DE1673978B1 - Photoelektrische messanordnung zum bestimmen der gegenseitigen verlagerung zweier objekte - Google Patents

Description

• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Meßanordnungen mit einem im Maßstab 1 : 1 auf sich selbst abzubildenden einzigen Gitter so weiterzubilden, daß unter Beibehaltung der Vorteile der Anordnungen mit nur einem Gitter auch die auf eine Verlagerung des Gitters quer zu seiner Ebene und eine Dreh- oder Exzentrizitätsbewegung des Gitters zurückgehenden Meßfehler beseitigt sind.
• Ausgehend von einer photoelektrischen Meßanordnung der eingangs genannten Art, ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umlenkglieder des optischen Systems zur Umlenkung des Strahlengangs um 3600 derart angeordnet sind, daß dessen Austrittsstrahlengang gleiche Richtung wie der Einfalisstrahlengang aufweist.
• Im Gegensatz zu allen bekannten Anordnungen ist also bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Austrittsstrahlengang des optischen Systems von der gleichen Seite her auf das Gitter gerichtet wie das die abgebildete Zone durchleuchtende Lichtbündel.
• Der Strahlengang im optischen System ist also außen um das Gitter herumgeführt. Dies führt in einfachster Weise und ohne die Notwendigkeit besonderer Maßnahmen zwangläufig dazu, daß sich bei einer eventuellen Drehung bzw. Exzentrizität des Gitters die Abbildung des Gitters auf diesen im gleichen Maße und in gleicher Richtung dreht und es deshalb zu einer Änderung des Unterschiedes der Gitterneigung, also des Unterschiedes zwischen der Neigung der Gitterlinien des körperlichen Gitters und der Neigung der darauf abgebildeten Gitterlinien, nicht kommen kann. Der zweite, wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Meßanordnung besteht darin, daß auch eine parallele Verlagerung des Gitters quer zu seiner Ebene für die genaue Arbeitsweise der Anordnung unschädlich ist. Dies liegt daran, daß die Bildebene des optischen Systems bei der erfindungsgemäßen Anordnung im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen stets praktisch identisch mit der Gegenstandsebene bleibt, also einer Querverlagerung des in der Gegenstandsebene liegenden Gitters folgt; da sich die Bildweite in bestimmten Grenzen um den gleichen Betrag vergrößert bzw. verkleinert, um den sich die Gegenstandsweite verkleinert bzw. vergrößer.
• Zur Umlenkung des Strahlengangs des optischen Systems um insgesamt 3600 genügen an sich bereits drei Umlenkglieder, z. B. drei Planspiegel oder Prismen. Im Sinne eines Kompromisses zwischen Aufwand und Raumbedarf hat es sich jedoch als günstig erwiesen, ein optisches System mit vier Umlenkgliedern, die den Strahlengang jeweils um 900 ablenken, vorzusehen. Die neue Meßanordnung ist gleichermaßen gut zur Erfassung translatorischer Verlagerungen mit Hilfe eines Lineargitters und zur Erfassung rotatorischer Verlagerungen mit Hilfe eines Radialgitters geeignet. In Verbindung mit einem Lineargitter genügt ein optisches System ohne jede Besonderheiten, das in üblicher Weise eine reelle, kopfstehende und seitenverkehrte Abbildung erzeugt.
• Bei einem Radialgitter, dessen Gitterteilung zum Mittelpunkt hin enger wird, ist jedoch zur Erzielung einer formtreuen Überlagerung dafür zu sorgen, daß in der Abbildung der randnahe Bereich der abgebildeten Zone nicht mit dem mittelpunktsnahen Bereich der abgebildeten Zone vertauscht wird, also eine in bezug auf die Radialrichtung des Gitters seitenrichtige Abbildung erzeugt wird. Dies kann in Verbindung mit einem üblichen optischen System in einfacher Weise durch Verwendung eines doppelreflektierenden Fünfeckprismas als eines der Umlenkglieder geschehen.
• Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Lineargitter, Fig. 2 eine Seitenansicht zu F i g. 1, F i g. 3 eine isometrische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Radialgitter, F i g. 4 eine Seitenansicht einer gegenüber F i g. 3 abgeänderten Ausführungsform mit einem Radialgitter, F i g. 5 eine Draufsicht zu F i g. 4 und Fig. 6 eine Seitenansicht zu F i g. 4.
• Die in den F i g. 1 und 2 gezeigte photoelektrische Meßanordnung dient zum Bestimmen der translatorischen gegenseitigen Verlagerung zweier Objekte.
• Die Meßanordnung umfaßt ein durchsichtiges optisches Lineargitter G, das mit dem einen Objekt verbunden ist, und ein eine durchleuchtete Zone des Gitters zurück auf das Gitter abbilden des optisches System, das mit dem anderen Objekt verbunden ist und die Sammellinsen L 1 und L 2 sowie die Umlenk-Spiegel M 1, M 2, M 3 und M 4 umfaßt. Das optische System erzeugt in an sich bekannter Weise eine reelle, seitenverkehrte und kopfstehende Abbildung im Maßstab 1 : 1. Die Umlenk-Spiegel lenken den Strahlengang des optischen Systems um jeweils 900 ab und sind so angeordnet, daß sich insgesamt eine Umlenkung von 3600 derart ergibt, daß der Austrittsstrahlengang 12 des optischen Systems die gleiche Richtung wie der Einfallsstrahlengang 11 aufweist.
• Im einzelnen fällt der von einer Beleuchtungseinrichtung stammende Strahlengang 11 senkrecht auf das Gitter G, erzeugt dort eine durchleuchtete Zone und gelangt nach Durchtritt durch das Gitter auf den ersten Umlenk-Spiegl M 1. An diesem wird der Strahlengang zum zweiten Umlenk-Spiegel M 2 reflektiert, durchtritt von dort entgegengesetzt zur Einfallsrichtung die Sammellinse L1 und gelangt zum dritten auf der Beleuchtungsseite des Gitters G angeordneten Umlenk-SpiegelM3. An diesem wird der Strahlengang durch die zweite Sammellinse L 2 hindurch zum vierten Umlenk-Spiegel M 4 und von dort als Austrittsstrahlengang 12 in gleicher Richtung wie der Einfallsstrahlengang 11 durch das Gitter G zu einem photoelektrischen Wandler p reflektiert.
• Die beiden Sammellinsen L1 und L2 sind von gleicher Konstruktion; ihre Brennpunkte liegen daher zur Erzielung der gewünschten reellen Abbildung im Maßstab 1 : 1 jeweils in der Ebene des Gitters G.
• Ein Gegenstandspunkt der durchleuchteten Zone des Gitters ist mit P und seine Abbildung auf dem Gitter mit P' bezeichnet. Der photoelektrische Wandler erfaßt die durch die Überlagerung des Gitters und seiner Abbildung im Maßstab 1: 1 nach dem Prinzip unterschiedlicher Gitterneigung erzeugten Moire-Streifen. Die Wanderung der Moire-Streifen bei einer gegenseitigen Verlagerung von Gitter und Gitterbild über den Wandler wirkt sich dabei als sinusförmige Intensitätsänderung des Lichtes und eine entsprechende Änderung des Ausgangssignais des Wandlers aus.
• Wird das Gitter G und damit der Gegenstandspunkt in Richtung des Pfeils x verlagert, wandert der Bildpunkt P' in der entgegengesetzten Richtung über das Gitter. Die gegenseitige Verlagerung von Gitter und Gitterbild erfolgt daher mit der doppelten Geschwindigkeit der gegenseitigen Verlagerung des Gitters und des optischen Systems bzw. der beiden Objekte. Da sich die Wanderung der Moire-Streifen nach der gegenseitigen Verlagerung von Gitter und Gitterbild richtet, bedeutet dies eine Erhöhung der Meßgenauigkeit um den Faktor 2 gegenüber Anordnungen mit zwei körperlichen Gittern Wird das Lineargitter G in seiner Ebene gedreht, dreht sich die Abbildung des Gitters im gleichen Drehsinn, so daß der gegebene Winkelunterschied zwischen dem Verlauf der Gitterlinien des körperlichen Gitters und des Gitterbildes automatisch erhalten bleibt.
• Bei einer Verlagerung des Gitters G quer zu seiner Ebene verlagert sich die Abbildung des Gitters innerhalb praktisch vorkommender Grenzen in der gleichen Richtung und um den gleichen Betrag, so daß die Abbildung des Gitters stets in der Ebene des Gitters bleibt. In Fig. 5 ist ein Gegenstandspunkt, welcher einer neuen Lage des Gitters G nach einer Querverlagerung entspricht, mit Q und der entsprechende Bildpunkt mit Q' bezeichnet. Beide Punkte liegen in der gleichen Ebene, da das optische System innerhalb praktischer Grenzen stets die Gleichung QP = Q'P'befriedigt. Es kann also praktisch nie zu Meßfehlern auf Grund sich verschlechternden Kontrastes und insbesondere auf Grund einer ungewollten unterschiedlichen Gitterteilung kommen.
• F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Radialgitter zum Bestimmen von Winkelverlagerungen zweier Objekte, die nach dem genau gleichen Prinzip wie die zuvor beschriebene Ausführungsform arbeitet.
• Die Meßanordnung nach F i g. 3 umfaßt eine Lichtquelle 1 mit einer nachgeschalteten Kondensorlinse 2 als Beleuchtungseinrichtung, ein im Maßstab 1 : 1 abbildendes optisches System mit einem ersten einfach reflektierenden Dreieckprisma 3, einer ersten Sammellinse 4, einem doppelreflektierenden Fünfeckprisma 5, zwei Umlenk-Spiegeln 6 und 7, einem weiteren Dreieckprisma 8, einer weiteren Sammellinse 9 und einem dritten Dreieckprisma 10, ferner eine Photozelle 12 mit vorgeschalteter Sammellinse 11 und das Radialgitter G.
• Die in den F i g. 4 bis 6 gezeigte Ausführungsform gleicht der in F i g. 3 gezeigten Ausführungsform, bis auf den Unterschied, daß die beiden Umlenk-Spiegel 6 und 7 durch ein in der Wirkung gleiches Parallelogrammprisma 14 ersetzt sind, das ohne Luftzwischenraum zwischen das Fünfeckprisma 5 und das zweite Dreieckprisma 8 eingefügt ist.
• Das von der Lichtquelle 1 stammende und mittels der Kondensorlinse 2 gleichgerichtete Licht durchleuchtet im rechtwinkligen Auffall eine Zone A des Radialgitters G. Mittels des optischen Systems wird eine reelle Abbildung im Maßstab 1 : 1 der durchleuchteten Zone A unter Einhaltung der durch die Pfeile angedeuteten Bildlage im Bereich B des Gitters erzeugt. Der von der Zone A ausgehende Einfallsstrahlengang des optischen Systems wird im Dreieckprisma 3 um 900 abgelenkt und durchtritt die erste Sammellinse 4. Aus dem anschließenden Fünfeckprisma 5 tritt der Strahlengang nach doppelter Reflexion im Prisma und einer Ablenkung um insgesamt 900 parallel zum Einfallsstrahlengang des optischen Systems aus. Mittels der Spiegel 6 und 7 bzw. mittels des Parallelogrammprismas 14 erfolgt anschließend eine seitliche Versetzung des Strahlengangs in Umfangsrichtung des Radialgitters. Im folgenden zweiten Dreieckprisma 8 folgt eine abermalige Umlenkung um 900 und nach Durchtritt durch die zweite Sammellinse 9 eine letzte Umlenkung um 900 im Dreieckprisma 10 derart, daß der das Dreieckprisma 10 verlassende Austrittsstrahlengang die gleiche Richtung wie der Einfallsstrahlengang aufweist und von der gleichen Seite wie das Beleuchtungsbündel im Bereich B auf das Gitter G auftrifft. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform erfaßt die Photozelle 12 mit der vorgeschalteten Sammellinse 11 die entstehenden Moire-Streifen.
• An sich erzeugt das optische System genau wie bei der zuvor erläuterten Ausführungsform ein seitenverkehrtes und kopfstehendes reelles Bild. Mittels des Fünfeckprismas S wird jedoch eine Bildumkehr derart erzeugt, daß die Ausrichtung des Gitters und des Gitterbildes in radialer Richtung des Gitters die gleiche ist, wie es in Fig. 6 durch die beiden in radialer Richtung weisenden Pfeile angedeutet ist.
• Die durch die Linsen des optischen Systems bewirkte Bildumkehr in bezug auf die Umfangsrichtung des Radialgitters bleibt jedoch erhalten, damit die gegenläufige Verlagerung von Gitter und Gitterbild nicht verlorengeht. Dies ist ebenfalls in F i g. 6 durch Pfeile angedeutet. Mit anderen Worten, wird also durch das Fünfeckprisma 5 der »Kopfstand« des Bildes, nicht jedoch seine Seitenverkehrtheit aufgehoben. Die Aufhebung des »Kopfstandes« ist notwendig, damit sich Gitter und Gitterbild konform, d. h. mit einer an jedem Punkt des Überlagerungsbereiches jeweils gleichen Gitterteilung, überlagern.
• Natürlich kann das Fünfeckprisma auch durch andere gleichwirkende optische Glieder, beispielsweise ein Spiegelsystem nach dem Porro-Koppeschen Prinzip, besetzt sein. Im übrigen arbeitet die zuletzt beschriebene Ausführungsform genauso und hat die gleichen Vorteile wic die Ausführungsform mit einem Lineargitter, wobei das für eine Drehung des Lineargitters in seiner Ebene Gesagte entsprechend für eine exzentrische Bewegung des Radialgitters gilt

Claims (1)

1. Patentanspruch: Photoelektrische Meß anordnung zum Bestimmen der gegenseitigen Verlagerung zweier Objekte, bei der zur Erzeugung von Moire-Streifen nach dem Prinzip unterschiedlicher Gitterneigung ein im Maßstab 1: 1 auf sich selbst abzubildendes einziges durchsichtiges Gitter und ein die Abbildung einer durchleuchteten Zone des Gitters bewirkendes, Umlenkglieder aufweisendes optisches System vorgesehen sind, d a -durch gekennzeichnet, daß die Umlenkglieder (M 1 bis M 4 ; 3, 5, 8, 10) des optischen Systems zur Umlenkung des Strahlengangs um 3600 derart angeordnet sind, daß dessen Austrittsstrahlengang (12) gleiche Richtung wie der Einfallsstrahlengang (all) aufweist.

   Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Meßanordnung zum Bestimmen der gegenseitigen Verlagerung zweier Objekte, bei der zur Erzeugung von Moire-Streifen nach dem Prinzip unterschiedlicher Gitterneigung ein im Maßstab 1 : 1 auf sich selbst abzubildendes einziges durchsichtiges Gitter und ein die Abbildung einer durchleuchteten Zone des Gitters bewirkendes, Umlenkglieder aufweisendes optisches System vorgesehen sind.

   Meßanordnungen mit einer photoelektrischen Erfassung von Moire-Streifen haben in den letzten Jahren eine große Verbreitung gefunden. Moire-Streifen entstehen als Üb erl agerungsfigur bei der Durchleuchtung zweier hintereinandergeschalteter optischer Gitter, die entweder eine leicht unterschiedliche Gitterteilung bei parallelem Gitterlinienverlauf oder eine leicht unterschiedliche Gitterneigung derart, daß die Gitterlinien der beiden Gitter unter einem kleinen gegenseitigen Winkel verlaufen, aufweisen. Bei einer gegenseitigen Verlagerung der Gitter in ihrer Ebene unter Aufrechterhaltung des Neigungswinkels wandern die Moire-Streifen relativ zu einem ortsfesten Betrachtungspunkt mit einer hohen Weg- bzw. Geschwindigkeitsübersetzung in bezug auf die gegenseitige Verlagerung der Gitter.

   Die Wanderung der Moire-Streifen kann mittels eines ortsfesten photoelektrischen Wandlers, beispielsweise einer Photozelle, dessen Sichtfeld kleiner als die Streifenbreite ist, als periodische Intensitätsänderung des empfangenen Lichtes erfaßt werden, wobei Frequenz und Anzahl der periodischen änderungen ein Maß für die Geschwindigkeit bzw. das Ausmaß der gegenseitigen Verlagerung der beiden Gitter sind.

   Die beiden zur Erzeugung von Moire-Streifen verwendeten Gitter müssen eine überall genau konstante Gitterteilung aufweisen, damit das Meßergebnis nicht mit systematischen Fehlern auf Grund unterschiedlicher Gitterteilung belastet ist. Eine Herstellung von Gittern mit sehr genau eingehaltener Gitterteilung ist jedoch sehr teuer. In der Praxis ergibt sich ferner die Schwierigkeit, daß die Führung der Gitter bei der gegenseitigen Verlagerung äußerst präzise sein muß, damit sich nicht im Verlaufe des Weges die gegenseitige Gitterneigung verändert und dadurch das Meßergebnis verfälscht wird. Eine genügend präzise Führung ist beispielsweise bei Werkzeugmaschinen nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand oder gar nicht zu verwirklichen. Eine präzise Führung wird im übrigen noch dadurch erschwert, daß die beiden Gitter möglichst dicht nebeneinander angeordnet sein sollen, um einen ausreichend hohen Kontrast der Moire-Streifen zu erzielen.

   Es sind auch schon Anordnungen bekanntgeworden, welche mit nur einem körperlichen Gitter arbeiten und das zweite Gitter durch eine mittels eines optischen Systems erzeugte Abbildung des einzigen körperlichen Gitters ersetzen. Abgebildet wird eine durch- oder beleuchtete Zone des körperlichen Gitters im Maßstab 1 : 1 neben sich selbst und in der Ebene des Gitters. Die Moire-Streifen entstehen dann bei einer gegenseitigen Verlagerung des Gitters und des abbildenden Systems. Da dabei das vom Gitter erzeugte Bild der Gitterbewegung entgegenlaufen muß, gewinnt man zusätzlich, bezogen auf die Gitterkonstante, eine Verdoppelung der Intensitätsperioden. Fehler auf Grund einer ungleichmäßigen Gitterteilung sind bei Anordnungen mit nur einem körperlichen Gitter reduziert. Auch entfällt der Zwang, zwei Gitter mit kleinem gegenseitigem Abstand führen zu müssen. Die Überlagerung genau in der Ebene des Gitters ergibt schließlich einen hohen Kontrast der Moire-Streifen.

   Bei allen bekanntgewordenen Anordnungen mit nur einem körperlichen Gitter befinden sich sämtliche Glieder des die Abbildung im Maßstab 1 : 1 erzeugenden optischen Systems, abgesehen von der Beleuchtungseinrichtung und dem photo elektrischen Wandler, auf einer Seite des Gitters. Das optische System umfaßt also derart angeordnete Umlenkglieder, beispielsweise Planspiegel, daß der Austrittsstrahlengang des optischen Systems seinem Eintrittsstrahlengang entgegengerichtet ist. Dies hat den Nachteil zur Folge, daß bei einer eventuellen Verlagerung des einzigen Gitters quer zu seiner Ebene eine Defokussierung eintritt und keine Überlagerung mehr des Gitters mit seinem Bilde in der Gitterebene sowie im Maßstab 1 : 1 stattfindet. Dadurch kommt es zu einer Kontrastminderung der Moire-Streifen und einem Meßfehler auf Grund der ungewollten unterschiedlichen Gitterteilung. Ferner haben die bekannten Anordnungen ohne die Anwendung besonderer Maßnahmen zur Bildumkehr den Nachteil, daß sich bei einer eventuellen, unerwünschten Bewegung des Gitters im Sinne einer Änderung der Neigung der Gitterlinien die Abbildung des Gitters gegenläufig bewegt und dadurch ein Meßfehler auf Grund sich ändernder gegenseitiger Gitterneigung entsteht. Bewegungen, die zu einem derartigen Fehler führen, sind bei einem Lineargitter Drehbewegungen des Gitters in seiner Ebene und bei einem Radialgitter Exzentrizitätsbewegungen in seiner Ebene.