DE2210681B2

DE2210681B2 - Einrichtung zur berührungslosen Messung

Info

Publication number: DE2210681B2
Application number: DE2210681A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr. Hartmann; Hans-Werner Stankewitz
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1972-03-06
Filing date: 1972-03-06
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2210681C3; FR2174863B1; IT977775B; FR2174863A1; DE2210681A1; GB1426753A; US3856400A; CH556539A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur

ίο berührungslosen Messung der Geschwindigkeit, des Weges oder der Entfernung von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage.

Es sind bereits optische Geschwindigkeitsmeßeinrich-

Ii tungen bekannt, bei denen Relativbewegungen eines Objektes gegenüber einem fotoelektrischen Empfänger von der Relativgeschwindigkeit abhängige Meßgrößen erzeugen.

Das bewegte Objekt wird auf ein Gitter mit der Linienzahl k pro mm abgebildet, 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 Objektbildes ν relativ zum Gitter und zu k proportional ist.

Es gilt/= ν ■ k

Dieses Signal ist überlagert von längerperiodischen Signalen (Gleichlicht) entsprechend dem Integral über die Bildanteile mit Ortsfrequenzen, die k nicht entsprechen. Zus Unterdrückung dieses Gleichlichtanteils ist eine Einrichtung mit einem speziellen Fotoempfängerpaar mit ineinandergeschachtelten streifenförmigen Elektroden bekannt, 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit oder Entfernung von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage zu schaffen, bei der in äußerst einfacher Weise die Gleichlichtanteile unterdrückt werden können, die lichtstark ist, die sich mit handelsüblichen optischen und elektronischen Bauteilen leicht realisieren läßt und eine große Flexibilität in bezug auf die speziellen Eigenarten vorliegender Meßobjekte aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung der eingangs genannten A^rt mit Abbildung des Objektes auf ein Raster als Korrelator und Ortsfrequenzfilter und Messung des dieses Raster verlassenden Lichtflusses mittels fotoelektrischer Mittel. Diese Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß das Raster in Form eines Trägers mit flächenhaften farbigen Strukturen ausgebildet ist, welche entsprechend ihrer Farbe abwechselnd zeilenweise nebeneinanderliegen, und daß diesem Träger über mindestens einen chromatischen Teiler vorzugsweise zwei fotoelektrische Empfänger nachgeordnet sind, deren Ausgangssignale aufgrund der physikalischen Ausbildung des Gitters um definierte Beträge gegeneinander in ihrer Phasenlage verschoben

sind. Dabei können nur in zwei Farben ausgeführte, vorzugsweise als Striche oder Rechtecke ausgebildete Strukturen vorgesehen sein, und die Empfänger werden dann so angeordnet, daß ihre Ausgangssignale im Gegentakt sind. Auch können zum Zwecke der Messung nach zwei Koordinatenrichtungen in mehr als zwei Farben ausgeführte Strukturen abwechselnd zeilenweise angeordnet sein.

In Fortführung dieses Gedankens können die farbigen Strukturen als mit ihren Seiten parallel |₀ zueinander und nebeneinander liegende, mit vier fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben eingefärbte Dreiecke ausgebildet sein, wobei jeweils vier unterschiedlich gefärbte Dreiecke in einem Punkt zusammenstoßen und über entsprechende chromatische Teiler vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet ist. Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung der Einrichtung zur Messung nach zwei Koordinatenrichtungen liegt darin, daß die Strukturen vorzugsweise als Rechtecke in zwei Farben ausgeführt und nach Art eines Schachbretts angeordnet sind, sowie daß Antriebsmittel zum kontinuierlichen Bewegen des Trägers nach einer Koordinatenrichtung vorgesehen sind. Die chromatischen Teiler können als I ntcrferenzfilter ausgebildet sein. Schließlich können die farbigen Strukturen als Rechteckraster ausgebildet sein, wobei die Rechtecke einander abwechselnder Zeilen das Licht einer Farbe besonders stark bzw. besonders schwach absorbieren und die Rechtecke einander abwechselnder Spalten das Licht einer anderen Farbe besonders stark bzw. schwach absorbieren und über mindestens einen entsprechenden chromatischen Teiler vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet ist.

In vielen Fällen ist es von Vorteil, die farbigen js Strukturen nebst den zugehörigen chromatischen Teilern für Messungen mit infrarotem oder ultraviolettem Licht auszulegen.

Der besondere Vorteil des Anmeldungsgegenstandes gegenüber bekanntem liegt darin, daß bei der Erzeugung von Signalen mit Richtungskennung die Anwendung relativ einfacher Gitter als Korrelatoren möglich ist, ohne daß dadurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird.

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

Fig. I eine Einrichtung zum Messen nach einer Koordinatenrichtung,

Fig. la eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten -,o Gitters zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen,

Fig. 2 eine spezielle Ausführungsform des Schachbrettgitters nach Fig. la,

F i g. 3 eine Einrichtung mit mehrfarbigem Gitter zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen.

In Fig. I 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 ist aus in zwei fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben eingefärbten, mit ihren Längskanten nebeneinanderliegenden Streifen 6, 6' gebildet. Dadurch, daß die Gitterstreifen abwechselnd verschiedene Farben aufweisen, wird durch die unterschiedliche Färbung benachbarter Streifen eine Energieaufspaltung zwischen um eine halbe Gitterkonstante gegeneinander versetzten Bildpunkten erzeugt. Die unterschiedlich gefärbten Lichtanteile werden mittels eines chromatischen Teilers 8 voneinander getrennt und dann je eintm fotoelektrischen Empfänger JO oder 1! zugeführt.

Da die Objektstruktur, wie auf dem 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 werden zusätzliche niederfrequentere Bildanteile als störender Gleichlichtantei! 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 Ortssigntl um 180° in der Phase verschoben ist. Durch anschließende Differenzbildung :.:r aus den beiden Bildanteilen gewonnenen elektrischen Signale der beiden Empfänger 10, 11 erhält man eine Elimination der gleichphasigen Gleichlichtanteile und eine Addition der gegenphasigen Signalanteile der ausgefilterten Ortsf' squenz. Bei Bewegung des Objektes wird dann, wie bekannt, die Ortsfrequenz in geschwindigkeitsproportionale Zeitfrequenz umgesetzt und gemessen.

Es ist natürlich auch möglich, bei ortsfester Lage des Objektes das Gitter 5 relativ zur optischen Achse des Gerätes definiert zu bewegen (Antrieb 15. gestrichelt angedeutet). Tut man solches beispielsweise in einer Richtung, so erhält man am Ausgang des Empfängers bei ruhendem Objekt eine Zeitfrequenz, die nur der Bewegungsgeschwindigkeit des Gitters 5 proportional ist. Bei bewegtem Objekt dagegen erhält man 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 phasencmpfindlicheri Gleichrichters) Größe und Richtung der Objektbewegung bestimmen.

Soll die Ortslage gemessen wei-dpn, so muß die Anzahl der durchlaufenden Perioden am Ausgang des Vergleichers unter Berücksichtigung der ebenfalls vorhandenen Richtungsinformation gezählt werden.

Zur Gewinnung einer Richtungsinformation können in bekannter Weise polarisierende optische Mittel in den Strahlengang eingefügt werden.

Mit der in F i g. 1 dargestellten Einrichtung lassen s:~h auch Messungen nach zwei Koordinatenrichtungen Hurt'iführen, wenn das Gitter 5 durch ein solches nach Fig. la ersetzt wird. Wie ersichtlich, ist dieses Gitter nach Art eines Schachbretts ausgeführt., d. h. die Farbstreifen der einzelnen Gitterzeilen sind in aufeinanderfolgenden Zeilen jeweils um eine halbe Periode versetzt. Um hier zu einer eindeutigen Aussage darüber zu kommen, welche Signalanteile den jeweiligen Koordinatenrichtungen zugeordnet sind, wird das Gitter mitteis eines Antriebs 15 nach einer Koordinatenrichtung angetrieben. Beim Messen fallen also an jedem der beiden Empfänger 10,11 zwei Signale an, die sich hinsichtlich ihrir Frequenz erheblich voneinander unterscheiden. Das sich bei einer Bewegung des Objektes ergebende niederfrequentere Signal gibt mit seinen Amplitudenänderunßen ein Maß für die Bcwe-

gung des Objektes nach der einen Koordinaienrichluiig, während die Änderung der Phasenlage des höherfrequenteren Signals ein MaO für die Bewegung des Objektes nach der anderen Koordinatenrichtung ist. Die Auswertung dieser Signale erfolgt in bekannter und daher hier nicht mehr besonders beschriebener Weise.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem für zwei Farben ausgelegten Schachbrettraster, bei dessen Anwendung der Antrieb des Gitters längs der einen Koordinatenrichtung entfallen kann. In den Feldern dieses Rasters ist abweichend vom in Fig. la gezeigten durch Einzcichnung der jeweiligen Transmissionsdia gramme aufgezeigt, daß benachbarte Felder unterschiedliche Transmissionen für die beiden Farben aufweisen, jedes Feld hat also eine gewisse bestimmte Transmission für jede der beiden Farben. Die Rechtecke einander abwechselnder Zeilen absorbieren (Zeile 10) bzw. Iransmittieren (/.eile 11) das Licht der einen Farbe iap'itrirhplt rinac/pirhnpll I .psonrlprs

Oip Rprht-

ecke einander abwechselnder Spalten absorbieren (Spalte 13) bzw. transmitticren (Spalte 12) hingegen das Licht der anderen Farbe (durchgezogen dargestellt) besonders s;ark. Im Licht der einen Farbe (gestrichelt) erscheinen daher nur die Zeilen, im Licht der anderen Farbe (ausgezogen) nur die Spalten kontrastreich. Demgemäß sind nunmehr die McOsignale je eines der fotoelektrischen Empfänger 10, 11 je einer Koordinatenrichtung zugeordnet.

In Fig. 3 ist eine Einrichtung zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen dargestellt, bei der ein mehrfarbiges Raster Verwendung findet. Auch hier wird von einer Lichtquelle 2 über einen Kondensor 3 ein transparentes Objekt I beleuchtet und mittels einer Optik 4 in die Ebene eines R;>:,ters 25 abgebildet, zu dem F i g. 3a F.inzelheiten seiner Teilung erkennen läßt. Dem Raster sind über chromatische Teiler 32—34 vier fotoelektrische Empfänger 28 — 31 nachgeordnet, welche bei einer relativen Bewegung des Objektbildes zum Raster jeweils paarweise zueinander im Gegentakt befindliche Signale liefern. Die Ausweitung dieser Signale erfolgi in bekannter und daher nicht mehr eigens beschriebener Weise.

Wie ersichtlich, ist auch bei dieser Einrichtung das Raster 25 in der Weise aufgebaut, daß auf einem Träger 26 rechteckförmige, einander berührende Muster aufgebracht sind. Jedes Muster besteht aus vier dreieckförmigen. durch die Diagonalen des Rechtecks begrenzten Farbfeldern, die je Rechteck in vier voneinander fotoelektrisch unlerschcidbaren Farber eingefärbt sind. Die Anordnung dieser Rechtecke isl derart, daß gleichfarbige Dreiecke in allen Rechtecker die gleiche Orientierung haben.

Nachdem also das Raster vier unterschiedliche Farben aufweist, sind die chromatischen Teiler 32—34 derart ausgebildet, daß jeder von ihnen jeweils nut einen Farbanteil aus dem Farbgemisch ausblendet, die übrigen Anteile aber nahezu ungehindert durchläßt. Aul diese Weise ist sichergestellt, daß die fotoelektrischer Empfänger 28-31 tatsächlich nur l.ichtflüssc erhalten die einer speziellen ihnen zugeordneten Farbe entsprechen.

lici den soweit beschriebenen Einrichtungen zur Geschwindigkeitsmessung wurde vorausgesetzt. dal] das anzumessende Objekt in die Ebene der Korrelalionsraster scKarf abgebildet wird, denn nur in diesem Falle haben die elektrischen Ausgangssignalc der K r.rrpjntnrpn π"!3^γ.!ΓΡ-3!^ρ AfH¹¹Ut¹Jd?. S'.?!!^pn di^pSC ΕϊΠΓί'-'l·.

Hingen hingegen zur Messung der Entfernung vor Objekten verwendet werden, so wird die Einstellung dei das Objekt abbildenden Optik so lange verändert, bv die Amplitude der Ausgangssignale maximal und damii die Schärfenebene des Objektbildes eingefangen ist Aus dieser optimalen Einstellung läßt sich dann ir bekannter Weise die Objektentfernung ermitteln beispielsweise durch vorherige Eichung der Lage dci SchärfeneK^ne in bezug auf unterschiedliche Objekt entfernungen.

Wie ersichtlich, sind alle Ausführungsbeispiele ir Durchlichtdarstellung gezeigt, d. h. bei allen dargestell ten Einrichtungen sind die Raster transparent ausge führt und die fotoelektrischen Empfänger befinden sich in Lichtrichtung gesehen, hinter den Rastern. Selbstverständlich lassen sich für die Beispiele entsprechende Rasterausführungen herstellen, welche die Funktior eines Reflexionsgitters ausüben, wobei dann die fotoelektrischen Empfänger vor den Rastern angeord net sind. Anstelle der dargestellten fotoelektrischer Empfänger kann auch jedem oppositionellen Richtungskoordinatenpaar ein gemeinsamer fotoelektrischer Empfänger zugeordnet sein, der mit den Strahlenanteilen wechselweise beaufschlagt wird. Ja. es ist sogar möglich, beim in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel nur einen fotoelektrischen Empfänger vorzusehen der über einen Abfrager zyklisch mit den den vier Koordinatenrichtungen entsprechenden Strahlenanteilen beaufschlagt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit, des Weges oder der Entfernung von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenüber einer Bezugslage mit Abbildung des Objektes auf ein Raster als Korrelator und Ortsfrequenzfilter und Messung des dieses Raster nach dem Zusammenwirken mit diesem Raster verlassenden Lichtflusses mittels fotoelektrischer Mittel, deren Ausgangssignale eine der Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Frequenzkomponente aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster (5,25) in Form eines Trägers (26) mit flächenhaften farbigen Strukturen (6, 6', 27) ausgebildet ist, welche entsprechend ihrer Farbe abwechselnd zeilenweise nebeneinanderliegen und daß diesem Träger über mindestens einen chromatischen Teiler (8) vorzugsweise zwei fotoelektrische Empfänger (10, 11) nachgeordnet sind, deren Ausgangssignale aufgrund der physikalischen Ausbildung des Rasters um definierte Beträge gegeneinander in ihrer Phasenlage verschoben sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur in zwei Farben ausgeführte, vorzugsweise als Striche oder Rechtecke (6, 6') ausgebildete Strukturen vorgesehen sind und daß die Empfänger (10, 11) so angeordnet sind, daß ihre Ausgangssignale im Gegentakt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Messung nach zwei Koordinate.\.ichtungen die Strukturen vorzugsweise als Rechtecke (6'") in zwei Farben ausgeführt und nach Art eines Schachbretts angeordnet sind und daß Antriebsmittel (15) zum kr ^tinuierlichen Bewegen des Trägers nach einer Koordinatenrichtung vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke der Messung nach zwei Koordinatenrichtungen in mehr als zwei Farben ausgeführte Strukturen abwechselnd zeilenweise angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenuzeichnet, daß der chromatische Teiler als Interferenzfilter ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die farbigen Strukturen als mit ihren Seiten parallel zueinander und nebeneinander liegende, mit vier fotoelektrisch voneinander unterscheidbaren Farben eingefärbte Dreiecke (27) ausgebildet sind, wobei jeweils vier unterschiedlich gefärbte Dreiecke in einem Punkt zusammenstoßen, und daß über entsprechende chromatische Teiler (32,33,34) vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger (28,29,30,31) zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch I zum Messen nach zwei Koordinatenrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die farbigen Strukturen des Rasters in zwei Farben so ausgebildet sind, daß die Strukturen benachbarter Zeilen (20, 21) das Licht der einen Farbe abwechselnd besonders stark bzw. besonders schwach absorbieren und die Strukturen benachbarter Spalten (22, 23) das Licht der anderen Farbe besonders stark bzw. besonders schwach absorbieren und daß über mindestens einen entsprechenden chromatischen Teiler (8) vorzugsweise jeder Farbe ein fotoelektrischer Empfänger zugeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die farbigen Strukturen (6,6', 27) nebst den zugehörigen chromatischen Teilern für Messungen mit infrarotem oder ultraviolettem Licht ausgelegt sind.