DE19505033C2

DE19505033C2 - Laser path measuring system

Info

Publication number: DE19505033C2
Application number: DE19505033A
Authority: DE
Inventors: Gunter Stamm; Volker Goerlitz
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2015-02-16
Also published as: DE19505033A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserwegmeßsystem mit einer, ein Beugungsgitter aufweisenden Interferometeranordnung, einem Laser, einem beweglichen Meßspiegel und zwei Empfängern, die so angeordnet sind, daß sie zwei um 90 Grad phasenverschobene Signale empfangen. Eine Anwendung erfolgt insbesondere in Positioniersystemen.The invention relates to a laser path measuring system with a diffraction grating having interferometer arrangement, a laser, a movable Measuring mirror and two receivers, which are arranged so that they are two by 90 degrees receive out of phase signals. An application is particularly in Positioning systems.

Zur Messung von Längen und zur Steuerung von Positioniersystemen eingesetzte Laserwegmeßsysteme, die auf dem Prinzip nach Michelson beruhende Interferometer beinhalten, besitzen als Lichtquelle vorzugsweise einen Laser, der ein weitgehend paralleles und zeitlich kohärentes Lichtbündel erzeugt. Ein Strahlenteiler zerlegt das Lichtbündel in ein Meßstrahlenbündel und ein Referenzstrahlenbündel, die nach Reflexion an einem beweglichen Meßspiegel bzw. einem festen Referenzspiegel im Strahlenteiler wiedervereint werden. Ein Detektor registriert bei der Bewegung des Meßspiegels periodisch entstehende Interferenzerscheinungen, aus deren zahlenmäßigem Durchlauf bei bekannter Wellenlänge auf den zurückgelegten Weg des Meßspiegels geschlossen werden kann. Für die Erkennung der Richtung der Bewegung muß ein weiteres, um 90° phasenverschobenes Interferenzsignal erzeugt und detektiert werden.Used to measure lengths and to control positioning systems Laser displacement measuring systems based on the Michelson principle Interferometers preferably have a laser as the light source generates a largely parallel and temporally coherent light beam. On Beam splitter divides the light beam into a measuring beam and one Reference beams, which are reflected on a movable measuring mirror or a fixed reference mirror in the beam splitter. On Detector registers periodically arising during the movement of the measuring mirror Interference phenomena, from their numerical run in known Wavelength can be concluded on the path covered by the measuring mirror can. To detect the direction of movement, another 90 ° must be used phase-shifted interference signal are generated and detected.

In bekannten Interferometern werden diese Funktionen durch Baugruppen realisiert, die aus einer Vielzahl von optischen Bauelementen (wie Prismen, Polarisationsoptiken, Tripelprismen und Leistungteiler) bestehen.In known interferometers, these functions are implemented by assemblies, which consist of a large number of optical components (such as prisms, Polarization optics, triple prisms and power dividers) exist.

Bekannt ist es nach der DE 40 18 664 A1, für ein Längenmeß-Interferometer Gitter als Strahlenteiler einzusetzen und deren Eigenschaft zu nutzen, Strahlung in mehrere Ordnungen zu beugen.It is known from DE 40 18 664 A1, for a length measuring interferometer grating use as a beam splitter and use their property, radiation in to bend several orders.

Im US-Patent 5 018 862 ist eine technische Lösung beschrieben, bei der im Über lappungsbereich durch einen ortsabhängigen Phasenunterschied zwischen dem Meß- und dem Referenzstrahlenbündel ein Interferenzstreifenmuster entweder durch parallele Strahlenbündel, die eine Divergenz besitzen oder durch deren Neigung zueinander erzeugt wird. Dem Interferenzstreifenmuster wird eine Empfängeranordnung so angepaßt, daß an Einzelempfängern, die nebeneinander in einer gemeinsamen Ebene liegen, die für die Vorwärts-Rückwärts-Erkennung notwendigen, um 90° phasenverschobenen Signale anliegen.A technical solution is described in US Pat. No. 5,018,862 lapping area by a location-dependent phase difference between the Measuring and the reference beam an interference fringe pattern either by parallel beams that have a divergence or by their Inclination to each other is generated. The interference fringe pattern becomes one Receiver arrangement adapted so that on individual receivers that are next to each other in a common level for forward-backward detection necessary signals that are phase-shifted by 90 ° are present.

Von Nachteil ist es jedoch, daß die Signale in Phase und Amplitude stark von der Justierung der optischen Bauelemente abhängen. Außerdem sind speziell angepaßte Empfängerkonfigurationen nötig.It is disadvantageous, however, that the signals in phase and amplitude differ greatly from that Depending on the adjustment of the optical components. They are also specially adapted Receiver configurations required.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, unter Einsatz einer einfachen und Spezialanfertigungen von Empfängerkonfigurationen vermeidenden technischen Lösung die Signaleinstellung, insbesondere die Phaseneinstellung, im wesentlichen unabhängig von justierenden Maßnahmen zu gestalten.The object of the invention is therefore, using a simple and Special designs of technical configurations avoiding receiver configurations Solution the signal setting, especially the phase setting, essentially to be designed independently of adjusting measures.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Laserwegmeßsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß auf jeder Seite des Beugungsgitters je einer der beiden Empfänger angeordnet ist, und daß das Beugungsgitter so angeordnet und in Material und Dicke so ausgebildet ist, daß es sowohl in Transmission als auch beidseitig in Reflexion arbeitet, daß ein kohärentes Strahlenbündel darauf gerichtet ist und in einen transmittierten und einen reflektierten Teil getrennt wird, daß zur Bildung eines ersten und eines zweiten Referenzstrahlenbündels durch das Beugungsgitter eine Teilung des kohärenten Strahlenbündels in eine auf den ersten Empfänger gerichtete, durch Reflexion erzeugte und eine auf den zweiten Empfänger gerichtete, durch Transmission erzeugte Beugungsordnung erfolgt und daß von einem das Beugungsgitter als Meßstrahlenbündel durchlaufenden gebeugten Teil des Strahlenbündels nach seiner Reflexion am beweglichen Meßspiegel eine durch Transmission abgespaltene Beugungsordnung als erstes Meßstrahlenbündel parallel zum ersten Referenzstrahlenbündel auf den ersten Empfänger und eine durch Reflexion abgespaltene Beugungsordnung als zweites Meßstrahlenbündel parallel zum zweiten Referenzstrahlenbündel auf den zweiten Empfänger gerichtet ist und die Phasendifferenz zwischen den an den beiden Empfängern anliegenden Interferenzsignalen 90 Grad beträgt.According to the invention the object is achieved in a laser path measuring system of the type mentioned in that on each side of the Diffraction grating is arranged one of the two receivers, and that the Diffraction grating is arranged and formed in material and thickness so that it works both in transmission and on both sides in reflection, that a coherent beam is aimed at it and transmitted in a a reflected part is separated that to form a first and a second reference beam through the diffraction grating a division of the coherent beam into a beam directed at the first receiver Reflection generated and directed towards the second receiver Transmission generated diffraction order takes place and that from one that Diffraction grating as a diffracted part of the measuring beam passing through Beam after its reflection on the movable measuring mirror Transmission split diffraction order parallel as the first measuring beam to the first reference beam on the first receiver and one through Diffraction order split off in parallel as a second measuring beam is directed towards the second reference beam on the second receiver and the phase difference between those applied to the two receivers Interference signals is 90 degrees.

Mit dieser technischen Lösung ist es allein durch eine fachgemäße Wahl der Material- und Geometrieparameter des Beugungsgitters möglich, für die an den Empfängern anliegenden Signale den für eine Vorwärts-Rückwärts-Zählung not wendigen Phasenunterschied von 90° fest einzustellen, da dieser lediglich von der Dicke der gittererzeugenden metallischen Schicht und bei der Reflexion an beiden Seiten dieser Schicht auftretenden Phasensprüngen abhängt.With this technical solution it is only through a professional choice of Material and geometry parameters of the diffraction grating are possible, for which the Received signals for a forward-backward count not Agile phase difference of 90 ° fixed, since this only from the Thickness of the lattice-producing metallic layer and when reflecting on both Phase jumps occurring on this layer depends.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung naher erläutert werden. Es zeigen:The invention is based on the schematic drawing closer are explained. Show it:

Fig. 1 ein Laserwegmeßsystem für zwei Koordinaten Fig. 1 shows a laser path measuring system for two coordinates

Fig. 2 eine Interferometeranordnung zum Einsatz in dem Laserwegmeßsystem. Fig. 2 shows an interferometer arrangement for use in the laser path measuring system.

In der Anordnung gemäß Fig. 1 dient ein Laser 1 mit nachgeschaltetem Kollimator 2 als Quelle zweier Strahlenbündel 3, 4, die durch einen Strahlenteiler 5 erzeugt werden und in deren Strahlengängen umlenkenden optischen Bauelementen 6, 7 zueinander gleichartig aufgebaute Interferometereinheiten 8, 9 nachgeordnet sind. Meßstrahlenbündel 10, 11 sind auf Meßspiegel 12, 13 eines x-y-Positioniersystems 14 gerichtet und werden in die Interferometereinheiten 8, 9 zurückreflektiert.In the arrangement according to FIG. 1, a laser 1 with a downstream collimator 2 serves as the source of two beams 3 , 4 , which are generated by a beam splitter 5 and in whose beam paths deflecting optical components 6 , 7 are subordinate to each other interferometer units 8 , 9 constructed in the same way. Measuring beam bundles 10 , 11 are directed at measuring mirrors 12 , 13 of an xy positioning system 14 and are reflected back into the interferometer units 8 , 9 .

Die in Fig. 2 genauer dargestellte Interferometereinheit 8 enthält auf einem transpa renten Träger 15 ein als metallische Schicht, wie z. B. Chrom, aufgebrachtes Beu gungsgitter 16, das sowohl als Transmissionsgitter als auch beidseitig als Refle xionsgitter wirkt. Dem Beugungsgitter 16 benachbarte Empfänger 17, 18 sind mit ihren Empfängerflächen einander zugewandt.The interferometer unit 8 shown in more detail in Fig. 2 contains a transparent carrier 15 as a metallic layer, such as. B. chrome, applied Beu supply grid 16 , which acts both as a transmission grid and on both sides as a reflection grid. The diffraction grating 16 adjacent receivers 17 , 18 face one another with their receiver surfaces.

Das auf das Beugungsgitter 16 gerichtete Strahlenbündel 3 wird in einen transmit tierten und einen reflektierten Teil getrennt, von denen jeder durch Beugung mehr fach zerlegt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Gitterparameter des Beugungsgitters 16 so gewählt, daß die dargestellten, durch Beugung erzeugten Strahlenbündel nullter und erster Ordnung sind, und höhere Ordnungen praktisch nicht auftreten. Je ein durch Beugung erzeugtes Strahlenbündel des reflektierten und des transmittierten Teils wird als Referenzstrahlenbündel 19 bzw. 20 auf die Empfänger 17 bzw. 18 gerichtet. Einer der gebeugten Bündel des transmittierten Teils stellt das Meßstrahlenbündel 10 dar, das beim Wiederauftreffen auf das Beugungsgitter 16 nach der Reflexion am Meßspiegel 12 erneut gebeugt wird. Durch die Beugung abgespaltene Strahlenbündel 21 bzw. 22 des transmittierten und des reflektierten Teils des rücklaufenden Meßstrahlenbündels 10′ sind auf die Empfänger 17 bzw. 18 parallel zu den Referenzstrahlenbündeln 19, 20 gerichtet. The beam 3 directed onto the diffraction grating 16 is separated into a transmitted and a reflected part, each of which is broken down several times by diffraction. In the present exemplary embodiment, the grating parameters of the diffraction grating 16 are selected in such a way that the beams of rays shown, produced by diffraction, are zero and first order, and higher orders practically do not occur. One beam of the reflected and one of the transmitted part generated by diffraction is directed as a reference beam 19 or 20 at the receiver 17 or 18 . One of the diffracted bundles of the transmitted part is the measuring beam 10 , which is refracted again when it hits the diffraction grating 16 after reflection on the measuring mirror 12 . By diffraction split beams 21 and 22 of the transmitted and the reflected part of the returning measuring beam 10 'are directed to the receiver 17 and 18 parallel to the reference beams 19 , 20 .

Die Gewährleistung des parallelen Einfalls erfolgt durch die Beachtung der hinrei chend bekannten physikalischen Beziehungen an einem Beugungsgitter.The parallel idea is guaranteed by observing the hinrei known physical relationships on a diffraction grating.

Durch die fachgemäße Wahl des Materials und der Dicke des auf dem transparenten Träger 15 aufgebrachten Beugungsgitters 16 wird durch unterschiedliche optische Wege der verschiedenen, als Meß- und Referenzstrahlenbündel dienenden Beu gungsordnungen und die bei der Reflexion an der beugenden Schicht auftretenden Phasensprünge ein vorherbestimmbarer, genau definierter und zur Richtungserken nung des in Pfeilrichtung bewegten Meßspiegels 12 notwendiger Phasenunterschied von 90° zwischen Interferenzsignalen erzeugt, die an den Empfängern 17, 18 anliegen.Due to the professional choice of the material and the thickness of the diffraction grating 16 applied to the transparent carrier 15 , different optical paths of the various diffraction orders serving as measuring and reference beams and the phase jumps occurring during reflection at the diffractive layer provide a predeterminable, precisely defined and for direction detection of the measuring mirror 12 which is moved in the direction of the arrow, the necessary phase difference of 90 ° is generated between interference signals which are applied to the receivers 17 , 18 .

Claims

Laserwegmeßsystem with an interferometer arrangement having a diffraction grating, a laser, a movable measuring mirror and two receivers, which are arranged so that they receive two signals out of phase by 90 degrees, characterized in that

a) one of the two receivers ( 17 , 18 ) is arranged on each side of the diffraction grating ( 16 ),
b) the diffraction grating ( 16 ) is arranged and formed in material and thickness so that
- it works both in transmission and on both sides in reflection,
- A coherent beam ( 3 , 4 ) is directed at it and is separated into a transmitted and a reflected part,
- To form a first and a second reference beam ( 19 , 20 ) through the diffraction grating ( 16 ), a division of the coherent beam ( 3 , 4 ) into one directed at the first receiver ( 17 ), generated by reflection and one on the second receiver ( 18 ) directed diffraction order generated by transmission,
- From a diffraction grating as a measuring beam ( 10 , 11 ) passing diffracted part of the beam ( 3 , 4 ) after its reflection on the movable measuring mirror ( 12 , 13 ) a diffraction order split off by transmission as the first measuring beam ( 21 ) parallel to the first reference beam ( 19 ) is directed at the first receiver ( 17 ) and a diffraction order split off by reflection as the second measuring beam ( 22 ) parallel to the second reference beam ( 20 ) at the second receiver ( 18 ) and the phase difference between those at the two receivers ( 17 , 18 ) applied interference signals is 90 degrees.