DE3312203C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kantendetektor in einem optischen Meßinstrument gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Kantendetektor ist aus der Feingerätetechnik, Heft 4, 1981, Seiten 170-173, bekannt.

Die DE-AS 21 52 732 offenbart eine Einrichtung zum Erfassen eines zwei Flächen ungleicher Helligkeit trennenden Kontrastsprungs, der sich relativ zu der Einrichtung bewegt. Es sind drei Fotozellen vorgesehen, die die Helligkeit von jeweils einem von drei aneinandergrenzenden Flächenbereichen messen. Die Signale der Fotozellen werden einer Schaltungsanordnung zugeführt, welche durch geeignete Summen und Differenzbildung der Signale einen Kontrastsprung ermittelt.

Ein Kantendetektor, wie z. B. ein Projektor (Auswertekammer), hatte bisher eine solche Anordnung, daß der zu vermessende Gegenstand auf einen Träger gelegt und durch parallele Strahlenbündel beleuchtet wurde, daß ein Projektionsbild des zu vermessenden Gegenstandes auf einen Schirm durch ein übertragenes oder durchfallendes Licht der parallelen Strahlenbündel zum Fokussieren gebracht wurde und daß die Größen, der Umriß u. dgl. des Gegenstands aus­ gemessen wurden. Es traten hierbei jedoch im allgemeinen an den Kanten des auf den Schirm projizierten Bilds des zu vermessenden Gegenstands Schleier oder Unschärfen auf, was zur Folge hatte, daß es schwierig war, einen gemessenen Wert aus der Koinzidenz zwischen dem auf dem Schirm gebildeten Bild und einer Strichmarke abzulesen.

Um diesen Nachteil auszuschalten, wurde bisher ein Verfahren angewendet, wonach die Kante des gebildeten Bilds relativ zu einem lichtelektrischen Element bewegt wird, wodurch eine Änderung im Wert eines von diesem Element abgegebenen elek­ trischen Signals aus einer Änderung im Verhältnis der Fläche zwischen einem hellen sowie einem dunklen Teil des auf eine Lichtempfangsebene des lichtelektrischen Elements geworfenen Bilds erhalten wird, so daß die Änderung im Wert des elek­ trischen Signals mit einer Bezugsspannung zu vergleichen ist, wodurch die Kanten des Projektionsbilds erfaßt werden können.

Diesem Verfahren haftet jedoch der Nachteil an, daß Inter­ ferenzen, wie äußeres unregelmäßiges oder zufälliges Licht, die Leistungsfähigkeit des Projektors in hohem Maß negativ beeinflussen und daß die Meßgenauigkeit aufgrund von Ände­ rungen im vom lichtelektrischen Element erhaltenen Signal sowie in der Bezugsspannung stark verschlechtert wird.

Es wurde auch ein anderes Verfahren angewendet, wonach ein lichtelektrisches Element relativ zum Rand oder zur Kante des auf den Schirm projizierten Bilds bewegt wird, ein dar­ aus erhaltenes Signal einer zweiten Ableitung unterworfen wird, um ein wellenförmiges Signal zu erhalten, und dieses wellenförmige Signal mit einer Bezugsspannung verglichen wird, um die Kante festzustellen. Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß der Ort der auf diese Weise festgestellten Kante in Abhängigkeit vom Wert der relativen Bewegungsgeschwindigkeiten zwischen dem lichtelektrischen Element und dem Projektionsbild abweichen kann. Ferner wird die Meßgenauigkeit durch eine Veränderung in der Bezugs­ spannung in gleicher Weise wie bei dem vorher erwähnten Verfahren stark negativ beeinflußt.

Bei einem weiteren, ebenfalls angewendeten Verfahren sind zwei lichtelektrische Elemente vorgesehen, die relativ zur Kante des Projektionsbilds bewegt werden, wodurch wellen­ förmige Signale aus einer Vielzahl von auf diese Weise erhaltenen Ausgangssignalen gewonnen werden, so daß die wellenförmigen Signale mit der Bezugsspannung, um die Kante festzustellen, verglichen werden. Ein Nachteil dieses Ver­ fahrens liegt jedoch darin, daß die Messung aufgrund der relativen Änderung zwischen den von den lichtelektrischen Elementen erhaltenen Ausgangssignalen sowie der Bezugsspan­ nung und einer Veränderung des Pegels in ähnlicher Weise wie bei den anderen erwähnten Verfahren sehr unstabil wird. Ferner ist der Anwendungsbereich der Beleuchtungsstrahlen­ bündel auf Lichtintensität klein, und ein Fühler- oder ein Schaltungsteil wird im Aufbau kompliziert.

Insbesondere wird in dem Projektor die Helligkeit des auf den Schirm projizierten Bilds aufgrund Ermüdung einer für die Beleuchtung als Lichtquelle dienenden Lampe, der Kenn­ werte von Linsen in einem Projektionssystem sowie des ex­ ternen unregelmäßigen oder zufälligen Lichts verändert. Ferner wird die für das Arbeiten geeignete Helligkeit in Abhängigkeit von der Farbe der Pupille des Auges eines Mes­ senden, die von einer Rasse zur anderen unterschiedlich ist, was als Beispiel für eine der Bedingungen auf seiten der Messenden dient, verändert, woraus folgt, daß die Helligkeit in geeigneter Weise gewählt werden muß. Der kleine Anwendungs­ bereich der Beleuchtungsstrahlenbündel auf Lichtintensität resultiert jedoch in einer verminderten Leistungsfähigkeit des Projektors.

Ferner erhalten bei den herkömmlichen Kantenfeststellungs­ verfahren die von dem lichtelektrischen Element (oder den Elementen), wenn der Fokus des Projektionsbilds verschoben wird, ausgesandten Wellenformen eine schwache Neigung, wo­ durch der Nachteil entsteht, daß keine genaue Kante festge­ stellt werden kann.

Dieser Nachteil ist in der Kantenerfassung bei optischen Meßinstrumenten, bei denen im allgemeinen ein durchfallendes oder reflektiertes Licht erfaßt wird, um direkt oder indi­ rekt Größen u. dgl. eines zu vermessenden Gegenstands aus­ zumessen, allgemein vorhanden.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Kantendetektor in einem optischen Meßinstrument zu schaffen, der die Kante eines zu vermessenden Gegenstandes genau erfaßt, wobei die Analogsignale von dem lichtelektrischen Element unmittelbar verarbeitet werden, auch wenn z. B. eine Verschiebung der Abbildungsebene des Projektionsbildes des zu vermessenden Gegenstandes bzw. Objekts vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kantendetektor in einem optischen Meßinstrument mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines optischen Systems, in dem der Kantendetektor des optischen Meßinstruments gemäß der Erfindung bei einem Projektor zur Anwendung kommt;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Anordnung bei der Ausführungs­ form von Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm über die Signalverarbeitung bei der Ausführungsform von Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der mit der Ausführungs­ form von Fig. 1 erzielten Wirkungen;

Fig. 5 und 6 Draufsichten auf andere Ausführungsformen der Anordnung der Lichtempfangselemente im Fühler gemäß der Erfindung.

Bei der gezeigten Ausführungsform kommt der Erfindungsge­ genstand bei einem Projektor zur Anwendung. Der Kantende­ tektor ist einem Projektor P zugeordnet. Ein auf einem Träger 3 ruhender und zu vermessender Gegenstand 4 wird durch ein von einer als Lichtquelle dienenden Lampe 1, die unter dem Träger 3 liegt, kommendes Licht über eine Kondensorlinse 2 oder durch einen anderen, von oberhalb des Trägers 3 kommenden Lichtweg beleuchtet. Ein Projektions­ bild 4A des zu vermessenden Gegenstands 4 wird durch ein von der Beleuchtung rührendes durchfallendes oder reflek­ tiertes Licht durch ein Projektionsobjektiv 5 zum Fokussie­ ren auf einem Schirm oder einer Bildwand 6 gebracht, wobei das Projektionsbild dazu dient, die Abmessungen od. dgl. des zu vermessenden Gegenstands 4 indirekt zu messen. Erfindungsgemäß weist der Kantendetektor vier fotoelektrische Wandlerelemente 7A, 7B, 7C und 7D auf, die auf einer im wesentlichen zu einer Ebene einer Relativbewegung zwischen den Wandlerelementen 7A, 7B, 7C, 7D und dem einen zu ver­ messenden Gegenstand darstellenden Bild 4A parallelen Ebene angeordnet sind, so daß wenigstens zwei Gruppen von Phasen­ verschiebungssignalen in Übereinstimmung mit der während der Relativbewegung erzeugten Helligkeit und Dunkelheit hervorgerufen werden. Ferner sind ein erstes sowie zweites Subtrahierglied 8 und 9 für die Berechnung von Unterschieden zwischen den Gruppen der Phasenverschiebungssignale vorhan­ den. Weiterhin sind ein drittes Subtrahierglied 10 zur Berech­ nung einer Differenz zwischen Ausgangssignalen, die vom ersten sowie zweiten Subtrahierglied 8, 9 ausgegeben werden, und ein Addierglied 11 zur Berechnung der Summe der Ausgangssignale vorgesehen. Schließlich dient eine Feststell- oder Nachweiseinrichtung 12 dazu, ein Kreuzungs­ signal eines Ausgangssignals vom dritten Subtrahierglied 10 mit einem Bezugspegel abzugeben, wobei das Kreuzungssignal dann erzeugt wird, wenn ein Ausgangssignal vom Addierglied 11 auf einem vorbestimmten Pegel ist.

Wie die Fig. 1 zeigt, ist der Fühler 7 einstückig mit einer transparenten Platte 13 ausgebildet, welche auf der Ober­ fläche des Schirms 6 des Projektors P aufliegt derart, daß sie verschiebbar und parallel zum Fühler 7 ist.

Die vier fotoelektrischen Wandlerelemente 7A bis 7D sind so angeordnet, daß sich zwei dieser Elemente jeweils auf zwei Geraden, d. h. einer X- und einer Y-Achse, die sich rechtwinklig schneiden, und je auf entgegengesetzten Sei­ ten der Schnittstelle befinden.

Von den fotoelektrischen Wandlerelementen 7A bis 7D sind die Elemente 7A und 7D auf der X-Achse, die Elemente 7B und 7C auf der Y-Achse angeordnet, wobei die Schnittstelle der beiden Achsen dazwischenliegt. Es sind elektrische Verbindungen ausgebildet, so daß Ausgangssignale der Wandlerelemente 7A und 7B dem ersten Subtrahierglied 8 und Ausgangs­ signale der Wandlerelemente 7C und 7D dem zweiten Subtrahierglied 9 zugeführt werden.

Die transparente Platte 13 ist zusammen mit den fotoelektrischen Wandler­ elementen 7A, 7B, 7C, 7D längs der X- oder Y-Achse bewegbar.

Wie die Fig. 2 zeigt, enthält die Feststell- oder Nachweis­ einrichtung 12 die folgenden Teile: einen Diskriminator­ kreis 14, um zu unterscheiden, ob ein Ausgangssignal vom dritten Subtrahierglied 10 auf einem Bezugspegel ist oder nicht, und um ein Signal abzugeben, wenn das Ausgangssignal auf dem Bezugspegel ist; einen Diskriminatorkreis 15, um zu unterscheiden, ob ein Ausgangssignal vom Addierglied 11 über einem vorbestimmten Wert liegt oder nicht, und um ein Signal abzugeben, wenn das Ausgangs­ signal über dem vorbestimmten Wert ist; eine UND-Schaltung 16, die ein Kreuzungssignal abgibt, wenn ihr gleichzeitig Ausgangssignale von einem Nulldurchgangsdetektor 14 und des Komparators 15 zugeführt werden.

Es wird nun die Arbeitsweise der erläuterten Ausführungsform beschrieben.

Die fotoelektrischen Wandlerelemente 7A, 7B, 7C, 7D werden relativ zum Projektionsbild 4A des zu vermessenden Gegenstands 4, das auf den Schirm 6 fokussiert worden ist, längs der X- und Y-Achse auf dem Schirm 6 verschoben, wobei die Kante des Projektionsbildes 4A die Wandlerelemente 7A, 7B, 7C, 7D durchquert.

Wenn sich beispielsweise das Projektionsbild 4A längs der X-Achse von der Seite des Wandlerelements 7A her nä­ hert, wie Fig. 2 zeigt, und den Fühler 7 überquert, so wer­ den von den Wandlerelementen 7A bis 7D ausgegebene Signale in der Phase längs der Zeitachse verschoben, wie durch die Bezugszeichen A bis D in Fig. 3 angedeutet ist (zwischen B und C gibt es keine Phasenverschiebung). Diese Ausgangssignale werden zu A-B und C-D durch das erste sowie zweite Subtrahierglied 8 sowie 9 berechnet und jeweils aus­ gegeben, wie in Fig. 3(b) gezeigt ist.

Eine Differenz zwischen diesen Ausgangssignalen A-B und C-D wird durch das dritte Subtrahierglied 10, eine Summe dieser Ausgangssignale wird durch das Addierglied 11 berechnet; die aus den Berechnungen resultierenden Ausgangs­ signale sind in Fig. 3(c) dargestellt.

Das vom dritten Subtrahierglied 10 ausgegebene Ausgangssignal wird dem Nulldurchgangsdetektor 14 zugeführt, der seinerseits ein digitales Signal "1" abgibt, wenn das vom dritten Subtrahierglied 10 ausgegebene Ausgangssignal "0" ist, wie Fig. 3(d) zeigt.

Das vom Addierglied 11 ausgegebene Ausgangs­ signal wird dem Komparator 15 zugeführt, der seiner­ seits ein digitales Signal "1" abgibt, wenn der Pegel des Ausgangssignals über einem vorbestimmten Wert ist.

Die von dem Nulldurchgangsdetektor 14 und Komparator 15 abgegebenen Aus­ gangssignale werden der UND-Schaltung 16 zugeführt, die wie­ derum Impulssignale von 10 µsec beispielsweise aussendet, wenn die beiden Ausgangssignale des Nulldurchgangsdetektors 14 und des Komparators 15 eine "1" sind, wie Fig. 3(e) zeigt, und die zu dieser Zeit die Kante des Projektionsbildes 4A feststellt.

Demzufolge sind bei dieser Ausführungsform die vier Wandlerelemente 7A bis 7D so zusammengefaßt, daß zwei Gruppen von Phasenverschiebungssignalen zu entnehmen sind, wobei die dazwischen vorhandenen Differenzen berechnet und die Signale der Differenzen verarbeitet werden, um die Kante des Projektionsbilds 4A zu erhalten. Folglich können der nachteilige Einfluß der großen Abschätzungen im Wert der von den Wandlerelementen 7A bis 7D ausgegebenen Aus­ gangssignale ausgeglichen und der nachteilige Einfluß der Relativänderung am Pegel der Bezugsspannung für das Fest­ stellen einer Kante vermieden werden. Da ferner bei dieser Ausführungsform das vom Addierglied 11 erhaltene Signal als ein Torsignal verwendet wird, wird der Vorteil erreicht, daß Kanten-Impulssignale von der UND-Schaltung 16 nur in einem wirksamen Nachweis- oder Erfassungsbereich zu erhalten sind. Weil darüber hinaus bei dieser Ausführungs­ form von den Wandlerelementen 7A bis 7D erhaltene Ausgangssignale lediglich durch Subtraktion und Addition verarbeitet werden, wird der Vorteil geboten, die Ausgangs­ signale im Zustand von Analogsignalen verarbeiten zu können.

Die von den vier Wandlerelementen ausgesandten Aus­ gangssignale können durch zweifache Subtraktion in Wellen­ formsignale umgesetzt werden, und die Steigungen können groß gemacht werden. Folglich kann, auch wenn das Projek­ tionsbild in seinem Brennpunkt verschoben ist, die Kante des Projektionsbildes genau festgestellt werden.

Da die jeweiligen Paare der Wandlerelemente auf der X- und Y-Achse unter Einschluß des Schnittpunkts dieser sich rechtwinklig schneidenden Achsen angeordnet sind, kann die Kante des Projektionsbildes gleichzeitig sowohl auf der X- wie auf der Y-Achse erfaßt und durch den Punkt, der durch die Lagebeziehung zwischen den vier Wandlerelementen gegeben ist, d. h. die Schnittstelle der X- mit der Y-Achse, bestimmt werden, wodurch der Vorteil geboten wird, daß der nachteilige Einfluß des Fühlers 7 auf das Projektionsbild 4A in der Richtung der Relativbewegung sehr gering gemacht wird.

Wie mit dem Erfindungsgegenstand durchgeführte Versuche zeigten, war man bei dem Projektor in der Lage, die Kante festzustellen, selbst wenn die Helligkeit des hellen Teils des auf den Schirm projizierten Bilds nur etwa 1 Lux betrug.

Bei der obigen Ausführungsform sind die vier fotoelektrischen Wandler­ elemente 7A bis 7D im Fühler 7 so angeordnet, daß das eine Paar der Elemente auf der X-Achse am Schirm 6 und das andere Paar auf der Y-Achse angeordnet ist, wobei sie die Schnittstelle von X- und Y-Achse einschließen. Jedoch können die fotoelektrischen Wandlerelementpaare an Orten angeordnet werden, die von der X- und Y-Achse unter Einschluß der Schnittstel­ le verschoben sind, wobei sie also nicht genau auf der X- und Y-Achse liegen. Darüber hinaus spielt es keine Rolle, wenn die Orte der fotoelektrischen Wandlerelemente in einer Drehrich­ tung mit dem Schnittpunkt als Zentrum verschoben sind.

Obwohl bei den durchgeführten Versuchen (s. Fig. 4) bis zu einem gewissen Grad erniedrigte Ausgänge sich ergaben, so wurden doch für ein Messen ausreichende Ausgänge erhal­ ten, allerdings mit der Ausnahme, daß die Orte der Wandlerelemente mit Bezug zur X- und Y-Achse um 45° ver­ schoben wurden (die ausgezogenen Linien in Fig. 4 geben die durch Wellenformen und die obere Stufe in Fig. 3(c) gezeig­ ten Ausgänge an, die gestrichelten Linien geben den Aus­ gang an der unteren Stufe, d. h. die Torausgänge, an).

Bei der obigen Ausführungsform sind die fotoelektrischen Wandler­ elemente 7A bis 7D unabhängig voneinander und kreuzförmig an­ geordnet, sie können jedoch auch, wie Fig. 5 und 6 zeigen, in den jeweiligen Quadranten oder in den jeweiligen Quadra­ ten, die von rechtwinkligen Koordinatenachsen auf einer ebenen Rechteckfläche gebildet werden, angeordnet sein.

Bei der beschriebenen Ausführungsform werden die fotoelektrischen Wandler­ elemente 7A-7D relativ zum Projektionsbild 4A bewegt. Diese Anordnung kann jedoch durch eine solche ersetzt werden, bei der beispiels­ weise der Träger 3 und damit das Projektionsbild relativ zu den Wandlerelementen 7A-7D bewegt werden.

Die erläuterte Ausführungsform hat eine solche Anordnung, daß im Projektor die Kante des auf den Schirm projizierten Bilds gemessen wird. Jedoch ist die Erfindung nicht zwin­ gend auf diese Anordnung beschränkt, sondern ist allgemein auf einen Kantendetektor in einem optischen Meßinstrument zur Feststellung des durchgefallenen oder des reflektier­ ten Lichts anwendbar, um damit direkt oder indirekt die Ab­ messungen des zu vermessenden Gegenstands maßlich zu erfas­ sen.

Demzufolge ist der Erfindungsgegenstand auf einen Kantende­ tektor in einem optischen Meßinstrument od. dgl. anwendbar, wobei beispielsweise eine Hauptskala und eine Teilskala, die beide optische Gitter tragen, relativ zueinander bewegt werden und ein zu vermessender Gegenstand parallel von einem lichtelektrischen Längenmeßinstrument zur photoelek­ trischen Vermessung von Abmessungen u. dgl. oder von Laser­ strahlenbündeln od. dgl. abgetastet wird, so daß die Abmes­ sungen u. dgl. des zu vermessenden Gegenstands aus dem hellen und dem dunklen Teil gemessen werden können.

Claims (3)

1. Kantendetektor in einem optischen Meßinstrument zum Feststellen der Lage eines Objekts aufgrund einer Abbildung des Objekts in eine Ebene, in der vier diese Abbildung abtastende fotoelektrische Wandlerelemente (7A, 7B, 7C, 7D) angeordnet sind, die für zwei Koordinatenrichtungen zwei Paare aus jeweils zwei sich gegenüberliegenden Wandlerelementen (7A, 7D; 7B, 7C) definieren, wobei die Abbildung gegenüber den Wandlerelementen innerhalb der Ebene beweglich ist und die Ausgangssignale der Wandlerelemente eine Auswertungsschaltung (8-12) speisen, die Glieder mit jeweils zwei Eingängen und einem Ausgang zur Addition und zur Subtraktion aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Wandlerelemente (7A, 7B) der Paare mit den zwei Eingängen eines ersten Subtrahiergliedes (8) und die zweiten Wandlerelemente (7D, 7C) der Paare mit den zwei Eingängen eines zweiten Subtrahiergliedes (9) verbunden sind, daß der Ausgang des ersten Subtrahiergliedes (8) und der Ausgang des zweiten Subtrahiergliedes (9) einerseits mit den zwei Eingängen eines dritten Subtrahiergliedes (10) und andererseits mit den zwei Eingängen eines Addiergliedes (11) verbunden sind, daß der Ausgang des dritten Subtrahiergliedes (10) mit dem Eingang eines Nulldurchgangsdetektors (14) und der Ausgang des Addiergliedes (11) mit dem Eingang eines Komparators (15) verbunden sind, und daß die Ausgänge des Nulldurchgangsdetektors (14) und des Komparators (15) an den Eingängen einer UND-Schaltung (16) liegen, deren Ausgang den Ausgang der Auswertungsschaltung (8-12) verkörpert.

2. Kantendetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (7A, 7B, 7C, 7D) relativ zu dem zu vermessenden Objekt zweidimensional bewegbar sind.

3. Kantendetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (7A, 7B, 7C, 7D) auf einem Schirm (6) eines Projektors (P) angeordnet sind, auf dem das zu vermessende Objekt (4) abgebildet ist.