Vorrichtung zum Bestimmen der Verschiebung eines Objektes gegenüber einem anderen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen der Verschiebung eines Objektes gegen über einem andern, mittels eines mit dem Objekt verbundenen Rasters, dessen Linien nahezu senk- recht zur Verschiebungsrichtung des Objektes stehen, wobei weiterhin eine Lichtquelle vorhanden ist, die mittels des Rasters mit einem photoelektrischen Element zusammenwirkt, in dem ein periodisches Signal erzeugbar ist, dessen Periodenzahl der Grösse der Verschiebung proportional ist.
Zur Erzielung einer Anzeige des Sinnes der Verschiebung ist es bekannt, das bewegliche Raster mit einem festangeordneten Raster zusammenwirken zu lassen, welches eine etwas andere Rasterperiode als die des, ersten Rasters hat, oder mit dem ersten Raster einen kleinen Winkel einschliesst. Auf diese Weise ergibt sich ein sogenanntes Moirémuster, das in zwei oder mehreren Photozellen Signale erzeugt, deren Phasenunterschied vom Bewegungssinn des Rasters abhängt.
Bei solchen bekannten Vorrichtungen verläuft die Signalspannung nahezu sinusförmig mit der Zeit.
In der Zählvorrichtung wird die Zahl der Nulldurchgänge gezählt, wobei von einem elektrischen Zähler mit bistabilen Multivibratoren Gebrauch gemacht wird. Durch Interpolierung kann eine noch genauere Bestimmung erzielt werden.
Da ein Raster immer Fehler aufweist und das entstandene Moirémuster also häufig unregelmässig ist, ist das beschriebene bekannte Verfahren nicht immer genau und zuverlässig. Das auf der Photozelle auftreffende Licht besteht weiterhin aus einem vom Untergrund herrührenden Teil und einem sich mehr oder weniger sinusförmig ändernden Teil. Der Untergrund ist Anderungen unterworfen, was zu Schwierigkeiten Anlass gibt. Ausserdem haben die üblichen Photodioden einen Dunkelstrom, der in beträchtlichem Masse von den herrschenden Verhältnissen abhängt. Infolge dieser Umstände besteht der Ausgangsstrom aus einem Gleichstromteil, dem der gewünschte Sinusstrom überlagert ist, wobei der Gleichstromteil in hohem Masse Anderungen unterworfen ist.
Dieser Gleichstromteil darf nicht von Filtern entfernt werden, da auch die Frequenz des Wechselstrosteils sich Null nahem kann, wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit sehr gering wird. Es ist daher sehr schwer, die zur Zählung dienenden Nulldurchgänge des eigentlichen Signalstroms genau zu bestimmen.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die erwähnten Nachteile in viel geringerem Masse aufweist.
Die, Erfindung besteht darin, dass Mittel zum Phasenmodulieren des periodischen Signals mit konstanter Frequenz vorgesehen sind und ein Detektor vorhanden ist, der aus dem modulierten Signale und dem Modulationssignal die Grösse und den Rich tungssinn der Verschiebung bestimmbar macht.
Das modulierbe Signal und das Modulationssignal können zusammen sämtliche Informationen enthalten, die zur Bestimmung nicht nur der Grösse, sondern auch der Richtung der Verschiebung notwendig sind. Der dazu notwendige Detektor kann in sehr verschiedener, teilweise bekannter Weise eingerichtet sein.
Die Modulation kann herbeigeführt werden, indem ein zweites Raster vorhanden ist und die beiden Raster zueinander verschiebbar sind, wobei gleichzeitig einem der Raster eine Vibrationsbewe- gung in der Verschiebungsrichtung erteilt wird. Die Linien der Raster sind dabei einander parallel, und die Raster haben die gleiche Periode.
Weiterhin kann ein optisches System mit Spiegel vorhanden sein, mittels dessen das erste Raster in natürlicher Grösse derart an sich abgebildet wird, dass sich die Abbildung in zum Raster selbst entgegen- gesetzter Richtung verschiebt, wobei dem Spiegel oder einem Teil desselben eine Vibration in Richtung des auffallenden Lichtes erteilt wird, wodurch das Signal phasenmoduliert wird.
Weiterhin kann dem Spiegel eine Kippbewegung um eine zur Linienrichtung des Rasters parallele Achse erteilt werden, was dadurch erfolgen kann, dass der Spiegel auf einem Stab oder einer Röhre aus magnetostriktivem Material exzentrisch befestigt wird.
Bemerkt wird, dass es an sich bekannt ist, eine Verschiebung auf optisch-elektronischem Wege zu messen, wobei eine Phasenmodulation des Lichtsignals verwendet wird. Von Rastern wird aber dabei kein Gebrauch gemacht.
Drei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung werden nachfolgend an Hand der Zeich- nungen näher erläutert.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen je ein Ausführungsbeispiel, und
Fig. 4 zeigt eine Abart des Detektors.
Aus Fig. 1 ist das bewegliche Raster 1 ersichtlich, dessen Rasterlinien senkrecht zur Zeichenebene gedacht sind. In kurzem Abstand vom ersten Raster ist ein zweites Raster 2 angeordnet, wobei die Rasterflächen einander parallel sind. Auch die Rasterlinien sind einander parallel, und die Bewe- gung ist senkrecht zu diesen Linien in der Rasterebene gerichtet. Das zweite Raster ist an einem der beiden Schenkel einer Stimmgabel 7 angebracht, so dass es bei Vibration der Stimmgabel in einer Richtung senkrecht zu den Rasterzeilen eine periodische Bewegung in seiner Ebene ausführt, deren Frequenz zum Beispiel einige tausend Perioden pro Sekunde betragen kann und deren Amplitude vorzugsweise kleiner als die Rasterperiode ist.
Die Bewegung wird durch eine an sich bekannte elektronische Vorrich- tung 8 aufrechterhalten, in der zum Beispiel ein rückgekoppelter Verstärker angebracht ist.
Weiterhin ist eine Lichtquelle 3 vorgesehen, welche in der Brennfläche der Kollimatorlinse 4 steht. Das aus der Kollimatorlinse heraustretende Licht fällt durch die beiden Raster, und man gebraucht dabei : erstens das vom Raster 1 erzeugte Bündel der ersten Ordnung aus dem Bündel der nullten Ordnung, welches vom Raster 2 erzeugt wird, und zweitens das vom Raster 1 erzeugte Bün- del der nullten Ordnung aus dem Bündel der ersten Ordnung, welches vom Raster 2 erzeugt wird.
Diese in Richtung zusammenfallenden kohärenten Bündel treffen über die Linse 5 auf die photoelektrische Zelle 6 auf, in der ein Signal entsteht, das bei der Bewegung des Rasters 1 ein sinusförmiges periodisches Signal mit einer Kreisfrequenz
2av a) = p ist, wobei p die Rasterperiode und v die Verschiebung pro Sekunde des Rasters 1 darstellt. Wenn gleichzeitig das Raster 2 eine Vibrationsbewegung mit der Kreisfrequenz Q ausführt, entsteht in der Leitung A ein Signal, das durch Si = const + C sin (c,. r + b sin Qt) dargestellt werden kann.
Das Signal besteht aus einem konstanten Teil und einem phasenmodulierten, sich sinusförmig än- dernden Teil. Es wird mit einem aus der Vorrichtung 9 abgeleiteten Signal kombiniert. Die Signale enthalten zusammen sämtliche Information über die Grösse und den Sinn der Verschiebung des Rasters 1.
Diese Signale können auf verschiedene Weise zur Anzeige der Verschiebung benutzt werden.
In Fig. 1 ist beispielsweise vorausgesetzt, dass das an der Stelle B auftretende Signal, das durch 52 = C sin (Qt +) dargestellt werden kann, in der Vorrichtung 10 um den Winkel p phasengedreht wird und gleichfalls in der Vorrichtung 11 phasengedreht und hier gleichzeitig in der Frequenz verdoppelt wird. Es ergeben sich also in den Punkten C und D Signale, welche sin Qt bzw. cos 2 Qt proportional sind und in den Vorrichtungen 12 und 13 mit dem von der Photozelle herrührenden Signal kombiniert werden. Die zuletzt genannten Vorrichtungen sind multiplikative Detektoren.
Die darin erzeugten Wechselspannungen werden durch die Vorrichtungen 14 und 15 hindurchgeleitet, welche einen unterhalb 1/2 ss liegenden Frequenzbereich durchlassen.
Das in der Leitung A auftretende Signal kann geschrieben werden : SI. = const + C [sin (oxfJo (b) + 2J2 (b) cos2Dt + 2J, (b) cos40t......] + C[cos?x{2J1(b)sin Ot+2J3(b)sin 3Ot+ ].
Darin sind J0 (b), Jx (b) usw. die Besselschen Funktionen der nullten Ordnung, der ersten Ordnung usw. in b, wobei b=2?u? p (u = Amplitude des Schenkels der Stimmgabel und p = Rasterperiode).
Es ist leicht einzusehen, dass nach multiplikativer Detektion und Filtrierung an jeder der Ausgangsklemmen F und H ein Glied jeder Reihe verbleibt, und zwar an F ein Glied proportional zu cos ogx und an H ein Glied proportional zu sin s9X. Die dementsprechenden Spannungen können einem Indikator, zum Beispiel den Platten eines Elektronenstrahl Oszillographen zugeführt werden, der mittels eines sich in einem bestimmten Signe drehenden Licht flecks die Grösse und den Sinn der Bewegung kenn bar macht.
Beim beschriebenen Detektor mu¯ ein Gleichspannungsverstärker verwendet werden. Ein Detektionsverfahren, welches den Vorteil bietet, dass ausschliesslich Wechselspannungsverstärker verwendet werden können, wird bei der in Fig. 4 schematisch dargestellten Vorrichtung verwendet.
Das im Punkt B auftretende Signal, dessen Frequenz durch die Eigenfrequenz der Stimmgabel bedingt wird, ist proportional zu sin (. + q7). Es wird den Vorrichtungen A1 und Az zugefiihrt, in denen aus diesem Signal Impulse gebildet werden.
Die Vorrichtung Ai, die als ein vom Signal S2 gesteuerter Impulsgenerator betrachtet werden kann, liefert kurze Impulse in Dt = 0, Qt = ; r, Ot = 2 ? usw. entsprechenden Zeitpunkten. Diese Impulse werden den Torschaltungen B1 und B2 zugeführt, denen gleichzeitig das vomVerstärkerBt hezührende Signal S, das der Wechselspannungskomponente des Signals im Ausgang der Photodiode entspricht, gegenphasig zugeführt wird. Die Torschaltungen B sind ge¯ffnet, wenn das Steuersignal positiv ist.
Die Ausgangsspannungen von B, und Bs wirken auf eine bistabile Schaltung Cl, die derart eingerichtet ist, dass die Ausgangsspannung positiv ist, wenn der eine Eingang Impulse empfängt, und negativ ist, wenn der andere Eingang Impulse empfängt. Die Vorrichtung Bt kann als Filter ausgebildet sein, welches die Gleichspannung unterdrückt.
Die Vorrichtung A2 liefert Impulse in den Ot qat = 3a, Qt = 5a usw. entsprechenden Zeitpunkten. Diese Impulse werden den Torschaltungen B : ; und B. i zugeführt. Es gibt noch einen : zweiten Ausgang, in dem Impulse gebildet werden, die den durch Ot = 0, Qt = 2 ? Ot = 4z usw. be dingten Zeitpunkten entsprechen. Diese Impulse werden den Torschaltungen B5 und Bs zugeführt.
Auch diese Torschaltungen sind geöffnet, wenn das Steuersignal positiv ist. In der Vorrichtung B2 wird wieder die Gleichspannungskomponente des von der Photodiode herrührenden Signals unterdrückt, so dass nur die Wechselspannungskomponente
S = C sin (ogx + b sin S2t) verbleibt, die gleichzeitig differentiiert wird, wobei zwei Ausgangsspannungen + dS/dt und -dS/dt entstehen, die den Torschaltungen B3, B6 bzw. den Tor schaltungen B4, B5 zugeführt werden.
Wenn
S = sin ( (ox + b sin Ot) so ist -= cos (?x+b sinOt)(? dx/dt+bOcosOt).
Bei nicht zu grossen Geschwindigkeiten des ersten Rasters, also bei kleinem Wert von dt, gilt folgendes : wenn 0 < (ox < , T, so ist S positiv für sin S2t = 0, a, 2s,..., so dass die Impulse von B2 nach Ci gehen und die Klemme I positiv ist.
Ist -?/2 < ?x < +?/2, so ist---positiv für = 0, 2?, 4 ? usw. Die Impulse von Bo gehen also nach C2. dS/dt ist negativ für ir Ot=?, 3?,5? usw., so dal3 die Impulse von B4 nach C2 gehen. In den beiden Fällen ist also die Klemme II positiv.
Wenn nun z < cox < 2 a, so ist die Klemme I negativ, und wenn
3 y < < -' so ist die Klemme II negativ. Es ergibt sich also folgendes Schema : ?X 1/2? ? 11/2? 2? 21/2? 3? +-+ +-
II + - - + +
An den Klemmen I und II entstehen also gegenseitig um 90 phasenverschobene Impulsreihen, aus denen in gleicher Weise wie früher eine Anzeige der Grösse und des Sinnes der Verschiebung erzielt werden kann.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 2, bei der ähnliche Signale wie bei der nach Fig. 1 erzeugt werden und die in gleicher Weise in Anzeigespannung überführt werden können, ist ein halbdurchlässiger Spiegel 18 in den Strahlengang der Lichtquelle 3 gesetzt und ein optisches System 19 vorgesehen, mittels dessen auf dem Raster 1 eine Abbildung in nat rlicher Grösse des Rasters selbst erzeugt wird. Das Raster 1 ist dazu in der vordern Brennfläche des Linsensystems 19 angeordnet. Das aus der Kollimatorlinse 4 heraustretende Bündel trifft auf d'as Raster 1 auf.
Von den durch das Raster 1 hindurchtretenden B ndeln werden die der nullten und der ersten Ordnung verwendet, welche über das Linsensystem 19 auf den in der hintern Brennfläche von 19 angebrachten flachen Spiegeln 17 und 16 auftreffen, von denen 17 fest angeordnet und 16 am Schenkel einer vibrierenden Stimmgabel befestigt ist. Nach Zurückwerfung fallen die Bündel über 19 in der Rückwärtsrichtung auf das Raster. Von den aus diesem zurückgewor- fenen Licht vom Raster 1 erzeugten Bündeln werden verwendet : erstens das vom Raster 1 aus dem von 17 herrührenden Licht erzeugte Bündel der nullten Ordnung und zweitens das vom Raster 1 aus dem vom 16 herrührenden Licht erzeugte Bündel der ersten Ordnung.
Diese kohärenten, in Richtung zusammenfallenden Bündel treten in der Rückwärtsrichtung durch die Kollimatorlinse 4 und beleuchten nach Zurück- werfung durch den halbdurchlässigen Spiegel 18 die in der Brennfläche der Kombination von 4 und 18 angebrachte Photodiode 6. Man kann leicht einsehen, dass, wenn das Raster eine Periode p hat, das Signal proportional zu sin (2s 1/+ sin Q t) % z p ist.
Bei der Ausf hrungsform nach Fig. 3, bei der gleichfalls mittels eines Spiegels 20 und eines Linsensystems 19 eine Abbildung des Rasters an sich erzeugt wird, ist dieser Spiegel auf einem Stab 21 aus magnetostriktivem Material angebracht, der in der Mitte eingeklemmt ist und durch an sich bekannte Mittel, die aus Spulen 22, 23 bestehen, und durch einen Verstärker 24 in longitudinaler Vibration versetzt wird. Die Vibrationsfrequenz kann dabei einige tausend Vibrationen pro Sekunde betragen.
Der Spiegel 20 ist exzentrisch mit dem Ende des Stabes 21 verbunden, so dass er um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse eine Kippbewegung ausführt :
Von dem aus der Kollimatorlinse 4 austretenden Licht fallen die vom Raster 1 erzeugten Bündel der -lten und + lten Ordnung über das Linsensystem 19 bei den Punkten 26 und 27 auf den flachen Spiegel 20, wobei das etwa auftretende Bündel der nullten Ordnung durch einen geschwärzten Teil 25 des Spiegels 20 unwirksam gemacht wird. Das zurückgeworfene Licht fällt über 19 in der Rückwärtsrichtung durch das Raster 1 hindurch.
Von den rückwärts aus dem Raster 1 austretenden Bündeln werden verwendet : erstens das vom Raster 1 aus dem von 26 herrührenden Licht erzeugte Bündel der Ordnung + 1 ; zweitens das vom Raster 1 aus dem von 27 herrührenden Licht erzeugte Bündel der Ordnung-l.
Diese kohärenten, in Richtung zusammenfallenden Bündel fallen in der Rückwärtsrichtung durch die Kollimatorlinse 4 und beleuchten nach Zurück- werfung durch den halbdurchlässigen Spiegel die in der Brennfläche von 4 angebrachte photoelektrische Zelle.
Hat das Raster die Periode p, so hat das Signal die Gestalt
C sin (2z yf + b sinDt). l/4 p
Darin ist b = 2z., u = Winkelamplitude des Spiegels 20 und f = Brennweite des aus 19 und 20 bestehenden Abbildungssystems.
Da die Phase dieses Signals in Schritten von 2 mit Hilfe von Nulldurchgängen eines abgeleiteten Signals bestimmt werden kann, ist der Messschritt 1p6. Bei einer Rasterkonstante von 16, u sind die f6 Messschritte dann gleich 1 c. Das optische System, welches das Raster an sich abbildet, besteht im zuletzt beschriebenen Beispiel aus einem Linsensystem mit einem flachen Spiegel. Es ist dabei einleuchtend, dass das System auch anders gestaltet und der Spiegel zum Beispiel sphärisch sein kann. Auch ist es mög- lich, dass das System aus nur einem sphärischen Hohlspiegel besteht.