DE4035948A1 - MEASUREMENT OF POSITION CHANGES - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Anordnung zur Mes sung kleiner relativer Lageänderungen.The invention relates to an optoelectronic arrangement for measuring solution of small relative changes in position.
Als Lageänderungen sollen sowohl translatorische Verschiebungen nach ein oder mehr Koordinaten als auch Kippungen um eine oder zwei Achsen verstanden werden. Optoelektronische Anordnungen zur Messung von Verschiebungen in inkrementalen Einheiten werden als Schrittgeber bezeichnet. Anordnungen zur Messung von Kippwinkeln sind als Autokollimationsfernrohre bekannt.Changes in position are said to be both translational shifts after one or more coordinates as well as tilts by one or two axes can be understood. Optoelectronic arrangements for Measuring displacements in incremental units are called Called pacemaker. Arrangements for measuring tilt angles are known as autocollimation telescopes.
Der prinzipielle Aufbau eines inkrementalen Schrittgebers zur Län genmessung ist z. B. in dem Lehrbuch von Schröder, G., Technische Optik, 6. Auflage, (1987), S. 171/172 beschrieben. Eine Licht quelle beleuchtet über einen Kondensor einen Gittermaßstab, der mit einem Tastbolzen verbunden ist, dessen Verschiebung gemessen werden soll. In Lichtrichtung hinter dem Gittermaßstab ist eine feststehende Abtastplatte angeordnet, die eine Referenzgittertei lung enthält. Bei Verschiebung des Gittermaßstabs wird der Licht fluß hinter dem Referenzgitter moduliert. Die Modulation wird durch einen fotoelektrischen Empfänger detektiert.The basic structure of an incremental pacer for Län gene measurement is e.g. B. in the textbook by Schröder, G., Technical Optik, 6th edition, (1987), pp. 171/172. A light source illuminates a grid scale via a condenser is connected to a probe pin, the displacement of which is measured shall be. In the direction of light behind the grating scale is one fixed scanning plate arranged a reference grating part lung contains. When the grid scale is shifted, the light turns on flow modulated behind the reference grid. The modulation is detected by a photoelectric receiver.
Zur Richtungserkennung und Gegentaktsignalgewinnung ist das Refe renzgitter in vier einzelne Gitter mit zueinander phasenverschobe ner Teilungsperiode aufgeteilt. Jedem Referenzgitter ist ein foto elektrischer Empfänger zugeordnet. Der Gittermaßstab und die Ab tastplatte müssen in möglichst geringem Abstand parallel zueinan der verschoben werden. Die Gitterteilungsrichtungen müssen ge trennt zueinander ausgerichtet werden, wodurch an die Konstruk tion, Montage und Justierung des Systems erhebliche Anforderungen gestellt werden. The Refe is for direction detection and push-pull signal recovery border grid in four individual grids with a phase shift to each other divided division period. Each reference grid is a photo assigned electrical receiver. The grid scale and the Ab The touch plate must be parallel to each other at the smallest possible distance who are postponed. The grid division directions must be ge be aligned separately, which leads to the construct tion, assembly and adjustment of the system considerable requirements be put.
Aus der DE-PS 12 17 637 ist es darüber hinaus bekannt, einen Teil bereich eines Maßstabgitters auf einen anderen Teilbereich dessel ben Maßstabgitters abzubilden. Das Bild des ersten Teilbereichs bewegt sich dabei gegensinnig zu dem Maßstabgitter selbst. Bei dieser Anordnung entfällt zwar ein Teil des Justieraufwandes. Es ist jedoch nicht möglich, im Abtastfeld phasenverschobene Signale zu erzeugen. Durch Einführung von Kreuzgittern anstelle von Strichgittern ist es möglich, derartige Schrittgeber auch für zweidimensionale Längenmessungen aufzubauen.From DE-PS 12 17 637 it is also known to be a part area of a scale grid to another subarea of the same to map ben scale grids. The image of the first section moves in the opposite direction to the scale grid itself this arrangement eliminates part of the adjustment effort. It However, it is not possible to phase-shift signals in the scanning field to create. By introducing cross grids instead of Dash grids make it possible to also use such step encoders to build two-dimensional length measurements.
Autokollimationsfernrohre mit geometrisch getrenntem Strahlengang für die Abbildung der Meßmarke auf die Referenzmarke im Fernrohr okular sind ebenfalls in dem Lehrbuch von Schröder, G., a.a.O., S. 140ff., beschrieben. Die beleuchtete Meßmarke liegt in der Brennebene des Fernrohrobjektivs und wird durch dieses nach Unend lich abgebildet. Nach Reflektion an einem Planspiegel wird das Bild der Meßmarke in der Ebene der Referenzmarke erzeugt. Anstelle der visuellen Beobachtung der Ablage des Meßmarkenbildes zur Refe renzmarke ist es z. B. aus der EP 02 53 247 A2 bekannt, die Refe renzmarke als lichtsensitiven Zeilensensor auszubilden und die Lage des Meßmarkenbildes fotoelektrisch zu bestimmen. Die Meßge nauigkeit ist durch die Anzahl und Größe der Sensorelemente be stimmt.Autocollimation telescopes with geometrically separated beam path for mapping the measuring mark onto the reference mark in the telescope eyepieces are also in the textbook by Schröder, G., op. cit., Pp. 140ff. The illuminated measuring mark lies in the Focal plane of the telescope lens and through this becomes infinite mapped. After reflecting on a plane mirror, that becomes Image of the measuring mark generated in the plane of the reference mark. Instead of the visual observation of the storage of the measurement mark image for the ref renzmarke it is z. B. from EP 02 53 247 A2, the Refe training as a light-sensitive line sensor and the To determine the position of the measuring mark image photoelectrically. The Meßge accuracy is due to the number and size of the sensor elements Right.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, welche ein- und mehrdimensionale hochauflösende Messun gen von Lageänderungen mit großer Genauigkeit erlaubt und dabei einen kompakten Aufbau hat, bei dem die optischen und elektroni schen Komponenten hinsichtlich Montage und Justierung unempfind lich sind.The invention was therefore based on the object of a measuring arrangement create which one- and multi-dimensional high-resolution measurements changes of position allowed with great accuracy and thereby has a compact structure in which the optical and electronic components are insensitive to assembly and adjustment are.
Diese Aufgabe wird bei einer optoelektronischen Meßanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 an gegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Wei terbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9.This task is performed in an optoelectronic measuring arrangement type mentioned according to the invention by the in claim 1 given characteristics solved. Advantageous configurations and Wei Further developments of the invention result from the subclaims 2 till 9.
Wesentliches Element der Erfindung ist die Anordnung der das Maß stabgitter darstellenden Rasterstrukturen und der das Abtastgitter bildenden Referenzstrukturen nebeneinander auf derselben Träger platte. Zusätzlich werden auch noch die jedem Abtastgitterfeld zu geordneten fotoelektrischen Empfänger auf der Trägerplatte aufge bracht. Die Strukturen des Maßstabgitters und des Abtastgitters können simultan mit bekannten Aufdampftechniken oder durch Fotoli thographie mit hoher Präzision auf der Trägerplatte aufgebracht werden. Die gegenseitige Ausrichtung der Maßstab- und Referenz strukturen ist damit unverrückbar festgelegt.An essential element of the invention is the arrangement of the measure Raster structures representing bar grids and the scanning grating forming reference structures side by side on the same carrier plate. In addition, each scanning grid field also becomes too ordered photoelectric receiver on the carrier plate brings. The structures of the scale grid and the scanning grid can be done simultaneously with known evaporation techniques or by Fotoli Thography applied to the carrier plate with high precision will. The mutual alignment of the scale and reference structures are thus firmly set.
Die Justierung der optischen Komponenten der Anordnung ist unpro blematisch, da lediglich der Abstand der Trägerplatte zum abbil denden Objektiv beachtlich ist. Weder die Anordnung der Beleuch tungseinrichtung noch die Ausrichtung des Planspiegels senkrecht zur optischen Achse des Objektivs sind für die Meßgenauigkeit ent scheidend.The adjustment of the optical components of the arrangement is unpro blematic, since only the distance between the carrier plate and the image the lens is remarkable. Neither the arrangement of the lighting device still the orientation of the plane mirror vertically to the optical axis of the lens are ent for measurement accuracy outgoing.
Für die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Positionsge ber für ein Längenmeßsystem muß der Planspiegel in seiner Position unverrückbar gehalten werden. Die Relativverschiebung zwischen dem Bild des Maßstabgitters und dem Abtastgitter kann sowohl durch Verschiebung der Trägerplatte in ihrer Ebene als auch durch Ver schiebung des Objektivs in seiner Hauptebene erzeugt werden. Beide Komponenten können daher wahlweise mit dem Objekt gekoppelt werden, dessen Verschiebung gemessen werden soll.For the application of the arrangement according to the invention as a position ge For a length measuring system, the plane mirror must be in its position be held immovable. The relative shift between the Image of the scale grid and the scanning grid can be seen through both Shift of the support plate in its plane as well as by Ver displacement of the lens in its main plane. Both Components can therefore optionally be coupled to the object whose displacement is to be measured.
Für die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Autokollima tionsfernrohr für Kippwinkelmessungen müssen die Trägerplatte und das Objektiv zueinander unverrückbar gehalten werden. Die Kippung des Planspiegels erzeugt dann die für die Messung erforderliche Relativverschiebung zwischen dem Bild des Maßstabgitters und dem Abtastgitter. Der Planspiegel ist daher in diesem Anwendungsfall mit dem Objekt zu koppeln, dessen Neigung gegenüber der optischen Achse des Objektivs zu messen ist. Daraus wird aber auch deutlich, daß die Justierung des Planspiegels in dem Längenmeßsystem ledig lich den Meßbereich, nicht jedoch die Meßgenauigkeit beeinflußt.For the application of the arrangement according to the invention as an autocollima tion telescope for tilt angle measurements must the support plate and the lens are held immovable to each other. The tipping of the plane mirror then generates the one required for the measurement Relative shift between the image of the scale grid and the Scanning grating. The plan mirror is therefore in this application to couple with the object, its inclination to the optical Axis of the lens is to be measured. But it also makes it clear that the adjustment of the plane mirror in the length measuring system single Lich affects the measuring range, but not the measuring accuracy.
Der Meßbereich der Anordnung wird durch die Öffnung des abbilden den Objektivs und die gegenseitige Lage des Maßstabgitters und des Abtastgitters auf der Trägerplatte begrenzt. Der Meßbereich liegt im Zentimeterbereich, der für Anwendungen als Positionsgeber in einem Tastkopf für Koordinatenmeßgeräte durchaus ausreichend ist.The measuring range of the arrangement is shown through the opening of the the lens and the mutual position of the scale grating and the Scanning grids limited on the carrier plate. The measuring range is in the centimeter range, which is used for applications as a position encoder in a probe for coordinate measuring machines is quite sufficient.
In der Zeichnung ist die erfindungsgemäße Anordnung schematisch dargestellt. Sie wird anhand der Figuren nachfolgend näher be schrieben. Im einzelnen zeigenThe arrangement according to the invention is schematic in the drawing shown. It will be described in more detail below with reference to the figures wrote. Show in detail
Fig. 1 eine Meßanordnung für lineare Lageänderungen, Fig. 1 shows a measuring device for linear position changes,
Fig. 2 eine Trägerplatte mit Maßstabgitter und Abtastgittern für zweidimensionale Messungen, Fig. 2 is a carrier plate with scale grating and scanning gratings for two-dimensional measurements,
Fig. 3 eine Meßanordnung für Lageänderungen in drei Koordina ten, Fig. 3 th a measuring arrangement for position changes in three Coordina,
Fig. 4 eine Meßanordnung für Kippwinkeländerungen. Fig. 4 shows a measuring arrangement for tilt angle changes.
Fig. 1 zeigt eine Beleuchtungseinrichtung 10 mit einer Lampe 11 und einem Kondensor 12. Eine planparallele Glasplatte ist als Trä gerplatte 13 vorgesehen, auf der eine eindimensionale Rasterstruk tur 14 aufgedampft ist. Die Richtung der Rasterstruktur ist senk recht zur Zeichenebene und bedeckt etwa ²/₃ der Fläche der Träger platte 13. Angrenzend an die Rasterstruktur ist ein Abtastgitter 15 vorgesehen, dessen Strukturrichtung ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene steht. Das Abtastgitter 15 wird von einem fotoelek trischen Empfänger 16 überdeckt, der mit einem Zähler 17 verbunden ist. Fig. 1 shows an illumination device 10 with a lamp 11 and a condenser 12th A plane-parallel glass plate is provided as a carrier plate 13 on which a one-dimensional grid structure 14 is evaporated. The direction of the grid structure is perpendicular to the plane of the drawing and covers about ² / ₃ of the surface of the support plate 13th A scanning grating 15 is provided adjacent to the grid structure, the structure direction of which is also perpendicular to the plane of the drawing. The scanning grating 15 is covered by a photoelectric receiver 16 , which is connected to a counter 17 .
Ein abbildendes Objektiv 18 ist im Abstand seiner Brennweite f in Lichtrichtung hinter der Ebene der Rasterstrukturen 14, 15 angeord net. Hinter dem Objektiv 18 ist ein Planspiegel 19 vorgesehen, der im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 20 des Objektivs 18 steht.An imaging lens 18 is arranged at a distance from its focal length f in the light direction behind the plane of the raster structures 14 , 15 . A plane mirror 19 is provided behind the lens 18 and is substantially perpendicular to the optical axis 20 of the lens 18 .
Die Beleuchtungseinrichtung 10, das Objektiv 18 und der Planspie gel 19 sind auf einem gemeinsamen Rahmen 21 angeordnet. Die Trä gerplatte 13 ist mit einem Bolzen 22 verbunden, der in einer Füh rung 23 senkrecht zur optischen Achse 20 in der Zeichenebene ver schiebbar gelagert ist. Der Bolzen kann als Taster ausgebildet sein oder mit einem Objekt gekoppelt werden, dessen Verschiebung gemessen werden soll.The lighting device 10 , the lens 18 and the Planspie gel 19 are arranged on a common frame 21 . The Trä gerplatte 13 is connected to a bolt 22 which is in a Füh tion 23 perpendicular to the optical axis 20 in the plane of the drawing ver slidably. The bolt can be designed as a button or coupled to an object whose displacement is to be measured.
Betrachtet man in Fig. 1 einen oberhalb der optischen Achse 20 liegenden Teilbereich der Rasterstruktur 14, so wird dieser nach bekannten geometrisch optischen Regeln über das Objektiv 18 und nach Reflektion am Planspiegel 19 wieder in die Ebene der Raster struktur 14 abgebildet und zwar punktsymmetrisch zum Schnittpunkt der optischen Achse 20 mit der Ebene der Rasterstruktur 14. Bewegt sich die Rasterstruktur 14, so bewegt sich ihr Abbild in entgegen gesetzter Richtung und mit doppelter Geschwindigkeit.Considering in FIG. 1, a lying above the optical axis 20 portion of the grid structure 14, so this is according to known geometric optical rules on the lens 18 and after reflection on the plane mirror 19 back into the plane of the grid structure ready to 14 and that point-symmetrically to the intersection point the optical axis 20 with the plane of the raster structure 14 . If the raster structure 14 moves, its image moves in the opposite direction and at twice the speed.
Das Bild der Rasterstruktur 14 läuft dabei über das Abtastgitter 15 und erzeugt dadurch einen modulierten Lichtfluß, der in dem fo toelektrischen Empfänger 16 in elektrische Signale umgesetzt wird, die in dem Zähler 17 zu einer verschiebungsproportionalen Anzeige verarbeitet werden. Wenn das Abtastgitter in an sich bekannter Weise vier phasenverschobene Abtastfelder aufweist, ist eine Ge gentaktsignalverarbeitung und Richtungserkennung der Verschiebung möglich.The image of the raster structure 14 runs over the scanning grating 15 and thereby generates a modulated light flux, which is converted in the photoelectric receiver 16 into electrical signals, which are processed in the counter 17 to a displacement-proportional display. If the scanning grating has four phase-shifted scanning fields in a manner known per se, Ge gentakttsignalverarbeitung and direction detection of the shift is possible.
Die Rasterstruktur 14 kann für Messungen in zwei Koordinatenrich tungen x und y auch als Kreuzgitter 24 ausgebildet sein, wie es in Fig. 2 dargstellt ist. Jeder Koordinatenrichtung ist ein eigenes Abastgitter 25, 26 zugeordnet. Die Abtastgitter mit ihren vier pha senverschobenen Gitterfeldern sind zusätzlich in vergrößerter Darstellung angegeben. Die weder vom Kreuzgitter 24 noch von den Abtastgittern 25, 26 belegte Fläche 27 der Trägerplatte 13′ kann mit einem Spiegelbelag versehen sein. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn auch die Rasterstruktur 24 auf ihrer der Be leuchtungseinrichtung abgewandten Seite reflektierend ist.The grid structure 14 can also be designed as a cross grating 24 for measurements in two coordinate directions x and y, as shown in FIG. 2. A separate scanning grid 25 , 26 is assigned to each coordinate direction. The scanning grids with their four phase-shifted grid fields are also shown in an enlarged view. The surface 27 of the carrier plate 13 'neither occupied by the cross grating 24 nor by the scanning grids 25 , 26 ' can be provided with a mirror covering. This is particularly advantageous if the grid structure 24 is also reflective on its side facing away from the lighting device.
Die Größe der Trägerplatte 13, 13′, die Flächenbelegung durch die Rasterstrukturen 14, 24 und die Lokalisierung der Abtastgitter 15, 25, 26 sind so zu wählen, daß sich unter Berücksichtigung der zum Durchstoßpunkt der optischen Achse 20 punktsymmetrischen Abbil dungseigenschaften des Systems ein dem gewünschten Meßbereich an gepaßter Verschiebungsbereich ergibt, in dem jeweils ein Teilbe reich der Rasterstruktur 14, 24 existiert, der auf das zugehörige Abtastgitter abgebildet wird.The size of the support plate 13 , 13 ', the area occupied by the raster structures 14 , 24 and the location of the scanning grating 15 , 25 , 26 are to be selected such that considering the point-symmetrical imaging properties of the system at the point of penetration of the optical axis 20, the one Desired measuring range to fit displacement range, in each of which a part of the raster structure 14 , 24 exists, which is mapped onto the associated scanning grating.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung für Verschiebungsmessungen eines Ta sters 28 nach drei Koordinatenrichtungen x, y, z der Bewegung. Die Zeichenebene sei als x-z-Ebene, die zu ihr senkrecht stehende Richtung als y-Richtung definiert. Die Anordnung enthält die be reits in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Elemente, wobei gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Fig. 3 shows an arrangement for displacement measurements of a Ta sters 28 according to three coordinate directions x, y, z of the movement. Let the plane of the drawing be defined as the xz plane and the direction perpendicular to it as the y direction. The arrangement contains the elements already described in FIGS . 1 and 2, elements with the same effect being provided with the same reference numerals.
An dem Rahmen 21 sind eine Beleuchtungseinrichtung 10 und das ab bildende Objektiv 18 befestigt. Zusätzlich sind an dem Rahmen 21 ein Umlenkspiegel 29 und eine zweite Beleuchtungseinrichtung 30 angeordnet. Der Umlenkspiegel 29 lenkt die optische Achse 20 des Objektivs 18 um 90° um.On the frame 21 , a lighting device 10 and the forming lens 18 are attached. In addition, a deflection mirror 29 and a second lighting device 30 are arranged on the frame 21 . The deflecting mirror 29 deflects the optical axis 20 of the objective 18 by 90 °.
Der Beleuchtungseinrichtung 10 ist eine Trägerplatte 13′ mit einem Kreuzgitter 24 und Abtastgittern 25, 26 gemäß Fig. 2 zugeordnet, der Beleuchtungseinrichtung 30 eine Trägerplatte 13 mit einer Ra sterstruktur 14 und einem Abtastgitter 15 gemäß Fig. 1. Die Trä gerplatte 13 ist mit dem Bolzen 22 verbunden, der über eine Feder parallelogrammführung 31 an dem Rahmen 21 in z-Richtung auslenkbar befestigt ist. Mit dem Bolzen 22 ist der Taster 28 gekuppelt. The lighting device 10 is a carrier plate 13 'with a cross grating 24 and scanning grids 25 , 26 assigned to FIG. 2, the lighting device 30 a carrier plate 13 with a Ra structure 14 and a scanning grating 15 according to FIG. 1. The carrier plate 13 is with the Bolt 22 connected, which is attached via a spring parallelogram 31 on the frame 21 deflectable in the z direction. The button 28 is coupled to the bolt 22 .
Die Trägerplatte 13′ ist ortsfest an einem Grundträger 32 befe stigt, an dem wiederum über eine nach x und y auslenkbare Feder parallelogrammführung 33, 34 der Rahmen 21 aufgehängt ist. In Ab wandlung der Anordnung nach Fig. 1 ist hier also das Objektiv 18 und damit seine auf der x-y-Ebene stehende optische Achse 20 rela tiv zur Rasterstruktur auf der Trägerplatte 13′ verschiebbar. Sämtliche Rasterstrukturen und die nicht von einem Abtastgitter belegten Flächen in derselben Ebene der Trägerplatten 13, 13′ sind auf der der zugehörigen Beleuchtungseinrichtung 30, 10 abgewandten Seite reflektierend ausgelegt. Diese Flächen stehen jeweils im Ab stand der Brennweite des Objektivs 18 zu diesem und haben zusätz lich die Funktion des Planspiegels 19 in dem jeweils anderen Meß system. Die Rasterstruktur der Trägerplatte 13′ wird an der re flektierenden Seite der Trägerplatte 13 und die Rasterstruktur der Trägerplatte 13 an der reflektierenden Seite der Trägerplatte 13′ reflektiert. Die Verschiebung der Trägerplatte 13 in z-Richtung beeinflußt die Abbildung des Kreuzgitters 24 offensichtlich nicht. Ebenso wird die Abbildung der Rasterstruktur 14 durch die Relativ verschiebung der Trägerplatte 13′ nicht gestört. Um gleiche Abbil dungsverhältnisse des Objektivs 18 nach beiden Seiten zu gewähr leisten, ist es vorteilhaft, wenn dieses aus zwei optisch identi schen, symmetrisch zueinander angeordneten Systemteilen besteht.The support plate 13 'is stationary on a base support 32 BEFE Stigt, on the turn via a deflectable to x and y spring parallelogram 33 , 34 of the frame 21 is suspended. From conversion of the arrangement according to FIG. 1, the lens 18 and thus its optical axis 20 on the xy plane are rela tive to the grid structure on the carrier plate 13 '. All raster structures and the areas not occupied by a scanning grating in the same plane of the carrier plates 13 , 13 'are designed to be reflective on the side facing away from the associated lighting device 30 , 10 . These surfaces are in each case from the focal length of the lens 18 to this and have additional Lich the function of the plane mirror 19 in the other measuring system. The grid structure of the carrier plate 13 'is on the re reflecting side of the carrier plate 13 and the grid structure of the carrier plate 13 'reflected on the reflective side of the support plate 13 '. The displacement of the carrier plate 13 in the z direction obviously does not influence the image of the cross grating 24 . Likewise, the image of the raster structure 14 is not disturbed by the relative displacement of the support plate 13 '. In order to ensure the same imaging ratios of the lens 18 on both sides, it is advantageous if it consists of two optically identical, symmetrically arranged system parts.
Dreidimensional messende Taster erfordern zwei voneinander entkop pelte Meßsysteme für die x/y-und die z-Richtung. Sie werden übli cherweise als vollständig getrennte Systeme aufgebaut. Das vorste hend beschriebene Ausführungsbeispiel kombiniert die beiden Meßsy steme zu einem einzigen System mit nur einem abbildenden Objektiv. Die einzig wichtige Justierung des Abstandes zwischen Objektiv und Trägerplatten kann trotzdem unabhängig voneinander und an den me chanisch gut beherrschbaren Federparallelogrammführungen vorgenom men werden.Three-dimensional probes require two decoupled sensors pelte measuring systems for the x / y and z direction. You will be sick usually constructed as completely separate systems. The first one The described embodiment combines the two measuring systems systems to a single system with only one imaging lens. The only important adjustment of the distance between the lens and Carrier plates can still be used independently and on me mechanically well controllable spring parallelogram guides men.
In Fig. 4 ist die aus Fig. 1 bekannte Anordnung zur Messung von Kippwinkeln abgewandelt. An dem Rahmen 21, der hier als Gehäuse dargestellt ist, sind die Beleuchtungseinrichtung 10, die Träger platte 13 und das Objektiv 18 zueinander feststehend angeordnet. Der Planspiegel 19 ist davon losgelöst und kann entlang der opti schen Achse 20 in beliebiger Entfernung an einem nicht weiter dargestellten Objekt befestigt werden, dessen Kippung ϕ gegenüber der optischen Achse 20 gemessen werden soll. Die an dem Rahmen 21 befestigten Elemente bilden ein fotoelektrisch messendes Autokol limationsfernrohr.The arrangement known from FIG. 1 for measuring tilt angles is modified in FIG. 4. On the frame 21 , which is shown here as a housing, the lighting device 10 , the support plate 13 and the lens 18 are fixed to each other. The plane mirror 19 is detached therefrom and can be attached along the optical axis 20 at any distance to an object, not shown, whose tilt ϕ is to be measured with respect to the optical axis 20 . The elements attached to the frame 21 form a photoelectrically measuring autoclimation telescope.
Wie bereits erwähnt, wandert bei einer Kippung des Spiegels 19 das Bild der Rasterstruktur 14 über das Abtastgitter 15. Der Weg s der Bildverschiebung ist bei kleinen Winkeln der Kippung ϕ des Spiegels 19 und der Brennweite f des Objektivs 18 direkt proportional, und zwar ist s=f×2ϕ. Bei f=60 mm und Rasterstrukturen 14, 15 mit einer Gitterkonstante von 8 µm entspricht ein Kippwinkel ϕ=13,75′′ einer Signalperiode.As already mentioned, when the mirror 19 is tilted, the image of the raster structure 14 moves over the scanning grating 15 . The path s of the image shift is directly proportional at small angles of the tilt ϕ of the mirror 19 and the focal length f of the lens 18 , namely s = f × 2ϕ. At f = 60 mm and raster structures 14 , 15 with a lattice constant of 8 µm, a tilt angle ϕ = 13.75 '' corresponds to a signal period.
Wählt man als Rasterstruktur ein Kreuzgitter 24 mit Abtastgittern 25, 26, wie in Fig. 2 dargestellt, so ist eine fotoelektrische Mes sung der Kippwinkel in zwei zueinander orthogonalen Richtungen möglich. Der Meßbereich ist nur durch die Öffnung des Objektivs 18 und die Ausdehnung der Rasterstruktur beschränkt. Es ist ohne wei teres möglich, den Meßbereich für einige Winkelgrade in jeder Richtung auszulegen.If one chooses a cross grating 24 with scanning grids 25 , 26 as shown in FIG. 2 as a raster structure, a photoelectric measurement of the tilt angle in two mutually orthogonal directions is possible. The measuring range is only limited by the opening of the objective 18 and the expansion of the grid structure. It is possible without further information to design the measuring range for a few degrees in each direction.
Claims (9)
- - einer Beleuchtungseinrichtung (10) zur Beleuchtung
- - einer transparenten Trägerplatte (13), auf der mindestens eine eindimensionale Rasterstruktur (14) und ein dieser Rasterstruktur (14) zugeordnetes Ab tastgitter (15) in derselben Ebene wie die Rasterstruktur (14) angeordnet ist und mit der ein dem Abtastgitter (15) zugeordneter fotoelektrischer Empfänger (16) verbunden ist,
- - einem der Trägerplatte (13) nachgeordneten abbildenden Objektiv (18), wobei die Rasterstruktur (14) im Abstand f der Brennweite des Objektivs (18) und senkrecht zu seiner optischen Achse (20) angeordnet ist und
- - einem dem Objektiv (18) nachgeordneten Planspiegel (19), wobei
- - entweder die Spiegelfläche senkrecht zur optischen Achse (20) des Objektivs (18) feststehend ausgerichtet ist und die Lage der Trägerplatte (13) in ihrer Ebene relativ zur optischen Achse (20) des Objektivs (18) und senkrecht zu der Rasterstrukturrichtung verschiebbar ist, oder
- - die Trägerplatte (13) feststehend und der Planspiegel (19) um eine zur Rasterstrukturrichtung parallele Achse gegen über der optischen Achse (20) des Objektivs (18) neigbar ist.
- - A lighting device ( 10 ) for lighting
- - A transparent support plate ( 13 ), on which at least one one-dimensional grid structure ( 14 ) and one of these grid structure ( 14 ) associated from grid ( 15 ) is arranged in the same plane as the grid structure ( 14 ) and with which the scanning grid ( 15 ) associated photoelectric receiver ( 16 ) is connected,
- - An imaging lens ( 18 ) arranged downstream of the carrier plate ( 13 ), the raster structure ( 14 ) being arranged at a distance f from the focal length of the lens ( 18 ) and perpendicular to its optical axis ( 20 )
- - A plane mirror ( 19 ) arranged downstream of the objective ( 18 ), wherein
- - either the mirror surface is oriented fixedly perpendicular to the optical axis ( 20 ) of the objective ( 18 ) and the position of the carrier plate ( 13 ) can be displaced in its plane relative to the optical axis ( 20 ) of the objective ( 18 ) and perpendicular to the grid structure direction, or
- - The support plate ( 13 ) is stationary and the plane mirror ( 19 ) can be tilted about an axis parallel to the grid structure direction relative to the optical axis ( 20 ) of the objective ( 18 ).
- - die Rasterstrukturen (14, 24) auf der der Beleuchtungsein richtung (10, 30) abgewandten Seite reflektierend ausgebil det sind und in ihrer Gesamtheit einen Planspiegel bilden,
- - je eine Trägerplatte (13, 13′) mit ihrer reflektierenden Ebene im Abstand der vorderen bzw. hinteren Brennweite des Objektivs (18) angeordnet ist,
- - der Strahlengang zwischen Objektiv (18) und Trägerplatte (13, 13′) auf einer Seite des Objektivs (18) über einen Umlenkspiegel (29) um 90° umgelenkt ist,
- - die Lage der beiden Trägerplatten (13, 13′) in ihrer Ebene relativ zur optischen Achse (20) des Objektivs (18) von einander unabhängig verschiebbar ist.
- - The raster structures ( 14 , 24 ) on the side facing away from the illuminating device ( 10 , 30 ) are formed reflectively and form a plane mirror in their entirety,
- - A support plate ( 13 , 13 ') is arranged with its reflecting plane at a distance from the front or rear focal length of the lens ( 18 ),
- - The beam path between the lens ( 18 ) and carrier plate ( 13 , 13 ') on one side of the lens ( 18 ) is deflected by a deflecting mirror ( 29 ) by 90 °,
- - The position of the two carrier plates ( 13 , 13 ') in their plane relative to the optical axis ( 20 ) of the lens ( 18 ) is independently displaceable.
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