DE1673988B2

DE1673988B2 - Photoelektrische messeinrichtung

Info

Publication number: DE1673988B2
Application number: DE1968R0048245
Authority: DE
Inventors: Michael John; Robbins Rowland Clive; Bedford Bedfordshire Dench (Großbritannien)
Original assignee: George Richards & Co. Ltd, Altrincham, Cheshire (Großbritannien)
Priority date: 1967-03-16
Filing date: 1968-03-15
Publication date: 1977-11-24
Also published as: FR1564944A; US3553470A; GB1227941A; DE1673988A1; DE1673988C3; CH493829A

Description

Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Meßeinrichtung zum Erfassen der Verschiebung eines optischen Gitters mit rechteckiger Gitterteilung gegenüber einer mindestens zwei Ableseöffnungen aufweisenden Ableseplatte, bei der das beleuchtete Gitter mittels photoelektrischer Wandler über die Ableseöffnungen abtastbar ist und bei der die Ableseplatte so ausgebildet ist, daß in den Abtastsignalen Oberwellen unterdrückt sind.

Bei der Relativverschiebung von Gitter und Ableseplatte wird über die photoelektrischen Wandler ein Ausgangssignal erzeugt, das theoretisch sinusförmig ist. Wegen der beim Abtasten auftretenden Unstetigkeiten ist die erzeugte Ausgangsspannung jedoch stets mehr oder weniger oberwellenbehaftet. Zur Erleichterung der Auswertung der erzeugten Abtastsignale ist es andererseits jedoch wünschenswert, daß diese Ausgangssignale möglichst ideal sinusförmig sind. Es ist daher schon vorgeschlagen worden, durch entsprechende Bemessung der Gilterteilung und Wahl des Abtandcs der Ablescöffnung der Ableseplatte in bezug auf die Gitterteilung zwei ungcradzahligc Oberwellen im Abtustsignal zu unterdrücken (älteres Patent 12 82 988).

Die gleiche Aufgabe, nämlich in den durch pholoelektrischc Wandler erzeugten Abiastsignalcn Oberwellen zu unterdrücken und damit eine bessere Annäherung der Abtiislsignale an die Sintisforni zu erhalten, liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.

('■elöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß die Ableseöffnungen in Form eines ι rapezes bcsir/cn, dessen parallele Seiicn senkrecht zur (Üttcrleilung gerichtet sind.

Weiterbildungen der Erdindung ergeben sich aus den

Unteransprüchen.

Durch diese erfindungsgemäße Form der Ableseöffnungen wird die dritte Oberwelle im Ausgangssignal eliminiert, gleichzeitig werden die fünfte und siebte Oberwelle des Ausgangssignals stark reduziert. Dieser vorteilhafte Effekt kann noch durch die Maßnahmen nach den Unteransprüchen verbessert werden, vor allem durch die Kombination der erfindungsgemäßen Form der Ableseöffnungen mit einer speziellen Wahl des Abstandes zwischen den Ableseöffnungen entsprechend einer ungeraden Anzahl von Bruchteilen der halben Gitterteilung, wie dies an sich der Gegenstand des älteren Patents ist, so daß auch die Oberwellen höherer Ordnung unterdrückt werden und schließlich ein nahezu ideales Sinusausgangssignal entsteht, das sehr einfach und genau ausgewertet werden kann.

Bei Generatoren zur optoelektronischen Erzeugung von Wechselspannungen bestimmter Kurvenform, beispielsweise annähernder Sinusform, ist es an sich bekannt, die der optoelektronischen Abiastvorrichtung zugeordneten Blendenöffnungen in der drehbaren Blende trapezförmig auszubilden (GB-PS 8 46 771). Durch die Anwendung dieser an sich bekannten Maßnahme bei einer photoelektrischen Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art ist es möglich, die dritte Oberwelle zu unterdrücken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine photoelektrische Meßeinrichtung;

Fig. 2 zeigt schematisch die Zuordnung der Ableseöffnungen der Ableseplatte nach F i g. I gegenüber dem Gitter und den Detektoren;

Fig.3 zeigt die Ausbildung der Ableseöffnungen in der Ableseplatte.

Bei der in einem lichtdichten Gehäuse 11 untergebrachten photoelektrischen Meßeinrichtung ist am Gehäuse eine Ableseplatte 12 angebracht, die sich zusammen mit dem Gehäuse oberhalb eines Gitters 13 rechtwinklig zur Zeichenebene von Fig. 1 längs des Gitters bewegen kann. Das Gitter 13 setzt sich aus miteinander abwechselnden dunklen Gitterlinien und Gitterlücken zusammen, und das Licht der Lampe 14 wird durch eine Linse 15 auf die Oberfläche des Gitters fokussiert, das reflektierte Licht wird durch eine Kollimatorlinse 16 photoelektrischen Wandlern zugeführt. Jeder dieser photoelektrischen Wandler ist auf einen anderen Teil des Gitters 13 ausgerichtet, und zwar durch vier Paare von Ableseöffnungen 18 in der Ableseplatte 12. Jedes Paar von Ableseöffnungen ist zwei Gitterlinien zugeordnet.

Wenn die Ableseöffnungen 18 gerade über den Gitterlinien des Gitters 13 liegen, erhält der zugeordnete photoelektrische Wandler 17 minimale Beleuchtung. Wenn die Ableseöffnungen dagegen über Gitterlücken des Gitters liegen, erhält der Wandler maximale Beleuchtung. Die Ausgangsströme, die minimaler und maximaler Beleuchtung des Wandlers entsprechen, sind bei den vier Wandlern gegeneinander abgeglichen.

Die Ableseplatte 12 ist gegenüber der Ebene des Gitters 13 unter einem sehr kleinen Winkel geneigt, so daß das Licht der Lampe 14 von der Oberseite des Gitters längs des Strahles X reflektiert wird, und zwar nach F i g. 2 als Lichtstreifen 19, der die vier Wandler 17 beleuchtet. Mittels Blenden 21 wird die Lichtmenge eingestellt, die von dem beleuchteten Lichstreifcn 19 aus auf die Wandler fällt. Damit können die Ausgangssignale der Wandler aufeinander abgeglichen werden.

F i g. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die Form der Ableseöffnungen 18 in der Ablcseplalte 12, die jeweils einem der photoelektrischen Wandler 17 zugeordnet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede Ableseöffnung 18 als Doppeltrapez ausgebildet, und zwar mit der größten Breite ,·; und der Breite b der gegenüberliegenden kürzeren Parallelseilen.

Wenn zunächst die trapezförmigen Ableseöffnungen 18 mit den rechteckigen Gitterstrichen übereinstimmen, vergrößert sich bei der Verschiebung die Überlappungsfläche zunächst entsprechend dem Quadrat der Verschiebung, bis dann, wenn die geneigte Vorderkante des Trapezes vollständig über dem Gitterrechteck liegt, die Geschwindigkeit der Zunahme der Überlappung linear bleibt, wenn die kürzere der parallelen Seiten des Trapezes in Deckung mit dem Gitterrechteck ist. Wenn schließlich die hintere geneigte Seite des Trapezes in die Deckungslage kommt, ist die Zunahme der Überlappungsfläche wieder quadratisch, doch ändert sich die Überlappungsfläche nicht mit zunehmender, sondern mit abnehmender Geschwindigkeit. Wenn das Trapez vollständig über dem Gitlerrechteck liegt, ist die Geschwindigkeit der Zunahme gleich Null, und es isi dann das Maximum der annähernd sinusförmigen Ausgangsspannung erreicht. Eine weitere Bewegung ~> des Trapezes bewirkt, daß sich die vordere geneigte Kante von dem Gitterrechteck wieder wegbewegt und die Fläche damit verkleiner! wird, also wieder ein Ausgangssignal erzeugt wird, das annähernd sinusförmig ist.

in Die Länge der parallelen Seiten des Trape/es wird in einem Verhältnis von 1 :3 gewählt und die Länge der größeren Parallelseite des Trapezes gleich der Breile des Gitterrechteckes. Mit Hilfe der Amplitude der so erzeugten Sinuswelle kann innerhalb einer Periode die

ιϊ jeweilige Stellung der Ableseplatte ermittelt werden, und durch Zählen der Perioden gegenüber einer Bezugsstellung kann die Verschiebung gemessen werden.

Die Wellenform, die mit den trapezförmigen Ablese-

Jn öffnungen entsteht, kann als folgende Fourier-Kcihc geschrieben werden:

S=K sin Φ - 1/5·¹ sin 50 - 1/7³ sin 1Φ + 1/11' sin 11 Φ. . .

Dieser Ausdruck zeigt, daß im Ausgangssignal keine dritte Oberwelle vorhanden ist und daß die Amplitude der fünften Oberwelle nur 0,8% der Amplitude der Grundfrequenz entspricht.

Die Ableseöffnungen 18 können in einem \bstand c voneinander angeordnet werden, welcher einer ungeraden Anzahl von Bruchteilen der halben Gitterteilung ■■; entspricht. Dieser Abstand c wird beispielsweise 9 Zehntel oder Il Zehntel der Gitterteilung 2,7 gewählt und die Breite jeder öffnung gleich a, d. h. gleich der halben Gitterteilung. Damit ist es möglich, nicht nur die dritte Oberwelle aus dem Ausgangssignal zu eliminieren, sondern auch noch die fünfte Oberwelle. Das Ausgangssignal wird damit noch besser der idealen Sinusform angeglichen. Die siebte Oberwelle besitzt dann nur noch 0,8% der Amplitude der Grundfrequenz. Auch diese siebte Oberwelle kann noch eliminiert werden, indem der Abstand c 13/14 oder 15/14 der Gitterteilung gewählt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, jedem Wandler 17 zwei Paare von Ableseöffnungen zuzuordnen, wobei der Abstand zwischen diesen Ableseöffnungen jedes Paares dann 9/10 oder 11/10 der Gitterteilung gewählt wird, während der Abstand zwischen den Öffnungspaaren 13/14 oder 15/14 derGitterteilung gewählt wird.

Hierzu 2 BIa(I Zeiclimmuen

Claims

Patentansprüche:

I. Photoelektrische Meßeinrichtung zum Erfassen der Verschiebung eines optischen Gitters mit rechteckiger Gitterteilung gegenüber einer mn
stens zwei Ableseöffnungen aufweisenden AbK scplatte, bei der das beleuchtete Gitter mittels photoelektrischer Wandler über die Ableseöffnungen abtastbar ist und bei der die Ableseplatte so ausgebildet ist, daß in den Abtastsignalen Oberwellen unterdrückt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableseöffnungen (18) die Form eines Trapezes besitzen, dessen parallele Seiten (a, b) senkrecht zur Gitterteilung (13) gerichtet sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trapez der Ableseöffnungen (18) symmetrisch ist und das Verhältnis der parallelen Seiten (b. a) des Trapezes 1 :3 gewählt ist und die größere Parallelseite (a) des Trapezes gleich der Breite (a)des Gitterrechtecks ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableseöffnungen (18) die Form eines Doppeltrapezes besitzen (Fig. 3), das durch Spiegelung um eine der Parallelseiten (a)des Trapezes entsteht.
4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (c) zwischen den Ableseöffnungen (18) einer ungeraden Anzahl von Bruchteilen der halben Gitterteilung entspricht.