NL8401649A - Meetstelsel voor het, onder gebruikmaking van een op driehoeksmeting berustend principe, contactloos meten van de afstand tussen een bepaald punt van een objectvlak en een referentieniveau. - Google Patents

Description

* «% * ' ί&· •’"f Ν.0. 32526 1

Meetstelsel voor het, onder gebruikmaking van een op driehoeksmeting ^ berustend principe, contactloos meten van de afstand tussen een bepaald punt van een objectvlak en een referent!eniveau.

De uitvinding heeft betrekking op een meetstelsel voor het, onder gebruikmaking van een op driehoeksmeting berustend principe, contactloos meten van de afstand tussen een bepaald punt van een objectvlak en een referent!eniveau, omvattende: een zendgedeelte met een stralings-5 bron voor het uitzenden van meetstralen naar het te onderzoeken objectvlak en een ontvanggedeelte met een voor teflectiestraling gevoelige detector die via tenminste een focusseerlens ontvangen reflect!estra-ling omzet in een daarmee corresponderend signaal van een andere soort, van welke detector het stralingsgevoelige gebied is beperkt tot een in 10 hoofdzaak lijnvormig gebied, waarbij de focusseerlens alsmede eventuele verdere in de ontvangstweg aanwezige middelen zodanig zijn ingericht dat uitsluitend binnen een beperkt waarnemingsgebied belichte objectop-pervlakte-elementen, als gefocusseerde vlekken op het genoemde lijnvormige stralingsgevoelige gebied van de detector worden afgebeeld.

15 Een dergelijk meetstelsel is beschreven in de Nederlandse aanvrage 83.02228, die eveneens ten name van aanvraagster staat* Dit meetstelsel is voorzien van een detector in de vorm van een lijnvormige array van lichtgevoelige cellen. Het deze array wordt voornamelijk licht ontvangen afkomstig van een beperkt waarnemingsgebied dat bepaald wordt door 20 een afbeelding van de lijnvormige detector in de objectruimte. Het resultaat daarvan is dat de storende invloed van omgevingsstraling op de meetresultaten in aanzienlijke mate kan worden verminderd, zodat de signaal-ruisverhouding van het detectoruitgangssignaal dienovereenkomstig wordt verbeterd.

25 Alhoewel de focusseerlens alsmede eventuele verdere in de ont vangstweg aanwezige middelen ervoor zorgen dat uitsluitend straling afkomstig van een beperkt waarnemingsgebied de detector kan bereiken, worden daarmee toch niet alle stoorsignalen geëlimineerd. Reflecties veroorzaakt door elementen van het objectoppervlak buiten het beperkte 30 waarneemgebied kunnen de detector weliswaar niet bereiken en kunnen dan ook geen aanleiding geven tot verstoring van het meetsignaal, maar er kunnen nog wel stoorsignalen binnen het waarneemgebied ontstaan. Deze stoorsignalen kunnen enerzijds veroorzaakt worden door omgevingslicht dat reflecteert binnen het lijnvormige waarnemingsgebied en anderzijds 35 veroorzaakt worden door dubbele reflectie. In dit laatste geval zal een deel van het licht van de door de stralingsbron uitgezonden stralings- 8401649 2 bundel na reflectie tegen het objectoppervlak op de eigenlijke meet-plaats nogmaals gereflecteerd worden tegen een ander punt van het objectoppervlak. Ligt dit andere punt binnen het waarnemingsgebied van de detector dan kan hierdoor dus een stoorsignaal worden gegenereerd.

5 De uitvinding heeft nu ten doel ook deze stoorsignalen te elimine ren, althans de invloed ervan in hoge mate te reduceren.

Aan deze doelstelling wordt bij een meetstelsel van in de aanhef genoemde soort voldaan, doordat de stralingsbron een aantal evenwijdige of nagenoeg evenwijdige stralingsbundels met onderling kleine afstand 10 uitzendt en de detector gekoppeld is met signaalverwerkingsmiddelen waarin gediscrimineerd wordt tussen detectorsignalen met al dan niet vooraf bepaalde tussenafstand(en) corresponderend met de afstand(en) tussen de genoemde stralingsbundels. Elk van de stralingsbundels zal door het objectvlak worden gereflecteerd zodat een met het aantal uit-15 gezonden stralingsbundels overeenstemmend aantal reflectiestralingsbun-dels via het ontvanggedeelte de detector kan bereiken. Vanwege de gedefinieerde tussenafstand(en) tussen de bundels zullen ook de gefocus-seerde vlekken op het lijnvormige stralingsgevoelige gebied van de detector een vooraf bepaalde tusenafstand moeten bezitten. Deze vooraf 20 bepaalde tussenafstand wordt nu in de signaalverwerkingsmiddelen gebruikt als detectiecriterium. In de stoorstraling die, als gevolg van direct of reflecterend omgevingslicht of als gevolg van dubbele reflectie, toch de lijnvormige stralingsgevoelige detector bereikt, zal deze afstandsrelatle niet aanwezig zijn en derhalve is discriminatie tussen 25 de gewenste signalen en de stoorsignalen mogelijk.

Opgemerkt wordt dat bij toepassing van een lijnvormige detector de stralingsbundels in een gemeenschappelijk vlak moeten verlopen om ervoor te zorgen dat de reflectiebundels door de detector waargenomen kunnen worden.

30 Alhoewel er meer dan twee onderling evenwijdige of nagenoeg even wijdige stralingsbundels door de stralingsbron kunnen worden uitgezonden waarmee onder omstandigheden een zeer goede discriminatie ten opzichte van stoorstraling kan worden gerealiseerd, brengt enerzijds het genereren van deze aantallen stralingsbundels door de stralingsbron 35 moeilijkheden met zich mee en wordt anderzijds ook de verwerking van de meetsignalen moeilijker naarmate het aantal toeneemt. Het verdient dan ook de voorkeur dat het aantal stralingsbundels gelijk is aan twee.

Alhoewel theoretisch een aantal afzonderlijke stralingsbronnen kunnen worden toegepast die elk een stralingsbundel uitzenden, zal dit 40 in de praktijk, in het bijzonder vanwege de zeer kleine tussenaf- 8401649 3 stand(en) tussen de bundels nauwelijks met aanvaardbare middelen te realiseren zijn. In een praktische oplossing wordt daarom een enkele stralingsbron (bijvoorbeeld een laserlichtbron) gebruikt en wordt de daardoor uitgezonden stralingsbundel via een optisch stelsel verdeeld 5 in twee (of meer) afzonderlijke evenwijdige of nagenoeg evenwijdige stralingsbundels. In een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding worden de stralingsbundels in de tijd afwisselend uitgezonden, waarbij de signaalverwerkingsmiddelen voorzien zijn van middelen voor het combineren van de successievelijke detectoruitgangssignalen tot een enkel sig-10 naai dat door de betreffende schakelingen in de verwerkingsmiddelen herkend en gediscrimineerd kan worden.

Naast deze modulatie in de tijd van de uitgezonden stralingsbundel is ook een variatie in de polarisatie mogelijk om de intensiteit van de detectiesignalen en daarmee de mogelijkheid om deze correct te discri-15 mineren ten opzichte van stoorsignalen, te vergroten. In een uitvoeringsvorm worden daartoe de beide stralingsbundels verschillend gepolariseerd en zijn in de ontvangstweg middelen aangebracht die telkens slechts licht met een bepaalde polarisatierichting doorlaten.

In het meetstelsel dat beschreven is in de Nederlandse octrooiaan-20 vrage 83.02228 maakt het lijnvormige stralingsgevoelige gebied van de detector een hoek met het hoofdvlak van de focusseerléns. Het resultaat daarvan is dat ongeacht de afstand tussen het objectvlak en het refe-rentievlak de beeldvlek op het lijnvormige stralingsgevoelige gebied van de detector gefocusseerd zal worden afgebeeld. Dat geldt echter in 25 principe alleen voor een enkele stralingsbundel vanaf de stralingsbron. Worden nu volgens de uitvinding twee of meer stralingsbundels uitgezonden, die het objectoppervlak weliswaar binnen het waarnemingsgebied maar op korte afstand van elkaar bereiken, dan zal een optimale focus-sering slechts voor een van de bundels gelden. Aangezien de afstand 30 tussen de bundels zeer klein is gekozen zal het effect van deze niet geheel correcte focussering voor de andere bundel(s) van ondergeschikt belang zijn. De afbeelding van de detector blijft binnen de scherptediepte. Wel kan een variatie optreden in de afstand tussen de detector-signalen als functie van de hoogte van het objectvlak in het meetge-35 bied. Gebleken is nu dat een optimale dimensionering van de gehele configuratie kan worden bereikt indien de strallngbundels onderling een zeer kleine hoek insluiten waarvan de waarde, afhankelijk van de geometrie van het gehele stelsel, zodanig is gekozen dat ongeacht de hoogte van het objectvlak in het meetgebied de afstand tussen de detectiesig-40 naalpieken een constante of nagenoeg constante waarde heeft.

8401649 •J* t.

4

De uitvinding zal in het volgende aan de hand van de bijgaande figuren nader worden verduidelijkt.

Figuur 1 illustreert schematisch een stelsel volgens de uitvinding.

5 Figuur 2 illustreert uitgangssignalen van de detector en de sig- naalverwerkingsmiddelen in figuur 1.

Figuur 3 illustreert uitgangssignalen van de detector en de sig-naalverwerkingsmiddelen in figuur 1 indien de bron de twee stralings-bundels afwisselend in de tijd uitzendt indien door de bron twee stra-10 lingsbundels tegelijkertijd worden uitgezonden.

In figuur 1 is de stralingsbron aangegeven met 1. Deze stralings-bron zendt twee lichtbundels 2 en 3 uit in de richting van het af te tasten oppervlak 4. Beide lichtbundels zullen resulteren in een gereflecteerde lichtstraal 2' respectievelijk 3' die via een focusseerlens 15 7 en eventueel via verdere niet in detail getoonde middelen terecht ko men op de detectorarray 5. Deze array bestaat bijvoorbeeld uit een lijnvormige reeks van lichtgevoelige cellen waarvan er enkelen met 5a, 5b en 5c individueel zijn aangegeven. In de figuur valt de lichtstraal 2' in op de cel 5b en de lichtstraal 3' in op de cel 5a.

20 De hoek tussen de beide stralen 2 en 3 wordt zeer klein gekozen, en daarmee zal de afstand d tussen de lichtstralen 2 en 3, gezien over het gehele meetbereik tussen de niveau's Hl en H2 nauwelijks variëren en praktisch als constant beschouwd mogen worden. De beide stralen 2 en 3 zullen ongeacht het feitelijke niveau van het objectvlak 4 altijd re-25 sulteren in twee reflecties op de detector 5 waarvan de onderlinge afstand p niet of nauwelijks variëert en in elk geval voorspelbaar is. In de figuur komen de beide gereflecteerde stralen 2' en 3' terecht op naburige cellen maar het zal duidelijk zijn dat, afhankelijk van de resolutie van de detectorarray, deze afstand ook groter kan zijn.

30 Zoals reeds werd opgemerkt kan de hoek tussen de bundels 2 en 3 afhankelijk van de geometrie van het stelsel zodanig worden gekozen dat de afstand p tussen de beeldvlakken op de detectorarray constant of nagenoeg constant is.

De array 5 wordt met behulp van de signaalverwerkingseenheid 6 se-35 quentieel afgetast met als resultaat een opeenvolging van aftastsigna-len waarin de aandelen van de cellen 5a en 5b telkens als relatief hoge pieken zullen verschijnen. Met behulp van op zichzelf bekende autocor-relatietechnieken kunnen deze pieken die een onderling vaste of althans voorspelbare afstand bezitten uit de eventuele door de andere cellen 40 afgegeven stoorsignalen worden gefilterd.

3401649 -$f' ëê 5

Een probleem dat bij een dergelijke inrichting optreedt wordt gevormd door meervoudige reflecties of door reflecterend omgevingslicht dat ondanks alle beperkende maatregelen toch op de detector terecht kan komen. Voorbeelden daarvan zijn in de figuur aangegeven.

5 Een deel van de lichtstraal 2 wordt tegen het oppervlak 4 gere flecteerd resulterend naast de gewenste reflect!ebundel 2' in de lichtbundel 2" die na verdere reflectie tegen het oppervlak 4 links van de eigenlijke meetplaats resulteert in een lichtstraal 2T,f die via de lens 7 eveneens op de detectorarray 5 wordt geprojecteerd en wel op de 10 cel 5c. Wordt nu de detectorarray 5 afgetast dan zal een met de aftast-tijd t variërend signaal U(t) worden verkregen waarvan de amplitude ïï een aantal pieken vertoont op de wijze als weergegeven is in figuur 2a.

De pieken A, B en C worden respectievelijk veroorzaakt door de signaal-aandelen van de cellen 5a, 5b en 5c van de detectorarray 5. Ook de an-15 dere cellen zullen bijvoorbeeld storende reflecties kunnen ontvangen zodat het niveau van het detectorsignaal tussen de pieken A, B en C veelal niet gelijk zal zijn aan nul. Omdat in het uitgangssignaal twee pieken verwacht worden met vooraf bepaalde tussenafstand kan dit in figuur 2a geschetste signaal met behulp van een autocorrelatietechniek in 20 de signaalverwerkingseenheid 6 worden verwerkt. Daartoe wordt het signaal U(t) (zie figuur 2a) vertraagd over de periode At overeenkomend met de verwachte afstand tussen de signaalpieken A en B. Het vertraagde signaal U(t+At) (zie figuur 2b) wordt vervolgens in een autocorrelator met het signaal U(t) gecombineerd met als resultaat het signaal V(t) 25 waarin een scherpe piek voorkomt op de plaats van de piek B in het niet vertraagde detectorsignaal. De stoorpiek C wordt door de autocorrela-tiebewerking geëlimineerd. Daarmee is de detectie van de hoogte van het meetpunt van het objectvlak 4, aangestraald door beide lichtstralen 2 en 3 een feit.

30 Zoals in figuur 1 is aangegeven met 9 kunnen ook reflecties ver oorzaakt worden door omgevingslicht, zodanig dat ook deze reflecties binnen het waarnemingsgebied van de detector 5 vallen. Ook deze reflecties echter kunnen worden gediscrimineerd tegen de verwachte signaalpieken met vooraf bepaalde tussenafstand.

35 Figuur 3 geeft een aantal signaalvormen voor het geval dat de bei de stralingsbundels niet tegelijkertijd op de detectorarray invallen, maar bijvoorbeeld als gevolg van modulatie in de tijd of verschillende polarisaties afwisselend de straal 2' en 3' wordt ontvangen. Wordt tussen beide stralen omgeschakeld met een periode to dan zal door de de- 840164¾

J

6 tectorarray allereerst het signaal U(t) weergegeven in figuur 3a worden afgegeven en daarmee het signaal U(t+to), weergegeven in figuur 3b. Beide signalen bevatten naast de piek A of B ook weer een stoorpiek C.

Wordt de omschakelperiode zeer kort gekozen, dan mag men er voor 5 de signaalverwerking van uitgaan dat met uitzondering van de pieken A en B de signalen U(t) en U(t+to) grotendeels of geheel aan elkaar gelijk zullen zijn. Wordt nu het signaal U(t) door een vertragingslijn gevoerd en wordt het uitgangssignaal daarvan in een aftrekschakeling in de eenheid 6 met het signaal U(t+to) gecombineerd dan ontstaat het uit-10 gangssignaal V(t) van figuur 3c waarin C geëlimineerd is en de hoogte van het objectoppervlak duidelijk wordt bepaald door de pieken A' en B'.

Deze signaalverwerkingsvoorbeelden vormen slechts een illustratie van de vele mogelijkheden om de detectorsignalen te verwerken en de 15 uitvinding is dan ook niet tot deze uitvoeringsvoorbeelden beperkt.

De praktische toepassing van de autocorrelatietechniek of een andere geschikte signaalverwerkingstechniek en de praktische uitvoering van een daartoe geschikte signaalverwerkingseenheid worden voor de deskundige bekend verondersteld. Ook de optische middelen nodig voor het 20 opwekken van de afzonderlijke stralingsbundels, het moduleren in de tijd van de bundels en/of het polariseren daarvan (bijvoorbeeld met behulp van gestuurde vloeibare kristalelementen) worden voor de deskundige bekend verondersteld.

8401649

Claims (5)

1. Meetstelsel voor het, onder gebruikmaking van een op driehoeksmeting berustend principe, contactloos meten van de afstand tussen een bepaald punt van een objectvlak en een referentieniveau, omvattende: 5 een zendgedeelte met een stralingsbron voor het uitzenden van meetstraling naar het te onderzoeken objectvlak en een ontvanggedeelte met een voor reflectiestraling gevoelige detector die de via tenminste een fo-cusseerlens ontvangen reflectiestraling omzet in een daarmee corresponderend signaal van een andere soort, van welke detector het stralings-10 gevoelige gebied is beperkt tot een in hoofdzaak lijnvormig gebied waarbij de focusseerlens alsmede eventuele verdere in de ontvangstweg aanwezige middelen zodanig zijn ingericht dat uitsluitend binnen een beperkt waarnemingsgebied belichte öbjectoppervlakte-elementen als ge-focusseerde vlekken op het genoemde lijnvormige stralingsgevoelige ge-15 bied van de detector worden afgebeeld, met het kenmerk, dat de stralingsbron een aantal evenwijdige of nagenoeg evenwijdige stralingsbun— dels met onderling kleine afstand uitzendt en dat de detector gekoppeld is met signaalverwerkingsmiddelen waarin gediscrimineerd wordt tussen detectorsignalen met al dan niet vooraf bepaalde tussenafstand(en) cor-20 responderend met de afstand(en) tussen de genoemde stralingsbundels.

2. Meetstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het aantal stralingsbundels gelijk is aan twee.

3. Meetstelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de stralingsbundels in de tijd afwisselend worden uitgezonden waarbij de sig- 25 naalverwerkingsmiddelen voorzien zijn van middelen voor het combineren van de successievelijke deteetoruitgangssignalen.

4. Meetstelsel volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat beide stralingsbundels verschillend gepolariseerd zijn en dat in de ontvangstweg middelen zijn aangebracht die afwisselend slechts licht met 30 telkens een bepaalde polarisatie doorlaten.

5. Meetstelsel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de stralingbundels onderling een zeer kleine hoek insluiten waarvan de waarde, afhankelijk van de geometrie van het gehele stelsel, zodanig is gekozen dat ongeacht de hoogte van het objectvlak 35 in het meetgebied de afstand tussen de detectiesignaalpieken een constante of nagenoeg constante waarde heeft. 8401649