DE3933983C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Signalinterpolation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 9 sowie eine die Schaltungsanordnung enthaltende Versetzungsmeßeinrichtung.

Als Schaltungsanordnung dieser Art ist aus der Veröffentlichung "Optical Engineering Contact", Band 19, Nr. 5, 1981 eine herkömmliche Signalinterpolationsschaltung gemäß Fig. 1A bekannt. Die in Fig. 1A gezeigte Schaltung hat Eingangsanschlüsse 1 und 2 zur Aufnahme von sinusförmigen Signalen mit zwei verschiedenen Phasenwinkeln (0° und 90°), Pufferverstärker 3 und 4, einen invertierenden Pufferverstärker 5 zum In­ vertieren 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 R1 bis R4 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 Inter­ polationsimpulsen aus den Ausgangssignalen der Impulsgenerator­ einrichtungen 10 bis 13 und einen Ausgangsanschluß 15. Die Widerstände R1 bis R4 haben gleiche Widerstandswerte.

Eine anwendbare Schaltung der Wandlereinrichtungen 6 bis 9 und der Impulsgeneratoreinrichtungen 10 bis 13 ist in Fig. 1B dar­ gestellt. Die in Fig. 1B gezeigte Schaltung enthält einen Ver­ gleicher 61, der durch Widerstände R_A und R_B (mit Widerstands­ werten r_A und r_B) Hystereseverhalten zum Unterdrücken von Störsignaleinwirkungen hat. Die Hysterese ise durch eine Vorspannung V_B positiv/negativsymmetrisch 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 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 R1 bis R4 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 umgesetzt. Falls dabei der Spitze/Spitze-Wert der Ausgangsspannung des Vergleichers 61 Vp ist, ist die Breite der 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 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 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 si­ nusförmigen Signale mit den Phasenwinkeln 0° und 90° sind, sind auch die zeitlichen Lagen der jeweils duch die Vergleicher 61 der Wandlereinrichtungen 6 bis 9 erzeugten Rechtecksi­ gnale unterschiedlich. Daher ändert sich auch der Interpolations­ impulsabstand, so daß die Interpolationsgenauigkeit vermindert ist. Insbesondere ist dann, wenn eine große Hysteresebreite angesetzt ist, um durch äußere Störsignale oder dergleichen verursachte Fehlfuktionen zu verhindern, die Inter­ polationsgenauigkeit weiter herabgesetzt.

Aus der EP 02 73 518 A2 ist ein Winkeldigitalisierer bekannt, in welchem aus zwei gegeneinander um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Signalen gleicher Amplitude weitere zwei Signale mit gemittelter Phasenverschiebung und gleicher Amplitude erzeugt werden. Aus den ursprünglichen Signalen und aus den daraus abgeleiteten Signalen werden über logarithmische Verstärker Spannungen erzeugt, die jeweils Funktionen der Phasenwinkel der vier Signale sind. Diese vier Spannungen werden dann in ein digitales Signal umgesetzt, das den Phasenwinkel darstellt. Dadurch wird zwischen den beiden Eingangssignalen hinsichtlich der Phase interpoliert, jedoch ist durch das Logarithmieren und die darauffolgende Analog/Digital-Umsetzung eine aufwendige Schaltung erforderlich. Die Interpolationsgenauigkeit ist von der Genauigkeit des analogen Logarithmierers und dem Auflösungsvermögen des Analog/Digital-Wandlers abhängig.

In der EP 02 26 546 A2 ist eine Versetzungsmeßeinrichtung beschrieben, in der mit Sensoren von einer Skala zwei sinusförmige, gegeneinander um 90° versetzte Signale mit einem ersten Phasenwinkel abgenommen werden. Diese Signale werden jeweils in einem Analog/Digital-Wandler in digitale Signale umgesetzt, die auf digitale Weise mit entsprechenden Signalen für einen zweiten Phasenwinkel multipliziert werden, welcher durch Rückführung der Multiplikationsergebnisse über einen phasengekoppelten Regelkreis dem ersten Phasenwinkel angeglichen wird und als Meßergebnis ausgegeben wird. Mit dieser bekannten Verset­ zungsmeßeinrichtung ist zwar eine hohe Meßgenauigkeit erzielbar, jedoch nur mit sehr großem Schaltungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Signalinterpolation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 9 derart weiterzubilden, daß mit geringem Aufwand eine hohe Interpolationsgenauigkeit bei geringer Beeinflussung durch Störsignale oder dergleichen erzielt wird; ferner soll eine mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ausgestattete Versetzungsmeßeinrichtung geschaffen werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Schaltungsanordnung und der Versetzungsmeßeinrichtung mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 bzw. 8 aufgeführten Mitteln sowie hinsichtlich des Verfahrens mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 9 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Demnach werden erfindungsgemäß die aus den eingegebenen sinusförmigen Eingangssignalen gebildeten Ausgangssignale in jeweiligen Vergleichern zu binären Signalen umgeformt, aus deren Flanken dann eine Impulsgeneratoreinrichtung die Interpolationsimpulse bildet. Die Vergleicher schalten zwischen den Pegeln der binären Signale mit einer Hysterese um, durch die die an Nulldurchgangspunkten der Ausgangssignale besonders starke Einwirkung von Störsignalen unterdrückt wird. Die Hysteresen werden derart gewählt, daß binäre Signale erhalten werden, die trotz unterschiedlicher Amplituden der Ausgangssignale gleiche Breiten haben und gegenüber den Ausgangssignalen um den gleichen Phasenwinkel versetzt sind. Dadurch wird mit geringem Aufwand erreicht, daß unter konstanter Phasenversetzung die Interpolationsimpulse den Ausgangssignalen hinsichtlich des Phasenwinkels genau entsprechen, ohne daß die Phasenlage der Interpolationsimpulse durch die Amplituden der Ausgangssignale beeinflußt sind. Es wird daher mit guter Störsicherheit eine sehr genaue Signalinterpolation erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 aufgeführt.

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 der Schaltung nach Fig. 1A anwendbar ist.

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 gleich, und die an dem Ausgang h auftretenden Interpolationsimpulse folgen mit hoher Genauigkeit in gleichen Abständen aufeinander. 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 wird, 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 P-polarisierte Durchlaßlichtstrahlen und in 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

Rm = sin^-1 (mλ/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 Rm der Einfallwinkel der kohärenten Lichtstrahlen auf die Beugungsgitterfläche, nämlich der Winkel zu der zur Beugungsgitterebene Senkrechten ist.

Die Reflexionslichtstrahlen aus dem Strahlenteiler 209 treffen über den Spiegel 301 schräg unter dem Einfallwinkel Rm 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 Rm 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 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 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 Rm 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 ±2π, 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 3,2 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 203 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 der Ausgangssignale der Lichtempfangselemente 281 und 282 vermieden ist. Weiterhin wird durch das Wählen des Einfallwinkels Rm 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 erhaltenen beiden Signale mit der Phasendifferenz 90° 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 der Skala 203 zu bestimmen. In der Versetzungsmeßeinrichtung werden die von den Lichtempfangselementen 281 und 282 abgegebenen Signale interpoliert 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.

Claims (9)

1. Schaltungsanordnung zur Signalinterpolation mit einer Mischeinrichtung, die mindestens zwei sinusförmige Eingangssignale mit vorbestimmten Phasenwinkeln aufnimmt und mehrere entsprechende Ausgangssignale mit jeweils unterschiedlichem bestimmten Phasenwinkel und unterschiedlicher Amplitude abgibt, aus denen binäre Signale gebildet werden, deren Flanken Interpolationsimpulse ergeben, gekennzeichnet durch mehrere Vergleicher (17, 19), die jeweils eines der Ausgangssignale (a bis d) der Mischeinrichtung (16) in ein binäres Signal mit einer Hysterese umsetzen, welche jeweils derart eingestellt ist, daß unabhängig von der Amplitude der Ausgangssignale die binären Signale aus den Vergleichern gleiche Breiten und in Bezug auf die betreffenden Ausgangssignale gleiche Phasenverschiebungen haben, und eine Impulsgeneratoreinrichtung (18), die im Ansprechen auf die Flanken der binären Signale aus den Vergleichern die Inter­ polationsimpulse abgibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Hysterese der Hysterese der Vergleicher (17, 19) im wesentlichen proportional zu der Amplitude des betreffenden Ausgangssignals (a bis d) der Mischeinrichtung (16) eingestellt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Mischeinrichtung (16) Eingangssignale mit den Phasenwinkeln 0° und 90° eingegeben sind.

4. Schaltungsanordung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (16) die Ausgangssignale mit gleichen Phasenwinkelabständen abgibt, so daß die Interpolationsimpulse gleiche Phasenwinkelabstände er­ halten.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischeinrichtung (16) eine Widerstandsreihenschaltung (R) aufweist, die über Puffer­ verstärker (3 bis 5) mit den Eingangssignalen gespeist ist und die die Ausgangssignale (a bis d) an den Verbindungspunkten der Widerstände der Reihenschaltung abgibt.

6. Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsgeneratoreinrichtung (18) für jedes der binären Signale aus den Vergleichern (17, 19) zwei monostabile Kippstufen (22, 23) enthält, von denen zur Abgabe der Interpolationsimpulse eine durch das binäre Signal und das andere durch das invertierte binäre Signal getriggert wird.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Impulsgeneratoreinrichtung (18) nachgeschaltete ODER-Schaltung (14), die die Inter­ polationsimpulse aus der Impulsgeneratorschaltung als Impuls­ folge (h) abgibt.

8. Versetzungsmeßeinrichtung mit einer Schaltungsanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lesevorrichtung (281, 282) zum Lesen von auf einer bewegbaren Skala (203) ausgebildeten Skalenmarkierungen und zum Abgeben von einer Versetzung der Skala entsprechenden, im wesentlichen sinusförmigen Signalen mit voneinander verschiedenen Phasenwinkeln als Eingangssignale der Mischeinrichtung (16), und einen Meßeinrichtung (25), die die Interpolationsimpulse aus der Impulsgeneratoreinrichtung (18) zu einem Maß für die Skalenversetzung umsetzt.

9. Verfahren zur Signalinterpolation, bei dem aus im wesentlichen sinusförmigen Eingangssignalen mit vorbestimmten Phasenwinkeln mehrere Ausgangssignale mit jeweils unterschiedlichem bestimmten Phasenwinkel und unterschiedlicher Amplitude erzeugt werden, aus denen Binärsignale gebildet werden, deren Flanken Interpolationsimpulse ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß die binären Signale aus den Ausgangssignalen durch Vergleichen mit einer Hysterese gebildet werden, die derart gewählt ist, daß unabhängig von den Amplituden der Ausgangssignale die binären Signale gleiche Breiten und in Bezug auf die betreffenden Ausgangssignale gleiche Phasenverschiebungen haben, und daß die Interpolationsimpulse durch die Flanken der derart erzeugten binären Signale ausgelöst werden.