DE1623912B1

DE1623912B1 - Device for generating signal sequences proportional to the displacement of an object

Info

Publication number: DE1623912B1
Application number: DE1967Z0012775
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr-Ing Raentsch
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1967-03-30
Filing date: 1967-03-30
Publication date: 1971-01-28

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von der Verschiebung eines Objektes proportionalen Signaliolgen mit Hilfe von optischen Rastern und ist insbesondere bei Wegmeß- oder Winkelmeßeinrichtungen mit besonderem Vorteil zu verwenden. The invention relates to a device for generating the displacement of an object is proportional signaling with the help of optical grids and is to be used with particular advantage in the case of position measuring or angle measuring devices.

Bei den bisher üblichen lichtelektrischen Wegmeßeinrichtungen mit Feinmaßstäben bedient man sich zur Erzeugung der Wegmeßimpulse allgemein zweier Raster, bei deren gegenseitiger Verschiebung geometrische Hell-Dunkel-Wechsel entstehen. Es handelt sich dabei entweder um zwei materielle Raster oder auch um die optische Abbildung eines materiellen Rasters auf ein gleiches Raster oder auf sich selbst. With the photoelectric displacement measuring devices that have been customary up to now Two fine scales are generally used to generate the displacement measurement pulses Grids whose mutual shifting creates geometric light-dark alternations. There are either two material grids or the optical one Depiction of a material grid on the same grid or on itself.

Es ist bekannt, ein sinusförmiges Ausgangssignal mit hoher Empfindlichlçeit in der Umgebung des Null-Punktes durch die Überlagerung zweier Bilder eines vorgegebenen Interferenzstreifensystems zu erzeugen. Hierbei werden zwei komplementär polarisierte Strahlengänge mit Hilfe eines Wollaston-Prismas erzeugt. It is known to have a sinusoidal output signal with high sensitivity in the vicinity of the zero point by superimposing two images of a given one To generate interference fringe system. Here are two complementary polarized Beam paths generated with the help of a Wollaston prism.

Ferner ist es bekannt, bei zwei gegeneinander beweglidien Rastern, das eine Raster mit Hilfe doppelbrechender oder dispergierender Mittel auf das andere in zwei räumlich getrennten Bildern abzubilden und hierbei mit Hilfe von Moire-Streifensystemen zwei phasenverschobene Signale zu erzeugen, welche jedoch nicht streng sinusförmig sind. It is also known, in the case of two grids that can move against one another, one grid with the help of birefringent or dispersing agents on the other to be shown in two spatially separated images and with the help of moiré stripe systems to generate two phase-shifted signals, which, however, are not strictly sinusoidal are.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, bei der durch Verschiebung eines einzigen Rasters in einem optischen Strahlengang streng sinus-bzw. cosinusförmige Signale entstehen, die einer weiteren Interpolation, z. B. durch Anlegen an die Ablenkplatten einer Sathodenstrahköhre, bei der die Umlaufbahn des Elektronenstrahles durch elektrische Rasterelemente unterteilt ist, leicht zugänglich sind. The aim of the present invention is to provide a method and a device to create at the by shifting a single grid in an optical Beam path strictly sinus or. cosine-shaped signals arise, which are another Interpolation, e.g. B. by applying to the deflection plates of a Sathodenstrahköhre, in which the orbit of the electron beam is divided by electrical grid elements are easily accessible.

Dies wird nach der Erfindung bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß eine kohärente monochromatische Lichtquelle und ein einziges Raster, welches durch die Lichtquelle beaufschlagt und mit dem beweglichen Objekt versehen als Beugungsgitter wirkt und Mittel zum Ausblenden und Überlagern entgegengesetzt gleicher, durch das Beugungsgitter erzeugter Beugungsordnungen sowie Mittel zur Abtastung der durch die Überlagerung erzeugten Interferenzstreifen vorgesehen sind. According to the invention, this is the case with a device as mentioned at the beginning Art achieved by having a coherent monochromatic light source and a single Grid, which is acted upon by the light source and with the moving object provided acts as a diffraction grating and means for masking and superimposing opposite the same diffraction orders generated by the diffraction grating as well as means for Scanning of the interference fringes generated by the superposition are provided.

In den F i g. 1 bis 3 sind Ausführungsbeispiele nach dem allgemeinen Erfindungsgedanken aufgezeigt, mit deren Hilfe die Erfindung nun näher erläutert werden soll. In the F i g. 1 to 3 are exemplary embodiments according to the general Invention ideas shown, with the help of which the invention will now be explained in more detail shall be.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung für Durchlichtraster schematisch aufgezeichnet. Fig.2 stellt eine Teil-Seitenansicht der in F i g. 1 in Draufsicht dargestellten Anordnung dar. In der F i g. 1 ist lediglich der auf die Spaltblende 3 bezogene Abbildungsstrahlengang eingezeichnet. In der F i g. 2 ist außerdem noch der Verlauf des Abbildungsstrahlenganges für das Gitter 5 teilweise mit eingetragen (gestrichelt). 1 and 2 is an embodiment of a device according to of the invention for transmitted light grid recorded schematically. Fig.2 represents a Partial side view of the in F i g. 1 represents the arrangement shown in plan view. In the F i g. 1 is only the imaging beam path related to the slit diaphragm 3 drawn. In FIG. 2 is also the course of the imaging beam path for the grid 5 partially entered (dashed).

Wie aus den Figuren ersichtlich, wird das aus einer Lichtquelle 1 stammende monochromatische Licht mit Hilfe der Optik 2 zur gleichmäßigen Ausleuchtung einer Spaltblende 3 benutzt. Die Spaltblende 3 ist in der vorderen Brennebene der Optik 4 angeordnet. Hinter dieser ist in der vorderen Brennebene 5' (Fig..2) des Objektivs 6 ein in den Richtungen des Doppelpfeiles 7 bewegliches Beugungsgitter 5 ; angeordnet, das mit dem nicht dargestellten verschieblichen Objekt fest verbunden ist Von den in der hinteren Brennebene 8' des Systems 4, 6 entstehenden Begungsbildes des Beleuchtungsspaltes 3 werden durch ein Blendensystem 9 beispielsweise neben dem unabgelenkten Beugungsbild Oter Ordnung die davon rechts bzw. links erscheinenden Beugungsbilder - 1. bzw. + 1. Ordnung ausgeblendet. Das Beugungsbild Oter Ordnung wird entweder durch geeignete Mittel absorbiert oder wie in Fig. 1 dargestellt, von einem photo elektrischen Empfänger 10 zur Weiterverwendung aufgefangen. An Stelle der Beugungsbilderpaare +1. Ordnung können selbstverständlich auch Beugungsbildpaarungen einer höheren Ordnung (z. B. + 2.) ausgeblendet werden. As can be seen from the figures, this is achieved from a light source 1 originating monochromatic light with the help of optics 2 for uniform illumination a slit diaphragm 3 is used. The slit 3 is in the front focal plane of the Optics 4 arranged. Behind this is in the front focal plane 5 '(Fig..2) of the Lens 6 a in the directions of the Double arrow 7 movable diffraction grating 5; arranged, which is firmly connected to the movable object, not shown is of the background image arising in the rear focal plane 8 'of the system 4, 6 of the lighting gap 3 are for example next to a diaphragm system 9 the undeflected diffraction image of the Oth order those appearing to the right and left of it Diffraction images - 1st or + 1st order faded out. The order of the diffraction pattern is either absorbed by suitable means or as shown in Fig. 1, collected by a photoelectric receiver 10 for further use. Instead of of the diffraction pattern pairs +1. Order can of course also be paired with diffraction patterns of a higher order (e.g. + 2nd) can be hidden.

Die ausgeblendeten Beugrmgsbildpaare werden über nachgeordnete Umlenksysteme, in der Fig. 1 beispielsweise durch die Spiegelflächen 11-17 (senkrecht zur Zeichenebene orientiert eingezeichnet) angedeutet, in zwei getrennten Strahlengängen geführt, in denen noch zum Abgleich der optischen Weglängen (beide gleich lang) dienende planparallele Platten 18,19 und ferner noch die Optiken 20 und 21 angeordnet sind. The faded out diffraction image pairs are transmitted via subordinate deflection systems, in Fig. 1 for example by the mirror surfaces 11-17 (perpendicular to the plane of the drawing oriented drawn) indicated, guided in two separate beam paths, in which still used to adjust the optical path lengths (both of the same length) plane-parallel plates 18, 19 and furthermore the optics 20 and 21 are arranged.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, sind beispielsweise die Spiegelflächen 11 und 13 um senkrecht zur Zeichenebene orientierte Achsen 22 bzw. 24 drehbar und die Spiegelflächen 14 und 17 um parallel zur Zeichenebene verlaufende und durch die Achslager 23 bzw. 25 angedeutete Achsen kippbar gelagert, während die Spiegelflächen 12, 15 und 16 fest orientiert sind. Die vorderen Brennebenen der Optiken 20 und 21 liegen in der Ebene 8' der Beugungsbilder. As shown in FIG. 1, the mirror surfaces are, for example 11 and 13 rotatable about axes 22 and 24 oriented perpendicular to the plane of the drawing, and the mirror surfaces 14 and 17 running parallel to the plane of the drawing and through the axle bearings 23 and 25 indicated axes are tiltably mounted, while the mirror surfaces 12, 15 and 16 are firmly oriented. The front focal planes of optics 20 and 21 lie in the plane 8 'of the diffraction patterns.

Die beiden getrennten Abbildungsstrahlengänge für die Beugungsbilder gleicher Ordnung werden über einen eine teildurchlässige Reflexionsfiäche 26 enthaltenen Mischwürfel 27 vereinigt= und über eine weitere Optik 28 auf eine in der Empfängerebene 29', die der hinteren Brennebene der Optik 28 entspricht, angeordneten photoelektrischen Empfänger 29 geführt. Die gegenseitige Orientierung der einzelnen Optiken ist der Fig. 2 zu entnehmen. Hierbei entsprechen die Indizes an Brennweiten f denen der zugehörigen Optiken. The two separate imaging beam paths for the diffraction images of the same order are contained via a partially transparent reflection surface 26 Mixed cube 27 combined = and via a further optic 28 to one in the receiver level 29 ', which corresponds to the rear focal plane of the optics 28, arranged photoelectric Receiver 29 led. The mutual orientation of the individual optics is the Fig. 2 can be seen. The indices on focal lengths f correspond to those of the associated optics.

Die in der Fig. 1 dargestellten Spiegel 11-17 dienen zur deckenden Überlagerung sowohl des Beugungsbildes des Beleuchtungsspaltes als auch der Gitterbilder. The mirrors 11-17 shown in Fig. 1 are used for opaque Superposition of both the diffraction image of the illumination slit and the grating images.

Bei einer sukzessiven Drehung bzw. Kippung der Spiegel 11, 13, 14 und 17 werden das zugeordnete Gitterbild und das zugeordnete Beugnngsbild der Seite bzw. der Höhe nach verstellt. With a successive rotation or tilting of the mirrors 11, 13, 14 and 17 become the associated grating image and the associated diffraction image of the page or adjusted according to the height.

Höhen- und Seitenverstellung lassen sich selbstverständlich auch bei einer geeigneten Lagerung der betreffenden Spiegel, z. B. 11 und 13, auch lediglich in einem Teilstrahlengang durchführen, während der andere unverändert bleibt. Height and windage adjustments can of course also be made with a suitable storage of the mirror concerned, z. B. 11 and 13, also only perform in a partial beam path while the other remains unchanged.

Die Deckung der Spaltbilder kann mit Hilfe eines in der Empfängerebene 29'eingebrachten Auffangschirmes kontrolliert werden, während die Deckung der Gitterbilder über ein der obigen Anordnung nach F i g. 1 nachgeschaltetes Abbildungssystem (nicht dargestellt) am Kontrast der abgebildeten Interferenzstreifen beurteilt werden kann. The coverage of the slit images can be done with the help of one in the receiver level 29 'can be checked while the cover of the grid images via one of the above arrangements according to FIG. 1 downstream imaging system (not shown) can be judged by the contrast of the displayed interference fringes.

Sind nun mit Hilfe der obigen Einrichtungen die Beugungsbilder des Beleuchtungsspaltes und vorteilhaft auch die Gitterbilder voll zur Deckung gebracht, so entstehen bei einer seitlichen Bewegung des Gitters 5 infolge der gegenseitigen Phasendifferenz der überlagerten Beugungsbilder interferentielle Pulsationen der auf dem Empfänger 19 auftreffenden Lichtenergie, und zwar bei Ausblendung der Beugungsbilder +1. Ordnung zwei Hell-Dunkel-Wechsel bei der Fortbewegung des Gitters um eine Gitterteilung. Are the diffraction patterns of the Lighting gap and advantageously also the grid images are fully congruent, so arise with a lateral movement of the grid 5 due to the mutual Phase difference of the superimposed diffraction images interferential pulsations of the light energy impinging on the receiver 19, specifically when the diffraction images are masked out +1. Order two light-dark changes when the grid moves by one grid division.

Verwendet man zur Überlagerung die Beugungsbilder +2., + +3. usw. Ordnung, so tritt der Hell-Dunkel-Wechsel 4mal, 6mal usw. für einen derartigen Wegschritt auf.If the diffraction patterns +2., + +3 are used for superimposition. etc. Order, the light-dark alternation occurs 4 times, 6 times, etc. for such a step away on.

Der im obigen Ausführungsbeispiel geschilderte Aufbau läßt sich erforderlichenfalls noch verkleinern. The structure described in the above embodiment can be used if necessary still shrink.

So können z. B. durch entsprechende Spiegel bereits die ersten Beugungsbilder des Spaltes zur Deckung gebracht werden und direkt beobachtet oder auf die Photoelemente abgebildet werden.So z. B. already the first diffraction patterns through appropriate mirrors of the gap can be made to coincide and observed directly or on the photo elements can be mapped.

Statt der Spaltbilder können auch die Gitterbilder, die zur Deckung gebracht wurden, beobachtet oder auf Photoelemente abgebildet werden. Wirkung von Spalt und Gitter sind dann vertauscht. Instead of the slit images, the lattice images that cover were brought, observed or imaged on photo elements. Effect of The gap and grille are then swapped.

Bei diesen Anordnungen werden die Gitterstriche nicht in der ursprünglichen Form sichtbar, sondern das Gitter erscheint wesentlich vergrößert, je nachdem wie weit die Beugungsbilder des Spaltes einander näher bzw. zur Deckung gebracht werden. With these arrangements, the grid lines are not in the original Shape is visible, but the grid appears significantly enlarged, depending on how far the diffraction patterns of the slit are brought closer to one another or to coincide.

Ferner ist es auch möglich, durch eine zusätzliche Empfangseinrichtung 30, 31, die der Einrichtung 28, 29 entspricht (in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet), eine weitere Signalfolge zu erhalten, die bei geeigneter Ausbildung des Mischkörpers 27 (z. B. Trennschicht26 als phasenbeeinflussende Schicht) gegenüber der am Empfänger 29 entstehenden Signalfolge eine Phasenverschiebung von 900 aufweist. Furthermore, it is also possible through an additional receiving device 30, 31, which corresponds to the device 28, 29 (shown in dashed lines in Fig. 1), another signal sequence to be obtained with a suitable design of the mixing body 27 (e.g. separating layer 26 as a phase-influencing layer) compared to the one on the receiver 29 resulting signal sequence has a phase shift of 900.

Den beiden an den Empfängern 29 und 31 gewonnenen um 90C in der Phase versetzten Pulsationen, kann die durch den Empfänger 10 aus der Oten Ordnung gewonnene Gleichspannung entgegengeschaltet werden, so daß für die weitere Signalverarbeitung, z. B. an einem Kathodenstrahlinterpolator, optimale Sin-Cos-Signale erzeugt werden. The two at receivers 29 and 31 won by 90C in phase offset pulsations, can be obtained by the receiver 10 from the Oth order DC voltage are switched in the opposite direction, so that for further signal processing, z. B. on a cathode ray interpolator, optimal sin-cos signals can be generated.

In der F i g. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, bei der das von einer monochromatischen Lichtquelle 1 ausgehende Licht zunächst durch den Polarisator 50, dessen Polarisationsrichtung z. B. um 450 gegenüber der Zeichenebene geneigt ist, linear polarisiert und dann das mit dem Objekt verbundene Beugungsgitter 5 beaufschlagt. In dieser schematischen Darstellung sind die erforderlichen Blendensysteme (entsprechend wie in Fig. 1 dargestellt) der besseren Übersicht wegen fortgelassen. Die um den Winkel ß von der Einfallsrichtung durch das Beugungsgitter 5 abgebeugten Strahlengänge der zu überlagernden Beugungsordnungen (z. B. +1. Ordnung) werden nach Ausblendung der übrigen Beugungsordnungen einem Wollaston-Prisma 51 zugeführt. Das Wollaston-Prisma ist dabei so ausgelegt, daß die aufgespalteten Teilstrahlengänge 52 52' bzw. 53, 53' einen Winkel von = = /3 einschließen und beide Teilstrahlengänge 52, 53. welche senkrecht zueinander polarisiertes Licht aufweisen (Polarisationsrichtung z. B. einmal senkrecht und das andere Mal in der Zeichenebene) parallel verlaufen. Durch ein weiteres Polarisationsfilter 54 (Polarisationsrichtung cbenfalls 450 oder 1350 zur Zeichenebene geneigt) werden die interferenzfälligen Komponenten der sich teilweisc iiberdecken- den Wellenfronten der Teillichtbündel 52, 53 hindurchgelassen und mittels der Optik 55 auf dem Strahlungsempfänger 56 vereinigt. In FIG. 3 is another embodiment of the invention shown, in which the emanating from a monochromatic light source 1 light first through the polarizer 50, whose direction of polarization z. B. at 450 opposite the plane of the drawing is inclined, linearly polarized and then that connected to the object Diffraction grating 5 applied. In this schematic representation are the required Aperture systems (as shown in Fig. 1) for a better overview omitted. The angle ß from the direction of incidence through the diffraction grating 5 diffracted beam paths of the diffraction orders to be superimposed (e.g. +1 order) become a Wollaston prism 51 after the other diffraction orders have been suppressed fed. The Wollaston prism is designed so that the split partial beam paths 52, 52 'or 53, 53' enclose an angle of = = / 3 and both partial beam paths 52, 53 which have light polarized perpendicular to one another (polarization direction z. B. once perpendicular and the other time in the plane of the drawing) run parallel. Through another polarization filter 54 (polarization direction c also 450 or 1350 inclined to the plane of the drawing) the components of the partially covered the wavefronts of the partial light bundles 52, 53 let through and combined by means of the optics 55 on the radiation receiver 56.

Es lassen sich auch Auflichtraster verwenden, wenn man beispielsweise wie in der F i g. 4 schematisch dargestellt, den in der Anordnung nach F i g. 1 links der Beugungsbildebene 8' liegenden Teil geringfügig abändert. In der F i g. 4 ist das mit 5" bezeichnete reflektierende Gitter in der vorderen Brennebene des Objektivs 4 angeordnet, der ebenfalls in der Objeliiivbrennweite entfernte Lichtspalt 3' wird mit Hilfe eines eine teildurchlässige Fläche 60' enthaltenden Umlenkwürfels 60 eingeblendet. It is also possible to use incident light grids if, for example, as in FIG. 4 shown schematically, which in the arrangement according to F i g. 1 slightly modified the part lying to the left of the diffraction image plane 8 '. In FIG. 4 is the reflective grating labeled 5 "in the front focal plane of the Lens 4 arranged, the light gap also removed in the lens focal length 3 'is made with the aid of a deflecting cube containing a partially permeable surface 60' 60 displayed.

Die Einrichtung nach der Erfindung läßt sich ferner auch für Winkelmessungen verwenden, wenn man das bewegliche Objekt beispielsweise mit einem an seinem Umfang angeordneten kreisförmig gebogenen transparenten Beugungsgitter verbindet und dies an Stelle des ebenen Beugungsgitters 5 in der Anordnung nach Fig. 1 setzt. The device according to the invention can also be used for angle measurements use when looking at the moving object for example with one on its perimeter arranged circularly curved transparent diffraction grating connects and this instead of the flat diffraction grating 5 in the arrangement according to FIG. 1.

Die Erfindung ist keineswegs auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind noch mannigfache Variationen unter Einhaltung des Erfindungsgedankens möglich. The invention is by no means limited to the exemplary embodiments shown here limited, but there are still many variations in compliance with the inventive concept possible.

Claims

Claims: 1. Device for generating the displacement of an object proportional signal sequences, characterized in that a coherent monochromatic light source (1) and a single grid (5 or 5 "), which through the light source (1) is applied and provided with the moving object as a diffraction grating acts and means (9-21 or 51-55) for fading out and superimposing opposite the same diffraction orders generated by the diffraction grating (5 or 5 ") as well as Means (29, 31, 56) for scanning the interference fringes generated by the superposition are provided.

2. Device according to claim 1; characterized in that the superimposing means Devices (11, 13, 14, 17) for lateral adjustment included.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that one via a lighting gap (3) and a lighting optics (4) with coherent, Diffraction grating (5) exposed to monochromatic light in the lighting side Focal plane (5 ') of an objective (6) is arranged that in the other focal plane (8 ') of the system illumination optics-objective (4, 6) means (9) for masking in each case two of the diffraction images of the illumination gap (3) that arise there are opposite of the same order and possibly also that of the Oth order are provided that the light paths for the masked out diffraction images of the same order are optically the same are long and that optical deflection means (11, 13, 14, 17) for lateral adjustment in the light paths these partial beam paths are provided and that an optical A mixing element (27) and further optical imaging systems (28, 30) which mask the two Slit images in the receiver plane (e.g. 29 ') and the grid images at infinity superimpose congruent, are provided.