DE102015204165A1

DE102015204165A1 - Optische Winkelmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102015204165A1
Application number: DE102015204165.4A
Authority: DE
Inventors: Heinz Tovar; Daniel Frese; Wolfgang Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-09-15
Also published as: JP2016166874A; JP6756496B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Winkelmesseinrichtung. Diese umfasst einen mit einem ersten Objekt verbundenen trommelförmigen Teilungsträger, an dem mindestens entlang eines Abschnittes eine transmittive Maßverkörperung über den Trommelumfang angeordnet ist. Ferner umfasst die optische Winkelmesseinrichtung eine mit einem zweiten Objekt verbundene Abtasteinheit mit einer Lichtquelle und einer Detektoreinheit. Das erste und das zweite Objekt sind um eine Rotationsachse relativ zueinander drehbar angeordnet. Aus der optischen Abtastung diametral gegenüberliegender Maßverkörperungsbereiche sind Messwerte bezüglich der Winkellage der beiden relativ zueinander drehbaren Objekte erzeugbar. Hierbei kreuzen sich die im Inneren des trommelförmigen Teilungsträgers propagierenden Teilstrahlenbündel in der Rotationsachse. Ferner umfasst die Abtasteinheit ein Aufspaltelement, das ein von der Lichtquelle her darauf einfallendes Strahlenbündel in mindestens zwei Teilstrahlenbündel aufspaltet, welche einen ersten Maßverkörperungsbereich beaufschlagen und dort jeweils eine Ablenkung in Richtung der Rotationsachse erfahren. Desweiteren ist auf Seiten der Abtasteinheit ein Vereinigungselement vorgesehen, das die nach dem Beaufschlagen eines zweiten Maßverkörperungsbereichs konvergierend auf das Vereinigungselement einfallenden Teilstrahlenbündel derart umlenkt, dass Paare interferierender Teilstrahlenbündel in Richtung der Detektoreinheit propagieren.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Winkelmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Diese ist zur hochgenauen Bestimmung der Relativlage zweier Objekte geeignet, welche um eine Rotationsachse relativ verdrehbar zueinander angeordnet sind.
STAND DER TECHNIK
Eine gattungsgemäße Winkelmesseinrichtung ist aus der EP 0 262 349 A2 bekannt. Diese umfasst einen mit einem ersten Objekt verbundenen trommelförmigen Teilungsträger, an dem mindestens entlang eines Abschnittes eine transmittive Maßverkörperung über den Trommelumfang angeordnet ist. Desweiteren ist eine mit einem zweiten Objekt verbundene Abtasteinheit mit einer Lichtquelle und einer Detektoreinheit vorgesehen. Das erste und das zweite Objekt sind um eine Rotationsachse relativ zueinander drehbar angeordnet. Aus der optischen Abtastung diametral gegenüberliegender Maßverkörperungsbereiche werden Messwerte bezüglich der Winkellage der beiden relativ zueinander drehbaren Objekte erzeugt. Aufgrund des gewählten Abtastprinzips kreuzen sich die im Inneren des trommelförmigen Teilungsträgers propagierenden Teilstrahlenbündel in der Rotationsachse.
Über derart aufgebaute optische Winkelmesseinrichtungen lassen sich Fehler bei der Positionsbestimmung vermeiden, die etwa durch eine fehlerhafte bzw. nicht exakt zentrische Lagerung des trommelförmigen Teilungsträgers verursacht werden. Desweiteren bieten derartige Winkelmesseinrichtungen den grundsätzlichen Vorteil, dass in axialer Richtung, d.h. in der Längserstreckungsrichtung der Rotationsachse, große Relativverschiebungen der verschiedenen Komponenten zulässig sind, ohne dass dadurch Messfehler resultieren.
Die aus 2 der EP 0 262 349 A2 bekannte Lösung erfordert im Inneren des trommelförmigen Teilungsträgers die Anordnung zweier paralleler Planspiegel, die von den zur Signalgewinnung herangezogenen Teilstrahlenbündeln jeweils mehrfach beaufschlagt werden. Bei der Montage einer derartigen optischen Winkelmesseinrichtung erweist sich die exakt parallele Anordnung der beiden Planspiegel jedoch als relativ aufwändig. Liegt dann im Messbetrieb auch nur eine geringe Verkippung eines Planspiegels aus seiner Nominallage vor, so hat dies einen deutlich verschlechterten Modulationsgrad der erzeugten Signale zur Folge.
Bei der in 3 vorgeschlagenen Lösung aus der EP 0 262 349 A2 sind anstelle der zwei Planspiegel zwei Gitter im Inneren des trommelförmigen Teilungsträgers angeordnet. Auch diese Lösung erfordert einen großen Justageaufwand. Zudem sind für die erforderlichen Ablenkwirkungen hierbei Gitter mit sehr kleinen Teilungsperioden erforderlich, die nur mit größerem Aufwand herzustellen sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Winkelmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die möglichst große Toleranzen bezüglich der korrekten Positionierung einzelner Komponenten im Abtaststrahlengang aufweist und einfach zu fertigende Komponenten umfasst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Winkelmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Die erfindungsgemäße optische Winkelmesseinrichtung umfasst einen mit einem ersten Objekt verbundenen trommelförmigen Teilungsträger, an dem mindestens entlang eines Abschnittes eine transmittive Maßverkörperung über den Trommelumfang angeordnet ist und eine mit einem zweiten Objekt verbundene Abtasteinheit mit einer Lichtquelle und einer Detektoreinheit. Das erste und das zweite Objekt sind um eine Rotationsachse relativ zueinander drehbar angeordnet. Aus der optischen Abtastung diametral gegenüberliegender Maßverkörperungsbereiche sind Messwerte bezüglich der Winkellage der beiden relativ zueinander drehbaren Objekte erzeugbar; hierbei kreuzen sich die im Inneren des trommelförmigen Teilungsträgers propagierenden Teilstrahlenbündel in der Rotationsachse. Die Abtasteinheit umfasst ferner ein Aufspaltelement, das ein von der Lichtquelle her darauf einfallendes Strahlenbündel in mindestens zwei Teilstrahlenbündel aufspaltet, welche einen ersten Maßverkörperungsbereich beaufschlagen und dort jeweils eine Ablenkung in Richtung der Rotationsachse erfahren. Ferner umfasst die Abtasteinheit ein Vereinigungselement, das die nach dem Beaufschlagen eines zweiten Maßverkörperungsbereichs konvergierend auf das Vereinigungselement einfallenden Teilstrahlenbündel derart umlenkt, dass Paare interferierender Teilstrahlenbündel in Richtung der Detektoreinheit propagieren.
Mit Vorteil ist das Aufspaltelement als der Maßverkörperung vorgeordnetes Aufspaltgitter ausgebildet, welches eine Aufspaltung des darauf einfallenden Strahlenbündels in gebeugte Teilstrahlenbündel mindestens zweier verschiedener Beugungsordnungen bewirkt, die in Richtung des ersten Maßverkörperungsbereichs propagieren.
Es ist dabei möglich, dass das Aufspaltgitter als Phasengitter ausgebildet ist, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt und die resultierenden +/–1. Beugungsordnungen als zur Signalerzeugung genutzte Teilstrahlenbündel fungieren.
Hierbei kann für die Teilungsperiode des Aufspaltgitters die Beziehung d_A = 8·π·D/N gelten, mit

d_A: ≔ Teilungsperiode des Aufspaltgitters
D: ≔ Abstand des Aufspaltelements von der Rotationsachse
N: ≔ Anzahl der erzeugten Signalperioden pro Umdrehung

Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass das Aufspaltgitter als Amplitudengitter ausgebildet ist, auf welches das einfallende Strahlenbündel unter einem Winkel ungleich 0° zur Gitternormalen einfällt, so dass die resultierende 0. Beugungsordnung und die resultierende +1. Beugungsordnung als zur Signalerzeugung genutzte Teilstrahlenbündel fungieren.
Dabei kann für die Teilungsperiode des Aufspaltgitters die Beziehung d_A = 4·π·D/N gelten, mit

Es ist desweiteren möglich, dass das Vereinigungselement der Maßverkörperung nachgeordnet und identisch zum Aufspaltelement ausgebildet sowie im gleichen Abstand zur Maßverkörperung angeordnet ist.
In einer möglichen Ausführungsform kann das Vereinigungselement als Phasengitter ausgebildet sein, so dass die +2. und 0., die +1. und –1., die –2. und 0. Ordnung der gebeugten Teilstrahlenbündel jeweils miteinander interferieren und parallel zur Detektoreinheit mit mehreren Photodetektoren propagieren, über die mehrere phasenverschobene Abtastsignale erzeugbar sind.
Desweiteren kann das Vereinigungselement als Gitter ausgebildet sein, so dass die darüber gebeugten Teilstrahlenbündel unter einem Winkel auf eine Detektoreinheit mit einem strukturierten Photodetektor treffen.
Schließlich ist es möglich, dass für die Teilungsperiode der Maßverkörperung die Beziehung d_M = 8πR/N gilt, mit

d_M: ≔ Teilungsperiode der Maßverkörperung
R: ≔ Radius des trommelförmigen Teilungsträgers
N: ≔ Anzahl der erzeugten Signalperioden pro Umdrehung

In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Maßverkörperung derart ausgebildet ist,

– dass die mindestens zwei auf den ersten Maßverkörperungsbereich einfallenden Teilstrahlenbündel jeweils eine Beugung in +/–1. Ordnung erfahren und ein in +1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel sowie ein in –1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel in Richtung der Rotationsachse propagiert und
– dass die mindestens zwei auf den zweiten Maßverkörperungsbereich einfallenden Teilstrahlenbündel jeweils eine Beugung in +/–1. Ordnung erfahren und ein in +1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel sowie ein in –1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel in Richtung des Vereinigungselements propagiert.

Vorteilhaft erweist sich dabei, wenn die Maßverkörperung als Phasengitter ausgebildet ist, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt.
In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass der Teilungsträger als transparenter Vollzylinder ausgebildet ist, auf dessen äußerer Mantelfläche die Maßverkörperung angeordnet ist und vor dem ersten beaufschlagten Maßverkörperungsbereich sowie nach dem zweiten beaufschlagten Maßverkörperungsbereich jeweils ein optisches Korrekturelement im Strahlengang der Teilstrahlenbündel angeordnet ist, welches deformierte Wellenfronten der Teilstrahlenbündel in ebene Wellenfronten überführt.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass das von der Lichtquelle emittierte Strahlenbündel über eine Kollimatoroptik eine Kollimation erfährt, so dass

– die Kollimation erfolgt, bevor das emittierte Strahlenbündel das Aufspaltelement beaufschlagt und
– die erzeugte Kollimation so ausgestaltet ist, dass Teilstrahlenbündel, die nicht unmittelbar zur Signalgewinnung beitragen, ausblendbar sind und nicht mit den signalerzeugenden Teilstrahlenbündeln überlappen.

Desweiteren kann der Teilungsträger als transparenter Hohlzylinder oder als transparenter Vollzylinder ausgebildet sein, auf dessen äußerer Mantelfläche die Maßverkörperung angeordnet ist.
Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung, dass diese große Toleranzen bezüglich der korrekten Anordnung einzelner Komponenten im Abtaststrahlengang aufweist. Insbesondere die Positionierung des in der Abtasteinheit angeordneten Aufspaltelements und des Vereinigungselements relativ zur Maßverkörperung ist relativ unkritisch.
Auf Grundlage der vorliegenden Erfindung lassen sich somit optische Winkelmesseinrichtungen realisieren, die kompakte trommelförmige Teilungsträger mit einer hohen Strichzahl umfassen und gleichzeitig große Anbautoleranzen besitzen.
Desweiteren erlaubt die Anordnung der Aufspalt- und Vereinigungselemente außerhalb des Inneren des trommelförmigen Teilungsträgers, dass hierfür Gitter mit größeren Teilungsperioden einsetzbar sind, welche einen geringeren Fertigungsaufwand erfordern.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit den Figuren erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung;
2a eine Teildarstellung einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels zur Erzeugung von drei phasenverschobenen Signalen mithilfe eines transmittiven Phasengitters;
2b eine Teildarstellung einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels zur Erzeugung eines abtastbaren Streifenmusters auf einem strukturierten Detektor;
3 eine Teildarstellung einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels;
4 eine schematische Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung ist in 1 schematisiert dargestellt. Diese umfasst einen trommelförmigen Teilungsträger 10, der vorliegend als transparenter Hohlzylinder aus einem geeigneten Kunststoff- oder Glas-Material, z.B. BK7-Glas, ausgebildet und mit einem nicht dargestellten ersten Objekt verbunden ist. Mindestens entlang eines Abschnittes entlang der Trommel-Längsachse ist über den Trommelumfang des Teilungsträgers 10 auf der äußeren Mantelfläche des Hohlzylinders eine transmittive Maßverkörperung 11 angeordnet. Die Längsrichtungen der Teilungsstriche der Maßverkörperung 11 sind hierbei parallel zur Trommel-Längsachse, also senkrecht zur Zeichenebene, orientiert. Als Maßverkörperung 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Phasengitter mit der Teilungsperiode d_M vorgesehen, welches derart ausgebildet ist, dass darüber die 0. Beugungsordnung unterdrückt wird.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße optische Winkelmesseinrichtung eine Abtasteinheit 20, die mit einem zweiten – ebenfalls nicht dargestellten – Objekt verbunden ist. Die Abtasteinheit 20 weist eine Lichtquelle 21, eine Kollimatoroptik 22, ein Aufspaltelement 23 sowie ein Vereinigungselement 24 und eine Detektoreinheit 25 auf.
Das erste und zweite Objekt bzw. der trommelförmige Teilungsträger 10 und die Abtasteinheit 20 sind um eine Rotationsachse R relativ zueinander drehbar angeordnet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das erste Objekt bzw. der trommelförmige Teilungsträger 10 um die Rotationsachse R drehbar und das zweite Objekt bzw. die Abtasteinheit 20 demgegenüber stationär angeordnet ist. Die Rotationsachse R fällt dabei wie aus 1 ersichtlich mit der Trommel-Längsachse des Teilungsträgers 10 zusammen.
Bei den beiden Objekten kann es sich z.B. um zueinander drehbar angeordnete Maschinenkomponenten handeln, deren Relativposition mit Hilfe der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung zu bestimmen ist. Die von der Winkelmesseinrichtung erzeugten Abtastsignale lassen sich dann in Messwerte bezüglich der Winkellage der beiden zueinander drehbaren Objekte umsetzen. Dies kann etwa mittels einer in 1 angedeuteten Signalverarbeitungseinheit 26 erfolgen, die der Detektoreinheit 25 nachgeordnet ist. Über diese Messwerte erfolgt dann mit Hilfe einer übergeordneten Maschinensteuerung beispielsweise eine Positionierung der Objekte.
Nachfolgend sei nunmehr der Abtaststrahlengang im ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung erläutert, über den die winkelabhängigen Abtastsignale erzeugbar sind.
Das von der Lichtquelle 21, beispielsweise einer Laserdiode, entlang einer Zentralachse A emittierte Strahlenbündel durchläuft in der Abtasteinheit 20 zunächst die Kollimatoroptik 22 und erfährt darüber ein Kollimation, bevor das kollimierte Strahlenbündel dann auf das im weiteren Strahlengang angeordnete Aufspaltelement 23 auftrifft, welches in Strahlausbreitungsrichtung der Maßverkörperung 11 vorgeordnet ist. Über das Aufspaltelement 23 erfolgt eine Aufspaltung des einfallenden Strahlenbündels in mindestens zwei Teilstrahlenbündel 30.1, 30.2, die dann jeweils weiter in Richtung der Maßverkörperung 11 propagieren und dort einen ersten Maßverkörperungsbereich beaufschlagen.
Das Aufspaltelement 23 ist hier als Aufspaltgitter in Form eines transmittiven Phasengitters mit der Teilungsperiode d_A ausgebildet. Dieses bewirkt eine Aufspaltung des darauf einfallenden Strahlenbündels in die gebeugten Teilstrahlenbündel 30.1, 30.2 mindestens zweier verschiedener Beugungsordnungen. Vorliegend unterdrückt das als Aufspaltelement 23 verwendete Phasengitter die 0. Beugungsordnung, während die +/–1. Beugungsordnungen als zur Signalerzeugung genutzte Teilstrahlenbündel 30.1, 30.2 fungieren und in Richtung eines ersten Maßverkörperungsbereichs propagieren.
Die Teilstrahlenbündel 30.1, 30.2 erfahren anschließend beim Durchlaufen des ersten Maßverkörperungsbereichs der Maßverkörperung 11 jeweils eine Ablenkung in Richtung der Rotationsachse R bzw. zur Zentralachse A hin. Dies wird mittels der Ausbildung der Maßverkörperung 11 als transmittives Phasengitter sichergestellt, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt und primär in die +/–1. Beugungsordnungen ablenkt. So wird vom Teilstrahlenbündel 30.1 die an der Maßverkörperung 11 resultierende +1. Beugungsordnung als zur Signalerzeugung verwendetes Teilstrahlenbündel 31.1 genutzt und vom Teilstrahlenbündel 30.2 die an der Maßverkörperung 11 resultierende –1. Beugungsordnung als zur Signalerzeugung verwendetes Teilstrahlenbündel 31.2. Die desweiteren noch an der Maßverkörperung 11 resultierende –1. Beugungsordnung des Teilstrahlenbündels 30.1 bzw. die resultierende +1. Beugungsordnung des Teilstrahlenbündels 30.2 sind in 1 zwar noch eingezeichnet, zur Erzeugung der rotationsabhängigen Abtastsignale tragen diese Beugungsordnungen jedoch nicht weiter bei.
Die gebeugten Teilstrahlenbündel 31.1, 31.2 propagieren dann anschließend jeweils symmetrisch zur Zentralachse A in Richtung der Rotationsachse R, kreuzen sich dort und propagieren weiter in Richtung eines zweiten Maßverkörperungsbereichs auf dem trommelförmigen Teilungsträger 10. Der zweite Maßverkörperungsbereich befindet sich hierbei auf dem Teilungsträger 10 in radialer Richtung genau gegenüber vom ersten Maßverkörperungsbereich, den die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel 30.1, 30.2 in der Maßverkörperung 11 zunächst durchlaufen. Im zweiten Maßverkörperungsbereich durchlaufen die Teilstrahlenbündel 31.1, 31.2 erneut die Maßverkörperung 11 und werden dabei derart umgelenkt, dass nach dem Beaufschlagen des zweiten Maßverkörperungsbereichs der Maßverkörperung 11 die beiden Teilstrahlenbündel 32.1, 32.2 konvergierend auf das Vereinigungselement 24 einfallen, das der Maßverkörperung 11 in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnet ist. Analog zum Durchlaufen des ersten Maßverkörperungsbereichs resultiert im zweiten Maßverkörperungsbereich dabei wieder eine Aufspaltung der einfallenden Teilstrahlenbündel 31.1, 31.2 in +/–1. Beugungsordnungen, von denen zur Signalgewinnung wiederum nur die +1. Beugungsordnung des Teilstrahlenbündels 31.2 bzw. die –1. Beugungsordnung des Teilstrahlenbündels 31.1 genutzt wird.
In Richtung des Vereinigungselements 24 propagieren somit konvergierend die zur Signalgewinnung genutzten Teilstrahlenbündel 32.1, 32.2, die am Vereinigungselement 24 zur Überlagerung gelangen. Mit Hilfe des Vereinigungselements 24 werden die darauf einfallenden Teilstrahlenbündel dann derart umgelenkt, dass Paare interferierender Teilstrahlenbündel in einem Signalstrahlenbündel 33 in Richtung der nachgeordneten Detektoreinheit 25 propagieren. Über die Detektoreinheit 25, z.B. ausgebildet als ein oder mehrere Photodetektoren, werden im Fall der Rotation des Teilungsträgers 10 bzw. der Maßverkörperung 11 um die Rotationsachse R periodische Abtastsignale aus der Interferenz der überlagerten Teilstrahlenbündel erfasst. Aus diesen Abtastsignalen können dann mit Hilfe der Signalverarbeitungseinheit 26 Messwerte bezüglich der Winkellage der zueinander drehbaren Objekte gewonnen werden.
Das Vereinigungselement 24 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel, in dem die verschiedenen zur Signalerzeugung genutzten Teilstrahlenbündel 30.1, 30.2, 31.1, 31.2, 32.1, 32.2 symmetrisch zur Zentralachse A propagieren, identisch zum Aufspaltelement 23 ausgebildet; desweiteren ist dieses im gleichen Abstand zur Maßverkörperung 11 angeordnet wie auch das Aufspaltelement. Vorgesehen ist demnach ein Aufspaltgitter in Form eines transmittiven Phasengitters, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt und in die +/–1. Ordnungen beugt. Die Teilungsperiode d_V dieses Phasengitters wird identisch zur Teilungsperiode d_A des als Aufspaltelements 23 genutzten Phasengitters 23 gewählt.
Um für eine Interpolation mehrere phasenverschobene Abtastsignale zu erzeugen, können in der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung mehrere bekannte Verfahren benutzt werden.
In Anlehnung an das aus EP 163 362 A1 bekannte Verfahren kann beispielsweise das Vereinigungselement als binäres, transmittives Phasengitter zur Aufspaltung in drei Strahlenbündel ausgebildet werden, deren Phasenlage zueinander verschoben ist. Das Phasengitter besteht hierbei aus periodisch angeordneten Teilungsbereichen mit unterschiedlichen phasenschiebenden Wirkungen. Ein entsprechender Strahlengang einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels ist in 2a gezeichnet, wo jeweils die +2./0., +1./–1., und die –2./0. Ordnungen der durch das Vereinigungselement 324 gebeugten Teilstrahlenbündel 332.1 und 332.2 überlagert werden und jeweils interferieren und parallel zur Detektoreinheit mit mehreren Photodetektoren 325.1–325.3 propagieren, über die dann mehrere phasenverschobene Abtastsignale erzeugbar sind. Die Teilungsperiode d_V des als binäres, transmittives Phasengitter ausgebildeten Vereinigungselements 324 wird gleich zur Teilungsperiode d_A des hier nicht dargestellten Aufspaltelements gewählt. Unter Beachtung der nachfolgenden Gleichung (1) können dann beispielsweise drei um jeweils 120° verschobene Abtastsignale erzeugt werden: τ = ½ + √1/12·cot(ϕ/2) (Gl. 1) mit:

τ: ≔ relative Breite eines Teilungsbereichs mit konstanter Verzögerungsphase im Vergleich zur Teilungsperiode d_V
ϕ: ≔ Relative Phasenverzögerung der beiden binären Teilungsbereiche des Phasengitters zueinander

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung mehrerer phasenverschobener Abtastsignale besteht beispielsweise in der Erzeugung eines Vernier-Streifenmusters. Die zu messende Rotation des trommelförmigen Teilungsträgers bzw. der Maßverkörperung resultiert dann in einem Wandern des Vernier-Streifenmusters über die Detektoreinheit, die hier als sogenannter strukturierter Photodetektor ausgebildet ist. Die Messung und anschließende Auswertung der Phasenlage der Vernier-Streifen mit dem strukturierten Photodetektor erlaubt dann direkt eine interpolierte Bestimmung der zu messenden Rotationslage. Der detektionsseitige Strahlengang einer derartigen Variante des ersten Ausführungsbeispiels ist in 2b schematisiert dargestellt. Ein Vernier-Streifenmuster mit der Periodizität d_D wird erzeugt, wenn die vom Vereinigungselement 424 kommenden Teilstrahlenbündel 433.1 und 433.2 sich unter dem Winkel α auf dem strukturierten Photodetektor 425 kreuzen, wobei die nachfolgende Beziehung (2) gilt: sinα = λ/d_D (Gl. 2) mit:

λ: ≔ Wellenlänge des verwendeten Lichts
α:: Winkel, unter dem sich die einfallenden Teilstrahlenbündel auf dem strukturierten Photodetektor kreuzen
d_D:: Periodizität des Vernier-Streifenmusters

Ein entsprechend der erwünschten Periodizität d_D des Vernier-Streifenmusters notwendiger Winkel α zwischen zwei auf den strukturierten Photodetektor 425 zulaufenden Teilstrahlenbündel 433.1, 433.2 kann sich mithilfe des Vereinigungselements 424 realisieren lassen. Hierbei muss für das wiederum als Gitter ausgebildete Vereinigungselement 424 dessen Teilungsperiode entsprechend gewählt werden, so dass sich die +1. und –1. Ordnung der gebeugten Teilstrahlenauf das Vereinigungselement 424 einfallenden Teilstrahlenbündel 432.1 und 432.2 unter dem entsprechenden Winkel α kreuzen.
Alternativ zu diesen beiden erläuterten Varianten zur Erzeugung phasenverschobener Abtastsignale können in der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung auch polarisierende Bauteile wie z.B. Polarisatoren und/oder λ/4-Wellenplatten in den Abtaststrahlengang eingebracht werden, um zueinander orthogonal polarisierte Teilstrahlenbündel zu erzeugen. Nach der Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel können in bekannter Weise daraus ebenfalls phasenverschobene Abtastsignale erzeugt werden.
Über den erläuterten Abtaststrahlengang resultieren in der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung rotationsabhängige periodische Abtastsignale mit einer Signalperiode SP, die dem Vierfachen der Teilungsperiode d_M der verwendeten Maßverkörperung 11 entspricht.
Die Signalerzeugung basiert in der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung maßgeblich darauf, dass nur bestimmte Teilstrahlenbündel zur Interferenz gelangen und mittels der Detektoreinheit 25 erfasst werden. Dabei handelt es sich wie vorstehend erläutert i.w. um die entsprechenden resultierenden Beugungsordnungen am Aufspaltelement 23, an der Maßverkörperung 11 sowie am Vereinigungselement 24. Treffen noch weitere Teilstrahlenbündel, etwa aus anderen Beugungsordnungen, auf die Detektoreinheit 25, so wird der Modulationsgrad der erzeugten Abtastsignale dadurch reduziert, d.h. es resultieren dann verschlechterte Abtastsignale. Eine Möglichkeit, derartige unerwünschte Teilstrahlenbündel nicht auf die Detektoreinheit 25 gelangen zu lassen, besteht darin, die Positionen des Aufspaltelements 23 und/oder des Vereinigungselements 24 sowie deren Teilungsperioden d_A, d_V geeignet zu wählen. Dadurch lässt sich der Aufspaltwinkel zwischen den für die Signalerzeugung genutzten Teilstrahlenbündeln 30.1, 30.2 festlegen und derart unerwünschte, parasitäre Beugungsordnungen ausblenden. Weiterhin vorteilhaft für eine Trennung unerwünschter Teilstrahlenbündel von den zur Signalerzeugung genutzten Teilstrahlenbündeln ist, wenn eine gute Kollimation des von der Lichtquelle 21 gelieferten Strahlenbündels vorliegt. Vorzugsweise wird hierzu die Kollimatoroptik 22 derart ausgebildet, dass die nicht unmittelbar zur Signalgewinnung beitragenden Teilstrahlenbündel ausblendbar sind und nicht mit den signalerzeugenden Teilstrahlenbündeln überlappen.
In der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung ist gemäß der vorhergehenden Beschreibung des Abtaststrahlengangs erforderlich, dass sie die am Aufspaltelement für die Signalerzeugung generierten Teilstrahlenbündel in der Rotationsachse R des trommelförmigen Teilungsträgers 10 kreuzen. Hierzu ist bei gegebener Teilungsperiode d_M der Maßverkörperung 11 insbesondere die Teilungsperiode d_A des Aufspaltgitters des Aufspaltelements 23 geeignet zu wählen. In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung wird im Fall der Ausbildung des Aufspaltelements 23 als Aufspaltgitter bzw. Phasengitter dessen Teilungsperiode d_A sowie die Teilungsperiode d_M der Maßverkörperung 11 gemäß den nachfolgenden Beziehungen (3) und (4) gewählt: d_A = 8·π·D/N (Gl. 3) mit:

d_M = 8πR/N (Gl. 4)

Für ein konkretes Ausführungsbeispiel ergeben sich auf Grundlage der Beziehungen (3) und (4) etwa die nachfolgenden Parameter:
R = 4.974 mm
N = 25000
D = 7.5 mm
d_M = 5 µm
d_A = 7.5 µm
Die entsprechend ausgebildete optische Winkelmesseinrichtung liefert ausgangsseitig rotationsabhängige Abtastsignale mit einer Signalperiode SP = 12.96 arcsec.
Ein geeignetes Vereinigungselement lässt sich im Fall einer Erzeugung phasenverschobener Abtastsignale gemäß 2a gemäß obiger Beziehung (1) beispielsweise mit den nachfolgenden Parametern realisieren:
τ = 0.7079
ϕ = 108.467°
Soll die Erzeugung phasenverschobener Abtastsignale gemäß der Variante aus 2b erfolgen und ein Vereinigungselement gemäß Beziehung (2) realisiert werden, wo beispielsweise ein Vernier-Streifenmuster mit einer Periodizität von 40 µm auf dem strukturierten Photodetektor erfasst werden soll, so ergibt sich ein Winkel α von ca. 1.43° zwischen den gebeugten Teilstrahlenbündeln 433.1 und 433.2. Unter Berücksichtigung der beispielhaft oben angegebenen Parameter ergibt sich für das wiederum als Gitter ausgebildete Vereinigungselement 424 bei Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge λ = 1 µm in etwa eine erforderliche Teilungsperiode d_V = 8,276 µm.
Besonders vorteilhaft erweist sich bei diesem Ausführungsbeispiel, dass lediglich geringe Messfehler resultieren, wenn der trommelförmige Teilungsträger 10 lateral, d.h. senkrecht zur Zentralachse A, gegenüber der Sollposition versetzt angeordnet wird, beispielsweise im Fall einer ungenauen Montage des Teilungsträgers 10 am rotierenden Objekt. Im Vergleich zu bekannten Winkelmesseinrichtungen der vorliegenden Art, in denen ein derartiger Versatz bzw. Rundlauffehler direkt in den Messfehler eingeht, resultiert bei der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung ein etwa um den Faktor 2000 verringerter Messfehler. So ergibt sich z.B. bei einem Versatz des Teilungsträgers 10 senkrecht zum einfallenden Strahlenbündel um 300µm ein Positionsfehler von lediglich 0.15µm, was einem Winkelfehler von lediglich 6arcsec entspricht.
Eine Teildarstellung einer geringfügig abgewandelten weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung ist in 3 gezeigt. Hier ist vorgesehen, das Aufspaltelement 123, auf welches der kollimierte Strahl der – nicht gezeigten – Lichtquelle einfällt, als Amplitudengitter auszubilden. Auf dieses fällt das Strahlenbündel unter einem Winkel ungleich 0° zur Normalen auf die Gitteroberfläche ein, so dass die resultierende 0. Beugungsordnung als Teilstrahlenbündel 130.2 und die resultierende +1. Beugungsordnung als Teilstrahlenbündel 130.1 als zur Signalerzeugung weitergenutzte Teilstrahlenbündel 130.1, 130.2 fungieren. Diese weitergenutzten Teilstrahlenbündel 130.1, 130.2 propagieren analog zu den Teilstrahlenbündeln 30.1, 302. aus dem ersten Ausführungsbeispiel wieder symmetrisch zur optischen Achse A. Ausgeblendet und nicht zur Signalerzeugung genutzt wird in dieser Variante die am Aufspaltelement 123 resultierende –1. Beugungsordnung.
Für die Teilungsperiode d_A des als Amplitudengitter ausgebildeten Aufspaltgitters gilt in diesem Fall die nachfolgende Beziehung (3´) d_A = 4·π·D/N (Gl. 1´) mit:

In Verbindung mit den für die erste Variante der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung angegebenen Dimensionen und Abständen ergibt sich bei gleicher Strichzahl auf der Maßverkörperung eine Teilungsperiode d_A = 3.75 μm für das als Amplitudengitter ausgebildete Aufspaltelement dieser Variante.
Der weitere Abtaststrahlengang entspricht in dieser Variante dem des oben erläuterten ersten Ausführungsbeispiels.
Der Vorteil dieser Variante der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung besteht darin, dass als Aufspaltelement ein gegenüber einem Transmissions-Phasengitter weniger aufwändig herzustellendes transmittives Amplitudengitter erforderlich ist.
Das Vereinigungselement dieser Variante kann entweder wie in den vorhergehenden Varianten ausgebildet werden. Ist keine Erzeugung phasenverschobener Abtastsignale erforderlich, so kann als Vereinigungselement wie im Fall des Aufspaltelements ein transmittives Amplitudengitter verwendet werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Winkelmesseinrichtung wird abschließend anhand der schematischen Darstellung in 3 erläutert. Hierbei wird nachfolgend lediglich auf die maßgeblichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
So ist nunmehr eine alternative Ausbildung des Teilungsträgers 210 in Form eines transparenten Vollzylinders vorgesehen, der verbunden mit einem Objekt um die Rotationsachse R beweglich angeordnet ist. Auf der äußeren Mantelfläche des Vollzylinders ist identisch zum obigen Ausführungsbeispiel die transmittive Maßverkörperung 211 angeordnet, welche wiederum als Phasengitter ausgebildet ist.
Als Material für den Vollzylinder kann z.B. ein geeignetes Glas-Material, wie z.B. BK7, vorgesehen sein.
Das Medium des transparenten Vollzylinders wirkt in dieser Ausführungsform auf die darauf einfallenden Teilstrahlenbündel wie eine Zylinderlinse, die in Messrichtung eine Deformation der Wellenfronten der Teilstrahlenbündel verursacht. Um diesen negativen Einfluss auf die signalerzeugenden Teilstrahlenbündel zu minimieren, ist daher vorgesehen, auf Seiten der Abtasteinheit 220 einerseits zwischen dem Aufspaltelement 223 und der Maßverkörperung 211 und andererseits zwischen der Maßverkörperung 211 und dem Vereinigungselement 224 jeweils ein optisches Korrekturelement 227.1, 227.2 im Strahlengang der Teilstrahlenbündel anzuordnen. Über das optische Korrekturelement 227.1 werden die Wellenfronten der beiden kollimierten Teilstrahlenbündel jeweils so verzerrt, dass sie nach der Brechung und Beugung an der Maßverkörperung 211 wieder kollimiert weiter propagieren. Durch die zweite Brechung und Beugung an der Maßverkörperung 211 werden die Teilstrahlenbündel erneut verzerrt und durch das Korrekturelement 227.2 wieder kollimiert. Die jeweils deformierten Wellenfronten der Teilstrahlenbündel werden über die optischen Korrekturelemente 227.1, 227.2 damit in ebene Wellenfronten überführt. Als Korrekturelemente 227.1, 227.2 kommen beispielsweise geeignet gewählte Zylinderlinsen in Betracht. Es können sowohl refraktive als auch diffraktive Zylinderlinsen verwendet werden. Die Achsen der Zylinderlinsen, d.h. die Richtung, in der keine Strahlablenkung auftritt, stehen dabei parallel zur Rotationsachse R der Maßverkörperung 211. Die Brennweiteder Zylinderlinsen ist negativ, d.h. es handelt sich um zerstreuende Zylinderlinsen. Besonders geeignet sind asphärische Zylinderlinsen, da sie bei einer geeigneten Wahl der Asphärenparameter eine sehr genaue Wellenfrontkorrektur erlauben.
Ansonsten entspricht der Abtaststrahlengang im zweiten Ausführungsbeispiel demjenigen des eingangs erläuterten ersten Ausführungsbeispiels. Selbstverständlich ist es auch hier möglich, die Aufspalt- und Vereinigungselemente 223, 224 gemäß den oben beschriebenen Varianten auszubilden.
Neben den konkret beschriebenen Ausführungsbeispielen existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten.
So ist es beispielsweise möglich, das Korrekturelement 227.1 im zweiten Ausführungsbeispiel (3) im Strahlengang vor dem Aufspaltelement 223 einzufügen. Analog kann das Korrekturelement 227.2 auch nach dem Vereinigungselement 224 angeordnet werden.
Als Lichtquelle kann nicht nur eine Laserdiode verwendet werden. Auch LEDs mit einer kleinen Emissionsfläche sind in vielen Fällen ebenso geeignet usw..
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0262349 A2 [0002, 0004, 0005]
EP 163362 A1 [0046]

Claims

Optische Winkelmesseinrichtung mit – einem mit einem ersten Objekt verbundenen trommelförmigen Teilungsträger, an dem mindestens entlang eines Abschnittes eine transmittive Maßverkörperung über den Trommelumfang angeordnet ist, – einer mit einem zweiten Objekt verbundenen Abtasteinheit mit einer Lichtquelle und einer Detektoreinheit, – wobei das erste und das zweite Objekt um eine Rotationsachse relativ zueinander drehbar angeordnet sind und – wobei aus der optischen Abtastung diametral gegenüberliegender Maßverkörperungsbereiche Messwerte bezüglich der Winkellage der beiden relativ zueinander drehbaren Objekte erzeugbar sind und hierbei sich die im Inneren des trommelförmigen Teilungsträgers propagierenden Teilstrahlenbündel in der Rotationsachse kreuzen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Abtasteinheit (20; 220) ferner ein Aufspaltelement (23; 223) umfasst, das ein von der Lichtquelle (21; 221) her darauf einfallendes Strahlenbündel in mindestens zwei Teilstrahlenbündel (30.1, 30.2; 130.1, 130.2) aufspaltet, welche einen ersten Maßverkörperungsbereich beaufschlagen und dort jeweils eine Ablenkung in Richtung der Rotationsachse (R) erfahren und – dass die Abtasteinheit (20; 220) ferner ein Vereinigungselement (24; 224; 324; 424) umfasst, das die nach dem Beaufschlagen eines zweiten Maßverkörperungsbereichs konvergierend auf das Vereinigungselement (24; 224; 324; 424) einfallenden Teilstrahlenbündel (32.1, 32.2; 332.1, 332.2; 432.1, 432.2) derart umlenkt, dass Paare interferierender Teilstrahlenbündel in Richtung der Detektoreinheit (25; 225) propagieren.
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspaltelement (23; 223) als der Maßverkörperung (11; 111; 211; 311; 411) vorgeordnetes Aufspaltgitter ausgebildet ist, welches eine Aufspaltung des darauf einfallenden Strahlenbündels in gebeugte Teilstrahlenbündel (30.1, 30.2; 130.1, 130.2) mindestens zweier verschiedener Beugungsordnungen bewirkt, die in Richtung des ersten Maßverkörperungsbereichs propagieren.
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspaltgitter als Phasengitter ausgebildet ist, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt und die resultierenden +/–1. Beugungsordnungen als zur Signalerzeugung genutzte Teilstrahlenbündel (31.1, 31.2; 332.1, 332.2; 432.1, 432.2) fungieren.
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Teilungsperiode (d_A) des Aufspaltgitters die Beziehung d_A = 8·π·D/N gilt, mit d_A ≔ Teilungsperiode des Aufspaltgitters D ≔ Abstand des Aufspaltelements von der Rotationsachse N ≔ Anzahl der erzeugten Signalperioden pro Umdrehung
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspaltgitter als Amplitudengitter ausgebildet ist, auf welches das einfallende Strahlenbündel unter einem Winkel ungleich 0° zur Gitternormalen einfällt, so dass die resultierende Beugungsordnung und die resultierende +1. Beugungsordnung als zur Signalerzeugung genutzte Teilstrahlenbündel (130.1, 130.2; 332.1, 332.2; 432.1, 432.2) fungieren.
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Teilungsperiode (d_A) des Aufspaltgitters die Beziehung d_A = 4·π·D/N gilt, mit d_A ≔ Teilungsperiode des Aufspaltgitters D ≔ Abstand des Aufspaltelements von der Rotationsachse N ≔ Anzahl der erzeugten Signalperioden pro Umdrehung
Optische Winkelmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vereinigungselement (24; 224; 324; 424) der Maßverkörperung (11; 211) nachgeordnet und identisch zum Aufspaltelement (23; 123; 223) ausgebildet sowie im gleichen Abstand zur Maßverkörperung (11; 111; 211; 311; 411) angeordnet ist.
Optische Winkelmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vereinigungselement (324) als Phasengitter ausgebildet ist, so dass die +2. und 0., die +1. und –1., die –2. und 0. Ordnung der gebeugten Teilstrahlenbündel (332.1, 332.2) jeweils miteinander interferieren und parallel zur Detektoreinheit mit mehreren Photodetektoren (325.1–325.3) propagieren, über die mehrere phasenverschobene Abtastsignale erzeugbar sind.
Optische Winkelmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Vereinigungselement (424) als Gitter ausgebildet ist, so dass die darüber gebeugten Teilstrahlenbündel (433.1, 433.2) unter einem Winkel (α) auf eine Detektoreinheit mit einem strukturierten Photodetektor (425) treffen.
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Teilungsperiode (d_M) der Maßverkörperung (11; 211; 311; 411) die Beziehung d_M = 8πR/N gilt, mit d_M ≔ Teilungsperiode der Maßverkörperung R ≔ Radius des trommelförmigen Teilungsträgers N ≔ Anzahl der erzeugten Signalperioden pro Umdrehung
Optische Winkelmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (11; 111; 211; 311; 411) derart ausgebildet ist, – dass die mindestens zwei auf den ersten Maßverkörperungsbereich einfallenden Teilstrahlenbündel (30.1, 30.2) jeweils eine Beugung in +/–1. Ordnung erfahren und ein in +1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel (31.1) sowie ein in –1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel (31.2) in Richtung der Rotationsachse (R) propagiert und – dass die mindestens zwei auf den zweiten Maßverkörperungsbereich einfallenden Teilstrahlenbündel (31.1, 31.2) jeweils eine Beugung in +/–1. Ordnung erfahren und ein in +1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel (32.1) sowie ein in –1. Ordnung gebeugtes Teilstrahlenbündel (32.2) in Richtung des Vereinigungselements (24; 224; 324; 424) propagiert.
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (11; 211; 311; 411) als Phasengitter ausgebildet ist, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt.
Optische Winkelmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilungsträger (210) als transparenter Vollzylinder ausgebildet ist, auf dessen äußerer Mantelfläche die Maßverkörperung (211) angeordnet ist und vor dem ersten beaufschlagten Maßverkörperungsbereich sowie nach dem zweiten beaufschlagten Maßverkörperungsbereich jeweils ein optisches Korrekturelement (227.1, 227.2) im Strahlengang der Teilstrahlenbündel angeordnet ist, welches deformierte Wellenfronten der Teilstrahlenbündel in ebene Wellenfronten überführt.
Optische Winkelmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle (21; 221) emittierte Strahlenbündel über eine Kollimatoroptik (22; 222) eine Kollimation erfährt, so dass – die Kollimation erfolgt, bevor das emittierte Strahlenbündel das Aufspaltelement (23; 223) beaufschlagt und – die erzeugte Kollimation so ausgestaltet ist, dass Teilstrahlenbündel, die nicht unmittelbar zur Signalgewinnung beitragen, ausblendbar sind und nicht mit den signalerzeugenden Teilstrahlenbündeln (30.1, 30.2) überlappen.
Optische Winkelmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilungsträger (10; 110; 210; 310; 410) als transparenter Hohlzylinder oder als transparenter Vollzylinder ausgebildet ist, auf dessen äußerer Mantelfläche die Maßverkörperung (11; 111; 211; 311; 411) angeordnet ist.