DE1548707A1 - Fotoelektrischer Schrittgeber - Google Patents
Fotoelektrischer SchrittgeberInfo
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Description
Patentabteilung 1548707
Es sind eine Reihe von Geräten zur Abtastung der Lage oder
der Bewegung eines Gitters in bezug auf einen Festpunkt bekannt, bei denen eine Abbildung eines Punktes eines Gitters
auf sich selbst oder auf eine andere Stelle des gleichen Git-
t *-
ters erfolgt und bei denen aus der Verschiebung des Gitterbildes
zum Gitter auf fotoelektrischem Wege Signale gewonnen
werden, die ein Maß auf die Verschiebung des Gitters sind.
So ist (Zeitschrift "Journal of Scientific Instruments1·,
August i960, S. 261) eine Anordnung zur Abtastung der relativen
Lage eines Amplitudengitters beschrieben, die mit Durchlicht arbeitet. Bei ihr wird mittels einer Lampe und eines
vor diese geschalteten optischen Systems ein paralleles Lichtstrahlenbündel
erzeugt, das an dem anzumessenden Gitter gebeugt wird und dann auf einem Hohlspiegel zueinander kohärente
Bilder erzeugte Die reflektierten Strahlenbündel entwerfen wegen
des wiederum durchlaufenen optischen Systems in der Bildebene des abgetasteten Gitters ein Gitterbild, dessen periodisch
schwankende Relativlage zum Gitter den durchgelassenen Lichtstrom bestimmt und bei dem danach mittels eines einem optisehen
System nachgeachalteten fotoelektrischen Empfängers
ausgewertet wird.
Auch ist (schweizerische Patentschrift Jf01 500) eine Vorrichtung
zum Messen von Verschiebungen bekanntgeworden, bei der ein Reflexionaraeter verwendet ist, daa auf aich selbst
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abgebildet wird. Durch optische Mittel lassen sich zueinander phasenverschobene Signale erzeugen, die zur Anzeige der Bewegungsrichtung
des Rasters herangezogen werden können.
Bei allen bisher bekannten Geräten, bei denen nur ein optischer Kanal verwendet ist, fallen lediglich Signale gleicher
Phasenlage an, aus denen beispielsweise nach Patent 1 I36
bzw. nach Patent . . . (Patentanmeldung L 35 751 IXa/42b) mittels eines doppelbrechenden Baugliedes und nach Trennung
nach Polarisationsrichtungen die gegeneinander in der Phase verschobenen Ausgangssignale abgeleitet werden könnan.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung in Form eines mit Auflicht oder Durchlicht arbeitenden fotoelektrischen
Schrittgebers zu schaffen, die trotz Verwendung nur eines optischen Kanals für eine oder zwei Koordinatenrichtungen
der Messung jeweils ein Paar zugeordneter Gegentaktsignale
liefert, aus denen sich dann leicht für eine oder zwei Koordinatenrichtungen je ein VierphasensignaIfeld ableiten
läßt.
Gegenstand der Erfindung ist ein fotoelektrischer Schrittgeber
mit mindestens einem Meßgitter, dessen jeweilige Lage Mittels mindestens zwei fotoelektrischen Empfängern abgetastet
wird. Dieser Schrittgeber zeiohnet sich daduroh aus,
daß bei Verwendung eines Phasengitters, dessen Gangunterschied
vorzugsweise ~ ist, das Gitter mittels einer Abbildungsoptik
entweder auf ein zweites Phasengitter oder auf sich selbst
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abgebildet wird, und daß die abbildenden Lichtbündel nach der
Beugung am zweiten Gitter bzw. nach der zweiten Beugung am
gleichen Gitter den fotoelektrischen Empfängern derart zugeleitet
werden, daß diejenigen BeugungsOrdnungen, deren Intensitäten in Gegenphase moduliert sind, auf unterschiedliche
fotoelektrische Empfänger auftreffen. Nach einem weiteren
Merkmal der Erfindung kann als erstes Gitter auch ein Amplitudengitter verwendet werden. Auch können in den abbildenden
Strahlengang zusätzlich am Abbildungsort senkrecht zueinander polarisierte oder chromatisch aufgespaltene Bilder erzeugende
Bauglieder eingefügt sein.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Gitter
als Kreuzgitter ausgeführt sein, deren Kreuzungswinkel dem gewünschten Koordinatenwinkel der Messung entspricht. In
diesem Falle weist die Beleuchtungseinrichtung zwei den Koordinatenrichtungen entsprechende Hauptbeleuchtungsrichtungen
auf. Das Kreuzgitter kann als Phasen-Kreuzgitter , als Amplituden-Kreuz'gitter oder als Amplituden-Phasen-Kreuzgitter
ausgebildet sein, bei dem die Markierungen in der einen Richtung Phasenobjekte, in der anderen Richtung Amplitudenobjekte sind.
Die Verwendung einer aus einem Hohlspiegel bzw. einem Hohlspiegelsegment
in Kombination mit einem optisch brechenden Bauglied bestehenden Abbildungsoptik ist vorteilhaft.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt und nachfolgend erläutert.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zum Messen in einer Koordinatenrichtung durchläuft das von einer Lampe 10
ausgesandte Lichtstrahlenbündel einen Kondensor 11 und wird an einem Phasengitter 12 gebeugt. Die gebeugten Strahlenbündel
bilden über ein Objektiv I3 die Lichtquelle in der hinteren
Brennebene 14 des Objektivs I3 ab, und zwar nach Beugungsordnungen getrennt. Dabei wird das Bild nullter Ordnung ausgelöscht,
falls das Phasengitter die- -Bedingung erfüllt. Die Lichtbündel der Bilder werden über ein weiteres Objektiv 15
als Bild des Gitters 12 auf ein zweites Phasengitter 16 geworfen
und an diesem gebeugt. Dabei sind die Bilder der Gitterstriche zu den Gitterstrichen am Abbildungsort parallel, und die
Gitterkonstante der Bilder entspricht der Gitterkonstante des
Gitters am Abbildungsort. Es entstehen in der hinteren Brennebene
17 einer nachgeschalteten Feldlinse 18 ein Bild nullter
Ordnung sowie Bilder höherer Ordnung. In der Ebene 17 befindet
sich ein geometrischer Strahlenteiler 19» der aus einem
mit einer öffnung versehenen, schräg zur optischen Achse stehenden
Planspiegel besteht. Über Feldlinsen 20, 21 werden je ein fotoelektrischer Empfänger 22 oder 23 mit dem Bild des
Gitters 16 beaufschlagt. Dabei ist der Empfänger 22 den Lichtbündeln
der nullten Ordnung, der Empfänger 23 den Lichtbündeln
höherer Ordnung zugeordnet, und die Signale an den genannten Empfängern sind zueinander in Gegenphase. Durch Einfügen eines
Volleston-Prismas 25 sowie polarisierender Strahlenteiler 26,
27 lassen sich unter Zuhilfenahme weiterer fotoelektrischer
Empfänger 22 * und 23* gegen die erstgenannten Signale
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phasenverschobene Signale gewinnen. Bei entsprechender Dimensionierung
der Bauteile kann man sogar vier um je 90 gegeneinander verschobene Signale erzeugen, die gemeinsam ein
elektrisches Drehfeld bilden.
Das Vorliegen von vier miteinander verketteten Signalen hat den Vorteil, daß man bei der elektrischen Weiterverarbeitung,
beispielsweise nach Patent ... (Patentanmeldung L 50 450 IXb/
42d) oder Patent ... (Patentanmeldung L 52 699 IXb/42d), den
Einfluß von Schwankungen des mittleren Lichtflusses eliminieren kann.
Beim /Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel fällt Licht einer
Lampe 30 mit dem Hauptstrahl schräg zur optischen Achse, schräg
zur Bewegungsrichtung und schräg zur Strichrichtung des Maßstabs 38 über einen Kondensor 31 sowie ein nachgeechaltetes
Umlenkprisma 32 durch einen gleichzeitig als Eintritts- und
Austrittsöffnung fungierenden, von Plänspiegelflächen 60 begrenzten
Spalt 6i in die Abbildungsoptik ein. Neben den Planspiegeln
60 ist ein verspiegeltes Kugelschalensegment 33 angeordnet,
das um eine Achse 34 meßbar geschwenkt werden kann.
Diese Verschwenkung kann beispielsweise mittels eines elektromechanischen
Wandlere bewirkt werden. Diesem Segment ist eine
Linse 35 zur Erzeugung einer Parallelprojektion derart zugeordnet,
daß ihr dem Hohlspiegel zugewendeter Brennpunkt mit dem Krümmungescheitel der optisch wirksamen KugeIsohalenflache
zusammenfällt. Das Lichtbündel durchläuft, nachdem es eine
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Halbfläche dieser Linse durchsetzt hat, dann weiter eine bildaufspaltende doppelbrechende· Platte 36 sowie eine unter einem
Winkel von 45 zu den Hauptschwingungsrichtungen der Platte
orientierte--- -Platte 37 Ul*d trifft dann als paralleles, aus
zwei gegeneinander versetzten, rechts und links zirkulär polarisierten Teillichtbündeln bestehendes Gesamtlichtbündel
auf den anzumessenden Maßstab 38 schräg auf. Der Hauptstrahl
dieses schrägen Bündels ist genauso wie der Hauptstrahl des regulär am Meßgitter reflektierten Anteils in einer Ebene
enthalten, die die Gitterstrichrichtung und die optische Achse des Hohlspiegellinsensystems enthält. Der Maßstab besteht
aus einem verspiegelten Träger, in den ein Mäanderprofil mit
einer Höhe von -f- eingearbeitet ist.
Neben dom wegen der Λ -Gangunterschiedsbedingung theoretisch
nicht entstehenden regulär reflektierten Lichtbündel entstehen an Maßstab durch die Gitterwirkung gebeugte und daher
gegen die oben genannte Ebene geneigt· parallels Lichtbündel.
Bei einer Stufenhöhe von Λ löschen eich durch Interferenz
die beiden von Gittergrund und von den Gitterhöhen regulär reflektierten Lichtanteile aus. Die geneigten Lichtbündel
durchlaufen die Bauteile 37 bis 35 rückwärts und werden dabei nach Rückverwandlung in linear polarisierte· Licht mit gegenüber dem ersten Durchgang um 90 gedrehter Sohwingungsrichtung noch weiter aufgespalten. Sie erzeugen als konvergente
LiohtbUndel auf der Spiegeloberfläohe al· Beugungsbilder
höherer Ordnung Bilder des Eintritteepaltee, die, falls
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das Balken-zu-Lückenverhältnis des Gitters 1:1 ist, nur in
den geraden BeugungsOrdnungen Intensität aufweisen. Eventuelle
Abweichungen der Stufenhöhe oder des Balken-mu-Lückenverhältnisses
des Gitters lassen sich durch Verhinderung der Reflexion am Kugelsegmentspiegel an den Orten der geradzahligen Beugungsordnungen eliminieren. Die auf der Hohlspiegeloberfläche liegenden
Beugungsbilder höherer Ordnung stellen selbst wieder kohärente Lichtquellen für eine weitere Gitterbilderzeugung
und Reflexion am Maßstab dar.
Das dabei zum zweiten Mal zum Maßstab geführte Licht durchsetzt dabei die beim ersten Mal nicht benutzte Halbfläche
der Linse 35 und wird beim Hin- und Rückgang an den doppelbrechenden
Gliedern nochmals aufgespalten und in der Polarisationsrichtung umgekehrt. Nach der zweiten Reflexion am Maßstab
verläßt das der nullten Ordnung zugeordnete Strahlenbündel die Abbildungsoptik durch den Spalt, der bereits als Eintrittsspalt diente, und zwar symmetrisch zum einfallenden Licht.
Es durchläuft ein Umlenkprisma ^O sowie eine Feldlinse 41.
Mittels eines nachgeschalteten polarisierten Teilers' kZ werden
die den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen zugehörigen Lichtanteile des Strahlenbündels voneinander getrennt und über
Kollektorlinsen 43, kk zwei fotoelektrischen Empfängern U-5» ^6
zugeführt. Das Licht höherer BeugungsOrdnungen wird mit Hilfe
des den Spalt umgebenden Spiegele 60 über eine Feldlinse k$t
einen polarisierenden Teiler 50 sowie die Feldlinsen 51 » 52
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zwei fotoelektrischen Empfängern 53t 5^ zugeführt, deren
Ausgangssignale dem in höheren BeugungsOrdnungen gebeugten
Licht entsprechen und die gegeneinander entsprechend der Aufspaltung des Bauteiles 36 sowie der Gitterkonstante phasenverschoben
sind.
Wird, weil man nach zwei Koordinaten messen will, als Maßstab ein Kreuzgitter verwendet, so wird das doppelbrechende
Bauteil in die Anordnung derart eingefügt, daß seine Aufspaltrichtung der Richtung der Winkelhalbierenden der Gittermarkierungen
entspricht. Darüber hinaus ist dafür zu sorgen, daß die Lichtverteilung in der Brennfläche des brechenden
Gliedes zwei den Koordinatenrichtungen der Gitterteilung entsprechende, in ihrer Breite beschränkte Teilflächen aufweist.
Diesen beiden Teilflächen entsprechen die Hauptbeleuchtungsrichtungen. TJm eine Trennung dieser Richtungen
nach dem Durchlaufen des abbildenden Systems sicherzustellen, sind entsprechende optische Mittel vorgesehen. Es können hier
beispielsweise unterschiedliche Frequenzen der Beleuchtungsintensität oder der Lichtfrequenz gewählt werden.
Xn Fig. 3 ist als Beispiel für das verwendete Kugelschalensegment
das bei der Anordnung nach Fig. 2 verwendete Segment in Untersicht dargestellt. Das Segment besteht aus einer verspiegelten
halbierten Kugelkappe, die auf der Innenseite verspiegelt ist. Auf dieser Verspiegelung erscheinen nach der
ersten Reflexion nebeneinander liegend die Bilder nullter
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und höherer Ordnung. Die Teile des Spiegels, die von geradzahligen
Bildanordnungen getroffen werden, sind geschwärzt. Natürlioh kann die Verspiegelung des Segmentes auch mehr
oder weniger als die Hälfte der Fläche des Segmentes bedecken. Sie muß sich beispielsweise für die Messung nach
zwei rechtwinkligen Koordinatenrichtungen über drei Quadranten erstrecken. Der Eintritts-Austrittsspalt im Planspiegel
6O ist dann kreuz- oder winkelförmig ausgebildet.
In allen beschriebenen Fällen kann zum Zwecke der geometrischen Trennung die Breite des Ein- Austrittsspaltes
maximal ninht größer als der durch die Gitterkonstante gegebene
Aufspaltungswinkel sein. Gitter mit großer Liniendichte
erlauben daher besonders lichtstarke Anordnungen.
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Claims (1)
- A 1507/B 236I 18. Juli 1966Ansprüche1. Fotoelektrischer Schrittgeber mit mindestens einem Meßgitter, dessen jeweilige Lage mittels mindestens zwei fotoelektrischen Empfängern abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Phasengitters, dessen Gangunterschied vorzugsweise ■?- ist, das Gitter mittels einer Abbildungsoptik entweder auf ein zweites Phasengitter oder auf sich selbst abgebildet wird und daß die Lichtbündel nach der Beugung am zweiten Gitter bzw. nach der zweiten Beugung am Phasengitter nach BeugungsOrdnungen derart getrennt werden, daß in der Intensität gegenphasige BeugungsOrdnungen unterschiedlichen Strahlungsempfängern zugeführt werden, und daß zum Zwecke der geometrischen Trennbarkeit der Beugungsbilder die Lichtquellenbreite entsprechend der Gitterkonstante de* Meßgitters eingeschränkt ist.2. Fotoelektrischer Schrittgeber mit mindestens einem Meßgitter, dessen jeweilige Lage mittels zwei fotoelektrisch·!* Empfängern abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung »ines Amplitudengitters dieses mittels einer nur zwei BeugungsOrdnungen zum Bildaufbau benutzenden Abbildungeoptik auf ein Phasengitter abgebildet wird und daß die Khh&±fltMfltM Lichtbündel nach der Beugung an Phasengitter naoh BeugungsOrdnungen derart getrennt werden, daß in der Intensität gegenphasige BeugungsOrdnungen unterschiedlichen Strahlungsempfängern zugeführt werden, und- 11 -0098 17/0635 bador.g'NalA 1507/B 2361 18. Juli 1966daß zum Zwecke der geometrischen Trennbarkeit der Beugungsbilder die Lichtquelle entsprechend der Gitterkonstante des Meßgitters eingeschränkt ist.3. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den abbildenden Strahlengang zusätzlich am Abbildungsort senkrecht zueinander polarisierte oder chromatisch aufgespaltene Bilder erzeugende Bauglieder (25,36) eingefügt sind und daß die nach Polarisationsrichtung oder Farbe unterschiedlichen Lichtflüsse getrennten fotoelektrischen Empfängern (22,22»,23,23 *j45,46,53 ι52O zugeführt werden.k. Fotoelektrischer Schrittgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter als Kreuzgitter ausgeführt sind, deren Kreuzungswinkel dem gewünschten Koordinatenwinkel entspricht, daß die Beleuchtungseinrichtung zwei den Koordinatenrichtungen entsprechende Hauptbeleuchtungsrichtungen aufweist und daß Mittel vorgesehen sind, welche die Lichtflüsse nach dem Durchlaufen des abbildenden Systems außer nach BeugungsOrdnungen sit Gegentaktintensitäten und Polarisation oder Farbe auch nach den den Koordinatenrichtungen zugeordneten Hauptbeleuchtungsrichtungen trennen und unterschiedlichen Strahlungsempfängern zuführen.- 12 -009817/0635A 1507/B 2361 18. Juli 19665. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der den Hauptbeleuchtungsrichtungen zugeordneten Lichtflüsse mittels geometrischer Teiler erfolgt.6. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der den Hauptbeleuchtungsrichtungen zugeordneten Lichtflüsse mittels physikalischer Teiler nach Polarisationsrichtung oder Farbe erfolgt.7. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kreuzgitter als Amplituden-Phasen-Kreuzgitter ausgebildet ist, bei dem die Markierungen in der einen Richtung Phasenobjekte, in der anderen Richtung Äasplitudenobjekte sind.8. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungselemente des Kreuzgitters schachbrettartig angeordnet sind,9. Fotoelektx'ischer Schrittgeber nach einem der Ansprüche I, 3 casr 4S dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik aus einem Hohlspiegel bzw. einem Hohlspiegelsegment (33) in Kombination mit einem optisch brechenden Bauglied (35) besteht.iO, Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 9» dadurch ge-0098Ϊ7/0635 BAD ORIGINAL - 13 -A 1507/B 2361 18. Juli 1966kennzeichnet, daß ein Reflexionsgitter (38) verwendet ist und daß der Hauptstrahl des beleuchtenden Lichtstrahles in das abbildende System schräg zur optischen Achse des Systems, schräg zur Bewegungsrichtung und schräg zur Strichrichtung des Gitters einfällt und nur eine Halbebene des zur Signalgewinnung genutzten Gitterfeldes durch dieses Licht beleuchtet wird.11. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufspaltrichtung des doppelbrechenden oder chromatisch wirksamen Baugliedes vorzugsweise parallel zur Winkelhalbierenden zwischen den Kreuzgittermarkierungen verläuft.0 09817/0635
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