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Anordnung zur lichtelektrischen Arfassung der
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Mitte eines Leuchtfeldes Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur
lichtelektrischen Arfassung der Mitte eines, maximal die aktive Flächengröße eines
fotoelektrischen Wandlers besitzenden Leuchtfeldes, insbesondere einer wandernden
Strichmarke, mit Hilfe mindestens zweier fooelektrischer Wandler, wie z. 3. in Sperrichtung
oder als Fotoelemente betriebene Differential-Fotodioden cder Fotodioden, die es
gestatten, den Differenzfotostrom zu ermitteln.
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Bekannt sind Differential-Fotoempfänger, ei denen mindestens zwei
Einzelfotoempfänger auf einem Substrat angeordnet sind, wobei zwischen den Einzelfotoempfängern
ein technologisch bedingter, mindestens 50 µm breiter, Abstand besteht. Diese Differential-Fotoempfänger
haben im Vergleich zu Fotoempfängern auf getrennten Substraten den Vorteil, daß
4ie l?rift der elektrischen parameter auf Grund äußerer einflüsse bei beiden Einzelfotoempfängern
in die gleiche Richtung erfolgt und so der Fehler des Differenfotostromes nahezu
konstant bleibt.
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i"ifferential-Fotoempfänger bzw. herkömnliche Fotoempfänger in geeigneter
schaltung können zur Bestimmung er Mitte von begrenzten Leuchtfeldern benutzt werden,
enn beim Beleuchten der Fotoempfänger eine Bewegung des Leuchtfeldes eine Änderung
des Differenzfotostromes hervorrufen kann. Dabei kann anhand einer Differenzbildung
zwischen den Strömen durch die jeweiligen Einzelfotoempfänrer die Position des Leuchtfeldes
bestimmt erden.
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Sind andere Möglichkeiten nicht gegeben, so muß das Bild des Beuchtfeldes
mit Hilfe eines geeigneten optischen Systems in die Ebene der Differential-Fotoempfänger
gebracht erden.
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Je breiter der Abstand zwischen den Einzelfotoempfängern ist, umso
grö3er inuß entweder das Leuchtfeld selbst oder dessen Bild, d. h. die Vergrößerung
des Objektivs gewählt werfen, damit das Differenz-Fotosignal eine genügend steile
Änderung im Nulldurchgang besitzt. Unter Nulldurchgang wird dabei der Durchgang
der Mitte des Leuchtfeldes bzw. es Bildes des Leuchtfeldes durch die Hälfte des
Einzelfotoempfängerabstandes verstanden, d. h. die Differenz der Fotoströme durch
die beiden Einzelfotoempfänger wird gleich Null.
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Wird beispielsweise das Bild des Leuchtfeldes merklich kleiner als
.der Abstand der Einzelfotoempfänger, so verschlechtern sich die Empfindlichkeit
und der Fehler der Anordnung wesentlich. Eine Vergrößerung des teuchtfeldes selbst,
z. B. eine Vergrößerung der Strichmarken bei Maßstäben und Teilkreisen hoher Auflösung
ist aber nur begrenzt möglich.
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Weiterhin geht ein nicht geringer Teil der Lichtenergie zum Ausleuchten
der unwirksamen Fläche zwischen eilen inzelfotoempfängern sowie deren nicht effektive
Randgebiete verloren.
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Um diesen Mangel zu beheben, macht sich eine größere Lampenleistung
erforderlich.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, diese Mängel mit Hilfe eines im Strahlengang
angeordneten Dachkantprismas, das das Lichtbündel in zwei Halbbündel trennt und
auf die Fotoempfänger
führt, zu beheben. Die Nachteile einer solchen
Lösung bestehen darin, daß eine körperliche Glassante vorhanden sein muß, die aber
mechanisch anfällig ist. Außerdem kann die vorgeschlagene Anordnung mit separaten
Fotoempfängern zu einem verstärkten Einfluß elektrischer, mechanischer und thermischer
Störungen auf die Lage des Nullpunktes bzw. zu dessen Instabilität führen. Darüber
hinaus ergibt eine körperliche Nachkante keine wesentliche Überbrückung des Abstandes
der Einzelfotoempfänger.
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Wird für spezielle Anordnungen die Verwendung separater Fotoempfänger
erforderlich, so ist ohnehin eine Lösung fir eine saubere Trennung eines Strahlenbündels
in zwei Halbbündel -zu finden.
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Zur Vermeidung der genannten Nachteile liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, die vorhandene Sichtintensität des Leuchtfeldes maximal zur Erzeugung
eines Differenz-Fotosignals auszunutzen, um arhand dieses Signales die Position
des Leuchtfeldes mit hoher Genauigkeit ermitteln zu können. Dazu ist es notwendig,
ein Strahlenbündel in zwei Teilbündel zu trennen und diese in die Ebene des einen
si£ferential-Fotoempfängers bzw.
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ztveier Fotoempfanger zu bringen. die dazu notwendige Anordnung soll
relativ einfach aufgebaut sein und preisgünstig erstellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß vor den fotoelektrischen
Wandlern ein Reflexionssystem angeordnet ist, das mindestens zwei Reflexionsflächen
aufweist, von denen eine Reflexionsfläche räumlich teilweise vor der anderen Reflexionsfläche
liegt und die Reflexionsflächen das Bild des
Leuchtfeldes in zwei
Teilbilder trennen und diese bei erfaßter Mittigkeit sich ausschließlich auf den
effektiv wirkenden Plächen der beiden fotoelektrischen Wandler befinden. ei dieser
Anordnung treten für die beiden Halbbündel axiale Wegunterschiede auf, die jedoch
gering sind und im Tiefenschärfebereich der Abbildung des einzufangenden Beuchtfeldes
liegen. Diese geringen Wegdifferenzen lassen sic: durch die Verwendung von Prismen
mit unterschiedlichem Brechungsindex vermindern, Durch diese Anordnung wird der
an den handelsüblichen Differential-Fotoempfängern vorhandene Abstand der Einzelfotoempfänger
optisch überbrückt und beide Linzelfotoenip£änger ersclieinen zusammengeschoben.
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Eine vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn das Refle xionssystem
aus einem mit einer teilweise verspiegelten Hypotenusenfläche versehenen Prisma
und einem eine reflektierende Fläche aufweisenden zweiten optischen Element besteht,
das mit dem Prisma fest verbunden ist, wobei das optisch getrennte Bild des Leuchtfeldes
auf einem fotoelektrischen Wandler von der Art eines Differential-Fotoempfängers
abgebildet wird und die Breite der optischen Trennung mindestens gleich dem Abstand
der Einzelfotoempfänger eines Differential-Fotoempfängers ist.
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Eine solche Anordnung beinhaltet alle Vorzüge eines Differential-Fotoempfängers.
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Eine mögliche Lösung oder das zweite optische Element ist, daß es
ein planparalleler Spiegel ist. In diesem Palle hängt die Trennbreite der beiden
Halbbilder von der Dicke des Spiegels ab.
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Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß das zweite
optische Element ein Prisma ist. In diesem Falle hängt die Trennbreite der beiden
Halbbilder in der Ebene des Differential-Fotoempfängers vom Winkel zwischen der
Lichteintrittsfläche und der Reflexionsfläche es zweiten prismas ab. Dadurch entfällt
die komplizierte Herstellung eines dünnen, planparallelen Spiegels. Ist die Verwendung
von miffarential-Fotoempfängern nicht möglich oder nicht erwünscht, so besteht eine
vorteilhafte Lösung mit zwei separaten Fotoempfängern darin, daß das Reflexionssystem
aus zwei gleichschenkligen, rechtwinkligen Prismen besteht, von denen jedes eine
Kathetenfläche als Lichteintrittsflache hat, daß beide Prismen eine gemeinsame Hauptspiegelungsebene
besitzen, daß das erste der beiden prismen auf derjenigen seiner Kathetenflächen,
die nicht Lichteintrittsfläche ist, mit einem der fotoelektrischen Wandler versehen
und auf seiner Hypotenusenfläche teilweise mit einem Spiegelbelag versehen ist,
daß das zweite der beiden Prismen mit seiner Lichteintrittsfläche im wesentlichen
an .em Teil der Hypotenusenfläche des ersten Prismas anliegt, dr vom Spiegelbelag
frei ist und das die Hypotenusenfläche des zweiten Prismas mit dem zweiten der fotoelektrischen
Wandler versehen und rechtwinklig zur Lichteintrittsfläche des ersten prismas gerichtet
ist. Diese Anordnung t den Vorteil, daß die auf das gekittete Prismensystem aufgesetzten
Fotoempfänger nahezu unter identischen emperaturbedingungen stehen und zueinander
lagestabil sind.
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Die optischen Wegunterschiede können durch eine geeignete
Justi-rung
der beiden Irismen zueinaner eliminiert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Reflexionssystems
im Strahlengang eines optischen Gerätes, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des
Reflexionssystems, Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des Reflexionssystems.
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1. Fig. 1 besteht ein optisches Projektionsgerät aus einer Lichtquelle
*, einem '..^n:Rensor 2, einem Träger 3 für eine als optischer Spalt wirkende Strichmarke
4 und einem Objektiv 5.
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Hinter dem Objektiv ist ein Reflexionssystem angeordnet, das ein Prisma
6 und einen planparallelen Spiegel 7 umfaßt. Das Prisma 6 besitzt an seiner Hypotenusenfläche
8 eine Verspiegelung 9, ie die Hypotenusenfläche etwa zur Hälfte bedeckt und eine
rechtwinklig zur eichenebene gerichtete Kante 10 bildet. Der planparallele Spiegel
7 ist an seiner Rückseite mit einem Spiegelbelag 11 versehen und mit seiner nichtverspiegelten
Vorderseite 12 uf die Hypotenusenfläche 8 des Prismas 6 aufgekittet. Der Spiegelbelag
9 des Prismas 5 überdeckt den Spiegelbelag 1' des plnnparallelen Spiegels 7 zum
Teil Die Kathetenfläche 13 ist die Lichteintrittsfläche und die Kathetenfläche 14
die tichtaustrittsfläche des Prismas 6. Der Kathetenfläche unmittelbar benachbart
oder in direktem Kontakt mit dieser befindet sich ein Differential-Fotoempfänger
15 mit ren Einzelfotoempfängern 16 und 17 sowie den elektrischen Anschlüssen 18.
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Ein von der Lichtquelle 1 ausgehendes Lichtbündel H durchsetzt den
Kondensor 2 und beleuchtet die Strichmarke 4 auf dem Markenträger 3. Das ( Objektiv
erzeugt einen konvergenten Strahlengang, der durch .ite Lichteintrittsfläche 13
in das Prisma 6 eintritt und z. @. an der Verspiegelung 9 der Hypotenusenfläche
8 und z. I. am Spiegelbelag 11 der planparallelen Platte 7 refle1tiert wird. dadurch
entstehen Halb bündel H1 und +t2, von denen das Teilbündel H1 lurch ciie Lichtaustrittsfläche
14 zum Einzelfotoempfänger 16 und das Teilbündel H2 durch die Lichtaustrittsfläche
14 zum Einzelfotoempfänger 17 des Differentialfotoempfängers 15 gelangt.
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Der zwischen beiden Haibbündeln bestehende Abstand ist so groß, daß
er in der dargestellten Abgleichstellung gleich dem Abstand der beiden Einzelfotoempfänger
zuzüglich der Breite ihrer inhomogenen Randzonen ist. Der längere optische Weg des
Halbbündels H1 gegenüber dem Halbbündel H2 wirkt sich auf die Abbildung der Strichmarke
4 auf dem Differentialfotoempfänger 15 nicht aus, da er innerhalb des ;3chärfentiefenbereichs
des Objektivs 5 liegt.
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Die Anordnung der Fig. 2 unterscheidet sich lediglich in der Ausbildung
des Reflexionssystems geringfügig von Fig. 1.
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Aus diesem Grunde ist das optische Projektionsgerät nicht dargestellt.
An die mit einem Spiegelbelag 21 versehene Hypotenusenfläche 22 eines rechtwinklizen
Prismas 23 ist ein keilförmiges Prisma 24 mit einer unverspiegelten Fläche 25 aufgekittet,
das.an seiner Rückseite 26 einen Spiegelbelag 27 trägt.
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Der bpiegelbelag 21 bildet wieder eine optische Kante 28.
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Durch Reflexion am Spiegelbelag 21 des Prismas 23 bzw. am Spiegelbelag
27 des Prismas '-4 wird ein Lichtbündel H wieder in zwei Teilichtbündel H1 und H2
geteilt. Die Teillichtbündel werden zu einem Differentialfotoempfänger 29 mit den
Einzelfotoempfängern 30 und 31 und den Anschlüssen 3, ähnlich wie zu Fig. 1 beschrieben,
abgelenkt. Da die Fläche 26 nicht parallel ist zur Fläche 9, schließen die Halbbündel
H1 und H2 einen entsprechenden Winkel ein.
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Das in Fig. 3 dargestellte Reflexionssystem besteht aus zwei rechtwinkligen
Prismen 33; 34, ven denen das Prisma 33 den Prismen 6 und 23 der Fig. 1 und 2 entspricht
und mit einem Spiegelbelag etwa er die Hälfte seiner Hypotenusenfläche 35 mit einem
Spiegelbelag 36 zur Erzeugung einer optischen Kante 37 versehen ist. An die Hypotenusenfläche
35 ist ein Prisma 34 mit seiner Kathetenfläche 38 so angekittet, daß seine Hypotenusenfläche
mit einer als Lichteintrittsfläche dienenden Kathetenfläche 40 des Prismas 33 einen
rechten Winkel bildet. Die Kathetenfläche 41 des frismas 34 ist verspiegelt und
steht senkrecht auf der Hypotenusenfläche 35. Der rechte Winkel des Prismas 34 befindet
sich an einer Stelle der Hypotenusenfläche 35, die vom Spiegelbelag 36 bedeckt ist.
Mit der Kathetenfläche 42 des Prismas 33 ist ein Fotoempfänger 43 und mit der Hypotenusenfläche
39 des Prismas 34 ist ein Fotoempfänger 44 starr verbunden.
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Ein in das Prismensystem durch die Lichteintrittsfläche -40
eintretendes
Lichtbündel H nlrd infolge der optischen Kante 37 in zwei Halbbündel H1 und H2 geteilt,
von denen das Bündel H1 zum Fotoempfänger 44 und das Halbbündel H2 zum Fotoempfänger
43 gelangt. Beide Fotoempfänger 43 und 44 sind in Differenz geschaltet. Bei Symmetrie
des Lichtbündels H zur optischen Kante 37 erhalten, ähnlich wie in den Fig. 1 und
2, beide Fotoempfänger 43 und 44 en gleichen Lichtstrom, zwischen den Ausgängen
der Fotoempfänger wird kein liifferenzstrom gemessen, die Anordnung befindet sich
in Abgleichstellung. Empfängt einer der beiden Fotoempfänger 43 und 44 einen größeren
Anteil :'es Lichtbündels H, 83 entsteht ein Differenzfotostrom zwischen den Fotoempfängern
43 und 44, der durch eine Nachfolgeeinrichtung verarbeitet wird
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