DE3640159C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Optische Verschiebungsmeßeinrichtungen können vorteilhaft bei Werkzeugmaschinen, Massenherstellungsbändern für Fahr­ zeuge und dergleichen angewendet werden, also in allen Fäl­ len, wo eine hochpräzise Positionierung von Werkstücken und Werkzeugen vorgenommen werden muß, da das System eine hoch­ präzise Erfassung der Verschiebung des Gegenstandes durchführt.

Es wurden bereits verschiedenartige Einrichtungen zur opti­ schen Messung der Verschiebung eines Objektes mittels Triangu­ lation vorgeschlagen, beispielsweise in der US-PS 36 12 890. In dieser Druckschrift ist ein grundlegendes System zur Be­ stimmung 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 reflek­ tierte Licht wird über eine Fokussierlinse auf einen Photo­ sensor einer Lichtempfangseinrichtung geführt, und eine Ver­ arbeitungseinrichtung liefert Verschiebungs-Positionssignale entsprechend jeder Verlagerung der Position des reflektierten Lichtes auf dem Photosensor. Das mit Triangulation 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 Entfer­ nungsmeßsignal Lo, das von der Verarbeitungseinrichtung ab­ gegeben wird, und der Verschiebungsstrecke Δ1 des Objektes folgende Beziehung, worin die Entfernung l zwischen der Lichtquelle und dem Objekt gleich l_c+Δ1 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 Δ1 die Ver­ schiebungsstrecke des Objektes ist), F die Entfernung zwischen der Linse und dem Photosensor ist, Δx die Verschiebungs­ strecke ist, um die das reflektierte und die Linse durchlaufende Licht aus der Mitte des Photosensors wegen der Verschiebung des Objektes verschoben wurde, und R der Schnitt­ winkel zwischen den optischen Achsen der Lichtquelle sowie der Linse und dem Photosensor ist:

(l_c/cos R + Δ1cos R) Δx = Δ1 (sin R) F
Δx = (tan R) FΔ1/(l_c/cos² R+Δ1)

Wenn a = (tan R) F und b = l_c/cos² R, dann ist Δx = aΔ1/(b+Δ1) (1)

Es ist somit ersichtlich, daß die Verschiebungsstrecke Δx eine nichtlineare Abhängigkeit von der Verschiebungsstrecke Δ1 auf­ weist.

Während es die Verarbeitungseinrichtung ermöglicht, ein Po­ sitionssignal für den Auftreffpunkt des reflektierten Lichtes auf dem Photosensor zu erhalten, besteht zwischen der Verschiebungsstrecke Δx und diesem Positionssignal die durch die folgende Gleichung (2) gegebene Beziehung, worin I_A das Positionsausgangssignal bei einer Verschiebung des auf­ treffenden reflektierten Lichtes in einer Richtung aus der Mitte des Photosensors, I_B ein weiteres Positions­ ausgangssignal einer Verschiebung in einer anderen Richtung und l_p die wirksame Länge des Photosensors ist:

(I_A-I_B)/(I_A+I_B) = Δx/l_p (2)

Wie sich aus den obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt, be­ steht zwischen dem gemessenen Entfernungssignal Lo aus der Verarbeitungseinrichtung, welches die Information über die Verschiebungsstrecke des Objektes enthält, und dieser Ver­ schiebungsstrecke Δ1 keine lineare Abhängigkeit. Bei einem derartigen Meßsystem, das meistens unter Bedingungen einge­ setzt wird, bei welchen die Entfernung zwischen der Licht­ quelle und dem Meßobjekt sich entweder in großem oder in kleinem Ausmaße ändert, wurde gefordert, daß das System eine hohe Meßpräzision der Verschiebungsstrecke Δ1 bei hoher Li­ nearität des gemessenen Verschiebungsstreckensignals auf­ rechterhält.

Bei einem aus der Firmenschrift SELCOM Meßsysteme OPTO CATOR-Systembeschreibung, erschienen 1980, beschriebenen Verfahren zur Linearisierung der von einer optischen Ver­ schiebungsmeßeinrichtung durch Triangulation ausgegebenen Entfernungsmeßwerte werden zwei Positionsausgangssignale er­ zeugt, welche durch Signalwerte von entgegengesetzter Ten­ denz die Position des auf dem Objekt fokussierten Lichtflecks wiedergeben. Bei der Bestimmung der Entfernung des Meßobjek­ tes wird aus den Ausgangssignalen der Lichtempfangseinrich­ tung ein Quotient aus der Differenz der Positionsausgangs­ signale und aus einer mit diesen gebildeten Summe bestimmt. Die Entfernungsmeßwerte werden anschließend linearisiert. Die Linearisierung kann durch Auslesen von Korrekturfaktoren aus einem Speicher erfolgen. In einem solchen Speicher muß jedoch eine sehr große Anzahl von Korrekturfaktoren abgespei­ chert sein. Der zur Linearisierung erforderliche Aufwand ist daher hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben angegebenen Art dahingehend weiterzubilden, daß die Linearisierung der Entfernungsmeßwerte mittels einfacher Kor­ rekturmaßnahmen selbst dann erzielt wird, wenn sich die Ent­ fernung zwischen Lichtprojektionseinrichtung und Objekt in relativ großem Ausmaße ändert.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den An­ sprüchen 2 bis 4 angegeben.

Mehrere Ausführungsformen des Verfahrens werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeich­ nung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer 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 Linearitäts­ korrektur, die bei der Ausführungsform nach Fig. 1 durchgeführt wird;

Fig. 5 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen dem Linearitätsfehler und der Position des Lichtflecks zeigt, der auf einer Lichtempfangs­ einrichtung auftrifft;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausfüh­ rungsform;

Fig. 7 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen dem Linearitätsfehler und der Verschiebungsstrecke 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 Verschiebungsstrecke des Meßobjektes und zwei Positionsausgangssignalen zeigt, die bei der Ausführungsform nach Fig. 8 erzeugt werden;

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

Fig. 12 und 13 jeweils eine Graphik, die weitere Einstell­ vorgänge 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 Eingangscharak­ teristik einer Funktionsgeneratorschaltung bei der Ausführungsform nach Fig. 16 zeigt;

Fig. 18 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungs­ form der Verschiebungsmeßeinrichtung;

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

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

Fig. 21 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungs­ form 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 Verschiebungsstrecke des Meßobjektes und dem Linearitätsfehler zeigt, für die Einstellung einer Konstante auf optimalen Wert gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 24 eine Graphik, welche die Beziehung zwischen der Verschiebungsstrecke des Meßobjektes und dem Entfernungsmeßsignal zeigt, für die Ein­ stellung 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 Verschiebungsmeßein­ richtung zur Durchführung des Verfahrens wird die Triangulation angewendet. Sie enthält eine Lichtprojektionseinrichtung 10 und eine Lichtempfängereinrichtung 11, die in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise zur Durchführung der Trian­ gulation 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 sich mit entgegengesetzter Tendenz ändern, je nach der Auftreffposition des reflektierten Lichtstrahls und in Abhängigkeit von der Auslenkung Δx des Lichtflecks auf dem Positionsdetektorelement PSD zum Mittelpunkt desselben nach Durchlaufen der Linse ROM.

An das Positionsdetektorelement PSD ist eine Verarbeitungseinrichtung 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 15a, 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, 15a sind an Pegeldetektorschaltungen 16, 16a 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, 16a 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 16a, nämlich I_B, mit einem Korrekturfaktor k multipliziert wird, welcher 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 OP11, einen variablen Widerstand VR11 und Widerstände R11, R12 und R13, die so angeordnet sind, daß der Operationsverstärker OP11 eine Addition des Positionsausgangssignals I_A, das an dem einen Anschluß des Widerstands R11 anliegt, zu dem anderen Positionsausgangssignal I_B, welches an dem einen Ende des variablen Widerstandes VR11 anliegt, durchführt, und der veränderliche Widerstand VR11 so eingestellt ist, daß der Korrekturfaktor k auf das Positionsausgangssignal I_B angewendet wird, so daß am Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP11 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 Δl aus einer Stellung in der Entfernung l_c von der Projektionseinrichtung 10 entfernt (Fig. 3), wobei das aus der jeweiligen Position reflektierte Licht in der Mitte des Elements PSD11 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+Δx-(l_p-Δx)}/{l_p+Δx+k(l_p-Δx)}
=2Δx/{(l+k)l_p+(l-k) Δx}
=l/{(l+k)l_p/2Δx+(l-k)/2}

Durch Einsetzen von aΔl/(b+Δl) für Δx in obiger Gleichung ergibt sich:

=1/{(l+k)(b+Δl)l_p/2aΔl+(l-k)/2}
=1/{(l+k)l_p/2a+(l+k)bl_p/2aΔl+(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 wirksame Länge von PSD11, Δx ist die Auslenkung des Lichtflecks auf dem Element PSD11 gegenüber seinem Mittelpunkt, "a" ist (tanR)F, "b" ist l_c/cos²R, F ist die Entfernung zwischen der Linse ROM und dem Element PSD11, R 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 PSD11 auftrifft, wobei es sich praktisch um denselben Faktor wie bei den zuvor beschriebenen bekannten Systemen handelt.

Durch Einstellen des veränderlichen Widerstandes VR11 in Fig. 2 in solcher Weise, daß der Korrekturfaktor 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 VR11 eingestellt wird, wodurch sich eine einfache Korrekturanordnung ergibt.

Wenn bei der Korrektur-Addierschaltung 18 nach Fig. 2 der veränderliche Widerstand VR11 und der Widerstand R11 vertauscht werden, so wird der Korrekturfaktor 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 er­ gibt 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+Δx)/{l_p+Δx+k(l_p-Δx)}
=(l_p+Δx)/{(l+k)l_p+(l-k)Δx}

Einsetzen von aΔl/(b+Δl) für Δx in obiger Gleichung ergibt:

={bl_p+(l_p+a)Δl}/ {bl_p(l+k)+(kl_p+l_p+a+ ak)Δl}

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

I_A/(I_A+kI_B) = AΔl+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 16a 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 dem Korrekturfaktor 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+Δx+(l_p-Δx)}/{l_p+Δx-k(l_p-Δx)}
=(2bl_p+2l_pΔl)/{bl_p(l-k) +(l_p-kl_p+a+ak)Δl}

Wenn der Korrekturfaktor k so eingestellt wird, daß der Ausdruck Δl 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-Sub­ traktionsschaltung behaftet wird, um das Signal L=(I_A+I_B)/(kI_A-I_B) zu erhalten.

Gemäß einem weiteren Merkmal des Verfahrens ist vorgesehen, daß die Korrektur der durch die Verschiebung des Meßobjektes erzeugten Nichtlinearität in der beschriebenen Weise durch den Korrekturfaktor 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 des Korrektur­ faktors 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. Der in der Korrektur-Addierschaltung 28 erzeugte Korrekturfaktor 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 um so 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 29a, die der in Fig. 2 gleicht, ist an einen Funktionsgenerator 29b angeschlossen, der die Operationsverstärker OP22 und OP23, die variablen Widerstände VR22, VR23, die Widerstände R24 bis R27 und die Dioden D21 und D22 enthält. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP21 in der Korrektur-Addierschaltung 29a wird am veränderlichen Widerstand VR22 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 29a und dem Funktionsgenerator 29b werden die beiden Positionsausgangssignale I_A und I_B zugeführt, deren Werte zueinander entgegengesetzte Tendenz und Pegel aufweisen, die in der in Fig. 9 gezeigten Weise von der Verschiebungsstrecke Δl abhängen. Das eine Positionsausgangssignal I_B wird einem Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP22 des Funktionsgenerators 29b zugeführt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP22 ändert seinen Zustand in Abhängigkeit vom Wert der Schwellspannung Vc in der in Fig. 10 gezeigten Weise. Der Operationsverstärker OP22 vergleicht also das Positionsausgangssignal I_B mit der Schwellspannung, die durch Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR22 eingestellt wird, und gibt ein Ausgangssignal V_OP22 ab.

Es wird nun das Eingangssignal I_B des Operationsverstärkers OP22 betrachtet. Wenn|I_B|<2Vc, so ist V_OP22=-(I_B+2Vc). Wenn|I_B|<2Vc, 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
α=I_B/(I_A+k(L)I_B)

Die Spannungsteilerkonstante α hat praktisch die Bedeutung des Entfernungsmeßsignals, und eine Entfernung Δlk, bei welcher der Ausgang des Operationsverstärkers OP22 das Entfernungsmeßsignal L beeinflußt, kann eingestellt werden, indem der veränderliche Widerstand VR22 eingestellt wird, um das Spannungsteilerverhältnis zu verändern. An den veränderlichen Widerstand VR23 wird eine Spannung angelegt, deren Polung einer Umkehrung der Polarität des Ausgangssignals des Operationsverstärkers OP22 entspricht. Wenn also der veränderliche Widerstand VR23 auf seinen Mittelwert eingestellt ist, so liefert der Funktionsgenerator 29b kein Funktionssignal. Die Korrektur-Addierschaltung 29a erzeugt daher dann ein Additions-Ausgangssignal, bei dem nur der Korrekturfaktor k auf das Positionsausgangssignal I_B angewendet ist. Wenn aber |I_A|<2 Vc, so wird der veränderliche Widerstand VR23 verändert, um dem Korrekturfaktor k die Funktion der Entfernung Δlk zu geben, womit das Entfernungsmeßsignal behaftet ist, um den Wert des Korrekturfaktors k zu verändern. Der Korrekturfaktor k kann also entsprechend einer Entfernung, die einen Fehler bei PSD verursacht, variiert werden, um eine bessere Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals zu erhalten.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist das Ausgangssignal V_CF der Korrektur-Addierschaltung 29a, woran der Funktionsgenerator 29b 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)β}I_B=I_A+(k±β)I_B=I_A+k′I_B
für|I_B|<2Vc

worin β die Spannungsteilerkonstante des variablen Widerstandes VR22 ist. Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist, kann also der Umschlagpunkt Δlk über die Spannungsteilerkonstante α des veränderlichen Widerstandes VR22 eingestellt werden, während der Wert von k′ für Δlk≦λτL über die Spannungsteilerkonstante β des veränderlichen Widerstandes VR23 eingestellt werden kann. Durch die beiden veränderlichen Widerstände VR22 und VR23 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 VR23 im Bereich zwischen seinem Maximalwert und Minimalwert eingestellt wird.

Wenn bei der Meßeinrichtung nach Fig. 8 die an den Operationsverstärkers OP22 angeschlossenen Dioden D21 und D22 umgepolt werden, so erzeugt der Operationsverstärker OP22 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 39b1 bis 39bn an eine Korrektur-Addierschaltung 39a 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 46b 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 68b parallel zu einer Teilerschaltung 69 geschaltet, und eine Linearitätsfehler-Korrekturschaltung 68a ist über eine Multiplizierschaltung 70 an die Teilerschaltung 69 und den Funktionsgenerator 68b 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 68a zugeführt, damit diese ihren Korrekturfaktor 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 γ(I_A+I_B) der Funktionsgeneratorschaltung 68b 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-(AG₁G₂γ-G₁G₃γ)

Folglich Vref=AG₁G₂γ-(G₁G₃-l)γ
=I_A+I_B-[(G₁G₃-l)/{AG₁G₂-(G₁G₃-l)}]Vref
=I_A+I_B-[(G₁G₃-l) γ({I_A+I_B-(G₁G₃-l)γ}]Vref

Als Operationsgleichung für die gemessene Entfernung ergibt sich:

L=I_A-I_B/I_A+I_B- [{(G₁G₃-l)γ}/ {I_A+I_B-(G₁G₃-l) γ}]Vref

Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, daß die Linearitätskorrektur des Entfernungsmeßsignals L durch den Term I_A+I_B-(G₁G₃-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 des Verfahrens besteht darin, daß eine Anordnung zum Verändern des Korrekturfaktors 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 106a angeschlossen. Der Ausgang der Korrektur-Addier/ Differentialschaltung 110 wird über eine Integrierschaltung 112 und eine Modulationsschaltung 113 zur Pegeldetektorschaltung 106a 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 δL/δVR nach dem Widerstand VR ist:

δL/δVR={(m-l)(m-l) Vref · k}/{(m+k)²VR}

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 der Korrekturfaktor 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 des Korrekturfaktors 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 der Korrekturfaktor 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 der Korrekturfaktor 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 den nur einmal eingestellten Korrekturfaktor 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 (4)

1. Verfahren zur Linearisierung der von einer optischen Ver­ schiebungsmeßeinrichtung durch Triangulation ausgegebenen Entfernungsmeßwerte, bei dem ein Lichtstrahl aus einer Licht­ projektionseinrichtung (10) auf ein Meßobjekt (OBJ) gerich­ tet wird, das von dem Meßobjekt (OBJ) reflektierte Licht nach Durchlaufen eines Kondensors (ROM) auf einer Lichtem­ pfangseinrichtung (11) fokussiert wird, die zwei Positions­ ausgangssignale (I_A, I_B) erzeugt, welche die Position des Lichtflecks durch Signalwerte entgegengesetzter Tendenz wie­ dergeben, die Entfernung zwischen der Lichtprojektiionseinrich­ tung und dem Meßobjekt zur Gewinnung eines Entfernungs-Meß­ signals aus den Positionsausgangssignalen der Lichtempfangseinrich­ tung ermittelt wird, wobei der Quotient aus der Differenz (I_A-I_B) der Positionsausgangssignale und aus einer mit die­ sen gebildeten Summe bestimmt wird, um aus dem Quotienten das Entfernungs-Meßsignal abzuleiten, sowie eine Linearisie­ rung der Entfernungsmeßwerte vorgenommen wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Summe (I_A+kI_B) gebildet wird, indem das eine Positionsausgangssignal (I_A) zu dem mit einem Li­ nearitätskorrekturfaktor (k) multiplizierten anderen Posi­ tionsausgangssignal (I_B) addiert wird, wobei der Linearitäts­ korrekturfaktor nach folgender Beziehung gebildet wird: k = {1/2+lp/2a}/{1/2-lp/2a} ,worin lp die wirksame Länge der Lichtempfangseinrichtung (11) und a das Produkt aus dem Tangens des Winkels (R) zwischen dem Lichtstrahl aus der Lichtprojektionseinrichtung (10) und dem am Objekt (OBJ) zu der Lichtempfangseinrichtung (11) re­ flektierten Strahl sowie dem Abstand zwischen der Lichtem­ pfangseinrichtung (11) und dem Kondensor (ROM) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Korrekturfunktion angewendet wird, um die Linearitätsfehler zu beseitigen, die in der Lichtempfangsein­ richtung (11) entstehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß auf das eine oder andere der beiden Positionsaus­ gangssignale (I_A, I_B), deren Differenz gebildet wird, ein weiterer Korrekturfaktor angewendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearitätskorrekturfaktor (k) verändert wird, indem ihm eine Konstante hinzugefügt wird, die auf der Grundlage eines Wertes eingestellt wird, der sich nicht verändert, wenn der Linearitätskorrekturfaktor des Entfernungsmeßsignals bei einer Verschiebung des Meß­ objektes verändert wird.