DE3933983A1

DE3933983A1 - Schaltungsanordnung zur signalinterpolation und versetzungsmesseinrichtung mit der schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE3933983A1
Application number: DE3933983A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ishii; Masaaki Tsukiji; Tetsuharu Nishimura; Koh Ishizuka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-10-12
Filing date: 1989-10-11
Publication date: 1990-04-19
Also published as: DE3933983C2; GB2226632A; GB8922872D0; JPH02104017A; GB2226632B; US5067089A; JP2649390B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einer Signalinterpolationsschaltung zum elektrischen Interpolieren bzw. Unterteilen eines Signals mit einer vorbestimmten Phase sowie auf eine die Schaltungsanordnung enthaltende Versetzungsmeßeinrichtung.

Es ist eine herkömmliche Signalinterpolationsschaltung gemäß Fig. 1A bekannt. Die in Fig. 1A gezeigte Schaltung hat Ein gangsanschlüsse 1 und 2 zur Aufnahme von sinusförmigen Signalen mit zwei verschiedenen Phasenwinkeln (0° und 90°), Pufferverstärker 3 und 4, einen invertierenden Pufferverstärker 5 zum Invertieren eines Eingangssignals, Wandlereinrichtungen 6 bis 9 zum Umsetzen von mehreren Signalen mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln (0°, 45°, 90° und 135°), die durch das Mischen von Signalen in einem vorbestimmten Verhältnis aus einer Widerstandsschaltung mit Widerständen R 1 bis R 4 erhalten werden, zu Rechtecksignalen, Impulsgeneratoreinrichtungen (10 bis 13) zum Erzeugen von den Signalen aus der Widerstandsschaltung entsprechenden Impulssignalen gemäß den Rechtecksignalen aus den Wandlereinrichtungen, ein ODER-Glied 14 zum Bilden von Interpolationsimpulsen aus den Ausgangssignalen der Impulsgenerator einrichtungen 10 bis 13 und einen Ausgangsanschluß 15. Die Widerstände R 1 bis R 4 haben gleiche Widerstandswerte.

Die Gestaltung der Wandlereinrichtungen 6 bis 9 und der Impulsgeneratoreinrichtungen 10 bis 13 ist in Fig. 1B ausführlich dargestellt. Die in Fig. 1B gezeigte Schaltung enthält einen Vergleicher 61, der durch Widerstände R _A und R _B (mit Widerstandswerten r _A und r _B) Hystereseverhalten hat. Die Hysterese ist durch eine Vorspannung V _B positiv/negativ- symmetrisch um die Mitte eines Signals (den Nulldurchgangspunkt) eingestellt. Die Schaltung enthält ferner einen Pufferverstärker 101, einen Inverter 102, monostabile Kippstufen 103 und 104 und ein ODER-Glied 105.

Nachstehend wird die Funktion beschrieben. An den Eingangsanschlüssen 1 und 2 werden sinusförmige Signale mit jeweiligen Phasenwinkeln von 0° und 90° eingegeben. Auf diese Weise werden aus den Pufferverstärkern 3 und 4 und dem invertierenden Pufferverstärker 5 sinusförmige Signale mit den Phasenwinkeln 0°, 90° und 180° erhalten. An Knotenpunkten c und d nach Fig. 1A treten Signale mit Phasenwinkeln 45° und 135° auf, da zwei Signale mittels der Widerstände R 1 bis R 4 gemischt werden. Die Signale an diesen Knotenpunkten haben die in Fig. 1C gezeigten Kurvenformen.

Die Signale an den Knotenpunkten a bis d werden mittels der Wandlereinrichtungen 6 bis 9 in Rechtecksignale umgesetzt, um auf diese Weise Interpolationsimpulse zu bilden. Dieser Vorgang wird nachstehend anhand der Fig. 1C beschrieben. Beispielsweise wird das sinusförmige Signal an dem Knotenpunkt a durch den Vergleicher 61 in das Rechtecksignal umge setzt. Falls dabei der Spitze/Spitze-Wert der Ausgangsspannung des Vergleichers 61 Vp ist, ist die Breite der vorstehend beschriebenen Hysterese durch Vpr _A/(r_A+r _B) gegeben. Das Rechtecksignal durchläuft den Pufferverstärker 101 und den Inverter 102 und ergibt Signale mit Kurvenformen e und f nach Fig. 1C. An den Vorderflanken dieser Signale e und f erzeugen die monostabilen Kippstufen 103 und 104 Impulse, so daß an dem Ausgang des ODER-Glieds 105 ein Signal mit der Kurvenform g gemäß Fig. 1C, nämlich ein dem vorstehend genannten Phasenwinkel entsprechendes Impulssignal erhalten wird. Die gleichen Betriebsvorgänge werden in den Wandlereinrichtungen 7 bis 9 und den Impulsgeneratoreinrichtungen 11 bis 13 ausgeführt, die den gleichen Aufbau wie den vorstehend beschriebenen haben, und es wird am Ausgang des ODER-Glieds 14 an der Endstufe eine Impulsfolge h gemäß Fig. 1C erhalten.

Als Ergebnis wird eine Interpolationsimpulsfolge entsprechend den Phasenwinkeln 0°, 45°, 90° und 135° sowie ihren invertierten Phasenwinkeln 180°, 225°, 270° und 315° erhalten. Auf diese Weise kann eine Periode eines eingegebenen sinusförmigen Signals in acht Abschnitte unterteilt werden.

Da jedoch in der herkömmlichen Interpolierschaltung die Amplituden der durch die Signalmischung mittels der Widerstände gebildeten sinusförmigen Signale (mit den Phasenwinkeln 45° und 135°) kleiner als diejenigen der den an den Eingangsanschlüssen 1 und 2 eingegebenen ursprünglichen Signale entsprechenden sinusförmigen Signale mit den Phasenwinkeln 0° und 90° sind, sind auch die zeitlichen Breiten der jeweils durch die Vergleicher 61 der Wandlereinrichtungen 6 bis 9 erzeugten Rechtecksignale unterschiedlich. Daher ändert sich auch der Interpolationsimpulsabstand, so daß die Interpolationsgenauigkeit vermindert ist. Insbesondere ist dann, wenn eine große Hysteresebreite angesetzt ist, um durch äußere Störsignale oder dergleichen verursachte Fehl funktionen zu verhindern, die Interpolationsgenauigkeit weiter herabgesetzt.

In Anbetracht dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung mit einer Signalinterpolationsschaltung zu schaffen, die hohe Interpolationsgenauigkeit hat. Damit soll eine Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation geschaffen werden, die hohe Interpolationsgenauigkeit hat und nur schwer durch äußere Störsignale oder dergleichen zu beeinflussen ist. Ferner soll eine mit der Schaltungsanordnung ausgestattete Versetzungsmeßeinrichtung mit einer Signalinterpolationsschaltung für stabile Interpolationssignale geschaffen werden.

Zur Lösung der Aufgabe enthält die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine Einrichtung zur Aufnahme von Signalen mit vorbestimmten Phasen und zum Abgeben eines ersten und eines zweiten Signals mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln und Amplituden sowie eine Wandlereinrichtung zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal und des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal. Die Wandlereinrichtung ist derart gestaltet, daß die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals unabhängig von der Amplitudendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal einander im wesentlichen gleich sind. Die Schaltungsanordnung enthält ferner einer Einrichtung zum Erzeugen von ersten und zweiten, den Phasenwinkeln entsprechenden Impulsen aus dem ersten und dem zweiten Binärsignal.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel enthält die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung eine Einrichtung zum Aufnehmen von Signalen mit vorbestimmten Phasen und zum Ausgeben eines ersten und eines zweiten Signals mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln und Amplituden, einen ersten Vergleicher mit einer ersten Hysterese zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal und einen zweiten Vergleicher mit einer zweiten Hysterese zum Umsetzen des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal. Die Breiten der ersten und der zweiten Hysterese werden derart gewählt, daß unabhängig von der Amplitudendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander im wesentlichen gleich sind. Die Schaltungsanordnung enthält ferner eine Einrichtung zum Erzeugen von ersten und zweiten, den Phasenwinkeln entsprechenden Impulsen aus dem ersten und dem zweiten Binärsignal.

Zur Lösung der Aufgabe enthält ferner die erfindungsgemäße Versetzungsmeßeinrichtung eine Lesevorrichtung zum Lesen von auf einer bewegbaren Skala gebildeten Skalenmarkierungen und zum Abgeben von mehreren nahezu sinusförmigen Signalen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln entsprechend einer Versetzung der Skala, eine Einrichtung zum Aufnehmen der mehreren Signale und zum Abgeben von ersten und zweiten Signalen mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln und Amplituden und eine Einrichtung zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal und des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal. Die Umsetzeinrichtung ist derart gestaltet, daß unabhängig von der Amplitudendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander im wesentlichen gleich sind. Die Versetzungsmeßeinrichtung enthält ferner eine Einrichtung zum Erzeugen von ersten und zweiten, den Phasenwinkeln entsprechenden Impulsen in Übereinstimmung mit dem ersten und dem zweiten Binärsignal und ermöglicht das Messen der Versetzung der Skala mittels der ersten und zweiten Impulse.

Als Wandlereinrichtung der Versetzungsmeßeinrichtung werden mehrere Vergleicher eingesetzt. Die Hysteresebreiten der Vergleicher werden auf vorbestimmte Werte je Vergleicher derart eingestellt, daß ein erstes, ein zweites und ein drittes Binärsignal einander im wesentlichen gleich sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1A ist ein Schaltbild einer herkömmlichen Interpolierschaltung.

Fig. 1B ist ein ausführliches Schaltbild einer Wandlereinrichtung und einer Impulsgeneratoreinrichtung, die in Fig. 1A gezeigt sind.

Fig. 1C ist ein Kurvenformdiagramm, das Kurvenformen von Signalen an Knotenpunkten a bis h gemäß Fig. 1A und 1B zeigt.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 3 ist ein ausführliches Schaltbild einer Wandlereinrichtung und einer Impulsgeneratoreinrichtung, die in Fig. 2 gezeigt sind.

Fig. 4 ist ein Kurvenformdiagramm, das Kurvenformen von Signalen an Knotenpunkten a bis d und h gemäß Fig. 2 zeigt.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Versetzungsmeßeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Gestaltung eines in Fig. 5 gezeigten Reflektorsystems 220.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung des in Fig. 5 gezeigten Reflektorsystems 220 in einer anderen Ausführungsform.

Fig. 8 ist eine Darstellung zur Erläuterung einer Abwandlungsform der in Fig. 5 gezeigten Meßeinrich tung.

Die Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung hat Eingangsanschlüsse 1 und 2 zur Aufnahme von sinusförmigen Signalen mit zwei verschiedenen Phasenwinkeln (0° und 90°) und eine Mischeinrichtung 16 mit Pufferverstärkern 3 und 4, einem invertierenden Pufferverstärker 5 und einer Widerstandsschaltung R zum Erzeugen von Signalen mit vorbestimmten Phasenwinkeln aus den über die Pufferverstärker 3, 4 und 5 erhaltenen Signalen, nämlich sinusförmigen Signalen und ihren Inversionssignalen. Die Widerstandsschaltung R ist wie gemäß Fig. 1A aus Widerständen R 1 bis R 4 mit gleichem Wider standswert gebildet. Die Mischeinrichtung 16 enthält diese Pufferverstärker 3, 4 und 5 und die Widerstände R 1 bis R 4. Ferner enthält die in Fig. 2 gezeigte Schaltung eine Wandlereinrichtung 17 zum Umsetzen von durch die Signalmischung in der Mischeinrichtung 16 erhaltenen mehreren vorbestimmten Signalen mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln zu Rechtecksignalen bzw. Binärsignalen, eine Impulsgenerator einrichtung 18 zum Erzeugen von den Phasenwinkeln entsprechenden Impulssignalen aus den Rechtecksignalen, ein ODER- Glied 14 zum Bilden von Interpolationsimpulsen aus den Ausgangssignalen der Impulsgeneratoreinrichtung 18 und einen Interpolationsimpuls-Ausgangsanschluß 15. Die Wandlereinrichtung 17 und die Impulsgeneratoreinrichtung 18 sind derart gestaltet, daß jeweils ein Wandler und ein Impulsgenerator in Einheiten von durch das Mischen der beiden an den Eingangsanschlüssen 1 und 2 eingegebenen Signale erhaltenen Signalen mit beliebigen Phasenwinkeln (von 0°, 45°, 90° und 135°) bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen sind und die in Fig. 3 gezeigte Schaltungsanordnung haben. Jeder Wandler enthält einen Vergleicher 19. Durch Widerstände R _C und R _D erhält der Vergleicher 19 Hystereseverhalten. Die Breite der Hysterese wird für einen jeden Vergleicher 19 auf einen zur Amplitude eines Signals aus der Mischeinrichtung 16 proportionalen Wert eingestellt und hat das nachstehend in der Tabelle 1 dargestellte Verhältnis.

Tabelle 1

Hierbei ist der Widerstandswert des Widerstands R _D der Wandlereinrichtung 17 als r _D angenommen, während der Wider standswert des Widerstands R _C, an dem ein Signal mit dem Phasenwinkel 0° eingegeben wird, als r _c angesetzt ist, um die Widerstandswerte für die Vergleicher 19 zu berechnen, in die die Signale mit den anderen Phasenwinkeln eingegeben werden. In dieser Tabelle ist Vp der Spitze/Spitze-Wert der Ausgangsspannung eines jeden Vergleichers 19.

Daher sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Hysteresebreiten derjenigen Vergleicher 19 einander gleich gewählt, die Signale mit den Phasenwinkeln 0° und 90° aufnehmen, die den beiden an den Eingangsanschlüssen 1 und 2 eingegebenen Signalen entsprechen, während die Hysteresebreiten derjenigen Vergleicher 19 einander gleich eingestellt sind, die neue Signale mit den Phasenwinkeln 45° und 135° aufnehmen, welche durch die Mischeinrichtung 16 gebildet sind. Damit haben die Vergleicher 19 für die Signale mit den Phasenwinkeln 0° und 90° und die Vergleicher 19 für die Signale mit den Phasenwinkeln 45° und 135° voneinander verschiedene Hysteresebreiten. Durch diese Gestaltung werden die Breiten der jeweils den Winkeln 0°, 45°, 90° und 135° entsprechenden Rechtecksignale aus der Wandlereinrichtung 17 einander nahezu gleich, was nachfolgend beschrieben wird.

Die Impulsgeneratoreinrichtung 18 enthält je Impulsgenerator einen Pufferverstärker 20, einen Inverter 21, monostabile Kippstufen 22 und 23, die durch die Ausgangssignale des Pufferverstärkers 20 bzw. des Inverters 21 betrieben werden, und ein ODER-Glied 24. Gemäß der vorstehenden Beschreibung sind vier Schaltungen gemäß Fig. 3 zum Bilden der Wandler einrichtung 17 und der Impulsgeneratoreinrichtung 18 zusammen gesetzt.

Nachstehend wird die Funktion beschrieben. Sinusförmige Signale mit den Phasenwinkeln 0° und 90° und ein sinusförmiges Signal mit dem Phasenwinkel 180° als Inversionssignal des Signals mit dem Phasenwinkel 0°, die aus den Eingangsanschlüssen 1 und 2 über die Pufferverstärker 3 bis 5 erhalten werden, werden mittels der Widerstände R 1 bis R 4 der Misch einrichtung 16 zu vier Signalen mit den Phasenwinkeln 0°, 45°, 90° und 135° gemischt. Diese vier Signale mit den verschiedenen Phasenwinkeln werden durch die Wandlereinrichtung 17 zu Rechtecksignalen umgesetzt, welche in die Impuls generatoreinrichtung 18 eingegeben werden. Als Ergebnis werden von der Impulsgeneratoreinrichtung 18 vier Signale einer Impulsfolge abgegeben, in der Impulse in vorgegebenen Abständen aufeinanderfolgen, so daß über das ODER-Glied 14 an dem Ausgangsanschluß 15 Interpolationsimpulse bzw. eine Interpolationsimpulsfolge auftritt.

Die Fig. 4 zeigt die Kurvenform von Signalen an Knotenpunkten a bis d und h nach Fig. 2. Gemäß Fig. 4 betragen die Amplituden der Signale mit den Phasenwinkeln 45° und 135° an den Knotenpunkten c und d 1/√ der Amplituden der Signale mit den Phasenwinkeln 0° und 90° an den Knotenpunkten a und b. Gemäß Tabelle 1 werden die Hysteresebreiten der den Signalen mit den Phasenwinkeln 45° und 135° entsprechenden Vergleicher 19 der Wandlereinrichtung 17 auf 1/√ der Hysterese breiten der den Signalen mit den Phasenwinkeln 0° und 90° entsprechenden Vergleicher 19 eingestellt. Daher liegen auch dann, wenn einige der mehreren Signale aus der Mischeinrichtung 16 abweichende Amplituden haben, die Arbeitspunkte der Vergleicher 19 für die entsprechenden Signale jeweils an Punkten, die gegenüber den Nulldurchgangspunkten der Signale um den gleichen Phasenwinkel ϕ versetzt sind. Infolgedessen werden die Breiten der Rechtecksignale aus den Vergleichern 19 einander nahezu gleich, so daß die an dem Ausgang h auftretenden Interpolationsimpulse mit hoher Genauigkeit in gleichen Abständen aufeinanderfolgen. Das heißt, die Interpolationsgenauigkeit ist in hohem Ausmaß verbessert. In diesem Fall wird die Interpolationsgenauigkeit grundlegend auch dann nicht beeinträchtigt, wenn die Hysteresebreiten der Vergleicher 19 beträchtlich vergrößert werden. Auf diese Weise können die Hysteresebreiten der Vergleicher 19 verhältnismäßig groß angesetzt werden, so daß eine Interpolationsschaltung erzielt werden kann, die nicht leicht durch externe Störsignale oder dergleichen zu beein flussen ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Periode eines an dem Eingangsanschluß 1 oder 2 eingegebenen sinusförmigen Signals in acht Abschnitte unterteilt. Es besteht jedoch keine Einschränkung hierauf, so daß vielmehr eine beliebige Anzahl von Unterteilungen gewählt werden kann. Das heißt, es können wie bei diesem Ausführungsbeispiel die Hysteresebreiten der Vergleicher jeweils proportional zu den Amplituden der Signale mit den voneinander verschiedenen Phasenwinkeln aus der Mischeinrichtung 16 eingestellt werden. Dabei ist "proportional" nicht darauf beschränkt, daß die numerischen Werte zueinander streng proportional sind, sondern kann auch in Anbetracht von durch Elementetoleranzen verursachten Fehlern bzw. Abweichungen und vom Spielraum hinsichtlich der Leistung einer einzusetzenden Maschine den Fall umfassen, daß die numerischen Werte zueinander nahezu bzw. im wesentlichen proportional sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Hysteresebreiten der Vergleicher der Wandlereinrichtung 17 auf vorbestimmte Werte entsprechend den Amplituden der Signale aus der Mischeinrichtung 16 eingestellt. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Interpolierens der eingegebenen Signale außerordentlich verbessert. Da ferner große Hysteresebreiten eingestellt werden können, wird die Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation nur schwer durch externe Störsignale beeinflußt, so daß eine hohe Genauigkeit erreicht werden kann.

Die Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines optischen Systems, das als Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vernetzungsmeßeinrichtung einen optischen Codierer bzw. Wegmeßgeber zeigt.

Die Fig. 5 zeigt einen Halbleiterlaser 201, eine Kollimatorlinse 202 und eine optische Skala 203, die an einem bewegten Meßobjekt angebracht ist, ein Beugungsgitter mit einer Gitterteilung d hat und sich in der Richtung eines Pfeils X mit einer Geschwindigkeit v bewegt. Mit 209 ist ein polari sierender Strahlenteiler bezeichnet. Mit 251 und 252 sind Viertelwellenlängenplatten bezeichnet, mit 301 und 302 sind Reflexionsspiegel bezeichnet, mit 206 ist ein Strahlenteiler bezeichnet und mit 271 und 272 sind Polarisierplatten bezeichnet, deren Polarisationsachsen zueinander senkrecht stehen und zu den Polarisationsachsen der Viertelwellenlängenplatten 251 und 252 einen Winkel von 45° bilden. Mit 281 und 282 sind Lichtempfangselemente bezeichnet, die Interferenzlicht auf fotoelektrische Weise erfassen. Mit 211 ist eine Indexgradienten-Stablinse mit planen gegenüberliegenden Stirnflächen zum Fokussieren von an einer Stirnfläche einfallendem Licht auf der anderen Stirnfläche bezeichnet, auf die ein Reflexionsfilm 212 aufgebracht ist. Die Stablinse 211 und der Reflexionsfilm 212 bilden zusammen ein Reflektorsystem 220.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden kohärente Lichtstrahlen aus dem Halbleiterlaser 201 durch die Kollimatorlinse 202 im wesentlichen parallel ausgerichtet und auf den polarisierenden Strahlenteiler 209 gerichtet, durch den sie in zwei Lichtstrahlenbündel geteilt werden, nämlich in linear polarisierte bzw. P-polarisierte Durchlaßlichtstrahlen und in linear polarisierte bzw. S-polarisierte Reflexionslichtstrahlen. Der Halbleiter 201 wird in seiner Lage derart eingestellt, daß dabei die Richtung der linearen Polarisation der aus dem Halbleiterlaser 201 austretenden Lichtstrahlen um 45° in bezug auf die Polarisationsrichtung des polarisierenden Strahlenteilers 209 versetzt ist. Dadurch beträgt das Intensitätsverhältnis zwischen den Durchlaßlichtstrahlen und den Reflexionslichtstrahlen aus dem polarisierenden Strahlenteiler 209 ungefähr 1 : 1.

Die Reflexionslichtstrahlen und die Durchlaßlichtstrahlen aus dem Strahlenteiler 209 werden durch die Viertelwellen längenplatten 251 und 252 jeweils zu zirkular polarisierten Lichtstrahlen, die von den Spiegeln 301 und 302 reflektiert und schräg auf die optische Skala 203 gerichtet werden. Die jeweiligen Lichtstrahlen fallen derart auf die optische Skala 203, daß von dieser weg das in ±1-ter Ordnung gebeugte Licht im wesentlichen senkrecht zur Beugungsgitterebene der Skala 203 austritt.

Das heißt, die jeweiligen Lichtstrahlen werden derart auf die optische Skala 203 gerichtet, daß

R m = sin^-1 (m λ /P) (1)

gilt, wobei P die Gitterteilung des Beugungsgitters der optischen Skala 203 ist, λ die Wellenlänge der kohärenten Lichtstrahlen aus dem Halbleiterlaser 201 ist, m eine ganze Zahl ist und R m der Einfallwinkel der kohärenten Lichtstrahlen auf die Beugungsgitterfläche, nämlich der Winkel zu der zur Beugungsgitterebene senkrechten Richtung ist.

Die Reflexionslichtstrahlen aus dem Strahlenteiler 209 treffen über den Spiegel 301 schräg unter dem Einfallwinkel R m auf die optische Skala 203 und werden von dem Beugungsgitter der Skala 203 gebeugt und reflektiert, wobei das in +1-ter Ordnung gebeugte Licht senkrecht aus der Skala 203 austritt. Andererseits fallen die Durchlaßlichtstrahlen aus dem polarisierenden Strahlenteiler 209 über den Spiegel 203 schräg unter dem Einfallwinkel R m auf die optische Skala 203 und werden durch das Beugungsgitter der Skala 203 gebeugt und reflektiert, wobei das in -1-ter Ordnung gebeugte Licht senkrecht aus der Skala 203 austritt. Bei diesem Ausführungsbeispiel fallen die Reflexionslichtstrahlen und die Durchlaßlichtstrahlen an der optischen Skala 203 auf der gleichen Stelle ein, so daß die von der Skala 203 weg senkrecht austretenden, in ±1-ter Ordnung gebeugten beiden Lichtstrahlen einander überlagert sind. Auf diese Weise erhalten diese reflektierten Beugungslichtstrahlen einen gemeinsamen optischen Weg. Die optischen Wege der Durchlaß lichtstrahlen und der Reflexionslichtstrahlen aus dem polarisierenden Strahlenteiler 209 sowie der reflektierten Beugungslichtstrahlen liegen in der gleichen Einfallebene (in einer zur Zeichnungsebene parallelen Ebene).

Das senkrecht aus der optischen Skala 203 austretende Beugungslicht ±1-ter Ordnung gelangt zu dem Reflektorsystem 220 und trifft auf die Stirnfläche der Linse 211. Die Linse 211, die eine Stablinse ist, ist hinsichtlich ihrer Länge derart gewählt, daß an einer Stirnfläche derselben einfallende parallele Lichtstrahlen auf der anderen Stirnfläche fokussiert werden. Das heißt, die Brennebene des Reflektorsystems 220 ist die Stirnfläche des Linsenelements. Auf dieser anderen Stirnfläche ist der Reflexionsfilm 212 gebildet. Das im wesentlichen senkrecht aus der optischen Skala 203 austretende Beugungslicht ±1-ter Ordnung tritt in die Linse 211 ein. Da an der Brennebene der Linse 211 der Reflexionsfilm 212 angeordnet ist, werden die Lichtstrahlen an diesem gemäß der Darstellung in Fig. 6 reflektiert, wonach sie auf dem ursprünglichen optischen Weg zurückkehren, aus der Linse 211 austreten und auf die optische Skala 203 fallen.

Die in ±1-ter Ordnung erneut durch das Beugungsgitter der optischen Skala 203 gebeugten und reflektierten Lichtstrahlen kehren entlang den ursprünglichen optischen Wegen zurück, werden von den Spiegeln 301 bzw. 302 reflektiert, durch die Viertelwellenlängenplatten 251 und 252 durchgelassen und wieder auf den polarisierenden Strahlenteiler 209 gerichtet.

Dabei treten die erneut gebeugten Lichtstrahlen wieder durch die Viertelwellenlängenplatten 251 und 252 hindurch, so daß daher die zuerst von dem polarisierenden Strahlenteiler 209 reflektierten S-polarisierten Lichtstrahlen bei dem Wiedereintritt in den Strahlenteiler zu P-polarisierten Licht strahlen werden, deren Polarisationsrichtung in bezug auf den Strahlenteiler 209 um 90° abweicht, so daß sie daher durch den Strahlenteiler 209 durchgelassen werden. Im Gegensatz dazu werden die zuerst durch den polarisierenden Strahlenteiler 209 durchgelassenen P-polarisierten Lichtstrahlen zu S-polarisierten Lichtstrahlen, die bei dem Wiedereintreten in den Strahlenteiler von diesem reflektiert werden.

Auf diese Weise werden die beiden erneut bzw. zweimalig gebeugten Lichtstrahlen durch den polarisierenden Strahlenteiler 209 einander überlagert, wonach sie durch eine Viertel wellenlängenplatte 253 zu in entgegengesetzten Richtungen zirkular polarisiertem Licht werden, das durch den Strahlenteiler 206 in zwei Lichtstrahlen geteilt wird, die durch die Polarisierplatten 271 und 272 zu linear polarisierten Lichtstrahlen werden, welche danach auf die Lichtempfangselemente 281 bzw. 282 fallen.

Der Einfallwinkel R m gemäß Gleichung (1) kann irgendeinen Wert innerhalb des Bereichs haben, in welchem das Beugungslicht auf das Reflektorsystem 220 und danach wieder auf die optische Skala 203 fallen kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ändert sich die Phase des in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichts um ±2f, wenn sich das Beugungsgitter um eine Gitterteilung bewegt. Infolgedessen nehmen die Lichtempfangselemente 281 und 282 das aus den zweimalig in positiver und negativer erster Ordnung gebeugten Lichtstrahlen gebildete Interferenzlicht auf und setzen das Interferenzlicht auf fotoelektrische Weise um, so daß daher dann, wenn sich das Beugungsgitter um eine einem Teilungsabstand des Gitters entsprechende Strecke bewegt, aus den Lichtempfangselementen 281 und 282 jeweils Signale mit vier Sinuswellen erhalten werden.

Infolgedessen werden dann, wenn die Gitterteilung des Beugungsgitters der optischen Skala 203 gleich 3,2 µm ist und das Beugungslicht ±1-ter Ordnung genutzt wird, aus den Lichtempfangselementen 281 und 282 vier Sinuswellensignale erhalten, wenn sich die optische Skala 203 um 3,5 µm bewegt. Das heißt, als Auflösungsvermögen je Sinuswelle wird ein Viertel der Gitterteilung des Beugungsgitters, nämlich 3,2/4 =0,8 µm erreicht.

Ferner entsteht durch die Kombination aus den Viertelwellenlängenplatten 251, 252 und 253 und den Polarisierplatten 271 und 272 zwischen den Ausgangssignalen der Lichtempfangselemente 281 und 282 eine Phasendifferenz von 90°, so daß daher die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters ermittelt werden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die von der optischen Skala 203 weg austretenden, in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen einen gemeinsamen optischen Weg und diese Beugungslichtstrahlen werden durch das gemeinsame Reflektorsystem 220 wieder auf die optische Skala 203 gerichtet. Das heißt, für die einzelnen Beugungslichtstrahlen müssen keine gesonderten Spiegel vorgesehen werden; ferner ist dadurch das Verhältnis verringert, in welchem Streulichtstrahlen erzeugt werden, die die Lichtempfangselemente 281 und 282 erreichen; dadurch ist die Genauigkeit der Interferenzlichtmessung verbessert.

Im weiteren können gemäß der Darstellung in Fig. 5 alle die Meßeinrichtung bildenden Teile auf einfache Weise oberhalb, nämlich an einer Seite der optischen Skala 3 angebracht werden; daher ergibt sich ein sehr universell anwendbarer optischer Codierer bzw. Wegmeßgeber.

Das Reflektorsystem 220 bei diesem Ausführungsbeispiel hat seine Reflexionsfläche in der Brennebene, so daß daher beispielsweise selbst dann, wenn sich der Beugungswinkel infolge einer Änderung der Schwingungswellenlänge der Laserstrahlen geringfügig ändert, wodurch sich der Einfallwinkel auf die Linse 211 mehr oder weniger ändert, die Beugungslichtstrahlen auf im wesentlichen dem gleichen optischen Weg zu der optischen Skala 203 zurückgeführt werden können. Dadurch werden die beiden in positiver und negativer Ordnung gebeugten Lichtstrahlen einander auf genaue Weise überlagert, was zur Folge hat, daß eine Verringerung des Störabstands bzw. Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses der Ausgangssignale der Lichtempfangselemente 281 und 282 vermieden ist. Weiterhin wird durch das Wählen des Einfallwinkels R m der kohärenten Lichtstrahlen auf die optische Skala 203 auf die vorstehend beschriebene Weise und durch den Einsatz des Reflektorsystems 220 ein kompakter Aufbau der ganzen Meßeinrichtung erreicht.

Falls die Gitterteilung des Beugungsgitters der optischen Skala 203 gleich 3,2 µm ist und die Wellenlänge des Lichts aus dem Halbleiterlaser 201 0,78 µm beträgt, beträgt auf die vorangehend angeführte Weise für das in ±1-ter Ordnung gebeugte Licht der Beugungswinkel 14,2°. Daher beträgt dann, wenn als Linse 211 eine Indexgradientenlinse mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 2 mm verwendet wird, um nur das in ±1-ter Ordnung gebeugte Licht zu reflektieren, der Abstand von der optischen Skala 203 zu der Linse 211 2/tg 14,2°=7,9 mm; die Skala und die Linse können daher voneinander einen Abstand in der Größenordnung von 8 mm erhalten, so daß die ganze Meßeinrichtung sehr kompakt aufgebaut werden kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel haben die beiden erneut gebeugten Lichtstrahlen, die an den Lichtempfangselementen 281 und 282 das Interferenzlicht bilden, gleiche optische Weglängen. Infolgedessen kann selbst dann, wenn sich die Wellenlänge des Halbleiterlasers 201 ändert, ein nur auf die Versetzung der optischen Skala 203 reagierendes Interferenzlicht gebildet werden. Ferner kann als Leuchtelement der Meßeinrichtung ein billiger Multimode-Halbleiterlaser verwendet werden.

Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der optische Weg des optischen Systems mit dem polarisierenden Strahlenteiler 209, den Spiegeln 301 und 302 und dem Reflektorsystem 220 bisymmetrisch und bildet ein System, das gegenüber Störungen wie einer Vertikalbewegung der optischen Skala 203 unempfindlich ist.

Ferner ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Linse 211 eine Indexgradientenlinse verwendet, jedoch kann gemäß der Darstellung in Fig. 7 stattdessen das Reflektorsystem 220 durch eine Kombination aus einer Sammellinse 213 und einem Spiegel 214 gebildet sein.

Ferner wird bei diesem Ausführungsbeispiel das gebeugte und reflektierte Licht wieder auf die optische Skala 203 gerichtet, jedoch kann gemäß der Darstellung in Fig. 8 das Reflektorsystem 220 auf der anderen Seite der optischen Skala 203 angeordnet werden, um das gebeugte und durchgelassene Licht wieder auf die optische Skala 203 zu richten.

Nach Fig. 5 werden die aus den Lichtempfangselementen 281 und 282 in die Eingangsanschlüsse 1 und 2 der Mischeinrichtung 16 als sinusförmiges Signal mit dem Phasenwinkel 0° und sinusförmiges Signal mit dem Phasenwinkel 90° eingegeben. Diese Signale werden dann durch die Mischeinrichtung 16, die Wandlereinrichtung 17 und die Impulsgeneratoreinrichtung 18 verarbeitet. Die Mischeinrichtung 16, die Wandlereinrichtung 17 und die Impulsgeneratoreinrichtung 18 haben die in Fig. 2 und 3 gezeigte Gestaltung. Daher werden die von der aus diesen Einrichtungen gebildeten Signalinterpolationsschaltung erzeugten Interpolationsimpulse als Impulsfolge, in der die Impulse in gleichen Abständen aufeinanderfolgen, in eine Meßeinrichtung 25 eingegeben. Die Meßeinrichtung 25 zählt aufeinanderfolgend die Impulse der Interpolationsimpulsfolge, um daraus eine Bewegungsstrecke bzw. einen Weg der Skala 203 zu bestimmen. In der Versetzungsmeßeinrichtung werden die von den Lichtempfangselementen 281 und 282 abgegebenen Signale interpoliert bzw. unterteilt und es werden je Periode eines jeden Signals acht Impulse erzeugt. Daher kann mit dieser Meßeinrichtung eine Versetzung der Skala 203 mit einem sehr hohen Auflösungsvermögen gemessen werden. Da die Abstände der durch die Interpolation erzeugten Impulse einander immer gleich sind, ist auch die Meßgenauigkeit hoch.

Es ist ferner ersichtlich, daß die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Versetzungsmeßeinrichtung nicht auf die in den Fig. 5 bis 8 dargestellte beschränkt ist.

Eine Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation hat eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme von Signalen mit vorbestimmten Phasen und zur Abgabe eines ersten und eines zweiten Signals, die voneinander verschiedene Phasenwinkel und Amplituden haben, eine Wandlereinrichtung zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal und des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal in der Weise, daß unabhängig von der Amplitudendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander im wesentlichen gleich sind, und eine Impulsgeneratoreinrichtung zum Erzeugen von ersten und zweiten, den Phasenwinkel entsprechenden Impulsen aus dem ersten und dem zweiten Binärsignal.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation, gekennzeichnet durch
eine Aufnahmeeinrichtung (16) zum Aufnehmen von Signalen mit vorbestimmten Phasen und zum Abgeben eines ersten und eines zweiten Signals, die voneinander verschiedene Phasenwinkel und Amplituden haben,
eine Wandlereinrichtung (17) zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal und des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal in der Weise, daß unabhängig von der Amplitudendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander im wesentlichen gleich sind, und
eine Impulsgeneratoreinrichtung (18) zum Erzeugen von ersten und zweiten, den Phasenwinkeln entsprechenden Impulsen aus dem ersten und zweiten Binärsignal.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung (16) eine Anordnung aus Pufferverstärkern (3 bis 5) und Widerständen (R) aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung (16) als vorbe stimmte Signale ein Signal mit dem Phasenwinkel 0° und ein Signal mit dem Phasenwinkel 90° aufnimmt.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (17) einen ersten Vergleicher (19) mit einer ersten Hysterese zum Umsetzen des ersten Signals in das erste Binärsignal und einen zweiten Vergleicher (19) mit einer zweiten Hysterese zum Umsetzen des zweiten Signals in das zweite Binärsignal aufweist, wobei die Breiten der ersten und der zweiten Hysterese derart voneinander verschieden sind, daß die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander gleich sind.

5. Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation, gekennzeichnet durch
eine Aufnahmeeinrichtung (16) zum Aufnehmen von Signalen mit vorbestimmten Phasen und zum Ausgeben eines ersten und eines zweiten Signals, die voneinander verschiedene Phasenwinkel und Amplituden haben,
einen ersten Vergleicher (17, 19) mit einer ersten Hysterese zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal,
einen zweiten Vergleicher (17, 19) mit einer zweiten Hysterese zum Umsetzen des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal, wobei die Breiten der ersten und der zweiten Hysterese derart eingestellt sind, daß unabhängig von der Amplitudendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander gleich sind, und
eine Impulsgeneratoreinrichtung (18) zum Erzeugen von ersten und zweiten, den Phasenwinkeln entsprechenden Impulsen aus dem ersten und zweiten Binärsignal.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breiten der ersten und der zweiten Hysterese voneinander verschieden sind.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung (16) das zweite Signal mit einer Amplitude abgibt, die kleiner als diejenige des ersten Signals ist, und daß der erste und zweite Vergleicher derart gestaltet sind, daß die Breite der zweiten Hysterese kleiner als diejenige der ersten Hysterese ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratoreinrichtung (18) eine erste Schaltung zum Aufnehmen des ersten Binärsignals und zum Erzeugen der ersten Impulse entsprechend den Vorderflanken des ersten Binärsignals und eine zweite Schaltung zum Aufnehmen des zweiten Binärsignals und zum Erzeugen der zweiten Impulse entsprechend den Vorderflanken des zweiten Binärsignals aufweist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein ODER-Glied (14) zum Aufnehmen der ersten und zweiten Impulse und zum Bilden einer vorbestimmten Impulsfolge.

10. Verfahren zum Erzeugen von ersten und zweiten Impulsen entsprechend Phasenwinkeln von Signalen unter Verwendung eines ersten Signals und eines zweiten Signals, das eine kleinere Amplitude als das erste Signal und einen vom Phasenwinkel des ersten Signals verschiedenen Phasenwinkel hat, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Schritt das erste Signal in ein erstes Binärsignal umgesetzt wird,
daß in einem zweiten Schritt das zweite Signal in ein zweites Binärsignal umgesetzt wird, wobei der zweite Schritt derart ausgeführt wird, daß die Breite des zweiten Binärsignals nahezu gleich der Breite des ersten Binärsignals ist, und
daß in einem dritten Schritt die ersten und zweiten Impulse von dem ersten und zweiten Binärsignal ausgehend erzeugt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem ersten Schritt das erste Signal in einen Vergleicher mit einer ersten Hysterese eingegeben wird, damit der Vergleicher das erste Signal binär digitalisiert, und bei dem zweiten Schritt das zweite Signal in einen Vergleicher mit einer zweiten Hysterese mit einer geringeren Breite als die erste Hysterese eingegeben wird, damit der Vergleicher das zweite Signal binär digitalisiert, wobei die Breite der zweiten Hysterese derart gewählt wird, daß die Breite des zweiten Binärsignals nahezu gleich der Breite des ersten Binärsignals ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem dritten Schritt
ein Inversionssignal des ersten Binärsignals gebildet wird,
ein Inversionssignal des zweiten Binärsignals gebildet wird,
Impulse entsprechend den Vorderflanken des ersten Binärsignals und des Inversionssignals desselben erzeugt werden und
Impulse entsprechend den Vorderflanken des zweiten Binärsignals und des Inversionssignals desselben erzeugt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem dritten Schritt ferner mittels eines ODER-Glieds die bei den Impulserzeugungsschritten erhaltenen Impulse in eine Impulsfolge umgesetzt werden, in der die Impulse in gleichen Abständen aufgereiht sind.

14. Versetzungsmeßeinrichtung, gekennzeichnet durch
eine Lesevorrichtung (281, 282) zum Lesen von auf einer bewegbaren Skala (203) gebildeten Skalenmarkierungen und zum Abgeben von mehreren nahezu sinusförmigen Signalen mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln entsprechend einer Versetzung der Skala,
eine Aufnahmeeinrichtung (16) zum Aufnehmen der mehreren Signale und zum Abgeben eines ersten und eines zweiten Signals, die voneinander verschiedene Phasenwinkel und Amplituden haben,
eine Wandlereinrichtung (17) zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal und des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal in der Weise, daß unabhängig von der Amplitudendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signal die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander nahezu gleich sind, und
eine Impulsgeneratoreinrichtung (18), die ausgehend von dem ersten und dem zweiten Binärsignal entsprechend den Phasenwinkeln erste und zweite Impulse erzeugt, mit denen die Versetzung der Skala gemessen wird.

15. Versetzungsmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Signale ein Signal mit dem Phasenwinkel 0° und ein Signal mit dem Phasenwinkel 90° ent halten.

16. Versetzungsmeßeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung einen ersten Vergleicher mit einer ersten Hysterese zum Umsetzen des ersten Signals in das erste Binärsignal und einen zweiten Vergleicher mit einer zweiten Hysterese mit einer Breite, die nahezu gleich derjenigen der ersten Hysterese des ersten Vergleichers ist, zum Umsetzen des zweiten Signals in das zweite Binärsignal aufweist, wobei die Breite der ersten und der zweiten Hysterese derart gewählt sind, daß die Breiten des ersten und des zweiten Binärsignals einander nahezu gleich sind.

17. Versetzungsmeßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung (16) derart gestaltet ist, daß das zweite Signal mehrere Signale mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln enthält, und daß der zweite Vergleicher derart gestaltet ist, daß das zweite Binärsignal mehrere Binärsignale enthält.

18. Versetzungsmeßeinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die Amplitude des zweiten Signals kleiner als die Amplitude des ersten Signals ist, die Hysteresebreite des zweiten Vergleichers kleiner als die Hysteresebreite des ersten Vergleichers eingestellt ist.

19. Versetzungsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zum Umsetzen der ersten und zweiten Impulse zu einer Impulsfolge.

20. Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation, gekennzeichnet durch
eine Aufnahmeeinrichtung (16) zum Aufnehmen von Signalen mit vorbestimmten Phasen und zum Abgeben eines ersten und eines zweiten Signals, die voneinander verschiedene Phasenwinkel und Amplituden haben,
eine erste Wandlereinrichtung (17) zum Umsetzen des ersten Signals in ein erstes Binärsignal mit einem ersten Vergleicher (19),
eine zweite Wandlereinrichtung (17) zum Umsetzen des zweiten Signals in ein zweites Binärsignal mit einem zweiten Vergleicher (19), wobei das Verhältnis der Hysterese des zweiten Vergleichers zur Amplitude des zweiten Signals im wesentlichen mit dem Verhältnis der Hysterese des ersten Vergleichers zur Amplitude des ersten Signals übereinstimmend eingestellt ist, und
eine Einrichtung (18) zum Erzeugen erster und zweiter, den Phasenwinkeln entsprechender Impulse aus dem ersten und dem zweiten Binärsignal.