DE102007024349A1

DE102007024349A1 - Optische Positionsmesseinrichtung

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Publication number: DE102007024349A1
Application number: DE102007024349A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Holzapfel; Walter Dipl.-Ing. Huber (Fh); Erwin Dipl.-Phys. Spanner
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-11-27
Also published as: US20080297809A1; JP5164667B2; US7701593B2; JP2008292487A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Relativposition eines Faseroptik-Abtastkopfes und einer hierzu in mindestens einer Messrichtung beweglichen Maßverkörperung. Der Faseroptik-Abtastkopf tastet ein periodisches Streifenmuster mit einer bestimmten Streifenmusterperiode ab, das aus der Beleuchtung der Maßverkörperung resultiert. Zur Abtastung ist eine Abtastplatte vor dem maßverkörperungsseitigen Ende einer Lichtleitfaser im Faseroptik-Abtastkopf angeordnet, die auf die Streifenmusterperiode abgestimmt ist. Mit ein oder mehreren Beleuchtungsstrahlenbündeln sind in Teilsignalstrahlenbündeln über eine wellenlängenabhängige örtliche Trennung zueinander phasenverschobene Streifenmuster innerhalb einer Streifenmusterperiode erzeugbar. Die Teilsignalstrahlenbündel sind zur Umsetzung in positionsabhängige phasenverschobene Abtastsignale nutzbar (Figur 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung.
Bekannte optische Positionsmesseinrichtungen umfassen üblicherweise eine Maßverkörperung sowie eine hierzu relativ bewegliche Abtasteinheit. In der Abtasteinheit sind in der Regel eine Lichtquelle, optoelektronische Detektorelemente sowie weitere optische Bauelemente wie Linsen, Gitter etc. angeordnet. Für bestimmte Anwendungsfälle kann eine Abtasteinheit mit all diesen Komponenten jedoch ggf. zu voluminös bauen. Ferner kann auch eine unerwünschte Beeinflussung der aktiven Komponenten einer derartigen Abtasteinheit durch elektromagnetische Störfelder oder erhöhte Temperaturen in bestimmten Applikationen resultieren. Zudem kann es durch elektrische Verlustleistung, insbesondere die der Lichtquelle, zu einer thermischen Beeinflussung der Messgenauigkeit kommen.
Es sind daher Lösungen für optische Positionsmesseinrichtungen bekannt geworden, bei denen am eigentlichen Messort nur die abgetastete Maßverkörperung sowie ein relativ hierzu beweglicher, passiver Faseroptik-Abtastkopf angeordnet werden. Die weiteren aktiven, für die Abtastung funktions relevanten Komponenten wie Lichtquelle, optoelektronische Detektorelemente etc. werden räumlich entfernt vom Messort angeordnet und sind über Lichtleitfasern mit dem Faseroptik-Abtastkopf verbunden. Auf diese Art und Weise kann ein äußerst kompakt bauendes System am eigentlichen Messort realisiert werden. Ferner lassen sich auch Störeinflüsse auf die verschiedenen aktiven Komponenten auf der Abtastseite minimieren.
Eine derartige Positionsmesseinrichtung ist z. B. aus der US 6,906,315 bekannt. Die in dieser Druckschrift offenbarte Positionsmesseinrichtung umfasst neben einer Maßverkörperung, ausgebildet als lineare Reflexions-Maßverkörperung, einen relativ in mindestens einer Messrichtung hierzu verschiebbaren Faseroptik-Abtastkopf. Dem Faseroptik-Abtastkopf ist räumlich entfernt eine Folgeelektronik nachgeordnet, verbunden über geeignete Lichtleitfasern. Die Folgeelektronik umfasst hierbei u. a. die zur optischen Abtastung nötige Lichtquelle, mehrere optoelektronische Detektorelemente sowie ggf. weitere aktive Komponenten zur Signalerzeugung und Signalweiterverarbeitung. Der Faseroptik-Abtastkopf umfasst i. w. das Ende mehrerer Lichtleitfasern für die Beleuchtungs-Zuführung sowie für die Rückführung der signalerzeugenden Strahlenbündel. Die zur Rückführung der Strahlenbündel genutzten Lichtleitfasern sind an deren maßverkörperungsseitigen Enden mit geeigneten Abtastgittern versehen und dienen zur Erzeugung positionsabhängiger, phasenverschobener Abtastsignale, also beispielsweise von vier um je 90° phasenversetzten Quadratursignalen. Hierzu weisen die Abtastgitter unterschiedlicher Signalphasen in bekannter Art und Weise geeignete geometrische Versatzabstände zueinander auf.
Als nachteilig an dieser Lösung ist anzusehen, dass darüber keine sog. Einfeldabtastung der Maßverkörperung möglich ist. Hierunter ist eine Abtastung zu verstehen, bei der sämtliche phasenverschobenen Signalanteile aus dem selben Feld der abgetasteten Maßverkörperung erzeugt werden. Besonderer Vorteil dieser Abtastung ist, dass diese relativ unempfindlich gegenüber Verschmutzungen auf der Maßverkörperung ist und im Fall einer eventuellen Verschmutzung grundsätzlich alle phasenverschobenen Signalanteile gleichmäßig beeinflusst werden. Dadurch lassen sich Fehler bei der Signal-Weiterverarbeitung, also z. B. bei einer nachfolgenden Signalinterpolation, minimieren.
Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine optische Positionsmesseinrichtung mit einem passiven Faseroptik-Abtastkopf zu schaffen, über den eine Einfeldabtastung bei der Erzeugung phasenverschobener Abtastsignale sichergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtungen ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, durch eine geeignete Ausgestaltung des Abtastgitters vor dem maßverkörperungsseitigen Ende einer Lichtleitfaser die gewünschten Abtastungseigenschaften sicherzustellen.
Die erfindungsgemäße optische Positionsmesseinrichtung umfasst einen Faseroptik-Abtastkopf und eine hierzu in mindestens einer Messrichtung bewegliche Maßverkörperung. Der Faseroptik-Abtastkopf tastet ein periodisches Streifenmuster mit einer bestimmten Streifenmusterperiode ab, das aus der Beleuchtung der Maßverkörperung resultiert. Zur Abtastung ist eine Abtastplatte vor dem maßverkörperungsseitigen Ende einer Lichtleitfaser im Faseroptik-Abtastkopf angeordnet, die auf die Streifenmusterperiode abgestimmt ist. Mit ein oder mehreren Beleuchtungsstrahlenbündeln sind in Teilsignalstrahlenbündeln über eine wellenlängenabhängige örtliche Trennung zueinander phasenverschobene Streifenmuster innerhalb einer Streifenmusterperiode erzeugbar. Die Teilsignalstrahlenbündel sind zur Umsetzung in positionsabhängige phasenverschobene Abtastsignale nutzbar.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten nunmehr die gewünschte Einfeldabtastung und die damit verbundenen Vorteile bzgl. Verschmutzungsunempfindlichkeit bei einer derartigen Positionsmesseinrichtung.
Als weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung wäre noch eine nunmehr mögliche kompakte Bauweise mit einer hohen mechanischen Resonanzfrequenz sowie die thermische Passivität und die Unempfindlichkeit der Abtastung gegenüber elektromagnetischen Störeinflüssen zu erwähnen.
Zentral für die vorliegende Erfindung ist hierbei die geeignete Ausbildung der Abtastplatte im Faseroptik-Abtastkopf, die die für die Einfeldabtastung erforderlichen phasenverschobenen Teilsignalstrahlenbündel liefert. Eine Kodierung der einzelnen Teilsignalstrahlenbündel erfolgt hierbei wellenlängenabhängig über verschiedene Wellenlängenbereiche einer spektral breitbandigen Lichtquelle oder mehrerer wellenlängen-verschiedener einzelner Lichtquellen. Zur Umsetzung einer derartigen Kodierung der wellenlängen-verschiedenen Signalphasen sind verschiedene Ausgestaltungen der Abtastplatte möglich.
Basierend auf den grundsätzlichen, erfindungsgemäßen Überlegungen resultieren demnach vielfältige Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung. Die verschiedensten Maßnahmen können natürlich auch in Kombination miteinander zum Einsatz kommen.
So ist es beispielsweise möglich, die Lichtleitfaser als Multimodefaser auszubilden, über die sowohl die zur Beleuchtung genutzten Beleuchtungsstrahlenbündel zur Maßverkörperung hin als auch die zur Detektion genutzten Teilsignalstrahlenbündel von der Maßverkörperung weg übertragbar sind.
Hierbei können am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser eine spektral breitbandige Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, angeordnet sein, deren Strahlung als Beleuchtungsstrahlenbündel über Einkoppelmittel jeweils in die Lichtleitfaser einkoppelbar ist.
Ferner kann am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser eine Detektoreinrichtung angeordnet sein, die Aufspaltmittel zur wellenlängenabhängigen Trennung der Teilsignalstrahlenbündel sowie mehrere optoelektronische Detektorelemente umfasst, denen die aufgetrennten Teilsignalstrahlenbündel zuführbar sind und die detektierten Teilsignalstrahlenbündel in elektrische, phasenverschobene Abtastsignale umsetzen.
In einer möglichen ersten Ausführungsform kann die Abtastplatte als gestuftes Phasengitter auf einem transparenten Trägersubstrat ausgebildet werden, welches innerhalb einer Gitterperiode mehrere Stufungen aufweist, so dass derart zusammen mit der Substratrückseite oder einer Reflexionsschicht mehrere Teil-Etalons pro Gitterperiode mit unterschiedlichen Transmissionswellenlängen ausgebildet werden, die auf die verschiedenen Wellenlängen des mindestens einen Beleuchtungsstrahlenbündels abgestimmt sind.
In dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft die spektralen Halbwertsbreiten und die spektralen Abstände der Transmissionslinien der ausgebildeten Teil-Etalons kleiner als die spektrale Halbwertsbreite der Emissionslinie der mindestens einen Lichtquelle auszuwählen.
Weiter ist günstig, wenn die spektrale Halbwertbreite der Transmissionslinien der Teil-Etalons jeweils kleiner ist als deren spektraler Abstand.
Vorzugsweise liegen die Transmissionslinien der Teil-Etalons symmetrisch innerhalb der spektralen Halbwertsbreite der Emissionsline der mindestens einen Lichtquelle.
Weiterhin erweist sich als vorteilhaft, die Dicken der Teil-Etalons kleiner als die Kohärenzlänge der mindestens einen Lichtquelle zu wählen.
In einer möglichen Variante wird der freie Spektralbereich zwischen den Transmissionslinien der ausgebildeten Teil-Etalons größer als die spektrale Halbwertsbreite der Emissionslinie der mindestens einen Lichtquelle gewählt.
Vorzugsweise besteht die Abtastplatte dieser Ausführungsform aus einem transparenten Trägersubstrat, auf dessen Oberfläche ganzflächig eine erste planare Reflexionsschicht aufgebracht ist, auf der die gestufte Phasengitterstruktur aus einem hochtransparenten Dielektrikum angeordnet ist, auf der wiederum eine weitere, zweite Reflexionsschicht angeordnet ist.
In einer möglichen Ausgestaltung dieser Variante ist auf Seiten der Detektoreinrichtung das Aufspaltmittel zur wellenlängenabhängigen Trennung der Teilsignalstrahlenbündel als dispersives optisches Element ausgebildet; ferner umfasst die Detektoreinrichtung eine Linse zum Fokussieren der Teilsignalstrahlenbündel, wobei in der Fokusebene der Linse die Detektorelemente angeordnet sind, deren Breiten auf die spektralen Breiten der Teil-Etalons abgestimmt sind.
In einer möglichen zweiten Ausführungsform ist die Abtastplatte durch eine abschnittsweise segmentierte, keilförmige Platte mit einer sägezahnförmigen Oberflächenstruktur auf einem transparenten Trägersubstrat ausgebildet ist, die ein Fizeau-Interferenzstreifenmuster gleicher Dicke erzeugt, wobei der Keilwinkel der Platte so gewählt ist, dass der resultierende Streifenabstand des Fizeau-Interferenzstreifenmusters der von der Maßverkörperung erzeugten Streifenmusterperiode entspricht.
Bei einer derartigen Ausführung der Abtastplatte sind innerhalb einer Streifenmusterperiode der Maßverkörperung in der abschnittsweise segmentierten, keilförmigen Platte mit einer sägezahnförmigen Oberflächenstruktur mehrere wellenlängenkodierte Fizeau-Interferenzstreifenmuster gleicher Dicke erzeugbar.
Vorzugsweise sind die mittleren Dicken der einzelnen Keile kleiner als die jeweilige Kohärenzlänge der mindestens einen Lichtquelle gewählt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die über die Interferenzstreifen innerhalb eines sägezahnförmigen Abschnitts aufsummierte Differenz der Fizeau-Interferenzstreifenmuster unterschiedlicher Wellenlängen maximal ein Viertel der von der Maßverkörperung erzeugten Streifenmusterperiode.
Mit Vorteil besteht die Abtastplatte dieser Ausführungsform aus einem transparenten Trägersubstrat, auf dessen Oberfläche ganzflächig eine erste planare Reflexionsschicht aufgebracht ist, auf der die abschnittsweise segmentierte keilförmige Platte mit einer sägezahnförmigen Oberflächenstruktur aus einem hochtransparenten Dielektrikum angeordnet ist, auf der wiederum eine weitere, zweite Reflexionsschicht angeordnet ist.
In einer möglichen dritten Ausführungsform ist die Abtastplatte in Form mehrerer streifenförmiger Teilbereiche mit unterschiedlichen spektralen Transmissionscharakteristiken ausgebildet, die auf die Wellenlängen des mindestens einen Beleuchtungsstrahlenbündels abgestimmt sind.
Hierbei sind die verschiedenen Teilbereiche vorzugsweise als transparente, photostrukturierbare, farbige Kunststoffschichten ausgebildet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der er erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung in Verbindung mit den Figuren erläutert.
Es zeigen:
1 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
2a, 2b verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform einer Abtastplatte für den Faseroptik-Abtastkopf einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
3a, 3b verschiedene Diagramme zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Abtastplatte aus den 2a und 2b;
4a, 4b verschiedene Ansichten einer zweiten Ausführungsform einer Abtastplatte für den Faseroptik-Abtastkopf einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
5 eine dritten Ausführungsform einer Abtastplatte für den Faseroptik-Abtastkopf einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
6 eine stark schematisierte Darstellung einer geeigneten Detektoreinrichtung für die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung;
7 eine stark schematisierte Darstellung einer alternativen Lichtquellenanordnung für die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung;
8 eine stark schematisierte Darstellung einer weiteren alternativen Lichtquellenanordnung für die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung.
Anhand der schematisierten Darstellung in 1 sei nachfolgend der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung erläutert.
Die optische Positionsmesseinrichtung des dargestellten Ausführungsbeispiels umfasst eine lineare Maßverkörperung 10, die in der Messrichtung x relativ beweglich zu einem Faseroptik-Abtastkopf 20 angeordnet ist. Hierbei kann entweder die Maßverkörperung 10 stationär und der Faseroptik-Abtastkopf 20 beweglich oder die Maßverkörperung 10 beweglich und der Faseroptik-Abtastkopf 20 stationär angeordnet sein. Die Maßverkörperung 10 und der Faseroptik-Abtastkopf 20 sind mit zwei – nicht dargestellten – Objekten verbunden, die relativ zueinander in Messrichtung x beweglich sind und deren Relativposition zueinander zu bestimmen ist. Hierbei kann es sich etwa um zwei zueinander bewegliche Komponenten einer Maschine handeln, deren Relativposition erfasst werden muss, um über eine nachgeordnete Folgeelektronik, der die von der Positionsmesseinrichtung erzeugten positionsabhängigen Abtastsignale zugeführt werden, eine entsprechende Lage- oder Positionsregelung bzgl. dieser Komponenten vorzunehmen.
Die Maßverkörperung 10 des dargestellten Ausführungsbeispiel ist als lineare Maßverkörperung ausgebildet, die im Auflicht von dem Faseroptik-Abtastkopf 20 abgetastet wird. Hierbei besteht die Maßverkörperung 10 in bekannter Art und Weise aus einem Reflexions-Phasengitter oder aber einem Reflexions-Amplitudengitter, angeordnet auf einem geeigneten Trägersubstrat, das periodisch in Messrichtung x angeordnete Teilbereiche mit unterschiedlicher optischer Wirkung umfasst.
Selbstverständlich kann alternativ zur dargestellten Ausführungsform auch eine rotatorische Maßverkörperung in Form einer Radial- oder Trommelteilung in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung zum Einsatz kommen.
Der am Messort vorgesehene Faseroptik-Abtastkopf 20 besteht i. w. aus einer Abtastplatte 21, die vor dem maßverkörperungsseitigen Ende einer Lichtleitfaser 22 angeordnet ist. Über den Faseroptik-Abtastkopf 20 wird zur Erzeugung der verschiebungsabhängigen Abtastsignale ein periodisches Streifenmuster mit einer bestimmten Streifenmusterperiode abgetastet, das aus der Beleuchtung der Maßverkörperung 10 in einer Abtastebene resultiert. Die Beleuchtung der Maßverkörperung 10 erfolgt durch die Zuführung eines entsprechenden Beleuchtungsstrahlenbündels über die Lichtleitfaser 22. Hierzu ist am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser 22 eine spektral breitbandige Lichtquelle 23, die Strahlungsanteile aus einem Kontinuum von unterschiedlichen Wellenlängen enthält, angeordnet, deren Strahlung als Beleuchtungsstrahlenbündel über optische Einkoppel mittel 24, 25, 26 in die Lichtleitfaser 22 einkoppelbar ist. Zu den Einkoppelmitteln 24, 25, 26 gehören im vorliegenden Beispiel im einzelnen eine Kollimatorlinse 24, ein Strahlteiler 26 sowie eine Einkoppellinse 25.
Zur Umsetzung der über die Abtastung erfassten Teilsignalstrahlenbündel in positionsabhängige Abtastsignale ist detektionsseitig eine Detektoreinrichtung 30 am maßverkörperungsseitig abgewandten Ende der Lichtleitfaser 22 vorgesehen. Dieser werden die erfassten Teilsignalstrahlenbündel über die Lichtleitfaser 22 zugeführt; zum prinzipiellen Aufbau der Detektoreinrichtung 30 sei auf die später folgende Beschreibung der 6 verwiesen. Von der Detektoreinrichtung 30 werden die positionsabhängigen Abtastsignale schließlich einer – nicht dargestellten – Folgeelektronik zugeführt, die diese Abtastsignale etwa zum Zweck der Lageregelung bzw. Positionssteuerung der zueinander beweglichen Objekte nützt.
Die verschiedenen aktiven Komponenten der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung, wie insbesondere die Lichtquelle 23 und die Detektoreinrichtung 30 sind demzufolge räumlich entfernt vom eigentlichen Messort angeordnet und mit diesem lediglich über die Lichtleitfaser 22 optisch gekoppelt. Dies ermöglicht zum einen die Minimierung von Störeinflüssen auf diese Komponenten als auch die äußerst kompakte Ausgestaltung des Faseroptik-Abtastkopfes 20 am Messort.
Die Lichtleitfaser 22 ist vorzugsweise als Multimodefaser ausgebildet, über die sowohl die zur Beleuchtung genutzten Beleuchtungsstrahlenbündel zur Maßverkörperung 10 hin als auch die zur Detektion genutzten Teilsignalstrahlenbündel von der Maßverkörperung 10 weg, in Richtung der Detektoreinheit 30 übertragbar sind.
Um insbesondere die gewünschte Einfeld-Abtastcharakteristik der optischen Positionsmesseinrichtung sicherzustellen, ist erfindungsgemäß eine bestimmte Ausbildung der – in 1 nur schematisiert angedeuteten – Abtastplatte 21 im Faseroptik-Abtastkopf 20 vorgesehen. So ist insbesondere nötig, die Abtastplatte 21 auf die Streifenmusterperiode abzustimmen, die das periodische, verschiebungsabhängig modulierbare Streifenmuster besitzt, das aufgrund der Wechselwirkung des einfallenden Beleuchtungsstrahlenbündels mit der Maßverkörperung 10 in der Abtastebene resultiert. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es keinesfalls erfindungswesentlich ist, über welchen optischen Wechselwirkungs-Mechanismus zwischen dem Beleuchtungsstrahlenbündel und der Maßverkörperung und eventuellen weiteren optischen Elementen im Strahlengang letztlich das periodische, verschiebungsabhängig modulierbare Streifenmuster erzeugt wird. So kann es sich etwa im Fall eines verwendeten Reflexions-Amplitudengitters auf Seiten der Maßverkörperung 10 um das geometrische Streifenbild der Maßverkörperung 10 handeln, im Fall eines eingesetzten Reflexions-Phasengitters hingegen um das Beugungsbild der Maßverkörperung 10.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann in der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung ein Abtastprinzip eingesetzt werden, wie es aus der Veröffentlichung "Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology", R. M. Pettigrew, SPIE Vol. 136, 1st European Congress an Optics Applied to Metrology (1977) bekannt ist. Eine derartiges, sog. (Dreigitter-)Abtastprinzip lässt hierbei in verschiedenen Gitterkonfigurationen realisieren, die sich i. w. durch die Reihenfolge der von den Strahlenbündeln durchlaufenen Abtast- und Maßverkörperungsgitter unterscheiden. So ist etwa ein Abtaststrahlengang mit nacheinander durchlaufenem bzw. beaufschlagtem Abtastgitter, Maßverkörperungsgitter, Abtastgitter realisierbar. Alternativ sind auch Anordnungen denkbar, bei denen die Strahlenbündel nacheinander das Maßverkörperungsgitter, ein erstes Abtastgitter und ein zweites Abtastgitter oder ein erstes Abtastgitter, ein zweites Abtastgitter und das Maßverkörperungsgitter durchlaufen bzw. beaufschlagen.
Ferner sei hinsichtlich alternativer Ausführungsvarianten erwähnt, dass ergänzend zum dargestellten Beispiel in 1 vor dem maßverkörperungsseitigem Ende der Lichtleitfaser noch eine Linse angeordnet werden kann. Über diese Linse kann dann in bekannter Art und Weise die Abtastfeldgröße auf der Maßverkörperung eingestellt werden. In diesem Zusammenhang sei etwa auf die EP 163 362 B1 verwiesen.
Desweiteren sei erwähnt, dass am maßverkörperungsseitigem Ende der Lichtleitfaser ein optisches Umlenkelement, z. B. ausgebildet als 90°-Umlenkprisma, angeordnet werden kann. Darüber kann dann eine Lichtleiter-Zuführung im Faseroptik-Abtastkopf parallel zur Maßverkörperungsebene erfolgen und der -Abtastkopf extrem flach bauend ausgebildet werden.
Über die nachfolgend noch im Detail erläuterte Ausbildung verschiedener möglicher Ausführungsformen der Abtastplatte 21 ist sichergestellt, dass mit ein oder mehreren Beleuchtungsstrahlenbündeln in Teilsignalstrahlenbündeln über eine wellenlängenabhängige örtliche Trennung zueinander phasenverschobene Streifenmuster innerhalb einer Streifenmusterperiode erzeugbar sind. Die verschiedenen Teilsignalstrahlenbündel sind dann auf Seiten der nachgeordneten Detektoreinrichtung 30 zur Umsetzung in positionsabhängige, phasenverschobene Abtastsignale nutzbar.
Über das oben erwähnte (Dreigitter-)Abtastprinzip werden in bekannter Art und Weise drei um 120° phasenversetzte Abtastsignale erzeugt. Diese werden in üblicher Form elektrisch zu zwei offsetfreien, um 90° phasenverschobenen Signalen verschaltet, die dann von einer Folgeelektronik weiterverarbeitbar sind.
Selbstverständlich ist jedoch möglich, in bekannter Art und Weise über modifizierte Abtastprinzipien auch einen anderen Phasenversatz zwischen den Abtastsignalen zu erzeugen.
Anhand der nachfolgenden Beschreibung der 2a, 2b sowie 3a und 3b sei nunmehr erläutert, wie dies mittels einer ersten Ausführungsform einer geeigneten Abtastplatte sichergestellt wird.
2a zeigt eine perspektivische Ansicht des Faseroptik-Abtastkopfes 120 sowie eine perspektivische Ausschnittsdarstellung der eingesetzten Abtast platte 121, in 2b ist eine schematisierte Schnittdarstellung der verwendeten Abtastplatte 121 dieses Ausführungsbeispiels dargestellt.
Die Abtastplatte 121 ist in dieser Variante als gestuftes Phasengitter auf einem transparenten Trägersubstrat 122 ausgebildet, das unmittelbar vor dem maßverkörperungsseitigem Ende der Lichtleitfaser 22 angeordnet ist. Innerhalb einer Gitterperiode G weist das Phasengitter mehrere Stufungen auf. Derart werden zusammen mit einer teilreflektierenden Zwischenschicht bzw. Reflexionsschicht 124 oder alternativ mit der Substratrückseite 123 mehrere Teil-Etalons pro Gitterperiode G ausgebildet, die auf die verschiedenen Wellenlängen des mindestens einen Beleuchtungsstrahlenbündels abgestimmt sind. Im dargestellten Beispiel sind drei Stufungen innerhalb einer Gitterperiode G vorgesehen, die dann zur Ausbildung von drei Teil-Etalons (bzw. Fabry-Perot-Resonatoren) mit den angegeben Etalon-Dicken D₁, D₂ und D₃ führen.
Zur Optimierung der gewünschten Etalon-Eigenschaften ist in diesem Beispiel vorgesehen, das Trägersubstrat 122, beispielsweise Quarz, ganzflächig mit einer ersten, planaren Reflexionsschicht 124, z. B. eine teilreflektierende metallische oder dielektrische Reflexionsschicht oder ein entsprechendes Schichtpaket, zu versehen und darauf die gestufte Phasengitterstruktur 126 anzuordnen. Die Phasengitterstruktur 126 ist in einer bevorzugten Ausführung aus SiO₂ ausgebildet. Auf der Phasengitterstruktur 126 ist dann eine zweite Reflexionsschicht 125 angeordnet, z. B. als wiederum als teilreflektierende metallische oder dielektrische Reflexionsschicht. Über die Reflexionsschichten 124, 125 lassen sich die spektralen Halbwertsbreiten Δλ_i der Transmissions-Wellenlängen λ der Teil-Etalons (i = 1, 2, 3) vorteilhaft verringern.
Die spektralen Halbwertsbreiten Δλ_i der Transmissions-Wellenlängen λ_i der Teil-Etalons ergeben sich hierbei gemäß folgender Gl. (1): Δλi = [(1 – R)/sqr(R)]·[λi 2/(2π·n·Di)](Gl. 1) mit:

R:: = Reflektivität der Reflexionsschichten 124, 125
λ_i:: = Transmissions-Wellenlänge des Teil-Etalons i (i = 1, 2, 3)
n:: = Brechungsindex im Etalon
D_i:: = jeweilige Etalon-Dicke (i = 1, 2, 3)

In Bezug auf die Dimensionierung der Teil-Etalons erweist sich ferner als vorteilhaft, wenn die jeweilige spektrale Halbwertsbreite Δλ_i der Transmissions-Wellenlänge λ_i der Teil-Etalons kleiner gewählt wird als der spektrale Abstand Δλ_E der Transmissionslinien bzw. Transmissions-Wellenlängen λ_i der Teil-Etalons. In diesem Zusammenhang sei ausdrücklich auf die 3a verwiesen, die die Emissionslinie der verwendeten Lichtquelle, die Transmissionscharakteristika der verschiedenen Teil-Etalons sowie die verschiedenen erwähnten Größen zeigt.
Ferner ist zu beachten, dass der spektrale Abstand Δλ_E zwischen einzelnen Transmissionslinien bzw. Transmissions-Wellenlängen λ_i der Teil-Etalons symmetrisch innerhalb der spektralen Halbwertbreite Δλ_LQ der Lichtquellen-Emissionscharakteristik liegt, damit die resultierenden Signalamplituden für die verschiedenen Wellenlängen nicht zu unterschiedlich sind.
Der spektrale Abstand Δλ_E zwischen einzelnen Transmissionslinien bzw. Transmissions-Wellenlängen λ_i der Teil-Etalons soll ferner klein gegenüber dem freien Spektralbereich FSR zwischen den Transmissions-Wellenlängen λ der Teil-Etalons; hierbei ergibt sich der freie Spektralbereich FSR gemäß folgender Gleichung (2): FSR = λi 2/(2·n·Di)(Gl. 2)mit

FSR:: = Freier Spektralbereich zwischen den Transmissions-Wellenlängen λ_i der Teil-Etalons
λ_i:: = Transmissions-Wellenlänge des Teil-Etalons i (I = 1, 2, 3)
n:: = Brechungsindex im Etalon
D_i:: = jeweilige Etalon-Dicke (i = 1, 2, 3)

Aufgrund der großen numerischen Apertur von Multimode-Lichtleitfasern (typischerweise 0,2) und der dadurch bedingten großen Divergenz in der Abstrahlcharakteristik am maßverkörperungsseitigen Ende der Lichtleitfaser 22, sollte die axiale Modenzahl der Teil-Etalons (und damit die Etalon-Dicken D_i) klein gewählt werden, um ein eventuelles Übersprechen einer resonanten Etalon-Mode auf die benachbarten Teil-Etalons zu minimieren. Ansonsten würde ein derartiges Übersprechen einen unerwünschten Signalverlust bewirken.
Die Etalon-Dicken D_i werden desweiteren vorzugsweise klein gegenüber der Kohärenzlänge L_coh der verwendeten Lichtquelle gewählt. Eine hinreichende Wellenlängenselektivität bei der geforderten kleinen axialen Modenzahl wird ferner über die Wahl der Reflektivität R der dielektrischen oder metallischen Reflexionsschichten 124, 125 eingestellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 3a beträgt n = 1.5, die Schwerpunkt-Wellenlänge λ der breitbandigen Lichtquelle wird gemäß λ = 860 nm gewählt, deren spektrale Halbwertsbreite Δλ_LQ beträgt Δλ_LQ = 50 nm, d. h. die Kohärenzlänge der Lichtquelle ergibt sich zu L_coh ≈ 15 μm. Der spektrale Abstand Δλ_E zwischen den Transmissions-Wellenlängen λ_i der Teil-Etalons ergibt sich zu Δλ_E = 15 nm; die einzelnen Transmissions-Wellenlangen λ_i liegen bei λ₁ = 845 nm, λ₂ = 860 nm, λ₃ = 875 nm. Mit der weiteren Forderung, dass der freie Spektralbereich FSR zur guten Trennung der Transmissions-Wellenlängen λ_i der Teil-Etalons von den benachbarten axialen Moden und zur Erreichung einer kleinen Etalon-Dicke D_i z. B. viermal so groß sein soll wie der maximale spektrale Abstand der drei Teil-Etalons von 30 nm, ergibt sich bei einer axialen Modenzahl von 7 für die Dicken der einzelnen Teil-Etalons D₁ = 1972 nm, D₂ = 2007 nm, D₃ = 2042 nm. Zusammen mit der Forderung, dass zur überlappungsfreien Trennung der einzelnen Transmissions-Wellenlängen λ_i bzw. Transmissionslinien der Teil-Etalons die spektrale Halbwertsbreite Δλ_i der Transmissionslinien z. B. ein Drittel so groß sein soll wie deren spektraler Abstand Δλ_E, resultiert eine notwendige Reflektivität R für die beiden teilreflektierenden Reflexionsschichten 124, 125 von R = 0,87. Andererseits sollte die spektrale Halbwertsbreite Δλ_i der Transmissionslinien der Teil-Etalons nicht zu schmal gewählt werden, da sonst lediglich eine geringe Signalamplitude resultiert.
In 3b ist das von den Teil-Etalons gefilterte Spektrum der Lichtquelle dargestellt, deren Emissionslinie eine spektralen Halbwertsbreite Δλ_LQ besitzt, wie dies in 3a dargestellt ist. Dieses Spektrum korreliert mit der Signalgröße der phasenverschobenen Einzelsignale.
Zur Herstellung derartiger Abtastplatten wird auf dem Trägersubstrat 122 eine Reflexionsschicht 124 in Form einer dielektrischen Spiegelschicht mit der Reflektivität R = 0,87 aufgedampft. Anschließend erfolgt in drei Schritten das strukturierte Aufdampfen der gestuften Struktur der unterschiedlichen Teil-Etalondicken aus einem hochtransparenten Dielektrikum, z. B. SiO₂. Alternativ hierzu kann auch eine dicke SiO₂-Schicht aufgedampft werden, deren Dicke dann durch strukturiertes Ätzen in zwei Schritten lokal auf die gewünschten Etalon-Dicken reduziert wird. Abschließend wird dann die zweite Reflexionsschicht 125 in Form einer dielektrischen Spiegelschicht aufgedampft.
Alternativ zum strukturierten Aufdampfen der SiO₂-Schichten (bzw. dem Aufdampfen und lokalem strukturierten Ätzen) kann die erforderliche Dicke der verschiedenen Teil-Etalons auch durch einen Prägeprozess in einer Sol-Gel- oder Kunststoffschicht sichergestellt werden. Durch die damit mögliche Herstellung einer größeren Platte mit identischen derartigen Abtastplatten und dem anschließenden Ausbohren kleiner Scheibchen mit dem Durchmesser der Lichtleitfaser lässt sich ein großer Vielfachnutzen und damit nur geringe Stückkosten für die erfindungsgemäßen Abtastplatten erreichen.
Als Material für die Abtastplatte 121 wird vorzugsweise ein Quarzglas oder ein geeigneter Kunststoff gewählt, dessen Brechungsindex möglichst ähnlich zum Brechungsindex des Faserkernmaterials der Lichtleitfaser 22 ist. Derart lassen sich unnötige Reflexionsverluste in diesem Bereich vermeiden. Auch die Klebeverbindung von Abtastplatte 121 und Lichtleitfaser wird bevorzugt so ausgeführt, dass ein optimales "Index-Matching" and dieser Verbindungsstelle resultiert.
Anhand der 4a und 4b sei im Anschluss erläutert, wie die angestrebte Einfeldabtastung mit einer zweiten Ausführungsform einer geeigneten Abtastplatte im Faseroptik-Abtastkopf der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung sichergestellt werden kann.
4a zeigt wiederum eine perspektivische Ansicht des Faseroptik-Abtastkopfes 220 sowie eine perspektivische Ausschnittsdarstellung der eingesetzten Abtastplatte 221, in 4b ist eine schematisierte Schnittdarstellung der verwendeten Abtastplatte 221 dieses Ausführungsbeispiels dargestellt.
Die Abtastplatte 221 ist in dieser Ausführungsform als abschnittsweise segmentierte, keilförmige (Fizeau-)Platte mit einer sägezahnförmigen Oberflächenstruktur auf einem transparenten Trägersubstrat 222 ausgebildet, die wiederum unmittelbar vor dem maßverkörperungsseitigem Ende der Lichtleitfaser 22 im Faseroptik-Abtastkopf 220 angeordnet ist. Mit Hilfe einer derartigen Abtastplatte 221 wird ein Fizeau-Interferenzstreifenmuster gleicher Dicke erzeugt, wobei der Keilwinkel θ der Platte im vorliegenden Beispiel so gewählt ist, dass der resultierende Streifenabstand A im Fizeau-Interferenzstreifenmuster der von der Maßverkörperung erzeugten Streifenmusterperiode entspricht. Innerhalb einer Streifenmusterperiode sind über die abschnittsweise segmentierte, keilförmige Platte mit der sägezahnförmigen Oberflächenstruktur mehrere wellenlängenkodierte Fizeau-Interferenzstreifenmuster gleicher Dicke erzeugbar.
Der Streifenabstand A des Fizeau-Interferenzstreifenmusters ergibt sich dabei gemäß nachfolgender Gleichung (3) zu Λ = λ/(2·n·θ)(Gl. 3)mit:

λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle
n:: = Brechungsindex in der keilförmigen Platte
θ:: = Keilwinkel der keilförmigen Platte

Der Keilwinkel θ wird hierbei so ausgelegt, dass ein Streifenabstand Λ resultiert, der – wie für das obige Beispiel erwähnt – bei einer Abtastung des Beugungsbilds, der Teilungsperiode der Maßverkörperung entspricht; im Fall der Abtastung des geometrischen Bilds wird der Keilwinkel θ so ausgelegt, dass der Streifenabstand dem doppelten der Teilungsperiode der Maßverkörperung entspricht.
Da für die unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ im Beleuchtungsstrahlenbündel gemäß Gl. 3 auch unterschiedliche Streifenabstände Λ_i im Fizeau-Interferenzstreifenmuster resultieren, läuft die Phasenlage der drei chromatischen Streifen relativ zur Phasenlage der Maßverkörperung nach einigen Streifenabständen auseinander, was eine unerwünschte Reduzierung der Signalamplituden zur Folge hat. Dieser unerwünschte Effekt lässt sich minimieren, indem die Abtastplatte 221 wie in 4b ersichtlich, abschnittsweise segmentiert wird, so dass eine sägezahnförmige Struktur entsteht.
Eine derartige Ausführungsform einer Abtastplatte 221 lässt sich ebenfalls wieder über die bereits oben erwähnten Sol-Gel- oder Kunststoff-Prägeprozesse herstellen. Nach dem Prägeprozess wird dann auf der Oberseite der Abtastplatte 221 die Reflexionsschicht 225 aufgebracht.
Um den Signalverlust auf maximal 10% zu begrenzen, darf die über mehrere Streifen aufsummierte Differenz der von den Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ im Beleuchtungsstrahlenbündel erzeugten Streifenabstände Λ₁, Λ₂ zum von der Wellenlänge λ₂ erzeugten Streifenabstand Λ₂ maximal ein Viertel der Teilungsperiode der Maßverkörperung sein. Da das von der Wellenlänge λ₁ erzeugte Streifenmuster gegenüber dem von der Wellenlänge λ₂ erzeugten Streifenmuster eine konstante Phasenverschiebung von z. B. Φ₁₂ = –120° und das von der Wellenlänge λ₃ erzeugte Streifenmuster gegenüber dem von der Wellenlänge λ₂ erzeugten Streifenmuster eine konstante Phasenverschiebung von z. B. Φ₂₃ = +120° haben soll, sind die Wellenlängen λ₁ und λ₃ fest mit der Wellenlänge λ₂ verknüpft. Die zur zentralen Wellenlänge λ₂ benachbarten Wellenlängen λ₁ und λ₃ hängen für eine gewünschte Phasenverschiebung von +/–120° von der jeweiligen axialen Modenzahl N gemäß den beiden nachfolgenden Gleichungen (4.1) und (4.2) ab: λ1 = λ2·[1 + Φ12/(2·π·N)] = λ2·[1 – 1/(3·N)](Gl. 4.1) λ3 = λ2·[1 + Φ23/(2·π·N)] = λ2·[1 + 1/(3·N)](Gl. 4.2)mit:

λ₁:: = Wellenlänge im Beleuchtungsstrahlenbündel
Φ₁₂:: = Phasenverschiebung zwischen den von den Wellenlängen λ₁ und λ₂ erzeugten Fizeau-Streifenmustern
Φ₂₃:: = Phasenverschiebung zwischen den von den Wellenlängen λ₂ und λ₃ erzeugten Fizeau-Streifenmustern
N:: = Modenanzahl

Die Differenz Δλ der zu λ₂ benachbarten Wellenlängen im Beleuchtungsstrahlenbündel für die chromatische Kodierung der phasenverschobenen Einzelsignale ergibt sich gemäß Gl. (5) zu: Δλ = (Φ·λ2)/(2·π·N) = λ2/(3·N)(Gl. 5)mit:

Δλ:: = Wellenlängendifferenz der zentralen Wellenlänge λ₂ zu den benachbarten Wellenlängen λ₁ und λ₃
Φ:: = Phasenverschiebung zwischen den Fizeau-Streifenmustern benachbarter Wellenlängen
λ₂:: = mittlere Wellenlänge im Beleuchtungsstrahlenbündel
N:: = Modenanzahl

Im Fall der Abtastung im Beugungsbild mit einer Teilungsperiode der Maßverkörperung von 20 μm beträgt der nötige Streifenabstand im Fizeau-Interferenzstreifenmuster ebenfalls 20 μm. Bei einer mittleren Wellenlänge λ₂ = 860 nm und einem Brechungsindex n = 1.5 ergibt sich ein erforderlicher Keilwinkel Φ = 14.3 mrad für die Abtastplatte 221 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Für die mittlere Dicke D₂ gelten die gleichen Überlegungen wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel diskutiert, d. h. die mittlere Modenzahl ist damit ebenfalls 7. Für die benachbarten Dicken D₂', D₂'' etc. ändert sich die Modenanzahl jeweils um 1. Die mittlere Dicke D₂ beträgt bei einer axialen Modenanzahl von 7 damit wie im obigen Beispiel D₂ = 2007 nm und ist wiederum klein gegenüber der Kohärenzlänge L_coh der verwendeten Lichtquelle.
Die Differenz Δλ der beiden benachbarten Wellenlängen λ₁ und λ₃ gegenüber λ₂ für die chromatische Kodierung ergibt sich für eine Phasenverschiebung der Streifenmuster und damit der Einzelsignale um +/–120° zu Δλ = 41 nm. Die Spektralverteilung der eingesetzten Lichtquelle müsste, um alle Einzelsignale abzudecken, deutlich breiter sein als 82 nm. Mit einer einzelnen Lichtquelle lässt sich dies mit vertretbarem Aufwand jedoch üblicherweise nicht sicherstellen. Von daher kann in dieser Ausführungsform bevorzugterweise eine synthetische Lichtquelle zum Einsatz kommen, bei der das Licht von drei LEDs oder Laserdioden mit den einzelnen Wellenlängen λ₁ = 819 nm, λ₂ = 860 nm und λ₃ = 901 nm überlagert wird.
Alternativ hierzu kann auch eine weiße LED verwendet werden, deren Licht durch optische Interferenz- oder Bandpassfilter gefiltert wird.
Die Differenz ΔΛ in der Streifenperiode benachbarter Streifenmuster unterschiedlicher Wellenlängen ergibt sich damit zu ΔΛ = 953 nm. Soll die über mehrere Streifen aufsummierte Differenz der Streifenperioden unterschiedlicher Wellenlängen gemäß der o. g. Bedingung maximal ein Viertel der Teilungsperiode der Maßverkörperung nicht überschreiten, so muss in Verbindung mit der maximalen Streifenanzahl m die nachfolgende Gleichung (6) erfüllt sein: m·953 nm ≤ 5 μm (Gl. 6)
Daraus ergibt sich m ≤ 5.
Die Periodizität der sägezahnförmig segmentierten keilförmigen Abtastplatte 221 wird daher gleich 100 μm gewählt. In 4b sind aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nur drei Streifen dargestellt.
Im Unterschied zum ersten Beispiel gelten für die verschiedenen Reflexionsschichten 224, 225 nunmehr andere Bedingungen. Um die Signalamplitude nicht unnötig zu verringern, sollten die Halbwertsbreiten Δλ_i der einzelnen Transmissionslinien nicht viel schmäler sein als die spektralen Halbwertsbreiten Δλ_LQi der in diesem Beispiel vorzugsweise verwendeten einzelnen Lichtquellen. Bei einer spektralen Halbwertsbreite Δλ_LQ = 50 nm ergibt sich eine nötige Reflektivität von R = 30% für die beiden Reflexionsschichten 224, 225 der Abtastplatte 221.
Eine dritte Ausführungsform einer geeigneten Abtastplatte 321 für den Faseroptik-Abtastkopf der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist in 5 in einer schematisierten Darstellung gezeigt.
Hierbei ist nunmehr vorgesehen, die Abtastplatte 321 in Form mehrerer streifenförmiger Teilbereiche mit unterschiedlichen spektralen Transmissi onscharakteristiken auszubilden, die auf die Wellenlängen λ_i im mindestens einen Beleuchtungsstrahlenbündel abgestimmt sind. Hierzu können die verschiedenen Teilbereiche etwa als photostrukturierbare Kunststoffschichten ausgebildet sein, die jeweils eine maximale Transmission bei den drei gewünschten Wellenlängen λ_i besitzen. Die entsprechenden Kunststoffe werden streifenförmig strukturiert, wobei die Streifenbreite etwa ein Drittel der Periodizität der Abtastplatte beträgt.
In 6 ist in schematischer Form eine Detektoreinrichtung 30 dargestellt, wie sie in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung verwendet werden kann. Grundsätzlich dient die Detektoreinrichtung 30 – wie bereits oben angedeutet – zur spektralen Trennung der über die verschiedenen Wellenlängen kodierten, phasenverschobenen Einzelsignale. Zu diesem Zweck umfasst die Detektoreinrichtung, die am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser angeordnet ist, schematisch angedeutete Aufspaltmittel 31 zur wellenlängenabhängigen Trennung der Teilsignalstrahlenbündel, die über die Lichtleitfaser in Richtung Detektoreinrichtung 30 übertragen werden. Die Aufspaltmittel 31 sind im vorliegenden Beispiel als dispersives Element in Form eines Beugungsgitters ausgebildet, die das einfallende Strahlenbündel mit den drei kollinearen Teilsignalstrahlenbündeln in drei Einzelsignalstrahlenbündel aufspalten, die unter drei leicht unterschiedlichen Winkeln weiter in Richtung einer Linse 33 propagieren. Über die Linse 33 werden die Einzelsignalstrahlenbündel schließlich auf drei nachgeordnete optoelektronische Detektorelemente 32.1–32.3 fokussiert, die die detektierten Einzelsignalstrahlenbündel in elektrische, phasenverschobene Abtastsignale umsetzen.
Wenn etwa wie im ersten Ausführungsbeispiel einer geeigneten Abtastplatte beschrieben, zwischen den einzelnen Wellenlängen λ_i eine Wellenlängendifferenz von 15 nm existiert und das Aufspaltmittel 31 bzw. Beugungsgitter eine Gitterkonstante von 0.6 μm besitzt, so ergibt sich bei einem Einfallswinkel von 45°, unter dem das einfallende Signalstrahlenbündel auf das Beugungsgitter auftrifft, ein Beugungswinkel für die austretenden Einzelsignalstrahlenbündel von ebenfalls etwa 45°. Hierbei ist die Gitterkonstante des Beugungsgitters so klein gewählt, damit bei der Wellenlänge von 860 nm nur noch eine nullte und eine erste Beugungsordnung auftreten können. Wird hierbei das Beugungsgitter als Phasengitter ausgelegt, so kann durch die geeignete Wahl der Gitterparameter Strichbreite und Stufenhöhe auch die nullte Beugungsordnung unterdrückt werden. Dies erweist sich als vorteilhaft für die resultierende Signalamplitude.
Im Fall der o. g. einzelnen Wellenlängen ergibt sich mit einer Gitterkonstante 0.6 μm eine Winkelaufspaltung von 36 mrad. Über eine Linse 33 mit einer Brennweite von 60 mm ergibt sich eine laterale Aufspaltung in der Detektionsebene von 2.2 mm.
Analog zu diesen beispielhaften Überlegungen kann die Detektoreinrichtung auch bei einer anderen vorliegenden Differenz der einzelnen Wellenlängen geeignet dimensioniert werden.
Alternativ zum dargestellten Beispiel kann die chromatische Dekodierung des in die Detektoreinrichtung 30 einfallenden Signalstrahlenbündels in die drei Einzelsignalstrahlenbündel auch mit anderen Aufspaltmitteln erfolgen. Geeignet sind etwa auch ein Dispersionsprisma, dichroitische Spiegel sowie kombinierte Anordnungen aus Strahlteilern und Interferenzfiltern etc..
Nicht in 6 dargestellt sind weitere Komponenten zur Signalverarbeitung, die darin noch zusätzlich angeordnet werden können. Hierzu gehören etwa Verstärker-Bausteine, A/D-Wandler etc., über die eine weitere elektronische Vearbeitung und Aufbereitung der Abtastsignale erfolgt.
Neben den erläuterten Ausführungsformen lassen sich die erfindungsgemäßen Überlegungen natürlich noch weiter abwandeln.
Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels einer geeigneten Abtastplatte erwähnt wurde, kann es ggf. nötig sein, anstelle einer einzigen breitbandigen Lichtquelle eine zusammengesetzte Lichtquelle bzw. Lichtquelleneinheit zu verwenden, die aus drei Einzellicht quellen mit unterschiedlichen einzelnen Wellenlängen besteht. Je nach Ausführungsform können hierbei als Lichtquelle Laserdioden, VCSELs, LEDS, OLEDs etc. zum Einsatz kommen. Eine entsprechende Lichtquelleneinheit 230 ist in 7 schematisiert dargestellt. Vorgesehen sind hierbei drei einzelne Lichtquellen 231, 232, 233 mit jeweils vorgeordneten Optikelementen 234, 235, 236, so dass kollimierte Strahlenbündel über zwei Strahlteiler 237, 238 zu einem einzigen Ausgangs- bzw. Beleuchtungsstrahlenbündel überlagert werden können.
Eine weitere alternative Ausführungsvariante einer Lichtquelleneinheit 2300 ist in 8 schematisiert dargestellt. In diesem Beispiel ist vorgesehen, die Strahlung von drei einzelnen Lichtquellen 2310, 2320, 2330 über eine erste Linse 2340, eine Beugungsgitter 2350 und eine zweite Linse 2341 in die Lichtleitfaser 22 einzukoppeln. Alternativ zum Beugungsgitter 2350 können an dieser Stelle auch dichroitische Strahlteiler verwendet werden.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich verschiedene Anordnungsmöglichkeiten für die Lichtquelle(n) und die Detektorelemente gemäß den vorab erläuterten Varianten gibt. Erwähnt sei in diesem Zusammenhang etwa eine Detektoreinrichtung, wie sie in der 6 dargestellt ist und bei der zudem über das Beugungsgitter 31 die Strahlung einer Lichtquelle in Transmission in die Lichtleitfaser 22 eingekoppelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6906315 [0004]
- EP 163362 B1 [0053]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- "Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology", R. M. Pettigrew, SPIE Vol. 136, 1st European Congress an Optics Applied to Metrology (1977) [0052]

Claims

Optische Positionsmesseinrichtung zur Erfassung der Relativposition eines Faseroptik-Abtastkopfes (20; 120; 220; 320) und einer hierzu in mindestens einer Messrichtung (x) beweglichen Maßverkörperung (10), wobei der Faseroptik-Abtastkopf (20; 120; 220; 320) ein periodisches Streifenmuster mit einer bestimmten Streifenmusterperiode abtastet, das aus der Beleuchtung der Maßverkörperung (10) resultiert und zur Abtastung eine Abtastplatte (21; 121; 221; 321) vor dem maßverkörperungsseitigen Ende einer Lichtleitfaser (22) im Faseroptik-Abtastkopf (20; 120; 220; 320) angeordnet ist, die auf die Streifenmusterperiode abgestimmt ist und mit ein oder mehreren Beleuchtungsstrahlenbündeln in Teilsignalstrahlenbündeln über eine wellenlängenabhängige örtliche Trennung zueinander phasenverschobene Streifenmuster innerhalb einer Streifenmusterperiode erzeugbar sind und die Teilsignalstrahlenbündel zur Umsetzung in positionsabhängige phasenverschobene Abtastsignale nutzbar sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtleitfaser (22) als Multimodefaser ausgebildet ist, über die sowohl die zur Beleuchtung genutzten Beleuchtungsstrahlenbündel zur Maßverkörperung hin als auch die zur Detektion genutzten Teilsignalstrahlenbündel von der Maßverkörperung (10) weg übertragbar sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, wobei am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser (22) – eine spektral breitbandige Lichtquelle (23) oder – mehrere Lichtquellen (23.1–23.3), die Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen (λ_i) emittieren, angeordnet sind, deren Strahlung als Beleuchtungsstrahlenbündel über Einkoppelmittel (24, 25, 26) jeweils in die Lichtleitfaser (22) einkoppelbar ist.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, wobei am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser (22) eine Detektoreinrichtung (30) angeordnet ist, die – Aufspaltmittel (31) zur wellenlängenabhängigen Trennung der Teilsignalstrahlenbündel sowie – mehrere optoelektronische Detektorelemente (32.1–32.3) umfasst, denen die aufgetrennten Teilsignalstrahlenbündel zuführbar sind und die detektierten Teilsignalstrahlenbündel in elektrische, phasenverschobene Abtastsignale umsetzen.
Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abtastplatte (121) als gestuftes Phasengitter auf einem transparenten Trägersubstrat (122) ausgebildet ist, welches innerhalb einer Gitterperiode mehrere Stufungen aufweist, so dass derart zusammen mit der Substratrückseite (123) oder einer Reflexionsschicht (124) mehrere Teil-Etalons pro Gitterperiode mit unterschiedlichen Transmissionswellenlängen ausgebildet werden, die auf die verschiedenen Wellenlängen (λ_i) des mindestens einen Beleuchtungsstrahlenbündels abgestimmt sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die spektralen Halbwertsbreiten (Δλ_i) und die spektralen Abstände (Δλ_E) der Transmissionslinien der ausgebildeten Teil-Etalons kleiner als die spektrale Halbwertsbreite (Δλ_LQ) der Emissionslinie der mindestens einen Lichtquelle (23) gewählt sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die spektrale Halbwertbreite (Δλ_i) der Transmissionslinien der Teil-Etalons jeweils kleiner ist als deren spektraler Abstand (Δλ_E).
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Transmissionslinien der Teil-Etalons symmetrisch innerhalb der spektralen Halbwertsbreite (Δλ_LQ) der Emissionsline der mindestens einen Lichtquelle (23) liegen.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Dicken (D₁) der Teil-Etalons kleiner als die Kohärenzlänge (L_coh) der mindestens einen Lichtquelle (23) gewählt sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 5, wobei der freie Spektralbereich (FSR) zwischen den Transmissionslinien der ausgebildeten Teil-Etalons größer als die spektrale Halbwertsbreite (Δλ_LQ) der Emissionslinie der mindestens einen Lichtquelle (23) gewählt ist.
Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5–10, wobei die Abtastplatte (121) aus einem transparenten Trägersubstrat (122) besteht, auf dessen Oberfläche ganzflächig eine erste planare Reflexionsschicht (124) aufgebracht ist, auf der die gestufte Phasengitterstruktur aus einem hochtransparenten Dielektrikum angeordnet ist, auf der eine weitere, zweite Reflexionsschicht (125) angeordnet ist.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4 und 5, wobei auf Seiten der Detektoreinrichtung (30) – das Aufspaltmittel (31) zur wellenlängenabhängigen Trennung der Teilsignalstrahlenbündel als dispersives optisches Element ausgebildet ist und – ferner eine Linse (33) zum Fokussieren der Teilsignalstrahlenbündel umfasst und in der Fokusebene der Linse (33) die Detektorelemente (32.1–32.3) angeordnet sind, deren Breiten auf die spektralen Breiten der Teil-Etalons abgestimmt sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–4, wobei die Abtastplatte (221) durch eine abschnittsweise segmentierte, keilförmige Platte mit einer sägezahnförmigen Oberflächenstruktur auf einem transparenten Trägersubstrat (222) ausgebildet ist, die ein Fizeau-Interferenzstreifenmuster gleicher Dicke erzeugt, wobei der Keilwinkel (θ) der Platte so gewählt ist, dass der resultierende Streifenabstand (Λ) im Fizeau-Interferenzstreifenmuster der von der Maßverkörperung (10) erzeugten Streifenmusterperiode entspricht.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 13, wobei innerhalb einer von der Maßverkörperung (10) erzeugten Streifenmusterperiode in der abschnittsweise segmentierten, keilförmigen Platte mit einer sägezahnförmigen Oberflächenstruktur mehrere wellenlängenkodierte Fizeau-Interferenzstreifenmuster gleicher Dicke erzeugbar sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 13, wobei die mittleren Dicken (D_i) der einzelnen Keile kleiner als die jeweilige Kohärenzlänge (L_coh) der mindestens einen Lichtquelle (23) gewählt sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 13, wobei die über die Interferenzstreifen innerhalb eines sägezahnförmigen Abschnitts aufsummierte Differenz der Fizeau-Streifenmusterperioden unterschiedlicher Wellenlängen maximal ein Viertel der Teilungsperiode der Maßverkörperung ist.
Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13–16, wobei die Abtastplatte (221) aus einem transparenten Trägersubstrat (222) besteht, auf dessen Oberfläche ganzflächig eine erste planare Reflexionsschicht (224) aufgebracht ist, auf der die abschnittsweise segmentierte keilförmige Platte mit einer sägezahnförmigen Oberflächenstruktur aus einem hochtransparenten Dielektrikum ange ordnet ist, auf der eine weitere, zweite Reflexionsschicht (225) angeordnet ist.
Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem Ansprüche 1–4, wobei die Abtastplatte (321) in Form mehrerer streifenförmiger Teilbereiche mit unterschiedlichen spektralen Transmissionscharakteristiken ausgebildet ist, die auf die Wellenlänge (λ_LQ) des mindestens einen Beleuchtungsstrahlenbündels abgestimmt sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 18, wobei die verschiedenen Teilbereiche als transparente, photostrukturierbare, farbige Kunststoffschichten ausgebildet sind.