente bewirkt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb bei Verwendung eines einkoordinatigen Dachkantenrasters (6) derart erfolgt, daß die Bewegung senkrecht zur optischen Achse und zu den Dachkanten verläuft.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Kreuzgitters (25) der Antrieb eine Bewegung bewirkt, deren Richtung mit der Diagonalen der Rasterelemente einen Winkel einschließt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge-

kennzeichnet, daß der Antrieb bei Verwendung eines einkoordinatigen Dachkantenrasters (6) derart erfolgt, daß die Richtung der Bewegung mit der optischen Achse und/oder den Dachkanten einen Winkel + 90° einschließt