DE3687204T2

DE3687204T2 - Vorrichtung und verfahren zum feststellen einer verschiebung.

Info

Publication number: DE3687204T2
Application number: DE8686306845T
Authority: DE
Inventors: Gordon Rees Jones; James Lodovico Moruzzi; Akkanapragada Narayana Prasad
Original assignee: University of Liverpool
Current assignee: University of Liverpool
Priority date: 1985-09-06
Filing date: 1986-09-04
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2006-09-05
Also published as: US4835384A; ATE83071T1; US4891510A; CN86105345A; CA1303347C; EP0214845A2; EP0214845B1; DE3687204D1; US4891509A; EP0214845A3; AU6215186A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Verschiebung eines Objekts.
Es sind Verschiebungsmeßsysteme bekannt, deren Arbeitsweise auf der absoluten Messung von Lichtstärke bei einer einzigen Wellenlänge beruht. Solche Systeme unterliegen, insbesondere wenn sie mit einer Faseroptik arbeiten, der Alterung und einem Verlust an Sicherheit aufgrund geringfügiger Fehler.
Es ist auch bekannt, zum Messen von Verschiebung eine optische Resonanzkonstruktion zu benutzen, deren Resonanzcharakteristik sich in Funktion der Verschiebung ändert. Solche Konstruktionen zu erzielen ist allerdings verhältnismäßig kompliziert und teuer.
Aus der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 57-96217A ist bereits eine Vorrichtung zum Bestimmen der Verschiebung eines Objektes bekannt, die eine Lichtquelle, welche ein polychromatisches Lichtsignal längs eines Pfades zu einem Detektor aussendet, welcher die Intensität der einfallenden Strahlung in einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen erfassen kann, sowie einen reflektierenden Filter aufweist, der die Stärke reflektierter Wellenlängen auf unterschiedliche Grade abschwächt und mit dem Objekt mechanisch so gekoppelt ist, daß die Bewegung des Objektes den Filter verschiebt, um das von der Lichtquelle ausgesendete Strahlungssignal zu variieren. Dabei ist die relative Anordnung des Objektes, des Filters und des Pfades so gewählt, daß eine Verschiebung des Objektes eine Verschiebung des Filters auf dem Pfad verursacht, um den verteilten Spektralgehalt des den Detektor erreichenden Lichtes zu ändern. Allerdings weist bei dieser Vorrichtung der Filter eine Vielzahl gesonderter Farbelemente auf, die auch veranlaßt werden, sich mit dem Objekt zu verschieben, und der Detektor weist eine entsprechende Vielzahl gesonderter Photodetektoren auf, von denen jeder auf eine unterschiedliche Farbe anspricht. Wenn also der Filter bewegt wird, werden verschiedene Farben der Reihe nach durchgelassen und von den zugehörigen Detektoren gewählt. Es ist ersichtlich, daß die Auflösung eines solchen Systems sehr schwach ist und eine große Anzahl unterschiedlich ansprechender Detektoren braucht.
Ferner ist aus GB-A 21 44 534 ein Verfahren zum Bestimmen der Verschiebung eines Objektes bekannt, welches die Schritte aufweist, daß ein polychromatischer Lichtstrahl auf eine Strahlungsmoduliereinrichtung gerichtet wird, die mit dem Objekt zur gemeinsamen Bewegung mit demselben mechanisch gekoppelt ist, wobei dafür gesorgt ist, daß die Verschiebung des Objektes eine Verschiebung der Strahlungsmoduliereinrichtung auf dem Pfad des Lichtstrahls verursacht, um den verteilten Spektralgehalt des von der Strahlungseinrichtung durchgelassenen Lichtes zu ändern, und daß die Intensität des von der Strahlungsmoduliereinrichtung durchgelassenen Lichtes bei einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen gemessen wird, um ein Maß für die Verschiebung zu erhalten. Mit der in GB 21 44 534 offenbarten Vorrichtung wird ein Verschiebungsmeßfühler geschaffen, bei dem eine Spektrumspalttechnik angewandt ist und ein Beugungsgitter zum Erzeugen einer räumlichen Trennung unterschiedlicher Wellen benutzt wird. Das Wellenlängenspektrum beleuchtet ein Paar koplanarer Moir gitter und ein weiteres Beugungsgitter und eine ladungsgekoppelte Anordnung führen eine optoelektronische Signalumwandlung durch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen der Verschiebung eines Objektes zu schaffen, mit denen die mit bekannten Systemen einhergehenden Schwierigkeiten und Mängel verringert werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen zum Bestimmen der Verschiebung eines beweglichen Objektes mit einer Farbnachweiseinrichtung, einer Lichtquelle, die geeignet ist, polychromatisches Licht längs eines Pfades zu der Farbnachweiseinrichtung auszubreiten, und eine Strahlungsmoduliereinrichtung, die eine Änderung der Position des beweglichen Objektes in eine Änderung der Farbe des in die Farbnachweiseinrichtung einfallenden, polychromatischen Lichts übersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbnachweiseinrichtung mindestens zwei Farbrezeptoren einschließt, die entsprechende Empfindlichkeitscharakteristiken haben, so daß die Ausgangssignale (X, Y) der Rezeptoren X = λ P(λ) x (λ) d λ und Y = λ P(λ) y d λ, entsprechen, worin P λ die spektrale Energieverteilung bei der Wellenlänge λ ist und X (λ) und y (λ) Farbabstimmfunktionen sind, die den Empfindlichkeitscharakteristiken der Rezeptoren entsprechen, und worin die Farbnachweiseinrichtung die Farbe des in sie einfallenden Lichts, ausgedrückt als seine Koordinatenposition (x, y) in einer Formfarbtafel, identifiziert, um eine Quantifizierung einer Farbänderung an der Farbnachweiseinrichtung zu ermöglichen und damit eine Quantifizierung der Verschiebung des beweglichen Objektes, welches diese Farbänderung verursacht hat, indem entsprechende Änderungen der Koordinatenposition (x, y) festgestellt werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gibt es nur zwei der genannten Farbrezeptoren und zum Festlegen der die Koordinatenposition bestimmenden Werte x und y in der Normfarbtafel weist die Farbnachweiseinrichtung Manipuliereinrichtungen auf, welche die Werte
x = X/X+Y bzw. y = Y/X+Y bestimmen.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Farbnachweiseinrichtung drei von den genannten gesonderten Farbrezeptoren auf, die entsprechende Empfindlichkeitscharakteristiken haben, so daß die Ausgangssignale der Rezeptoren X = P(λ) x(λ) dλ, Y = P(λ) y(λ) dλ und Z = P(λ) z(λ) dλ entsprechen, worin P (λ) die spektrale Energieverteilung bei der Wellenlänge λ ist und x(λ), y(λ) und (λ) Farbabstimmungsfunktionen sind, die den entsprechenden Empfindlichkeitscharakteristiken der drei gesonderten Farbrezeptoren entsprechen.
Im zuletzt genannten Fall weist die Farbnachweiseinrichtung zum Festlegen der die Koordinatenposition bestimmenden Werte x und y in der Farbnormtafel Manipuliereinrichtungen auf, welche die Werte
x = X/X+Y+Z bzw. y = Y/X+Y+Z festlegen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Bestimmen der Verschiebung eines beweglichen Objektes, bei dem ein polychromatischer Lichtstrahl auf eine Farbnachweiseinrichtung mit Hilfe einer Strahlungsmoduliereinrichtung gerichtet wird, die eine Änderung der Position des beweglichen Objekts in eine Änderung der Farbe des in die Farbnachweiseinrichtung einfallenden Lichts übersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbe des in die Lichtnachweiseinrichtung einfallenden Lichts, ausgedrückt als dessen Koordinatenposition (x, y) in einer Normfarbtafel, identifiziert wird durch das überwachen des einfallenden Lichts, wobei mindestens zwei Farbrezeptoren benutzt werden, die entsprechende Empfindlichkeitscharakteristiken haben, so daß die Ausgangssignale (X, Y) der Rezeptoren
X = λ P(λ) x(λ) d λ,
Y = λ P(λ) y(λ) d λ entsprechen,
wobei P(λ) die spektrale Energieverteilung bei der Wellenlänge λ ist und x(λ) und y(λ) Farbabstimmungsfunktionen sind, die den Empfindlichkeitscharakteristiken der Rezeptoren entsprechen, und eine Änderung der Position des beweglichen Objekts, ausgedrückt als erfaßte Änderung der Farbe des einfallenden Lichts, quantifiziert wird.
Der hier und in den beigefügten Ansprüchen verwendete Ausdruck "polychromatisches Licht" soll elektromagnetische Strahlung mit Mehrfachwellenlänge umfassen, die entweder sichtbare oder nichtsichtbare elektromagnetische Strahlung oder beides einschließt.
Die polychromatische Lichtquelle kann zum Beispiel ein Weißlichtsignal erzeugen; die Verschiebung des Objektes führt zu einer "Farbmodulation" des Weißlichtsignals mittels der Strahlungsmoduliereinrichtung, der Spektralgehalt dieser "Farbmodulation" wird dann analysiert, um die Verschiebung des Objektes zu bestimmen, die das verursacht hat.
Das Durchlassen von Licht von der Quelle zur Strahlungsmoduliereinrichtung und von der Strahlungsmoduliereinrichtung zum Detektor geschieht vorzugsweise mit Hilfe von zwei Lichtleitfasern, die in Längsrichtung durch einen Spalt voneinander getrennt sind, wobei die Strahlungsmoduliereinrichtung in diesem zuletzt genannten Spalt beweglich ist.
Im einfachsten Fall kann die Strahlungsmoduliereinrichtung einen Filterstreifen aufweisen, der die Stärke der durchgelassenen Wellenlängen auf unterschiedliche Grade abschwächt, um damit die Farbe der durchgelassenen Strahlung zu ändern. Es ist dafür gesorgt, daß die Bewegung des Objektes den Filter verschiebt, um das Ausmaß zu variieren, mit dem der Filter das von der Lichtquelle ausgesandte Lichtsignal abfängt.
Der Filter ist vorzugsweise so konstruiert, daß er feindlichen Umgebungen standhält, beispielsweise hohen Temperaturen und/oder korrodierenden Stoffen.
Ein Beispiel eines solchen Filters weist Glas auf, welches mit einer keramischen Hochtemperaturglasur als dem optisch aktiven Medium beschichtet ist. Solche Vorrichtungen lassen sich leicht ohne spezielle Ausrüstung herstellen, es kann ihnen ohne weiteres eine gewünschte Vielfalt spektraler Eigenschaften gegeben werden, sie sind billig und unterliegen keiner Alterung (im Vergleich zu den herkömmlicherweise für wissenschaftliche Zwecke benutzten Präzisionsfiltern, die genau definierte Bandbreiten haben, empfindlich und teuer sind) und damit einer Änderung des spektralen Gehaltes des weißen Lichts, das heißt gewisse Wellenlängen werden mehr als andere abgeschwächt.
Durch die Verwendung von zwei Filtern, die sich orthogonal bewegen und unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten haben, können zwei Verschiebungsparameter gleichzeitig mit dem gleichen Erfassungssystem und ohne zusätzliche Faseroptiken überwacht werden. Das kann als Mittel zum Erzielen eines Temperaturausgleichs eines Verschiebungswandlers bei Verwendung geeigneter Softwarekontrolle herangezogen werden.
Auch wenn die Benutzung eines Filters, der eine "Breitbandfiltermodulation" bietet, für viele Anwendungsfälle angemessen ist, gibt es einen Bereich der Unempfindlichkeit am Anfang der Filterbewegung in dem Spalt zwischen den Lichtleitfasern. Es gibt auch andere Anwendungsfälle, beispielsweise Skalen von größerer Länge, wo der Mangel an Empfindlichkeit in einem Teil des Verschiebungsbereichs nicht hingenommen werden könnte.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, kann der einfache Filterstreifen durch eine farbige, durchsichtige Kugel ersetzt sein. Das dient dem doppelten Zweck, den Spektralgehalt des Lichtes zu modulieren (wie im Fall des Filterstreifens) und auch gleichzeitig eine Fokussierwirkung zu schaffen.
Eine Vielzahl derartiger gefärbter Kugeln können benutzt werden, um die Verschiebung in einer Vielzahl von Richtungen zu bestimmen, oder sie können benutzt werden, um eine Verschiebung über eine Entfernung zu bestimmen, die größer ist als die Größe einer einzigen Kugel.
Ein Beispiel solcher farbiger Kugeln sind die sogenannten "Rubinkugeln". Diese stehen ohne weiteres zur Verfügung, sind genau bemessen und preisgünstig.
Lediglich als Beispiel sollen nunmehr spezifische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 2a bis 2e Ansichten in Richtung der Pfeile II-II in Fig. 1;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Intensität und Wellenlängen für verschiedene Verschiebungen eines in Fig. 1 und 2 gezeigten Filters;
Fig. 4 eine graphische Darstellung von Verhältnissen von Intensität zu Verschiebung, erhalten aus Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer zweiten Vorrichtung, die nicht die vorliegende Erfindung verkörpert;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Intensität gegenüber der Wellenlänge für verschiedene Verschiebungen eines in Fig. 5 gezeigten Filters;
Fig. 7 eine graphische Darstellung von Verhältnissen von Intensität zu Verschiebung, erhalten aus Fig. 6;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Modulieranordnung;
Fig. 9 eine Ansicht in Richtung der Pfeile IX-IX in Fig. 8;
Fig. 10, 11 und 12 schematische Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele von Modulieranordnungen;
Fig. 13 ein schematischer Querschnitt durch eine Moduliersensoranordnung;
Fig. 14 bis 17 schematische Ansichten zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele von Moduliersensoren;
Fig. 18 ein herkömmliches dreidimensionales Farb-Raum- Diagramm;
Fig. 19 die sogenannte C.I.E.-Normfarbtafel;
Fig. 20 die Empfindlichkeitscharakteristiken von drei Rezeptorelementen, welche die Funktionen xλ, yλ und zλ liefern;
Fig. 21 eine Darstellung, wie die Farbänderung in herkömmlicher Weise auf der Normfarbtafel gemäß Fig. 19 dargestellt wird;
Fig. 22 die Messung von zwei Verschiebungen auf der Normfarbtafel;
Fig. 23 eine Darstellung, wie eine vierte Farbe auf der Normfarbtafel berücksichtigt werden kann;
Fig. 24 die Konstruktion eines Ausführungsbeispiels eines Farbdetektors zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung;
Fig. 25 eine vereinfachte Version der Normfarbtafel;
Fig. 26 die Konstruktion eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Farbdetektors zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung;
Fig. 27 und 28 Diagramme zur Benutzung bei der Erläuterung der Arbeitsweise des Farbdetektors gemäß Fig. 26; und.
In der nachfolgenden Beschreibung bilden diejenigen Ausführungsbeispiele, die auf der Basis der Technik der Intensitätsverhältnismessung bei verschiedenen Wellenlängen funktionieren und in den Fig. 1, 3, 4, 5, 6 und 7 dargestellt sind, keinen Teil der gegenwärtig beanspruchten Erfindung.
Zunächst zu Fig. 1. Sie zeigt schematisch eine elektromagnetische Breitbandstrahlungsquelle 10 und einen konkaven Spiegel 12, die zusammen polychromatisches Licht < welches sichtbare und/oder nichtsichtbare Strahlung einschließen könnte) von einem Ende längs einer ersten Faseroptik 14 projizieren. Dem anderen Ende der ersten Faseroptik 14 benachbart ist ein Strahlungsmodulierelement in Form eines Blaufilters 16 vorgesehen. Der Filter ist von geringer optischer Qualität und mit einer keramischen Glasur gefärbt, damit er billig, dauerhaft und imstande ist, korrodierender und heißer Umgebung standzuhalten. Der Filter ist an einem (hier nicht gezeigten) Körper befestigt, dessen Verschiebung gemessen werden soll, wie später noch erläutert wird.
Wenn das Licht den Filter durchdrungen hat, tritt es in eine zweite Faseroptik 18 ein und von dort zu einer eine Vielzahl von Prismen aufweisenden Brechungsvorrichtung 20, die das Licht in seine Bestandteile aufspaltet. Die Intensität jeder Komponente wird mit Hilfe eines herkömmlichen Detektors 22, beispielsweise einer ladungsgekoppelten Schaltungsanordnung gemessen, der mit einem (nicht dargestellten) Mikroprozessor über ein Kabel 28 verbunden ist, wobei der Mikroprozessor die Intensitätsberechnungen des empfangenen Lichts bei verschiedenen Wellenlängen durchführt.
Der Blaufilter wird bewegt, wenn sich der Körper, an dem er befestigt ist, bewegt, wie schematisch in Fig. 2a bis 2e gezeigt. In Fig. 2a kreuzt der Filter nicht den Pfad des zwischen den Faseroptiken 14, 18 verlaufenden Lichts. In Fig. 2b, 2c und 2d kreuzt der Filter teilweise den Lichtpfad um unterschiedliche Beträge, und in Fig. 2e verläuft das gesamte Licht zwischen den Faseroptiken 14 und 18 durch den Filter 16.
Die Eintragungen der Intensität (I) des durchgelassenen Lichts gegenüber der Wellenlänge (λ) des Lichts sind in Fig. 3 für verschiedene Verschiebungen X des Filters gezeigt. Die Positionen sind als X1 bis X5 entsprechend Fig.
2a bis 2e dargestellt, wobei X1 der Verschiebung des Filters 16 in Fig. 2a und X5 der Verschiebung des Filters 16 in Fig. 2e entspricht. Aus dieser Kurve kann bei Heranziehen bekannter Verschiebungen eine Eichkurve konstruiert werden. Vier derartige Kurven sind in Fig. 4 gezeigt.
Fig. 4 zeigt die Eintragungen des Verhältnisses der Intensitäten von zwei Wellenlängen über der Verschiebung. Die beiden gewählten Wellenlängen sind mit B/A, C/B, D/C und E/D gekennzeichnet, wobei B/A sich auf das Verhältnis der Intensitäten bei den Wellenlängen B bzw. A bezieht usw. mit C/B, D/C und E/D. Die Wellenlängen A bis E sind in Fig. 3 gekennzeichnet. Sobald die Eichung der Stärken oder Intensitäten durchgeführt wurde, brauchen dann zur Berechnung der Verschiebung des Filters 16 nur die Intensitäten des ausgesandten Lichts bei zwei verschiedenen Wellenlängen gemessen zu werden, wobei die Verschiebung durch Berechnen des Verhältnisses derselben und Vergleichen mit dem geeichten Wert erhalten wird.
Der annäherungsweise Betriebsbereich ist in Fig. 4 dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Wahl verschiedener Wellenlängen zu verschiedenen Empfindlichkeiten der Vorrichtung führt. Beispielsweise bei Verwendung der Wellenlängen c und B ergibt die Vorrichtung eine verhältnismäßig grobe Empfindlichkeit, während im Bereich von 7 bis 8 auf der Verschiebungsachse die Wellenlängen D und C eine feine Empfindlichkeit ergeben.
Immer noch unter Hinweis auf Fig. 4 kann also das Verhältnis C/B als eine grobe Empfindlichkeitsbestimmung benutzt werden; der Teil der D/C-Kurve, der sich der Vertikalen nähert, kann zur feinen Empfindlichkeitsbestimmung herangezogen werden; das im wesentlichen horizontale B/A-Verhältnis kann als ein "Systemkonditions"-Monitor benutzt werden; und das Verhältnis E/D kann als Übereinstimmungsprüfsignal benutzt werden.
Es ist ersichtlich, daß statt des Konstruierens einer Eichkurve die Eichmessungen in einen Mikroprozessor oder Rechner eingegeben werden können, der dann anschließende Verschiebungen des Filters durch einen Vergleich der empfangenen Intensitätssignale bei den Wellenlängen, bei denen die Eichung stattfand, berechnen kann. Ferner ist ersichtlich, daß verschiedene Wellenlängen zum Messen über verschiedene Verschiebungsbereiche benutzt werden können.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten dadurch, daß der das Modulierelement bildende Blaufilter 16 durch eine Rubinkugel 16' ersetzt ist. Sie wird insofern in ähnlicher Weise wie die Vorrichtung gemäß Fig. 1 benutzt, als eine Modulierung durch bevorzugte Absorption innerhalb bestimmter Wellenlängenbereiche verursacht wird, wobei die Vorrichtung für verschiedene Wellenlängen unter Verwendung bekannter Verschiebungen geeicht ist. Die Intensität ist über der Wellenlänge für verschiedene bekannte Verschiebungswerte eingetragen (in Fig. 6 gezeigt) und anhand dieser Kurven sind Eichkurven (Fig. 7) des Verhältnisses der Intensitäten von zwei Wellenlängen zur Verschiebung gezeichnet.
Wie im Fall der Vorrichtung gemäß Fig. 1 sind die Bezugswellenlängen A, B, C, D, E (nicht notwendigerweise die gleichen wie die erste Vorrichtung), und in Fig. 7 haben die Bezugszeichen B/A, C/A und D/A und D/E die gleiche Bedeutung wie bei der ersten Vorrichtung.
Aus Fig. 6 ist zu entnehmen, daß die Filterfunktion der Kugel eine Verringerung der Intensität bei Wellenlänge A verursacht, und daß die Fokussierfunktion der Kugel eine Verstärkung der Intensität bei Wellenlänge B verursacht. Diese beiden Faktoren bewirken gemeinsam, daß das Verhältnis IA IB (worin I die Intensität ist) mehr linear mit der Verschiebung variiert, und die Ergebnisse davon sind in Fig. 7 zu sehen, wo die Verhältnisse B/A, C/A und D/A alle linearer sind als bei den Kurven gemäß Fig. 4 der Fall war. Das Verhältnis D/E liefert wiederum ein "Systemkonditionsmonitor"-Signal.
Wie bei der ersten Vorrichtung gemäß Fig. 1 brauchen Eichkurven nicht tatsächlich konstruiert zu werden; statt dessen kann die Information von der Eichung in einen Mikroprozessor oder Mikrorechner eingegeben werden, aus dem Berechnungen der Verschiebung dadurch erhalten werden können, daß das Verhältnis der Intensitäten von zwei verschiedenen Wellenlängen erhalten wird.
Unter Umständen wird bevorzugt, zwei oder drei verschieden gefärbte Kugeln zu benutzen, um die Möglichkeit zu erhalten, zwei oder drei Verschiebungen gleichzeitig zu überwachen. Da nur das Verhältnis der Intensitäten erforderlich ist und nicht die Werte der Intensitäten als solche, ist klar, daß dies möglich ist.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 8 und 9 ist identisch mit der in Fig. 5 benutzten, außer daß verschieden gefärbte Kugeln 36, 38 benutzt sind, die miteinander in Berührung stehen. Da die beiden Kugeln unterschiedliche Spektraleigenschaften haben, kann die Verschiebung der Kugeln in zwei Richtungen durch das Erfassen der Intensitäten verschiedener Wellenlängen, Berechnen der relevanten Verhältnisse und Vergleichen der erhaltenen Werte mit den Eichungen für jede Kugel ermittelt werden. Es wird bevorzugt, die Wellenlängen, die jede Kugel durchläßt und die andere Kugel nicht durchläßt zu erfassen, da die Messungen dann keine Korrektur für die von der anderen Kugel durchgelassene Strahlungsmenge erfordern.
Wie zuvor kann die Messung der Intensitäten, die Berechnung der Verhältnisse und die Berechnung der Verschiebungen in den beiden Richtungen von einem Mikroprozessor oder Rechner vorgenommen werden. Die Eichungen jeder Kugel können gleichfalls mit einem Rechner durchgeführt werden, wie zuvor.
Wenn es erwünscht ist, eine Bewegung in drei oder mehr Richtungen zu erfassen, wird die gleiche Anzahl Kugeln wie Richtungen benutzt. Wenn zum Beispiel drei Richtungen erforderlich sind, werden drei Kugeln mit unterschiedlichen Spektraleigenschaften verwendet.
Eine Variation des Vorstehenden ist in Fig. 11 gezeigt. Die benutzte Vorrichtung ist im wesentlichen mit der in Fig. 5 gezeigten identisch, außer daß die Kugel 16' durch sieben Kugeln 16' ersetzt wurde, die in einem Kreis auf einem Objekt angeordnet sind, welches sich um eine Achse dreht, die durch die Mitte des Kreises verläuft. Es gibt vier verschiedene Arten von Kugeln, die mit A, B, C und D bezeichnet sind, und von denen jede für verschiedene Winkelverschiebungen in bezug auf Intensitätsverhältnisse geeicht wurde. Angesichts der unterschiedlichen Spektraleigenschaften der Kugeln und der Reihenfolge, in der sie in bezug aufeinander angeordnet sind, ist es möglich, sowohl die Winkelverschiebung als auch den Drehsinn des Objektes zu bestimmen.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 10 ist insgesamt ähnlich der in Fig. 5 gezeigten, außer daß die Rubinkugel durch eine Vielzahl von Rubinkugeln 28 ersetzt ist, die dadurch in einer Geraden gehalten werden, daß sie fest in eine gerade Nut 30 auf einem Meßstab eingesetzt sind. In Fig. 10 ist auch die erste Faseroptik 14 und die zweite Faseroptik 18 dargestellt.
Bei der Benutzung ist der Meßstab in der durch Pfeil 32 angedeuteten Richtung bewegbar, d. h. längs der Achse der Nut 30. Die strahlungsquelle und die Rubinkugeln sind identisch mit den bei der Vorrichtung gemäß Fig. 5 benutzten, so daß die mit dieser Vorrichtung erhaltene Eichung für die nachfolgende Erläuterung herangezogen wird. Eine Bewegung der Kugeln in Richtung des Pfeiles 32 verursacht, daß sich die Intensität und folglich die Intensitätsverhältnisse der erfaßten Wellenlängen ändern, und bei Benutzung der für eine der Rubinkugeln (siehe Fig. 7) erhaltenen Eichung kann die Bewegung und die Bewegungsrichtung beispielsweise mit einem Mikroprozessor oder einem Rechner errechnet werden.
Bei der dargestellten Anordnung ist es möglich, eine Skala von großem Bereich (im Größenordnungsbereich von Metern) zu haben, die außerdem sehr exakt ist (genauer als 20 um). Das kann geschehen durch Messen der groben Bewegung des Meßstabs unter Anwendung eines geeigneten Intensitätsverhältnisses und Heranziehen eines anderen Intensitätsverhältnisses zum Messen sehr kleiner Verschiebungen, z. B. an der letzten Kugel, die dem Ende des Verschiebungsweges entspricht. So ist zum Beispiel unter Hinweis auf Fig. 7 ersichtlich, daß die Intensitätsverhältnis-Verschiebungs-Kurven für jede Kugel symmetrisch sind, so daß der Durchlauf jeder Kugel erfaßt und gezählt werden kann, um so zu einer Berechnung der Gesamtverschiebung zu kommen. Eine genaue Messung (feine Empfindlichkeit) braucht nur an der letzten Kugel vorgenommen zu werden.
Ein weiterer Vorteil des Rubinkugelmeßstabes besteht darin, daß die Verschiebung und die Bewegungsrichtung beides mit einer einzigen Lichtquelle und zwei Faseroptiken gemessen werden kann.
Eine Alternative zum Messen der groben Verschiebung besteht in der Benutzung verschieden gefärbter Kugeln 34, die eine andere Wellenlänge durchlassen, welche Rubinkugeln nicht durchlassen, und die in regelmäßigen Intervallen längs der Nut die Rubinkugeln ersetzen. Die Erfassung einer anderen Wellenlänge würde dann auf die Anzahl unterschiedlich gefärbter Kugeln hinweisen, die das Licht durchlaufen hat. Da die Kugeln einen exakten Durchmesser haben, wäre eine grobe Schätzung der Verschiebung möglich. Sobald die grobe Messung geschehen ist, kann die feine Messung wie vorstehend beschrieben erfolgen. Es sei darauf hingewiesen, daß die unterschiedlich gefärbten Kugeln 34 auch geeicht werden müssen, damit die Intensitätsverhältnisse einer Vielzahl von Wellenlängen zum Messen kleiner Entfernungen herangezogen werden können.
Die vorstehenden Messungen können automatisch mit Hilfe des Mikroprozessors durchgeführt werden. Der Mikroprozessor kann benutzt werden, um die Anzahl unterschiedlich gefärbter Kugeln zu zählen, die erfaßt wurden und um die involvierte Verschiebung zu errechnen. Die grobe Verschiebung kann dann gespeichert werden und dann korrigiert werden unter Zuhilfenahme der Messung der feinen Verschiebung auf der Basis des Verhältnisses der Intensitäten, wie zuvor.
Eine Anwendung der vorstehenden Techniken ist schematisch in Fig. 12 gezeigt, in der eine Spannungsmeßvorrichtung dargestellt ist. Sie weist eine halbmetallisierte Membran 40 und eine leitende Platte 42 in gegenseitigem Abstand auf. Wenn an die Membran und die leitende Platte eine Potentialdifferenz angelegt wird, wird die Membran zur Platte 42 hin verformt. Eine an der Membran befestigte Rubinkugel 44 bewegt sich mit ihr, und bei Verwendung der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung (in Fig. 12 nicht gezeigt) kann die Verschiebung der Membran erhalten werden. Da die Verschiebung proportional ist zur angelegten Spannung, kann die Spannung durch Eichung erhalten werden.
Ein weiterer Anwendungsfall ist in Fig. 13 dargestellt in Form eines Druckmeßwertwandlers. Eine Gummimembran 48 unterteilt das Gehäuse 50 des Wandlers in einen Abschnitt 52 mit Bezugsdruck, der über eine Entlüftungsöffnung 54 gegenüber einem Bezugsdruck offen ist, und einen Druckabschnitt 56, in den das Fluid eingeführt wird, dessen Druck gemessen werden soll. An der Membran ist eine Rubinkugel 58 befestigt, die zwischen einer Eingangsfaseroptik 14' und einer Ausgangsfaseroptik 18' bewegbar ist, wobei jede Faser in einer Schutzhülse 60 aufgenommen ist. Der Rest der Vorrichtung ist identisch mit dem gemäß Fig. 5.
Wenn sich der Druck im Abschnitt 56 ändert, bewegen sich Membran und Rubinkugel. Durch das Messen des Verhältnisses der Intensitäten verschiedener Wellenlängen wird die Verschiebung der Rubinkugel und durch Eichen der zu messende Druck erhalten.
Bei weiteren Variationen kann die Strahlungsmoduliereinrichtung ein zylindrisches Element sein, beispielsweise eine Lichtleitfaser. Wie die vorstehend beschriebene Rubinkugel bietet die Krümmung eines zylindrischen Elementes eine Fokussierwirkung, um die Linearität und/oder Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
Eine besonders wirksame Form eines Modulierelements ist die Form eines transparenten, zylindrischen Elements 62, welches ein gefärbtes Pigment enthält, dessen Dichte/Dicke sich längs der Länge des Elements ändert. Bei einer Ausführungsform (siehe Fig. 14) geschieht der Übergang zwischen dem gefärbten Filterbereich 64 und dem transparenten Bereich 66 an einer scharf definierten, schrägen Kante 68. Bei einer anderen Ausführungsform (siehe Fig. 15) gibt es keine Übergangskante, das Filterpigment nimmt zwischen einem gefärbten Ende 69a und einem durchsichtigen Ende 69b diffus an Dichte bis auf Null ab.
Es sei darauf hingewiesen, daß zylindrische Modulierelemente entweder in transversalem Modus benutzt werden können, wo die Wirkung ähnlich der eines kugelförmigen Elements ist, oder als Alternative in einem Längsmodus, wo die Bewegung parallel zur Zylinderlänge erfolgt und eine Abstufungstechnik (wie in Fig. 14 oder 15) angewandt wird, um den Bereich zu erweitern, aber die Fokussierwirkung beizubehalten.
Fig. 16 zeigt eine weitere Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 5, worin das ebene oder kugelförmige Modulierelement durch ein Modulierelement 70 von konischer Gestalt ersetzt ist. Die Benutzung eines Kegels bietet eine Variation in der Dicke des Filtermaterials, je nach der Position. Wie zuvor, kann die Krümmung benutzt werden, um eine Fokussierwirkung zu schaffen.
Fig. 17 zeigt ein praktisches Beispiel eines Miniaturdrucksensors unter Verwendung des Modulierelements gemäß Fig. 14. Bei diesem Beispiel verläuft der polychromatische Lichtstrahl nicht direkt zwischen den Enden der Faserführungen 14a, 18a, sondern ist durch die Verwendung von zwei geneigten Spiegeln 72a, 72b um 180º gebogen, so daß die Lichtstrahlen am gleichen Ende in die Vorrichtung eintreten und aus ihr austreten können. Das zylindrische Modulierelement 62 mit den gefärbten und transparenten Bereichen 64, 66, die durch die schräge Zwischenfläche 68 getrennt sind, ist in einer zylindrischen Führungsöffnung 74 in einem Körperteil 76 verschiebbar so aufgenommen, daß der zwischen den geneigten Spiegeln 72a, 72b reflektierte Lichtstrahl von ihm geschnitten wird. Das entgegengesetzte Ende des Modulierelements ist an einer Membran 78 befestigt, die sich über eine innere Ausnehmung 80 im Körper 67 erstreckt und bei der Benutzung dem zu messenden Druck unterliegt. Die entsprechende Verschiebung des Modulierelements 62 wird von dem Erfassungssystem gemessen, um ein Maß des Drucks zu liefern.
Bei dem zuletzt genannten Ausführungsbeispiel wird bevorzugt, wenn die in Fig. 17 gezeigte Einheit unter Vakuum abgedichtet wird, um eine Verschmutzung des optischen Spaltes zu verhindern.
Noch einmal zum Detektorteil der Vorrichtung; die oben im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 sowie 6 und 7 beschriebene Detektortechnik beruht auf dem Vergleich der einfallenden Strahlung mit zwei vorherbestimmten Wellenlängen. Es folgt nunmehr eine Erläuterung und Beschreibung einer Erfassungstechnik gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die tatsächliche Farbe oder die dominante Farbe des vom Modulator empfangenen Lichtsignals quantifiziert wird, wodurch wirkungsmäßig die einfallende Strahlung bei einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen benutzt wird.
Um zum Verständnis des Konzeptes der nachfolgend beschriebenen Detektorausführungsbeispiele beizutragen, ist es vorteilhaft, zunächst einen Überblick über die herkömmlichen Ideen und Theorien über Farbmessung zu geben.
Fig. 18 zeigt ein herkömmliches, dreidimensionales Farb- Raum-Diagramm, in welchem die Sättigung radial wiedergegeben ist, der Farbton in Umfangsrichtung und die Leuchtdichte axial dargestellt ist. Die nachfolgend beschriebene Technik befaßt sich hauptsächlich mit dem Messen des Farbtons und der Sättigung, die etwa durch die spektrale Energieverteilung (P λ) beschrieben werden kann.
Eine quantitative Bestimmung einer Farbe wird herkömmlicherweise mit einer Normfarbtafel erzielt, und die universal akzeptierte Tafel ist die sogenannte C.I.E.-Tafel (Commission Internationale d'Eclairage), die in Fig. 19 wiedergegeben ist. In dieser Tafel liegen reine Spektraltafeln auf einer hufeisenförmigen, geschlossenen Kurve in einem x:y-Raum, der durch die Farbkoordinaten, wie nachfolgend definiert, bestimmt ist, und verschiedene Grade an Sättigung oder Übergewicht einer bestimmten Wellenlänge werden durch die Position innerhalb dieser Umgrenzung bestimmt. Die weiße Farbe entspricht dem Punkt mit Koordinaten (0,33- 0,33). Durch Verwendung dieser Tafel kann also jede beliebige Farbe mittels eines einzigen Punktes im zweidimensionalen Raum identifiziert werden.
Die Normfarbwertkoordinaten (x, y) werden wie folgt definiert:
x = X/(X + Y + Z) Gleichung (1)
y = Y/(X + Y + Z) Gleichung (2)
worin
X = λ P λ xλ d λ
Y = λ P λ yλ d λ
Z = λ P λ zλ d λ
P λ = Energie in der spektralen Energieverteilung bei der Wellenlänge λ und
xλ, yλ, zλ sind Farbabstimmungsfunktionen, d. h. drei verschiedene Wellenlängenfunktionen, die den getrennten Empfindlichkeiten der drei gesonderten Rezeptoren entsprechen.
Es sei nunmehr auf die beigefügte Fig. 20 verwiesen, welche die erforderlichen Empfindlichkeitscharakteristiken der drei Rezeptoren zeigt, die die Funktionen xλ, yλ, zλ bieten. Die relative Gegenüberstellung jeder der Farbabstimmungsfunktionen ist erkennbar. Diese Farbabstimmungsfunktionen können für eine Analyse mit Hilfe des Mikroprozessors digital gespeichert werden, wobei eine Datenbank geeigneter Farben zur Bereitstellung solcher Farbabstimmfunktionen bereits errichtet wurde.
Die herkömmliche Technik zum Identifizieren der Farbe irgendeiner bestimmten "unreinen" Farbe umfaßt also das Abtasten der Farbe mittels der drei Rezeptoren, die die in Fig. 20 gezeigten Empfindlichkeitscharakteristiken haben und im anschließenden Benutzen der resultierenden Werte für xλ,y λ und zλ zwecks Errechnen der Werte für x und y in der Normfarbtafel entsprechend dieser Farbe.
Die beigefügte Fig. 21 zeigt, wie eine Farbänderung in der Normfarbtafel dargestellt wird. Die drei Kurven auf der linken Seite in diesem Diagramm (Fig. 21a, 21b und 21c) zeigen das Ansprechen des z-Rezeptors (obere), des y-Rezeptors (mittlere) und des x-Rezeptors (untere) auf eine erste Farbe, und die Kurven auf der rechten Seite (Fig. 21d, 21e und 21f) zeigen das Ansprechen der drei Rezeptoren auf eine zweite Farbe. Die erste Farbe hat eine Intensität/ Wellenlängen-Charakteristik, die durch die durchgezogene Linie in Fig. 21a, 21b und 21c wiedergegeben ist. Die Ansprechkurven zλ, yλ und xλ sind in jedem Fall durch gestrichelte Linien angedeutet. Der Wert z (= λ P λ zλ d λ) ist durch den Bereich der Überlappung der durchgezogenen Kurve mit der gestrichelten Kurve in Fig. 21a wiedergegeben. Ebenso sind die Werte y (= λ P λ yλ d λ) und x (= λ P λ xλ d λ) durch die Überlappungsbereiche der durchgezogenen Kurven und der gestrichelten Kurven in Fig. 21b und 21c wiedergegeben. Die Werte für x und y können dann anhand der Gleichungen (1) und (2) berechnet werden, um zu dem Punkt A in der Farbtafel gemäß Fig. 21g zu kommen.
Die zweite Farbe ist in den Fig. 21d, 21e und 21f mit einer durchgezogenen Linie wiedergegeben und die Ansprechkurven zλ, yλ und xλ durch gestrichelte Linien. Die entsprechenden Werte für x und y können wieder anhand der Gleichungen (l) und (2) berechnet werden, um den Punkt B in der Farbtafel gemäß Fig. 21g zu identifizieren.
Ein Ändern der Farbe durch Addieren oder Subtrahieren von Energie zu gewissen Teilen des Spektrums führt folglich zu einer Änderung auf der Farbtafel längs der Geraden A-B. Wenn die Farbänderung infolge der relevanten Verschiebung von zwei Komponenten, beispielsweise die Einführung eines Farbfilters in einen Strahl weißen Lichts hervorgerufen wird, wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 oder 5 beschrieben, kann die Farbänderung längs der Geraden A-B zu der relativen Verschiebung in Beziehung gesetzt werden, um ein Maß für dieselbe bereitzustellen.
Die Messung von zwei Verschiebungen entsprechend zwei verschiedenen Parametern kann gleichfalls unter Anwendung der vorstehenden Technik bewerkstelligt werden, wie in der beigefügten Fig. 22 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird eine "weiße" Lichtquelle benutzt, um eine Nullverschiebung darzustellen. "Smaragd" und "Rubin" stellen ein erstes und ein zweites, getrenntes Verschiebungsextrem zum Überwachen des ersten und zweiten Parameters dar. Wenn die "Smaragd"- Verschiebung Null ist, ist die "Rubin"-Verschiebung eine einfache, linear verwandte Anzeige der wahren Parameter-2- Bedingung. Wenn allerdings beide Parameter 1 und 2 nicht Null sind, dann könnte die beobachtete Farbe A sein (Koordinaten xA, yA) aus der durch gespeicherte Eichdaten die Werte der Parameter 1 und 2 einmalig bestimmt werden können.
Die vorstehende Technik läßt sich auch bei einem System anwenden, welches eine Vielzahl von Farbquellen hat. Wie in der beigefügten Fig. 23 gezeigt, erweitert das Einführen einer vierten Farbquelle (z. B. blau) die Reihe in eine neue Zone und führt damit zur Möglichkeit, zusätzliche Parameter gleichzeitig mit dem gleichen Meßsystem zu erfassen. Allerdings ist der Punkt A nicht mehr einmalig bestimmt, da Zugang zu ihm beispielsweise mit oder ohne blau möglich ist.
Um diese Doppeldeutigkeit zu überwinden, muß von der normalen Farbsichtdarstellung anhand von nur zwei Parametern (x, y) abgewichen und auch der z-Parameter mitberücksichtigt werden. Das ermöglicht es, die Doppeldeutigkeit in bezug auf A aufzulösen.
Die vorstehende Diskussion umreißt die Theorie, anhand der eine Bestimmung von "Farbe" vorgenommen und eine entsprechende numerische Darstellung festgelegt werden kann. Verschiedene praktische Einrichtungen zur Verwirklichung eines Farbdetektors, mit dem eine Messung von "Farbe" in Übereinstimmung mit der vorstehenden Theorie erzielt werden kann, werden nun beschrieben.
Zunächst ist unter Hinweis auf Fig. 24 ein Farbdetektor gezeigt, worin Licht mittels einer Faseroptik 90 ankommt, die beispielsweise von einer Lichtmoduliervorrichtung der beschriebenen und in einer der Fig. 1, 5, 8 oder 9 bis 17 dieser Anmeldung dargestellten Art führt. Das ankommende Licht von der Faser 90 wird an drei gefärbte Kugeln 91, 92, 93 angelegt, die sich jeweils vor einem entsprechenden Lichtdetektor 94, 95, 96, beispielsweise lichtempfindlichen Dioden befinden. Die gefärbten Kugeln haben jeweils unterschiedliche Farbdurchlaßcharakteristiken, die, kombiniert mit dem Ansprechen der Detektoren 94, 95 und 96, so gewählt sind, daß sie drei resultierende Farbabstimmungsfunktionen X, Y und Z bereitstellen, welche jeweils folgendem entsprechen:
X = P λ xλ d λ
Y = P λ yλ d λ
und Z = P λ zλ d λ
wie vorstehend definiert.
Die Funktion X + Y + Z wird berechnet, aus der die erforderlichen Funktionen
x = X/(X + Y + Z) und
y = Y/(X + Y + Z)
leicht in einer geeigneten analogen Schaltungsanordnung abgeleitet werden können. Der Punkt x, y auf der Farbtafel ist damit festgelegt, um eine numerische Darstellung der einfallenden Farbe bereitzustellen.
Im wesentlichen läßt sich die vorstehende Anordnung so betrachten, als ob sie eine analoge Integration der drei Farbabstimmungsfunktionen x λ, y λ, z λ durchführte. Da ein solcher Detektor "reale" Farbe mißt, kann er folglich zum Überwachen von Farbänderungen in einem Lichtstrahl aufgrund einer Modulation herangezogen werden, die sich aus einer Verschiebung von Sensoren der oben beschriebenen Art ergibt.
Das zeitliche Ansprechen des vorstehenden Detektors liegt in der Größenordnung von einigen us oder weniger. Er läßt sich mit sehr geringen Kosten, was die Hardware betrifft, herstellen und ist sehr kompakt. Die erforderlichen mathematischen Berechnungen sind minimal, und ein Mikroprozessor kann wahlweise benutzt werden, ist aber nicht essentiell.
Es sei darauf hingewiesen, daß solche Detektoren gleichzeitig die Verarbeitung von mehr als einem Signaleingang erledigen können, d. h. Farbänderungen, die sich aus Schwankungen von mehr als einem zu messenden Parameter ergeben. Deshalb könnte beispielsweise ein solcher Detektor benutzt werden, um einen automatischen Temperaturausgleich in einem Verschiebungswandler zu schaffen, indem beispielsweise der "Weiß-Smaragd"-Parameter temperaturempfindlich gemacht wird.
Der vorstehend beschriebene Detektor, der mit dreifacher Elementerfassung arbeitet, um die drei bei der herkömmlichen Analyse von Farbe verwendeten Detektoren zu simulieren, hat den Vorteil, daß nicht nur Intensitätsänderungen aufgrund der erhöhten Systemdämpfung eliminiert werden können, sondern auch Änderungen der spektralen Signatur aufgrund einer Systemalterung statt Sensormodulation identifiziert werden können. Das ist wiederum in Fig. 25 dargestellt, bei der es sich um eine vereinfachte Version von Fig. 19 handelt. Die Linie A-A entspricht einer Farbänderung aufgrund von Modulation, während die Linie B-B Farbänderungen entspricht, die systeminduziert sind. In diesem Fall geschieht der Ort des Ausgangs der Detektoren in zwei Dimensionen.
Eine dreifache Elementwahrnehmung ist allerdings nicht wesentlich, es ist auch ein Detektor mit nur zwei auf Licht ansprechenden Elementen möglich, wie in Fig. 26, 27 und 28 gezeigt. In Fig. 26 wird Licht von einer Faseroptik 100 an zwei gefärbte Kugeln 101, 102 angelegt, die sich jeweils vor einem entsprechenden, auf Licht ansprechenden Element 103, 104, beispielsweise lichtempfindlichen Dioden befinden. Es ist dafür gesorgt, daß das Ansprechvermögen im Hinblick auf die Wellenlänge des ersten Elements 103 sich von dem des zweiten Elements 104 unterscheidet. Aus den Signalen der beiden Elemente 103, 104 kann die spektrale Verteilung der auf den Detektor fallenden Strahlung ausgedrückt in zwei Parametern auf der Normfarbtafel (C.I.E.) berechnet werden. Die Parameter können dann interpretiert werden, um die Verschiebung des fraglichen Objektes zu bestimmen.
Dies ist in Fig. 27 und 28 dargestellt. Fig. 28 zeigt Beispiele von Empfindlichkeitskurven xλ und yλ des ersten und zweiten auf Licht ansprechenden Elements 103, 104 und die Signalamplitude P (λ).
Es ist dafür gesorgt, daß der Ausgang X des Elements 103 gegeben wird durch:
X = Ausgang des Elements 103 = λb/λa (P λ) x(λ) d λ
und es ist dafür gesorgt, daß der Ausgang Y des Elements 104 gegeben ist durch:
Y = Ausgang des Elements 104 = λb/λa (P λ) y(λ) d λ
Die Signalwerte X und Y werden dann in einer Recheneinheit 107 addiert und weiteren Recheneinheiten 105, 106 zugeleitet, die auch X und Y direkt empfangen. Diese Elemente 105, 106 berechnen dann die Funktionen:
Signal-Ausgang 105 = X/X + Y = Koordinate x
Signal-Ausgang 106 = Y/X + Y = Koordinate y
um die erforderlichen Werte für x und y auf der Normfarbtafel bereitzustellen.
Fig. 27 ist dem Diagramm der Fig. 25 gleichwertig, wenn nur eine Erfassung mit zwei Elementen gemacht wird. Die Linie C-C entspricht einer Farbänderung aufgrund von Modulation, d. h., daß die dominierende Farbe im erfaßten Signal auf dieser Linie liegt, deren Ort x + y = 1 ist. Durch Feststellen der Veränderung des Ausgangssignals längs der Linie C-C wird also eine Messung der Verlagerung der dominanten Wellenlänge vorgenommen, was durch Eichung die erforderliche Messung der Entfernung ergibt, um die sich das Modulierelement und damit das Objekt bewegt hat.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Systems mit Mehrfachdektoren beinhaltet das sequentielle statt parallele Abtasten des Signals (wie in Fig. 26 gezeigt). Zu einer praktischen Form gehört die sogenannte "Farbdiode", deren Ausgangssignal von neu entwickelter elektronischer Schaltungsanordnung weiterverarbeitet wird, um extrem hohe Empfindlichkeit und langfristige Stabilität zur Verfügung zu stellen.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung für eine Vielfalt von Anwendungsfällen angewandt werden kann, wo die Messung der Verschiebung direkt benutzt oder umgewandelt werden kann, um eine Messung eines anderen Parameters bereitzustellen. Beispiele liegen deshalb in der Messung reiner Verschiebung, von Druck, Temperatur, Strom, Spannung, Massenströmung, Flüssigkeitstiefe usw.
Ebenso wie die bereits aufgezählten Vorteile bietet die vorliegende Erfindung eine Anzahl attraktiver Möglichkeiten.
1.) Ein gemeinsames System kann für alle Messungen, wie die oben aufgezählten benutzt werden. Es ist lediglich nötig, die Art der Membran zu ändern, an der der Meßfühler befestigt ist, um den zu messenden Parameter zu ändern. Eine große Anzahl von Parametern kann gleichzeitig überwacht werden.
2.) Bei Systemen, bei denen die spektrale Information von einer natürlich auftretenden Lichtquelle sowieso erforderlich ist, ist das Übertragungs- und Verarbeitungssystem bereits vorhanden. Im Prinzip können Informationen von den chromatischen Modulatoren durch dies bereits bestehende System übertragen und weiterverarbeitet werden. Beispiele, wo solche Systeme attraktiv sind, schließen die Plasmaverarbeitung, Verbrennung (sowohl in großtechnischem Maßstab als auch Verbrennungskraftmaschine) und Energieschaltanlagen ein.
3.) Das Farbmeßsystem nutzt im Gegensatz zum Wellenlängenverhältnissystem die Strahlungssignalenergie wirksamer aus, wodurch die Empfindlichkeit, Genauigkeit und Faserübertragungslängen bedeutend verbessert werden und industrielle Anwendung, die große Entfernungen beinhaltet (viele Km), möglich wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Verschiebung eines beweglichen Objekts mit einer Farbnachweiseinrichtung (20), einer Lichtquelle (10), die geeignet ist, polychromatisches Licht längs eines Pfades zu der Farbnachweiseinrichtung (20) auszubreiten, und eine Strahlungsmoduliereinrichtung (16), die eine Änderung der Position des beweglichen Objektes in eine Änderung der Farbe des in die Farbnachweiseinrichtung (20) einfallenden, polychromatischen Lichts übersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbnachweiseinrichtung (20) mindestens zwei Farbrezeptoren (103, 104) einschließt, die entsprechende Empfindlichkeitscharakteristiken haben, so daß die Ausgangssignale (X, Y) der Rezeptoren X = λ P(λ) x(λ) d λ und Y = λ P(λ) yd λ, entsprechen, worin P λ die spektrale Energieverteilung bei der Wellenlänge λ ist und x(λ) und y(λ) Farbabstimmfunktionen sind, die den Empfindlichkeitscharakteristiken der Rezeptoren entsprechen, und worin die Farbnachweiseinrichtung die Farbe des in sie einfallenden Lichts,ausgedrückt als seine Koordinatenposition (x, y) in einer Normfarbtafel, identifiziert, um eine Quantifizierung einer Farbänderung an der Farbnachweiseinrichtung zu ermöglichen und damit eine Quantifizierung der Verschiebung des beweglichen Objektes, welches diese Farbänderung verursacht hat, indem entsprechende Änderungen der Koordinatenposition (x, y) festgestellt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der nur zwei der genannten Farbrezeptoren vorhanden sind und bei der zum Festlegen der Werte x und y in der Normfarbtafel, welche die Koordinatenposition bestimmen, die Farbnachweiseinrichtung Manipuliereinrichtungen einschließt, welche die Werte

x = X/X + Y bzw·y = Y/X + Y festlegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der jeder der Farbrezeptoren (103, 104) einen entsprechenden, gefärbten Filter (101, 102) einschließt, der eine andere Farbempfindlichkeitscharakteristik hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Farbnachweiseinrichtung drei der genannten einzelnen Farbrezeptoren (94, 95, 96) aufweist, die entsprechende Empfindlichkeitscharakteristiken haben, so daß die Ausgangssignale der Rezeptoren

X = P(λ) x(λ) d λ,

Y = P(λ) y(λ) d λ und

Z = P(λ) z(λ) d λ entsprechen,

worin P(λ) die spektrale Energieverteilung bei der Wellenlänge λ ist und x(λ), y(λ) und z(λ) Farbabstimmungsfunktionen sind, die den entsprechenden Empfindlichkeitscharakteristiken der drei gesonderten Farbrezeptoren entsprechen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, in der zum Festlegen der Werte x und y in der Normfarbtafel, welche die Koordinatenposition bestimmen, die Farbnachweiseinrichtung Manipuliereinrichtungen einschließt, welche die Werte

x = X/X+Y+Z bzw. Y/X+Y+Z festlegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei der jeder der Farbrezeptoren (94, 95, 96) einen entsprechenden, gefärbten Filter (94, 95, 96) einschließt, der eine andere Farbempfindlichkeitscharakteristik hat.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Strahlungsmoduliereinrichtung einen Lichtfilter aufweist, der geeignet ist, mit dem Objekt mechanisch zur Bewegung mit demselben gekoppelt zu werden, wodurch eine Bewegung des Filters mit dem Objekt eine Änderung des Ausmaßes verursacht, um das der Filter das von der Lichtquelle ausgebreitete Strahlungssignal abfängt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Filter Glas aufweist, welches mit einer keramischen Hochtemperaturglasur beschichtet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Strahlungsmoduliereinrichtung einen zweiten Filter einschließt, der in bezug auf das Objekt so anbringbar ist, daß Temperaturänderungen des Objektes den zweiten Filter bewegen, um das Ausmaß zu ändern, um das der zweite Filter das von der Lichtquelle ausgebreitete Strahlungssignal abfängt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Filter die Form einer gefärbten, durchsichtigen Kugel (16') hat, die nicht nur eine Modulierung der Strahlung, sondern auch eine Fokussierwirkung liefert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der der Filter eine Vielzahl der genannten gefärbten, durchsichtigen Kugeln (28) aufweist, die in einer langgestreckten Anordnung untergebracht sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Vielzahl Kugeln (28) in einer geraden Reihe angeordnet sind, wobei die Umfangsoberflächen einander benachbarter Kugeln in der Reihe in Punktberührung jeweils eine mit der nächsten stehen, so daß eine Verschiebung des Objektes eine Längsverschiebung der ganzen Kugelreihe in bezug auf den Pfad verursacht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der zum Feststellen einer Winkelverschiebung eines drehbaren Körpers die Vielzahl Kugeln (16') um einen kreisförmigen Pfad herum angeordnet sind, dessen Mitte auf der Drehachse des Körpers liegt, wobei die Umfangsoberflächen einander benachbarter Kugeln (16') in Punktberührung eine mit der nächsten stehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Vielzahl der genannten gefärbten, durchsichtigen Kugeln unterschiedlicher Spektraleigenschaften, die geeignet sind, in einer entsprechenden Vielzahl unterschiedlicher Richtungen in dem Pfad in Übereinstimmung mit einer entsprechenden Vielzahl von zu bestimmenden Verschiebungen bewegt zu werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Filter ein zylindrisches Element aufweist, welches gegenüber einfallender Strahlung mindestens teilweise transparent ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Farbabsorptionscharakteristik des zylindrischen Elements sich entlang der Länge des Elements ändert.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Filter ein zylindrisches Element (62) aufweist, welches einen gefärbten Teil (64) und einen transparenten Teil (66) hat, und bei dem der Übergang zwischen dem gefärbten und dem transparenten Teil an einer scharf definierten Kante (62) geschieht, die sich in bezug auf die Längsachse des Elements (62) schräg erstreckt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der der Filter ein transparentes, zylindrisches Element (62) aufweist, welches ein gefärbtes Pigment enthält, wobei die Dichte des gefärbten Pigments entlang der Länge des Elements abnimmt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Filter ein konisches Element (70) aufweist, welches für einfallende Strahlung mindestens teilweise transparent ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der das Durchlassen von Licht von der Quelle (10) zur Strahlungsmoduliereinrichtung (16) und von der Strahlungsmoduliereinrichtung (16) zum Detektor (20) mittels entsprechender Faseroptiken (14, 18) bewirkt wird, deren Enden durch einen Spalt voneinander getrennt sind, in welchem die Strahlungsmoduliereinrichtung (16) bewegbar ist.

21. Verfahren zum Bestimmen der Verschiebung eines beweglichen Objekts, bei dem ein polychromatischer Lichtstrahl auf eine Farbnachweiseinrichtung mit Hilfe einer Strahlungsmoduliereinrichtung gerichtet wird, die eine Änderung der Position des beweglichen Objekts in eine Änderung der Farbe des in die Farbnachweiseinrichtung einfallenden Lichts übersetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbe des in die Lichtnachweiseinrichtung einfallenden Lichts,ausgedrückt als dessen Koordinatenposition (x, y) in einer Normfarbtafel, identifiziert wird durch das Überwachen des einfallenden Lichts, wobei mindestens zwei Farbrezeptoren (103, 104) benutzt werden, die entsprechende Empfindlichkeitscharakteristiken haben, so daß die Ausgangssignale (X, Y) der Rezeptoren

X = λ P(λ) x(λ) d λ, Y = λ P(λ) y(λ) d λ entsprechen, wobei P(λ) die spektrale Energieverteilung bei der Wellenlänge λ ist und x(λ) und y(λ) Farbabstimmungsfunktionen sind, die den Empfindlichkeitscharakteristiken der Rezeptoren entsprechen, und eine Änderung der Position des beweglichen Objekts, ausgedrückt als erfaßte Änderung der Farbe des einfallenden Lichts, quantifiziert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem nur zwei der genannten Farbrezeptoren vorhanden sind und die Signale X und Y von diesen Rezeptoren manipuliert werden, damit die Werte x und y in der Normfarbtafel, die der einfallenden Farbe entsprechen, berechnet werden können, wobei

x = X/X + Y bzw. y = Y/X + Y benutzt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem drei der genannten Farbrezeptoren vorhanden sind und die Signale X, Y und Z von diesen Rezeptoren manipuliert werden, damit die Werte x und y in der Normfarbtafel, die der einfallenden Farbe entsprechen, berechnet werden können, wobei

x = X/X + Y + Z bzw. y = Y/X + Y + Z benutzt wird.