DE2526110C3

DE2526110C3 - Vorrichtung zum Messen kleiner Auslenkungen eines Lichtbündels

Info

Publication number: DE2526110C3
Application number: DE2526110A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: SOPELEM SOC OPTIQUE PRECISION ELECT ET MEC
Current assignee: SOPELEM SOC OPTIQUE PRECISION ELECT ET MEC
Priority date: 1974-06-12
Filing date: 1975-06-11
Publication date: 1982-04-08
Also published as: US3983390A; GB1514236A; CH592866A5; IT1036122B; FR2274894B1; NL7506508A; DE2526110B2; DE2526110A1; FR2274894A1; BE830188A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen kleiner Auslenkungen eines Lichtbündels nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine gatlungsgleiche Vorrichtung ist bekannt (vgl.

DE-GM 19 66 918), bei der das Lichtbündel die Küvette

•40 eines Differenzrefraktometers durchsetzt, um die Brechzaiil-Differenz zwischen einer Probe- und einer Bezugssubstanz messen zu können.

Diese bekannte Vorrichtung besitzt ferner:

— eine drehbare planparallele durchsichtige Platte und — einen vom Ausgangssignal des auf Verschiebungen des Bilds des ersten Gitters relativ zum zweiten Gitter ansprechenden Strahlungsdetektors steuerbaren Stellmotor zum Verdrehen der planparallelen Platte entsprechend der Brechzahl-Differenz, indem — die Linien des Gitterbildes des ersten Gitters — bei verschwindender Brechzahl-Differenz — senkrecht zu den Gitterlinien auf der einen Hälfte des zweiten Gitters um ein Viertel der Gitterkonstante in der einen Richtung und auf der anderen Hälfte um ein Viertel der Gitterkonstante in der anderen Richtung verschoben sind, und

— die durch diese beiden Gitterhälften tretenden Teilbündel durch einen Strahlenunterbrecher gegenphasig unterbrochen und auf den gemeinsamen Strahlungsdetektor geleitet werden.

Diese bekannte Vorrichtung ist in ihrer Auflösung durch die Verteilung der Gitterlinien begrensit und wegen ihres Charakters als Analog-Meßgerät (die drehbare planparallele Platte ist mit einem Zeiger verbunden) für einen Anschluß an eine Digital-Datenverarbeitungsanlage ungeeignet.

Es ist ferner ein Refraktometer bekannt (US-PS 26 211), bei dem Licht von einer Lichtquelle einen

Lichtspalt und dann eine Prismenfläche, die an das Medium mit der unbekannten Brechzahl unmittelbar angrenzt, entsprechend der Brechzahl-Differenz zwischen Prisma und Medium abgelenkt durchsetzt und nach Reflexion an einer weiteren Prismenlfäche auf eine , von mehreren Spuren mit codierten Maßstäben identischer Federteilung trifft und durrh diese hindurch auf einen Strahlungsdetektor mit in einer einzigen Reihe bandförmig angeordneten Elementen gelangt.

Dieses bekannte Refraktometer ist bezüglich der m Meßgenairgkeit begrenzt durch die Breite des Lichtspalts in Auslenkrichtung des Lichtbündels. (Diese Lichtspalt-Breite kann schon deswegen nicht sehr klein dimensioniert werden, weil sonst die Lichtintensität am Ort des Strahlungsdetektors zu klein wäre und damit die ι ■·. Erfassung des Lichtbündels durch den Strahlungsdetektor in Frage stellen würde.)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie genauer arbeitet und ihre Meßsignale digital verarbertbarsind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Durch die erfindungsgemäß auf den beiden Gittern in beliebiger Anzahl vorgesehenen Spuren mit codierten Maßstäben unterschiedlicher Feiderteilung kann praktisch die Meßgenauigkeit beliebig (nämlich durch eine entsprechend große Anzahl von Spuren) hochgetrieben werden, wobei dann die Signale von den auf dem Strahlungsdetektor bandförmig angeordneten, den einzelnen Spuren des zweiten Gitters zugeordneten Elementen digital weiterverarbeitet werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. 3ϊ

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung am Beispiel eines Differenzrefraktometers näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Gesamtansicht der Vorrichtung;

F i g. 2 ein erstes Gitter; F i g. 3 ein zweites Gitter;

Fig.4 schematisch Signale von den Detektoren des Strahlungsdetektors vor und nach der Umformung zur Auswertung und die Umcodier-Matrix der verwendeten Auswerteeinrichtung.

Gemäß Fig. 1 fällt von einer Lichtquelle 1 ein Lichtbündel nach Durchsetzen eines Kondensators 2 und eines Filters 3 auf ein erstes Gitter 4, das auf ein zweites Gitter 5 durch zwei Objektive 6 und 7 mit zwischengeschalteter Küvette 8, 9 eines Differenzrefraktometers projiziert wird. Die Küvette hat zwei Kammern 8 und 9, von denen die eine das Medium mit bekannter Brechzahl und die andere das Medium mit unbekannter Brechzahl enthält, so daß die Brechzahl-Differenz den Auslenkwinkel <5 des Lichtbündels relativ zur optischen Achse x-x'beim Auftreffen auf das zweite Gitter 5 bestimmt, von dem es auf einen Strahlungsdetektor 31 aus bandförmig angeordneten lichtempfindlichen Elementen fällt, wobei jedes Band jeweils einer von noch zu erläuternden Spuren des zweiten Gitters 5 zugeordnet ist. Die Signale von den Elementen des Strahlungsdetektors 31 werden in eine Auswerteeinrichtung eingespeist, die eine Signalformstufe 32 und eine Umcodierstufe 33 aufweist, von der der Meßwert zu einer Sichtanzeige 34 oder zu einem Drucker 35 gelangt.

Nach einem internen Stand der Technik wurde bei einigermaßen vergleichbaren Vorrichtungen die Auslenkung eines Lichtspalt-Bilds längs jeder Spur mit codiertem Maßstab erfaßt, d. h., es wurde nur eine Spurlänge gleich der maximalen Auslenkung des Lichtspalt-Bilds nach der einen oder anderen Seite der optischen Achse entsprechend der zu messenden maximalen Brechzahl-Differenz genutzt Diese maximale Auslenkung des Lichtbündels ist jedoch relativ klein im Vergleich zum gesamten Beobachtungsfeld der Vorrichtung, d. h, jede Spur umfaßt nur einen Teil davon. Durch die Beleuchtung eines Lichtspalts konnte auch nur ein kleiner Teil der von der Lichtquelle abgestrahlten Lichtenergie für die Auswertung genutzt werden.

Beim Ausführungsbeispiel wird dagegen die Messung durch Auslenkung des Bilds mehrerer Spuren des ersten Giuers 4 gegenüber den zugeordneten Spuren des zweiten Gitters 5 vorgenommen, was also einer Auslenkung von mehreren Spur-Bildern entspricht. Die Spuren sind zueinander geometrisch ähnlich und haben im Fall, wenn die Vergrößerung der Optik gleich Eins ist, bei vergleichbarer Lage auf den beiden Gittern 4 und 5 dieselbe Felderteilung, wie es in F i g. 1 gezeigt ist: Das erste Gitter 4 is' identisch mit dem zweiten Gitter 5. Im Gegensatz zum internen Stand der Technik erfolgt jedoch die Messung anders, indem statt durch Bewegung eines Lichtspalt-Bilds längs einer einzigen Spur durch Relativbewegung zweier ähnlicher oder identischer Gitter mit mehreren Spuren Signale erzeugt werden. Es ist auch ius F i g. 2 ersichtlich, daß bei einer Auslenkung Null erstes und zweites Gitter sich genau überdecken end jedes Bild eines lichtdurchlässigen Felds des ersten Gitters ein lichtdurchlässiges Feld des zweiten Gitters derart deckt, daß die Elemente des Strahlungsdetektors eine maximale Lichtmenge erhalten und damit Signale maximaler Amplitude abgeben. Wenn dagegen das Bild der dunklen Felder des ersten Gitters mit den lichtdurchlässigen Feldern des zweiten Gitters infolge Auslenkung des Lichtbündels zusammenfallen, ist praktisch eine vollkommene Abschaltung erreicht, so daß die Signale von den Elementen des Strahlungsdetektors minimale Amplitude haben.

Bei einer nur geringen Auslenkung ö des die Küvette 8,9 durchsetzenden Lichtbündels ist das Bild des ersten Gitters 4 in der einen oder anderen Richtung gegenüber dem zweiten Gitter 5 nur teilwei^ce verschoben, so daß das Bild der dunklen Felder des ersten Gitters dann teilweise die lichtdurchlässigen Felder des zweiten Gitters bedeckt und die Amplitude der Signale von den Elementen des Strahlungsdetektors entsprechend verringert ist. Falls das Bild des ersten Gitters um eine Strecke ausgelenkt ist, die der halben Teilung der Spur mit der feinsten Felderteilung entspricht, so sind deren lichtdurchlässige Felder durch dunkle Felder des zweiten Gitters abgedeckt, weshalb die von den Elementen des Strahlungsdetektors, die der Spur feinster Felderteilung zugeordnet sind, gelieferten Signale minimale Amplitude aufweisen. Der gleiche Vorgang spielt sich für jede Spur des zweiten Gitters jedesmal dann ab, wenn das Bild der homologen Spur des ersten Gitters um eine halbe Felderteilung ausgelenkt ist. Durch Auslenken des Bilds des ersten Gitters gegen das zweite Gitter werden also Wellensignale mit einer Teilung erhalten, die gleich der entsprechenden Spur-Felderteilung ist, und deren VerKnüpfung in an sich bekannter Weise ermöglicht, die genaue Auslenkung zu ermessen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung unter Benutzung der Erfindung hat also erhebliche Vorteile auch

gegenüber dem internen Stand der Technik. Zunächst ist ersichtlich, daß anstatt einer Auslenkung des Bilds eines Lichtspalts längs jeder Spur ständig die gesamte Länge der Spur beleuchtet wird, so daß man ein wesentlich stärkeres photoelektrisches Signal empfängt, selbst für die Spur mit feinster Felderteilung, da auch bei dieser sämtliche Felder in die Messung eingehen während nach dem internen Stand der Technik lediglich die vom Lichtspalt-Bild beleuchteten Felder einen Beitrag leisten. Außerdem wird die Messung insgesamt sicherer, da selbst bei Ausfall einiger Felder auf dem ersten Gitter, z. B. durch Verschmutzung, letztlich die Messung nicht beeinträchtigt wird.

Da das Beobachtungsfeld der Vorrichtung vollständig vom ersten Gitter bedeckt ist, werden die Spuren in der in F i g. 2 dargestellten Lage angeordnet. Die Spur A mit geringstem Gewicht (also feinster Felderteilung), z. B. 2°, wird in der Mitte des ersten Gitters angeordnet. Die Spur B mit dem nächstgrößeren Gewicht, d. h. 2¹, wird entlang der einen Seite der Spur A und die Spur C mit einem Gewicht von 2² entlang der anderen Seite der Spur A angeordnet. Die Spur D mit dem Gewicht 2^J wird dann entlang der Spur B und die Spur E mit dem Gewicht 2⁴ längs der Spur C angeordnet. Entsprechend dem jeweiligen Exponenten des Gewichts der betreffenden Spur fährt man fort, diese abwechselnd an der einen oder anderen Seite der mittleren Spur A, allerdings mit zunehmender Entfernung von dieser, anzuordnen. Auf diese Weise werden so viele Spuren vorgesehen, bis der gewünschte Meßbereich 2" erreicht ist. Diese Anordnung, die durch Ausnutzung des gesamten Beobachtungsfeldes ermöglicht wird, gestattet, die Spuren mit der feinsten Felderteilung in der Mitte des Beobachtungsfelds anzuordnen, d. h. dort, wo die Gefahr eines Abbildungsfehlers am kleinsten ist Andererseits sind am oberen und unteren Rand des Beobachtungsfeldes diejenigen Spuren angeordnet, die eine gröbere Felderteilung aufweisen und daher kaum die Gefahr eines Meßfehlers mit sich bringen, falls ihre Abbildung etwas verzerrt ist.

Außerdem kann die Länge der Spuren vorzugsweise ein Mehrfaches der maximal zu messenden Auslenkung betragen und so eine Mittelwertbildung zum Ausgleich von Unregelmäßigkeiten in der Gitterkonstanten beider Gitter gestatten. Für die oberen und unteren Spuren mit wesentlich größerem Gewicht ist die Genauigkeit nicht so wichtig, weshalb ihre Länge auf die maximal zu messende Auslenkung verringert werden kann. Das Zentrieren der Spuren auf der optischen Achse ermöglicht es dann, alle Spuren innerhalb eines kreisförmigen Beobachtungsfeldes unterzubringen, wie in Strichpunktlinie in F i g. 2 angedeutet ist

Aus Gründen der Zeichnungsvereinfachung ist allerdings nur die Mitte der Gitter dargestellt, wobei auch die Anzahl der Spuren verringert worden ist Daher ist die Begrenzung des Beobachtungsfelds, durch Anamorphose deformiert, schematisch als Ellipse angedeutet

Wie bereits erläutert wurde, muß das zweite Gitter 5 aus Spuren zusammengesetzt sein, deren jede in ihrer Lage und Abmessungen einer entsprechenden Spur des ersten Gitters 4 zugeordnet ist Allerdings kann es auch als vorteilhaft angesehen werden, die lichtdurchlässigen Felder schmaler als die lichtundurchlässigen Felder auszuführen, insbesondere bei Spuren mit großem Gewicht. Wesentlich ist nur, daß die Teilung zugeordneter Spuren von erstem und zweitem Gitter identisch ist Außerdem ist es zur Vermeidung von Ablesungs-Zwei

deutigkeiten zweckmäßig, jeweils zwei Spuren pro Bit vorzusehen, von denen die eine gegenüber den Übergängen in der Spur mit dem kleinsten Gewicht vor- bzw. zurückversetzt ist, was Fig.3 im einzelnen andeutet, wo die Vor- bzw. Zurück-Versetzung jeder Spur gleich einem Viertel der Felderteilung der vorhergehenden Spur ist.

Daneben zeigt Fig.3 noch eine Ausgestaltung der Erfindung. Es ist nämlich ersichtlich, daß die Spur A des ersten Gitters vier Spuren A'\, A'2, A'3 und A'4 des zweiten Gitters entspricht, die jeweils um ein Viertel der Teilung gegeneinander versetzt sind. Die vier Spuren A'\, A'2, A'3, A'4 haben dabei die gleiche Felderteilung wie die Spur A in Fig.2. Vier gleiche photoelektrische Teil-Strahlungsdetektoren, die unabhängig voneinander arbeiten, sind jeweils hinter einer gesamten Spur angeordnet und liefern daher Wellensignale 11, 12, 13 und 14, die gegeneinander um eine viertel Periode versetzt sind, vgl. dazu Fig.4a. Diese Signale können durch Vergleich mit einem konstanten Referenzpegel in herkömmlicher Weise in Rechtecksignale umgeformt werden; vorzugsweise werden sie aber miteinander verglichen, wie in der FR-PS 20 82 594 der Patentinhaberin beschrieben ist.

Es werden also die Wellensignale 11 — 14 differenzmäßig mittels eines Differenzverstärkers derart miteinander verknüpft, daß man die Rechtecksignale au 32, a^ und άα von F i g. 4b gemäß folgender Beziehung erhält:

a,

(H)-(14)

a₄

Durch eine Felderteilung in der feinsten Spur kann man also erhalten:

zwei Informationen, indem man lediglich das Signal a\ benutzt,

vier Informationen, indem man die Signale a\ und a% verknüpft und benutzt und

acht Informationen, indem man die Signale &\, a-i, a$ und an verknüpft und benutzt.

So wird es bei einer bestimmten Ausführung möglich, drei Genauigkeitsklassen jeweils entsprechend der Anzahl der benutzten Signale zu erzielen. In Fi g. 4c ist die Umcodier-Matrix angegeben, mit der die Signale au az, ai und an in die acht Dezimalzahlen 0 — 7 umcodiert werden können.

In F i g. 4d sind auch die Signale b\ und O₂ gezeigt die

von den Spuren B'\, B'2 stammen und infolgedessen um ein Viertel der Felderteilung gegenüber der Spur mit dem Gewicht 2° vor- bzw. zurückversetzt sind. Entsprechend erhält man die Signale von den Spuren mit höherem Gewicht, so daß sich deren Darstellung erübrigt wobei die Auswertung in an sich herkömmlicher Weise erfolgen kann.

Auch die lichtempfindlichen Elemente des Strahlungsdetektors sind nicht dargestellt worden, da sie einen herkömmlichen Aufbau haben können. Vorzugsweise sollten sie Zellen sein, deren Länge und Breite den jeweiligen Spuren entsprechen; es kann aber auch an Reihen von lichtempfindlichen Bauelementen mit kleiner Empfangsfläche, wie Photodioden, gedacht werden, die im Brennpunkt von Lichtsammeiorganen angeordnet werden.

Als Ausgestaltung der Erfindung wurde aufgezeigt daß das zweite Gitter mit einer Breite verwendet werden kann, die wesentlich größer als die zu messende

maximale Auslenkung ist. Die Abbildung des ersten Gitters kann sich nach der einen oder anderen Seite der optischen Achse verschieben, wobei man dem ersten Gitter die mit dem Beobachtungsfeld der Vorrichtung verträgliche maximale Breite verleiht, und, wenn die Vergrößerung Eins beträgt, das zweite Gitter eine Breite gleich der des eisten Gitters plus jeweils der maximal zu messenden Auslenkung an jeder Seite hat. Im übrigen muß das Bild des ersten Gitters nicht das gesamte zweite Gitter bedecken, da die Spuren vorzugsweise eine wesentlich größere Ausdehnung als die maximal zu messende Auslenkung haben,

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen kleiner Auslenkungen eines Lichtbündels,

— z. B. beim Durchgang durch die Küvette eines Differenzrefraktometers,

— mit je einem Gitter vor und hinter der Auslenkeinrichtung im Lichtweg,

— mit einer Projektionseinrichtung, die das erste Gitter auf das zweite Gitter abbildet und

— mit einem Strahlungsdetektor hinter dem zweiten Gitter,

dadurch gekennzeichnet,

— daß die beiden Gitter (4; 5) geometrisch ähnlich sind und mehrere Spuren (A, B, C,...;A\ B', C, ...) mit codierten Maßstäben unterschiedlicher Felderteilung aufweisen,

— daß bei fehlender Auslenkung das erste Gitter (4) kongruent auf das zweite Gitter (5) projiziert ist,

— daß die codierten Maßstäbe sich über die gesamte Länge des Beobachtungsfeldes erstrekken und ihre Länge größer ist als die der maximal zu messenden Auslenkung (ö) des Lichtbündels, und

— daß der Strahlungsdetektor (31) aus mehreren Elementen besteht, die bandförmig angeordnet und den einzelnen Spuren des zweiten Gitters zugeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spuren (A, B, C,...; A', B', C,...) der beiden Gitter (4; 5) sich über die gesamte Breite des Beobachtungsfeldes der Vorrichtung erstrecken und eine Länge gleich einem Vielfachen der maximal zu messenden Auslenkung (δ) des Lichtbündels haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Elemente des Strahlungsdetektors (31), die den Spuren (A, A') mit codierten Maßstäben kleinster Felderteilung zugeordnet sind, langgestreckte Elemente sind, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge der zugeordneten Spuren erstrecken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Elemente des Strahlungsdetektors (31), die den Spuren (A, A'^rnit codierten Maßstäben kleinster Felderteilung zugeordnet sind, sich jeweils über eine Länge gleicher Länge der Spuren, vermindert um die maximal zu messende Auslenkung (<5,)des Lichtbündels, erstrecken, und

— daß diese Elemente auf der optischen Achse (x-x') zentriert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet

— durch eine Optik (6, 7) mit der Vergrößerung Eins zur kongruenten Projektion des ersten Gitters (4) durch die Auslenkeinrichtung (8, 9) hindurch auf das zweite Gitter (5),

— wobei zugeordnete Spuren (A, B.C.. .;A', B', C, ...) identische Felderteilung haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die einander zugeordneten Spuren (A, B, C₁ ...;A', B', C ...) der beiden Gitter (4, 5) durch codierte Maßstäbe mit zunehmend gröberer Felderteilung bzw. ansteigendem Gewicht derart gebildet sind,

— daß die Spur (A) mit der feinsten Felderteilung in der Gitter-Mitte angeordnet ist und die Spuren (B-D) mit gröberer Felderteilung abwechselnd auf der einen und der anderen Seite der feinsten Spur (A) angeordnet sind (Fig. 2).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Spur (A) mit der feinsten Felderteilung auf dem zweiten Gitter (5) in π Spuren (A' 1, A '2, A 'XA¹A) identischer Felderteilung unterteilt ist,

— die jeweils gegeneinander um einen Bruchteil (1 : /3^der Felderteilung versetzt sind, und

— daß der Strahlungsdetektor (31) je ein Element für jede derart versetzte Spur aufweist,

— wobei die derart gegeneinander versetzten Spuren (A'1, A"l, A'3, A'4) insgesamt eine Breite — unter Berücksichtigung der Vergrößerung — gleich der Breite der zugeordneten Spur (A) gleicher Felderteilung des ersten Gitters (4) aufweisen (F i g. 3).

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

— daß die Auswerteeinrichtung zur Auswertung und Umformung periodischer Signale (Fig.4a) von den Elementen des Strahlungsdetektors (31) eine Einrichtung (32) zur Erzeugung von umgeformten Signalen (Fig.4b) durch Differerz-Verknüpfung von jeweils zwei der periodischen Signale enthält.