DE2238413A1

DE2238413A1 - Elektrooptische anzeigevorrichtung fuer differentiale bewegungen und positionen

Info

Publication number: DE2238413A1
Application number: DE2238413A
Authority: DE
Inventors: Kent Eric Erickson
Original assignee: Keuffel and Esser Co
Current assignee: Keuffel and Esser Co
Priority date: 1971-08-17
Filing date: 1972-08-04
Publication date: 1973-03-01
Also published as: GB1367039A; JPS5531882B2; CA953908A; US3768911A; SE388273B; DE2238413C3; CH553962A; DE2238413B2; JPS4829464A

Description

Priorität vom 2Zi-£HS22i-1221 ^{in USA auf}" grund der U.S.Anmeldung Serial No. 172,383

Elektrooptische Anlagen zur Anzeige sehr kleiner linearer oder winkeliger Versetzungen machen bisher von dem Moire-Streifenmuster Gebrauch, das von einem Paar in einem Lichtstrahl angeordneten Gittern erzeugt wird. In vielen derartigen Anlagen sind Amplitudengitter verwendet worden, bei denen jedes Gitter im Paar abwechselnde opake und transparente Bereiche aufweist, die gewöhnlich in der Form von regelmäßig angeordneten parallelen oder radialen Linien oder Netzteilungen angeordnet sind. Diese Anlagen arbeiten im Prinzip auf der Tatsache, daß eine relative Bewegung zwischen den Gittern in einer Richtung quer zu den Netzteilungen zu einem Wechsel der Richtungen des Lichtausgangs von dem Git-

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PostsAeck: Frankfurt/Main (763 Bank: Dresdner Bank AG, Wiesbaden, Konto-Nr. 276807

terpaar führt. Der letztgenannte Richtungswechsel kann visuell als eine Querverschiebung bei der MoIre-Streifenlage beobachtet werden. V*nn geeignete Optiken bei dem Licht verwendet werden, welches in das Gitterpaar eintritt oder aus diesem austritt, kann der Veohsel der Lichtausgangsriohtungen auf eine im allgemeinen zyklische Zntensitätsschwankung des von dem Paar übermittelten Lichte· übertragen werden. Photoelektrisohe Einrichtungen werden gewöhnlich für die Umwandlung der sich verändernden Lichtintensität in ein vergleichbar sich veränderndes elektrisches Signal verwendet, welches zum Triggern einer elektrischen Zähleinrichtung benutzt wird, um den Betrag der relativen Bewegung zwischen den Gitterpaarelementen anzuzeigen.

Da die von der Relativbewegung zwischen einem Gitterpaar erzeugten RichtungsSchwankungen von einer Photozelle nicht untersoheidbar sind, ist es notwendig, eine optische Einriohtung zum Ableiten von Moire-Streifen zu verwenden, die in ihrer Lage mit einer derartigen relativen Gitterbewegung variieren. Solche Optiken werden ausgesucht, um in Verbindung mit den gewünschten Maßen des Gitterpaares ein Muster von Moire-Streifen zu schaffen, deren Relativstellung leicht von einer Photozelle, normalerweise als Veränderung der Lichtintensität, unterschieden werden kann.

Bisherige Anlagen haben Kollimatoroptiken im einfallenden Lichtstrahl verwendet, um die Richtung des einfallenden Lichtes zu begrenzen und ein Streifenmuster auf der Fläche

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dev Photozelle zu bilden, die eine Periode -wiederholter Zyklen hat, wobei das Muster das begrenzte Gesichtsfeld der Photozelle weit überschreitet, dadurch ergibt sich eine Schwankung der Lichtintensität auf der Photozelle als Funktion der Lageänderung im Streifenmuster.

Andererseits verwenden andere bekannte Anlagen Optiken im Ausgang von einem Gitterpaar zur Bildung eines Streifenmusters, das sich in der Lage mit relativer Gitterbewegung verändert, und verwenden zusätzlich eine Öffnung zur Begrenzung des Photozellengesichtsfeldes auf einen engen Bereich des Streifenmusters, um die Schwankung der Lichtintensität mit der Positionsänderung des Streifenmusters zu erhalten.

Außer dem Verlust des verwendbaren Lichtes leiden diese bekannten Vorrichtungen an Nachteilen, die sich aus der Größe und den Kosten der verwendeten optischen Elemente ergeben. Weitere Beschränkungen hängen mit den bekannten Anlagen zusammen, die sich aus dem direkten Verhältnis zwischen der Periode des Gitterelementmusters und der Periode des auf der Photozelle gebildeten Streifenmusters ergeben, z.B. der relativen Bewegung zwischen den Gitterelementen einer Gitterperiode, die zu einer einzigen Zyklusverrückung des Streifenmusters führen. Um die Empfindlichkeit dieser Anlagen zu erhöhen, war es deshalb erforderlich, eine größere Netzteilungsfrequenz vorzusehen, die zu ungewöhnlicher

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Verteuerung der Gitterhereteilung führte. Eine zusätzliche und mehr begrenzende Überlegung basierte jedoch auf der Tatsache, daß der Raum zwischen einem Paar Gittern mit dem Quadrat der Gitterperiode verkleinert werden muß, um eine wirksame Sichtbarkeit in den Streifen zu behalten« Die Notwendigkeit, eine ungehinderte Bewegung zwischen den Gitterpaarelementen zu gestatten, beschränkte somit ernstlich die Verminderung der Gitterperiodizität.

Um diese Beschränkung des Gitterelementraumas zu umgehen, hat man sich Anlagen ausgedacht, bei denen das Gittermuster eines Elementes auf einem zweiten Element abgebildet wurde, um hierdurch wirksam die AbStandshaltung zwischen den GittereLementen auszuschalten und eine größere Verminderung in der Gitterperiodizität mit sich ergebender Anlagenempfindlichkeit zu ermöglichen. Solche Anlagen, wie sie z.B. in den U.S.-Patentschriften 3 2hh 895 und 3 h$k 777 beschrieben sind, stellen einen Kompromiß einer kompakten Ausführungsform mit der Hinzufügung zusätzlicher Abbildungsoptiken dar, die zusätzlichen Raum und Kosten mit sich bringen.

Die Verwendung von bei den bekannten Anlagen erhaltenen LichtSignalen war mit der Verwendung von photoelektrischen Zellen für die Umwandlung des Lichtes in elektrische Signale verknüpft. Solche elektrischen Signale werden in den den gemeinsamen Schwingungstyp aussondernden Differential- oder Gegentaktverstärkeranlagen in Verbindung mit elektronischen

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Zählern und Darstellungevorrichtungen verwendet· Bs ist übliche Praxis gewesen, die Phasenverschiebung zwischen Signalpaaren als Mittel zum Eliminieren gemeinsamer Gleichstromsignalbestandteile zu verwenden, sowie um Sinus-Kosinus-Signalgruppen zu erhalten, um auf diesen die Auflösung der Bewegungsrichtung zu stützen· Solche Verfahren und entsprechende Geräte sind von Burch diskutiert worden (Pro-5£^e.22_i2-2Eii£5» ^Band EI, Teil XI, Absätze 3.2, Seiten 100 bis 200, Interscience Publishers _f I963), und verschiedene Anlagen sind in folgenden US-Patentschriften beschrieben! 3 Zkk 895ί 3 h5h 7775 3 ^82 107; 3 1*83 389$ 3 502 *Π 4} 3 538 399 und 3 573 468.

Die vorliegende Erfindung schafft eine elektrooptische Anlage zur Bestimmung der differentialen Bewegung und der Lageveränderung· Die Anlage ist allgemein von der Art mit Moire-Streifen, wie oben erwähnt, sie stellt jedoch einen Fortechritt in der einschlägigen Technik dadurch dar, daß sie eine einfache, nicht mit Kollimator versehene Lichtquelle verwendet; dazu umgeht sie die oben erwähnte Notwendigkeit für Abbildungsoptiken, und dadurch schafft sie eine-, kompakte und wirtschaftliche Meßvorrichtung. Erfindungsgemäß wird zusätzlich eine Multiplikation der Empfindlichkeit ge-

o schaffen, und durch die Verwendung des Signalgemisches einer Mehrzahl von Streifen wird ein Signal mit hoher Lichtintensität geschaffen und die Wirkung irgendeiner örtlichen Verzeichnung oder Verzerrung in den Anlagenelementen ist ausgeschaltet·

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Während die bisherigen Anlagen die Messung different!aler Abstande durch verschiedene Interpretationsmittel des klassischen Moire-Streifenmusters vorsahen, da· duroh ein einziges Paar linierter Gitter gebildet wurde» ist die Erfindung gekennzeichnet durch die Verwendung einer Mehrzahl von Gitterpaaren, die in Reihe im Lichtstrahl der Anlage angeordnet sind* Durch eine solche Anordnung macht die Erfindung praktischen Gebrauch von Gittern» die ausreichend grob sind, um mit photografischen Verfahren in der Masse hergestellt zu werden, und sieht außerdem eine nützliche Empfindlichkeit durch die Vervielfachung der Lichtsignalfrequenz vor. Anders als die bisherigen Anlagen oder Systeme, die auf der Signalerzeugung auf die Schwankung der Lichtintensität als Funktion der Lage der einzelnen Streifen in einem Moiremuster bauten, sorgt die Erfindung für die Erzeugung eines Streifenmusters, das zykliah mit der Intensität als Ganzes variiert· Die sich ergebende Intensitäts- sohwankung des Streifenmusters ist somit von einem Photozel-

über lendetektor eine beachtliche Streifenzahl unterscheidbar, wodurch eine Steigerung des verwendbaren Signals als auch der Erhalt einer Mittelbildung vorgesehen sind, durch die äußerei Einzelstreifenfehler ausgeschaltet sind·

Die erfindungsgemäO verwendeten Gitterpaare sind Amplitudengitter, die in der üblichen Weise zur Schaffung einer optimalen Streifensichtbarkeit aufgebaut sind, d.h., jedes GItterelement eines Paars besteht aus einer stabilen transparenten Platte, auf deren einer Oberfläche eine Gruppe paral-

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leler opalcer Linien gegebener Breite gegeben sind, wobei jede Linie von der nächsten von einem durchsichtigen^ transparenten Raum im wesentlichen gleicher Breite getrennt sind, wodurch somit ein Gittermuster der Periode d gebildet wird. Selbstverständlich verwendet man Radiallinien tragende Gitter in Anlagen ssur Winkelmessung; die vorliegenden Betrachtungen werden jedoch auf lineare Meß» vorrichtungen beschränkt} nicht zuletzt wegen der Äquivalenz der zwei Systemarten.

Jedes der Gitterpaare der Erfindung weist zwei gleiche GitteaeLemente auf, die in Parallelebeneix zu ihrem entsprechenden Linien oder Linienangen im wesentlichen parallel und um einen Abstand t voneinander getrennt angeordnet sind₉ der sich aus der Beziehuxtgs t — d /X gebildet ist₉ wobei \ die effektive Wellenlänge des Lichtstrahls des Systems ist© Der Wellenlängenfaktor wird sich gewöhnlich in eine» begrenzten Bereich je nach der ausgewählten Lichtquelle und in Abhängigkeit von der Bande der verwendeten Photozelle verändern; während der Abstand t im allgemeinen berechnet werden kann, wird die schließliche Einstellung der Anordnung deshalb normalerweise durchgeführt«, um ein optimales Signal zu erhalten·

Wenn man ein Feld gleichmäßiger Beleuchtung durch eine solche Gitterpaaranordiiung sieht, ist ein typisches Moirestreifenmuster zu erkennen, dessen Streifenbänder im wesent-

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lichen parallel zu den Gitterlinierungen laufen· Das Streifenmuster liegt anscheinend im Unendlichen, eine offensichtlichen Folge der ku|dmulativen Interferenz zwischen den benachbarten Hauptbeugungsordnungen des auf das Gitterpaar von der unendlichen Anzahl von Richtungen auftreffenden Lichtes, die von dem gleichmäßigen Feld dargestellt werden, und die Lagen der einzelnen Bänder der Streifenmusters liegen gemäß der relativen Ausrichtung der Linierungen der entsprechenden Gittexternente. Eine Relativbewegung zwischen den Gitterelementen in einer Richtung quer zu den Linierungen erscheint als eine ähnliche Querverschiebung in den Lagen der Streifenbänder; die relativen Lichtintensitäten der Bande bleiben jedoch konstant.

Während der W_echsel in der Richtung des Lichtausganges von dem Gitterpaar visuell als eine Querverschiebung der Streifenmusterlage beobachtet werden kann, kann eine eine Mehrzahl von Streifen beobachtende Photozelle den'Richtungswechsel des Lichteinfalls nicht unterscheiden und erzeugt folglich nur ein Signal, das representativ ist für die Summe der Intensitäten des gesamten auf seine Oberfläche auffallenden Lichtes, unabhängig von der Richtung des Lichtausganges von dem Gitterpaar. Darin liegt der Grund, weshalb bei bekannten Anlagen eine optische Einrichtung erforderlich ist, um die relative Breite des Photozellenliohtfeldes auf einen Teil nur eines Streifenmusterzyklus zu beschränken und es der Photozelle zu ermöglichen, eine Schwankung

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in der Lichtintensität zu "sehen", und eine Zähleinrichtung für die Anzahl der sich an der Photozellenstation vorbeibewegenden Streifen vorzusehen.

Als Basis für die Betrachtung des Betriebes bzw. der erfindungsgemäßen Tätigkeit kann allgemein festgestellt werden, daß ein Paar von Amplitudengittern der beschriebenen Art so angesehen werden kann, als habe es eine Reihe von anhaftenden Richtungsvorzügen bezüglich der Übertragung eines Lichtstrahls, in dem das Paar angeordnet ist· Diese Richtungsbevorzugung hängt in erster Linie von den Relativstellungen der entsprechenden Gittermuster jedes Elementes des Paares ab und wechselt periodisch mit der Relativbewegung zwischen den Gitterpaaren, mit anderen Worten, die relative Verrückung oder Verschiebung einer Periode d zwischen Gitterelementen führt zu einer Verschiebung in der Riohtungsbevorzugung durch einen Zyklus, wobei die Winkelgröße eines derartigen Riohtungsbevorzugungszyklus 0 = tan** d/t. Die Richtungsbevorzugu-ng des Gitterpaares kann weiter gekennzeichnet sein als eine Unterreihe der Haupt- oder "bevorzugten" Richtungen, die sich mit dem Azimuth durch 0 verändern, und durch eine zweite Unterreihe von Neben-oder "nicht bevorzugten", die bevorzugten Richtungen halbierenden Richtungen.

Das Phänomen der Richtungsbevorzugung eines Gitterpaares zeigt sich selbst deutlich auf zwei Arten, die auf den Typ des auf das Paar einfallenden Eingangslichts bezogen werden·

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1. Wenn das Gitterpaar In einem Strahl gle ichgerichteten, kollimlerten Liohtee angeordnet lot, 1st die Intensität dee Ausgangslichtee von dem Paar anscheinend eine Funktion der relativen Ausrichtung jener Eingangerichtung zu den Richtungsbevorarag^ungen des Paarest insbesondere ist die Ausgangsintensität maximal, wenn die Eingangerichtung dieselbe wie eine bevorzugte Richtung des Gitterpaares ist, und minimal, wenn der Eingang mit einer nicht bevorzugten Richtung ausgefluchtet ist·

2. Wenn das Gitterpaar In einem gleichmäßigen Lichtstrahl mit allen Richtungen angeordnet ist, ist die Intensität des Ausgangslichts, welches aus dem Paar In einer gegebenen Richtung austritt, anscheinend eine Punktion der Ausrichtung jener Ausgangerichtung auf die Richtungebevorzugungen des Paars; insbesondere ist das Ausgangelicht ein Maximum in den bevorzugten Richtungen des Gitterpaares, während es ein Minimum in den nichtbevorzugten Richtungen hat·

Eine relative Bewegung zwischen den Elementen eines Gitterpaares führt, wie beschrieben, zu einer Verschiebung in den Richtungsbevorzugungen des Paares und führt weiterhin, je nachdem, welcher der zwei beschriebenen Lichteingangszustände besteht, entweder (i) zu einem Wechsel in der Aus- gangslichtlntensität oder (2) zu einem Wechsel In den Rlch-

Lichttungen dee Auegangs der Maximal- und Minimal-intensität.

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In jedem Zustand folgt der erwähnte Wechsel der relativen Bewegung zwischen den Gitteselementen und verändert sich über einen Zyklus mit jeder relativen Verschiebung der Gitterperiode d zwischen den Elementen des Paares«

Die Erfindung verwendet die Richtungsbevorzugungen der Gitterpaare in einem Meßsystem durch optische Reihenanordnung eines gleichmäßigen Beleuchtungsfeldes, d.h. einer Quelle mit alle Richtungen aufweisendem Lichteingang, wie z.B. einer einfachen Glühlampe; zwei Paare von Amplitudengittern, die im wesentlichen-in parallellen Ebenen angeordnet sind5 und eine photoelektrische Zelle. Diese Elemente stellen die einfachsten Grundein-

da
heiten des Systems dar, - wie später diskutiert wird ein bevorzugtes System eine Mehrzalnl von Gittermustem und Photozellen aufweist _s um elektrische Vergleichssignale zu erhalten, die für die elektronischen Zähler nützlich sind; der Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage kann jedoch mit den oben erwähnten Elementen als ausreichend angesehen werden.

¥ie oben allgemein beschriebe^ begründet das erste Paar von Gittern, d.h. dasjenige Paar, auf welches das Eingangslicht auffällt, wenn es sich in fester Beziehung befindetg eine feste Gruppe von bevorzugten Lichtausgangsrichtungen_s d.h. mit maximaler Intensität und nichtbevorzugte Lichtausgangsrichtungen₈ d.h.« mit minimaler Intensität. Diese Richtungen stellen umgekehrt Gruppen troa

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Lichteingangsrichtungen bezüglich dem zweiten Paar ähnlicher Gitter dar, die zur relativen Bewegung in der allgemein zu messenden Richtung angeordnet sind, indem man ZtB. ein Gitterelement des zweiten Paares auf einer in einer Richtung quer zu den Gitterlinierungen bewegbaren Gleitbacke befestigt.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage kann im allgemeinen durch die Überlegung verstanden werden, daß, wenn die bevorzugten Richtungen der zwei Gitterpaare ausgerichtet sind, d.h., wo die bevorzugten Ausgangsrichtungen des ersten Paares dieselben wie die bevorzugten Eingangsrichtungen des zweiten Paares sind, das maximal durch das erste Paar "übertragene¹¹ Licht, d.h. in den bevorzugten Ausgangsrichtungen weiterhin maximal durch das zweite Paar "übertragen" wird (bzw. "durchgelassen" wird). In Übereinstimmung hiermit wird in Abhängigkeit von der Ausfluchtung der nicht bevorzugten Richtungen der zwei Gitterpaare das Licht, was vom ersten Paar in derartigen Richtungen minimal durchgelassen wird, von zweiten Paar weiterhin durchgelassen.

Betrachtet man nun die Verrückung des bewegbaren Gitterelementes dee zweiten Paares um ein Differential d/2, so kann man sehen, daß die bevorzugten Richtungen des zweiten Gitterpaareβ durch ein Differential von β/2 geschoben worden sind, mit anderen Worten, die bevorzugten Eingangsrichtungen des zweiten Gitterpaares liegen in Ausfluchtung

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mit den nicht bevorzugten Ausgangsrichtungen des ersten Gitterpaares· Infolge dieser Ausrichtung der Richtungsbevorzugungen der zwei Paare von Gittern wird das maximal in der bevorzugten Richtung von dem ersten Paar durchgelassene Licht jetzt minimal von dem zweiten Paar durchgelassen und umgekehrt.

Somit erkennt man, daß die Intensität des von der Kombination der zwei Gitterpaare durchgelassenen Lichtes eine Produktfunktion ist, abhängig von den relativen Aufstellungen der Richtungsbevorzugungen jeder zwei Gitterpaare. Die Photozelle des Systems integriert in wirksamer Weise die richtungsmäßig bezogenen Lichtintensitätsprodukte über alle Richtungen innerhalb jedes Gesichtsfeldes und erzeugt ein elektrisches Signal, das mit der Verrückung zwischen Gitterelementen und dem sich ergebenden Wechsel in der Ausfluchtung der Ri oh tungebe vor ssgungen der zwei Gitterpaare schwankt.

Die Erfindung unterscheidet sich daher von bekannten Anlagen mit Einzelgitterpaar, die auf einen Lagewechsel im Moire-Streifenmuster in Abhängigkeit von der differentialen Gitterelementenverrückung aufbauen, durch die Tatsache, daß die vorliegende Doppelpaaranordnung einen Wechsel der Lichtintensität über das gesamte Gesichtsfeld der Photozelle bei einer aolchen Verrückung schafft und die Notwendigkeit für Einrichtungen ausschaltet, die einen Positions- oder Lagewecheel eines Streifenmusters bezüglich der Photozelle begründet. - 13a -

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Vie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, ist es
von weiterem Vorteil, ein Gitterelement in jedem der zwei Gitterpaare für die Bewegung bezüglich seiner anderen entsprechenden Einheiten anzuordnen. Die entsprechenden Bewegungsrichtungen dieser Elemente werden ausgewählt, um

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einen Gegenlaufweclisel in den Richtungsbevorzugungen der entsprechenden Gitterpaare vorzusehen· Hierbei wird die Relativgeschwindigkeit des Wechsels der beoKugten Richtungs ausfluchtungen als Funktion der Verrüekung -verdoppelt _f und eine Verdoppelung der Systemempfindlichkeit wird erreicht. Eine einfache Methode, um den gegenläufigen Wechsel der Richtungsbevorzugungen zu schaff en, besteht in der Faltung der Lichtweges ins System durch Reflexions-» mittel· Diese Praxis vermindert zusätzlich die Zahl der erforderlichen physikalischen Elemente und führt zu einem "einseitigen" System, das heißt, wo die Lichtquelle und die Photozellen auf derselben Seite der Gitter liegen^ und schafft einen leichten Zugang für die Reinigung, Einstellung oder für Reparaturen«

In der Technik sind verschiedene elektronische Anordnungen bekannt, durch die von einer Photoselle erzeugte elektrische Signale gezählt und dargestellt werden können« Die vorteilhafte Möglichkeit der Erfindung zur Erzeugung einer Mehrzahl von verwandten, phasenverschobenenlichtsignalen macht sie besonders in Verbindung mit den in den vorgenannten Veröffentlichungen beschriebenen Zählern nützlich. Zum Beispiel ergeben sich durch das gleichmäßige Verschieben getrennter Bereiche des Gitterelementmusters in Quadratur getrennte Bereiche des AusgangslichtStrahles, in denen Intensitäten zyklisch, aber in Quadratur-Verrückung variieren können, Einzeln mit jedem solchen Bereich des Ausgangslicht· Strahles verbundene photoelektrische Zellen schaffen Signale,

„ "J Jy ca

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die in ähnlicher Weise entsprechend der Phasenquadratur versetzt sind, und solche Signale können in Paaren in elektronischen Anlagen mit Auswerfen des gemeinsamen Schwingungstyps verwendet werden, und das sich ergebende Signalpaar kann dazu benutzt werden, Sinus-Kosinus-Signale für die Unterscheidung der Versetzungsrichtung zu erhalten·

Weitere vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigern

Figi_2 eine schematische perspektivisch? Ansicht eines Paares von Amplitudengittersegmenten, die bei der Erfindung benutzt werden, unter besonderer Darstellung charakteristischer Richtungsbevorzugungen des Gitterpaares,

Pig^_2 eine Kurve zur Darstellung der Intensität des Lichtauegange von einem Paar der Amplitudengitter als Funktion der Ausgangsrichtung,

Fig. 3 eine schematische Querschnittsdraufeicht des Gitterpaares der Fig· 1 unter besonderer Darstellung des Wechsels der Richtungsbevorzugungen als Funktion der Gitterelementverrückung,

Fij£._J± eine Kurve zur Darstellung der Intensität des Licht ausganges von einem Paar Amplitudengitter als Funktion dor Eingangsrichtung, - 1 6 -

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- ve -

Fig. 5 eine schematische Querschnittscteuf sieht einer Kombination von zwei Gitterpaaren gemäß der Erfindung, unter besonderer Darstellung mit den Fig. 5a und 5b des Vergleichs unterschiedlicher Ausrichtungen der Gitterpaarrichtungsbevorzugungen,

Fig. 6 und 7 Kurven unter Darstellung der Intensität des Lichtausganges von zwei Paaren von Amplitudengittern als Funktion der Zwischenrichtung für die entsprechenden Lageanordnungen der Fig. 5a und 5^,

Fig£_8 eine schematische Querschnittsdraufsicht einer Ausführungsform mit einer Doppelgitterpaaranordnung gemäß der Erfindung,

schematische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform einer doppelten Gitterpaaranordnung gemäß der Erfindung,

schematische Querschnütsansicht einer Ausführungsform einer gesamten LichtSignalerzeugungsanordnung gemäß der Erfindung,

_22 eine Draufsicht, zum Teil im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

_22 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform der Fig· 11 entlang den Linien 12-12, .

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-Vf-

ΐ-12 ^θ1ηθ Schnittansicht der Fig. 12 entlang der Linie 13-13 unter Darstellung eines bevorzugten Richtplatten-Gittermusters und

echematischee Schalt diagramm einer elektronischen Anlage unter Verwendung der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei in Pig. 1 ein Segment eines Paares von Amplitudengittern dargestellt ist, wie es allgemein in dieser Anlage verwendet wird. Die Segmente der betreffenden ersten und zweiten Gitterelemente und 13 weisen Glasplatten oder andere transparente Unterstützungskörper beachtlicher maßdimensionaler Stabilität auf mit opaken Linierungen oder Stegen 15 auf ihren augewandten Oberflächen, die mit transparenten Bereichen 17 abwechseln. Die opaken und transparenten Bereiche der Fläche des Gitterelementes haben im wesentlichen gleiche Breite, d/2, wodurch eine sich wiederholende Gitterperiode einer Breite d begründet wird. Die Gitten&emente 11 und 13 Hegen in parallelen Ebenen, die um einen Abstand t = d / ^ voneinander beabstandet sind; wobei X die ausgeprägteste, mittlere Wellenlänge? des nützlichen Eingangs des Lichtes mit einer Intensität I_± ist.

Zu jeder Zeit, d.h., wenn die Elemente eines Gitterpaares sich in fester Lage befinden, werden Gruppen von Richtungs-

- ia -

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bevorzugungen für das besondere Paar durch die relativen Queraufstellungen der entsprechenden Gittermuster der Elemente 11 und 13 begründet. In j$iem Gitterpaar der oben beschriebenen Art sind die bevorzugten Richtungen<X -_tOi₂, ...^X jene Richtungen, die parallel zu den verschiedenen geraden Linien laufen, die in einer Ebene quer zu den Gitterelementen 11 und 13 liegen und ungleiche Punkte der entsprechenden Gittermuster verbinden; in Fig· 1 verbinden beispielsweise die Linien, welche die bevorzugten Richtungen ⁰^₁» ⁰V₂ des Gitterpaares darstellen, den Punkt in der Mitte eines transparenten Bereiches 17 auf dem Gitterelement 11 mit den Punkten bei den Mitten der opaken Bereiche 15 auf dem Gitterelemont 13· Umgekehrt sind die nicht bevorzugten Richtungen ß^, ß~, ..,,.ß' durch ähnliche Punkte begründet, d.h.· die Mitten entsprechender transparenter Bereiche I7 auf den Gittermustem· ¥ie dargestellt, variieren die entsprechenden bevorzugten und nicht bevorzugten Richtungen eines Gitterpaares um einen Winkel θ = tan" d/t, welches die Periode oder WJaderholfrequenz jeder der einzel- nen Richtungsbevorzuguugen ist·

Wenn ein Paar von Amplitudengittern in einem Strahl mit alle Richtungen aufweisendem Lichi^leichmäßiger Eingangsintensität Ij angeordnet ist, variiert die Intensität I_Q des von dem Paar durchgelassenen Lichtes gemäß der Ausfluchtung zwischen der Ausgangsrichtung 0_Q und den versende denen RichtungsbevorzugungenOC9 ß des Gitterpaares.

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HO

Somit wird die Ausgangsintensität ι ein Maximum sein, wo 0 mit einer bevorzugten Richtung,I , ausgefluchtet ist, und wind ein Minimum sein, wo 0 mit einer nicht bevorzugten Richtung, ß, ausgefluchtet ist. Die in Fig. 2 gezeigte Kurve mit ausgezogenen Linien zeigt die Intensität I

des durchgelassenen Lichtes als Funktion der Ausgangsrichtung 0 für ein Gitterpaar, wenn die Gitterelemente 11 und 13 sich in der ersten festen Lage befinden· Wie man sieht, ergibt sich eine sich sinusartig verändernde Ausgangsintensität mit einer Frequenz 0 , die durch die Richtungsbevorzgungsperiode des Gitterpaares gegeben ist.

Wenn ein Gitterelement 13 in der durch den Pfeil dar ge st el. ten Richtung verrückt wird, wie in der Querschnittsansicht des Gitterpaares in Fig. 3 gezeigt ist, erkennt man, daß die Richtungsbevorzugungen des Paares für Jedes Differential d einer solchen Verrückung über die Periode 0 geschoben werden. Für eine Verrtickung von d/2 werden die entsprechenden bevorzugten,0(, und nicht bevorzugten, ß, Richtungen um θ/2 geschoben, und das Muster der Intensität des durchgelassenen Lichtes wird angeordnet sein, wie durch die Kurve der Fig. 2 mit gestrichelten Linien gezeigt ist. Diese Lage· verschiebung entspricht den charakteristischen, visuell beobachteten Bewegungen eines Moire-Streifenmusters.

Man erkennt aus Fig. 2, daß die Geoamtintensität des durchgelassenen Lichtes, d.h. die Intensität über eine wesentliche Zahl, n, von Perloden 0, integriert von einer photo-

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elektrischen Zelle, konstant bleibt. Aus diesem Grund ist eine Photozelle nicht in der Lage, die Lageveränderung aufzulösen und eine Verrückung anzuzeigen, ohne daß feldbeschränkende Optiken gemäß den bekannten Anlagen verwendet •werden.

Wir betrachten nun einen zweiten Zustand, wo in Fig. 1 ein

einseitig gerichtet Lichtstrahl mit einer Richtung/mit einer Intensität I, auf das Gitterρaar auffällt, z.B. durch Kollimatoren zu einer gegebenen Richtung 0.» Man erkennt, daß die Intensität I_Q des durchgelassenen Lichtes von der Ausfluchtung zwischen der Richtung 0. und den Richtungsbevorzugungen des Gitterpaares abhängt. Somit wird die Intensität 0 des durchgelassenen Lichtes umso größer sein, umso näher 0. mit einer bevorzugten Richtung des Paares ausgefluchtet ist· Bin dauernder Wechsel der Eingangsrichtung 0. bewirkt daher eine Ausgangsintensität I , die sich entsprechend der Periode 0 der Richtungsbevorzugungen des Gitterpaares regelmäßig wiederholt. Die Kurve der Fig· k stellt die Ausgangsintensität I als Funktion der eingangsriohtung 0. dar« Man erkennt, daß sie im wesentlichen dieselbe wie die Kurve der Fig. 2 ist* In dem Licht bewirkt ein Wechsel der Richtungsbevorzugungen, z.B. durch die Verrückung des Elementes 13 (Figo 3) eine sinusartige Veränderung der Ausgangsintensität für eine gegebene Eingangsrichtung 0., Wie oben erwähnt, führt eine Gitterelementverrückung einer Periode d zu einer Veränderung der Ausgangsintensität über einen Zyklus β. .

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Im Hinblick auf die obigen Ausführungen kann die Wirkung der Kombination der zwei Paare von Gittern, die in Reihe in einem Lichtstrahl mit allen Richtungen erfindungsgemäß angeordnet sind, betrachtet werden. Fig· 5 zeigt allgemein zwei Lagezustände (Fig. 5a und Fig. 5b) von zwei Gitterpaaren A, B. In Fig. 5 besteht das Gitterpaar A aus Gitterelementen 51 und 52, die oben unter Bezugnahme auf Fig.1 beschrieben 1st, und das Gitterpaar B besteht aus Elementen 53 und 54. Die Elemente 51, 52, $k sind bei der Beschreibung dieser Aueführungsform hier fest, während das Element 53 bewegbar ist und in einer Weise ähnlich dem Element 13 in Fig. 3 verrückt werden kann·

Die relativen Lagen der entsprechenden Gitterelemente 5¹» 52 und 53» 5** geben die Richtungsbevorzugungen der Gitterpaare A, B, und in Fig· 5a sind die Bevorzugungen gemittelt in Auefluchtung gesetzt worden, d.h. eine bevorzugte Richtung, Oi. . ρ des Gitterpaares A in diesem ersten Zustand ist

dieselbe wie eine bevorzugte Richtung, C< des Gitterpaares

B₁

Wenn entsprechend der obigen Beschreibung die doppelte. Gitterpaarkombination in einem Strahl von alle Richtungen aufweisendem Eingangslicht von im wesentlichen gleichmässiger Intensität I. angeordnet wird, verändert sich der durchgelassene Lichtausgang von dem Gitterpaar A, d.h. das Licht zwischen den beiden Paaren von Gittern, wie durch den halben Pfeil gezeichnet ist, mit der Intensität I^ als

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Funktion dor Ausfluchtung zwischen der Ausgangsrichtung 0 und den Richtungsbevorzugungen des Gitterpaares A. Die Veränderung der Intensität des Ausgangslichtes vom Gitterpaar A ist somit durch Fig. 2 gezeigt. Betrachtet man beispiels-

die

weise gemittelte ausgewählte Zwischenrichtung β-, so erkennt man, da jene Richtung mit der bevorzugten Richtung ^

A₁ ausgefluchtet ist, daß das in jener Richtung als Ausgang vom Paar A durchgelassene Licht ein Maximum ist. Im Hinblick auf die Tatsache, daß das Linierungsmuster der Gitterelemente näherungsweise 50 Ί° opale, lichtabsorbierende Bereiche aufweist, ist der maximale Lichtdurchlaß durch das Gitterpaar A oder irgendein anderes derartiges Gitterpaar grob die Hälfte der Eingangsintensität I.. Im Hinblick hierauf ist auch der minimale Lichtdurchlaß durch ein Paar der Gitter, z.B. in den nichtbevorzugten Richtungen, normalerweise etwa 10 $ der Eingangsintensität, infolge der äußeren Lichtstreuung in einem System. Dieser representative Intensitätenbereich, z.B. zwischen etwa 50 $ und 10 <$> als maximale und minimale Durchlässe für ein Gitterpaar wird in dieser Beschreibung hier, insbesondere für die Anwendungszwecke der Kurven in den Zeichnungen verwendet.

Unter weiterer Bezugnahme auf Fig. 5 (Fig. 5&) ergibt sich,., daß der Lichtausgang aus dem Gitterpaar A der Lichteingang zum Gitterpaar B ist und sich bezüglich seiner Intensität I^ als Funktion der Richtung des Ausganges vom Paar A verändert. Betrachtet man die^angezeigte Zwischenrichtung ^₁ als Eingang zum Paar B, so erkennt man, daß, weil ein solcher Eingang

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rait der bevorzugten Richtungen des Gitterpaares ausgefluchtet ist, die Intensität I des Lichtausganges vom Paar B weiterhin gemäß der Kurve der Fig. k ein Maximum ist. und I wird zum Teil das Produkt der maximalen Durch-

' ο

lasse jedes Gitterpaares in den bevorzugten Richtungen sein. In Übereinstimmung hiermit wird der Lichtausgang vom Gitterpaar A in den nicht bevorzugten β -Richtungen, da er den Eingang zum Gitterpaar B aufweist, weiterhin minimal durch das Paar B durchgelassen, wobei der Ausgang I weiterhin das Produkt der minimalen Durchlässe in jenen Richtungen aufweist.

Die Intensität I des Lichtausganges von der Doppelgitterpaarkombination A, B im Zustand der Fig. 5a bezüglich irgendeiner Zwischenrichtung φ wird somit das Produkt der Intensitäten des Lichts sein, welches durch jedes Gitterpaar als Funktion jener Zwischenrichtung durchgelassen wird. Die sich ergebende Doppelpaarausgangsintensität I als Funktion der Zwischenrichtung 0, wo bevorzugte Richtungen der entsprechenden Paare dieselben sind, kann durch die Kurve in Fig.6 mit den ausgezogenen Linien dargestellt sein, wobei die Kurve A, B mit gestrichelten Linien die zusammenfallenden Intensitäts-Richtungskurven der einzelnen Gitterpaare A und B darstellt. Der Bereich unter der Produktkurve in Fig. 6 ist repräsentativ für die Ausgangslichtintensität, die z.B. von einer Photozelle in dem Ausgangsstrahl integriert ist, die Zahl der Zyklen 0 und somit das gesamte, auf die Photozelle auffallende Licht, das von der Größe des Gesichtsfeldes der Photozelle bestimmt wird.

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- Sk -

5b stellt einen zweiten Lagezustand dar, wo ein Gitterelement 53' iⁿ der Querrichtung um ein Differential d/2 versetzt ist, wodurch eine 0/2 Verschiebung der Richtungsbevorzugungen des Gitterpaares B und eine Ausfluchtung der nicht bevorzugten Richtungen des Paares B mit den unveränderten bevorzugten Richtungen des Paars A bewirkt werden· Betrachtet man die Zwischenrichtung 0„, so kann man sehen, daß der Ausgang I^ vom Gitterpaar A ein Maximum ist, wobei

0p eine bevorzugte Ausgangerichtungot. ist» Als Eingang

^A2 zum Gitterpaar B wird jedoch Ij nur minimal vom Paar B durchgelassen, da 0„ ^m^·* ^der nicht bevorzugten Richtung ß_ ausgefluchtet ist. Der sich ergebende Durchlaß I iird, wie vorhin, Produkt der Intensitäten sein, die von jedem Paar in der entsprechenden Richtung 0_Z durchgelassen Bind, wird aber infolge der genannten Verrückung das Produkt der entsprechenden maximalen und minimalen Intensitäten sein·

Die Ausgangsintensitätskurve der Doppelgitterpaaranordnung. der Fig. 5*> erscheint als das Produkt der Intensitätskurven A, B in Fig. 7» wobei der Bereich unter der Produktkurve die Gesamtausgangsintensität ist, die von einer Photozelle integriert ist. Ein Vergleich der entsprechenden integrierten Intensitäten, d.h. der Bereiche unter den Kurven der Fig· 6 und 7 schafft ein repräsentatives Beispiel der Maximum- und Minimumgrenzen der Größe des Lichtsignales, welches von einer erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen ist· Man erkennt, daß eine Verrückung größer als die d/2 zu einem Lichtsignal einer Größe zwischen dem dargestellten Maximum und

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Minimum führt, und die kontinuierliche Verrückung eines Gitterelemente3 über eine Mehrzahl von Gitterperloden d bewirkt ein quasi sinusförmiges Signal mit einer Frequenz 0.

Die Frequenz der sich regelmäßig wiederholenden Intensität des Lichtsignals, das von einer erfindungsgemäßen Anlage erhalten wird, bestimmt die Empfindlichkeit des Systems. Eine derartige Anlage, in der ein Gitterelement verrückt wird, 1st bezüglich der Empfindlichkeit durch die Größe der Gitterperiode d begrenzt - wie oben beschrieben da eine Verrückung einer solchen Periode d erforderlich ist, um eine relative Verschiebung einer Periode 0 in den entsprechenden Richtungsbevorzugungen der Gitterpaare A, B zu bewirken. Durch die Anordnung der Gitterpaare, wie in Flg. 8 gezeigt ist, ist es jedoch möglich, die gleichzeitige Verrückung eines Gitterelementes In jedem der GIt-

terpaare zu bewirken und die Geschwindigkeit zu erhöhen, mit der die Ausfluchtung und Wiederausfluchtung der Richtungebevorzugungen der Gitterpaare auftritt, wobei somit die Frequenz des Lichtsignals die Empfindlichkeit der Anlage ohne einen Wechsel der Gitterperlode d gesteigert werden.

Die in Fig. 8 dargestellte Ausführungsfortn weist feste Gitterelemente 61 und 65 und ein bewegbares Element 63 auf, welches zwischen den befestigten Elementen angeordnet ist und von jedem durch die Optimalabstände t_A» t_ß getrennt ist. Das Kiement 63 trägt ein Gittermuster auf jeder seiner Flächen, und diese Gittermuster bilden mit den entsprechen-

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den Mustern auf den Elementen 61 und 65 die zwei Gitterpaare A, B, erfindungsgemäß charakteristisch. Die Verrückung des Elementes 63 in der durch den Pfeil dargestellten Richtung bewirkt offensichtlich eine Gegenuhrzeigerverschiebung, Λϋ( ., in den Richtungsbevorzugungen des Gitterpaares A, während gleichzeitig eine Verschiebung im Uhrzeigersinn,ΔoC-d, in den Bevorzugungen des Gitterpaares B bewirkt wird. Dieses gegenläufige Verschieben der entsprechenden Richtungsbevorzugungen und der zwei Gitterpaare führt zu einer Wechsel- oder Veränderungsfrequenz 0 des Lichtintensitätssignals gleich der Verrückung d/2 des Elementes 63» wodurch eine Verdoppelung der Empfindlichkeit der Anlage bewirkt wird. Eine schematisch in Fig.9 dargestellte Ausführungsform der Erfindung schafft einen zusätzlichen Vorteil und ist wegen der Einfachheit der Ausführung bevorzugt. Diese Anordnung weist ein einziges Paar von Gitterelementen 9"· und 93 auf, deren Element 93i wie gezeigt, bewegbar ist; infolge der Tatsache jedoch, daß das Element 93 eine Reflexionsschicht 97 auf der seinem Gittermuster gegenüberliegenden Fläche trägt, wird der Lichtstrahl im System gefaltet oder umgeklappt und läuft doppelt durch das Gitterpaar, wodurch in wirksamer Weise, für die Erfindung charakteristisch, die zwei Paare der Gitter gegeben sind. Man sieht, daß die Verrückung des Elementes 93 zu einer gegenläufigen Verschiebung in den Richtungsbevorzugungen der Gitterpaare führt, wodurch die erwähnte Verdoppelung der Empfindlichkeit erreicht wird.

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Ein mit dieser Anordnung zusammenhängender Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß ein Abstand t.,_ beiden Gitterpaaren A, B dient, wodurch Unterschiede in der Sichtbarkeit des Lichtsignals ausgeschaltet werden, was sich sonst aus einer Unbalanz der Abstände t., t_ wegen des zufälligen Schwankens oder Axialbewegung des Elements 63 in der Anordnung der Fig. 8 ergibt. Ferner schafft diese bevorzugte Ausführungsform eine kompaktere Anordnung, wobei sich die Lichtquelle und die Photozellen auf derselben Seite der Gitterelemente befinden, und gestattet einen leichten Zugang zu allen Elementen der Anlage.

Eine schematische Darstellung einer vollständigen Anlage gemäß der Erfindung außer den elektronischen Zähl- und Darstellungseinrichtungen ist in Fig. 10 gezeigt und weist die einfachere beschriebene Doppelgitterpaaranordnung gemäß Flg. 8 auf. Die Anordnung enthält die Gitterelemente 71, 73i 75» welche die zwei Gitterpaare bilden; eine QuelJfe 72 mit alle Richtungen aufweisendem Eingangslicht mit einer Breite V ; und eine Photozelle 7^ mit einer Breite ¹N , wo-

s ρ

bei die Quelle und die Photozelle im Abstand D angeordnet sind. Das Diagramm der Fig· 10 ist nicht für die Bemes-

da
, insbesondere bezüglich der Maße des Gittermusters,

das zwecks Klarheit erheblich vergiffiert worden ist. Die Wirkung der Abstandsmaße der Anlage kann nichtsdestoweniger im Hinblick auf dieses Diagramm betrachtet werden.

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Das Gesichtsfeld 0 der Photozelle fh ist grundsätzlich, durch die Geometrie, der Anlage gemäß der Beziehung gegeben 0 = tan" (W_g+W )/D. Die Periode 0 der Richtungsbevorzugungen der Gitterpaaranordnung ist wie oben beschrieben durch die Gitterpaarmaße bestimmt und gleich tan" d/t» Es ist somit klar, daß die Zahl η der Zyklen in der Kurve der Pig· 6, die durch die Photozelle integriert werden, gleich ist η = ft /θ. Selbstverständlich sei bemerkt, daß infolge der Wirkung einer Lichtverteilungsfunktion die Intensität des durch die Anlage im Bereich der Längsachse des Systems laufenden Lichts größer als jenes ist, welches auf die Photozelle an den äußeren Grenzen des Feldes 0 auffällt; da jedoch die Zahl η der integrierten Zyklen in der Praxis relativ groß ist, ist der Verteilungsfaktor von geringerer Bedeutung. Von grösserer Bedeutung ist dagegen die Tatsache, daß die Wirkung irgendeines Verteilungsfaktors konstant bleibt und ganz außer Betracht bleiben kann, da/iie höchste Intensitätsproduktkurve, für das Lichtsignal kennzeichnend, sich nur in Amplitude und nicht in der Lage verändert.

Wie oben erwähnt, bezieht sich die Erfindung in erster Linie auf die Erzeugung eines Lichtsignals, das leicht zu einem deutlichen elektrischen Signal für die Verwendung in bekannten elektronischen Anlagen und Vorrichtungen

kann
umgewandelt werden/ Die weitere Diskussion der Erfindung ist daher geeigneter unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel.

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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet die "einseitige" Doppeldurchlaufgitterpaaranordnung, die schematisch in Fig. 9 gezeigt ist. Die Ldchtsignalerzeugungsvorrichtung ist in größerer Einzelheit in Draufsicht in Fig. 11 gezeigt und weist ein bewegbares Gitterelement erwünschter Länge auf, von der Segment ' . 113 gezeigt ist sowie ein vielfach gemustertes Gitterelement 111f das in fester Lage über dem Element 113 angebracht ist und später ausführlicher beschrieben wird· Auf der oberen Fläche des Elements 111 ist eine Reiho von photoelektrischen Dioden 201, 202, 203, ZOk und ein einfacher Lichtrichter 118 in Form eines Dachprismas angebracht, über diesem Auf· bau und im wesentlichen mittig zum Element 111 ist eine nicht dargestellte Glühlichtquelle angeordnet. Das Gitterelement 113 weist eine ebene Glasplatte oder einen Streifen mit etwa 5t0 mm Dicke und geeigneter optischer Qualität auf, die auf einer Fläche ein regelmäßiges Gittermuster trägt, das parallele Linien 115 aus Schwaachrom oder anderem opakem Material aufweist, welches durch durchsichtige Bereiche 117 getrennt sind* Bei dieser Ausführungsform ist jede opake und durchsichtige Linie etwa 0,008 mm breit{ diese Größen sind jedoch nicht kritisch, werden aber auf der Basis einer leichten Herstellung durch die üblichen Photowiderstand- und Vakuumablagerungsverfahren ausgesucht. Jede gewünschte Linienbreite kann verwendet worden, wenn man Jedoch beachtet, daß eine solche Größe zum Teil ausschlaggebend für den optimalen Abstand b zwischen den EIo-

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menten 111 und II3 ist. Außerdem ist das Verhältnis der opaken und durchsichtigen Linienbreiten von 1ί1 hier nicht kritisdh, und. tatsächlich kann eine Veränderung von bis zu ,?5 /υ des genannten Verhältnisses unter Umständen eine Verbesserung des Lichtsignals bedeuten» Vie durch den Doppelkopfpfeil angedeutet, ist das Element II3 so angeordnet, daß es in jede Richtung quer zu den Gitterlinierungen verrückbar ist, wobei die Messung des Betrages der Verrückung vornolimlicho Aufgabe der Erfindung ist.

Weitere Einzelheiten dieser Ausführungsform können aus der Querschnittsansicht der Fig. 12 ersehen werden. Zusätzlich zu dem Muster der Gitterlinien II5 auf der Fläche der Glasplatte 112 des bewegbaren Gitterelements II3 trägt die Platte einen vollständig reflektierenden Aluminiumüberzug 1 lh im wesentlichen über der gesamten hinteren Oberfläche· Das vielfach gemusterte Gitter oder die Strichplatte 111 weist eine optische Glasplatte 116 einer Dicke von ungefähr 0,6 mm auf, die eine Reihe von Gittermustern trägt, von denen einige auf ihrer Oberfläche bei 102, IO3 und 121 gezeigt sind. Fig. 13 zeigt die gesamte Reihe der Gittermuster, die später beschrieben werden. An der Rückseite der Strichplatte 116 sind Siliciumdiodenphotozellen anzementiert, von denen zwei bei 202 und 203 gezeigt sind, sowie der Lichtrichter 118. Das Element II8 dient nur dem Umkanten des Lichtstrahls von der Quelle 122 in den allgemeinen Richtungen der Photozellen und kann aus irgendeinem transparenten Material sein, wobei Glas mit optischer Standard-

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qualität wieder für diese Ausführungsform hier ausgewählt wurde. Die Lichtquelle 122 ist eine übliche Wolframglühlampe (GE 212*1 D) von ungefähr 0,75 Watt und sorgt für einen alle Richtungen aufweisenden Lichtstrahl, der als Eingang auf die Doppelgitterpaaranlage dient· Die vorerwähnte Abmessung W kann als die wirksame Breite des Lichtstrahls, z.B. ungefähr 2,5 nun, genommen werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Teil des Umfangs des Bereiches des Abschnittes zwischen dem Element 118 und der Oberfläche der Platte 116 mit einem Überzug aus opakem (nicht dargestelltem) Schwarzchrom maskiert, um Streulicht im System zu begrenzen. Andere nichtfunktionelle Bereiche der Rückseite der Platte 116 sind in ähnlicher Weise erwünschtenfalls mit dem opakem Überzug maskiert.

Die Lichtquelle 122 sieht unter Bezugnahme auf die Siliciumdiodenphotozellen einen Wellenlängenbereich von etwa 0,6 bis 1,0 nm vor. Eine abgeschätzte, wirksame mittlere Wellenlänge A von 0,85 nm dient recht gut für die anfängliche Berechnung des optimalen Abstandes t zwischen den Gitterelementen 111 und 113t und kleinere mechanische Endeinstellungen können leicht benutzt werden, um den tatsächlichen Abstand zu erhalten, bei dem die Signale die erwünschte Größe haben.

Es wurde oben schon darauf hingewiesen, daß es bevorzugt ist, bei Meßanlagen der allgemeinen Art, die grundsätzlich auf der Impulszählung beruhen, vier Signale in Phasenquadra-

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tür vorzusehen, die zum Ausschalten von Gleichstromsignäfcbestandteilen und auch zur Unterscheidung der Richtung der Verrückung benutzt werden können. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden vier solcher Signale direkt als primäre Lichtsignale erzeugt und schalten somit die Notwendigkeit für Optiken zur Strahlaufteilung oder komplizierter elektronischer Signaltrennanlagen aus. Eine solche Erzeugung von vier LichtSignalen wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform durch die Verwendung der in Fig. 13 gezeigten Mehrfachgittermuster erreicht.

Das Strichplattengitterelement 111 trägt auf seiner Oberfläche Linierungen von im wesentlichen der gleichen Eigenschaft; wie bezüglich Element 113 beschrieben. Das Muster der Linierungen ist jedoch so, daß fünf getrennte Gittermuster gebildet werden. Das erste Gitter 121 ist zentral über der Fläche der Platte 116 angeordnet und unterliegt dem wirksamen Abschnittsbereich zwischen Element 118 und Platte 116 quer zum Breitenmaß W . Die Quereinstellung des Gittermusters 121 ist nach Gutdünken ausgewählt. Jede der übrigen Gittermuster 101, 102, 103 und 10k ist in jedem der Quadranten der Platte 116 angeordnet und unterliegt im wesentlichen dem ganzen funktionalen Bereich der Fläche seiner zugeordneten Photozelle 201, 202, 203 und 20*1·. Während jedes Gittermuster 101 bis 10*f eine Periode d hat, die ähnlich den Gitterperioden des Gittermusters 121 und dem des Elements 113 ist, ist die entsprechende Querposi-

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tion jedes Musters bezüglich der nächsten um ein Differential d/k verschoben oder versetzt. Beispielsweise eilt das Gitter 102 dem Gitter 101 nach und ist in Fig. 13 um eine halbe Linienbreite nach rechts bezüglich dem Gitter 101 versetzt* In ähnlicher Weise eilt das Gitter IO3 dem Gitter 102 nach usw. Wie später noch verständlicher wird, weist jedes Gitter 101 bis 10k eines von vier Gitterelementen auf, die die Doppelgitterpaareigenschaft dieser Erfindung bilden, und somit bewirkt die relative d/k -Versetzung dieser Gitter eine entsprechende Verschiebung von Q/k in den sich ergebenden Richtungsbevorzgungen jedes der vier Doppelgitterpaarsystemen, die mit dem Ergebnis gebildet sind, daß die bei den Photozellen 201 bis 20^ abgeleiteten Signale sich in der Phase urn 90 unterscheiden. Wie bemerkt, sind bei der bevorzugten Ausführungsform vier getrennte duale Gitterpaarsysteme eingerichtet. Das erste von diesen weist ein "Eingangs"-Paar auf, das weiter oben als Paar A bezeichnet ist, ferner das feste Gitter 121 und das bewegte Gitter des Elements 113· Das zweite oder "Ausgangs "-Paar B des ersten Systems weist das bewegbare Gitter des Elements 113 auf (infolge der Strahlreflektion vom Überzug 11^) und das befestigte Gitter 101. Die Variationen der Lichtintensität, die durch dieses duale Paarsystem mit der Bewegung des Elementes 113 erzeugt wurden, werden von der Photozelle 201 integriert, um ein erstes elektrisches Signal zu schaffen. Das zweite duale Paarsystem weist In

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Lichtausbreitungsfolge Gitter 121 ₉ 103, 113₉ 102 und die Photozelle 202 auf. Die verbleibenden zwei Systeme sind ähnlich zusammengesetzt ratid variieren im Endgitter und den Photozellenelementen} ssuraa Beispiel 103_$ 203 und 104, 204. Mit der Bewegung des Elements 113 erzeugt jede Photozelle 201 bis 204 im wesentlichen dasselbe sinusförmige Signal, und außerdem unterscheiden sich diese einzelnen Signale in der Folge in der Phase um 90 °

Die somit von den Photozellen !hergeleiteten Signale können in der üblichen bekannten Weise verwendet werden, um ein

Sinuskosinus-Signalpaar zu erhalten₈ das sowohl die Richtung als auch die Größe der Verrückung unterscheidet_e Eine bevorzugte elektronische Anlage ist von der Gegentaktart mit Ausschaltung des gemeinsamen Schwingungstyps und ist schematisch in Fig. lh gezeigte Die Photozellen 201 und 203, die Signale in entgegengesetzter 180»Phase erzeugen, sind in Reihe verbunden, um die Spannungsquellc vorzuspannen, und die sich ergebende Signalfehlstelle der Gleichstromkomponente wird bei 1^5 verstärkt und zum Zähler Ik9 gerichtet, was nach bekannten Verfahren abläuft. Die Signale aus den Photozellen 202 und 204, die ähnlich um 180 in der Phase gegenüberliegen, werden in ähnlicher' Weise in dem Schaltkreis mit der Vorspannung 1^3 und dom Verstärker 1^7 verwendet₈ um das zweite Zusammensetzunfjssignal, das um 90 mit dem ersten außer Phase ist, als Eingang zum Zähler 1**9 vorzusehen»

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Die bei dieser Ausführungsform verwendeten Siliciumdiodenphotozellen haben ein wirksames Quermaß W von ungefähr 1,6 mm und schaffen somit ein Gesichtsfeld 0 (FIg, 10) von ungefähr 15° für jede solche Photozelle. Die wirksame Periode β der Richtungsbevorzugungen für diese Anlage ist etwa 3 » und man erkennt, daß jede Photozelle ein Lichtsignal (Fig.6) integriert, welches etwa 5 Zyklen aufweist. Die sich ergebende Intensität dieser Lichtsignale hat einen solchen relativ hohen Betrag, insbesondere im Vergleich mit Gesichtsfeldbegrenzungssystemen, daß das System in wirksamer Weise mit einer sehr kleinen Leistung arbeiten kann, wie sie in der Lichtquelle und den Verstärkern aufgewendet wird.

Die beschriebene Ausführungsform der Erfindung sieht bod der Verwendung in einem geradlinigen Meßsystem eine Versetzungsunterscheidung von etwa 0,002 nun vor. Bei einem vergleichbaren System, das zur Anzeige einer Wdnkolvcrsetztmg verwendet wird, wie z.B. in einem Richtkreis oder Winkelmesser, nimmt das bewegbare Element 113 die Form ciuor kreisförmigen Platte an, die zur Drehung auf einer Mi ti elachse angebracht ist luid die Linierungen sind radial iuin«- ordnei . Line solche Anlage hai eine Gi tterperiodo d λοιι eiwa O₁OHi⁰, und das Strichplattongit torclemoiit 111 ist bei eiwa 60 nun vom Zentrum der Krcisplal te 113 angeordnet und sielii cjjh· l.'inkcluiitcrschciduijf; von etwa 0,002 voi .

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Claims

Patentansprüche

1· Anzeigevorrichtung für Verschiebungen unter Verwendung einer Veränderung der Intensität eines elektrischen Signals als Anzeige der physikalischen Verschiebung, wobei ein auf eine photoelektrische Einrichtung einfallender Lichtstrahl und das von diesem abgeleitete elektrische Signal auf Querverschiebung zwischen einem Paar Amplitudengittern in der Intensität verändert wird und die Amplitudengitter im Weg des Lichtstrahls angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das.Licht im wesentlichen alle Richtungen aufweist und die Vorrichtung zumindest zwei Paare von Amplitudengittermustern aufweist, die der Reihe nach entlang dem Weg des Licht-, Strahls angeordnet sind, zumindest eines der Paare von Gittermustem für die Querverschiebung dazwischen angeordnet 1st, daß die Gibtermuster jedes der Gittermusterpaare aufweist, welche um einen Abstand im wesentlichen gleich d*"/ X voneinander aneeordne t sind; wobei d die Gitterperiode und X die wirksame Wellenlänge des Lichtes von der Quelle ist, daß der Abstand dadurch eine Reihe von Bevorzugungen der· Lichtübertragimgsriehtungen bedingt, die sich -zyklisch in einer Richtung quex* zu den Gittorlinierungen der Gittermuster verändern, und daß die photoelektrische Einrichtung ein Gesichtsfeld bezüglich dem Lichtstrahl aufweist einschließlich dner Möhrzahl von Zyklen in den Bevorzugungsreihen der Llcht-Ubertragungsrichtung. _ _„

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- γι ■

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzoichnet, daß zwei Paare von Gittermustern entsprechend der Reihe nach in dem Lichtweg erste und zweite Gittermuster aufweisen, die auf getrennten transparenten Halterungen getragen werden, und dritte und vierte Gittermuster aufweisen, die auf getrennten transparenten Halterungen getragen werden, und daß die Halterungen für eine zusammenfallende relative Querbewegung in einer solchen Weise angeordnet sind, daß dio Richtung der Relativbewegung des ersten Gittermusters bezüglich dem zweiten Gittermuster entgegengesetzt der Richtung der relativen Dewegung des dritten Gittermusters bezüglich dem vierten Gittermus tor ist.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gittermuster auf einer ersten Halterung getragen wird, das zweite und dritte GIttermuster entsprechend auf gegenüberLiegenden Flächen einer zwo Lton Halterung getragen werden und das vier to Gittermuster auf einer dritten Halterung getragen wird.

h* Vorrichtung nach Anspruch i», dadurch gukuiuiaoichne t, daß eine reflektluromlu Einrichtung vorgo solion 1st, durch welche der Lichtwog umgolenkt i/ird, und daß aufgrund dor Umlenkung des Llchtwegeu ein Gi t torinua tor, das von ο Lnem eines Paares dar Halterungen getragen ist, beide das erste und vierte Gittermuster aufweist und ein von dem anderen des Paares von Halterungen getragenes Gitterauster beide dos zweite und dritte Gittortuua tor aufweist.

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5. Vorrichtung nach Ansprucli 1, dadurch gekennzeichnet^ daß zumindest eines der Gittermuster eine Mehrzahl von Bereichen aufweist, in denen die jedes der Gittermusterbereiche aufweisenden GitterXiniorungen quer zu den Git*- terlinierungon angeordnet sind, die die jeweiligen anderen Gitterinuster der Mehrzahl von Bereichen aufweisen, und zwar um einen Bruchteil eines sehr kleinen Betrages der Periode zumindest eines Gitterinusters, daß die photoolektrische Einrichtung eine Mehrzahl von Photozellen aufweist, deren jede zur entsprochenden Aufnalune von Licht angeordnet ist, welches von einem der Mehrzahl der Gittermustorbereiche durchgelassen ist, und daß eine Melirzahl von phaseiivorsetzt-en elektrischen Signalen von der photoelelctri sehen Einrichtung in Abhängigkeit von dem durch die Melirzahl der Ampld tudengitternnister entlang dem Liclitweg durchgel an Ηθικοί Licht erzeugt wird.

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BAD ORIGINAL

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