JPH0634018B2

JPH0634018B2 - 無接触な運動測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH0634018B2
Application number: JP59501379A
Authority: JP
Inventors: ダウスマン，ギユンタ−
Original assignee: ダウスマン，ギユンタ−
Priority date: 1982-09-21
Filing date: 1984-03-21
Publication date: 1994-05-02
Anticipated expiration: 2009-05-02
Also published as: EP0178298A1; DE3234948C2; ATE46972T1; WO1985004257A1; JPS61501721A; DE3234948A1; EP0178298B1; DE3480027D1; US4730929A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、物体の走査可能なパターンに対する相対運動
の無接触測定方法に関する。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１４４８４８８号公報
から、運動体の幅を無接触に測定することができるこの
形式の方法が公知である。物体に固定されている案内曲
線は、被検体が静止している場合、一方において測定す
べき被検体の一方の寸法より大きく、他方において被検
体の別の寸法より小さい直径を有する、被検体表面に沿
った円形の走査軌道が生じるように選定されている円に
よって形成される。従って被検体は、２つの走査パルス
を形成するために、２つの円弧部分に沿って走査され、
上記走査パルスのパルス長はその都度の円弧部分に対応
する走査時間に相応する。２つの円弧部分の走査時間の
平均値形成後三角法を用いた計算によって所望の被検体
の大きさが計算される。相互に離れている２つの円に沿
った２回の走査を行なうこともできる（第２図）。１つ
または複数の走査軌道を発生するために回転鏡が使用さ
れる。この公知の方法は方向の測定のためにも、進行距
離の測定のためにも適していない。

米国特許出願公開第３０５９５２１号公報から、２つの
走査ヘッドが地面に平行な面内で回転する回転板に取付
けられており、航空機が大地に対して進行方向にＶの速
度で飛行し、回転板の周速がＶ_０であるとき、走査ヘッ
ドが航空機の移動方向にほぼ平行に動く場合走査ヘッド
は航空機の大地速度Ｖと周速度Ｖ_０との和Ｖ＋Ｖ_０に等
しい進行速度を有し、走査ヘッドは同時にＶ−Ｖ_０の速
度をとり、従って２つの格子が大地速度に比例する周波
数を発生させるようにした無接触測定方法が公知であ
る。すなわち走査ヘッドは走査信号の相応の変調のため
に、光路中に格子を有している。２つの走査ヘッドの走
査信号の測定された変調周波数から相対速度並びに高度
が求められる。すなわち走査軌道はそれぞれの格子によ
って決められる。

本発明の課題は、物体とパターンとの間の相対運動を検
出することができるようにした、冒頭に述べた形式の方
法を提供することである。

この課題は請求の範囲第１項および第４項に記載の構成
要件によって解決される。

本発明の方法は、走査路に沿った走査パターンの走査の
際物体およびパターンの相対運動と物体において決めら
れた案内曲線に沿った走査運動との重畳として、連続す
る走査パルス間の時間間隔が半径方向ビームと物体およ
びパターンの相対運動方向との間の角度に前以って決め
られた方法で依存している特有の走査信号が生じるとい
う認識に基いている。案内曲線が円形である場合は、該
案内曲線に沿った走査ビームの瞬時の運動方向が相対運
動方向に対して平行に延在することを意味するのだが、
この絶対角度が例えば９０゜であるとき、走査路が瞬時
的に相対運動方向に反対または相対運動方向において走
査されるか次第で特別迅速ないし特別緩慢に連続する走
査パルスを有する走査信号が得られる。密度信号はこの
場合最大値または最小値をとる。絶対角度が０゜の場
合、部分円または全円に沿った走査ビームの同形の運動
において実質的に正弦波状の密度信号の転換点が相応す
る、密度信号の中位の値が生じる。結果的に密度信号
の、案内角度関数に対する位相値から直ちに、以下運動
方向角度と称される、物体において決められた基準方向
と物体に対して相対的なパターンの運動方向との間の求
める角度が検出される。

運動方向角度は簡単な方法で直接、密度信号の転換点並
びにこの転換点に対応する案内角度を求めることによっ
て検出される。この場合絶対角度は０゜であるので、求
める運動方向角度は案内角度と一致している。

本発明の方法は、周期的なパターン（例えば点パター
ン）に対しても統計学的に分布しているパターンストラ
クチャ要素を有するパターンに対しても適している。後
者の場合、密度信号の形成の際走査時間接続時間に比較
して小さな平均時間間隔にわたって時間間隔値の平均化
を行なって、正弦波形に一層よく近似し、従って一層良
好に引続き処理可能である密度信号波形を得るようにす
れば有利である。

物体に対するパターンの運動方向の極性は、密度信号の
転換点に密度信号最小値または密度信号最大値が続くか
どうを検出することによって簡単に求められる。前者の
場合パターンは物体に対して相対的に、案内曲線に沿っ
て走査ビームと同じ方向に、即ち物体に対して相対的に
運動する。

本発明によれば公知または上述の方法で求められた運動
方向においてパターンが物体に対して相対的に進んだ距
離は請求の範囲第４項に記載の構成によって簡単に求め
られる。

進んだ距離に対してかなり正確な結果に対する前提条件
は、パターンストラクチャ要素の分布が案内曲線部分の
長さに関してかなり一定であることである。従って周期
的なパターンの方がより正確な結果を来すとしても、相
応に統計学的に分布されたパターンストラクチャ要素を
有するパターンも距離測定のために用いることができ
る。周期的なパターンの場合２つの案内曲線部分は、物
体に対するパターンの運動の方向に対して平行な直線の
曲線部分によっても形成することができる。

周期的なパターンの場合の方法は、２つの案内曲線部分
を、合わせて１つの円を形成する半円弧によって形成す
るとき、装置技術的に特別簡単に実現され、その際円弧
の端部を結ぶ直径はパターンの、物体に対する運動方向
に対して実質的に平行である。

多かれ少なかれ一様に分布しているパターンストラクチ
ャ要素を有するパターンの場合、２つの案内曲線部分を
円弧端部を接続する直径を相応に整定した実質的に一致
する半円弧によって形成すると、測定誤差は著しく低減
される。走査ビームの、半円弧に沿った戻り路において
この走査ビームは、物体の相対運動の、案内曲線に沿っ
た走査ビームの運動速度の比に相応して、往路の走査軌
道部分とはほんの僅かかまたは多少異なっている、パタ
ーン上の走査軌道部分を走査する。

半円弧に沿った走査による距離測定に対する前提条件
は、円弧端部を結ぶ直径がパターンの、物体に対する運
動方向に対して平行であることである。パターンおよび
物体の相対運動の方向が予め決められて一定である場合
何の困難も生じない。相対運動方向が変化する場合その
都度瞬時の方向は例えば冒頭に述べた方法によって測定
することができ、その場合これに基いて半円弧を相応に
整定することができる。例えば半円弧を決めるために絞
り半部が使用されるとき、瞬時の運動方向に相応して半
円弧の空間位置を追従制御しなければならない。

本発明の実施例において機械要素のこの形式の追従制御
は不要である。このことは、閉じた、有利には円形の案
内曲線に沿って反対方向に走査を実施し、かつこれによ
り得られた２つの走査信号からその都度密度信号を導出
しかつその位相値を規定し、かつ密度信号の１つにおい
て密度信号最大値より時間的に前および後に位置する２
つの密度信号転換点並びにこれら転換点の間の走査パル
スの数を求めかつ別の密度信号において密度信号最小値
より時間的に前および後に位置する２つの密度信号転換
点並びにこれら転換点の間の走査パルスの数を求めるこ
とによって実現される。これによればパターンは２回走
査され、その際同一の円形の案内曲線に沿ってパターン
が２度走査されるが、走査方向は反対である。２つの走
査信号から２つの密度信号が導出されかつ一方の密度信
号において密度信号最大値を含んでいる正弦波状波形の
半周期が検出されかつ他方の密度信号において最小値を
含んでいる半周期が検出される。ここでも２つの半周期
に一致する半円弧部分が相応し、その際円弧端部を結ぶ
直径は、パターンの、物体に対する運動方向に対して平
行である。従って一方の半周期もしくは他方の半周期の
期間に発生する走査信号の数から、パターンが物体に対
して進んだ距離が求められる。

パターンが、相応に構成された変換器によって走査する
ことができる時期、静電または放射性のパターン要素を
含むようにすることが考えられる。パターンを光学的に
走査するとき、本発明の方法は特に簡単に実施される。

本発明は更に、その絞りが画像部分の相応の遮光によっ
て走査ビームを固定する、少なくとも１つの走査光学装
置の光路にある少なくとも１つの回転する孔絞りが設け
られている、これまで述べた方法を実施するための、物
体の、走査可能なパターンに対する相対運動の無接触測
定装置に関する。

論文Ｒ．アルツトおよびＨ．リンゲルハーン著“オプテ
イツシエ・センゾーレン・ツーア・ベリユールングスロ
ーゼン・ウント・シユルプフフライエン・ヴエークー・
ウント・ゲシユヴインデイヒカイツメツソング・アン・
ランドフアールツオイゲン”雑誌フアイヴエルクテヒニ
ーク、ウント・メステヒニーク１９７８年、第２冊、第
６９頁ないし第７１頁から確かに、この形式の装置にお
いて走査光学装置の光路に回転素子を配設すること自体
は公知である（第１０図）。しかしここで扱われている
のは走査ビームを周期的に遮断する回転するプリズム格
子デイスクであり、その際走査ビームは、走査ビームが
絞りによつて物体に対して相対的である回転運動に変換
される本発明に比して、回転するプリズムデイスクを支
持する物体に対して場所固定的に延在する。

本発明によれば走査光学装置の画像側の焦点に、有利に
はホト素子とともに形成することができる光センサを設
けることによつて光学的に特別簡単な構成が生じる。ホ
ト素子のホト電流は、相応の増幅後直接走査信号を発生
する。

殊に統計学的に分布されたパターンストラクチャ要素を
有するパターンにおいて、パターンを方向測定および／
または距離測定のために一致する曲線軌道部分に沿つて
走査すると有利である。このために本発明によれば、走
査光学装置の光軸に対して傾斜している半透明の鏡とこ
の鏡に隣接して平行に配設されている、この走査光学装
置または別の走査光学装置の光路における全反射する鏡
とを有する、画像２倍拡大装置が設けられる。

同じ半円弧形状の走査軌道部分を得るために、それぞれ
回転する孔絞りおよびこの孔絞りを半分覆う不透明な絞
り半部を、半透明な鏡とそれに配属された光センサとの
間の光路および全反射する鏡とそれに配属された光セン
サとの間の光路に設け、かつ光絞りを反対の回転方向に
回転させかつ２つの走査ビームを固定し、該走査ビーム
が物体に対して静止しているパターンにおいて実質的に
同一の半円弧形状の走査軌道部を走査することが提案さ
れる。この場合、２つの孔絞りに配属された１つの光セ
ンサを使用すれば十分である。２つの孔絞りに同様１つ
の走査光学装置だけを配属させるようにすれば光学上の
構造は簡略化される。

パターンを、実質的に同一の全円に沿つて走査するため
に本発明によれば、それぞれ１つの回転する孔絞りが半
透明の鏡と第１の光センサとの光路および全反射する鏡
と第２の光センサとの間の光路に設けられておりかつ孔
絞りは反対方向に回転しかつ物体に対して静止している
パターンではパターン上において実質的に同一の全円を
走査する２つの走査ビームを固定するようになつてい
る。このようにして得られた２つの走査信号から、相応
に前に述べられた方法にしたがつて２つの密度信号が導
出されかつ密度信号の相応の半周期の期間中発生する走
査信号の数が求められかつそこから商形成によつてそこ
から距離が導き出される。

求められた距離の相応の時間微分によつて、パターン
の、物体に対する相対運動速度が困難なく導出される。

本発明を以下多数の実施例において図面に基いて説明す
る。その際第１図は、無接触の運動測定のための本発明の装置の第
１の実施例の概略図であり、第２図は、第１図の装置の孔絞りの下方におけるパター
ンの平面図であり、第３図は、第１図の装置のホト素子によつて発生される
走査信号であり、第４図は、走査信号から導出される密度信号であり、第５図は、案内角度関数であり、第６図は、第２図に類似した孔絞りの下方における周期
的なパターンの平面図であり、第６Ａ図は、第６図に示すパターンの走査の際生じる密
度信号であり、第７図は、本発明の装置の第２実施例であり、第８図は、第７図の装置の回転する絞りの平面図であり
（第７図における矢印VIII）、第８Ａ図は、第７図の装置によつて発生される、静止し
たパターンにおける走査軌道曲線であり、第９図は、本発明の装置の別の装置であり、かつ第９Ａ図は、第９図に示す装置によつて、静止したパタ
ーンにおいて発生される走査曲線軌道であり、第９Ｂ図は、第９図に示す装置を用いた走査の際生じる
２つの密度信号である。

第１図に略示されている、無接触の運動測定装置１０を
用いて、後に詳しく説明するように、簡単な構成の手段
によつて迅速かつ確実に、第１図の下側に図示されてい
るパターン１２の、装置１０を支持しており、破線で輪
郭全体を示している物体１４に対する相対的な運動が測
定される。第１図において物体１４は静止しているもの
と仮定されている。しかし物体は物体の方がパターン１
２に対して運動するものであつてもよい。というのは本
発明によれば相対運動、殊にパターン１２の、物体１４
に対する相対速度Ｖの方向、並びに相対変位距離Ｓが測
定されるからである。パターン１２の、物体１４に対す
る運動方向は例えば、物体に固定された基準系において
第２図に図示の、速度ベクトルＶの方向と物体に対して
固定された基準方向１６との間の角度αによつて検出す
ることができる。この角度αは本発明によれば迅速かつ
簡単に求めることができ、さらに運動方向の正負の極
性、その他に物体１４がパターン１２に対して相対的に
進んだ距離、ひいては運動速度Ｖの値も求めることがで
きる。

このために装置１０は、第１図にブロツクダイヤグラム
の形で図示した評価回路１８の他に、回転する孔絞り２
０、第１図に集束レンズによつて象徴的に示す焦点距離
ｆ′を有する結像光学系２２並びにこの結像光学系２２
の焦点にあるホト素子２４だけを必要とする。

孔絞り２０は、結像光学系の光軸１５と一致する、孔絞
り２０の回転軸から間隔γを有する絞りの孔３０を備え
ている。したがつて孔３０は孔絞り２０の回転の際（第
２図においては時計の針の進む方向において）角速度ω
によつて物体に固定された基準系において半径ｒを有す
る円４８を描く。円の中心４８ａから出発して、孔の中
心と交差する半径方向ビーム５０は、基準方向１６に対
して角度βを成す。半径方向ビーム５０と速度Ｖの方と
の間の角度は第２図にはγで示されている。第２図の瞬
時の絞り位置において、角度αの値は角度βおよびγの
値の和から生じる。

結像光学系２２は、孔絞り２０の孔３０によつてその都
度切り取られる、パターン１２の領域（パターン部分）
をホト素子２４上に結像する。パターン１２は、統計的
に分布された不規則に配置されたストライプ12aから成
つており、ストライプは、それらが一層明るいかまたは
暗いかによつて背景から際立つている。パターン１２
は、例えばドツトパターンのような、別の形式の不規則
なパターンとすることもできる。条件は、パターン１２
が円４８によつて規定される部分において、個々のパタ
ーンストラクチヤ要素（ここではストライプ１２ａ）の
間隔に関してある程度一様に平面上に分布されていると
いうことだけである。

物体１４に対して停止しているパターン１２であつて、
角速度ωによつて回転する孔絞り２０において、パター
ン１２上に円形の走査軌道が生じる。したがつて順次に
走査軌道によつて捕捉されるパターンストラクチヤ要素
（この場合ストライプ１２ａ）が走査される。ホト素子
２４は続いて、場合に応じて、相応の増幅およびパルス
整形段の通過の後走査信号ｆを発生し、一連の個別パル
スから、個別に走査されたパターンストラクチヤ要素に
相応する走査パルスを発生する。時間間隔△ｔは、パタ
ーン分布の循環の間統計学的にしたがつて変化する。

ところでパターン１２が物体１４に対して速度ベクトル
ｖの方向において運動すると、走査信号ｆの相応の変調
が生じる。というのは今やパターン１２上における走査
軌道はサイクロイド形状であるからである。その際周速
度の値ω・ｒは常時、速度ｖの値より大きく選択されて
いる。第２図において物体に固定された基準系において
絞り２０の孔３０、したがつて孔３０によつて規定され
る走査ビーム３１の４つの瞬時の走査位置がＡ，Ｂ，Ｃ
およびＤで示されており、これらは速度ｖの方向に対し
て０゜ないし９０゜ないし１８０゜ないし２７０゜の角
度γを成している。点ＡおよびＣにおいて孔３０、すな
わち走査ビーム３１の瞬時の運動方向は、物体に固定さ
れた円４８に沿つて方向ｖに対して垂直に延在する。一
方点ＢおよびＤにおいて走査ビームは円４８に沿つて、
物体１４に対するパターン１２と同じ方向もしくは反対
の方向において運動する。走査ビームの点Ｄにおいて単
位時間当り、走査ビームおよびパターンの反対方向の運
動に基いて、走査ビームがたとえ比較的大きな速度であ
ろうとも、物体１４に対してパターン１２と同じ方向に
おいて移動する点Ｂにおけるよりも著しく多くのパター
ンストラクチヤ要素が走査される。したがつて、このこ
とは第３図に略示されているように、角周波数ωに相応
して変調された、連続するパルスの時間間隔の逆数1/Δ
ｔを有する走査信号が得られる。上下に並べて示されて
いる第３図、第４図および第５図は、同一の時間目盛を
有する。第４図に図示の点ＢおよびＤにおいて、連続す
る走査パルスｆ_ｉの時間間隔の逆数ｇ_ｉは最小ないし最
大である。第４図によれば、連続する等間隔の時点
ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３等…において丁度終了したインターバ
ル内の連続するパルスの平均時間間隔の逆数を記入しか
つこれらの点ｇ_１，ｇ_２，ｇ_３等…を結ぶと、第４図に
おいてｇで示す曲線が得られる。この曲線は以下“密度
信号”と称する。この密度信号は実質的に、パターンス
トラクチヤ要素の統計学的な位置分布に基いた統計学的
な変動が重畳されている正弦波状曲線に従つている。こ
の正弦波状の変調成分の最小値は点Ｂにあり、最大値は
点Ｄにありかつ転換点は点ＣおよびＡにある。必要の場
合には、統計学的に変動する信号から引続く処理のため
に変調成分を取り出すことができる。

第５図において基準方向と走査ビームを通つて導かれる
半径方向ビーム５０との間の角度βの時間経過が示され
ている。一定の角周波数ωに基いて、３角形の階段経過
が生じる。そこで、基準方向１６と速度ｖの方向との間
の得ようとする運動方向の角度を求めるために単に、密
度信号ｇの、案内角度関数ｈとして表わされている、第
５図の曲線に対する位相偏移を求めることができる。第
２図から、第２図の位置Ａに相応する、密度信号ｇの転
換点の一方を形成する時点Ａが、得ようとする角度αが
角度βと等しい点であることが明らかである。第５図に
よればβはこの時点において例えば４５゜である。パタ
ーン１２はそれから物体に固定された基準方向１６に対
して４５゜の角度において物体１４に向かつて移動す
る。

角度αを規定するために勿論密度信号ｇの正弦波形の極
大値を用いることもでき、その際その場合は相応の角度
βから９０゜ないし２７０゜が取り出される。

方向の規定を行なうことができる評価回路１８は、走査
信号ｆを発生しかつさらに必要に応じてホト素子２４か
ら送出される電気信号を増幅しかつパルス整形を行なう
ブロツク５２を有している。それに、走査信号ｆから第
４図の密度信号ｇを導き出すブロック５４が続く。引続
くブロツク５６において密度信号ｇの位相位置が、例え
ば密度関数ｇの正弦波形の転換点ＡおよびＣを求めるこ
とによつて、規定される。線５９を介してモータ３２か
ら絞り２０のその都度の瞬時の回転位置に関する情報が
得られるブロツク６０は、第５図の案内角度関数ｈを形
成する。ブロツク５８は、例えば一致回路を用いて、い
ずれの瞬時角度βが一方または他方の転換点ＡないしＣ
に相応するかを確定する。それからこの角度は得ようと
する運動の方向角度αである。

第２図および第４図においてさらに、アルフアベツト
ａ，ｂ，ｃおよびｄによつて、走査ビーム３１が順番に
基準方向１６とともに０゜、９０゜、１８０゜ないし２
７０゜の角度βを形成する瞬間が示されるように書き加
えることができる。

第６図において、互いに平行に周期的に配列されたスト
ライプ１２ａ′から成るストライプパターン１２′が図
示されている。ストライプのストライプ幅およびストラ
イプ間間隔は実質的に一定である。第１図ないし第５図
に図示のこのストライプパターンが回転する孔絞りによ
つて走査される場合、次のような方法で簡単かつ迅速に
かつ僅かな装置コストで、パターン１２′が物体に対し
てその都度進んだ距離を求めることができる。孔３０が
円４８に沿つて位置Ｃから再び位置Ｃに運動する際に走
査ビームはストライプパターン上に、第６図に一点鎖線
で示す走査軌道４９を描く。物体に固定された基準系に
おける点Ａに相応する、走査軌道の点Ａ′は、半周期の
間パターンが物体に対して進んだ距離Ｓだけ点Ａに対し
て外側へずれている。これに相応して走査ビームは、２
ｒ＋Ｓに比例する、Ｍ個のストライプ１２ａ′を走査す
る。次の半周期の終了時には走査ビームは、物体に固定
された円４８の点Ｃに相応する、走査軌道４９の点Ｃ′
に達する。この半周期の期間中走査されるストライプ１
２ａ′の数Ｎは、Ａ′およびＣ′の位置間隔、したがつ
て値２ｒ−Ｓに相応する。このことから半周期内にパタ
ーンが物体に対して進んだ距離Ｓが次のように生じる：したがつて距離測定のために、走査信号ｆを検出しかつ
走査ビームが、速度ｖに対して平行な円の直径（点Ａお
よびＣ）を２回通過する間順次発生する走査パルスの数
ＭおよびＮを確定する必要があるだけである。基準方向
１６を、この場合もストライプ１２ａ′の方向に対して
垂直に延在する方向ｖに対して平行に設定すれば、点Ａ
およびＣに０゜および１８０゜の角度βが相応する。

ストライプ長手方向と速度ｖとの間の角度が９０゜相異
している場合、sin△に比例する距離Ｓ′が計算される
ことは明らかであり、その際△は、ストライプ長手方向
と運動方向ｖとの間の角度である。

第１図ないし第５図に基いて先に説明した方法に相応し
て、第６図に図示の線的に周期的なストライプパターン
においても物体に固定された基準方向と運動方向ｖとの
間の角度が確定される。しかしこの場合走査信号ｆから
導出される密度信号ｇは次の式：Ｃ_１・sin（ω＋Ｃ_２）＋Ｃ_３（第４図によれば）とは相異している。というのはこの式にはさらに次の関
数Ｃ_４・｜sin（ωｔ＋Ｃ_２）｜が重畳されているからである。この成分が運動に規定さ
れて、第４図に示す正弦波状成分と重畳されると例えば
第６Ａ図に示す形状の密度信号ｇが生じ、その際破線に
より停止したパターンにおいて既に生じる信号成分が図
示されている。２つの半周期部分曲線Ａ−ＣおよびＣ−
Ａの最大値の位置は点ＢおよびＤに精確に相応し、その
結果この最大値は有利には方向角度αを規定するために
用いることができる。しかし点ＡおよびＣを使用するこ
ともできる。

パターンが物体に対して進んだ距離の、先に説明した形
式の測定は、例えば第２図に示すように、平面上に統計
学的に一様に分布されたパターンストラクチヤ要素を有
するパターンにおいても実施される。走査ビームが点Ｃ
から点Ａへ運動する際走査されるパターンストラクチヤ
要素の数は、第６図に示す相応の軌道曲線部分Ｃ−Ａ′
の長さに比例している。この軌道曲線部分の長さは、ｒ
より小さい距離Ｓの場合近似的に２ｒ＋Ｓに比例する。
これに相応して走査軌道の円弧部分Ａ′−Ｃ′の長さは
2r−Ｓに比例し、その結果半周期の期間中進んだ距離Ｓ
に対してストライプパターンに対する場合と同じ表現が
得られる。

第７図および第８図において、統計学的に分布されたパ
ターンストラクチヤ要素を有するパターンにおいて距離
検出のために定められている、本発明の装置の実施例が
１１０で示されている。第１図の場合と類似して装置１
１０は、集束レンズ１２２によつて象徴的に示されてい
る、焦点距離ｆ′の走査光学装置から成つており、その
画像側の焦点にはホト素子１２４が配設されている。パ
ターン１２と走査光学装置との間に、画像２倍拡大装置
が設けられている。この装置は、光軸１１４に対して傾
いている半透明の鏡１６０およびこの鏡の隣りに、それ
と平行に配設されている全反射する鏡１６２から成る。
２つの鏡１６０の上側の縁１６２ａおよび鏡１６２の下
側の縁１６２ａは上下に位置しかつ光軸１１４に対して
適正な角度を成している。したがつて第７図において右
側の半透明の鏡160 の下方に位置する、パターン１２の
部分は、一方において鏡１６０を通して直接上方に位置
する回転する走査デイスク１２０ａによつて走査するこ
とができ、他方において鏡１６０および１６２に２回反
射して鏡１６２の上方に配設されている、第２の孔絞り
１２０ｂによつて走査することができる。孔絞り１２０
ａはモータ１３２ａによつて運動され、その際回転軸線
は鏡１６０の上方のほぼ中央に配置されておりかつ光軸
１１４に対して平行に間隔をおいて延在している。しか
し第１図、第７図において、光軸１１４の左側に同じ間
隔をおいて、デイスク１２０ｂを駆動するモータ１３２
ｂの回転軸線が延在している。第８図の平面図が示すよ
うに、２つの孔絞り１２０ａおよび１２０ｂは反対方向
に、しかも同じ周波数ωによつて回転する。それぞれの
孔１３０と回転軸線との間隔ｒは、両方の場合において
同じである。２つの孔絞りのそれぞれ同じ半部（第７図
および第８図において左側の半部）は、例えばそれぞれ
の孔絞りと光センサ１２４の間に位置する絞り半部１７
０ａないし１７０ｂによつてカバーされる。それぞれ右
側の縁１７２ａないし１７２ｂはそれぞれの孔絞り回転
軸線と交差しかつ両方の縁部は互いに平行に水平平面内
に位置する。

２つの孔絞り１２０ａ，１２０ｂは、孔１３０ａないし
１３０ｂがその都度同時に、たとえ反対方向であろうと
も、縁部１２７ａないし１２７ｂ上を通過するように相
互に同期をとつて駆動される。したがつてホト素子１２
４は、２つの孔絞りの同期された回転運動の半周期の期
間中、例えば孔１３０ａを介して貫通通過した、パター
ン１２から派生する光を受信しかつ引続く半周期の期間
中別の孔１３０ｂを通つてくる光を受信する。装置１１
０に対して相対的に停止しているパターンにおいて、パ
ターン１２上の次のような走査軌道１４９が生じる。す
なわち走査ビームが終点で方向転換して一方および他方
の方向において走行する半円弧によつて形成される。

第８Ａ図には、第２図ないし第５図に図示の物体に固定
された点Ａ，Ｂ，Ｃに相応する軌道点Ａ′，Ｂ′および
Ｃ′が図示されている。同じく点Ｄ′も図示されている
が、これは走査曲線４８を半円になるように相応に折り
畳んだ場合の第２図の点Ｄに相応する。その際パターン
１２が、点Ａ′およびＣ′を結ぶ直径１５０に対して平
行である矢印ｖの方向において装置１１０に対して相対
的に運動した場合、第３図に類似した走査信号およびこ
れに相応して第４図に類似した密度信号が得られる。そ
こで距離検出のためには、走査ビームが軌道曲線Ａ′，
Ｂ′，Ｃ′に沿つて運動する期間中走査パルスの数Ｎを
求めかつ引続いて軌道部分Ｃ′，Ｄ′，Ａ′に沿つた走
査パルスの数Ｍを求めさえすればよい。さらに装置１１
０の下方においてパターン１２は引続き移動するので、
軌道部分Ａ′，Ｂ′，Ｃ′はもはや次回の軌道部分とは
一致しない。しかし２つの走査軌道部分は相対的に密接
に近傍にまとまつて位置しており、その結果パターンス
トラクチヤ要素の分布密度の局所的な変動が原因で生じ
る測定誤差は依然として相対的に小さい。しかし第６図
に相応する全円走査の際には２つの円弧は、互いに相反
的に位置する。すなわちそれらは場合によつてはパター
ンストラクチヤ分布密度が場合によつては互いに著しく
相異している領域に位置する。

装置１１０を用いて距離測定するための上述の方法にお
いては、第８図の直径１５０が速度ｖの方向と平行であ
ることが前提となつている。すなわちこのことに相応し
て２つの絞り半部１７０ａおよび１７０ｂの右側の縁部
１７２ａおよび１７２ｂは、速度方向に対して平行に位
置する。方向ｖが変化する場合絞り半部１７０ａはこれ
に相応して追従配向されなければならず、その際場合に
応じてまず第３図ないし第５図に基いて既に説明した方
法に従つた方向規定が行なわれる。このためにホト素子
１２４から送出される走査信号を使用することができ
る。

第９図に図示の、２１０によつて示されている本発明の
運動測定装置によれば、絞り半部の上記の、配向の機械
的な追従制御が不要になる。この装置も、像を２倍に拡
大するための半透明の鏡２６０並びに全反射する鏡２６
２を、これら２つの鏡の上方に配設されているそれぞれ
別個に回転する孔絞り２２０ａないし２２０ｂ同様に有
している。しかしこれら両方の２倍拡大画像のそれぞれ
に、固有の走査光学装置２２２ａおよび２２２ｂが相応
配設されており、これら光学装置のそれぞれの画像側の
焦点にこの場合も、固有のホト素子２２４ａないし２２
４ｂが配設されている。ここでも２つの孔絞り２２０ａ
および２２０ｂは、同じ周波数で反対方向に回転する。
すなわち２つの絞りの孔２３０ａないし２３０ｂの軸と
の間隔はそれぞれｒである。第９Ａ図に図示のようにパ
ターン１２が静止している場合、相互に一致するが、反
対方向に描かれる円の形状の２つの走査軌道曲線２４９
ａおよび２４９ｂが生じる。

２つのホト素子２２４ａおよび２２４ｂはそれぞれ走査
信号ｆ_aおよびｆ_bを発生し、それらかつそれぞれ別個に
第９図に図示のブロツク２８０ａおよび２８０ｂにおい
て密度信号ｇ_aないしｇ_bが導出される。これに基いて密
度信号の１つ、例えば密度信号ｇ_aにおいて、間隔Ｃ−
Ａが規定されかつこの間隔における走査パルスの数Ｍ_a
が求められる。このことに相応して、密度信号ｇ_bに対
して間隔Ａ−Ｃが規定されかつこの間隔の間に生じる走
査パルスの数Ｎ_bが求められる。このことはブロツク２
８２ａおよび２８２ｂによつて象徴的に示されている。
次のステツプにおいて（ブロツク２８４）、Ｓが図示の
式にしたがつて計算される。

パターン１２の、物体に対して相対的な速度ｖの値を検
出しようとする場合は、上述の方法で求められた変位距
離Ｓの導関数を形成しさえすればよい。

上述の本発明の方法によつて、任意に、周期的または周
期的でないパターンに対して、物体に固定された基準方
向との関連において相対運動の方向が検出されるが、そ
のために少なくとも１つの走査ビームが湾曲した、物体
に固定された案内曲線に沿つて運動され、生じた走査信
号が密度信号に変換されかつ密度信号の位相位置が、案
内曲線に沿つた走査ビーム運動に関連して検出される。
案内曲線によつてカバーされる角度領域は、３６０゜ま
たは１８０゜或いはそれ以下とすることができる。例え
ば方向変動が比較的狭い角度領域においてしか期待され
なければ、案内軌道曲線部分は、僅かばかり大きな角度
領域を上回るようにすれば十分である。しかしこの角度
領域は、密度信号の位相位置を、例えば密度信号の１次
または高次導関数の位置を検出することによつて規定す
ることができるような大きさでなければならない。

本発明の距離検出においては、１つないし複数の走査ビ
ームがその都度案内軌道の部分に沿つて走行する際常時
パターンとともに走行するかもしくはパターンとは反対
に走行するかを考慮しさえすればよい。案内軌道は直線
または湾曲状とすることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パターンのその都度走査されるパターンス
トラクチャ要素に相応する走査パルス列から走査信号を
発生するためにパターンの走査を物体とともに運動する
装置を用いて行ない、該装置は物体がパターンに対して
相対的に停止しているとしたとき、パターンを物体にお
いて決められた案内曲線に相当する走査軌道に沿って案
内角度関数に従って走査し、その結果物体がパターンに
対して相対的に運動するとき、前記装置は前記案内曲線
に沿った走査運動と前記パターンおよび前記物体の相対
運動との重畳としての走査軌道が生じるようにして走査
し、更に前記走査信号から密度信号を導出し、該密度信号は
その時点の走査パルスとそれに直接先行する走査パルス
との時間間隔Δｔの逆数の時間経過を表わし、かつ前記物体において決められた基準方向とパターンの、物
体に対する相対運動の方向との間の角度に対応する、前
記密度信号の位相値を前記案内角度関数を用いて求める
ことを特徴とする走査されるパターンに対する物体の相
対運動の無接触な測定方法。
【請求項２】角度を測定するために密度信号の転換点を
求める請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項３】方向を定めるために転換点に密度信号最小
値が続くかまたは最大値が続くかを検出する請求の範囲
第１項または第２項記載の方法。
【請求項４】パターンのその都度走査されるパターンス
トラクチャ要素に相応する走査パルス列から走査信号を
発生するためにパターンの走査を物体とともに運動する
装置を用いて行ない、該装置は物体がパターンに対して
相対的に停止しているとしたとき、パターンを案内曲線
の２つの案内曲線部分に沿って案内角度関数に従って一
方の運動方向においてまたそれとは逆の運動方向におい
て走査し、その結果物体がパターンに対して相対的に運
動するとき前記案内曲線に沿った走査運動と前記パター
ンおよび前記物体の相対運動との重畳としての走査軌道
が生じるようにして走査し、かつ前記２つの案内曲線部分に沿った走査ビームの運動の期
間中その都度生じる、走査信号の走査パルスの数（Ｍ，
Ｎ）を求めかつ進んだ距離（ｆ）に比例する値として前
記２つの数（Ｍ，Ｎ）の差（Ｍ−Ｎ）および和（Ｍ＋
Ｎ）の商を求めることを特徴とする物体の、走査可能な
パターンに対する相対運動の無接触測定方法。
【請求項５】２つの案内曲線部分を、合わせると円にな
るかまたは実質的に重なり合う半円弧によって形成し、
その際円弧の端点を結ぶ直径は、パターンの、物体に対
する運動方向に対して実質的に平行である請求の範囲第
４項記載の方法。
【請求項６】閉じた、有利には円形の案内曲線に沿って
反対方向に走査を実施し、かつこれにより得られた２つ
の走査信号からその都度密度信号を導出しかつその位相
値を求め、かつ密度信号の１つにおいて密度信号最大値
より時間的に前および後に位置する２つの密度信号転換
点並びにこれら転換点の間の走査パルスの数（Ｍ_ａ）を
求めかつ別の密度信号において密度信号最小値より時間
的に前および後に位置する２つの密度信号転換点並びに
これら転換点の間の走査パルスの数（Ｎ_ｂ）を求める請
求の範囲第５項記載の方法。
【請求項７】その絞りが画像部分の相応の遮光によって
走査ビームを形成する、少なくとも１つの走査光学装置
（２２；１２２；２２２ａおよび２２２ｂ）の光路にあ
る少なくとも１つの回転する孔絞り（２０；１２０ａ）
が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項か
ら第６項までのいずれか１項記載の方法を実施するため
の、物体の、走査可能なパターンに対する相対運動の無
接触測定装置。
【請求項８】走査光学装置（２２；１２２；２２２ａお
よび２２２ｂ）の画像側の焦点に、ホト素子（２４；１
２４；２２４ａおよび２２４ｂ）によって形成された光
センサが設けられている請求の範囲第７項記載の装置。
【請求項９】走査光学装置（１２２；２２２ａ）の光軸
に対して傾いている半透明鏡（１６０；２６０）と、こ
のまたは別の走査光学装置（１２２；２２２ｂ）の光路
にある前記鏡と隣接してかつ平行に配設されている全反
射鏡（１６２；２６２）とを有する、画像２倍拡大装置
が設けられている請求の範囲第７項また第８項記載の装
置。
【請求項１０】回転する孔絞り（１２０ａおよび１２０
ｂ）および孔絞りを半分覆う絞り半部（１７０ａおよび
１７０ｂ）がそれぞれ、半透明鏡（１６０）とこれに対
応する光センサ（１２４）との間の光路および全反射鏡
（１６２）とこれに対応する光センサ（１２４）との間
の光路に設けられており、かつ前記孔絞り（１２０およ
び１２０ｂ）は反対方向に回転して、パターン（１２）
を実質的に同一の半円弧形状の案内曲線（Ａ′Ｂ′
Ｃ′；Ｃ′Ｄ′Ａ）に沿って走査する請求の範囲第９項
記載の装置。
【請求項１１】２つの孔絞り（１２ａおよび１２ｂ）に
対応して光センサ（１２４）が設けられている、請求の
範囲第１０項記載の装置。
【請求項１２】２つの孔絞り（１２０ａおよび１２０
ｂ）に対応して走査光学装置（１２２）が設けられてい
る請求の範囲第１０項記載の装置。
【請求項１３】それぞれ回転する孔絞り（２２０ａおよ
び２２０ｂ）が、半透明鏡（２６０）と第１の光センサ
（２２４ａ）との間の光路および全反射鏡（２６２）と
第２の光センサ（２２４ｂ）との間の光路に設けられて
おり、かつ前記孔絞り（２２０ａおよび２２０ｂ）が反
対方向に回転しかつ２つの走査ビームを形成し、パター
ンを実質的に同一の全円形状の案内曲線に沿って走査す
る請求の範囲第７項から第９項までのいずれか１項記載
の装置。