DE2852782A1 - METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE CHANGE OF LOCATION OF AN OBJECT - Google Patents
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE CHANGE OF LOCATION OF AN OBJECTInfo
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- G01D5/36—Forming the light into pulses
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Description
DIpL-In9-P-WIRTH-Dr-V-SGHMlED-KOWARZIK Dlpl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDELDIpL-In 9 -P-WIRTH-Dr-V-SGHMlED-KOWARZIK Dlpl.-lng. G. DANNENBERG Dr. P. WEINHOLD ■ Dr. D. GUDEL
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.92522 NEUILLY star Seine F r a η k r e ic h.92522 NEUILLY star His F r a η c r e ic h
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Ortsveränderung eines ObjektesMethod and device for measurement the change of location of an object
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'ΓΙ'ΓΙ
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Ortsveränderung eines Objektes und zur Bestimmung der Richtung der Ortsveränderung des Objektes. Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Anwendung der neuartigen Vorrichtung als Interpolator für Präzisions-Meßinstrumente und für Meßfühler, die zum Positionieren dienen.The invention relates to a method and an apparatus for measuring the change in location of an object and for determining the direction of the change in location of the object. Finally, the invention relates to the use of the novel device as an interpolator for precision measuring instruments and for measuring sensors used for positioning to serve.
Zur Längenmessung verwendet man seit langem Maßstäbe aus Glas oder Metall. Es werden dabei üblicherweise Unterteilungen von Milimetern oder Zehntel Milimetern, gelegentlich auch von Hundertstel Milimetern angewendet. Für die Messung noch kleinerer Gegenstände ist es notwendig, den Maßstab mit einem Interpolator zu versehen, der es gestattet, die Grundperiode in Zehntel, gegebenenfalls auch in Hundertstel zu unterteilen. Es sind optische Vorrichtungen, mit photoelektrischer Ablesung bekannt, die diese Interpolation durchführen.For a long time, rulers made of glass or metal have been used to measure length. There are usually subdivisions of millimeters or tenths of a millimeter, occasionally also used by hundredths of a millimeter. For the measurement of even smaller objects it is necessary to use the ruler to be provided with an interpolator that allows the basic period to be expressed in tenths, possibly also in hundredths to subdivide. Optical devices with photoelectric reading are known which perform this interpolation.
Die meisten dieser Vorrichtungen benutzen Moiro'sche Interferenzstreifen, die durch die Überlagerung zweier periodischer Gebilde entstehen. Zuerst wies Lord Rayleigh im Jahre 1874 auf dieses Phänomen hin. Righi hat einige Jahre später eine erste Erklärung unternommen. Eine sehr vollständige Theorie der Moir6'sehen Interferenzstreifen wurde von Guild vom "National Physical Laboratory" in zwei Arbeiten unternommen, deren Titel lautent "The Interference systems of crossed diffraction gratings· Theory of Moire fringes" (Oxford-Press-1936) und "Diffraction grating as measuring scales" (London-Oxford-University-Press-1960). Der Autor unterstreicht die Unzulänglichkeit einer rein geometrischen Näherung für dieMost of these devices use Moiro's interference fringes, which are created by the superposition of two periodic Forms arise. First dismissed Lord Rayleigh in 1874 towards this phenomenon. Righi made an initial explanation a few years later. A very complete theory the Moir6 interference fringe was determined by Guild of "National Physical Laboratory" undertaken in two works, whose title is "The Interference systems of crossed diffraction gratings · Theory of Moire fringes "(Oxford-Press-1936) and" Diffraction grating as measuring scales "(London-Oxford-University-Press-1960). The author underlines the Inadequacy of a purely geometric approximation for the
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Deutung der Moire'sehen Phänomene und entwickelt eine Theorie, die sich im wesentlichen auf die Theorie der Beugung stützt, wobei klassische Versuchsbedingungen für räumliche Kohärenz der Lichtquelle angenommen werden.Interpretation of moiré phenomena and develops a theory which is essentially based on the theory of diffraction, with classical experimental conditions for spatial coherence of the light source.
Die Verwendung Moire'scher Streifen mit einer klein dimensionierten Lichtquelle hat in industriellem Maßstab zu keinem Erfolg geführt, und zwar weil einerseits diese Vorrichtungen bezüglich einer Translation längs der optischen Achse des Interpolators-Lesegeräts sehr empfindlich sind, und zum anderen weil der beim Empfangssystem ankommende Lichtfluß sehr begrenzt 1st.The use of Moiré strips with a small dimension Light source has been unsuccessful on an industrial scale because, on the one hand, these devices are very sensitive to translation along the optical axis of the interpolator reader, and for others because the light flux arriving at the receiving system is very limited.
In industriellem Maßstab haben Vorrichtung eine größere Verbreitung gefunden, die mit einer Lichtquelle mit teilweise kohärentem Licht arbeiten t wobei eine relativ große Lichtquelle verwendet wird. Am Empfänger kommt hierbei also relativ viel Licht an, welches ohne Schwierigkeiten elektrisch welter verarbeitet werden kann. Auch bei diesen Geräten bleibt jedoch die Empfindlichkeit bezüglich jeder Bewegung parallel zur optischen Achse beträchtlich.In an industrial scale device have found more widespread, the t work with a light source of partially coherent light with a relatively large light source is used. A relatively large amount of light arrives at the receiver, which can be processed electrically without difficulty. Even with these devices, however, the sensitivity to any movement parallel to the optical axis remains considerable.
Diese Geräte können schematisch in zwei Gruppen eingeteilt werden, nämlich Geräte mit quasi-Kontakt und Geräte mit Blldtransport.These devices can be divided into two groups, namely devices with quasi-contact and devices with Image transport.
!©züglich der Geräte mit quasl-Kontakt sei beispielsweise auf die Verö£f@ntlichung von G. Rehmann in der Zeltschrift s'lloktrotechnlk" 52 Nr. 9, 20 1970 verwiesen.! © züglich of devices with quasl contact is made for example to the vérö £ f @ ntlichung G. Rehmann in the tent writing s' lloktrotechnlk "52 Nos. 9, 20 1970th
Maßstab wird dort durch alternativ angeordnete lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Striche gleicher Breite ;., die auf einem Glasträger angeordnet sind. Ein Gebildet ein Bild verringerter Länge aus und be- £iad©t sieh unter einem sehr kleinen Abstand davon. EineThe scale is there by alternately arranged translucent and opaque lines of the same width;., Which are arranged on a glass substrate. A formed an image of reduced length and loading iad £ © t look at a very small distance therefrom. One
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Wolfram-Glühbirne beleuchtet die Gesamtheit von Maßstab und Gegen-Maßstab. Ein Objektiv konzentriert das Licht auf eine Photodiode als Nachweisgerät. Die Relatlwerschiebung des Maßstabes und Gegen-Maßstabes bewirkt durch Koinzidenz oder Anti-Koinzidenz homologer Striche eine Modulation der Verschiebung der Gesamtheit Maßstab/Gegen-Maßstab. Dies ergibt eine Modulation des von der Diode empfangenen Flusses, die für die Verschiebung ein Maß 1st. Dieses Gerät verfügt über zwei Detektoren, um zwei Signale zu liefern, die zueinander phasenverschoben sind, wobei die Richtung der Verschiebung bestimmt werden kann. Der Gegen-Maßstab besteht aus zwei Identischen Anordnungen, die räumlich um eine Viertelteilung zueinander versetzt sind.Tungsten lightbulb illuminates the totality of scale and counter-scale. A lens concentrates the light on one Photodiode as a detection device. The relative shift of the scale and counter-scale caused by coincidence or Anti-coincidence of homologous strokes a modulation of the shift in the totality of the scale / counter-scale. This gives a modulation of the flux received by the diode, which is a measure of the displacement. This device has two detectors to provide two signals that are out of phase with each other, with the direction of the shift can be determined. The counter-scale consists of two identical arrangements that are spatially divided by a quarter are offset from one another.
Dieses Gerät ist jedoch bezüglich jeder störenden Bewegung sehr empfindlich. Die Anordnung zwischen dem Maßstab und dem Analysengitter muß mit hoher Präzision erfolgen, wenn das Resultat genau sein soll. DarUberhlnaus besteht die Gefahr, daß die sich praktisch berührenden Elemente, nämlich Maßstab und Gegen-Maßstab, einer Abnutzung unterliegen.However, this device is very sensitive to any disturbing movement. The arrangement between the scale and the analysis grid must be done with high precision if the result is to be accurate. In addition, there is a risk that the elements practically touching one another, namely Scale and counter-scale are subject to wear and tear.
Bezüglich der mit Bildtransport arbeitenden Vorrichtungen sind zahlreiche Varianten bekannt geworden.With regard to the devices operating with image transport, numerous variants have become known.
Beispielsweise sei auf inkremental arbeitende Vorrichtungen mit hoher Auflösung vom Typ verwiesen, die von TH. Gast in der Zeitschrift "Feingerätetechnik " 16, Nr. 8, 1967 beschrieben sind. Verwiesen sei auch auf den Aufsatz von A. Metz, Elektrο-Anzeiger, 20 Nr. 9t 1967· Es sei auch hingewiesen auf den Kongress "Metrologie dimensionnelle moderne" I.N.S.A. in Lyon 1970 unter der Schirmherrschaft des "centre d'actualisation scientifique et technique" (Berichterstatter M. Heitmann). Bei einer derartigen Vorrichtung wird eine in durchscheinendem Licht beleuchtete Zone des inkrementalen Maßstabes von einem Paar von Objektiven nlt der VergrößerungFor example, reference is made to high resolution incremental devices of the type disclosed by TH. Guest in the magazine "Feingerätetechnik" 16, No. 8, 1967 are described. Reference is also made to the article by A. Metz, Elektrο-Anzeiger, 20 No. 9t 1967 · Please also refer to the congress "Metrologie dimensionalnelle moderne" I.N.S.A. in Lyon 1970 under the auspices of the "center d'actualisation scientifique et technique "(Rapporteur M. Heitmann). In such a device, an in Translucent light illuminated zone of the incremental scale by a pair of objectives nlt the magnification
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gleich 1 auf einem anderen inkrementalen Maßstab reproduziert« Durch diese Projektion bildet sich das Bild des ersten inkrementalen Maßstabes auf dem zweiten Maßstab. Die so gebildeten Moire1sehen Streifen erleiden eine Modulation des Flusses, der von zwei Photodioden aufgenommen wird, die quadratische Signale abgeben. Dadurch kann die Bewegungsrichtung des Maßstabes bestimmt werden. Die Phasenverschiebung wird durch die Verbindung eines doppelbrechenden Elementes (Wollest on-Prisma) erreicht., welches räumlich bezüglich der zwei Polarisationsrichtungen die Bilder des Maßstabes trennt, und mit einem polarisierendem Würfel, der sich vor beiden Photoempfängern befindet.equal to 1 reproduced on a different incremental scale «This projection creates the image of the first incremental scale on the second scale. The moiré 1 thus formed see stripes undergo a modulation of the flux, which is picked up by two photodiodes which emit square signals. This allows the direction of movement of the scale to be determined. The phase shift is achieved through the connection of a birefringent element (Wollest on prism), which spatially separates the images of the scale with respect to the two polarization directions, and with a polarizing cube, which is located in front of both photoreceivers.
Ein anderes Beispiel für die optische Messung der Translation relativ zu einem Brechungsgitter beschreibt die FR-PS 7 330 175. Diese Vorrichtung verwendet zur Bestimmung der Bewegungsrichtung des Gitters einen kreisförmig polarisierten Lichtstrahl. Das verwendete Licht ist kohärent (Laser-Licht) und die Filterung der Frequenzen wird mittels einer Membrane durchgeführt, die ein einziges Paar von Öffnungen hat.Another example of the optical measurement of translation relative to a diffraction grating is described by FR-PS 7 330 175. This device used for determination the direction of movement of the grating a circularly polarized light beam. The light used is coherent (laser light) and the filtering of the frequencies is done by means of a Membrane that has a single pair of openings.
Ein Aufsatz, der in der Zeitschrift "Meßtechnik" (München) Band 81, Nr. 7, Juli 1973 erschienen ist, betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zur Messung einer Ortsveränderung mit einem Diaphragma mit einem einzigen Paar von öffnungen. Diese Vorrichtung ähnelt sehr derjenigen nach der DE-OS 2 401 475» wobei das zum Filtern dienende Diaphragma auch nur ein Paar Öffnungen trägt.An article published in the magazine "Messtechnik" (Munich) Volume 81, No. 7, July 1973, also relates to a device for measuring a change in location with a Diaphragm with a single pair of openings. This device is very similar to that according to DE-OS 2 401 475 » wherein the diaphragm used for filtering also has only one pair of openings.
Die FR-PS 7 327 761 beschreibt ein kontaktloses Meßverfahren für die Änderung der Relativlage oder das Durchlaufen einer Ortsveränderung. Diese Vorrichtung verwendet ein Diaphragma mit einer einzigen öffnung. Die Verdoppelung dieses Diaphragmas wird durch ein Wollaston-Prisma erreicht, welchesThe FR-PS 7 327 761 describes a contactless measuring method for changing the relative position or going through a change of location. This device uses a diaphragm with a single opening. The doubling of this diaphragm is achieved by a Wollaston prism, which
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am Ausgang der Vorrichtung angebracht ist.is attached at the output of the device.
Bei all diesen Vorrichtungen ist die Qualität der Messung, das heißt der Interpolation, direkt mit der Qualität der Signale verbunden, somit also mit der optischen Modulation des Bildes des Maßstabes, die ihrerseits von Parametern des Instrumentes abhängt. Zur Erläuterung kann man ausgehend von berechneten Werten des ubertragungsfaktors der Modulation einer vollständig entvokalisierten Linse ausgehen (L. Levi und Richard M. Austing, Applied Optics, Band 7, Nr. 5, Mai 1938). Hiervon ausgehend kann man die zulässige Verschiebung längs der optischen Achse einer Anordnung Meßaufnehmer/Maßstab berechnen, damit die relative Änderung der Modulation des Bildes des Maßstabes nicht ein Prozent übersteigt.In all of these devices, the quality of the measurement, i.e. the interpolation, is directly related to the quality of the Signals connected, thus with the optical modulation of the image of the scale, which in turn depends on parameters of the Instrument depends. For an explanation one can start from calculated values of the transmission factor of the modulation assume a completely devocalized lens (L. Levi and Richard M. Austing, Applied Optics, Volume 7, No. 5, May 1938). Starting from this, one can determine the permissible displacement Calculate along the optical axis of a transducer / scale arrangement in order to determine the relative change in modulation of the image of the scale does not exceed one percent.
Hierzu betrachtet man einen Maßstab mit Strichen, dessen übertragung vom Typ der Rechteckimpulse ist. Man wählt ein optisches Projektionssystem derart aus, daß die Grenzfrequenz des Filters mit der Harmonischen der dritten Grundfrequenz des Maßstabes übereinstimmt (Kehrwert der Teilung)β To do this, consider a scale with lines, the transmission of which is of the rectangular pulse type. An optical projection system is selected in such a way that the cut-off frequency of the filter corresponds to the harmonic of the third fundamental frequency of the scale (reciprocal value of the division) β
Betrachtet man hierbei beispielsweise ein Maß von ein Zehntel Mikron unter Verwendung einer Vorrichtung des erwähnten Typs mit einem Maßstab mit einer Teilung von zehn Mikron und einer Wellenlänge der Lichtquelle von 9000 Ä, so ergibt sich ein zulässiger Fehler für die Einstellung in der Größenordnung von 4,7 Mikron. Diese Toleranz ist schwerwiegend und bringt eine außergewöhnliche Präzision der mechanischen Bauelemente mit sich und zwar sowohl bei ihrer Herstellung wie auch Montage.Consider, for example, a measure of one tenth of a micron using a device of the type mentioned with a scale with a division of ten Microns and a wavelength of the light source of 9000 Å, thus the allowable error for the adjustment is on the order of 4.7 microns. This tolerance is severe and brings an exceptional precision to the mechanical components with it, both in their manufacture and assembly.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung vermeiden diese Nachteile. Sie gestatten die Erstellung von Lesesystemen und Interpolationssystemen, die zuverlässiger und präziser sind als die beschriebenen vorbekannten Vor-The method and the device according to the invention avoid these disadvantages. They allow the creation of Reading systems and interpolation systems that are more reliable and are more precise than the previously described
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richtungen oder Geräte.directions or devices.
Die Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet zuverlässiger in dem Sinn, daß die Toleranz für die Anordnung.in Längsrichtung mit einem Faktor größer zehn multipliziert wird. Daraus ergibt sich also eine beträchtliche Vergrößerung des Bereichs, in dem störende Verschiebungen in Längsrichtung zwischen Maßstab und Meßaufnehmer sich nicht bemerkbar machen, Man erhält also mit größerer Sicherheit eine größere Präzision, eine gute Stabilität und eine leichtere Einstellung.The device according to the invention works more reliably in the sense that the tolerance for the arrangement in the longitudinal direction is multiplied by a factor greater than ten. This results in a considerable enlargement of the area in which disruptive displacements in the longitudinal direction between the scale and the measuring transducer are not noticeable, so you get greater precision, good stability and easier adjustment with greater certainty.
Die Vorrichtung nach der Erfindung 1st außerdem einfacher, weil bestimmte Bauelemente des Lesesystems für den Maßstab bekannter Vorrichtungen überflüssig werden, beispielsweise das Wollaston-Prisma, der Trennwürfel usw.. Auch bezüglich der Herstellungskosten ist die neuartige Vorrichtung daher vorteilhaft„ Di© Vorrichtung nach der Erfindung macht ausserdem nicht mehr die Verwendung eines polarisierten Lichtstrahls notwendig. Die Filterung der Frequenzen wird mittels einer Pupille hergestellt, die wenigstens zwei Paar öffnungen hat.The device according to the invention is also simpler because of certain components of the reading system for the scale known devices become superfluous, for example the Wollaston prism, the dividing cube, etc. Also with regard to The new device is therefore advantageous in terms of manufacturing costs. In addition, the device according to the invention no longer requires the use of a polarized light beam. The frequencies are filtered using produced a pupil which has at least two pairs of openings.
Das Verfahren nach der Erfindung geht also aus von einem Verfahren zur Messung der Ortsveränderung eines Objektes und zur Bestimmung der Richtung der Ortsveränderung des Objektes, v/obai das Objekt fest mit einem ersten, periodisch «nt©rt@ilt@n Körper verbunden wird und mit Hilfe einesThe method according to the invention is thus based on a method for measuring the change in location of an object and to determine the direction of the change in location of the object, v / obai fixed the object with a first, periodic «Nt © rt @ ilt @ n body is connected and with the help of a
Systems der erste Körper auf einem zweiten, ebenperiodisch unterteilten Körper abgebildet wird, deren gleich derjenigen des Bildes des ersten Körpers ist, wbsl £©ra©r dl© Ortsveränderung des Objektes den vom optischen System übermittelten Lichtstrom ändert und der Licht-Btrom aa ©in Empfangssystem weitergeleitet wird. Zur Lösung d©r ©rtfitaten Aufgabe ist dieses Verfahren erfindungsgemäß a&dweti gekennzeichnet, daß mittels einer Pupille, dieSystems of the first body is imaged on a second, just periodically divided body which is equal to that of the image of the first body is wbsl £ © ra © r dl © change of location of the object changes the luminous flux transmitted by the optical system and the light Btrom aa © in Receiving system is forwarded. To solve the problem, this method is characterized according to the invention a & dweti that by means of a pupil, the
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wenigstens zwei Paare öffnungen hat und mit der eine Phasenverschiebung auf einem der Wege eingeführt wird, die räumlichen Frequenzen, die vom optischen System übertragen werden, das den ersten Körper auf dem zweiten Körper abbildet, gefiltert werden, wobei das Filtern auf die räumliche Grundfrequenz des ersten Körpers derart zentriert ist, daß das Empfangssystem sinunsförmige Signale erhält.has at least two pairs of openings and with which a phase shift is introduced on one of the paths, the spatial frequencies that are transmitted by the optical system that images the first body on the second body, be filtered, the filtering being centered on the fundamental spatial frequency of the first body in such a way that the Receiving system receives sinusoidal signals.
Hierdurch kann man eine Translations-Ortsveränderung eines Objektes wie auch eine Rotations-Ortsveränderung eines Objektes messen. Mißt man eine Translations-Ortsveränderung eines Objektes, so sind die beiden periodisch unterteilten Körper Maßstäbe. Mißt man eine Rotations-Ortsveränderung eines Objektes, so sind die beiden unterteilten Körper Meßkreise·This allows a translation change of location of a Measure object as well as a rotational change of location of an object. If one measures a translation change of location of an object, the two periodically subdivided bodies are standards. If one measures a rotational change of location of an object, the two subdivided bodies are measuring circles
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet man wie beim Stand der Technik einen ersten unterteilten Körper, deren Übertragung nach Art der Rechteckimpulse erfolgt. Diese Rechteckimpuls-Funktion ist mathematisch die Summe von mehreren sinusförmigen Funktionen.In the method according to the invention, as in the prior art, a first subdivided body is used Transmission takes place in the manner of square-wave pulses. This square pulse function is mathematically the sum of several sinusoidal functions.
Nach dem wesentlichen Verfahrensschritt der Erfindung gestattet die Tatsache, daß eine Pupille auf dem einfallenden Lichtstrahl mit wenigstens zwei Paar Öffnungen angeordnet wird, die Filtrierung der räumlichen Frequenzen, wobei lediglich die sinusförmige Komponente hindurchgeht, deren Frequenz gleich der Grundfrequenz des ersten unterteilten Körpers ist, das heißt, gleich dem Kehrwert der Teilung dieses unterteilten Körpers.According to the essential process step of the invention, the fact that a pupil on the incident Light beam is arranged with at least two pairs of openings, filtering the spatial frequencies, whereby only the sinusoidal component passes through Frequency is equal to the fundamental frequency of the first subdivided body, that is, equal to the reciprocal of the division of this subdivided body.
Wenn das optische System zwei Objektive hat, so ist es erfindungsgemäß möglich, die Toleranz für die Einstellung zu vergrößern, indem eine Pupille im Bildbrennpunkt des ersten Objektivs und im Objektbrennpunkt des zweiten Objektive an-If the optical system has two objectives, it is possible according to the invention to increase the tolerance for the setting by placing a pupil in the focal point of the first objective and in the focal point of the second objective.
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geordnet wird, die das optische System bilden. Man spricht davon, daß die Pupille sich in der telezentrischen Lage, befindet.which form the optical system. One speaks that the pupil is in the telecentric position.
Bevorzugt wird eine Pupille mit vier Öffnungen verwendet. Dadurch können zwei um neunzig Grad phasenverschobene Signale erhalten werden, mit denen die Richtung der Ortsveränderung des ersten Körpers bestimmt wird. In diesem Fall schafft man eine Phasenverschiebung auf einem der Wege, in dem vor den symmetrischen Öffnungen ein Paar Glasplättchen etwa gleicher Dicke angeordnet wird, wobei die Phasenverschiebung beispielsweise gleich N igt. Sie kann durch Neigung der Plättchen ■ .- . ■■", 2 A pupil with four openings is preferably used. As a result, two signals, phase-shifted by ninety degrees, can be obtained with which the direction of the change in location of the first body is determined. In this case, a phase shift is created in one of the ways in which a pair of glass plates of approximately the same thickness is arranged in front of the symmetrical openings, the phase shift being, for example, equal to N igt. It can be achieved by inclining the platelets ■ .-. ■■ ", 2
Justiert werden. Anstatt ein Paar Glasplättchen anzuordnen, kann auch vor eine oder vor beide symmetrischen öffnungen eine dünne Schicht angeordnet werden, die auf einem geeigneten Glasträger niedergeschlagen ist. Die Phasenverschiebung beträgt dabei beispielsweise _iL__ .Be adjusted. Instead of arranging a pair of glass plates, can also have one in front of one or both of the symmetrical openings thin layer can be arranged, which is deposited on a suitable glass support. The phase shift is, for example, _iL__.
Die Art des auftreffenden Lichtstromes ist nicht kritisch. Man kann eine kohärente Lichtquelle verwendeno Aus praktischen Gründen wird aber eine quasi-kohärente Lichtquelle bevorzugt.The type of luminous flux that hits it is not critical. A coherent light source can be used o For practical reasons, however, a quasi-coherent light source is preferred.
Zur Durchführung des neuartigen Verfahrens wird von einer Vorrichtung zur Messung der Ortsveränderung eines Objektes zur Bestimmung der Richtung der Ortsveränderung des Objektes ausgegangen mit einer Lichtquelle, die mit einem ersten Kondensor verbunden ist, mit einem ersten und einem zweiten Maßstab, zwischen denen ein erstes und ein zweites Objektiv angeordnet sind, mit denen auf dem zweiten Maßstab der erste Maßstab abgebildet wird, der fest mit dem Objektiv verbunden ist, und mit einem zweiten Kondensor und einem Empfangesystem. Zur Lösung der Erfindungsaufgäbe ist diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Objektiven eine Pupille angeordnet ist, die wenigstens zwei Paar öffnungen hat und mit der eine Phasenverschiebung in einem der Wege derartTo carry out the novel method, a device for measuring the change in location of an object is used Determination of the direction of the change in location of the object based on a light source, which is connected to a first condenser, with a first and a second scale, between which a first and a second lens are arranged, with which the first scale is mapped on the second scale, which is firmly connected to the lens is, and with a second condenser and a receiving system. In order to achieve the object of the invention, this device is characterized in that a pupil which has at least two pairs of openings is arranged between the objectives and with the one phase shift in one of the ways such
erzeugt wird, daß am Empfangssystem die öffnungen der Pupille abgebildet werden, wobei das Ausgangssignal des Empfangssystems zur Messung der Ortsveränderung und der Richtung der Ortsveränderung des Objektes dient.it is generated that the openings of the pupil on the receiving system are mapped, the output signal of the receiving system to measure the change in location and the direction of the Change of location of the object is used.
Bei dieser Vorrichtung können die Anordnungen der Lichtquelle und des Empfängers vertauscht werden. Diese Bauelemente sind symmetrisch. Die verwendete Lichtquelle ist im wesentlichen monochromatisch im sichtbaren Licht oder im infraroten Licht, insbesondere im nahen Infrarotlicht. Sie kann kohärent oder quasi inkohärent sein.In this device, the arrangements of the light source and the receiver can be interchanged. These components are symmetrical. The light source used is essentially monochromatic in visible light or in infrared Light, especially in the near infrared light. It can be coherent or quasi incoherent.
Bei einer ersten AusfUhrungsform ist der erste Maßstab beweglich und der zweite Maßstab ist gehäusefest. Hierbei mißt man die relative Ortsveränderung des Objektes bezüglich des gehäusefesten optischen Systems.In a first embodiment, the first scale is movable and the second scale is fixed to the housing. Here one measures the relative change in location of the object with respect to of the housing-mounted optical system.
Bei einer zweiten AusfUhrungsform wird die relative Ortsveränderung des ersten Objektes bezüglich des zweiten Objektes gemessen oder umgekehrt. Hierbei weist die neuartige Vorrichtung zwei bewegliche Maßstäbe auf. Der erste Maßstab ist fest mit den ersten Objekt verbunden und der zweite Maßstab ist fest mit dem zweiten Objekt verbunden.In a second embodiment, the relative change in location of the first object with respect to the second object measured or vice versa. The new device has two movable scales. The first yardstick is firmly connected to the first object and the second scale is firmly connected to the second object.
Weil zwei getrennte Maßstäbe verwendet werden, kann eine beliebige Vergrößerung erreicht werden. Es muß dabei nur darauf geachtet werden, daß das Bild des ersten Maßstabes dieselbe Teilung wie der zweite Maßstab hat. Die Vergrößeruig hängt vom ersten und vom zweiten Objektiv ab. Je nach dem, welche Vergrößerung man erreichen will, verwendet man Objektive mit unterschiedlichen Brennweiten.Because two separate scales are used, either Magnification can be achieved. Care must only be taken that the image of the first standard is the same Division like the second scale has. The enlargement depends on the first and second lens. Lenses are used depending on the magnification you want to achieve with different focal lengths.
Bei einer anderen bevorzugten AusfUhrungsform, die besonders wichtig ist, umfaßt die neuartige Vorrichtung einen ersten und einen zweiten Maßstab, die am selben Träger befestigtIn another preferred embodiment, which is particularly important, the novel device comprises a first and a second rule attached to the same support
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sind. Hierbei weist das optische System unter anderem eine Anzahl von Spiegeln und Prismen derart auf, daß die Anzahl der Reflektionen des Lichtstrahls ungerade ist. Bei dieser Vorrichtung wird das Bild des ersten Maßstabes in umgekehrter Richtung des gemeinsamen Trägers verschoben und das Bild dieses Maßstabes wird mit dem Faktor 1 vergrößert. Dies beruht darauf, daß beide Maßstäbe auf dem selben Träger angebracht sind.are. Here, the optical system has, among other things, a Number of mirrors and prisms such that the number the reflections of the light beam is odd. At this The device moves the image of the first scale in the opposite direction of the common carrier and that Image of this scale is enlarged by a factor of 1. This is due to the fact that both scales are attached to the same carrier are.
Unabhängig von den verwendeten Vorrichtungen erhält man gute Resultate zur Verringerung einer Fehleinstellung, wenn die Pupille sich in der telezentrischen Lage befindet, daß heißt, wenn sie sich im Bildbrennpunkt des ersten Objektivs und im Objektbrennpunkt des zweiten Objektivs befindet.Regardless of the devices used, good results for reducing misalignment are obtained when the Pupil is in the telecentric position, that is, if they are in the focal point of the first lens and in the Object focal point of the second lens is located.
Die Pupille hat wenigstens zwei Paar öffnungen. Verwendet man eine Pupille mit zwei Paar öffnungen, so wird eine Phasenverschiebung auf einem d@r Lichtstrahlen bewirkt, indem vor den öffnungen ©in Paar Glasplättchen etwa gleicher Dicke angeordnet wird oder indem auf einer oder auf beiden symmetrischen öffnungen eine dünne Schicht angebracht wird. Die Phasenverschiebung ist dabei beispiels eise gleich —|—.The pupil has at least two pairs of openings. Used if one has a pupil with two pairs of openings, there is a phase shift on a d @ r light rays caused by arranging a pair of glass plates of approximately the same thickness in front of the openings © or by applying a thin layer to one or both of the symmetrical openings. The phase shift is, for example, equal to - | -.
Dadurch kann man die Richtung der Ortsveränderung des Objektes bestimmen, wie dies bereits erwähnt wurde.This allows you to determine the direction of the change in location of the object determine, as mentioned earlier.
Die öffnungen jedes Paares der öffnungen der Pupille haben ©in© Form und Anordnung derart, daß sie übereinander durch ©in© Translation angeordnet werden können, deren Richtung sich senkrecht zu den Strichen des ersten Maßstabes oderHave the openings of each pair of openings of the pupil © in © shape and arrangement in such a way that they pass through © can be arranged in © Translation, the direction of which is perpendicular to the lines of the first scale or
Λ f d@s zweiten Maßstabes erstreckt, und deren Wert gleich *- x Λ f d @ s extends to the second scale, and its value is equal to * - x
P Istο Dabei bedeutet?P Isο where means?
-\ gleich Wellenlänge der Beleuchtungs-Lichtquelle, £ gleich Brennweite des ersten Objektivs und ρ Teilung des ersten Maßstabes. - \ equals the wavelength of the illumination light source, £ equals the focal length of the first objective and ρ the division of the first scale.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die öffnungen der Pupille Schlitze, beispielsweise rechteckige Schlitze.In a particularly advantageous embodiment, the openings of the pupil slits, for example rectangular slits.
Die Paare der öffnungen sind nicht notwendigerweise auf der optischen Achse zentriert und die relative Lage eines Paares bezüglich des anderen Paares ist beliebig. Das bedeutet, daß man ein Paar bezüglich des anderen versetzen kann. Dabei ist nur die Bedingung einzuhalten, daß der Abstand zwischen den beiden öffnungen eines und desselben Paares gleich 2c- \ * The pairs of openings are not necessarily centered on the optical axis and the relative position of one pair with respect to the other pair is arbitrary. This means that one couple can be transferred with respect to the other. Only the condition that the distance between the two openings of one and the same pair is equal to 2c- \ *
ist, wie dies vorstehend erwähnt wurde, und daß die vier öffnungen parallel sind.is as mentioned above and that the four openings are parallel.
Verwendet man eine Pupille mit zwei Paar öffnungen, so besitzt der Empfänger zwei Bereiche mit merklichen Flächen. Das Bild jedes Paares der öffnungen bildet sich dabei auf jedem Bereich ab. Anstatt einen Empfänger mit zwei merklichen Flächenbereichen zu verwenden, kann man auch zwei Empfänger verwenden.If one uses a pupil with two pairs of openings, then has the receiver has two areas with noticeable areas. The image of each pair of openings is formed on each one Area. Instead of using one receiver with two noticeable areas, you can also use two receivers use.
Die Maßstäbe sind in Längsrichtung unterteilte Maßstäbe, wenn man eine Translations-Ortsveränderung mißt. Sie sind Meßkreise, wenn man eine Rotations-Ortsveränderung mißt.The scales are scales divided in the longitudinal direction, if a translation change in location is measured. They are measuring circles if one measures a change in location of rotation.
Die Maßstäbe und Meßkreise haben im allgemeinen eine Teilung zwischen 20 und 5 Mikron.The rulers and measuring circles generally have a pitch between 20 and 5 microns.
Es wurde bereits erwähnt, daß die Vorrichtung nach der Erfindung ein Filter für die räumlichen Frequenzen hat, welches sehr selektiv auf der Grundfrequenz des Maßstabes zentriert ist (Kehrwert der Teilung). Dadurch kann man bei einer gleichförmigen Versetzung des Maßstabes bezüglich des Meßfühlers einen vollständig sinusförmigen Signalwert erhalten. It has already been mentioned that the device according to the invention has a filter for the spatial frequencies, which is very selectively centered on the basic frequency of the scale (reciprocal of the division). This can be used at a uniform offset of the scale with respect to the sensor, a completely sinusoidal signal value can be obtained.
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Die neuartige Vorrichtung kann bei zahlreichen Geräten eingesetzt werden, insbesondere als Interpolator für Präzisions-Meßinstumente und für Meßfühler zur Positionierung, beispielsweise für Werkzeugmaschinen, für die Herstellung von Getrieben, für die Steuerung von halbautomatischen oder vollautomatischen Werkzeugmaschinen, für die Winkelmessung an Kreisplatten oder Teiler, für geodätische Messungen, zur Steuerung von Drehgeschwindigkeiten usw..The novel device can be used in numerous devices, in particular as an interpolator for precision measuring instruments and for measuring sensors for positioning, e.g. for machine tools, for the manufacture of gears, for the control of semi-automatic or fully automatic machine tools, for angle measurement Circular plates or dividers, for geodetic measurements, for controlling rotational speeds, etc.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments, from which further important ones emerge Features result. It shows:
Figur 1 schematisch die neuartige Vorrichtung in durchgehendem Licht mit zwei getrennten Maßstäben;FIG. 1 schematically shows the novel device in continuous light with two separate scales;
Figur 2 eine andere Ausf Uhrungsform, ebenfalls in durchgehendem Licht, mit einem Maßstab;FIG. 2 shows another embodiment, also in one piece Light, with a yardstick;
Figur 3 eine Ansicht der Pupille mit zwei Paar öffnungen der Vorrichtung nach Figur 2;FIG. 3 shows a view of the pupil with two pairs of openings the device of Figure 2;
Figur 4 die Pupille der Figur 3 mit zwei darauf angeordneten Glasplättchen;FIG. 4 shows the pupil of FIG. 3 with two arranged thereon Glass flakes;
Figur 5 die Pupille der Figur 3, wobei die symmetrischen Schlitze mit einer dünnen Schicht versehen sind;FIG. 5 shows the pupil of FIG. 3, the symmetrical slits being provided with a thin layer;
Figur 6 und 7 schematisch die übertragung (Transmittance)Figure 6 and 7 schematically the transmission (transmittance)
der Pupille und die entsprechende übertragungsfunktion für die Vorrichtung der Figuren 1 und 2;of the pupil and the corresponding transfer function for the device of FIG. 1 and 2;
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Figur 8 und 9 schematisch die Entwicklung der Übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Fehler der Einstellung bei der Vorrichtung nach Figur 1 und 2}FIGS. 8 and 9 schematically show the development of the transfer function depending on the error in the setting in the device according to Figures 1 and 2}
Figur 10 eine gegenüber Figur 2 abgeänderte Ausführungsform der neuartigen Vorrichtung; FIG. 10 shows an embodiment of the novel device that is modified from FIG. 2;
Figur 11 eine Stirnansicht einer anderen AusfUhrungsform, die in durchgehendem Licht mit einem einzigen Meßkreis arbeitet;Figure 11 is an end view of another embodiment, which works in continuous light with a single measuring circuit;
Figur 12 eine Seitenansicht von Figur 11; Figur 13 eine Draufsicht auf Figur 11;Figure 12 is a side view of Figure 11; Figure 13 is a plan view of Figure 11;
Figur 14 eine andere Ausführungeform der neuartigen Vorrichtung, die in reflektiertem Licht mit einem einzigen Maßstab arbeitet}FIG. 14 shows another embodiment of the novel device, which works with a single scale in reflected light}
Figur 15 ein Schaltbild für eine Schaltanordnung, die bei der neuartigen Vorrichtung verwendet werden kann.FIG. 15 is a circuit diagram for a circuit arrangement which can be used in the novel device.
Bei der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung wird in durchgehendem Licht mit zwei getrennten Maßstäben gearbeitet. Die Anordnung ist grundsätzlich gleich aufgebaut, wenn anstelle der beiden geraden Maßstäbe zwei Meßkreise verwendet werden. Die Vorrichtung weist eine Lichtquelle 1 und einen Kondonsor 2 auf, über den auf einer Zone a,. eines Maßstabes 3 ein Bild der Lichtquelle 1 abgebildet wird. Der Maßstab 3 ist stets mit einem zu messenden Objekt O1 verbunden, welches mittels beliebiger bekannter Mittel, beispielsweise mittels eines Motors M-. verschoben wird. Ein Objektiv 4 bildet die Zone a.. im Unendlichen ab. Dieses Bild wird von einem Objektiv 6, welches identisch mit dem Objektiv 4 sein kann oder auchIn the device shown in FIG. 1, two separate scales are used in continuous light. The arrangement is basically the same if two measuring circles are used instead of the two straight scales. The device has a light source 1 and a condenser 2, via which a zone a,. a scale 3 an image of the light source 1 is mapped. The scale 3 is always connected to an object O 1 to be measured, which by means of any known means, for example by means of a motor M-. is moved. An objective 4 images the zone a .. at infinity. This image is taken by an objective 6, which can or may also be identical to the objective 4
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nicht, je nach der gewünschten Vergrößerung, in einer Zone b^ eines zweiten Maßstabes 7 abgebildet. Zwischen den Objektiven 4 und 6 ist eine Pupille 5 mit zwei Paar öffnungen angeordnet, die auf den zweiten Maßstab 7» der auch mit dem zu messenden Objekt verbunden ist, zwei Moire'sehe Interferenzstreifen in der Zone b^ dieses Maßstabes 7 abbildet. Ein Kondensor 8 bildet die beiden Paar öffnungen auf zwei Photozellen 9 oder auch auf einer einzigen Photozelle 9 mit zwei Meßbereichen ab. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die öffnungen als rechteckige Schlitze ausgebildet.not in one zone, depending on the desired magnification b ^ of a second scale 7 shown. Between the lenses 4 and 6 is a pupil 5 with two pairs of openings arranged on the second scale 7 »which is also with the object to be measured is connected, two moirées see interference fringes in the zone b ^ of this scale 7 images. A condenser 8 forms the two pair of openings on two Photocells 9 or on a single photocell 9 with two measuring ranges. In the embodiment shown, the openings are designed as rectangular slots.
Figur 2 zeigt eine geänderte Ausführungsform mit einem Kondensor 12, der ein Bild einer Lichtquelle 11 in der Ebene eines Inkrement-Maßstabes 13 in einer Zone a2 abbildet. Der Maßstab 13 wird von nebeneinander angeordneten lichtundurchlässigen Strichen 21 gebildet, die über lichtdurchlässige Zwischenraum© 22 vonsinand@r getrennt sind. Die Striche und die Zwischenräume haben jeweils gleiche Breite. Der Maßstab ist mit einem zu messenden Objekt O2 verbunden, welches ebenfalls mit bekannten Mitteln, beispielsweise mit einem Motor M2 verschoben wird.FIG. 2 shows a modified embodiment with a condenser 12 which images an image of a light source 11 in the plane of an incremental scale 13 in a zone a 2 . The scale 13 is formed by opaque lines 21 arranged next to one another, which are separated from sinand @ r by transparent spaces © 22. The lines and the spaces in between have the same width. The scale is connected to an object O 2 to be measured, which is also displaced by known means, for example with a motor M 2.
Ein Objektiv 14 bildet von der Zone a2 des Maßstabes ein Bild im Itoamdlichen ab. Das Bild wird von einem Objektiv 15 wieder aufgenommen, welches identisch mit dem Objektiv 14 ist, Dadurch wird das Bild mit der Vergrößerung gleich eins auf dar Zone bp äes Maßstabes abgebildet.An objective 14 forms an image of the zone a 2 of the scale in the Itoamdlichen. The image is picked up again by an objective 15, which is identical to the objective 14. As a result, the image is reproduced with the magnification equal to one on the zone bp äes scale.
Dl© überlagerung der Zone a2 auf der Zone b2 ergibt zwei Moiri'sch® Interferenzstreifensysteme.Dl © superposition of zone a 2 on zone b 2 results in two Moiri'sch® interference fringe systems.
Zwiseh©» den Objektiven 14 und 15 sind drei Spiegel 18, 18' und 19 angeordnet, so daß nur ein einziger Maßstab notwendig ist und ©in© Bewegung der Bilder derart erreicht wird, daß das Bild der Zoa® &2 sich in umgekehrter Richtung des BildesBetween the lenses 14 and 15 there are three mirrors 18, 18 'and 19, so that only a single scale is necessary and the images can be moved in such a way that the image of the Zoa® & 2 is reversed of the picture
- veil - veil
der Zone t>2 verschiebt. Durch diese Anordnung eines Maßstabes mit einem Gegen-Maßstab wird die Empfindlichkeit verdoppelt, so daß das Instrument bezüglich störender Drehbewegungen um die optische Achse wenig empfindlich ist.the zone t> 2 shifts. This arrangement of a scale with a counter-scale doubles the sensitivity, so that the instrument is not very sensitive to disruptive rotary movements about the optical axis.
Die fühlbare Verbesserung der Toleranz bezüglich der Einstellung dieser Vorrichtung verglichen mit herkömmlichen Vor- ~ richtungen beruht darauf, daß eine telezentrische Anordnung gewählt wurde. Dies bedeutet, daß der Bildbrennpunkt des Objektivs 14 mit dem Objektbrennpunkt des Objektivs 15 zusammenfällt. Eine Pupille 20 dient als besonderes räumliches Filter und ist in dieser telezentrischen Position angeordnet. Figur 3 zeigt, daß die Pupille zwei Paar paralleler Schlitze aufweist, nämlich das Paar P^ - P^, und das Paar P« - P2t· Bei jedem Paar sind die öffnungen über einen Abstand 2c derart voneinander getrennt, daß folgende Gleichung erfüllt ist;The noticeable improvement in the tolerance with regard to the setting of this device compared with conventional devices is based on the fact that a telecentric arrangement was selected. This means that the image focal point of the objective 14 coincides with the object focal point of the objective 15. A pupil 20 serves as a special spatial filter and is arranged in this telecentric position. FIG. 3 shows that the pupil has two pairs of parallel slits, namely the pair P ^ - P ^, and the pair P ^ - P 2 t · In each pair, the openings are separated from one another by a distance 2c in such a way that the following equation is satisfied is;
2c2c
λ fλ f
ρ - Teilung des Maßstabesρ - division of the scale
\ - Wellenlänge der Lichtquelle f - gemeinsame Brennweite der Linsen 14 und 15. \ - wavelength of the light source f - common focal length of lenses 14 and 15.
Ein Kondensor 16 projiziert das Bild der beiden parallelen Schlitze welches von den Moire*schen Streifen moduliert ist, auf zwei Photozellen oder eine einzige Photozelle 17 mit zwei Meßbereichen.A condenser 16 projects the image of the two parallel slits which is modulated by the Moiré strips, to two photocells or a single photocell 17 with two measuring ranges.
Entsprechend der gewünschten Einstellungstoleranz ist die Breite d der öffnungen entsprechend der folgenden Berechnung bestimmt, die im folgenden anhand der Figuren 6-9 erläutert wird.According to the desired setting tolerance, the width d of the openings is according to the following calculation determined, which is explained below with reference to Figures 6-9.
Die Phasenverschiebung ^ , die auf einem der Wege eingeführt wird, um die Richtung der Ortsveränderung des Maß-The phase shift ^ introduced on one of the ways is used to determine the direction of the change in location of the
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stabes zu bestimmen, kann auf mehrere Art und Weise bestimmt werden:Determining rods can be determined in several ways will:
Beispielsweise indem vor den Schlitzen ein Paar Glasplättchen 23, 24 etwa gleicher Dicke (vgl. Fig. 4) eingeführt wird, wobei die Einstellung der Phasenverschiebung durch Drehung eines der Plättchen um eine Achse erreicht wird, die in dessen Ebene verläuft, oder es wird eine dünne Schicht entweder auf einem einzigen Schlitz angeordnet, wodurch eine Phasenverschiebung von ITFor example, by inserting a pair of small glass plates 23, 24 of approximately the same thickness (see FIG. 4) in front of the slots is achieved, the adjustment of the phase shift by rotating one of the platelets about an axis that runs in its plane, or it becomes a thin layer either on a single one Slit arranged, causing a phase shift of IT
—a erzielt wird, oder auf einem Paar symmetrischer—A is scored, or on a pair more symmetrical
Schlitze (P. und P2 1 oder P^' und P2) angeordnet, wobei diese dünne Schicht jeweils eine Phasenverschiebung von -| bewirkt.Slots (P. and P 2 1 or P ^ 'and P 2 ) arranged, this thin layer each having a phase shift of - | causes.
Fig. 5 zeigt den Fall der Abscheidung von dünnen Schichten auf einem Paar symmetrischer Schlitze P2 und P1· mit einer Phasenverschiebung von —U— für jeden Schlitz P^' bzw. P2. Die Vorrichtung von Fig. 2 wird grundsätzlich nicht abgeändert. Lediglich wird ein Meßkreis anstelle des geraden Maßstabes verwendet. Diese Anordnung wird weiter unten anhand der Figuren 11 und 13 (Anordnung in durchfallendem Licht) noch näher erläutert.Fig. 5 shows the case of the deposition of thin layers on a pair of symmetrical slots P 2 and P 1 · with a phase shift of -U- for each slot P 1 and P 2, respectively. The device of FIG. 2 is basically not modified. Only a measuring circle is used instead of the straight scale. This arrangement is explained in greater detail below with reference to FIGS. 11 and 13 (arrangement in transmitted light).
Im folgenden wird das Merkmal der Filterung der räumlichen Frequenzen der Pupille entsprechend Pos. 5 in Fig. 1 und Pos. 20 in Fig. 2 näher erläutert. Ähnliche Überlegungen gelten im übrigen auch für die Vorrichtungen der Fig. 10 bis 14.The following is the feature of filtering the spatial Frequencies of the pupil corresponding to item 5 in FIG. 1 and item 20 in FIG. 2 are explained in more detail. Similar considerations Otherwise also apply to the devices of FIGS. 10 to 14.
Die Übertragungsfunktion des optischen Projektionssystems (Linsen 14 und 15 in Fig. 2) hängt ab von einer Auto-Korrelation der Verteilung der komplexen Amplituden auf der Pupille. Es sei angenommen, daß diese Funktion reinThe transfer function of the optical projection system (lenses 14 and 15 in Fig. 2) depends on an auto-correlation the distribution of the complex amplitudes on the pupil. It is assumed that this function is pure
$09845/0623$ 09845/0623
reell ist. Die Pupillenfunktion ist aus zwei Öffnungen zusammengesetzt. Die Übertragungsfunktion hat drei dreiecksförmige Spitzen, nämlich eine mittlere Spitze rings um die Frequenz "Null" und zwei seitliche, bezüglich der mittleren Spitze symmetrisch angeordnete Nebenspitzen bei den Frequenzen It = + _J_ = + 2c . Das durchgehendeis real. The pupil function is composed of two openings. The transfer function has three triangular peaks, namely a central peak around the frequency "zero" and two lateral peaks symmetrically arranged with respect to the central peak at the frequencies It = + _J_ = + 2c . The continuous
Frequenzband ist gleich d , wobeiFrequency band is equal to d , where
2c der Abstand zwischen den öffnungen ist,2c is the distance between the openings,
X die verwendete Wellenlänge des Lichts,X is the wavelength of light used,
f die gemeinsame Brennweite der Objektive 14 und 15,f is the common focal length of lenses 14 and 15,
ρ die Teilung des Maßstabes,ρ is the division of the scale,
d die Breite der Öffnungen.d is the width of the openings.
Die Fig. 6 und 7 zeigen nacheinander schematisch die Durchlässigkeit (transmittance T)der Pupille und die entsprechende Übertragungsfunktion M ( u ).FIGS. 6 and 7 show, one after the other, schematically the transmittance T of the pupil and the corresponding transfer function M ( u ).
Das Bild des Objektes (Zone a2 des Maßstabes in Fig. 2) ist rein sinusförmig. Seine Interferenz (convolution) mit dem Analysengitter (Zone b2 des Maßstabes) erzeugt Moire'sehe Streifen mit ebenfalls sinusförmigem Profil.The image of the object (zone a 2 of the scale in FIG. 2) is purely sinusoidal. Its interference (convolution) with the analysis grid (zone b 2 of the scale) produces moiré strips with a likewise sinusoidal profile.
Darüberhinaus kann man die Breite d, die den Schlitzen der Pupille gegeben wird, derart berechnen, daß die Änderung der Modulation des Bildes einen gegebenen Wert bei einem gegebenen Einstellungsfehler nicht überschreitet.In addition, the width d given to the slits of the pupil can be calculated in such a way that the change the modulation of the image does not exceed a given value for a given adjustment error.
Man kann zeigen, daß die Entwicklung der Übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Einstellungsfehler bei longitudinaler Optik und bei seitlicher Optik gleich ist. Bei einer gegebenen räumlichen Frequenz (Kehrwert der Teilung) entwickelt sich die Übertragungsfunktion (Funktion der AutoKorrelation der Pupillenfunktion, wiedergegeben durch die gemeinsame Funktion der beiden Pupillenkonturen, verschobenIt can be shown that the development of the transfer function depends on the adjustment error for longitudinal Optics and side optics is the same. Developed at a given spatial frequency (reciprocal of the division) the transfer function (function of the autocorrelation of the pupil function, represented by the common function of the two pupil contours, shifted
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- 2k -- 2k -
um A f ) in Abhängigkeit vom Einstellungsfehler ". - ρ ""■■:"■'■''■ ■ around A f ) depending on the setting error ". - ρ""■■:" ■ '■''■ ■
wie die Fourier-Transformation der gemeinsamen Pupillenkontur, d.h. hier wie die Fourier-Transformation einer Öffnungsfunktion, nämlich bei rechteckigen Öffnungen vom Schlitztyp wie folgt:like the Fourier transformation of the common pupil contour, i.e. here like the Fourier transformation of a Opening function, namely with rectangular openings from Slot type as follows:
M = Xf mit y« =Λ^Δχ = A Δ χ M = Xf with y «= Λ ^ Δχ = A Δ χ
iTy'diTy'd PP.
Xf
Daraus folgt:Xf
It follows:
ρ £ ρ £
Δ χ stellt den Einstellfehler dar. Δ χ represents the adjustment error.
Beispielsweise sei ein Maßstab mit einer Teilung von 10 Micron und optischen Projektionssystemen mit fokaler Brennweite f = 100 mm genommen, wobei eine relative Absenkung der Modulation von 1 Prozent bei einem Einstellfehler von 100 Micron toleriert werden soll. Die maximale Breite der Schlitze beträgt 0,8 mm. Sie entspricht einem photometrischen Optimum bei den gegebenen Bedingungen.For example, consider a scale with a division of 10 micron and optical projection systems with focal focal length f = 100 mm, with a relative lowering the modulation of 1 percent should be tolerated with a setting error of 100 microns. The maximum width of the Slots is 0.8 mm. It corresponds to a photometric optimum under the given conditions.
Nimmt man eine Absenkung der photometrischen Charakteristiken der Vorrichtung (geometrische Ausdehnung) in Kauf, so kann man die durchgelassene Bandbreite durch Verringerung der Breite d verringern und dadurch die Toleranz bezüglich des Einstellfehlers vergrößern.If one takes a lowering of the photometric characteristics of the device (geometric expansion) in purchase, so can the bandwidth passed through can be reduced by reducing the width d and thereby the tolerance with regard to the setting error enlarge.
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ZLZL
-JW--JW-
Die Fig. 8 und 9 zeigen schematisch die Transmittanz T der Pupille und die Abwicklung der Übertragungsfunktion M (M ) des Filters in Abhängigkeit von dem Einstellfehler A χ bei einer räumlichen Frequenz fJ entsprechend der Grundfrequenz des Maßstabes.8 and 9 show schematically the transmittance T of the pupil and the development of the transfer function M ( M ) of the filter as a function of the adjustment error A χ at a spatial frequency fJ corresponding to the fundamental frequency of the scale.
Ausgehend vom Parameter df der die durchgehende Bandbreite des Filters bestimmt, kann man leicht den ersten Nullwert der Modulation berechnen, d.h. den Mindestwert des Einstellfehlers A xQ derart, daß die Modulation des Bildes bei der räumlichen Frequenz 1_ gleich Null wird. Man erhältStarting from the parameter d f, which determines the continuous bandwidth of the filter, one can easily calculate the first zero value of the modulation, ie the minimum value of the setting error A x Q such that the modulation of the image at the spatial frequency 1_ is equal to zero. You get
P
dann ^ χ r\) 1,25 mm. Vergleichsweise kann dieselbe
Berechnung bei einer identischen Vorrichtung (dieselbe Wellenlänge der Lichtwelle Δ = 900nm) durchgeführt werden,
wobei aber eine gleichförmig kreisförmige oder quadratische Pupille genommen wird, derart, daß die Modulation der
räumlichen Frequenz Λ_ dieselbe ist, wie bei der PupilleP.
then ^ χ r \) 1.25 mm. Comparatively, the same calculation can be performed on an identical device (same wavelength of light wave Δ = 900nm), but taking a uniformly circular or square pupil such that the modulation of spatial frequency Λ_ is the same as that of the pupil
P
mit zwei Öffnungen. Man erhält dann Δ x 0_2£__ 0,11 mm bei
einer quadratischen Pupille und Λ xQ r^J 0,09 mm bei einer
kreisförmigen Pupille.P.
with two openings. One then obtains Δ x 0 _2 £ __ 0.11 mm for a square pupil and Λ x Q r ^ J 0.09 mm for a circular pupil.
Diese theoretischen Ergebnisse lassen eine Verbesserung der Einstellungstoleranz um einen Faktor größer 10 erkennen, welche Verbesserung experimentell bestätigt wurde. Hierbei erhielt man elektrische Signale, die mit Sicherheit die Richtigkeit der Berechnungen feststellen ließen.These theoretical results show an improvement in the setting tolerance by a factor greater than 10, which improvement has been confirmed experimentally. This gave electrical signals that were definitely the To determine the correctness of the calculations.
Fig. 10 zeigt eine abgeänderte AusfUhrungsform der Vorrichtung nach Fig. 2, wobei einander entsprechende Bauteile mit denselben Bezugsziffern versehen sind. In Fig. 2 ist der Lichtstrahl zwischen dem ebenen Spiegel 18 und dem ebenen Spiegel 19 parallel zum Maßstab bzw. zum Meßkreis.Fig. 10 shows a modified embodiment of the device according to Fig. 2, wherein corresponding components are provided with the same reference numerals. In Fig. 2 is the light beam between the flat mirror 18 and the flat mirror 19 parallel to the scale or the measuring circle.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 10 ist der Lichtstrahl nicht mehr parallel vom Maßstab. Es sind somit dieselben Bauelemente wie in Fig. 2 vorgesehen. Es gelten daher bezüglich Fig. 10 auch dieselben Bemerkungen wie zu Fig. 2. Die einzige Änderung besteht in der Lage der Spiegel 18, 18' und 19 bezüglich der Pupille 20. Bei der Vorrichtung nach Fig. 10 ist eine Pupille 20 mit vier Öffnungen vorgesehen. Diese Öffnungen sind vorzugsweise rechteckige Schlitze.In the device of Fig. 10, the light beam is not more parallel from the scale. The same components as in FIG. 2 are thus provided. It therefore applies to Fig. 10 also has the same remarks as for Fig. 2. The only change is the position of the mirrors 18, 18 ' and 19 with respect to the pupil 20. In the device according to FIG. 10, a pupil 20 is provided with four openings. These openings are preferably rectangular slots.
In den Fig. 11 bis 13 ist eine andere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung gezeigt, wobei ebenfalls in durchfallendem Licht gearbeitet wird, und zwar mit einem Meßkreis. Diese Vorrichtung ist ähnlich derjenigen nach den Fig. 2 und 10. Es ist ein Kondensor 32 vorgesehen, der ein Bild einer Lichtquelle 31 auf einer Zone a, eines Meßkreises 33 abbildet. Der Meßkreis ist mit einem zu messenden Objekt 0, verbunden, welches mittels bekannter Mittel, beispielsweise mittels eines Motors M, verschoben wird. Zur besseren Darstellung ist das Objekt und der Motor nur in"Fig. 12 gezeigt. Ein Objektiv 34 bildet die Zone a,im Unendlichen ab. Dieses Bild wird von einem Objektiv 35, welches identisch mit dem Objektiv 34 ist, auf einer Zone b, des Meßkreises derart abgebildet, daß zwei Moire'sehe Streifensysteme erzeugt werden.Another embodiment of the device according to the invention is shown in FIGS. 11 to 13, also in FIG transmitted light is worked, with a measuring circuit. This device is similar to that according to 2 and 10. A condenser 32 is provided, which images an image of a light source 31 on a zone a, a measuring circle 33. The measuring circuit is closed with one measuring object 0, connected, which by means of known means, for example by means of a motor M, moved will. For the sake of clarity, the object and the motor are only shown in "Fig. 12. An objective 34 forms the zone a, at infinity from. This image is from an objective 35, which is identical to the objective 34, on a Zone b, of the measuring circle imaged in such a way that two moirées see Stripe systems are generated.
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Wie bei der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 10 sind zwischen den Objektiven 34 und 35 zwei ebene Spiegel 38 und 38· sowie eine Pupille 40 angeordnet, die zwei Paar öffnungen hat, und ein ebener Spiegel 39. Die Pupille 40 ist telezentrisch angeordnet, d.h. im Bildbrennpunkt des Objektives 34 und im Objektbrennpunkt des Objektives 35. Ein Kondensor 36 projiziert das Bild der beiden Paare öffnungen, welches von den Moire'sehen Streifen moduliert ist, auf zwei Empfänger oder auf einen einzigen Empfänger 37 mit zwei fühlbaren Flächen. Die öffnungen sind beispielsweise rechteckige Schlitze.As in the embodiment according to Figures 2 and 10 are between the objectives 34 and 35 two flat mirrors 38 and 38 and a pupil 40 are arranged, the two pairs of openings and a plane mirror 39. The pupil 40 is arranged telecentrically, i.e. in the focal point of the lens 34 and in the object focal point of the objective 35. A condenser 36 projects the image of the two pairs of openings, which is modulated by the moiré fringes on two receivers or on a single receiver 37 with two tactile surfaces. The openings are, for example, rectangular Slots.
Verglichen mit der Anordnung mit dem Maßstab ersetzt man die Projektion mit der Vergrößerung eins des Maßstabes auf eine benachbarte Zone durch die Projektion eines Abschnitts des Meßkreises auf den bezüglich der Drehachse symmetrischen Abschnitt des Meßkreises 43. Der Lichtstrahl kann über zwei zusätzlichen Reflektionen an ebenen Spiegeln 41 und 42 nochmals zurückgeworfen werden, um vollständig von der Drehachse 43 des Meßkreises freizukommen. Diese Anordnung ermöglicht es, von einer eventuellen Exzentrizität bei der Montage des Meßkreises freizukommen.Compared to the arrangement with the scale one replaces the projection with the enlargement of one of the scale onto one adjacent zone by the projection of a section of the measuring circle onto the section which is symmetrical with respect to the axis of rotation of the measuring circuit 43. The light beam can be reflected by two additional reflections on flat mirrors 41 and 42 again be thrown back in order to get completely free from the axis of rotation 43 of the measuring circle. This arrangement enables to get rid of any eccentricity when mounting the measuring circuit.
Figur 14 zeigt eine andere Ausführungsform der neuartigen Vorrichtung, wobei unter Reflektion auf den Meßkreis bzw. den Maßstab gearbeitet wird. Es ist eine Lichtquelle 71 und ein Kondensor 72 vorgesehen, der mit einem Objektiv 74 auf einer Zone a^ des Maßstabes 73 ein Bild der Lichtquelle abbildet. Der Maßstab ist mit einem zu messenden Objekt 0. verbunden, welches auf ansich bekannte Weise, beispielsweise mit einem Motor M^, verschoben wird. Der Lichtstrahl wird am Maßstab reflektiert und das Objektiv 74 bildet die Zone a^im Unendlichen ab. Das Bild wird vom Objektiv 75 wieder aufgenommen, so daß das Bild der Zone a^ auf dem Maßstab bei der Zone b^ abgebildet wird. Vor der Lins« 75 unterliegt derFigure 14 shows another embodiment of the novel Device in which work is carried out with reflection on the measuring circle or the scale. It is a light source 71 and a condenser 72 is provided, which images an image of the light source with an objective 74 on a zone a ^ of the scale 73. The scale is connected to an object to be measured 0, which in a manner known per se, for example with a motor M ^ is shifted. The ray of light will reflected on the scale and the lens 74 images the zone a ^ at infinity. The image is taken from the lens 75 again recorded so that the image of zone a ^ on the scale at the zone b ^ is mapped. Before the Lins «75 the
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Lichtstrahl an einem halbdurchlässigen Spiegel 78 einer. Reflektion und weiteren Reflektieren an einem ebenen Spiegel 78' und einem weiteren halbdurchlässigen Spiegel 79. Wie bei den anderen Vorrichtungen ist außerdem eine Pupille 80 mit vier Schlitzen vorgesehen, wobei sich die Pupille im Bildbrennpunkt des Objektivs 74 und im Objektbrennpunkt des Objektivs 75 befindet. Das Objektiv 75 dient für eine Photozelle 77 als Kondensor und gestattet die Abbildung der Schlitzpaare, moduliert von den beiden Moire'sehen Streifensystemen auf der Zone b^, auf zwei Photozellen oder auf einer einzigen Photozelle 77 mit zwei merklichen Empfangsflächen·Light beam at a semitransparent mirror 78 a. Reflection and further reflection on a flat mirror 78 'and another semi-transparent mirror 79. As at the other devices also have a pupil 80 four slits are provided, with the pupil in the focus of the image of the objective 74 and in the object focal point of the objective 75 is located. The lens 75 serves as a condenser for a photocell 77 and allows the imaging of the Pairs of slits, modulated by the two moiré stripe systems on zone b ^, on two photocells or on one single photocell 77 with two noticeable reception areas
Figur 15 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung mit bekannten Bauelementen, die zusammen mit der Vorrichtung nach der Erfindung verwendet werden kann. Diese Schaltungsanordnung kann zusammen mit den Vorrichtungen der Figuren 1, 2, 10 - 13 und 14 verwendet werden.Figure 15 shows schematically a circuit arrangement with known Components that can be used together with the device according to the invention. This circuit arrangement can be used in conjunction with the devices of FIGS. 1, 2, 10-13 and 14.
Wird die Schaltungsanordnung zusammen mit der Vorrichtung nach Figur 14 verwendet, so wird die Lichtquelle 71 mittels eines Oszillators 80' moduliert. Diese Schwinungen dienen als Referenzwellen für zwei synchrone Detektoren 81 und 82, die die beiden von den Photozellen 77 ausgehenden Signale verstärken und nachweisen. Die beiden sinusförmigen und zueinander phasenverschobenen Signale an den Ausgängen der Detektoren werden in einem Aufzeichnungsgerät 83 registriert.If the circuit arrangement is used together with the device used according to Figure 14, the light source 71 is modulated by means of an oscillator 80 '. These vibrations serve as reference waves for two synchronous detectors 81 and 82, the two signals emanating from the photocells 77 reinforce and demonstrate. The two sinusoidal and phase-shifted signals at the outputs of the Detectors are registered in a recorder 83.
Im folgernden sei ein Beispiel wiedergegeben. Hierzu sei Bezug genommen auf die Vorrichtung nach Figur 1. Es können aber auch ohn© grundlegende Änderungen die Vorrichtungen der 2 und 10 - 14 verwendet werden.An example is given in the following. For this purpose, reference is made to the device according to FIG. 1. It can but also without fundamental changes to the devices of the 2 and 10-14 can be used.
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Die Lichtquelle 1 ist eine Wolfram-Glühlampe oder auch vorzugsweise eine Halbleiter-Lichtquelle (AsGa).The light source 1 is a tungsten incandescent lamp or also preferably a semiconductor light source (AsGa).
Der Kondensor 2 hat eine Brennweite von 35 Milimeter und einen Durchmesser von 17 Milimeter.The condenser 2 has a focal length of 35 millimeters and a diameter of 17 millimeters.
Die Maßstäbe 3 und 7 haben eine Teilung von 10 Mikron. Die Objektive 4 und 6 haben eine Brennweite von 100 Milimeter und einen Durchmesser von 24 Milimeter. Es wurde bereits erwähnt, daß die Objektive 4 und 6 einander gleich oder auch unterschiedlich sein können, je nach der gewünschten Vergrößerung. Die Pupille 5 hat Schlitze mit einer Breite b von 0,8 Milimeter. Der einstellbare Abstand 2c zwischen den Schlitzen beträgt 5,4 Milimeter für die gefilterte Glühlampe ( X m 54Onm) und 9,4 Milimeter für die AsGa-Lichtquelle ( λ . 940nm). Die Photozelle 9 ist eine Halbleiter-Photodiode (Typ HP. 4203).Scales 3 and 7 have a 10 micron division. The objectives 4 and 6 have a focal length of 100 millimeters and a diameter of 24 millimeters. It has already been mentioned that the objectives 4 and 6 can be the same or different, depending on the desired magnification. The pupil 5 has slits with a width b of 0.8 millimeters. The adjustable distance 2c between the slits is 5.4 millimeters for the filtered incandescent lamp ( X m 54Onm) and 9.4 millimeters for the AsGa light source (λ.940nm). The photocell 9 is a semiconductor photodiode (type HP. 4203).
Der Maßstab 7 1st ortsfest, während der Maßstab 3 mit dem zu messenden Objekt fest verbunden ist. Der Kondensor 8 hat eine Brennweite von 50 Milimeter.The scale 7 is stationary, while the scale 3 is firmly connected to the object to be measured. The condenser 8 has a focal length of 50 millimeters.
Wichtig ist es somit, daß eine Vorrichtung mit einer Lichtquelle vorgeschlagen wird, die mit einem ersten Kondensor und mit zwei Maßstäben verbunden ist. Zwischen diesen Maßstäben befindet sich ein erstes und ein zweites Objektiv, wodurch auf dem zweiten Maßstab das Bild des ersten Maßstabes abgebildet werden kann. Der erste Maßstab ist fest mit dem Objekt, einem zweiten Kondensor und einem Empfänger verbunden. Die Vorrichtung weist außerdem zwischen den Objektiven eine Pupille auf, die wenigstens zwei Öffnungen hat, derart daß auf dem Empfangssystem das Bild der Öffnungen der Pupille abgebildet wird. Das Ausgangssignal gestattet es auf an sich bekannte Weise, eine Ortsveränderung des Objektes zu messen.It is therefore important that a device with a light source is proposed that has a first condenser and connected by two standards. Between these scales there is a first and a second lens, whereby the image of the first scale can be mapped on the second scale. The first standard is fixed connected to the object, a second condenser and a receiver. The device also has between the lenses a pupil which has at least two openings, so that the image of the openings on the receiving system the pupil is imaged. The output signal permitted it is known per se to measure a change in location of the object.
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Wichtige Anwendungsgebiete der neuartigen Vorrichtung bestehen in der Messung einer drehenden Ortsveränderung und einer Translations-Ortsveränderung.Important areas of application of the new device are the measurement of a rotating change in location and a translation change of location.
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