DE7508197U - Vorrichtung zum messen der verschiebung eines ersten elementes bezueglich eines zweiten - Google Patents

Vorrichtung zum messen der verschiebung eines ersten elementes bezueglich eines zweiten

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Description

MÜLLER-BORC · UROEMINC ■ DEUFEL · SCHÖN ■ HERTEL
PATEN ΪΛ NVVA LTl·.
MÜNCHFN · BRAUNSCHWEIG · KCLN
.,ι
Dr. W. Müllei-Bore ■ Braunschweig H. Groening. Dipl.-Ing. ■ München Dr. V. Deufel, Dipl.-Che-n. · Manchen Dr. A. Schön, Dipl.-Chem. ■ M jr.chen Werner Hertel. P'fil.-Phys. ■ Köln
NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION London SW1, England
Vorrichtung zum Messen der Verschiebung eines ersten Elementes bezüglich eines zweiten
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Verschiebung eines ersten Elementes bezüglich eines zweiten Elementes auf eine der Bewegung mit einem Freiheitsgrad in einer gegebenen Ebene entsprechenden Weise, wobei diese Bewegung entv/eder eine geradlinige Bewegung oder eine Drehbewegung sein kann.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung der genannten Art, welche meßtechnische bzw. metrologische Gitter bzw. Raster verwendet. Auf Gebieten, wie der Steuerung von Maschinenwerkzeuqen, sind verschiedene Arten solcher Vorrichtungen in Gebrauch. Diese bekannten Ausführungen von Vorrichtungen umfassen ein Paar von Gittern der gleichen oder nahezu der gleichen Periodizität bzw. Periodenzahl. Die Gitter sind jeweils in festen Lagen bezüglich der beiden Elemente «angebracht, deren Relatiwer Schiebung gemessen v/erden soll. Das eine Gitter ist durchlässig, das andere entweder durchlässig oder reflektierend. Die Gitterkombination wird von einer geeigneten Lichtquelle ausgeleuchtet.
Mir.»» f ν · t—\ SC SiiSe'tsv. 4 ■ Pcsifacfi 8607ZD - Kabel: Muebopai München - Telex 5-22050,5-22 659 Telefon (08S) 4710 79/29 3845
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Weit2rhin sind Einrichtungen vorgesehen, die auf die Änderungen des durch die Gitterkombination hindurchgegangen oder davon reflektierten Lichtes ansprechen, wobei diese Änderungen infolge der Relativbewegung zwischen den beiden Gittern auftreten. Bei der Konstruktion und der Benutzung dieser bekannten Vorrichtungen treten eine Vielzahl von Problemen auf, zu denen auch eine genau parallel ausgerichtete Ausleuchtung bzw. eine hochgradige Kollimationsausleuchtung des Gittersystems, eine sehr genaue Beibehaltung des Abstandes zwischen den Gittern und in manchen Fällen die Benutzung eines sehr kleinen Abstandes zwischen den Gittern gehören. Da diese Probleme besonders akut sind, wenn feine Gitter verwendet werden, ist es üblich, Gitter zu verwenden, die gröber sind als die Gitter, die erforderlich wären, um direkt einen gewünschten Auflösungsgrad bei der Messung zu erhalten und um diese Auflösung mittels Interpolationsverfahren zu erzielen. Diese Verfahren tragen jedoch in sich potentielle Fehlerquellen.
Die Erfindung beruht nun darauf, die optischen Abbildungseicrenschaften eines Gitters bezüglich eines räumlich periodischen optischen Objekts auszunutzen. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Anordnungen zu schaffen, mit welchen einige oder alle der vorstehend genannten Probleme vermieden werden, so daß relativ einfache Systeme auf leichtere Weise herstellbar sind, bei welchen ein gewünschter Auflösungsgrad ohne Verwendung von Interpolationsverfahren erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Messen der Verschiebung eines ersten Elementes bezüglich eines zweiten Elementes auf eine der Bewegung mit einem Freiheitsgrad in einer gegebenen Ebene entsprechenden Art und Weise geschaffen. Die Vorrichtung umfaßt ein Gitter, das in einer festen Position bezüglich des ersten Elemen.tes angebracht ist und Linien hat; die im Sinne dieser Bewegung räumlich
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periodisch sind, sowie eine Einrichtung zum Ausleuchten des Gitters. Die Ausleuchteinrichtung umfaßt ihrerseits Einrichtungen, die in einer festen Position bezüglich des zweiten Elementes angebracht sind und ein optisches Objekt definieren, das in diesem Sinne räumlich periodisch ist und sich im wesentlichen im gleichen Abstand von dem Gitter befindet. Dadurch erzeugt das Gitter ein Bild des Objektes bzw. Gegenstandes, welches in dem genannten Sinne räumlich periodisch und im wesentlichen von dem Gitter gleichförmig beabstandet ist. Das Bild bewegt sich auf diese Weise relativ zu dem zv/eiten Element, wenn in der genannten Weise eine Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Element eintritt. Die Vorrichtung umfaßt schließlich eine Photodetektoreinrichtung für den Empfang von Licht von der Ausleuchteinrichtung, welche durch d?s Gitter abgebildet worden ist. Die Photodetektoreinrichtung hat einen Aufbau, der in dem genannten Sinn räumlich periodisch ist und sich in einer festen Lage bezüglich des zweiten Elementes befindet. Die Anordnung erfolgt so, daß der Aufbau mit dem Bild so zusammenwirkt, daß sich am Ausgang der Photodetektoreinrichtung eine zyklische Variation ergibt, wenn eine Relativ bewegung in der genannten Weise zwischen dem ersten und zweiten Element auftritt.
Der hier verwendete Ausdruck "Licht" umfaßt ultraviolette und infrarote Strahlung sowie die im sichtbaren Bereich liegende Strahlung.
Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt eine Relativverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Element zu einer größeren Relatiwerschiebung zwischen dem Bild und dem zweiten Element.
Im Normalfall sind das Gitter, das optische Objekt und der periodische Aufbau so angeordnet, daß sie alle in Ebenen liegen, die im wesentlichen parallel zu der vorgegebenen
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-A-
Ebene sind. Bei einer bevorzugten Anordnung ist das Gitter ein reflektierendes Gitter. Das optische Objekt und der periodische Aufbau liegen dabei im wesentlichen in der gleichen Ebene. Die räumlichen Periodenzahlen des Gitters, des optischen Objekts und des Periodcnaufbaus sind im wesentlichen die gleichen. Bei dieser Anordnung führt eine gegebene Relativverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Element zu einer Relativverschicbung zwi'schen dem Bild und dem zweiten Element, die zweimal so groß ist, so daß eins Relativverschiebung zwischen dem ersten und dem zweiten Element entsprechend einem Zyklus der räumlichen Periodenzahl des Gitters zu zwei Änderungszyklen am Ausgang der Photodetektoreinrichtung führt.
Anhand der beiliegenden zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die Grundprinzipien der Erfindung.
Fig. 2 und 3 zeigen schematisch Modifizierungen der Anordnung von Fig. 1.
Fig. 4 zeigt perspektivisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung.
Fig. 5 zeigt perspektivisch einen Teil der Vorrichtung von Fig. 4.
Fig. 6 zeigt ein elektrisches Schaltschema für die Vorrichtung von Fig. 4.
In Fig. 1 ist das Grundprinzip der Erfindung mit dem einfachsten Konzept dargestellt« Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung geht Licht von einer Lampe 1, das durch eine Linse 2 konzentriert wird, durch drei lineare durchlässige
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Gitter 3, 4 und 5 hindurch und erreicht eine fhotozelle Die Gitter 3 und 4 sind in parallelen Ebenen angeordnet, deren parallele Linien um einen Abstand u voneinander entfernt sind. Das Gitter 4 hat eine Orts- bzw. Raumfrequenz f^, das Gitter 3 eine Ortsfrequenz t'. Das Gitter 3 kann als einen räumlich bzw. örtlich periodischen optischen Gegenstand definierend angesehen werden, der das Gitter 4 diffus ausleuchtet.
Zunächst sei angenommen r daß die Bedingunger derart sind, daß die Beugungseffekte vernachlässigbar sind, wenn die Abbildungseigenschaften des Gitters 4 betrachtet werden. Bei Benutzung einer geradlinigen Fortpflanzung kann gezeigt werden, daß durch das Gitter 4 in einer Ebene parallel zum Gitter 4 in einem Abstand ν von dem Gitter 4 ein Schattenbild erzeugt wird, wobei der Abstand ν durch folgende Gleichung bestimmt ist:
f2/f1 = v/(u+v) (1)
Dieses Bild hat eine Ortsfrequenz f_, welche durch die nachstehende Gleichung bestimmt ist:
f3/f1 = u/(u+v) (2)
Es kann auch gezeigt werden, daß eine Verschiebung der Größe d des Gitters 4 bezüglich des Gitters 3 parallel zu den Ebenen dieser Gitter und senkrecht zu ihren Linien zu einer parallelen Verschiebung des Bildes führt, dessen Größe D durch die Gleichung angegeben ist:
D = d(1 + v/u) (3)
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Dadurch, daß dem Gitter 5 die Ortsfrequenz f, gegeben wird und es Parallel zu den Gittern 3 und 4 in einem Abstand ν von dem Gitter 4 angeordnet wird, wobei die Linien parallel zu denen der Gitter 3 und 4 sind, wirkt das von dem Gitter 4 erzeugte Bild mit dem Gitter 5 so zusammen, daß eine zyklische Änderung der Intensität des die Photozelle 6 erreichenden Lichtes herbeigeführt wird, wenn die Gitter 3 und 4 relativ zueinander parallel zu ihren Ebenen und .senkrecht zu ihren Linien bewegt werden. Wenn das Gitter 5 bezüglich des Gitters 3 ortsfest ist, ist es außerdem möglich, von dem Ausgang der Photozelle 6 das Ausmaß dieser Relativbewegung abzuleiten.
Aus Gleichung 1) sieht man, daß ein Schattenbild nicht entsteht, wenn die Gitter 3 und 4 die gleiche Ortsfrequenz haben. Man sieht weiterhin, daß, wenn f. zweimal f- ist, v=u ist. Gleichung 2) ergibt, daß in diesem Fall f, gleich f2 ist. B^i einer solchen Anordnung ist es zweckmäßig, daß in Fig 1. gezeigte System durch Verwendung eines reflektierenden Gitters anstelle des Gittere 4 so zu modifizieren, daß die Bildebene mit der Ebene des Gitters 3 zusammenfällt. Dies führt dazu, daß das beschriebene System von einem Aufbau mit drei Gittern auf einen Aufbau mit nur zwei Gittern reduziert werden kc^nn. Dabei führt eines dieser Gitter zwei Funktionen aus, nämlich die der Gitter 3 und 4 von Fig, 1, da es sowohl ein räumlich periodisches optisches Objekt definiert und einen räumlich periodischen Aufbau erzeugt, mit welchem das Bild zusammenwirken kann. Besondere Systeme, die auf diese Weise modifiziert sind, werden später erläutert.
Wenn das auf das Gitter 3 auftreffende Licht perfekt parallel ausgerichtet bzw. kollimiert würde, würde sich kein Schattenbild ergeben. Mit einem teilweise parallel ausgerichteten Licht werden Schattenbilder bfi Werten des Abstandes u nicht gut ausgebildet, die sich (ü-1/2)/), f.f. nähern, wobei N eine ganze Zahl und > die
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mittlere Wellenlänge des benutzten Lichtes ist. Insgesamt wird der Kontrast des Schattenbildes bei einer Zunahme des Wertes des Abstandes ν verringert, wenn die Annahme bezüglich der geradlinigen Lichtfortpflanzung in zunehmendem Maße v/Gniger gültig ist.
Es soll nun der Fall betrachtet werden, bei welchem solche Bedingungen herrschen, daß das Gitter 4 als Beugungsgitter wirkt. In diesem Fall wird ein Interferenzbild erzeugt. Dieses Bild entsteht in einem Abstand V von dem Gitter 4, wobei V durch die Gleichung bestimmt ist:
f2/f1 = 2V(u + V) ..... (4)
Dieses Bild hat eine Ortsfrequenz von F3, die durch die Gleichung gegeben ist:
F3Zf1 = 2u/(u + V) (5)
Für das Interferenzbild, das von einem Beugungsgitter erzeugt wird, gilt eine Gleichung, welche die gleiche Form wie Gleichung 3) hat. Durch eine geeignete Anordnung des Gitters 3 kann wiederum eine zyklische Variation der Intensität des die Photozelle 6 erreichenden Lichtes erzielt werden. Gleichung 4) zeigt, daß ein Interferenzbild bei V gleich u entsteht, wenn die Gitter 3 und 4 die gleiche Ortsfrequenz haben. Gleichung 5) zeigt, daß in diesem Fall das Bild die gleiche Ortsfrequenz wie die Gitter 3 und 4 hat. In diesem Fall ist es wiederum zweckmäßig, das in Fig. 1 gezeigte System durch Ersetzen des Gitters 4 durch ein reflektierendes Gitter zu modifizieren, wenn es möglich ist, ein einziges Gitter zu benutzen, welches die Funktionen der Gitter 3 und 5 gemäß Fig. 1 ausführt.
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Wenn das auf das Gitter 3 auftreffende Licht genau parallel ausgerichtet ist bzw. eine genaue Kollimation hat, entsteht kein Interferenzbild. Es ist deshalb wesentlich, daß das auf das Gitter 3 auftreffende Licht wenigstens teilweise diffus ist. In der Praxis ist es schwierig, eine wirklich diffuse Ausleuchtung des Gitters 3 zu erzeu-ten. Bei teilweise paralle] ausgerichtetem Licht bzw. koll:..niertem Licht werden Interferenzbilder bei Vierten für den Abstand 5 nicht gut ausgebildet, die sich (N-1/2)/χf,f_ nähern. Der Kontrast irgendeines entstehenden Interferenzbildes wird ungewöhnlich gering, wenn der Wert für den Abstand u geringer als
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w /2λ v/ird, wobei λ die maximale Wellenlänge des benutzten Lichtes und w die Teilung des Gitters 4 ist, da unter diesen Umständen das benutzte Licht in irgendeinem bemerkenswerten Ausmaß nicht gebeugt wird.
Bei der beschriebenen Anordnung sind die Gitter 3f 4 und 5 alle mit ihren Linien parallel so angebracht, daß die gegenseitige Einwirkung des Bildes und des Gitters 5 zur Erzeugung der zyklischen Variation der Lichtintensität als ein "verschließender" Effekt angesehen werden kann. Natürlich sind alternative Verfahren möglich. So können die Linien des Gitters 4 leicht bezüglich der Linien des Gitters 3 und 5 so geneigt werden, daß, wenn das Bild mit dem Gitter 5 so zusammenwirkt, Moire-Interferenzstreifen erzeugt werden, die durch eine Vielzahl von Photozellen festgestellt werden können, welche einen einzigen Moire-Streifen überspannen. Alternativ kann das Gitter 5 auch aine geringfügig unterschiedliche Ortsfrequenz gegenüber der des Bildes haben, das von dem Gitter 4 erzeugt wird, so daß sogenannte Vernier-Streifen bzw. Noniusinterferenzstreifen erzeugt werden, die auf ähnliche Weise wie die Moire-Streifen festgestellt werden können.
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Die vorstehenden Aurführungen gelten auch für den Fall von radialen Gittern, die für die Messung einer Drehverschiebung benutzt werden. In diesem Fall bezeichnen die Größen f.. , f2 und v/ die relevanten Parameter bei dem mittleren Radius des Gittersystems. Der Bildkontrast ist in diesem Fall jedoch verglichen mit dem Fall des geraden Gitters um ein Ausmaß verringert, das von der Änderung der Teilung über δ^.τ benutzbaren optischen Öffnung des Systems abhängt.
Fig. 2 und 3 zeigen zwei Modifizierungen des Systems von Fig. 1, wobei bei beiden Modifizierungen ein reflektierendes Gitter 7 anstelle des durchlässigen Gitters 4 benutzt wird. Bei dem in Fig. 2 gezeigten System wird das Licht von der Lampe 1 durch die Linse 2 konzentriert und von einem halbreflektierenden Spiegel 8 reflektiert, so daß es durch ein durchlässiges "Index"- bzw. Raumgitter 3 geht und dacurch das reflektierende "Maßstabs"- bzw. Skalengitter 7 ausleuchtet . Das von dem Gitter 7 reflektierte Licht geht wieder durch das Gitter 3 und wird durch den halbreflektierenden Spiegel 8 hindurch zu der Photozelle 6 gefünrt. Bei dem in Fig. 3 gezeigten System wird Licht von der Lampe 1 von einem Spiegel 9 reflektiert,und durch die Linse 2 konzentriert. Nach dem Durchgang durch das Indexgitter 3 fällt das Licht auf das reflektierende Skalengitter 7. Das reflektierte Licht von dem Gitter 7 geht wieder durch das Gitter hindurch und erreicht die Photozelle 6 über eine Linse 1o und einen Spiegel 11. Die Bauteile 1, 9, 2, 3, 1o, 11 und 6 sind starr angeordnet und bilden einen "Lesekopf" 12. Die Funktion der Vorrichtung besteht darin, relative Querbewegungen zwischen dem Lesekopf 12 und dem Gitter 7 zu messen. Bei diesen beiden Systemen sind die Ortsfrequenzen der Gitter 3 und 7 und der Abstand zwischen Ihnen natürlich entsprechend den vorstehend erlauter„en Prinzipien ausgewählt.
- Io - /
Tiei Modifizierungen der Anordnungen von Fig. 2 und 3 kann die Photodetektoreinrichtung, die von der Kombination des Gitters 3 und der Photozelle 6 gebildet wird, gewünschtenfalls durch einen einzigen periodischen Aufbau ersetzt werden, der die Funktionen eines durchlässigen Gitters und eines räumlich periodischen Photodetektors vereinigt. Der Aufbau umfaßt dann eine Anordnung von lichtempfindlichen Elementen, die jeweils den Gitterlinien so zugeordnet sind, daß sie Licht empfangen, welches von dem Gitter 7 reflektiert worden ist. Ein solcher Aufbau ist bekannt (GB-PS 1 231 o29). Mit solchen Modifizierungen kann die Anordnung für das Ausleuchten des durchlässigen Gitters natürlich die gleiche Form haben wie die für das Ausleuchten des Gitters 3 von Fig. 1 benutzte.
Eine weitere Modifizierung, die im Prinzip bei Anordnungen verwendbar ist, welche entweder ein durchlässiges oder reflektierendes Gitter zur Herbeiführung der Abbildung benutzen, besteht darin, das von einer getrennten Lichtquelle ausgeleuchtete Gitter 3 durch eine Vorrichtung zu ersetzen, die eine Anordnung von Emissionsphotoelementen umfaßt, um so das räumlich periodische optische Objekt zu bilden. Wenn ein reflektierendes Gitter für die Abbildung benutzt wird, kann die Anordnung der Emissionsphotoelemente einen Teil eines räumlich periodischen Aufbaus bilden, der auch eine Anordnung von lichtempfindlichen Elementen- umfaßt, die mit der Emissionsphotoanordnung eng verbunden bzw. verschachtelt sind.
Die in den Figuren 4 und 5 gezeigte Ausführungsform der Vorrichtung umfaßt einen Lesekopf 13, der starr an einem Element 14 befestigt ist, sowie ein lineares reflektierendes Skalengitter 15, welches starr an einer spanabhebend bearbeiteten . Fläche 16 eines Elementes 17 sitzt. Das Element 14 ist bezüglich des Elementes 17 parallel zur Ebene des Gitters 15 und senkrecht zu seinen Linien bewegbar. Das
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Element 14 sitzt in einem in dem Element 17 ausgebildeten Kanal 18 und ist durch Einwirkung einer Leitspindel 19 gleitend verschiebbar. Die sich ergebende Bewegung des Lesekopfes 13 bezüglich des Gitters 15 ermöglicht die Messung des Ausmaßes und der Richtung der Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17. Diese Relativbewegung kann der Bewegung eines Elementes eines Maschinenwerkzeuges entsprechen, das eingestellt bzw. gesteuert werden-soll. Fig. zeigt perspektivisch ein Teil des Lesekopfes 13 von Fig. 4. Das lineare durchlässige Indexgitter 2o ist in dem Lesekopf 13 auf geeignete Weise so angebracht, daß es dem Gitter 15 gegenüberliegt, wobei der Abstand zwischen dem Gitter 15 und 2o gleichförmig ist. Durch einen geeigneten Kleber sind an der Hinterseite des Gitters 2o vier identische Einheiten 21 befestigt, von denen jede eine, einen Baustein bildende Lampe 22 und einen Baustein bildenden bzw. monolithischen Photodetektor 23 aufweist, die in Κυ-stharz eingeschlossen sind und mit Leitungen für die Energieversorgung zu der Lampe 22 und für die Aufnahme der Ausgangssignale aus dem Photodetektor 23 versehen sind. Von den Lampen 22 abgertrahl tes Licht geht durch das Gitter 2o und wird von dem Gitter 15 reflektiert, so daß in der Ebene des Gitters 2o ein Bild entsteht. Reflektiertes Licht, welches durch das Gitter 2o geht, fällt auf die Photodetektoren 23, von denen jeder primär auf das von der Lampe 22 in seiner eigenen Einheit 21 abgestrahlte Licht anspricht, so daß das Ausgangssignal eines jeden Photodetektors 23 sich zyklisch bei einer Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17 ändert.
Das Gitter 2o sitzt in einem Lesekopf 13, wobei die Linien des Gitters bezüglich der des Gitters 15 etwas geneigt sind, so daß das von dem Gitter 15 erzeugte Bild Moire-Interferenzstreifen hervorbringt, wenn es mit dem Gitter 2o in Wechselwirkung tritt. Die Einheiten 21 sind an dem Gitter derart befestigt, daß die vier Photodetektoren 23 einen einzelnen Moire-Streifen überspannen, so daß die Phasen der
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jeweiligen zyklischen Variationen der Photodektoren 23, die sich aus einer Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17 ergebe:
scheiden.
17 ergeben, sich in einer Folge von Schritten von 9o unter-
Das in Fig. 6 gezeigte Schaltbild veranschaulicht ein Verfahren, bei welchem die Ausgangssignale der Photodetektoren
23 dazu benutzt werden, die Richtung und das Ausmaß der Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17 zu bestimmen. Bei der in Fig. 6 gezeigten Schaltung v/erden die Ausgangssignale der Photodetektoren 23 von abgestimmten Verstärkern
24 verstärkt. Die Phasensequenz der verstärkten Ausgangssignale des ersten und dritten Photodetektors 23 werden in einer Differenzbildungsschaltung 25 subtrahiert. Das Ausgangssignal dieser Schaltung 25 wird zu einer Schmidt-Trigger-Schaltung 26 für die Quadratbildung geführt,, wodurch das Signal A erzeugt wird. Die verstärkten Ausgangssignale des anderen Paares von Photodetektoren 23 werden in einer Differenzbildungsschaltung 27 subtrahiert. Ihr Ausgangssignal wird durch eine Schmidt-Trigger-Schaltung 28 ins Quadrat erhoben, wodurch das Signal B gebildet wird. Wenn zwischen den Elementen 14 und 17 eine Relativbewegung eintritt, befinden sich so die sich ergebenden Änderungen der jeweiligen Größen der Signale A und B .\n einer Phasenverschiebung um 9o . Die Signale A und B werden einem Paar von J-K-Flip-Flop-Schaltungen 29 bzw. 3o zugeführt, wobei das Signal A dem Takteingang 31 der Flip- Flop- Schaltung 29 und dem freien Eingang 32 der Flip-Flop- Schaltung 3o zugeführt wird, während das Signal B dem freien Eingang 33 der Flip-Flop-Schaltung 29 und dem Takteingang 34 der Flip-Flop-Schaltung 3o zugeführt wird. Jede der Flip-Flop- Schaltungen 29 und 3o ist mit ihren beiden Eingängen J und K mit einer Klemme 35 verbunden, di.e auf der Logikgröße "eins" gehalten ist. Der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung 29 ist mit dem "Hoch"-Eingang 36 eines Zweirichtungszählers 37, der Q-Ausgang der Flip-Flop-Schaltung
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mit dem "Nieder"-Eingang 38 des Zählers 37 verbunden. Das Ausgangssignal des Zählers 37 kann an einer geeigneten alphanumerischen Anzeigevorrichtung 39 angezeigt werden.
Die Wirkung der Zuführung des Signals A und B zu den Flip-Flop-Schaltungen 29 und 3o in der beschriebenen Weise besteht darin, daß nur eine Flip-Flop-Schaltung ein Ausgangssignal an dem Zähler 37 für eine gege.-ne Richtung der .Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17.geben kann. Dies tritt ein, weil bei der anderen Flip-Flop-Schaltung immer ein Signal an dem freien Eingang während des Auftretens eines Signals an ihrem Takteingang erscheint, wodurch eine Änderung in seinem Q-Ausgangssignal untersagt wird. Welche der Flip-Flop-Schaltungen 29 und 3o nun ein Ausgangssignal abgibt, hängt von dem Sinn der Phasendifferenz zwischen den Signalen A und B ab, die durch die Richtung der Relativbewegung zwischen den Elementen 14 und 17 bestimmt ist. Die Anzahl der dem Zähler 37 durch die entsprechende Flip-Flop-Schaltung zugeführten Impulse ist proportional dem Ausmaß der Bewegung.
Bei der in den Figuren 4 und 5 gezeigten Vorrichtung weruen die Ortsfrequenzen der Gitter 15 und 2o und der Abstand zwischen ihnen in Übereinstimmung mit den vorstehend erläuterten Prinzipien gewählt. Wenn beispielsweise als Lampen 22 infrarotes Galliumarsenid-Licht emittierende Dioden verv/endet werden,· welche eine Spitzenemission bei einer Wellenlänge von 94o nm haben und die Photodetektoren 23 npn - Siliciumphototransistoren sind, haben im Falle des Intcrferenzbildes die Gitter 15 und 2o typischerweise eine urtsfrequenz von hundert Linien pro Millimeter und sind voneinander um 2 cm beabstandet, während im Falle des Schattenbildes eine geeignete Anordnung jeweils Ortsfrequenzen von 1oo und 5o Linien pro Zentimeter für die Gitter 15 und h-t, wobei der Abstand zwischen den Gittern 2 cm beträgt.
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Claims (4)

  1. G 75 ο81 97.9
    NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION N 12ü7/Hl
    SCHUTZANSPRÜCHE
    . Meßvorrichtung zum Bestimmen der Relatiwerschiebung zweier Elemente, die einer Bewegung mit einem Freiheitsgrad in einer vorgegebenen Ebene entspricht, mit einem Paar von Gittern, die bezüglich des einen bzw. des anderen Elementes ortsfest angeordnet sind und im Sinne der Verschiebebewegung räumlich periodische Gitterlinien haben, sowie mit einer Beleuchtungseinrichtung f^r die Gitter, dadurch gekennzeichnet, daß das eine reflektierende Gitter (15) und das andere durchlässige Gitter (2o) in unterschiedlichen, zu der vorgeoebenen Ebene parallelen Ebenen angeordnet sind, daß die Beleuchtungseinrichtung wenigstens eine Lichtquelle (22) xn einer Anordnung für eine diffuse Beleuchtung des durchlässigen Gitters (2o) auf der von dem reflektierenden Gitter (15) abgelegenen Seite aufweist, wobei die räumlichen Periodizitäten der Gitter (15, 2o) so in Beziehung stehen, daß das reflektierende Gitter (1o) ein Bild des Gegenstandes erzeugt, das im wesentlichen in der Ebene des durchlässigen Gitters (2o) liegt, und daß wenigstens ein Photodetektor für den Empfang des von dem reflektierenden Gitter (15) reflektierten und durch das durchlässige Gittei hindurchgegangenen Lichtes vorgesehen ist.
  2. 2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Periodizitäten der beiden Gitter (15, 2o) im wesentlichen gleich sind, wobei das erzeugte Bild ein Interferenzbild ist.
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  3. 3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Periodizitä+·. des reflektierenden Gitters (15) im wesentlichen doppelt so groß ist wie die des durchlässigen Gitters (2o), wobei das erzeugte Bild ein Schattenbild ist,
  4. 4. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (23) ein räumlich periodischer Photodetektor mit einer Gruppierung lichtempfindlicher Elemente ist, die jeweils den Gitterlinien des durchlässigen Gitters (2o) für den Empfang des von dem reflektierenden Gitter (15) reflektierten Lichtes zugeordnet sind.
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DE19757508197 1974-03-15 1975-03-14 Vorrichtung zum messen der verschiebung eines ersten elementes bezueglich eines zweiten Expired DE7508197U (de)

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