DE2839880B2

DE2839880B2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE2839880B2
Application number: DE19782839880
Authority: DE
Inventors: George Gordon Writtle Essex Davies (Ver. Koenigreich)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1978-06-17
Filing date: 1978-09-13
Publication date: 1980-07-31
Also published as: FR2428855A1; GB2023281A; DE2839880C3; FR2428855B1; GB2023281B; DE2839880A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen Gattung.

Eine solche Vorrichtung, wie sie aus der DE-AS 11 45 807 bekannt ist, soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 näher erläutert werden. Dabei zeigt

F i g. I den Prinzipaufbau einer solchen Vorrichtung,

F i g. 2 den bei der Vorrichtung nach F i g. 1 verwendeten Raster, und

F i g. 3 das bei Verwendung des Rasters nach F i g. 2 erhaltene Ausgangssignal.

Wie man aus F i g. 1 erkennen kann, wird ein beweglicher Raster 1 durch die obere Fläche einer transparenten Glasplatte 2 so gehalten, daß er eine Stelle 4 vor einem Reflektor 3 mit Teilkugelform durchläuft. Die Stelle 4 fällt im wesentlichen mit dem Krümmungsmittelpunkt des konkaven Reflektors 3 zusammen, wobei durch eventuelle Abweichungen die von der Glasplatte 2 hervorgerufene Brechung berücksichtigt wird. Der Raster I wird über optische Fasern 6 von einer Lichtquelle 5 beleuchtet; das durch den Raster 1 und den Reflektor 3 zurückgeworfene Licht wird am Ende 7 einer weiteren optischen Faser 8 aufgenommen und einem lichtempfindlichen Detektor 9 zugeführt.

Der Reflektor 3 erzeugt eine umgekehrte, scharfe Abbildung des Rasters 1 in der Ebene des Rasters selbst. Wenn der Raster 1 beispielsweise in Richtung des Pfeils A verschoben wird, bewegt sich seine Abbildung in der entgegengesetzten Richtung, also in Richtung des Pfeils B. Der Raster 1 besteht aus abwechselnd aufeinanderfolgenden lichtundurchlässigen bzw. lichtdurchlässigen Streifen gleicher Breite, die senkrecht zur Richtung des Pfeils A angeordnet sind; der Raster 1 dient also als eine Art »optische Blende«, die bei einer Bewegung des Rasters und seiner Abbildung in zueinander entgegengesetzten Richtungen abwechselnd geöffnet und geschlossen wird, wenn die lichtdurchlässigen Bereiche bzw. die lichtundurchlässigen Bereiche nacheinander den Strahlengang durchlaufen; auf diese Weise wird das von dem Reflektor 3 zum Ende 7 der optischen Faser 8 gerichtete Licht moduliert.

Die Bewegung des Rasters I relativ zum Reflektor 3 wird also am lichtempfindlichen Detektor 9 als eine Folge von abwechselnden hohen und niedrigen Werten des Empfangssignals erfaßt, wobei die Amplitude und die Frequenz der aufeinanderfolgenden hohen und tiefen Werte von der Bewegungsgeschwindigkeit des Rasters t sowie der Breite der lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Streifen, bezogen auf die Fläche des Endes 7 der optischen Faser 8, abhängen.

In Fig.2 ist der bei der bekannten Vorrichtung verwendete Raster 1 im einzelnen dargestellt Er besteht aus abwechselnden lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Streifen gleicher Breite. Das dadurch entstehende Muster und seine Abbildung sind in bezug auf das Austrittsende bzw. das Eintrittsende der optischen Fasern 6 bzw. 8 über dem Reflektor 3 dargestellt; dabei sind die lichtundurchlässigen Streifen durch eine durchlaufende Schraffur und die lichtdurchlässigen Streifen durch weiße Bereiche gekennzeichnet.

Es läßt sich erkennen, daß in den Lagen (b)und (d) die reflektierte Abbildung der lichtundurchlässigen Streifen genau mit den lichtdurchlässigen Streifen ausgerichtet ist, so daß über den Reflektor 3 kein Licht auf das Eintrittsende der optischen Faser 8 fällt und der Detektor 9 ein niedriges Ausgangssigna! erzeug!; dies wird durch den Zusatz »AUS« angedeutet.

Im Gegensatz hierzu fallen in den Lagen (a) und (c) die reflektierten Abbildungen der lichtundurchlässigen Streifen auf diese Streifen selbst, so daß das an dem Reflektor 3 reflektierte Licht durch die lichtdurchlässigen Streifen zu der optischen Faser 8 gelangt und damit zu dem Detektor 9 weitergeleitet wird, so daß dieser ein hohes Ausgangssignal erzeugt; dies wird durch den Zusatz »EIN« angedeutet.

Obwohl in den Lagen (a) und (c) die Signale »EIN« erzeugt werden, fallen unterschiedliche Lichtmengen auf das Eintrittsende 7 der optischen Faser 8. Dabei entspricht die empfangene Lichtmenge der von dem Eintrittsende 7 erfaßten lichtdurchlässigen Fläche; denn während in der Lage (a) das Licht durch drei lichtdurchlässige Streifen hindurchtritt, gelangt in der Lage (c) das Licht nur durch zwei lichtdurchlässige Streifen zu der optischen Faser. Die sich hierdurch ergebende Änderung des Ausgangssignals des Detektors ist in F i g. 3 dargestellt.

Diese Änderung der Amplitude der Signale »EIN« hängt von der Breite der lichtundurchlässigen Streifen relativ zur Größe des Eintrittsendes 7 der optischen Faser 8 ab. Es würde sich zwar auch eine weitere Beeinflussung bei extrem geringer Größe des Reflektors 3 ergeben; es soll hier jedoch angenommen werden, daß der Durchmesser des Reflektors 3 mindestens dem Doppelten des Durchmessers des Eintriltsendes 7 entspricht.

In Fig. 2 sind die beiden optischen Fasern 6 und 8 nebeneinander in Richtung der Streifen angeordnet dargestellt, so daß die beiden optischen Fasern jederzeit die gleichen Streifen überdecken. Dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig, so daß die optischen Fasern auch nacheinander die Streifen überstreichen können, wie es bei einer Drehung der Streifen bzw. des Rasters um 90" in bezug auf die optischen Fasern in Fig. 2 erreicht werden könnte. In beiden Fällen nimmt die Amplitudenänderung der Spitzensignalwerte nach Fig. 3 mit zunehmender Breite der Streifen (in bezug auf die Größe des Eintrittsendes 7) zu, bis ein Grenzwert erreicht wird, bei nebeneinander angeordneten optischen Fasern nämlich der Wert, wenn die Brcilc der Streifen gleich dem Durchmesser der optischen Käsern ist; werden die optischen Fasern in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnet, wird dieser Grenzwert dann erreicht, wenn die Breite der Streifen dem doppelten Durchmesser der optischen Faser entspricht.

Bei einer Breite der Streifen, die geringer als die eben erwähnten Grenzwerte ist, ergeben sich zwei Signale »EIN« und zwei Signale »AUS« während eines Zyklus (mit einem Zyklus wird hier eine Folg; aus einem lichtundurchlässigen Streifen und aus einem lichtdurchlässigen Streifen bezeichnet). Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß nicht nur der Raster an den optischen Fasern vorbeibewegt wird, sondern daß auch die Abbildung des Rasters in der gleichen Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung verschoben wird.

Die aus F i g. 3 zu erkennende, starke Änderung des Ausgangssignals des Detektors ist jedoch für viele Anwendungszwecke ungünstig, und zwar insbesondere dann, wenn die Lageänderung eines Gegenstandes sehr exakt bestimmt werden soll.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die Spitzenintensität d"s von dem Detektor abgetasteten Lichtes gleich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß bei Verwendung eines Rasters mit der angegebenen Anordnung der Streifen immer praktisch gleich viele Streifen innerhalb des Auastfeldes des Detektors üegen; auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Amplitude des auf den Detektor fallenden Lichtes immer die gleiche Spitzenintensität hat, sich also nicht der aus Fig. 3 erkennbare, /ackenförmige Verlauf des Ausgangssignals des Dctc!
tors ergibt. Damit können auch sehr geringe Ladeänderungen sehr exakt erfaßt werden.

Aus der DE-AS 12 20 152 ist zwar eine Vorrichtung zum verkantungsfehlerfreien Messen von Längen bekannt, bei der ein Raster mit zueinander versetzten Teilungen verwendet wird. Dadurch soll jedoch gewährleistet werden, daß auch bei einer Verkantung des Rasters Signale erzeugt werden, die sich ohne Schwierigkeiten verarbeiten und in die zugehörigen ) Längenwerte umwandeln lassen. Dabei ist wesentlich, daß jeder Teilung ein Detektor zugeordnet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die F i g. 4 näher erläutert, die den bei der erfindungsgemäßen κι Vorrichtung verwendeten Raster 1 zeigt.

Bei der Darstellung dieses Rasters sind die lichtundurchlässigen Streifen wiederum durch eine durchgehende Schraffierung und die dunklen Abschnitte der reflektierten Abbildung durch eine gestrichelte Schrafr> fierung angedeutet. Es läßt sich erkennen, daß der Rasrer nicht mehr aus einfachen Streifen besteht, sondern zwei um eine Streifenbreite gegeneinander versetzte Teilungen aufweist; die Versetzung erfolgt längs einer Linie, die einem Durchmesser des Reflektors _■» entspricht. Wie bei dem bekannten Raster haben die lichtundurchlässigen Streifen und die lichtdurchlässigen Streifen gleiche Breite.

In Fig.4 sind die beiden Signale »EIN« und die

beiden Signale »AUS« mit den zugehörigen Lagen (a), (b). (c) und (d) eingetragen. Es läßt sich erkennen, daß sowohl in der Lage (b), die dem Signal »EIN« entspricht, als auch in der Lage (d). die dem Signal »EIN« entspricht, die gleiche Lichtmenge auf die optische

Faser 8 fällt, so daß sich keine Änderung des

«ι Spitzenwertes des Ausgangssignals bei der Abtastung des Rasters und seiner Abbildung ergibt.

Wie bei der bekannten Vorrichtung wird bei einer

Breite der Streifen, die kleiner als der oben angegebene Grenzwert ist, ein Ausgangssignal erhalten, welches die

i'· doppelte Frequenz wie die an dem Reflektor 3 vorbcilaufcndcn Streifen hat.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Bestimmung der Lageänderung eines Gegenstandes mit einer Lichtquelle, mit einem mit dem Gegenstand verbundenen Raster mit > abwechselnden lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Streifen gleicher Breite, mit einem konkaven Reflektor für das den Raster passierende Licht, wobei der Reflektor eine Abbildung des Rasters in der Ebene des Rasters selbst erzeugt, und mit einem iu den Raster und seine Abbildung abtastenden Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Raster (1) zwei um eine Streifenbreite gegeneinander versetzte Teilungen aufweist, und daß der Detektor (7, 8, 9) beiden Teilungen r, zugeordnet ist.