DE19722524A1 - Optical frequency sensor for measuring speed of objects - Google Patents

Optical frequency sensor for measuring speed of objects

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DE19722524A1
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Johannes Huebner Fabrik Elektrischer Maschinen 35394 Giesen De GmbH
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Abstract

The optical frequency sensor measures the relative speeds of a line grating and an optical scanning head, to obtain the proportional frequency. A correlator lens (3) is used in the scanning head, with at least one measuring grating on which the line grating is projected, and is adjusted to an odd harmonic of the line grating. The harmonic factor, k, is achieved by using a smaller constant for the measuring grating and by optically enlarging the line grating. Two or four black and white reference gratings may be provided, with k=3,5,7 or higher odd multiple spatial frequencies of the line grating projected on them. The reference gratings are displaced by (180 deg ,90 deg ) with two or four photocells to produce phase signals of the corresponding harmonic.

Description

Stand der TechnikState of the art

Optische Frequenzgeber haben die Aufgabe, die Geschwindigkeit rotierender oder linear bewegter Körper zu messen und als proportionale Frequenz auszugeben. Durch die Zählung der Perioden kann auch der zurückgelegte Winkel oder Weg ermittelt werden, wozu es meist nötig wird, eine zweite Wechselspannung gleicher Frequenz, aber phasenverschoben, zu erzeugen, um daraus die Bewgungsrichtung zu ermitteln (und bei Rückwärtsbewegung zurückzuzählen.)Optical frequency transmitters have the task of making the speed rotate or linearly moving body and measure as a proportional frequency to spend. By counting the periods, the distance covered can also be An angle or path are determined, which usually requires a second To generate alternating voltage of the same frequency but out of phase from this to determine the direction of movement (and when moving backwards count down.)

Bei der bekanntesten Art, den Incrementalgebern, ist auf dem Körper eine Strichteilung angebracht, die - meist optisch - abgetastet wird. Oft, aber nicht notwendigerweise, besitzt der optische Abtaster statt eines Spalts ebenfalls eine Strichteilung, eine "Referenzteilung", die die gleiche "Raumfrequenz", d. h. räumliche Teilungskonstante hat. Der Fotozelle wird so der Mittelwert mehrerer Striche der Teilung zugeführt. Außer für die, vorzüglich um 90°, phasen-verschobene Spannung zur Richtungserkennung benötigt man auch Referenzgitter und Fotozellen für die jeweils um 180° verschobenen Signale, um in Differenzverstärkern Gleichlicht- und Störfrenquenz-Signale auszufiltern.In the best known type, the incremental encoder, there is one on the body Line division attached, which - mostly optically - is scanned. Often, however not necessarily, the optical scanner has a gap instead also a line division, a "reference division" that is the same "Spatial frequency", i. H. has spatial division constant. The photocell will be like this the average of several lines of division. Except for those excellent by 90 °, phase-shifted voltage for direction detection you also need reference grids and photocells for each 180 ° shifted signals to equal light and in differential amplifiers Filter out interference frequency signals.

Für Meßstrecken, auf denen Gitterteilungen nicht angebracht werden können, z. B. Straßen oder laufendes Bandmaterial, gibt es auch Geber, die nur im Tastkopf Referenz-Teilungen haben: die optischen Korrelatoren. Sie nutzen die Tatsache, daß die statistischen unregelmäßigen Helligkeitsschwankungen der Oberflächen beim Abtasten durch einen Spalt eine dem Rauschen ähnliche Spannung ergeben, die alle Frequenzen enthält. Die Referenzgitter im Abtaster werden quasi auf die Oberflächen abgebildet, "korrelieren" mit der dort vorhandenen gleichen Raumfrequenz und ergeben die gefilterte geschwindigkeits-proportionale Zeitfrequenz. Natürlich ist deren Amplitude nur ein sehr kleiner Bruchteil der Gesamthelligkeit, was eine erheblich größere Verstärkung und bessere Frequenzfilterung erfordert als bei Incremental-Gebern. Auch ist die Phasenlage der statistisch gewonnenen Frequenz laufend Schwankungen unterworfen. Bei den bekannten, nur für statistische Strukturen bestimmten Korrelatoren werden vorzüglich Prismengitter als Meßgitter verwendet, die die 0° und 180°-Signale, durch eine Feldlinse gesammelt in verschiedene Richtungen auf je eine Fotozelle konzentrieren. So mischen sich die Bildstreifen auf dem gleichen Bildabschnitt, und ihre Gleich­ licht- und Fremdfrequenzanteile können wirkungsvoller im Differenz-Ver­ stärker eliminiert werden, als dies bei getrennten Referenzgittern möglich ist. Die Nutzung des Lichts ist doppelt so hoch wie bei Schwarz-Weiß-Gittern. For measuring sections on which grid divisions cannot be attached, e.g. B. roads or running tape material, there are also donors who only in Probe reference divisions have: the optical correlators. You use the The fact that the statistical irregular fluctuations in brightness of the Surfaces when scanning through a slit similar to noise Result in voltage that contains all frequencies. The reference grids in the scanner are mapped onto the surfaces, so to speak, "correlate" with those there existing same spatial frequency and result in the filtered time frequency proportional to speed. Of course, their amplitude is only a very small fraction of the overall brightness, which is a much larger one Gain and better frequency filtering are required than with incremental encoders. The phase position of the statistically obtained frequency is also ongoing Subject to fluctuations. In the known, only for statistical Structures certain correlators are used as prism gratings Measuring grating uses the 0 ° and 180 ° signals through a field lens concentrated in different directions on one photocell each. So the image strips mix on the same image section, and their equals Light and external frequency components can be more effective in the difference ver are eliminated more than is possible with separate reference grids is. Light is used twice as much as black and white grids.  

Die Auflösung von Incrementalgebern muß vor allem bei der Messung langsamer Bewegungen groß sein, damit die langen Periodendauern für Regler keine unzulässigen Totzeiten verursachen. Sie kann durch Frequenz-Ver­ vielfachung vergrößert werden: bei rechteckigen 0°/90°-Signalen durch Mischung bis auf das 4fache, bei sinusähnlichen Signalen durch Interpolation auf höhere Vielfache. Letztere erfordert jedoch hohen Aufwand und erhöhte Präzision.The resolution of incremental encoders must above all during the measurement slow movements are great, so the long periods for regulators do not cause inadmissible dead times. You can by frequency Ver multiplication can be increased: with rectangular 0 ° / 90 ° signals by Mixing up to 4 times, with sinusoidal signals by interpolation to higher multiples. However, the latter requires a lot of effort and increased Precision.

Erfindungsgemäß werden in Anspruch 1 die Nachteile beider Verfahren bei der Aufgabe , sehr hohe Auflösungen zu erreichen, durch ihre Kombination überwunden. Für diese Kombination werden in A4 bis A9 neue Korrelator-Systeme vorgeschlagen, die auch im ursprünglichen Anwendungsbereich unmarkierter Objekte vorteilhaft sind.According to the invention, the disadvantages of both methods in claim 1 Task to achieve very high resolutions through their combination overcome. For this combination, new correlator systems are used in A4 to A9 suggested that even in the original scope unmarked objects are advantageous.

In Fig. 1 ist die bisher benutzte, bekannte Art des Korrelators dargestellt: Das in Richtung des Pfeils 2 bewegte unmarkierte Objekt 1 wird von der Linse 3 auf ein transparentes Prismengitter 4 abgebildet. Von diesem ist nur ein kleiner Abschnitt stark vergrößert dargestellt. Durch die Prismenform wird abwechselnd ein spaltförmiger Bereich des Bilds nach der einen, der nächste nach der anderen Seite abgelenkt, so daß die Feldlinse 5 den einen Bereich auf Fotozelle 6, den anderen auf Fotozelle 7 abbildet. Deren Signale werden einem Differenzverstärker 8 zugeführt, der alle Gleichlicht- und Fremdfrequenzanteile unterdrückt und nur die der korrelierenden Raumfrequenz zugeordneten Signale verstärkt. Wegen der Verschachtelung der 0° und 180° Signale in dem gleichen Bildabschnitt gelingt dies besonders gut, besser, als mit getrennten Gittern in verschiedenen Abschnitten.In Fig. 1, the previously used, known type of the correlator is shown: The moving in the direction of arrow 2 unmarked object 1 is imaged by the lens 3 onto a transparent prism grating 4. Only a small section of this is shown greatly enlarged. The prism shape alternately deflects a slit-shaped area of the image on one side, the next on the other side, so that the field lens 5 images one area on photocell 6 and the other on photocell 7 . Their signals are fed to a differential amplifier 8 , which suppresses all constant light and external frequency components and amplifies only the signals associated with the correlating spatial frequency. Because of the interlacing of the 0 ° and 180 ° signals in the same image section, this works particularly well, better than with separate grids in different sections.

In Anspruch 3 wird die Kombination dieses bekannten Korrelators mit einer Strichteilung auf dem Objekt beansprucht, (Fig. 1, jedoch mit einem Strichgitter statt des unmarkierten Objekts 1) wobei als zusätzlicher Vorteil die erheblich größere Amplitude der ungeraden Oberwellen sowie eine feste Phasenlage zur Grundfrequenz entsteht.In claim 3, the combination of this known correlator with a line division on the object is claimed ( FIG. 1, but with a line grid instead of the unmarked object 1 ), the additional advantage being the considerably larger amplitude of the odd harmonics and a fixed phase position with respect to the fundamental frequency .

Wegen der großen Amplitude kann man bei nicht zu hoher Oberwelle auf die preisgünstigeren Schwarzweiß-Referenzgitter zurückgreifen, Anspruch 2. Der Geber unterscheidet sich nur noch dadurch von den herkömmlichen Incrementalgebern mit Referenzgittern, daß diese eine um das 3, 5, 7. . .-fache höhere Raumfrequenz als das Objekt-Gitter aufweisen. Because of the large amplitude, the harmonic cannot be too high use cheaper black and white reference grids, claim 2. The This is the only difference between the encoder and the conventional one Incremental encoders with reference grids that this one around the 3, 5, 7.. . times have higher spatial frequency than the object grid.  

In Fig. 2 ist 10 eine Variation des in Anspruch 4 beanspruchten Prismengitters 4, das für die Erzeugung einer 90°-Spannung eine zweite Korrelatoroptik überflüssig macht. Die 4 verschiedenen Prismenwinkel der walmdachförmigen Prismenflächen 11, 12, 13, 14 lenken die Lichtbündel von 4 nebeneinander liegenden schmalen Bildzonen in 4 verschiedene Richtungen. Von einer (nicht dargestellten) Feldlinse, wie 5 in Fig. 1 werden sie auf 4 Fotozellen gebündelt. Die Signale der 0° und 180° Fotozellen werden auf einen, die der 90° und 270° Fotozellen auf einen zweiten Differenzverstärker geschaltet, die die phasenverschobenen Rechteckspannungen ausgeben.In FIG. 2, 10 is a variation of the method claimed in claim 4 prism grid 4, which eliminates the need for a second Korrelatoroptik for generating a 90 ° voltage. The 4 different prism angles of the hipped roof-shaped prism surfaces 11 , 12 , 13 , 14 steer the light beams from 4 adjacent narrow image zones in 4 different directions. From a field lens (not shown), such as 5 in Fig. 1, they are bundled on 4 photocells. The signals of the 0 ° and 180 ° photocells are switched to one, those of the 90 ° and 270 ° photocells to a second differential amplifier, which output the phase-shifted square-wave voltages.

In Fig. 3 stellen 21 abgebildete Striche, 22 durchlässige Zwischenräume des Objektgitters in der Ebene eines Fotozellen-Arrays nach Anspruch 5 mit einem Ausschnitt 23 bis 38 der Einzelzellen dar. Da je 2 benachbarte Teilzellen eine Periode der Oberwelle darstellen und das in Fig. 3 dargestellte Beispiel die 5. Oberwelle ergeben soll, ist eine Objekt-Gitter-Periode auf 10 Teilzellen abgebildet. Die Signale der ungeradzahligen Zellen 23, 25 bis 37 werden in den Verstärkern der Reihe 39, die der geradzahligen in Verstärkern der Reihe 40 soweit verstärkt, daß die Helligkeitswerte "digitalisiert" werden, also nur noch als "hell/dunkel", bezogen auf eine Schwelle, ausgegeben werden. Die Ausgänge aller Verstärker 39 und 40 sind mit einem gleichgroßen Summier­ widerstand, Reihe 41 und 42 verbunden. Die anderen Enden der Widerstände jeder Reihe sind miteinander verbunden und die der Reihe 41 (ungeradzahlige) mit dem invertierenden, die der Reihe 42 (geradzahlige) mit dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (Komparators) 45. Wenn alle Verstärker der Reihen 39 und 40 invertieren, so sind die, der (von den Strichen 21) abgedunkelten Fotozellen 23 bis 27 und 33 bis 37. . . . high, die der (in den Zwischenräumen 22) beleuchteten Fotozellen 28 bis 32, 38 . . .low. In der ersten Gitterperiode, Zelle 23 bis 32, werden 3high + 2low (= 1 high) - Ausgänge auf den invertierenden, 2high + 3low (= 1low) - Ausgänge auf den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 45 gegeben, dessen Referenzspannung in der Mitte zwischen der "high"- und "low"-Spannung liegen muß, damit die logischen Nullsignale analog als -1 gerechnet werden. . Das wiederholt sich in allen n von der Messung erfaßten Perioden. So wird ein 2n faches low den Ausgang auf low schalten.In FIG. 3, 21 lines shown, 22 permeable gaps of the object grid in the plane of a photocell array according to claim 5 with a section 23 to 38 of the individual cells. Since 2 adjacent sub-cells each represent a period of the harmonic wave and that in FIG. 3 example shown to result in the 5th harmonic, an object-lattice period is mapped to 10 sub-cells. The signals of the odd-numbered cells 23 , 25 to 37 are amplified in the amplifiers of the series 39 , those of the even-numbered ones in amplifiers of the series 40 to such an extent that the brightness values are "digitized", that is to say only as "light / dark", based on one Threshold to be spent. The outputs of all amplifiers 39 and 40 are connected to an equal-sized summing resistor, series 41 and 42 . The other ends of the resistors of each row are connected to one another and those of the row 41 (odd-numbered) with the inverting, that of the row 42 (even-numbered) with the non-inverting input of the differential amplifier (comparator) 45 . If all the amplifiers of the rows 39 and 40 invert, then those of the photocells darkened (by the lines 21 ) are 23 to 27 and 33 to 37 . . . . high, that of the (in the spaces 22 ) illuminated photocells 28 to 32 , 38 . . .low. In the first grid period, cells 23 to 32 , 3high + 2low (= 1 high) outputs are given to the inverting, 2high + 3low (= 1low) outputs to the non-inverting input of amplifier 45 , whose reference voltage is in the middle between the "high" and "low" voltage must be in order for the logic zero signals to be calculated analogously as -1. . This is repeated in all n periods covered by the measurement. So a 2n fold low will switch the output to low.

Stellen wir uns eine Bewegung des Gitterbilds 21, 22, 21, 22. . . um eine Fotozellenbreite abwärts vor: Zellen 24 bis 28 = high, 29 bis 33 = low. Damit liegen auf -Eingang 43 nun 2 high und 3 low, auf +Eingang 44 3 high und 2 low, ein doppeltes high in der Wirkung, 2n mal high von n Perioden. Let us imagine a movement of the grid image 21 , 22 , 21 , 22 . . . down one photocell width: cells 24 to 28 = high, 29 to 33 = low. Thus there is now 2 high and 3 low on input 43 , 3 high and 2 low on + input 44 , a double high in effect, 2n times high of n periods.

Eine Weiterbewegung um noch eine Fotozellenbreite läßt Verstärker 45 wieder auf low umschalten. Es wird also eine der 5. Oberwelle der Gitterfrequenz entsprechende Rechteckwelle erzeugt. Dasselbe bei einer Aufwärtsbewegung des Gitterbilds.A further movement by another photocell width allows amplifier 45 to switch back to low. A square wave corresponding to the 5th harmonic of the grating frequency is thus generated. The same with an upward movement of the grid image.

In Fig. 4 sind, gemäß dem A.6, die Striche und Zwischenräume des Objektgitters 21, 22, 21,. . . auf je 10 Teilzellen des Arrays abgebildet. (k = 5, 4 k = 20 Zellen pro Periode). Jede Zelle faßt 90° der Oberwelle. Jede 1., 5., 9. ., also Zelle 51. . ., wird über Verstärker und Widerstand mit dem -Eingang 56, jede 3., 7., 11., also Zelle 53. .q. . über Verstärker und Widerstand mit dem +Eingang 57 des 0°-Verstärkers 58 verbunden, jede 2., 6., 10. (52. . . .) ebenso mit dem -Eingang 59, jede 4., 8., 12.,. . .(54. . .) ebenso mit dem +Eingang 60 des 90°-Verstärkers 61 verbunden, die die phasenverschobenen Spannungen ausgeben.Are shown in FIG. 4, according to the A.6, the bars and spaces of the object grid 21, 22, 21,. . . mapped to 10 sub-cells of the array. (k = 5, 4 k = 20 cells per period). Each cell holds 90 ° of the harmonic. Every 1st, 5th, 9th, i.e. cell 51 . . ., is connected via amplifier and resistor to input 56 , every 3rd, 7th, 11th, i.e. cell 53 . .q. . connected via amplifier and resistor to the + input 57 of the 0 ° amplifier 58 , every 2nd, 6th, 10th (52....) also to the -input 59 , every 4th, 8th, 12th, . . . ( 54 ...) Is also connected to the + input 60 of the 90 ° amplifier 61 , which output the phase-shifted voltages.

Zur Erläuterung des A.7 zur gleichzeitigen Erzeugung verschiedener Frequenzen, z. B. der 5. Oberwelle und der Grundwelle sind in Fig. 5 pro Periode 21 + 22 zehn benachbarte Fotozellenverstärker (ohne Numerierung) gezeichnet, an deren Ausgänge je 2 Summierwiderstände angeschlossen sind. Alle oberen Widerstände der Reihe 62 sind, wie in Fig. 3, abwechselnd auf die beiden Eingänge des Verstärkers 63 geschaltet, so daß dieser die (im Beispiel wieder) fünffache Oberwelle erzeugt. Von den unteren Summierwiderständen 62 sind jeweils fünf benachbarte miteinander verbunden und abwechselnd auf den +- und -Eingang des Verstärkers 64 geschaltet. Dadurch gibt dieser die fünffache Periode, also die Grundwelle aus.To explain the A.7 for the simultaneous generation of different frequencies, e.g. B. the 5th harmonic and the fundamental are drawn in Fig. 5 per period 21 + 22 ten adjacent photocell amplifiers (without numbering), to the outputs of which two summing resistors are connected. All of the upper resistors of the row 62 are, as in FIG. 3, connected alternately to the two inputs of the amplifier 63 , so that the latter generates (in the example again) five times the harmonic. Of the lower summing resistors 62 , five adjacent ones are connected to one another and alternately connected to the + and - inputs of the amplifier 64 . As a result, it outputs five times the period, i.e. the fundamental wave.

Die Gedanken des A 8, die Signale der Teilfotozellen mit 3 oder mehr Summierwiderständen für 3 oder mehr Ausgangsspannungen auszunutzen, ist eine so einfache Erweiterung des A 7 und der Fig. 5, daß eine zeichnerische Darstellung sich erübrigt. Diese Aufgabe entsteht z. B. bei zweidimensionalen Arrays. Bei ihnen werden einmal die Signale der Zeilen-Pixel gleicher Nummer aller Spalten miteinander verbunden und dann abwechselnd einem Verstärker, wie in Fig. 3, für eine Oberwellenspannung, oder zwei Verstärkern, wie in Fig. 4 für zwei verschobene Oberwellenspannungen zugeführt. Zusätzlich könnte auch, wie in Fig. 5 noch eine Grundwelle gewonnen werden.The idea of the A 8 to utilize the signals of the partial photo cells with 3 or more summing resistors for 3 or more output voltages is such a simple extension of the A 7 and FIG. 5 that a graphic representation is unnecessary. This task arises e.g. B. in two-dimensional arrays. With them the signals of the row pixels of the same number of all columns are connected to one another and then alternately fed to an amplifier, as in FIG. 3, for a harmonic voltage, or two amplifiers, as in FIG. 4, for two shifted harmonic voltages. In addition, a fundamental wave could also be obtained, as in FIG. 5.

Mit einem weiteren Summierwiderstand pro Pixel werden alle Pixels einer Zeile zusammengefaßt und abwechselnd einem weiteren Verstärker aufgeschaltet, der dann Frequenzen ausgibt, die Geschwindigkeiten, oder, bei Strichgittern, zusätzliche Signal quer zu den Zeilen messen. With a further summing resistance per pixel, all the pixels in a row summarized and alternately connected to another amplifier, the then outputs frequencies, the speeds, or, in the case of grids, measure additional signal across the lines.  

In A.9 wird versucht, Arrays der CCD-Bildgeber für den in dieser Anmeldung beschriebenen Zweck auszunutzen. CCD-Kameras sind in großer Zahl auf dem Markt, so daß die Hoffnung besteht, mit Teilen aus dieser Großserie besonders preisgünstig arbeiten zu können. Sie haben den Nachteil, in einem Abtast-Takt zu arbeiten, innerhalb dessen sich das Objektgitter nicht weiter bewegen darf, als einer halben Oberwelle entspricht. Andererseits ist die verbesserte Auflösung gerade für langsame Bewegungen erforderlich. Die Belichtung mit einer Leuchtdiode müßte, wenn dieser Grenzbereich angenähert wird, als Blitz von, z. B. 1 µsec, erfolgen, gesteuert vom Abtast-Ende des CCD-Sensors. Beispiel für eine Drehzahlmessung: Die 5. Oberwelle eines 1000 Strich pro Umfang Gitters ist 1/5000 des Umfangs, bei 40 mm Durchmesser ca 25 um, die Halbperiode 12,5 µm. Das lange bekannte Lineararray Tc 102 mit 128 Pixels kann mit 10 MHz abgetastet werden und benötigt dann für einen Durchgang ca 20 µsec. 1 Umdrehung mit 10000 Halbperioden zu je 20 µsec würde also 200 msec für die schnellste Drehung oder 5 Drehungen/sec = 300/min bedeuten. Es gibt also einen technisch interessanten Bereich.In A.9 an attempt is made to use arrays of CCD imagers in this application exploit the described purpose. CCD cameras are in large numbers on the Market, so there is hope, especially with parts from this large series to be able to work inexpensively. They have the disadvantage of being in one sampling cycle to work within which the object grid must not move any further, than half a harmonic. On the other hand, the improved Resolution required especially for slow movements. The exposure with a light emitting diode would, if this limit range is approached, as a flash from Z. B. 1 µsec, controlled by the scanning end of the CCD sensor. Example of a speed measurement: The 5th harmonic of a 1000 line per The circumference of the grid is 1/5000 of the circumference, at 40 mm diameter approx. 25 µm Half period 12.5 µm. The long-known linear array Tc 102 with 128 pixels can be scanned at 10 MHz and then requires approx 20 µsec. 1 revolution with 10,000 half-periods of 20 µsec each would be 200 msec for the fastest rotation or 5 rotations / sec = 300 / min. So there is a technically interesting area.

In Fig. 6 wird als Beispiel eine mögliche Auswertung der CCD-Signale gezeigt. Der CCD-Sensor 70 ist mit dem Videosignal-Ausgang 71 an einen Verstärker 73 angeschlossen, in dem das Videosignal digitalisiert wird, d. h. alle Bildpunkte über einer Heligkeitsschwelle ergeben eine "1", unter dieser Schwelle eine "0" Das digitale Ausgangssignal liegt am Eingang eines Zählers 75. Die interne Schaltfrequenz von Pixel zu Pixel, am Ausgang 72 des Sensors 70, treibt ebenfalls einen Zähler, 74, der nur bis 2 zählt, dessen "0" aber stets eindeutig auf die ungeraden, die "1" auf die geraden Pixelnummern fällt. Dieses Signal liegt auf dem up/down - Eingang des Zählers 75, so daß die Einsen aller ungeraden Pixels addiert, die der geraden Pixels subtrahiert werden. Das Zählergebnis ist leicht ohne Bild ableitbar: wenn, wie in dem Beispiel der Fig. 6, nur eine Ausgangsfrequenz erzeugt werden soll, (zählen bis 2) so fallen auf einen abgebildeten Strich, wie auf einen hellen Zwischenraum des Objektgitters je k Pixel, z. B. bei k = 5, der 5. Oberwelle, je 5 Pixel. Abwechselnd sind also 5 Pixels hell und 5 dunkel. Die dunkeln ergeben keinen Zählwert am Zähler 75. (Im Gegensatz zur analogen Auswertung in Fig. 3 bis 5, bei der die "0"-Signale als -1 gezählt werden.) Immer 5 Einsen der hellen Zonen dagegen werden gezählt, abwechselnd addiert und subtrahiert. Beginnt ein ungerades, addierendes Pixel, so ist, wegen des stets ungeraden k, auch das letzte Pixel dieser Zone ungerade, - und umgekehrt. Dazwischen bleibt dann immer eins weniger mit dem umgekehrten Vorzeichen. Ergebnis also +1 oder -1, wie jeweils die "Randpixels". A possible evaluation of the CCD signals is shown in FIG. 6 as an example. The CCD sensor 70 is connected with the video signal output 71 to an amplifier 73 , in which the video signal is digitized, ie all pixels above a brightness threshold give a "1", below this threshold a "0". The digital output signal is at the input of a counter 75 . The internal switching frequency from pixel to pixel, at the output 72 of the sensor 70 , also drives a counter 74 , which only counts to 2, the "0" of which always clearly falls on the odd, the "1" on the even pixel numbers. This signal is on the up / down input of counter 75 , so that the ones of all odd pixels add up, which are subtracted from the even pixels. The counting result can easily be derived without an image: if, as in the example in FIG. 6, only one output frequency is to be generated (count to 2), then a line is depicted, as is a bright space between the object grid per k pixels, e.g. . B. at k = 5, the 5th harmonic, 5 pixels each. Alternately, 5 pixels are light and 5 are dark. The dark ones do not give a count at counter 75 . (In contrast to the analog evaluation in FIGS. 3 to 5, in which the "0" signals are counted as -1.) On the other hand, always 5 ones of the bright zones are counted, alternately added and subtracted. If an odd, adding pixel begins, the last pixel of this zone is also odd because of the always odd k - and vice versa. In between there is always one less with the opposite sign. Result +1 or -1, like the "border pixels".

Bei jeder folgenden Hellperiode wird eine weitere 1 zuaddiert, bzw. subtrahiert. Hat sich das Objektgitter um eine Pixelbreite weiterbewegt, so springt das Vorzeichen um. Die Zahl der abgebildeten Gitterperioden ist durch Geometrie von Gitter, Sensor und Abbildungsmaßstab vorgegeben. Im Beispiel der Fig. 6 mit einem Zeilen-CCD von 128 Pixels 12 Perioden. Diese Zahl erscheint im obigen Beispiel auch abwechselnd positiv und negativ am Ausgang des Zählers 75: +12 , -12. . . . Dies geschieht im Rythmus der gesuchten Oberwelle. Zur Umwandlung in ein Analogsignal ist als Beispiel der D/A-Wandler 76 gezeichnet.With each subsequent light period, another 1 is added or subtracted. If the object grid has moved on by one pixel width, the sign changes. The number of grating periods shown is determined by the geometry of the grating, sensor and imaging scale. In the example of FIG. 6 with a line CCD of 128 pixels 12 periods. In the example above, this number also appears alternately positive and negative at the output of counter 75 : +12, -12. . . . This happens in the rhythm of the harmonic sought. The D / A converter 76 is shown as an example for conversion into an analog signal.

Es ist leicht vorstellbar, statt der Zählung bis 2 in Zähler 74 bis 4 zu zählen und jeden ersten und dritten Impuls, wie in Fig. 6 zu einer Ausgangs- Spannung, und jeden zweiten und vierten in einem anderen Zähler zu einer um 90° versetzten Spannung zu verarbeiten, wie in A.6 analog geschehen. Ebenso sind auch die analogen Verfahren der Ansprüche 7 und 8 zur Erzeugung von weiteren Frequenzen und zur Messung senkrecht zur ersten Bewegungsrichtung mit weiteren Zählern, elektronischen Umschaltern und Wandlern auf die CCD-Technik umsetzbar Selbstverständlich können auch alle Signalzuordnungen, Additionen und Subtraktionen von einem kleinen Mikro-Prozessor durchgeführt werden, auch bei den nach den Ansprüchen 5 bis 8 in den Beispielen analog summieren den Schaltungen.It is easy to imagine, instead of counting to 2 in counters 74 to 4 and shifting every first and third pulse, as in FIG. 6, to an output voltage and every second and fourth in a different counter to 90 ° Process voltage, as happened in A.6 analog. Likewise, the analog methods of claims 7 and 8 for generating further frequencies and for measuring perpendicular to the first direction of movement can be implemented with further counters, electronic switches and converters on the CCD technology. Of course, all signal assignments, additions and subtractions can also be carried out by a small micro -Processor to be performed, even in the case of the circuits according to claims 5 to 8 in the examples.

Claims (9)

1. Optischer Frequenzgeber, der die Relativgeschwindigkeit eines Strichgitters zu der eines optischen Tastkopfes als proportionale Frequenz messen soll, gekennzeichnet durch eine Korrelator-Optik als Tastkopf, mit mindestens einem auf eine ungerade Oberwelle des Strichgitters eingestellten Meßgitter, auf welches das Strichgitter abgebildet wird, wobei der Oberwellenfaktor k sowohl durch eine kleinere Meßgitterkonstante als auch durch optische Vergrößerung des Strichgitters erzielt werden kann.1. Optical frequency generator, which is to measure the relative speed of a grating to that of an optical probe as a proportional frequency, characterized by a correlator optic as a probe, with at least one measuring grating set to an odd harmonic of the grating, on which the grating is imaged, whereby the harmonic factor k can be achieved both by a smaller measuring grating constant and by optical enlargement of the grating. 2. Opt. Frequenzgeber nach A1, gekennzeichnet durch zwei bzw. vier schwarzweiße Referenzgitter von einer k = 3, 5, 7, oder höheren ungeraden vielfachen Raumfrequenz des auf ihnen abgebildeten Strichgitters, die um je 180° bzw. 90° versetzt, mit 2 bzw. 4 Fotozellen die Phasensignale der entsprechenden Oberwelle erzeugen.2. Opt. Frequency generator according to A1, characterized by two or four black and white reference grids of k = 3, 5, 7 or higher odd multiple spatial frequency of the grating shown on them, each by 180 ° or 90 ° offset, with 2 or 4 photo cells the phase signals of the generate the corresponding harmonic. 3. Opt. Frequenzgeber nach A1, gekennzeichnet durch ein an sich bekanntes transparentes Prismengitter, das die verschachtelten 0° und 180°-Streifen, (1/3 oder 1/5 oder 1/7. . . . einer Halbperiode des abgebildeten Gitters breit,) verschieden ablenkt, so daß sie mit einer Feldlinse auf je einer Fotozelle (Fig. 1) zusammengefaßt werden3. Opt. Frequency transmitter according to A1, characterized by a known transparent prism grating, which the nested 0 ° and 180 ° strips, (1/3 or 1/5 or 1/7...... Half a period of the grating shown wide ,) deflects differently, so that they are combined with a field lens on one photo cell ( Fig. 1) 4. Opt. Frequenzgeber nach A1, gekennzeichnet durch ein transparentes Prismengitter, das mit walmdachförmig abgeflachten Prismen 4 Meßstrahlen verschieden ablenkt, die mit 4 Fotozellen vier um 90° versetzte Phasensignale erzeugen.4. Opt. Frequency transmitter according to A1, characterized by a transparent Prism grid, the 4 measuring beams with prisms flattened like a roof deflects differently, the four photocells with four phase signals offset by 90 ° produce. 5. Opt. Frequenzgeber nach A1, gekennzeichnet durch ein Fotozellen-Array, das die Funkion von Meßgitter und Fotozellen übernimmt, wobei die Fotozellen-Aus­ gänge einzeln verstärkt, durch Summierwiderstände so zusammengefaßt werden, daß die geradzahligen den addierenden, die ungeradzahligen den subtrahierenden Eingang eines Differenzverstärkers betätigen, an dessen Ausgang die gesuchte Rechteckfrequenz erscheint. 5. Opt. Frequency generator according to A1, characterized by a photocell array that the function of the measuring grid and photocells takes over, the photocell-off gears individually amplified, so summarized by summing resistors be that the even-numbered the adding, the odd-numbered the Press the subtracting input of a differential amplifier at its Output the square wave you are looking for appears.   6. Opt. Frequenzgeber nach A1 und AS mit Array, zur zusätzlichen Erzeugung einer um 90° verschobenen Frequenz, gekennzeichnet durch ein Abbildungsverhältnis von einer Objektgitterperiode auf 4k Teilfotozellen (k = Nr. der Oberwelle), wobei die Signale der 1., 5., 9. . . ., und der 3., 7., 11. . . Fotozellen einem Differenzverstärker wie 45 in Fig. 3 (AS) für die 0°, die der 2., 6., 10.,. . . und der 4., 8., 12., Fotozellen einem zweiten Differenzverstärker für die 90°-Spannung zugeführt werden6. Opt. Frequency transmitter according to A1 and AS with array, for additional generation of a frequency shifted by 90 °, characterized by an imaging ratio of one object grid period to 4k partial photo cells (k = no. Of the harmonic wave), the signals of the 1st, 5th , 9.. . ., and the 3rd, 7th, 11th. . Photocells a differential amplifier like 45 in Fig. 3 (AS) for the 0 °, the 2nd, 6th, 10th,. . . and the 4th, 8th, 12th, photocells are fed to a second differential amplifier for the 90 ° voltage 7. Opt. Frequenzgeber nach A1 und A5 mit Array, zur zusätzlichen Erzeugung weiterer kleinerer Frequenzen, vorzugsweise der Grundwelle, dadurch gekennzeichnet, daß mittels zusätzlicher Summierungswiderstände mehrere Fotozellen als "1.", "2.", "3.", Gruppe für die in Anspruch 5 oder 6 geschilderte Funktion der 1.,2.,3., Fotozelle zusammengefaßt und weiteren Vor-Rückwärts-Zählern zugeführt werden, die dann die kleinere Frequenz gleichzeitig mit der der Oberwelle erzeugen.7. Opt. Frequency generator according to A1 and A5 with array, for additional generation further smaller frequencies, preferably the fundamental, thereby characterized in that by means of additional summing resistors several Photocells as "1.", "2.", "3.", group for those described in claim 5 or 6 Function of the 1st, 2nd, 3rd, photocell combined and further up-down counters which are then fed with the smaller frequency simultaneously that of the harmonic. 8. Opt. Frequenzgeber nach AS bis A7 mit Array, gekennzeichnet durch ein zweidimensionales, schachbrettartiges Fotozellen-Array, das durch Zusammenfassen der Spalten wie in AS bis A7 der Fotozellen oder Fotozellen-Gruppen eine Messung der Bewegung in einer Richtung, durch entsprechende Zusammenfassung der Zeilen eine gleichzeitige Messung der Bewegung senkrecht dazu oder eines senkrecht zur Gitterteilung aufgebrachten Signals gestattet.8. Opt. Frequency transmitter according to AS to A7 with array, characterized by a two-dimensional, checkerboard-like photocell array that passes through Combine the columns as in AS to A7 of the photocells or photocell groups a measurement of the movement in one direction, by appropriate Summary of lines with simultaneous measurement of movement perpendicular to it or a signal applied perpendicular to the grid division allowed. 9. Opt. Frequenzgeber nach AS bis A8 mit Array, gekennzeichnet durch ein ein- oder zweidimensionales Array mit CCD-Abtastung, bei dem durch vom CCD-Abtastsignal gesteuerte Zähler elektronische Schalter oder Gatter das Videosignal in die einzelnen Fotozellensignale auftrennen, die nach A5 bis A8 durch Summieren und Subtrahieren verschiedener Pixelgruppen in Vor- Rückwärtszählern geschwindigkeits-proportionale Schwankungen des Ausgangs-Zählwerts erzeugen, die einfach in analoge Spannungen umgewandelt werden können.9. Opt. Frequency transmitter according to AS to A8 with array, characterized by a one- or two-dimensional array with CCD scanning, in which by CCD scanning signal controlled counters electronic switches or gates that Separate the video signal into the individual photocell signals, which according to A5 to A8 by summing and subtracting different pixel groups in advance Down counters of speed-proportional fluctuations of the Generate output count that is simply converted to analog voltages can be.
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