DE1941731C2

DE1941731C2 - Einrichtung zur Messung von Lageande rungen zweier relativ zueinander bewegli eher Teile

Info

Publication number: DE1941731C2
Application number: DE1941731A
Authority: DE
Inventors: Adolf 7080 Aalen Weyrauch
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1969-08-16
Filing date: 1969-08-16
Publication date: 1973-11-15
Also published as: US3674372A; CH521569A; DE1941731B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Lageänderungen zweier relativ zueinander beweglicher Teile, welche ein photoelektrisches Gitterabtastsystem besitzt und bei der mindestens ein aus periodischen Helligkeitsschwankungen aufgebautes Streifensystem erzeugt wird.

Es sind Einrichtungen bekannt, bei denen durch bestimmte Gitterauslegungen das photoelektrisch abgetastete Signal weitgehend oberwellenfrei gehalten wird.

Nachteilig bei diesen bekannten Einrichtungen ist, daß an sämtlichen Strichen der Gilterteilungen hohe Anforderungen an die Einhaltung der Strichstärke bzw. des Durchlässigkeitsverlaufes jedes einzelnen. Gitterstriches oder an die Hurchenform gestellt werden müssen.

Ferner ist es zur Erzeugung oberwellenfreier Wegmeßsignale bekannt, bei der Abbildung eines Gitters auf sich selbst oder auf ein zweites Gitter die Beugungs-{irdiiungen entgegengesetzt gleicher Ordnung auszublenden. Jc!.-ch erfordert dies eine zusätzliche Gitterabbildiing.

Die bekannte Hilterung elektrischer Signale über elektrische Filter ist bei Wegmeßeinrichtungen nicht mit der erforderlichen Genauigkeit durchführbar, da im allgemeinen nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit .ler gegeneinander \ rschiebbaren Teile gerechnet werden kann.

/iel der vorliegenden Erfindung ist es. bei Einrichlungen der eingangs erwähnten Art ein oberwellenfreies Signal ii/\\. ein Signal, welches lediglich eine ein/ige Oberwelle enthält, zu erreichen, ohne daß besondere Anforderungen an el . Ausbildung der Gitter gestellt werden müssen Liid welch; auch ohne eine zusätzliche Abbildung der Git -r aufeinander auskommt.

Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß bei derartigen Einrichtungen in der Ebene oder in unmittelbarer Nähe des Streifensystems eine Frequenzlilterblende mit sinusförmigem Durchlässigkeitsverlauf angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten und die Wirkungsweise der Erfindung sollen nun an Hand der in den Fig. 1 bis 5b dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In der schematischen Darstellung nach F i g. 1 ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, weiche in der Brennebene des Kondensors 2 angeordnet ist. Das vom Kondensor 2 ausgehende gerichtete parallele Lichtbündel durchsetzt nacheinander zwei eng beieinanderliegende Gittersysteme 3 und 4. Das Gitter system 3 ist in den Richtungen des Doppelpfeiles 5 verschiebbar und fest mit dem Teil \erblinden (z. B. Werkzeug), dessen Relativverschiebung gemessen werden soll. Das Gitter 4 ist mit dem feststehenden Teil (z. B. Maschinenbett) verbunden, gegenüber dem die Verschiebung des beweglichen Teiles gemessen werden soll.

Das Gitter 4 habe beispielsweise die gleiche Gitterkonstante li· wie das Gitter 3, jedoch sind dessen Gitterstrichc 4' gegenüber den Gitterstrichen 3' des Gitters 3 leicht geneigt. Der besseren Übersicht wegen sind die Gitterstriche lediglich im rechten Teil der Gitter eingezeichnet. Bei einer solchen Anordnung entstehen in bekannter Weise sogenannte Moiree-Streifen 6, die quer zu den Gitterstrichen 3', 4' der Gitter 3, 4 verlaufen. Die Längsrichtung der Moirce-Streifen 6 ist als v-Achsc eines rechtwinkligen Koordinatensystems festgelegt. In der Ebene der Moiree-Sireifen bzw. in deren unmittelbarer Nähe ist eine Frequenzfilterblende 7 mit einer Öffnung 8, die einen sinusförmigen Durchlässigkeitsverlauf hat. in direkter Verbindung mit dem feststehenden Gitter4angeordnet. Bei einer Bewegung des Gitters 3 in den Richtungen der Pfeile 5 verschieben sich die Moiree-Streifen 6 in der Richtung χ des Koordinatensystems. Hierbei tritt durch die Öffnung 8 der Blende 7 ein im Rhythmus der Bewegung der Moiree-Streifen 6 sich sinusförmig ändernder Lichtstrom, der über dem Kollektor 9 zu einem photoelektrischen Element IO geleitet wird und dort ein oberwellenfreies periodisches Signal in Abhängigkeit der Bewegung des Gitters 3 erzeugt. In dem weiteren Ausführungsbeispiel nach F i g. 2

'S ist mit 11 eine Lichtquelle bezeichnet, welche über den Kondensor 12 die beiden Gitter 13 und 14 mit gerichtetem parallelem Licht beaufschlagt. Das Gitter 13 sei wiederum mit dem beweglichen Teil und das Gitter 14 mit dem feststehenden Teil verbunden.

Die beiden Gitter 13. 14 haben einen endlichen Abstand ζ φ 0 voneinander und besitzen die gleiche bzw. nahezu gleiche Gitterkonstante w. Ihre Gitterstriche 13', 14' \erlaufen parallel zueinander.

Das Gitter 13 ist in den Richtungen des Doppelpfcües 15 verschiebbar. Mit Hilfe des Kollektors 19 wird wiederum die durch die Gitter 13, 14 geführte Lichtenergie dem photoelektrischen Empfänger 20 zugeführt. In dem in der Ebene 1Γ des Lichtquellenbeugungsbildes entstehenden Interferenzstreifensysteni 16 ist eine Ficquenzfilterblende 17 mit sinusförmigem Durchlässigkeitverlauf 18, das beispielsweise als verlaufendes Graufilter ausgebildet ist, welches wiederum lediglich ein oberwellenfreies bzw. nur eine einzige Oberwelle enthaltendes periodisches Signal durchläßt, das von der Bewegung des Gitters 13 abhängt.

Zur Wirkungsweise der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist folgendes zu bemerken:

Ein mit harmonischen Obe-wellen behaftetes Signal läßt sich bekanntlich durch

S(y) — a₀ -f- «j cos Irr

a_n cos 2.τ η

beschreiben.

Hierin bedeutet r die Relativbewegung eines Gitters, it- die Periodenlänge der Gitter, und die a_n sind Fourier-Koeffizienten, die sich aus Gitterabstand, Gitterneigung, Kohärenzgrad und Wellenlänge des Lichtes ergeben.

Wird nun ein Streifensystem, sei es in der Gittei·- ebene durch Moiree (\gl. Fig. 1) oder in der Pupille, d. h. in dem Lichtquellenbeugungsbild, durch einen von Null abweichenden Abstand zwischen den beiden Gittern erzeugt (vgl. F i g. 2). so ergibt sich der Helligkeitsverlauf dieses Streifensystems

5"(.v,v) = a_a (-α, cos 2 π

Hierin ist W die Periodenlänge des Streifensystems und χ die Ortskoordinate senkrecht zu den in der j-Richtung verlaufenden Streifen. Wird in einem derartigen Streifensystem eine Blende, deren Durchlässigkeitsverlauf durch D.(x,y) gegeben ist, angeordnet,

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so ist der Lichtstromverlauf nach der Blende gegeben durch

D (χ,y) S(x, ν) dx dy =Y b_a cos 2rr«

Die b„ ergeben sich durch eine einfache Multiplikation der (V,, mit dem entsprechenden Wert der Fouriertransformierten C_n von D(x,y), wobei diese sich bekanntlich aus

>')e'²ⁿⁿ -dvdv
W '

ergeben. Die Obervellen v,jrden durch eine Filterblende dann unterdrückt, wenn c„ = 0 für /; — 2, 3, 4 ... wird.

F.ine derartige Wirkung besitzt ι. B. eine Frequenzfilterblende, deren Öffnung einen sinusförmigen Verlauf aufweist, wie z. B. in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 als Blende 7, 8 dargestc^Mt ist.

Für die Öffnung einer derartigen Frequenzfilterblende gelten dabei folgende Bedingungen:

Ay - «„ ;- α, sin In η

Dieses Durchlaßgebiet hat nun in der .v-Richtung einen sinusförmigen Verlauf seiner Durchlässigkeit D, wie in F i g. 4 b dargestellt ist, und außerhalb des Durchlaßgebietes 18 isi die Durchlässigkeit gleich Null.

Formelmäßig ausgedrückt muß die Durchlässigkeit D folgenden Bedingungen genügen:

D(x,v) r für — wl -η I < v< -

D(_\,y) -= 0 außerhalb des obigen Bereiches.

Hierin stellt Ay den Verlauf der Groß: der Blendenöffllung in Richtung des Streifensystems (in r-Richtung) und D(x,y)x die Durchlässigkeit der Blende dar; W ist die Periodenlänge des Streifensystems und 11 eine ^anze Zahl, entsprechend der Ordnungszahl der durchzulassenden Oberwelle. a₀, a_x und c sind Konstanten, wobei a₀ > α, und c < 1 ist. m ist eine ganze Zahl entsprechend der Anzahl der von der Frequenzlilterblende erfaßten Streifenperioden, und ψ ist die Verschiebung des Filterveriaufes innerhalb seiner Begrenzung.

Zur Frläuterung dieser Bedingungen sei auf die Fig. 3a bis 3c hingewiesen.

In der F i g. 3a ist der Verlauf der Blendenöffnung Δ y nach der obigen Formel dargestellt.

in der Fig. 3b sind zwei einen derartig vorgegebenen Verlauf genügende Blendenöffnungen 8' bzw. 8"

W mit einer Verschiebung des Filterveriaufes von<p— +

beispielsweise dargestellt.

In der Fig. 3c ist eine Frcqiienzfilterblende mit mehreren jeweils eine Strcifenpericdenlänge W erfassende Blendenöffnungen 8 dargestellt. Hierbei gelten für die Zonen 0 beispielsweise m -5, Zonen I bzw. Γ m — 3 und Zonen II bzw. H' m — 1.

Eine weitere Ausbildungsform der Frequenzfilter- 6u blende, wie sie beispielsweise in der F i g. 2, Teil 17, 18 verwendet ist, sei nun an Hand der F i g. 4a und 4b erläutert:

Das rechteckförmige Durchlaßgebiet 18 der Blende 17 (F i g. 4a) hai eine Breite (in der .v-Richtung) von der Periodenlänge W des Streifensystems. Die Höhe des Durchlaßgebietes (in ^-Richtung) ist durch die Begrenzungen K₁ und K₂ bestimmt.

α, sin 2;th

für —m

■ ψ j < .ν < 4- m [ + ψ

und K₁ < y < K₂ ,
D(xy) —■ 0 für außerhalb des obigen Bereiches.

Die Bedeutung der Bezeichnungen ist bereits an Hand der obigen Figuren beschrieben worden bzw. ergil-t sich ohne weiteres au^c diesen Abbildungen.

Selbstverständlich läßt sicn eine Frequenzfilterblende nach der Erfindung auch aus einer Kombination der geschilderten Blendenarten aufbauen.

im übrigen sind die dargestellten Einrichtungen lediglich als Ausführungsbeispiele gedacht, die sich noch mannigfach im Rahmen des Erfindungsgedankens variieren lassen.

l.iiie strenge Ausfilteruni, der Grundwelle bzw. einer einzigen Oberwelle setzt jedoch voraus, daß die Periodenlange W des Streifensystems konstant ist. Durch unvermeidliche Toleranzen bedingt, durch die beispielsweise bei einer Verschiebung des beweglichen Gitters gegenübe^r dem feststehenden Abtastgitter leichte zusätzliche Verdrehungen auftreten können, besteht die Gefahr, daß geringe Änderungen in der Periodenlänge W während des Meßvorganges auftreten können.

Dies läßt sich jedoch in Weiterführung des Erfindungsgedankens dadurch kompensieren, wie in den F i g. 5a und 5b dargestellt ist, daß das bewegliche Gitter 23 mit einem zweiteiligen Abtastgitter 24, das die beiden Felder 24a und 24b besitzt, dessen Gitterstriche von gleicher Gitterkenstante entgegengesetzt gleich gegenüber den Gitterstrichen 23' des Gitters 23 geneigt sind. Hierdurch entstehen nun zwei Moiree-Streifensysteme (für jedes Abtastfeld eines), in denen wiederum je eine Frequenzfilterblende nach der Erfindung eingebracht ist.

Die Frequenzlilterblenden 28a, 28b können auch, wie in der F i g. 5a dargestellt ist, direkt auf die Abtastgitter 24a, 24b aufgebracht sein.

Das von der Lichtquelle 21 (vgl. F i g. 5b) über den Kondensor 22 mit parallelem 1 icht beaufschlagte Gittersystem 23, 24 erzeugt zwei Streifensysieme, und die durch die Blenden 28α, 28ή ausgeblendeten Lichtströme worden über den Kollektor 29 gemeinsam dem photoelektrischen Empfänger 30 zugeführt.

Bei einer Verdrehung des Gitters 23 gegenüber dem Gitter 24 um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 5a ändern sich die Neigungswinkel der Teilgitter entgegengesetzt gleich und damit werden auch die hiervon abhängigen Periodenlängen W der beiden Streifensysteme um entgegengesetzt gleiche Beträge geändert.

Da nun beide Teilabtastungen im gleichen Photoelement aufsummiert werden, kompensieren sich diese Änderungen gegenseitig.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung von Lageänderungen zweier relativ zueinander beweglicher Teile, welche ein photoelektrisches Gitterabtastsystem besitzt und bsi der mindsstcns ein aus periodischen Helligkeitsschwankungsn aufgebautes Streifensystem erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dsr Ebene oder in unmittelbarer Nähe des Streifensyslems (6, 16) cine Ficquenzfillcrblende (7, 17) mit sinusförmigem Durchlässigkcitsvcrlauf (Δ y, D) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzfilterblcnde mindestens eine öffnung (8) aufweist, für die die Bedingungen iS

Δ y = a₀ -f α, sin 2πη

IW

IW \ IW

D(x,y) = c für -m\ --_φ\< χ < + m\ +ψ

D{x,y) = 0 außsrhalb obig2n Bereiches

gelten (wobei Δ y den Verlauf der Größe dei Blendenöffnung in Richtung des Streifensystems und D(x, y) die Durchlässigkeit der Blende darstellen, W die Poriodcnlänge des Streifensystems ist und // eine ganz Zahl, entsprechend der Ordnungszahl der durchzulassenden Oberwelle, a₀, «, und c sind Konstanten; in ist eine ganze Zahl entsprchcnd der Anzahl der von der Blende erfaßter Streifenpsrioden, und ψ ist die Verschiebung des Filterverlaufes innerhalb seiner B;grcnzung).

3. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlilssigkcitsg:biet der Frequcnzfiltcrblcndc in Längsrichtung des Streifensystems durch zwei Begrenzungen (Ä'[ und AT₂) bestimmt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch J oder einem der folgenden, bsi der zwei Slrcifcnsystcmc erzeugt werden, dadurch gckcnnzcic'mit, daß die Periodinlängen der beiden Streifensystcmc sich um entgegengesetzt gleiche Beträge ändern und in jcd;m ,Streifensystem ei.ie Frcquenzfilterblendc (28a, 23fe) angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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