DE1136834B

DE1136834B - Vorrichtung zum Messen von Lageaenderungen

Info

Publication number: DE1136834B
Application number: DEL32928A
Authority: DE
Inventors: Fromund Hock
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1959-04-09
Filing date: 1959-04-09
Publication date: 1962-09-20
Also published as: US3198061A; GB877925A

Description

Vorrichtung zum Messen von Lageänderungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Lageänderungen mittels eines lichtelektrischen Abtastsystems zum Erfassen der gegenseitigen Verschiebung zweier optischer Raster zueinander nach dem Zweiphasenprinzip, bei welcher das eine Raster auf das andere, dem ersteren ähnliche Raster durch optische Mittel abgebildet wird. Dabei kann als Raster auch ein üblicher Maßstab verwendet sein.
Abtastsysteme dieser Art sind bekannt. Bei einem dieser Systeme erfolgt die Lichtmodulation mittels eines Moire-Streifensystems, das entweder durch die Kombination zweier Linienraster mit etwas verschiedener Rasterkonstante oder durch Kippung eines Rasters gegen ein anderes gleicher Gitterkonstante erzeugt wird. Das ist wegen der projektiven Verkürzung des einen Rasters gegenüber dem anderen der Verwendung verschiedener Rasterkonstanten gleichwertig. Die Moire-Streifen werden mit etwa 900 Phasenverschiebung räumlich nebeneinander abgetastet.
Ein anderes bekanntes Abtastsystem besteht darin, daß als Abtastraster zwei um eine Viertelrasterperiode versetzte, nebeneinanderliegende, mit dem beweglichen Raster übereinstimmende Raster verwendet werden. Bei diesem System ist eine bessere Lichtausnutzung möglich, und die Genauigkeit ist größer, weil eine Mittelung über eine größere Anzahl von Rasterperioden erfolgt.
Ferner ist eine Meßanordnung bekannt, bei der mehrere Gitterpaare mit verschiedener Differenz der Gitterkonstanten vereinigt sind, so daß in dem einen Gitterpaar zehn Moire-Streifen durchlaufen, wenn im anderen Gitterpaar ein Streifen durchläuft.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, mit der die von einem bewegten Gitter und einem zweiten Gitter erzeugten Moire-Streifen fotoelektrisch derart abgetastet werden, daß Bewegungsstrecke und Bewegungsrichtung durch fotoelektrische Signale gemessen werden.
Bei einer Vorrichtung zum Messen von Lageänderungen mittels eines lichtelektrischen Abtastsystems zum Erfassen der gegenseitigen Verschiebung zweier optischer Raster zueinander nach dem Zweiphasenprinzip, bei welcher das eine Raster auf das andere, dem ersteren ähnliche Raster durch optische Mittel abgebildet wird, erzeugt erfindungsgemäß das zwischen dem beweglichen und dem festen Raster eingeschaltete optische Abbildungssystem in der Ebene des festen Rasters wenigstens zwei gegeneinander versetzte Teilbilder, und jedem Teilbild ist ein Strahlungsempfänger zugeordnet.
In einer speziellen Ausführungsform enthält das optische Abbildungssystem doppelbrechende Mittel, insbesondere ein Wollastonprisma oder eine Savartplatte. Die gegeneinander versetzten Teilbilder unterscheiden sich dann durch ihre Polarisationsrichtung.
Bei einer anderen Ausführungsform sind im optischen Abbildungssystem dispergierende Mittel, insbesondere geradsichtige Prismen oder Beugungsgitter. enthalten. Dadurch wird erreicht, daß sich die versetzten Teilbilder in ihrer Farbe unterscheiden. Für die Einstellung der Versetzung der Teilbilder sind die doppelbrechenden oder dispergierenden Mittel längs der optischen Achse verschiebbar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die räumliche Versetzung der Teilbilder ein Viertel oder die Hälfte der Rasterperiode beträgt.
Zwischen dem festen Raster und den Strahlungsempfängern muß ein Strahlenteiler angeordnet sein, welcher die Teilbilder räumlich aufspaltet. Bei Strahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung kann man z. B. ein Nicolsches Prisma oder einen aus dünnen Schichten aufgebauten, auf Polarisationsrichtungen ansprechenden Strahlenteiler verwenden.
Für die räumliche Aufspaltung von verschiedenfarbigen Teilbildern ist ein Prisma zweckmäßig, das z. B. rote Strahlen reflektiert und blaue Strahlen durchläßt. Man kann auch ein zweites geradsichtiges Prisma benutzen.
Für manche Zwecke kann es vorteilhaft sein, daß man eine Einrichtung, bei der die Aufspaltung nach verschiebenen Farben erfolgt, mit einer Einrichtung kombiniert, bei der die Aufspaltung nach verschiedenen Polarisationsrichtungen vorgenommen ist. Man erhält dann ein Vierphasensystem.
Der Vorteil dieser Anordnung gegen die bekannten besteht darin, daß durch die Erzeugung zweier Teilbilder das Verhältnis der auf die Fotozellen ge- langenden Lichtströme nur von der Lage des beweglichen Gitters abhängt und die Phasenlage der Lichtströme zueinander nur von der Größe der Aufspaltung des Bildes des bewegten Gitters abhängt. Ferner ist zur Erzeugung von zwei oder vier fotoelektrischen Signalen nur ein Gitterpaar erforderlich.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar stellt dar Fig. 1 eine Anordnung, bei der die Teilbilder verschiedene Polarisationsrichtungen haben, und Fig. 2 eine Anordnung, bei der sich die Teilbilder durch ihre Farbe unterscheiden.
Zwischen dem beweglichen Raster 1 und dem festen Raster 2 ist ein optisches Abbildungssystem angeordnet, das aus dem Mikroskopobjektiv3, dem Wollastonprisma 4 und dem FernrohrobjektivS besteht. Dem Raster 2 ist eine Linse 6 nachgeordnet und dieser ein Strahlenteiler 7, der z.B. senkrecht polarisiertes Licht durchläßt und parallel polarisiertes Licht reflektiert. Die fotoelektrischen Empfänger 8 und 9 nehmen die geteilten Strahlenbündel auf.
Das Wollastonprisma 4 und das Fernrohrobjektiv 5 erzeugen in der Ebene des festen Rasters 2 zwei parallel versetzte und senkrecht zueinander polarisierte Teilbilder. Wird das Wollastonprisma 4 in einem schwach konvergenten oder divergenten Strahl angeordnet, so ergibt sich leicht die Möglichkeit, die Aufspaltung der Rasterbilder durch Verschieben des Wollastonprismas längs der optischen Achse einzustellen. Durch die Aufspaltung des Rasters 1 in zwei unterscheidbare Teilbilder und durch die Modulation dieser Teilbilder mittels des Rasters 2 erhält man zwei Strahlenbündel, die sich in ihrer Phase unterscheiden.
Durch die Größe der Parallelversetzung der Rasterbilder ist eine gewünschte Phasenverschiebung, vorzugsweise 900, einstellbar. Die beiden modulierten Lichtbündel verschiedener Phasen bzw. die entsprechenden fotoelektrischen Signale können dann in bekannter Weise zur Zählung von Rasterelementen bzw.
Maß abstrichen verwendet werden.
In Fig. 2 ist das Wollastonprisma 4 nach Fig. 1 ersetzt durch das geradsichtige Prisma 10. Ein zweites geradsichtiges Prisma ii lenkt die aus der Ebene des Rasters 2 kommenden Strahlen entsprechend ihrer Farbe auf die fotoelektrischen Empfänger 8 oder 9.
Das zweite geradsichtige Prisma kann durch einen Strahlenteiler ersetzt werden, der z.B. rotes Licht reflektiert und blaues durchläßt, so daß die Strahlen vom roten Teilbild auf den einen foto elektrischen Empfänger und die Strahlen vom blauen Teilbild auf den anderen gelangen.

Claims

PATENTANSPRUCHE: 1. Vorrichtung zum Messen von Lageänderungen mittels eines lichtelektrischen Abtastsystems zum Erfassen der gegenseitigen Verschiebung zweier optischer Raster zueinander nach dem Zweiphasenprinzip, bei welcher das eine Raster auf das andere, dem ersteren ähnliche Raster durch optische Mittel abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen dem beweglichen und dem festen Raster eingeschaltete optische Abbildungssystem in der Ebene des festen Rasters wenigstens zwei gegeneinander versetzte Teilbilder erzeugt und daß jedem Teilbild ein Strahlungsempfänger zugeordnet ist.
2. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem doppelbrechende Mittel, insbesondere Wollastonprismen oder Savartplatten, enthält.
3. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Abbildungssystem dispergierende Mittel, insbesondere geradsichtige Prismen oder Beugungsgitter, enthält.
4. Optisches Abtastsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechenden oder dispergierenden Mittel längs der optischen Achse verschiebbar sind.
5. Optisches Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Versetzung der Teilbilder vorzugsweise ein Viertel oder die Hälfte der Rasterperiode beträgt.
6. Optisches Abtastsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem festen Raster und dem Strahlenempfänger ein Strahlenteiler angeordnet ist, welcher die Teilbilder räumlich aufspaltet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 044; britische Patentschrift Nr. 782 831; Patentschrift Nr. 12407 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands; »The Engineer« vom 29. 7. 1955, S. 152; »Journal of the optical Society of America, August 1953, S. 668 bis 672.