DE1548707B2

DE1548707B2 - Fotoelektrischer schrittgeber

Info

Publication number: DE1548707B2
Application number: DE1966L0054168
Authority: DE
Inventors: Fromund Dipl Phvs 6330 Wetz lar Hock
Original assignee: Ernst Leitz GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1966-07-26
Filing date: 1966-07-26
Publication date: 1971-08-12
Also published as: GB1191336A; DE1548707C3; JPS519300B1; CH489778A; US3482107A; DE1548707A1

Description

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Es sind eine Reihe von Geräten zur Abtastung gesehen, wobei das Phasengitter einen die störenden der Lage oder der Bewegung eines Gitters in bezug Strahlungsanteile der nullten Beugungsordnung unterauf einen Festpunkt bekannt, bei denen eine Abbil- drückenden Gangunterschied aufweist. Für die nach dung eines Punktes eines Gitters auf sich selbst oder der Beugung beim zweiten Gitterdurchgang in ihrer auf eine andere Stelle des gleichen Gitters erfolgt 5 Intensität gegenphasigen, in unterschiedliche diskrete und bei denen aus der Verschiebung des Gitterbildes Richtungen abgestrahlten Teilstrahlenbündel ist zum Gitter auf fotoelektrischem Wege Signale ge- mindestens ein fotoelektrischer Empfänger vorgewonnen werden, die ein Maß auf die Verschiebung sehen,
des Gitters sind. Es können im abbildenden Strahlengang des

So ist (Zeitschrift »Journal of Scientific Instru- ίο Schrittgebers zusätzlich bildaufspaltende und die Teilments«, August 1960, S. 261) eine Anordnung zur bilder mit einer Kennung versehende Bauglieder Abtastung der relativen Lage eines Amplituden- eingefügt sein, und es sind dann für die unterschiedgitters beschrieben, die mit Durchlicht arbeitet. Bei liehen Strahlungsanteile entsprechend ihrer Kennung ihr wird mittels einer Lampe und eines vor diese getrennte fotoelektrische Empfänger vorgesehen,
geschalteten optischen Systems ein paralleles Licht- 15 Nach einem weiteren Merkmal können die Gitter strahlenbündel erzeugt, das an dem zu messenden als Kreuzgitter ausgeführt sein, deren Kreuzungs-Gitter gebeugt wird und dann auf einem Hohlspiegel winkel einem gewünschten Koordinatenwinkel entzueinander kohärente Bilder erzeugt. Die reflek- spricht. Dabei kann mindestens eines der Kreuzgitter tierten Strahlenbündel entwerfen wegen des wiederum als Amplituden-Phasen-Gitter ausgebildet sein, bei durchlaufenen optischen Systems in der Bildebene 20 dem die'Markierungen ihrer Wirkung nach in der des abgetasteten Gitters ein Gitterbild, dessen peri- einen Richtung ein Phasengitter und in der anderen odisch schwankende Relativlage zum Gitter den Richtung ein Amplitudengitter darstellen. Die Mardurchgelassenen Lichtstrom bestimmt und bei dem kierungselemente können dabei schachbrettartig andanach mittels eines einem optischen System nach- geordnet sein.

geschalteten fotoelektrischen Empfängers ausgewer- 25 Die Verwendung einer aus einem Hohlspiegel in

tet wird. Kombination mit einem optisch brechenden Bauglied

Auch ist (schweizerische Patentschrift 401 500) eine bestehenden abbildenden Optik ist vorteilhaft.
Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen be- Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielskanntgeworden, bei der ein Reflexionsraster ver- weise dargestellt und nachfolgend erläutert,
wendet ist, das auf sich selbst abgebildet wird. Durch 30 Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung zum optische Mittel lassen sich zueinander phasenver- Messen in einer Koordinatenrichtung durchläuft das schobene Signale erzeugen, die zur Anzeige der von einer Lampe 10 ausgesandte Lichtstrahlenbündel Bewegungsrichtung des Rasters herangezogen werden einen Kondensator 11 und wird an einem Phasenkönnen, gitter 12 gebeugt. Die gebeugten Strahlenbündel

Bei allen bisher bekannten Geräten, bei denen 35 bilden über ein Objektiv 13 die Lichtquelle in der

nur ein optischer Kanal verwendet ist, fallen lediglich hinteren Brennebene 14 des Objektivs 13 ab, und

Signale gleicher Phasenlage an, aus denen beispiels- zwar nach Beugungsordnungen getrennt. Dabei wi~d

weise nach Patentschrift 1136 834 mittels eines das Bild nullter Ordnung ausgelöscht, falls das

doppelbrechenden Baugliedes und nach Trennung _. ... ,. λ „ ,. -..,,^ ,-.. _T. , ,, .. , ,

nach Polarisationsrichtungen die gegeneinander ii 40 Phasengitter die —Bedingung erfüllt. Die Lichtbundel

der Phase verschobenen Ausgangssignale abgeleitet der Bilder werden über ein weiteres Objektiv 15 als

werden können. Bild des Gitters 12 auf ein zweites Phasengitter 16

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine geworfen und an diesem gebeugt. Dabei sind die

Vorrichtung in Form eines mit Auflicht oder Durch- Bilder der Gitterstriche zu den Gitterstrichen am

licht arbeitenden fotoelektrischen Schrittgebers zu 45 Abbildungsort parallel, und die Gitterkonstante der

schaffen, die trotz Verwendung nur eines optischen Bilder entspricht der Gitterkonstante des Gitters am

Kanals für eine oder zwei Koordinatenrichtungen Abbildungsort. Es entstehen in der hinteren Brenn-

der Messung jeweils ein Paar zugeordnete Gegen- ebene 17 einer nachgeschalteten Feldlinse 18 ein Bild

taktsignale liefert, aus denen sich dann leicht für nullter Ordnung sowie Bilder höherer Ordnung. In

eine oder zwei Koordinatenrichtungen je ein Vier- 50 der Ebene 17 befindet sich ein geometrischer Strahlen-

phasensignalfeld ableiten läßt. teiler 19, der aus einem mit einer Öffnung versehenen,

Gegenstand der Erfindung ist ein fotoelektrischer schräg zur optischen Achse stehenden Planspiegel Schrittgeber mit mindestens einem Gitter, dessen besteht. Über Feldlinsen 20, 21 werden je ein fotojeweilige Lage mindestens ein fotoelektrischer Emp- elektrischer Empfänger 22 oder 23 mit dem Bild des fänger abtastet. Dieser Schrittgeber zeichnet sich 55 Gitters 16 beaufschlagt. Dabei ist der Empfänger 22 dadurch aus, daß ein auf sich selbst oder auf ein den Lichtbündeln der nullten Ordnung, der Empzweites Phasengitter mittels einer Optik abzubil- fänger 23 den Lichtbündeln höherer Ordnung zudendes, einen die störenden Strahlungsanteile der geordnet, und die Signale an den genannten Empnullten Beugungsordnung unterdrückenden Gang- fängern sind zueinander in Gegenphase. Durch Einunterschied aufweisendes Phasengitter vorgesehen ist 60 fügen eines Wollaston-Prismas 25 sowie polarisie- und daß für die nach der Beugung beim zweiten render Strahlenteiler 26, 27 lassen sich unter Zuhilfe-Gitterdurchgang in ihrer Intensität gegenphasigen, nähme weiterer fotoelektrischer Empfänger 22' und in unterschiedliche diskrete Richtungen abgestrahlten 23' gegen die erstgenannten Signale phasenver-Teilstrahlenbündel mindestens ein fotoelektrischer schobene Signale gewinnen. Bei entsprechender Di-Empfänger vorgesehen ist. 65 mensionierung der Bauteile kann man sogar vier

Gemäß einer anderen Ausführungsform für den um je 90° gegeneinander verschobene Signale erzeu-

neuen Schrittgeber ist ein mittels einer Optik auf gen, die gemeinsam ein elektrisches Drehfeld bilden,

ein Phasengitter abzubildendes Amplitudengitter vor- Das Vorliegen von vier miteinander verketteten

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Signalen hat den Vorteil, daß man bei der elek- Ordnung stellen selbst wieder kohärente Lichtquellen

irischen Weiterverarbeitung, beispielsweise nach Pa- für eine weitere Gitterbilderzeugung und Reflexion

tentanmeldung L 50450 IXb/42d oder Patentanmel- am Maßstab dar.

dung L 52699 IXb/42d, den Einfluß von Schwan- Das dabei zum zweiten Mal zum Maßstab geführte klingen des mittleren Lichtflusses eliminieren 5 Licht durchsetzt dabei die beim ersten Mal nicht kann. benutzte Halbfläche der Linse 35 und wird beim Beim in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel Hin- und Rückgang an den doppelbrechenden Gliefällt Licht einer Lampe 30 mit dem Hauptstrahl dem nochmals aufgespalten und in der Polarisationsschräg zur optischen Achse, schräg zur Bewegungs- richtung umgekehrt. Nach der zweiten Reflexion am richtung und schräg zur Strichrichtung des Maß- io Maßstab verläßt das der nullten Ordnung zugeordstabs 38 über einen Kondensator 31 sowie ein nach- nete Strahlenbündel die Abbildungsoptik durch den geschaltetes Umlenkprisma 32 durch einen gleich- Spalt, der bereits als Eintrittsspalt diente, und zwar zeitig als Eintritts- und Austrittsöffnung fungierenden, symmetrisch zum einfallenden Licht. Es durchläuft von Planspiegelflächen 60 begrenzten Spalt 61 in die ein Umlenkprisma 40 sowie eine Feldlinse 41. Mittels Abbildungsoptik ein. Neben den Planspiegeln 60 ist 15 eines nachgeschalteten polarisierten Teilers 42 werden ein verspiegeltes Kugelschalensegment 33 angeordnet, die den unterschiedlichen Polarisationsrichtungen das um eine Achse 34 meßbar geschwenkt werden zugehörigen Lichtanteile des Strahlenbündels vonkann. Diese Verschwenkung kann beispielsweise einander getrennt und über Kollektorlinsen 43, 44 mittels eines elektromechanischen Wandlers 48 be- zwei fotoelektrischen Empfängern 45, 46 zugeführt, wirkt werden. Diesem Segment ist eine Linse 35 zur ao Das Licht höheier Beugungsordnungen wird mit Erzeugung einer Parallelprojektion derart zugeordnet, Hilfe des den Spalt umgebenden Spiegels 60 über daß ihr dem Hohlspiegel zugewendeter Brennpunkt eine Feldlinse 49, einen polarisierenden Teiler 50 mit dem Krümmungsscheitel der optisch wirksamen sowie die Feldlinsen 51, 52 zwei fotoelektrischen Kugelschalenfläche zusammenfällt. Das Lichtbündel Empfängern 53, 54 zugeführt, deren Ausgangssignale durchläuft, nachdem es eine Halbfläche dieser Linse 25 dem in höheren Beugungsordnungen gebeugten Licht durchsetzt hat, dann weiter eine bildaufspaltende entsprechen und die gegeneinander entsprechend der doppelbrechende Platte 36 sowie eine unter einem Aufspaltung des Bauteiles 36 sowie der Gitterkon-Winkel von 45° zu den Hauptschwingungsrichtungen stante phasenverschoben sind.

j 'πι ^ ■ 4.· * λ τη ^ in At ff* λ ι Wird, weil man nach zwei Koordinaten messen

der Platte orientierte—-Platte 37 und triöt dann als ... .' , „ . , . _T. ... , . . ,

·■ 4 30 will, als Maßstab em Kreuzgitter verwendet, so wird

paralleles, aus zwei gegeneinander versetzten, rechts das doppelbrechende Bauteil in die Anordnung und links zirkulär polarisierten Teillichtbündeln derart eingefügt, daß seine Aufspaltrichtung der bestehendes Gesamtlichtbündel auf den anzumes- Richtung der Winkelhalbierenden der Gittermarkiesenden Maßstab 38 schräg auf. Der Hauptstrahl rungen entspricht. Darüber hinaus ist dafür zu sorgen, dieses schrägen Bündels ist genauso wie der Haupt- 35 daß die Lichtverteilung in der Brennfläche des brechenstrahl des regulär am Meßgitter reflektierten Anteils den Gliedes zwei den Koordinatenrichtungen der in einer Ebene enthalten, die die Gitterstrichrichtung Gitterteilung entsprechende, in ihrer Breite be- und die optische Achse des Hohlspiegellinsensystems schränkte Teilflächen aufweist. Diesen beiden Teilenthält. Der Maßstab besteht aus einem verspiegelten flächen entsprechen die Hauptbeleuchtungsrichtungen. Träger, in den ein Mäanderprofil mit einer Höhe 40 Um eine Trennung dieser Richtungen nach dem λ . , . · Durchlaufen des abbildenden Systems sicherzustellen, von -j eingearoeitet ist. _{sind entsprecnende opt}i_scne Mittel vorgesehen. Es

Neben dem wegen der A.Gangunterschiedsbedin- können hier beispielsweise unterschiedliche Frequenzen

^s 2 ⁶ der Beleuchtungsintensitat oder der Lichtfrequenz

gung theoretisch nicht entstehenden regulär reflek- 45 gewählt werden.

tierten Lichtbündel entstehen am Maßstab durch In F i g. 3 ist als Beispiel für das verwendete

die Gitterwirkung gebeugte und daher gegen die Kugelschalensegment das bei der Anordnung nach

oben genannte Ebene geneigte parallele Lichtbündel. F i g. 2 verwendete Segment in Untersicht dar-

T... ο* * ι.··!. λ ,.. , -.j UT* gestellt. Das Segment besteht aus einer verspiegelten

Bei einer Stufenhohe von-7-loschen sich durch Inter- r ... , _v u j· * j τ ·*

4 5° halbierten Kugelkappe, die auf der Innenseite ver-

ferenz die beiden vom Gittergrund und von den spiegelt ist. Auf dieser Verspiegelung erscheinen nach

Gitterhöhen regulär reflektierten Lichtanteile aus. der ersten Reflexion nebeneinanderliegend die Bilder

Die geneigten Lichtbündel durchlaufen die Bau- nullter und höherer Ordnung. Die Teile des Spiegels,

teile 37 bis 35 rückwärts und werden dabei nach die von geradzahligen Bildanordnungen getroffen

Rückverwandlung in linear polarisiertes Licht mit 55 werden, sind geschwärzt. Natürlich kann die Ver-

gegenüber dem ersten Durchgang um 90° gedrehter Spiegelung des Segmentes auch mehr oder weniger

Schwingungsrichtung noch weiter aufgespalten. Sie als die Hälfte der Fläche des Segmentes bedecken,

erzeugen als konvergente Lichtbündel auf der Spiegel- Sie muß sich beispielsweise für die Messung nach

Oberfläche als Beugungsbilder höherer Ordnung zwei rechtwinkligen Koordinatenrichtungen über drei

Bilder des Eintrittsspaltes, die, falls das Balken-zu- 60 Quadranten erstrecken. Der Eintritts-Austritts-Spalt

Lücken-Verhältnis des Gitters 1:1 ist, nur in den im Planspiegel 60 ist dann kreuz- oder winkelförmig

geraden Beugungsordnungen Intensität aufweisen. ausgebildet.

Eventuelle Abweichungen der Stufenhöhe oder des In allen beschriebenen Fällen kann zum Zwecke

Balken-zu-Lücken-Verhältnisses des Gitters lassen der geometrischen Trennung die Breite des Eintritts-

sich durch Verhinderung der Reflexion am Kugel- 65 Austritts-Spaltes maximal nicht größer als der durch

segmentspiegel an den Orten der geradzahligen die Gitterkonstante gegebene Aufspaltungswinkel sein.

Beugungsordnungen eliminieren. Die auf der Hohl- Gitter mit großer Liniendichte erlauben daher besonspiegeloberfläche liegenden Beugungsbilder höherer ders lichtstarke Anordnungen.

Claims

Patentansprüche:

1. Fotoelektrischer Schrittgeber zur Längenoder Winkelmessung mit mindestens einem Gitter, dessen jeweilige Lage mindestens ein fotoelektrischer Empfänger abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf sich selbst oder auf ein zweites Phasengitter (16) mittels einer Optik (13, 15, 33, 25) abzubildendes, einen die störenden Strahlungsanteile der nullten Beugungsordnung unterdrückenden Gangunterschied auf- weisendes Phasengitter (12; 38) vorgesehen ist und daß für die nach der Beugung beim zweiten Gitterdurchgang in ihrer Intensität gegenphasigen, in unterschiedliche diskrete Richtungen abgestrahlten Teilstrahlenbündel mindestens ein fotoelektrischer Empfänger (22, 22', 23, 23'; 45, 46, 53, 54) vorgesehen ist.

2. Fotoelektrischer Schrittgeber zur Längenoder Winkelmessung mit mindestens einem Gitter, dessen jeweilige Lage mindestens ein fotoelekirischer Empfänger abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels einer Optik auf ein Phasengitter abzubildendes Amplitudengitter vorgesehen ist, daß das Phasengitter einen die störenden Strahlungsanteile der nullten Beugungs-Ordnung unterdrückenden Gangunterschied aufweist und daß für die nach der Beugung beim zweiten Gitterdurchgang in ihrer Intensität gegenphasigen, in unterschiedliche diskrete Richtungen abgestrahlten Teilstrahlenbündel mindestens ein fotoelektrischer Empfänger vorgesehen ist.

3. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen

Gangunterschied von -=- erzeugendes Phasengitter

(12,16; 38) vorgesehen ist.

4. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den abbildenden Strahlengang zusätzlich bildaufspaltende und die Teilbilder mit einer Kennung versehende Bauglieder (25, 36, 37) eingefügt sind und daß für die unterschiedlichen Strahlungsanteile entsprechend ihrer Kennung getrennte fotoelektrische Empfänger vorgesehen sind.

5. Fotoelektrischer Schrittgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter als Kreuzgitter ausgeführt sind, deren Kreuzungswinkel einem gewünschten Koordinatenwinkel entspricht.

6. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kreuzgitter als Amplituden-Phasen-Kreuzgitter ausgebildet ist, bei dem die Markierungen ihrer Wirkung nach in der einen Richtung ein Phasengitter und in der anderen Richtung ein Amplitudengitter darstellen.

7. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 6, dadurch, gekennzeichnet, daß die Markierungselemente des Kreuzgitters schachbrettartig angeordnet sind.

8. Fotoelektrischer Schrittgeber nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildende Optik aus einem Hohlspiegel (33) in Kombination mit einem optisch brechenden Bauglied (35) besteht.

. 9. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflexionsgitter (38) verwendet ist.

10. Fotoelektrischer Schrittgeber nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das bildaufspaltende, die Kennung bewirkende Bauglied derart in den Strahlengang eingefügt ist, daß seine Aufspaltrichtung mit jeder der durch die Kreuzgittermarkierungen bestimmten Koordinatenrichtungen einen von Null abweichenden Winkel einschließt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen