CH392079A - Einrichtung zur ziffernmässigen Messung der Verschiebung eines Gegenstandes - Google Patents

Description

  



  Einrichtung zur   ziffernmässigen Messung    der Verschiebung eines Gegenstandes
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum   ziffermässigen    Messen der Verschiebung eines.



  Gegenstandes in bezug auf einen anderen, wobei ein Raster, das gemeinsam mit dem Gegenstand verschoben wird, eine Lichtquelle und ein photoelektrisches Element benutzt werden, in welchem Element durch die Zusammenwirkung mit der Lichtquelle und dem Raster während der Verschiebung ein periodisches Signal erzeugt wird, wobei die Anzahl von Perioden abhängig ist von der   Grolle    der Verschiebung, und weiter eine sich mit konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit drehende Trommel vorgesehen ist, die auch mit einem in der Bahn der Lichtstrahlen liegenden Raster versehen ist, das durch eine Optik derart mit dem erstgenannten Raster zusammenwirkt, dass die Anzahl bei der Verschiebung erzeugter Signalperioden   ausserdem von    der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Drehsinn der Trommel abhängt.

   Ein Beispiel einer bekannten Einrichtung dieser Art ist in Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht.



   In Fig. 1 bezeichnet 1 das verschiebbare Raster und 2 eine Lichtquelle, deren Strahlen durch eine Anzahl von Optiken und durch das Raster 1 eine photoelektrische Zelle 3 treffen. Die Lichtquelle 2 ist innerhalb einer am Umfang mit einem Raster versehenen Trommel angeordnet. Die Trommel ist um eine zur Zeichnungsebene senkrechte Achse drehbar, und die   Rasterlinien ahnlich    wie die des Rasters 1 werden als senkrecht zur Zeichnungsebene angenommen.



   Von der Lichtquelle 2 wird durch eine erste Optik 5 eine Abbildung an der Stelle einer zweiten Optik 6 gebildet, wobei die aus der Optik 5 hervortretenden Strahlen durch das Trommelraster 4 hindurchgehen. Die Optik 6 erzeugt von dem letztgenannten Raster eine Abbildung auf dem Raster 1, wobei die aus der Optik 6 hervortretenden Strahlen teilweise durch den halbdurchlässigen Spiegel 8 hindurchfallen und teilweise von diesem reflektiert werden. Letztere Strahlen erzeugen von dem Trommelraster 4 eine Abbildung auf einem dritten, feststehenden Raster 9, dessen Rasterlinien auch zur Zeichnungsebene senkrecht sind. Die Bilder des Trommelrasters haben die gleiche Rasterperiode wie das Raster, auf dem sie abgebildet werden.



   Die Optik 7 erzeugt eine Abbildung der Lichtquelle auf dem photoelektrischen Element 3, die Optik 10 erzeugt eine Abbildung auf dem photoelektrischen Element 11. Es ist ersichtlich, dass in den   erwahnten photoelektrischen    Elementen periodisch Signale erzeugt werden. Wenn sich das Raster 1 nicht   bewegt,    ist die Wiederholungsfrequenz dieser zwei Signale dieselbe ; sie wird lediglich durch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel 4 und die Periode des Trommelrasters bedingt.

   Wenn jedoch das Raster 1 sich in Richtung des Pfeiles verschiebt, das heisst gegen die Richtung, in der sich die veranschaulichten Rasterlinien der Trommel 4   langes    des Rasters 1 verschieben, so ist die Grundharmonische des Signals im Element 3 durch :    si = C    sin   (S2t-I-2np)    bestimmt, wobei C eine   Konstante, Q    die durch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel und die   Rasterperiode    derselben bedingte Signalfrequenz, x die   Grolle    der Verschiebung und p die Periode des Rasters 1 bezeichnen.



   Das, Signal im Element 11 ist lediglich von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel 4   ahan-    gig und wird durch   SO =      C'sin      D    t bedingt. Durch   Impulszählung    in der Vorrichtung 12   lässt    sich der Wert von x bestimmen. Dieser Wert kann positiv oder negativ sein. Es ist einfach, die Einrichtung derart auszubilden, dass positiv oder negativ gezählt wird   in Abhängigkeit    von dem Verschiebungssinn des Rasters 1.



   Ein   Orteil    dieser bekannten Vorrichtung ist   der. dans    zur   Verstärkung    der Signale ein Wechselspannungsverstärker benutzt werden kann, da auch beim Stillstehen des Rasters 1 in den Elementen 3 und 11   Wechselströme    erzeugt werden.



   Die geschilderte bekannte Einrichtung hat den Nachteil, dass das verschiebbare Raster eine   verhält-      nismässig grosse    Periode haben   mués,    da sonst das Abbilden des Trommelrasters auf den anderen Rastern Schwierigkeiten bereitet. Wenn somit eine genauere Messung gewünscht wird, ist es stets notwendig, die Schaltungsanordnung derart auszubilden, dass Interpolierung möglich ist. Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beheben.



   Die Einrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass durch optische Mittel das Trommelraster auf einem von dem ersten Raster abgeleiteten Interferenzmuster oder umgekehrt abgebildet wird, wobei das Raster der Trommel sich mit dem Interferenzmuster decken kann und Mittel vorhanden sind, um die durch die Zusammenwirkung des Trommelrasters und des Interferenzmusters entstehenden Lichtschwankungen zu detektieren und die erhaltene Wechselspannung   phasenmässig    mit einer anderen von dem Trommelraster abgeleiteten Wechselspannung zu vergleichen.



   Da ein Interferenzmuster benutzt wird, ist es möglich, die Rasterkonstante bedeutend kleiner zu wählen als bei der bekannten Einrichtung, so dass die Genauigkeit   proportional grösser    wird.



   Das Interferenzmuster kann durch ein zweites Raster gebildet werden, dessen Periode etwas von dem sich bewegenden Raster verschieden ist oder dessen Rasterlinien einen kleinen Winkel mit den Rasterlinien des beweglichen Rasters machen.



   Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erstgenannten Falles. Entsprechende Einzelteile sind hier durch die gleichen   Bezugsziffern    bezeichnet wie in Fig. 1.



   Die Einrichtung unterscheidet sich im wesentlichen von der nach Fig. 1 darin,   dass ausser    dem hier durch 13 bezeichneten, beweglichen Raster ein Raster 14 vorgesehen ist, das   gogenüber    dem ersten Raster 13 stillsteht, und dass die Rasterperioden dieser Raster bedeutend kleiner gewählt sind als die des Rasters 3 in Fig.   1.    Dies   ermöglicht ausserdem,    die Beugung der Lichtstrahlen und die erhaltenen Beugungsmaxima zu benutzen. Die Perioden der Raster 4 und 9 sind gleich geblieben. Es ist weiter eine zu  sätzliche    Optik 15 vorgesehen, die dazu dient, die durch den Spiegel durchgelassenen Strahlen parallel zueinander zu machen (Kollimator).

   Das Raster 14 ist in einem geringen Abstand von dem Raster 13 angeordnet, wobei die Rasterlinien parallel zueinander liegen ; die   Rasterkonstanten    unterscheiden sich z. B. um einige Prozente von der des Rasters 13. Die Rasterperiode kann von der   Grössenordnung    von   10/sein.   



   Die Achsen der Optiken 5, 6 und 15 schliessen einen kleinen Winkel mit der Senkrechten auf der Ebene der Raster 13 und 14 ein. Es ist infolgedessen möglich, z. B. die Beugungsmaxima von der Ordnung 0 und 1 zu benutzen. In der Fig. 2 ist der Verlauf der entsprechenden Strahlung zwischen dem Raster 14 und der Zelle 3 veranschaulicht. Die Optik 7 bildet einen Teil der Lichtquelle an der Stelle der photoelektrischen Zelle. Infolge der verschiedenen Rasterperioden wird an den Stellen der Raster 13 und 14 ein   Moiré    Muster gebildet, das durch Zusammenwirkung mit dem örtlichen Bild des Trommelrasters in der photoelektrischen Zelle 3   Lichtänderungen    erzeugt. In der Zelle 11 wird wieder ein periodisches Signal erzeugt, das lediglich von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Trommel abhängig ist.

   Die periodischen Signale der zwei Zellen enthalten gemeinsam wieder die Information, durch welche die   Grolle    und die Richtung der Verschiebung bestimmt werden kann. Die zwei Signale werden durch    si    = C sin   (fi t    +   2sr,) und S"=      C'sin      Q    t    p    bedingt. Darin bezeichnet p'die Rasterperiode des Rasters 13. Es wird angenommen, dass die Periode des Rasters 14   grösser    ist als die des Rasters 13 ; während die Rasterperiode der Trommel in der Abbildung gleich der Periode des Interferenzmusters ist.

   Die Periode des Trommelrasters kann sich dabei von der gleichen   Grössenordung    wie vorher herausstellen, aber die Genauigkeit wird durch die dabei bedeutend kleinere Periode des beweglichen Rasters bedingt.



   Fig. 3 zeigt ein auf dem gleichen Prinzip beruhendes Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Hilfsraster in dem Bildfeld auf die in Fig. 3a veranschaulichte Weise benutzt werden. Das Raster 14 nach Fig. 2 ist durch ein aus den Teilen   14'und    14"bestehendes Raster ersetzt, wobei die Rasterperiode des ersten Teiles etwas   grösser    und die des zweiten Teiles etwas kleiner ist als die Rasterperiode eines beweglichen Ra  stems.    Die photoelektrische Zelle 11, der Spiegel 8 und die Optik 10 sind dabei entbehrlich ; die Zelle 3 wird jedoch durch zwei Zellen 3'und 3"ersetzt, welche die Lichtstrahlen von den Rasterteilen 14' bzw. 14"auffangen. Die Trennung zwischen den Teilen erstreckt sich parallel zur Zeichnungsebene.



   Bei dieser Ausführungsform werden an der Stelle der Raster 13,   14'und    14"zwei Interferenzmuster erzeugt, was in Fig. 3b veranschaulicht ist, die sich bei einer Verschiebung des beweglichen Rasters 13 im entgegengesetzten Sinne bewegen ; das obere wird sich in dem gleichen Sinne wie das Raster 13 und das untere sich im entgegengesetzten Sinne bewegen.



  Zum Erzeugen der Abbildungen auf den zwei photoelektrischen Elementen werden zwei mit den Rasterteilen zusammenwirkende Optiken 6'und   6"ver-    wendet, die aus je einer Linse und einem Prisma bestehen, die gewünschtenfalls ein Ganzes miteinander bilden können. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Bilder in räumlich gesonderten Punkten erzeugt werden.



   Die Signale in den zwei Zellen 3'und   3"wer-    den dabei durch
EMI3.1     
 bedingt. Diese Signale enthalten wieder alle Information, die zur Bestimmung der   Grösse    und des Sinnes der Verschiebung notwendig ist. Sie werden einer an sich bekannten Vorrichtung 12 zugeführt, welche diese Information mittels   Zählwerke    verarbeitet.



   Statt der Rasterteile, deren Rasterperioden etwas verschieden sind, können Rasterteile mit gleichen Perioden aber mit Rasterlinien verwendet werden, die einen kleinen Winkel mit den Rasterlinien des beweglichen Rasters machen, wobei die Neigung der Linien von den zwei Teilen   gegeniiber    denen des beweglichen Rasters entgegengesetzt ist. Eine solche   Ausführungsforin    ist in Fig. 4a veranschaulicht. Das entsprechende Interferenzmuster hat die in Fig. 4b veranschaulichte Gestalt ; die Bewegungsrichtung der   Moiré-Linien    bei einer Verschiebung des beweglichen Rasters im positiven Sinne ist durch die Pfeile angedeutet.



   Da   die Moiré-Linien    in diesem Falle annähernd zu den Rasterlinien des beweglichen Rasters senkrecht sind, ist es bei dieser Ausführungsform auch notwendig, die Linien des Trommelrasters senkrecht zu den Linien der beweglichen Raster anzuordnen.



  Die Trommel muss somit in der in Fig. 4 angedeuteten Weise angeordnet werden, wobei die Drehachse in der Zeichnungsebene liegt.



   Ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Interferenzmuster mittels eines einzigen, beweglichen Rasters erzeugt wird, das auf sich selbst abgebildet wird, ist in Fig.   5    veranschaulicht. Die durch das Rasten 13 fallenden Strahlen bilden dabei wieder Beugungsmaxima, von denen die der Ordnung   +1    und-1 für die Abbildung benutzt werden. Zu diesem Zweck wird das Raster 13 als Phasenraster mit   grosser Intensität    in der   +1.      und-1.    Ordnung ausgebildet, wobei die Intensität in der Nullordnung klein sein kann. Das Maximum der Nullordnung wird unterdrückt, sofern es noch nicht hinreichend schwach ist, da der Spiegel 17 in der Mitte mit einem dunklen Teil 20 versehen ist.

   Vor dem Spiegel ist die Optik 18 angeordnet, durch welche die Abbildung des Rasters auf sich selbst erzeugt wird. Der Strahlenverlauf ist im oberen Teil der Fig. 5 angedeutet.



   Zum Erzielen der elektrischen Signale ist   ausser-    dem ein   halbdurchlässiger    Spiegel 16 vorgesehen, der die   zurückkehrenden    Strahlen   liber    ein prismatisches Linsensystem gleicher Gestalt wie das System 6',   6"in    Fig. 3 auf die   photoelektrischen    Zellen projiziert.



   Zum Erzielen von zwei, gegeneinander beweglichen Interferenzmustern ist in der unteren Halte des Gesichtsfeldes eine planparallele Platte 19 aus lichtdurchlässigem Material vorgesehen, die eine solche Brechung der Lichtstrahlen in diesem Teil des Feldes hervorruft, dass ein   Moire-Muster    nach Fig.   Sa    entsteht.



   In Fig.   5b    ist das System in einer anderen Ansicht veranschaulicht. Die Hauptfläche der Optik des Objektivs 18 und des Spiegels 17 ist mit 21 bezeichnet.



   Die   Moiré-Periode    wird hier   annähernd    durch :
1 c n
2 d n-1 bedingt, wobei c den Abstand zwischen dem Raster und der Hauptfläche, d die Stärke der planparallelen Platte und n den Brechungsindex bezeichnen.



   Die zwei   Rasterhälften    werden auf den photoelektrischen Zellen abgebildet und erzeugen darin sinusförmige Sigmente mit der Gestalt.
EMI3.2     




   Während bei der Einrichtung nach Fig. 3 die Genauigkeit in bezug auf die Einrichtung nach Fig. 2 verdoppelt wird, wird bei der Einrichtung nach Fig. 5 eine achtfache Genauigkeit erzielt.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zum ziffermässigen Messen der Verschiebung eines Gegenstandes in bezug auf einen anderen, wobei ein Raster, das gemeinsam mit dem Gegenstand verschoben wird, eine Lichtquelle und ein photoelektrisches Element benutzt werden, in welchem Element durch die Zusammenwirkung mit der Lichtquelle und dem Raster während der Verschiebung ein periodisches Signal erzeugt wird, wo- bei die Anzahl von Perioden abhängig ist von der Grolle der Verschiebung, und weiter eine sich mit konstanter Umdrehungsgeschwindigkeit drehende Trommel vorgesehen ist, die auch mit einem in der Bahn der Lichtstrahlen liegenden Raster versehen ist, das durch eine Optik derart mit dem erstgenannten Raster zusammenwirkt,

   dass die Anzahl bei der Verschiebung erzeugter Signalperioden ausser- dem von der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Drehsinn der Trommel abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass durch optische Mittel das Trommelraster auf einem aus dem ersten Raster abgeleiteten Interferenzmuster oder ungekehrt abgebildet wird, wobei das Raster der Trommel sich mit dem Inter ferenzmuster decken kann und Mittel vorhanden sind, um die durch die Zusammenwirkung des Trommelrasters mit dem Interferenzmuster erzeugten Lichtänderungen zu detektieren und die erhaltene Wechselspannung phasenmässig mit einer anderen, dem Trommelraster entnommenen Wechselspannung zu vergleichen.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzmuster durch ein zweites Raster gebildet wird, dessen Periode etwas von der Periode des beweglichen Rasters verschieden ist oder dessen Rasterlinien einen kleinen Winkel mit den Rasterlinien des beweglichen Rasters machen und das parallel zu und in der Nähe von dem beweglichen Raster angeordnet ist.

   2. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzmuster durch ein Hilfsraster gebildet wird, das aus zwei Teilen besteht, wobei die Rasterlinien eines Teiles eine etwas grö- ssere Periode und die des anderen Teiles eine etwas kleinere Periode als das bewegliche Raster haben, während die Teile der auf diese Weise erzeugten, einander entgegengesetzt beweglichen Interferenzmuster auf verschiedene photoelektrische Zellen fallen, deren Ausgangssignale miteinander verglichen werden.

   3. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Interferenzmuster durch ein Hilfsraster gebildet wird, das aus zwei Teilen besteht, deren Linien in entgegengesetztem Sinne ge "entuber dem beweglichen Raster etwas gedreht sind in der Weise, dass zwei einander entgegengesetzt bewegliche Interferenzmuster gebildet werden, die in verschiedenen Zellen detektiert werden, wobei die elektrischen Signale der Zellen miteinander verglichen werden.

   4. Einrichtung nach Patentanspruch, wobei das Interferenzmuster dadurch erzeugt wird, dass das bewegliche Raster mittels einer Optik auf sich selbst abgebildet wird, wobei in einem Teil des Bildfeldes eine planparallele Platte aus finir Licht durchlässi- gem Material angeordnet ist, die eine solche Verschiebung des Bildes henorruft, dass das Interferenzmuster aus zwei einander entgegengesetzt beweglichen Teilen besteht, die gesondert detektiert werden, während die Ausgänge der Detektoren miteinander verglichen werden.