DE2502001A1 - Blendenanordnung zur optimalen signalbeeinflussung in photoelektrische signale erzeugenden optischen systemen - Google Patents

Description

• Blendenanordnung zur optimalen Signalbeeinflussung in photoelektrische Signale erzeugenden optischen Systemen Bei der Messung von Geschwindigkeiten, Positionsänderungen oder axialen Bildlagen durch die Auswertung des an den Meßobjekten oder Maßverkörperungen gebeugten Lichtes durch die Rüclgmischung von bei ir Beugung gegeneinander in der Richtung geneigter Teilwellen an strahlrichtungsändernden optischen Bauteilen wie Beugungsgittern, Wollastonprismen und dergleichen ist durch die- optischen Eigenschaften des Rückmischgliedes der Ortsfrequenzbereich, in dem die auswuwertende Information der Mef3lichtflüsse liegt, vorgegeben.
• In vielen optischen Anordnungen verwendet man neben Lichtdempfungsfiltern geometrische, die Bündelquerschnitte beschneidende Blendenanordnungen, um entweder die Lichtflüsse oder die Tiefenschärfe von Abbildungen zu regeln.
• Die seither verwendeten Blendenanordnungen wie Irisblenden, Spaltblenden mit zwei oder vier Spaltbacken, auf Schiebern oder Revolvern angeordnete abgestufte Reihen von Kreis- oder Vierecköffnungen, sind ungeeignet,um in auf bestimmte Orts- oder Winkelfrequenzen festgelegten Objektkorrelatoren die Lichtflüsse optimal zu steuern.
• Solche Objekt-Gitterkorrelatoren sind z.B. in den Patentschriften U S 2307646, U S 3702937, U S 2016036, Brit. Pat. 1249302, U S Pat 2 413 349, U S Pat 3677647, Brit. Pat. 1307431, Brit. Pat 1285176, D O S 2158761, bekannt geworden.
• Die Grundlage für die nachstehend beschriebene Erfindung besteht in der Erkenntnis, daß bei der Abblendung mit den üblichen zentral zur optischen Achse wirksamen Blenden Lichtwellenteile herausgeschnitten werden, ohne daß dabei der bei der Rückmischung der herausgeschnittenen Lichtwellenteile geometrisch überlagerte und zumindest teilkohärent interferierende Lichtwellenteil ebenfalls unterdrückt wird Durch den fehlenden Interferenzpartner wird der Lichtempfänger mit einem nur Rauschsignale tragenden Gleichlichtfluß belastet, so daß das Signal- zu Rauschverhältnis unnötig verschlechtert wird.
• Die Abblendung mit zur optischen Achse zentrierter runder Blende zur Vergrößerung der Schärfentiefe vergrößert die Schärfentiefe nicht optimal.
• Den wirksamen Orts- bzw. Winkelfrequenzen der optischen Geschwindigkeits- und Positionsänderungsmeßgeräte entsprechen kohärente Teillichtflüsse, die vom Objekt aus in unterschiedliche Raumwinkelbereiche abgestrahlt und durch das den Winkelunterschied dieser Raumwinkelbereiche bestimmende Rückmischglied im gleichen Haumwinkelbereich vereinigt, dem Empfänger zugeführt werden.
• Erfindungsgemäß wird eine Blendenanordnung mit mindestens zwei, durch Austausch von Blendenträgern oder Verlagerung der Blendenränder gekoppelt, variablen Blendenöffnungen so gestaltet, daß der jeweiligen Meßkoordinate im Objektraum mindestens zwei mit Meßstrahlung mehr oder weniger erfüllte Raumwinkelbereiche, die gegeneinander geneigt sind, zugeordnet sind und daß bei gekoppelter Veränderung der Blendenöffnungen die Raumwinkelbereiche deckungsgleich verändert werden, wobei die Winkelbeziehungen der Raumwinkelbereiche untereinander erhalten bleiben.
• Im Strahlverlauf von der Objektfläche zu der Empfängerfläche können die gekoppelt variablen Blendenöffnungen in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Die für die Anordnung der Blenden zulässigen Ebenen zeichnen sich dadurch aus, daß diese zumindest angenähert im Unendlichen gegenüber der Objektebene liegen. Durch die Blendenlage im Unendlichen ist jedem Flächenelement in der Blendenfläche eine Raumrichtung im Objektraum zugeordnet, solange das Licht das Rückmischglied noch nicht durchlaufen kBt. Je nach der Zahl der Teilstrahlen, die nach dem Durchlaufen des Rückmischgliedes in eine gemeinsame Strahlrichtung vereinigt werden, ist einem Elächenelement hinter dem Rückmischglied, das vorzugsweise im Unendlichen zur Objekt- und damit auch meist zur Bildebene liegt, eine entsprechende Zahl von Raumrichtungen im Objektraum zugeordnet. Die Winkelabstände dieser Raumrichtungen sind nur von den Eigenschaften des Rückmischgliedes abhängig.
• Bei Beugungsgittern steigen die Winkelabstände mit der Wellenlänge, bei Wollastonprismen und Bauelementen mit teildurchlässigen Spiegeln sind die Winkelabstände annähernd wellenlängenunabhängig. Bei Verwendung eines Beugungsgitters als Rückmischglied und Anordnung der Blendenöffnungen vor dem Gitter ist daher die Einhaltung der der Erfindung zugrunde liegenden Bedingung streng nur für monochromatisches Licht möglich. Innerhalb eines beschränkten Spektralbandes der Meßstrahlung kann der Verlust der Vorteile der Erfindung noch vernachlässigbar bleiben.
• Bei Anordnung der Blendenöffnungen hinter dem Rückmischglied ist für jede Blendenöffnung die Deckungsgleichheit der Raumwinkelbereiche im Objektraum trivial.
• Für die Funktion von Geräten, die nur statistisch lichtstreuende Objektflächen ausnutzen können, ist die Gewinnung von Gegentaktsignalen wesentlich um Intensitätsschwankungen mit niedriger Ortsfrequenz durch Differenzverstärker abtrennbar zu machen. Die vollständige Differenzbildung erfordert, daß die zu subtrahierenden Signale aus den gleichen Raumwinkelbereichen des Objektraumes erzeugt werden. Daher müssen gekoppelte Blendenöffnungen, falls sie hinter dem Rückmischglied bzw. bildvervielfachenden Bauelementen liegen, die in unterschiedlicher Modulationsphase interferierenden Vielfachbilder der Objektpupille so abschatten, daß sich entsprechende Bildelemente in den verschiedenen Vielfachbildern gleichzeitig abgedeckt werden, was nach den gleichen erfindungsgemäßen Grundsätzen durch entsprechende Blendenanordnungen erreicht werden kann. In diesem Fall richtet sich die Zahl und Lage der einzelnen Blendenöffnungen nach der Zahl und Lage der Vielfachbilder der Objektivpupille.
• Bei Anordnung der Blendenöffnungen in der Pupille des objektabbildenden Objektivs ist umgekehrt die gleichartige Beeinflussung aller Vielfachbilder sichergestellt.
• Als Beispiele werden Blendenanordnungen in 4 Abbildungen erläutert.
• In Fig. 1 und Fig. 2 sind für ein oder zwei Koordinatenmessungen Blendenanordnungen dargestellt, die in der Pupille eines objektabbildenden Objektivs liegen.
• In Fig. 3 und 4 sind Blenden gezeigt, die hinter Rückmischgutem unmittelbar vor photoelektrischen Empfängern angeordnet sind.
• In Fig. 1 wird ein Amplitudengitter als Rückmischglied vorausgesetzt. Das Objektiv ist für eine Abbildungsapertur, die durch den Kreis 1 dargestellt ist, korrigiert.
• Die Kreiszweiecke 3 a, 3 b, 3 c werden durch die Rückmischung auf der Empfängerebene überlagert. Dabei fallen die Mittellinien 4 a, 4 b, 4 c, auf den Empfängerflächen in jedem der Teilbilder der Objektivpupille zusammen Die 3 Keilspalten in der Blende 5 sorgen dafür, daß die drei Kreiszweiecke deckungsgleich abgeschattet werden.
• Die feste Hilfsblende 2 schneidet alles Licht ab, das nicht zur Modulation beitragen kann. Neben der Dämpfung des Lichtflusses, d.h. des Signalmittelwertes wird bei Fokusfehlern der Objektabbildung der Modulationsgrad erhöht. Bei Abbildung statistischer Objekte steigt auch im Fokus der Modulationsgrad mit der Abblendung, da mit der Abblendung Streuzentren, die benachbart in der Objektfläche liegen, mit steigendem Abstand zueinander kohärent zu strahlen scheinen.
• In Fig. 2 sind je ein lineares Phasengitter in jeder Meßkoordinate x, y, eines Zweikoordinatenmeßgerätes als Rückmischgitter vorgesehen. Die Lichtflüsse durch die Kreiszweieckflächen 13 a und 13 b werden an dem y Gitter vereinigt, die Lichtflüsse durch 17 a und 17 b an dem x Gitter. 11 kennzeichnet die korrigierte Aperturfläche des objektabbildenden Objektives. Durch in den Anmeldungen P 2452595.9 oder P 2451994.6 geschilderten Anordnungen kann die Zuordnung der Pupillenflächenteile zu den Rückmischgittern erreicht werden.
• Der zentrale Teil 12 der Blendenfläche ist fest abgeschattet. Vier übereinander angeordnete Folienquadrate 18 a, 18 b, 15 c, 15 d dienen als bewegliche Blendenbacken, die bei geöffneter Blende innerhalb der Fläche 12 liegen. Der Antrieb der Blenden kann durch eine, der BslendenfLäche benachbarte um annähernd 900 um die optische Achse drehbar'g-eisgerte Linse oder Glasplatte erfolgen, die dtm AXtriebsbesRegung durch eine Achse auf die Blendenfolien überträgt, die z.B. jeweils einen diagonalen Bewegungsfreiheitsgrad haben und über vier Steuerkurvensektoren bewegt werden können. Gekoppelt mit der Bewegung von 18 a, 18 b, 15 c, 15 d werden die Blendenbacken 15 a, 15 b und 19 a, 19 b symmetrisch zu den gedachten Mittellinien 14 a, 14 b und 16 a, 16 b bewegt. Diese Mittellinien fallen als Doppelbilder in den Empfängerebenen jeweils zusammen.
• Fig. 3 setzt als Rückmischglied ein lineares #/2Laminarphasengitter voraus. Das Gitter erzeugt überlagerte Bildpaare von zwei festen Kreiszweieckblenden in der Pupille des Abbildungsobjektives. In der Brennebene eines dem Rückmischgitter nachgeschalteten Linsensystemes liegen die Empfänger bzw. interferenzmodulierten, durch die Gitterbeugung vervielfachten Blendenbilder 23 a, 23 b, 23 c. Die mit 24'c und 24tb bezeichneten Linien Find Doppellinien, die den Bildern der Linien von 4 b und 4 c aus Fig. 1 und 14 a und 14 b aus Fig. 2 entsprechen. Die Empfängerflächen 23 a,b,c sind durch die sich symmetrisch schließenden Spaltbacken 25a,b,c,d,e,f in ihrer wirksamen Breite variabel einschränkbar.
• Dadurch wird erreicht, daß die bei steigender Defokifr sierung der Objekt- zur Gitterebene entstehenden Interferenzstreifen gleicher Neigung, die parallel zu den Gitterlinien und damit zu den Linien 24' bc liegen, in ihrer Auswirkung auf die Modulationstiefe der Signale eingeschränkt werde * önnen.
• In Fig. 4 ist dargestellt, wie erfindungsgemäße Blendenanordnungen bei der Messung oder Kompensationsregelung von Defokussierbewegungen ausgenutzt werden können.
• Es ist wie in Figur 3 ein lineares laminares Phasengitter als Rückmischglied vorausgesetzt. Das objektabbildende Objektiv enthält zwei rechteckige Blendenöffnungen, die in der Empfängerebene paarweise überlagert vervielfacht abgebildet sind. Die Flächen der Doppelbilder sind jeweils mit zwei getrennten Empfängern 33 a und 33 b, bzw. 33 c und 33 d, bzw. 33 e und 33 f besetzt, deren Signale auf die Fokuslage ausgewertet werden. Die feste Vorblende 32 schaltet nicht benötigtes Licht aus. Der Blendenkamm 35 ist gradlinig in Richtung der keilförmigen Zinken beweglich und bringt damit bei Abblendung die Randstreifen der Empfängerflächen bevorzugt zur Wirkung, so daß die Fokusempfindlichkeit der Anordnung gesteigert wird. Die Phasenunterschiede der Interferenzmodulation der Interferenzen gleicher Neigung nehmen bei gegen die Empfängerfläche breiten Interferenzstreifen zu.
• Anstelle der in Fig. 4 dargestellten Kammzinken können auch einen Winkel miteinander einschließende Paare von Parallelschlitzen als variable Blenden angeordnet werden.
• Dadurch wird ohne Veränderung des Lichtflusses der wirksame Abstand der Empfängerflächen und damit die Fokusempfindlichkeit gesteuert.
• In einem einzigen oder zwei übereinander liegenden gekoppelten Blendenschiebern können auch die zuletzt geschilderte Wirkung mit einer Ausführung nach 35 und einer Ausführung nach 5 Fig. 1 vereinigt sein, um mit einem unempfindlichen Fangbereich mit einem zugezogenen Blendentyp wie 5 beginnend, eine Fokusmessung durch Blendenänderung zu verschärfen.
• Die dargestellten Blendenformen sind nur als Beispiele zu werten, die durch einfachere und kompliziertere Blendenausführungen ergänzt werden können. Eine besonders einfache Blendenform besteht z.B. darin, daß eine feste und eine bewegliche Blendenplatte aufeinanderliegend angeordnet sind. Beide tragen die gleichen Öffnungen, z.B. ein Paar von Parallelschlitzen, die sich in einer Lage miteinander decken. Durch Verschiebung der beweglichen Blende in Richtung der Spaltbreiten werden die wirksamen Öffnungen kleiner. Die Spaltmitten wandern zwar seitwärts aus, aber der Abstand der Spaltmitten und damit die Winkeldifferenz der zugeordneten Raumwinkelbereiche bleibt erhalten. Bei der Anordnung der Blenden in der Pupillenfläche des objektabbildenden Objektivs ist daraus zu entnehmen, daß es zur exakten Erreichung des Erfindungszieles notwendig ist, daß das Objektiv für Unendlichabbildung den Abbee'schen Sinussatz erfüllen muß.

Claims (1)

1. Ansprüche

   Anordnung von lichtabschattenden Blenden zur geornetrischen Variation des Lichtflusses in optischen, gebeugte Lichtstrahlen an strahlvereinigenden Bauelementen mit mindestens zwei Eingängen und einem Ausgang rüclaischenden Geräten zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten oder Positionsänderungskomponenten in Richtung der optischen Achse von Abbildungssystemen oder senkrecht dazu, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gekoppelt gleichsinnig variable Blendenöffnungen (5, 32 und 35) so gestaltet und im Strahlverlauf zwischen Objekt und Empfänger angeordnet sind, daß mindestens zwei Meßstrahlung enthaltende Raumwinkelbereiche, die gegeneinander geneigt sind, durch die Variation der Blendenöffnungen zumindest annähernd deckungsgleich verändert werden, wobei die Winkelbeziehungen der Raumwinkelbereiche untereinander erhalten bleiben.

   Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, datS die gekoppelt variablen Blendenöffnungen (5, 35, 15, 18, 19) im Strahlengang in einer Ebene angeordnet sind, die bezogen auf die Objektfläche im Unendlichen liegt.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelt variablen Blendenöffnungen in der Pupille (1, 11) eines das Objekt auf das strahlrückmischende Bauglied abbildenden Objektives liegt.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelt variablen Blendenöffnungen in einer im Strahlverlauf zeitlich hinter dem rückmischenden Bauelement liegenden Fläche angeordnet ist, die zu der Pupillenfläche des objektabbildenden Objektivs zumindest annähernd konjugiert liegt. (Fig. 3, Fig. 4) Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelt variablen Blendenöffnungen als variable Spaltblenden ausgebildet sind (5, 15, 18, 19, 25, 35), wobei alle Spaltbacken symmetrisch auf gedachte Linien hin variable sind, die in einer Fläche hinter dem Rückmischglied als zusammenfallende, vorzugsweise zum optischen System festliegende Bilder überlagert werden können.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung in mehreren Koordinaten die gekoppelt variablen Blendenöffnungen nur in der jeweiligen Meßkoordinate mit einander gekoppelt veränderbar sind, während die Meßkoordinaten unabhängig voneinander variabel sind.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelte Variation der Blendenabmessungen durch austauschbare Blendengruppen abgestufte Abmessungen vorgenommen wird, was vorzugsweise durch Blendenwechsler mit Orientierungsrasten erreicht wird, die vorzugsweise zu Blendenschiebern oder Revolvern vereinigt sind.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur stetigen gekoppelten Variation der Blendenabmessungen die Blendenöffnungen durch ein Keilspaltsystem dargestellt werden, die als Linear- oder Kreisspalte ausgebildet sind.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelte Bewegung von beweglich angeordneten Spaltbacken (15, 18, 19, 25) durch Steuerkurven vorgenommen wird, die mit Dreh- oder linearem Bewegungsfreiheitsgrad gelagert sind.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelte Bewegung von beweglich angeordneten Spaltbacken durch Gelenkgetriebe oder Wälzkurvenbewegungen vermittelt wird.

   Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise bei zweikoordinaten Blendenöffnungssystemen (Fig. 2) die Bewegungsübertragung auf die im optischen System zentral gelegenen Blendenteile (15 c, 15 d, 18 a, 18 b) durch die Bewegung eines lichtdurchlässigen Bauteiles übertragen wird.