DE10029048A1 - Optische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Abstract

Eine optische Positionsmeßeinrichtung umfaßt einen Maßstab und eine relativ hierzu bewegliche Abtasteinheit, die eine Lichtquelle, ein oder mehrere Abtastteilungen, mindestens ein optoelektronisches Detektorelement sowie eine der Lichtquelle nachgeordnete Spiegellinse aufweist. Die Spiegellinse besitzt eine plane Reflektorfläche, gegenüber der zwei Oberflächen-Teilbereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien angeordnet sind, so daß die durch einen ersten Oberflächen-Teilbereich anfallenden Strahlenbündel auf die Reflektorfläche auftreffen und von der Reflektorfläche eine Reflexion in Richtung des zweiten Oberflächen-Teilbereiches erfolgt. Die Krümmungsradien der Oberflächen-Teilbereiche sind derart gewählt, daß nach Austritt aus dem zweiten Oberflächen-Teilbereich ein kollimiertes Strahlenbündel vorliegt. Ferner schneiden sich die optischen Achsen der zwei unterschiedlich gekrümmten Oberflächen-Teilbereiche in der Ebene der Reflektorfläche (Figur 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung.

Bekannte optische Positionsmeßeinrichtungen umfassen üblicherweise eine Meßteilung sowie eine relativ hierzu in Meßrichtung bewegliche Abtastein­ heit. Auf Seiten der Abtasteinheit sind in der Regel eine Lichtquelle, eine Kollimatoroptik, ein oder ggf. mehrere Abtastteilungen sowie ein oder meh­ rere optoelektronische Detektorelemente vorgesehen. Eine oftmals gestellte Anforderung betrifft den möglichst kompakten Aufbau einer derartigen Posi­ tionsmeßeinrichtung, insbesondere der Abtasteinheit. Durch eine geeignete Führung des Abtastrahlenganges kann diesen Forderungen entsprochen werden. Hierbei erweisen sich insbesondere gefaltete Abtaststrahlengänge als vorteilhaft, die neben den oben erwähnten Komponenten ferner ein oder mehrere Umlenk- oder Reflexionselemente auf Seiten der Abtasteinheit umfassen.

Aus der DE 26 15 676 ist eine optische Positionsmeßeinrichtung mit einem gefalteten Abtaststrahlengang bekannt. Die Kollimatoroptik und ein Umlenk­ element sind hierbei in einem einzigen optischen Bauteil integriert. Dieses Bauteil mit der optischen Doppelfunktion im Abtaststrahlengang sei nachfol­ gend als Spiegellinse bezeichnet. Details zur konkreten Ausgestaltung der Spiegellinse, insbesondere bezüglich der Fertigung desselben, sind dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen. Als nachteilig an der vorgeschlage­ nen Spiegellinse ist aufzuführen, das diese zwar die Umlenkung und Kolli­ mation der Strahlenbündel sicherstellt, insgesamt aber ein relativ großes Bauvolumen aufweist. Ferner kann aufgrund des vorgeschlagenen Strah­ lenganges in der Spiegellinse nicht verhindert werden, daß Strahlung von der Lichtquelle direkt auf die Kollimatoroptik gelangt, ohne daß vorher eine Ablenkung dieser Strahlenbündel erfolgt ist. Eine saubere Pupillentrennung ist bei der Verwendung dieses Bauelementes zur Faltung des Abtaststrah­ lenganges demzufolge ebenfalls nicht gewährleistet.

Eine ähnliche Spiegellinse im gefalteten Abtaststrahlengang einer optischen Positionsmeßeinrichtung ist ferner aus der DE 36 09 211 A1 bekannt. Als nachteilig an dieser Variante einer Spiegellinse ist aufzuführen, daß zwei Reflektorflächen erforderlich sind, um die gewünschte Umlenkung zu bewir­ ken. Hochexakt plane Reflektorflächen verursachen jedoch einen großen Aufwand bei der Fertigung. Ähnliches gilt für die Herstellung der beiden räumlich getrennten, gekrümmten Linsenflächen, durch die das Abtast­ strahlenbündel eintritt bzw. austritt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Positionsmeßein­ richtung anzugeben, die insbesondere eine kompakt bauende Abtasteinheit aufweist. Die Optik-Bauteile im Abtaststrahlengang sollten dabei zum einen eine gute Signalqualität der resultierenden Abtastsignale sicherstellen; zum anderen ist eine möglichst einfache Fertigung dieser Optik-Bauteile gefor­ dert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Positi­ onsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängi­ gen Ansprüchen aufgeführt sind.

Erfindungsgemäß wird zur kompakten Auslegung der Abtasteinheit mit ge­ faltetem Abtaststrahlengang eine Spiegellinse vorgesehen, die neben der optischen Kollimationswirkung ferner eine Umlenkung bzw. Faltung des Ab­ taststrahlenganges ermöglicht. Die geeignete Spiegellinse weist lediglich eine einzige, hochexakt plane Reflektorfläche auf, gegenüber der zwei Oberflächen-Teilbereiche mit unterschiedlich gekrümmten Oberflächen an­ geordnet sind. Je ein optisch wirksamer Oberflächen-Teilbereich ist hierbei dem einfallenden bzw. dem austretenden Strahlenbündel zugeordnet. Vor­ zugsweise werden die verschiedenen Oberflächen-Teilbereiche als optisch wirksame bzw. abbildende Asphären ausgebildet, was letztlich einen größe­ ren nutzbaren Bildfeldwinkel zur Folge hat.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Faltung des Abtastrahlenganges resultiert der gewünschte kompakte Aufbau der Positionsmeßeinrichtung. Die hierzu erforderliche Spiegellinse erweist sich als einfach herstellbar; dies resultiert aus der angenäherten Plankonvex-Form der Spiegellinse, die eine einfache Abformbarkeit der beiden Teilbereiche mit unterschiedlicher optischer Wir­ kung sicherstellt. Grundsätzlich läßt sich die Spiegellinse dabei sowohl aus Glas als auch aus Kunststoff fertigen. Vorzugsweise wird die Spiegellinse durch einseitiges Glaspressen gefertigt, d. h. die konvexe Seite der Spiegel­ linse mit den beiden unterschiedlich gekrümmten Teilbereichen wird ge­ preßt, während die plane Seite mit der Reflektorfläche poliert wird. Dadurch läßt sich bei der Herstellung die Forderung erfüllen, daß die reflektierende Planfläche in der Regel deutlich präziser bzw. formtreuer zu fertigen ist als die konvexen Linsenflächen.

Desweiteren ist durch die Ausbildung der Spiegellinse eine gute Qualität des Abtast-Strahlenbündels, insbesondere eine gute Kollimation desselben ge­ währleistet.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles einer optischen Positionsmeßeinrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer mögli­ chen Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Spiegellinse aus der Abtasteinheit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen opti­ schen Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 3a und 3b je eine Schnittansicht der Spiegellinse aus Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine schematische Schnitt-Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung gezeigt. Diese umfaßt einen Maßstab 20 sowie eine relativ hierzu in Meßrichtung x beweg­ liche Abtasteinheit 10. Die Meßrichtung x ist senkrecht zur Zeichenebene orientiert. In dieser Variante dient die dargestellte Positionsmeßeinrichtung zur Erfassung von linearen Relativbewegungen zwischen der Abtasteinheit 10 und dem Maßstab 20 entlang der x-Achse. Beispielsweise kann diese Positionsmeßeinrichtung in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine eingesetzt werden, um hochpräzise die Relativposition von Werkzeug und Werkstück zu erfassen. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Po­ sitionsmeßeinrichtung auch alternativ als rotatorische Meßeinrichtung aus­ gebildet werden.

Auf Seiten des Maßstabes 20 ist als Maßverkörperung 21 eine in bekannter Art und Weise ausgebildete Inkrementalteilungsspur auf einem Trägerkörper 23 angeordnet, wobei der Trägerkörper 23 z. B. als Stahl-Maßband ausge­ führt sein kann. Neben der Maßverkörperung 21 zur Erzeugung der ver­ schiebungsabhängigen Inkrementalsignale ist im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel desweiteren eine Referenzmarkierung 22 auf dem Tägerkör­ per 23 des Maßstabes 20 angeordnet. Mit Hilfe der Referenzmarkierung 22 bzw. über die Erzeugung eines entsprechenden Referenzimpulssignales wird im Meßbetrieb in bekannter Art und Weise ein Absolutbezug bei der Positionsmessung hergestellt.

Sowohl die Maßverkörperung 21 als auch die Referenzmarkierung 22 be­ stehen aus einer in Meßrichtung x alternierenden Abfolge von Teilbereichen mit unterschiedlichen optischen Reflexionseigenschaften, beispielsweise hochreflektierenden und nicht-reflektierenden Teilbereichen.

Die Referenzmarkierung 22 besteht in bekannter Art und Weise aus einer aperiodischen Verteilung von Teilbereichen unterschiedlicher Reflexionsei­ genschaften; selbstverständlich können entlang der jeweiligen Meßstrecke noch mehrere derartige Referenzmarkierungen 22 an definierten Positionen benachbart zur Maßverkörperung 21 vorgesehen werden wie z. B. abstands­ codierte Referenzmarken usw.

Die Abtasteinheit 10 der dargestellten Positionsmeßeinrichtung umfaßt eine Lichtquelle 11, eine Spiegellinse 12 mit umlenkender und kollimierender op­ tischer Wirkung, eine Abtastplatte 13 sowie eine Detektions-Einheit 14. In der Abtastplatte 13 sind zwei Fensterbereiche 13.1, 13.3 mit Abtastteilungen versehen, während zwei weitere Fensterbereiche 13.2, 13.4 transparent, d. h. ohne Teilungsstrukturen, ausgebildet sind. Ein erstes Paar von Fenster­ bereichen 13.1, 13.2 dient in Verbindung mit weiteren Komponenten der op­ tischen Positionsmeßeinrichtung zur Erzeugung der verschiebungsabhängi­ gen Inkrementalsignale, während das zweite Paar mit den Fensterbereichen 13.3, 13.4 zur Erzeugung ein oder mehrerer Referenzimpulssignale dient. Auf Seiten der Detektions-Einheit 14 ist eine erste Detektoranordnung 14.1 mit mehreren optoelektronischen Detektorelementen zur Erfassung der Inkrementalsignale vorgesehen; daneben befindet sich die zweite Detektor­ anordnung 14.2 zur Erfassung der Referenzimpulssignale.

Nachfolgend sei der Abtaststrahlengang zur Erzeugung der Inkrementalsig­ nale innerhalb der dargestellten Positionsmeßeinrichtung erläutert. Auf den Strahlengang zur Erzeugung der Referenzimpulssignale wird an dieser Stelle nicht näher eingegangen.

Die von der Lichtquelle 11, z. B. einer strahlstarken Infrarot-LED mit kleiner Emissionsfläche, emittierten Strahlenbündel werden von der Spiegellinse 12 umgelenkt und parallel bzw. kollimiert gerichtet und durchtreten die Abtast­ teilung im Fensterbereich 13.1 in der Abtastplatte 13. Die in Fig. 1 ange­ deuteten Strahlengänge sind dabei selbstverständlich nur schematisiert dar­ gestellt. Anschließend gelangen die Strahlenbündel auf die Maßverkörpe­ rung 21 auf Seiten des Maßstabes 20, die in diesem Beispiel als Reflexions- Maßverkörperung ausgebildet ist. Von der Maßverkörperung 21 werden die Strahlenbündel in Richtung des transparenten Fensterbereiches 13.2 der Abtastplatte 13 reflektiert. Nach dem Durchtreten des transparenten Fen­ sterbereiches 13.2 treffen die Strahlenbündel auf die Detektoranordnung 14.1 in der Detektions-Einheit 14. Die Detektoranordnung 14.1 dient zur Er­ fassung eines resultierenden Streifenmusters und zur Erzeugung der ver­ schiebungsabhängigen Inkrementalsignale. In Bezug auf weitere Details zur Erzeugung der verschiebungsabhängigen Inkrementalsignale sei an dieser Stelle auf die Patentanmeldung DE 199 41 318 der Anmelderin verwiesen.

Der Einsatz der Spiegellinse 12 ermöglicht nunmehr wie aus Fig. 1 ersicht­ lich, einen kompakten Aufbau der Abtasteinheit 10 der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung. Zur weiteren Beschreibung der einge­ setzten Spiegellinse 12 sei auf die Fig. 2, 3a und 3b verwiesen, die die­ ses Optik-Bauteil in einer perspektivischen Ansicht sowie in zwei weiteren Schnittansichten zeigen.

Die verwendete Spiegellinse 12 weist lediglich eine einzige, hochexakt plane Reflektorfläche 12.1 auf, gegenüber der zwei unterschiedlich konvex ge­ krümmte Oberflächen-Teilbereiche 12.2, 12.3 angeordnet sind, die wie­ derum eine definierte optische Wirkung für die jeweils durchtretenden Strahlenbündel besitzen. Die durch einen ersten Oberflächen-Teilbereich 12.2 einfallenden Strahlenbündel treffen auf die Reflektorfläche 12.1 auf und werden von dort in Richtung des zweiten Oberflächen-Teilbereiches 12.3 reflektiert, durch den die Strahlenbündel die Spiegellinse 12 wieder verlas­ sen. Die Oberfläche-Teilbereiche 12.2, 12.3 unterschiedlicher Krümmung sind nunmehr derart dimensioniert, daß nach Austritt aus dem zweiten Oberflächen-Teilbereich 12.3 ein gut kollimiertes Strahlenbündel vorliegt. In den Darstellungen der Fig. 2, 3a, und 3b sind in den jeweiligen Oberflä­ chen-Teilbereichen 12.2, 12.3 desweiteren diejenigen Teilbereiche strichli­ niert angedeutet, durch die die jeweiligen Strahlenbündel ein- bzw. austre­ ten, d. h. die im Abtaststrahlengang genutzen Teilbereiche.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen Oberflächen- Teilbereiche 12.2, 12.3 der Spiegellinse 12 als Asphären ausgebildet. Die optischen Achsen OA1, OA2 der beiden Asphären schneiden sich hierbei in der Ebene der Reflektorfläche 12.1. Die Lichtquelle 11 ist ferner im Brenn­ punkt der Spiegellinse 12 auf der optischen Achse OA1 des asphärischen Oberflächen-Teilbereiches 12.2 angeordnet. Diese Anordnung entspricht einer Zentrierung der beiden Linsenelemente in den Oberflächen-Teilberei­ chen 12.1, 12.2. Dadurch ist eine sehr gute Abbildungsqualität bzw. Kollima­ tionswirkung gewährleistet.

Als Material der Spiegellinse 12 wird in diesem Beispiel F2-Glas verwendet. Die plane Reflektorfläche 12.1 ist als Rückflächenspiegel mit einer Alumi­ nium-Beschichtung ausgebildet.

Neben der wunschgemäßen Faltung des Abtaststrahlenganges und der re­ sultierenden kompakten Abtasteinheit 10 bietet die verwendete Spiegellinse 12 weitere Vorteile. Insbesondere ist die Spiegellinse 12 mit relativ geringem Aufwand herzustellen, etwa über bekannte Warm-Preßverfahren. An­ schließend wird die plane Reflektorfläche 12.1 geschliffen und optisch po­ liert; die beiden Oberflächen-Teilbereiche 12.2, 12.3 werden mit Hilfe eines zusammengesetzten hohlen Werkzeuges in einem gemeinsamen Arbeits­ gang entsprechend den erforderlichen Krümmungsradien abgeformt.

Selbstverständlich existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch weitere alternative Ausführungsmöglichkeiten. So ist es problemlos möglich, die optische Wirkung der beiden Oberflächen-Teilbereiche 12.2, 12.3 durch eine geeignete Dimensionierung an die vorgegebenen Anforderungen an den Abtaststrahlengang anzupassen. Beispielsweise können diese Teilbe­ reiche auch als übliche Sphären ausgebildet werden.

Obwohl die Spiegellinse im dargestellten Ausführungsbeispiel eine plankon­ vexe Überstruktur aufweist, ist die resultierende optische Wirkung letztlich identisch mit der einer Bikonvex-Linse. Dadurch stehen eine Vielzahl von Ausgestaltungsmöglichkeiten je nach Abtastanforderungen zur Verfügung.

Durch eine geeignete optische Abstimmung der unterschiedlichen Oberflä­ chen-Teilbereiche läßt sich ferner die Intensitätsverteilung im Querschnitt des kollimierten Strahlenbündels wunschgemäß beeinflußen.

Claims (6)

1. Optische Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus einem Maßstab (20) und einer relativ hierzu beweglichen Abtasteinheit (20), die eine Licht­ quelle (11), ein oder mehrere Abtastteilungen, mindestens ein opto­ elektronisches Detektorelement (14.1) sowie eine der Lichtquelle (11) nachgeordnete Spiegellinse (12) umfaßt, wobei die Spiegellinse (12) eine einzige plane Reflektorfläche (12.1) aufweist, gegenüber der zwei unterschiedlich gekrümmte Oberflächen-Teilbereiche (12.1, 12.2) ange­ ordnet sind, so daß die durch einen ersten Oberflächen-Teilbereich (12.2) einfallenden Strahlenbündel auf die Reflektorfläche (12.1) auf­ treffen und von der Reflektorfläche (12.1) eine Reflexion in Richtung des zweiten Oberflächen-Teilbereiches (12.2) erfolgt, wobei die jeweili­ gen Krümmungen der Oberflächen-Teilbereiche (12.2, 12.3) derart ge­ wählt sind, daß nach Austritt aus dem zweiten Oberflächen-Teilbereich (12.3) ein kollimiertes Strahlenbündel vorliegt und die optischen Achsen (OA1, OA2) der zwei unterschiedlich gekrümmten Oberflächen-Teilbe­ reiche (12.2, 12.3) sich in der Ebene der Reflektorfläche (12.1) schnei­ den.

2. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reflek­ torfläche (12.1) der Spiegellinse (12) als Rückflächenspiegel ausgebil­ det ist.

3. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden Oberflächen-Teilbereiche (12.2, 12.3) als Asphären ausgebildet sind.

4. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Licht­ quelle (11) im Brennpunkt der Spiegellinse (12) auf der optischen Achse (OA1) des zuerst durchtretenen Oberflächen-Teilbereiches (12.2) an­ geordnet ist.

5. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiegel­ linse (12) aus F2-Glas gefertigt ist.

6. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiegel­ linse (12) in der Abtasteinheit (10) zwischen der Lichtquelle (11) und der Abtastteilung angeordnet ist.