DE3031685A1

DE3031685A1 - Optische messvorrichtung.

Info

Publication number: DE3031685A1
Application number: DE19803031685
Authority: DE
Inventors: Malcolm Hellyer Wyncote Pa. Hodge; Leroy Glenside Pa. Tabb jun.
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1979-08-27
Filing date: 1980-08-22
Publication date: 1981-03-12
Also published as: IT8083641A0; IT1199027B; US4314760A; GB2059578A; FR2464485A1; JPS5643504A

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 43ΟΠ ESS€N 1 · AM RUHRSTEIN 1 ■ TEL.: (O2O1) 4126Θ7 Seite 3{^

TRW INC.
10880 Wilshire Blvd., Los Angeles, Kalifornien 90024, U.S.A.

Optische Meßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Meßvorrichtung zur genauen Messung der Linearabstände zu einer lichtreflektierenden Oberfläche durch Messung des von dieser reflektierten Lichts. Die Verwendung optischer Abtastvorrichtungen für die Messung von linearen Abständen mittels reflektierter Lichtstrahlen ist bekannt. Derartige Meßvorrichtungen haben viele Vorteile, die anderen bekannten Abstandsmeßgeraten fehlen. Insbesondere bedürfen optische Meßgeräte keines Kontakts mit der abzutastenden Oberfläche. Da Licht und nicht e;in elektrisches Signal von dem Abtastinstrument zur Abstandsmessung verwendet wird, sind auch die beim Einsatz elektrischer Meßinstrumente notwendigen Vorkehrungen, z.B. eine geeignete elektrische Isolierung, nicht notwendig.

Bekannte optische Abtast- bzw. Meßgeräte emittieren Licht beispielsweise durch eine optische Faser. Das Licht wird von der abgetasteten Oberfläche über optische Empfängerfasern zurück in den Sensor reflektiert. Das reflektierte Lichtsignal wird danach von einem Fotosensor abgetastet und in ein elektrisches Signal umgesetzt, das der Menge des reflektierten Lichts proportional ist, und dieses Signal kann dann

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seinerseits in Entfernungseinheiten umgesetzt werden.

Bei bekannten Geraten fällt das reflektierte Licht auf das Abtastelement oder eine Sonde, bei der optische Empfängerfasern Verwendung finden. Die beleuchtete Zone wird während der Bewegung der abgetasteten Oberfläche mit zunehmendem Abstand zwischen der Sondenfläche und der Reflexionsfläche größer und größer, und das emittierte Licht breitet sich nach außen aus. Wenn die reflektierte Lichtzone auf den Empfängerfasern großer wird, ergibt sich ein rasches Anwachsen des erzeugten Signals, bis ein Spitzensignal erzeugt wird, wenn die Zone des reflektierten Lichts die Empfangsfläche der Sonden-Empfangsfasern bedeckt. Nachdem die Zone des reflektierten Signals die Stirnfläche der Sonden-Empfangsfasern übersteigt, sinkt die Lichtintensität zusammen mit dem von der Fotozelle erzeugten Signal ab. Ein solcher. Signalabfall ist proportional zum Quadrat des Abstands zwischen der Sonde und der Reflexionsfläche.

Bekannte optische Sensoren unterliegen einer unerwünschten Operationscharakteristik, die durch das verwendete Abtastelement oder die Sondenstruktur bedingt ist. Eine solche Struktur umfaßt die Verwendung diskreter optischer Fasern für die Lichtübertragung zur abgetasteten Oberfläche und für den Empfang des von dieser Oberfläche reflektierten Lichts. Die Sensoren der im einzelnen nachfolgend beschriebenen Art können zur Messung von Abständen in Mikrometern bzw. Mikrozoll verwendet werden, die von beweglichen lichtreflektierenden Bezugsflächen überfahren werden, welche sehr dicht an der Sensorsonde angeordnet sind. Das Licht-Ausgangssignal ist bei den bekannten Sensorsonden diskontinuierlich, wenn diese nahe der Bezugsfläche angeordnet sind, ein Umstand, der durch die Okklusion des reflektierten Lichts von den Empfängerfasern durch die lichtemittierenden

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Fasern der Sonde selbst bedingt ist. Daher ist das Lichtsignal bekannter optischer Sensoren gerade in der Anfangsphase des Meßbereichs, in der häufig eine hohe Empfindlichkeit erwünscht ist, diskontinuierlich.

Es ist daher Aufgabe'der Erfindung, eine optische Meßvorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfugung zu stellen, bei der das Problem der "Selbstokklusion" des Lichts durch Verwendung einer Sonde mit einem einzelnen Lichtleiter ausgeräumt ist, von welchem das kontinuierliche Lichtsignal emittiert und in den das reflektierte Licht zurückgeworfen wird. Ein solcher gleichzeitiger Durchtritt des Lichtsignals in der einen Richtung und des reflektierten Lichts in der entgegengesetzten Richtung wird durch eine besondere Lichtleitungsstruktur möglich gemacht. Bei einer solchen Struktur läuft das kontinuierliche Lichtsignal von einer Lichtquelle durch einen zentralen Lichtleitungskern und wird in einen zentralen Lichtleitungsabschnitt von der Reflexionsfläche aus zurückgeworfen, wobei der zentrale Lichtleitungsabschnitt größer als der emittierende Kernabschnitt ist. Eine lichtempfindliche Vorrichtung, z.B. eine Fotodiode, die mit dem reflektierten Licht in optischer Verbindung steht, setzt das reflektierte Licht in ein den Abstand anzeigendes elektrisches Signal um. Der neue Lichtleiter, wie er in der Meßsonde der erfindungsgemäßen optischen Meßvorrichtung Verwendung findet, ermöglicht daher die Erzeugung eines kontinuierlichen und eindeutigen Signals, und zwar theoretisch vom Unendlichen bis zum Kontaktpunkt mit der lichtreflektierenden Bezugsoberfläche.

Erfindungsgemäß ist die optische Meßvorrichtung mit einer neuartigen Licht-Abdeckmaske bzw. Licht-Absorptionsmaske versehen, durch die die der reflektierenden Fläche zugewandte und das reflektierte Licht aufnehmende Zone als lineare Funktion des Radius der vom reflektierten Licht

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beleuchteten Oberfläche veränderbar und daher eine lineare Funktion des Abstands des Sensors bzw. der beleuchteten Fläche von der reflektierenden Fläche ist. Eine solche lineare Beziehung besteht solange, bis die vom reflektierten Licht überstrichene Zone größer als die gesamte Stirnfläche des Abtastelements oder der Sonde ist, worauf das Lichtsignal mit dem Quadrat der Entfernung zwischen der Sonde und der reflektierenden Oberfläche abnimmt.

Erfindungsgemäß ist also eine Lichtmaske zwischen einer lichtreflektierenden Oberfläche und dem lichtempfindlichen Element des Systems eingesetzt, durch die die zum lichtempfindlichen Element durchgelassene Lichtmenge als vorgegebene Funktion des Abstandes 'zwischen der Empfangsfläche und der reflektierenden Fläche geändert wird.

Die Maske kann daher als Programmgeber dienen, der geeignet ist, solche vorgegebenen Lichtintensitäten zum lichtempfindlichen Element durchzulassen, die nicht nur in die Linearabstände sondern auch in den Linearabständen zugeordnete Bedingungen umgesetzt werden können. So kann beispielsweise die Messung der Bewegung· einer druckempfindlichen Membran mit Hilfe von reflektiertem und maskiertem Licht, das in einen' Lichtsensor fällt, in Lichtsignale umgesetzt werden, die wiederum in Signale oder Anzeigewerte entsprechend den die Membranbewegung hervorrufenden Drücken umgesetzt werden können.

Ferner kann beispielsweise die Messung der Abstände zwischen dem optischen Sensor und den Flüssigkeitsspiegeln eines Speicherbehälters durch reflektiertes Licht direkt in die den jeweiligen Behälterpegel entsprechenden Volumina umgesetzt werden. Eine derartige

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Umsetzung wird durch eine Maske bewirkt, die so ausgebildet ist, daß sie von jeder lichtreflektierenden Oberfläche eine Lichtintensität durchläßt, die proportional zu dem einer solchen Oberfläche entsprechenden Volumen ist. Daher umfassen die bei der optischen Meßvorrichtung nach der Erfindung verwendeten Masken Programme, bei denen die zum lichtempfindlichen Element durchgelassenen Lichtsignale als vorgegebene Funktion des Abstandes zwischen dem lichtempfindlichen Element (Sensor) und den reflektierenden Oberflächen variieren können.

Die erfindungsgemäße optische Abtast-.bzw. Meßvorrichtung kann auf eine Vielzahl unterschiedlicher Meßprobleme abgestimmt werden, einschließlich der Lagemessung, Überwachung bei der Qualitätskontrolle durch Abtasten der Oberflächenbeschaffenheiten, Vibrationsüberwachungen usw.

Darüberhinaus kann die erfindungsgemäße optische Meßvorrichtung aus billigen Komponenten bestehen, die einfach zusammengebaut und der Massenproduktion zugänglich sind. Darüberhinaus hat die erfindungsgemäße optische Meßvorrichtung eine hohe Lebensdauer, da sie keine funktionsnotwendigen bewegten Teile verwendet, und sie ist über einen extrem weiten Temperaturbereich betriebsfähig.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Lichtquelle, z.B. eine lichtemittierende Diode (LED) an einem Ende einer optischen Faser angebracht, so daß ein konstantes Lichtsignal von der Faser in ein lichtdurchlässiges Gehäuse übertragen wird, in welchem ein zweites Faserende konzentrisch angeordnet ist. Ein aus dem Faserende (der Stirnfläche) austretendes Lichtsignal wird aus dem Zentrum der Stirnfläche des Gehäuses auf •eine abzutastende, lichtreflektierende Oberfläche emittiert. Reflektiertes Licht fällt in das lichtdurchlässige Gehäuse

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und wird zum Abgabeende des Gehäuses hin durch einen Ringabschnitt übertragen, der das Zentralsignal umgibt. Das reflektierte Licht wird vom Gehäuse zu einer lichtempfindlichen Vorrichtung, z.B. einer Fotodiode übertragen, welche ein für die Menge des reflektierten Lichts kennzeichnendes Signal erzeugt. Die Fotodiode kann bei Verwendung einer optischen Verbindungsfaser entfernt von dem Gehäuse angeordnet sein.

Die Meß- bzw. Abtastsonde kann eine von einer an deren Endfläche angeordneten Lichtmaske definierte lichtdurchlässige Zone haben, deren Profil so gewählt ist, daß die vonWet^eK^iiPdefi E±an€s&R£ihen, die den Lichtsensor erreichen, sich linear mit den Abständen zwischen dem Sensor und der Bezugsoberfläche ändern. Die Menge des das Gehäuse durchlaufenden reflektierten Lichts ist daher direkt proportional zu den Abständen zwischen den maßgeblichen Flächen.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die dem Abtastende entgegengesetzte Gehäusefläche eine konvexe Sammellinse bildet, wodurch das in das lichtdurchlässige Gehäuse eintretende reflektierte Licht fokussiert und zum fotoempfindlichen Element übertragen wird, so daß ein wirksames Auffangen des reflektierten Lichts gewährleistet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht

auf eine Meßsonde eines Ausführungsbeispiels der ärfindungsgemäßen optischen Meßvorrichtung;

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Fig. 2 eine Ansicht ähnlich derjenigen gemäß Fig. 1 auf eine abgewandelte Meßsonde, bei der ein Ende eines lichtdurchlässigen Körpers die Funktion einer Licht-Sammellinse erfüllt;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht auf einen Sende-Empfangs-Modul, der in eine erfindungsgemäß ausgebildete optische Meßvorrichtung integriert werden kann;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht auf eine abgewandelte Lichtmeßsonde, die bei einer erfindungsgemäßen optischen Meßvorrichtung verwendet werden kann;

Fig. 5 eine grafische Schemadarstellung der

linearen Beziehung zwischen dem in der Meßsonde der Meßvorrichtung empfangenen reflektierten Licht, aufgetragen über dem Abstand zwischen der Meßsonde und der abgetasteten Bezugsfläche;

Fig. 6 eine Darstellung reflektierter Lichtscheiben, wie sie auf der Stirnfläche einer optischen Meßsonde bei normaler. Benutzung erscheinen;

Fig. 7 ein Abziehbild, das auf die Stirnfläche einer optischen Meßsonde zur Schaffung einer linearen reflektierteö Licht/Abstandsbeziehung aufgebracht werden kann; und

Fig. 8 ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der numerischen Apertur einer im Abtastelement verwendeten Faser und dem maximalen Meßabstand veranschaulicht.

Im folgenden wird insbesondere auf Fig. 1 der Zeichnung bezug genommen, in der eine Meßsonde 10 einer optischen Meßvorrichtung dargestellt ist. Die Sonde 10 weist eine optische Faser 12 auf, welche bei 13 mit einem geeigneten Mantel versehen ist, der vor Liehtverlusten schützt und' an einem Ende mit einer Lichtquelle, z.B. einer lichtemittierenden Diode 14 verbunden ist. Über Drähte 15 ist die Diode an eine geeignete Schaltung angeschlossen, von der die Diode derart angesteuert ist, daß sie ein konstantes Licht-

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signal hoher Intensität erzeugt. Dieses Signal wird von der optischen Faser 12 zu einem durchscheinenden bzw. lichtdurchlässigen Gehäusekörper.16 geleitet, der zur Minimierung der Lichtverluste bei 17 mit einem Umfangsmantel versehen ist.

Der Körper des zylindrischen Gehäuses 16 kann aus einem klaren, durchscheinenden Glas oder Kunststoff bestehen, so daß das aus dem Anschlußende 18 der optischen Faser 12 austretende Lichtsignal sich von der Achse der Faser 18 entsprechend der numerischen Apertur der Faser konisch nach außen ausbreitet; Es ist in Fig. 1 zu erkennen, daß das die Faser 12 durchlaufende Lichtsignal aus der Stirnfläche der Sonde durch eine zentrale, lichtdurchlässige Öffnung 20 austritt und sich von dort weiter konisch bis zu einer abzutastenden Fläche 22 eines Körpers 24 ausbreitet.

Beim normalen Betrieb bekannter Meßvorrichtungen emittiert der optische Sensor ein Lichtsignal aus einem Lichtleiter, z.B. der optischen Faser 12 gemäß Fig. 1, und wirft dieses Lichtsignal auf eine reflektierende Oberfläche, die abzutasten ist. Das reflektierte Licht wird dann von einer separaten Empfängeroptik aufgenommen, welche das reflektierte Licht zu einem lichtempfindlichen Element, z.B. einer Fotodiode überträgt. Letztere setzt das reflektierte Licht in ein elektrisches Signal um, das für den Abstand zwischen der lichtemittierenden Sonde und der lichtreflektierenden Oberfläche kennzeichnend ist.

Wie in Fig. 1 zu erkennen· ist, wird das an der Fläche 22 reflektierte Lich't in das stirnseitige Ende 25 der Meßsonde 10 durch ein lichtdurchlässiges vierblättriges Muster zurückgeworfen, das. von der Zentralöffnung 20, durch die das Lichtsignal aus der optischen Faser 12 von der Sonde 10 emittiert wird, ausgeht. Die von der Zentralöffnung

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ausgehenden blattförmigen Zonen 26 sind klare Oberflächenzonen des Körpers 10, während die Schattenzone oder Maske 28, die den restlichen Teil der Stirnfläche der Sonde einnimmt, lichtundurchlässig ist. Daher kann das von der abgetasteten Oberfläche 22 reflektierte Licht nur durch klaren, lichtdurchlässigen blattförmigen Zonen 26 und die in gleicher Weise klare zentrale Zone 20, aus der das von der optischen Faser 12 emittierte Lichtsignal austritt, in die Sonde 10 eintreten.

Das in den Körper 10 des Gehäuses zurückgeworfene Licht durchläuft das Gehäuse 16 zu einer optischen Faser 30, deren eines Ende 31 an der den blattförmigen Zonen 26 entgegengesetzten Stirnseite des Gehäuses angebracht ist. Das entgegengesetzte Faserende ist mit einem lichtempfindlichen Element, z.B. der Fotodiode 32 optisch gekoppelt, von der Drähte 34 zum Anschluß der Diode an eine geeignete Schaltung ausgehen. Dadurch kann das zur Diode 32 übertragene Licht in ein elektrisches Signal umgesetzt werden. Ein solches Signal kennzeichnet den Abstand zwischen der lichtemittierenden Stirnfläche 25 der Sonde 10 und der abgetasteten Fläche 22 des Objekts 24.

Die Lichtintensität und das aufgrund der Lichtemission aus der Faser 12 erzeugte Signal erreicht einen Maximalwert, wenn das Sondenende 25 die Fläche 22 berührt, wie durch den Punkt P im Schaubild gemäß Fig. 5 veranschaulicht ist. Ohne die Maske 28 wird das gesamte reflektierte Licht solange von dem Sondenende aufgefangen, bis die von der Oberfläche 22 reflektierte Lichtscheibe seitlich über die Sondenstirnfläche 25 hinausreicht. Während der

Relativbewegung zwischen der Sonde und der Fläche 22 zwischen den beiden Bewegungsgrenzen,der Sonden-Reflexionsflächen-Berührung und der Erzeugung der maximalen Lichtscheibe auf der Sonde, würde die Fotodiode 32 eine im wesentlichen ein-

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heitliche Lichtintensität erreichen. Es ist Zweck der Maske 28, das reflektierte Licht zunehmend abzuschatten und zu verhindern, daß das abgeschattete Licht die Fotodiode 32 erreicht, so daß die Intensität des reflektierten Lichts und das sich ergebende, diodenerzeugte Signal linear verringert werden. Als Folge davon ändern sich die von dem an der Fläche 22 reflektierten lichterzeugten Signale als lineare Funktion der Abstände zwischen den beiden betroffenen Flächen.

Offensichtlich wird der Durchmesser der die Sondenstirnseite treffenden Reflexionslichtscheibe mit zunehmendem Abstand zwischen der Sondenstirnfläche und der abgetasteten Fläche 22 vergrößert. Daher ändert sich die Zone der klaren, durchscheinenden Bereiche 26 an der lichtabtastenden Stirnseite der Sonde 10, die der von der Fläche 22 reflektierten Lichtfront zugewandt ist, als Linearfunktion des Radius der beleuchteten Oberfl achenzone ebenso wie der Abstand der Sondenstirnseite von der Fläche 22.

Zu der Konfiguration der von den Blättern 26 definierten lichtdurchlässigen Zone zur Erzeugung von Lichtsignalen, die sich linear mit dem Abstand zwischen dem lichtempfindlichen Element und der reflektierenden Fläche ändern, kommt man wie folgt. Aus Fig. 6 ist zu sehen, daß mit zunehmendem Abstand zwischen der Sondenstirnfläche 25 und der Reflexionsfläche 22 die auf die Stirnfläche 25 fallenden, von der Fläche 22 reflektierten Lichtscheiben zunehmend größer werden. Wenn der Lichtdurchtritt durch einen größeren Ring gegenüber dem Wert des auf den benachbarten kleineren Ring fallenden reflektierten Lichts um jeweils 5 % verringert werden soll, so muß bei jedem Radialsprung ein Segment des jeweils nächstgrößeren Rings lichtundurchlässig gemacht werden, um die gewünschten 5 % pro Radialeinheit zu sperren.

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Der zentrale Kreis 20, der einen Radius von einer Radialeinheit hat, erfährt keinen Lichtverlust, da das Licht aus der Faser 12 aus ihm emittiert wird. Es sei angenommen, daß eine 5 %ige Reduzierung des reflektierten Lichts in dem nächst benachbarten Ring 36 erwünscht ist, der den Kreis 20 umschließt und eine Scheibe mit einem Radius von zwei Radialeinheiten definiert. Diese Scheibe überspannt eine Zone von 4 Ti mit der gewünschten Verlustzone von 45Tx 0,05 oder 0,2Tf im Ring 36. Die durchlässige Zone der den Kreis 20 und den Ring 36 umfassenden Scheibe ist 4Ji¹- 0,2Of oder 3,87T". Die durchlässige Zone des Rings allein ist 2,Q¹Sf. Die 0,2Tf Verlustzone im Ring 36 ist äquivalent einer Abdeckung von etwa 24 , die nach der folgenden Beziehung berechnet ist:

Fig. 6 stellt daher fünf weitere Scheiben dar, die durch Ringe von jeweils einer Radialeinhe.it zusätzlich zum Ring 36 gebildet werden.

Die oben abgeleitete Lichtverlustinformation für die fünf Ringe 38 bis 46 in Fig. 6 ist in Tabelle 1 zusammengestellt.

Das progressiv verlorene oder undurchlässig gemachte Segment in jedem der Ringe 36 bis 46 überspannt einen Bogen von im Mittel 26,30°. Ein mittleres Profil kann daher gezeichnet werden, das in cartesischen Koordinaten aufgetragen wird, wobei die Beziehungen χ = T sin 0 und y = T cos 0 verwendet werden, wobei T den Ringradius und 0 den Winkel (ausgehend von einem Bezugsradius) des letzten Segments darstellen.

Die sich ergebenden Kurven sind Arten der als Rhodonea von Grandi bekannten Planarkurven. Die allgemeine Gleichung für die Rhodonea (Rose) ist:

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γ = a cos M θ

Wenn M ganzzahlig ist, so gibt es M-Blätter bei M ungeradzahlig und 2M-Blätter bei M geradzahlig. Daher ist bei der vierblättrigen "Rose" gemäß den Fig. 1 und 2 M = 2. In der vorhergehenden Gleichung ist der Faktor a eine Konstante und θ der Versetzungswinkel.

Bei Verwendung einer einzigen Bezugskoordinate kann ein mittleres Profil in Form der in Fig. 7 dargestellten Spirale gezeichnet werden. Bei Verwendung von vier orthogonalen Bezugskoordinaten ergibt sich das vierblättrige Profil gemäß den Fig. 1 und 2, bei dem θ in Sprüngen von 26,3° : 4 oder 6,575° zunimmt. Andere blattförmige Konfigurationen können offenbar zur Schaffung der gewünschten linearen Beziehung verwendet werden, wobei die gewünschte Anzahl von Achsen, auf denen die Rhodonea definiert wird, benutzt wird.

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Nach dem Durchtritt durch die lichtdurchlässige Zone 26 der Sondenstirnfläche 25 erzeugt das den Fotosensor 32 erreichende Licht ein Signal, das über den Bewegungsbereich zwischen der Stirnfläche 25 der Sonde 10 und der Oberfläche 22 solange linear proportional zum Abstand zwischen den beiden Flächen ist, bis die Stirnfläche 25 vom reflektierten Licht abgedeckt ist. Der zuletzt genannte Zustand entspricht dem Punkt S auf der Grafik gemäß Fig. 5. Eine nachfolgende Bewegung im Sinne einer Entfernung dieser beiden Flächen erzeugt eine Lichtreflexionsscheibe, deren Fläche größer als die Stirnfläche 25 der Sonde ist, worauf die Lichtintensität proportional mit dem Quadrat des Abstandes zwischen den beiden Flächen absinkt. Fig. 5 zeigt das aufgrund der Verwendung der Maske erzeugte lineare Ausgangssignal über der Abstandsbeziehung bis zur Erzeugung des Signals S, worauf das reflektierte Lichtsignal eine'Funktion des Quadrats des genannten Flächenabstands ist. Daher definieren die Punkte P und S die oberen und unteren Grenzen des linearen Signal bereichs, wie er mit der Sonde 10 erzielbar ist. Eine geeignete Schaltung kann die hinter dem Punkt S erzeugten Signale in geeignete Abstandseinheiten umsetzen. Der wirksame lineare Betriebsbereich der optischen Meßvorrichtung hängt _tvon der numerischen Faserapertur und dem Kegelwinkel des emittierten Lichts bei der verwendeten optischen Faser ab. Die Formel für die numerische Apertur ist

—1 / 2 2*
Sin V N₁ - Ν» , wobei N₁ gleich dem Brechungsindex des Faserkerns und N« gleich dem Brechungsindex des Fasermantels ist.

Fig. 8 ist eine"schematische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem Divergenzwinkel bzw. Kegelwinkel B des aus der Faser 12 emittierten Lichts und dem Radius R an der Sondenstirnfläche 25 bei der Bestimmung des Linearbereichs (L) der Meßsonde 10 veranschaulicht. Die nach-

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folgende Tabelle 2 zeigt den vergrößerten Linearbereich einer erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Meßvorrichtung bei abnehmender numerischer Apertur und abnehmendem Divergenzwinkel des emittierten Lichts.

Tabelle 2

Linearer Abhängigkeitsbereich als Funktion der numerischen Apertur (n.A.) und des Sonden-Enddurchmessers (S.E.D.)

n.	Fas-er A. Winkel	10°	S.E.D.	lineare Aus- (") qanqsverschiebungC'J
o,	17	25°	0,14	0,200
o,	38	33°	0,14	0,084
o,	56	10°	0,14	0,055
o,	17	25°	0,28	0,400
o,	38	33°	0,28	0,168
o,	51	= numerische	0,28	0,110
n.	A.	Apertur	-1 / 2 2' = Sin VN/ - N,

mit N. = Faserkernbrechungsindex N₂ = Fasermantelbrechungsindex

Es ist außerdem zu erkennen, daß mit zunehmender numerischer Apertur die Intensität des reflektierten Lichtsignals pro Einheit der Relativbewegung zwischen den bei der Messung beteiligten Flächen größer wird und die Meßvorrichtung demzufolge auf derartige Relativbewegungen empfindlicher anspricht,

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Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Meßsonde 1OM, bei der ein Gehäuse 16M abgewandelter Ausbildung Verwendung findet. Zwar hat die Meßsonde 1OM das gleiche lichtemittierende und lichtaufnehmende Ende wie die Meßsonde 10 gemäß Ausführung in Fig. 1, jedoch ist die entgegengesetzte Stirnfläche 39 konvex ausgebildet und wirkt als Sammellinse, die das von der Oberfläche reflektierte und in dieSonde einfallende Licht entsprechend den gestrichelten Pfeilen auf ein Ende 43 der fragmentarisch dargestellten optischen Faser 30 fokussiert, so daß das aufgenommene Licht zum lichtempfindlichen Element 32 übertragen werden kann. Die abgewandelte Meßsonde 1OM ist wirksamer als die Sonde 10 gemäß Fig. 1, da das konvexe Ende 39 des Gehäuses das gesamte, von der reflektierenden Fläche 22 in der Sonde aufgefangene Licht auf das Ende 43 der optischen Faser 30 fokussiert und dort sammelt. In der Sonde der Ausführung gemäß Fig. 1 wird nur derjenige Teil des reflektierten Lichts von der optischen Faser 30 übertragen, das auf das Ende 31 dieser Faser fällt. Es ist zu erkennen, daß zwar die longitudinale Umfangsflache des Gehäuses 1OM geeignet ummantelt ist, um Lichtverluste in der Sonde selbst zu minimieren, und daß das empfangsseitige Ende 25M in der dargestellten Weise ein lichtdurchlässiges Profil hat, daß jedoch das gegenüberliegende Ende 39 voll lichtdurchlässig ist, um ein Fokussieren des eintretenden Lichts auf das Faserende 43 zu ermöglichen.

Fig. 4 zeigt ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Meßsonde für die optische Meßvorrichtung nach der Erfindung. Die Meßsonde 45 kann in der dargestellten Weise eine rechteckige Umfangskonfiguration haben, wobei in einer oberen Stirnfläche 47 der Sende-Empfangs-Modul 48 gemäß Fig. 3 eingebettet ist. Der Modul 48 weist eine quadratische zentrale LED 50 sehr kleiner Abmessungen von

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z.B. 1,524 mm Kantenlänge auf. Derartige Sende-Empfangs-Moduln werden von TRW Optron, Tappan Circle, Carrollton, Texas, U.S.A. hergestellt. Daher kann bei dem Sende-Empf anger 48 gemäß Fig. 3 von der LED 50 das Lichtsignal mit der erwünschten hohen Intensität zum Ende der optischen Faser 51 geleitet werden, die in dent lichtdurchlässigen Gehäuse 52 eingebettet ist. Das Lichtsignal tritt sodann in der zuvor unter Bezugnahme auf die Faser 12 in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 beschriebenen Weise aus der Stirnfläche des Gehäuses 52 aus. In Fig. ist zu erkennen, daß die gleiche Art des Lichtdruchtritts durch die Stirnfläche 19 bei der rechteckigen Sonde 45 stattfindet wie durch das Stirnende 25 der zylindrischen Sonden 10 und 1OM in den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2. Das Licht durchdringt die zentrale, lichtdurchlässige Zone 2OM vom Ende der ummantelten Faser 51, und das an der abgetasteten Oberfläche (nicht dargestellt) reflektierte Licht fällt in die Stirnfläche 19 durch die lichtdurchlässige Zone 26M ein, die das die gewünschte Linearbeziehung zwischen den erzeugten Lichtsignalen und dem Abstand hervorrufende Profil hat. Das reflektierte Licht wird durch den lichtdurchlässigen Körper 16M der Sonde 45 geführt, fällt auf diö Oberflächenzone der zum Sende-Empfangs-Modul gehörigen Fotodiode 60, welche die LED 50 umgibt.

Die vorhergehende Beschreibung zeigt, daß die neuartige optische Meßvorrichtung ein kontinuierliches und lineares Ausgangssignal bezogen auf den Meßabstand entwickelt, und zwar aufgrund der besonderen Profilgebung der Lichteintrittsfläche an der vorgesehenen Meßsonde.

Die verschiedenen Sondenausführungen, wie sie oben erörtert wurden, weisen relativ billige und der Massenfabrikation zugängliche Komponenten auf.

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Die Abtast- bzw. Meßelemente verwenden denselben Lichtleiter sowohl zum Abstraften hochintensiver Lichtsignale als auch zum Empfangen der reflektierten Lichtsignale, wodurch dem Problem der Selbstokklusion bzw. Eigenabschattung entgegengewirkt wird, das bei optischen •Meßvorrichtungen bekannter Bauart besteht, bei denen getrennte lichtemittierende und empfangende Fasern verwendet werden.

Wie oben ausgeführt, hat die neue optische Meßvorrichtung gegenüber herkömmlichen Meßvorrichtungen gleicher Gattung erhebliche Vorteile. Neben der einfachen Konstruktion hat die beschriebene Meßvorrichtung eine hohe Lebensdauer; sie kann unter Verwendung von Massenfabrikationsmethoden hergestellt werden; sie hat im Sondenbereich keine bewegten Teile und kann außerdem über einen extrem weiten Temperaturbereich eingesetzt werden. Die Verwendung von Lichtsignalen, die über einen weiten Frequenzbereich variieren, ist möglich. Es ist zu erkennen, daß die vorgesehenen Meßsonden von extrem gedrängter Bauweise sein können und daher geeignet in begrenzten Betriebsräumen verwendet werden können. Aus Tabelle 2 ist zu sehen, daß die in Betracht kommenden Sondendurchmesser im Bereich von weniger als 0,38 cm liegen, wobei die in solchen Sonden einsetzbaren optischen Fasern Durchmesser im Bereich von 7,62 bis 12,7 χ 10 cm haben. Erfindungsgemäß ausgebildete Lichtmeßsonden können eine Vielzahl unterschiedlicher Formen annehmen, um sie besonderen Anwendungsfällen anzupassen. Die Flexibilität von Glasfasern und Gehäusekörpern läßt es zu,.daß die Sonden eine Vielzahl von mehrfach gekrümmten Konfigurationen annehmen.

Um die lichtemittierende Fläche der Sonde und/oder die Bezugsfläche zu schützen, können verformbare Bälge, z.B. Schutzbälge verwendet werden, die sich mit änderndem Meßabstand komprimieren oder strecken. Derartige Bälge ver-

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hindern auch eine Störung der übertragenen Lichtsignale durch Umgebungslicht. Als Alternative zur Verwendung eines elastischen Balges kann die profilierte Fläche der Sonde auch in ein Rohrstück eingesetzt werden, das sich bis zur abgetasteten Oberfläche erstreckt.

Aus der vorhergehenden Beschreibung dürfte klar hervorgehen, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens viele Abwandlungen möglich sind. Zusätzlich zu der vollständigen Aufnahme der reflektierten Lichtscheibe durch die profilierte Stirnfläche, die für die Erzeugung eines sich linear mit dem Meßabstand ändernden Signals ursächlich ist, kann der Meßabstand auch dann noch durch eine geeignete elektronische Schaltung erfaßt werden, wenn er die Grenzen einer linearen Signalerzeugung übersteigt, worauf das reflektierte Licht über den Umfang der Sondenstirnfläche hinausstreut (Punkt S in Fig. 5). Eine solche Schaltung spricht auf Lichtsignale an, die nach der Erzeugung des linearen Signals proportional zum Quadrat des Meßabstands geändert werden. In alternativer Ausführung kann die verwendete Lichtmaske so ausgebildet werden, daß sie die Nicht-Linearität der Lichtintensitäts/Ausgangs spannung des lichtempfindlichen Elements, z.B. der Fotodiode der optischen Sonde, kompensiert. Ein solches abgewandeltes Profil würde eine Linearisierungsschaltung überflüssig machen.

Wie oben gesagt, wirken die bei den erfindungsgemäßen Fotosonden vorgesehenen Masken als Programme, die das reflektierte Licht nicht nur linear mit dem Meßabstand ändern, sondern auch die'reflektierten Signale als vorgegebene Funktionen der Abstände zwischen der Meßsonde und der abgetasteten reflektierenden Oberfläche ändern.

Daher können die Masken den Durchtritt von Lichtintensitäten ermöglichen, welche sich als Funktion der Änderungen

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in der Oberflächenlage oder der einer Oberflächenänderung zugeordneten Bedingungen, z.B. Druck, Volumen, Oberflächenstruktur usw. ändern. Die Profile der durchscheinenden bzw. lichtdurchlässigen Zonen und der komplementären lichtundurchlässigen Maskenabschnitte der dargestellten Meßsonden weisen Elemente der Sondenausführungen auf, bei denen sich das durchgelassene reflektierte Licht linear mit dem Meßabstand ändert. Darüberhinaus kann die erfindungsgemäß vorgesehene Lichtmaske aber auch irgendwo zwischen dem Lichtmeßelement und der reflektierenden Oberfläche als getrenntes Element angeordnet sein, das nach irgendeiner vorgegebenen Funktion des Meßabstands veränderlich sein kann, wobei die Funktion in die Maske einprogrammiert ist.

Als Alternative zur Bildung einer Maske durch Anbringung eines lichtundurchlässigen Oberflächenüberzugs 28 auf der Stirnseite einer Meßsonde, z.B. 10 in den Figuren 1 und und der Meßsonde 45 in Fig. 4 können spezielle Abdeckelemente mit einem geeigneten Lichtdurchtrittsprofil auf die Stirnseite der Meßsonde aufgesteckt, angesetzt oder in anderer Weise befestigt werden. Ein derartiges Abdeckelement ist in Form einer Spirale 21 in Fig. 7 der Zeichnung dargestellt, die entweder als Abziehfolie auf der Stirnfläche einer lichtdurchlässigen Sonde oder als aufsteckbare Abdeckung auf die Sonde aufbringbar ist und auf diese Weise eine geeignete Änderung des lichtdurchlässigen Profils durch bloßen Ersatz der Abdeckung oder Lichtmaske auf der Sondenstirnseite ermöglicht.

Der Begriff "Maske", wie er hier verwendet wird, umfaßt nicht nur Licht-Abschattungsmittel, wie die opaken Zonen gemäß Ausführungsbeispielen in Fig. 1 und 2, die komplementäre lichtdurchlässige Zonen begrenzen. Der Begriff umfaßt vielmehr alle Mittel zur Verringerung des Lichtdurchtritts, z.B. einen Film ähnlich einem belichteten Negativ mit einer durchscheinenden bzw. lichtdurchlässigen Öffnung zum Durchtritt des von der reflektierenden Ober-

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fläche zurückgeworfenen Lichts. Der Rest der Film-Lichtmaske kann die lichtdurchlässige Zone umgebende Zonen aufweisen, welche graduell vom durchscheinenden bzw. lichtdurchlässigen in den opaken bzw. lichtundurchlässigen Zustand übergehen. So kann beispielsweise in Fig. 6 jeder zum Kreis 20 konzentrische Ring mit zunehmendemScheibendurchmesser zunehmend opak bzw. lichtundurchlässig gemacht werden. Die besondere Anordnung der Lichtmaskier- oder Filterelemente der Maske bildet das Programm, welches bei unterschiedlichen Meßabständen vorgegebene Lichtintensitäten zum Lichtdetektor durchläßt. In diesem Sinne verwendbar ist auch eine einstellbare Maske, z.B. eine Kamerablende, bei der die Zentralöffnung geeignet einstellbar ist und die Blendenelemente eine verringerte Lichtdurchlassigkeit erhalten, wenn sich die Blende der weitesten Stellung nähert, oder die ein geeignetes anderes Programm erfüllen.

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ZUSAMMENFASSUNG

Angegeben wird eine optische Meßvorrichtung zum Abtasten einer lichtreflektierenden Oberfläche, die ein Element zum Enitüeren von Licht auf die lichtreflektierende Oberfläche aufweist. Das von der lichtreflektierenden Oberfläche zurückgeworfene Licht wird in einem lichtempfindlichen Element aufgenommen und ausgewertet. Erfindungsgemäß ist dabei eine Maske zwischen der reflektierenden Oberfläche und dem lichtempfindlichen Element eingesetzt, welche die Intensität des das lichtempfindliche Element erreichenden reflektierten Lichts als vorgegebene Funktion des Meßabstands ändert. Die zugehörige Meßsonde kann daher die reflektierten Lichtintensitäten direkt in Signale umsetzen, welche einer vorgegebenen Funktion der im Meßintervall herrschenden Bedingungen entsprechen.

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Claims

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER ■ D 4300 ESSEN 1 · AM RUHR3TEIN 1 · TEL.: (02 01) 4126 Seite " - /fl T 109 TRW INC. Ansprüche

1.) Optische Meßvorrichtung zum Messen des Abstandes zu

r lichtreflektierenden Oberfläche, mit einer Licht auf die reflektierende Oberfläche werfenden Einrichtung und einer auf das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Licht ansprechenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet , daß eine Lichtmaske (25; 25M; Fig. 6; Fig. 7) zwischen der reflektierenden Oberfläche (22) und der auf das reflektierte Licht ansprechenden Einrichtung (10; 1OM; 45) angeordnet und so ausgebildet ist, daß die von der Maske zu der lichtempfindlichen Einrichtung durchgelassenen Lichtintensitäten als vorgegebene Funktion des Abstands zwischen der lichtempfindlichen Einrichtung (10; 1OM; 45)und der reflektierenden Oberfläche (22) veränderlich sind.

2. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Einrichtung (10, 32; 45, 48) so ausgebildet ist, daß sie ein der Intensität des sie erreichenden reflektierten Lichts proportionales Signal erzeugt und daß die Lichtmaske (25; 25M; Fig. 6; Fig. 7) den Zutritt einer vorgegebenen Menge des reflektierten Lichts zu der lichtempfindlichen Einrichtung (10, 32; 45, 48) durch Abschattung sperrt, so daß das von der lichtempfindlichen Einrichtung erzeugte Signal ent-

Z/bu.

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ORlGiNAL. INSPECTED

sprechend einer vorgegebenen Funktion des Abstandes zur reflektierenden Oberfläche (22) veränderlich ist.

3. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmaske (25; 25M-; Fig. 6; Fig. 7) so ausgebildet ist, daß sich die durch sie durchgelassenen Lichtintensitäten linear mit dem Abstand der lichtaufnehmenden Einrichtung (10; 1OM; 45) von der reflektierenden Oberfläche (22) ändern.

4. Optische Meßyorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmaske (25; 25M; Fig. 6; Fig. 7) komplementäre lichtdurchlässige (z.B. 26) und lichtundurchlässige (z.B. 28) Zonen hat.

5. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmaske Zonen mit sich nach einem vorgegebenen Programm ändernder Lichtdurchlässigkeit aufweist.

6. - Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmaske als einstellbare Blende ausgebildet ist, die bei jeder Einstellung den Durchtritt von Licht bei{verschiedenen Lichtintensitäten zuläßt»

7. Optische Meßvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Lichtquelle (14), einen an einem ersten Ende mit der Lichtquelle optisch verbundenen Lichtleiter (12), ein lichtdurchlässiges, ein zweites Ende des Lichtleiters (12) umgebendes Gehäuse (16) mit einem lichtemittierenden und lichtaufnehmenden Ende zum Emittieren des über den Lichtleiter (12) zugeführten Lichts und ein optisch mit dem Gehäuse (16) verbundenes, auf das in das lichtemittierende und lichtaufnehmende Ende geworfene Licht ansprechendes lichtempfindliches Element (32) aufweist.

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8. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch. 7', dadurch gekennzeichnet, daß das lichtemittierende und lichtaufnehmende Ende des Gehäuses (16) eine lichtdurchlässige Lichtaufnahmezone (20, 26) in solcher Ausbildung aufweist, daß sich das von einer reflektierenden Oberfläche (22) auf das Ende zurückgeworfene und durch die lichtdurchlässige Zone in das Gehäuse einfallende Licht als vorgegebene Funktion des Abstandes zwischen dem Ende und der reflektierenden Oberfläche (22) ändert.

9. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch" 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtempfindliche Element (60) auf einer dem lichtemittierenden und lichtaufnehmenden Ende gegenüberliegenden Oberfläche (47) des lichtdurchlässigen Gehäuses (52) angebracht ist.

10.. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8j dadurch gekennzeichnet, daß an der dem lich'temittierenden und lichtaufnehmenden Ende (25M) gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (16M) eine Sammellinse (39) angeordnet ist, die das in das lichtemittierende una lichtaufnehmende Ende einfallende Licht auf das mit Abstand angeordnete lichtempfindliche Element (32) fokussiert.

11. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Licht von einer Lichtquelle auf eine lichtreflektierende Oberfläche (22) werfender Lichtleiter (16; 52) vorgesehen ist, der einen gemeinsamen Endabschnitt zum Übertragen des Lichts zur lichtreflektierenden Oberfläche und des von letzterer (22) reflektierten Lichts zu einer lichtempfindlichen Einrichtung (32; 60) aufweist.

12. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle als lichtemittierende Diode (14) ausgebildet ist, die mit einem Ende einer optischen Faser (12) verbunden ist, daß das entgegengesetzte Ende der

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optischen Faser in einem lichtdurchlässigen Körper (16) endet, wobei die optische Faser und der lichtdurchlässige Körper den Lichtleiter bilden, daß eine Stirnfläche (25) des lichtdurchlässigen Körpers die Lichtaustrittsfläche für das von der Lichtquelle erzeugte Licht zu der lichtreflektierenden Oberfläche (22) und die Lichteintrittsfläche für das von der lichtreflektierenden Oberfläche zurückgeworfene Licht bildet und daß das lichtempfindliche Element eine Fotodiode (32) ist, die mit dem von der lichtreflektierenden Oberfläche (22) reflektierten Licht optisch gekoppelt ist.

13. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Endabschnitt des Lichtleiters eine lichtdurchlässige Zone (20, 26) mit einem solchen Profil hat, daß sich deren von dem an der lichtreflektierenden Oberfläche (22) reflektierten Licht durchlaufene Teil als vorgegebene Funktion des Abstandes zwischen der lichtreflektierenden Oberfläche und dem Endabschnitt ändert.

14. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die als lichtemittierende Diode (50) ausgebildete Lichtquelle und das als Fotodiode (60) ausgebildete lichtempfindliche Element-, in einem Sende-Empfangs-Modul (48) zusammengefaßt sind.

15. Optische Meßvorrichtung, bei der zur Messung der Volumina in einem Speicherbehälter lichtreflektierende Oberflächen optisch abgetastet werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine lichtemittierende Quelle, die Licht auf die lichtreflektierenden Oberflächen wirft, eine lichtempfindliche Einrichtung, die mit dem von den lichtreflektierenden Oberflächen reflektierten Licht in optischer Verbindung steht und eine zwischen der lichtempfindlichen Einrichtung und den lichtreflektierenden Oberflächen angeordnete Maske vorgesehen ist, wobei letztere so programmiert

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ist, daß sie den Durchtritt des von jeder der Oberflächen reflektierten Lichts zur lichtempfindlichen Einrichtung mit einer Lichtintensität zuläßt, die direkt proportional zum Behältervolumen unterhalb jeder Fläche ist.

16. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierte Licht einen Lichtleiter (lO)aus einem lichtdurchlässigen Gehäuse (16) mit einem Umfangsmantel (17) und einem lichtdurchlässigen Ende (25) durchläuft, wobei das von der Lichtquelle emittierte Licht durch das lichtdurchlässige Ende austritt und das von den lichtreflektierenden Oberflächen zu der lichtempfindlichen Einrichtung reflektierte Licht eintritt, und daß die Maske an dem lichtdurchlässigen Ende lösbar angebracht ist.

17. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässigen Zonen (20, 26) der Maske (25) von Kurven einer Rhondonea von Grandi begrenzt sind.

18. Optische Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (10) so ausgebildet ist, daß er von einer lichtreflektierenden Oberfläche (22) reflektiertes Licht zu der lichtempfindlichen Einrichtung gleichzeitig mit der Emission des von der Lichtquelle (14) erzeugten Lichts auf die reflektierende Oberfläche (22) durchläßt.

19. Verfahren zum Abtasten einer lichtreflektierenden Oberfläche durch Auswerten des von der lichtreflektierenden Oberfläche empfangenen Lichts, dadurch gekennzeichnet , daß von einem lichtemittierenden Lichtleiterende auf die lichtreflektierende Oberfläche geworfenes Licht entlang eines ersten Strahlengangs emittiert und das von der reflektierenden Oberfläche zurückgeworfene Licht entlang eines mit dem ersten Strahlen-

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gang zusammenfallenden Strahlenganges in das lichtemittierende Ende derart geführt wird, daß das reflektierte Licht von dem Lichtleiter nicht abgeschattet, wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das den gemeinsamen Strahlengang durchlaufende reflektierte Licht auf eine lichtempfindliche Einrichtung fokussiert wird.

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das von der reflektierenden Oberfläche reflektierte Licht derart maskiert wird, daß der einen Lichtempfänger erreichende Teil des reflektierten Lichts sich als vorgegebene Funktion des Abstandes zwischen dem Lichtempfänger und der reflektierenden Oberfläche ändert.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

daß der den Lichtempfänger erreichende Teil des reflektierten Lichts in Abstandseinheiten umgesetzt wird, die für den Abstand zwischen dem Lichtempfänger und der lichtreflektierenden Oberfläche kennzeichnend sind.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmaske so programmiert wird, daß sie den Durchtritt von sich linear mit dem Abstand zwischen der lichtempfindlichen Einrichtung und der reflektierenden Oberfläche ändernden Lichtmengen ermöglicht.

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