DE3640159A1 - Optische verschiebungsmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Verschiebungsmeßeinrichtung, bei welcher die Triangulierung angewendet wird, insbesondere ein System zum optischen Messen der Verschiebungen eines Gegenstandes durch Anwendung der Triangulierung, wobei eine Korrektur der gemessenen Verschiebungsstrecke hinsichtlich ihrer Linearität vorgenommen wird.

Derartige optische Verschiebungsmeßeinrichtungen können vorteilhaft bei Werkzeugmaschinen, Massenherstellungsbändern für Fahrzeuge und dergleichen angewendet werden, also in allen Fällen, wo eine hochpräzise Positionierung von Werkstücken und Werkzeugen vorgenommen werden muß, da das System eine hochpräzise Erfassung der Verschiebung des Gegenstandes durchführt.

Es wurden bereits verschiedenartige Einrichtungen zur optischen Messung der Verschiebung eines Objektes mittels Triangulierung vorgeschlagen, beispielsweise in der US-PS 36 12 890. In dieser Druckschrift ist ein grundlegendes System zur Bestimmung einer Verschiebungsstrecke beschrieben, womit jede Veränderung der Entfernung gemessen werden kann. Bei dem System nach dieser Druckschrift wird ein Lichtstrahl aus einer Lichtquelle auf das Objekt projiziert, das am Objekt reflektierte Licht wird über eine Fokussierlinse auf einen Photosensor einer Lichtempfangseinrichtung geführt, und eine Verarbeitungseinrichtung liefert Verschiebungs-Positionssignale entsprechend jeder Verlagerung der Position des reflektierten Lichtes auf dem Photosensor. Das mit Triangulierung arbeitende optische Verschiebungsmeßsystem nach dieser Druckschrift ermöglicht eine hochpräzise Messung der nach der Verschiebung erlangten Position des Objektes und kann als durchaus zufriedenstellend arbeitend angesehen werden.

Bei einem solchen Meßsystem besteht zwischen einem Entfernungsmeßsignal Lo, das von der Verarbeitungseinrichtung abgegeben wird, und der Verschiebungsstrecke Δ l des Objektes folgende Beziehung, worin die Entfernung l zwischen der Lichtquelle und dem Objekt gleich l _c +Δ l ist (worin l _c die Entfernung zwischen der Lichtquelle und dem Objekt ist, wenn das reflektierte, durch die Linse hindurchtretende Licht auf der Mitte des Photosensors fokussiert ist, und Δ l die Verschiebungsstrecke des Objektes ist), F die Entfernung zwischen der Linse und dem Photosensor ist, Δ x die Verschiebungsstrecke ist, um das reflektierte und die Linse durchlaufende Licht aus der Mitte des Photosensors wegen der Verschiebung des Objektes verschoben wurde, und ϑ der Schnittwinkel zwischen den optischen Achsen der Lichtquelle sowie der Linse und dem Photosensor ist:

(l _c /cosϑ + Δ l cosϑ) Δ x = Δ l (sin-ϑ)F
Δ x = (tanϑ)F Δ l/(l _c /cos² ϑ + Δ-l)

Wenn a = (tanϑ)F und b = l _c /cos² ϑ, dann ist

Δ x = a Δ l/(b + Δ l) (1)

Es ist somit ersichtlich, daß die Entfernungsstrecke Δ x eine nichtlineare Abhängigkeit von der Entfernungsstrecke Δ l aufweist.

Während es die Verarbeitungseinrichtung ermöglicht, ein Positionssignal für den Auftreffpunkt des reflektierten Lichtes auf dem Photosensor zu erhalten, besteht zwischen der Verschiebungsstrecke Δ x und diesem Positionssignal die durch die folgende Gleichung (2) gegebene Beziehung, worin I _A das Auftreffpunkt-Positionssignal bei einer Verschiebung des auftreffenden reflektierten Lichtes in einer Richtung aus der Mitte des Photosensors, I _B ein weiteres Auftreffpunkt-Positionssignal einer Verschiebung in einer anderen Richtung und l _p die effektive Länge des Photosensors ist:

(I _A -I _B )/(I _A +I _B ) = Δ x/l _p - (2)

Wie sich aus den obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt, besteht zwischen dem gemessenen Entfernungssignal Lo aus der Verarbeitungseinrichtung, welches die Information über die Verschiebungsstrecke des Objektes enthält, und dieser Verschiebungsstrecke Δ l keine lineare Abhängigkeit. Bei einem derartigen Meßsystem, das meistens unter Bedingungen eingesetzt wird, bei welchen die Entfernung zwischen der Lichtquelle und dem Meßobjekt sich entweder in großem oder in kleinem Ausmaße ändert, wurde gefordert, daß das System eine hohe Meßpräzision der Verschiebungsstrecke Δ l bei hoher Linearität des gemessenen Verschiebungsstreckensignals aufrechterhält.

Es wurden auch bereits Weiterbildungen vorgeschlagen, durch die eine hochpräzise Messung der veränderlichen Entfernung zwischen der Lichtquelle und dem Objekt ermöglicht wird, um ein Entfernungsmeßsignal L zu liefern, das hinreichend linear von der jeweiligen Entfernung abhängt. Hierbei wurde versucht, dem Entfernungsmeßsignal Lo aus der Verarbeitungseinrichtung ein geeignetes Korrektursignal hinzuzufügen, das einer digitalen Operationsschaltung entnommen wird, die eine Speichereinrichtung aufweist, worin vorab Korrekturwerte abgespeichert werden, um die vorausgesehene Nichtlinearität des Signals Lo zu korrigieren. Für diese Operationen ist eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) vorgesehen. Bei solchen Ausführungen trat jedoch noch die Schwierigkeit auf, daß für eine hohe Auflösung und hohe Entfernungsmeßgenauigkeit die Speichereinrichtung eine hohe Speicherkapazität aufweisen muß, und daß die Korrekturwerte optimal im Hinblick auf Herstellungstoleranzen der Bestandteile des Systems eingestellt werden müssen, wodurch das System aufwendig, kompliziert und hinsichtlich Einstellarbeiten anspruchsvoll wird, so daß es für Massenherstellung ungeeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Verschiebungsmeßeinrichtung anzugeben, bei welcher die Triangulierung angewendet wird und worin die Entfernungsmeßsignale für ein Objekt bezüglich einer Lichtprojektionseinrichtung durch einfache Korrekturmaßnahmen linear gemacht werden können, selbst wenn sich die Entfernung zwischen den Lichtprojektionseinrichtung und dem Objekt in relativ großem Ausmaß ändert.

Gemäß der Erfindung wird dies durch eine optische Verschiebungsmeßeinrichtung erreicht, bei der die Triangulierung angewendet wird und worin ein Lichtstrahl aus einer Lichtprojektionseinrichtung auf das Meßobjekt trifft, das von dem Objekt reflektierte Licht eine optische Kondensoreinrichtung durchläuft, um als Lichtfleck auf einer Lichtempfangseinrichtung aufzutreffen, die zwei Ausgangssignale mit einander entgegengesetzten Werten ansprechend auf die Position des Lichtflecks erzeugt, wobei eine Operationseinrichtung vorgesehen ist, um die Entfernung zwischen der Lichtprojektionseinrichtung und dem Meßobjekt zu ermitteln und ein Entfernungsmeßsignal aus den von der Lichtempfangseinrichtung erzeugten Ausgangssignalen zu erzeugen. Die Operationseinrichtung führt eine Addition und eine Subtraktion der beiden Positionsausgangssignale durch, um ein Verhältnis zwischen diesen beiden Ausgangssignalen für die Erzeugung des Entfernungsmeßsignals zu gewinnen, und eine Korrekturzahl zur mathematischen Korrektur wird von einer Linearitäts-Korrektureinrichtung geliefert und auf eines der beiden Positionsausgangssignale angewendet, um die Nichtlinearität des Entfernungsmeßsignals zu korrigieren.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung kann die Linearität des Entfernungsmeßsignals auf einfache Weise hergestellt werden, ohne daß komplizierte und aufwendige Komponenten wie Speichereinrichtungen mit hoher Kapazität und eine Zentralverarbeitungseinheit oder dergleichen in Verbindung mit der Speichereinrichtung benötigt werden. Infolgedessen ist die erfindungsgemäße Verschiebungsmeßeinrichtung geeignet zur kostengünstigen Herstellung und Anwendung bei Massenproduktionsanlagen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der optischen Verschiebungsmeßeinrichtung;

Fig. 2 ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Korrektur-Addierschaltung im Blockschaltbild nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Schema zur Erläuterung des Vorgangs der Entfernungsmessung bei der Ausführungsform nach Fig. 1;

Fig. 4 eine Graphik zur Erläuterung der Linearitätskorrektur, die bei der Ausführungsform nach Fig. 1 durchgeführt wird;

Fig. 5 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen dem Linearitätsfehler und dem konzentrierten Lichtfleck zeigt, der auf einer Lichtempfangseinrichtung auftrifft;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 7 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen dem Linearitätsfehler und der Entfernungsstrecke des Meßobjektes bei der Ausführungsform nach Fig. 6 zeigt;

Fig. 8 eine praktische Ausführungsform der Korrektur- Addierschaltung und einer Funktionsgeneratorschaltung bei einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 9 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen der Entfernungsstrecke des Meßobjektes und zwei Positionsausgangssignalen zeigt, die bei der Ausführungsform nach Fig. 8 erzeugt werden;

Fig. 10 und 11 jeweils eine Graphik, welche die Einstellungen für die Linearitätskorrektur über eine Entfernungsfunktion bei der Ausführungsform nach Fig. 8 zeigt;

Fig. 12 und 13 jeweils eine Graphik, die weitere Einstellvorgänge veranschaulicht;

Fig. 14 eine weitere Ausführungsform der Korrektur- Addierschaltung und Funktionsgeneratorschaltung der Verschiebungsmeßeinrichtung;

Fig. 15 und 16 Blockdiagramme weiterer Ausführungsformen der Verschiebungsmeßeinrichtung;

Fig. 17 ein Diagramm, welches die Eingangscharakteristik einer Funktionsgeneratorschaltung bei der Ausführungsform nach Fig. 16 zeigt;

Fig. 18 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Verschiebungsmeßeinrichtung;

Fig. 19 ein Blockdiagramm einer Anordnung für eine Lichtmengenrückkopplung bei der Ausführungsform nach Fig. 18;

Fig. 20 eine praktische Ausführungsform einer Korrektur-Differentialschaltung bei der Ausführungsform nach Fig. 19;

Fig. 21 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Verschiebungsmeßeinrichtung;

Fig. 22 eine Ausführungsform einer Korrektur- Addier/Differentialschaltung bei der Ausführung nach Fig. 21;

Fig. 23 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen der Entfernungsstrecke des Meßobjektes und dem Linearitätsfehler zeigt, für die Einstellung einer Konstante auf optimalen Wert gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 24 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen der Entfernungsstrecke des Meßobjektes und dem Entfernungsmeßsignal zeigt, für die Einstellung der Linearität gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung; und

Fig. 25 und 26 Blockdiagramme weiterer Ausführungsformen der Verschiebungsmeßeinrichtung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten optischen Verschiebungsmeßeinrichtung wird die Triangulierung angewendet. Sie enthält eine Lichtprojektionseinrichtung 10 und eine Lichtempfängereinrichtung 11, die in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise zur Durchführung der Triangulierung angeordnet sind. Die Lichtprojektionseinrichtung 10 enthält beispielsweise eine Photodiode PD, die durch eine Treiberschaltung 13 angesteuert wird, um Licht zu emittieren. Die Treiberschaltung 13 empfängt ein Ausgangssignal eines Oszillators 12, der Taktimpulse für die Synchronisation der Lichtaussendung erzeugt. Das abgegebene Licht durchläuft eine optische Projektionseinrichtung wie eine Linse, um als Lichtstrahl auf einem Meßobjektiv OBJ innerhalb eines Erfassungsbereichs zu projizieren, wobei dieses Objekt sich auch in diesen Erfassungsbereich bewegen kann. Das am Meßobjekt OBJ reflektierte Licht durchläuft beispielsweise eine Linse und trifft auf einer Lichtempfangseinrichtung 11 auf, bei der es sich beispielsweise um ein eindimensionales Positionsdetektionselement handeln kann (das im folgenden als PSD bezeichnet wird). Dieses Positionsdetektionselement PSD erzeugt zwei Positionsausgangs-Stromsignale I _A und I _B , die in zueinander entgegengesetzten Richtung fließen, je nach der Auftreffposition des reflektierten Lichtstrahls bzw. in Abhängigkeit von der Auslenkung Δ x des konzentrierten Lichtflecks auf dem Positionsdetektorelement PSD zum Mittelpunkt desselben nach Durchlaufen der Linse ROM.

An das Positionsdetektorelement PSD ist eine Verarbeitunseinrichtung 14 angeschlossen, die eine Verarbeitung zur Gewinnung der Entfernung l zwischen der Lichtprojektionseinrichtung 10 und dem Meßobjekt OBJ auf der Grundlage der Positionsausgangssignale I _A und I _B durchführt. Diese Operationseinrichtung 14 enthält die Lichtsignal-Eingangsschaltungen 15 und 15 a, welche die Ströme entsprechend den Positionsausgangssignale I _A und I _B verstärken und sie jeweils in ein Spannungssignal umsetzen. Der Buchstabe "I" bedeutet zwar ein Stromsignal, jedoch werden zur Vereinfachung die Symbole I _A und I _B auch für die aus Stromsignalen in Spannungssignale umgesetzten Ausgangssignale verwendet, da das Verhältnis von I _A und I _B nach der Umsetzung in Spannungssignale unverändert bleibt. Die Lichtsignal-Eingangsschaltungen 15, 15 a sind an Pegeldetektorschaltungen 16, 16 a angeschlossen, die jeweils ferner die Taktimpulse aus dem Oszillator 12 empfangen, der an die Treiberschaltung 13 angeschlossen ist, und die Pegel der Positionsausgangssignale I _A und I _B synchron mit den Taktimpulsen diskriminieren. Ferner sind die Pegeldetektorschaltungen 16, 16 a beide an eine Subtrahierschaltung 17 und an eine Korrektur-Addierschaltung 18 angeschlossen. Die Subtrahierschaltung 17 subtrahiert das Positionsausgangssignal I _B von dem Positionsausgangssignal I _A und liefert ein erstes Operationssignal (I _A -I _B ).

Die Korrektur-Addierschaltung 18 ist als Besonderheit der Erfindung so ausgelegt, daß sie ein zweites Operationssignal (I _A +kI _B ) liefert, indem eines der Positionsausgangssignale aus der Pegeldetektorschaltung 16 a, nämlich I _B , mit einer Korrekturkonstante k multipliziert wird, welche die Linearität des Entfernungsmeßsignals L herstellt, wie weiter unten im einzelnen noch erläutert wird. Ferner erfolgt nach der Multiplikation die Addition zu dem Positionsausgangssignal I _A . Insbesondere enthält die Korrektur-Addierschaltung 18 in der in Fig. 2 gezeigten Weise einen Operationsverstärker OP 11, einen variablen Widerstand VR 11 und Widerstände R 11, R 12 und R 13, die so angeordnet sind, daß der Operationsverstärker OP 11 eine Addition des Positionsausgangssignals I _A , das an dem einen Anschluß des Widerstands R 11 anliegt, zu dem anderen Positionsausgangssignal I _B , welches an dem einen Ende des variablen Widerstandes VR 11 anliegt, durchführt, und der veränderliche Widerstand VR 11 so eingestellt ist, daß die Korrekturkonstante k auf das Positionsausgangssignal I _B angewendet wird, so daß am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP 11 das zweite Operationssignal (I _A +kI _B ) erhalten wird.

Das erste Operationssignal (I _A -I _B ) aus der Subtrahierschaltung 17 und das zweite Operationssignal (I _A +kI _B ) aus der Korrektur-Addierschaltung 17 werden einer Teilerschaltung 19 zugeführt, um an deren Ausgangsanschluß das Verhältnissignal (I _A -I _B )/(I _A +kI _B ) als Ausgangssignal der Verarbeitungseinrichtung 14 zu erhalten. Dieses Verhältnissignal zeigt die Entfernung l zwischen der Lichtprojektionseinrichtung 10 und dem Meßobjekt OBJ an und ist das nunmehr lineare Entfernungsmeßsignal L. Wenn das Meßobjekt OBJ sich also von der Lichtprojektionseinrichtung 10 um den Abstand Δ l aus einer Stellung in der Entfernung I _c von der Projektionseinrichtung 10 entfernt (Fig. 3), wobei das aus der jeweiligen Position reflektierte Licht in der Mitte des Elements PSD 11 auftrifft, wie für das bekannte System erörtert wurde, so wird jegliche Lichtlinearität weitgehend oder vollständig eliminiert, wie sich aus den Gleichungen (1) und (2) ergibt.

Das Ausgangssignal (I _A -I _B )/(I _A +kI _B ), welches als Entfernungsmeßsignal L erhalten wird, indem das Positionsausgangssignal I _B mit der Korrekturkonstante k multipliziert wird und anschließend zu dem Positionsausgangssignal I _A addiert wird, ermöglicht die Ableitung folgender Gleichungen:

(I _A -I _B )/(I _A +kI _B )={l _p +Δ x-(l _p -Δ x)}/{l _p +Δ x+k(l _p -Δ x)}
=2Δ x/{(l+k)l _p +(l-k) Δ x}
=l/{(l+k)l _p /2Δ x+(l-k)/2}

Durch Einsetzen von a Δ l/(b+Δ l) für Δ x in obiger Gleichung ergibt sich:

=1/{(l+k)(b+Δ l)l _p /2a Δ l+(l-k)/2-}
=l/{(l+k)l _p /2a+(l+k)bl _p /2a Δ l-+(l-k)/2}

Die Bedingungen dafür, daß das Entfernungsmeßsignal L linear ist, sind also:

(l+k)l _p /2a+(l-k)/2=0

Diese Gleichung ergibt aufgelöst:

k={l/2+l _p /2a}/{l/2-l _p /2a}-(3)

In den obigen Gleichungen ist l _p die effektive Länge von PSD 11, Δ x ist die Auslenkung des Lichtflecks auf dem Element PSD 11 gegenüber seinem Mittelpunkt, "a" ist (tanϑ)F, "b" ist l _c /cos² ϑ, F ist die Entfernung zwischen der Linse ROM und dem Element PSD 11, ϑ ist der Schnittwinkel zwischen den beiden optischen Achsen der Lichtprojektionseinrichtung 10 und der Lichtempfangseinrichtung 11, und l _c ist die Entfernung zwischen der Lichtprojektionseinrichtung 10 und dem Meßobjekt OBJ, wenn das an dem Objekt reflektierte Licht im Mittelpunkt von PSD 11 auftrifft, wobei es sich praktisch um denselben Faktor wie bei den zuvor beschriebenen bekannten Systemen handelt.

Durch Einstellen des veränderlichen Widerstandes VR 11 in Fig. 2 in solcher Weise, daß die Korrekturkonstante k die obige Gleichung (3) erfüllt, kann jegliche Nichtlinearität zum Verschwinden gebracht werden, so daß das Entfernungsmeßsignal L linear ist, wie in Fig. 4 gestrichelt dargestellt ist. Durch diese Ausbildung kann die Linearitätskorrektur lediglich dadurch vorgenommen werden, daß der einzige veränderliche Widerstand VR 11 eingestellt wird, wodurch sich eine einfache Korrekturanordnung ergibt.

Wenn bei der Korrektur-Addierschaltung 18 nach Fig. 2 der veränderliche Widerstand VR 11 und der Widerstand R 11 vertauscht werden, so wird die Korrekturkonstante k auf das Positionsausgangssignal I _A angewendet, so daß sich nach Anlegen an die Korrektur-Addierschaltung 18 folgendes ergibt: L=(I _A -I _B )/(kI _A +I _B ). Infolgedessen ergibt sich im wesentlichen dieselbe Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals L wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung entfällt die Subtrahierschaltung 17 aus der Anordnung nach Fig. 1, so daß das Ausgangssignal I _A der Pegeldetektorschaltung 16 direkt der Teilerschaltung 19 zugeführt wird, um das Entfernungsmeßsignal L als I _A /(I _A +kI _B ) zu erhalten. Es gelten dann folgende Gleichungen:

I _A /(I _A +kI _B )= (l _p +Δ x)/{l _p +Δ x+k(l _p --Δ x)}
=(l _p +Δ x)/{(l+k)l _p + (l-k)Δ x}

Einsetzen von a Δ l/(b+Δ l) für Δ x in obiger Gleichung ergibt:

={bl _p +(l _p +a)Δ l}/ {bl _p (l+k)+(kl _p +l _p +a+ ak)Δ l}

Wenn also die Korrekturkonstante k so eingestellt wird, daß Δ l im Nenner auf der rechten Seite obiger Gleichung verschwindet, so ist das Ergebnis:

I _A /(I _A +kI _B )= A Δ l+B

Darin sind A und B Konstanten. Auf diese Weise kann die Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals L durchgeführt werden. Selbst wenn das Ausgangssignal I _A direkt an die Teilerschaltung 19 angelegt wird und zu der Korrektur- Addierschaltung 18 nach Behaftung mit der Korrekturkonstante k gelangt, so daß sich das Entfernungsmeßsignal L als I _A /(kI _A +I _B ) ergibt, kann die Linearitätskorrektur erhalten werden.

Die Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals kann auch erreicht werden, wenn die Subtrahierschaltung 17 bei der Anordnung nach Fig. 1 entfällt. Das Ausgangssignal I _B aus der Pegeldetektorschaltung 16 a wird dann direkt an die Teilerschaltung 19 angelegt, um als Entfernungsmeßsignal L die Größe I _B /(I _A +kI _B ) zu erhalten. Wenn andererseits das andere Ausgangssignal I _A direkt an die Teilerschaltung 19 angelegt wird und nach Behaftung mit der Korrekturkonstante k an die Korrektur- Addierschaltung 18 gelangt, so wird als Entfernungsmeßsignal L die Größe I _B /(kI _A +I _B ) erhalten.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 kann auch die Subtrahierschaltung 17 durch eine Addierschaltung ersetzt werden, während eine Korrektur-Subtrahierschaltung die Korrektur-Addierschaltung 18 ersetzt, so daß sich ergibt: L=(I _A +I _B )/(I _A -kI _B ), so daß:

(I _A +I _B )/(I _A -kI _B )= {l _p +Δ x+(l _p -Δ x)}/{l _p-+Δ x-k(l _p -Δ x)}
=(2bl _p +2l _p Δ l)/{bl _p (l-k) +(l _p -kl _p +a+ak)Δ l}

Wenn die Korrekturkonstante k so eingestellt wird, daß der Ausdruck Δ l im Nenner auf der rechten Seite obiger Gleichung verschwindet, so wird die Lineratitätskorrektur für das Entfernungsmeßsignal L erhalten. In gleicher Weise kann das Entfernungsmeßsignal L korrigiert werden, um es linear zu machen, wenn das Ausgangssignal I _A mit der Korrekturkonstante k in der Korrektur-Subtraktionsschaltung behaftet wird, um das Signal L=(I _A +I _B )/(kI _A -I _B ) zu erhalten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Korrektur der durch die Verschiebung des Meßobjektes erzeugten Nichtlinearität in der beschriebenen Weise durch die Korrekturkonstante k korrigiert wird und darüber hinaus jeder Fehler korrigiert wird, der an der Lichtempfangseinrichtung selbst auftrifft, z. B. bei PSD, oder durch die Verarbeitungseinrichtung erzeugt wird. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, verursacht die Verschiebung des auftreffenden Lichtflecks gegenüber dem Mittelpunkt von PSD einen durch die Kurve AV dargestellten Linearitätsfehler gegenüber dem theoretischen Wert TV. Dieser Fehler kann dem Entfernungsmeßsignal anhaften, nachdem die Linearitätskorrektur mittels der Korrekturkonstanten k durchgeführt wurde. Es besteht somit ein Bedarf für eine weitere Linearitätskorrektur.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist und durch Vergleich mit Fig. 1 deutlich wird, wird das Entfernungsmeßsignal L aus einer Teilerschaltung 29 zu einer Korrektur-Addierschaltung 28 zurückgeführt. Die in der Korrektur-Addierschaltung 28 erzeugte Korrekturkonstante k ist als Funktion k(L) der Entfernung L zwischen der Lichtprojektionseinrichtung und dem Meßobjekt vor dem Anlegen an die Teilerschaltung 29 vorgesehen. Die Teilerschaltung 29 erzeugt daher ein Entfernungsmeßsignal L=(I _A -I _B )/(I _A +k(L)I _B ), wobei gilt, daß in der in Fig. 7 veranschaulichten Weise die Linearitätscharakteristik umso größer ist, je größer die Entfernungsfunktion k(L) ist.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform wird die Linearitätskorrektur unter Anwendung der Entfernungsfunktion k(L) durchgeführt. Eine Korrektur-Addierschaltung 29 a, die der in Fig. 2 gleicht, ist an einen Funktionsgenerator 29 b angeschlossen, der die Operationsverstärker OP 22 und OP 23, die variablen Widerstände VR 22, VR 23, die Widerstände R 24 bis R 27 und die Dioden D 21 und D 22 enthält. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP 21 in der Korrektur-Addierschaltung 29 a wird am veränderlichen Widerstand VR 22 geteilt, um eine Schwellspannung Vc zu erzeugen, die durch folgende Gleichung gegeben ist:

Vc=(I _A +k(L)I _B )α

worin α eine Spannungsteilerkonstante ist. Der Korrektur- Addierschaltung 29 a und dem Funktionsgenerator 29 b werden die beiden Positionsausgangssignale I _A und I _B zugeführt, die dann in zueinander entgegengesetzten Richtungen fließen und Pegel aufweisen, die in der in Fig. 9 gezeigten Weise von der Verschiebungsstrecke Δ l abhängen. Das eine Positionsausgangssignal I _B wird einem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP 22 des Funktionsgenerators 29 b zugeführt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP 22 ändert seinen Zustand in Abhängigkeit vom Wert der Schwellspannung Vc in der in Fig. 10 gezeigten Weise. Der Operationsverstärker OP 22 vergleicht also das Positionsausgangssignal I _B mit der Schwellspannung, die durch Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR 22 eingestellt wird, und gibt ein Ausgangssignal V _OP22 ab.

Es wird nun das Eingangssignal I _B des Operationsverstärkers OP 22 betrachtet. Wenn I _B ≦λτ 2Vc, so ist V _OP22=-(I _B +2Vc). Wenn I _B ≦ωτ2Vc-, so ist V _OP22=0. Wenn der Fall betrachtet wird, daß I _B =2Vc, so gilt:

I _B =2Vc=(I _A +k(L)I _B ) α
a=I _B /(I _A +k(L)I _B )

Die Spannungsteilerkonstante α hat praktisch die Bedeutung des Entfernungsmeßsignals, und eine Entfernung Δ lk, bei welcher der Ausgang des Operationsverstärkers OP 22 das Entfernungsmeßsignal L beeinflußt, kann eingestellt werden, indem der veränderliche Widerstand VR 22 eingestellt wird, um das Spannungsteilerverhältnis zu verändern. An den veränderlichen Widerstand VR 23 wird eine Spannung angelegt, deren Polung einer Umkehrung der Polarität des Ausgangssignals des Operationsverstärkers OP 23 entspricht. Wenn also der veränderliche Widerstand VR 23 auf seinen Mittelwert eingestellt ist, so liefert der Funktionsgenerator 29 b kein Funktionssignal. Die Korrektur-Addierschaltung 29 a erzeugt daher dann ein Additions-Ausgangssignal, bei dem nur die Korrekturkonstante k auf das Positionsausgangssignal I _B angewendet ist. Wenn aber I _A ≦λτ2Vc, so wird der veränderliche Widerstand VR 23 verändert, um der Korrekturkonstante k die Funktion der Entfernung Δ lk zu geben, womit das Entfernungsmeßsignal behaftet ist, um den Wert der Korrekturkonstanten k zu verändern. Die Korrekturkonstante k kann also entsprechend einer Entfernung, die einen Fehler bei PSD verursacht, variiert werden, um eine bessere Lineratitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals zu erhalten.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das Ausgangssignal V _CF der Korrektur-Addierschaltung 29 a, woran der Funktionsgenerator 29 b angeschlossen ist, folgendes:

V _CF =I _A +(R/VR)I _B = I _A +kI _B für I _B ≦2Vc.
V _CF =I _A +{(R/VR)±(R/R)b}I _B =I _-A +(k±b)I _B =I _A +k′ I _B
für I _B ≦λτ2Vc

worin β die Spannungsteilerkonstante des variablen Widerstandes VR 22 ist. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, kann also der Umschlagpunkt Δ lk über die Spannungsteilerkonstante α des veränderlichen Widerstandes VR 22 eingestellt werden, während der Wert von k′ für Δ lk≦λτL über die Spannungsteilerkonstante β des veränderlichen Widerstandes VR 23 eingestellt werden kann. Durch die beiden veränderlichen Widerstände VR 22 und VR 23 kann also bei geeigneter Einstellung eine hochgradige Linearitätskorrektur vorgenommen werden, wobei die zur Korrektur erforderlichen Mittel vereinfacht werden. Die Linearitätscharakteristik, d. h. der Linearitätskorrekturpegel gegenüber dem Entfernungsmeßsignal L, kann also in geeignter Weise verändert werden, indem der veränderliche Widerstand VR 23 im Bereich zwischen seinem Maximalwert und Minimalwert eingestellt wird.

Wenn bei der Meßeinrichtung nach Fig. 8 die an den Operationsverstärkers OP 22 angeschlossenen Dioden D 21 und D 22 umgepolt werden, so erzeugt der Operationsverstärker OP 22 das in Fig. 12 gezeigte Ausgangssignal, wobei die Linearitätskorrektur durch die oben erwähnte Einstellung symmetrisch vorgenommen werden kann (Fig. 13). Anders als bei der Ausführungsform nach Fig. 8 kann, wenn mehrere Funktionsgeneratorschaltungen 39 b 1 bis 39 bn an eine Korrektur-Addierschaltung 39 a in der in Fig. 14 gezeigten Weise angeschlossen werden, eine weiter verbesserte Linearitätskorrektur erreicht werden. Wenn eine Lichtmengen-Rückkopplungsschaltung 50 mit einer Differentialschaltung 51, einer Integrierschaltung 52 und einer Modulationsschaltung 53 zwischen einer Funktionsgenerator/ Korrektur-Addierschaltung 48 und einer Pegeldetektorschaltung 46 b eingefügt wird, wie in Fig. 15 gezeigt ist, um die Linearitätskorrektur vorzunehmen, so ergibt sich im wesentlichen dieselbe Arbeitsweise wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 6 und 8.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 6, 8 und 15 sind die der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechenden Komponenten mit gleichen, jedoch um 10 bzw. 20 bzw. 30 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet und erfüllen im wesentlichen dieselben Funktionen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann zusätzlich zu den oben beschriebenen Funktionen eine Funktion vorgesehen sein, durch die eine Korrektur des Linearitätsfehlers vorgenommen wird, der durch eine Differenz des Streulichtreflexionsfaktors des Meßobjektes hervorgerufen wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 16 ist, im Gegensatz zu der nach Fig. 1, eine Funktionsgeneratorschaltung 68 b parallel zu einer Teilerschaltung 69 geschaltet, und eine Linearitätsfehler-Korrekturschaltung 68 a ist über eine Multiplizierschaltung 70 an die Teilerschaltung 69 und den Funktionsgenerator 68 b angeschlossen. Dieser Funktionsgenerator erzeugt eine Funktion γ, die von der jeweiligen Differenz des Streulichtreflexionsfaktors abhängt. Diese Ausgangsfunktion wird in der Multiplizierschaltung 70 mit dem Ausgangssignal der Teilerschaltung 69 multipliziert und dann der Korrekturschaltung 68 a zugeführt, damit diese ihre Korrekturkonstante erhält, um die Linearitätskorrektur durchzuführen.

Es wurde gefunden, daß bei Meßobjekten wie weißes und schwarzes Papier die durch Verarbeitung erhaltenen Werte sich um etwa 1% aufgrund des unterschiedlichen Streulichtreflexionsfaktors zwischen schwarzem und weißen Papier unterscheiden. Die Einrichtung ist daher so ausgebildet, daß ein Ausgangssignal q(I _A +I _B ) der Funktionsgeneratorschaltung 68 b etwa 1% der Funktion γ zu dem Entfernungsmeßsignal L beiträgt, um eine weiter verbesserte Linearitätskorrektur durchzuführen (s. Fig. 17).

Bei der in Fig. 18 gezeigten Ausführungsform enthält die Meßeinrichtung zusätzlich eine Linearitätskorrekturanordnung zur Korrektur hinsichtlich des Streulichtreflexionsfehlers, wobei die Meßeinrichtung das Entfernungsmeßsignal über die Rückkopplung der Lichtmenge erzeugt. In einer Lichtmengen-Rückkopplungsschaltung, welche eine Differentialschaltung 91, eine Integrierschaltung 92 und eine Modulationsschaltung 93 enthält, gelangt zu einem Eingangssignal (I _A +I _B ) einer Korrektur- Differentialschaltung 90 ein lokales Rückkopplungssignal hinzu, indem der Ausgang des Integrators 92 an die Korrektur-Differentialschaltung 90 herangeführt ist, um die Funktion γ zu erhalten, die als Nenner in einen Wert eingeht, der von der Verarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet wird. Die Korrekturanordnung kann als vereinfachtes Blockschaltbild gemäß Fig. 19 oder auch als praktische Ausführungsform einer Schaltung gemäß Fig. 20 dargestellt werden. Die Korrektur unter Anwendung der Funktion γ kann gemäß folgenden Gleichungen erfolgen:

γ=Vref-(AG ₁ G ₂ q-G ₁ G ₃ γ)

Folglich Vref=AG ₁ G ₂ q-(G ₁ G ₃-l)γ
=I _A +I _B -[(G ₁ G ₃-l)/{AG ₁ G ₂--(G ₁ G ₃-l)}]Vref
=I _A +I _B -[(G ₁ G ₃-l) q({I _A +-I _B -(G ₁ G ₃-l)γ}]Vref

Als Operationsgleichung für die gemessene Entfernung ergibt sich:

L=I _A -I _B /I _A +I _B - [{(G ₁ G ₃-l)γ}/ {I _A +I _B -(-G ₁ G ₃-l) γ}]Vref

Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, daß die Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals L durch den Term I _A +I _B -(G ₁ G ₃-l)γ in obiger Gleichung abhängig von der empfangenen Lichtmenge erfolgt. Der Wert der Funktion γ kann leicht verändert werden, indem insbesondere die Verstärkung der Korrektur-Differentialschaltung 91 verändert wird.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 16 und 18 sind die der Fig. 1 entsprechenden Elemente mit gleichen, jedoch um 50 bzw. 70 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet und erfüllen im wesentlichen dieselbe Funktion wie bei Fig. 1.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine Anordnung zum Verändern der Korrekturkonstante vorgesehen sein kann, um eine weitere Verbesserung der Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals L zu erreichen, wobei diese Anordnung zusätzlich zu der Korrekturanordnung nach Fig. 1 vorgesehen ist. Bei Fig. 21 ist, verglichen mit Fig. 1, eine Korrektur- Addier/Differentialschaltung 110 anstelle der Korrektur- Addierschaltung 18 an eine Pegeldetektorschaltung 106 a angeschlossen. Der Ausgang der Korrektur-Addier/ Differentialschaltung 110 wird über eine Integrierschaltung 112 und eine Modulationsschaltung 113 zur Pegeldetektorschaltung 106 a zurückgeführt. Die Korrektur- Addier/Differentialschaltung 110 kann insbesondere in der in Fig. 22 gezeigten Weise ausgebildet sein. Das Entfernungsmeßsignal L wird dann durch folgende Gleichungen ausgedrückt, wobei angenommen wird, daß eine Bedingungsformel

I _A /I _B =m
Vref{(RF/VR RS)+l}=I _A +(Rf/VR)I _B

erfüllt ist und daß Rf=RS und Rf/Vr=k

L=I _A -I _B
=(m-l)I _B
=[(m-l)Vref{(Rf/VR Rs)+l}]/{m+(Rf/VR)}
={(I _A /I _B -l)Vref(k+2)}/{(I _A +I _B )+k}
={(I _A -I _B )/CI _A +I _B )}(k+2)Vref

Das Entfernungsmeßsignal L ergibt sich also durch Multiplikation des Signals mit (k+2). Die partielle Ableitung δ L/w VR nach dem Widerstand VR ist:

δ L/δ VR={(m-l)(m-l) Vref · k}/{(m+k)² VR}

Das Entfernungsmeßsignal L ändert sich also nicht für m=1 und 2. Wie in Fig. 23 veranschaulicht ist, wird also das Entfernungsmeßsignal als gerade Linie ausgedrückt, wenn die Korrekturkonstante k einen optimalen Wert aufweist, durch eine nach oben gekrümmte Kurve hingegen, wenn k kleiner als der Optimalwert ist, und durch eine nach unten gekrümmte Kurve, wenn k größer als der Optimalwert ist. Wie aus obiger Gleichung abgeleitet werden kann, gibt es also zwei Punke (welche I _A =I _B und I _A =2I _B erfüllen), bei welchen eine Änderung der Korrekturkonstante k keine Veränderung des Entfernungsmeßsignals L verursacht.

Es wird nun auch auf Fig. 24 Bezug genommen. Der Wert B des Entfernungsmeßsignals L an einem Punkte A, wobei I _A =2I _B erfüllt ist, wird durch Bewegung des Meßobjektes OBJ gefunden. Hier ändert sich der Wert für den Punkt α nicht, wenn die Korrekturkonstante k geändert wird. Das lineare Entfernungsmeßsignal liegt also auf einer geraden Linie, welche den Ursprung O mit dem Punkt α verbindet. Ein Ordinatenwert D des Entfernungsmeßsignals L in einem Punkt β auf einer Verlängerung der Geraden, welche den Ursprung O mit dem Punkt α verbindet, mit dem Abszissenwert C, wird zuvor auf dem Operationswege gewonnen, und die Korrekturkonstante k wird so eingestellt, daß das Entfernungsmeßsignal L, wenn sich das Meßobjekt OBJ im Abstand C befindet, den Wert D aufweist. Das bei dieser Anordnung erhaltene Entfernungsmeßsignal L wird dann {(I _A +I _B )/(I _A +kI _B )}(-k+C). Dieses Signal ergibt sich also durch Multiplikation des Signals L, welches durch die Anordnung nach Fig. 1 erhalten wird, mit einer Korrekturzahl (k+C). Durch die nur einmal eingestellte Korrekturkonstante kann also eine vollständige Linearitätskorrektur erhalten werden, so daß die erforderliche Einstellzeit für die Korrektur in erheblichem Maße vermindert wird.

Die Korrekturzahl (k+C) kann auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 5 auf das Entfernungsmeßsignal L angewendet werden. Es sind dann sieben Arten von Entfernungsmeßsignalen L möglich, die mit der Linearitätskorrektur behaftet werden, indem das jeweilige Entfernungsmeßsignal L mit der Korrekturzahl (k+C) multipliziert wird, nämlich:

{(I _A -I _B )/(kI _A +I _B )}(k+C), -{I _A /(I _A +kI _B )}(k+C),
{I _A /(kI _A +I _B )}(k+C), {I _B -/(I _A +kI _B )}(k+C),
{I _B /(kI _A +I _B }(k+C), {(I _A -+I _B )/(I _A -kI _B )}(k+C), und
{(I _A +I _B )/(kI _A -I _B )}(k+C).

Die Verwendung einer Addier/Differentialschaltung 110 ist bei der Meßeinrichtung nach Fig. 21 als Beispiel gezeigt. Es kann auch die in Fig. 25 gezeigte Anordnung vorgesehen sein, worin die Ausgangssignale einer Korrektur- Subtrahierschaltung 127 und einer Addierschaltung 128 einer Teilerschaltung 129 zugeführt werden, um (I _A -I _B )(k+C) an der Korrektur-Subtrahierschaltung 127 und (I _A +kI _B ) an der Korrektur-Addierschaltung 128 zu erhalten. Die Linearitätskorrektur ist ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 21. Auch hier können sieben Signaltypen erhalten werden, in gleicher Weise wie oben beschrieben.

Wie sich aus der in Fig. 26 gezeigten, im wesentlichen mit Fig. 21 übereinstimmenden Anordnung ergibt, kann eine Verstärkungsdifferenz J zwischen den Positionsausgangssignalen I _A und I _B vorgesehen sein, um den Referenzabstand C so zu verändern, daß das ausgegebene Entfernungsmeßsignal zu Null wird. Infolgedessen kann der Referenzabstand in der gewünschten Weise verändert werden, um eine noch bessere Linearitätskorrektur zu erhalten. Auch hier können sieben verschiedenartige Signale verwendet werden.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 21, 25 und 26 wurden die den zuvor beschriebenen Ausführungsformen entsprechenden Elemente mit entsprechenden, um 100 erhöhten Bezugszahlen bezeichnet.

Claims (11)

1. . Optische Verschiebungsmeßeinrichtung, bei der die Triangulierung angewendet wird, ein Lichtstrahl aus einer Lichtprojektionseinrichtung auf ein Meßobjekt fällt, das von dem Meßobjekt reflektierte Licht nach Durchlaufen eines Kondensators auf einer Lichtempfangseinrichtung auftrifft, um zwei Ausgangssignale zu erzeugen, die zueinander entgegengesetzte Werte aufweisen und die Position des konzentrierten Lichtflecks wiedergeben, und die Entfernung zwischen der Lichtprojektionseinrichtung und dem Meßobjekt durch eine Operationseinrichtung ermittelt wird, um ein Entfernungsmeßsignal aus den Ausgangssignalen der Lichtempfangseinrichtung zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinrichtung ausgelegt ist, um eine Subtraktion und Addition mit den zwei Positionsausgangssignalen vorzunehmen und ein Verhältnis zwischen diesen beiden Positionsausgangssignalen zu bilden, woraus das Entfernungsmeßsignal erzeugt wird, das die Entfernung zwischen der Lichtprojektionseinrichtung und dem Meßobjekt anzeigt, und daß eine mathematische Korrektur durch eine Linearitätskorrektureinrichtung an einem der beiden Positionsausgangssignale vorgenommen wird, um die Nichtlinearität des Entfernungsmeßsignals zu korrigieren.
2. 2. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Korrektur durch eine Korrekturkonstante erfolgt, die so eingestellt ist, daß der Linearitätsfehler verkleinert wird, mit dem das Entfernungsmeßsignal aufgrund einer Verschiebung des Meßobjektes behaftet ist.
3. 3. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Positionsausgangssignal durch die Linearitätskorrektureinrichtung eine Korrekturfunktion angewendet wird, durch die Linearitätsfehler beseitigt werden, die in der Lichtempfangseinrichtung entstehen.
4. 4. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturkonstante auf das eine oder andere der beiden Positionsausgangssignale angewendet wird, die in der Operationseinrichtung der Addition unterzogen werden.
5. 5. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturkonstante auf das eine oder andere der beiden Positionsausgangssignale angewendet wird, die durch die Operationseinrichtung der Subtraktion unterzogen werden.
6. 6. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturkonstante auf das eine oder andere der beiden Positionsausgangssignale angewendet wird, die in der Operationseinrichtung der Addition unterzogen werden.
7. 7. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturkonstante auf das eine oder andere der beiden Positionsausgangssignale angewendet wird, die in der Operationseinrichtung der Subtraktion unterzogen werden.
8. 8. Verschiebungsmeßeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mathematische Korrektur durch eine Korrekturzahl erfolgt, die eine Korrekturfunktion ist, welche so eingestellt ist, daß der Linearitätsfehler vermindert wird, der in dem Entfernungsmeßsignal aufgrund eines Streulichtreflexionsfehlers erzeugt wird, wenn der Lichtstrahl auf dem Meßobjekt auftrifft.
9. 9. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationseinrichtung mit einer Lichtmengen-Rückkopplungsschaltung versehen ist, um auf das Entfernungsmeßsignal einzuwirken, und daß die Korrekturfunktion erreicht wird, indem eine lokale Rückkopplung eines Teiles eines Rückkopplungseingangssignals an der Operationseinrichtung vorgenommen wird.
10. 10. Verschiebungsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturkonstante veränderbar ist.
11. 11. Verschiebungsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Korrekturkonstante durchgeführt wird, indem ihr eine Konstante hinzugefügt wird, die auf der Grundlage eines Wertes eingestellt wird, der sich nicht verändert, wenn die Korrekturkonstante des Entfernungsmeßsignals bei einer Verschiebung des Meßobjektes verändert wird.