DE10029048B4

DE10029048B4 - Optische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE10029048B4
Application number: DE10029048.5A
Authority: DE
Inventors: Heinz Tovar; Wolfgang Dr. Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-06-13
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2020-06-14
Also published as: US6497049B1; DE10029048A1; DE29916394U1

Abstract

Optische Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus einem Maßstab (20) und einer relativ hierzu beweglichen Abtasteinheit (10), die eine Lichtquelle (11), ein oder mehrere Abtastteilungen, mindestens eine Detektoranordnung (14.1) mit mehreren optoelektronischen Detektorelementen 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 (12.2, 12.3) angeordnet sind, so daß die durch einen ersten Oberflächen-Teilbereich (12.2) einfallenden Strahlenbündel auf die Reflektorfläche (12.1) auftreffen und von der Reflektorfläche (12.1) eine Reflexion in Richtung des zweiten Oberflächen-Teilbereiches (12.3) erfolgt, wobei die jeweiligen Krümmungen der Oberflächen-Teilbereiche (12.2, 12.3) derart gewählt 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-Teilbereiche (12.2, 12.3) sich in der Ebene der Reflektorfläche (12.1) schneiden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung.
Bekannte optische Positionsmeßeinrichtungen umfassen üblicherweise eine Meßteilung sowie eine relativ hierzu in Meßrichtung bewegliche Abtasteinheit. Auf Seiten der Abtasteinheit sind in der Regel eine Lichtquelle, eine Kollimatoroptik, ein oder ggf. mehrere Abtastteilungen sowie ein oder mehrere optoelektronische Detektorelemente vorgesehen. Eine oftmals gestellte Anforderung betrifft den möglichst kompakten Aufbau einer derartigen Positionsmeßeinrichtung, 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 A1 ist eine optische Positionsmeßeinrichtung mit einem gefalteten Abtaststrahlengang bekannt. Die Kollimatoroptik und ein Umlenkelement sind hierbei in einem einzigen optischen Bauteil integriert. Dieses Bauteil mit der optischen Doppelfunktion im Abtaststrahlengang sei nachfolgend 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 vorgeschlagenen Spiegellinse ist aufzuführen, das diese zwar die Umlenkung und Kollimation der Strahlenbündel sicherstellt, insgesamt aber ein relativ großes Bauvolumen aufweist. Ferner kann aufgrund des vorgeschlagenen Strahlenganges 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 Abtaststrahlenganges 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 bewirken. 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 Abtaststrahlenbündel eintritt bzw. austritt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Positionsmeßeinrichtung 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 gefordert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Erfindungsgemäß wird zur kompakten Auslegung der Abtasteinheit mit gefaltetem Abtaststrahlengang eine Spiegellinse vorgesehen, die neben der optischen Kollimationswirkung ferner eine Umlenkung bzw. Faltung des Abtaststrahlenganges ermöglicht. Die geeignete Spiegellinse weist lediglich eine einzige, hochexakt plane Reflektorfläche auf, gegenüber der zwei Oberflächen-Teilbereiche mit unterschiedlich gekrümmten Oberflächen angeordnet sind. Je ein optisch wirksamer Oberflächen-Teilbereich ist hierbei dem einfallenden bzw. dem austretenden Strahlenbündel zugeordnet. Vorzugsweise werden die verschiedenen Oberflächen-Teilbereiche als optisch wirksame bzw. abbildende Asphären ausgebildet, was letztlich einen größeren nutzbaren Bildfeldwinkel zur Folge hat.
Augrund 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 Wirkung 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 Spiegellinse mit den beiden unterschiedlich gekrümmten Teilbereichen wird gepreßt, 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 gewährleistet.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles einer optischen Positionsmeßeinrichtung anhand der beiliegenden Zeichnungen.
Dabei zeigt
1 eine schematisierte Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht der Spiegellinse aus der Abtasteinheit der in 1 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung;
3a und 3b je eine Schnittansicht der Spiegellinse aus 2.
In 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 bewegliche 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 Positionsmeßeinrichtung auch alternativ als rotatorische Meßeinrichtung ausgebildet 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 ausgeführt sein kann. Neben der Maßverkörperung 21 zur Erzeugung der verschiebungsabhängigen Inkrementalsignale ist im dargestellten Ausführungsbeispiel desweiteren eine Referenzmarkierung 22 auf dem Tägerkörper 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 bestehen 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 Reflexionseigenschaften; selbstverständlich können entlang der jeweiligen Meßstrecke noch mehrere derartige Referenzmarkierungen 22 an definierten Positionen benachbart zur Maßverkörperung 21 vorgesehen werden wie z. B. abstandscodierte Referenzmarken usw..
Die Abtasteinheit 10 der dargestellten Positionsmeßeinrichtung umfaßt eine Lichtquelle 11, eine Spiegellinse 12 mit umlenkender und kollimierender optischer 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 Fensterbereichen 13.1, 13.2 dient in Verbindung mit weiteren Komponenten der optischen Positionsmeßeinrichtung zur Erzeugung der verschiebungsabhängigen 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 Erfasssung der Inkrementalsignale vorgesehen; daneben befindet sich die zweite Detektoranordnung 14.2 zur Erfassung der Referenzimpulssignale.
Nachfolgend sei der Abtaststrahlengang zur Erzeugung der Inkrementalsignale 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 Abtastteilung im Fensterbereich 13.1 in der Abtastplatte 13. Die in 1 angedeuteten Strahlengänge sind dabei selbstverständlich nur schematisiert dargestellt. Anschließend gelangen die Strahlenbündel auf die Maßverkörperung 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 Fensterbereiches 13.2 treffen die Strahlenbündel auf die Detektoranordnung 14.1 in der Detektions-Einheit 14. Die Detektoranordnung 14.1 dient zur Erfassung eines resultierenden Streifenmusters und zur Erzeugung der verschiebungsabhängigen Inkrementalsignale. In Bezug auf weitere Details zur Erzeugung der verschiebungsabhängigen Inkrementalsignale sei an dieser Stelle auf die Patentanmeldung DE 199 41 318 A1 der Anmelderin verwiesen.
Der Einsatz der Spiegellinse 12 ermöglicht nunmehr wie aus 1 ersichtlich, einen kompakten Aufbau der Abtasteinheit 10 der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung. Zur weiteren Beschreibung der eingesetzten Spiegellinse 12 sei auf die 2, 3a und 3b verwiesen, die dieses 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 gekrümmte Oberflächen-Teilbereiche 12.2, 12.3 angeordnet sind, die wiederum 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 verlassen. 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 2, 3a, und 3b sind in den jeweiligen Oberflächen-Teilbereichen 12.2, 12.3 desweiteren diejenigen Teilbereiche strichliniert angedeutet, durch die die jeweiligen Strahlenbündel ein- bzw. austreten, 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 Brennpunkt 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-Teilbereichen 12.2, 12.3. Dadurch ist eine sehr gute Abbildungsqualität bzw. Kollimationswirkung gewährleistet.
Als Material der Spiegellinse 12 wird in diesem Beispiel F2-Glas verwendet. Die plane Reflektorfläche 12.1 ist als Rückflächenspiegel mit einer Aluminium-Beschichtung ausgebildet.
Neben der wunschgemäßen Faltung des Abtaststrahlenganges und der resultierenden kompakten Abtasteinheit 10 bietet die verwendete Spiegellinse 12 weitere Vorteile. Insbesondere ist die Spiegellinse 12 mit relativ geringem Aufwand herzustellen, etwa über bekannnte Warm-Preßverfahren. Anschließend wird die plane Reflektorfläche 12.1 geschliffen und optisch poliert; die beiden Oberflächen-Teilbereiche 12.2, 12.3 werden mit Hilfe eines zusammengesetzten hohlen Werkzeuges in einem gemeinsamen Arbeitsgang 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 Teilbereiche auch als übliche Sphären ausgebildet werden.
Obwohl die Spiegellinse im dargestellten Ausführungsbeispiel eine plankonvexe 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 Oberflächen-Teilbereiche läßt sich ferner die Intensitätsverteilung im Querschnitt des kollimierten Strahlenbündels wunschgemäß beeinflußen.

Claims

Optische Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus einem Maßstab (20) und einer relativ hierzu beweglichen Abtasteinheit (10), die eine Lichtquelle (11), ein oder mehrere Abtastteilungen, mindestens eine Detektoranordnung (14.1) mit mehreren optoelektronischen Detektorelementen 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 (12.2, 12.3) angeordnet sind, so daß die durch einen ersten Oberflächen-Teilbereich (12.2) einfallenden Strahlenbündel auf die Reflektorfläche (12.1) auftreffen und von der Reflektorfläche (12.1) eine Reflexion in Richtung des zweiten Oberflächen-Teilbereiches (12.3) erfolgt, wobei die jeweiligen Krümmungen der Oberflächen-Teilbereiche (12.2, 12.3) derart gewählt 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-Teilbereiche (12.2, 12.3) sich in der Ebene der Reflektorfläche (12.1) schneiden.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reflektorfläche (12.1) der Spiegellinse (12) als Rückflächenspiegel ausgebildet ist.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden Oberflächen-Teilbereiche (12.2, 12.3) als Asphären ausgebildet sind.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (11) im Brennpunkt der Spiegellinse (12) auf der optischen Achse (OA1) des ersten Oberflächen-Teilbereiches (12.2) angeordnet ist.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiegellinse (12) aus F2-Glas gefertigt ist.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spiegellinse (12) in der Abtasteinheit (10) zwischen der Lichtquelle (11) und der Abtastteilung angeordnet ist.