Vorrichtung zur lichtelektrischen Ermittlung der Lage eines mit Teilungsmarkierungen versehenen Objektes
Es ist bekannt, die durch subjektive Unzulänglichkeit und Ermüdungserscheinungen menschlicher Be obachter bedingten Messfehler bei i der Ablesung von Massstäben mittels geeigneter Ablesemikroskope durch die Verwendung objektiv wirksamer Ableseeinrichtungen zu vermeiden. So sind Einrichtungen bekannt, die eine digitale Anzeige der Lage der Massstabmarken durch einfaches Abzählen seiner Unterteilungsmarken zulassen. Sie erfordern jedoch einen verhältnismässig hohen elektronischen Aufwand.
Anderseits wurden Vorrichtungen bekannt, die über diese Mittel hinaus gleichzeitig eine objektive Interpolation zwischen zwei aneinandergrenzenden Unterteilungsmarken des abzulesenden Massstabes zulassen und die damit die Notwendigkeit umgehen, das kleinste mit dem Massstab zu erfassende Messintervall als Teilungsintervall auf dem Massstab anbringen zu müssen.
In bekannten Vorrichtungen dieser Art wird ein Bild des Massstabes (bzw. ein Teilbild) unter Verwendung von schwingungsfähig gelagerten, den Abbildungsstrahlengang periodisch versetzenen optischen Mitteln an Gittern oder sonstigen, der Form der Unterteilungsmarken zweckmässig angepassten Öffnungen versehenen Vergleichsmassstäben periodisch entlanggeführt und hinter dem Vergleichsmassstab lichtelektrisch erfasst. Das von einer Photozelle oder einem anderen lichtempfindlichen Element erzeugte periodische Signal lässt dann Rückschlüsse auf die Lage der in Betracht gezogenen Teilungsmarke in bezug auf einen Ableseindex, der durch den Vergleichsmassstab gegeben ist, zu.
Derartige Vorrichtungen genügen nun nicht immer den besonderen Anforderungen, die an sie z. B. bei ihrer Anwendung in Theodoliten oder ähnlichen optischen Instrumenten oder Vorrichtungen zur Ablesung der dort vorgesehenen Massstäbe gestellt werden müssen, zumal zusätzlich stroboskopische Einrichtungen zur visuellen Ablesung notwendig werden können. Es ergeben sich durch die schwingenden optischen Elemente hinderliche Vibrationen der gesamten Vorrichtung, die bei Theodoliten die Pointierung ihrer Zielfemrohre auf das anzuvisierende Objekt stören.
Es sind weiterhin Vorrichtungen bekannt, die durch die optische Abbildung eines Teilungsmarkenbildes auf einen schlitzförmigen Spalt eine hinter diesen Spalt angeordnete Photozelle erregen und somit die Lage des Massstabes aus dem Photozellenstrom ermitteln. Solche Vorrichtungen arbeiten hinsichtlich des die Photozelle erregenden Licht, stromes amplitudenabhängig und lassen damit keine hohe Messsicher- heit zu.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorricll- tung zur lichtelektrischen Ermittlung der Lage eines mit Teilungsmarkierungen versehenen Objektes, z. B. eines Massstabes, und sie bezweckt, Mittel anzugeben, die es ohne besonderen Aufwand gestatten, die Lage des Objektes (z. B. also des Massstabes oder auch eines Maschinenteiles) objektiv auf elektrischem Wege zu erfassen. Dabei soll es im besonderen möglich sein, diese Mittel unmittelbar in bestehenden Gerätekonstruktionen anzuwenden. Weiterhin soll der damit verknüpfte Aufwand so gering sein, dass die Anwen- dung beispielsweise in geodätischen Winkelmessinstrumenten zur Ablesung der dort vorgesehenen Kreisteilungen ohne Umstände möglich wird. Auch soll die Transportfähigkeit solcher Instrumente nicht behindert werden.
Die Erfindung macht hierzu von an sich bekannten photometrischen Mitteln Gebrauch. Sie geht dabei von einer bereits vorgeschlagenen photometrischen Einrichtung zur Einstellung einer Messmarke auf einen Ableseindex aus, bei der als Messmarke eine Lochblende vorgesehen ist, die mit der Messmarke zur Deckung gebracht werden kann. Hinter der Loch- blende ist eine Photozelle angeordnet, die den durch die Blende hindurchtretenden Lichtstrom misst, so dass der an der Photozelle messbare Photostrom ein Mass für die Lage der Messmarke ist. Das Minimum des Photostromes zeigt dabei die Koinzidenz der Marke mit der Lochblende bzw. die Koinzidenz der Lochblende mit der Marke an.
Derartige Anordnungen leiden unter dem Mangel, dass das Photostrommedium nicht nur von den jeweiligen B eleuchtungsverhältnissen abhängig ist, sondern dass es darüber hinaus noch von der Breite der jeweiligen Marke, die von der Lochblende eingefangen wird, beeinflusst wird. Dieses ist besonders in Anwendung zur Ablesung bzw. Einstellung an Massstäben nach Art von Kreisteilungen nachteilig, da an solchen Objekten die geometrische Figur der einzelnen Mar kierungen nicht gleich ausgebildet war. So wechselt z. B. die Breite von Teilstrichen auf Kreisteilungen von Strich zu Strich.
Weiterhin wird es als nachteilig empfunden, dass mit solchen Einrichtungen eine rich- tungsempfindliche Anzeige nicht erzielbar ist, denn es ist mit ihrer Hilfe nicht möglich, festzustellen, ob sich eine Markierung im Gesichtsfeld eines Ablesemikroskops von links nach rechts oder von rechts nach links bewegt.
Der Erfindung entsprechend wird deshalb eine Vorrichtung zur lichtelektrischen Ermittlung der Lage eines mit Teilungsmarkierungen versehenen Objektes mit einem die Teilungsmarke abbildenden optischen System und einem diesem System zugeordneten lichtelektrischen Photometer vorgeschlagen, die sich dadurch kennzeichnet, dass zur Ermittlung der Lage des Markenbildes in der Systembildebene das Bild der Marke mit ihrer engeren Umgebung einem 1ichtelek- trischen Differentialphotometer zugeführt ist, in dem das Bild an einer Trennkante in zwei Teilbildern zerlegt ist, deren zugehörige Lichtintensitäten mittels des Differentialphotometers elektrisch vergleichber sind.
Diese Anordnung weist die erwünschte Richtungsempfindlichkeit auf, da jetzt nach Bewegungsrichtung der Marke im Gesichtsfeld des optischen Systems zunächst der eine oder der andere der bei- den miteinander zu vergleichenden Lichtströme grö sser als der andere ist. Als Anzeigekriterium dient nunmehr die Gleichheit beider Lichtströme, und es ist möglich, z. B. Massstabmarkierungen in ihrer Umgebung elektrisch zu interpolieren. Auch ist diese Anordnung genügend unempfindlich gegen gewisse Schwankungen der Beleuchtungsverhältnisse. Schwankungen der Breite von Teilungsmarkierungen wirken sich auf das Anzeigekriterium der Vorrichtung nicht aus.
In der beiliegenden Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung nach der Erfindung schematisch dargestellt.
Nach Fig. 1 sind auf einem gläsernen linearen Massstab 1 die Unterteilungsmarken 2, 3 usw. bei spielsweise durch Ätzen und nachfolgende Schwärzung aufgebracht. Der Massstab ist von seiner Rückseite her beleuchtet. Zur Interpolation zwischen zwei benachbarten Teilungsmarken findet in üblicher Weise ein optisches Mikrometer Anwendung, wobei das zu interpolierende Intervall über ein optisches abbildendes Element 4 in das Okkular 5 eines Ablesemikroskops abgebildet wird. Das Mikrometer bes:ei?t im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus der um eine Achse drehbar gelagerten Planglasplatte 6, die den vom Massstab 1 herkommenden Abbildungsstrahlengang bei Neigung gegen die optische Achse 7 parallel in der Bildebene verschiebt.
Die Drehung der Planglasplatte 6 erfolgt über eine Mikrometertriebwelle 8, mit der gleichzeitig eine Glasplatte 9 um die Welle 8 verschwenkt wird. Die Platte 9, die den Abbildungsstrahlengang nicht durchsetzt, ist in einer Bildebene des opischen abbildenden Elementes 4 angeordnet und trägt eine Teilung, an der die Verschwenkung der Planglasplatte 6 abgelesen werden kann. Die Bildebene 10 ist auch Objektebene für das Okular 5.
Eine in der Bildebene 10 angeordnete Strichplatte 11 trägt den Ableseindex des Mikrometers. Ein Reflektor 12, der die optische Achse 7 knickt, ist beispielsweise als Prisma dargestellt, dessen reflektierende Fläche unter 459 gegen die Achse 7 geneigt ist.
Fig. 2 stellt das im Okular 5 subjektiv wahrnehmbare Gesichtsfeld dieser üblichen Mikrometeranordnung dar. Im Bildfenster 13 kann die Verschwenkung der Platte 6 an Hand einer Skala, die wie eingangs erwähnt auf der Planglasplatte 9 aufgebracht ist, abgelesen werden, während im Fenster 14 der Massstab 1 ausschnittsweise sichtbar ist. Zum Zwecke der Interpolation zwischen zwei Teilungsmarken wird die Planglasplatte 6 so lange über die Mikrometerantriebswelle 8 um ihre Drehachse gekippt, bis durch Parallelversetzung des Abbildungsstrahlenganges 7 das Bild der Unterteilungsmarke des Massstabes 1 mit dem auf der Strichplatte 11 angeordneten Ableseindex koinzidiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient als Ableseindex der Doppelstrich 15, mit dem die Teilungsmarke eingefangen wird. Bei 13 kann dann der Abstand des Teilstriches vom Ableseindex 15 abgelesen werden.
Es sind nun weiterhin Mittel zur objektiven Kontrolle der Koinzidenz des Bildes der Teilungsmarke mit dem Ableseindex 15 des Mikrometers vorgesehen, wodurch subjektive Einstellfehler aus dem Ergebnis der Messung eliminiert werden. Hierzu wird der Ab ieseindex 15 durch die Trennkante eines bildaufteilenden optischen Elementes ersetzt, an der das Bild der Teilungsmarke und deren engere Umgebung in zwei Teilbilder zerlegt wird. Die den entsprechenden Bildhälften zugeordneten Lichtströme werden photoelektrisch miteinander verglichen. Sind diese Lichtströme gleich, so ist das Bild der Teilungsmarke mit seinem optischen Schwerpunkt exakt auf die Trennkante des bildaufteilenden Elementes ausgerichtet.
Zur Kontrolle kann entweder das reflektierende Element 12 in den Abbildungsstrahlengang ein- bzw. ausschwenkbar sein oder auch als teilreflektierendes Element, z. B. als Interferenzspiegel, ausgebildet sein.
Ist das Element 12 ein solcher Interferenzspiegel, so liefert der durch dieses Element hindurchtretende Lichtstrom bei entsprechender Auslegung des abbildenden Elementes 4 in der Ebene 16 ein Bild der Teilungsmarken des Massstabes 1, das durch das bildaufteilende optische Element 17 in zwei Teilbilder zerlegt wird. Das Element 17 besteht aus zwei aneinandergelegten Prismen 17' und 17", von denen das eine zur Hälfte an der Fläche, die mit dem anderen in Berührung steht, verspiegelt ist. Die Begrenzungslinie 18 der Verspiegelung 20 ist die Bildtrennungskante des Elementes, an der das Bild zerlegt wird.
Die Lichtströme, die den beiden Bildteilen des über die Blende 19 in das Element 17 eintretenden Bildes angehören, werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel einzeln den lichtempfindlichen Elementen 21 und 22 zugeführt und dort in entsprechende elektrische Spannungen bzw. Ströme umgewandelt, die in der Vergleichseinrichtung 23 miteinander verglichen werden. Die Einrichtung 23 enthält in üblicher Weise Gleichstromverstärker und ein beispielsweise in einer Brückenschaltung angeordnetes Messinstrument 24, das die Differenz oder das Verhältnis der Photoströme der Elemente 21, 22 anzeigt.
Die Fig. 3 gibt das Gesichtsfeld in der Ebene 16 wieder, in dem die Blende 19 die Belgrenzungen 19' und 19" ergibt, und die Bildtrennungskante 18 sowie das Bild 25 des Teilstriches, der an dieser Kante in zwei Teilbilder 25' und 25" zerlegt wird, sichtbar sind. Das eine Teilbild (beispielsweise 25') wird nach Reflexion an der Verspiegelung 20 dem lichtempfindlichen Element 21 zugeführt, während das andere Teilbild 25" durch die Prismen 17' und 17" hin- durchtritt und auf das lichtempfindliche Element 22 einwirkt.
Zum Vergleich der Lichtströme lassen sich verschiedenartige lichtelektrische Einrichtungen heranziehen. Es hat sich gezeigt, dass lichtempfindliche Elemente vom Einkristalltyp, vorzugsweise Germanium Photodioden oder Gennanium-Phototransistoren, besonders vorteilhaft sind. Sie weisen eine hohe Stabilität auf, wobei sich die Möglichkeit ihrer Verwendung ohne Vorspannung als besonders günstig erwiesen hat. Nach den Untersuchungen weisen jedoch nicht nur die vorzugsweise verwendeten Germanium-Photodioden ein den Anforderungen der Messungen genügendes Verhalten auf, sondern es zeigen darüber hinaus auch noch ähnlich aufgebaute Halbleiterelemente, wie Silicium oder gewisse binäre intermetallische Verbindungen wie InSb, GaAs oder andere, zum gleichen Zweck brauchbare Eigenschaften.
Die lichtempfindlichen Elemente 22 und 21 sind beide in einem gut wärmeleitenden, z. B. metallischen Körper untergebracht, so dass also die lichtempfindlichen Elemente ständig auf gleichem Temperaturniveau gehalten werden. Es entstehen so keinerlei Empfindlichkeitsänderungen, welche die Messung be einflusses können.
Nach Fig. 4 weist das zweite Ausführungsbeispiel wiederum den Massstab 1, das optische abbildende Element 4, das den Abbildungsstrahlengang durch- setzende optische Mikrometermittel 6 und den Trä ger der Glasplatte 9 mit der Mikrometerskala auf.
Das Okular und die Strichplatte sind nicht dargestellt.
Über den wahlweise einschaltbaren oder ständig dort vorgesehenen, dann beispielsweise halbdurchlässigen Reflektor 26 wird das Bild der Teilungsmarke nach entsprechender Vergrösserung durch das optische abbildende System 27 zwei eng nebeneinanderliegenden, in einer Differenzschaltung angeordneten Sperrschicht photoelementen 28, 29 zugeführt. Verteilt sich das Bild 30 der Teilungsmarke gleichmässig auf beide Elemente 28, 29, so heben sich deren Spannungen auf. Verschiebt sich das Bild der Marke, so entsteht an den Elementen 28, 29 eine Differenzspannung, die einen Strom durch den Messkreis 31, der einen Widerstand 32 und ein entsprechendes Messinstrument 33 enthält, treibt. An dem Anzeigegerät 33 können also Unsymmetrien der Markenlage abgelesen werden.
Diese Anordnung eignet sich darüber hinaus nicht nur zur Kontrolle der Koinzidenz der Teilungsmarke mit dem Ableseindex, sondern erlaubt weiterhin auch eine elektrische Interpolation, indem etwa am Messgerät 33 die zu interpolierende Grösse abgelesen wird.
Beim Ausführungslbeispiel nach Fig. 5 ist ein Teilkreis 40, z. B. der Horizontalkreis eines Theodoliten, vorgesehen, der mit demselben um dessen vertikale Achse 41 drehbar ist. Die Ablesestellen des Teilkreises, die um 1800 gegeneinander versetzt sind, werden nach einem Koinzidenzverfahren abgelesen. Der Teilkreis wird durch eine Lichtquelle 42 über das Prisma 43 beleuchtet, so dass die eine der beiden abzulesenden Teilkreisstellen gleichmässig ausgeleuchtet ist. Die ausgeleuchtete Abiesestelle wird über ein Prisma 44 durch das optische abbildende System 45 nach Reflexion an einem Prisma 46 auf die andere Ablesestelle abgebildet. Die Bilder der Teilstriche verschiedener Ablesestellen liegen dann gegeneinander versetzt auf einer geraden Linie.
Sie werden über ein Prisma 47 nebeneinander herlaufend durch ein optisches abbildendes System 48 in die Ebene 49 abgebildet, welche die Objektebene des Okulars 50 ist.
Beide Ablesestellen werden an einer Bildtrennungskante zur Abbildung gebracht. Hierzu dient die Pris menkombination 51. Der eine der beiden nebeneinanker herlaufenden Abbildungsstrahlengänge 52, 53 wird nach Reflexion an der reflektierenden Fläche 54 des Prismas 55 und abermaliger Reflexion an der Strahleneintrittsfläche 56 des Prismas 55 unterhalb der als Bildtrennungskante dienenden Prismenkante 57 in der Bildebene 49 scharf abgebildet.
Das andere der beiden Bilder, also 53, durchsetzt das noch zu erläuternde optische Element 58 und tritt durch das Prisma 55 über die Fläche 56 und den unverspiegelten Teil der Fläche 54 hindurch und wird dann an der Fläche 59 des Prismas 60 reflektiert und oberhalb der Bildtrennungskante 57 in der Objektebene 49, die Bildebene des Objektivs 48 ist, scharf abgebildet.
Das Gesichtsfeld 61 des Okulars 50 ist der Veranschaulichung wegen vergrössert separat dargestellt.
An der Bildtrennungskante 57 stehen sich Ablesestellen 64, 65 mit den Teilungsmarken des Teilkreises 40 gegenüber.
Das optische Mittel des Mikrometers, eine planparallele Glasplatte 62, ist um die Achse 63 schwenkbar. Bei Drehungen der Planglasplatte 62 um die Achse 63 werden die Abbildungsstrahlengänge 52 und 53 parallel versetzt, so dass im Gesichtsfeld des Okulars 50 ein Wandern der Ablesestellen an der Bildtrennungskanbe 57 beobachtet werden kann Der Abbildungsstrahlengang 53 durchsetzt das optische Element 58, das eine Seitenvertauschung des Bildes bewirkt. Hierdurch wird erreicht, dass sich die beiden Bilder 64 und 65 an der Bildtrennungskante 57 beim Schwenken des optischen Mittels 62 antiparallel bewegen.
Durch Verschwenken der Glasplatte 62 werden die sich einander gegenüberstehenden Teilungsmarken miteinander zur Deckung gebracht und die Verschwenkung der Glasplatte 62 an einer Skalenplatte 66, deren Teilung im Gesichtsfeld des Ablesemikroskops sichtbar ist, abgelesen.
In der Seitenansicht der Mikrometeranordnung nach Fig. 6 sind das abbildende System 48, das optische Mittel des Mikrometers 62, die Skalenplatte 66 mit der darauf aufgebrachten Teilung 70, die in einem Ausschnitt 71, der Gesichtsfeldblende 72 im Okular 50 sichtbar wird, dargestellt. Das seitenvertauschende optische Element 58 besteht aus zwei aneinanderliegenden Prismen 58' und 58", die von dem Abbildungsstrahlengang 53 unter dreimaliger Reflexion durchlaufen werden. Das Ablesemikroskop 50 weist das Gesichtsfeld 61 auf.
Im Abbildungsstrahlengang des Mikrometers nach Fig. 5 ist wieder hinter dem optischen Mittel 62 ein in den Abbildungsstrahlengang einbringbarer oder dort ständig befindlicher Reflektor 80 angeordnet.
Die Abbildungsstrahlengänge 52 und 53 werden nach Vergrösserung durch ein optisches System 81 in der Ebene der Bildtrennungskante 82 der Prismenkombination 83 abgebildet, die wie das Element 51 aufgebaut ist, so dass sich dessen nähere Beschreibung erübrigt. In der Ebene der Bildtrennungskante 83 entsteht also ein Bild entsprechend dem vergrössert herausgezeichneten Gesichtsfeld 84. Dieses Bild unterscheidet sich von Bild 61 dadurch, dass die Bilder der beiden Ablesestellen an der Bildtrennungskante 82 sich jetzt bei Verdrehung des optischen Mittels 62 nicht antiparallel, sondern parallel verschieben. Die Abbildung des bei der Kante 82 liegenden Zwischenbildes erfolgt über das optische abbildende System 85 nach abermaliger Vergrösserung in die Ebene 86, in der gleichzeitig eine spaltförmige Gesichtsfeldblende 87 angeordnet ist.
Hinter dieser Gesichtsfeldblende ist ein weiteres bildaufteilendes optisches Element angeordnet, dessen Bildtrennungskante 89 durch die Aussenkante des prismatischen Körpers 88 gebildet wird. Die Bildtrennungskante 89 ist gegen die Kante 82 um 90" räumlich verdreht. Das Gesichtsfeld 90 in der Ebene 86 ist vergrössert herausgezeichnet. Zwei sich gegenüberstehende Teilungsmarken 91 und 92 und ihre engere Umgebung werden durch die Bildtrennungskante 89 in zwei Teilbilder zerlegt, deren zugehörige Lichtströme 93 und 94 der nicht elektrischen Vergleichseinrichtung 95 zugeführt werden, in der sie auf Gleichheit miteinander verglichen werden.
Zwei lichtempfindliche Elemente 96 und 97 sind mit einem Gleichstromverstärker 98 verbunden und dieser mit einem in einer Brückenschaltung angeordneten Gleichstrominstrument, das die Gleichheit der beiden Lichtströme 93, 94 anzeigt. Sind diese gleich, so sind die sich gegenüberstehenden Teilungsmarken 91, 92 wieder optisch auf die Bildtrennungskante 89 ausgerichtet. Justiert man die Bildtrennungskante 89 in bezug auf den Nullpunkt des Mikrometers, so stimmt die Anzeige des elektrischen Teiles der Einrichtung mit der Anzeige des optischen Teiles dieser Einrichtung überein.
Es ist selbstverständlich, dass auch hier der Vergleich der beiden Lichtströme 93, 94 mit allen aus der Differentialphotometrie her geläufigen Mitteln vorgenommen werden kann. Insbesondere kann also auch nach dem Wechsellichtverfahren gearbeitet werden. Hierzu kann in üblicher Weise eine rotierende Blende 100 verwendet werden, die abwechselnd den einen oder den andern der beiden Lichtströme für ein einziges lichtempfindliches Element freigibt. In diesem Fall ist der Verstärker 98 ein Wechselstromverstärker und eine Einrichtung 99 gestattet, die Gleichheit der in diesem Wechselstrom enthaltenen Einzelamplituden festzustellen.
Es ist darüber hinaus einzusehen, dass die beschriebenen Vorrichtungen nicht das herkömmliche Mikrometer aufweisen müssen. Vielmehr kann die Ableseeinrichtung für die Massstäbe von vornherein so ausgebildet sein, dass auf besondere optische Mittel zur subjektiven Ablesung der Koinzidenz verzichtet wird. Optische Ableseeinrichtungen würden dann lediglich zur Grobablesung des Massstabes notwendig sein. Auch kann es für die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung von Vorteil sein, wenn man den Unterteilungsmarken des Massstabes eine zweckmässigere Form als die übliche Strichform gibt undl oder diese als selbstleuchtende Marken ausbildet. Sie können kreisförmig oder auch anders ausgebildet sein.
Die vorgeschlagene Vorrichtung hat den Vorzug, überall dort einsetzbar zu sein, wo es auf die genaue Einstellung einer Marke auf einen Ableseindex ankommt.