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Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Bestimmen der Lageänderungen eines Objektes gegenüber einem zweiten
Objekt mittels eines mit dem einen Objekt verbundenen optischen Rasters mit nahezu
senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Linien und mit einer mit dem zweiten
Objekt verbundenen, aus einer Lichtquelle, einem optischen System und einem oder
mehreren foto elektrischen Elementen bestehenden Abtastvorrichtung, bei welcher
eine Zone des Rasters auf eine andere Zone desselben als eine sich bei der Bewegung
des Rasters gegensinnig zu der zweiten Zone bewegende Abbildung abgebildet und das
Lichtbündel nach nochmaligem Zusammenwirken mit der zweiten Zone des Rasters auf
eine oder mehrere foto elektrische Vorrichtungen geworfen wird zur Erzeugung von
als periodische Funktion des Verschiebungsmaßes auswertbaren foto elektrischen Signalen,
derart, daß durch entsprechende Mittel aus der Periodizität dieses elektrischen
Signals die Größe und die Richtung oder nur die Größe des Verschiebungsweges abnehmbar
ist. Eine solche Vorrichtung kann Anwendung finden bei Geräten, bei denen geradlinige
oder kreisförmige Bewegungen ausgeführt werden, z. B. bei Werkzeugmaschinen, wie
Bohrmaschinen, Fräsmaschinen u. dgl. Es kommt dabei vor, daß von Hand oder selbsttätig
herbeigeführte Verschiebungen eines beweglichen Teiles gegenüber einem stillstehenden
Teil, z. B. eines Schlittens gegenüber einem Gestell, mit großer Genauigkeit selbsttätig
gemessen werden müssen. Eine ähnliche Vorrichtung ist z. B. aus der britischen Patentschrift
782 831 bekannt.
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Bei dieser bekannten Vorrichtung wird Licht durch das Raster hindurch
in ein optisches Abbildungssystem geworfen. Das Licht wird von letzterem wieder
auf das Raster zurückgeworfen und erzeugt dort ein Bild in etwa natürlicher Größe,
das sich gegensinnig zum Raster selbst bewegt. Die Bewegung kann eine lineare Verschiebung
oder eine Drehung sein. In dem aus dem Raster rückwärts heraustretenden Licht treten
dann Schwankungen auf, die der doppelten Periodenzahl entsprechen, über die das
Raster verschoben worden ist und die fotoelektrisch gezählt werden.
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In der französischen Patentschrift 1221019 ist eine Vorrichtung beschrieben,
bei der ein Bild des Rasters an sich mittels eines optischen Systems erzeugt wird,
welches aus einem flachen oder spärischen Spiegel, einem Dachspiegel oder einem
Prisma und einem zwischen diesem Element und dem Raster angeordneten optischen System
besteht, welches zweimal durchlaufen wird, nämlich in der Vorwärts- und der Rückwärtsrichtung.
Auf diese Weise kann ein Bild einer
bestimmten Zone des Rasters auf derselben Zone
erzeugt werden.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, solche Vorrichtungen zur Verwendung
mit einem Reflexionsraster statt mit einem Durchlaßraster geeignet zu machen, derart,
daß der Lichtverlust innerhalb zulässiger Grenzen gehalten wird. Das Reflexionsraster
kann ein Phasenraster oder ein Absorptionsraster sein. Es ist dabei im allgemeinen
nicht erwünscht, mehrere halbdurchlässige Spiegel zu verwenden, da diese einen großen
Lichtverlust herbeiführen.
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Hierzu sei bemerkt, daß es an sich bekannt ist, z. B. aus der britischen
Patentschrift 787 641, bei solchen Anordnungen an Stelle von Durchlaßgittern Reflexionsgitter
zu verwenden. Ebenso ist bekannt, bei der Abbildung eines Rasters auf ein anderes
Raster oder auf sich selbst zur Vermeidung von optischen Störwirkungen streng parallele
Strahlenbündel anzuwenden. So z. B. aus der Patentschrift 13 145 des Amtes für Erfindungs-
und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands. Es wurde auch bereits
vorgeschlagen, bei fotoelektrischen Meßvorrichtungen, bei denen Objekte an sich
selbst abgebildet werden, an Stelle der optischen eine geometrische Strahlenteilung
vorzunehmen (vgl. dazu z. B. die deutsche Auslegeschrift 1089 561).
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Die Erfindung besteht darin, daß das Raster in an sich bekannter
Weise als Refiexionsraster ausgebildet ist und das von der Lichtquelle ausgehende
Lichtbündel nach Reflexion an diejenige Stelle einer in dem
optischen
System angeordneten Fläche geleitet wird, welche von der abzubildenden Zone des
ersten Rasters aus über den zwischen dieser Fläche rund dem Raster liegenden Teil
des optischen Systems im Unendlichen beobachtbar ist, und dann weiter zunächst an
diejenige Stelle einer weiteren Fläche geleitet wird, welche von der zweiten Zone
aus über den zwischen der zweiten Zone und dieser letztgenannten Fläche liegenden
Teil des .optischen Systems im Unendlichen beobachtbar ist, und dann den fotoelektrischen
Elementen zugeleitet wird, in einer solchen Anordnung, daß dabei die Lichtquelle
oder ein Bild derselben in der zuerst genannten Fläche liegt in einem Punkt, welcher
senkrecht zur Streurichtung gegenüber dem Deckpunkt des in der ersten Fläche durch
den ersten Teil des optischen Systems von der ersten Zone des Rasters erzeugten
Bildes verschoben ist, und daß gleichzeitig durch den zweiten Teil des optischen
Systems in der zweiten Fläche ein Bild der zweiten Rasterzone erzeugt wird, welches
senkrecht zur Streu richtung gegenüber dem in dieser Fläche entsprechenden Deckpunkt
verschoben ist, und daß dabei letzteres Bild unmittelbar oder über weitere optische
Mittel auf das fotoelektrische Element einwirkt.
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Durch diese Maßnahme werden die Verwendung halb durchlässiger Spiegel
und die dadurch bedingten Lichtverluste vermieden.
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Die erwähnten Zonen des Rasters können dabei, ebenso wie die Teile
des optischen Systems, räumlich getrennt sein oder zusammenfallen.
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Die Erfindung wird an Hand einiger in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem um eine Achse A
drehbaren, radialen Reflexionsraster R, das als Absorptionsraster ausgebildet ist.
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Das Licht der Lichtquelle B wird über eine Linse L4, einen Spiegel
83 und eine Linse dem Raster zugeleitet. Es trifft auf das Raster in der Zone D1,
das zurückgeworfene Licht tritt nochmals durch die Linse L1 hindurch und wird dann
über Spiegel 8 und 82 zur Linse L3 und von dort zur zweiten Zone D2 des Rasters
geleitet. Zwischen den Spiegeln S und 82 befindet sich noch die Linsen2, welche
als Feldlinse wirksam ist und die Brennflächen V1 und V2 der Linsen L1 und L8 aufeinander
abbildet.
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Nachdem das Licht auch in der Zone D2 reflektiert worden ist. tritt
es wieder durch die Linse L3 hindurch und wird über einen Spiegel 84 und eine Linse
L5 auf das foto empfindliche Element F geworfen.
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Die Linsen L1 und L3 sind z. B. Mikroskopobjektive; durch L1 ist
die Zone D1 der Fläche der Linse L2 und ebenso ist durch L3 die Zone D2 der Fläche
von L2 zugeordnet.
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In F i g. la ist der Strahlengang schematisch dargestellt. Das Licht
wird von einer Zone G1 aus, die in einer Fläche V1 im optischen System liegt, welche
Fläche vom Raster aus im Unendlichen gesehen wird, dem Raster zugeleitet. Nach erfolgter
Abbildung des Rasters an sich wird das Licht von der Zone G2 einer gleichartigen
Fläche V2, die mit der ersten zusammenfallen kann, aus dem Strahlengang heraus und
zum fotoelektrischen Element geleitet. Dpl und Dp2 sind die Deckpunkte der Bilder
der Flächen, gegenüber denen die Zonen etwas verschoben gewählt werden können, so
daß :Raum zum Anordnen der Spiegel 83 und 84 vorhanden ist. Die Rasternuten sind
hier parallel zur Zeichenebene.
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Hierbei kann bemerkt werden, daß das Bild der Lichtquelle aus den
Beugungsmaxima des Rasters entsprechenden Abbildungen aufgebaut sein wird. Das der
normalen Spiegelung an der Rasterobertläche entsprechende Bild ist das Bild der
Oten Ordnung, das unter gewissen Voraussetzungen fehlen kann.
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Dadurch, daß die Zone G1 an der Stelle des Spiegels 83, von der aus
das Licht zum Raster geleitet wird, derart gewählt wird, daß sie außerhalb der Abbildung
G1, liegt, kann hier die Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels vermieden werden.
In gleicher Weise wird die Zone G2 gewählt, von der aus das Licht zu den Fotozellen
geleitet wird. Auch dort wird also die Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels
vermieden. Die Zone G wird vorzugsweise derart gewählt, daß die Zone G und ihre
Abbildung G' in einer Richtung zueinander verschoben sind, die den Rasternuten entspricht
und sich also senkrecht zur Streurichtung erstreckt.
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Die Lichtquelle B wird von der LinseL4 in der Ebene V1 beim Spiegel
83 abgebildet. Es ist einleuchtend, daß die Lichtquelle in V2 beim Spiegel 84 abgebildet
ist. Mittels der Linse L5 wird die Lichtquelle auf der Fotozelle F abgebildet, in
der die sich aus der Drehung des Rasters R um seine Achse ergebenden Lichtschwankungen
in Schwankungen eines elektrischen Stromes übergeführt werden. Bei jeder Drehung
über eine Rasterperiode treten zwei Maxima im Lichtfluß auf.
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Die beschriebene Vorrichtung kann in ähnlicher Weise wie bei bekannten
Vorrichtungen dadurch richtungsempfindlich gemacht werden, daß z. B. zwischen der
Linse L1 und der Zone D1 oder zwischen der Linsen, und der Zone D2 ein Doppelbrechungsplatte
mit schräger optischer Achse angeordnet und das Licht über ein polarisierendes Teilsystem,
in zwei gegenseitig senkrecht polarisierte Bestandteile geteilt, zwei Fotozellen
zugeführt wird.
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F i g. 2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung
zum Messen linearer Verschiebungen eines Rasters R senkrecht zu den Rasternuten.
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Vorausgesetzt ist, daß das Raster ein Phasenraster ist mit einem Durchschnitt
senkrecht zu den Rasternuten, wie in F i g. 2 a dargestellt ist. Ä ist die mittlere
Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Bei dieser Ausführungsform fallen die Zonen
D1 und D2 zusammen.
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Die Vorrichtung besitzt einen einzigen Teilspiegel St.
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Das Licht der Lichtquelle B wird über diesen Teilspiegel auf die Linse
L1 geworfen, welche in der Öffnung H des Hohlspiegels ein Bild der Lichtquelle erzeugt.
Der Hohlspiegel 82 befindet sich etwa in der Brennfläche einer Linse L2. Durch die
Öffnung H hindurch trifft das Licht weiterhin über die Linsen, auf der Zone D1 des
Rasters R auf.
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Bei einem solchen Raster ist das Beugungsmaximum der Oten Ordnung
sehr schwach, ebenso wie die Maxima sämtlicher geraden Ordnungen. Die. +lte und
die -1te Ordnung sind stark und erzeugen am Spiegel 82 die Bilder B+1 und B-, der
alten bzw. -Iten Ordnung.
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Infolge der Streuung sind diese Bilder, wie in F i g. 2b dargestellt,
senkrecht zu den Rasternuten spektral ausgedehnt. Nach Zurückwerfung durch den Hohlspiegel
trifft das Licht wieder über die Linse L2 auf derselben Zone des Rasters R auf.
Durch die Öffnung H hindurch werden dann die Bündel der Ordnung +1, 1 und -1 zurückgeworfen;
dies sind die Bündel, die sich aus dem von B+1 herrührenden Licht der Ordnung +1
und aus dem von B-, herrührenden Licht der
Ordnung - 1 ergeben.
Diese kohärenten Bündel treten zusammen über die Öffnung im Spiegel 82 durch die
Linse L1 und ergeben nach Zurückwerfung an 8i auf der Fotozelle F zwei kohärente
Bilder von B.
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Das Signal hat die Gestalt:
In F i g. 2b ist die Ansicht des Spiegels S2 von L aus nochmals dargestellt.
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Wenn das Licht der Oten Ordnung störend ist, kann die Anordnung abgeändert
werden, wie es durch F i g. 2 c verdeutlicht ist. Die Öffnung H liegt dann in der
Nutenrichtung exzentrisch zur optischen 0 des aus L2 und 82 bestehenden Abbildungssystems.
Die Ote Ordnung liegt dann symmetrisch gegenüber0, wenn vorausgesetzt wird, daß
die Rasterfläche senkrecht zur optischen Achse des Abbildungssystems L2, 82 ist,
und kann stellenweise durch örtliche Schwärzung des Spiegels S2 unschädlich gemacht
werden.
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Statt durch eine Öffnung Him Spiegel 82 kann mittels eines vor 82
gesetzten Prismas oder Spiegels das Licht nach L2 abgelenkt werden. Zur Erzielung
eines phasenmodulierten Signals zwecks Bestimmung der Verschiebung, kann der Spiegel
82 in bekannter Weise in Schwingung versetzt werden. Auch können mehrere phasenverschobene
Signale mittels einer zwischen: und R angebrachten Doppelbrechungsplatte mit schräger
optischer Achse und eines polarisierenden Teilprismas erzeugt werden.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 trifft das Licht der Lichtquelle
B längs des Spiegels S1 auf der Linse L1 auf. Die Lichtquelle B wird von L1 bei
der Linse L2 und dem AblenkprismaP abgebildet, die nahe am Hohlspiegel 82 stehen.
Der Hohlspiegel S2 befindet sich etwa in der Brennfläche der Linse L3. Das Licht
trifft über der Linsen, auf der Zone des Rasters R auf, da die Linsen, die Kante
E von 5 über das System, L2, P und L2 auf R abbildet.
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Die Linse L2 ist praktisch entbehrlich, wenn die Lichtquelle klein
ist. Das von der Zone D1 zurückgeworfene Licht fällt durch die Linse L3 auf den
Hohlspiegel 82 zurück und erzeugt dort Bilder der Ordnung 1 und 0, welche durch
B1 und Bo (s. F i g. 3 a) bezeichnet sind.
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Das Bild B1 ist spektral ausgedehnt. Das Licht wird von dem Hohlspiegel
82 zurückgeworfen und trifft über die Linse L3 auf die Zone D2 auf. Auf dem von
der Zone D2 zurückgeworfenen Licht werden die Bündel der Ordnung 0,0 und 1,1 verwendet,
die beide wieder auf dem Prisma P auftreten und dort die Bilder Bo,o und B1,1 der
Lichtquelle erzeugen. Das Licht trifft dann auf dem Spiegel S1 auf und wird zur
Fotozelle F zurückgeworfen. Das in der Fotozelle erzeugte Signal hat die Gestalt:
Das Raster kann die in F i g. 3b dargestellte Gestalt haben. Das Profil ist hier
sinusförmig mit einer 1,5 Wellentiefe von 122 i, um »Auffiammen« in der -1ten und
alten und der Oten Ordnung zu erzielen.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist es auf gleiche Weise wie
vorher möglich, zwei gegenseitig phasenverschobene Signale zu erzielen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.4 ist die Rastergestalt wie beim
vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Die Lichtquelle B wird von der Linse bei dem
Prisma P1 abgebildet. Hierbei werden die Maxima BOP1 und Blso verwendet, die auf
dem Prisma P2 auftreffen. Die Linse L3 bildet schließlich die Lichtquelle auf der
FotozelleF ab. Das Signal ist wieder von gleicher Gestalt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist kein Teilspiegel notwendig, während
trotzdem die ganze Zone D1 an sich abgebildet wird. Die Abbildungen Bo,-l und B1,0
sind aber spektral ausgedehnt, so daß nur ein Teil des Spektrums in der Fotozelle
einfällt. Um mehr Licht auf die Fotozelle zu erhalten, kann mittels eines geradsichtigen
Dispersionsprismas im Weg vom Prisma P2 zur Fotozelle F die Streuung beseitigt oder
wenigstens herabgesetzt werden.
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Ebenso wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel ist die Symmetrie
in den Richtungen der verwendeten Maxima für nur eine Ordnung erfüllt.