DE10058239B4

DE10058239B4 - Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE10058239B4
Application number: DE10058239A
Authority: DE
Inventors: Dr. Holzapfel Wolfgang; Siegfried Reichhuber
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2020-11-18
Also published as: US20020076129A1; US6526190B2; DE10058239A1

Abstract

Positionsmeßeinrichtung mit – einem Teilungsträger, der eine mittels Licht abtastbare Meßteilung aufweist, – einem planaren Wellenleiter, mit dem von einer Lichtquelle erzeugtes Licht zu der Meßteilung geleitet wird, wobei das Licht an den Oberflächen des planaren Wellenleiters reflektiert wird, und – einer Abtasteinheit zum Abtasten der Meßteilung, die mindestens einen lichtempfindlichen Abtastbereich aufweist, dem das durch die Meßteilung modulierte Licht zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Abtastbereich (40) zugeführte Licht (L) mindestens zwei unterschiedliche Lichtanteile (L1, L2) umfaßt, die sich in der Anzahl der Reflexionen an den Oberflächen (31, 32) des planaren Wellenleiters (3) unterscheiden, die die Lichtstrahlen des jeweiligen Lichtanteiles (L1, L2) vor dem Erreichen der Meßteilung (11) erfahren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartige Positionsmeßeinrichtung umfaßt einen Teilungsträger der eine lichtelektrisch abtastbare Meßteilung aufweist; einen planaren Wellenleiter, mit dem von einer Lichtquelle erzeugtes Licht zu der Meßteilung geleitet wird, wobei das Licht innerhalb des planaren Wellenleiters an dessen Oberflächen reflektiert wird; sowie eine Abtasteinheit zum Abtasten der Meßteilung, die mindestens einen lichtempfindlichen Abtastbereich aufweist, dem das durch die Meßteilung modulierte Licht zugeführt wird.
Aus der US 5,448,358 A ist eine Positionsmesseinrichtung mit einem Teilungsträger bekannt, der eine mittels Licht abtastbare Messteilung aufweist. Zwischen einer Lichtquelle und dem Teilungsträger sowie zwischen Detektoren und dem Teilungsträger ist eine transparente Platte mit Ablenkgittern zur Strahlformung und Strahlablenkung angeordnet.
Aus der DE 41 13 046 A1 ist eine optoelektronische Positionsmesseinrichtung bekannt, bei der Licht auf ein Beugungsgitter eines Teilungsträgers gerichtet ist, welches das Licht in mehrere Teilstrahlenbündel beugt, die in einen Schichtwellenleiter eingekoppelt und mittels integrierter optischer Elemente zur Interferenz gebracht werden. Das so gebildete Interferenzmuster wird von einer Empfängerzelle erfasst.
Die DE 43 39 083 A1 offenbart eine Positionsmesseinrichtung mit einem Teilungsträger, der eine mittels Licht abtastbare Messteilung aufweist. Von der Messteilung positionsabhängig moduliertes Licht wird mittels eines Gitters an einer ersten Stelle in einen planaren Wellenleiter eingekoppelt und zu einer zweiten Stelle geführt, wo es mittels eines weiteren Gitters aus dem Wellenleiter ausgekoppelt wird und auf einen Lichtempfänger trifft.
Eine ähnliche Positionsmesseinrichtung ist aus der DE 39 28 064 A1 bekannt. Dabei wird Licht in einem Wellenleiter bis zu einer Abtaststelle geführt, wo es mittels eines Gitters ausgekoppelt wird und auf eine Messteilung eines Teilungsträgers trifft. Das an der Messteilung positionsabhängig modulierte Licht wird an einem weiteren Gitter wieder in diesen Wellenleiter oder einen weiteren Wellenleiter eingekoppelt und zu einem Detektor geführt.
Die DE 196 21 188 B4 beschreibt einen optischen Sensor zur Bestimmung des Drehwinkels einer Drehachse, bei dem Licht einer Strahlungsquelle in einem planaren Wellenleiter mehrfach umgelenkt wird und danach auf eine Messteilung eines Teilungsträgers trifft. Das von der Messteilung reflektierte Licht wird wiederum in den Wellenleiter eingekoppelt und trifft nach mehrmaliger Reflektion und Umlenkung an den Oberflächen des Wellenleiters auf einen Detektor.
Aus der EP 0 589 477 A2 ist eine Winkelmeßeinrichtung bekannt, die eine Lichtquelle, eine mit einer Meßteilung versehene und mit einer zu messenden Welle drehfest verbindbare Scheibe sowie einen Fotoempfänger umfaßt. Zur Durchführung der Winkelmessung wird das von der Lichtquelle emittierte Licht zunächst an einer ersten Stelle der Meßteilung reflektiert. Anschließend wird das reflektierte Licht mittels eines Wellenleiters zu einer anderen Stelle der Meßteilung geführt, wo es erneut reflektiert wird und von wo aus es zu dem Fotoempfänger gelangt.
Aus der EP 0 426 882 B1 ist eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung zum Messen der Relativlage zweier Objekte bekannt, bei der ein Teilungsträger mit einer Meßteilung aus lichtdurchlässigen Streifen und lichtreflektierenden Streifen von einer Abtasteinheit abgetastet wird, die eine Beleuchtungseinheit, eine Abtastplatte mit mindestens einer Abtastteilung sowie Fotoelemente aufweist. Hierbei wird das von der Beleuchtungseinheit ausgehende Lichtstrahlenbündel in ein durch die lichtdurchlässigen Streifen durchgehendes Teilstrahlenbündel zur Beaufschlagung eines ersten Fotoelementes und in ein von den lichtreflektierenden Streifen reflektiertes Teilstrahlenbündel zur Beaufschlagung eines zweiten Fotoelementes aufgespalten, und die Positionsmeßeinrichtung ist derart ausgebildet, daß das durch die Meßteilung durchgehende Teilstrahlenbündel durch die Abtastteilung moduliert und das von der Meßteilung reflektierte Teilstrahlenbündel von der Abtastteilung nicht moduliert wird. Zur Zuleitung des von der Beleuchtungseinheit ausgehenden Lichtstrahlenbündels zu der Meßteilung ist ein planparalleler Wellenleiter vorgesehen, der durch den Teilungsträger der Meßteilung gebildet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine verbesserte Zuleitung des Lichtes zu der Meßteilung auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach weist das dem Abtastbereich zugeführte Licht mindestens zwei unterschiedliche Lichtanteile auf, wobei das Licht unterschiedlicher Lichtanteile an unterschiedlichen Stellen aus dem Wellenleiter ausgekoppelt wird und sich in der Anzahl an Reflexionen unterscheidet, die die Lichtstrahlen des jeweiligen Lichtanteiles vor dem Erreichen der Meßteilung in dem planaren Wellenleiter erfahren.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Positionsmeßeinrichtung ist insbesondere vorteilhaft bei Meßteilungen, die im Auflichtverfahren abtastbar sind, die also das zugeleitete Licht reflektieren. Ist bei einer solchen Meßteilung die Abtasteinheit in einem kleinen Abstand oberhalb des Teilungsträgers angeordnet, so besteht das Problem, daß die Abtasteinheit die Beleuchtung der Meßteilung erschwert. Durch die Verwendung eines planaren Wellenleiters wird es in diesem Fall ermöglicht, das Licht entlang des Wellenleiters gezielt der Meßteilung zuzuführen. Unter einem planaren Wellenleiter wird dabei ein Wellenleiter verstanden, der zwei einander gegenüberliegende planare Oberflächen aufweist, an denen das Licht reflektiert wird, während es entlang des Wellenleiters fortgeleitet wird.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß aufgrund der unterschiedlichen Anzahl an Reflexionen, die unterschiedliche Lichtstrahlen vor dem Auftreffen auf die Meßteilung und anschließend auf ein und denselben Abtastbereich der Abtasteinheit erfahren, derjenige Oberflächenabschnitt des planaren Wellenleiters, durch den hindurch das Licht aus dem Wellenleiter ausgekoppelt wird (um schließlich zu dem Abtastbereich zu gelangen) erheblich größer sein kann, als derjenige Oberflächenabschnitt, durch den hindurch das Licht in den Wellenleiter eingekoppelt wird. Hierdurch können ein großflächiger Bereich der Meßteilung sowie ein entsprechender Abtastbereich der Abtasteinheit vollständig mit Licht ausgeleuchtet werden, selbst wenn dieses Licht nur über einen vergleichsweise kleineren Oberflächenabschnitt in den planaren Wellenleiter eingekoppelt wird.
Unter dem Bereich der Meßteilung, der durch Zufuhr von Licht mit einer unterschiedlichen Anzahl vorhergehender Reflexionen im Wellenleiter großflächig abgetastet bzw. ausgeleuchtet werden soll, wird hier ein einheitlicher Bereich verstanden, der ein und dieselbe Positionsinformation liefert. Es geht also nicht um die Ausleuchtung vollkommen separater, nebeneinander angeordneter Abschnitte eines Teilungsträgers, wie z. B. einerseits einer Inkrementalspur und andererseits einer Referenzmarkenspur, sondern um die Abtastung einer einheitlichen (inkrementalen oder absoluten) Meßteilung.
So werden bei inkrementalen Positionsmeßeinrichtungen aus der Meßteilung mehrere gegeneinander phasenverschobene, analoge, sinusförmige Abtastsignale erzeugt, und zwar in der Regel vier um jeweils 90° gegeneinander phasenverschobene Abtastsignale. Diese Abtastsignale werden zur Auswertung miteinander verknüpft. Dabei ist es wichtig, daß diese gleiche Offset-Anteile aufweisen. Dies ist nur dann gewährleistet, wenn alle Abtastsignale aus einem gemeinsamen, einheitlichen Bereich der Meßteilung gewonnen werden. Um partielle Verschmutzung der Meßteilung zu kompensieren, ist es dabei wichtig, daß zur Erzeugung jedes der Abtastsignale nicht nur partiell ein Teilungsstrich der Meßteilung beiträgt, sondern vielmehr eine Vielzahl von Teilungsstrichen, so daß eine Mittelung erfolgt. Aus diesen Gründen ist es erforderlich, einen möglichst großen Abtastbereich der Meßteilung auszuleuchten, der eine einheitliche Positionsinformation liefert, und alle Abtastsignale aus diesem zusammenhängenden Bereich abzuleiten (”Einfeldabtastung”).
Bei absoluten Positionsmeßeinrichtungen besteht die Meßteilung aus einer einspurigen oder mehrspurigen Kodierung mit Kodeelementen, aus denen ein mehrstelliges Kodewort gebildet wird. Bei der Abtastung sollen die zur Bildung des Kodewortes erforderlichen Kodeelemente möglichst von einer gemeinsamen Lichtquelle beleuchtet werden. Wichtig ist also auch hier die Beleuchtung eines möglichst großen, einheitlichen Bereiches der Meßteilung bzw. Kodierung, der das für eine bestimmte Position in Meßrichtung charakteristische Kodewort liefert.
Sowohl die Mittel zum Einkoppeln des Lichtes in den Wellenleiter als auch die Mittel zum Auskoppeln des Lichtes aus dem Wellenleiter können in einfacher Weise in die Oberfläche des Wellenleiters integriert werden, z. B. indem diese Mittel als einstückiger Bestandteil des Wellenleiters in dessen Oberfläche geprägt werden. Zum Einkoppeln des Lichtes in den planaren Wellenleiter eignen sich beispielsweise ein Fresnel-Gitter oder ein Prisma.
Nach einer Variante der Erfindung verlaufen die Lichtstrahlen des in den planaren Wellenleiter eingekoppelten Lichtbündels in dem Wellenleiter parallel zueinander. Hierbei kann einerseits das Licht dem Wellenleiter bereits als parallelisiertes Lichtbündel zugeführt werden (d. h. die Parallelisierung des Lichtes erfolgt außerhalb des Wellenleiters) oder das Licht wird beim Einkoppeln in den Wellenleiter parallelisiert, z. B. mittels einer Fresnel-Linse, bei der die Gitterkonstante räumlich variiert (off-axis Fresnel-Linse.
Bei dieser Erfindungsvariante wird an mindestens zwei in Erstreckungsrichtung des Wellenleiters voneinander beabstandeten Stellen jeweils ein Teil des in dem Wellenleiter fortgeleiteten Lichtes ausgekoppelt, wobei das Licht zwischen diesen beiden Stellen mindestens einmal in dem Wellenleiter reflektiert wird. Hierdurch wird erreicht, daß Licht mit einer unterschiedlichen Anzahl vorangegangener Reflexionen aus dem Wellenleiter ausgekoppelt wird und anschließend zunächst der Meßteilung und dann einem Abtastbereich zugeführt werden kann. Hierbei erfahren Lichtstrahlen, die sich entlang ein und derselben Bahn bewegen, eine unterschiedliche Anzahl an Reflexionen in dem Wellenleiter, bevor sie aus diesem ausgekoppelt werden.
Nach einer anderen Variante der Erfindung verlaufen die Lichtstrahlen in dem planaren Wellenleiter als divergentes Strahlenbündel. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß das Licht mittels eines Prismas in den planaren Wellenleiter eingekoppelt wird, wobei Licht unterschiedlicher Frequenz um einen unterschiedlichen Winkel abgelenkt wird. In diesem Fall verlaufen die Lichtstrahlen in dem Wellenleiter mit unterschiedlichen Winkeln bezüglich der Erstreckungsrichtung des Wellenleiters, so daß hierdurch eine unterschiedliche Anzahl an Reflexionen verschiedener Lichtstrahlen erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Wellenleiter zwischen dem Abtastbereich der Abtasteinheit und dem Teilungsträger angeordnet und wird durch eine Abtastplatte gebildet, deren Abtastgitter zur Modulierung des Lichtes mit der Meßteilung zusammenwirkt. Das Abtastgitter kann hierbei zugleich zum Auskoppeln des Lichtes aus dem Wellenleiter dienen.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Wellenleiter durch den Teilungsträger gebildet.
Die Mittel zum Einkoppeln von Licht in den Wellenleiter können einerseits auf derselben Oberfläche des Wellenleiters vorgesehen sein wie die Mittel zum Auskoppeln des Lichtes aus dem Wellenleiter. Alternativ werden die Mittel zum Ein- und Auskoppeln von Licht in den Wellenleiter bzw. aus dem Wellenleiter aufeinander gegenüberliegenden Oberflächen des Wellenleiters angeordnet. In beiden Fällen stehen jeweils beide Oberflächen des Wellenleiters für die Mittel zum Einkoppeln und/oder die Mittel zum Auskoppeln von Licht zur Verfügung.
Der Wellenleiter besteht vorzugsweise aus Glas oder aus Kunststoff.
Neben optischen Bauelementen, z. B. in Form von Mitteln zum Ein- oder Auskoppeln von Licht, können auf den Oberflächen des planaren Wellenleiters noch weitere Bauelemente, wie z. B. elektrische Bauelemente vorgesehen sein. Diese lassen sich beispielsweise mittels der sogenannten ”chip-on-glass” Technik auf der Oberfläche des Wellenleiters anordnen. Bei den elektrischen Bauelementen kann es sich insbesondere um Leiterbahnen handeln.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 – einen Schnitt durch eine Positionsmeßeinrichtung, die aus einem Maßstab und einer Abtasteinheit zum Abtasten des Maßstabes besteht;
2 – einen Schnitt durch eine erste Abwandlung der Positionsmeßeinrichtung aus 1;
3a – einen Schnitt durch eine zweite Abwandlung der Positionsmeßeinrichtung aus 1;
3b – eine Draufsicht auf eine als Wellenleiter dienende Abtastplatte der Positionsmeßeinrichtung aus 3a;
4a – einen Schnitt durch eine dritte Abwandlung der Positionsmeßeinrichtung aus 1;
4b – eine Draufsicht auf eine Abtastplatte der Positionsmeßeinrichtung aus 4a;
4c – eine Draufsicht auf einen Maßstab der Positionsmeßeinrichtung aus 4a;
5a – einen Schnitt durch eine vierte Abwandlung der Positionsmeßeinrichtung aus 1;
5b – eine Draufsicht auf eine Abtastplatte der Positionsmeßeinrichtung aus 5a;
5c – eine Draufsicht auf einen Maßstab der Positionsmeßeinrichtung aus 5a.
In 1 ist eine Positionsmeßeinrichtung dargestellt, die in bekannter Weise aus einem Maßstab 1 und einer Abtasteinheit 2 zum Abtasten des Maßstabes 1 besteht.
Der Maßstab 1 wird gebildet durch einen Teilungsträger 10, auf dem eine im Auflichtverfahren (Reflexionsverfahren) abtastbare, aus hochreflektierendem Material bestehende Meßteilung 11 aufgebracht ist, bei der er sich sowohl um eine inkrementale als auch um eine absolute Meßteilung handeln kann. Im folgenden wird jeweils von einer inkrementalen Meßteilung ausgegangen.
Die Abtasteinheit 2 dient zum lichtelektrischen Abtasten der Meßteilung 11 des Maßstabes 10 und umfaßt hierfür in bekannter Weise eine Abtastplatte 3 sowie einen Detektor 4. Die Abtastplatte 3 besteht aus einem plattenförmigen Grundkörper 30 mit einer ersten, dem Detektor 4 zugewandten ebenen (planaren) Oberfläche 31 und einer gegenüberliegenden, dem Maßstab 1 zugewandten zweiten ebenen Oberfläche 32. Auf der zweiten Oberfläche 32 der Abtastplatte 2 ist der Meßteilung 11 gegenüberliegend ein Abtastgitter 35 angeordnet. Dieses Abtastgitter 35 moduliert das von der Meßteilung 11 reflektierte Licht L, bevor es zu dem Abtastbereich 40 des Detektors 4 gelangt. Der Abtastbereich 40 des Detektors 4 besteht aus einem Fotoempfänger oder einer Anordnung einer Mehrzahl von Fotoempfängern (Sensorzeile), die einen zusammenhängenden, einheitlichen Abtastbereich bilden.
Der Maßstab 1 und die Abtasteinheit 2 dienen der Messung der Position zweier in einer Meßrichtung M (senkrecht zur Schnittebene in 1) zueinander beweglicher Baugruppen, z. B. zweier Maschinenteile. Hierzu ist der Maßstab 1 mit einem dieser beiden Maschinenteile und die Abtasteinheit 2 mit dem anderen Maschinenteil verbunden.
Die Meßteilung 11 des Maßstabes 1 dient dabei an einer bestimmten Stelle gemessen in Meßrichtung M jeweils auf ihrer gesamten durch das Licht L abtastbaren Breite entlang einer Erstreckungsrichtung E senkrecht zur Meßrichtung zur Lieferung einer einzigen Positionsinformation. Die Meßteilung 11 bildet somit entlang der Erstreckungsrichtung E jeweils einen einheitlichen Bereich mit inkrementaler oder mit absoluter Positionsinformation, aus der sich die aktuelle Position der Abtasteinheit 2 bezüglich des Maßstabes 1 in Meßrichtung M bestimmen läßt.
Bei einer Bewegung der Abtasteinheit 2 relativ zu dem Maßstab 1 wird das zu der Meßteilung 11 geführte Licht L bei der Reflexion an der Meßteilung 11 und dem anschließenden Durchgang durch das Abtastgitter 35 in charakteristischer Weise moduliert. In dem Detektor 4 wird die variierende Lichtintensität in einen entsprechenden elektrischen Strom umgewandelt, woraus sich die Relativbewegung der Abtasteinheit 2 und des hiermit verbundenen Maschinenteiles bezüglich des Maßstabes 1 und des zugehörigen anderen Maschinenteiles bestimmen läßt.
Dieses lichtelektrische Meßprinzip ist bekannt und beispielsweise in dem Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik von Alfons Ernst, Landsberg/Lech (1998), Seiten 16 bis 27 beschrieben.
Eine Besonderheit der in 1 dargestellten Positionsmeßeinrichtung liegt darin, daß die vorzugsweise 1 mm bis 5 mm dicke Abtastplatte 3 zugleich als planarer Wellenleiter dient, mittels dem das von einer Lichtquelle 20 ausgesandte Licht L der Meßteilung 11 des Maßstabes 1 zugeführt wird. Das Licht wird hierzu mittels einer Fresnel-Linse 33 in die aus Glas oder Kunststoff bestehende Abtastplatte 3 eingekoppelt. Die Fresnel-Linse 33 besteht aus einem Gitter, das auf der dem Detektor 4 zugewandten, ersten Oberfläche 31 der Abtastplatte 3 geprägt ist. Die Fresnel-Linse 33 bildet somit einen einstückigen Bestandteil der Abtastplatte 3 und ist unmittelbar aus deren erster Oberfläche 31 herausgeformt.
Das Einkoppeln von Licht in den durch die Abtastplatte 3 gebildeten planaren Wellenleiter erfolgt dadurch, daß das (von einem Kollimator 22 außerhalb der Abtastplatte 3) parallelisierte Licht L mittels der Fresnel-Linse 33 derart abgelenkt wird, daß es innerhalb der Abtastplatte 3 an den parallelen Oberflächen 31, 32 jeweils eine Totalreflexion erfährt. Für eine Totalreflexion muss der Winkel α des Lichtbündels relativ zu der Normalen n auf die parallelen Oberflächen 31, 32 (bei einem Brechnungsindex 1,5 der Abtastplatte) größer als 41° sein. Hierdurch kann das Lichtbündel L in Erstreckungsrichtung E der Abtastplatte 3 (senkrecht zu der Meßrichtung M) zu der Meßteilung 11 des Maßstabes 1 geleitet werden.
Die Auskopplung des in der Abtastplatte 3 geleiteten Lichtbündels L erfolgt mittels des Abtastgitters 35, das zugleich als Auskoppelgitter dient. Dabei wird an den Stellen S₁, S₂, an denen das Licht L auf das Abtast- und Auskoppelgitter 35 auftrifft, jeweils nur ein gewisser Anteil L₁, L₂, des in der Abtastplatte 3 geleiteten Lichtes aus dieser ausgekoppelt. Der jeweils ausgekoppelte Lichtanteil L₁, L₂ wird durch die Meßteilung 11 des Maßstabes 1 reflektiert und trifft nach einem erneuten Durchgang durch das Abtast- und Auskoppelgitter 35 auf den durch Fotoempfänger gebildeten Abtastbereich 40 der Abtasteinheit 4.
An den Stellen S₁, S₂ wird dabei jeweils das Licht der nullten Beugungsordnung reflektiert, also weiter im Wellenleiter geführt, während die Lichtstrahlen der –1. Beugungsordnung ausgekoppelt und als Lichtanteile L₁, L₂ der Meßteilung 11 zugeführt werden.
Die nur teilweise Auskopplung einzelner Lichtanteile L₁, L₂, an den einzelnen Stellen S₁, S₂, hat zur Folge, daß die Lichtanteile L₁, L₂, vor dem Auskoppeln aus der Abtastplatte 3 eine unterschiedliche Anzahl an Reflexionen an deren Oberfläche 31, 32 erfahren haben. So hat ein Lichtanteil L₁ vor dem Auskoppeln keine einzige Reflexion und ein anderer Lichtanteil L₂, L₃ vor dem Auskoppeln insgesamt zwei Reflexionen an den Oberflächen 31, 32 erfahren.
Die Auskoppeleffizienz des Auskoppelgitters variiert vorteilhafterweise in Abhängigkeit vom Ort der Auskopplung in Erstreckungsrichtung E der Abtastplatte 3. Erreicht wird dies durch Variation der Struktur der Gitterperiode, wie Stufenhöhe und/oder Strichbreite. Die Auskoppeleffizienz sollte in der genannten Erstreckungsrichtung E ansteigen, so daß am Anfang weniger Licht und am Ende nach mehreren Reflexionen ein höherer Anteil des noch zur Verfügung stehenden Lichtes ausgekoppelt wird. Dadurch ist eine gleichmäßige Ausleuchtung und Intensitätsverteilung an der Meßteilung 11 erreichbar. Es kann hierbei sogar vorgesehen sein, daß am Ende der Abtastplatte 3 (in deren Erstreckungsrichtung E betrachtet) das gesamte noch verbleibende Licht ausgekoppelt und der Meßteilung 11 sowie anschließend dem Abtastbereich 40 zugeführt wird. Dies gilt entsprechend auch für die nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele.
Hierdurch wird erreicht, daß die Breite B des Oberflächenabschnittes, durch den hindurch das in der Abtastplatte 3 geführte Lichtbündel L aus der Abtastplatte 3 ausgekoppelt wird (und somit die Breite der beleuchteten Fläche der Meßteilung 11 und des Abtastbereiches 40) erheblich größer sein kann als die sogenannte Eintrittsapertur, also die Breite b des Oberflächenabschnittes der Abtastplatte 3, durch den hindurch das Licht L in die Abtastplatte 3 eingekoppelt wird (Breite der Fresnel-Linse 33). So kann etwa bei einer Abtastplatte 3, ausgehend von einer Breite b der Eintrittsapertur von etwa 2 mm, ohne weiteres eine Breite B derjenigen Fläche, durch die hindurch das Lichtbündel L ausgekoppelt wird, von etwa 5 mm erreicht werden. Dies führt dazu, daß eine entsprechend größere Fläche der Meßteilung 11 und damit auch des Abtastbereiches 40 quer zur Meßrichtung M beleuchtet werden können.
Die Positionsmeßeinrichtung kann daher mit einer vergleichsweisen kompakten Beleuchtungseinrichtung und -optik ausgerüstet sein, die zur Zufuhr von Licht zu dem planaren Wellenleiter (Abtastplatte 3) und zur Einkopplung des Lichtes in den Wellenleiter dient.
In 2 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus 1 dargestellt, wobei der einzige strukturelle Unterschied darin besteht, daß das Abtast- und Auskoppelgitter 35 auf der dem Detektor 4 zugewandten Oberfläche 31 der Abtastplatte 3 geprägt ist. Außerdem sind in 2 insgesamt drei Lichtanteile L₁, L₂, L₃ mit einer unterschiedlichen Anzahl an Reflexionen vor dem Auskoppeln dargestellt. Ansonsten stimmen die in den 1 und 2 dargestellten Positionsmeßeinrichtungen überein, was durch die Verwendung identischer Bezugszeichen in den Figuren angedeutet ist.
Auch hier wird an Stellen S₁, S₂, S₃ jeweils das Licht der nullten Beugungsordnung reflektiert, also weiter im Wellenleiter geführt, während die Lichtstrahlen der –1. Beugungsordnung ausgekoppelt und als Lichtanteile L₁, L₂, L₃ der Meßteilung 11 zugeführt werden.
Die Erfindung ist auch bei Positionsmeßsystemen einsetzbar, bei denen das in den 1 und 2 dargestellte Auskoppelgitter nicht die Funktion eines Abtastgitters erfüllt. Bei derartigen Positionsmeßeinrichtungen wird das vom Auskoppelgitter 35 zur Meßteilung 11 gerichtete Licht positionsabhängig moduliert und es wird ein Lichtmuster in der Detektorebene 40 erzeugt. Das Abtastgitter ist in diesem Fall am Detektor 4 vorgesehen, indem auf dessen lichtempfindlicher Oberfläche eine Blende aufgebracht ist oder die lichtempfindlichen Bereiche selbst in bekannter Weise strukturiert ausgebildet sind. In allen Fällen kann die Meßteilung 11 ein Amplitudengitter oder ein Phasengitter.
Die in den 3a und 3b dargestellte Positionsmeßeinrichtung unterscheidet sich von den in den 1 und 2 gezeigten zum einen dadurch, daß vorliegend das aus der Lichtquelle 20 (LED) stammende Licht erst beim Einkoppeln in die Abtastplatte 3 parallelisiert wird. Hierzu dient eine sogenannte off-axis Fresnel-Linse 33', bei der die Breite der einzelnen Gitterelemente sowie deren Abstand räumlich variiert. Diese Fresnel-Linse 33' weist ein gekrümmtes Gitter auf (vergl. 3b), wobei die Krümmung des Gitters dessen kolliminierende Wirkung erzeugt und wobei die lokale Gitterkonstante den Beugungswinkel bestimmt und somit die Einkopplung des Lichtes in die als Wellenleiter dienende Abtastplatte 3 (Erzeugung von Totalreflexion an den Oberflächen 31, 32) bewirkt.
Des weiteren sind bei der in den 3a und 3b dargestellten Positionsmeßeinrichtung das Abtastgitter 38 der Abtastplatte 3 einerseits, das zur Modulation des Lichtes mit der Meßteilung 11 zusammenwirkt, sowie das Auskoppelgitter 39 andererseits, das zum Auskoppeln von Licht aus der Abtastplatte 3 dient, separat auf einander gegenüberliegenden Oberflächen der Abtastplatte 3 angeordnet. Dabei ist das Abtastgitter 38 auf der dem Maßstab 1 zugewandten Oberfläche 32 der Abtastplatte 3 vorgesehen. Das Auskoppelgitter 39 mit einer Phasentiefe von 180° ist demgegenüber auf der dem Detektor 4 zugewandten Oberfläche 31 der Abtastplatte 3 geprägt.
Das Abtastgitter 38 ist hier als Inkrementalabtastgitter (Amplitudengitter) ausgebildet, angepaßt an die Verwendung einer Inkrementalspur als Meßteilung 11. Die Teilungsstriche des Abtastgitters 38 verlaufen parallel zu den Teilungsstrichen der Meßteilung 11.
Die in den 4a bis 4c dargestellte Positionsmeßeinrichtung stellt eine Abwandlung des in den 3a und 3b gezeigten Ausführungsbeispiels dar. Die zum Einkoppeln des Lichtbündels L sowie zum Parallelisieren dieses Lichtbündels vorgesehene off-axis Fresnel-Linse 33' ist in diesem Fall auf der dem Maßstab 1 zugewandten Oberfläche 32 der Abtastplatte 3 geprägt. Gegebenenfalls kann diese Fresnel-Linse 33' – wie in 4a mittels einer gestrichelten Linie V angedeutet – verspiegelt sein.
Als Abtast- und Auskoppelgitter dient vorliegend ein Gitter 36, das in der Draufsicht der Abtastplatte 3 gemäß 4b im Detail erkennbar ist. Das kombinierte Abtast- und Auskoppelgitter 36 ist als Transversalgitter ausgebildet, mit Teilungsstrichen, die sich senkrecht zu den Teilungsstrichen der Meßteilung 11 (vergl. 4b und 4c) erstrecken. Die Teilungsstriche des kombinierten Abtast- und Auskoppelgitters 36 sind wiederum in mehreren nebeneinander liegenden Spuren 36a, 36b angeordnet, wobei die einzelnen Spuren 36a, 36b parallel zu den Teilungsstrichen der Meßteilung 11 verlaufen. Nebeneinander liegende Spuren- 36a, 36b des Abtast- und Auskoppelgitters 36 sind dabei jeweils um ein Viertel ihrer Periode d_T gegeneinander versetzt. Die Breite d_A zweier nebeneinander liegender Spuren des Abtast- und Auskoppelgitters 36 entspricht der Periode d_M der Meßteilung 11. Weitere Einzelheiten zum Aufbau und zur Funktion eines derartigen Abtastgitters können der EP 0 735 346 A2 entnommen werden.
Durch den Versatz der nebeneinander liegenden Spuren wird die Phase, nicht aber die Intensität des ausgekoppelten Lichtes entlang der Meßrichtung moduliert. Ein derartiges Abtast- und Auskoppelgitter wirkt daher wie ein herkömmliches Phasenabtastgitter. Die wirksame Phasentiefe eines derartigen Phasengitters kann durch die Verschiebung der Spuren senkrecht zur Meßrichtung beliebig eingestellt werden.
Der Abstand D zwischen dem Abtastgitter 3 und dem Maßstab 1 liegt in der Größenordnung D = dA²/(2·l), wobei l die Wellenlänge des Lichtes ist. Der Abstand D beträgt dann typischerweise 200 μm bis 800 μm.
Gemäß 4a sind auf der dem Detektor 4 zugewandten Oberfläche 31 der Abtastplatte 3 mittels der sogenannten ”chip on glass”-Technik Leiterbahnen 5 aufgebracht. Diese Leiterbahnen sind über ”bumps” 50 mit elektrischen Komponenten des Detektors 4 kontaktiert. Hierdurch kann die Oberfläche 31 der Abtastplatte 3 zugleich genutzt werden, um den Detektor 4 elektrisch zu kontaktieren.
Bei dem in den 5a–5c dargestellten Ausführungsbeispiel einer Positionsmeßeinrichtung dient zum Einkoppeln des Lichtes L in die als planarer Wellenleiter fungierende Abtastplatte 3 ein Prisma 34, das auf der dem Detektor 4 zugewandten Oberfläche 31 der Abtastplatte 3 vorgesehen ist. Mittels dieses Prismas 34 wird das von der Lichtquelle 20 abgestrahlte Lichtbündel L in die Abtastplatte 3 als ein divergentes Lichtbündel eingekoppelt, d. h., das in der Abtastplatte 3 fortgeleitete Lichtbündel L weist Lichtanteile mit einer unterschiedlichen Neigung bezüglich der Oberflächen 31, 32 der Abtastplatte 3 auf. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden die den unterschiedlichen Lichtanteilen zugehörigen Lichtstrahlen jeweils mit unterschiedlichen Reflexionswinkeln von den Oberflächen 31, 32 reflektiert. Auch hierdurch kann erreicht werden, daß die Lichtstrahlen unterschiedlicher Lichtanteile L₁, L₂ eine unterschiedliche Anzahl an Reflexionen an den Oberflächen 31, 32 der Abtastplatte 3 erfahren, bevor sie aus dem Wellenleiter (Abtastplatte 3) ausgekoppelt werden. Die Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Winkel bezüglich der Oberflächen 31, 32 unterscheiden sich dabei in der Frequenz.
Zum Auskoppeln dient hier wiederum ein kombiniertes Abtast- und Auskoppelgitter 37, das in seiner Gestalt speziell an die Verwendung divergenten Lichtes zur Abtastung der Meßteilung 11 angepaßt. Wie bei dem in den 4a–4c dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch hier das Abtast- und Auskoppelgitter 37 als Transversalgitter ausgebildet, dessen Teilungsstriche senkrecht zu den Teilungsstrichen der Meßteilung 11 verlaufen (vergl. 5b und 5c).
Die Teilungsstriche des Abtast- und Auskoppelgitters 37 sind dabei zu nebeneinander verlaufenden Spuren 37a zusammengefaßt, die sich jeweils parallel zu den Teilungsstrichen der Meßteilung 11 erstrecken. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus den 4a–4c besteht hier zwischen nebeneinander liegenden Spuren 37a des Gitter 37 jeweils eine Lücke 37b, in der keine Lichtauskopplung stattfindet. Daher wird die Intensität des jeweils ausgekoppelten Lichtes entlang der Meßrichtung moduliert. Ein derartiges kombiniertes Auskoppel- und Abtastgitter entspricht also einem herkömmlichen Amplitudengitter. Die Dicke d_A jeder der Spuren 37a zusammen mit der jeweils benachbarten Lücke 37b entspricht dabei dem Zweifachen der Periode d_M der Meßteilung 11; es ist also d_A = 2·d_M. Das zugrundeliegende Meßverfahren ist in SPIE, Vol. 136, 1977, Seiten 325–333 beschrieben.
Wird an Stelle eines Maßstabes mit einer inkrementalen Meßteilung ein Maßstab mit einer absoluten Meßteilung verwendet, so wird diesem als Abtasteinheit vorzugsweise einem CCD-Zeile zugeordnet. Eine Abtaststruktur (Abtastgitter) ist bei einer solchen Anordnung nicht erforderlich, so daß der Wellenleiter nur ein Auskoppelgitter enthält. Alternativ kann auch der Maßstab selbst als Wellenleiter verwendet werden.
Bei allen Ausführungsbeispielen kann die Fortleitung eines Lichtbündels in dem als Wellenleiter dienenden Abtastgitter 3 neben der Erzeugung einer Totalreflexion auch durch eine teilweise Verspiegelung der Oberflächen 31, 32 erreicht werden.

Claims

Positionsmeßeinrichtung mit – einem Teilungsträger, der eine mittels Licht abtastbare Meßteilung aufweist, – einem planaren Wellenleiter, mit dem von einer Lichtquelle erzeugtes Licht zu der Meßteilung geleitet wird, wobei das Licht an den Oberflächen des planaren Wellenleiters reflektiert wird, und – einer Abtasteinheit zum Abtasten der Meßteilung, die mindestens einen lichtempfindlichen Abtastbereich aufweist, dem das durch die Meßteilung modulierte Licht zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Abtastbereich (40) zugeführte Licht (L) mindestens zwei unterschiedliche Lichtanteile (L₁, L₂) umfaßt, die sich in der Anzahl der Reflexionen an den Oberflächen (31, 32) des planaren Wellenleiters (3) unterscheiden, die die Lichtstrahlen des jeweiligen Lichtanteiles (L₁, L₂) vor dem Erreichen der Meßteilung (11) erfahren.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßteilung (11) im Auflichtverfahren abtastbar ist.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der planare Wellenleiter (3) einen ersten Oberflächenabschnitt aufweist, durch den hindurch das Licht (L) in den Wellenleiter (3) eingekoppelt wird, und einen zweiten Oberflächenabschnitt, durch den hindurch Licht aus dem Wellenleiter (3) ausgekoppelt wird.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) des zweiten Oberflächenabschnittes in Erstreckungsrichtung (E) des Wellenleiters (3) größer ist als die Breite (b) des ersten Oberflächenabschnittes.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (33, 33', 34, 35, 36, 37, 39) zum Einkoppeln des Lichtes (L) in den Wellenleiter (3) und/oder zum Auskoppeln des Lichtes (L) aus dem Wellenleiter (3) auf mindestens einer Oberfläche (31, 32) des Wellenleiters (3) vorgesehen sind.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (33, 33', 34, 35, 36, 37, 39) zum Einkoppeln des Lichtes (L) in den Wellenleiter (3) und/oder zum Auskoppeln von Licht aus dem Wellenleiter (3) einstückiger Bestandteil des Wellenleiters (3) sind.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (33, 33', 34, 35, 36, 37, 39) zum Einkoppeln des Lichtes (L) in den Wellenleiter (3) und/oder zum Auskoppeln von Licht aus dem Wellenleiter (3) in mindestens einer Oberfläche (31, 32) des Wellenleiters (3) eingeprägt sind.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen in dem planaren Wellenleiter (3) parallel zueinander verlaufen.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (L) dem Wellenleiter (3) als parallelisiertes Lichtbündel zugeführt wird.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (L) beim Einkoppeln in den Wellenleiter (3) parallelisiert wird.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (L) mittels einer Fresnel-Linse (33, 33') in den Wellenleiter (3) eingekoppelt wird.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (L) mittels einer off-axis Fresnel-Linse (33') in den planaren Wellenleiter (3) eingekoppelt wird.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens zwei in Erstreckungsrichtung (E) des Wellenleiters (L) beabstandeten Stellen (S₁, S₂) jeweils ein Teil des in dem Wellenleiter (3) geleiteten Lichtes (L) ausgekoppelt wird, wobei das Licht (L) zwischen den beiden Stellen (S₁, S₂) mindestens einmal in dem Wellenleiter (3) reflektiert wird.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen als divergentes Strahlenbündel in dem planaren Wellenleiter (3) verlaufen.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht (L) mittels eines Prismas (34) in den planaren Wellenleiter (3) eingekoppelt wird.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wellenleiter (3) Lichtstrahlen mit unterschiedlichem Winkel bezüglich der Erstreckungsrichtung (E) des Wellenleiters (3) verlaufen.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (3) zwischen dem Abtastbereich (40) und dem Teilungsträger (10) angeordnet ist.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (3) durch eine Abtastplatte gebildet wird, die ein Abtastgitter (35, 36, 37, 38) aufweist.
Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastgitter (35, 36, 37) zugleich zum Auskoppeln des Lichtes (L) aus dem Wellenleiter (3) dient.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–17, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter durch den Teilungsträger gebildet wird.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (33, 33', 34) zum Einkoppeln des Lichtes (L) in den Wellenleiter (3) auf der selben Oberfläche (31, 32) des Wellenleiters (3) vorgesehen sind, wie Mittel (35, 36, 37, 39) zum Auskoppeln des Lichtes (L) aus dem Wellenleiter (3).
Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–20, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (33, 33', 34) zum Einkoppeln des Lichtes (L) in den Wellenleiter (3) auf einer anderen Oberfläche (31, 32) des Wellenleiters (3) vorgesehen sind, als Mittel (35, 36, 37, 39) zum Auskoppeln des Lichtes (L) aus dem Wellenleiter (3).
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (3) aus Glas oder aus Kunststoff besteht.
Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Bauelemente auf einer Oberfläche (31, 32) des Wellenleiters (3) aufgebracht sind.