DE3230396A1

DE3230396A1 - Mehrfachfrequenz-entfernungsmessgeraet zur brennpunktsteuerung

Info

Publication number: DE3230396A1
Application number: DE19823230396
Authority: DE
Inventors: Kerry D. 06066 Vernon Conn. Baines; Henry F. 06040 Manchester Conn. Berdat
Original assignee: Gerber Scientific Instrument Co
Current assignee: Gerber Systems Corp
Priority date: 1981-08-12
Filing date: 1982-08-11
Publication date: 1983-03-10
Also published as: JPS5837612A; US4435055A; FR2511512A1; GB2105037A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät zur Brennpunktsteuerung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Geräte zum Messen von Entfernungen und insbesondere Entfernungsmeßgeräte zum Steuern des Brennpunktes eines optischen Instruments sind an sich bekannt, wobei häufig von einer Ultraschallentfernungsmeßausrüstung Gebrauch gemacht wird. Die US-PS'en 4 199 246, 4 148 574 und 4 167 316 offenbaren solche Schall-Entfernungsmeßsysteme zum Bestimmen und Einstellen des Brennpunktes von Kameras.

Auf dem Gebiet der Phototechnik ist eine Brennpunktsteuerung erforderlich, um den gerade photographierten Gegenstand in das Blickfeld des Kameralinsensystems zu verbringen. In solchen Fällen kann die Tiefe des Blickfeldes, d.h. der Abschnitt des Feldes, der sich im Brennpunkt befindet, verhältnismäßig groß sein, und aus diesem Grund ist die genaue Kontrolle über die Brennpunktjustierung nicht kritisch. Bei bestimmten Arten von Instrumenten wie .Photoplottern oder Laserschneidgeräten ist die Feldtiefe begrenzt. Dieser Zustand eines begrenzten Feldes ist optischen Systemen gemein, die. sich auf Gegenstände in dichter Nachbarschaft zu den Linsensystemen konzentrieren. Bei mit hoher Genauigkeit arbeitenden Photoplottern, die zum Erzeugen von "Mutterpausen" für gedruckte Schaltplatten verwendet werden, wird die gerade belichtete Photoplatte oder der Film sehr dicht an den Photokopf gehalten, und zwar aus mehreren Gründen, und eine Feldtiefe im Bereich von 0,0254 cm (0,01 Zoll) ist nicht ungewöhnlich. Folglich ist das Problem einer Aufrechterhaltung eines ordnungsgemäß fokussierten Bildes

akut. Eine scharfe Fokussierung ist wesentlich, um die leitenden und die nichtleitenden Abschnitte der Schaltplatte klar zu umreißen. Darüber hinaus werden Mikroschaltungen immer wichtiger, und solche Schaltungen verwenden äußerst feine Leiter in Anordnungen hoher Dichte. Bei der Herstellung solcher Schaltungen kommt der Brennpunktsteuerung sogar eine noch größere Bedeutung zu.

Es ist bekannt, daß Glasfilmplatten, aus denen Mutterpausen hergestellt werden, Oberflächenunregelmäßigkeiten haben. Eine Folie von 50,8 χ 60,96 cm (20 χ 24" Zoll ultraflachem Film hat Oberflächenfehler, die als Di

) aus agonal-

krümmung bezeichnet werden, in der Größenordnung von 0,004826 cm (0,0019 Zoll). Die gesamte Flachheit einer Platte von 50,8 χ 60,96 cm (20 χ 24 Zoll) kann um nicht weniger als 0,028448 cm (0,0112 Zoll) quer über die lichtempfindliche Oberfläche variieren. Bei mit hoher Präzision arbeitenden Photoplottern haben diese Variationen Glasoberfläche einen bedeutenden Einfluß auf den B jedes beliebigen Bildes, das auf die 1ichtempfindl fläche projiziert wird, und zwar im Hinblick auf d grenzte Feldtiefe.

Zusätzliche Faktoren, die zur Filmplatte selbst in

η der ennpunkt ehe Ober-

ie be-

keiner

Beziehung stehen und die ebenfalls eine Wirkung auf den . Brennpunkt ausüben, werden in der Konstruktion gefunden,die die Platte trägt und eine Relativbewegung zwischen der Platte und dem optischen Kopf hervorruft. So bewirjkt z.B. ein Fehlen an Parallelität zwischen den Führungen,'. auf denen der Kopf und die Platte relativ zueinander bewegt

werden, eine Veränderung der Entfernung zwischen dem Kopf und der' lichtempfindlichen Oberfläche an verschiedenen Stellen auf der Platte. Auch fügen Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Führungen oder .auf den Führungen, die auf den Führungen laufen, einem Fehlen an Parallelität zusätzliche Positionierungsfehler hinzu.

Aus diesem Grund sind einige Photoplotter des Standes der Technik mit Steuermechanismen versehen worden, um den optischen Kopf des Plotters einzustellen und dadurch einen im wesentlichen gleichmäßigen Abstand zwischen dom Photokopf und der vom Kopf gerade belichteten lichtempfindlichen Oberfläche aufrechtzuerhalten. Die US-PS 3 511 1.49 und die US-PS 3.704 657 zeigen zwei Beispiele von Photoplottern mit Einrichtungen zum Einstellen des optischen Kopfes relativ zur photographischen Oberfläche zur Brennpunktsteuerung. Bei jedem dieser Plotter des Standes der Technik ermittelt ein in der Nachbarschaft der optischen Achse des Kopfes montierter pneumatischer Sensor die Entfernung zwischen dem Kopf und der lichtempfindlichen Oberfläche eines Films und nimmt geeignete Justierungen bei der Positionierung des Kopfes relativ zur Oberflache vor, um den Brennpunkt des Kopfes zu halten.

Aus den vorerwähnten Gründen und wegen der Notwendigkeit einer genaueren Brennpunktsteuerung auf der Filmebene ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Entfernungsmeßgerät zu schaffen, das eine genaue, automatische Brennpunktsteuerung bei einem Photoplotter oder einem anderen •optischen Instrument ermöglicht.

• - 10 -

- ίο -

Die vorliegende Erfindung liegt deshalb auf dem Gebiet von Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgeräten zum. Messen der Entfernung zwischen einem Gegenstand wie dem optischen Kopf in einem Photoplotter und einer Bezugsebene wie'der Filmoberfläche, auf der ein fokussiertes Bild gewünscht wird. Dabei wird die vorerwähnte Aufgabe erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln gelöst.

Dementsprechend weist das Gerät eine Wellenerzeugungseinrichtung zum Erzeugen diskreter Energiewellen mit einer charakteristischen ersten und einer zweiten Frequenz auf, wobei die zweite Frequenz höher als die erste Frequenz ist. Die Erzeugungseinrichtung überträgt die Wellen zwischen dem Gegenstand und der Bezugsebene, und die Empfangseinrichtung ist der übertragungseinrichtung zugeordnet, um die über-' tragenen Wellen mit beiden Frequenzen zu empfangen. Mit der Empfangseinrichtung ist eine Detektoreinrichtung verbunden um den Phasenunterschied zu ermitteln und die Entfernung zwischen dem Gegenstand und der Bezugsebene sowohl ,mit der ersten Frequenz als auch mit der zweiten Frequenz iu bestimmen. Eine der Detektoreinrichtung zugeordnete Schalteinrichtung steuert den Ermittlungsvorgang mit der ersten Frequenz zur Grobermittlung der Entfernung und mit ider zweiten Frequenz zur Feinermittlung derselben.

Bei einem Photoplotter oder einer anderen optischen Vorrichtung kann die ermittelte Entfernung zwischen dem Gegenstand und der Bezugsebene zum Einstellen des Brennpunktes

- 11 -

des optischen Kopfes auf einem Film verwendet werden. Bei dieser Vorrichtung sind zweckmässig Motoreinrichtungen vorgesehen, um die Positionierung des Linsensystems relativ zur lichtempfindlichen Oberfläche eines Films einzustellen, wobei die von der Detektoreinrichtung gemessene Entfernung zum Betätigen der Motoreinrichtungen zur Brennpunktjustierung verwendet werden kann.

Mit einem sowohl eine Grob- als auch eine Fein-Brennpunktjustierung schaffenden Doppel- oder Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät wird die Handhabung des Brennpunktes· auf dem Film bedeutend verbessert. Vorgänge zur graphischen ■ Aufzeichnung können auf Filmplatten ausgeführt werden, ohne daß groß auf Flachheit oder Diagonal krümmung geachtet werden muß. Auch werden Brennpunktabweichungen, die von der optischen Vorrichtung selbst oder der Art und Weise verursacht werden, wie die Filmplatte in der Vorrichtung angebracht ist, ohne irgendeine Schwierigkeit aufgenommen. Insgesamt ist das sich ergebende, auf der Filmplatte belichtete Produkt von verbesserter Qualität. Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines das Entfernungsmeßgerät der vorliegenden Erfindung verkörpernden Photoplotters,

- 12 -

Fig. .2 eine Teilschnittansicht des optischen Kopfes in dem Photoplotter der Fig. 1 und der Unterlage für die vom Kopf belichtete Filmplatte,

Fig. 3 eine fragmentarische Ansicht des Photokopfes, die den Betrieb des Entfernungsmeßgeräts bei verschiedenen Höhenstellungen des Kopfes veranschaulicht,

Fig. 4 ein Diagramm, das Ultraschallwellen mit unterschied-. liehen charakteristischen Frequenzen zur Grob- und zur Fein-Brennpunktsteuerung veranschaulicht,

Fig. 5 ein Blockdiagramm der Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung bei einem Ausführungsbeispiel für den Photoplotter in Fig. 1 bis 3.

Fig. 1 veranschaulicht einen allgemein mit 10 bezeichneten Photoplotter, bei dem die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung der vorliegenden Erfindung verkörpert ist. Der Photoplotter 10 arbeitet in Reaktion auf eine· automatische Steuereinrichtung 12, die vom Plotter entfernt liegt und Kommandos zur graphischen Aufzeichnung in Übereinstimmung mit einem vorher etablierten Programm schafft. Der Photoplotter schließt einen Auflagetisch 14 ein, auf dem eine Filmplatte .16 mit einer nach oben in Richtung auf einen optischen Kopf 20 gewandten lichtempfindlichen Oberfläche oder Filmebene positioniert ist. Der optische Kopf belichtet graphische Aufzeichnungen auf der lichtempfindlichen Oberfläche

- 13 -

durch Projizieren eines Lichtstrahls in Abwärtsrichtung auf einen Punkt auf der Oberfläche und durch Bewegen im allgemeinen parallel zur Oberfläche in den angedeuteten X- und Y-Koordinatenrichtungen, um Linienzüge 18 zu belichten. Die vom Kopf 20 erzeugte graphische Aufzeichnung oder Arbeit kann die Mutterpause einer gedruckten Schaltplatte oder ein _; anderes Produkt darstellen. j

j Der optische Kopf 20 ist auf einem den Tisch 14 Überspannenden j Schlitten 22 gelagert, und der Schlitten kann auf gesteuerte Weise über den Tisch in der X-Koordinatenrichtung mittels ' einer Leitspindel 24 und eines Antriebsmotors 26 in Reaktion . auf Kommandos, die aus der automatischen Steuereinrichtung 12 i empfangen werden, vor und zurück übersetzt werden. Der optische Kopf bewegt sich auch auf dem Schlitten 22 relativ zum Tisch 14 in der angedeuteten Y-Richtung mittels einer weiteren ; Leitspindel 28 und eines Antriebsmotors 30, der in Reaktion auf Kommandos aus der Steuereinrichtung 12 betrieben wird. ; Durch Verbundbewegungen in den X- und Y-Richtungen kann der j optische Kopf parallel zur Filmplatte 16 laufen und Linien- j züge an jeder Stelle auf der lichtempfindlichen Oberfläche 17 herstellen.

Fig. 2 zeigt den optischen Kopf 20 ausführlicher und die Abschnitte des Kopfes, die Bilder nach unten auf die lichtempfindliche Oberfläche 17 des Films 16 projizieren. Der Kopf enthält eine Lichtquelle 40 wie eine Xenon-Blitzlampe, die einen Lichtstrahl erzeugt, der durch eine Sammellinse 42 und andere optische Einrichtungen 44 geworfen wird, um ein

- 14 -

Bild herzustellen, das auf dem Film 16 belichtet werden soll. Eine .Objektivlinse 46 in dem unteren Abschnitt des optischen Kopfes wird zum Projizieren des Bildes aus den Einrichtungen entlang einer optischen Achse 48 des Kopfes auf die lichtempfindliche Oberfläche 17 in einem fokussierten Zustand verwendet, so daß eine genaue und scharfe Reproduktion des Bildes auf dem Film 16 belichtet wird. Zum Zwecke einer ausführlicheren Beschreibung de.s optischen Kopfes und seines Betriebes sei auf die US-PS 3 848 520 verwiesen.

Die ganze optische Ausrüstung in dem Kopf 20 ist im Inneren eines Gehäuses 50 ortsfest angebracht, und.das Gehäuse ist zum Zwecke einer Bewegung auf den Tisch 14 zur graphischen · Aufzeichnung und die Filmplatte 16 zu und von diesen weg in einem Satz von Führungen 52, 54 verstellbar gelagert. Durch · eine Bewegung des Gehäuses 50 entlang der optischen Achse 48 wird die Lage der Fokalebene des Kopfes verstellt, wobei die Bewegung durch einen Servomotor 56 hervorgerufen wird, der eine Leitspindel 58 hat, die am oberen Abschnitt des Gehäuses 50 ortsfest angebracht ist.

Der Servomotor 56 ist in stationärer Beziehung auf einer Brückenkonstruktion 62 oberhalb einer Schlittenplattform 60 montiert. Der optische Kopf 20 und die Plattform 60 werden parallel zu dem Tisch 14 zur graphischen Aufzeichnung mittels des Schlittens 22 und zugeordneter, in Fig. 1 gezeigter Leitspindeln und Antriebsmotoren übersetzt. Daher kann, währendder optische Kopf 20 über die Filmplatte 16 bei einem Vorgang zur graphischen Aufzeichnung übersetzt wird, die Fokalebene des Kopfes oder der Fokalpunkt der Objektivlinse 46 relativ zur 1ichtempfind-

- 15 -

lichen Oberfläche 17 mittels des Servomotors 56 verstellt werden. Die Verstellung des Brennpunktes mittels des Servomotors 56 wird durch die Steuerung mit selbsttätiger Scharf- · einstellung der vorliegenden Erfindung ausgeführt, .wie sie nachstehend beschrieben werden wird.

Die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung der vorliegenden Erfindung macht von einem Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät zum Messen und Einstellen der Entfernung · zwischen der Objektivlinse 46 des optischen Kopfes 20 und der lichtempfindlichen Oberfläche 17 der Filmplatte 16 Gebrauch. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.der Erfindung überträgt ein Doppelbereich-Ultraschallgenerator Energiewellen zweier unterschiedlicher Frequenzen zwischen dem optischen Kopf und der Filmoberfläche, um die dazwischenliegende Entfernung zu messen. Die niedrigere der beiden Frequenzen schafft eine Grob-Entfernungsmessung zum vorläufigen Etablieren eines approximativen Trennabstandes zwischen dem Film und dem optischen Kopf und dem entsprechenden Brennpunkt, und die höhere-Frequenz schafft eine Fein-Entfernungsmessung zum genauen Aufrechterhalten des Abstandes danach.

So erzeugt z.B. die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung eine charakteristische niedrige Frequenz, um die Objektivlinse 46 in den approximativen Brennpunkt auf der lichtempfindlichen Oberfläche 17 zu verbringen, wenn ein Vorgang zur graphischen Aufzeichnung initiiert wird. Da die Filmplatte 16 eine Anzahl unterschiedlicher Dicken haben und in einem Filmschließrahmen auf verschiedene Höhen auf dem Tisch 14 zur graphischen Aufzeichnung eingestellt werden kann, muß die Grobeinstellung des optischen Kopfes einen

- 16 -

ziemlich weiten Bereich von Positionen der Filmebene aufnehmen. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die Grobeinstellungsweise bei 10 kHz einen Bandbereich von ungefähr +_ 5,1 mm (0,2 Zoll) und schafft eine Auflösung innerhalb dieses Bereichs von +_ 0,025 mm (0,001 Zoll). Nach erfolgter Grobeinstellung schältet die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung auf eine höhere charakteristische Frequenz um, um den Brennpunkt aufgrund von kleinen Riffeln und anderen kleinen Veränderungen in der lichtempfindlichen Oberfläche 17 genauer aufrechtzuerhalten. Die genauere oder Feineinstellungsweise erfolgt bei 210 kHz und umfaßt einen Bandbereich von HH 0,2 mm (-0,008 Zoll) mit einer Auflösung von +_ 0,0025 mm (0,0001 Zoll).

Die hauptsächlichen, in Fig. 2 und 3 dargestellten Bauelemente des Systems mit selbsttätiger Scharfeinstellung sind der Wellentransmitter 70 und ein Empfänger 72. Der Transmitter und der Empfänger sind in Abstandsbeziehung zueinander an dem Gehäuse 50 des optischen Kopfes· angebracht. Der Transmitter ist vorzugsweise ein Ultraschallwandler mit Richteigenschaften, um eine Ultraschall-EnergiewelIe entlang einer Achse 74 auf die lichtempfindliche Oberfläche 17 zu zu richten. In einem solchen Fall ist der Empfänger 72 ein Ultraschal!wandler, der ebenfalls Richteigenschaften hat und von der Oberfläche 17 aus entlang einer Achse 76 zurückgeworfene Energiewellen empfängt. Sowohl der Transmitter als auch der Empfänger sind in erster Linie entlang ihrer jeweiligen Achsen wirksam, erzeugen jedoch meßbare Ausgaben innerhalb eines begrenzten. Bereichs· von der Achse weg. Der Wandler 70 und der Empfänger 72 sind auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse 48 montiert und derart ausgerichtet,

daß ihre jeweiligen Achsen 74, 76 in einer gemeinsamen Ebene und im gleichen Winkel relativ zur lichtempfindlichen Oberfläche 17 liegen und die optische Achse am Fokalpunkt der Objektivlinse 46 schneiden. Bei dioser Geometrie wird die vom Transmitter 70 ausgesendete Energiewe.lle von der lichtempfindlichen Oberfläche 17 aus zurückgeworfen; sie wird jedoch nur dann vom Empfänger 72 empfangen, wenn der optische Kopf 20 sich in der korrekten Brennpunktposition oder an Stellen befindet, die unmittelbar über und unter der Brennpunktposition liegen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung wird der Photokopf 20 zu Beginn in die fokussierte, in Fig. 2 gezeigte Stellung gebracht, und zwar durch Anheben des Gehäuses 50 m.itdem Servomotor 56, bis ein Grenzschalter 80 am oberen Ende der Führung berührt wird. An diesem Punkt wird der Servomotor 56 reversiert, und dieser treibt das Gehäuse 50 in Abwärtsrichtung an, bis ein wahrnehmungsfähiges Signal aus dem Ultraschallempfänger 72 ermittelt wird. Falls ein Signal nicht bei der eigentlichen Justierung ermittelt wird, wird ein unterer Grenzschalter 82 berührt, der den Servomotor 56 ausschaltet.

Fig. 3 veranschaulicht die Initialisierungsprozedur, wobei sich das Gehäuse 50 in zwei verschiedenen angehobenen Stellungen befindet. In der oberen, in Strichpunktlinien angedeuteten Stellung sendet der Transmitter 70 eine Ultraschallwelle aus, die auf die lichtempfindliche Oberfläche 17 an einer Stelle auftrifft und von dieser aus

- 18 -

zurückgeworfen wird; diese Stelle macht es dem Empfänger 72 unmöglich, den zurückgeworfenen Abschnitt der Welle zu ermitteln. In der unteren Stellung ist das Gehäuse 50.in dem eigentlichen Brennpunktabstand grob eingestellt, und der Empfänger 72 fluchtet mit der zurückgeworfenen Welle und empfängt dementsprechend dieselbe. Durch geeignete Auswahl der Grob-Entfernungsmeßfrequenz und der Positionierung des Ultraschalltransmitters 70 und des Empfängers 72 wird der Empfänger keine meßbare Ausgabe erzeugen , bis das Gehäuse sich der Filmoberfläche 17 innerhalb des Abmessungsbandbereichs der Justierung um die fokussierte Stellung nähert. Mit anderen Worten: Die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung wird solange kein wahrnehmungsfähiges Signal.aus dem Empfänger 72 erzeugen, bis die Objektivlinse sich ungefähr in der korrekten Lage zum Fokussieren von Bildern auf der Filmoberfläche 17 befindet.

An diesem Punkt wird die Initialisierungsprozedur beendet, und das Entfernungsmeßgerät einschließlich des Transmitters und des Empfängers 72 übernimmt die Verantwortung für den Antrieb des Servomotors 56 und die Aufrechterhaltung des optischen Kopfes 20 in einem fokussierten Zustand relativ zur Filmplatte 16.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung im Detail. Dieses Ausführungsbeispiel schließt ein Doppelfrequenz-Ultraschallentfernungsmeßgerät ein, das von einer Frequenz zum Etablieren einer Grob-Brennpunktjustierung und einer zweiten höheren Frequenz zur Fein-Brennpunktjustierung Gebrauch macht.

- 19 -

Die Wellenerzeugungseinrichtung für die Steuerung enthält einen Doppelfrequenzoszillator 90, der zwei charakteristische Entfernungsmeßfrequenzen, nämlich eine niedrigere Frequenz f, und eine höhere Frequenz f~ , erzeugt. Die niedrigere Frequenz wird an einen Frequenzmodulator 92 über einen· Schalter 94 für eine elektronische Betriebsart angelegt, der schematisch dargestellt ist, während die zweite höhere Frequenz direkt an den Modulator zu jeder Zeit angelegt wird. Wenn der Betriebsartschalter 94 zur Grob-Brennpunktjustierung. geschlossen wird, wird die höhere Frequenz f~ von dem Modulator 92 mit der charakteristischen niedrigen Frequenz f. amplitudenmoduliert und treibt den Verstärker 96 und den Ultraschalltransmitter 70. Daher ist die in der Grob-Betriebsart erzeugte Ultraschallwelle eine modulierte Trägerwelle mit der Frequenz fp» aber die charakteristische Frequenz der Welle wird durch die Amp!itudenmodulationen mit der Frequenz fy bestimmt. ·

In der Fein.-Betriebsart zum Aufrechterhalten einer präzisen Fokussierung des optischen Kopfes ist der Betriebsartschalter 94 offen, und der Modulator veranlaßt den Transmitter 70, eine nichtmodulierte Welle mit der charakteristischen Frequenz f2 zu erzeugen. Die Verwendung der gleichen Frequenz für den Träger in der Grob-Betriebsart und der charakteristischen Frequenz in der Fein-Betriebsart erlaubt eine auf ein maximales Ansprechen gerichtete Auswahl der Hardware und vermeidet niedrigere Frequenzen im Hörbereich.

- 20 -

Der Empfänger 72 nimmt sowohl die modulierten als auch die nichtmodulierten Wellen mit der Trägerfrequenz f₂ an und erzeugt entsprechende Signale, die über den Verstärker- 98 auf einen Demodulator 100 und einen Verstärker und Amplitudenbegrenzer 102 übertragen werden. In der Grobjustierun.gsbetriebs· art ermittelt, wenn die Ultraschallwelle moduliert wird, der Demodulator 100 die Amplitudenmodulationen mit der Frequenz f. und liefert eine entsprechende Ausgabe auf den Verstärker 102 über einen Festkörper-Betriebsartschalter 104, der schematisch dargestellt ist. Während der Grobbetriebsart ist der Betriebsartschalter 106 offen, so daß der Verstärker 102 nur eine Eingabe mit der charakteristischen Frequenz f^ empfängt.

In der Feinbetriebsart ist der Betriebsartschalter 104 offen und der Betriebsartschalter 106, wie dargestellt, geschlossen, so daß der Verstärker 102 ein Signal mit der charakteristischen Frequenz f« empfängt.

Die diskreten Signale mit einer der beiden charakteristischen Frequenzen werden an einen Phasendetektor 110 angelegt, wo . die Phasendifferenz, die der Entfernung zugeschrieben werden kann, die entlang der reflektierten Bahn zwischen dem Transmitter 70 und dem Empfänger 72 durchlaufen werden muß , durch einen Phasenvergleich der reflektierten Welle aus dem Empfänger 72 mit der entsprechenden, auf dem Oszillator 90 abgeleiteten Bezugswelle über den geeigneten Betriebsartschalter 112 oder 114' bestimmt wird. Die ermittelte Phase wird vom Detektor 110 mit einer vorbestimmten Phase verglichen, die am korrekten Brennpunktabstand besteht, und jede Abweichung von der vorbestimmten Phase erscheint am Ausgang des

- 21 -

Detektors und bildet ein Brennpunktfehlersignal e, das . die Motorantriebsschaltungsanordnung 118 für den Servomotor 56 über die Systemlogikschaltungsanordnung 120 betätigt. Der Servomotor wird durch das Fehlersignal betätigt und bewegt den optischen Kopf. in die passende Richtung auf die Filmebene zu oder von dieser weg, um den korrekten Brennpunktabstand zu erhalten.

Das Fehlersignal e wird auch in einem Fehlerüberwachungskomparator 116 überprüft, um zu bestimmen, ob das Signal innerhalb einer voreingestellten Toleranz liegt. Der Komparator 116 ist im Grunde genommen ein Pegeldetektor und erzeugt ein Freigabesignal zur Systemlogik 120, wann immer das Fehlersignal innerhalb der Toleranz liegt. Wenn das Signal sich eventuell aufgrund des Ausfalls eines Bauelements in der übertragungs-, Empfangs- oder Ermittlungsschaltungsanordnung außerhalb der Toleranz befindet, sperrt der Komparator den Betrieb der Systemlogikschaltungsanordnung 120 oder entkuppelt der Servomotor 56, und der Servomotor bleibt in der letzten üustierungsstellung blockiert. Eine (nicht dargestellte) Ausfallwarnlampe kann gleichzeitig aufleuchten.

Das Fehlersignal e findet auch in der Systemlogikschaltungsanordnung 120 zum Steuern des Schaltens der Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung und insbesondere der Betriebsartschalter 94, 104, 106, 112 und 114 zwischen der Grob- und der Feinbetriebsart Verwendung. Anfangs arbeitet die Schaltungsanordnung 120 in der Grobbetriebsart, während

- 22 -

der optische Kopf durch die in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Initialisierungsphase des Betriebes bewegt wird. Wenn das Fehlersignal e, das von der Logikschaltungsanordnung 120 empfangen wird, unter einen vorbestimmten Pegel fällt, so wird dadurch angezeigt, daß der optische Kopf sich gerade dem korrekten Brennpunktabstand von der Fi'lmebene aus nähert. Zu diesem Zeitpunkt betätigt die Logikschaltungsanordnung die Betriebsartschalter, die vorzugsweise Festkörper-Feldeffekttransistor(FET)-Schalter sind, über den Leiter 122, und die Brennpunktsteuerung schaltet auf die Feinbetriebsart um.

Das Umschalten der Betriebsart von einer niedrigen Frequenz auf eine höhere Frequenz ermöglicht es der Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung, den fokussierten Zustand mit einer größeren Auflösung aufrechtzuerhalten. Mit anderen Worten: Die mit der höheren Frequenz arbeitende Brennpunktsteuerung kann kleinen Schwankungen im Brennpunktabstand zwischen der Objektivlinse und der Filmoberfläche mit größerer Genauigkeit folgen. Die Fähigkeit, solche kleinen Schwankungen im Brennpunktabstand mit der Doppel frequenzsteuerung zu korrigieren, wird ausführlicher in Verbindung mit der Darstellung zweier charakteristischer Entfernungsmeßfrequenzen in Fig. 4 erläutert.

Fig. 4 zeigt beispielsweise zwei Ultraschal1frequenzen, die bei der in Fig. 5 dargestellten Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung verwendet werden können. Es ist ersichtlich, daß die höhere Frequenz ^~ neunmal größer ist als die Frequenz f.. So kann beispielsweise die Frequenz f,· 10 kHz messen, und die Frequenz f₂ würde dann bei 90 kHz' liegen.

- 23 -

Damit die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung anfangs den optischen Kopf aus einer angehobenen Stellung in eine ungefähr korrekte fokussierte Stellung mit der . niedrigeren Frequenz f.. bewegen kann, wird die Wellenlänge der Frequenz f. so ausgewählt, daß der Empfänger 72 in •Fig. 2 und 3 solange kein meßbares von der Filmoberfläche aus zurückgeworfenes Siqnal ermittc?l t. und erzeugt, bis der Empfänger sich ein gutes Stück innerhalb einer Wellenlänge der fokussierten Stellung entlang der reflektierten Wellenbahn befindet. Mit anderen Worten: Wenn der Empfänger 72 mit dem Ermitteln der übertragenen, von der Filmoberfläche 17 aus zurückgeworfenen Ultraschallwelle beginnt, wird sich der Empfänger ungefähr in der korrekten Brennpunktposition oberhalb der Filmoberfläche 17 befinden, und die Entfernung zwischen dem Transmitter und dem Empfänger wird die korrekte Anzahl von Wellenlängen entlang der reflektierten Wellenbahn zwischen dem Transmitter und dem Empfänger sein.

Zum Zwecke der Veranschaulichung sei angenommen, d<iß die Entfernung zwischen dem Transmitter und dem Empfänger in dem korrekten Brennpunktabstand ungefähr /4 einer Wellenlänge mit der Frequenz f. beträgt, und deshalb wird der Phasenunterschied zwischen der vom Transmitter ausgesendeten und vom Empfänger empfangenen WeIIe 90 Grad betragen. Folglich wird der Detektor 110 in Fig. 5 justiert oder voreingestellt, um ein Nullsignal zu erzeugen, wenn die vom Detektor gemessene Phase 90 Grad beträgt. Die Entfernung entlang der reflektierten Wellenbahn beträgt somit

- 24 -

/4 einer Wellenlänge, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt ist.

Die Systemlogikschaltungsanordnung 120 schließt eine Nullermittlungsschaltung ein, die die Bedingung erkennt, bei der das Fehlersignal e aus dem Komparator sich in einem oder im wesentlichen in einem Nullzustand befindet. Die Schaltungsanordnung erzeugt dann ein Betriebsartumschaltungssignal auf dem Leiter 122, der mit den Reihen von Betriebsartschaltern 94, 104, 106, 112 und 114 in Verbindung steht, und ändert die Betriebsfrequenz der Brennpunktsteuerung von der niedrigeren Frequenz f₁ auf die höhere Frequenz f₂ ab.

Nach erfolgtem Frequenzwechsel vergleicht der Phasendetektor 110 die übertragenen und empfangenen Signale mit der zweiten, höheren Frequenz f₂. Fig. 4 zeigt, daß, wenn die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung den korrekten Brennpunkt bei /4 Wellenlänge der niedrigeren Frequenz erhält, der korrekte Brennpunktabstand, gemessen entlang der reflektierten Wellenbahn, mehrere Wellenlängen mit der höheren Frequenz f₂ betragen wird. Da der Phasendetektor 110 lediglich den Phasenunterschied zwischen der übertragenen Welle und der empfangenen Welle ermittelt, ist die Tatsache, daß die reflektierte Wellenbahn mehrere Wellenlängen lang ist, inkonsequent, und das System mit selbsttätiger Scharfeinstellung wird um einen Nullzustand bei dem 90-Grad-Phasenpunkt bei mehreren Zyklen oder Wellenlängen entlang der reflektierten Bahn arbeiten .

Kleine Schwankungen aufgrund einer Wellung oder einer Senkung der Filmoberfläche relativ zur der Ebene, in der der

- 25 -

optische Kopf bewegt wird, werden aufgrund der größeren Schwankung des Fehlersignals e mit der höhreren Frequenz mit weit größerer Genauigkeit ermittelt. Eine ständige Neupositionierung des optischen Kopfes über die Antriebsmotorschal tungsanordnung 118 und den Servomotor 56 hält den optischen Kopf in der korrekten Brennpunktposition, während das Servosystem den 90-Grad-Phasenunterschied und die damit verbundene optische Entfernung zwischen der Objektivlinse 46 und der Filmoberfläche 17 aufrechterhält.

Es ist ersichtlich, daß der durch die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung aufrechterhaltene Brennpunktabstand der Abstand entlang der Brennpunktachse zwischen der Objektivlinse und der Filmoberfläche ist, weil die Achsen des Transmitters 70 und, des Empfängers 72 auf den Brennpunkt der Objektivlinse an der Filmoberfläche zu ausgerichtet sind und diesen schneiden. Daher konzentriert sich die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung tatsächlich vielmehr auf die Lage des Objektivs als auf irgendeinen versetzten Bezugspunkt, von dem angenommen wird, daß er sich in der gleichen Ebene wie die Filmoberfläche befindet.

Es versteht sich von selbst, daß, wenn der gleiche Phasendetektor zum Bestimmen der Phasendifferenz für zwei charakteristische Frequenzen verwendet wird, der korrekte Brennpunktabstand nicht immer dem gleichen Phasenunterschied gleichgesetzt ist, wie dies bei den Frequenzen in Fig. 4 der Fall ist. So kann beispielsweise aufgezeigt werden, daß die 90-Grad-Phasenbeziehung bei beiden Frequenzen nur dort

- 26 -

vorherrscht, wo das Verhältnis der Frequenzen gleich 4n+1 ist, wobei η eine positive ganze Zahl ist. Folglich kann ein starker Stufenwechsel im Fehlersignal e stattfinden, wenn die Frequenzen umgeschaltet werden. Während ein solches Fehlersignal vom Servomechanismus toleriert werden kann, ist es wünschenswert, daß die beiden Frequenzen ausreichend in Beziehung zueinander gebracht werden, um den optischen Kopf im wesentlichen in die eigentliche Brennpunktposition in ungefähr dem gleichen Phasenwinkel zu verbringen, wenn ein Phas.endetektor verwendet wird. Ansonsten können unterschiedl i.chen Phasendetektoren mit geeigneten Einstellungen für jede .der beiden verschiedenen Frequenzen vorgesehen werden. Die vorstehend beschriebene 90-Grad-Phasenabgleichung ist besonders vorteilhaft, da sie mit einer Digital schaltungsanordnung ohne weiteres ermittelt werden kann. Durch Justierung des Transmitters 70· und dem Empfängers 72 entlang ihrer jeweiligen Achsen kann eine Kalibrierung der Steuerung mit selbsttätiger Scharf-, einstellung bei der 90-Grad-Phase mit auf geeingete Weise in Übereinstimmung gebrachten Frequenzen erhalten werden.

Die in Fig. 5 dargestellte Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung schließt des weiteren Signalüberwachungs-. komparatoren 124 und 126 ein. Die Komparatoren sind im Grunde genommen Pegeldetektoren und dem Komparator 116' ähnlich sowie in Steuerbeziehung mit der Systemlogikschaltung verbunden. Wenn das Signal aus dem Empfänger 72 unter einen vorbestimmten Pegel fällt, benachrichtigt der. Komparator

- 27 -

die Systemlogi.kschaltungsanordnung 120 und hindert das Fehlersignal e daran, irgendeine weitere Kontrolle über den Servomotor 56 auszuüben. Auf diese Weise bleibt, wenn das Brennpunktsteuersignal verloren ist, der optische Kopf in der letzten brennpunktgesteuerten Stellung verriegelt. Der Komparator 126 überwacht den Pegel des Bezugssignals und sperrt das Fehlersignal auf die gleiche Weise wie der Komparator 124.

Die Grenzschalter 80, 82 am optischen Kopf 20 in Fig. 2 sind, wie in Fig. 5 dargestellt, mit der Systemlogikschaltungsanordnung verbunden und sperren den Betrieb der Motorantriebsschal tungsanordnung 118 und des Servomotors 56, wenn der optische Kopf entweder die obere oder die untere Grenze erreicht. Andere den Betrieb des Servomotors 56 steuernde Schalter schließen einen manuell betätigten "Entladungsschalter" 130 zum Anheben des optischen Kopfes nach einem Vorgang zur graphischen Aufzeichnung, damit die Filmplatte 16 vom Tisch 14 zur graphischen Aufzeichnung entfernt werden kann, einen "Ladeschalter" 132 zum· Starten des optischen Kopfes, der sich von einer angehobenen Stellung aus während der Initialisierungsbetriebsphase nach unten bewegt, und einen Stoppschalter 134 zum Beendigen sämtlicher Operationen der Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung ein.

Dementsprechend ist eine Mehrfachfrequenzsteuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung in einem Photoplotter zum genauen Aufrechterhalten eines fokussierten Zustandes mit einer hohen Auflösung offenbart worden. Zur Grob-Brennpunktjustierung

- 28 -

wird eine niedrige Frequenz und zur Fein-Brennpunktjustierung eine höhere Frequenz verwendet. Aufgrund der Positionierung der Wandler hält die Steuerung den Brennpunkt eher entlang der optischen Achse des Plotters als an einem entfernten Bezugspunkt aufrecht.

Während die vorliegende Erfindung in Verbindung mit', einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, daß zahlreiche Abänderungen und Auswechselungen vorgenommen werden können. So liegt es z.B. im Rahmen der Erfindung, mehr als zwei Frequenzen zürn Erhalten von Grob-, Zwischen- und Feinsteuerpegeln zu verwenden. Die Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung kann auch zwischen einer hohen und einer niedrigen Frequenz hin- und herschalten, wie dies das den Servomotor antreibende Fehlersignal vorschreibt. Obwohl der Servomotor 56 den ganzen optischen Kopf 20 relativ zur Filmoberfläche 17 bewegt, ist auch vorweggenommen, daß das Linsensystem selbst von dem Servomotor innerhalb des Kopfes justiert werden kann. Der Einphasendetektor und der Komparator sowohl für die Grob- als auch für die Feinfrequenz reduzieren die Anzahl von Bauelementen bei der Steuerung, aber die Erfindung berücksichtigt auch die Verwendung einzelner Detektoren und Komparatoren für jede der betreffenden Frequenzen. In der Steuerung mit selbsttätiger Scharfeinstellung kann ' eine Kompensationsschaltungsanordnung vorgesehen sein, um den Betrieb der Steuerung für Wellenlängenveränderungen, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur, des Druckes und der Feuchtigkeit verursacht worden sind,

- 29 -

einzustellen. Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele vielmehr zum Zwecke der Veranschaulichung als der Beschränkung beschrieben worden.

Ma/MP - 27 846 - 30 -

hO

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät zum Messen der Entfernung zwischen einem Gegenstand und einer Bezugsebene mit:

einem Oszillator (90) zum Erzeugen von Signalen mit einer charakteristischen Frequenz;

einem Wellengenerator (70), der mit dem Oszillator verbunden und dem Gegenstand und der Bezugsebene zugeordnet ist, zum Erzeugen von Energiewellen mit der vom Oszillator erzeugten Frequenz und zum Obertragen der Wellen zwischen dem Gegenstand und der Bezugsebene;

einem Wellenempfänger (72, 98), der dem Wellengenerator zugeordnet ist, zum Empfangen der vom' Generator zwischen dem Gegenstand und der Bezugsebene übertragenen Wellen;

einem Detektor (110) der einen mit dem Empfänger verbundenen Eingang hat, um aus den empfangenen Wellen die Entfernung zwischen der Gegenstands- und der Ebenenfrequenz ^zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet,daß

der Oszillator (90) Signale mit einer charakteristischen ersten (f.) und einer zweiten Frequenz (f₂) erzeugt, wobei

BERLIN: TELEFON (03O) 8312088 KABEL: PROPINDUS -TELEX: 184OO7

MÜNCHEN: TELEFON (OBS) 33 55811
KAB EL: PROP! N DU S · TELEX: 534244

-Z-

die zweite Frequenz höher als die erste Frequenz ist, und daß

eine Steuereinrichtung (120) vorgesehen ist, die dem Detektor zum Umschalten der Ermittlung der Entfernung zwischen dem Gegenstand und der Ebene von der ersten Frequenz zur Grobermittlung auf die zweite Frequenz · zur Feinermittlung zugeordnet ist.
2. Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerä't zum Entfernungsmessen nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß

der Wellenempfänger (98, 100) zwei Ausgänge hat, die mit den Energiewellen mit der ersten bzw. der zweiten Frequenz übereinstimmen, und daß

die Steuereinrichtung (120).Betriebsart-Schalter (104, 106) am Eingang des Detektors einschließt, um Signale von den betreffenden Ausgängen des Empfängers aus einzeln auf den Detektor zu übertragen.
3. Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät zum Entfernungsmessen nach Anspruch 2, dadurch gekenn-

. zeichnet, daß

die Schalter einen Betriebsart-Schalter (94) zwischen dem Oszillator und dem Wellengenerator zum Steuern von Wellenerzeugungseigenschaften mit der ersten und der zweiten Frequenz einschließen.
4. Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß.

der WeTlengenerator einen mit dem Oszillator (90) verbundenen Modulator (92) einschließt, um mit der charakteristischen ersten Frequenz (f.) eine vom Generator mit der zweiten Frequenz (f2) erzeugte Trägerwelle zu modulieren, und daß

der Betriebsart-Schalter (94) dem Modulator (92) zum Steuern der Modulation der Trägerwelle zugeordnet ist.
5. Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß

der Detektor (110) einen Ausgang hat, der ein Signal schafft, welches die Entfernung zwischen dem Gegenstand und der Bezugsebene anzeigt, und daß

die Steuereinrichtung (120) eine Logikschaltungsanordnungseinrichtung einschließt, die mit dem Detektor verbunden ist, um die Ermittlung der Entfernung von der Energiewelle mit der ersten Frequenz auf die Energiewelle mit der zweiten Frequenz in Reaktion auf das Signal aus dem Ausgang des Detektors abzuändern.
6. Mehrfachfrequenz-Entfernungsgerät zum Messen einer Entfernung nach Anspruch 1,dadurch, gekennzeichnet, daß

der Detektor (110) ein Einphasendetektor ist, der die Phase der sowohl mit der ersten Frequenz als auch mit der zweiten Frequenz übertragenen und empfangenen Wellen vergleicht.
7- Mehrfachfrequenz-Entfernungsgerät zum Messen einer ' Entfernung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der Phasendetektor (110) und der Wellengenerator (92, 70) beide mit dem Oszillator verbunden sind, um mit der erste und der zweiten Frequenz zu arbeiten, und daß

die Steuereinrichtung Betriebsart-Schalter (94,104, 106) einschließt, die dem Phasendetektor zugeordnet sind, um die Betriebsfrequenzen der Wellengenerators und des Phasendetektors gleichzeitig von der ersten auf die zweite Frequenz abzuändern.
8- Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät zum Entfernungsmessen nach Anspruch 1,gekennzeichnet' durch einen mit dem Detektor verbundenen Motor zum Einstellen der Entfernung zwischen dem Gegenstand und der Bezugsebene in Reaktion auf die von der Detektoreinrichtung ermittelte Entfernung, um eine vorbestimmte Entfernung aufrechtzuerhalten.
9. Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät zum Messen der Entfernung zwischen einem Gegenstand und einer Bezugsebene nach Anspruch 1,da durch gekennzeichnet, daß der Wellengenerator (70) und der Wellenempfänger (72) beide in stationärer Beziehung zu dem Gegenstand angebracht und richtungsempfindlich und derart ausgerichtet sind, daß sie eine Energiewelle

in Richtung auf die Bezugsebene Übertragen und die von der Bezugsebene aus zurückgeworfene Energiewelle empfangen können.
10. Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

die Steuereinrichtung eine überwachungsschaltungsanordnung mit einem Signalpegeldetektor einschließt, der den Signalpegel der empfangenen Welle überwacht, um eine Entfernungsmessung zu verhindern, wenn der Signalpegel aus der Toleranz fällt.
11. Mehrfachfrequenz-Entfernungsmeßgerät zum Messen der Entfernung zwischen einem Gegenstand und einer Bezugsebene nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß

der Wellengenerator (70) eine Übertragungsachse hat, entlang welcher eine erzeugte Welle ausgesendet wird, daß

der Empfänger (72) eine empfindliche Empfangsachse hat, · entlang welcher eine ausgesendete Welle ermittelt wird, und daß

der Generator und der Empfänger in Abstandsbeziehung zum Gegenstand montiert sind, wobei die Übertragungsachse und die Empfangsachse jeweils in einer gemeinsamen Ebene im gleichen Winkel zur Bezugsfläche und in Schnittbeziehung zueinander in der Nachbarschaft einer gewünschten Entfernung zwischen dem Gegenstand und der

3 2 3 O ä 9 6

Bezugsebene liegen, wodurch ausgesendete Wellen von dem Transmitter von der Filmoberfläche zurückgewo

fen und

vom Empfänger entlang der empfindlichen Achse empfangen werden, wenn der Gegenstand und die Bezugsebene um ungefähr die gewünschte Entfernung getrennt sind, und ausgesendete Wellen vom Empfänger nicht empfangen werden, wenn der Gegenstand und der Empfänger um wesentlich mehr, als die gewün.schte Entfernung getrennt sind, so daß die_| überwachung schaltungsanordnung eine Entfernungsmessung in dem ersteren Fall ermöglicht und eine Messung im letzteren F|all verhindert.

Ma/MP - 27 846 - 7 -