JPH04268412A - Position-change measuring apparatus and method of use thereof - Google Patents

Position-change measuring apparatus and method of use thereof

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JPH04268412A
JPH04268412A JP29287191A JP29287191A JPH04268412A JP H04268412 A JPH04268412 A JP H04268412A JP 29287191 A JP29287191 A JP 29287191A JP 29287191 A JP29287191 A JP 29287191A JP H04268412 A JPH04268412 A JP H04268412A
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JP
Japan
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measuring device
carrier plate
imaging objective
photoelectric
grating
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JP29287191A
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Japanese (ja)
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Jan Dr Neumann
ノイマン ヤン
Eckart Schneider
エッカルト シュナイダー
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Hexagon Metrology GmbH
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Leitz Messtecknik GmbH
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Publication date
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Abstract

PURPOSE: To obtain a one-dimensional and multi-dimensional high resolution measuring instrument for accurately measuring positional change with its optical constituent and electronic constituent not affected by the influence of assembling positional regulation. CONSTITUTION: A mesh structure 14 is disposed perpendicularly to the optical axis 20 of a focusing objective lens 18 at an interval of the focal distance (f) of the lens 18. The mirror surface of a plane mirror 19 is directed perpendicularly to the axis 20 of the lens 18. A carrying plate 13 is set capable of displacing at the position relative to the axis 20 of the lens 18 and perpendicularly to the structure. Or, the plate 13 is fixed at its position, and the mirror 19 is set tiltably to the axis 20 of the lens 12 around the axis parallel to the direction of the structure.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、小さな相対位置変化を
測定するための光電測定装置及びその使用方法に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric measurement device for measuring small relative position changes and a method of using the same.

【0002】0002

【従来の技術】位置変化とは、1座標または多座標に従
った1方向変位(translatorische V
erschiebungen)、及び1軸線または2軸
線のまわりでの傾動運動を意味するものとする。変位を
増分単位で測定する光電測定装置はステップ検出器(S
chrittgeber)と呼ばれる。傾動角を測定す
る測定装置は自動視準望遠鏡として知られている。
2. Description of the Related Art A positional change is defined as a unidirectional displacement according to one coordinate or multiple coordinates.
erschiebungen) and a tilting movement about one or two axes. A photoelectric measuring device that measures displacement in increments is a step detector (S
Chrittgeber). Measuring devices that measure tilt angles are known as self-sighting telescopes.

【0003】位置を測定するための増分式ステップ検出
器の原理的な構成は、例えばG.Schroederの
教本、技術光学、第6巻(1987)の第171頁及び
第172頁に記載されている。光源はコンデンサーを介
して格子スケールを照明する。格子スケールは走査ピン
に連結されており、該走査ピンの変位が測定される。照
射方向にて格子スケールの後方には定置の走査板が配置
されている。この走査板は、参照格子ピッチを有してい
る。格子スケールが変位すると、参照格子の後方で光束
が変調される。この変調は、光電受光器で検出される。
The basic construction of an incremental step detector for measuring position is described, for example, in G. Schroeder's textbook, Technical Optics, Vol. 6 (1987), pages 171 and 172. A light source illuminates the grating scale via a condenser. The grating scale is coupled to a scanning pin and the displacement of the scanning pin is measured. A stationary scanning plate is arranged behind the grating scale in the irradiation direction. This scanning plate has a reference grating pitch. A displacement of the grating scale modulates the light flux behind the reference grating. This modulation is detected with a photoelectric receiver.

【0004】方向を検出し、プッシュプル信号を得るた
めに、参照格子は、互いに位相がずれている分割周期を
持った4つの格子に分割されている。各参照格子には光
電受光器が付設されている。格子スケールと走査板とは
、可能な限り狭い間隔で互いに平行に方向づけられねば
ならない。格子分割方向は互いに別々に方向づけねばな
らない。これにより、測定システムの構造、組み立て、
位置調整に対する要求が満足される。
[0004] In order to detect the direction and obtain the push-pull signal, the reference grating is divided into four gratings with division periods that are out of phase with each other. Each reference grid is associated with a photoelectric receiver. The grating scale and the scanning plate must be oriented parallel to each other with as close a spacing as possible. The grid division directions must be oriented separately from each other. This allows for the structure, assembly, and
The requirement for position adjustment is satisfied.

【0005】さらにドイツ特許第1217637号公報
からは、スケール格子の部分領域を同じスケール格子の
他の部分領域に結像させることが知られている。この場
合、第1の部分領域の像は逆方向へスケール格子のほう
へ移動する。この装置の場合、位置調整作業の一部を省
くことができるが、しかし位相がずれている信号を走査
領域で生じさせることは不可能である。ライン格子の代
わりにクロス格子を使用することにより、この種のステ
ップ検出器を2次元の位置測定に対しても構成すること
ができる。
Furthermore, it is known from German Patent No. 1 217 637 to image subareas of a scale grating onto other subareas of the same scale grating. In this case, the image of the first partial area moves in the opposite direction towards the scale grating. With this device, some alignment work can be avoided, but it is not possible to generate out-of-phase signals in the scanning area. By using a cross grating instead of a line grating, a step detector of this type can also be configured for two-dimensional position measurements.

【0006】測定マークを望遠鏡の接眼レンズの参照マ
ークに結像させるための幾何学的に分割された光路を備
えている自動視準望遠鏡も前掲書のG.Schroed
erの教本第140頁以下に記載されている。照明され
る測定マークは、望遠鏡の対物レンズの焦点面に位置し
、この対物レンズにより無限遠に結像される。測定マー
クの像は平面鏡で反射した後、参照マークの面内に生じ
る参照マークに対する測定マークの像の位置ずれを視覚
的に観察する代わりに、例えば欧州特許公開第0253
247号公報からは、参照マークを受光性のラインセン
サとして構成し、測定マークの像の位置を光電的に決定
することが知られている。測定精度は、これらのセンサ
要素の数量と大きさによって決定される。
A self-collimating telescope with a geometrically divided optical path for imaging a measurement mark onto a reference mark in the telescope's eyepiece has also been described in G. Ibid. Schroed
It is described on page 140 of the er textbook. The illuminated measurement mark is located in the focal plane of the telescope objective and is imaged to infinity by this objective. After the image of the measurement mark is reflected by a plane mirror, instead of visually observing the displacement of the image of the measurement mark with respect to the reference mark that occurs in the plane of the reference mark, e.g.
It is known from the publication No. 247 that the reference mark is constructed as a light-receiving line sensor and the position of the image of the measurement mark is determined photoelectrically. Measurement accuracy is determined by the quantity and size of these sensor elements.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、位置
変化を高精度に測定する1次元及び多次元の高解像度測
定装置であって、その光学的構成要素及び電子的構成要
素が組み立て、位置調整の影響を受けないような測定装
置を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide one-dimensional and multi-dimensional high-resolution measuring devices for measuring positional changes with high precision, the optical and electronic components of which are assembled and It is an object of the present invention to provide a measuring device that is not affected by position adjustment.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、小さな相対位置変化を測定するための光電
測定装置において、照明用の照明装置と、1次元の少な
くとも1個の網目構造体と、この網目構造体と同一面内
に位置するように該網目構造体に付設される走査格子と
を配置するための透明な担持板であって、走査格子に付
設される光電受光器に連結されている担持板と、担持板
の後方に配置される結像対物レンズと、結像対物レンズ
の後方に配置される平面鏡と、を有し、網目構造体が、
結像対物レンズの焦点距離の間隔で結像対物レンズの光
軸に対して垂直に配置され、平面鏡の鏡面が結像対物レ
ンズの光軸に対して垂直に向けられ、担持板が、その平
面内を結像対物レンズの光軸に対して相対的に、且つ網
目構造体方向に対して垂直に位置変位可能であり、或い
は担持板が位置固定され、且つ平面鏡が、網目構造体の
方向に平行な軸線のまわりを結像対物レンズの光軸に対
して傾斜可能であることを特徴とするものである。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present invention provides a photoelectric measuring device for measuring small relative position changes, which includes an illumination device for illumination and at least one one-dimensional mesh structure. a transparent carrier plate for locating a scanning grating attached to the mesh structure so as to be located in the same plane as the mesh structure, the carrier plate comprising: a photoelectric receiver attached to the scanning grating; The mesh structure has a carrier plate connected to the carrier plate, an imaging objective disposed behind the carrier plate, and a plane mirror disposed behind the imaging objective;
arranged perpendicularly to the optical axis of the imaging objective at intervals of the focal length of the imaging objective, the mirror surface of the plane mirror is oriented perpendicularly to the optical axis of the imaging objective, and the carrier plate The carrier plate can be displaced in position relative to the optical axis of the imaging objective and perpendicular to the direction of the mesh structure, or the carrier plate can be fixed in position and the plane mirror can be moved in the direction of the mesh structure. It is characterized in that it can be tilted around parallel axes with respect to the optical axis of the imaging objective.

【0009】また本発明は、上記の光電測定装置を、座
標式測定装置の走査ヘッド内に位置検出器として用いる
こと、及び傾動角測定用の自動視準望遠鏡として使用す
ることをも特徴とするものである。
The present invention is also characterized in that the photoelectric measuring device described above is used as a position detector in a scanning head of a coordinate measuring device and as an automatic collimating telescope for measuring tilt angles. It is something.

【0010】本発明において重要なことは、スケール格
子に相当する網目構造体と、走査格子を形成している参
照構造とが、同じ担持板の上に並設されていることであ
る。また、各走査格子領域に付設される光電受光器もこ
の担持板の上に取り付けられる。スケール格子と走査格
子の構造体は、公知の蒸着技術または高精度の写真平版
技術により同時に担持体上に設けることができる。従っ
てスケール格子と走査格子の相互の方向づけは不動に固
定されてい。
What is important in the invention is that the mesh structure corresponding to the scale grating and the reference structure forming the scanning grating are arranged side by side on the same carrier plate. A photoelectric receiver associated with each scanning grating area is also mounted on this carrier plate. The scale grating and scanning grating structures can be provided simultaneously on the carrier by known vapor deposition techniques or high-precision photolithographic techniques. The mutual orientation of the scale grating and the scanning grating is therefore immovably fixed.

【0011】本発明による測定装置を長さ測定システム
用の位置検出器として使用するためには、平面鏡をその
位置で不動に保持しなければならない。スケール格子の
像と走査格子との相対変位は、担持板をその面内で移動
させることによっても、また結像対物レンズをその主平
面内で移動させることによっても生じさせることができ
る。従って両要素は、対象物の変位を測定するため対象
物と選択的に連結させることができる。
In order to use the measuring device according to the invention as a position detector for a length measuring system, the plane mirror must be held immobile in its position. A relative displacement between the image of the scale grating and the scanning grating can be produced both by moving the carrier plate in its plane and also by moving the imaging objective in its principal plane. Both elements can therefore be selectively coupled to the object in order to measure the displacement of the object.

【0012】本発明による測定装置を傾動角測定用の自
動視準望遠鏡として使用するためには、担持板と結像対
物レンズを互いに不動に保持しなければならない。平面
鏡が傾動することにより、測定に必要な、スケール格子
の像と走査格子との間の相対変位が生じる。従ってこの
使用例の場合、平面鏡は、結像対物レンズの光軸に対す
る傾斜が測定される対象物と連結される。その結果、長
さ測定システムにおける平面鏡は測定領域にだけ影響を
与え、測定精度には影響を与えない。
In order to use the measuring device according to the invention as a self-sighting telescope for measuring tilt angles, the carrier plate and the imaging objective must be held immovably relative to each other. The tilting of the plane mirror creates the relative displacement between the image of the scale grating and the scanning grating that is necessary for the measurement. In this case of use, the plane mirror is therefore coupled to the object whose tilt with respect to the optical axis of the imaging objective is to be measured. As a result, the plane mirror in the length measurement system only affects the measurement area and does not affect the measurement accuracy.

【0013】本発明による測定装置の測定範囲は、結像
対物レンズの開口と、担持板上でのスケール格子と走査
格子との相互の位置とによって制限される。測定範囲は
センチメートルのオーダーであり、座標式測定装置の走
査ヘッドの位置検出器として使用するためには十分であ
る。
The measuring range of the measuring device according to the invention is limited by the aperture of the imaging objective and the mutual position of the scale grating and the scanning grating on the carrier plate. The measuring range is of the order of centimeters and is sufficient for use as a position detector for the scanning head of a coordinate measuring device.

【0014】[0014]

【実施例】次に、本発明の実施例を添付の図面を用いて
説明する。
Embodiments Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

【0015】図1に示すように、照明装置10はランプ
11と、コンデンサ12とを有している。担持板13と
して、面平行なガラス板が設けられている。担持体13
には、一次元の網目構造体14が蒸着されている。網目
構造体14の方向は図面の平面に対して垂直で、担持板
13の面積のほぼ2/3を覆っている。網目構造体14
に境を接するように走査格子15が設けられている。走
査格子15の方向も図面の平面に対して垂直である。走
査格子15は光電受光器16によって覆われている。光
電受光器16はカウンタ17に接続されている。
As shown in FIG. 1, the lighting device 10 has a lamp 11 and a capacitor 12. A plane-parallel glass plate is provided as the carrier plate 13. Carrier 13
A one-dimensional network structure 14 is deposited thereon. The direction of the mesh structure 14 is perpendicular to the plane of the drawing and covers approximately two-thirds of the area of the carrier plate 13. Mesh structure 14
A scanning grating 15 is provided so as to border the . The direction of the scanning grating 15 is also perpendicular to the plane of the drawing. The scanning grating 15 is covered by a photoelectric receiver 16 . Photoelectric receiver 16 is connected to counter 17 .

【0016】結像対物レンズ18は、照明方向にて網目
構造体14,15の平面の後方に、自らの焦点距離fの
間隔で配置されている。結像対物レンズ18の後方には
平面鏡19が設けられている。平面鏡19は、結像対物
レンズ18の光軸20に対してほぼ垂直である。
The imaging objective 18 is arranged behind the plane of the mesh structures 14, 15 in the illumination direction at a distance of its focal length f. A plane mirror 19 is provided behind the imaging objective lens 18 . The plane mirror 19 is approximately perpendicular to the optical axis 20 of the imaging objective 18.

【0017】照明装置10と、結像対物レンズ18と、
平面鏡19とは、共通のフレーム21に設けられている
。担持板13はピン22に連結されている。ピン22は
、光軸20に対して垂直に、即ち図面の平面上を移動可
能にガイド23で支持されている。ピン22はスキャナ
ーとして構成してもよく、或いは対象物(その変位が測
定される)と連結させてもよい。
An illumination device 10, an imaging objective lens 18,
The plane mirror 19 is provided on a common frame 21. The carrier plate 13 is connected to the pin 22. The pin 22 is supported by a guide 23 so as to be movable perpendicular to the optical axis 20, that is, on the plane of the drawing. The pin 22 may be configured as a scanner or may be connected to an object whose displacement is to be measured.

【0018】図1において、網目構造体14の、光軸2
0上にある部分領域を観察すると、この部分領域は結像
対物レンズ18を介して結像され、平面鏡19で反射し
た後再び網目構造体14の平面に結像される。しかも、
網目構造体14の平面と光軸20との交点に対して点対
称に結像される。網目構造体14を移動させると、その
結像は逆の方向へ2倍の速度で移動する。
In FIG. 1, the optical axis 2 of the network structure 14
When a subarea located on 0 is observed, this subarea is imaged via the imaging objective 18 and, after reflection by a plane mirror 19, is imaged again onto the plane of the mesh structure 14. Moreover,
The image is formed point-symmetrically with respect to the intersection of the plane of the network structure 14 and the optical axis 20. When the mesh structure 14 is moved, its image moves twice as fast in the opposite direction.

【0019】この場合、網目構造体14の像は走査格子
15を経て移動し、これによって、変調された光束を生
じさせる。変調された光束は光電受光器16において電
気信号に変換され、この電気信号は、カウンタ17にお
いて、変位に比例した表示を行うべく処理される。走査
格子15が公知のごとく4つの位相のずれた走査領域を
有している場合には、変位のプッシュプル信号処理と方
向検出が可能である。
In this case, the image of the network structure 14 is moved through the scanning grating 15, thereby producing a modulated light beam. The modulated light flux is converted into an electrical signal in a photoelectric receiver 16, and this electrical signal is processed in a counter 17 to provide a display proportional to the displacement. If the scanning grating 15 has four out-of-phase scanning areas, as is known, push-pull signal processing of displacements and direction detection are possible.

【0020】網目構造体14は、2座標方向x及びyで
の測定のために、図2に示すようにクロス格子24とし
て構成してもよい。各座標方向にはそれぞれ固有の走査
格子25,26が付設されている。図2には、4つの位
相のずれた格子領域を備えたこれらの走査格子25,2
6を拡大した図をも図示した。担持板13’の、クロス
格子24によっても走査格子25,26によっても覆わ
れていない面27は、鏡面コーティングを備えていても
よい。面27が鏡面コーティングを備えていると、網目
構造体24が照明装置10とは逆の側で反射性を備えて
いても有利である。
The mesh structure 14 may be configured as a cross grid 24, as shown in FIG. 2, for measurements in two coordinate directions x and y. Each coordinate direction is associated with its own scanning grid 25, 26. FIG. 2 shows these scanning gratings 25, 2 with four out-of-phase grating regions.
An enlarged view of 6 is also shown. The surface 27 of the carrier plate 13' which is not covered by the cross grating 24 or by the scanning gratings 25, 26 may be provided with a mirror coating. If surface 27 is provided with a mirror coating, it is advantageous if mesh structure 24 is also reflective on the side facing away from illumination device 10 .

【0021】担持板13,13’の大きさ、網目構造体
14,24によって覆われる面積、走査格子15,25
,26の局在範囲は次のように選定されており、即ち光
軸20の貫通点に対して点対称に結像されるという測定
装置の性質を考慮して、所望の測定領域に適合した変位
領域が生じ、この変位領域に網目構造体14,24の部
分領域が存在し、この部分領域が付属の走査格子上へ結
像されるように選定されている。
The size of the carrier plates 13, 13', the area covered by the mesh structures 14, 24, the scanning gratings 15, 25
. A displacement region is created in which a partial region of the mesh structure 14, 24 is located, which partial region is selected to be imaged onto the associated scanning grating.

【0022】図3は、運動の3座標方向x,y,zに基
づいてスキャナー28の変位を測定するための測定装置
の構成を示すものである。この場合、図面の平面に平行
な面をx−z面とし、図面の平面に対して垂直な方向を
y方向とする。この構成はすでに図1と図2を用いて説
明した構成要素を含んでおり、同一の構成要素には同一
の符号を付した。
FIG. 3 shows the configuration of a measuring device for measuring the displacement of the scanner 28 based on the three coordinate directions of movement x, y, z. In this case, the plane parallel to the plane of the drawing is defined as the x-z plane, and the direction perpendicular to the plane of the drawing is defined as the y direction. This configuration includes the components already explained using FIGS. 1 and 2, and the same components are given the same reference numerals.

【0023】フレーム21には、照明装置10と結像対
物レンズ18とが固定されている。さらにフレーム21
には、転向ミラー29と第2の照明装置30が設けられ
ている。転向ミラー29は、結像対物レンズ18の光軸
20を90°転向させる。
An illumination device 10 and an imaging objective lens 18 are fixed to the frame 21. Furthermore, frame 21
A turning mirror 29 and a second illumination device 30 are provided. The turning mirror 29 turns the optical axis 20 of the imaging objective 18 by 90°.

【0024】照明装置10には、図2に示したクロス格
子24と走査格子25,26とを備えた担持板13’が
付設され、照明装置30には、図1に図示した網目構造
体14と走査格子15とを備えた担持板13が付設され
ている。担持板13はピン22と連結されている。ピン
22は、z方向へ変位可能であるように平行四辺形弾性
案内部31を介してフレーム2に支持されている。ピン
22にはスキャナー28が連結されている。
The illumination device 10 is provided with a carrier plate 13' with the cross grating 24 and the scanning gratings 25, 26 shown in FIG. A carrier plate 13 with a scanning grid 15 and a scanning grid 15 is provided. The carrier plate 13 is connected with a pin 22. The pin 22 is supported by the frame 2 via a parallelogram elastic guide 31 so as to be displaceable in the z direction. A scanner 28 is connected to the pin 22.

【0025】担持板13’は、基礎担持体32にて位置
して固定されている。基礎担持体32には、x方向及び
y方向に変位可能な平行四辺形弾性案内部33,34を
介してフレーム21が懸架されている。図1の実施例の
変形例としてのこの実施例では、結像対物レンズ18及
びx−y面上にあるその光軸20は、網目構造体に対し
て相対的に担持板13’上を変位可能である。すべての
網目構造体と、走査格子によって覆われている、担持板
13,13’と同じ面内にある面とは、付属の照明装置
30,10とは逆の側で反射性を備えている。これらの
面は、結像対物レンズ18の焦点距離の間隔で結像対物
レンズ18に対して配置されており、それぞれ他の測定
システムのなかで平面鏡19の機能を付加的に有してい
る。担持板13’の網目構造体は、担持板13の反射性
側面にて反射し、担持板13の網目構造体は担持板13
’の反射性側面にて反射する。z方向における担持板1
3の変位はクロス格子24の結像にあまり影響を及ぼさ
ない。同様に、網目構造体14の結像は担持板13’の
相対変位によって阻害されない。結像対物レンズ18の
結像特性を両側で同一にするため、結像対物レンズ18
を、光学的に同一で互いに対称に配置される2つのシス
テム部分から構成するのが有利である。
The carrier plate 13' is positioned and fixed on the base carrier 32. The frame 21 is suspended on the base carrier 32 via parallelogram elastic guides 33, 34 which are displaceable in the x and y directions. In this embodiment, as a variant of the embodiment of FIG. 1, the imaging objective 18 and its optical axis 20 in the x-y plane are displaced on the carrier plate 13' relative to the mesh structure. It is possible. All mesh structures and the surfaces covered by the scanning gratings and lying in the same plane as the carrier plates 13, 13' are reflective on the side facing away from the associated illumination devices 30, 10. . These surfaces are arranged relative to the imaging objective 18 at a spacing of the focal length of the imaging objective 18 and each additionally has the function of a plane mirror 19 in the other measuring system. The mesh structure of the carrier plate 13' is reflected by the reflective side surface of the carrier plate 13;
Reflects on the reflective side of '. Support plate 1 in the z direction
A displacement of 3 does not significantly affect the imaging of the cross grating 24. Likewise, the imaging of the mesh structure 14 is not disturbed by the relative displacement of the carrier plate 13'. In order to make the imaging characteristics of the imaging objective 18 the same on both sides, the imaging objective 18
It is advantageous for the system to consist of two system parts that are optically identical and arranged symmetrically to each other.

【0026】3次元的に測定するスキャナーは、互いに
分離された、x/y方向及びz方向測定用の2つの測定
システムを必要とする。このようなスキャナーは、通常
完全に分離されたシステムとして構成されている。前記
の実施例は2つの測定システムを組み合わせて、ただ1
つの結像対物レンズを備えたただ1つの測定システムに
統合したものである。しかし、結像対物レンズと担持板
との間隔の調整は互いに独立に行うことができ、機械的
に優れた平行四辺形弾性案内部にて行うことができる。
Scanners that measure in three dimensions require two measuring systems for x/y and z measurements, separated from each other. Such scanners are usually configured as completely separate systems. The embodiments described above combine two measuring systems, allowing only one
integrated into a single measurement system with two imaging objectives. However, the adjustment of the distance between the imaging objective and the carrier plate can be carried out independently of each other and can be carried out with mechanically efficient parallelogram elastic guides.

【0027】図4は図1の実施例の変形例であり、傾動
角を測定するためのものである。この実施例ではケーシ
ングとして構成されているフレーム21には、照明装置
10と、担持板13と、結像対物レンズ18とが互いに
位置固定されるように配置されている。平面鏡19はこ
れらから離して配置されており、光軸20に沿って任意
の間隔で図示していない対象物に固定されている。なお
、ここでは対象物の光軸20に対する傾動角ψが測定さ
れるべきものとする。フレーム21に固定されている構
成要素は、光電的に測定する自動視準望遠鏡を形成して
いる。
FIG. 4 shows a modification of the embodiment shown in FIG. 1, and is for measuring the tilt angle. The illumination device 10, the carrier plate 13 and the imaging objective 18 are arranged in a fixed position relative to each other in a frame 21, which in this embodiment is designed as a housing. The plane mirror 19 is arranged apart from these and is fixed to an object (not shown) at an arbitrary interval along the optical axis 20. Here, it is assumed that the tilt angle ψ of the object with respect to the optical axis 20 is to be measured. The components fixed to the frame 21 form a photoelectrically measuring self-sighting telescope.

【0028】すでに述べたように、平面鏡19が傾動す
ると網目構造体14の像は走査格子15を経て変位する
。その距離sは、傾動角ψが小さい場合、傾動角ψと結
像対物レンズ18の焦点距離fとに直接比例している。 即ちs=f×2ψである。f=60mmで、網目構造体
14,15の格子定数が8μmであると、傾動角ψ=1
3.75’’は信号周期に相当している。
As already mentioned, when the plane mirror 19 is tilted, the image of the network structure 14 is displaced through the scanning grating 15. The distance s is directly proportional to the tilting angle ψ and the focal length f of the imaging objective 18 if the tilting angle ψ is small. That is, s=f×2ψ. When f=60 mm and the lattice constant of the mesh structures 14 and 15 is 8 μm, the tilting angle ψ=1
3.75'' corresponds to the signal period.

【0029】網目構造体として、図2に図示したような
走査格子25,26を備えたクロス格子24を使用する
と、互いに直交する二つの方向での傾動角の光電的測定
が可能である。測定範囲は、結像対物レンズ18の開口
と網目構造体の延在範囲によって制限されるにすぎない
。測定範囲を各方向において数度に設定することが容易
に可能である。
If a cross grating 24 with scanning gratings 25, 26 as shown in FIG. 2 is used as the mesh structure, it is possible to photoelectrically measure the tilt angle in two mutually orthogonal directions. The measurement range is only limited by the aperture of the imaging objective 18 and the extent of the network structure. It is easily possible to set the measurement range to several degrees in each direction.

【0030】[0030]

【発明の効果】本発明により、位置変化を高精度に測定
する1次元及び多次元の高解像度測定装置であって、そ
の光学的構成要素及び電子的構成要素が組み立て、位置
調整の影響を受けないような測定装置が得られる。
Effects of the Invention The present invention provides one-dimensional and multi-dimensional high-resolution measurement devices for measuring position changes with high precision, in which optical and electronic components are assembled and are not affected by position adjustment. This provides a measurement device that would otherwise not be available.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】線形的な位置変化を測定するための本発明によ
る測定装置である。
1 shows a measuring device according to the invention for measuring linear position changes; FIG.

【図2】2次元測定用のスケール格子と走査格子とを備
えた担持板の図である。
FIG. 2 shows a carrier plate with a scale grating and a scanning grating for two-dimensional measurements;

【図3】3座標軸で位置変化を測定するための測定装置
の図である。
FIG. 3 is a diagram of a measuring device for measuring position changes in three coordinate axes;

【図4】傾動角の変化を測定するための測定装置の図で
ある。
FIG. 4 is a diagram of a measuring device for measuring changes in the tilting angle;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10          照明装置 13          担持板 14          網目構造体 15          走査格子 16          光電受光器 18          結像対物レンズ19    
      平面鏡
10 illumination device 13 carrier plate 14 mesh structure 15 scanning grating 16 photoelectric receiver 18 imaging objective 19
plane mirror

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  小さな相対位置変化を測定するための
光電測定装置において、  照明用の照明装置(10)
と、1次元の少なくとも1個の網目構造体(14)と、
この網目構造体(14)と同一面内に位置するように該
網目構造体に付設される走査格子(15)とを配置する
ための透明な担持板(13)であって、走査格子(15
)に付設される光電受光器(16)に連結されている担
持板(13)と、担持板(13)の後方に配置される結
像対物レンズ(18)と、結像対物レンズ(18)の後
方に配置される平面鏡(19)と、を有し、網目構造体
(14)が、結像対物レンズ(18)の焦点距離(f)
の間隔で結像対物レンズ(18)の光軸(20)に対し
て垂直に配置され、平面鏡(19)の鏡面が結像対物レ
ンズ(18)の光軸(20)に対して垂直に向けられ、
担持板(13)が、その平面内を結像対物レンズ(18
)の光軸(20)に対して相対的に、且つ網目構造体方
向に対して垂直に位置変位可能であり、或いは担持板(
13)が位置固定され、且つ平面鏡(19)が、網目構
造体の方向に平行な軸線のまわりを結像対物レンズ(1
8)の光軸(20)に対して傾斜可能である、ことを特
徴とする光電測定装置。
1. A photoelectric measurement device for measuring small relative position changes, comprising: an illumination device (10) for illumination;
and at least one one-dimensional mesh structure (14);
a transparent carrier plate (13) for arranging this mesh structure (14) and a scanning grating (15) attached to the mesh structure so as to be located in the same plane;
), a carrier plate (13) connected to a photoelectric receiver (16) attached to the carrier plate (13), an imaging objective (18) arranged behind the carrier plate (13), and an imaging objective (18) a plane mirror (19) arranged behind the lens, the mesh structure (14) having a focal length (f) of the imaging objective (18).
are arranged perpendicularly to the optical axis (20) of the imaging objective (18) at intervals of is,
A carrier plate (13) carries an imaging objective (18) in its plane.
) can be displaced in position relative to the optical axis (20) of the carrier plate ( ) and perpendicular to the network direction;
13) is fixed in position, and a plane mirror (19) moves the imaging objective (1) around an axis parallel to the direction of the network structure.
8) A photoelectric measuring device characterized in that it can be tilted with respect to the optical axis (20).
【請求項2】  担持板(13’)上にクロス格子(2
4)が装着され、担持板(13’)または平面鏡(19
)が2つの方向へ移動可能または傾動可能であることを
特徴とする、請求項1に記載の光電測定装置。
2. A cross grid (2) on the support plate (13').
4) is attached, and the supporting plate (13') or plane mirror (19') is attached.
2. Photoelectric measuring device according to claim 1, characterized in that the photoelectric measuring device ) is movable or tiltable in two directions.
【請求項3】  走査格子(15,25,26)が、4
つの格子領域と、これらの格子領域に付設される、回転
範囲信号を生じさせるための光電受光器とを有している
ことを特徴とする、請求項1に記載の光電測定装置。
3. The scanning grating (15, 25, 26) has 4
2. Photoelectric measuring device according to claim 1, characterized in that it has two grating areas and a photoelectric receiver associated with these grating areas for generating rotation range signals.
【請求項4】  網目構造体(14,24)が、照明装
置(10,30)とは逆の側で反射性を有するように構
成され、その全体において平面鏡を形成していること、
各担持板(13,13’)が、その反射面によって、結
像対物レンズ(18)の前方または後方にその焦点距離
の間隔を持って配置されていること、結像対物レンズ(
18)と担持板(13,13’)の間の光路が、結像対
物レンズ(18)の片側で転向ミラー(29)を介して
90°転向されていること、両担持板(13,13’)
が、その面内を結像対物レンズ(18)の光軸(20)
に対して相対的に互いに独立に変位可能であること、を
特徴とする、請求項1から3までのいずれか1つに記載
の光電測定装置。
4. The mesh structure (14, 24) is configured to be reflective on the side opposite the illumination device (10, 30) and forms a plane mirror in its entirety;
Each carrier plate (13, 13') is arranged by its reflective surface in front or behind the imaging objective (18) at a distance of its focal length;
18) and the carrier plate (13, 13') is deflected by 90° on one side of the imaging objective (18) via a deflection mirror (29); both carrier plates (13, 13') ')
The optical axis (20) of the imaging objective lens (18) lies within that plane.
4. The photoelectric measuring device according to claim 1, wherein the photoelectric measuring device is displaceable relative to and independent of one another.
【請求項5】  結像対物レンズ(18)が、光学的に
同一で互いに対称に配置される2つのシステム部分から
構成されていることを特徴とする、請求項4に記載の光
電測定装置。
5. Photoelectric measuring device according to claim 4, characterized in that the imaging objective (18) consists of two system parts that are optically identical and arranged symmetrically with respect to one another.
【請求項6】  結像対物レンズ(18)と転向ミラー
(29)と照明装置(10,30)とが共通のフレーム
(21)に設けられ、該フレーム(21)が、平行四辺
形弾性案内部(33,34)を介して基礎担持体(32
)と連結され、一方の担持板(13’)が基礎担持体(
32)に固定され、他の担持板(13)が平行四辺形弾
性案内部(31)を介してフレーム(21)に固定され
ていることを特徴とする、請求項4または5に記載の光
電測定装置。
6. The imaging objective (18), the deflection mirror (29) and the illumination device (10, 30) are provided in a common frame (21), the frame (21) comprising a parallelogram elastic guide. The basic carrier (32
), and one carrier plate (13') is connected to the base carrier (
6. Photovoltaic device according to claim 4 or 5, characterized in that the further carrier plate (13) is fixed to the frame (21) via a parallelogram elastic guide (31). measuring device.
【請求項7】  基礎担持体(32)に固定される平行
四辺形弾性案内部(33,34)が、互いに直交する2
つの座標方向(x,y)で変位可能であり、同様に基礎
担持体(32)に固定されている担持板(13’)に直
交クロス格子(24)が配置されていることを特徴とす
る、請求項6に記載の光電測定装置。
7. Parallelogram elastic guides (33, 34) fixed to the base carrier (32) are arranged in two sections orthogonal to each other.
characterized in that an orthogonal cross grid (24) is arranged on a carrier plate (13') which is displaceable in two coordinate directions (x, y) and which is also fixed to the base carrier (32). , The photoelectric measuring device according to claim 6.
【請求項8】  座標式測定装置の走査ヘッド内に位置
検出器として用いることを特徴とする請求項1から7ま
でのいずれか1つに記載の光電測定装置の使用方法。
8. Use of a photoelectric measuring device according to claim 1, characterized in that it is used as a position detector in a scanning head of a coordinate measuring device.
【請求項9】  傾動角測定用の自動視準望遠鏡として
使用することを特徴とする請求項1から3までのいずれ
か1つに記載の光電測定装置の使用方法。
9. A method of using the photoelectric measuring device according to claim 1, wherein the photoelectric measuring device is used as an automatic collimating telescope for measuring tilt angles.
JP29287191A 1990-11-09 1991-11-08 Position-change measuring apparatus and method of use thereof Pending JPH04268412A (en)

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DE4035948.4 1990-11-09
DE19904035948 DE4035948A1 (en) 1990-11-09 1990-11-09 MEASUREMENT OF POSITION CHANGES

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