DE2511350A1 - Vorrichtung zum messen der verschiebung eines ersten elementes bezueglich eines zweiten - Google Patents
Vorrichtung zum messen der verschiebung eines ersten elementes bezueglich eines zweitenInfo
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Description
MÜLLER-BORE · GROENING · DE1JFEL · SCHÖN · HERTEL
PATENTANWÄLTE
MÜNCHEN · BRAUNSCHWEIG · KÖLN 2511350
MÜNCHEN · BRAUNSCHWEIG · KÖLN 2511350
J i MRZ. 1975
N 12o5 Hl
Dr. W. Müller-Bore ■ Braunschwelg
H. Groening, Dipl.-Ing. · München
Dr. P. Deufel, Dipl.-Chem. · München
Dr. A. Schön, Dipl.-Chem. · München Werner Hertel. Dipl.-Phys. - Köln
NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION London SW1, England
Vorrichtung zum Messen der Verschiebung eines ersten Elementes bezüglich eines zweiten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Verschiebung
eines ersten Elementes bezüglich eines zweiten Elementes auf eine der Bewegung mit einem Freiheitsgrad in
einer gegebenen Ebene entsprechenden Weise, wobei diese Bewegung entweder eine geradlinige Bewegung oder eine Drehbewegung
sein kann.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung der genannten Art, welche meßtechnische bzw. metrologische
Gitter bzw. Raster verwendet. Auf Gebieten, v/ie der Steuerung von Maschinenwerkzeuqen, sind verschiedene Arten solcher Vorrichtungen
in Gebrauch. Diese bekannten Ausführungen von Vorrichtungen umfassen ein Paar von Gittern der gleichen oder
nahezu der gleichen Periodizität bzw. Periodenzahl. Die Gitter sind jeweils in festen Lagen bezüglich der beiden
Elemente angebracht, deren Relativverschiebung gemessen werden soll. Das eine Gitter ist durchlässig, das andere entweder
durchlässig oder reflektierend. Die Gitterkombination wird von einer geeigneten Lichtquelle ausgeleuchtet.
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Weiterhin sind Einrichtungen vorgesehen, die auf die Änderungen des durch die Gitterkombination hindurchgegangen
oder davon reflektierten Lichtes ansprechen, wobei diese Änderungen infolge der Relativbewegung zwischen den beiden
Gittern auftreten. Bei der Konstruktion und der Benutzung dieser bekannten Vorrichtungen treten eine Vielzahl von Problemen
auf, zu denen auch eine genau parallel ausgerichtete Ausleuchtung bzw. eine hochgradige Kollimationsausleuchtung
des Gittersystems, eine sehr genaue Beibehaltung des
Abstandes zwischen den Gittern und in manchen Fällen die Benutzung eines sehr kleinen Abstandes zwischen den Gittern
gehören. Da diese Probleme besonders akut sind, wenn feine Gitter verwendet werden, ist es üblich, Gitter zu verwenden,
die gröber sind als die Gitter, die erforderlich wären, um direkt einen gewünschten Auflösungsgrad bei der Messung zu
erhalten und um diese Auflösung mittels Interpolationsverfahren zu erzielen. Diese Verfahren tragen jedoch in sich
potentielle Fehlerquellen.
Die Erfindung beruht nun darauf, die optischen Abbildungseigenschaften eines Gitters bezüglich eines räumlich periodischen
optischen Objekts auszunutzen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Anordnungen zu schaffen,
mit welchen einige oder alle der vorstehend genannten Probleme vermieden werden, so daß relativ einfache Systeme
auf leichtere Weise herstellbar sind, bei welchen ein gewünschter Auflösungsgrad ohne Verwendung von Interpolationsverfahren
erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Messen der Verschiebung eines ersten Elementes bezüglich eines zweiten
Elementes auf eine der Bewegung mit einem Freiheitsgrad in einer gegebenen Ebene entsprechenden Art und Weise geschaffen.
Die Vorrichtung umfaßt ein Gitter, das in einer festen Position bezüglich des ersten Elementes angebracht
ist und Linien hat; die im Sinne dieser Bewegung räumlich
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periodisch sind, sowie eine Einrichtung zum Ausleuchten des Gitters. Die Ausleuchteinrichtung umfaßt ihrerseits
Einrichtungen, die in einer festen Position bezüglich des zweiten Elementes angebracht sind und ein optisches Objekt
definieren, das in diesem Sinne räumlich periodisch ist und sich im wesentlichen im gleichen Abstand von dem Gitter befindet.
Dadurch erzeugt das Gitter ein Bild des Objektes bzw. Gegenstandes, welches in dem genannten Sinne räumlich
periodisch und im wesentlichen von dem Gitter gleichförmig beabstandet ist. Das Bild bewegt sich auf diese Weise relativ
zu dem zweiten Element, wenn in der genannten Weise eine Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten
Element eintritt. Die Vorrichtung umfaßt schließlich eine Photodetektoreinrichtung für den Empfang von Licht von der
Ausleuchteinrichtung, welche durch das Gitter abgebildet worden ist. Die Photodetektoreinrichtung hat einen Aufbau,
der in dem genannten Sinn räumlich periodisch ist und sich in einer festen Lage bezüglich des zweiten Elementes befindet.
Die Anordnung erfolgt so, daß der Aufbau mit dem Bild so zusammenwirkt, daß sich am Ausgang der Photodetektoreinrichtung
eine zyklische Variation ergibt, wenn eine Relativbewegung in der genannten Weise zwischen dem ersten und
zweiten Element auftritt.
Der hier verwendete Ausdruck "Licht" umfaßt ultraviolette und infrarote Strahlung sowie die im sichtbaren Bereich
liegende Strahlung.
Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt eine
Relatiwerschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Element zu einer größeren Relativverschiebung zwischen dem
Bild und dem zweiten Element.
Im Normalfall sind das Gitter, das optische Objekt und der
periodische Aufbau so angeordnet, daß sie alle in Ebenen liegen, die im wesentlichen parallel zu der vorgegebenen
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Ebene sind. Bei einer bevorzugten Anordnung ist das Gitter ein reflektierendes Gitter. Das optische Objekt und der
periodische Aufbau liegen dabei im wesentlichen in der gleichen Ebene. Die räumlichen Periodenzahlen des Gitters,
des optischen Objekts und des Periodenaufbaus sind im wesentlichen die gleichen. Bei dieser Anordnung führt eine
gegebene Relativverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Element zu einer Relativverschiebung zwischen dem
Bild und dem zweiten Element, die zweimal so groß ist, so daß eine Relatiwerschiebung zwischen dem ersten und dem
zweiten Element entsprechend einem Zyklus der räumlichen Periodenzahl des Gitters zu zwei Änderungszyklen am Ausgang
der Photodetektoreinrichtung führt.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die Grundprinzipien der Erfindung.
Fig. 2 und 3 zeigen schematisch Modifizierungen der Anordnung von Fig. 1.
Fig. 4 zeigt perspektivisch eine Ausführungsform einer
Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt perspektivisch einen Teil der Vorrichtung von Fig. 4.
Fig. 6 zeigt ein elektrisches Schaltschema für die Vorrichtung von Fig. 4.
In Fig. 1 ist das Grundprinzip der Erfindung mit dem einfachsten Konzept dargestellt. Bei der in Fig. 1 gezeigten
Anordnung geht Licht von einer Lampe 1, das durch eine
Linse 2 konzentriert wird, durch drei lineare durchlässige
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Gitter 3, 4 und 5 hindurch und erreicht eine Photozelle 6. Die Gitter 3 und 4 sind in parallelen Ebenen angeordnet,
deren parallele Linien um einen Abstand u voneinander entfernt sind. Das Gitter 4 hat eine Orts- bzw. Raumfrequenz f1,
das Gitter 3 eine Ortsfrequenz f„. Das Gitter 3 kann als einen räumlich bzw. örtlich periodischen optischen Gegenstand
definierend angesehen werden, der das Gitter 4 diffus
ausleuchtet.
Zunächst sei angenommen, daß die Bedingungen derart sind, daß die Beugungseffekte vernachlässigbar sind, wenn die
Abbildungseigenschaften des Gitters 4 betrachtet werden. Bei Benutzung einer geradlinigen Fortpflanzung kann gezeigt
werden, daß durch das Gitter 4 in einer Ebene parallel zum Gitter 4 in einem Abstand ν von dem Gitter 4 ein Schattenbild
erzeugt wird, wobei der Abstand ν durch folgende Gleichung bestimmt ist:
f2/f1 = v/(u+v) (1)
Dieses Bild hat eine Ortsfrequenz f3, welche durch die
nachstehende Gleichung bestimmt ist:
f3/f1 = u/(u+v) (2)
Es kann auch gezeigt werden, daß eine Verschiebung der Größe d des Gitters 4 bezüglich des Gitters 3 parallel zu
den Ebenen dieser Gitter und senkrecht zu ihren Linien zu einer parallelen Verschiebung des Bildes führt, dessen Größe
D durch die Gleichung angegeben ist:
D = d(1 + v/u) (3)
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Dadurch, daß den»Gitter 5 die Ortsfrequenz f3 gegeben wird
und es parallel zu den Gittern 3 und 4 in einem Abstand ν von dem Gitter 4 angeordnet wird, wobei die Linien parallel
zu denen der Gitter 3 und 4 sind, wirkt das von dem Gitter 4 erzeugte Bild mit dem Gitter 5 so zusammen, daß eine zyklische
Änderung der Intensität des die Photozelle 6 erreichenden Lichtes herbeigeführt wird, wenn die Gitter 3 und 4
relativ zueinander parallel zu ihren Ebenen und -senkrecht zu ihren Linien bewegt werden. Wenn das Gitter 5 bezüglich des
Gitters 3 ortsfest ist, ist es außerdem möglich, von dem Ausgang der Photozelle 6 das Ausmaß dieser Relativbewegung abzuleiten.
Aus Gleichung 1) sieht man, daß ein Schattenbild nicht entsteht, wenn die Gitter 3 und 4 die gleiche Ortsfrequenz
haben. Man sieht weiterhin, daß, wenn f.. zweimal £~ ist,
v=u ist. Gleichung 2) ergibt, daß in diesem Fall f3 gleich
fj ist. Bei einer solchen Anordnung ist es zweckmäßig, daß
in Fig 1. gezeigte System durch Verwendung eines reflektierenden
Gitters anstelle des Gitters 4 so zu modifizieren, daß die Bildebene mit der Ebene des Gitters 3 zusammenfällt. Dies
führt dazu, daß das beschriebene System von einem Aufbau mit drei Gittern auf einen Aufbau mit nur zwei Gittern reduziert
werden kann. Dabei führt eines dieser Gitter zwei Funktionen aus, nämlich die der Gitter 3 und 4 von Fig. 1, da es sowohl
ein räumlich periodisches optisches Objekt definiert und einen räumlich periodischen Aufbau erzeugt, mit welchem das
Bild zusammenwirken kann. Besondere Systeme, die auf diese Weise modifiziert sind, v/erden später erläutert. ■
Wenn das auf das Gitter 3 auftreffende Licht perfekt parallel ausgerichtet bzw. kollimiert würde, würde sich kein
Schattenbild ergeben. Mit einem teilweise parallel ausgerichteten Licht werden Schattenbilder bei Werten des
Abstandes u nicht gut ausgebildet, die sich (N-1/2)/>
f.jf2 nähern, wobei N eine ganze Zahl und λ die
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mittlere Wellenlänge des benutzten Lichtes ist. Insgesamt wird der Kontrast des Schattenbildes bei einer Zunahme des
Wertes des Abstandes ν verringert, wenn die Annahme bezüglich
der geradlinigen Lichtfortpflanzung in zunehmendem Maße weniger gültig ist.
Es soll nun der Fall betrachtet werden, bei welchem solche Bedingungen herrschen, daß das Gitter 4 als Beugungsgitter
wirkt. In diesem Fall wird ein Interferenzbild erzeugt. Dieses Bild entsteht in einem Abstand V von dem Gitter 4,
wobei V durch die Gleichung bestimmt ist:
f2/f1 = 2V(u + V) (4)
Dieses Bild hat eine Ortsfrequenz von F3, die durch die
Gleichung gegeben ist:
F3Zf1 = 2u/(u + V) (5)
Für das Interferenzbild, das von einem Beugungsgitter erzeugt wird, gilt eine Gleichung, welche die gleiche Form wie
Gleichung 3) hat. Durch eine geeignete Anordnung des Gitters 5 kann wiederum eine zyklische Variation der Intensität des
die Photozelle 6 erreichenden Lichtes erzielt werden. Gleichung 4) zeigt, daß ein Interferenzbild bei V gleich
u entsteht, wenn die Gitter 3 und 4 die gleiche Ortsfrequenz haben. Gleichung 5) zeigt, daß in diesem Fall das Bild die
gleiche Ortsfrequenz wie die Gitter 3 und 4 hat. In diesem Fall ist es wiederum zweckmäßig, das in Fig. 1 gezeigte System
durch Ersetzen des Gitters 4 durch ein reflektierendes Gitter zu modifizieren, wenn es möglich ist, ein einziges
Gitter zu benutzen, welches die Funktionen der Gitter 3 und 5 gemäß Fig. 1 ausführt.
509841/0612.
Wenn das auf das Gitter 3 auftreffende Licht genau parallel ausgerichtet ist bzw. eine genaue Kollimation hat, entsteht
kein Interferenzbild. Es ist deshalb wesentlich, daß das auf das Gitter 3 auftreffende Licht wenigstens teilweise
diffus ist. In der Praxis ist es schwierig, eine wirklich diffuse Ausleuchtung des Gitters 3 zu erzeugen. Bei teilweise
parallel ausgerichtetem Licht' bzw. kollimiertem Licht werden Interferenzbilder bei Werten für den Abstand 5 nicht
gut ausgebildet, die sich (N-1/2)/\f*£~ nähern. Der Kontrast
irgendeines entstehenden Interferenzbildes wird ungewöhnlich gering, wenn der Wert für den Abstand u geringer als
w /2^m wird, wobei X die maximale Wellenlänge des benutzten
Lichtes und w die Teilung des Gitters 4 ist, da unter diesen Umständen das benutzte Licht in irgendeinem bemerkenswerten
Ausmaß nicht gebeugt wird.
Bei der beschriebenen Anordnung sind die Gitter 3, 4 und 5 alle mit ihren Linien parallel so angebracht, daß die gegenseitige
Einwirkung des Bildes und des Gitters 5 zur Erzeugung der zyklischen Variation der Lichtintensität als ein "verschließender"
Effekt angesehen werden kann. Natürlich sind alternative Verfahren möglich. So können die Linien des ·
Gitters 4 leicht bezüglich der Linien des Gitters 3 und 5 so geneigt werden, daß, wenn das Bild mit dem Gitter 5 so zusammenwirkt,
Moire-Interferenzstreifen erzeugt werden, die durch eine Vielzahl von Photozellen, festgestellt werden können,
welche einen einzigen Moire-Streifen überspannen. Alternativ kann das Gitter 5 auch eine geringfügig unterschiedliche
Ortsfreguenz gegenüber der des Bildes haben, das von dem Gitter 4 erzeugt wird, so daß sogenannte Vernier-Streifen
bzw. Noniusinterferenzstreifen erzeugt werden, die auf ähnliche Weise wie die Moire-Streifen festgestellt werden
können.
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Die vorstehenden Ausführungen gelten auch für den Fall von radialen Gittern, die für die Messung einer Drehverschiebung
benutzt werden. In diesem Fall bezeichnen die Größen f.., f 2 und w die relevanten Parameter bei dem mittleren
Radius des Gittersystems. Der Bildkontrast ist in diesem Fall jedoch verglichen mit dem Fall des geraden Gitters um
ein Ausmaß verringert, das von der Änderung der Teilung über der benutzbaren optischen Öffnung des Systems abhängt.
Fig. 2 und 3 zeigen zwei Modifizierungen des Systems von
Fig. 1, wobei bei beiden Modifizierungen ein reflektierendes Gitter 7 anstelle des durchlässigen Gitters 4 benutzt wird.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten System wird das Licht von der Lampe 1 durch die Linse 2 konzentriert und von einem halbreflektierenden
Spiegel 8 reflektiert, so daß es durch ein durchlässiges "Index"- bzw. Raumgitter 3 geht und dadurch
das reflektierende "Maßstabs"- bzw. Skalengitter 7 ausleuchtet . Das von dem Gitter 7 reflektierte Licht geht
wieder durch das Gitter 3 und wird durch den halbreflektierenden Spiegel 8 hindurch zu der Photozelle 6 geführt.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten System wird Licht von der Lampe 1 von einem Spiegel 9 reflektiert,und durch die Linse 2 konzentriert.
Nach dem Durchgang durch das Indexgitter 3 fällt das Licht auf das reflektierende Skalengitter 7. Das reflektierte
Licht von dem Gitter 7 geht wieder durch das Gitter hindurch und erreicht die Photozelle 6 über eine Linse 1o
und einen Spiegel 11. Die Bauteile 1, 9, 2, 3, 1o, 11 und 6 sind starr angeordnet und bilden einen "Lesekopf" 12. Die
Funktion der Vorrichtung besteht darin, relative Querbewegungen zwischen dem Lesekopf 12 und dem Gitter 7 zu messen.
Bei diesen beiden Systemen sind die Ortsfrequenzen der Gitter 3 und 7 und der Abstand zwischen Ihnen natürlich
entsprechend den vorstehend erläuterten Prinzipien ausgewählt.
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Bei Modifizierungen der Anordnungen von Fig. 2 und 3 kann die Photodetektoreinrichtung, die von der Kombination des
Gitters 3 und der Photozelle 6 gebildet wird, gewünschtenfalls durch einen einzigen periodischen Aufbau ersetzt werden,
der die Funktionen eines durchlässigen Gitters und eines räumlich periodischen Photodetektors vereinigt. Der
Aufbau umfaßt dann eine Anordnung von lichtempfindlichen Elementen, die jeweils den Gitterlinien so zugeordnet sind,
daß sie Licht empfangen, welches von dem Gitter 7 reflektiert worden ist. Ein solcher Aufbau ist bekannt (GB-PS 1 231 o29).
Mit solchen Modifizierungen kann die Anordnung für das Ausleuchten des durchlässigen Gitters natürlich die gleiche
Form haben wie die für das Ausleuchten des Gitters 3 von Fig. 1 benutzte.
Eine weitere Modifizierung, die im Prinzip bei Anordnungen verwendbar ist, welche entweder ein durchlässiges oder reflektierendes
Gitter zur Herbeiführung der Abbildung benutzen, besteht darin, das von einer getrennten Lichtquelle
ausgeleuchtete Gitter 3 durch eine Vorrichtung zu ersetzen, die eine Anordnung von Emissionsphotoelementen umfaßt, um so
das räumlich periodische optische Objekt zu bilden. Wenn ein reflektierendes Gitter für die Abbildung benutzt wird, kann
die Anordnung der Emissionsphotoelemente einen Teil eines räumlich periodischen Aufbaus bilden, der auch eine Anordnung
von lichtempfindlichen Elementen· umfaßt, die mit der Emissionsphotoanordnung
eng verbunden bzw. verschachtelt sind.
Die in den Figuren 4 und 5 gezeigte Ausfuhrungsform der
Vorrichtung umfaßt einen Lesekopf 13, der starr an einem Element 14 befestigt ist, sowie ein lineares reflektierendes
Skalengitter 15, welches starr an einer spanabhebend bearbeiteten . Fläche 16 eines Elementes 17 sitzt. Das Element
14 ist bezüglich des Elementes 17 parallel zur Ebene des Gitters 15 und senkrecht zu seinen Linien bewegbar. Das
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Element 14 sitzt in einem in dem Element 17 ausgebildeten Kanal 18 und ist durch Einwirkung einer Leitspindel 19
gleitend verschiebbar. Die sich ergebende Bewegung des Lesekopfes 13 bezüglich des Gitters 15 ermöglicht die Messung
des Ausmaßes und der Richtung der Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17. Diese Relativbewegung kann der
Bewegung eines Elementes eines Maschinenwerkzeuges entsprechen, das eingestellt bzw. gesteuert werden-soll. Fig.
zeigt perspektivisch ein Teil des Lesekopfes 13 von Fig. 4. Das lineare durchlässige Indexgitter 2o ist in dem Lesekopf
13 auf geeignete Weise so angebracht, daß es dem Gitter 15 gegenüberliegt, wobei der Abstand zwischen dem Gitter 15
und 2o gleichförmig ist. Durch einen geeigneten Kleber sind an der Hinterseite des Gitters 2o vier identische Einheiten
21 befestigt, von denen jede eine, einen Baustein bildende Lampe 22 und einen Baustein bildenden bzw. monolithischen
Photodetektor 23 aufweist, die in Kunstharz eingeschlossen sind und mit Leitungen für die Energieversorgung zu der Lampe
22 und für die Aufnahme der Ausgangssignale aus dem Photodetektor 23 versehen sind. Von den Lampen 22 abgestrahltes
Licht geht durch das Gitter 2o und wird von dem Gitter 15 reflektiert, so daß in der Ebene des Gitters 2o ein Bild
entsteht. Reflektiertes Licht, welches durch das Gitter 2o geht, fällt auf die Photodetektoren 23, von denen jeder
primär auf das von der Lampe 22 in seiner eigenen Einheit 21 abgestrahlte Licht anspricht, so daß das Ausgangssignal
eines jeden Photodetektors 23 sich zyklisch bei einer Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17 ändert.
Das Gitter 2o sitzt in einem Lesekopf 13, wobei die Linien des Gitters bezüglich der des Gitters 15 etwas geneigt sind,
so daß das von dem Gitter 15 erzeugte Bild Moire-Interferenzstreifen
hervorbringt, wenn es mit dem Gitter 2o in Wechselwirkung tritt. Die Einheiten 21 sind an dem Gitter
derart befestigt, daß die vier Photodetektoren 23 einen einzelnen Moire-Streifen überspannen, so daß die Phasen der
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jeweiligen zyklischen Variationen der Photodektoren 23, die sich aus einer Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und
17 ergeben, sich in einer Folge von Schritten von 9o° unterscheiden.
Das in Fig. 6 gezeigte Schaltbild veranschaulicht ein Verfahren, bei welchem die Ausgangssignale der Photodetektoren
23 dazu benutzt werden, die Richtung und das Ausmaß der Relativbewegung
zwischen den Elementen 14 und 17 zu bestimmen, Bei der in Fig. 6 gezeigten Schaltung werden die Ausgangssignale
der Photodetektoren 23 von abgestimmten Verstärkern
24 verstärkt. Die Phasenseguenz der verstärkten Ausgangssignale
des ersten und dritten Photodetektors 23 werden in einer Differenzbildungsschaltung 25 subtrahiert. Das Ausgangssignal
dieser Schaltung 25 wird zu einer Schmidt-Trigger-Schaltung 26 für die Quadratbildung geführt, wodurch das
Signal A erzeugt wird. Die verstärkten Ausgangssignale des anderen Paares von Photodetektoren 23 werden in einer Differenzbildungsschaltung
27 subtrahiert. Ihr Ausgangssignal wird durch eine Schmidt-Trigger-Schaltung 28 ins Quadrat erhoben,
wodurch das Signal B gebildet wird. Wenn zwischen den Elementen 14 und 17 eine Relativbewegung eintritt, befinden sich so die
sich ergebenden Änderungen der jeweiligen Größen der Signale A und B in einer Phasenverschiebung um 9o . Die Signale A und
B werden einem Paar von J-K-Flip-Flop-Schaltungen 29 bzw. 3o
zugeführt, wobei das Signal A dem Takteingang 31 der Flip-Flop-Schaltung 29 und dem freien Eingang 32 der Flip-Flop- ·
Schaltung 3o zugeführt wird, während das Signal B dem freien Eingang 33 der Flip-Flop-Schaltung 29 und dem Takteingang 34
der Flip-Flop-Schaltung 3o zugeführt wird. Jede der Flip-Flop-Schaltungen 29 und 3o ist mit ihren beiden Eingängen
J und K mit einer Klemme 35 verbunden, die auf der Logikgröße "eins" gehalten ist. Der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung
29 ist mit dem "Hoch"-Eingang 36 eines Zweirichtungszählers 37, der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung
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mit dem "Nieder"-Eingang 38 des Zählers 37 verbunden. Das
Ausgangssignal des Zählers 37 kann an einer geeigneten alphanumerischen Anzeigevorrichtung 39 angezeigt werden.
Die Wirkung der Zuführung des Signals A und B zu den Flip-Flop-Schaltungen
29 und 3o in der beschriebenen Weise besteht darin, daß nur eine Flip-Flop-Schal'tung ein Ausgangssignal
an dem Zähler 37 für eine gegebene Richtung der,Relativbewegung
zwischen den Elementen 14 und 17 geben kann. Dies
tritt ein, weil bei der anderen Flip-Flop-Schaltung immer ein Signal an dem freien Eingang während des Auftretens
eines Signals an ihrem Takteingang erscheint, wodurch eine Änderung in seinem Q-Ausgangssignal untersagt wird. Welche
der Flip-Flop-Schaltungen 29 und 3o nun ein Ausgangssignal abgibt, hängt von dem Sinn der Phasendifferenz zwischen den
Signalen A und B ab, die durch die Richtung der Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17 bestimmt ist. Die
Anzahl der dem Zähler 37 durch die entsprechende Flip-Flop-Schaltung zugeführten Impulse ist proportional dem Ausmaß
der Bewegung.
Bei der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Vorrichtung v/erden die Ortsfrequenzen der Gitter 15 und 2o und der Abstand
zwischen ihnen in Obereinstimmung mit den vorstehend erläuterten
Prinzipien gewählt. Wenn beispielsweise als Lampen 22 infrarotes Galliumarsenid-Licht emittierende Dioden
verwendet werden, welche eine Spitzenemission bei einer Wellenlänge von 94o nm haben und die Photodetektoren 23
npn - Siliciumphototransistoren sind, haben im Falle des Interferenzbildes die Gitter 15 und 2o typischerweise eine
Ortsfrequenz von hundert Linien pro Millimeter und sind voneinander um 2 cm beabstandet, während im Falle des Schattenbildes
eine geeignete Anordnung jeweils Ortsfrequenzen von 1oo und 5o Linien pro Zentimeter für die Gitter 15 und 2o
hat, wobei der Abstand zwischen den Gittern 2 cm beträgt.
509841 /061 2
Claims (9)
- PATENTANSPRÜCHE1J Vorrichtung zum Messen der Verschiebung eines ersten Elementes bezüglich eines zweiten Elementes in einer der Bewegung mit einem Freiheitsgrad in einer gegebenen Ebene entsprechenden Art und Weise, mit einem in einer festgelegten Position bezüglich des ersten Elementes angeordneten Gitter, dessen Linien im Sinne der Bewegung räumlich periodisch sind, und mit einer Anordnung zum Ausleuchten des Gitters, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleuchtanordnung (22, 2o) einen Aufbau (2o) aufweist, der in einer festen Position relativ zu dem zweiten Element (14) angeordnet ist und ein optisches Objekt bildet, welches räumlich periodisch in dem genannten Sinne und von dem Gitter (15) gleichförmig beabstandet ist, wodurch das Gitter (15) ein Bild des Objektes erzeugt, welches räumlich periodisch in dem genannten Sinne, gleichförmig von dem Gitter (15) beabstandet ist und sich in der genannten Weise relativ zu dem zweiten Element (15) bewegt, wenn die Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Element (17, 14) in der genannten Weise eintritt, sowie dadurch, daß eine Photodetektoranordnung (2o, 23) für den Empfang vom Licht von der Ausleuchtanordnung (22, 2o) vorgesehen wird, die von dem Gitter (15) abgebildet worden ist, wobei die Photodetektoranordnung (2o, 23) einen Aufbau (2o) hat, der in einer festen Position bezüglich des zweiten Elementes (14) angeordnet ist und eine Licht empfangende Anordnung bildet, die in dem genannten Sinne räumlich periodisch ist, und die Anordnung derart getroffen ist, daß die Licht empfangende Anordnung mit dem Bild in Wechselwirkung509841 /0612tritt, so daß eine zyklische Variation in dem Ausgang der Photodetektoranordnung (2o, 23) herbeigeführt wird, wenn eine Relativbewegung in der genannten Weise zwischen dem ersten und dem zweiten Element (17, 14 ) eintritt.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (15), das Objekt und die (Licht empfangende) Anordnung alle in Ebenen liegen, die im wesentlichen parallel zu der vorgegebenen Ebene sind.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (15) ein reflektierendes Gitter ist und das Objekt und die (Licht empfangende) Anordnung im wesentlichen in der gleichen Ebene liegen.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild ein Interferenzbild ist, wobei die räumlichen Periodenzahlen des Gitters (15) , des Objektes und der (Licht empfangenden) Anordnung alle im wesentlichen gleich sind.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,. daß das Bild ein Schattenbild ist, wobei die räumliche Periodenzahl des Gitters (15) im wesentlichen das Zweifache von der des Objektes und der (Licht empfangenden) Anordnung betragen.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das optische Objekt bildende Aufbau ein durchlässiges Gitter (2o) ist und daß die Ausleuchtanordnung (22, 2o) wenigstens eine Lichtquelle (22) aufweist, die so wirkt, daß das durchlässige Gitter (2o) auf der Seite, die von dem reflektierenden Gitter (15) abliegt, diffus ausgeleuchtet wird.•5 09841/0612
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die Licht empfangende Anordnung bildende
Aufbau ebenfalls von einem lichtdurchlässigen Gitter (2o) gebildet wird und daß die Photodetektoranordnung (2o, 23) wenigstens eine Photozelle (23) aufweist, die für den Empfang von Licht angeordnet ist, welches von dem refklektierenden Gitter (15) reflektiert und dann durch das durchlässige Gitter 2o durchgelassen worden ist. - 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht empfangende Anordnung eine Anordnung
von lichtempfindlichen Elementen ist, die jeweils den Linien des durchlässigen Gitters so zugeordnet sind, daß sie Licht empfangen, welches von dem reflektierenden Gitter reflektiert worden ist. - 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der das optische Objekt
bildende Aufbau eine Anordnung von Emisssionsphotoelementen aufweist.1o. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein reflektierendes Gitter und die
Anordnung der Emissionsphotoelemente einen Teil eines räumlich periodischen Aufbaus bildet, der eine Anordnung von lichtempfindlichen Elementen umfaßt, die mit der Photoemitteranordnung verschachtelt bzw. ein Netz bildend angeordnet sind.509841/0612
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