JPS6225962B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体の運動方向および量の測定、特
に方向を可逆計数器の計数方向および量をその計
数内容により決定する測定方法および装置に関
し、詳細には、１つの対象物の像を形成する少く
とも１つの光学系、少くとも１つの格子構造体、
結像光学系によつて形成された像と格子構造体と
の間に周期的な相対運動を発生させる駆動装置、
並びに格子構造体に対して付設されて結像光学系
によつて結像された対象物の運動を、上記の相対
運動方向に少くとも実質的に平行な方向において
検出するための光電検出系および加算・減算器を
有する測定装置において、その加算・減算器のた
めの位相のずれた制御信号を発生するための方法
並びに装置に関する。

ランダムな構造をもつ対象物の相対的な運動を
測定するための光学的な相関器は、例えばドイツ
国特許公開2144487号報によつて公知となつてい
る。またこの特許文献から、相関器の格子構造体
を相関器の結像光学系の光軸に対して直角に振動
させ、この運動から基準信号を導き出し、そして
該信号を用い、位相検波を行うことにより、対象
物の運動の方向を決定することも公知となつてい
る。また、周波数によつて対象物の相対運動の方
向を与える信号も示されており、この信号が、表
示器を制御するために用いられている。或いは、
この信号を用いて、夫々の運動方向に付設されて
いる２つの別々の計数器を制御することもでき
る。しかしこの場合には、対象物の瞬間的な相対
位置は、夫々の計数器の示度の差を算出すること
によつて定めなければならない。

上記の様な方法は、煩雑で費用がかかるもので
ある。従つて本発明の目的は、１つの光学相関器
を用いて、加算・減算計数器を制御することを可
能にする方法並びに装置を提供するものである。
その際、相関器と計数器との間に必要な装置の費
用はできるだけ少なく、そして該装置に用いられ
る構成要素はできるたけ簡単でなければならな
い。

本発明の方法は次の様な特徴を有する。即ち、
上記相対運動の周期に対応する周波数をもつ基準
信号を２分し、その少くとも一方の位相をずら
し、それらのいずれかの周波数を逓倍して２つの
制御信号とし、これら２つの制御信号により夫々
制御される２個の位相検波器により上記光電検出
系出力信号を夫々位相検波し、そして位相検波の
結果として得られる基本波または高調波の１つに
対応する周波数を有する信号を瀘波して相互に位
相のずれた制御信号として加算・減算計数器に加
えるという特徴を有している。

この場合、位相をずらされた制御信号の周波数
の逓倍数が２つであるように選択するのが有利で
ある。

本発明により提案された新らしい方法を実施す
るための装置は、対象物を結像させる少くとも１
つの光学系、少くとも１つの格子構造体、結像光
学系によつて形成された対象物の像と格子構造体
との間の周期的な相対運動を発生させるための駆
動装置、並びに格子構造体に対して付設され、対
象物の運動を、上記相対運動の方向に対し少くと
も実質的に平行な方向において検出するための光
電検出系を含んでいる。該装置は、次のような特
徴を有する。即ち、信号変換装置が設けられてお
り、該装置には、対象物の像と格子構造体との間
の相対運動から導き出される基準信号が導かれる
こと、この信号変換装置の後には第１周波数マル
チプライヤーが接続されていること、この周波数
マルチプライヤーの後には第１位相検波器、その
後にはローパスフイルターが接続されているこ
と、第２の位相検波器がその後にローパスフイル
ターを接続して存在しており、そして第２の周波
数マルチプライヤーを介し、又は直接に信号変換
装置に接続され、その際基準信号は位相検波器の
制御入力端に導かれること、信号変換装置と少く
とも一方の位相に検波器との間に移相器が存在し
ていること、更に位相検波器の入力端には測定装
置の光電検出系が接続されていること、およびロ
ーパスフイルターの出力端は制御すべき加算・減
算計数器の入力端に接続されているという特徴を
備えている。

基本波と１次高調波を使用する場合には、対象
物の像と格子構造体との間の周期的な運動の振巾
は、格子構造の格子ピツチの半分に等しくするも
のが有利である。

駆動装置の動く部材は、該部材により動かされ
る部材と共に固有振動数で振動する１つのユニツ
トを形成している。

上記した如く、本発明による新らしい方法は、
本発明の目的を達成する経済的な解決法をもたら
すものである。またこの方法は、ランダムな構造
を有する対象物が非常にゆつくり相対運動をする
場合でも、確実に機能を果すことを示している。

以下に添付図面について、本発明の若干の実施
例を説明する。

第１図は、本発明による新らしい方法を実施す
るため、光学的相関器の光電検出系からの出力信
号の基本波と１次高調波とが、加算・減算計数器
のための制御信号を形成するために引き出される
場合に適合したブロツク結線図を示している。

上記のブロツク結像図の上方には、光学相関器
の構成が例示されている。光学的に構造を持つて
いるけれども、その構造がランダムである対象物
１の矢印２の方向の相対運動を測定するため、該
対象物が光学系４を用いて格子構造体５上に結像
される。該格子は少くとも光学系４の像面の近傍
に位置し、そして格子のピツチはその構造が対象
物の光学的構造に対し周波数フイルターとしての
作用を持つている。格子構造体５の背後には光電
検出系１０が配置されており、該光電検出系は最
も簡単な構成の場合には１箇の光電素子のみで形
成することができる。相関器が交番信号を発生す
る如く動作する場合には、光電検出系としては、
相互に逆極性になつている電気信号を発生する少
くとも２箇の光電素子からなる。この電気信号
は、Ｓ／Ｎ比をよくするためプツシユプル増巾器
に導かれ、それからの出力信号がその際の望まし
い測定信号となる。この場合には、光電検出系は
２箇の光電素子並びにそれらが結合しているプツ
シユプル増巾器を有している。適正な制御が行な
われるため、電気的な交番信号を発生する相関器
の光学部材の中の素子は、そのために必要とされ
る前提を満足するものでなければならない。その
ための一方の方法は、冒頭に述べた文献の中に記
載されている。

上記した光学的相関器の光電検出系に、ブロツ
ク結線図が示す回路が接続される。図に示されて
いる様に、検出系１０の出力信号は、２個の位相
検波器２０，２１に導かれる。格子５を方向３に
おいて振動させる適当な駆動装置１５から導き出
される基準信号は、信号変換装置１６で特に矩形
電圧信号に変換される。該電圧信号は、一方では
位相検波器２０に直接導かれ、他方では周波数マ
ルチプライヤー１７を通過した後に制御電圧とし
て位相検波器２１に導かれる。位相検波器２０，
２１の後には、測定信号の振動数に同調したロー
パスフイルター２２並びに２３が夫々接続され、
それらの出力端は制御すべき加算・減算計数器２
４の入力端と電気的に結合している。信号変換装
置１６と位相検波器２１の間の接続線上に移相器
１９が挿入されている。該移相器は、基準信号と
該信号に対応する測定信号部分の間に適当な位相
差を与えるために用いられている。

上述した装置の作動態様を、第２図を用いて説
明する。簡単のため、格子構造の振動振巾は、該
格子構造体のピツチの半分に等しいと仮定し、そ
して対象物の一点が観察されていると仮定する。
また、光学的相関器の検出素子がプツシユプル増
巾器と共に光電検出系を構成し交番電気信号をプ
ツシユプル増巾器に与えるものと仮定する。

対象物の一点が格子構造体の振動振幅の中央に
結像するならば、光電検出系は、第２図ａに破線
で示された様な電圧を与える。この電圧の周波数
は駆動装置１５の振動数の２倍になつている。

上記に反して、対象物の一点が格子の振動運動
の端点に結像する場合には、第２図ａで実線で示
されている様な出力信号が発生する。該信号の周
波数は、駆動装置１５の振動数と合致している。

前述した様に、駆動装置１５の振動運動自体か
ら基準信号が導き出され、該信号は矩形電圧に変
換された後で、位相検波器２０，２１を制御する
ために使用される。このためには、基準信号の位
相が高調波測定信号部分の位相に適合しているこ
とが必要である。移相器１９は、この実施例では
位相を45゜ｅだけずらしている。この数値は、第
２図ａに示されている２つの信号の極値が時間的
に合致しているという事実から得られる結果であ
る。第２図ａに実線で示された信号のための制御
信号は、第２図ｂに示されている。第２図ｃに
は、位相検波器２０の出力信号が示されており、
第２図ｆは位相検波器２１の出力信号を示してい
るものであるが、これは光電検出系の出力信号
が、第２図ａに実線で示されている如き信号部分
のみを含んでいる場合である。これと反対に、第
２図のｄおよびｇは、光電検出系に、第２図ａに
破線で示された信号のみがある場合を示すもので
ある。図から明らかな如く、第２図ｄおよびｆに
示されている信号は、何れも平均値が零である。
このことはまた、第２図ａに実線で示されている
測定信号部分に対しては、フイルター２３には出
力信号がなく、第２図ａに破線で示されている他
の測定信号部分に対してはフイルター２２に出力
信号がないことを示しており、従つてこのことに
関しては、位相検波器の前で信号のフイルタリン
グを行うことは不必要なこととなり、このことは
疑もなく本発明の新らしい方法の別の特徴であ
る。

上記したことから、出力信号によつて対象物の
点の瞬間的な相対位置が正確に定義されることが
明らかである。上述した実施例では、対象物の点
が特別な位置にある場合に限つているけれども、
この考え方は対象物の点が例えば対象物が相対運
動を行う場合に該点が通過する別の位置にある場
合にも当て嵌る。

フイルター２２，２３の出力信号は、何時も互
に90゜だけ位相がずれており、従つて加算・減算
計数器２４を制御するのに適合している。該信号
は更にドイツ国特許第1498137号の対象物の様な
補間器に情報を供給するのに適合しており、かく
して付加的に測定結果の仕上げを行うことができ
る。

前述の仮定とは反対に、格子構造体の振動振幅
が該格子構造のピツチの半分よりも大である様に
選択されるならば、別の高調波測定信号部分が発
生し、該部分は前同様に適当な選択によつて、本
発明の新らしい方法を実施するために使用するこ
とができる。

図に示されそしてこれまで記述された本発明に
おいては、光学的相関器の形式は任意である。例
えば、対象物が非常に差異の著るしい構造を持つ
ている時には、該相関器は、２個の素子を用いる
前述の光電検出系の代りに、１箇の光電素子のみ
を有する光電検出系を用いて形成することができ
る。この場合には、また光学相関器の光を分割す
るに必要な部分が不必要なものとなる。他方にお
いて、移相器１９は当然周波数マルチプライヤー
１７の後に接続してもよい。

対象物の像と格子構造体５との間の相対運動
を、振動する光学部材によつて生じさせてもよ
い。例えば、第１図に示した実施例において格子
構造体５を固定し、光路中に破線で示す平行平面
板２７を設け、それを駆動装置１５によつて、軸
２８のまわりに振動させてもよい。

更に第１図において破線で示す光電素子２９を
用いて格子構造体５又はそれの担持体５′の駆動
装置１５による運動を走査し基準信号を発生して
もよい。

上記実施例では、格子構造体の振動運動の基本
波と１次高調波とが、信号形成のために引き出さ
れている。何故ならば、そうすることによつて振
動振幅と信号振幅との間に特に好都合な関係が生
ずるからである。このような関係が無視出来るの
であれば、基本的には振動運動の別の高調波を用
いて信号を形成することが出来る。この様な場合
には、信号変換装置１６と位相検波器との間に
も、周波数マルチプライヤー１８（破線で示す）
が必要となる。格子構造体の運動から基準信号を
導き出すには、種々異なる方法を用いることが可
能である。例えば、該基準信号は、格子構造体５
又はそれの担持体５′を光電的に走査することに
より、又は基準信号発生器を同期的に動作させる
ことにより、又は駆動力を供給する電源電圧から
も得ることが出来る基準信号を得ること自体は新
らしいことでなく、従つて本発明の対象とはなら
ない。

これまで本発明は、光学的相関器を使用するこ
とを前提として記述された。しかし本発明は、同
じ特徴を持ちながら他の、例えば英国特許第
760321号および第877925号明細書に記載されてい
る格子を対象物としてその距離および角度の測定
のための測定器における信号処理にも利用するこ
とができる。ここでは対象物を格子とし、光学系
格子構造体および光電検出系が格子像を格子構造
体に形成し、それを検出するものであり、ここで
は格子形成器と称することにする。

この英国特許においては光学的な方法により、
別々のチヤンネルを介して90゜の位相差をもつ２
つの信号が発生させられ、これが加算・減算計数
器を制御するために利用される。

前者の文献に記載されている装置は、正確に等
しいピツチを有する同じ種類の３箇の格子が用い
られ、それらのうちの２箇は一定の相対位置に固
定されていなければならないという欠点を有して
いる。測定結果の精度は、格子の正確さと格子の
固定の正確さに直接依存する。

後者の文献には、光路を分割するためおよび分
割された光路の光線を夫々相異なる偏光状態に置
くためにウラストンプリズムを利用している。こ
の様な装置における欠点は、光電的に得られる信
号の直流成分が除去できないことであり、該直流
成分が変動すれば誤差が発生し、その誤差は直接
測定結果に加わるということである。

この様な欠点は、本発明によつて避けられてい
る。第３図は略図により、本発明の方法を実施す
るに際し有効に使用しうる格子形成器を示してい
る。

格子構造体３０の１つの範囲Ａが、光学系３
１、ペンタリズム３２、平面鏡３３並びに別の光
学系３４を介して同じ格子構造体３０の別の範囲
Ｂに結像される。反射鏡３３は、軸３５のまわり
で旋回可能な如く支承されている。駆動装置１
５′が、該反射鏡の振動運動を発生する。範囲Ｂ
には、光電感応子１０′が付設されている。駆動
装置１５′および感応子１０′は評価回路に接続さ
れ、この状態は、第１図の実施例が、構成群１５
および１０に対して表現しているのと同じであ
る。評価回路の作動態様は、前述の通りである。

図示された実施例の特別な特徴は、格子担持体
の振動から信号を得るため、唯１箇の受信チヤン
ネルが必要となるのみであり、しかし該チヤンネ
ルは、90゜だけ位相がずれた２つの信号を与える
ものである。更に格子構造の平均透光率、即ち、
格子の線と隙間の割合いおよびそれの変動を心配
しなくともよい。何故ならば、信号の直流成分は
除去されているからである。格子構造の透光率の
変動は、信号振幅の変化を惹起するに過ぎない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するための装置の
ブロツク図、第２図は第１図に示したブロツク結
線回路に供給される種々異なる信号を示し、第３
図は光電的格子形成器の１つの実施例を示す図で
ある。 ４…結像光学系、５…格子構造体、５′…担持
体、１０，１０′…光電検出系、１５…駆動装
置、１５′…駆動装置、１６…信号変換発装置、
１７，１８…周波数マルチプライヤー、１９…移
相器、２０，２１…位相検波器、２２，２３…ロ
ーパスフイルター、２４…加算・減算計数器、２
７…平行平面板（光学部材）、２９…光電素子、
３０…格子構造体、３１，３４…光学部材、３３
…反射鏡（光学部材）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対象物の像を形成する少くとも１つの光学
   系、１つの格子構造体、結像光学系によつて形成
   された対象物の像と格子構造体との間に周期的な
   相対運動を発生させる駆動装置、格子構造体に付
   設され、結像光学系によつて結像された対象物の
   像の運動を、上記相対運動の方向へ少くとも実質
   的に平行な方向において検知するように構成配置
   された光電検出系、および加算・減算計数器を有
   する運動測定装置における加算減算用制御信号発
   生方法において、上記相対運動の周期に対応する
   周波数をもつ基準信号を２分し、その少くとも一
   方の位相をずらし、それらのいずれかの周波数を
   逓倍して２つの制御信号とし、これら２つの制御
   信号により夫々制御される２個の位相検波器によ
   り上記光電検出系出力信号を夫々位相検波し、そ
   して位相検波の結果として得られる基本波または
   高調波の１つに対応する周波数を有する信号を瀘
   波して相互に位相のずれた制御信号として加算・
   減算計数器に加えることを特徴とする運動測定装
   置の加算・減算計数器用の制御信号を発生する方
   法。 ２ 位相をずらされた制御信号の周波数の逓倍数
   が２であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項にに記載の方法。 ３ 対象物を結像させる少くとも１つの光学系、
   １つの格子構造体、結像光学系によつて形成され
   る対象物の像と格子構造体との間の周期的な相対
   運動を発生させるための駆動装置、格子構造体に
   対して設けられ対象物の運動を上記相対運動の方
   向に少くとも実質的に平行な方向において検知す
   るように構成配置された光電検出系、および加
   算・減算計数器を有する装置において、上記相対
   運動にもとづき発生される基準信号を受ける信号
   変換装置１６と、この信号変換装置の出力に対し
   動作的に接続する第１周波数マルチプライヤー１
   ７と、この第１周波数マルチプライヤーの出力に
   接続する入力および上記光電検出系に接続する入
   力を有する第１位相検波器２１と、この第１位相
   検波器の出力に接続する入力および加算・減算計
   数器に接続する出力を有するローパスフイルター
   ２３と、上記信号変換装置の出力に動作的に接続
   する入力および上記光電検出系に接続する入力を
   有する第２位相検波器２０と、この第２位相検波
   器の出力に接続する入力および加算・減算計数器
   に接続する出力を有するローパスフイルター２２
   と、上記信号変換装置と上記第１および第２位相
   検波器のうちの少くとも一方２１との間に接続す
   る移相器１９とを設けたことを特徴とする運動測
   定装置の加算・減算計数器用の制御信号を発生す
   る装置。 ４ 上記第１および第２位相検波器のうちの他方
   ２２と上記信号変換装置との間に第２周波数マル
   チプライヤー１８を設けたことを特徴とする特許
   請求の範囲第３項に記載の装置。 ５ 上記結像光学系、格子構造体および光電検出
   系が光学的相関器を形成することを特徴とする特
   許請求の範囲第３項に記載の装置。 ６ 上記格子構造体が前記光学系の光軸に直角の
   方向に運動可能に支承されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項に記載の装置。 ７ 対象物の像と上記格子構造体との間の周期的
   相対運動を発生させるための光学部材２７が設け
   られていることを特徴とする特許請求の範囲第５
   項に記載の装置。 ８ 上記光学系、格子構造体、光電検出系が格子
   形成器を構成することを特徴とする特許請求の範
   囲第３項に記載の装置。 ９ 対象物の像と上記格子構造体との間の周期的
   相対運動の振幅が上記格子構造体の格子ピツチの
   半分に等しいことを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項に記載の装置。 １０ 上記駆動装置の可動部材が、それによつて
   動かされる部材と共に固有の振動数で振動する１
   つのユニツトを形成することを特徴とする特許請
   求の範囲第５項に記載の装置。 １１ 対象物の像と格子構造体との間の周期的相
   対運動の振幅が格子構造体の格子ピツチの半分に
   等しいことを特徴とする特許請求の範囲第８項に
   記載の装置。 １２ 上記駆動装置の可動部材が、それによつて
   動かされる部材と共に固有の振動数で振動する１
   つのユニツトを形成することを特徴とする特許請
   求の範囲第８項に記載の装置。