DE1673978C - Photoelektrische Meßanordnung zum Be stimmen der gegenseitigen Verlagerung zweier Objekte - Google Patents

Description

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Ausgehend von einer photoelektrischen Meß- Fig. 1 eine isometrische Ansicht einer Ausanordnung der eingangs genannten Art, ist diese Auf- führungsform der Erfindung mit einem Lineargitter, gäbe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Um- Fig.2 eine Seitenansicht zu Fig. 1,
lenkglieder des optischen Systems zur Umlenkung F i g. 3 eine isometrische Ansicht einer Ausdes Strahlengangs um 360° derart angeordnet sind, s führungsform der Erfindung mit einem Radialgitter, daß dessen Austrittsstrahlengang gleiche Richtung F i g. 4 eine Seitenansicht einer gegenüber F i g. 3 wie der Einfallsstrahlengang aufweist. abgeänderten Ausführungsform mit einem Radial-

Im Gegensatz zu allen bekannten Anordnungen gitter,

ist also bei der erfindungsgemäßen Anordnung der F i g. 5 eine Draufsicht zu F i g. 4 und'
Austrittsstrahlengang des optischen Systems von der io F i g. 6 eine Seitenansicht zu F i g. 4.
gleichen Seite her auf das Gitter gerichtet wie das Die in den Pig. 1 und 2 gezeigte photoelektrische die abgebildete Zone durchleuchtende Lichtbündel. Meßanordnung dient zum Bestimmen der trans-Der Strahlengang im optischen System ist also außen latorischen gegenseitigen Verlagerung zweier Objekte, um das Gitter herumgeführt. Dies führt in einfachster Die Meßanordnung umfaßt ein durchsichtiges op-Weise und ohne die Notwendigkeit besonderer Maß- 15 tisches Lineargitter G, das mit dem einen Objekt nahmen zwangläufig dazu, da3 sich bei einer verbunden ist, und ein eine durchleuchtete Zone des eventuellen Drehung bzw. Exzentrizität des Gitters Gitters zurück auf das Gitter abbildendes optisches die Abbildung des Gitters auf diesen im gleichen System, das mit dem anderen Objekt verbunden ist Maße und in gleicher Richtung dreht und es deshalb und die Sammellinsen L1 und L 2 sowie die Umlenkzu einer Änderung des Unterschiedes der Gitter- 20 Spiegel M1, M 2, M 3 und M 4 umfaßt. Das optische neigung, also des Unterschiedes zwischen der Neigung System erzeugt in an sich bekannter Weise eine der Gitterlinien des körperlichen Gitters und der reelle, seitenverkehrte und kopfstehende Abbildung Neigung der darauf abgebildeten Gitterlinien, nicht im Maßstab 1:1. Die Umlenk-Spiegel lenken den kommen kann. Der zweite, wesentliche Vorteil der Strahlengang des optischen Systems um jeweils 90° erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht darin, daß 25 ab und sind so angeordnet, daß sich insgesamt eine auch eine parallele Verlagerung des Gitters quer zu Umlenkung von 360° derart ergibt, daß der Äustrittsseiner Ebene für die 'genaue Arbeitsweise der An- strahlengang J 2 des optischen Systems die gleiche Ordnung unschädlich ist. Dies liegt daran, daß die Richtung wie d,er Einfallsstrahlengang Z1 aufweist. Bildebene des optischen Systems bei der erfindungs- Im einzelnen fällt der von einer Beleuchtungsgemäßen Anordnung im Gegensatz zu den bekannten 30 einrichtung stammende Strahlengang /1 senkrecht Anordnungen stets praktisch identisch mit der auf das Gitter G, erzeugt dort eine durchleuchtete Gegenstandsebene bleibt, also einer Querverlagerung Zone und gelangt nach Durchtritt durch das Gitter des in der Gegenstandsebene liegenden Gitters folgt, auf den ersten Umlenk-Spiegl M1. An diesem wird da sich die Bildweite in bestimmten Grenzen um den der Strahlengang zum zweiten Umlenk-Spiegel M 2 gleichen Betrag vergrößert bzw. verkleinert, um den 35 reflektiert, durchtritt von dort entgegengesetzt zur sich die Gegenstandsweite verkleinert bzw. ver- Einfallsrichtung die Sammellinse Ll und gelangt größert. zum dritten auf der Beleuchtungsseite des Gitters G

Zur Umlenkung des Strahlengangs des optischen angeordneten Umlenk-Spiegel M 3. An diesem wird Systems um insgesamt 360° genügen an sich bereits der Strahlengang durch die zweite Sammellinse L 2 drei Umlenkglieder, z. B. drei Planspiegel oder 40 hindurch zum vierten Umlenk-Spiegel M 4 und von Prismen. Im Sinne eines Kompromisses zwischen dort als Austrittsstrahlengang Z 2 in gleicher Richtung Aufwand und Raumbedarf hat es sich jedoch als wie der Einfallsstrahlengang Z1 durch das Gitter G günstig erwiesen, ein optisches System mit vier Um- zu einem photoelektrischen Wandler ρ reflektiert, lenkgliedern, die den Strahlengang jeweils um 90° Die beiden Sammellinsen Ll und Ll sind von ablenken, vorzusehen. Die neue Meßanordnung ist 45 gleicher Konstruktion; ihre Brennpunkte liegen dagleichermaßen gut zur Erfassung translatorischer her zur Erzielung der gewünschten reellen Abbildung Verlagerungen mit Hilfe eines Lineargitters und zur im Maßstab 1:1 jeweils in der Ebene des Gitters G. Erfassung rotatorischer Verlagerungen mit Hilfe Ein Gegenstandspunkt der durchleuchteten Zone des eines Radialgitters geeignet. In Verbindung mit einem Gitters ist mit P und seine Abbildung auf dem Gitter Lineargitter genügt ein optisches System ohne jede 50 mit P' bezeichnet. Der photoelektrische Wandler Besonderheiten, das in üblicher Weise eine reelle, erfaßt die durch die Überlagerung des Gitters und kopfstehende und seitenverkehrte Abbildung erzeugt. seiner Abbildung im Maßstab 1 : 1 nach dem Prinzip Bei einem Radialgitter, dessen Gitterteilung zum unterschiedlicher Gitterneigung erzeugten Moire-Mittelpunkt hin enger wird, ist jedoch zur Erzielung St^reifen. Die Wanderung der Moire-Streifen hei einer einer formtreuen Überlagerung dafür zu sorgen, daß 55 gegenseitigen Verlagerung von Gitter und Gitterbild in der Abbildung der randnahe Bereich der ab- über den Wandler wirkt sich dabei als sinusförmige gebildeten Zone nicht mit dem mittelpunktsnahen Intensitätsänderung des Lichtes und eine entBereich der abgebildeten Zone vertauscht wird, also sprechende Änderung des Ausgangssignals des eine in bezug auf die Radialrichtung des Gitters Wandlers aus.

seitenrichtige Abbildung erzeugt wird. Dies kann in 60 Wird das Gitter G und damit der Gegenstands-

Verbindung mit einem üblichen optischen System in punkt P in Richtung des Pfeils χ verlagert, wandert

einfacher Weise durch Verwendung eines doppel- der Bildpunkt P¹ in der entgegengesetzten Richtung

reflektierenden Fiinfeckprismas als eines der Um- über das Gitter. Die gegenseitige Verlagerung von

lenkglieder geschehen. Gitter und Gitterbild erfolgt daher mit der doppelten

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vor- 65 Geschwindigkeit der gegenseitigen Verlagerung des

teilhaften Einzelheiten an Hand schematischer Zeich- Gitters und des optischen Systems bzw. der beiden

nungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher Objekte. Da sich die Wanderung der Moire-Streifen

erläutert. Es zeigt nach der gegenseitigen Verlagerung von Gitter und

Gitterbild richtet, bedeutet dies eine Erhöhung der Pfeile angedeuteten Bildlage im Bereich B des Gitters Meßgenauigkeit um den Faktor 2 gegenüber An- erzeugt. Der von der Zone Λ ausgehende Einfallsordnungcn mit zwei körperlichen Gittern. Wird das strahlengang des optischen Systems wird im Dreieck-Lineargitter G in seiner Ebene gedreht, dreht sich prisma 3 um 90° abgelenkt und durchtritt die erste die Abbildung des Gitters im gleichen Drehsinn, so 5 Sammellinse 4. Aus dem anschließenden Fünfeckdaß der gegebene Winkelunterschied zwischen dem prisma 5 tritt der Strahlengang nach doppelter Verlauf der Gitterlinien des körperlichen Gitters und Reflexion im Prisma und einer Ablenkung um insdes Gitterbildes automatisch erhalten bleibt. gesamt 90° parallel zum Einfallsstrahlengang des

Bei einer Verlagerung des Gitters G quer zu seiner optischen Systems aus. Mittels der Spiegel 6 und 7 Ebene verlagert sich die Abbildung des Gitters 10 bzw. mittels des Parallelogrammprismas 14 erfolgt innerhalb praktisch vorkommender Grenzen in der anschließend eine seitliche Versetzung des Strahlengleichen Richtung und um den gleichen Betrag, so gangs in Umfangsrichtung des Radialgitters. Im daß die Abbildung des Gitters stets in der Ebene des folgenden zweiten Dreieckprisma 8 folgt eine aber-Gitlers bleibt. In Fig. 5 ist ein Gegenstandspunkt, malige Umlenkung um 90° und nach Durchtritt welcher einer neuen Lage des Gitters G nach einer 15 durch die zweite Sammellinse 9 eine letzte Um-Ouervcrlagerung entspricht, mit Q und der ent- lenkung um 90' im Dreieckprisma 10 derart, daß sprechende Bildpunkt mit Q' bezeichnet. Beide der das Dreieckprisma 10 verlassende Austritts-Punkte liegen in der gleichen Ebene, da das optische strahlengang die gleiche Richtung wie der Einfalls-Systcm innerhalb praktischer Grenzen stets die strahlengang aufweist und von der gleichen Seite wie Gleichung QP = Q¹P' befriedigt. Es kann also prak- 20 das Beleuchtungsbündel im Bereich B auf das tisch nie zu Meßfehlern auf Grund sich ver- Gitter G auftrifft. Wie bei der zuvor beschriebenen schlcchtcrnden Kontrastes und insbesondere auf Ausführungsform erfaßt die Photozelle 12 mit der Grund einer ungewollten unterschiedlichen Gitter- vorgeschalteten Sammellinse 11 die entstehenden teilung kommen. Moire-Streifen.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung 25 An sich erzeugt das optische System genau wie bei

mit einem Radialgitter zum Bestimmen von Winkel- der zuvor erläuterten Ausführungsform ein seiten-

verlagerungen zweier Objekte, die nach dem genau verkehrtes und kopfstehendes reelles Bild. Mittels

gleichen Prinzip wie die zuvor beschriebene Aus- des Fünfeckprismas 5 wird jedoch eine Bildumkehr

führungsform arbeitet. ' derart erzeugt, daß die Ausrichtung des Gitters und

Die Meßanordnung nach Fig. 3 umfaßt eine 30 des Gillerbildes in radialer Richtung des Gitters die

Lichtquelle 1 mit einer nachgeschalteten Kondensor- gleiche ist, wie es in F i g. 6 durch die beiden in

linse 2 als Beleuchtungseinrichtung, ein im Maß- radialer Richtung weisenden Pfeile angedeutet ist.

stab 1:1 abbildendes optisches System mit einem Die durch die Linsen des optischen Systems be-

crsten einfach reflektierenden Dreieckprisma 3, einer wirkte Bildumkehr in bezug auf die Umfangsrichtung

ersten Sammellinse 4, einem doppelreflektierenden 35 des Radialgitters bleibt jedoch erhalten, damit die

Fünfeckprisma 5, zwei Umlenk-Spiegeln 6 und 7, gegenläufige Verlagerung von Gitter und Gitterbild

einem weiteren Dreieckprisma 8, einer weiteren nicht verlorengeht. Dies ist ebenfalls in F i g. 6 durch

Sammellinse 9 und einem dritten Dreieckprisma 10, Pfeile angedeutet. Mit anderen Worten, wird also

ferner eine Photozelle 12 mit vorgeschalteter Sammel- durch das Fünfeckprisma 5 der »Kopfstand« des

linse 11 und das Radialgitter G. 40 Bildes, nicht jedoch seine Seitenverkehrtheit auf-

Dic in den Fig. 4 bis 6 gezeigte Ausführungsform gehoben. Die Aufhebung des »Kopfstandes« ist notgleicht der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform, bis wendig, damit sich Gitter und Gitterbild konform, auf den Unterschied, daß die beiden Umlenk- d. h. mit einer an jedem Punkt des Uberlagerungs-Spiegel 6 und 7 durch ein in der Wirkung gleiches berciches jeweils gleichen Gitterteilung, überlagern. Paraiieiogrammprisma 14 ersetzt sind, das ohne Luft- 45 Natürlich kann das Fürsfeckprisma auch durch Zwischenraum zwischen das Fünfeckprisma 5 und andere gleichwirkende optische Glieder, beispielsdas zweite Dreieckprisma 8 eingefügt ist. weise ein Spiegelsystem nach dem Porro-Koppeschen

Das von der Lichtquelle 1 stammende und mittels Prinzip, besetzt sein. Im übrigen arbeitet die zuletzt

der Kondensorlinse 2 gleichgerichtete Licht durch- beschriebene Ausführungsform genauso und hat die

leuchtet im rechtwinkligen Auffall eine Zoney4 des 50 gleichen Vorteile wie die Ausführungsform mit

Radialgitters G. Mittels des optischen Systems wird einem Lineargitter, wobei das für eine Drehung des

eine reelle Abbildung im Maßstab 1:1 der durch- Lineargitters in seiner Ebene Gesagte entsprechend

leuchteten Zone A unter Einhaltung der durch die für eine exzentrische Bewegung des Radialgitters gilt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. der gegenseitigen Verlagerung äußerst präzise sein

   Patentanspruch: muß, damit sich nicht im Verlaufe des Weges die

   gegenseitige Gitterneigung verändert und dadurch das Meßergebnis verfälscht wird. Eine genügend

   Photoelektrische Meßanordnung zum Be- 5 präzise Führung ist beispielsweise bei Werkzeugstimmen der gegenseitigen Verlagerung zweier maschinen nur mit unverhältnismäßig großem AufObjekte, bei der zur Erzeugung von Moire- wand oder gar nicht zu verwirklichen. Eine präzise Streifen nach dem Prinzip unterschiedlicher Führung wird im übrigen noch dadurch erschwert, Gitterneigung ein im Maßstab 1:1 auf sich selbst daß die beiden Gitter möglichst dicht nebeneinander abzubildendes einziges durchsichtiges Gitter und xa angeordnet sein sollen, um einen ausreichend hohen ein die Abbildung einer durchleuchteten Zone Kontrast der Moire-Streifen zu erzielen, des Gitters bewirkendes, Umlenkglieder auf- Es sind auch schon Anordnungen bekanntweisendes optisches System vorgesehen sind, da- geworden, welche mit nur einem körperlichen Gitter durch gekennzeichnet, daß die Umlenk- arbeiten und das zweite Gitter durch eine mittels glieder (M 1 bis M 4; 3,5,8,10) des optischen 15 eines optischen Systems erzeugte Abbildung des Systems zur Umlenkung des Strahlengangs um einzigen körperlichen Gitters ersetzen. Abgebildet 360° derart angeordnet sind, daß dessen Aus- wird eine durch- oder beleuchtete Zone des körpertrittsstrahlengang (Z 2) gleiche Richtung wie der liehen Gitters im Maßstab 1:1 neben sich selbst und Einfallsstrahlengang (Z 1) aufweist. in der Ebene des Gitters. Die Moire-Streifen ent-

   ao stehen dann bei einer gegenseitigen Verlagerung des Gitters und des abbildenden Systems. Da dabei das vom Gitter erzeugte Bild der Gitterbewegung ent-

   gegenlaufen muß, gewinnt man zusätzlich, bezogen

   auf die GiUerkonstante, eine Verdoppelung der *5 Intensitätsperioden. Fehler auf Grund einer ungleichmäßigen Gitterteilung sind bei Anordnungen mit nur einem körperlichen Gitter reduziert. Auch

   Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Meß- entfällt der Zwang, zwei Gitter mit kleinem gegenanordnung zum Bestimmen der gegenseitigen Ver- seitigem Abstand führen zu müssen. Die Überlagerung zweier Objekte, bei der zur Erzeugung von 30 lagerung genau in der Ebene des Gitters ergibt Moire-Streifen nach dem Prinzip unterschiedlicher schließlich einen hohen Kontrast der Moire-Streifen. Gitterneigung ein im Maßstab 1:1 auf sich selbst Bei allen bekanntgewordenen Anordnungen mit

   abzubildendes einziges durchsichtiges Gitter und ein nur einem körperlichen Gitter befinden sich sämtdie Abbildung einer durchleuchteten Zone des Gitters liehe Glieder des die Abbildung im Maßstab 1:1 erbewirkendes, Umlenkglieder aufweisendes optisches 35 zeugenden optischen Systems, abgesehen von der System vorgesehen sind. Beleuchtungseinrichtung und dem photoelektrischen

   Meßanordnungen mit einer photoelektrischen Er- Wandler, auf einer Seite des Gitters. Das optische fassung von Moire-Streifen haben in den letzten System umfaßt also derart angeordnete Umlenk-Jahren eine große Verbreitung gefunden. Moire- . glieder, beispielsweise Planspiegel, daß der Austritts-Streifen entstehen als Überlagerungsfigur bei der 40 strahlengang des optischen Systems seinem Eintritts-Durchleuchtung zweier hintereinandergeschalteter strahlengang entgegengerichtet ist. Dies hat den optischer Gitter, die entweder eine leicht unter- Nachteil zur Folge, daß bei einer eventuellen Verschiedliche Gitterteilung bei parallelem Gitterlinien- lagerung des einzigen Gitters quer zu seiner Ebene verlauf oder eine leicht unterschiedliche Gitter- eine Defokussierung eintritt und keine Überlagerung neigung derart, daß die Gitterlinien der beiden Gitter 45 mehr des Gitters mit seinem Bilde in der Gitterebene unter einem kleinen gegenseitigen Winkel verlaufen, sowie im Maßstab 1:1 stattfindet. Dadurch kommt aufweisen. Bei einer gegenseitigen Verlagerung der es zu einer Kontrastminderung der Moire-Streifen Gitter in ihrer Ebene unter Aufrechterhaltung des und einem Meßfehler auf Grund der ungewollten Neigungswinkels wandern die Moire-Streifen relativ unterschiedlichen Gitterteilung. Ferner haben die bezu einem ortsfesten Betrachtungspunkt mit einer 50 kannten Anordnungen ohne die Anwendung behohen Weg- bzw. Geschwindigkeitsübersetzung in sonderer Maßnahmen zur Bildumkehr den Nachteil, bezug auf die gegenseitige Verlagerung der Gitter. daß sich bei einer eventuellen, unerwünschten Be-Die Wanderung der Moire-Streifen kann mittels eines wegung des Gitters im Sinne einer Änderung dei ortsfesten photoelektrischen Wandlers, beispielsweise Neigung der Gitterlinien die Abbildung des Gitters einer Photozellc, dessen Sichtfeld kleiner als die 55 gegenläufig bewegt und dadurch ein Meßfehler aul Streifenbreite ist, als periodische Intensitätsänderung Grund sich ändernder gegenseitiger Gitterneigung des empfangenen Lichtes erfaßt werden, wobei entsteht. Bewegungen, die zu einem derartigen Fehlei Frequenz und Anzahl der periodischen Änderungen führen, sind bei einem Lineargitter Drehbewegunger ein Maß für die Geschwindigkeit bzw. das Ausmaß des Gitters in seiner Ebene und bei einem Radialder gegenseitigen Verlagerung der beiden Gitter sind. 60 gitter Exzentrizitätsbewegungen in seiner Ebene.

   Die beiden zur Erzeugung von Moire-Streifen ver- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be

   wendeten Gitter müssen eine überall genau konstante kannten Meßanordnungen mit einem im Maßstal Gitterteilung aufweisen, damit das Meßergebnis nicht 1 : 1 auf sich selbst abzubildenden einzigen Gitter se mit systematischen Fehlern auf Grund unterschied- weiterzubilden, daß unter Beibehaltung der Vorteil· lichcr Gitterteilung belastet ist. Eine Herstellung von 65 der Anordnungen mit nur einem Gitter auch die au Gittern mit sehr genau eingehaltener Gitterteilung eine Verlagerung des Gitters quer zu seiner Ebern ist jedoch sehr teuer. In der Praxis ergibt sich ferner und eine Dreh- oder Exzentrizitätsbewegung de die Schwierigkeit, ('aß die Führung der Gitter bei Gitters zurückgehenden Meßfehler beseitigt sind.