DE2338336B2 - Digitales Goniometer - Google Patents

Description

4. Goniometer nach Anspruch 2, dadurch ge- gitters durch dieses Transmissionsgitter selbst unter kennzeichnet, daß die mehreren Bereiche des einem vom Einfallswinkel des Lichtes abweichenden Transmissions-Beugungsgitters (Fig. 7b) unter- 35 Betrachtungswinkel beobachtet wird, werden Moireschiedliche Gitterkonstanten aufweisen. Konturen sichtbar, die die Höhenschichtlinien auf

dieser Scheibe darstellen.

Die Erzeugung derartiger Moire-Konturen ist an

sich, z. B. durch den Aufsatz »Moiro Topography«,

40 Appl. Optics, 9 (1970), 1467/1472, bekannt. Sie dient hierbei zur Bestimmung der dreidimensionalen Konfi-

Die Erfindung betrifft ein digitales Goniometer guration von körperlichen Gegenständen. Das der

gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Erfindung zugrunde liegende Prinzip unterscheidet

Es ist eine Vielzahl von digitalen Goniometern sich von der in dieser Literaturstelle beschriebenen

unterschiedlicher Bauart bekannt. Einige von ihnen 45 Technik dadurch, daß nicht die Oberflächenkonfigu-

arbeiten mit ortsfesten und rotierbaren Blenden. ration eines dreidimensionalen Objektes sondern ein

Andere Goniometer basieren auf magnetischen Er- Drehwinkel bestimmt wird, indem von einem festen

icheinungen. Ferner sind optische Goniometer be- Betrachtungsstandpunkt aus die Höhenlinien beob-

kannt, bei denen Moire-Erscheinungen zur Winkel- achtet und abgezählt werden, die bei der mit der

messung benutzt werden. 50 Rotation der schiefwinkelig zu ihrer Rotationsachse

Moire-Erscheinungen treten bekanntlich dann auf, angeordneten Scheibe am Betrachtungspunkt »vorbei-

wenn ein Lichtstrom nacheinander mindestens zwei wandern«.

periodische Strukturen durchsetzt, die entweder unter- In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiter-

»chiedliche Periodizität besitzen oder bei gleicher bildungen der Erfindung angegeben.

Periodizität um einen endlichen Winkel gegeneinander 55 Im folgenden sei die Erfindung an Hand der Fi-

verdreiu sind. Wenn derartige um einen endlichen guren näher erläutert:

Winkel gegeneinander verdrehte periodische Struk- F i g. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein

türen relativ zueinander verschoben werden, können Ausführungsbeispiel eines digitalen Goniometers;

von einem gegebenen Betrachtungspunkt aus wandern- F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungs-

de Moire-Interferenzen beobachtet werden. Die An- 60 anordnung zur Weiterverarbeitung der durch die in

zahl der an irgendeinem Punkt des Gesichtsfeldes F i g. 1 dargestellten Vorrichtung erzeugten elektri-

vorbMwandernden Interferenzen entspricht der Zahl sehen Impulsfolge;

der Perioden, um die die periodischen Strukturen Fig. 3a und 3b zeigen die Ausgangssignale der

relativ zueinander verschoben werden. Diese Erschei- in F i g. 2 dargestellten Schaltungsanordnung;

nung liegt einer Vielzahl von Vorrichtungen zur 65 F i g. 4 zeigt ein aus zwei Einzelgittern zusammen-

Messung von Längs- oder Winkelverschiebungen zu- gesetztes Beugungsgitter sowie die zugehörigen photo-

grunde. elektronischen Wandlerelemente;

Diese Interferenz-Erscheinungen bewirken an einem F i g. 5 zeigt eine elektrische Schaltungsanordnung,

3 ^T 4

die zur Verbindung mit der in F i g. 4 dargestellten die in F i g. 2 dargestellte Schaltungsanordnung in

Anordnung bestimmt ist; _eine impulsfolge umgewandelt werden. Durch einen

Fig. 6a bis 6d zeigen die Ausgangssignale einzel- Impulszähler kann diese Impulsfolge abgezählt und

«er Schaltungssrufen der in F i g. 5 dargestellten damit der Drehwinkel der rotierbaren Scheibe 3 digital

Schaltungsanordnung; _{5 geme}ssen werden. Das Aussangssignal des Wandler-

F ι g. 7 a und 7 b zeigen Beugungsgitter, die sich eiementes 8, das in F i g. 3 a dargestellt ist, wird durch

xur Anwendung im Goniometer eignen, und zwar einen Verstärker 13 (F i g. 2) verstärkt, anschließend

ieigt F i g. 7a ein Beugungsgitter mit radialverlaufen- durch eine geeignete Wandlerstufe 14 in die in F i g. 3b

den Strichlinien und Fig. 7b eine Scheibe irit vier dargestellte Impulsfolge umgewa&delt und schließlich

rechteckigen Beugungsgittern, die jeweils unterschied- io durch den Zähler IS abgezählt,

liehe Gitte'-konstanten besitzen; Bei dem in Fig. 3a dargestellten Wellenzug be-

F i g. 8 dient zur Erläuterung des bei der Radial- deutet ΛΦ den Streifenabstand der Interferenzerschei-

verschiebung der rotierbaren Scheibe auftretenden nung. Es bedeutet gleichzeitig die Winkeleinheit, die

Meßfehlers. meßbar ist bzw. die Meßempfindlichkeit. Diese Meß-

Das von einer Lichtquelle 1 emitierte Licht wird 15 empfindlichkeit ΔΦ ist durch folgende Gleichung gejemäß F i g. 1 durch eine Kollimationsoptik 5 in ein geben:
paralleles Strahlenbündel umgewandelt. Dieses Strahlenbündel wird durch ein Transmissions-Beugungs- Γ ρ ~\
gitter 2 (im folgenden einfach als »Gitter« bezeichnet), 10 = 2 sin ~2^γ:Τβ^»1ΪεΊΓ +~te~W J' '^ das auf einer ortsfesten Scheibe 4 angeordnet ist, zu 20
einer rotierbaren Scheibe 3 weitergeleitet. Diese rotierbare Scheibe 3 ist beispielsweise eine Metallscheibe wobei ρ den Abstand zweier Gitterstreifen, d. h. die mit einer polierten Oberfläche. Die auf diese rotierbare Gitterkonstante des Gitters 2. ; den radialen Abstand Scheibe 3 auftreffenden Strahlen können durch das des festen Punktes A auf dem Gitter 2 zu der Achse erwähnte Gitter 2 in bekannter Weise derart beob- 25 der Welle 9, θ den Winkel zwischen der ortsfesten achtet werden, daß der Beobachter sogenannte Moire- Scheibe 4 und der rotierbaren Scheibe 3, χ und β den Interferenzen erblickt. Es sei zunächst angenommen, Einfalls- bzw. den Beobachtungswinkel bedeuten, daß die rotierbare Scheibe 3 stillsteht. Sie ist dabei Unter der Annahme, daß ρ = 0,1 mm, r = 50 mm, um den Winkel Θ gegen die Oberfläche des Gitters 2 Θ = 20° und % = β = 45⁼ ist, erhält man ΛΦ = 9,5'. geneigt, so daß die resultierende Kontur die Form 30 Die Meßempfindlichkeit beträgt also etwa 1 bit = 10'. eines kontinuierlichen Gitters mit gleichem Streifen- Der Kontrast des Moire-Musters ändert sich in abstand besitzt. Bekanntlich ändert sich die Licht- dem Maße, wie der Wert ζ sich ändert. Am Ausgang intensität der resultierenden Moire-Interferenzen in des lichtempfindlichen Elementes 8 erscheint also ein Form einer Sinusfunktion und wird entweder verstärkt Signal, wie es in F i g. 3 a dargestellt ist. Dieses Signal oder gedämpft. Es sei nun angenommen, daß die dreh- 35 kann in geeigneter Weise weiter verarbeitet werden, bare Scheibe 3 rotiert, weil die mit ihr drehfest ver- indem es beispielsweise einer automatischen Verstärbundene Rotationsachse 9 durch das Antriebsmittel 10 kungsregelung unterworfen wird oder indem sein Nullin Drehbewegung versetzt wird, während die Scheibe 4, durchgang ausgewertet wird. Obwohl diese Kontrastauf der das Gitter 2 angeordnet ist. und die durch die veränderung selbst bei inkohärenter Lichtquellen nicht Befestigung 12 gehalten wird, in Ruhezustand ver- 40 unbeträchtlich ist, wird sie selbstverständlich bei Verbleibt. Die Rotationsachse 9 in Form einer drehbaren Wendung einer kohärenten Lichtquelle, beispielsweise Welle, ist in dem auf der ortsfesten Scheibe 4 angeord- eines Laser-Strahls, verbessert,
neten Lager 11 gelagert. Im folgenden sei die Empfindlichkeit bei Längen-

Der Höhenabstand ζ zwischen einem festen Punkt A messungen, die mittels des Goniometers durchgeführt

auf dem Gitter 2 und einem beweglichen Punkt B auf 45 werden können, betrachtet. Zur Erzeugung einer

der drehbaren Scheibe 3, der sich senkrecht unter dem Impulsfolge für eine bestimmte Längenmessung wer-

Punkt A befindet, ändert sich bei der Drehbewegung den die photoelektrisch aus dem Moire-Muster umge-

der Scheibe 3 in dem folgenden Bereich: wandelten Signale, wie sie beispielsweise in F i g. 3a

dargestellt sind, benutzt. Dabei wird der Nulldurch-

h — r t.g Θ < ζ < h + r tg Θ, 5° gang ausgewertet. Dabei ist die Längeneinheit Vs der

Periodenlänge, entspricht also dem Wert 1 bit = 5',

wobei A den Abstand zwischen dem Mittelpunkt der falls die obengenannten numerischen Werte zugrunde

stationären Scheibe 4 und der rotierbaren Scheibe 3 gelegt werden.

und r der Abstand zwischen dem Bezugspunkt A auf Die Empfindlichkeit der Anordnung kann weiter

der Oberfläche des Gitters 2 und der Rotationsachse 9 55 verbessert werden. Die erste Änderung bestellt in der

bedeutet. Verwendung eines zusammengesetzten Gitters 16

Die auf dem bewegbaren Punkt B erscheinende (Fig. 4), das zwei Gitterkomponenten 16 a und \6b

Kontur ändert sich und seine Lichtintensität bildet umfaßt, die um ein viertel des Gitterabstandes gegen-

ebenfalls eine sinusförmig gedämpfte oder verstärkte einander versetzt sind. Diesen beiden Gitterkompo-

Welle. Wenn dementsprechend eine derartige sich ^6o nenten 16a und 166 sind Kondensorlinsen Πα bzw.

kontinuierlich verändernde Kontur mittels einer Kon- 17Λ sowie Blenden 18a bzw. 18ft und photoelektro-

densorlinse 6 auf einer Blende 7 fokussiert und an- nische Wandlerelemente 19a bzw. 19Z>, wie dies in

schließend mittels eines photoelektronischen Wandler- F i g. 4 dargestellt ist, zugeordnet. Deshalb erhält eiementes 8, das in der optischen Achse unmittelbar man photoelektrische Ausgangssignale in Form von

hinter dieser Blende 7 angeordnet ist, photoelektrisch ⁶S sinusförmigen und kosinusförmigen Ausgangsspanumgewandelt ist, erhält man eine photoelektrische nungen. Durch Auswertung der NuUdurchgänge ergibt

Signal-Folge, wenn die drehbare Scheibe 3 rotiert. sich ferner eine Meßempfindlichkeit von ¹U der Signal-Dieses photoelektrische Ausgangssignal kann durch periodez^. Weiterhin ermöglicht die Verwendung

derartiger zusammengesetzter Gitter, daß die Dreh- durch eine Anordnung variiert werden kann, die eine

richtung der rotierbaren Scheibe 3 ermittelt werden geeignete Veränderung der Winkel λ und β ermöglicht,

kann, indem die genannten Ausgangssignale einer Im folgenden sei der Einfluß einer axialen Neigung

geeigneten elektrischen Weiterverarbeitung unter- der rotierbaren Scheibe 3 auf die Meßempfindlichkeit

worfen werden. Eine elektrische Schaltungsanordnung, 5 untersucht. Um den Einfluß von Oberflächenungenau-

die eine derartige Richtungsunterscheidung ermöglicht, igkeiten vom Betrag Λ der rotierbaren Scheibe 3 auf

ist als Blockschaltbild in F i g. 5 dargestellt. Bei dieser die Meßgenauigkeit auszuschalten muß folgende Be-

Schaltungsanordnung werden die Ausgangssignale der dingung erfüllt sein

Wandlerelemente 19a und 196 in Verstärkern 20a bzw. _{h Q} α _< _/ _{itB Ä} , ,„ o\ n\
206 verstärkt. Diese Verstärker besitzen Regelkreise io ri\B -r eh/- κ > Ua bzw. 216 zur automatischen Verstärkerregelung, Unter der Annahme, daß ρ = 0,1 mm, Θ = 20° die in ihre Rückkopplungszweige eingefügt sind. Die und * = β — 45° ist, ergibt sich aus der Beziehung (2) Ausgangssignale der Verstärker 20a und 206 werden daß Λ < 0,05 mm sein muß, d. h. eine Oberflächen-Impulsformerschaltungen 22a bzw. 226 zugeführt. De- rauhigkeit von weniger als 50 μ gefordert ist. Eine ren Ausgangssignale bilden die Eingangssignale für eine 15 Oberflächengüte dieser Größenordnung ist leicht herrichtungsempfindliche Diskriminatorschaltung 23. Die- stellbar.

se Diskriminatorschaltung23 speist einen reversiblen, Im folgenden sei noch der mögliche Fehler betrachd. h. vorwärts und rückwärts zählenden Zähler 24. tet, der durch eine axiale Neigung des Goniometers, F i g. 6a verdeutlicht eine sinusförmige, F i g. 6b d. h. durch eine relative Verschiebung zwischen der eine kosinusförmige Signalfolge. In den F i g. 6c und »0 stationären Scheibe 4 und der rotierbaren Scheibe 3, 6d sind Impulsfolgen dargestellt, die durch die Aus- hervorgerufen werden kann. Hierzu genügt die Bewertung der Nulldurchgänge der in den Fig. 6 a trachtung einer Verschiebung der rotierbaren Scheibe 3. und 6b dargestellten Funktionen gewonnen werden. Wenn, wie in Fig. 8 dargestellt, die rotierbare Scheibe 3

Die zweite Änderung sieht die Verwendung eines radial um den Wert Ar achsenverschoben ist, ändert

radialen Beugungsgitters (Fig. 7 a) oder eines Beu- »5 sich der Abstand ζ zwischen den Punkten Λ und B

gungsgitters, welches verschiedene Bereiche mit unter- der Winkel Θ bleibt jedoch konstant. Infolgedessen

schiedlichem Gitterabstand aufweist (Fig. 7b) vor. bleibt auch die Periode der Interferenzerscheinung

Das bedingt die Anordnung einer entsprechenden konstant. Die axiale Versetzung der rotierbaren

Vielzahl von photoelektrcnischen Wandlerelementen Scheibe 3 hat mithin offensichtlich keinen Einfluß auf

in solchen Positionen, die gbichmäßig geteilten Pe- 30 die Meßgenauigkeit. Dies gilt gleichfalls für eine

rioden ΔΦ einer Moird-Intert'erenz entsprechen. axiale Verschiebung der stationären Scheibe 4.

Die erwähnten Methoden zur Verbesserung der Die verwendete Lichtquelle 1 kann inkohärente sein.

Empfindlichkeit eignen sich ebenso dazu, die Meß- Die Benutzung einer kohärenten Lichtquelle, z. B.

empfindlichkeit variabel zu gestalten. Dies beruht auf eines Lasers, liefert jedoch größere Kontraste,

den obengenannten Änderungen, also auf der Ver- 35 Im folgenden seien die wesentlichen Vorteile des

Wendung einer Mehrzahl von Gittern mit unterschied- erfindungsgemäßen Goniometers zusammengestellt:

licher Gitterkonstante. Auch kann eine Verbesserung Die Zurichtung und die Unterhaltung sind ver-

dadurch erreicht werden, daß das Divisionsintervali gleichsweise einfach. Die Anordnung besitzt einen

durch entsprechende elektrische Operationen variabel einfachen Aufbau. Die Meßergebnisse werden durch gestaltet ist, so daß eine Impulsfolge von gewünschter 40 Richtungsabweichungen der Rotationsachse nur sehr

digitaler Meßlänge erzielt wird. Die Meßempfindlich- wenig beeinflußt.

keit kann nach alledem also so veränderlich gestaltet Der Anwendungsbereich der Erfindung umfaßt werden, daß eine gewünschte Empfindlichkeit durch beispielsweise Winkelmeßeinrichtungen für Werkzeugeine einfache Schaltungsanordnung erzielt wird. Es maschinen, Steuervorrichtungen zur Positionierung er jbt sich ferner, daß die Meßempfindlichkeit auch 45 sowie andere allgemeine Winkelmessungen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

_ festen Beobachtungsort eine periodische Änderung Patentansprüche- der Lichtintensität Diese Änderungen der Lichtintensität können mittels photoelektronischer Wandler-

1. Digitales Goniometer mit einem ebenen elemente erfaßt und durch geeignete Schaltungs-Transmissions-Beugungsgitter, das mit einem von 5 anordnungen in digitale Impulse umgewandelt werden, eiaer Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündel zwei- Die Anzahl dieser Impulse ist dabei ein Maß fur die mal in Wechselwirkung tritt, ferner mit mindestens Längs- bzw. Winkelverschiebungen

einem photoelektrischen Wandlerelement, mittels Es sind Vorrichtungen zur Winkelmessung bekannt

dessen bei einer Drehbewegung um eine vorgege- (deutsche Offenlegungsschrift 1 »04 028), bei denen

bene Rotationsachse auftretende Lichtintensität*- io ein Lichtstrom nicht zwei unterschiedliche oder gegen-

änderungen erfaßbar und in eine den Winkel einander verdrehte periodische Strukturen sondern em

dieser Drehbewegung kennzeichnende Impulsfolge und dieselbe periodische Struktur an unterschiedlichen

umwandelbarsind,dadurchgekennzeich- Orten nacheinander durchsetzt,

net, daß eine mit der Rotationsachse (9) dreh- Die meisten der bekannten Goniometer sind teuer

bare zur Ebene des Transmissions-Beugungsgitters 15 in ihrer Herstellung und schwierig zu handhaben.

(2; 16; Fig. 7a; Fig. 7b) geneigte, im beleuch- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

tenden Straldengang hinter dem Transmissions- digitales Goniometer zu scharfen, das einen besonders

Beugungsgitter liegende und zur Rotationsachse einfachen Aufbau besitzt und mit geringen Kosten

schräg angeordnete Scheibe (3) mit reflektierender herzustellen ist. Ferner soll das erfindungsgemäße

Oberfläche vorgesehen ist, ao Goniometer vergleichsweise unempfindlich gegenüber

2. Goniometer nach Anspruch 1, dadurch ge- harten Einsatzbedingungen und damit einfach in seiner kennzeichnet, daß das Transmissions-Beugungs- Handhabung sein.

gitter (16; Fi g. 7 b) in mehrere Bereiche unter- Ausgehend von einem digitalen Goniometer der

teilt ist. eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch

3. Goniometer nach Anspruch 2, dadurch ge- a₅ gelöst, daß eine mit der Rotationsachse drehbare zur kennzeichnet, daß das Transmissions-Beugungs- Ebene des Transmissions-Beugungsgitters geneigte, im gitter (16) aus zwei um ein Viertel ihrer Gitter- beleuchtenden Strahlengang hinter dem Transmissionskonstanten senkrecht zur Richtung der Gitterlinien Beugungsgitter liegende und zur Rotationsachse gegeneinander versetzten Bereichen (16a, 16b) be- schräg angeordnete Scheibe mit reflektierender Obersteht und daß jedem dieser Bereiche ein photo- 30 fläche vorgesehen ist.

elektrisches Wandlerelement (19o, 19Z>) züge- Wenn die von der Lichtquelle auf der genannten

ordnet ist. Scheibe entworfene Abbildung des Transmissions-