DE1914402A1

DE1914402A1 - Photoelektrische Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen

Info

Publication number: DE1914402A1
Application number: DE19691914402
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Kerhoas; Michel Metayer
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1968-04-26
Filing date: 1969-03-21
Publication date: 1969-11-13
Also published as: CH508199A; GB1228277A; FR1570045A; US3551682A

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz Dr. Gertrud Hauier Dipl.-Ing. Gottfried Leiser Patentanwälte Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

80OO München 60, 1 9, MdTZ 1969

Ernsbergerstrasse 19 1914402

unser Zeichen: C 2646

COMPAGNIE DES COMPTEURS 3, Rue Dosne₃ Paris l6e/Frankreich

Photoelektrische Vorrichtung zur Messung von Vers chiebungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, welche einerseits eine präzise Messung von Verschiebungen oder Drehungen mittels photoelektrischer Zählung der Striche oder Linien eines Gitters und andererseits die Bestimmung der Richtung dieser Verschiebungen ermöglicht.

Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen zur Messung von

Bu/ku

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Verschiebungen

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Verschiebungen bekannt, welche auf der photoelektrischen Zählung von kontrastierenden Linien eines Gitters senkrecht zur Verschiebungsrichtung oder von Interferenzstreifen beruhen, die mittels zwei im wesentlichen parallelen Linienrastern, einem festen und einem beweglichen, erzeugt werden. Diese Vorrichtungen verwenden im allgemeinen als Lichtquelle eine Fadenlampe, welche einen leuchtenden Strich erzeugt, fe der optisch auf das Gitter oder die Raster geworfen wird.

Diese bekannten Vorrichtungen weisen eine Anzahl von Nachteilen auf. Einerseits ist die Lösung, welche in der Verwendung von zwei Rastern oder zwei Gittern besteht, welche sich parallel zueinander verschieben, nicht immer anwendbar, da sie nur auf die Verschiebung einer Ebene gegen eine andere anwendbar ist, wobei der Abstand zwischen den beiden Gittern stets sehr gering und genau konstant bleiben muß. Andererseits bringt die Verwendung einer Fadenlampe als Lichtquelle mit sich, daß eine Modulation des Lichtstromes sowie die Erzielung von Lichtquellen mit sehr kleinen, genau festgelegten Abmessungen unmöglich ist, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, daß man Blenden vorsehen muß.

Es wurde bereits die Verwendung einer durch die Impulse eines Generators modulierten Elektrolumineszenzdiode als Lichtquelle zum Lesen eines Aufzeichnungsträgers, insbesondere eines Informationen in Form von undurchsichtigen oder durchsichtigen Oberflächen tragenden Bandes oder einer ebensolchen Lochkarte, vorgeschlagen. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird das Lichtbündel der Diode in ein ebenes Bündel fokussiert, welches durch die codierten Bahnen des Aufzeichnungsträgers auf eine Reihe von Strahlungsdetektoren geworfen wird, deren Ausgangssignale durch einen auf die Folgefrequenz der Impulse

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des Generators abgestimmten Verstärker verstärkt und sodann in einer Koinzidenzschaltung verarbeitet werden.

Bei dieser Vorrichtung sucht man nicht ein Bild der Lichtquelle auf einer Maßteilung zu erzeugen, sondern lediglich festzustellen, ob das Licht durch jede der von dem ebenen Bündel abgetasteten Bahnen des Aufzeichnungsträgers geht oder nicht.

Wenn die relative Bewegung zwischen der Lichtquelle und dem Träger nur in einer Richtung stattfindet und wenn die gewünschte Genauigkeit nicht zu groß ist, so kann diese Vorrichtung für eine statische Ablesung oder Abtastung der Lage verwendet werden. Falls Jedoch die Relativbewegung zwischen der Lichtquelle und dem Träger in beiden Richtungen stattfinden kann, bevor eine Ruhestellung erreicht ist, oder wenn dieselbe niemals erreicht werden kann (Pendelschwingungen), ist diese Vorrichtung für diese Anwendungsart nicht mehr geeignet und ermöglicht nicht die Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, bei welcher Elektrolumineszenzdioden als Lichtquellen zur Messung von Verschiebungen mit einer sehr großen Genauigkeit durch Zählung der Striche eines Gitters verwendet werden, wobei diese Vorrichtung derart ausgebildet ist, daß außerdem die Verschiebungsrichtung sogar für sehr geringe Verschiebungen in der Größenordnung eines Mikron festgestellt wird.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur photoelektrischen Messung von relativen Verschiebungen zwischen einem Gitter, dessen Striche etwa senkrecht zur Verschiebungsrichtung und zu dem auf diesem Gitter mittels eines optischen Systems erzeugten

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Bildes einer Lichtquelle verlaufen, wobei das von dem Gitter durchgelassene oder reflektierte Licht optisch auf einen photoelektrischen Empfänger geworfen wird, welcher mit einer Zähl- oder Verwertungsschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus mindestens einem Paar von Elektrolumineszenzdioden besteht, welche durch Ströme mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen moduliert sind und mit einem Flächendetektor zusammenwirken, welchem auf Jede dieser Modulationsfrequenzen abgestimmte Filteranordnungen nachgeschaltet sind.

Die Elektrolumineszenzdioden sind bekanntlich Flächendloden, welche Licht aussenden, wenn eine Durchgangsstrom-Polarisation an ihre Verbindungsfläche angelegt wird. Sie besitzen den Vorteil, daß sie eine Lichtleistung proportional zum zugeführten Strom abgeben und daß das ausgesandte Licht nahezu monochromatisch ist: Im Fall von Galliumarsenid-Dioden ist beispielsweise die Emissionswellenlänge auf 9000 Angström im sehr nahen Infrarotbereich gemittet.

Die Verwendung eines Paares von Elektrolumineszenzdioden ergibt außerdem mehrere Vorteile für die Messung von Verschiebungen:

a) Die Lichtquelle besitzt sehr geringe Abmessungen in der Größenordnung von 100 μ, so daß man auf einem Gitter mit einer verhältnismäßig einfachen Optik ein Bild dieser Lichtquelle in der Größenordnung von 10 u oder noch besser erzielen kann.

b) Es ergibt sich eine Möglichkeit der Modulation durch einfache Stromzuführung, was eine extrem empfindliche Demodulierung und ein hohes Signal-Rauschverhältnis

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ergibt: Man moduliert beispielsweise die ausgesandten Lichtströme mit Frequenzen von IO kHz und 15 kHz, und man demoduliert nach Piltrierung in Filtern mit einer Bandbreite von 1 bis 200 Hz. Die Modulierung beseitigt die Einflüsse des Streulichts.

c) Die Vorrichtung ist leicht herzustellen: Sie erfordert lediglich ein mit Maßteilung versehenes Lineal oder einen Maßstab und die Optik kann verhältnismäßig weit_s ungefähr 2 bis 3 mm, vom Maßstab entfernt sein.

Diese Vorrichtung gestattet mit Hilfe eines Strichgitters, bei welchem die Striche in regelmäßigen Abständen von 5 jx bis zu einigen hundert μ je nach der gewünschten Genauigkeit angeordnet und auf einem geeigneten Träger aufgebracht sindj. eine Messung von Verschiebungen mit einer Genauigkeit, welche in der Größenordnung von Mikron liegen kann, oder von Drehungen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von einigen Bogensekunden.

Um die Genauigkeit zu erhöhen, wird der Abstand der auf dem Gitter von dem optischen System erzeugten Bilder der Dioden in der Verschiebungsrichtung bei einer erfindungsgemäßen Anordnung gleich einem Viertel des Gitterschritts oder gleich einer ganzen Anzahl von Schritten plus ein Viertel Schritt gewählt.

Es ist außerdem möglich, den auf den photoelektrischen Empfänger einfallenden Lichtstrom zu vergrößern, indem die Anzahl von Dioden vervielfacht wird, welche paarweise oder in einer größeren Anzahl zusammengefaßt sind, wobei ihr Lichtstrom mittels eines Bündels von Lichtleitfasern zur Erzeugung eines geometrischen Bildes auf dem Gitter übertragen wird.

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Die

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Die Zählung der Striche auf dem Träger kann durch Reflexion oder durch Transmission des Lichtbündels erfolgen.

Um die Verschiebungsrichtung festzustellen, werden die Signale, welche von zwei Elektrolumineszenzdioden mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen kommen und beim Empfang durch Piltrierungi getrennt werden, auf eine logische Schaltanordnung gegeben, welcher ein umkehrbarer Zähler nachgeschaltet ist, wobei die Zählung in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung je nach der von der logischen Anordnung angegebenen Verschiebungsrichtung durchgeführt wird.

Die Genauigkeit der Verschiebungsmessung erfordert, daß die jeweiligen Lichtbündel der beiden Lichtquellen sehr nahe (einige Mikron) nebeneinander liegen. Infolgedessen sind die von dem Gitter durch Reflexion oder Durchlässigkeit übertragenen Lichtströme geometrisch sehr nahe benachbart und ihre Trennung durch optische Einrichtungen wäre schwierig und würde eine schwer zu verwirklichende mechanische Genauigkeit erfordern. Die Unterscheidung der beiden Lichtströme mit Hilfe der Modulation der Lichtquellen ermöglicht den Empfang durch einen einzigen Detektor, wodurch die genannte Schwierigkeit ausgeschaltet wird.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Figuren 1 und 2 schematische Prinzipdarstellungen von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figuren 3 bis 5 relative Anordnungen von Elektrolumineszenzdioden,

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Figur 6

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Figur 6 eine schematische Darstellung eines Lesekopfes mit optischen Fasern,

Figuren 7, 9 und 10 entsprechende elektrische Schaltbilder,

Figur 8 die Form der Signale an verschiedenen Punkten der Schaltungen und

Figur 11 eine praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 1 zeigt eine erste Anordnung der optischen Elemente der Vorrichtung, welche die Zählung der Striche nach dem Reflexionsverfahren gestattet. Die als Lichtquelle verwendeten Elektrolumineszenzdioden 10, 10' werden mit zwei verschiedenen Frequenzen moduliert. Eine unter 45° angeordnete halbdurchlässige Platte schickt den Lichtstrom durch ein Objektiv I¹I mit der Vergrößerung Q auf eine Meßskala 15, welche ein Gitter von kontrastierenden Strichen oder Linien 12 aufweist. Der Flächenkontakt-Detektor oder die Photodiode 11 bildet den Eingang des Empfängers und deren maximale Empfindlichkeit ist auf die Emissionswellenlänge der Dioden 10, 10' gemittet.

Diese Dioden werden beispielsweise durch Diffusion auf den gleichen Träger hergestellt. Sie besitzen Kreisform, wie in Figur 3 dargestellt, oder sind parallel zu den Flächen des Gitters langgestreckt, wie in Figur 4 gezeigt, und ihr Durchmesser oder ihre Breite 1st kleiner oder gleich t/2. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Lichtquelle mit Hilfe von einzelnen Dioden erhalten werden, welche geeignet ausgebildeten Bündeln von Lichtleitfasern zugeordnet sind, so daß

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zwei linienförmige Lichtquellen gebildet werden. Diese zweck- · mäßigerwelse polarisierten Dioden bilden zwei Infrarotstrahlungsquellen R, R¹, deren Objektiv Ik reelle Bilder mit einer Abmessung unterhalb oder gleich einem halben Schritt P/2 des Gitters 12 erzeugt, indem t = GP genommen wird.

Darüberhinaus wird der Abstand zwischen den Mittelpunkten oder fe den Achsen der Dioden oder zwischen den Achsen der Enden der Bündel von Lichtleitfasern in der Form t/k + Kt, wobei K eine ganze Zahl ist, derart gewählt, daß ihre Bilder auf dem Gitter in der Richtung senkrecht zu derjenigen der Linien um P/k + KP, das heißt um einen viertel Schritt + eine ganze Zahl K vop Schritten, versetzt sind.

Bei einer relativen Verschiebung des Lineals oder der Meßskala 15 bezüglich der Lichtquelle 10, 10' in der durch den Pfeil F angegebenen Richtung werden diese Bilder durch jede Linie des Netzes reflektiert und das Objektiv lk gibt durch die Platte 13 zwei Relfexionsbilder wieder, woraus man die Amplitude der Verschiebung bei Kenntnis des Schrittes P des Gitters 12 ableitet.

Figur 2, in welcher die eine entsprechende Funktion besitzenden Teile die gleichen Bezugszeichen tragen, zeigt deren Anordnung, wenn man das Transmissionsverfahren anwendet. Die Bilder der Lichtquellen 10, 10' werden durch ein erstes Objektiv 16 auf das Gitter 12 von undurchlässigen Linien geworfen und das den Bereich zwischen zwei Linien durchsetzende Licht ' wird durch ein zweites Objektiv 17 übertragen, welches ein Bild der Lichtquelle auf der Photodiode 11 wiedergibt. Man zählt dabei mittels Transmission die Abstände zwischen zwei Linien oder Strichen.

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Das erste Verfahren hat den Vorteil eines geringeren Platzbedarfs , jedoch können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung beide Verfahren angewendet werden.

Um den Lichtstrom zu vergrößern und sich von einer zufälligen Unregelmäßigkeit des Gitters freizumachen_s vrelche beispielsweise aus der Anwesenheit eines Stäubchens beruht, ist es vorteilhaft, die Anzahl von Dioden zu vervielfachen.

Dies kann bei einer ersten Ausführungsform erreicht werden, indem man die Anzahl von Diodenpaaren derart vervielfacht, daß zwei Diodenanordnungen I, II gebildet werden, welche in der in Figur 5 schematisch gezeigten VJeise angeordnet sind und Bilder A.B. und ApB₂ ergeben, welche um P/4 + KP versetzt sind. Jede Anordnung hat eine andere Modulationsfrequenz, wobei die Dioden der Anordnung I beispielsweise mit 10 kHz, diejenigen der Anordnung II mit 15 kHz moduliert werden.

Diese Ausbildung kann auf eine Zwei übersteigende Anzahl N von Anordnungen gesteigert werden, Vielehe jeweils um P/H + KP versetzte Bilder erzeugen und M verschiedene Modulations frequenzen verwenden.

Mit anderen Worten, jeder Diode einer Anordnung entspricht mindestens eine Diode einer anderen Anordnung im Abstand P/4 (oder P/M) +KP^ welche mit einei' anderen Frequenz moduliert ist.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird die von einer oder mehreren mit einer gleichen Frequenz modulierten Dioden ausgesandte Strahlung auf das Strichgitter mittels Bündeln von Licht-

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leitfasern

ίο -

leitfasern übertragen, deren dem Gitter benachbarte Enden einen geradlinigen Querschnitt parallel zu den Strichen des Gitters besitzen, Es wird dabei vorzugsweise das Transmissionsverfahren angewendet. Figur 6 gibt schematisch die Anordnung der Faserbündel Po wieder, welche das Licht von zwei Dioden D.,D^,die mit verschiedenen Frequenzen moduliert sind, auf einen Lesekopf T übertragen, v;elcher praktisch in Berührung mit dem Gitter steht und in welchem die Fasern an ihrem Ende beispielsweise in vier parallel zu den Strichen des Gitters verlaufenden öeradenabschnitten aasgerichtet sind, wobei die Diode D₁ die beiden Abschnitte A₁, B und die Diode D₂ die beiden Abschnitte A₂, B₂ belichtet. Bei dieser Anordnung kann die Form der Dioden beliebig sein und ihre Abmessungen können viel größer sein als bei den Ausführungsformen mit bekannter optischer Anlage, Sie können auch unabhängig voneinander angeordnet v/erden. Die zu beachtenden Abmessungsbedingungen sind an den Fasern angegeben, welche einen Durchmesser unterhalb oder gleich einem halben Schritt P/2 des Gitters aufweisen müssen, und die Abschnitte A., B₁, A₂, B₂ müssen jeweils Abstände von KP, K¹P + PA bzw. KP aufweisen.

Das elektrische Schaltbild der Empfangsschaltung ist teilweise in den Figuren 7, 9 und 10 wiedergegeben. In Figur 7 sind die Elektrolumineszenz-Dioden 10 und 10' dargestellt, welche durch einen von einem Generator 22 abgegebenen Gleichstrom polarisiert werden. Oszillatoren 2O₃ 20' mit beispielsweise 10 kHz bzw. 15 kHz speisen über einen Verstärker 21 bzw. 21' die Dioden 10 bzw. 10' mit sinusförmigem Strom. Die von diesen Dioden ausgesandten modulierten Lichtbündel R, R' warden nach Reflexion oder Transmission durch das Gitter, dessen Relativverschiebung zu messen ist, von der Photodiode 11 empfangen,

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welche durch eine von einem HiIfsgenerator abgegebene Gleichspannung polarisiert ist. Diese Diode 11 1st mit einem Verstärker 24 verbunden, welchem zwei Bandpassfilter 25, 25· nachgeeehaltet sind, die jeweils auf die oben genannten Frequenzen abgestimmt sind. Detektor- und Formungsschaltungen 26, 26' liefern Niederfrequenzsignale A und B.

Nachfolgend wird auf die in Figur 8 gezeigten Wellenformen Bezug genommen. Die von den Dioden 10, 10· ausgesandten Lichtsignale mit Sinusform der Frequenz 10 kHz und 15 kHz werden durch die Anwesenheit jedes von diesen Lichtbündeln getroffenen Gitterstrichs moduliert und haben den bei A¹, B' angegebenen Verlauf. Nach Verstärkung in der Schaltung 2k werden die Signale A¹ und B¹ durch die abgestimmten Filter 25, 25' getrennt und sodann durch die Schaltungen 26, 26' derart demoduliert und geformt, daß an deren Ausgang Signale A, B verfUgbar sind.

Es 1st stattdessen auch möglich, mit Rechtecksignalen zu arbeiten und eine doppelte synchrone Demodulation beispielsweise mit sehr kurzen Impulsen und einem Arbeitszyklus in der Größenordnung von 1 % durchzuführen.

Um die Verschiebungsrichtung festzustellen, welche nachfolgend durch die Ausdrücke (AB) + und (AB)- bezeichnet wird, werden die Signale A und B in die in Figur 9 dargestellte Schaltung gegeben, in welcher Differenzierschaltungen 31 bis 3¹J und Negatorschaltungen 35» 36 dargestellt sind. Man erhält auf diese Weise invertierte Signale X und B" sowie in Figur 8 dargestellte Signale MA, NA und MB, NB, welche den Flanken der Signale A und B entsprechen. '

Wenn man annimmt, daß die in Figur 8 angegebene zeltliche

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Folge

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Folge der Signale A, B die positive Verschiebungsrichtung (AB)+ bedeutet, kann man beispielsweise diese Richtung durch die folgende -logische Beziehung kennzeichnen:

(AB)+ s (NA'B + ΜΑ·Β) + (ΝΒ·Α + MB'Ä)

und die andere Richtung (AB)- kann durch die folgende logi-. ^ sehe Beziehung gekennzeichnet werden:

(AB)- = (MA'B + ΝΑ·Β) + (ΜΒ·Α + ΝΒ·Α).

Die die obigen Punktionen UND und ODER durchführende logische Anordnung ist in Figur 10 dargestellt.

Die Signale (AB)+ und (AB)-, welche man so erhält, werden Jeweils auf die Vorwärts- und Rückwärts-Zähleingänge eines umkehrbaren Zählers gegeben, welcher die Verschiebung mit ihrem Vorzeichen anzeigt.

Figur 11 zeigt schematisch eine praktische Ausführungsform der b optischen Teile bei Verwendung des Reflexionsverfahrene. Die Lichtquelle 4l und der Photodetektor 42 sind im oberen Teil eines Gehäuses 40 angeordnet. Das von einer ersten Blende begrenzte Lichtbündel geht durch ein Prisma 44, welches die Hälfte einer zweiten Blende 45 überdeckt und das Bündel auf das Objektiv 46 wirft. Nach Reflexion am Gitter 12 wird das reflektierte Bündel vom Objektiv 46 und einer Hilfslinse 47 auf den Photodetektor 42 geworfen.

Um die störenden Reflexionen des Lichts auf der das Strichgitter tragenden Glasplatte auszuschalten, ist es vorteilhaft, dieselbe mit einer auch die Teilungen schützenden reflexions-

9 C 3 8 U 6 / 0 5 5 6 hindernden

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hindernden Schicht zu überziehen.

Die Erfindung ist auf alle Vorrichtungen anwendbar, bei welchen die Messung von Verschiebungen oder die Durchführung von Lageeinstellungen mit großer Genauigkeit trotz der Anwesenheit von störenden Schwingungen erforderlich ist: Werkzeugmaschinen, Analog-Digital-Umsetzer für Einstellungen, optische Anlageflächen oder Anschläge und dergleichen, wobei das Gitter bezüglich der festen Lichtquelle beweglich sein kann oder umgekehrt.

9 0 9 8 4 6/0 55 6 Patentansprüche

Claims

19H402 Patentansprüche

1.)Photoelektrische Vorrichtung zur Messung von relativen Verschiebungen zwischen einem Gitter, dessen Striche etwa senkrecht zur Verschiebungsrichtung und zu dem auf diesem Gitter mittels eines optischen Systems erzeugten Bildes einer Lichtquelle verlaufen, wobei das von dem Gitter durchgelassene oder reflektierte Licht optisch auf einen photoelektrischen Empfänger geworfen wird, welcher mit einer Zähl- oder Verwertungsschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus mindestens einem Paar von Elektrolumineszenzdioden besteht, welche durch Ströme mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen moduliert sind und mit einem Flächendetektor zusammenwirken, welchem auf jede dieser Modulationsfrequenzen abgestimmte Pilteranordnungen nachgeschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrolumineszenzdioden des gleichen Paares und das optische System, welches deren Bilder auf das Gitter wirft, so bemessen sind, daß diese Bilder in der Richtung senkrecht zu derjenigen der Striche um eine Strecke P/4 + KP versetzt sind, wobei P den Schritt des Gitters und K eine ganze Zahl bezeichnet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle aus N Paaren von Elektrolumineszenzdioden besteht, deren Bilder auf dem Gitter in der Richtung senkrecht zu derjenigen der Striche um eine Strecke P/N + KP versetzt sind, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer als 3 ist.

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4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen einer oder mehreren mit der gleichen Frequenz modulierten Dioden und dem Strichgitter angeordnete optische System aus einem Bündel von Lichtleitfasern besteht, deren dem Gitter benachbartes Ende einen geradlinigen Querschnitt parallel zu den Strichen des Gitters besitzt.

5* Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungsrichtung zwischen der Lichtquelle und dem Gitter mit Hilfe einer logischen Schaltanordnung festgestellt wird, auf deren Eingänge die von den abgestimmten Filteranordnungen abgegebenen Signale nach Demodulierung und Formung gegeben werden und welcher ein umkehrbarer Zähler nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung des Bildes einer Diode in Richtung senkrecht zu den Strichen des Gitters oder der Durchmesser der optischen Fasern kleiner als ein halber Schritt P/2 des Gitters ist.

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