DE1169150B

DE1169150B - Device for determining the relative displacement of an object using a displaceable grid

Info

Publication number: DE1169150B
Application number: DEN21001A
Authority: DE
Inventors: Hendrik De Lang
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1960-12-29
Filing date: 1961-12-28
Publication date: 1964-04-30

Description

Vorrichtung zum Bestimmen der relativen Verschiebung eines Objektes unter Verwendung eines verschiebbaren Rasters Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der relativen Verschiebung eines Gegenstandes unter Verwendung eines zusammen mit dem Gegenstand verschiebbaren Rasters mit senkrecht zur Verschiebungsrichtung verlaufenden Rillen und einer Lichtquelle, deren Strahlen das Raster und ein zugehöriges optisches System ein oder mehrere Male durchläuft und danach auf zwei photoelektrische Elemente fällt, in denen bei Verschiebung ein Signal erzeugt wird, wobei die Signale gegenseitig einen Phasenunterschied aufweisen, der von einem ganzen Vielfachen von 180' verschieden ist, und wobei die Größe und die Richtung der Verschiebung durch Aufzeichnung der Periodizität dieser Signale in einer Zählvorrichtung gemessen werden.Device for determining the relative displacement of an object using a sliding grid The invention relates to a Device for determining the relative displacement of an object using a grid that can be displaced together with the object and is perpendicular to the direction of displacement running grooves and a light source, whose rays the grid and an associated one optical system passes through one or more times and then to two photoelectric Elements fall in which, when shifted, a signal is generated, the signals mutually have a phase difference which is an integral multiple of 180 'is different, and where the magnitude and direction of the displacement is given by Record the periodicity of these signals can be measured in a counting device.

Das im vorliegenden Fall angewendete Abtastprinzip mit Phasenmodulation der lageempfindlichen Signale ist bei solchen Vorrichtungen an sich bekannt. The sampling principle with phase modulation used in the present case the position-sensitive signals is known per se in such devices.

Bei einer anderen elektrooptischen Vorrichtung für Zwecke des Messens von Längen- bzw. Lagegrößen, die nach dem Interfermometerprinzip aufgebaut ist, wird ebenfalls von der Phasenmodulation Gebrauch gemacht, und zwar in der Weise, daß mindestens eines der interferierenden Strahlenbündel phasenm oduliert wird. In another electro-optical device for measurement purposes of length or position variables that are built according to the interfermometer principle, use is also made of phase modulation in the manner that that at least one of the interfering beams is phase modulated.

Gegenüber diesen vorbekannten Ausführungen zeichnet sich die Vorrichtung nach der Erfindung dadurch aus, daß das optische System das Raster umgekehrt an sich abbildet und einen Spiegel aufweist, der um eine Achse in Vibration gesetzt wird, die sich im wesentlichen parallel zu den Rasterrillen, wie diese vom Spiegel aus betrachtet werden, erstreckt derart, daß die beiden Signale auf gleiche Weise phasenmoduliert werden, und daß Mittel vorhanden sind, um aus den modulierten Signalen unmodulierte Signale abzuleiten. The device is distinguished from these previously known designs according to the invention in that the optical system reverses the grid and has a mirror that is set in vibration about an axis which is essentially parallel to the grid grooves, like this one from the mirror viewed from, extends such that the two signals appear in the same way are phase modulated, and that means are available to extract from the modulated signals derive unmodulated signals.

Gegenüber dem vorbekannten Stand der Technik besteht der Vorteil der gekennzeichneten Vorrichtung darin, daß auf einfache Weise eine Phasenmodulation zweier Signale erhalten wird, nämlich durch Schwingung eines Spiegels, der einen Teil des optischen Systems bildet. Ein solches optisches System fehlt bei der bekannten Vorrichtung. Andererseits tritt bei der letzterwähnten bekannten Vorrichtung keine Phasenmodulation zweier Signale im Sinne der gekennzeichneten Erfindung auf. There is the advantage over the previously known state of the art the characterized device is that in a simple manner a phase modulation two signals is obtained, namely by vibration of a mirror, the one Forms part of the optical system. Such an optical system is lacking in the known one Contraption. On the other hand, none occurs in the last-mentioned known device Phase modulation of two signals within the meaning of the characterized invention.

In anderen bekannten Vorrichtungen dieser Art besteht der auf die photoelektrischen Elemente auffallende Lichtstrom aus einem mehr oder weniger konstanten Teil, dem Untergrund, dem ein im wesentlichen sinusförmiger, von der Rasterlage abhängiger Teil überlagert ist und wobei der Photostrom eine entsprechende Form hat. Die Periodizität der Signale wird dann durch Anwendung der Nulldurchgänge des sinusförmig veränderlichen Teiles des Photostromes aufgezeichnet. Dies wird jedoch dadurch erschwert, daß der Untergrund des Lichtstromes unerwünschte Änderungen aufweisen kann und daß außerdem bei den üblichen halbleitenden photoempfindlichen Elementen der Untergrund im Photostrom noch zusätzlich durch den sogenannten Dunkelstrom des Elements verstärkt wird, der stark von der Temperatur abhängig ist. Diese unerwünschten Änderungen können vergleichbar mit oder sogar größer werden als der bzw. die Amplitude des sinusförmig veränderlichen Teiles, wodurch die Bestimmung von Nulldurchgängen ungewiß oder sogar unmöglich wird. Dieser störende Gleichstromteil darf auch nicht von Filtern entfernt werden, weil die Frequenz des Wechselstromteiles bei geringen Verschiebungsgeschwindigkeiten sich Null nähern kann. In other known devices of this type, there is the Photoelectric elements striking the luminous flux from a more or less constant Part, the subsurface, which is essentially sinusoidal, from the grid position dependent part is superimposed and wherein the photocurrent is a has the appropriate shape. The periodicity of the signals is then made sinusoidal by applying the zero crossings variable part of the photocurrent recorded. However, this is made more difficult by that the background of the luminous flux can show undesirable changes and that also, in the case of the usual semiconducting photosensitive elements, the background in the photocurrent additionally amplified by the so-called dark current of the element which is strongly dependent on the temperature. These unwanted changes can be comparable to or even greater than the or the amplitude of the sinusoidally variable part, making the determination of zero crossings uncertain or even impossible. This disruptive DC component must also not come from filters be removed because the frequency of the alternating current part at low displacement speeds can approach zero.

In einem älteren Vorschlag ist beschrieben, wie durch eine Vibrationsbewegung eines der Elemente des dem Raster zugehörigen optischen Systems ein sinusförmig mit der Zeit phasenmoduliertes Signal erhalten wird, das in Kombination mit einem von der Vibration abgeleiteten, sinusförmig mit der Zeit verlaufenden Signal alle Informationen aufweist, um die Richtung und die Größe der Verschiebung zu bestimmen, wobei der Gleichstromteil des photoelektrischen Signals unschädlich ist. In an older proposal it is described how by a vibratory movement one of the elements of the optical system belonging to the grid is sinusoidal phase modulated signal is obtained over time, which in combination with a Vibration-derived sinusoidal over time signal all Has information to determine the direction and magnitude of the shift, the DC part of the photoelectric signal being harmless.

Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß es schwierig ist bei hohen Verschiebungsgeschwindigkeiten zu messen. Die höchstzulässige Verschiebungsgeschwindigkeit wird nämlich durch eine Anzahl von Umständen begrenzt. A disadvantage of this method is that it is difficult at high levels Measure displacement velocities. The maximum allowable displacement speed namely, is limited by a number of circumstances.

An erster Stelle beträgt die maximale Anzahl der Verschiebungsperioden, die pro Sekunde zurückgelegt werden darf, die Hälfte der Modulationsfrequenz. Die Verwirklichung einer genügend hohen Modulationsfrequenz kann mechanische Nachteile liefern. In the first place is the maximum number of shift periods, which can be covered per second, half of the modulation frequency. the Realizing a sufficiently high modulation frequency can have mechanical disadvantages deliver.

Weiter wird die maximale Verschiebungsgeschwindigkeit durch die maximale Frequenz (Grenzfrequenz) bestimmt, auf die das photoelektrische Element noch reagiert, und zwar ist das theoretische Maximum der Anzahl der Verschiebungsperioden pro Sekunde nur das Fünftel dieser Grenzfrequenz, da in dem phasenmodulierten Signal bei maximaler Verschiebungsgeschwindigkeit eine Frequenz des 2,5fachen der Modulationsfrequenz auftritt, die also durch das photoelektrische Element muß verwirkt werden können, weil weiter die Anzahl der Verschiebungsperioden pro Sekunde maximal die Hälfte der Modulationsfrequenz ist. Next, the maximum displacement speed is determined by the maximum Determines the frequency (cut-off frequency) to which the photoelectric element still reacts, namely is the theoretical maximum of the number of shift periods per second only the fifth of this cut-off frequency, since in the phase-modulated signal at maximum Displacement speed a frequency 2.5 times the modulation frequency occurs, which must therefore be forfeited by the photoelectric element, because further the number of shift periods per second is a maximum of half is the modulation frequency.

Alle diese Schwierigkeiten werden bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme vermieden, mit der, obwohl der Untergrund auf die beschriebene Weise unschädlich gemacht ist, doch leicht gemessen werden kann, auch wenn die Verschiebungsgeschwindigkeit verhältnismäßig groß ist. All of these difficulties become apparent when using the present invention Measure avoided with the, although the subsurface is harmless in the manner described is made, yet can be easily measured even if the displacement speed is relatively large.

Bei einer praktischen Ausführungsform kann es von Vorteil sein, wenn das optische System zusätzlich ein Element enthält, wodurch zwei gegenseitig senkrecht polarisierte Bilder des Rasters erzeugt werden, welche, in der Verschiebungsrichtung gemessen, gegenseitig um einen Abstand verschoben sind, und wenn dabei die gegenseitig polarisierten Strahlenbündel durch einen Analysator getrennt werden und je ein zugeordnetes Photoelement beeinflussen. Hierbei ist der Analysator zweckmäßig als strahlenteilendes Prisma mit zwei Teilen ausgebildet, welche nach einer Diagonalfläche gekittet sind und an dieser mit Schichten von abwechselnd niedrigem und hohem Brechungsindex versehen sind. Bevorzugt werden für die Abbildung des Rasters auf sich selbst die Vibrationsmaxima der Ordnung tl und - 1 ausgenutzt. In a practical embodiment, it can be advantageous if the optical system additionally contains an element, making two mutually perpendicular polarized images of the grid are generated which, in the direction of displacement measured, mutually shifted by a distance, and if doing the mutually polarized bundles of rays are separated by an analyzer and one assigned to each Affect photo element. In this case, the analyzer is useful as a beam-splitting one Prism formed with two parts, which are cemented according to a diagonal surface and provided on this with layers of alternating low and high refractive index are. The vibration maxima are preferred for mapping the grid onto itself the order tl and - 1 are used.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung, mit der zwei gegenseitig um 90° in der Phase verschiedene photoelektrische Signale der Form: A = sin (cx + b sin (l t) + const. A device according to the invention, with the two mutually around 90 ° in phase different photoelectric signals of the form: A = sin (cx + b sin (l t) + const.

B = cos(fsix + b sin 9 t) + const. abgeleitet werden können, ist in F i g. 1 dargestellt. B = cos (fsix + b sin 9 t) + const. can be derived is in Fig. 1 shown.

Die Bewegungsrichtung des Rasters liegt hierbei in der Zeichenebene und ist mit x bezeichnet.The direction of movement of the grid lies in the plane of the drawing and is denoted by x.

Das Licht einer Lichtquelle B wird durch eine Linse L 1 kollimiert und fällt über einen flachen Spiegel S1 auf einen Teilspiegel S2 auf. Das zurückgeworfene Bündel fällt über Linsen L2 und L3 auf das Raster R auf, das einen Teil des Körpers bildet. dessen Verschiebung gegenüber dem optischen System gemessen wird, von dem angenommen wird, daß es fest angeordnet ist. Durch das Raster wird das Licht in kohärente Teilbündel gespalten, die durch die Quarzplatte K fallen, die nachstehend noch weiter beschrieben werden wird. Über die Linse L4 fallen die Bündel dann auf den Hohlspiegel S3 auf, der in der Brennfläche von L4 steht und um eine Achse parallel zu den Rasterelementen in Vibration versetzt wird. Dies erfolgt hier dadurch, daß der Spiegel S3 an dem Ende eines Stabes aus magnetostriktivem Material befestigt ist, der nah an dem Ende, an dem der Spiegel angeordnet ist, mit einem unsymmetrischen Einschnitt versehen ist. Die Stabenden tragen Spulen, in denen auf bekannte Weise durch einen Verstärker mit Rückkopplung elektrische Schwingungen mit einer Frequenz gleich der Eigenfrequenz des Stabes erzeugt werden. The light from a light source B is collimated by a lens L 1 and falls on a partial mirror S2 via a flat mirror S1. The thrown back The bundle falls through lenses L2 and L3 on the grid R, which is part of the body forms. whose displacement with respect to the optical system is measured from which it is assumed to be fixed. Through the grid, the light is in split coherent sub-bundles falling through the quartz plate K, the following will be further described. The bundles fall over the lens L4 then on the concave mirror S3, which is in the focal surface of L4 and parallel to an axis is set in vibration to the grid elements. This is done here in that the mirror S3 is attached to the end of a rod made of magnetostrictive material that is close to the end where the mirror is placed, with an unbalanced one Incision is provided. The rod ends carry coils in a known manner through an amplifier with feedback electrical oscillations at a frequency equal to the natural frequency of the rod.

Die Kreisfrequenz der Schwingung wird mit ° bezeichnet. In der Zeichnung (F i g. l bis 6) ist der Gang der Strahlen angegeben, die die Biegungsmaxima der Ordnung0, --l und X 1 veranlassen.The angular frequency of the oscillation is denoted by °. In the drawing (F i g. 1 to 6) the path of the rays is indicated, which the bending maxima of the Initiate order 0, --l and X 1.

Auf dem Spiegel S3 sind diese mit A1o, M, und M+ bezeichnet. Der Spiegel ist an der Stelle von Mo durch eine schwarze Bedeckung nichtreflektierend gemacht. und die Abmessungen des Spiegels sind derart klein gewählt, daß Maxima höherer Ordnung nicht aufgefangen werden. Auf diese Weise werden nur die Bündel von der Ordnung - 1 und C1 zurückgeworfen, und diese fallen über die Linse L4 und die Quarzplatte K auf das Raster R zurück. Von den durch das Raster gebildeten, rückwärts austretenden, kohärenten Bündeln werden weiter nur zwei verwendet, nämlich erstens das durch das Raster R aus dem von M l herrührenden Licht gebildete Bündel der Ordnung tl 1 und zweitens das durch das Raster aus dem von M-,-1 herrührenden Licht gebildete Bündel der Ordnung -1. Diese in Richtung zusammenfallenden, kohärenten Bündel fallen über die Linsen L3 und L2 und den Spiegel S2 auf ein Teilprisma auf, das aus zwei Teilen P1 und P2 besteht, die nach der Diagonalebene W. die senkrecht zur Zeichenebene steht, gekittet sind. Die Kittfläche von P1 ist mit einer Verspiegelung aus im Vakuum aufgedampften dünnen Schichten von abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex versehen. Es wird einleuchten, daß, wenn der Einfallswinkel q derart gewählt wird, daß auf der Begrenzung zwischen den Schichten hohen und niedrigen Brechungsindex das Licht etwa unter dem Brewsterschen Winkel einfällt und, wenn außerdem die Stärke der Schichten geeignet gewählt wird, es erreicht werden kann, daß durch die genannte Verspiegelung von dem Licht im verwendeten Wellenlängenbereich der senkrecht zur Zeichenebene schwingende Teil zum größten Teil zur Linse L5 zurückgeworfen wird, von der es auf die Photodiode F1 fällt. Der in der Zeichenebene schwingende Teil wird zum größten Teil durchgelassen und fällt über die Linse L6 auf die Photodiode F2.These are labeled A1o, M, and M + on the mirror S3. The mirror is made non-reflective in the place of Mo by a black covering. and the dimensions of the mirror are chosen to be so small that maxima of a higher order not be caught. That way, only the bundles will be out of order - 1 and C1 thrown back, and these fall over the lens L4 and the quartz plate K back to the grid R. From the backward exiting formed by the grid, In addition, only two coherent bundles are used, namely, firstly, through the Raster R formed from the light emanating from M l of the order tl 1 and secondly, the bundle formed by the grid from the light originating from M -, - 1 of order -1. These towards coherent, coherent bundles fall over the lenses L3 and L2 and the mirror S2 on a partial prism, which consists of two parts P1 and P2 consists, after the diagonal plane W. the perpendicular to the plane of the drawing stands, are cemented. The putty surface of P1 is mirrored in a vacuum vapor-deposited thin layers of alternating high and low refractive index Mistake. It will be evident that if the angle of incidence q is chosen to be that on the boundary between the high and low refractive index layers the light comes in at about Brewster's angle and, if so, the strength of the layers is chosen appropriately, it can be achieved that by said Mirroring of the light in the wavelength range used perpendicular to the Part of the plane swinging is mostly reflected back to lens L5, from which it falls on the photodiode F1. The part that vibrates in the plane of the drawing is transmitted for the most part and falls on the photodiode via lens L6 F2.

F i g. 2 zeigt die Quarzplatte K von dem Raster in der Richtung der optischen Achse des Abbildungssystems L4S3 betrachtet. F i g. 3 zeigt einen Querschnitt der Quarzplatte nach dem Hauptschnitt. Die optische Achse des Quarzes schließt einen Winkel von etwa 45" mit der Ebene der Platte ein. In der Figur ist angenommen, daß die Richtung der Rasterrillen einen Winkel ß mit der Senkrechten auf der Zeichenebene aus F i g. 1 einschließt. Der Hauptschnitt H schließt einen Winkel X mit der Richtung der Rasterrillen ein. F i g. 2 shows the quartz plate K from the grid in the direction of FIG optical axis of the imaging system L4S3 viewed. F i g. 3 shows a cross section the quartz plate after the main cut. The optical axis of the quartz includes one An angle of about 45 "with the plane of the plate. It is assumed in the figure that the direction of the grid grooves an angle ß with the vertical on the plane of the drawing from Fig. 1 includes. The main section H closes an angle X with the direction of the grid grooves.

Der auf der optischen Achse des Abbildungssystems L4S3 liegende Punkt 0 des Rasters wird im \>gewöhnlichen« Strahlengang an sich als O0 abgebildet. Die Vibrationsrichtung (senkrecht zum Hauptschnitt) ist mit dem doppelten Pfeil bezeichnet. Die saußergewöhnliche « Abbildung 0e ist jedoch längs dem Hauptschnitt in der Rasterebene gegenüber O0 in einem Abstand verschoben, die annähernd mit ne-n0 O0Oe = 2d angegeben werden kann. In der Formel ist d = Stärke der Quarzplatte, n0 = gewöhnlicher Brechungsindex, ne = außergewöhnlicher Brechungsindex. The point lying on the optical axis of the imaging system L4S3 0 of the grid is mapped as O0 in the \> ordinary «beam path. The direction of vibration (perpendicular to the main section) is with the double arrow designated. The extraordinary one «However, Figure 0e is longitudinal the main section in the grid plane compared to O0 shifted at a distance that can be specified approximately with ne-n0 O0Oe = 2d. In the formula, d = strength of the quartz plate, n0 = ordinary refractive index, ne = extraordinary refractive index.

Es wird bemerkt, daß in der Figur die Verschiebung deutlichkeitshalber übertrieben dargestellt ist. It is noted that in the figure the shift is for the sake of clarity is exaggerated.

Die Vibrationsrichtung von O0 ist senkrecht zum und diejenige von Oe parallel zum Hauptschnitt. Sie sind mit den doppelten Pfeilen bezeichnet. The vibration direction of O0 is perpendicular to and that of Oe parallel to the main cut. They are marked with the double arrows.

In der Richtung senkrecht zu den Rasterrillen ist der gegenseitige Abstand der beiden Bilder O0 und 0e also gleich ne-n0 2d # sin α. n0 Wenn α : nicht zu groß ist und außerdem die Rasterrillen, mit Ausnahme eines kleinen Winkels p, senkrecht zur Bewegungsrichtung des Rasters R stehen, werden die Signale, die von F1 und F2 geliefert werden, in erster Annäherung die folgende Form aufweisen: r in der b = 2# # # #, in der r = der Halbmesser 1/4p von S3, # die Winkelamplitude der Schwingung von S3 und 2d(ne - n0) c = # 2#.In the direction perpendicular to the grid grooves, the mutual distance between the two images O0 and 0e is therefore equal to ne-n0 2d # sin α. n0 If α: is not too large and the grid grooves, with the exception of a small angle p, are perpendicular to the direction of movement of the grid R, the signals supplied by F1 and F2 will have the following form as a first approximation: r in which b = 2 # # # #, in which r = the radius 1 / 4p of S3, # the angular amplitude of the oscillation of S3 and 2d (ne - n0) c = # 2 #.

½p n0 Glieder von einer Ordnung höher als die erste Ordnung in α und ß sind hierbei vernachlässigt. ½p n0 terms of one order higher than the first order in α and ß are neglected here.

Durch geeignete Wahl von d kann erreicht werden, daß z. B. c größer ist als c1 2#/10, so daß der für einen Phasenunterschied von #/2 erforderliche Winkel α nicht größer als etwa 5° wird. Da in der Praxis ß auch nicht mehr als einige Grad beträgt, darf man für die obige Form das Signal aus F2 verwenden. Der für einen Phasenunterschied von #/2 erforderliche Winkel α wird dann pn0 α = . By suitable choice of d it can be achieved that, for. B. c larger is as c1 2 # / 10 such that the angle required for a phase difference of # / 2 α does not become larger than about 5 °. Since in practice ß not more than a few Degrees, the signal from F2 can be used for the above form. The one for one Phase difference of # / 2 required angle α then becomes pn0 α =.

16d(ne - n0) Der gewünschte Wert von α kann dadurch eingestellt werden, daß die Quarzplatte in einer um die optische Achse von L4 und S3 drehbaren Fassung V (s. F i g. 1) montiert wird. Die Platte wird also mittels dieser drehbaren Fassung mit ihrem Hauptschnitt so viel aus der Rasterrillenrichtung gedreht, bis der erwähnte Phasenunterschied von 2 erreicht ist. 16d (ne - n0) The desired value of α can thereby be set that the quartz plate can be rotated around the optical axis of L4 and S3 Version V (see Fig. 1) is mounted. The plate is thus rotatable by means of this The main cut of the frame is rotated from the direction of the raster groove until the mentioned phase difference of 2 is reached.

2 Für Quarz gilt: ne - n0 - = 0,006. n0 Wählt man weiter: d 2 mm, p = 16 @@ (Meßstufen 1 so ist 16 # 10-3 1 = radial = 5°. 2 The following applies to quartz: ne - n0 - = 0.006. n0 If you choose further: d 2 mm, p = 16 @@ (measuring steps 1 so 16 # 10-3 1 = radial = 5 °.

16 # 2 # 0,006 12 Die Stärke d der Quarzplatte darf nicht zu klein sein, weil bei größeren Werten von α Komplikationen auftreten, nämlich eine Amplitudenverringerung der Wechselstromteile der beiden Signale. Andererseits ist es erwünscht, d nicht zu groß zu wählen, da dann die Einstellung von a zu kritisch wird. Die in den photoempfindlichen Elementen erhaltenen Spannungen haben also die Form: A = sin (w x + b sin 9t) + const., B = cos (# x + b sin # t) + const. 16 # 2 # 0.006 12 The thickness d of the quartz plate must not be too small because complications occur with larger values of α, namely one Reduction of the amplitude of the alternating current parts of the two signals. On the other hand is it is desirable not to choose d too large, since then the setting of a is too critical will. The voltages obtained in the photosensitive elements thus have Form: A = sin (w x + b sin 9t) + const., B = cos (# x + b sin # t) + const.

Aus diesen Spannungen kann dann auf folgende, an Hand der F i g. 4 zu beschreibende Weise eine Anzeige erhalten werden. Der Modulationswinkel b wird klein gewählt, z. B. 0,2. Die obigen Ausdrücke können dann durch A = const. + sin # x + b cos # x sin # t, B = const. + cosm x - b sin # x x sin 9 t genähert werden. From these tensions, the following, on the basis of FIG. 4 way to be described a display can be obtained. The modulation angle b becomes chosen small, e.g. B. 0.2. The above expressions can then be replaced by A = const. + sin # x + b cos # x sin # t, B = const. + cosm x - b sin # x x sin 9 t can be approximated.

Die genannten Signale treten bei I und II auf und werden den Vorrichtungen A 1 und A 2 zugeführt, denen zugleich Spannungen zugeführt werden, die von der Spiegelvibration abgeleitet werden und proportional zu sin Q t sind. In den Vorrichtungen A 1 und A 2, die je z. B. einen Hall-Generator aufweisen können, wird das Produkt der zwei Spannungen gebildet. Die Mischprodukte werden den Tiefpaßfiltern B1 und B2 zugeführt, die z. B. die Frequenzen auf 1/2Q durchlassen. Am Ausgang entstehen dann Spannungen cos m x und sin m x, die auf bekannte Weise weiter behandelt werden können. The signals mentioned occur at I and II and become the devices A 1 and A 2 are supplied, which are also supplied with voltages caused by the mirror vibration and are proportional to sin Q t. In the devices A 1 and A 2, each z. B. may have a Hall generator, the product of the two Tensions formed. The mixed products are fed to the low-pass filters B1 and B2, the z. B. pass the frequencies on 1 / 2Q. Voltages then arise at the output cos m x and sin m x, which can be treated further in a known manner.

Da b klein ist, kann 9 hoch sein und damit auch die höchstzulässige Verschiebungsgeschwindigkeit Ein zweites Verfahren ist in F i g. 5 vorgeschlagen, in der auch das Antriebssystem für den Spiegel dargestellt ist. Die Signale, die beil und II auftreten. können auf folgende Weise geschrieben werden: A = const. + sin # x [J0 (b) + 2J2 (b) cos 2 # t + 2J4 (b) cos 4 # t + ...] + cos # x [2J1 (b) sin # t + 2J3 (b) sin 3 # t + ...], B = const. + cos # x [J0 (b) + 2J2 (b) sin 2 # t + 2J4 (b) sin 4 # t + ...] - sin # x [2J1 (b) sin # t + 2J3 (b) sin 3 # t + ...].Since b is small, 9 can be high and thus also the maximum permissible displacement speed A second method is shown in FIG. 5 proposed, in which the drive system for the mirror is shown. The signals that appear at and II. can be written in the following way: A = const. + sin # x [J0 (b) + 2J2 (b) cos 2 # t + 2J4 (b) cos 4 # t + ...] + cos # x [2J1 (b) sin # t + 2J3 (b) sin 3 # t + ...], B = const. + cos # x [J0 (b) + 2J2 (b) sin 2 # t + 2J4 (b) sin 4 # t + ...] - sin # x [2J1 (b) sin # t + 2J3 (b) sin 3 # t + ...].

Wenn hierbei b etwa gleich 2,5 gewählt wird, so ist Jo(b) etwa gleich Null, so daß bei Stillstand die Glieder J0(b) sin # x und J0(b) cos # x keine Schwierigkeiten liefern. If b is chosen to be approximately equal to 2.5, then Jo (b) is approximately the same Zero, so that at a standstill the elements J0 (b) sin # x and J0 (b) cos # x no problems deliver.

In der Vorrichtung A werden die Nulldurchgänge der Wechselspannungsteile der Spannungen I und Il auf übliche Weise zum Bilden von Zählimpulsen vorwärts und rückwärts verwendet. Bei Stillstand des Rasters wird also immer hin- und hergezählt infolge der Phasenmodulation h sin Pt, was jedoch nicht nachteilig zu sein braucht. In the device A, the zero crossings of the AC voltage parts of the voltages I and Il in the usual way to form counting pulses forwards and used backwards. When the grid comes to a standstill, counting is always back and forth as a result of the phase modulation h sin Pt, but this need not be disadvantageous.

Wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Rasters Q jedoch derart, daß @@/dt = @/#, so erhält das Glied mit der Amplitude J1(b) eine Frequenz Null. Um Komplikationen hierdurch zu verhüten, ist es erwünscht, die folgende Versorgung anzubringen: in der Vorrichtung B werden die Zählimpulse vorwärts und rückwärts positiv bzw. negativ berechnet, integriert und gleichgerichtet, so daß bei schneller Bewegung B eine Gleichspannung liefert, die die Verstärkung des Verstärkers C verkleinert, wodurch die Amplitude des vibrierenden Spiegels auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird und das Glied J1 (h) unbedeutend wird. However, if the moving speed of the grid Q is such that @@ / dt = @ / #, the link with the amplitude J1 (b) has a frequency of zero. Around To prevent complications from this, it is desirable to have the following care to be attached: in device B the counting pulses are forward and backward calculated positively or negatively, integrated and rectified, so that at faster Movement B delivers a DC voltage that reduces the gain of amplifier C, thereby adjusting the amplitude of the vibrating mirror to a lower value becomes and the term J1 (h) becomes insignificant.

Eine weitere Vorrichtung zum Umwandeln der Signale ist in F i g. 6 dargestellt. Das erste Signal wird hierbei in der Vorrichtung A 1 wieder mit einer Spannung proportional zu sin 9 multiplikativ gemischt, worauf die sich ergebende Spannung durch das Tiefpaßfilter B1, das die Frequenzen unterhalb 1/29 durchläßt, geführt wird, worauf das erhaltene Signal, das proportional zu cos fJx ist, der Vorrichtung El zugeführt wird. Another device for converting the signals is shown in FIG. 6 shown. The first signal is here in the device A 1 again with a Voltage proportional to sin 9 mixed multiplicatively, whereupon the resulting Voltage through the low-pass filter B1, which allows the frequencies below 1/29 to pass through, is performed, whereupon the signal obtained, which is proportional to cos fJx, the Device El is supplied.

El wird zugleich das zweite Signal von II über einen Phasenausgleicher C2 zugeführt. Was die Nulldurchgänge anbetrifft, verhält dieses Signal sich im wesentlichen wie die Funktion cos mx, da b so klein gewählt ist, daß Jo(b) groß ist gegenüber J1(b) (z. B. b = 0,2). El also becomes the second signal from II via a phase compensator C2 supplied. As far as the zero crossings are concerned, this signal behaves essentially like the function cos mx, since b is chosen so small that Jo (b) is large compared to J1 (b) (e.g. b = 0.2).

Auf ähnliche Weise empfängt E2 ihre Signale. In El und E2 werden die eintreffenden Signale linear kombiniert. Die aus El und E2 austretenden Signale, die im wesentlichen proportional zu cos mx und sin mx sind, werden F zugeführt, in der auf bekannte Weise Impulse für vorwärts und rückwärts gebildet werden. E2 receives its signals in a similar manner. In El and E2 are the incoming signals are combined linearly. The signals emerging from El and E2, which are essentially proportional to cos mx and sin mx, are fed to F, in which, in a known manner, pulses for forward and backward are formed.

Die Impulse werden der Vorrichtung D zugeführt, die die Impulse für vorwärts positiv und diejenigen für rückwärts negativ berechnet, darauf integriert und gleichgerichtet. Die erhaltene Gleichspannung wird E1 und E2 zugeführt, zur Steuerung des Mischverhältnisses der in E1 und E2 linear kombinierten Signale. Bei geringer Geschwindigkeit des Rasters werden in E1 bzw. E2 nur die aus B1 bzw. B2 austretenden Signale eingekoppelt. Bei zunehmender Geschwindigkeit werden diese abgekoppelt und werden die aus C2 bzw. C1 austretenden Signale eingekoppelt. The pulses are fed to the device D, which the pulses for forward positive and those calculated for backward negative, integrated on it and rectified. The DC voltage obtained is fed to E1 and E2 Control of the mixing ratio of the signals combined linearly in E1 and E2. at only those from B1 and B2 are used in E1 and E2 outgoing signals coupled. As the speed increases, these become decoupled and the signals emerging from C2 or C1 are coupled in.

Die Phasenausgleicher C1 und C2 dienen dazu, die in B1 und B2 auftretende Phasendrehung einigermaßen auszugleichen, damit bei der Übernahme die aus B1 und B2 und C2 und C1 austretenden Signale etwa in der Phase sein werden. The phase compensators C1 and C2 are used to counteract those that occur in B1 and B2 To compensate for phase rotation to some extent, so that when taking over the from B1 and Signals exiting B2 and C2 and C1 will be roughly in phase.

Claims

Claims: 1. Device for determining the relative displacement of an object using a grid that can be moved together with the object with lines perpendicular to the direction of displacement and a light source, their bundle of rays after one or more passes through the grid and through an associated optical imaging system to two photoelectric Acting elements through which the displacement path to be measured is assigned electrical Signals are generated with a phase difference to each other, that of a whole Multiples of 180 and where the magnitude and direction of the shift is determined from the periodicity of these signals by means of a counting device, characterized in that the optical system reverses the grid on itself maps and contains a mirror, which around a substantially to the grid lines parallel axis is vibrated in such a way that the two signals are on the same Way are phase modulated, and that further means are arranged which from derive unmodulated signals from the modulated signals.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the optical System additionally contains an element, whereby two mutually perpendicularly polarized Images of the grid are generated which, measured in the direction of displacement, are mutually shifted by a distance, and that thereby the mutually polarized Beams are separated by an analyzer and each have an assigned photo element influence.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the analyzer is designed as a beam-splitting prism with two parts, which after a Diagonal surface are cemented and on this with layers of alternately low and high refractive index.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that for the mapping of the grid onto itself the vibration maximum of the order -; 1 and - 1 are used.

Printed publications considered: German Auslegeschrift No. 1,017,799; U.S. Patent No. 2,625,607.