DE19716058A1

DE19716058A1 - Optische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE19716058A1
Application number: DE1997116058
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Huber
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: DE19716058B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Interferentielle Positionsmeßeinrichtungen nach dem Dreigitter-Prinzip, wie sie beispielsweise aus der EP 0 163 362 B1 bekannt sind, liefern in der Re gel bei einer Relativbewegung von Maßstab- und Abtastteilung drei intensi tätsmodulierte, um 120° phasenverschobene Signale. Übliche nachgeord nete Auswerteeinheiten sind jedoch auf eine derartige Form der von der Po sitionsmeßeinrichtung gelieferten Signale nicht ausgelegt, sondern setzen eingangsseitig zumindest zwei um 90° phasenverschobene Signale voraus. Über eine entsprechende Anpaß-Elektronik werden daher aus den drei um 120° phasenverschobenen Signalen einer derartigen Positionsmeßeinrich tung zwei um 90° phasenverschobene Ausgangssignale erzeugt, die dann an eine übliche Auswerteeinheit übertragen und dort in bekannter Art und Weise hinsichtlich der Positionsbestimmung weiterverarbeitet werden kön nen.

Um den Transformationsaufwand sowie die hierzu erforderliche Anpaß- Elektronik einzusparen und bei einer derartigen Positionsmeßeinrichtung trotzdem ausgangsseitig mindestens zwei um 90° phasenversetzte Signale zur Verfügung zu haben, sind nunmehr bereits eine Reihe von Ansätzen bekannt geworden. Neben einer rein elektronischen Transformation wie sie beispielsweise aus der EP 0271 549 B1 bekannt ist, wurde auch schon vor geschlagen, durch geeignete Modifikationen auf Seiten der Positions meßeinrichtung ausgangsseitig entsprechende Signale zu erzeugen, die von herkömmlichen Auswerteeinheiten weiterverarbeitet werden können. Die in der US 5,214,280 offenbarten Maßnahmen erweisen sich jedoch als relativ aufwendig.

Geht man zur Lösung der oben angesprochenen Problemstellung von ei nem Ansatz aus, bei dem anstelle von drei Teilsignalen nunmehr vier Teilsi gnale mittels geeignet angeordneter Detektorelemente erfaßt werden, so könnten bei einer interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtung hierzu grundsätzlich die Teilstrahlenbündel resultierender ± 1. sowie ± 2. Beu gungsordnungen herangezogen werden. Im Fall einfacher, binärer Phasen- Abtastgitter unterscheiden sich die Phasenlagen der Teilsignale in den ± 1. und ± 2. resultierenden Beugungsordnungen jedoch nicht und sind aus diesem Grund ungeeignet zur Positionsbestimmung bzw. Weiterverarbei tung.

Eine Möglichkeit zur definierten Einstellung von Phasenunterschieden zwi schen den Teilsignalen unterschiedlicher Beugungsordnungen in einer in terferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtung ist beispielsweise aus der DE 40 07 968 der Anmelderin bekannt. Dort werden zu diesem Zweck in einer entsprechenden Positionsmeßeinrichtung die Abtastteilungen als Pha sengitter mit einer sogenannten Überstruktur ausgebildet. Unter einer Über struktur sei hierbei eine Teilungsstruktur verstanden, bei der innerhalb einer Teilungsperiode mehr als zwei sogenannte Gittersprungstellen vorhanden sind. Als Gittersprungstelle wird dabei etwa die Ecke eines Gittersteges be zeichnet. Beispielsweise ist dann zwischen zwei Gitterstegen mit gleicher Steg breite, wobei durch den gegenseitigen Abstand der Stegmitten die Tei lungsperiode definiert ist, jeweils in der Mitte ein weiterer Steg mit einer an deren Steg breite angeordnet. Durch eine entsprechende Wahl der jeweili gen Überstruktur-Parameter lassen sich definiert die gewünschten Phasen unterschiede zwischen den zu detektierenden Teilsignalen einstellen. Pro blematisch erweist sich jedoch, daß bei interferentiellen Dreigitter-Positi onsmeßeinrichtungen gemäß der EP 0 163 362 B1 auf diese Art und Weise eingestellte, geringe Phasenunterschiede in den Detektorsignalen der ± 1. und ± 2. resultierenden Beugungsordnung bereits hohe Einbußen im Mo dulationsgrad der Detektorsignale zur Folge haben, insbesondere in den Teilsignalen der ± 1. Beugungsordnungen. Die in der DE 40 07 968 offen barten Maßnahmen sind demzufolge nicht ausreichend, um die oben ange sprochene Problematik hinreichend zu lösen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optische Positions meßeinrichtung auf Grundlage einer interferentiellen Dreigitter-Positions meßeinrichtung zu schaffen, bei der ausgangsseitig ohne wesentliche Ein bußen in der Signalqualität mindestens zwei um 90° phasenversetzte Aus gangssignale resultieren, die in üblichen Auswerteeinheiten weiterverarbei tet werden können. Insbesondere ist ein hinreichender Modulationsgrad der Signale bei der Relativbewegung von Maßstab- und Abtastteilung gefordert. Der zu diesem Zweck nötige elektronische und/oder optische Aufwand sollte möglichst gering sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Positi onsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wurde nunmehr erkannt, daß der Einsatz der vorher er wähnten Überstruktur-Phasengitter als Abtastteilung einer interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtung zur Lösung der zugrundeliegenden Auf gabe trotz der angesprochenen Probleme grundsätzlich möglich ist. Dazu sind jedoch eine Reihe weiterer Maßnahmen erforderlich, um die oben dis kutierten Probleme zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. So weist die Abtastteilung erfindungsgemäß ferner die doppelte Teilungsperiode der Maßstabteilung auf. Desweiteren kann durch die gezielte Einstellung der Überstruktur-Parameter der Abtastteilung eine bei einer bestimmten Ver schaltung der Detektorelemente optimierte Signalqualität erreicht werden.

Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrich tung ist aufzuführen, daß damit eine sogenannte Einfeldabtastung möglich ist, d. h. die zur Positionsbestimmung herangezogenen verschiedenen Teil signale stammen allesamt aus dem gleichen Bereich der Maßstabteilung bzw. Abtastteilung. Eventuelle Verschmutzungen auf den verschiedenen Teilungen beeinflussen demzufolge nicht nur einzelne Teilsignale, was zu Fehlern bei der Positionsbestimmung führt. Es werden vielmehr alle Teilsi gnale beeinflußt, wodurch wesentlich stabilere, störungsunempfindliche Ausgangssignale und damit viel geringere Meßfehler resultieren.

Ausgangsseitig liegen bei der erfindungsgemäßen optischen Positions meßeinrichtung demzufolge wie gewünscht mindestens zwei um 90° pha senversetzte Ausgangssignale vor, die in bekannter Art und Weise zur Be stimmung der Relativposition von Maßstab- und Abtastteilung in konventio nellen Auswerteeinheiten weiterverarbeitet werden können.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen optischen Posi tionsmeßeinrichtung ergeben sich aus nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung des entfalteten Strahlenganges innerhalb eines Ausfüh rungsbeispieles der erfindungsgemäßen opti schen Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 2 die Verschaltung der Detektorelemente des beschriebenen Ausführungsbeispieles;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Abtastteilung zur Er läuterung verschiedener Überstruktur-Para meter;

Fig. 4 ein Vektordiagramm mit den verschiedenen Teilsignalen und den entsprechenden Phasen verhältnissen zwischen den Teilsignalen eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung.

Eine schematisierte Darstellung des entfalteten Strahlenganges in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferentiellen Positions meßeinrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Diese umfaßt im wesentlichen eine Lichtquelle L, eine Optik k zum Kollimieren bzw. Fokussieren des Lichtes, eine erste Abtastteilung A, eine Maßstabteilung M, eine zweite Abtastteilung A, die identisch zur ersten Abtastteilung A ausgebildet ist sowie mehrere Detektorelemente D₊₁, D₊₂, D_-1, D_-2. Die Maßstabteilung M ist relativ zu den beiden Abtastteilungen A in Pfeilrichtung verschiebbar angeordnet. Die Ab tastteilungen A einerseits sowie die Maßstabteilung M andererseits sind mit zwei zueinander beweglichen Objekten verbunden, deren Relativposition zueinander exakt bestimmt werden soll. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Werkstück sowie ein Werkzeug an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine handeln. Die von der erfindungsgemäß ausgebildeten Positionsmeßeinrichtung erzeugten Ausgangssignale S₀, S₉₀ werden an eine- nicht dargestellte - nachgeordnete Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung übertragen, beispielsweise an eine numerische Werkzeugmaschinen-Steue rung.

Die erfindungsgemäße optische Positionsmeßeinrichtung kann grundsätz lich als Durchlicht-Variante ausgebildet werden, die eine Maßstabteilung M in Transmission sowie zwei identisch ausgebildete Abtastteilungen A um faßt. Als für die Praxis geeigneter erweist sich jedoch eine Auflicht-Variante mit einer reflektierend ausgebildeten Maßstabteilung M und lediglich einer einzigen Abtastteilung A. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei einer der artigen Ausführungsform die Abstände zwischen den Abtastteilungen A und der Maßstabteilung M automatisch immer gleich sind und die interferieren den Teilstrahlenbündel sich immer ideal überlagern. Der in Fig. 1 darge stellte Strahlengang entspricht demzufolge dem entfalteten Strahlengang einer Auflicht-Variante oder aber dem Strahlengang der Durchlicht-Variante der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung. Die nachfol gende Beschreibung erfolgt am Beispiel der Auflicht-Variante, d. h. es ist lediglich eine einzige Abtastteilung A sowie eine einzige Optik k vorgese hen, die zweimal von den Strahlenbündeln passiert wird.

Neben der dargestellten Ausführungsform zur Erfassung von Linearbewe gungen zwischen Maßstab- und Abtastteilung kann analog selbstverständ lich auch eine Positionsmeßeinrichtung zur Erfassung rotatorischer Bewe gungen erfindungsgemäß ausgebildet werden.

Das von einer Lichtquelle L kommende Strahlenbündel wird von der Kolli matoroptik K kollimiert, d. h. parallel ausgerichtet und an der Abtastteilung A in verschiedene Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Richtung aufgespalten. Hierbei ist die Abtastteilung A derart ausgebildet, daß eine Ablenkung der verschiedenen Teilstrahlenbündel in die 0. sowie ± 1. und ± 2. Beu gungsordnung resultiert. Die gebeugten Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Beugungsordnung treffen auf die gegenüber der Abtastteilung A verschieb bare Maßstabteilung M und werden dort erneut gebeugt, wobei die Maß stabteilung M so ausgebildet ist, daß im wesentlichen eine Beugung der auftreffenden Teilstrahlenbündel in die ± 1. Ordnungen erfolgt. In Fig. 1 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht alle an der Maßstabteilung M in die verschiedenen Raumrichtungen gebeugten Teilstrahlenbündel dargestellt. Die von der Maßstabteilung M gebeugten und reflektierten Teilstrahlenbün del treffen ein zweites Mal auf die Abtastteilung A auf, wo sie in der Ebene der Abtastteilung A interferieren. Aufgrund der nochmaligen Beugung an der Abtastteilung A werden die interferierenden Teilstrahlenbündel anschließend in verschiedene Raumrichtungen abgelenkt. Die resultierenden, verschie bungsabhängig modulierten Interferenzsignale gelangen über die Optik k auf die insgesamt vier Detektorelemente D+₊₁, D_-1, D₊₂, D_-2, die in den ent sprechenden Raumrichtungen angeordnet sind. Um ausgangsseitig das gewünschte Paar phasenversetzter Ausgangssignale S₀ und S₉₀ zur Verfü gung zu haben, sind die vier Detektorelemente D₊₁, D_-1, D₊₂, D_-2 in der in Fig. 2 dargestellten Art und Weise verschaltet.

Die beiden phasenversetzten Ausgangssignale S₀, S₉₀ können, falls erfor derlich, über eine - nicht dargestellte - einfach ausgebildete elektronische Korrektureinheit vor der Übertragung an eine Auswerteeinheit desweiteren auch noch verstärkt und hinsichtlich bestimmter Fehler korrigiert werden. Hierzu gehören ungleiche Signalamplituden, störende DC-Anteile sowie ein ggf. nicht optimaler Phasenversatz von 90°. Ist insbesondere die Abtasttei lung A der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung mit hinreichender Präzision gefertigt, beispielsweise mittels einer gut reproduzierbaren Ferti gungstechnologie wie der Prägetechnologie, so kann eine derartige zusätz liche Korrektur der beiden Ausgangssignale S₀, S₉₀ eventuell entfallen. Die Signale S₀ und S₉₀ können dann unmittelbar an eine Auswerteeinheit über tragen und dort in bekannter Art und Weise zur Positionsbestimmung her angezogen werden.

Im Gegensatz zu bekannten interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßein richtungen weist die Maßstabteilung M zum einen erfindungsgemäß eine Teilungsperiode TP_M = d/2 auf, wobei mit d die - identische - Teilungsperi ode TP_A der Abtastteilung A bezeichnet sei. Aufgrund dieser Wahl der Tei lungsperiode TP_M der Maßstabteilung M resultiert eine deutlich stärkere Ablenkung der gebeugten Teilstrahlenbündel an der Maßstabteilung M im Vergleich zu bekannten Dreigitter-Positionsmeßeinrichtungen mit identi schen Teilungsperioden von Maßstab- und Abtastteilungen. Bei dieser Wahl der Teilungsperioden von Maßstab- und Abtastteilung ergibt sich eine Peri ode der Ausgangssignale S₀ und S₉₀ von d/4.

Als entscheidender Vorteil dieses Teilungsperioden-Verhältnisses ist jedoch anzuführen, daß auf diese Art und Weise nahezu beliebige Phasenunter schiede zwischen den detektierten Signalanteilen bzw. Teilsignalen in den ± 1. und ± 2. Beugungsordnungen eingestellt werden können. Dies wäre bei identischen Teilungsperioden von Maßstab- und Abtastteilung lediglich unter inakzeptablen Einbußen im Modulationsgrad möglich.

Als weitere erfindungsgemäße Maßnahme ist auf Seiten der als Phasengit ter ausgebildeten Abtastteilung A vorgesehen, diese mit einer sogenannten Überstruktur zu versehen. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung er wähnt, sei unter einer Überstruktur eine Teilungsstruktur verstanden, bei der innerhalb einer Teilungsperiode mehr als zwei sogenannte Gitter sprungstellen vorhanden sind. Als Gittersprungstelle wird dabei etwa die Ecke eines Gittersteges bezeichnet. Bezüglich verschiedener möglicher Ausführungsformen derartiger Überstrukturen sei zudem auf die bereits er wähnte DE 40 07 968 C2 der Anmelderin verwiesen.

Zur Veranschaulichung einer Abtastteilung mit einer derartigen Überstruktur sei auf die Fig. 3 verwiesen, die einen Schnitt durch ein Ausführungsbei spiel einer Abtastteilung A zeigt. Die entsprechende Abtastteilung A ist hier bei als Transmissionsphasengitter ausgebildet und weist zum einen in peri odischer Folge angeordnete Stege S_A der Höhe h auf. Der Abstand zwi schen den Mitten zweier benachbarter Stege S_A entspricht der Teilungsperi ode TP_A=d. Ferner weist die Abtastteilung A symmetrisch zwischen den Stegen S_A angeordnete weitere Stege S_u mit der gleichen Höhe h auf, deren Steg breite b_u sich von der Stegbreite b_A der Stege S_A unterscheidet. Inner halb der dargestellten Teilungsperiode TP der Abtastteilung A sind demzu folge neben den beiden Gittersprungstellen G₁, G₂ aufgrund des zusätzli chen Steges S_u zwei weitere Gittersprungstellen G₃, G₄ vorhanden. Die in Fig. 3 gezeigte Variante einer Überstruktur stellt selbstverständlich lediglich eine mögliche Ausführungsform dar; daneben können jedoch auch komplexere Überstrukturen für die Abtastteilung A vorgesehen werden. Diese können beispielsweise noch mehr Gittersprungstellen innerhalb einer Teilungsperiode aufweisen und/oder verschiedene Steghöhen umfassen usw.

Die jeweils gewählte Überstruktur der Abtastteilung A läßt sich durch eine Reihe von Parametern beschreiben, die am Ausführungsbeispiel der Fig. 3 nachfolgend erläutert und im folgenden auch als Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ bezeichnet seien.

Die Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂ sind dabei definiert durch:

τ₁:=b_A/TP_A und

τ₂:=b_u/TP_A,

wobei b_A und b_u der jeweiligen Breite der Stege S_A und S_u entspricht.

Der die Phasentiefe der Abtastteilung A beschreibende Überstruktur-Para meter θ ist definiert durch:

θ:= (2π/λ).h.(n-1),

wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle, h die geometrische Steghöhe und n den Brechungsindex des eingesetzten Gittermateriales an gibt.

Die Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ werden erfindungsgemäß nunmehr un ter Beachtung bestimmter Randbedingungen dergestalt gewählt, daß aus gangsseitig bei der beschriebenen Positionsmeßeinrichtung durch geeig nete Kombination bestimmter detektierter Signalanteile zumindest zwei um 90° phasenversetzte, verschiebungsabhängig modulierte Ausgangssignale erzeugbar sind.

Als erste Randbedingung wird bei der Wahl der Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ berücksichtigt, daß zumindest die bei einer Beugung an der Abtasttei lung A resultierenden Signalanteile in den 0., ± 1. sowie ± 2. Beugungs ordnungen eine hinreichende Intensität für die Weiterverarbeitung aufwei sen.

Ferner ist als zweite Randbedingung aufzuführen, daß bei der Wahl der Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ gewährleistet sein muß, daß in den detek tierten Beugungsordnungen, d. h. in der ± 1. sowie in der ± 2. Beugungs ordnung bei der Relativbewegung von Maßstab- und Abtastteilungen ein Modulationsgrad resultiert, der eine Positionsbestimmung mit hinreichender Störsicherheit ermöglicht.

Schließlich ist als dritte Randbedingung zu berücksichtigen, daß die mittlere Intensität der Signale, die in den ± 1. sowie ± 2. Beugungsordnungen de tektiert werden, möglichst gleich ist, so daß dieser unerwünschte Signalan teil bei der Signalweiterverarbeitung auf einfache Art und Weise eliminiert werden kann.

Neben diesen drei Randbedingungen ist bei der Wahl der Überstruktur-Pa rameter τ₁, τ₂, θ desweiteren zu beachten, daß durch die Überstruktur-Pa rameter τ₁, τ₂, θ bestimmte Phasenbeziehungen zwischen den Teilsignalen in den verschiedenen detektierten Beugungsordnungen eingestellt werden können, wie dies beispielsweise auch in der bereits oben erwähnten DE 40 07 968 schon vorgeschlagen wurde. In Fig. 4 sind in einem Vektordia gramm die Phasenbeziehungen zwischen den verschiedenen detektierten Signalanteilen in den ± 1. und ± 2. Beugungsordnungen dargestellt, wie sie in einem Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß durch die Wahl der Überstrukturparameter eingestellt werden, so daß ausgangsseitig die beiden um 90° phasenversetzten Ausgangssignale S₀, S₉₀ resultieren.

Neben den Vektoren für die Signalanteile in den ± 1. sowie ± 2. Beu gungsordnungen sind in Fig. 4 desweiteren auch die hierzu invertierten Signalanteile dargestellt, die zu den erstgenannten Signalanteilen jeweils einen Phasenversatz von 180° aufweisen. Die invertierten Signalanteile werden in Fig. 4 dabei mit den Bezugszeichen +1, -1, +2, -2 bezeich net.

Durch nachfolgend erläuterte, geeignete Kombinationen der detektierten Signalanteile werden letztlich die beiden gewünschten Ausgangssignale S₀, S₉₀ mit einem Phasenversatz von 90° zueinander erzeugt. So ergibt sich in der dargestellten Ausführungsform das erste Ausgangssignal S₀ als vektori elle Addition des Signalanteiles in der +1. Beugungsordnung und des inver tierten Signalanteiles +2 der +2. Beugungsordnung. Das hierzu um 90° phasenversetzte Ausgangssignal S₉₀ resultiert aus der vektoriellen Addition des Signalanteiles in der -1. Beugungsordnung und des invertierten Signalanteiles -2 der -2. Beugungsordnung.

Um auf diese Art und Weise die verschiedenen Signalanteile kombinieren zu können, müssen die in den verschiedenen Beugungsordnungen erfaßten Detektorsignale bestimmte Amplituden- und Phasenbeziehungen zueinan der aufweisen, was durch die geeignete Wahl der Überstrukturparameter τ₁, τ₂, θ einstellbar ist. Eine Variation und ein iteratives Optimieren der Über strukturparameter τ₁, τ₂, θ führte zu der im Ausführungsbeispiel dargestell ten Konfiguration.

So ist dabei die mittlere Intensität der in den ± 1. und ± 2. Beugungsord nungen detektierten Signale gleich. Ferner resultiert für den detektierten Signalanteil in der +1. Beugungsordnung ein auf 0° bezogener Phasenwin kel ϑ₊₁ von ca. 150°, für den Signalanteil in der +2. Beugungsordnung ein auf 0° bezogener Phasenwinkel ϑ₊₂ von ca. 290°. Aus den beiden Phasen winkeln ϑ₊₁, ϑ₊₂ lassen sich die Phasenwinkel der restlichen detektierten Signalanteile -1, -2 und auch der die invertierten Signalanteile +1, -1, +2, -2 einfach ableiten. So ergeben sich die Signalanteile in den -1. und -2. Beugungsordnungen durch die Bildung komplex konjugierter Vektoren zu den Signalanteilen in der +1. und +2. Beugungsordnung, woraus sich wie derum die zugehörigen Phasenbeziehungen ableiten lassen. Die invertierten Signalanteile +1, -1, +2, -2 unterscheiden sich von den jeweiligen nicht-invertierten Signalanteilen +1, -1, +2, -2 um 180° in der Phase. Die Verhältnisse zwischen den Signalamplituden wurden im dargestellten Aus führungsbeispiel derart eingestellt, daß die Amplitude des Signalanteils in der +1. Beugungsordnung etwa um 40% größer ist als die Amplitude des Signalanteiles in der +2. Beugungsordnung.

Bei einer derartigen Wahl der Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwi schen den verschiedenen detektierten Signalanteilen ergibt sich gemäß der Darstellung in Fig. 4 ein Phasenwinkel des Ausgangssignales S₀ von 135° und ein Phasenwinkel des Ausgangssignales S₉₀ von 225°. Somit resultiert der gewünschte Phasenversatz von 90° zwischen den beiden Ausgangs signalen S₀, S₉₀.

Grundsätzlich wäre es dabei selbstverständlich auch möglich, durch ent sprechende Kombinationen von Signalanteilen bzw. Verschaltung von De tektorsignalen um 180° phasenversetzte Ausgangssignale zu den Aus gangssignalen S₀ und S₉₀ zu erzeugen.

Die Kombination der verschiedenen Signalanteile zur Bildung der um 90° phasenversetzten Ausgangssignale entsprechend Fig. 4 erfolgt in der er findungsgemäßen Vorrichtung auf einfache Art und Weise, indem die De tektorelemente der +1. und +2. Beugungsordnung sowie der -1. und -2. Beugungsordnung gemäß Fig. 2 antiparallel verschaltet werden. Die Anti parallelschaltung entspricht hierbei der elektronischen Addition eines inver tierten Signalanteiles mit einem nicht-invertierten Signalanteil.

In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positions meßeinrichtung wird bei einer eingesetzten Lichtwellenlänge λ=860 nm die Teilungsperiode TP_A=16 µm gewählt. Die Teilungsperiode der Maßstabtei lung TP_M ergibt sich demzufolge zu TP_M=8 µm. Unter Berücksichtigung der oben erwähnten Randbedingungen werden die Überstrukturparameter bei den in Fig. 4 veranschaulichten Phasenbeziehungen folgendermaßen ge wählt:

τ₁=0,26
τ₂=0,04
θ=2,7 rad.

Selbstverständlich lassen sich auf Grundlage der erfindungsgemäßen Lehre auch alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Po sitionsmeßeinrichtung realisieren. Insbesondere können auch andere Über strukturen eingesetzt werden, die eine Optimierung ganz bestimmter Anfor derungen ermöglichen.

Claims

1. Optische Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte mit

a) einer Lichtquelle,
b) einer Maßstabteilung mit einer definierten Teilungsperiode,
c) mindestens einer Abtastteilung mit einer definierten Teilungsperi ode, auf die interferenzfähige Teilstrahlenbündel auftreffen und über die die interferierenden Teilstrahlenbündel in mindestens vier unterschiedliche Raumrichtungen ablenkbar sind, wobei die Ab tastteilung desweiteren eine Überstruktur aufweist, welche über be stimmte Überstruktur-Parameter charakterisierbar ist sowie
d) vier Detektorelementen, über die die zu den interferierenden Teil strahlenbündeln gehörenden Signalanteile erfaßbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
e) die Abtastteilung (A) derart ausgebildet ist, daß auftreffende Strah lenbündel im wesentlichen in die 0., ± 1. und ± 2. Ordnung ge beugt werden,
f) die vier Detektorelemente (D₊₁, D_-1, D₊₂, D_-2) in den Raumrichtun gen angeordnet sind, die den ± 1, ± 2. Beugungsordnungen ent sprechen,
g) die Teilungsperiode (TP_A) der Abtastteilung (A) doppelt so groß ge wählt ist wie die Teilungsperiode (TP_M) der Maßstabteilung (M) und ferner
h) die Überstruktur-Parameter (τ₁, τT₂, θ) der Abtastteilung (A) derart gewählt sind, daß
- h1) in den 0., ± 1. und ± 2. Beugungsordnungen eine hinrei chende Intensität der Signalanteile gewährleistet ist,
- h2) in den ± 1. und ± 2. Beugungsordnungen ein hinreichender Modulationsgrad der Signalanteile bei der Relativbewegung von Maßstab- (M) und Abtastteilung (A) resultiert und
- h3) die mittlere Intensität der detektierten Signalanteile ± 1. und ± 2. Ordnung identisch sind und
- h4) die Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen den de tektierten Signalanteilen eine Addition von nicht-invertierten und invertierten Signalanteilen miteinander ermöglichen, so daß derart mindestens zwei Ausgangssignale (S₀, S₉₀) mit ei nem Phasenversatz von 90° erzeugbar sind.

2. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Addition von nicht-invertierten und invertierten Signalanteilen durch die Antiparallelschaltung der zugehörigen Detek torelemente (D₊₁, D_-1, D₊₂, D_-2) erfolgt.

3. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß den Detektorelementen (D₊₁, D_-1, D₊₂, D_-2) eine elektroni sche Korrektureinheit nachgeordnet ist, über die die beiden Ausgangs signale (S₀, S₉₀) hinsichtlich ungleicher Signalamplituden, störender DC- Anteile sowie ggf. nicht optimalem Phasenversatz korrigierbar sind.

4. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Überstruktur-Parameter (τ₁, τ₂, θ) der Abtastteilung (A) derart gewählt sind, daß zwischen den Signalanteilen, die in der +1. Beugungsordnung und in der +2. Beugungsordnung erfaßt werden ein Phasenversatz von etwa 140° resultiert.

5. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß

- ein erstes Ausgangssignal (S₀) aus der Kombination des Signalan teiles in der +1. Beugungsordnung sowie des invertierten Signalan teiles der +2. Beugungsordnung resultiert und
- ein zweites Ausgangssignal (S₉₀) aus der Kombination des Signal anteiles in der -1. Beugungsordnung sowie des invertierten Signalan teiles der -2. Beugungsordnung resultiert.