DE2736583C2

DE2736583C2 - Verfahren und Einrichtungen zur Gewinnung von gegeneinander phasenverschobenen Steuersignalen für einen Vor-Rückwärtszähler

Info

Publication number: DE2736583C2
Application number: DE2736583A
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl.-Ing. Heitmann; Heribert Dipl.-Ing. 6333 Braunfels Lüssen; Eckart 6330 Wetzlar Schneider
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1977-08-13
Filing date: 1977-08-13
Publication date: 1985-11-07
Also published as: DE2736583A1; GB2002510B; AT383686B; GB2002510A; ATA547578A; US4226535A; JPS5431775A; FR2400206B1; CH639778A5; FR2400206A1; JPS6225962B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von gegeneinander phasenverschobenen, ein elektrisches Drehfeld bildenden Steuersignalen für einen Vor-Rückwärtszähler unter Verwendung eines optischen Korrektors mit einer abbildenden Optik, mit mindestens einer quer zur optischen Achse dieser Optik periodisch bewegten, mindestens in der Nähe der Bildebene dieser Optik befindlichen Rasterstruktur, mit ei· nem Antrieb für die Rasterstruktur sowie mit einem der Rasterstruktur zugeordneten fotoelektrischen Empfängersystem zur Erfassung der beliebig langsamen Bewegung eines keine spezielle Markierungen aufweisenden Objektes in zwei zueinander entgegengesetzten, zur Bewegung der Rasterstruktur parallelen Richtungen.

Optische Korrektoren zur Messung der Relativbe-

3 4

wegung eines Objektes ohne spezielle Markierungen wegung der Rasterstruktur parallelen Richtungen. Sie sind beispielsweise durch die DE-OS 2144 487 bekannt zeichnet sich dadurch aus, daß eine Signalverformerstu-Aus dieser Schrift ist es aber auch bekannt, die Raster- ie vorgesehen ist, der ein vom Antrieb der Rasterstrukstruktur des Korrektors quer zur optischen Achse des tür oder von einem diesem bzw. der Rasterstruktur bzw. abbildenden Systems des Korrelators zu bewegen, aus 5 deren Träger zugeordneten Abnehmer als Signalquelle dieser Bewegung ein Referenzsignal abzuleiten und mit erzeugtes Referenzsignal zugeführt wird, daß dieser seiner Hilfe unter Anwendung einer phasenempfindli- Stufe ein erster Frequenzvervielfacher nachgeschaltet chen Gleichrichtung die Bewegungsrichtung des Objek- ist, daß diesem Frequenzvervielfacher ein erster phates zu bestimmen. Es fallen Signale an, die durch ihre senempfindlicher Gleichrichter mit nachfolgendem Frequenz die Richtung der Relativbewegung des Ob- io Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist, daß ein zweiter phasenjektes signalisierea Sie sind lediglich zur Steuerung ei- empfindlicher Gleichrichter mit nachgeschaltetem Tiefnes Indikators geeignet. Oder man kann mit ihnen zwei paßfilter vorhanden und über einen zweiten Frequenzgetrennte, je einer Bewegungsrichtung zugeordnete vervielfacher oder direkt an die Signalverformerstufe Zähler steuern. Dann muß jedoch durch eine Differenz- angeschlossen ist, wobei die Referenzsignale den bildung der jeweiligen Zählerstände die augenblickliche 15 Steuereingängen der phasenempfindlichen Gleichrich-Relativlage des Objektes bestimmt werden. ter zugeführt werden, daß in mindestens einem der Lei-

Dieses Verfahren ist umständlich und sehr aufwendig. tungszüge zwischen der Signalverformerstufe und den

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein neu- phasenempfindlichen Gleichrichtern ein Phasenschie-

es Verfahren sowie Einrichtungen zu seiner Durchfüh- ber vorhanden ist, daß die phasenempfindlichen Gleich-

rung zu schaffen, welches es ermöglicht, mit einem opti- 20 richter eingaugsseitig außerdem an das fotoelektrische

sehen Korrelator einen Vor-Rückwärtsüähler anzusteu- Empfängersystem des optischen Kvirelators ange-

ern. Dabei soll der zwischen Korrelator und Zähler zu schlossen sind und daß die Ausgänge der Tiefpaßfilter

treibende gerätemäßige Aufwand möglichst gering und mit den Eingängen eines zu steuernden Vor-Rückwärts-

die dazu verwendeten Baugruppen sollen möglichst ein- Zählers verbunden sind,

fach sein. 25 Bei Nutzung der Grundwelle und der ersten Ober-

Die Lösung dieser Aufgabe bringt ein Verfahren der welle ist nat Vorteil die Weite der periodischen Beweeingangs genannten Art, das sich dadurch auszeichnet, gung der Rasterstruktur gleich der halben Teilungspedaß eine geradzahlige und eine ungeradzahlige Ober- node der Rasterstruktur bemessen,
welle der Ausgangssignale des fotoelektrischen Emp- Die bewegbaren Teile des Antriebs können zusamfängersystems phasenempfindlich gleichgerichtet wer- 30 men mit dem Träger der Rasterstruktur eine in Eigenreden, wobei die phasenempfindlichen Gleichrichter mit- sonanz schwingende Einheit bilden,
tels Referenzsignalen gesteuert werden, welche aus der Wie sich gezeigt hat, bringt das neue Verfahren eine periodischen Bewegung der Rasterstruktur abgeleitet im Aufwand einfache Lösung der gestellten Aufgabe. Es werden und je in ihrer Frequenz einer der genannten hat sich aber auch gezeigt, daß dieses Verfahren auch Oberwellen entsprechen, daß mindestens eines der Re- 35 bei sehr langsamen Relativbewegungen eines Objektes ferenzsignale in seiner Phasenlage verschoben wird und ohne spezielle Markierungen sicher funktioniert
daß die aus der phasenempfindlichen Gleichrichtung re- Die Erfindung ist nachfolgend anhand der schemaiisultierenden Signale nach einer Filterung als gegenein- sehen Zeichnungen für einige Ausführungsbeispiele beander phasenverschobene Steuersignale einem Vor- schrieben. Es zeigt
Rückwärtszär 2er zugeführt werden. 40 F i g. 1 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur

Die Lösung der Aufgabe kann aber auch ein Verfah- Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2,

ren der eingangs genannten Art bringen, das sich da- F i g. 2 die unterschiedlichen anfallenden Signale zum

durch auszeichnet, daß die Grundwelle und eine unge- Blockschaltbild nach F i g. 1.

radzahlige Oberwelle der Ausgangssignale des foto- F i g. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung,

elektrischen Empfängersystems phasenempfindlich 45 weiche zur Durchführung des neuen Verfahrens geeig-

gleichgerichiet werden, wobei die phaienempfindlichen net ist, wenn die Grundwelle und die erste Oberwelle

Gleichrichter mittels Referenzsignalen gesteuert wer- der Ausgangssignale des fotoelektrischen Empfängersy-

den, welche aus der periodischen Bewegung der Raster- stems eines optischen Korrelators zur Bildung der Steu-

struktur abgeleitet werden und je in ihrer Frequenz der ersignale für den Vor-Rückwärtszähler herangezogen

Grundwelle bzw. der gewählten Oberwelle entspie- 50 werden.

chen, daß das der Oberwelle entsprechende Referenzsi- Über diesem Blockschaltbild ist ein beispielsweiser gnal in seiner Phasenlage verschoben wird, und daß die Aufbau eines optischen Korrelators dargestellt Ein aus der phasenempfindlichen Gleichrichtung resultie- zwar optische Strukturen, aber keine speziellen Markierenden Signale nach einer Filterung als gegeneinander rangen aufweisendes Objekt 11, dessen Relativbewephasenverschobene Steuersignale einem Vor-Rück- 55 gung in Richtung des Doppelpfeiles 2 gemessen werden wärtszähler zugeführt werden. soll, wird mittels einer Optik auf eine Rasterstruktur 5

Dabei kann mit Vorteil als ungeradzahlige Oberwelle abgebildet, die sich mindestens in der Nähe der Bildebe-

die erste Oberwelle gewählt sein. ne der Optik 4 befindet und deren Teilungsintervalle an

Eine Einrichtung zur Durchführung des neuen Ver- die Strukturen des Objektes angepaßt sind, so daß die fahrens umfaßt einen eine abbildende Optik, mindestens 60 Rasterstruktur als Ortsfrequenzfilter wirkt. Der Rastereine auf einem Träger befindliche, quer zur optischen struktur 5 ist ein fotoelektrisehes Empfängersystem 10 Achse dieser Optik periodisch bewegte Rasterstruktur, nachgeordnet, welches im einfachsten Fall aus einem einen die Bewegung dieses Trägers erzeugenden An- einzigen fotoelektrischen Empfänger bestehen kann, trieb, sowie ein der Rasterstruktur zugeordnetes foto- Arbeitet der Korrelator mit Gegentaktsignalbildung, so elektrisches Empfängersystem aufweisenden optischen 65 beinhaltet das fotoelektrische Empfängersystem minde-Korrelator zur Erfassung der beliebig langsamen Bewe- stens zwei fotoelektrische, im Gegentakt zueinander begung eines keine speziell.? Markierungen aufweisenden findliche elektrische Signale erzeugende Empfänger. Objektes in zwei zueinander entgegengesetzten, zur Be- Diese elektrischen Signale werden zwecks Verbesse-

5 6

rung des Signal-Rausch-Verhältnisses einem Gegen- findlichen Gleichrichter 20 dargestellt, während Zeile 0

taktverstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal dann das Ausgangssignal des phasenempfindlid.en Gleich-

das gewünschte Meßsignal ist In diesem Fall umfaßt das richters 21 zeigt, wenn das Ausgangssignal des fotoelek-

fotoelektrische Empfängersystem also zwei fotoelektri- trischen Empfängersystems ausschließlich den Signalan-

sche Empfänger und sowie den mit ihnen gespeisten 5 teil enthält, wie er in Zeile a) ausgezogen dargestellt ist

Gegentaktverstärker. Es bleibt zu erwähnen, daß zur Im Gegensatz dazu zeigen die Zeilen d) und g) den Fall,

entsprechenden Ansteuerung der elektrische Gegen- daß am fotoelektrischen Empfängersystem ausschließ-

taktsignale liefernden Empfänger im optischen Teil des lieh Signalanteile anfallen, wie sie in Zeile a) gestrichelt

Korrelators die dazu notwendigen Voraussetzungen ge- dargestellt sind. Wie ersichtlich, haben die in den Zeilen

schaffen werden müssen. Eine Möglichkeit dazu ist in io d) und f) dargestellten Signale jeweils den Mittelwert

der eingangs genannten Schrift beschrieben. Null. Das heißt aber, daß für den in Zeile a) ausgezogen

An das fotoelektrische Empfängersystem des soweit dargestellten Anteil des Meßsignals am Filter 23, für den beschriebenen optischen Korrelators schließt sich eine anderen, in gleicher Zeile gestrichelt dargestellten Meß-Schaltung gemäß dem Blockschaltbild an. Wie darge- signalanteil am Filter 22 keine Ausgangssignale anstellt, werden die Ausgangssignale des Empfängersy- is fallen, so daß diesbezüglich eine Filterung der Signale stems 10 zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern 20, vor den phasenempfindlichen Gleichrichtern überflüs-21 zugeführt. Vom Antrieb 15 abgeleitete Referenzsi- sig ist, was sicherlich ein weiterer Vorteil des neuen gr.ale werden ir. einer Signalvcrfonnerstufe Ϊ6 Vorzugs- Verfahrens ist.

weise in eine Rechteckspannung umgeformt Letztere Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß durch die wird einmal dem phasenempfindlichen Gleichrichter 20 20 Ausgangssignale die augenblickliche Relativlage des direkt dem phasenempfindlichen Gleichrichter 21 dage- Objektpunktes exakt definiert ist. Wenngleich die obigen nach Durchlaufen eines Frequenzvervielfachers 17 gen Ausführungen auf Extremlagen dieses Objektpunkals Steuerspannung zugeführt Den phasenempfindli- tes gerichtet sind, so gelten diese Überlegungen auch für chen Gleichrichtern 20,21 ist je ein auf die Frequenz des andere Ortslagen des Objektpunktes, welche dieser bei-Meßsignals abgestimmtes Tiefpaßfilter 22 bzw. 23 nach- 25 spielsweise bei einer Relativbewegung des Objektes geschaltet, deren Ausgänge mit den Eingängen eines zu durchläuft

steuernden Vor-Rückwärtszählers 24 elektrisch verbun- Die an ien Filter 22,23 anstehenden Ausgangssignale

den sind. Wie ersichtlich, ist in dem Leitungspfad zwi- sind stets gegeneinander um 90° phasenverschoben und

sehen Signalverformerstufe 16 und phasenempfindli- daher zur Steuerung des Vor-Rückwärtszählers 24 ge-

chem Gleichrichter 21 ein Phasenschieber 19 eingefügt 30 eignet Sie eignen sich darüber hinaus zur Speisung ei-

Er dient zur Optimierung der Phasenbeziehung zwi- nes Interpolators, wie er beispielsweise Gegenstand der

sehen dem Referenzsignal und dem ihm entsprechenden DE=PS 14 98 137 ist und erlauben damit zusätzlich eine

Meßsignalanteil. Näheres dazu ergibt sich aus den nach- Verfeinerung des Meßergebnisses,

folgenden Erläuterungen zur Wirkungsweise der soweit Wird entgegen der obigen Annahme die Schwingam-

beschriebenen Einrichtung. 35 plitude der Rasterstruktur größer als die Hälfte des Tei-

Diese Wirkungsweise wird anhand der Fig,2 be- !ungsintervaUs dieser Struktur gewählt, so treten schrieben. Der Einfachheit halber sei dazu angenom- weitere, höherfrequente Meßsignalanteile auf, die men, daß die Schwingungsamplitude der Rasterstruktur ebenfalls bei entsprechender Auswahl zur Durchgleich der Hälfte des Teilungsintervalls dieser Struktur führung des neuen Verfahrens verwendet werden könbemessen ist und ein einzelner Objektpunkt betrachtet 40 nen.

wird. Außerdem sei ein optischer Korrelator verwendet. Selbstverständlich sind Modifikationen des Dargedessen Empfänger im Gegentakt befindliche elektrische stellten und bisher Beschriebenen möglich. Dies gilt einSignale an einen Gegentaktverstärker liefern und mit mal bezüglich der Ausgestaltung des optischen Korreladiesem zusammen das fotoelektrische Empfängersy- tors, der an Stelle des der Funktionsdarstellung zugrunstembildea 45 de gelegten fotoelektrischen Empfängersystems auch

Befindet sich dieser Objektpunkt mittig zur Schwin- ein solches mit nur einem fotoelektrischen Empfänger

gungsamplitude der Rasterstruktur, so gibt das foto- enthalten kann, wenn das Objekt entsprechend stark

elektrische Empfängersystem praktisch eine Spannung differenzierte Strukturen aufweist In diesem Fall sind

ab, wie sie in Zeile a) gestrichelt dargestellt ist Sie hat auch die mit der Lichtaufspaltung in Zusammenhang

die doppelte Schwirgfrequenz. 50 stehenden Teile des optischen Korrelators entbehrlich.

Befindet sich dagegen der Objektpunkt an einem Um- Andererseits kann natürlich der Phasenschieber 19 im

kehrpunkt der Schwingbewegung, so ergibt sich ein Leitungszug dem Frequenzvervielfacher 17 nachge-

elektrisches Ausgangssignal, wie es in Zeile a) durchge- schaltet sein.

zeichnet dargestellt ist Seine Frequenz stimmt mit der Im Funktionsbeispiel sind die Gnindwelle und die er-

Schwingfrequenz überein. 55 ste Oberwelle der Schwingbewegung der Rasterstruk-

Wie oben dargelegt, werden von der Schwingbewe- tür zur Signalbildung herangezogen, weil sich damit zugung selbst Referenzsignale abgeleitet, die nach Umfor- sammen mit der Schwingweitenbegrenzung besonders mung in Rechteckspannungen zur Steuerung der pha- günstige Verhältnisse ergeben. Verzichtet man auf diese senempfindlichen Gleichrichter 20,21 dienen solL Dazu Schwingweitenbegrenzung, so können grundsätzlich aber ist es notwendig, das eine Referenzsignal in seiner 60 auch andere Oberwellen der Schwingbewegung zur Si-Phasenlage an die Phasenlage des höherfrequenten gnalbildung herangezogen werden. In diesem Fall ist Meßsignalanteils anzugleichen. Der Phasenschieber 19 auch im Leitungszug zwischen der Signalverformerstuschiebt beim vorliegenden Beispiel die Phase um 45° fe 16 und dem phasenempfindlichen Gleichrichter ein (Zeile e). Diese Bemessung ergibt sich aus der Tatsache, Frequenzvervielfacher 18 (gestrichelt eingezeichnet) erdaß Extremwerte der beiden in Zeile a) gezeigten Signa- 65 forderlich. Die Ableitung der Referenzsignale von der Ie zeitlich zusammenfallen. Das Steuersignal zum in Zei- Bewegung der Rasterstruktur ist auf unterschiedliche Ie a) ausgezogen dargestellten Signal ist in Zeile b) ge- Weise möglich. Beispielsweise können sie durch fotozeigt In Zeile c) ist das Ausgangssignal des phasenemp- elektrische Abtastung der Rasterstruktur 5 oder ihres

3b

Trägers 5' durch synchrones Betreiben eines Referenzsignalgenerators oder durch Ableitung aus der den Antrieb speisenden Spannung gewonnen werden. Die Gewinnung des Referenzsignals für sich ist nicht neu und insofern nicht Gegenstand vorliegender Erfindung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

IO

20

30

35

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung von gegeneinander phasenverschobenen, ein elektrisches Drehfeld bildenden Steuersignalen für einen Vor-Rückwärtszähler unter Verwendung eines optischen Korrektors mit einer abbildenden Optik, mit mindestens einer quer zur optischen Achse dieser Optik periodisch bewegten, mindestens in der Nähe der Bild- to ebene dieser Optik befindlichen Rasterstruktur, mit einem Antrieb für die Rasterstruktur, sowie mit einem der Rasterstruktur zugeordneten fotoelektrischen Empfängersystem zur Erfassung der beliebig langsamen Bewegung eines keine spezielle Markierungen aufweisenden Objektes in einer von zwei zueinander entgegengesetzten, zur Bewegung der Rasterstruktur parallelen Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine geradzahlige und eine ungeradsahlige Oberwelle der Ausgangssignale des fotoelektrischen Empfängersystems phasenempfindlich gleichgerichtet werden, wobei die phasenempfindlichen Gleichrichter mittels Referenzsignalen gesteuert werden, welche aus der periodischen Bewegung der Rasterstruktur abgeleitet werden und je in ihrer Frequenz einer der genannten Oberwellen entsprechen, daß mindestens eines der Referenzsignale in seiner Phasenlage verschoben wird und daß die aus der phasenempfindlichen Gleichrichtung resultierenden Signale nach einer Filterung als gegeneinander phasenverschobene Steuersignale einem Vor-Rückwärtszähler ungeführt werden.

2. Verfahren zur Gewinnung von gegeneinander phasenverschobenen, ein elektrisches Drehfeld bildenden Steuersignalen für einen V or-Rückwärtszäh- 3s !er unter Verwendung eines optischen Korrektors mit einer abbildenden Optik, mit mindestens einer quer zur optischen Achse dieser Optik periodisch bewegten, mindestens in der Nähe der Bildebene dieser Optik befindlichen Rasterstruktur, mit einem Antrieb für die Rasterstruktur, sowie mit einem der Rasterstruktur zugeordneten fotoelektrischen Empfängersystem zur Erfassung der beliebig langsamen Bewegung eines keine spezielle Markierungen aufweisenden Objektes in einer von zwei zueinander entgegengesetzten, zur Bewegung der Rasterstruktur parallelen Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundwelle und eine ungeradzahlige Oberwelle der Ausgangssignale des fotoelektrischen Empfängersystems phasenempfindlich gleichgerichtet werden, wobei die phasenempfindlichen Gleichrichter (20, 21) mittels Referenzsignalen gesteuert werden, welche aus der periodischen Bewegung der Rasterstruktur abgeleitet werden und je in ihrer Frequenz der Grundwelle bzw. der gewählten Oberwel-Ie entsprechen, daß das der Oberwelle entsprechende Referenzsignal in seiner Phasenlage verschoben wird und daß die aus der phasenempfindlichen Gleichrichtung resultierenden Signale nach einer Filterung als gegeneinander phasenverschobene Steuersignale einem Vor-Rückwärtszähler (24) zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als ungeradzahlige Oberwelle die erste Oberwelle gewählt ist.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einem eine abbildende Optik, mindestens eine auf einem Träger befindliche, quer zur optischen Achse dieser Optik periodisch bewegte Rasterstruktur, einen die Bewegung dieses Trägers erzeugenden Antrieb sowie ein der Rasterstruktur zugeordnetes fotoelektrisches Empfängersystem aufweisenden optischen Korrelator zur Erfassung der beliebig langsamen Bewegung eines keine spezielle Markierungen aufweisenden Objektes in einer von zwei zueinander entgegengesetzten, zur Bewegungsrichtung der Rasterstruktur parallelen Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalverformerstufe (16) vorgesehen ist, der ein vom Antrieb (15) der Rasterstruktur (5) oder von einem diesem bzw. der Rasterstruktur (5) bzw. deren Träger (5') zugeordneten Abnehmer als Signalquelle erzeugtes Referenzsignal zugeführt wird, daß dieser Stufe (16) ein erster Frequenzvervielfacher (17) nachgeschaltet ist, daß diesem Frequenzvervielfacher ein erster phasenempfindlicher Gleichrichter

(21) mit nachfolgendem Tiefpaßfilter (23) nachgeschaltet ist, daß ein zweiter phasenempfindlicher Gleichrichter (2ü) mit nachfolgendem Tiefpaßfilter

(22) vorhanden und über einen zweiten Frequenzvervielfacher (18) oder direkt an die Signalverformerstufe (16) angeschlossen ist, wobei die Referenzsignale den Steuereingängen der phasenempfindlichen Gleichrichter (20,21) zugeführt werden, daß in mindestens einem der Leitungszüge zwischen der Signalverformerstufe (16) und den phasenempfindlichen Gleichrichtern (20,21) ein Phasenschieber (19) vorhanden ist, daß die phasenempfindlichen Gleichrichter eingangsseitig außerdem an das fotoelektrische Empfängersystem (10) des optischen Korrektors angeschlossen sind und daß die Ausgänge der Tiefpaßfilter (22, 23) mit den Eingängen eines zu steuernden Vor-Rückwärtszählers (24) verbunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Weite der periodischen Bewegung der Rasterstruktur gleich der halben Teilungsperiode der Rasterstruktur bemessen ist

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbaren Teile des Antriebs (15) zusammen mit dem Träger der Rasterstruktur (5) eine in Eigenresonanz schwingende Einheit bilden.