DE102006042743A1

DE102006042743A1 - Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102006042743A1
Application number: DE102006042743A
Authority: DE
Inventors: Karsten Dr. Sändig; Wolfgang Dr. Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-03-27
Also published as: JP5100266B2; CN101144730A; JP2008070363A; EP1901041B1; CN101144730B; US7710578B2; ATE496283T1; EP1901041A2; DE502007006292D1; US20080062432A1; EP1901041A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Relativposition einer Abtasteinheit sowie einer hierzu in mindestens einer Messrichtung beweglichen Reflexions-Maßverkörperung. Die Abtasteinheit umfasst mehrere optische Elemente, nämlich mindestens ein Retroreflektorelement, mindestens ein Vereinigungsgitter, mindestens ein Abtastgitter sowie mehrere Detektorelemente. Die optischen Elemente sind dergestalt in der und/oder Teilstrahlenbündel mindestens zwei Mal die Reflexions-Maßverkörperung beaufschlagen und hierbei jeweils durch die einfallenden Strahlenbündel und/oder Teilstrahlenbündel einerseits und die reflektierten Teilstrahlenbündel andererseits eine Ebene aufgespannt wird, die senkrecht zur Ebene der Reflexions-Maßverkörperung orientiert ist. Über das Retroreflektorelement erfolgt eine Richtungsumkehr der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel auf die Reflexions-Maßverkörperung senkrecht zur Messrichtung. Auf das Vereinigungsgitter trifft ein Paar von Teilstrahlenbündeln nichtparallel auf, wobei das Vereinigungsgitter die darauf eintreffenden Teilstrahlenbündel zur Interferenz bringt, so dass die Detektorelemente phasenverschobene Signale erfassen (Fig. 1b).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung.
Aus der WO 02/23131 A1 ist eine hochauflösende optische Positionsmesseinrichtung bekannt. Diese umfasst neben einer Reflexions-Maßverkörperung, z.B. ausgebildet als linearer Auflicht-Maßstab, eine relativ in mindestens einer Messrichtung hierzu verschiebbare Abtasteinheit. Auf Seiten der Abtasteinheit ist neben einem Abtastgitter, mehreren optoelektronischen Detektorelementen auch mindestens ein optisches Umlenk- bzw. Reflektorelement in Form eines Retroreflektors angeordnet. Über das Reflektorelement erfolgt eine Rückreflexion der von der Reflexions-Maßverkörperung erstmalig reflektierten Teilstrahlenbündel in Richtung der Reflexions-Maßverkörperung. Dort werden die Teilstrahlenbündel dann anschließend ein zweites Mal reflektiert, bevor schließlich interferierende Teilstrahlenbündel auf die Detektoren gelangen und dort verschiebungsabhängig modulierte Abtastsignale erzeugen. Das Reflektorelement ist in der gattungsgemäßen Positionsmesseinrichtung als Dachkantprisma mit optischer Retroreflektor-Funktionalität ausgebildet und mit seiner Dachkante parallel zur Messrichtung ausgerichtet. Hierbei wirkt das Dachkantprisma in einer Richtung als Retroreflektor, die senkrecht zur Messrichtung x ausgerichtet ist. Zur Erzeugung der phasenverschobenen Abtastsignale sind in den Abtaststrahlengängen polarisationsoptische Verzögerungselemente in Form von λ/4-Plättchen sowie Polarisatoren vor den Detektorelementen angeordnet. Derartige polarisationsoptische Elemente erhöhen jedoch grundsätzlich die Komplexität und damit auch die Kosten entsprechend aufgebaute Positionsmesseinrichtungen.
Eine weitere optische Positionsmesseinrichtung, in der eine zweimalige Beaufschlagung der Reflexions-Maßverkörperung mit Hilfe eines Retroreflektorelements resultiert, ist aus der EP 0 387 520 A2 bekannt. In dieser Abtastkonfiguration ist erforderlich, dass die Teilstrahlenbündel in Strichrichtung der Reflexions-Maßverkörperung geneigt auf diese einfallen. Dadurch ergeben sich in dieser Positionsmesseinrichtung relativ geringe Toleranzen hinsichtlich des Abtastabstands.
Ferner sei zu derartigen Positionsmesseinrichtungen auf die DE 42 01 511 A1 verwiesen. Auch die daraus bekannte Positionsmesseinrichtung benötigt polarisationsoptische Bauelemente im Abtaststrahlengang. Es müssen deshalb die unterschiedlichen Beugungseffizienzen für die beiden Polarisationsachsen der Maßverkörperung berücksichtigt werden. Da das Verhältnis dieser Beugungseffizienzen über die Maßverkörperungsposition hinweg stark schwanken kann, wird in der DE 42 01 511 A1 deshalb vorgeschlagen, zwei zusätzliche λ/2-Plättchen in die Abtaststrahlengänge einzufügen. Dies hat wiederum eine erhebliche Erhöhung des Aufwands bzw. der Kosten derartiger Systeme zur Folge. Außerdem ist eine Signalverbesserung auf diese Weise nur möglich, wenn die Strahlenbündel bei beiden Reflexionen an der Maßverkörperung mit gleichen Beugungseffizienzen für beide Polarisationsachsen gebeugt werden. In der Praxis ist dies aber nicht der Fall, da ein Versatz der Strahlenbündel von der ersten Reflexion zur zweiten Reflexion an der Maßverkörperung vorgesehen werden muss und an den beiden Reflexionsorten unterschiedliche Beugungsverhältnisse vorliegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Positionsmesseinrichtung zu schaffen, die eine Erzeugung phasenverschobener Abtastsignale ohne den Einsatz von polarisationsoptischen Bauelementen ermöglicht. Ferner soll die Positionsmesseinrichtung möglichst fehlertolerant gegenüber eventuellen Schwankungen des Abtastabstands sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Relativposition einer Abtasteinheit sowie einer hierzu in mindestens einer Messrichtung beweglichen Reflexions-Maßverkörperung weist seitens der Abtasteinheit mehrere optische Elemente auf, nämlich mindestens ein Retroreflektorelement, mindestens ein Vereinigungsgitter, mindestens ein Abtastgitter sowie mehrere Detektorelemente. Die optischen Elemente in der Abtasteinheit sind vorzugsweise dergestalt angeordnet,

– dass Strahlenbündel und/oder Teilstrahlenbündel des Abtaststrahlengangs mindestens zwei Mal die Reflexions-Maßverkörperung beaufschlagen und hierbei jeweils durch die einfallenden Strahlenbündel und/oder Teilstrahlenbündel einerseits und die reflektierten Teilstrahlenbündel andererseits eine Ebene aufgespannt wird, die senkrecht zur Ebene der Reflexions-Maßverkörperung orientiert ist,
– dass über das Retroreflektorelement eine Richtungsumkehr der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel auf die Reflexions-Maßverkörperung senkrecht zur Messrichtung (x) erfolgt und
– dass auf das Vereinigungsgitter ein Paar von Teilstrahlenbündeln nichtparallel auftrifft und das Vereinigungsgitter die darauf eintreffenden Teilstrahlenbündel zur Interferenz bringt, so dass die Detektorelemente phasenverschobene Signale erfassen.

Vorzugsweise trifft das Paar von Teilstrahlenbündeln symmetrisch, unter gleichen Winkeln zur optischen Achse auf das Vereinigungsgitter auf.
In einer möglichen Ausführungsform ist das Vereinigungsgitter als Transmissionsgitter ausgebildet ist und weist eine Teilungsperiode dergestalt aufweist, die gewährleistet, dass eine Ablenkung der auftreffenden Teilstrahlenbündel in mehrere kollinear austretende Beugungsordnungen erfolgt, die nachfolgend angeordnete Detektorelemente beaufschlagen.
Hierbei ist das Vereinigungsgitter vorzugsweise dergestalt ausgebildet, dass darüber eine Ablenkung der einfallenden Teilstrahlenbündel derart erfolgt, dass eine der kollinear austretenden Beugungsordnungen senkrecht zur Teilungsebene propagiert.
Ferner kann das Vereinigungsgitter als Phasengitter ausgebildet sein, bei dem die Steghöhe und Stegbreite derart dimensioniert sind, dass auf den nachgeordneten Detektorelementen drei um 120° phasenversetzte Signale detektierbar sind.
In einer möglichen Ausführungsform sind das Vereinigungsgitter und die Detektorelemente als strukturierte Detektoranordnung ausgebildet.
Das Vereinigungsgitter kann als ortsabhängiges Ablenkgitter ausgebildet sein.
Ferner kann die Abtasteinheit mehrere Abtastgitter sowie mindestens ein Vereinigungsgitter umfassen, wobei diese spiegelsymmetrisch angeordnet sind und wobei die Symmetrieebene senkrecht zur Messrichtung und parallel zur optischen Achse orientiert ist.
Inn einer möglichen Variante kann in der Abtasteinheit ein als Dachkantprisma ausgebildetes Retroreflektorelement angeordnet sein, dessen Dachkante parallel zur Messrichtung orientiert ist.
Alternativ kann das Retroreflektorelement in der Abtasteinheit mehrere kombinierte Ablenk-/Linsenselemente sowie mindestens ein planes Reflektorelement umfassen, wobei die Brennebene der Linsenelemente in der Ebene des mindestens einen planen Reflektorelements liegt.
Hierbei können die Linsenelemente als diffraktive Linsenselemente ausgebildet sein, die Ablenkelemente als Abtastgitter ausgebildet sein und zusammen als kombinierte, diffraktive Gitter-Linsen-Elemente ausgebildet sein.
In einer derartigen Variante können die Linsenelemente als diffraktive Linsenelemente in Form von Zylinderlinsen ausgebildet sein, die in Strichrichtung der Reflexions-Maßverkörperung eine fokussierende Wirkung besitzen.
Ferner ist es möglich, die Linsenelemente als diffraktive Linsenelemente in Form von zylindersymmetrischen Linsenelementen auszubilden, die sowohl in Strichrichtung der Reflexions-Maßverkörperung als auch in Messrichtung eine fokussierende Wirkung besitzen.
In einer weiteren Variante kann das Retroreflektorelement ein planparalleles Trägersubstrat umfassen, auf deren, der Reflexions-Maßverkörperung zugewandten Seite mehrere Gitter angeordnet sind und auf deren, zur Reflexions-Maßverkörperung abgewandten Seite das mindestens eine, plane Reflektorelement angeordnet ist.
Vorteilhafterweise können in einer möglichen Ausführungsform die Auftrefforte der beiden Teilstrahlenbündel am Vereinigungsgitter zusammentreffen.
Ferner kann das mindestens eine Retroreflektorelement als monolytische Baueinheit auf einem Trägerelement ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Abtasteinheit mehrere Abtastgitter sowie mindestens ein Vereinigungsgitter, wobei diese spiegelsymmetrisch angeordnet sind und die Symmetrieebene parallel zur Messrichtung und parallel zur optischen Achse orientiert ist.
In einer derartigen Variante der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist die Abtasteinheit dergestalt ausgebildet, dass die von einer Lichtquelle emittierten Strahlenbündel nach einer Kollimation über eine Kollimatoroptik

– ein erstes Mal auf die Reflexions-Maßverkörperung auftreffen, wo eine Aufspaltung in zwei zur Abtasteinheit rückreflektierte Teilstrahlenbündel erfolgt, die zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen,
– die beiden rückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung erfahren, wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal Abtastgitter durchlaufen,
– die auf die Reflexions-Maßverkörperung ein zweites Mal auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit erfahren,
– in der Abtasteinheit mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln zur optischen Achse am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter auftrifft.

In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist die Abtasteinheit dergestalt ausgebildet, dass die von einer Lichtquelle emittierten Strahlenbündel nach einer Kollimation über eine Kollimatoroptik

– über ein Aufspaltgitter in der Abtasteinheit eine Aufspaltung in mindestens zwei Teilstrahlenbündel erfolgt, die zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen und diese Teilstrahlenbündel in Richtung Reflexions-Maßverkörperung propagieren,
– die Teilstrahlenbündel dann ein erstes Mal an unterschiedlichen Orten auf die Reflexions-Maßverkörperung auftreffen, wo jeweils eine Aufspaltung in mehrere zur Abtasteinheit rückreflektierte Teilstrahlenbündel erfolgt, die unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen,
– die mindestens zwei zurückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung erfahren und wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal ein Abtastgitter durchlaufen,
– die auf die Reflexions-Maßverkörperung ein zweites Mal an unterschiedlichen Orten auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit erfahren,
– in der Abtasteinheit mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln zur optischen Achse am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter auftrifft.

Hierbei können die Abtastgitter in der Abtasteinheit als Fresnel-Zylinderlinsen ausgebildet sein, deren Brennlinien sich in der Ebene der Reflektorelemente befinden und die Teilungsperiode des Aufspaltgitters identisch zur Teilungsperiode des Vereinigungsgitters und zur Teilungsperiode der Reflexions-Maßverkörperung gewählt sein.
Ferner kann hierbei die Teilungsperiode der Reflexions-Maßverkörperung dergestalt gewählt werden, dass sich die in Richtung Abtasteinheit zurückreflektierten Teilstrahlenbündel vor dem ersten Auftreffen auf ein Abtastgitter überkreuzen.
Desweiteren wird vorzugsweise die Teilungsperiode der Reflexions-Maßverkörperung kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle gewählt ist.
Ferner kann das mindestens eine Retroreflektorelement als kombiniertes Ablenk-/Linsenelement ausgebildet werden.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist die Abtasteinheit dergestalt ausgebildet, dass die von einer Lichtquelle emittierten Strahlenbündel nach einer Kollimation über eine Kollimatoroptik

– über ein Aufspaltgitter eine Aufspaltung in zwei Teilstrahlenbündel erfolgt,
– die beiden Teilstrahlenbündel dann auf ein Hufspalt-Hilfsgitter gelangen, mit dem eine Umlenkung zumindest eines Teils der Teilstrahlenbündel dergestalt erfolgt, dass die in Richtung der Reflexions-Maßverkörperung propagierenden Teilstrahlenbündel am gleichen Auftreffort auf die Reflexions-Maßverkörperung auftreffen und
– die auf die Reflexions-Maßverkörperung auftreffenden Teilstrahlenbündel jeweils in mehrere zur Abtasteinheit rückreflektierte Teilstrahlenbündel aufgespalten werden, die unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen,
– die mindestens zwei zurückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung erfahren, wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal ein Abtastgitter durchlaufen,
– die auf die Reflexions-Maßverkörperung ein zweites Mal am gleichen Ort auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit erfahren,
– in der Abtasteinheit mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel an unterschiedlichen Orten auf ein Vereinigungs-Hilfsgitter auftrifft, wo eine erneute Beugung und Aufspaltung erfolgt, so dass mindestens zwei weiter propagierende Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln zur optischen Achse am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter auftreffen.

– ein erstes Mal auf die Reflexions-Maßverkörperung auftreffen, die als Auflicht-Beugungsgitter ausgebildet ist, wo eine Aufspaltung in zwei zur Abtasteinheit rückreflektierte Teilstrahlenbündel erfolgt, die zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen,
– die beiden rückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung erfahren, wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal ein Abtastgitter durchlaufen und beim ersten Durchlauf durch die Abtastgitter eine Punktfokussierung der Teilstrahlenbündel auf den gleichen Auftreffort an einem planen Reflektorelement resultiert,
– die auf die Reflexions-Maßverkörperung ein zweites Mal auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit erfahren,
– in der Abtasteinheit mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln zur optischen Achse am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter auftrifft.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in den Figuren erläutert.
Es zeigt hierbei:
1a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
1b einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
1c und 1d je eine Ansicht der Ober- und Unterseite der Abtastplatte der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
2a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer Abwandlung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
2b den Teil des Abtaststrahlengangs aus 2a in einer anderen Ansicht;
2c einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß 2a;
2d den Teil des Abtaststrahlengangs aus 2c in einer anderen Ansicht;
2e eine Draufsicht auf die Abtastplatte der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß 2a;
3a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
3b einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
3c und 3d je eine Ansicht der Ober- und Unterseite der Abtastplatte der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
4a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer ersten Abwandlung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
4b einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß 4a;
4c und 4d je eine Ansicht der Ober- und Unterseite der Abtastplatte der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß 4a;
5a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer zweiten Abwandlung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
5b den Teil des Abtaststrahlengangs aus 5a in einer anderen Ansicht;
5c einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß 5a;
5d den Teil des Abtaststrahlengangs aus 5c in einer anderen Ansicht;
5e eine Draufsicht auf die Abtastplatte der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß 5a;
6a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
6b einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
6c und 6d je eine Ansicht der Ober- und Unterseite der Abtastplatte der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
7a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
7b einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
7c und 7d je eine Ansicht der Ober- und Unterseite der Abtastplatte der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung:
8a einen ersten Teil des Abtaststrahlenganges einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
8b einen zweiten Teil des Abtaststrahlenganges der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
8c und 8d je eine Ansicht der Ober- und Unterseite der Abtastplatte der fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung.
Über die nachfolgend im Detail beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung lassen sich die oben erwähnten Probleme lösen. Bevor die einzelnen Beispiele anhand der Figuren im Detail beschrieben werden, seien zunächst die Gemeinsamkeiten der nachfolgenden Varianten erläutert.
So liegt den verschiedenen Ausführungsformen jeweils ein ähnlicher Abtaststrahlengang zugrunde. Ein kollimiertes Strahlenbündel einer geeigneten Laser-Lichtquelle trifft in Strichrichtung (= y-Richtung) der Messteilung gesehen senkrecht auf eine Reflexions-Maßverkörperung. Das heißt, dass alle auf die Reflexions-Maßverkörperung auftreffenden und hiervon reflektierten Strahlenbündel senkrecht zur Strichrichtung orientiert sind und damit in einer Ebene liegen, die von der Messrichtung und der normalen auf die Reflexions-Maßverkörperung aufgespannt wird. Je nach Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das kollimierte Strahlenbündel vorher abgelenkt bzw. aufgespalten wird, was über ein oder zwei Aufspaltgitter im Strahlengang erfolgen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass keine derartige Ablenkung bzw. Aufspaltung erfolgt
An der Reflexions-Maßverkörperung erfolgt eine Reflexion, Aufspaltung und Rückreflexion des bzw. der einfallenden Strahlenbündel in mindestens je zwei Teilstrahlenbündel (+/–1. Beugungsordnung). Diese treffen dann in Messrichtung x vom hinlaufenden Teilstrahlenbündel jeweils getrennt auf separate Abtastgitter in der Abtasteinheit. Diese Abtastgitter, nachfolgend angeordnete Reflektorelemente oder evtl. zusätzliche 90°- oder Tripel-Prismen bewirken eine Richtungsumkehr des transversalen Strahlwinkels (d.h. eine transversale Retroreflexion) und kompensieren dadurch eine fehlerverursachende transversale Strahlablenkung bei einer eventuellen Moiré-Verkippung der Maßverkörperung (sog. optische Moiré-Kompensation). Diese würde ansonsten zu einem deutlichen Einbruch im Signal-Modulationsgrad führen. Unter einer Moiré-Verkippung ist hierbei eine Verkippung der Reflexions-Maßverkörperung und der Abtasteinheit um eine Achse senkrecht auf die Reflexions-Maßverkörperung zu verstehen.
Die Teilstrahlenbündel erfahren demzufolge eine Retroreflexion zurück auf die Reflexions-Maßverkörperung, wo sie erneut gebeugt werden. Die Gitterkonstanten bzw. Teilungsperioden der Abtastgitter und der Reflexions-Maßverkörperung sind dabei so gewählt, dass nach der zweiten Beugung an der Reflexions-Maßverkörperung die auslaufenden Teilstrahlenbündel unter einen symmetrischen Winkel auf ein Vereinigungsgitter in der Abtasteinheit treffen und dort zur Interferenz gebracht werden. Das Vereinigungsgitter hat dazu eine Teilungsperiode, die so gewählt wird, dass jeweils eine der ersten Beugungsordnungen der auftreffenden Teilstrahlenbündel in Richtung der optischen Achse weiter propagiert. Damit überlagern sich jeweils die in 0. und +/–1. resultierender Beugungsordnung am Vereinigungsgitter austretenden Teilstrahlenbündel und interferieren miteinander. Die Struktur des Vereinigungsgitters, d.h. dessen Phasentiefe, Stegbreite und evtl. die Anordnung mehrerer Stege pro Periode (Überstruktur), wird so gewählt, dass eine definierte Phasenverschiebung zwischen den austretenden Teilstrahlenbündeln entsteht, die vorzugsweise zu 120° gewählt wird. Alternativ kann das Vereinigungsgitter auch so ausgelegt werden, dass wiederum beide Teilstrahlenbündel in den resultierenden Beugungsordnungen überlagert werden und die resultierenden +/–1. und +/–2. Beugungsordnungen detektiert werden. Die Auslegung der Struktur des Vereinigungsgitters erfolgt in diesem Fall derart, dass vier um jeweils ca. 90° phasenverschobene Signale in den vier detektierten Beugungsordnungen entstehen. Die phasenverschobenen Signale werden in einer nachfolgenden Elektronik verstärkt und in bekannter Weise zu offsetfreien 0°- und 90°-Signalen gewandelt.
Alternativ kann das Vereinigungsgitter auch als sog. ortsabhängiges Ablenkgitter ausgebildet werden. Ferner ist es möglich, das Vereinigungsgitter und die Detektorelemente zusammen in einer Baueinheit als sog. strukturierte Detektoranordnung zusammenzufassen.
Eine derartige Erzeugung phasenverschobener Signale ohne Verwendung polarisationsoptischer Bauteile reduziert erheblich die Herstellkosten und Komplexität der entsprechenden Positionsmesseinrichtungen. Da Polarisatoren im Mittel die Hälfte der einfallenden Strahlleistung absorbieren, wird zudem die Energieeffizienz und damit das Positionsrauschen der Positionsmesseinrichtung gegenüber bekannten Systemen mit polarisationsoptischen Bauteilen deutlich verbessert.
Um die resultierenden Fehler der Positionsmesseinrichtung bei eventuellen Verkippungen der Reflexions-Maßverkörperung klein zu halten und große Toleranzen bzgl. des Abtastabstandes zu erreichen, wird die Abtastoptik (im Strahlenverlauf zwischen der Aufspaltung und Vereinigung der Teilstrahlenbündel) symmetrisch zu einer Ebene parallel zur Strichrichtung der Messteilung auf der Reflexions-Maßverkörperung und zur optischen Achse aufgebaut und die Beleuchtungsrichtung parallel zur optischen Achse gewählt. Dadurch ergeben sich automatisch gleiche optische Weglängen für beide interferierenden Teilstrahlenbündel. In Strichrichtung betrachtet treffen die Teilstrahlenbündel senkrecht auf die Reflexions-Maßverkörperung und wer den deshalb bei Abstandsänderungen nicht in Strichrichtung verschoben. In Messrichtung betrachtet, treten je nach Ausführungsform entweder keine Strahlverschiebungen oder nur symmetrische Strahlverschiebungen für beide Teilstrahlenbündel auf. Diese Verhältnisse bzgl. der Strahlverschiebungen ergeben einen effektiven Messort, der auch bei Änderungen des Abtastabstandes konstant bleibt. Damit ist eine wichtige Anforderung an hochgenaue Positionsmesseinrichtungen erfüllt.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele, die allesamt auf den vorab erläuterten erfindungsgemäßen Grundprinzipien basieren, unterscheiden sich u.a. durch die Lage des neutralen Drehpunktes, ihre Verschmutzungsempfindlichkeit sowie durch die jeweilige Energieeffizienz.
Erste Ausführungsform
Anhand der 1a–1d wird nachfolgend eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung erläutert. Die 1a und 1b zeigen hierbei jeweils in schematisierter Form Teil-Abtaststrahlengänge in einer seitlichen Ansicht in der x-z-Ebene. In 1a ist der Abtaststrahlengang von der Lichtquelle 11 bis zum Auftreffen der Teilstrahlenbündel auf den Reflektorelementen 15.1, 15.2 dargestellt, 2b zeigt den Abtaststrahlengang ab dem Auftreffen der Teilstrahlenbündel auf den Reflektorelementen 15.1, 15.2 bis zu den Detektorelementen 16.1, 16.2, 16.3. Die 1c und 1d zeigen jeweils Draufsichten auf die Ober- und Unterseite der Abtastplatte 13 mit den dort angeordneten optischen Elementen.
Die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung umfasst in diesem Beispiel eine Reflexions-Maßverkörperung 20 sowie eine relativ hierzu in mindestens einer Messrichtung x bewegliche Abtasteinheit 10. Mit der Reflexions-Maßverkörperung 20 und der Abtasteinheit 10 sind in bekannter Art und Weise die Objekte gekoppelt, deren Relativposition mit Hilfe der Positionsmesseinrichtung zu bestimmen ist. Hierbei kann es sich etwa um Maschinenteile handeln, deren Relativposition präzise erfasst werden muss. Die mittels der Positionsmesseinrichtung erzeugten Signale bzw. Positionsdaten werden von einer – nicht dargestellten – Folgeelektronik oder Auswerteeinheit beispielsweise zur Steuerung der Maschine weiterverarbeitet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung von Linearbewegungen mit einer sich linear erstreckenden Reflexions-Maßverkörperung 20 dargestellt; selbstverständlich können auch rotatorische Positionsmesseinrichtungen auf Basis der erfindungsgemäßen Überlegungen realisiert werden.
Im Folgenden sei der Abtaststrahlengang der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung anhand der 1a–1d im Detail beschrieben.
Das von Lichtquelle 11, z.B. einer Laser-Lichtquelle, emittierte Strahlenbündel wird im dargestellten Beispiel zunächst über eine Kollimatoroptik 12 kollimiert, d.h. in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt. Anschließend durchtritt das kollimierte Strahlenbündel unabgelenkt, das Trägersubstrat 13.1 einer Abtastplatte 13. Das Trägersubstrat 13.1 ist als planparallele Glasplatte ausgebildet. Auf deren Ober- und Unterseite sind verschiedene optische Elemente angeordnet, auf deren Funktion im Abtaststrahlengang nachfolgend noch im Detail eingegangen wird. Diese Elemente sind in den Ansichten der 1c und 1d erkennbar.
Das kollimierte Strahlenbündel trifft nach dem Passieren der Abtastplatte 13 ein erstes Mal auf die Reflexions-Maßverkörperung 20, nämlich auf die sich dort in Messrichtung x erstreckende Messteilung 22. Die Messteilung 22 besteht in bekannter Art und Weise aus einer in Messrichtung x periodischen Anordnung von Teilbereichen 22.1, 22.2 mit unterschiedlichen optischen Reflexionseigenschaften. Die strichförmigen Teilbereiche 22.1, 22.2 erstrecken sich senkrecht zur Messrichtung x in der angegebenen Richtung y (nachfolgend auch Strichrichtung genannt) und sind auf einem Trägerkörper 21 der Reflexions-Maßverkörperung 20 angeordnet. Im dargestellten Beispiel ist die Messteilung 22 als Auflicht-Phasengitter ausgebildet, bei dem die Teilbereiche 22.1, 22.2 eine unterschiedliche phasenschiebende Wir kung auf die darauf eintreffenden Strahlenbündel besitzen. Vorteilhaft ist ferner eine Auslegung der Messteilung 22 dahingehend, dass die Beugungseffizienz in den ersten Ordnungen maximiert wird. Die Teilungsperiode der Messteilung 22 sei nachfolgend als TP_M bezeichnet und ist definiert als die Länge zweier aufeinanderfolgender Teilbereiche 22.1, 22.2 in Messrichtung x. In einer möglichen Ausführungsform wird die Teilungsperiode TP_M im Bereich zwischen 1.1·λ und 10·λ gewählt, wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle 11 ist. Im Fall einer als VCSEL oder LED ausgebildeten Lichtquelle mit λ = 860 nm, könnte die Teilungsperiode TP_M demzufolge TP_M = 2 μm betragen.
Nach dem ersten Auftreffen auf der Reflexions-Maßverkörperung 20 auf einem ersten Auftreffort resultiert eine Aufspaltung des einfallenden Strahlenbündels in zwei zur Abtasteinheit 10 zurückreflektierte Teilstrahlenbündel, die den +/– 1. Beugungsordnungen entsprechen. In der Abtasteinheit 10 durchlaufen die zurückreflektierten Teilstrahlenbündel zunächst die in 1a dargestellten Abtastgitter 14.1, 14.2 auf der Unterseite der Abtastplatte 13. Die Abtastgitter 14.1, 14.2 sind im vorliegenden Beispiel als Transmissionsgitter ausgebildet. Von den Abtastgittern 14.1, 14.2 werden die Teilstrahlenbündel in definierter Art und Weise abgelenkt und gelangen dann auf plane Reflektorelemente 15.1, 15.2. auf der Oberseite der Abtastplatte 13. Die beiden zuerst durchlaufenen Abtastgitter 14.1, 14.2 besitzen die gleiche Teilungsperiode, die nachfolgend als TP_AG1 bezeichnet wird. Im vorliegenden, ersten Ausführungsbeispiel wird die Teilungsperiode TP_AG1 der Abtastgitter 14.1, 14.2 unterschiedlich zur Teilungsperiode TP_M der Messteilung 22 gewählt. Aufgrund dieser Wahl der Teilungsperioden TP_AG1 propagieren die Teilstrahlenbündel nach dem Durchtreten der Abtastgitter 14.1, 14.2 nicht senkrecht zur Abtastplatte 13.
Wie in 1b dargestellt, erfolgt an den Reflektorelementen 15.1, 15.2 eine Rückreflexion der Teilstrahlenbündel in Richtung der Reflexions-Maßverkörperung 20. Vor dem zweiten Auftreffen auf die Reflexions-Maßverkörperung 20 an zweiten Auftrefforten, die sich vom ersten Auftreffort unterscheiden, durchlaufen die Teilstrahlenbündel die beiden weiteren Abtastgit ter 14.3, 14.4, die ebenfalls auf der Unterseite der Abtastplatte 13 angeordnet sind. Über diese Abtastgitter 14.3, 14.4 erfolgt eine nochmalige Umlenkung der transmittierten Teilstrahlenbündel in Richtung des jeweiligen zweiten Auftreffortes auf der Reflexions-Maßverkörperung 20. Die beiden nunmehr durchlaufenen Abtastgitter 14.3, 14.4 besitzen die gleiche Teilungsperiode, die nachfolgend als TP_AG2 bezeichnet wird.
Wie in der DE 10 2005 029 917.2 der Anmelderin beschrieben wird, weisen die Abtastgitter 14.1–14.4 eine optische Doppelfunktion auf. Sie wirken einerseits in Messrichtung x wie ein regelmäßig periodisches Ablenkgitter mit den Teilungsperioden TP_AG1 bzw. TP_AG2. In der Strichrichtung y in der Maßverkörperungsebene andererseits wirken sie wie Zylinderlinsen, die die einfallenden Strahlenbündel auf die Reflektorelemente 15.1, 15.2 fokussieren und anschließend wieder kollimieren. Im dargestellten Beispiel der 1a und 1b fokussieren die Abtastgitter 14.1, 14.2, während die Abtastgitter 14.3, 14.4 die austretenden Strahlenbündel wieder kollimieren. Die Kombination aus Reflektorelement und Linse stellt – wie in der DE 10 2005 029 917.2 der Anmelderin beschrieben – ein Retroreflektorelement für die Strichrichtung y der Maßverkörperung 20 dar. Aufgrund des Versatzes in y-Richtung zwischen den Strahlenbündeln und den optischen Achsen der Zylinderlinsen wird gleichzeitig ein Versatz in y-Richtung zwischen den ersten und zweiten Auftrefforten auf der Reflexions-Maßverkörperung 20 bewirkt. Damit die Abtastgitter gleichzeitig all diese optischen Funktionen übernehmen können, müssen sie als Gitter mit gekrümmten Gitterlinien ausgebildet werden, wie dies in der erwähnten DE 10 2005 029 917.2 beschrieben und in der nachfolgenden 1d schematisiert angedeutet ist; nachfolgend sei in Bezug auf derartige Gitter-Strukturen auch von diffraktiven Ablenk/Linsenelementen die Rede.
Die Baueinheit, bestehend aus der Abtastplatte 13 mit dem Trägersubstrat 13.1, den Abtastgittern 14.1, 14.2, 14.3, 14.4 sowie den planen Reflektorelementen 15.1, 15.2 fungiert im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel demzufolge als Retroreflektorelement auf Seiten der Abtasteinheit 10. Über dieses erfolgt eine Rück-Umlenkung der von der Reflexions-Maßverkörpe rung 20 kommenden Teilstrahlenbündel in Richtung der Reflexions-Maßverkörperung 20, um diese ein zweites Mal zu beaufschlagen. Die Retroreflexion erfolgt hierbei in der angegebenen y-Richtung.
Eine alternative Ausbildung des Retroreflektorelements wird in der nachfolgenden Abwandlung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung anhand der 2a–2e erläutert.
Auf der Reflexions-Maßverkörperung 20 resultiert im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der 1a–1d an den jeweiligen zweiten Auftrefforten eine erneute Beugung und Rückreflexion der auftreffenden Teilstrahlenbündel in Richtung der Abtasteinheit 10. Die zur Signalerzeugung genutzten Teilstrahlenbündel treffen hierbei unter symmetrischen Winkeln α1, α2 bzgl. der optischen Achse OA am gleichen Ort auf ein Vereinigungsgitter 14.5, welches auf der Unterseite der Abtastplatte 13 angeordnet ist.
Die optische Achse OA ist hierbei parallel zu der in den Figuren angegebenen Richtung z orientiert. Die Richtung z steht hierbei senkrecht auf der durch die Messrichtung x und der Strichrichtung y aufgespannten Ebene.
Nach erneuter Beugung am Vereinigungsgitter 14.5 propagieren schließlich drei interferierende Paare von Teilstrahlenbündeln in Richtung der drei nachgeordneten Detektorelemente 16.1, 16.2, 16.3. Hierzu ist die Teilungsperiode TP_VG des in diesem Beispiel ebenfalls als Transmissionsgitter ausgebildeten Vereinigungsgitters 14.5 dergestalt gewählt, dass mehrere resultierende Teilstrahlenbündel austreten, die jeweils aus kollinear überlagerten und damit interferierenden Anteilen beider einfallender Teilstrahlenbündel bestehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeweils eine der beiden ersten Beugungsordnungen des Vereinigungsgitters 14.5 die beiden einfallenden Teilstrahlenbündel parallel zur optischen Achse OA ablenkt. Hierbei interferieren Teilstrahlenbündel aus Beugungsordnungen, deren Beugungsordnungen sich um zwei unterscheiden.
Im Fall der Relativverschiebung von Reflexions-Maßverkörperung 20 und Abtasteinheit 10 resultieren jeweils Gangunterschiede zwischen den Paaren von interferierenden Teilstrahlenbündeln, die in Richtung der Detektorelemente 16.1, 16.2, 16.3 propagieren. An den Detektorelementen 16.1, 16.2 16.3 liegen dann verschiebungsabhängig modulierte Signale, wobei diese von Detektorelement zu Detektorelement um je 120° phasenverschoben sind. Diese phasenverschobene Signale können von nachgeordneten – nicht dargestellten – Folgeelektroniken in bekannter Art und Weise weiterverarbeitet werden.
Die Phasenverschiebung der Signale kann durch eine geeignete Ausgestaltung des Vereinigungsgitters 14.5 sichergestellt werden, wie dies etwa aus der EP 163 362 B1 bekannt ist. Hierbei wird die unterschiedliche Phasenverschiebung der einzelnen Beugungsordnungen bei der Beugung am Vereinigungsgitter 14.5 durch die Wahl der Gitterstruktur entsprechend eingestellt. Vorteilhaft ist z.B. eine Phasengitterstruktur mit einer Stegbreite, die 1/3 oder 2/3 der Periodizität TP_VG des Vereinigungsgitters 14.4 entspricht; der Phasenhub der Stege wird zu 120° oder 240° gewählt. Alternativ hierzu können aber auch sog. Übergitterstrukturen auf Seiten des Vereinigungsgitters 14.5 verwendet werden, wie sie z.B. aus der EP 446 691 B1 bekannt sind.
Um den erläuterten Abtaststrahlengang zu realisieren, sind neben den bereits oben diskutierten Dimensionierungsregeln weitere bestimmte Dimensionierungsregeln bzgl. der Teilungsperioden der verschiedenen Abtastgitter 14.1, 14.2, 14.3, 14.4 einzuhalten. Diese seien nachfolgend kurz skizziert.
Der Abstand b_a1 des ersten Auftrefforts der Teilstrahlenbündel an der Unterseite der Abtastplatte 13.1 nach dem ersten Auftreffen auf der Reflexions-Maßverkörperung 20 (siehe 1a) von der optischen Achse OA ergibt sich gemäß nachfolgender Beziehung: ba1 = a·Tan(ArcSin(λ/TPM) (Gl. 1.1) mit:

a:: = Abtastabstand zwischen Reflexions-Maßverkörperung und Abtasteinheit
λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle
TP_M:: = Teilungsperiode der Messteilung

Verfolgt man den Strahlengang vom Vereinigungsgitter 14.5 rückwärts, so erhält man den Abstand b_a2 des Auftrefforts, an dem das Teilstrahlenbündel auf der Unterseite der Abtastplatte 13 vor dem zweiten Auftreffen auf die Reflexions-Maßverkörperung 20 (1b) auftrifft: ba2 = a·((Tan(ArcSin(λ/TPVG) + Tan(ArcSin(λ/TPVG + λ/TPM))) (Gl. 1.2)mit:

TP_VG:: = Teilungsperiode des Vereinigungsgitters

Aus dem optischen Weg a_Roof, der zwischen den zuerst durchlaufenen Abtastgittern 14.1, 14.2 und den anschließend durchlaufenen Abtastgittern 14.3, 14.4 in der Abtastplatte 13 zurückgelegt wird, ergibt sich der Strahlwinkel α_Roof zwischen den beiden Abtastgittern 14.1, 14.2 einerseits und den Abtastgittern 14.3, 14.4 andererseits:
Daraus können nun die erforderlichen Teilungsperioden TP_AG1, TP_AG2 der Abtastgitter 14.1–14.4 bestimmt werden:

mit:

n_a:: = Brechungsindex der Abtastplatte

Maßgeblich für die Eigenschaften einer derartigen Positionsmesseinrichtung in der Praxis ist grundsätzlich die Lage des sog. neutralen Drehpunkts. Unter dem neutralen Drehpunkt sei hierbei derjenige Punkt verstanden, um den die Reflexions-Maßverkörperung verkippt werden kann, ohne dass sich der von der Positionsmesseinrichtung angezeigte Positionswert ändert.
Ein Abtaststrahlengang gemäß der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung hat nunmehr zur Folge, dass der neutrale Drehpunkt des Systems unterhalb der Reflexions-Maßverkörperungsebene zu liegen kommt. Wird dafür gesorgt, dass der neutrale Drehpunkt in der sog. neutralen Faser der Reflexions-Maßverkörperung zu liegen kommt, so lässt sich der negative Einfluss eventueller Verbiegungen der Reflexions-Maßverkörperung vorteilhaft minimieren.
Die beschriebene erste Ausführungsform kann auch dadurch geringfügig abgewandelt werden, indem statt der +1. (–1.) Beugungsordnung der Reflexions-Maßverkörperung jeweils die –1. (+1.) Beugungsordnung verwendet wird. In den oben aufgeführten Dimensionierungsformeln muss in diesem Fall TP_M durch –TP_M, TP_AG1 durch –TP_AG1 und TP_AG2 durch –TP_AG2 ersetzt werden. Der neutrale Drehpunkt liegt in diesem Fall dann oberhalb der Reflexions-Maßverkörperung.
Abwandlung der ersten Ausführungsform
Eine weitere Abwandlung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist in den 2a–2e dargestellt.
Der maßgebliche Unterschied zur vorher erläuterten Variante in den 1a–1d besteht hierbei in einer anderen Ausgestaltung des Retroreflektorelements. Das Retroreflektorelement ist nunmehr als Dachkantprisma 618 mit einem Prismenwinkel von 90° ausgebildet, dessen Dachkante 618.1 parallel zur Messrichtung x orientiert ist. Auf der Unterseite des Dachkantprismas 618 sind die Abtastgitter 614.1–614.4 als auch das Vereinigungsgitter 614.5 angeordnet, wie aus der Draufsicht auf die Unterseite des Dachkantprismas 618 in 1e ersichtlich. In Bezug auf derartige Retroreflektorelemente sei auch auf die eingangs erwähnte WO 2002/023131 A1 verwiesen.
Ansonsten entspricht der grundsätzlich Abtaststrahlengang demjenigen des Beispiels aus den 1a–1d.
Die 2a und 2b zeigen in verschiedenen Ansichten den Abtaststrahlengang von der Lichtquelle 611 über die Kollimatoroptik 612, das erste Auftreffen des kollimierten Strahlenbündels auf der Messteilung 622 der Reflexions-Maßverkörperung, der Rückreflexion der gebeugten Teilstrahlenbündel in Richtung der Abtasteinheit 610, das Durchtreten der Abtastgitter 614.1, 614.2 bis etwa zur Mitte des Dachkantprismas 618. In den 2c und 2d ist in verschiedenen Ansichten der weitere Abtaststrahlengang in Form der Rückumlenkung der Teilstrahlenbündel in Richtung Reflexions-Maßverkörperung 620, das Durchtreten der Abtastgitter 614.3, 614.4, das zweite Auftreffen auf der Reflexions-Maßverkörperung 620, die zweite Rückreflexion in Richtung Abtasteinheit 610, das Durchtreten des Vereinigungsgitters 614.5 und das Propagieren der drei Paare interferierender Teilstrahlenbündel zu den drei Detektorelementen 616.1, 616.2, 616.3 gezeigt.
Wie oben erwähnt, wird in dieser Abwandlung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung zur Retroreflexion anstelle der Abtastplatten-Baueinheit mit diffraktiven Zylinderlinsen bzw. diffraktiven Ablenk-/Linsenselementen und planen Reflektorelementen aus den 1a–1d nunmehr ein Dachkantprisma 618 in Form eines 90°-Umlenkprismas verwendet; dessen Dachkante 618.1 ist parallel zur Mess richtung x orientiert. Im zentralen Bereich weist das Dachkantprisma 618 zwei Bohrungen 618.2, 618.3 bzw. optisch-unwirksame Durchlassöffnungen auf, durch die das Beleuchtungs-Strahlenbündel zur Reflexions-Maßverkörperung 620 bzw. die rückreflektierten Teilstrahlenbündel zu den Detektorelementen 616.1, 616.2, 616.3 propagieren können. Die Abtastgitter 614.1–614.4 sind als periodische Gitter mit geraden Gitterstegen ausgebildet, die nur in Messrichtung x eine Ablenkwirkung auf die verschiedenen Teilstrahlenbündel ausüben.
Diese Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung erfordert keine derart fein strukturierten Abtastgitter wie das obige Beispiel und ist dann vorteilhaft, wenn die Herstellung derart feiner Gitterstrukturen technologiebedingt zu aufwändig ist oder etwa die Polarisationseigenschaften zu feiner Gitter sich nachteilig auswirken.
Grundsätzlich lassen sich auch nachfolgend noch zu erläuternden Ausführungsformen jeweils mit den beiden vorab beschriebenen Varianten des Retroreflektorelements ausführen. Das heißt, dass in einem Fall das Retroreflektorelement aus diffraktiven Zylinderlinsen, die der in Messrichtung ablenkenden Wirkung der Abtastgitter überlagert wird (diffraktiven Ablenk/Linsenelementen), und den Reflektorelementen auf der Oberseite der Abtastplatte gebildet wird. Im anderen Fall ist das Retroreflektorelement in Form eines 90°-Dachkantprismas mit einer Dachkante parallel zur Messrichtung x ausgebildet.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung sei nachfolgend anhand der 3a–3d erläutert. Prinzipiell zeigen diese Figuren wieder die gleichen Ansichten der Positionsmesseinrichtung wie im obigen Beispiel der 1a–1d.
Auch in diesem Beispiel ist über den realisierten Abtaststrahlengang bzw. die Anordnung der verschiedenen optischen Elemente insbesondere in der Abtasteinheit 110 wiederum sichergestellt, dass auf dem Vereinigungsgitter 114.5 vor den Detektorelementen ein Paar von Teilstrahlenbündeln nichtparallel auftrifft und nach dem Vereinigungsgitter 114.5 mehrere Paare kollinearer und interferierender Teilstrahlenbündel in Richtung der Detektorelemente 116.1–116.3 propagieren.
Nachfolgend seien nur die wesentlichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel aus 1a–1d erläutert. So ist ergänzend zum ersten Beispiel vorgesehen, ein Aufspaltgitter 114.6 in Form eines Transmissionsgitters im kollimierten Strahlengang des Strahlenbündels nach der Kollimatoroptik 112 anzuordnen. Das Aufspaltgitter 114.6 besitzt hierbei eine Teilungsperiode TP_AG0, die der Teilungsperiode TP_VG des im Abtaststrahlengang nachfolgend angeordneten Vereinigungsgitters 114.5 entspricht, d.h. TP_AG0 = TP_VG. Über das Aufspaltgitter 114.6 erfolgt eine Aufspaltung des Strahlenbündels in zwei gebeugte Teilstrahlenbündel, die dann in Richtung der Reflexions-Maßverkörperung 120 propagieren. Auf der Reflexions-Maßverkörperung 120 treffen die beiden Teilstrahlenbündel in dieser Variante an unterschiedlichen Orten auf die Messteilung 122 auf, wo dann wiederum jeweils eine Aufspaltung in weitere Teilstrahlenbündel erfolgt, die in Richtung der Abtasteinheit 110 zurückreflektiert werden. Die zurückreflektierten Teilstrahlenbündel, die an der Reflexions-Maßverkörperung 120 in +1. und –1. Beugungsordnungen abgelenkt werden, treffen auf die Abtastgitter 114.1, 114.2. Diese lenken die Teilstrahlenbündel in Messrichtung x jeweils so ab, dass sie in dieser x-Richtung parallel zur optischen Achse OA verlaufen. In y-Richtung wirken die Abtastgitter 114.1, 114.2 gemäß der obigen Ausführungsform in 1a–1d wie diffraktive Zylinderlinsen, die die Teilstrahlenbündel wiederum auf die Reflektorelemente 115.1, 115.2 fokussieren. Nachfolgend kollimieren die Abtastgitter 114.3, 114.4 die Teilstrahlenbündel in y-Richtung und lenken sie in Messrichtung x geneigt auf die Reflexions-Maßverkörperung 120. Die Abtastgitter fungieren demzufolge als diffraktive Ablenk-/Linsenelemente. Der nachfolgende Strahlengangverlauf entspricht demjenigen des Ausführungsbeispiels aus 1a–1d.
Über das Einbringen des Aufspaltgitters 114.6 in den Abtaststrahlengang wird in diesem zweiten Ausführungsbeispiel gewährleistet, dass die auf das Vereinigungsgitter 114.5 einfallenden Teilstrahlenbündel am gleichen Punkt auf dieses -gitter 114.5 auftreffen. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel gilt dies für alle Abtastabstände zwischen Reflexions-Maßverkörperung 120 und Abtasteinheit 110. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung liefert daher stabilere Ausgangssignale, die auch unabhängig von Schwankungen der genutzten Lichtwellenlänge sind.
Die Retroreflektorfunktionalität wird in der Abtasteinheit 110 wie im Beispiel der 1a–1d über die Baueinheit mit der Abtastplatte 113 realisiert. Auf dessen Unterseite, die der Reflexions-Maßverkörperung zugewandt ist, sind wie in 3d ersichtlich die Abtastgitter 114.1–114.4, das Vereinigungsgitter 114.5 sowie das Aufspaltgitter 114.6 angeordnet. Auf der Oberseite der Abtastplatte 113 sind gemäß der Draufsicht in 3c die beiden planen Reflektorelemente 115.1, 115.2 angeordnet.
Die Teilungsperioden TP_AG1 der Abtastgitter 114.1, 114.2 sowie die Teilungsperioden TP_AG2 der Abtastgitter 114.3, 114.4 werden in diesem Beispiel vorzugsweise nach folgender Gleichung (2.1) bestimmt:
mit:

TP_M:: = Teilungsperiode der Messteilung
TP_VG:: = Teilungsperiode des Vereinigungsgitters.

Ähnlich wie im ersten Beispiel ergibt sich auch in dieser Ausführungsform die Lage des neutralen Drehpunkts unterhalb der Reflexions-Maßverkörperungsebene. Wiederum kann eine Modifikation dieser Ausführungsform durch Ersetzen von TP_M durch – TP_M, TP_AG1 durch –TP_AG1 sowie von TP_AG2 durch -TP_AG2 beschrieben werden, wobei der neutrale Drehpunkt dann oberhalb der Reflexions-Maßverkörperung 120 zu liegen kommt.
Erste Abwandlung der zweiten Ausführungsform
Eine erste Abwandlung der zweiten Ausführungsform sei nachfolgend anhand der 4a–4d erläutert. Diese Figuren zeigen wieder die gleichen Ansichten der Positionsmesseinrichtung wie im obigen zweiten Ausführungsbeispiel.
Bezüglich des prinzipiellen Abtaststrahlengangs entspricht diese Variante dem vorherigen Beispiel mit dem Aufspaltgitter 214.5 nach der Kollimatoroptik 212. Dessen Teilungsperiode TP_AG0 wird in diesem Beispiel gemäß folgender Beziehung (3.1) gewählt: TPAG0 = TPVG = TPM (Gl. 3.1)mit:

TP_VG:: = Teilungsperiode des Vereinigungsgitters
TP_M:: = Teilungsperiode der Reflexions-Maßverkörperung

Die vorliegende Variante stellt einen Spezialfall der zweiten Ausführungsform der, mit 1/TP_AG1 = 1/TP_AG2 = 0. Das heißt, die entsprechende Struktur auf der Abtastplatte 213 lenkt nicht mehr in Messrichtung x ab und ist damit als reine Fresnel-Zylinderlinse in y-Richtung ausgebildet.
Die Abtastgitter 214.1–214.4 auf der Unterseite der Abtastplatte 213 sind somit in dieser Variante im Unterschied zum vorherigen Beispiel als Fresnel-Zylinderlinsen in y-Richtung ausgebildet, d.h. nicht als Gitter-Zylinderlinsen-Strukturen wie in den 3a–3d; hierzu sei insbesondere auf die 4d verwiesen, die die Unterseite der Abtastplatte 313 mit den dort angeordneten Elementen zeigt.
Alternativ hierzu ist auch eine Ausbildung der Abtastgitter 214.1–214.4 als geblazte Fresnel-Zylinderlinsen oder als off-axis-Fresnellinsen möglich.
Aufgrund dieser Ausbildung der Abtastgitter 214.1–214.4 in der Abtasteinheit 210 resultiert im dargestellten Beispiel ein geringfügig anderer Abtaststrahlengang als im vorherigen Beispiel der 3a–3d. So werden die erstmalig auf die Reflexions-Maßverkörperung 220 auftreffenden Teilstrahlenbündel bzw. die zur Signalerzeugung genutzten Beugungsordnungen wie in 4a ersichtlich nunmehr senkrecht zurück zur Abtasteinheit 210 zurückreflektiert.
Als Konsequenz aus diesem anderen Abtaststrahlengang ergibt sich bei diesem Beispiel eine andere Lage des neutralen Drehpunktes. So liegt dieser im Unterschied zur vorher beschriebenen Variante etwa in der Höhe des doppelten Abtastabstands über der Reflexions-Maßverkörperungsebene. Für bestimmte Applikationen der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung resultieren damit flexible Möglichkeiten, durch die gezielte Auslegung des Abtaststrahlengangs die Lage des neutralen Drehpunkts an die gewünschte Stelle zu legen.
Darüberhinaus entspricht der Abtaststrahlengang dieses Beispiels grundsätzlich demjenigen aus den 3a–3d.
Ersetzt man in einer weiteren Modifikation dieser Variante die Kombination aus Fresnel-Zylinderlinsen 214.1–214.4 und Reflektorelemente 215.1, 215.2 durch ein Dachkantprisma analog zum Beispiel in den 2a–2d, so können die Abtastgitter 214.1–214.4 vollständig entfallen, da weder eine ablenkende Wirkung in Messrichtung x noch eine Linsenswirkung in y-Richtung benötigt wird. Die geringe Anzahl durchlaufener Gitter hat eine besonders hohe Signalstärke einer entsprechenden Positionsmesseinrichtung zur Folge.
Zweite Abwandlung der zweiten Ausführungsform
Eine zweite Abwandlung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist in den 5a–5e dargestellt. Diese Figuren zeigen wieder die gleichen Ansichten der Positionsmesseinrichtung wie im obigen Beispiel der 2a–2e.
Die Variante aus den 5a–5e unterscheidet sich zum einen von den beiden vorherigen Beispielen in der Wahl der Teilungsperioden des Aufspaltgitters und der Teilungsperiode TP_M der Reflexions-Maßverkörperung 320. Insbesondere die Teilungsperiode TP_M der Reflexions-Maßverkörperung 320 ist dergestalt gewählt, dass die erstmalig auf die Reflexions-Maßverkörperung 320 auftreffenden Teilstrahlenbündel so zur Abtasteinheit 310 zurück umgelenkt werden, dass sich die von verschiedenen Orten in Beugung zurückreflektierten Teilstrahlenbündel kreuzen, bevor dieser auf die ersten Abtastgitter 314.1, 314.2 im Abtaststrahlengang auftreffen.
Zum anderen ist in dieser Variante vorgesehen, zur Umsetzung der Retroreflektorfunktionalität in der Abtasteinheit 310 wiederum ein Dachkantprisma 318 anzuordnen und nicht die Ausgestaltung wie vorher beschrieben zu nutzen. Wie bereits im Beispiel der 2a–2e ist die Dachkante 318.1 des Dachkantprismas 318 parallel zur Messrichtung x angeordnet. Das Dachkantprisma 318 weist ebenfalls zwei Bohrungen 318.2, 318.3 bzw. optischunwirksame Durchlassöffnungen auf, durch die das Beleuchtungs-Strahlenbündel zur Reflexions-Maßverkörperung 320 bzw. zu den Detektorelementen 316.1, 316.2, 316.3 propagieren kann. Auf der Unterseite des Dachkantprismas 318 sind gemäß der Darstellung in 5e die verschiedenen Abtastgitter 314.1–314.4 sowie das Aufspaltgitter 314.6 und das Vereinigungsgitter 314.5 angeordnet.
Ansonsten verläuft der prinzipielle Abtaststrahlengang dieser Variante analog zu den Abtaststrahlengängen des zweiten Ausführungsbeispiels.
Diese zweite Abwandlung der zweiten Ausführungsform ist insbesondere für sehr kleine Teilungsperioden TP_M auf Seiten der Reflexions-Maßverkörperung vorteilhaft. Durch die in Messrichtung x schräge Beleuchtung der Messteilung können auch Reflexions-Maßverkörperungen abgetastet werden, deren Teilungsperioden TP_M kleiner als die Wellenlänge λ der verwendeten Lichtquelle ist. Die theoretisch minimal abtastbare Teilungsperiode TP_M entsprich hierbei λ/2.
Abschließend seien auch in Bezug auf diese Variante noch einige Dimensionierungsregeln kurz erläutert.
Werden in der oben aufgeführten Gleichung (2.1) TP_M durch – TP_M, TP_AG1 durch –TP_AG1 sowie TP_AG2 durch –TP_AG2 ersetzt, so gilt hier für die verschiedenen Teilungen:
mit:

Damit eine Strahltrennung derjenigen Strahlenbündel möglich ist, die einerseits das Aufspaltgitter 314.6 durchtreten und andererseits von der Reflexions-Maßverkörperung 320 in Richtung Abtastplatte zurücklaufen, muss die nachfolgende Bedingung (4.2) eingehalten werden: TPAG1 > 2·TPM (Gl. 4.2)
Geeignet gewählte Werte sind beispielsweise T_PM = 0.5 μm, TP_AG1 = TP_AG2 = 1.3 μm bei einer Wellenlänge λ = 670 nm.
Dritte Ausführungsform
Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist in den 6a–6d gezeigt. Die Darstellung entspricht wiederum denjenigen der vorher erläuterten Varianten der 1a–1d, 3a–3d und 4a–4d. Nachfolgend sei i.w. nur auf die maßgeblichen Unterschiede zu diesen Beispielen eingegangen.
So ist nunmehr vorgesehen, dass das nach der Kollimatoroptik 412 parallele Strahlenbündel auf ein Aufspaltgitter 414.6 auf der Oberseite der Abtastplatte 413 auftrifft und dort in zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten wird. Die beiden Teilstrahlenbündel gelangen anschließend auf ein Aufspalt-Hilfsgitter 414.7 auf der Unterseite der Abtastplatte 413. Über das Aufspalt-Hilfsgitter 414.7 wird sichergestellt, dass die beiden aufgespaltenen Teilstrahlenbündel am gleichen Auftreffort auf die Reflexions-Maßverkörperung 420 auftreffen. Wie aus der Ansicht in 6d ersichtlich ist, kann das Aufspalt-Hilfsgitter 414.7 auch aus zwei separaten Gitterstrukturen bestehen.
Nach der erstmaligen Rückreflexion von der Reflexions-Maßverkörperung 420 gelangen die Teilstrahlenbündel wie in den vorherigen Beispielen zunächst auf die Abtastgitter 414.1, 414.2, werden dann von den Reflektorelementen 415.1, 415.2 wieder in Richtung der Reflexions-Maßverkörperung umgelenkt und durchtreten die Abtastgitter 414.3, 414.4, bevor die Teilstrahlenbündel ein zweites Mal am gleichen Ort auf die Reflexions-Maßverkörperung 420 auftreffen. Von dort erfolgt wiederum die Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit 410. In der Abtasteinheit treffen nunmehr Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln auseinanderlaufend auf ein Vereinigungs-Hilfsgitter 414.5 auf der Unterseite der Abtastplatte; auch das Vereinigungs-Hilfsgitter 424.5 kann wie aus 6c ersichtlich, aus zwei separaten Gitterstrukturen bestehen. Das Vereinigungs-Hilfsgitter 414.5 stellt sicher, dass die Teilstrahlenbündel unter den symmetrischen Winkeln α1 = α2 wieder zusammenlaufend auf das Vereinigungsgitter 414.8 auftreffen, bevor drei Paare interferierender Teilstrahlenbündel in Richtung der Detektorelemente 416.1, 416.2, 416.3 propagieren.
In diesem Beispiel ist demzufolge sichergestellt, dass die zunächst über das Aufspaltgitter 414.6 aufgespaltenen Teilstrahlenbündel am gleichen Ort auf die Reflexions-Maßverkörperung 420 bzw. die Messteilung 422 auftreffen. Dies ist insbesondere bei lokalen Verschmutzungen von Bedeutung, die dann alle Signalanteile gleichmäßig beeinflussen.
Im Hinblick auf die Dimensionierung der verschiedenen Gitter ergeben sich in diesem Beispiel die nachfolgenden, einzuhaltenden Bedingungen: a1·Tan(ArcSin(λ/(nA·TPAG)) = a2·Tan(AriSin(λ/TPAHG) (Gl. 5.1)mit:

a1:: = Abstand zwischen den Gitterebenen der Abtastplatte
a2:: = Abtastabstand zwischen Reflexions-Maßverkörperung und Abtasteinheit
n_A:: = Brechungsindex der Abtastplatte
TP_AG:: = Teilungsperiode des Aufspaltgitters 414.6
TP_AHG:: = Teilungsperiode des Aufspalt-Hilfsgitters 414.7

Weiterhin muss im Fall dieses Ausführungsbeispiels gelten:
TPVG = TPAG (Gl. 5.3a) TPAHG = TPVHG (Gl. 5.3b)mit:

TP_AG:: = Teilungsperiode des Aufspaltgitters
TP_AHG:: = Teilungsperiode des Aufspalt-Hilfsgitters
TP_AG1:: = Teilungsperiode des Abtastgitters 414.2
TP_M:: = Teilungsperiode der Reflexions-Maßverkörperung
TP_VG:: = Teilungsperiode des Vereinigungsgitters
TP_VHG:: = Teilungsperiode des Vereinigungs-Hilfsgitters

Wenn in diesem Beispiel die oben erwähnten Dimensionierungsregeln eingehalten werden, liegt der neutrale Drehpunkt des Systems in der Ebene der Reflexions-Maßverkörperung 420.
Die Gesamt-Effizienz einer Positionsmesseinrichtung basierend auf diesem Beispiel kann durch den Einsatz geblazter Gitter für das Aufspalt-Hilfsgitter 414.7 und das Vereinigungs-Hilfsgitter 414.5 verbessert werden, die auf die Effizienz der genutzten ersten Beugungsordnung optimiert sind. Der gleiche Effekt kann auch durch in y-Richtung schräge Beleuchtung erreicht werden. Das Aufspalt-Hilfsgitter 414.7 und das Vereinigungs-Hilfsgitter 414.5 werden dann so ausgebildet, dass die Reflexions-Maßverkörperung 420 in y-Richtung senkrecht beleuchtet wird.
Vierte Ausführungsform
Nachfolgend sei anhand der 7a–7d ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung erläutert.
Von der Anzahl der genutzten Gitter im Abtaststrahlengang zwischen Lichtquelle 511 und Detektorelementen 516.1–516.3 entspricht dieses Variante derjenigen aus den 1a–1d, d.h. dem ersten erläuteten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied hierzu sind allerdings die Abtastgitter 514.1–514.4 dergestalt ausgebildet, dass darüber eine Punkt-Fokussierung der von der Reflexions-Maßverkörperung 520 kommenden Teilstrahlenbündel auf das einzige vorgesehene Reflektorelement 515 auf der Oberseite der Abtastplatte 513 erfolgt. Ansonsten entspricht der grundsätzliche Abtaststrahlengang demjenigen des ersten Beispiels.
In Bezug auf die Teilungsperioden der verschiedenen Gitter im Abtaststrahlengang ist bei diesem Beispiel folgende Bedingung zu beachten: TPVG = TPM (Gl. 6)mit:

Die Abtastgitter 514.1, 514.2 stellen wiederum ein Ablenkgitter kombiniert mit einer diffraktiven Linse dar. In dieser Ausführungsform ist diese diffraktive Linse als zylinder-symmetrische Linse zentriert auf der optischen Achse OA der Abtastoptik ausgebildet. Sie fokussiert die Teilstrahlenbündel auf das Reflektorelement 515 auf der Oberseite der Abtastplatte 513. Das überlagerte Ablenkgitter lenkt mit einer effektiven Teilungsperiode TP_AG1 = TP_M ab.
Die Abtastgitter 514.3, 514.4 sind ausschließlich als zylindersymmetrische diffraktive Linsen zentriert auf der optischen Achse OA der Abtastoptik ausgebildet. Sie üben keine zusätzlich überlagerte ablenkende Wirkung aus (1/ TP_AG2 = 0), sondern kollimieren die auf der Oberseite der Abtastplatte 513 fokussierten Teilstrahlenbündel.
Der neutrale Drehpunkt liegt bei Einhaltung dieser Bedingungen im vorliegenden Beispiel etwa in Höhe der Abtastgitter oberhalb der Reflexions-Maßverkörperung.
Fünfte Ausführungsform
Eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist in den 8a–8d gezeigt. Die Darstellung entspricht wiederum denjenigen der vorher erläuterten Varianten. Nachfolgend sei wiederum nur auf die maßgeblichen Unterschiede zu den vorhergehenden Beispielen eingegangen.
Die dargestellte fünfte Ausführungsform entspricht weitgehend der vorher erläuterten dritten Ausführungsform, die anhand der 5a–5d erläutert wurde. Im Unterschied zur dritten Ausführungsform wurde das als Retroreflektorelement vorgesehene Dachkantprisma durch kombinierte Ablenk/Linsenelemente 714.1–714.4 ersetzt, die zudem anstelle von Zylinderlinsenelementen normale Linsenselemente aufweisen. Die einfallenden Teil strahlenbündel werden dadurch sowohl in Strichrichtung y der Reflexions-Maßverkörperung 720 als auch in Messrichtung x auf die Reflektorelemente 715.1, 715.2 fokussiert bzw. nach der Reflexion wieder kollimiert. Dies bewirkt eine vollständige Richtungsumkehr der einfallenden Teilstrahlenbündel. Diese vollständige Richtungsumkehr hat zur Folge, dass nach der zweiten Reflexion an der Reflexions-Maßverkörperung 720 die Strahlrichtungen der beiden Teilstrahlenbündel nicht mehr von einer eventuellen Verkippung der Reflexions-Maßverkörperung 720 abhängen. Dies lässt sich vorteilhaft ausnutzen, wenn die nach dem Vereinigungsgitter austretenden Teilstrahlenbündel durch Linsen 717.1, 717.2, 717.3 auf kleine Detektorelemente 716.1, 716.2, 716.3 fokussiert werden. Der Auftreffort auf den Detektorelementen 716.1, 716.2, 716.3 bleibt auch bei einer eventuellen Verkippung der Reflexions-Maßverkörperung 720 stabil. Es lassen sich deshalb besonders kleine und damit schnell ansprechende Detektorelemente 716.1, 716.2, 716.3 verwenden, ferner können zur Detektion auch optische Fasern verwendet werden.
Neben den erläuterten Beispielen resultieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich weitere Ausführungsmöglichkeiten.
So ist es etwa möglich verschiedene Lichtquellen wie LEDs oder Laser mit transversaler Monomode- oder Multimodestruktur einzusetzen. Transversal multimodige, vertikal-emittierende Laserdioden (VCSEL) oder LEDs sind besonders vorteilhaft, da damit eine störende Speckle-Bildung vermieden werden kann. Da bei allen Ausführungsformen vorteilhafterweise die Auftrefforte der beiden einfallenden Teilstrahlenbündel am Vereinigungsgitter zusammentreffen, ergibt sich auch bei einer transversal multimodigen Lichtquelle eine hohe Signalmodulation.
Statt des Vereinigungsgitters und der Photoelemente für die einzelnen, austretenden, resultierenden Beugungsordnungen können auch sog. strukturierte Detektoranordnungen eingesetzt werden. Strukturierte Detektoranordnungen sind z.B. aus der DE 100 22 6619 A1 bekannt und bestehen aus parallel angeordneten, streifenförmigen Photodetektoren, wobei jeweils jeder N-te Photodetektor elektrisch verbunden ist. Eine solche strukturierte Detektoranordnung liefert N Signale, die um 360°/N zueinander phasenverschoben sind, N ist vorzugsweise 3 oder 4.
Die in allen Ausführungsbeispielen unter einem Winkel zusammenlaufenden Teilstrahlenbündel interferieren am Ort des Vereinigungsgitters und bilden ein Streifensystem aus, dessen Streifenperiode der halben Teilungsperiode des Vereinigungsgitters entspricht. Durch eine geeignete Wahl der Teilungsperioden TP_M, TP_AG1, TP_AG2 kann die Streifenmusterperiode so groß eingestellt werden, dass sie von einer strukturierten Detektoranordnung erfasst werden kann. Die Streifenmusterperiode sollte dazu vorteilhafterweise Werte von 40 μm oder mehr aufweisen. Die strukturierte Detektoranordnung wird vorzugsweise im Kreuzungspunkt der beiden zusammenlaufenden Teilstrahlenbündel platziert. Die gitterförmige Photoelementstruktur stellt in diesem Fall das Vereinigungsgitter dar. Durch die entsprechende Wahl der Teilungsperioden TP_M, TP_AG1, TP_AG2 kann der Kreuzungspunkt vorteilhafterweise in eine Ebene oberhalb der Abtastplatte gelegt werden.
In einer weiteren Detektionsvariante kann das Vereinigungsgitter auch als ortsabhängiges Ablenkgitter ausgeführt werden. Ein solches ortsabhängiges Ablenkgitter ist beispielsweise aus der US 5497226 bekannt. Das Streifenmustersystem, das sich durch Interferenz der beiden Teilstrahlenbündel am Ort des Vereinigungs- bzw. ortsabhängigen Ablenkgitters ausbildet, wechselwirkt mit dem ortsabhängigen Ablenkgitter, das dieselbe Teilungsperiode wie das Streifenmustersystem besitzt. Das ortsabhängige Ablenkgitter besitzt mehrere streifenförmige Teilbereiche in jeder Teilungsperiode. Jeder solcher Teilbereich wiederum trägt ein Subgitter mit kleiner Teilungsperiode. Die einzelnen Teilbereiche unterscheiden sich in der Teilungsperiode und/oder in der Orientierung der Subgitter zur Messrichtung x. Sie lenken beide auftreffenden Teilstrahlenbündel auf einen jeweils dem Teilbereich zugeordneten Detektorelement. Je nach der Lage der Maxima des Streifenmustersystems relativ zu den einzelnen Teilbereichen des ortsabhängigen Ablenkgitters werden die einzelnen Teilbereiche unterschiedlich stark be leuchtet, so dass die zugehörigen Detektoren ein moduliertes Signal abgeben.
Diese Ausführungsvariante ist vorteilhaft bei großen Teilungsperioden TP_VG des Vereinigungsgitters einsetzbar, da dann die Winkelaufspaltung der auslaufenden Teilstrahlenbündel klein ist und diese damit nicht getrennt auf Photoelemente gelenkt werden können.
Bei kleinen Teilungsperioden der Reflexions-Maßverkörperung kann dessen Beugungseffizienz und Phasenverschiebungswirkung von der Polarisation des einfallenden Strahlenbündels abhängen. Um eine Beeinträchtigung der Signale durch solche Polarisationsabhängigkeiten zu vermeiden, ist es vorteilhaft, ausschließlich linear polarisierte Strahlenbündel mit einer gemeinsamen Polarisationsrichtung zu verwenden, die entweder parallel zur Strichrichtung oder parallel zur Messrichtung verlaufen. Dazu kann entweder die Laserdiode entsprechend orientiert angeordnet werden oder aber ein entsprechend ausgerichteter Polarisator im Beleuchtungsstrahlengang eingesetzt werden.
Bei Verwendung von kombinierten diffraktiven Linsen und Ablenkelementen können aufgrund der gekrümmten Gitterstege über den Strahlquerschnitt veränderliche Polarisationszustände auftreten. Um eventuelle polarisationsabhängige Signalverzerrungen zu vermeiden, kann es deshalb weiterhin vorteilhaft sein, in die Strahlengänge beider Teilstrahlenbündel jeweils nach dem letzten durchlaufenden diffraktiven Linsenelement ebenfalls einen Polarisator einzufügen. Die Ausrichtung der Polarisatoren ist in diesem Fall vorzugsweise wiederum parallel zur Messrichtung oder parallel zur Strichrichtung des Maßstabs zu wählen.
Abschließend sei in Bezug auf alternative Ausführungsformen noch darauf hingewiesen, dass das Retroreflektorelement der oben erläuterten fünften Ausführungsform (8a–8d) mit einer Fokussierung sowohl in Messrichtung x als auch in Strichrichtung y der Maßverkörperung selbstverständlich auch mit den anderen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist usw..

Claims

Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Relativposition einer Abtasteinheit sowie einer hierzu in mindestens einer Messrichtung (x) beweglichen Reflexions-Maßverkörperung, wobei die Abtasteinheit mehrere optische Elemente umfasst, nämlich mindestens ein Retroreflektorelement, mindestens ein Vereinigungsgitter, mindestens ein Abtastgitter sowie mehrere Detektorelemente und wobei die optischen Elemente in der Abtasteinheit dergestalt angeordnet sind, – dass Strahlenbündel und/oder Teilstrahlenbündel des Abtaststrahlengangs mindestens zwei Mal die Reflexions-Maßverkörperung beaufschlagen und hierbei jeweils durch die einfallenden Strahlenbündel und/oder Teilstrahlenbündel einerseits und die reflektierten Teilstrahlenbündel andererseits eine Ebene aufgespannt wird, die senkrecht zur Ebene der Reflexions-Maßverkörperung orientiert ist, – dass über das Retroreflektorelement eine Richtungsumkehr der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel auf die Reflexions-Maßverkörperung senkrecht zur Messrichtung (x) erfolgt und – dass auf das Vereinigungsgitter ein Paar von Teilstrahlenbündeln nichtparallel auftrifft und das Vereinigungsgitter die darauf eintreffenden Teilstrahlenbündel zur Interferenz bringt, so dass die Detektorelemente phasenverschobene Signale erfassen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Paar von Teilstrahlenbündeln symmetrisch, unter gleichen Winkeln (α1, α2) zur optischen Achse (OA) auf das Vereinigungsgitter auftrifft.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vereinigungsgitter als Transmissionsgitter ausgebildet ist und eine Teilungsperiode (TP_VG) dergestalt aufweist, die gewährleistet, dass eine Ablenkung der auftreffenden Teilstrahlenbündel in mehrere kollinear austretende Beugungsordnungen erfolgt, die nachfolgend angeordnete Detektorelemente beaufschlagen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, wobei das Vereinigungsgitter dergestalt ausgebildet ist, dass darüber eine Ablenkung der einfallenden Teilstrahlenbündel derart erfolgt, dass eine der kollinear austretenden Beugungsordnungen senkrecht zur Teilungsebene propagiert.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4, wobei das Vereinigungsgitter als Phasengitter ausgebildet ist und die Steghöhe und Stegbreite desselben derart dimensioniert sind, dass auf den nachgeordneten Detektorelementen drei um 120° phasenversetzte Signale detektierbar sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vereinigungsgitter und die Detektorelemente als strukturierte Detektoranordnung ausgebildet sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vereinigungsgitter als ortsabhängiges Ablenkgitter ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtasteinheit mehrere Abtastgitter sowie mindestens ein Vereinigungsgitter umfasst und diese spiegelsymmetrisch angeordnet sind, wobei die Symmetrieebene senkrecht zur Messrichtung (x) und parallel zur optischen Achse (OA) orientiert ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Abtasteinheit ein als Dachkantprisma ausgebildetes Retroreflektorelement angeordnet ist, dessen Dachkante parallel zur Messrichtung (x) orientiert ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Retroreflektorelement in der Abtasteinheit mehrere kombinierte Ablenk-/Linsenselemente sowie mindestens ein planes Reflektorelement umfasst und die Brennebene der Linsenelemente in der Ebene des mindestens einen planen Reflektorelements liegt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Linsenelemente als diffraktive Linsenselemente ausgebildet sind, die Ablenkelemente als Abtastgitter ausgebildet sind und zusammen als kombinierte, diffraktive Gitter-Linsen-Elemente ausgebildet sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Linsenelemente als diffraktive Linsenelemente in Form von Zylinderlinsen ausgebildet sind, die in Strichrichtung (y) der Reflexions-Maßverkörperung eine fokussierende Wirkung besitzen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Linsenelemente als diffraktive Linsenelemente in Form von zylindersymmetrischen Linsenelementen ausgebildet sind, die sowohl in Strichrichtung (y) der Reflexions-Maßverkörperung als auch in Messrichtung (x) eine fokussierende Wirkung besitzen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 10, wobei das Retroreflektorelement ein planparalleles Trägersubstrat umfasst, auf deren, der Reflexions-Maßverkörperung zugewandten Seite mehrere Gitter angeordnet sind und auf deren, zur Reflexions-Maßverkörperung abgewandten Seite das mindestens eine, plane Reflektorelement angeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auftrefforte der beiden Teilstrahlenbündel am Vereinigungsgitter zusammentreffen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Retroreflektorelement als monolytische Baueinheit auf einem Trägerelement ausgebildet ist
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtasteinheit mehrere Abtastgitter sowie mindestens ein Vereinigungsgitter umfasst und diese spiegelsymmetrisch angeordnet sind, wobei die Symmetrieebene parallel zur Messrichtung (x) und parallel zur optischen Achse (OA) orientiert ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–16, wobei die Abtasteinheit (10) dergestalt ausgebildet ist, dass die von einer Lichtquelle (11) emittierten Strahlenbündel nach einer Kollimation über eine Kollimatoroptik (12) – ein erstes Mal auf die Reflexions-Maßverkörperung (20) auftreffen, wo eine Aufspaltung in zwei zur Abtasteinheit (10) rückreflektierte Teilstrahlenbündel erfolgt, die zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen, – die beiden rückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit (10) über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung (20) erfahren, wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal Abtastgitter (14.1, 14.2, 14.3, 14.4) durchlaufen, – die auf die Reflexions-Maßverkörperung (20) ein zweites Mal auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit (10) erfahren, – in der Abtasteinheit (10) mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln (α1, α2) zur optischen Achse (OA) am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter (14.5) auftrifft.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–17, wobei die Abtasteinheit (110; 210; 310; 710) dergestalt ausgebildet ist, dass die von einer Lichtquelle (111; 211; 311; 711) emittierten Strahlenbündel nach einer Kollimation über eine Kollimatoroptik (112; 212; 312; 712) – über ein Aufspaltgitter (114.6; 214.6; 314.6; 714.6) in der Abtasteinheit (110; 210; 310; 710) eine Aufspaltung in mindestens zwei Teilstrahlenbündel erfolgt, die zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen und diese Teilstrahlenbündel in Richtung Reflexions-Maßverkörperung (120; 220; 320; 720) propagieren, – die Teilstrahlenbündel dann ein erstes Mal an unterschiedlichen Orten auf die Reflexions-Maßverkörperung (120; 220; 320; 720) auftreffen, wo jeweils eine Aufspaltung in mehrere zur Abtasteinheit (110; 210; 310; 710) rückreflektierte Teilstrahlenbündel erfolgt, die unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen, – die mindestens zwei zurückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit (110; 210; 310; 710) über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung (120; 220; 320; 720) erfahren und wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal ein Abtastgitter (114.1–114.4; 214.1–214.4; 314.1–314.4; 714.1–714.4) durchlaufen, – die auf die Reflexions-Maßverkörperung (120; 220; 320; 720) ein zweites Mal an unterschiedlichen Orten auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit (110; 210; 310; 710) erfahren, – in der Abtasteinheit (110; 210; 310; 710) mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln (α1, α2) zur optischen Achse (OA) am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter (114.5; 214.5; 314.5; 714.5) auftrifft.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 19, wobei – die Abtastgitter (214.1–214.4) in der Abtasteinheit (210) als Fresnel-Zylinderlinsen ausgebildet sind, deren Brennlinien sich in der Ebene der Reflektorelemente (215.1, 215.2) befinden und – die Teilungsperiode (TP_AG0) des Aufspaltgitters (214.6) identisch zur Teilungsperiode (TP_AG1) des Vereinigungsgitters (214.4) und zur Teilungsperiode (TP_M) der Reflexions-Maßverkörperung (220) gewählt ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 19, wobei die Teilungsperiode (TP_M) der Reflexions-Maßverkörperung (320; 720) dergestalt gewählt ist, dass sich die in Richtung Abtasteinheit (310; 710) zurückreflektierten Teilstrahlenbündel vor dem ersten Auftreffen auf ein Abtastgitter (314.1–314,4; 714.1–714.4) überkreuzen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 21, wobei die Teilungsperiode (TP_M) der Reflexions-Maßverkörperung (320; 720) kleiner als die Wellenlänge (λ) der verwendeten Lichtquelle ()311; 711) gewählt ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 20, wobei das mindestens eine Retroreflektorelement als kombiniertes Ablenk-/Linsenelement (714.1, 714.2, 714.3, 714.4) ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–17, wobei die Abtasteinheit (410) dergestalt ausgebildet ist, dass die von einer Lichtquelle (411) emittierten Strahlenbündel nach einer Kollimation über eine Kollimatoroptik (412) – über ein Aufspaltgitter (414.6) eine Aufspaltung in zwei Teilstrahlenbündel erfolgt, – die beiden Teilstrahlenbündel dann auf ein Hufspalt-Hilfsgitter (414.7) gelangen, mit dem eine Umlenkung zumindest eines Teils der Teilstrahlenbündel dergestalt erfolgt, dass die in Richtung der Reflexions-Maßverkörperung (420) propagierenden Teilstrahlenbündel am gleichen Auftreffort auf die Reflexions-Maßverkörperung (420) auftreffen und – die auf die Reflexions-Maßverkörperung (420) auftreffenden Teilstrahlenbündel jeweils in mehrere zur Abtasteinheit (410) rückreflektierte Teilstrahlenbündel aufgespalten werden, die unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen, – die mindestens zwei zurückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit (410) über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung (420) erfahren, wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal ein Abtastgitter (414.1, 414.2, 414.3, 414.4) durchlaufen, – die auf die Reflexions-Maßverkörperung (420) ein zweites Mal am gleichen Ort auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit (410) erfahren, – in der Abtasteinheit (410) mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel an unterschiedlichen Orten auf ein Vereinigungs-Hilfsgitter (414.4) auftrifft, wo eine erneute Beugung und Aufspaltung erfolgt, so dass mindestens zwei weiter propagierende Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln zur optischen Achse am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter (414.8) auftreffen.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–16, wobei die Abtasteinheit (510) dergestalt ausgebildet ist, dass die von einer Lichtquelle (511) emittierten Strahlenbündel nach einer Kollimation über eine Kollimatoroptik (512) – ein erstes Mal auf die Reflexions-Maßverkörperung (520) auftreffen, die als Huflicht-Beugungsgitter ausgebildet ist, wo eine Aufspaltung in zwei zur Abtasteinheit (510) rückreflektierte Teilstrahlenbündel erfolgt, die zwei unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen, – die beiden rückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Abtasteinheit (510) über das Retroreflektorelement eine Rückreflexion in Richtung Reflexions-Maßverkörperung (520) erfahren, wobei die Teilstrahlenbündel je zweimal ein Abtastgitter (514.1, 514.2, 514.3, 514.4) durchlaufen und beim ersten Durchlauf durch die Abtastgitter (514.1, 514.2, 514.3, 514.4) eine Punktfokussierung der Teilstrahlenbündel auf den gleichen Auftreffort an einem planen Reflektorelement (515) resultiert, – die auf die Reflexions-Maßverkörperung (520) ein zweites Mal auftreffenden Teilstrahlenbündel eine erneute Beugung und Rückreflexion in Richtung der Abtasteinheit (510) erfahren, – in der Abtasteinheit (510) mindestens ein Paar rückreflektierter Teilstrahlenbündel unter symmetrischen Winkeln zur optischen Achse (OA) am gleichen Ort auf das Vereinigungsgitter (514.5) auftrifft.