DE1145807B

DE1145807B - Device for measuring changes in the position of a movable organ in relation to a reference system

Info

Publication number: DE1145807B
Application number: DEN16142A
Authority: DE
Inventors: Hendrik De Lang
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1958-01-21
Filing date: 1959-01-17
Publication date: 1963-03-21

Description

Vorrichtung zum Messen der Lageänderungen eines beweglichen Organs gegenüber einem Bezugssystem Beim Einstellen von Geräten mit geradlinigen Bewegungen, z.B. bei Werkzeugmaschinen, wie Bohrmaschinen, Fräsmaschinen u. dgl., kommt es vor, daß kleine, von Hand oder selbsttätig durchgeführte Verschiebungen eines beweglichen Organs gegenüber einem stillstehenden Organ, z. B. eines Schlittens gegenüber einem Gestell, mit großer Genauigkeit selbsttätig gemessen werden müssen.Device for measuring changes in position of a movable organ in relation to a reference system When setting devices with linear movements, E.g. in machine tools such as drilling machines, milling machines and the like, it happens that small, manually or automatically carried out shifts of a movable one Organ compared to a stationary organ, e.g. B. a carriage versus one Frame must be measured automatically with great accuracy.

Es ist bekannt, hierfür optisch-elektronische Mittel mit mehreren optischen Linienrastern zu verwenden, von denen eines mit dem beweglichen Organ gekoppelt ist und ein anderes stillsteht; dabei ist eine Lichtquelle vorhanden, die ein Strahlenbündel durch die Raster hindurchwirft, so daß bei der Bewegung der Raster zueinander Lichtimpulse erzeugt werden, die von einer Photozelle oder einem ähnlichen Element in elektrische Impulse umgewandelt werden. Diese Impulse werden auf elektronischem Wege gezählt, und deren Anzahl ist ein Maß für die Verschiebung. It is known for this optical-electronic means with several to use optical line grids, one of which is with the movable organ is coupled and another stands still; there is a light source, which throws a bundle of rays through the grid, so that when the Grid to each other light pulses are generated by a photocell or a similar element can be converted into electrical impulses. These impulses will be counted electronically, and their number is a measure of the displacement.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art werden zwei Raster mit z. B. 2000 Linien pro Zentimeter auf einem durchsichtigen Untergrund verwendet, von denen eines mit dem Schlitten einer Werkzeugmaschine in einer zu den Linien nahezu senkrechten Richtung beweglich ist, während das andere stillsteht. Das Lichtbündel wird periodisch unterbrochen oder abgeschwächt. In a known device of this type, two grids are with z. B. 2000 lines per centimeter used on a transparent surface, one of which with the slide of a machine tool in one to the lines almost perpendicular direction is movable while the other stands still. The bundle of light is periodically interrupted or weakened.

Es sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen die durch die Bewegung in der einen Richtung, z. B. in der Vorwärtsrichtung, erzeugten Impulse positiv und die durch die Bewegung in der Rückwärtsrichtung erzeugten Impulse negativ gezählt werden. Hierbei werden mehrere stillstehende Raster benutzt, die je mit einer Photozelle kombiniert und derart zueinander angeordnet sind, daß in den Photozellen Impulsreihen erzeugt werden, die zueinander phasenverschoben sind, wobei die zyklische Reihenfolge der Impulse der verschiedenen Reihen von der Bewegungsrichtung abhängt. Auch werden zwei Raster verwendet, die zueinander etwas gedreht sind, so daß ein Moirémuster entsteht. Auch hierbei können in zwei photoelektrischen Zellen zueinander phasenverschobene Impulsreihen erzeugt werden. In den beiden Fällen wird bei Verwendung entsprechender elektronischer Zählvorrichtungen eine Zählung erzielt, die entsprechend der Richtung der Verschiebung positiv oder negativ ist. There are also known devices in which the movement in one direction, e.g. B. in the forward direction, pulses generated positive and the pulses generated by the movement in the reverse direction are counted negatively will. Several stationary grids are used, each with a photocell combined and arranged to one another in such a way that in the photocells pulse trains that are out of phase with each other, the cyclic order the impulses of the different rows depends on the direction of movement. Also be uses two grids that are slightly rotated to each other, so that a moiré pattern arises. Here, too, two photoelectric cells can be phase-shifted with respect to one another Pulse series are generated. In both cases, the corresponding electronic counting devices achieve a count that corresponds to the direction the shift is positive or negative.

Ein Nachteil der meisten bekannten Vorrichtungen dieser Art besteht darin, daß zwei oder mehr Raster erforderlich sind, die mit außerordentlicher Genauigkeit ausgebildet und sehr kleinem Abstand voneinander angeordnet werden müssen. There is a disadvantage to most of the known devices of this type in the fact that two or more grids are required, those with extraordinary accuracy formed and have to be arranged at a very small distance from one another.

Es ist ferner eine Vorrichtung zum Messen der Lage- änderungen eines beweglichen Organs gegenüber einem Bezugssystem bekannt, z.B. des beweglichen Teiles einer Werkzeugmaschine gegenüber einem Gestell, bestehend aus einem mit dem beweglichen Organ gekoppelten Raster mit nahezu senkrecht zu der Bewegungsrichtung verlaufenden Linienscharen und aus Mitteln zum Erzeugen eines auf oder durch Raster hindurchfallenden Lichtbündels sowie photoelektrischen Tastelementen zum Umwandeln der bei der Lageänderung in einem Punkt auftretenden Änderungen der Beleuchtungsstärke in elektrische Impulse, deren in einem vorbestimmten Zeitintervall erzeugte Anzahl als ein Maß für die Lageänderung in diesem Zeitintervall bestimmt wird, wobei durch ein stillstehendes optisches System eine bei der Lageänderung des Organs eine zu der des Rasters selbst entgegengesetzte Bewegung beschreibende Abbildung des Rasters dadurch erzeugt wird, daß dabei das abbildende Strahlenbündel nochmals durch das Raster hindurch auf das photoelektrische Element oder die photoelektrischen Elemente mit wechselnder Beleuchtungsstärke einwirkt. It is also a device for measuring the position changes one movable organ with respect to a reference system known, e.g. the movable part a machine tool opposite a frame, consisting of one with the movable Organ-coupled grid with almost perpendicular to the direction of movement Flocks of lines and means for generating one that falls on or through a grid Light bundle and photoelectric probe elements for converting the change in position changes in illuminance occurring at one point in electrical impulses, their number generated in a predetermined time interval as a measure of the change in position is determined in this time interval, whereby by a stationary optical System, when the organ changes position, it is opposite to that of the grid itself Movement descriptive image of the grid is generated by the fact that the imaging beam again through the grid onto the photoelectric Element or the photoelectric elements acts with changing illuminance.

Für diese bekannte Einrichtung ist es jedoch wesentlich, daß ein Teil des Rasters auf einen anderen Teil des Rasters abgebildet wird. Es sind daher immer die Umkehrung bewirkende Spiegelsysteme und zwei optische Systeme für die Abbildung erforderlich. For this known device, however, it is essential that a Part of the grid is mapped to another part of the grid. There are therefore always the reversing mirror systems and two optical systems for the Illustration required.

Demgegenüber ist die Weiterbildung der Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der abgebildete Rasterteil und die Abbildung wenigstens teilweise zusammenfallen. In contrast, the development of the device is according to the invention characterized in that the imaged grid part and the image at least partially coincide.

Nunmehr werden unter allen Umständen zwei gleichartige Größen miteinander verglichen. Eine Veränderung der Rasterkonstante und des Radarwinkels über die Breite des Rasters, was bei solchen Rastern nicht zu vermeiden ist, wird bei der Einrichtung nach der Erfindung vollständig ausgeschaltet. Now, under all circumstances, two quantities of the same kind become one another compared. A change in the grid constant and the radar angle across the width of the grid, which cannot be avoided with such grids, is used when setting up completely switched off according to the invention.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind, erläutert. The invention is based on the drawings, in which some exemplary embodiments are shown, explained.

Fig. 1 stellt eine Vorrichtung mit einem Raster 3 dar mit mehreren senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufenden, kein Licht durchlassenden Zeilen, die in sehr geringem Abstand voneinander angeordnet sind und das senkrecht zur Rasterfläche fallende Licht abfangen, wobei sie durch lichtdurchlässige Zonen getrennt sind, welche die gleiche Breite wie die Linien haben können. Es können z. B. 2000 Linien pro Zentimeter Länge vorhanden sein. Das Raster ist auf nicht dargestellte Weise mit einem gleichfalls nicht dargestellten beweglichen Organ gekoppelt, dessen Verschiebungsrichtung parallel zur Rasterfläche und senkrecht zu den Linien ist. Man wünscht dabei die Verschiebung zu messen, die der Körper in einer bestimmten Zeitdauer aus führt, was durch Zählung der Anzahl in dieser Zeitdauer durch einen bestimmten Punkt hindurchgegangener Rasterlinien erfolgt. Fig. 1 shows a device with a grid 3 with several lines which run perpendicular to the plane of the drawing and do not allow light to pass through, the are arranged at a very short distance from one another and perpendicular to the grid area intercept falling light, being separated by translucent zones, which can be the same width as the lines. It can e.g. B. 2000 lines per centimeter of length. The grid is in a manner not shown coupled to a movable member, also not shown, whose direction of displacement is parallel to the grid area and perpendicular to the lines. One wishes that Measure displacement that the body performs in a given period of time, what by counting the number of people passed through a given point in that period Grid lines are made.

Es ist weiterhin eine Lichtquelle 1 vorgesehen, die mittels einer Linse 2 auf dem Raster 3 abgebildet wird. There is also a light source 1 is provided, which by means of a Lens 2 is imaged on grid 3.

Vor dem Raster ist eine Linse 4 angeordnet, welche die Linse 2 im Unendlichen abbildet. Das Raster wird vom Mikroskopobjektiv 5, das mit einem flachen oder einem sphärischen Spiegel 6 kombiniert ist, in der hinteren Brennebene an sich in natürlicher Größe abgebildet. Der Verlauf der verschiedenen Strahlen ist in der Figur durch Pfeile angegeben. Eine Eigenschaft der beschriebenen telezentrischen Anordnung mit dem Spiegel in der hinteren Brennebene ist, daß die Vergrößerung der Abbildung konstant gleich Eins ist, unabhängig von der axsialen Lage des Rasters.In front of the grid, a lens 4 is arranged, which the lens 2 in Infinite maps. The grid is made by the microscope objective 5, which has a flat or a spherical mirror 6 is combined in the rear focal plane per se shown in natural size. The course of the various rays is in the Figure indicated by arrows. A property of the telecentric described Arrangement with the mirror in the back focal plane is that the magnification of the Figure is constant equal to one, regardless of the axial position of the grid.

Das Licht der Abbildung fällt durch das Raster hindurch und trifft über den halbdurchlässigen Spiegel 7 auf die Photozelle 8, die sich vorzugsweise an der Stelle des endgültigen Bildes der Linse 2 befindet. Da bei einer Verschiebung des Rasters das Rasterbild sich in entgegengesetzter Richtung bewegt, entsteht bei Verschiebung des Rasters über einen Abstand der Rasterteilung eine doppelte Lichtänderungsperiode. The light of the picture falls through the grid and hits Via the semi-transparent mirror 7 on the photocell 8, which is preferably is in the place of the final image of lens 2. As with a shift of the raster the raster image moves in the opposite direction, arises at Shifting the grid over a distance of the grid division a double light change period.

Neben dem Umstand, daß nur ein einziges Raster erforderlich ist, bietet diese Vorrichtung somit den Vorteil, daß bei gleichem Maß der Verschiebung die doppelte Anzahl Impulse gegenüber den obenbeschriebenen bekannten Vorrichtungen erzeugt wird. Die Anzahl der Impulse kann in bekannter Weise in einem elektronischen Zähler T gezählt werden. In addition to the fact that only a single grid is required, This device thus offers the advantage that with the same amount of displacement twice the number of pulses compared to the known devices described above is produced. The number of pulses can be in a known manner in an electronic Counter T are counted.

Bei dieser Vorrichtung werden Impulse gezählt, ohne daß bei der Zählung zwischen den Verschiebungsrichtungen ein Unterschied gemacht wird. Dies ist jedoch der Fall bei der Ausführungsform nach Fig. 2. In this device, pulses are counted without being involved in the counting a distinction is made between the directions of displacement. However, this is the case in the embodiment according to FIG. 2.

Der Strahlengang ist hierbei grundsätzlich gleich demjenigen in Fig. 1, aber der normale flache oder sphärische Spiegel ist durch einen sogenannten Dachspiegel D ersetzt, dessen beide flache Spiegelteile genau senkrecht zueinander stehen mit der Schnittlinie nahezu senkrecht zur Richtung der Rasterlinien. Statt eines solchen Dachspiegels kann naturgemäß auch ein Dachprisma verwendet werden. The beam path is basically the same as that in Fig. 1, but the normal flat or spherical mirror is through what is called a roof mirror D, whose two flat mirror parts are exactly perpendicular to each other with the cutting line almost perpendicular to the direction of the grid lines. Instead of one such Of course, a roof prism can also be used for the roof mirror.

Das Raster wird daher nicht umgekehrt, sondern gespiegelt gegenüber der Schnittlinie der Spiegel, an sich abgebildet. Wenn die Schnittlinie des Dachspiegels um einen vorbestimmten kleinen Winkel um die optische Achse gedreht wird, entsteht an der Stelle des Rasters eine Abbildung, die um den doppelten Winkel gedreht ist, so daß an der Stelle des Rasters ein Kreuzmoiri erzeugt wird, dessen dunkle Zonen sich bei Bewegung des Organs nahezu in Richtung der Rasterlinien bewegen. Bei der Vorrichtung nach Fig. 2 sind zwei Photozellen 8 und 8' vorhanden, die in einem solchen gegenseitigen Abstand zueinander versetzt in einer- r Zeichenebene senkrechten Richtung angeordnet sind, daß der Phasenunterschied zwischen den in ihnen erzeugten Impulsreihen z. B. 90" beträgt. In der Vorrichtung T werden die Impulse wieder gezählt, wobei zwischen den Impulsen für positive Verschiebungen und denen für negative Verschiebungen unterschieden werden kann. The grid is therefore not reversed, but mirrored opposite the intersection of the mirrors, shown in itself. When the cutting line of the roof mirror is rotated by a predetermined small angle around the optical axis, arises at the position of the grid an image that is rotated by twice the angle, so that a cross moiri is created at the location of the grid, its dark zones move almost in the direction of the grid lines when the organ moves. In the Device according to Fig. 2, two photocells 8 and 8 'are present in such a mutual distance from one another offset in a direction perpendicular to the drawing plane are arranged that the phase difference between the pulse trains generated in them z. B. 90 ". In the device T, the pulses are counted again, where between the pulses for positive displacements and those for negative displacements can be distinguished.

Die Wiederholungsperiode der vom Moirémuster herbeigeführten Impulse und demnach auch die gegenseitige Phase der Impulsreihen hängen dabei von der Lage der abgebildeten Rasterzeilen gegenüber der der ursprünglichen Rasterlinien ab. Eine verhältnismäßig geringe Drehung des Dachspiegels D oder des Rasters kann dadurch zu einer wesentlichen Änderung des Phasenunterschieds zwischen den Impulsreihen füliren, welche einen nachteiligen Einfluß auf die Zäg haben kann. In dieser Hinsicht ergeben die Ausfübrungsformen nach den Fig. 3 und 4 gewiß Verbesser rungen. The repetition period of the impulses brought about by the moiré pattern and therefore also the mutual phase of the pulse series depend on the position of the raster lines shown compared to the original raster lines. A relatively small rotation of the roof mirror D or the grid can thereby to a substantial change in the phase difference between the pulse trains füliren, which can have an adverse effect on the Zäg. In this regard result in the embodiments according to FIGS. 3 and 4 certainly improvement ments.

Hierbei ist der Strahlengang ähnlich dem nach Fig 1, jedoch bei Fig.3 besteht der Spiegel aus zwei Teil 6 und 6', die um eine zu den Rasterlinien parallele Wachse etwas zueinander gedreht sind. Man kann auch mehrere solcher Spiegel verwenden. Der gleiche Effekt ergibt sich durch teilweise Bedeckung eines einzigen-Spiegels mit einer keilförmigen Spiegelschicht, z. B. durch ,Aufdampfen eines Metalls. Here, the beam path is similar to that of FIG. 1, but in FIG. 3 the mirror consists of two parts 6 and 6 ', one parallel to the grid lines Waxes are slightly rotated towards each other. You can also use several such mirrors. The same effect results from partially covering a single mirror with a wedge-shaped mirror layer, e.g. B. by vapor deposition of a metal.

Die Photozellen sind in den Punkten angeordnet, in denen die Bilder der Spiegelteile erzeugt werden An der Stelle der Photozellen werden Lichtänderungen erzeugt, die zueinander phasenverschoben sind. Der Phasenunterschied zwischen den erzeugten Impidsreihen ist durch 4f d gegeben, wobei 8 den Winkel in Radialen zwischen den Spiegelteilen, d die Rasterkonstante oder Teilung der Rasterlinien und f die Brennweite des Objektivs darstellt. Dieser Phasenunterschied kann somit durch Einstellen des Winkels 8 eingestellt werden. Der Phasenunterschied ist bei erster Annäherung unabhängig von der Drehung der Rasterlinienrichtung um die optische Achse. The photocells are arranged in the points where the images The mirror parts are generated In the place of the photocells there are light changes that are out of phase with each other. The phase difference between the generated series of impids is given by 4f d, where 8 is the angle in radials between the mirror parts, d the grid constant or division of the grid lines and f the Represents the focal length of the lens. This phase difference can thus be adjusted of the angle 8 can be set. The phase difference is at the first approximation regardless of the rotation of the raster line direction around the optical axis.

In Fig. 4 sind die einzelnen Spiegelteile von Es, 3 durch eine kontinuierlich spiegelnde Oberfläche D von zueinander gedrehten Spiegelelementen ersetzt, indem in der hinteren Brennebene des Objektivs ein toroidförmiger Spiegel angeordnet ist. Statt dessen kann vor einem flachen Spiegel eine toroidförmige Linse angeordnet werden, die mit der Hauptkrümmungsrichtung schräg zur Rasterlinienrichtung steht. Im Bild des Spiegels entsteht ein Moiremuster mit der Periode (auf den Spiegel rückprojiziert) Dabei ist d die Rasterkonstante, f die Brennweite des Objektivs, 0 der Winkel zwischen der y-Richtung des Spiegels und den Rasterlinien, und r und r sind die Hauptkrümmungsradien des toroidförmigen Spiegels in der x- bzw. y-Richtung. Das in der Spiegelebene erzeugte Moiremuster wird an der Stelle der Photozellen abgebildet; die Moireperiode ist in erster Annäherung unabhängig von kleinen Drehungen der Rasterlinienrichtung, wenn der Winkel # etwa 45° beträgt. Praktisch ist es aber schon ausreichend, wenn der Winkel 0 groß gegenüber der in der Praxis unvermeidbaren, über das Gesichtsfeld gerechnet mittleren Änderung der Zeilenrichtung ist. Mittels der Größe kann die Moireperiode eingestellt werden.In FIG. 4, the individual mirror parts of Es, 3 are replaced by a continuously reflecting surface D of mutually rotated mirror elements, in that a toroidal mirror is arranged in the rear focal plane of the objective. Instead, a toroidal lens can be arranged in front of a flat mirror, the main direction of curvature being at an angle to the direction of the raster line. In the image of the mirror, a moiré pattern is created with the period (projected back onto the mirror) Here d is the raster constant, f the focal length of the lens, 0 the angle between the y-direction of the mirror and the raster lines, and r and r are the main radii of curvature of the toroidal mirror in the x and y directions, respectively. The moiré pattern generated in the mirror plane is reproduced at the location of the photocells; the moire period is as a first approximation independent of small rotations of the raster line direction when the angle # is approximately 45 °. In practice, however, it is sufficient if the angle 0 is large compared to the average change in line direction calculated over the field of view, which is unavoidable in practice. By means of size the moire period can be set.

Die Moiréperiode kann noch mit dem Winkel fein eingestellt werden. The moiré period can still be finely adjusted with the angle.

Bei Verwendung eines Dachspiegels können die Rasterlinien beliebig orientiert sein. Sie können z. B. parallel zur Zeichenebene verlaufen. When using a roof mirror, the grid lines can be arbitrary be oriented. You can e.g. B. run parallel to the plane of the drawing.

Man kann eine genau sinusförmige, von der Rasterverschiebung abhängige Beleuchtungsstärke an der Stelle der Photozellen erzielen, wenn durch optische Mittel festgelegte Biegungsmaxima abgetrennt werden. One can get an exactly sinusoidal one that is dependent on the grid shift Achieve illuminance at the location of the photocells, if by optical means Defined bending maxima are separated.

Die bisher behandelten Ausführungsbeispiele sind insbesondere für sogenannte Absorptionsraster bestimmt, bei denen das Licht eines Bündels von den Rasterlinien abgefangen wird. Auch können sogenannte Phasenraster angewendet werden, die nicht eine stellenweise Absorption aufweisen, sondern bei denen die Linien von Teilen einer durchsichtigen Platte gebildet werden, wo die optische Stärke des Materials von der der zwischenliegenden Teile abweichend ist. The embodiments discussed so far are in particular for so-called absorption grids determined in which the light of a bundle from the Grid lines being intercepted. So-called phase grids can also be used, which do not show absorption in places, but where the lines of Parts of a transparent plate are formed where the optical strength of the material is different from that of the intermediate parts.

Ohne ganzbestimmte Änderungen sind die im vorherigen beschriebenen Anordnungen bei Anwendung von Phasenrastern nicht ohne weiteres verwendbar, da der Licht-Dunkel-Kontrast zu klein werden würde.Without specific changes, the ones described in the previous section are Arrangements when using phase grids cannot be used without further ado, since the The light-dark contrast would be too small.

Man muß also von den bei der Abbildung des Rasters auftretenden Biegungsmaxima wenigstens zwei abtrennen. Beim Abtrennen zweier Maxima ergibt sich der Vorteil, daß das im Ausgang jeder Photozelle auftretende Signal sinusförmig mit der Rasterverschiebung verläuft, was das Interpolieren zwischen zwei Rasterlinien erleichtert.One must therefore take into account the bending maxima that occur when the grid is mapped cut off at least two. When separating two maxima there is the advantage that that the signal appearing at the output of each photocell is sinusoidal with the grid shift which makes it easier to interpolate between two grid lines.

In Fig. 5 ist auf elementare Weise dargestellt, wie eine Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet, wenn sie mit einem Phasenraster 17 versehen ist. Es wird hier ein Punkt L der monochromatischen Lichtquelle 1 betrachtet, und es ist wieder Linse 4 vorgesehen, welche die Lichtstrahlen zu einem parallelen Bündel konzentriert. Das Bündel fällt durch die Linse 5 hindurch, worauf die Strahlen in der Brennebene, in der der Spiegel 6 angeordnet ist, vereinigt werden. In Fig. 5 is shown in an elementary way how a device works according to the invention if it is provided with a phase grid 17. It Here, a point L of the monochromatic light source 1 is considered, and it is Again, lens 4 is provided, which concentrates the light rays into a parallel bundle. The bundle falls through the lens 5, whereupon the rays in the focal plane, in which the mirror 6 is arranged, are combined.

Infolge des Vorhandenseins des Phasenrasters 17 zerfällt das Bündel in mehrere verschieden gerichtete Bündel paralleler Lichtstrahlen. Auf diese ist die bekannte Beugungstheorie anzuwenden. Diese Bündel geben an der Stelle des in der Brennebene der Linse 5 angeordneten Spiegels 6 zu Biegungsmaxima Anlaß.As a result of the presence of the phase grid 17, the bundle disintegrates into several differently directed bundles of parallel light rays. On this is to apply the known diffraction theory. These bundles give in the place of the in the focal plane of the lens 5 arranged mirror 6 to cause bending maxima.

Dies sind in Wirklichkeit Bilder L0, L1, 41, L2 usw. des Punktes L. Die verschiedenen Bündel werden vom Spiegel zurückgeworfen und vom Objektiv 5 je zu Bündeln paralleler Strahlen gebildet. Diese Bündel führen an der Stelle des Rasters zu einer Abbildung desselben. Es sind wenigstens zwei Bündel erforderlich, um durch Interferenz eine Abbildung entstehen zu lassen. Die Bündel fallen durch das Raster hindurch, wobei jedes Bündel wieder in mehrere abgelenkte Bündel auseinanderfällt, die über die Linse 4 und den Spiegel 7 in der Ebene 16 zu den Biegungsmaxima L0,0,L0,1, Los Lo,2 usw. führen. Die Indizes beziehen sich auf die Ordnungszahl der abgelenkten Bündel beim ersten bzw. zweiten Durchgang durch das Raster.In reality, these are images L0, L1, 41, L2, etc. of point L. The different bundles are reflected back from the mirror and 5 each from the lens formed into bundles of parallel rays. These bundles lead at the point of the grid to a picture of the same. At least two bundles are required to get through Interference to create an image. The bundles fall through the grid through, whereby each bundle falls apart again into several deflected bundles, via the lens 4 and the mirror 7 in the plane 16 to the bending maxima L0.0, L0.1, Los Lo, 2 etc. lead. The indices refer to the ordinal number of the deflected Bundles on the first or second pass through the grid.

In der Fig. 5 ist mit Pfeilen der Verlauf eines einzigen Strahles a angedeutet, der nach dem ersten Durchgang durch das Raster nach L1 abgelenkt wird und beim zweiten Durchgang zum Maximum Ll, führt. In FIG. 5, the course of a single beam is indicated by arrows a indicated, which is deflected after the first pass through the grid to L1 and leads to the maximum Ll in the second pass.

Macht man z. B. den Spiegel nur an der Stelle L,ul und L,u2 reflektierend, so treten in der endgültigen Bildebene an jeder Stelle nur zwei Ordnungen auf, nämlich ,u .111 und u = 2 Wenn nun das Raster in Fig. 5 sich über die Rasterperiode abwärts bewegt, so wird der Hinweg für die ,u-te Ordnung ,uy länger und der Rückweg für die y-te Ordnung yA kürzer. Die optische Weglänge von L noch L8y wird dann also (µ-γ) A länger. Do you z. B. reflecting the mirror only at the point L, ul and L, u2, thus only two orders appear in the final image plane at each point, namely , u .111 and u = 2 If now the grid in Fig. 5 is down over the grid period moves, the way there becomes longer for the, u-th order, uy and the way back for the yth order yA shorter. The optical path length from L to L8y then becomes (µ-γ) A longer.

Läßt man nun L,ul, Yi und Lfl2, Y1 2+81 interferieren, so ändert sich das Licht über 2 (1-2) Perioden beim Verschieben des Rasters über die Rasterperiode, und zwar genau sinusförmig. If one now lets L, ul, Yi and Lfl2, Y1 2 + 81 interfere, then changes the light over 2 (1-2) periods when moving the grid over the grid period, namely exactly sinusoidal.

Ist z. B. yl = 0 und 82 = 1, so ist bei Interferenz von Lo,1 und L1,o, 2 (t<1-2) = 2. Dies bedeutet, daß das Licht bei jeder Verschiebung über eine Rasterperiode sich zweimal ändert. Ist Cr, = 1 und =1, = - 1, so tritt bei Interferenz von L~l,+l,~ L+l,~l eine vierfache Änderung auf, da 2 (/182) = 4. Is z. B. yl = 0 and 82 = 1, then with interference from Lo, 1 and L1, o, 2 (t <1-2) = 2. This means that the light is over with each shift a grid period changes twice. If Cr, = 1 and = 1, = - 1, then join Interference of L ~ l, + l, ~ L + l, ~ l shows a fourfold change, since 2 (/ 182) = 4.

Bei Verwendung einer Anordnung ähnlich Fig. 3 ergibt sich ein Signal jedes Spiegelteiles, wobei der Phasenunterschied zwischen den beiden Signalen durch µ1 - µ2 . 4 # # # d gegeben ist. When using an arrangement similar to FIG. 3, a signal results each mirror part, the phase difference between the two signals being due µ1 - µ2. 4 # # # d is given.

Hierbei ist es wieder möglich, mit zwei in einer zu den Zeilen senkrechten Richtung gegenseitig verschobenen Photozellen positiv oder negativ zu zählen, entsprechend dem Sinn der Rasterverschiebung. Here it is again possible with two in one perpendicular to the lines To count the direction of mutually shifted photocells positive or negative, accordingly the sense of the grid shift.

Bei Verwendung einer Anordnung nach Fig. 4 wird wieder ein Moire erzielt, bei dem die Moiréperiode, auf den Spiegel rückprojiziert, durch gegeben ist.When using an arrangement according to FIG. 4, a moiré is again achieved in which the moiré period, projected back onto the mirror, passes through given is.

Ebenso wie bei der Anordnung nach Fig. 4 werden hier zwei Photozellen verwendet, die gegenseitig in der Linienrichtung verschoben sind. As with the arrangement according to FIG. 4, there are two photocells are used that are mutually shifted in the line direction.

Fig. 6 stellt eine in der Praxis brauchbare Anordnung dar, bei der der halbdurchlässige Spiegel weggelassen ist. Fig. 6 illustrates a practical arrangement in which the semi-transparent mirror is omitted.

Auch bei der mit Absorptionsrastern arbeitenden Vorrichtung wäre bei einer ähnlichen Anordnung der Spiegel entbehrlich. This would also apply to the device working with absorption grids dispensable with a similar arrangement of the mirrors.

Grundsätzlich kann man somit ähnliche Anordnungen wie nach den Fig. 1 bis 4 verwenden, wobei nur Sorge dafür getragen werden muß, daß nur die gewünschten Ordnungen zur Wirkung kommen. In principle, one can therefore use similar arrangements as shown in FIGS. Use 1 to 4, taking care that only the desired Regulations come into effect.

Macht man den Spiegel nur an der Stelle L,a1 und LF2 reflektierend, so treten in der endgültigen Bildebene an jeder Stelle nur zwei Ordnungen auf, nämlich y =y 1 und lld = 2e Bei Rastern, bei denen ein wichtiger Teil des Lichtes in bestimmten Ordnungen konzentriert ist (»blazing«), ist es oft nicht notwendig, diese Auswahl von Ordnungen in der Spiegelebene anzuwenden.If you make the mirror reflective only at the point L, a1 and LF2, thus only two orders appear in the final image plane at each point, namely y = y 1 and lld = 2e For grids in which an important part of the light is in certain If orders are concentrated (»blazing«), it is often not necessary to make this selection to apply orders in the mirror plane.

Man kann auch eine Abbildung des Rasters ohne die Anwendung von Linsen erzielen. Dies kann nach Fig. 7 mit einem Dachspiegel oder Prisma S erfolgen, dessen Kante parallel zu den Rasterlinien ist. Das Rasterbild ist das Spiegelbild des Rasters gegenüber den Kanten. One can also create an image of the grid without the use of lenses achieve. This can be done according to Fig. 7 with a roof mirror or prism S, whose Edge is parallel to the grid lines. The raster image is the mirror image of the raster opposite the edges.

Ein Kreuzmoire kann dabei dadurch erzielt werden, daß die Kanten und die Rasterlinienrichtung zueinander um eine zur Rasterebene senkrechte Linie etwas gedreht werden. A cross moire can be achieved in that the edges and the raster line direction to one another around a line perpendicular to the raster plane something to be rotated.

Statt dessen kann ein Dreifachspiegel oder Prisma verwendet werden. In diesem Falle ist das Rasterbild das Spiegelbild des Rasters gegenüber dem Spiegelwinkelpunkt. Durch Drehung des Rasters entsteht kein Kreuzmoiré. Instead, a triple mirror or prism can be used. In this case, the raster image is the mirror image of the raster with respect to the mirror angle point. Rotating the grid does not create a cross moiré.

Diese Anordnung könnte den Nachteil haben, daß der Abstand zwischen dem Raster und dem Rasterbild verhältnismäßig groß wird, so daß eine sehr schmale Lichtquelle verwendet werden muß. This arrangement could have the disadvantage that the distance between the grid and the grid image is relatively large, so that a very narrow one Light source must be used.

Der Nachteil der Anordnung nach Fig. 7 kann dadurch beseitigt werden, daß nach Fig. 8 zwei Dachspiegel oder -prismen verwendet werden, je mit der Kante S1 und S2 parallel zu den Rasterlinien. Die Kanten sind dabei derart angeordnet, daß der von einem Punkt P des Rasters ausgehende Hauptstrahl der Ordnung ,al vom ersten Dachspiegel und der Hauptstrahl der Ordnung 82 vom zweiten Dachspiegel zurückgeworfen wird, und zwar in der Weise, daß die zurückgeworfenen Strahlen sich in einem Punkt 1>' begegnen, der nahezu an der Stelle des Rasters liegt. The disadvantage of the arrangement according to FIG. 7 can be eliminated by that according to Fig. 8 two roof mirrors or prisms are used, each with the edge S1 and S2 parallel to the grid lines. The edges are arranged in such a way that that the principal ray of the order emanating from a point P of the grid, al from first roof mirror and the main ray of order 82 reflected from the second roof mirror in such a way that the reflected rays are at one point 1> ', which is almost at the point of the grid.

Die Bedingung hierfür ist a=htgfl t ctg.The condition for this is a = htgfl t ctg.

Ist diese Bedingung erfüllt, so ist von P nach P' der Unterschied in optischer Weglänge für die beiden Ordnungen in erster Annäherung unabhängig von kleinen Richtungsänderungen des einfallenden Strahles, und dies gilt für jeden Punkt des Rasters, wenigstens insoweit die Ordnungen auf die dazu bestimmten Spiegel fallen. Vorzugsweise wählt man a = p und b = c. Dann ist auch in zweiter Annäherung der Weglängenunterschied stationär und außerdem in erster Annäherung achromatisch. If this condition is met, the difference is from P to P ' in optical path length for the two orders in a first approximation independent of small changes in direction of the incident beam, and this is true for each point of the grid, at least insofar as the orders fall on the mirrors intended for them. A = p and b = c are preferably chosen. Then the second approximation is also the Path length difference stationary and also achromatic to a first approximation.

Ein Kreuzmoire kann dadurch erzielt werden, daß die Richtung der Rasterlinien gegenüber den Spiegelkanten um eine zur Rasterebene senkrechte Linie gedreht wird. Das Moiremuster entsteht in der durch die Spiegelkanten hindurchgehenden Ebene. A cross moire can be achieved by changing the direction of the Grid lines opposite the mirror edges around a line perpendicular to the grid plane is rotated. The moiré pattern arises in the one passing through the mirror edges Level.

Wenn angenommen wird, daß nur zwei Ordnungen interferieren, so ist das Signal bei Rasterverschiebung genau sinusförmig. If it is assumed that only two orders interfere, then so is the signal is exactly sinusoidal when the grid is shifted.

An Stelle von zwei Dachspiegeln oder -prismen können auch zwei Dreifachspiegel oder Dreifachprismen mit der Verbindungslinie der Winkelpunkte senkrecht zu den Rasterlinien verwendet werden. Instead of two roof mirrors or prisms, two triple mirrors can also be used or triple prisms with the line connecting the angular points perpendicular to the Grid lines are used.

Es kann nun durch Drehung des Rasters kein Kreuzmoire erzielt werden. Eine Anzahl phasenverschobener Signale kann dadurch erzielt werden, daß von einem der Dreifachspiegel eine Fläche doppelt ausgebildet wird. Diese besteht demnach aus zwei parallel zueinander verschobenen Teilen. So entstehen eigentlich zwei Satz Dreifachspiegel.No cross moire can now be achieved by rotating the grid. A number of phase shifted signals can be obtained by having one the triple mirror is formed twice a surface. This therefore exists of two parts displaced parallel to each other. This actually creates two sentences Triple mirror.

Fig. 9 stellt eine praktisch brauchbare Anordnung dar. Hierbei sind zwei Dachprismen zu einem einzigen Block B vereinigt, und da die Strahlen über einen großen Teil ihres Weges durch Glas hindurchgehen, ändert sich die obenerwähnte Formel in a = 2 bl tg ec + 2 b2 tg p bc sinsin . Fig. 9 illustrates a practically useful arrangement two roof prisms combined into a single block B, and there the rays over one going through a large part of their way through glass, the above formula changes in a = 2 bl tg ec + 2 b2 tg p bc sinsin.

Die Lichtquelle 1, die vorzugsweise monochromatisches oder nahezu monchromatisches Licht gibt, befindet sich im Brennpunkt der Linse 1. Das m der Hinterfläche des Prismablocks liegende Moirémuster wird von der Linse auf die Photozellen abgebildet. The light source 1, which is preferably monochromatic or nearly monchromatic light is located in the focal point of lens 1. The m der The moiré pattern behind the prism block is transferred from the lens to the photocell pictured.

Ein aus zu den Rasterlinien parallelen Zeilen bestehendes und auch in der Hinterfläche des Prismablocks liegendes Moiremuster kann dadurch erzielt werden, daß man die Winkel an der Hinterfläche etwas von 90" abweichen läßt.One consisting of lines parallel to the grid lines and also Moiré pattern lying in the rear surface of the prism block can thereby be achieved be that the angle on the rear surface can be slightly different from 90 ".

Es ist einleuchtend, daß auch die beiden Dreifach-Prismen zu einem einzigen Körper vereinigt werden können, mittels dessen ein bestimmtes Moirémuster erzielt werden kann. It is evident that the two triple prisms also become one single body can be united, by means of which a certain moiré pattern can be achieved.

Es ist naturgemäß möglich, mit bekannten optischen Mitteln die Teile des an der Stelle der Zellen erzeugten Lichtmusters weiter voneinander zu trennen, falls die Abmessungen der Photozellen dies notwendig machen würden. It is of course possible to use known optical means to remove the parts to further separate the light pattern generated at the location of the cells, if the dimensions of the photocells make it necessary.

PATBNTANSPRüCHE: 1. Vorrichtung zum Messen der Lageänderungen eines beweglichen Organs gegenüber einem Bezugssystem, z. B. des beweglichen Teiles einer Werkzeugmaschine gegenüber einem Gestell, bestehend aus einem mit dem beweglichen Organ gekoppelten Raster mit nahezu senkrecht zu der Bewegungsrichtung verlaufenden Linienscharen und aus Mitteln zum Erzeugen eines auf oder durch das Raster hindurchfallenden Lichtbündels sowie photoelektrischen Tastelementen zum Umwandeln der bei der Lageänderung in einem Punkt auftretenden Änderungen der Beleuchtungsstärke in elektrische Impulse, deren in einem vorbestimmten Zeitintervall erzeugte Anzahl als ein Maß für die Lag änderung in diesem Zeitintervall bestimmt wird, wobei durch ein stillstehendes optisches System eine bei der Lageänderung des Organs eine zu der des Rasters selbst entgegengesetzte Bewegung beschreibende Abbildung des Rasters dadurch erzeugt wird, daß dabei das abbildende Strahlen bündel nochmals durch das Raster hindurch auf das photo elektrische Element oder die photoelektrischen Elemente mit wechselnder Beleuchtungsstärke einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der abgebildete Rasterteil und seine Abbildung wenigstens teilweise zusammenfallen. PATBNT CLAIMS: 1. Device for measuring the changes in position of a movable organ with respect to a reference system, e.g. B. the moving part of a Machine tool opposite a frame, consisting of one with the movable Organ-coupled grid with almost perpendicular to the direction of movement Flocks of lines and means for generating one that falls on or through the grid Light bundle and photoelectric probe elements for converting the change in position changes in illuminance occurring at one point in electrical impulses, their number generated in a predetermined time interval as a measure of the lag change in this time interval is determined, whereby by a stationary optical System, when the organ changes position, it is opposite to that of the grid itself Movement descriptive image of the grid is generated by the fact that the imaging rays are again bundled through the grid onto the photoelectric Element or the photoelectric elements acts with changing illuminance, characterized in that the imaged grid part and its image at least partially coincide.

Claims

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that by an optical system throws the light beam from the light source through the grid becomes and that a single one optical system with mirror the rays of light intercepts and throws back in such a way that at the same time a Image of the same is generated and the changes in position of the reflected light rays converted into electrical impulses by means of a photoelectric element.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the returning light rays from a semi-transparent mirror to a the imaging optical system are reflected and that the semitransparent Mirror is arranged in the way of the passing rays of light.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the first mirror is a roof mirror or a roof prism, the edge of which is opposite a line perpendicular to the grid lines is slightly rotated in such a way that a moiré pattern arises at the location of the photoelectric elements.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that at least two photoelectric cells are arranged such that during the raster movement Pulse series are generated which are different in phase, and that d1s counter for the pulses also contains a phase detector, so that the pulses are counted negatively when the movable organ is displaced in a negative sense.

6. Apparatus according to claim 1, characterized in that the second Mirror is divided into two parts, the faces of which are parallel to the grid lines Axis are slightly rotated to each other, and that the arrangement is such that that of light reflected from each mirror part hits a photocell, so that the from the light changes brought about by the mirror parts have a predetermined phase difference which leads to pulses in the photocells that are positive or negative Enable counting.

7. Apparatus according to claim 1, characterized in that the mirror has a toroidal surface, the main direction of curvature of which is about the main axis rotated by an oblique angle with respect to a line parallel to the grid lines is, in such a way that a moiré pattern in place of the photoelectric elements arises that shifts with the movement of the organ and in at least two Photocells cause two series of pulses with different phases to be generated.

8. Device according to one of the preceding claims, in particular with phase grids, characterized in that of the in the imaging of the grid occurring bending maxima separated a limited number for further image generation will.

9. Apparatus according to claim 1, characterized in that the optical System consists of a single roof mirror with an image of the grid behind generated by the mirror itself.

10. The device according to claim 1, characterized in that the optical system consists of two roof mirrors or roof prisms, the edges of which are almost are parallel to the grid lines and intercept light from different orders and throw back.

11. The device according to claim 1, characterized in that the optical system consists of two triple mirrors or prisms and that the connecting line the angle point is almost perpendicular to the grid lines.

12. Device according to claims 10 and 11, characterized in that that the two mirrors or prisms are combined into a single body.

Documents considered: British Patent Specification No. 760 321, 782 831; Journal "Feingerätetechnik", issue 8, 1957, pp. 358 to 375.