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Es ist eine Vielzahl von Einrichtungen bekannt, bei denen zum Messen
von Strecken foto elektrische Empfänger benutzt werden, deren elektrische Ausgangssignale
zur Anzeige des Meßergebnisses verwendet werden. Die Abtastung erfolgt dabei durch
Oszillation eines Lichtstrahls oder eines Körpers kleiner Ausdehnung in einem Lichtstrahl.
So ist es durch das deutsche Gebrauchsmuster 1763 176 sowie die deutsche Auslegeschrift
1079 336 bekannt, eine Saite durch elektrische Anregung schwingen zu lassen.
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Durch die USA.-Patentschrift 2848 921 ist es bekannt, die Abtastbewegung
für den Lichtstrahl mittels einer schwingenden Blende zu erzeugen. In der französischen
Patentschrift 1088 334 ist eine Anordnung beschrieben, bei der die Bewegung des
Lichtstrahls mittels eines durch ein Magnetsystem angetriebenen, schwingenden Spiegels
erzeugt wird.
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Die Verwendung eines rotierenden spiegelnden Würfels für die gleichen
Zwecke ist durch die schweizerische Patentschrift 317 164 bekannt. In der USA.-Patentschrift
1 990 182 ist zur Erfüllung der gleichen Aufgabe eine rotierende Scheibe beschrieben,
die einen spiralförmigen Schlitz aufweist.
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Alle genannten Einrichtungen erfordern einen relativ hohen elektronischen
Aufwand bei der Signalauswertung. Bei geringeren Anforderungen an die Ortsauflösung
sind jedoch Meßmethoden anwendbar, die auf der Differenz- oder Verhältnisbildung
der Ausgangssignale zweier foto elektrischer Empfänger beruhen und die einen geringeren
elektronischen Aufwand zur Auswertung der anfallenden Signale benötigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, neue Einrichtungen zum
Messen von Strecken oder Winkeln mit fotoelektrischer Abtastung zu schaffen, die
zusätzlich zu den bekannten Effekten auch ein ldppungsfehlerfreies Messen gestatten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe eignet sich eine fotoelektrische Einrichtung,
die sich dadurch auszeichnet, daß auf einem Träger mindestens eine sphärische Spiegeltläche
vorgesehen ist, daß ein von einer Lichtquelle beleuchteter Markenträger mit mindestens
einer Marke vorgesehen ist, dem ein bildverdoppelndes, die beiden entstehenden Teilbilder
mit unterschiedlicher Kennung versehenes Bauteil sowie ein in die durch den Krümmungsmittelpunkt
der sphärischen Spiegelfläche definierte Ebene abbildendes Objektiv und diesem ein
mit an der sphärischen Spiegelfläche reflektiertem Licht beaufschlagter, mit mindestens
einer Referenzmarke versehener Markenträger und letzterem mindestens ein foto elektrischer
Empfänger nachgeschaltet sind, und daß im Strahlengang zusätzlich ein die Kennung
ausnutzendes Bauteil vorgesehen ist.
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Es kann auf dem Träger als Meßverkörperung eine Vielzahl gleichartiger
sphärischer Spiegelfiächen vorgesehen sein, deren Abstände ihrer Krümmungsmittelpunkte
in einem ganzzahligen Verhältnis zum Produkt aus Gitterkonstante und Abbildungsmaßstab
stehen. Dabei können die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Spiegelflächen eine
Gerade definieren.
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Diese Gerade liegt mit Vorteil in der neutralen Faser des Trägers
der Maßverkörperung.
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Auch können die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Spiegelflächen
in kubischer oder hexagonaler Anordnung in einer Ebene liegen, die durch zwei Bewegungsrichtungen
des Trägers der Maßverkörperung bestimmt ist.
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Es ist vorteilhaft, zum kippungsfreien Messen des Objekts in die
durch die Krümmungsmittelpunkte definierte Meßebene zu legen.
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Die Erfindung ist nachfolgend beispielsweise in Zeichnungen dargestellt
und beschrieben. Es zeigt Fig. 1 einen Impulsgeber mit einmaligem Signal, Fig. 2
eine Einrichtung mit neuem Längenmaßstab, F i g. 3 eine Einrichtung mit Flächenmaßstab,
F i g. 4 eine andere Einrichtung mit Flächenmaßstab, Fig. 5 einen Impulsgeber mit
Abbildung einer Marke auf sich selbst.
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Beim in F i g. 1 gezeigten Beispiel ist ein Maßstab 10 auf der seiner
Teilung 11 abgewandelten Seite mit einem Konvexspiegel 12 versehen. Dieser ist so
dimensioniert, daß sein Krümmungsmittelpunkt mit einem Punkt der Teilungsebene zusammenfällt.
Eine Lampe 13 beleuchtet über einen Kondensor 14, ein Umienlrisma 15 den Spalt 16
einer Blendel7. Das Bild des Spaltes wird über eine Feldlinse 18 sowie ein Wollastonprisma
19 und ein Objektiv 20 auf den Spiegel 12 abgebildet. Die reflektierten Lichtstrahlen
durchlaufen das Objektiv 20, das Wollastonprisma 19 sowie die Feldlinse 18 und gelangen
durch eine Blende 21 mit nachgeschaltetem Umlenkprisma 22 und Linse 23 zu einem
Teiler 24. Dieser weist eine polarisierende Teilerschicht auf. Er trennt die Lichtanteile
nach Polarisationsrichtungen und führt sie über Feldlinsen 25, 26 getrennten foto
elektrischen Empfängern 27, 28 zu.
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Die Ablesung der Teilung 11 erfolgt mittels einer Einrichtung 111,
die schematisch dargestellt ist und stetig den Ort des Teilungsträgers signalisiert.
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Die Ausgangssignale a und b der beiden fotoelektrischen Empfänger
27, 28 können einer Schaltung zugeführt werden, wie sie in F i g. 1 angedeutet ist.
Sie besteht im wesentlichen aus einem Differenzverstärker 29, dem eine Triggerstufe
30 nachgeschaltet ist. Diese Stufe gibt bei Gleichheit der Signale a und b einen
Impuls ab, der zum Steuern, Regeln oder Zählen verwendet werden kann.
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Zwei Ausführungsmöglichkeiten für die Anordnung des Spiegels sind
in den Fig. la und lb dargestellt. Der in F i g. 1 a dargestellte Teilungsträger
10a ist auf seiner Rückseite mit den Teilungsmerkmalen 11a versehen, während sich
der Spiegel 12a auf seiner Oberseite befindet. Im Gegensatz dazu befindet sich beim
in F i g. 1 b dargestellten Beispiel die Teilung 11 b auf der Oberseite des Trägers
10b, während der Spiegel nur teilweise realisiert ist und sich seine Segmente 12b
auf der Oberseite des Trägers befinden derart, daß sie bei Draufsicht zu beiden
Seiten der Teilung liegen.
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Die gezeigten Einrichtungen eignen sich dort zur Anwendung, wo in
Abhängigkeit von einer Wegstrecke ein Signalimpuls gegeben werden soll. Ihr Vorteil
liegt darin, daß nicht ein einzelner enger Spalt, der bekanntlich sehr leicht verschmutzen
kann und dann die Wirksamkeit der Einrichtung in Frage stellt, zur Erzeugung eines
Signalfinpulses benutzt ist.
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F i g. 2 zeigt eine Einrichtung, bei der eine Lampe 13 über einen
Kondensor 14 sowie ein Umlenkprisma 15 ein Gitter 35 beleuchtet. Dieses Gitter wird
über ein Wollastonprisma 19 sowie über ein Objektiv 20 auf einen sphärischen Spiegel
36 abgebildet.
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Dem Wollastonprisma 19 ist eine telezentrische Blende 37 nachgeschaltet.
Der Spiegel 36 befindet
sich zusammen mit einer Vielzahl gleichartiger
Spiegel auf einem Träger 38. Die Form der Spiegel und ihre Anordnung auf dem Träger
ist derart, daß ihre Krümmungsmittelpunkte in gleichen Abständen auf einer Geraden
liegen, die sich parallel zur Bewegungsrichtung des Trägers erstreckt und mit der
neutralen Faser des Trägers zusammenfällt. Die reflektierten Lichtstrahlen durchlaufen
das Objektiv 20, die Blende 37, das Wollastonprisma 19 und treffen auf ein Gitter
35 a auf. Dieses wird über ein Prisma 22, einen Kondensor 23 sowie einen mit einer
polarisierenden Teilertläche ausgestalteten Teiler 24 mit nachgeschalteten Feldlinsen
25, 26 von zwei fotoelektrischen Empfängern 27, 28 abgetastet.
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Der Vorteil dieser Einrichtung liegt darin, daß sie gegen Winkelfehler
unempfindlich ist. Durch die Anwendung des Wollastonprismas und nachfolgende physikalische
Teilung der Lichtstrahlen ist eine genaue, den Periodenbruchteilen zugeordnete Verhältnisbildung
der Signale sichergestellt. Durch Anderung der Vergrößerungen läßt sich die Einrichtung
zum Messen in Zoll oder im metrischen Meßsystem gebrauchen.
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Abwandlungen der gezeigten Einrichtung sind möglich. So kann man
beispielsweise durch Einschalten einer Schiebelinse mit elastischer Aufhängung oder
durch elastische Aufhängung der Gitter 35 und/ oder 35 a eine Möglichkeit zum Justieren
der Einrichtung schaffen.
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Auch ist es möglich, an Stelle von zwei fotoelektrischen Empfängern
nur einen Empfänger zu verwenden. In diesem Fall ist im Strahlengang ein Umschalter
für die Polarisationsrichtungen vorzusehen. Beispiele hierfür sind elektrooptisch
steuerbare Kristalle oder oszillierende doppelbrechende Bauteile in Verbindung mit
einem Polarisator oder ein rotierender Polarisator. In diesem Fall entfällt der
Teiler 24.
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Bei der in F i g. 3 gezeigten Einrichtung, die sich zum Messen nach
zwei Koordinatenrichtungen eignet, sind auf einem Träger 40 die zu vermessenden
Objekte 41 gelagert. Der Träger weist auf seiner Unterseite sphärische Spiegel 42
in kubischer Anordnung auf, deren Krümmungsmittelpunkte in der Oberfiäche des Trägers
liegen. Eine Lampe 13 beleuchtet über einen Kondensor 14 eine Blende 43. Diese weist
eine Öffnung in Form eines Kreuzes oder eines aus zwei zueinander senkrecht stehenden
länglichen Aussparungen gebildeten Winkels auf. Diese Öffnung wird über eine Linse
44 auf ein Phasenkreuzgitter 45 abgebildet. Dieses Gitter weist eine Verzögerung
von 2 auf und ist schachbrettartig aufgebaut. Es 2 wird über eine Feldlinse 18,
ein Wollastonprisma 19 sowie ein Objektiv 20 auf Spiegel 42 abgebildet.
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Zwischen dem Wollastonprisma 19 und dem Objektiv 20, welches das Gitter
in die Ebene der Krümmungsmittelpunkte der Spiegel 42 abbildet, ist eine telezentrische
Blende 37 angeordnet. Das Wollastonprisma steht unter 450 gegen die Hauptrichtungen
des Gitters, die Markierung der Blende 43 parallel zu diesen. Die reflektierten
Strahlen gelangen durch das Objektiv 20, die Blende 37, das Wollastonprisma 19 zurück
zum Phasenkreuzgitter 45 und treffen dieses neben der Stelle, durch welche die einfallenden
Lichtstrahlen hindurchtreten. Die durchtretenden Lichtstrahlen werden von einem
polarisierenden Teiler 24 nach Polarisationsrichtungen aufgespalten.
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Die den Teiler 24 verlassenden Strahlenbündel werden über eine Feldlinse
25 bzw. 26 auf einen Hohlspiegel 46 bzw. 47 abgebildet, welcher zur Hauptachse des
einfallenden Strahlenbündels leicht geneigt ist und Blendenschlitze zur Trennung
der Lichtanteile nach Koordinatenrichtung und Beugungsordnungen aufweist. Näheres
hierüber kann der deutschen Patentanmeldung L54168IXb/42d entnommen werden. Dem
Spiegel 46 sind über einen Teiler 48 sowie zwei Feldlinsen 49, 50 zwei fotoelektrische
Empfänger 51, 52 nachgeschaltet. Die vom Spiegel reflektierten Lichtanteile werden
über einen Teiler 53 zwei fotoelektrischen Empfängern54, 55 zugeleitet. Entsprechende
Bauteile sind dem Spiegel 47 zugeordnet und mit den Bezugsszahlen 60 bis 67 versehen.
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Zur Ausschaltung von Einflüssen, welche durch die Umgebungstemperatur
bedingt sind, hat der Träger 40 vorzugsweise den gleichen Ausdehnungskoeffizienten
wie die Objekte.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende: Das virtuelle
Bild des Gitters 45 wird an der Vielzahl der Spiegel 42 in gegeneinander versetzte
Teilbilder so aufgelöst, daß die Gitterbilder deckungsgleich miteinander bei der
Rückkehr eine Phasenmodulation am Gitter 45 erleiden, die dann ausgewertet wird.
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Beim in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel für die Erfindung
wird von einer Lampe 13 über einen Kondensor 14 eine Blende 70 beleuchtet, die eine
kreuzförmige Markierung aufweist, deren Balken unterschiedlich gefärbt sind. Diese
werden über einen Teiler 71 sowie ein Wollastonprisma 19 in die Ebene einer telezentrischen
Blende 37 abgebildet. Ein Objektiv 20 bildet die Ebene der Blende 37 in den Krümmungsmittelpunkt
eines auf einem Träger 72 aufgesetzten Spiegels 73 ab, welcher in der unteren Fläche
des Trägers liegt. Diese Fläche trägt beispielsweise ein Reflexions-Phasenkreuzgitter,
welches mit einem getrennten, nicht dargestellten Abtastkopf zusammenwirkt. Die
reflektierten Lichtanteile gelangen über das Objektiv 20, die Blende 37, das Wollastonprisma
19 sowie den Teiler 71 auf eine Blende 74, die mit einem Kreuzspalt versehen ist.
Nach Durchlaufen einer Linse75 werden die Lichtanteile von einem polarisierenden
Teiler 76 nach Polarisationsrichtungen aufgespalten. Die Teillichtbündel treffen
auf dichroitische Teiler 77, 78 auf, welche sie nach Farbanteilen aufspalten. Die
so entstehenden vier Lichtbündel werden über Linsen 79, 80, 81, 82 getrennten fotoelektrischen
Empfängern 83 bis 86 zugeleitet. Die Auswertung der an diesen Empfängern anfallenden
elektrischen Signale erfolgt in bereits bei Fig. 1 beschriebener Weise dadurch,
daß die einer Koordinate zugeordneten Signale einem Differenzverstärker 29 zugeführt
werden, dem eine Triggerstufe 30 nachgeschaltet ist.
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Fig. 5 schließlich zeigt eine Einrichtung, bei der eine Lampe 13
über einen Kondensor 14 sowie einen Teiler 88 die Öffnung 89 a einer Blende 89 beleuchtet,
welche an eine Linse 90 angesetzt ist. Die durchfallenden Lichtstrahlen gelangen
über ein Wollastonprismal9 sowie ein Objektiv 20 auf einen sphärischen Spiegel 12,
dessen Krümmungsmittelpunkt mit einem Punkt der auf einem Maßstab 10 angebrachten
Teilung 11 zusammenfällt. Die reflektierten Lichtstrahlen gelangen über das Objektiv
20, das Wollastonprisma 19, die Blende 89, die Linse 90, den Teiler 88 sowie eine
Feldlinse 91 zu einem polarisierenden
Teiler 24, der sie in ihre
den Polansationsrichtungen entsprechenden Anteile aufspaltet und getrennten Empfängern
27, 28 zuleitet. Die Auswertung der an diesen Empfängern anstehenden elektrischen
Signalen erfolgt wie in Fig. 1 beschrieben.