DE1911956A1

DE1911956A1 - Fotoelektrische Einrichtung zum beruehrungslosen Bestimmen kleiner Lage- oder Winkelaenderungen von Objekten

Info

Publication number: DE1911956A1
Application number: DE19691911956
Authority: DE
Inventors: Hock Dipl-Phys Fromund
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1969-03-10
Filing date: 1969-03-10
Publication date: 1970-09-24
Also published as: GB1239715A; FR2034786A1; US3601613A; CH516141A

Description

UnserZeichen: A 1677 633 Wetzlar,den, 6. März I969 Pat Zw/GG Po»«qdi210/211

Fotoelektrische Einrichtung zum berührungslosen Bestimmen kleiner Lage- oder Winkeländerungen von Objekten

Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Einrichtung zum berührungsIosen Bestimmen kleiner Lage- oder Winkeländerungen von Objekten.

Durch die DL-PS 31 936 ist ein vom Netzstrom unabhängiges fotoelektrisches Abtastgerät zum Messen von Bewegungsvorgängen bekanntgeworden, welches die Änderung des Reflexlichtes am Meßobjekt auswertet. Quantitatives Messen ist damit nicht möglich.

Durch die DT-AS 1 1^5 807 ist eine Vorrichtung zum Messen der Lageänderungen eines beweglichen Organs gegenüber einem Bezugssystem bekanntgeworden, bei der durch Verschiebung des Rasters und des Rasterbildes zueinander Impulse erzeugt werden, deren Anzahl als ein Maß für die Lageänderung in einem bestimmten Zeitintervall bestimmt wird. Zur Lagebestimmung ist ferner bekannt (DT-AS 1 281 I58 und DT-AS 1 2.ΚΛ 128), ein leuchtendes Spaltbild auf ein Raster abzubilden und ,die Lichtmodulation zu Meßzwecken auszunutzen. Diese Vorrichtungen arbeiten nach anderen Prinzipien, als sie der vorliegenden Anmeldung zugrunde liegen.

Durch die DT-AS 1 273 210 ist eine Vorrichtung zur lichtelektrischen Bestimmung der relativen Lage zweier Teile unter Verwendung eines durch einen Lichtspalt bestimmten Lichtstrahles einer Lichtquelle bekanntgeworden, bei der zwei lichtempfindliche Elemente in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Diese Anordnung dient als Nullimpulsgeber.

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Durch die DT-AS 1 O89 56.1 ist eine Vorrichtung zur,berührungsfreien Feinstmessung von Lageänderungea eines in Richtung der optischen Achse des abbildenden Systems bewegten Objektes bekanntgeworden, bei dem das von. einem Leuchtfleck der Oberfläche des Objektes herrührende Licht in. einem Strahlenteiler in Richtung auf zwei fotqelektr-ische Wandler zerlegt wird. Mit dieser Einrichtung können keine, ztEr optischen Achse gesehen, seitliche Lageänderungen oder Winkeländerungen bestimmt werden.

» Durch die DT-AS 1 20? 64θ ist eine Vorrichtung zum fotoelektrischen Bestimmen der Lage eines gegenüber einer Bezugsstellung einstellbaren Objektes bekanntgeworden, bei der das Meßobjekt mit einem Dachkantprisma, gegebenenfalls in periodischer Anordnung_r versehen werden muß. Auf dieses Dachkantprisma wird eine leuchtende Schlitzblende abgebildet, welche das Meßlicht auf zwei fotoelektrische Zellen zur Erzeugung entsprechender elektrischer Signale lenkt. Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß der Abstand dieses Dachkantprismas vom Leuchtspalt sowie die Ausrichtung sehr genau eingehalten werden muß und daß Verschmutzungen (Öldämpfe, Staub) das Meß— ergebnis verfälschen.

" Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine fotoelektrische Einrichtung der angegebenen Art zu schaffen, welche relativ einfach aufgebaut ist, also preisgünstig erstellt werden kann, und welcher die geschilderten Nachteile nicht anhaften. Die geschilderte Aufgabe wird aufgrund der in den Ansprüchen angegebenen Mittel gelöst.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung besprochen. Dabei zeigt» Fig. 1 eine Anordnung zur Lieferung eines Signals zur Winke1-

fehlerkorrektur eines MeQschlittens 5 Fig. 2 ein Signal-Weg- bzw. Signal-Witakel-Diagrammj __

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Fig. 3 eine Variante einer Einzelheit einer Einrichtung nach Fig. 1. -

Eine Lampe 1 beleuchtet über einen Kondensor 2 einen Spalt, gegebenenfalls unter Vermittlung einer faseroptischen Einrichtung mit ungeordneten Fasern, um die Lichtverteilung im Spalt vom Lampenwechsel unabhängig zu machen und um die Aufheizung der die Nullpunktstabilität bestimmenden Bauteile auf ein Minimum zu reduzieren. Das vom Spalt 3 ausgehende Licht gelangt auf einen Teilerwürfel 5 und von dort zu einem Objektiv, welches als Fernrohrobjektiv 6 ausgebildet ist und das Lichtbündel auf einen, ebenen Spiegel 7 wirft, so daß es in sich selbst zurückläuft (Autokollimation) und, am Teilerwürfel 5 gespiegelt, das Bild 8 des Spaltes 3 an einer spiegelnden Kante 9 eines Würfels 10 entsteht. Zur besseren Lichtausnutzung kann der Teilerwürfel· 5 polarisiert sein; in diesem Fall wird zwischen ihm und dem Spiegel 7 eine ^- Platte oder eine Faraday-Zelle angeordnet, welche die Schwingungsrichtung des Lichtes um 90 dreht, so daß das gesamte Nutzlicht am Teilerwürfel 5 reflektiert wird.

Wenn der Spiegel 7 genau senkrecht zum Strahlenbündel des Objektivs 6 ausgerichtet ist, dann liegt die Hälfte des Spaltbildes 8 auf dem spiegelnden Teil der Trennkante 9 und die andere Hälfte daneben, so daß das im Spaltbild 8 enthaltene Licht zur Hälfte auf einen Empfangskanal 11 und zur anderen Hälfte auf einen Empfangskanal 12 geleitet wird. Im Empfangskanal 11 liegt eine sammelnde Linse 13» welche die Pupille des Objektivs 6 auf einen fotoelektrischen Wandler 14, der beispielsweise als Fotodiode ausgebildet ist, abbildet. Im Empfangskanal 12 sorgt eine sammelnde Linse 15 für eine gleiche Abbildung^ der Pupille des Objektivs 6 auf einen fotoelektrischen Wandler 16, der ebenfalls als Fotodiode ausgebildet werden kann, so daß im Sperrbetrieb dieser Fotodioden eine lineare Wandlerkennlinie erreicht wird. Die von

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den f otoelektr.ischen Wandlern 14 und 16 abgegebenen Ströme werden einem Differenzverstärker 20 und gegebenenfalls über die beide EmpfangskanäLe mit ihren nachgeschalteten fotoelektrischen Wandlern auf gleiche Kanalsteilheiten bringenden Bauelemente (Summierwiderstände 21 und 22) einem Summierverstärker 23 zugeführt. Der Summierverstärker ist als OP-Verstärker ausgebildet und sein Eingang ist über einen Rückführwiderstand 27 mit dem Ausgang verbunden, so daß eine negative Rückkopplung stattfindet. Der Summierverstärker regelt das Netzteil 25 der Lampe 2 derart, daß der Ausgangs-

Λ pegel von 23 einem bestimmten Sollwert entspricht. Dieser Sollwert kann beispielsweise mittels eines Widerstandes" 26 eingestellt werden. Liegt demnach das Spaltbild 8 ganz auf der Trennkante 9» so daß nur der Empfangskanal 11 Licht erhält und der Empfangskanal 12 dunkel ist, dann liegt am Ausgang des Differenzverstärkers 20 ein konstantes Ausgangssignal (siehe Fig. 2). Wird nunmehr der Spiegel 7 gekippt (Kippwinkel ©^ ), so daß das Spaltbild 8 über die spiegelnde Trennkante 9 hinauswandert, dann gelangt ein Anteil des Lichtes auch in den Empfangskanal 12, so daß der Differenzverstärker ein Signal abgibt, welches für einen bestimmten Wert der Lichtflußverteilung auf die beiden Empfangskanäle 11 und 12, vorzugsweise für die Gleichverteilung, durch Null geht. Die

P Amplitude des Ausgangssignals hängt dabei nur vom Kippinke1⁰^ ab, d.h. in dem Signalamplituden-Winkel-Diagramm (Fig'·-- 2) wird eine Charakteristik 31 mit einer durch den Lampelregelkreis stabilisierten Steilheit erhalten. Wird der Anteil der über den Empfangskanal 12 laufenden Intensität größer, dann kehrt sich das Vorzeichen des Signale am Ausgang de· Differenzverstärkers um. Gelangt schließlich die gesamte Strahlungsintensität des Spaltbildes 8 in den Enpfangakanal 12, dann wird das Ausgangesignal 32 des Differenzveratärkers 20 konstant. Die beschriebene Einrichtung arbeitet also so, daß die Charakteristik 31 erhalten bleibt unabhängig davon, wie die fotometrischen Eigenschaften des Gerätes von der

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Lichtquelle bis zur Auftrennung auf die beiden Empfangskanäle sich verändern.

Anstatt diesen Effekt durch einen Lanrpenregeikreis zu erreichen, kann das Ausgangssignal des Summierverstärkers auch als Steuergröße auf den Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers so einwirken, daß der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers ungefähr proportional zum Summensignal gesteuert wird.

Xn einer bevorzugten Anwendung der Einrichtung nach Fig. 1 sitzt der Spiegel 7 auf einem Meßsohlitten und das vom Differenzverstärker 20 gelieferte Signal dient als Korrektursignal zur Winkelfehlerkorrektur dieses Meßschlittens. Infolge von Bearbeitungsfehlern können nämlich Meßschlitten nicht völlig fehlerfrei verschoben werden, so daß die durch kleine Kippungen bedingten Meßfehler bei der Verschiebung dieses Meßschlittens mit Hilfe dieses Winkelfehlersignals α korrigiert werden können, was insbesondere bei Verletzung des Abbesehen Prinzips wichtig ist.

In Fig. 3 ist als Objektiv ein Mikroobjektiv 36 benutzt, welche· «it einen Kugelepiegel 37 zusammenarbeitet. Der Kugelmittelpunkt 38 liegt in der Ebene, in der das Objektiv 36 den Spalt 3 abbildet. Der Kugelspiegel 37 i»t entweder konvex - dann liegt er zwischen Mittelpunkt 38 und Objektiv

36 - öder er ist konkav, dann liegt er, vom Objektiv 36 au* gesehen, jenseits de· Mittelpunktee 38. Der Kugelspiegel %fk

37 wird mit dem Objekt, dessen Lageänderung bestimmt werden soll, verbunden* Bei kleinen seitlichen Lageänderungen de· Objekte· und damit dec Kugelepiegel· 3? wandert da· Spaltbild 8 (Flg. i) seitlich aue_t und @» treten die Wirkungen« aufβ wie eie Im Zusammenhang wit Kippiangen da· Spiegel· 7 worden sind. Die Abssiss® in Flg«£ gilt demnach

für eeitliofa« Verschiebungen e. lie $lturieSitung nach

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j_Lj6TL -) 9.11-956-6.3.1969.

Fig. 1 im Zusammenhang mit Fig. 3 kann also zur Bestimmung kleiner Lageänderungen benutzt werden, ähnlich wie bei einem einen Indexstrich beobachtenden fotoelektrischen Mikroskop, wobei nach Aufbringen des Kugelspiegels 37 auf das Meßobjekt eine berührungslose Messung erfolgt, die, da am Objekt kein Index vorhanden ist, unempfindlich gegen Staub ist.

Auch ohne zusätzliche' Verwendung eines Mikroobjektive kann ein objektverbundener Hohlspiegel oder eine Spiegellinse zur Abbildung des Spaltes 3 in. den Bereich der Trennkante 9 verwendet werden und bei Verkippung bzw. Auswanderung Bildverlagerung erzeugen.

Der Meßbereich für die Einrichtung nach Fig.1 oder 2 ist durch die Objektivbrennweite bzw. den Abbildungsmaßstab und die Breite des Spaltes 3 gegeben.

Soll nur ein einziger fotoelektrischer Wandler benutzt werden, so werden die Smpfangskanäle 11 und 12 nacheinander wirksam gemacht. Der Differenzverstärker bildet dann die Differenz jeweils aufeinanderfolgender Impulse des Wandlers, während der Summierverstärker zur Konstantregelung der mittleren Impulshöhe dieses Wandlers dient. Bei phaseuempfindlioher Gleichrichtung kann da· Nutzsignal für die Längen- oder Winke line »sung aus der Amplitude der Grundwelle im Signalfluß gewonnen werden.

Der Summierveretärker 23 regalt die Lampenhelligkeit derart_s daß das Ausgang*signal das Differenzverstärker» 20 ©in® garas bestimmte Stromstärke bzw. Spannung aufweist« weass das Spaltbild S auf einen der beiden BmpfangekftnliLe 11 gelatifft. Ee ist auch möglich, den Diffe^ftnsverstär Sumsiierveretärker 23 direkt su st®usrr_4t iuad asw&r a©₉ dall beschriebene Wirkung (konstant« Steilh®±t <d@y 31) eintritt»

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BAD ORIGINAL

Claims

Patentansprüche

Fotoelektrische Einrichtung zum berührungslosen Bestimmen kleiner Lage- oder Winkelanderungeη von Objekten, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) unter Vermittlung eines objektverbundenen Reflektors (7f 37) entwirft ein Lichtspaltprojektor f(i, 2, 3, 5, 6 bzw. 36) ein Lichtspaltbild (8) auf eine spiegelnde Trennkante (9);

b) an der Trennkante (9) wird das Licht des Spaltbildes (8) je nach der Lage des Bildes auf zwei Empfangskanäle (11 oder 12) gelenkt;

c) diesen Empfangskanälen (11, 12) sind ein oder mehrere fotoelektrische Wandler mit linearer Wandlerkennlinie (14, 16) örtlich oder zeitlich zugeordnet;

d) die lichtintensitätsproportionalen Signale werden einem Differenzverstärker (2θ) und einem Summierverstärker (23) zugeführt;

e) der Summierverstärker f(23) steuert den Differenzverstärker (20) derart, daß der Betrag des Ausgangssignale einen konstanten Wert annimmt, wenn das Licht aus dem Spaltbild (8) vollständig in einen der beiden Empfangskanäle (11, 12) gelangt;

f) der Differenzverstärker (20) liefert ein der Lagebzw. Winkeländerung entsprechendes Signal mit stabilisierter Steilheit.
2. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Summierverstärker (23) die Lampenleiatung des Lichtepaltprojektors (I-6, 36) so regelt, daß der Auegangspegel am Summierverstärker (23) unabhängig von der Verteilung der Teillichtflüsse auf die Empfangskanäle (11, 12) und unabhängig von

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Lampenalterung und Änderung der fotometrischen Eigenschaften des objektverbundenen Reflektors (7t 37) konstant bleibt.
3· Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv (6, 36) des Lichtsp.altprojektors und der objektverbundene Reflektor (7» 37) im Sinne einer Autokollimation angeordnet sind.

&
4. Fotoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 31 dadurch gekennzeichnet, daß in Lichtrichtung hintereinander eine Lampe (1), ein Kondensor (2), ein Spalt (3)» ein Texlerwürfel (5)» ein Objektiv (6 bzw. 36), ein objektverbundener Reflektor (7» 37) angeordnet sind, daß das Objektiv (6 oder 36) und der Teilerwürfel (5) vom Licht erneut durchlaufen werden und daß ein zweiter Würfel (1O) mit spiegelnder Trennkante (9) und zwei fotoelektrische Wandler (14, 16) hinter dem zweiten Würfel (1O) in Lichtfichtung angeordnet sind.

5· Fotoelektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche T bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von ψ Winkeländerungen das Objektiv des Lichtspaltprojektors

ein Fernrohrobjektiv (6) und der objektverbundene Reflektor ein Planspiegel (7) ist.

6« Fötoelektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche T bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lageänderung, das Objektiv des Lichtspaltprojektors ein

ist)
Mikroobjektiv (3o)yund der objektverbundene Reflektor

(37) eine sphärische Fläche aufweist.

7. Fotoelektrisch© Einrichtung nach den Ansprüchen T oder. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der objektverbundene Reflektor ein Hohlspiegel oder eine Spiegellinse ist,

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Patentabteilung Zw/GG

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die gleichzeitig als das den Lichtspalt (3) abbildende Objektiv (6, 36) dient.

8. Fotoelektrische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (5) als polarisierender Teiler ausgebildet ist und zusätzlich im Strahlenweg zwischen Teiler (5) und Reflektor (71 37) ein die Schwingungsrichtung um 90° drehendes optisches Bauteil (£ Platte oder Faraday-Zelle) angeordnet ist.

Fotoelektrische Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (5) als geometrischer Teiler ausgebildet ist.

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