DE19748802A1 - Optische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung, die insbesondere die Erzeugung eines hochauflösenden Referenzimpuls-Si­ gnales ermöglicht.

In bekannten optischen Positionsmeßeinrichtungen sind neben der inkre­ mentalen Positionsinformation zur Herstellung eines absoluten Positionsbe­ zuges auch sogenannte Referenzmarken in vielfältigen Ausführungen be­ kannt, über die Referenzimpuls-Signale erzeugbar sind. Hierbei ist erforder­ lich, daß beim Herstellen des Absolutbezuges über die Referenzmarken eine ähnlich hohe Auflösung hinsichtlich der Positionsbestimmung gewährleistet ist wie bei der inkrementalen Messung der Relativposition der beiden zuein­ ander beweglichen Objekte. Insbesondere bei hochauflösenden, interferenti­ ellen Positionsmeßeinrichtungen ist demzufolge ein möglichst schmaler Re­ ferenzimpuls wünschenswert, der mit der gleichen hohen Auflösung wie die Inkrementalspur die Bestimmung der jeweiligen Absolutposition eindeutig ermöglicht. Im Fall der Verwendung herkömmlicher, nicht-interferentieller Methoden zur Erzeugung von Referenzimpuls-Signalen ist diese ge­ wünschte hohe Auflösung jedoch nicht realisierbar.

Zur Erzeugung von hochauflösenden Referenzimpuls-Signalen in interferen­ tiellen Meßsystemen wird in der EP 0 513 427 der Anmelderin deshalb vor­ geschlagen, sogenannte gechirpte Gitter- bzw. Teilungsstrukturen einzuset­ zen. Die hierzu nötigen Teilungsstrukturen auf dem Maßstab-Teilungsträger und dem Abtast-Teilungsträger sind dabei mit ortsabhängiger, stetig anstei­ gender oder stetig fallender Teilungsperiode ausgebildet, d. h. die zur Refe­ renzimpuls-Erzeugung herangezogenen Abtast- und Maßstabfelder weisen nicht über die gesamte Länge die gleiche Teilungsperiode auf. Die optische Wirkung derart ausgebildeter Abtast- und Maßstab-Teilungsstrukturen kann verständlich gemacht werden, indem näherungsweise von einem Ge­ samtgitter ausgegangen wird, das wiederum in eine Reihe kleinerer Teilgitter mit konstanter, aber unterschiedlicher Gitterkonstante zerlegt wird. Jedes der einzelnen Teilgitter liefert bei der optischen Abtastung einen definierten Bei­ trag unterschiedlicher Frequenz zum resultierenden Gesamtsignal. Aufgrund der Überlagerung der frequenzverschiedenen Signal-Beiträge der verschie­ denen Teilgitter ergibt sich ein nichtperiodisches Überlagerungssignal mit einem scharfen, örtlich definierten Maximum, wobei an der Signalentstehung verschiedene Signalfrequenzen beteiligt sind. Durch die geeignete Variation der Gitter-Parameter gechirpter Gitterstrukturen läßt sich die Amplitude und die Phase der verschiedenen Signalbeiträge und damit die resultierende Si­ gnalform gezielt beeinflussen, insbesondere läßt sich derart die gewünschte hochaufgelöste Signalform für das Referenzimpuls-Signal einstellen.

Bei einer Vergrößerung des Abtastabstandes in interferentiellen Positions­ meßsystemen, beispielsweise aufgrund von bestimmten Anbau-Gegeben­ heiten, ergeben sich jedoch Probleme, wenn ein Referenzimpuls-Signal ba­ sierend auf gechirpten Teilungsstrukturen erzeugt werden soll. So hat ein vergrößerter Abtastabstand zur Folge, daß die vom Abtastgitter aufgespal­ tenen Teilstrahlenbündel auf Maßstabbereiche treffen, die weiter voneinan­ der entfernt liegen als dies bei vergleichsweise geringem Abtastabstand der Fall ist. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn bei gegebenem Abtastabstand die lokale Teilungsperiode verkleinert wird, wie dies etwa für einen schmäleren Referenzimpuls erforderlich ist.

Während beim geringeren Abtastabstand davon ausgegangen werden kann, daß die lokale Gitterkonstante der beaufschlagten, verschiedenen Maßstabbereiche annähernd identisch ist, sofern sich die Teilungsperiode nur langsam ändert, gilt diese Annahme bei einer deutlichen Vergrößerung des Abtastabstandes bzw. einer Verringerung der Breite des Referenzim­ pulses nicht mehr. An den verschiedenen Auftrefforten der aufgespaltenen Teilstrahlenbündel liegen vielmehr unterschiedliche lokale Gitterkonstanten vor. Um nunmehr ein Interferenzsignal zu erzeugen, müssen die von einem Punkt ausgehenden bzw. aufgespaltenen Teilstrahlenbündel jedoch wieder annähernd in einem gemeinsamen Punkt vereinigt werden. Hierbei sollen die in unterschiedliche Richtungen gebeugten Teilstrahlenbündel vorzugsweise die gleiche optische Weglänge durchlaufen haben. Dies ist aufgrund der unterschiedlichen Ablenkwirkung der Bereiche unterschiedlicher lokaler Git­ terkonstante für die verschiedenen Teilstrahlenbündel im Fall großer Abtast­ abstände jedoch nicht mehr möglich.

Eine Lösung dieser Problematik könnte darin bestehen, die Maßstab- Chirpfelder mit einer sehr langsam veränderlichen Teilungsperiode zu ver­ sehen. Hochauflösende Referenzsignal-Impulse bedingen aber entspre­ chend kleine lokale Gitterkonstanten mit einer großen Ablenkwirkung. So ergeben sich großflächige Abtastfelder, was der Forderung nach einem kompakten Aufbau der Abtasteinheit widerspricht.

Neben der Forderung nach größeren möglichen Abtast-Abständen ist in in­ terferentiellen, hochauflösenden Positionsmeßeinrichtungen ferner eine ge­ wisse Unempfindlichkeit der erzeugten Referenzimpuls-Signale gegenüber sogenannten Moiré-Drehungen gewünscht. Hierbei sei unter Moiré-Drehung eine Verdrehung von Maßstabteilung und Abtastteilung um eine Achse senk­ recht zur Maßstabteilung verstanden. Auch bei einer derartigen Drehung soll eine gleichbleibende Lage des Referenzimpuls-Signales relativ zum Inkre­ mentalsignal gewährleistet bleiben.

Eine besonders justierunempfindliche optische Positionsmeßeinrichtung zur Erfassung der Lage zweier relativ zueinander beweglicher Objekte ist aus der DE 39 05 730 der Anmelderin grundsätzlich bekannt. Die dort vorge­ schlagene Positionsmeßeinrichtung arbeitet nach dem interferentiellen Prin­ zip und umfaßt neben den Abtast- und Maßstabteilungen mindestens ein retroreflektierendes Element, das nach dem erstmaligen Durchlaufen der Abtast- und Maßstabteilungen eine Ablenkung der Teilstrahlenbündel zurück in die Einfallsrichtung bewirkt, so daß Abtast- und Maßstabteilung nochmals durchlaufen werden. Insgesamt resultiert aufgrund der vorgesehenen Rück­ reflexion und dem nochmaligen Durchlaufen der Abtast- und Maßstabteilun­ gen eine besonders justierunempfindliche Meßanordnung mit hoher Auflö­ sung.

Hinsichtlich erforderlicher Maßnahmen zur Erzeugung eines hochauflösen­ den Referenzimpuls-Signals enthält diese Druckschrift jedoch keine weiter­ gehenden Hinweise.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, insbesondere innerhalb einer interferentiellen Positionsmeßeinrichtung möglichst hochaufgelöste Referenzimpuls-Signale zu erzeugen. Hierbei soll auch die Möglichkeit ge­ geben sein, größere Abtastabstände zwischen der Abtastteilung und der Maßstabteilung vorzusehen, um dadurch eine größere Flexibilität hinsichtlich verschiedener Anbaugegebenheiten zu erreichen.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Positions­ meßeinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen An­ sprüchen.

Es resultiert aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen nunmehr eine optische Positionsmeßeinrichtung, bei der die Herstellung des Absolutbe­ zuges über die Referenzimpuls-Signale mit der gleichen hohen Auflösung möglich ist wie die Bestimmung der Relativposition über die Inkrementalsi­ gnale. Insgesamt ergibt sich eine verbesserte Meßgenauigkeit des Gesamt- Systems.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Anordnung von mindestens zwei sepa­ raten Maßstab-Chirpfeldern mit einer jeweils definierten räumlichen Anord­ nung der gechirpten Teilungsstrukturen ermöglicht nunmehr auch die Ab­ tastung bei größeren Abtastabständen. Hierzu sind die separaten Maßstab- Chirpfelder derart angeordnet bzw. dimensioniert, daß die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel, welche letzlich wieder zur Interferenz kommen, Maß­ stabbereiche bzw. einander zugeordnete Lagen beaufschlagen, in denen zumindest ähnliche lokale Gitterkonstanten vorliegen.

Hinsichtlich der möglichen Verteilung der Gitterstriche der Abtast- und Maß­ stab-Chirpfelder können eine Reihe von Ausführungsvarianten realisiert werden, d. h. die erfindungsgemäße optische Positionsmeßeinrichtung kann für verschiedenste Meßsystem-Anordnungen ausgelegt werden.

Die erfindungsgemäße optische Positionsmeßeinrichtung kann zudem so­ wohl als Winkel- wie auch als Längenmeßsystem ausgebildet werden. Fer­ ner lassen sich Durchlicht-Varianten ebenso realisieren wie Auflicht-Varian­ ten.

Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrich­ tung ist aufzuführen, daß nicht unbedingt eine Lichtquelle mit Kolllimations­ optik erforderlich ist. Vielmehr ist es auch möglich, eine Lichtquelle einzuset­ zen, die ein z. B. divergentes Strahlenbündel liefert. Derart entfällt der Auf­ wand für eine ansonsten erforderliche Kollimationsoptik.

Insbesondere bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen optischen Po­ sitionsmeßeinrichtung gemäß Anspruch 9 ist darüberhinaus eine hohe Ju­ stier-Unempfindlichkeit des gesamten Meßsystems gewährleistet. Dies gilt nunmehr nicht nur für die Erzeugung der Inkrementalsignale, sondern auch für die erfindungsgemäß erzeugten Referenzimpuls-Signale und den räum­ lichen Bezug der verschiedenen Signale zueinander. Insbesondere bei einer sog. Moiré-Kippung, worunter eine Drehung oder Kippung der Abtastteilung um eine Achse senkrecht zur Maßstabteilung verstanden sei, ergeben sich bei dieser Ausführungsform Vorteile. So ist das erfindungsgemäß erzeugte Referenzimpuls-Signal dabei nicht nur stabil in der Amplitude sondern behält trotz der Kippung auch seine Lagebeziehung relativ zu den Inkrementalsi­ gnalen bei. Der derart erzeugte Referenzimpuls markiert demzufolge inner­ halb grober Anbautoleranzen stets die gleiche Signalperiode der Inkremen­ talsignale. Eine ansonsten erforderliche Feinjustierung der Moiré-Kippung kann damit entfallen, was wiederum insbesondere bei hochauflösenden Po­ sitionsmeßeinrichtungen von großem Vorteil ist.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen optischen Po­ sitionsmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1 die seitliche Ansicht einer ersten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen optischen Positi­ onsmeßeinrichtung;

Fig. 2 den entfalteten Strahlengang der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine seitliche Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen opti­ schen Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 4 den entfalteten Strahlengang des Ausfüh­ rungsbeispiels gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine geringfügig abgewandelte Variante der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen optischen Positionsmeßeinrichtung in einer anderen Ansicht, die insbesondere die räumli­ che Anordnung der einzelnen Komponenten veranschaulicht;

Fig. 6a und 6b die Draufsicht auf die Abtastplatte sowie auf den Maßstab einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positions­ meßeinrichtung;

Fig. 7 eine schematisierte seitliche Teilansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemä­ ßen optischen Positionsmeßeinrichtung.

Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrich­ tung sei nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, wobei Fig. 2 den entfalteten Strahlengang der Positionsmeßeinrichtung aus Fig. 1 zeigt. Der in Fig. 2 dargestellte zweite Abtast-Teilungsträger 22' ist demzufolge hinsichtlich seiner Funktion identisch mit dem einzigen Abtast-Teilungsträger 22 aus Fig. 1, der dort zweimal von den verschiedenen Strahlenbündeln passiert wird.

In dieser Ausführungsform, die eine interferentielle Referenzimpuls-Signaler­ zeugung auf Grundlage bekannter Dreigittergeber vorsieht, ist der ge­ wünschte größere Abtastabstand d zwischen Abtast- und Maßstabteilung aufgrund der erfindungsmäßen Maßnahmen realisierbar, wobei im Fall der Auflicht-Anordnung auch bei Fig. 2 d=d' gilt. In Fig. 1 und 2 ist jeweils le­ diglich derjenige Teil der Positionsmeßeinrichtung dargestellt, der zur Erzeu­ gung der Referenzimpuls-Signale dient. Nicht erkennbar ist hingegen der Teil der Positionsmeßeinrichtung, welcher zur Erzeugung der Inkrementalsi­ gnale in bekannter Art und Weise herangezogen wird und hierzu Abtast- und Maßstabteilungen mit jeweils konstanter Teilungsperiode umfaßt. Hierzu sei etwa auf die EP 0163 362 verwiesen.

Die dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten opti­ schen Positionsmeßeinrichtung eignet sich beispielsweise zum Einsatz in Werkzeugmaschinen, um die Relativposition von Werkzeug und Werkstück hochexakt zu bestimmen. Darüber hinaus sind jedoch vielfältige weitere Ein­ satzmöglichkeiten denkbar, beispielsweise bei der Positionierung verschie­ dener Elemente in der Halbleiterfertigung usw. Insbesondere im letztge­ nannten Einsatzgebiet kann dabei zur bloßen hochgenauen Positionierung auf eine in den folgenden Beispielen enthaltene Inkrementalspur verzichtet werden, d. h. es ist keine kontinuierliche Erfassung der Position über einen größeren Meßbereich nötig. Vielmehr reicht die genaue Kenntnis bestimmter Positionen zur gewünschten präzisen Relativpositionierung aus.

Die optische Positionsmeßeinrichtung im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 umfaßt beleuchtungsseitig eine Lichtquelle 21, beispielsweise ausgebildet als Laserdiode mit vorgeordneter - nicht dargestellter - Kollimationsoptik. Das von der Lichtquelle 21 emittierte und kollimierte Licht gelangt zunächst auf einen ersten, transmittiven Abtast-Teilungsträger 22 und wird an dessen Abtastteilungen in verschiedene Raumrichtungen gebeugt, wobei im darge­ stellten Beispiel eine Ablenkung in die +1. und in die -1. Beugungsordnung erfolgt. Dies als auch die nachfolgende Kurzbeschreibung des Strahlengangverlaufs gilt im übrigen sowohl für die Strahlenbündel, die zur Erzeugung der Inkre­ mentalsignale herangezogen werden, wie auch für die Strahlenbündel, wel­ che zum noch näher zu erläuternden Erzeugen der Referenzimpuls-Signale verwendet werden. Die vorab erwähnten Abtastteilungen umfassen deshalb in diesem Zusammenhang sowohl das dargestellte Abtast-Chirpfeld 22.1 als auch das nicht dargestellte Abtastfeld zur Erzeugung der Inkrementalsignale. Die an den Abtastteilungen in verschiedene Beugungsordnungen abgelenk­ ten Teilstrahlenbündel gelangen anschließend auf einen reflektierend aus­ gebildeten Maßstab-Teilungsträger 23, der in x-Richtung verschiebbar zum Abtast-Teilungsträger 22 angeordnet ist. Selbstverständlich kann sowohl in dieser wie auch in den weiteren beschriebenen Ausführungsformen auch der Abtast-Teilungsträger verschiebbar angeordnet sein, d. h. entscheidend ist lediglich die mögliche Relativverschiebung von Maßstab- und Abtast-Tei­ lungsträger. Wie aus der Darstellung in Fig. 2 hervorgeht kann der Maß­ stab-Teilungsträger prinzipiell auch durchlässig ausgebildet sein. Auch am Maßstab-Teilungsträger 23 bzw. dessen zugeordneten Teilungsstrukturen erfolgt eine Beugung und Ablenkung der auftreffenden Teilstrahlenbündel in Richtung der Abtastteilungen. Die wiederum auf die Abtastteilung gelangen­ den Teilstrahlenbündel interferieren schließlich nach dem zweiten Passieren der Abtastteilungen; die resultierenden Interferenzsignale werden detektor­ seitig mit ein oder mehreren optoelektronischen Detektorelementen 25 erfaßt und über eine nachgeordnete - nicht dargestellte - Auswerteeinheit in ver­ schiebungsabhängige Signale umgewandelt.

Bei der erfolgenden Relativverschiebung der mit den beiden beweglichen Objekten verbundenen Teilungsträger 22, 23 in der dargestellten Meßrich­ tung x ergibt sich ein definierter Phasenversatz zwischen den jeweils inter­ ferierenden Teilstrahlenbündeln, das heißt das mindestens eine Detektor­ element 25 erfaßt verschiebungsabhängig modulierte Signale, die nachfol­ gend in bekannter Art und Weise auswertbar sind. Hierbei wird im Fall des Referenzimpuls-Signales ein Signal detektiert, welches in einer definierten Absolutposition, nachfolgend auch als Nullage bezeichnet, seine maximale Amplitude aufweist.

Wie bereits oben erwähnt ist in Fig. 1 und 2 nunmehr lediglich der Bereich bzw. Ausschnitt der optischen Positionsmeßeinrichtung dargestellt, der zur Erzeugung des Referenzimpuls-Signales dient. Erfindungsgemäß sind so­ wohl die der Abtastplatte als auch die dem Maßstab zugeordneten Refe­ renzmarken-Teilungsstrukturen in Form von sogenannten Chirpfeldern aus­ gebildet. Hierunter versteht man Teilungsstrukturen, deren Gitterteilung eine stetig, ortsabhängig variable Teilungsperiode aufweist. Hinsichtlich weiterer Details und dem Funktionsprinzip zu derart ausgebildeten Teilungsstrukturen sei an dieser Stelle ergänzend auf die bereits erwähnte EP 0 513 427 der Anmelderin sowie auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Dem Abtast-Teilungsträger 22 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Abtast-Chirpfeld 22.1 zugeordnet, während dem Maßstab-Teilungsträger 23 erfindungsgemäß zwei, in Meßrichtung x getrennte Maßstab-Chirpfelder 23.1, 23.2 zugeordnet sind.

Zur nachfolgenden Erläuterung der erfindungsmäßen Anordnung der beiden Maßstab-Chirpfelder 23.1, 23.2 sowie der erforderlichen Dimensionierung der Maßstab-Chirpfelder 23.1, 23.2 wurden in Fig. 1 und 2 separate, ein­ fallende Teilstrahlenbündel I, I' eingezeichnet, die das Abtast-Chirpfeld 22.1 an den Orten P_I, P_I' beaufschlagen, an denen deutlich unterschiedliche, lo­ kale Teilungsperioden des Abtast-Chirpfeldes 22.1 vorliegen. Um sicherzustellen, daß die an einem definierten Ort P_I, P_I' des Abtast- Chirpfeldes 22.1 aufgespaltenen einfallenden Strahlenbündel I, I' nach dem Passieren der Maßstab-Teilung miteinander interferieren können, muß zum einen gewährleistet sein, daß die jeweils von einem gemeinsamen Ort P_I, P_1' ausgehenden Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Beugungsordnung am gleichen Ort P_I, P_I' beim zweiten Passieren des Abtast-Chirpfeldes 22.1 wie­ dervereinigt werden. Hierzu müssen die an einem Punkt P_I, P_I des Abtast- Chirpfeldes 22.1 aufgespaltenen Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Beu­ gungsordnung auf Orte P_I,+1, P_I,-1 bzw. P_I',+1', P_I',-1' der Maßstab-Chirpfelder 23.1, 23.2 gelangen, in denen jeweils möglichst identische oder zumindest ähnliche lokale Gitterkonstanten vorliegen, um auch zumindest ähnliche Ab­ lenkwirkungen zu erzielen. Im Zusammenhang mit den Orten P_I,+1, P_I,-1 bzw. P_I',+1', P_I',-1' sei nachfolgend von den konjugierten Lagen eines aufgespalte­ nen Strahlenbündels die Rede. Es muß demzufolge an den erwähnten kon­ jugierten Lagen jeweils die identische Ablenkwirkung für die verschiedenen Teilstrahlenbündel resultieren, die am gleichen Ort P_I, P_I' des Abtast- Chirpfeldes 22.1 aufgespalten wurden.

Während dies wie vorab erläutert bei geringen Abtastabständen mit Hilfe eines einzigen Maßstab-Chirpfeldes sicherzustellen ist, dessen Teilungspe­ riode sich nur langsam ändert, sind im Fall größerer Abtastabstände d er­ findungsgemäß hierzu mindestens zwei separate Maßstab-Chirpfelder 23.1, 23.2 vorgesehen. Bei der Bestimmung der erforderlichen Position der zwei Maßstab-Chirpfelder 23.1, 23.2 auf dem Maßstab-Teilungsträger 23 ist dem­ zufolge der gewünschte Abtastabstand d zu berücksichtigen.

Vorzugsweise durchlaufen die interferierenden Teilstrahlenbündel zwischen Aufspaltung und Wiedervereinigung gleiche optische Weglängen. Hierdurch ist sichergestellt, daß etwa auch nicht-kohärente Lichtquellen innerhalb einer derartigen Positionsmeßeinrichtung eingesetzt werden könnten und ein In­ terferenz-Ausgangssignal zur Positionsbestimmung zur Verfügung steht.

Die lokalen Teilungsperioden an den Orten P_I bzw. P_I' sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils doppelt so groß wie die zugehörigen lokalen Teilungsperioden an den konjugierten Orten P_I,+1, P_I',-1 bzw. P_I',+1', P_I',-1'. Hier­ durch ergeben sich symmetrische Ablenkwinkel zur optischen Achse, welche senkrecht zum Abtast- und Maßstab-Teilungsträger orientiert ist. Aufgrund der symmetrischen Ablenkwinkel bleiben die durchlaufenen optischen Weglängen auch dann annähernd gleich, wenn kleine Abstandsänderungen zwischen dem Abtast-Teilungsträger 22, 22' und dem Maßstab-Teilungsträ­ ger 23 auftreten.

Hinsichtlich der resultierenden Weglängenänderungen in sämtlichen Teil­ strahlenbündeln bei einer Abstandsänderung von Maßstab- und Abtast-Tei­ lung muß auch in Verbindung mit den gechirpten Teilungsstrukturen zur Er­ zeugung der Referenzimpuls-Signale berücksichtigt werden, daß sämtliche interferierenden Teilstrahlenbündel möglichst die gleiche Phasenverschie­ bung erfahren.

Im Zusammenhang mit der Dimensionierung der verschiedenen Chirpfelder 22.1, 23.1, 23.2 auf dem Abtast- und Maßstab-Teilungsträger ist neben den oben erläuterten Rahmenbedingungen zusätzlich zu berücksichtigen, daß im nicht-verschobenen Zustand von Abtast- und Maßstab-Teilungsträger, d. h. in der Nullage, die zum Gesamtsignal beitragenden Frequenzkomponenten allesamt die gleichen Phasen aufweisen. Die Phasenlage einer Frequenz­ komponente läßt sich dabei ändern, indem etwa die Steglagen in ein oder mehreren Chirpfeldern 22.1, 23.1, 23.2 an den Stellen jeweils zueinander leicht verschoben werden, die von den zu dieser Frequenzkomponente ge­ hörenden Teilstrahlenbündeln durchlaufen werden. Eine sukzessive Anpas­ sung der Phasen aller Frequenzkomponenten kann beispielsweise nume­ risch erfolgen.

Soll beispielsweise ein Referenzimpuls-Taktsignal erzeugt werden, so wählt man vorteilhafterweise für alle Frequenzkomponenten die Phase 0°, so daß ein Signalmaximum jeder Frequenzkomponente an der Nullage auftritt. Für ein ggf. gewünschtes Referenzimpuls-Gegentaktsignal wählt man hingegen die Phasenlage 180° für alle Frequenzkomponenten, so daß sich ein Si­ gnalminimum an der Nullage ergibt.

Im allgemeinen Fall kann ein beliebiges, in der Nähe der gewünschten Nullage definiertes Referenzimpulssignal erzeugt werden, indem jede Fre­ quenzkomponente des gewünschten -signales durch zugehörige Abschnitte der entsprechenden Chirpfelder mit einer entsprechenden Amplitude und Phasenlage erzeugt wird. Während dabei die Phasenlage, wie oben erläu­ tert, durch Verschieben der Stegpositionen eingestellt werden kann, läßt sich die Amplitude durch die geeignete Variation von Strichlänge, Beugungseffi­ zienz, Transmissions- bzw. Reflexionsgrad wählen. Besonders vorteilhaft ist dabei, die Amplitude durch einen entsprechenden, ortsabhängigen Verlauf der Teilungsperioden von Maßstab- und Abtast-Chirpfeldern einzustellen.

Dieser ortsabhängige Verlauf der Teilungsperioden der Abtast- und Maß­ stab-Chirpfelder 2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 läßt sich durch sogenannte Chirp­ funktionen beschreiben. Diese geben an, um welchen Betrag etwa die n-te Stegposition von einer Nominallage abweicht, bei der die Stege äquidistant, d. h. mit gleichbleibender Teilungsperiode im Abtastfeld angeordnet wären. Zur konkreten Dimensionierung der erforderlichen Chirp-Funktionen unter den angegebenen Randbedingungen sei auch an dieser Stelle auf die be­ reits mehrfach erwähnte EP 0 513 427 verwiesen.

Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist detek­ torseitig lediglich ein einzelnes Detektorelement 25 schematisiert angedeu­ tet. Wie auch beim bekannten Dreigittergeber aus der EP 0 163 362 kann in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Erzeugung von Referenzimpuls-Si­ gnalen vorgesehen werden, Signale von interferierenden Paaren von Teil­ strahlenbündeln in unterschiedlichen Raumrichtungen zu erfassen. Bei­ spielsweise erweist es sich als vorteilhaft, zwei Detektorelemente einzuset­ zen, die in unterschiedlichen Raumrichtungen relativ zur Abtastplatte defi­ niert-phasenverschobene Interferenzsignale detektieren. Der jeweilige Pha­ senversatz zwischen den an beiden Detektorelementen anliegenden Signa­ len läßt sich durch die Dimensionsierung des Abtast-Chirpfeldes 22.1 ein­ stellen. So können etwa die Gitterparameter des Abtast-Chirpfeldes 22.1 wie Chirpfunktion, Stegbreite und/oder Steghöhe derart gewählt werden, daß ein Phasenversatz von 180° zwischen den in verschiedenen Raumrichtun­ gen erfaßten Signalen resultiert. Es liegt damit zu jedem Referenzimpuls­ signal ein sogenanntes Gegentaktsignal vor, was auswerteseitig vorteilhaft zu nutzen ist, um etwa durch geeignete Verschaltung der beiden Detektor­ elemente ein offsetfreies Referenzimpuls-Signal zu erzeugen.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Gegentaktsignalen für das Re­ ferenzimpuls-Signal besteht darin, ein zweites Abtast-Chirpfeld sowie zwei Maßstab-Chirpfelder seitlich benachbart zu den erstgenannten Chirpfeldern mit einem bestimmten Versatz anzuordnen und über ein weiteres Detektor­ element die entsprechenden Interferenzsignale zu erfassen. Die entspre­ chenden Chirpfunktionen der verschiedenen Chirpfeld-Anordnungen sind dabei so gewählt, daß einmal ein Referenzimpuls-Taktsignal und einmal ein Referenzimpuls-Gegentaktsignal resultiert, die nachfolgend in bekannter Art und Weise auswertbar sind.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positions­ meßeinrichtung sei nachfolgend anhand der Fig. 3-5 beschrieben, wobei die Fig. 3 und 4 lediglich zur Prinzip-Erläuterung herangezogen werden. Fig. 4 zeigt analog zur vorhergehenden Beschreibung den entfalteten Strahlengang ohne das in Fig. 3 dargestellte retroreflektierende Element. Auf die Darstellung der refraktiven Wirkung dieses Elementes wurde in Fig. 4 dabei verzichtet. Eine mögliche räumliche Anordnung der einzelnen Kom­ ponenten in einer konkreten Ausführungsform zeigt Fig. 5.

Die dargestellte Anordnung basiert auf dem Prinzip der aus der erwähnten DE 39 05 730 prinzipiell bereits bekannten Positionsmeßeinrichtung, wobei nunmehr jedoch veranschaulicht werden soll, wie auch dort über die erfin­ dungsgemäßen Maßnahmen eine Erzeugung hochauflösender Referenz­ impuls-Signale möglich ist. Diese optische Positionsmeßeinrichtung zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Justier-Unempfindlichkeit bzw. Moiré- Unempfindlichkeit auch hinsichtlich der Referenzsignal-Erzeugung aus. So ergibt sich in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Po­ sitionsmeßeinrichtung im Fall der oben erwähnten Moiré-Kippung ein gleich­ bleibender Bezug der Referenzimpuls-Signale zu den Inkrementalsignalen. Grundsätzlich entspricht der dargestellte Aufbau der Positionsmeßeinrich­ tung einem sog. Viergitter-Geber, da die Abtast- und Maßstabteilungsträger 2, 3 bzw. der entsprechenden Teilungsstrukturen nach dem ersten Passie­ ren und der Rückreflexion mittels eines mit dem Abtast-Teilungsträger starr verbundenen, retroreflektierenden Elementes 4 insgesamt viermal passiert werden, bevor die interferierenden Teilstrahlenbündel über ein oder mehrere Detektorelemente 5 erfaßt werden; dargestellt ist dabei wiederum lediglich ein einzelnes Detektorelement 5. Die an dem oder den Detektorelementen 5 anliegenden, verschiebungsabhängig modulierten Signale werden in be­ kannter Art und Weise zur Positionsbestimmung weiterverarbeitet Grundsätzlich gelten auch in dieser Ausführungsform die gleichen Überle­ gungen wie beim vorab erläuterten Beispiel. Dies bedeutet, daß die zur Er­ zeugung der hochauflösenden Referenzimpuls-Signale verwendeten ge­ chirpten Gitterstrukturen bestimmten Randbedingungen genügen müssen und demzufolge eine bestimmte Anordnung derselben die Folge ist. So muß auch in dieser Ausführungsform sichergestellt sein, daß beim gewünschten größeren Abtastabstand d die am eintrittsseitigen Abtast-Chirpfeld 2.1 an einem bestimmten Ort mit definierter lokaler Teilungsperiode aufgespaltenen Teilstrahlenbündel an einem Ort des austrittsseitigen Abtast-Chirpfeldes 2.2 wiedervereinigt werden, der möglichst die gleiche lokale Gitterkonstante aufweist wie der Aufspaltort.

Einfallsseitig ergibt sich damit auch in diesem Ausführungsbeispiel eine räumlich getrennte Anordnung zweier Maßstab-Chirpfelder 3.1, 3.2 auf dem Maßstab-Teilungsträger 3. Hierdurch ist gewährleistet, daß auch beim ge­ wünschten größeren Abtastabstand d die an einem Ort des einfallsseitigen Abtast-Chirpfeldes 2.1 in zwei Beugungsordnungen aufgespaltenen zwei Teilstrahlenbündel auf Bereiche der nunmehr zwei Maßstab-Chirpfelder 3.1, 3.2 auftreffen, in denen ebenfalls zumindest ähnliche lokale Gitterkonstanten vorliegen. Die am Abtast-Chirpfeld 3.1 in unterschiedliche Beugungsordnun­ gen abgelenkten Teilstrahlenbündel liegen beim gewählten Abtastabstand d in der Ebene der Maßstab-Chirpfelder 3.1, 3.2 räumlich getrennt voneinan­ der vor und beaufschlagen dort auch die beiden räumlich getrennten Maß­ stab-Chirpfelder 3.1, 3.2. In der Darstellung von Fig. 3 bedeutet dies, daß die gebeugten Teilstrahlenbündel +1. Ordnung der von der Lichtquelle 1 her einfallenden Strahlenbündel auf das linke Maßstab-Chirpfeld 3.1 auftreffen, während die gebeugten Teilstrahlenbündel -1. Ordnung auf das rechte der beiden einfallsseitig vorgesehenen Maßstab-Chirpfelder 3.2 treffen.

Nach dem Passieren der Maßstab-Chirpfelder 3.1, 3.2 werden die verschie­ denen Teilstrahlenbündel mit Hilfe des retroreflektierenden Elementes 4, das mit dem Abtast-Teilungsträger 2 starr verbunden ist, wieder in die Einfalls­ richtung zurückumgelenkt und passieren dabei ein zweites Mal Maßstab- und Abtast-Chirpfelder 3.3, 3.4, 2.2. Ein- und austretende Strahlenbündel sind hierbei parallel zueinander orientiert. Aufgrund des gewählten Strahlen­ ganges handelt es sich austrittsseitig um Chirpfelder, die räumlich getrennt von den erstgenannten, einfallsseitigen Chirpfeldern angeordnet sind. Um dabei sicherzustellen, daß die an einem Aufspaltort des einfallsseitigen Ab­ tast-Chirpfeldes 2.1 mit definierter lokaler Gitterkonstante auch an einem Ort des austrittseitigen Abtast-Chirpfeldes 2.2 mit der gleichen Gitterkonstanten wiedervereinigt werden, sind innerhalb des Gesamtsystems ferner be­ stimmte Symmetriebedingungen hinsichtlich der Anordnung der austrittssei­ tigen Maßstab- und Abtast-Chirpfelder 3.3, 3.4, und 2.2 einzuhalten.

Im Fall eines als Tripelprisma ausgebildeten retroreflektierenden Elements 4 sind die eintrittsseitigen und die austrittsseitigen Abtast- und Maßstab- Chirpfelder 2.1, 3.1, 3.2, 2.2, 3.3, 3.4 punktsymmetrisch zu einer Achse 6 des Tripelprismas auf den jeweiligen Teilungsträgern angeordnet, die durch die Spitze des Tripelprismas verläuft und im dargestellten Ausführungsbei­ spiel senkrecht zur Ein- und Austrittsfläche des Tripelprismas orientiert ist. Dies bedeutet etwa, daß aufgrund der erforderlichen Punktsymmetrie der beiden Maßstab-Chirpfelder 3.2 und 3.3 diese einen entgegengesetzt ori­ entierten Chirpverlauf aufweisen. So nimmt beim einfallsseitigen Maßstab- Chirpfeld 3.2 die Teilungsperiode die Teilungsperiode von links nach rechts zu, während die Teilungsperiode des austrittsseitigen Maßstab-Chirpfeldes 3.3 von links nach rechts abnimmt. Analoge Symmetrie-Überlegungen gelten sowohl für die beiden anderen Maßstab-Chirpfelder 3.1 und 3.4 als auch für die Abtast-Chirpfelder 2.1 und 2.2.

Das jeweils eingesetzte retroreflektierende Element weist in einer derartigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrich­ tung demzufolge eine Symmetrieachse auf, die sich aus der Symmetrie der ein- und austretenden Strahlenbündel ergibt. Auf den beiden Teilungsträgern schneidet die Symmetrieachse jeweils Punkte, gegenüber denen eine Punktsymmetrie der darauf angeordneten Chirpfelder inclusive deren Chirpfunktionen existiert. Ferner ist die retroreflektierende Eigenschaft die­ ses Elementes derart gewählt, daß die diejenigen Strahlenbündel, die ein­ fallsseitig gemeinsam ein Abtast-Chirpfeld durchtreten, auch allesamt wieder das gleiche austrittsseitige Abtast-Chirpfeld passieren und anschließend in­ terferieren.

Während die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Anordnung lediglich zur Er­ läuterung der erwähnten Symmetrieanforderungen diente, zeigt Fig. 5 eine Ansicht eines konkreten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Posi­ tionsmeßeinrichtung mit der entsprechenden Relativanordnung einzelner Komponenten. Gezeigt ist dabei eine Ansicht aus der Meßrichtung, d. h. die Meßrichtung x ist demzufolge senkrecht zur Zeichenebene orientiert. Deutlich erkennbar ist hierbei nunmehr auch die auf dem Abtast-Teilungs­ träger 52 angeordnete Abtastteilung 57 zur Erzeugung der Inkrementalsi­ gnale sowie die damit auf dem Maßstab-Teilungsträger 53 abgetastete Maß­ stabteilung 56. Sowohl die Maßstabteilung 56 wie auch die Abtastteilung 57 weisen konstante Teilungsperioden in Meßrichtung x auf. Seitlich benachbart zur Abtastteilung 57 sind auf dem Abtast-Teilungsträger 52 das eintrittssei­ tige Abtast-Chirpfeld 52.1 sowie das austrittsseitige Abtast-Chirpfeld 52.2 angeordnet. Über das eintrittseitige Abtast-Chirpfeld 52.1 werden die von der Lichtquelle 51 kommenden Strahlenbündel senkrecht zur Zeichenebene in die verschiedenen Beugungsordnungen aufgespalten und gelangen auf die mindestens zwei einfallsseitigen Maßstab-Chirpfelder 53.2, die in x-Richtung benachbart zueinander angeordnet sind, weshalb in der Darstellung von Fig. 5 lediglich eines erkennbar ist. Nach der Reflexion in Richtung des retro­ reflektierenden Elementes 54 gelangen die Teilstrahlenbündel zur Erzeu­ gung der Referenzimpuls-Signale auf die ebenfalls in x-Richtung benachbart angeordneten, austrittsseitigen Maßstab-Chirpfelder 52.3, von denen in der Darstellung von Fig. 5 ebenfalls wieder nur eines erkennbar ist. Nach der entsprechenden Reflexion erfolgt die Umlenkung in Richtung des austritts­ seitigen Abtast-Chirpfeldes 52.2, wo die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel wiedervereinigt werden und auf dem oder den nachgeordneten Detektor­ elementen 55 die verschiebungsabhängig modulierten Interferenzsignale erzeugen.

Eine Draufsicht auf die Abtastplatte und den Maßstab einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung, wie sie etwa auch in der zuletzt beschriebenen Variante gemäß Fig. 5 eingesetzt wer­ den können, ist jeweils in Fig. 6a und 6b dargestellt. Fig. 6a zeigt hierbei die Draufsicht auf den Abtast-Teilungsträger 12, auf dem in der Mitte eine Abtastteilung 17 angeordnet ist, über die die Inkrementalsignale durch Abta­ stung der in Fig. 6b dargestellten Maßstabteilung in bekannter Art und Weise erzeugt werden. Die Abtastteilung 17 weist hierbei in Meßrichtung x eine gleichbleibende Teilungsperiode über das gesamte Abtastfeld auf.

Seitlich benachbart zur Spur mit der Abtastteilung 17 bzw. senkrecht zur Meßrichtung x sind die beiden Abtast-Chirpfelder 12.1, 12.2 auf dem Tei­ lungsträger 12 angeordnet. Das untere der beiden Abtast-Chirpfelder 12.1 fungiert hierbei in der Terminologie des ersten Ausführungsbeispiels als ein­ trittsseitiges Abtast-Chirpfeld, während das obere als austritts- oder detek­ torseitiges Abtast-Chirpfeld 12.2 dient.

Der in Fig. 6b dargestellte Maßstab-Teilungsträger 13 weist in der Mitte eine Maßstab-Teilung 18 auf, über die im Zusammenwirken mit der Ab­ tastteilung 17 die Inkrementalsignale erzeugt werden. Seitlich benachbart zur Spur mit der Maßstab-Teilung 18 sind jeweils zwei Maßstab-Chirpfelder 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 angeordnet, über die im Zusammenwirken mit den beiden Abtast-Chirpfeldern 12.1, 12.2 die Erzeugung hochauflösender Re­ ferenzimpuls-Signale möglich ist, wie dies vorab anhand der Fig. 4 und 5 erläutert wurde.

Wie ebenfalls vorab erläutert weisen die neben den Abtast- und Maßstab­ teilungen 17, 18 angeordneten Chirpfelder unterschiedlich orientierte Chirpverläufe auf, damit die erwähnten Symmetriebedingungen eingehalten werden. Während z. B. die Teilungsperiode des oberen Abtast-Chirpfeldes 12.2 von links nach rechts größer wird, ist beim unteren Abtast-Chirpfeld 12.1 vorgesehen, daß die Teilungsperiode von links nach rechts kleiner wird, d. h. die seitlich benachbart zur Inkremental-Abtastteilung angeordneten Ab­ tast-Chirpfelder 12.1, 12.2 weisen einen entgegengesetzten Chirpverlauf auf. Bei den Maßstab-Chirpfeldern 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 ist ebenfalls die Orien­ tierung der Chirpverläufe auf unterschiedlichen Seiten der Maßstabteilung 18 angeordneten Felder entgegengesetzt orientiert. Identisch ausgerichtet sind hingegen die Orientierungen der Chirpverläufe bei den Maßstab- Chirpfeldern 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 auf jeweils einer Seite der Maßstab-Tei­ lung 18.

Zur bereits beim ersten Ausführungsbeispiel erwähnten, zweiten Möglichkeit zur Erzeugung von Gegentakt-Referenzimpuls-Signalen müßte in dieser Ausführungsform demnach vorgesehen werden, zwei zusätzliche Abtast- Chirpfelder sowie vier zusätzliche Maßstab-Chirpfelder in Meßrichtung x oder senkrecht dazu versetzt relativ zu den dargestellten Chirpfeldern anzu­ ordnen. Die Chirpfunktionen sind dabei so zu wählen, daß einmal ein Refe­ renzimpuls-Taktsignal sowie einmal ein Referenzimpuls-Gegentaktsignal erzeugt werden.

Bei beiden beschriebenen Ausführungsformen ist jeweils zu beachten, daß die Auflösung bzw. Signalperiode des erfindungsgemäß erzeugten Refe­ renzimpuls-Signales vorzugsweise an die Auflösung bzw. Signalperiode des Inkremental-Signales angepaßt ist. Die Auflösung der Referenzimpuls-Si­ gnale ist bei der erfindungsgemäßen Erzeugung dieser Signale im wesentli­ chen durch die mittlere lokale Gitterkonstante der Maßstab-Chirpfelder be­ stimmt. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die mittlere lokale Git­ terkonstante der Maßstab-Chirpfelder ca. dem 2,7-fachen der Gitterkon­ stante der Maßstab-Inkrementalteilung entsprechen, wobei auch bei den Maßstab-Chirpfeldern das gleiche lokale Verhältnis von Signalperiode zur Gitterkonstante vorliegt wie bei der Inkrementalteilung. Darüberhinaus sind die Chirpfunktionen der verschiedenen Chirpfelder nach der gewünschten Unterdrückung von Nebenmaxima des resultierenden Si­ gnales zu wählen. Vorteilhafterweise wird dazu die größte lokale Teilungspe­ riode größer oder gleich der doppelten mittleren Teilungsperiode festgelegt. Ebenso sollte die kleinste lokale Teilungsperiode kleiner oder gleich 2/3 der mittleren Teilungsperiode betragen.

Für die mindestens zwei Maßstab-Chirpfelder und deren Chirpfunktionen ist desweiteren zu beachten, daß - wie bereits erwähnt - sichergestellt sein muß, daß an derjenigen Position der Maßstabteilung, an der das Referenz­ impuls-Signal sein Maximum hat, die am Abtast-Chirpfeld interferierenden Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Beugungsordnung jeweils die gleiche optische Weglänge durchlaufen haben. Hierzu werden vorzugsweise die lokalen Gitterkonstanten an den Auftrefforten zusammengehöriger, mitein­ ander interferierender Teilstrahlenbündel auf den beiden benachbarten Maßstab-Chirpfelder 3.1 und 3.2 identisch gewählt.

In den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen war entweder explizit oder aber indirekt eine Lichtquelle mit vorgeordneter Kollimationsoptik vor­ gesehen, die jeweils ein kollimiertes Strahlenbündel liefert, welches auf die erste beleuchtungsseitig angeordnete Teilungsstruktur auftraf. Innerhalb der erfindungsmäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ist es jedoch auch möglich, auf die separate Kollimationsoptik zu verzichten, d. h. es kann auch eine Lichtquelle eingesetzt werden, die ein nicht-kollimiertes, beispielsweise divergentes, Strahlenbündel auf den beleuchtungsseitig angeordneten Ab­ tast-Teilungsträger auftreffen läßt. Im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 und 2 könnte das eintrittsseitige Abtast-Chirpfeld dann etwa so aus­ gelegt werden, daß die eintreffenden Strahlenbündel in die 0. und -1. Beu­ gungsordnung aufgespalten werden und anschließend auf die getrennten Maßstab-Chirpfelder auftreffen etc. . Durch die entsprechend gewählte Auf­ teilungs- bzw. Beugungswirkung des eintrittseitigen Abtast-Chirpfeldes läßt sich demzufolge eine ansonsten erforderliche Kollimationsoptik einsparen. Zwischen den verschiedenen Chirpfeldern ist der Strahlengang auch bei ei­ ner derartigen Beleuchtungskonfiguration identisch mit dem Strahlengang in den erläuterten Ausführungsbeispielen.

Eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positions­ meßeinrichtung ist in Fig. 7 in einer seitlichen Teilansicht schematisch dar­ gestellt.

Diese Ausführungsform zeichnet sich hierbei insbesondere durch eine grö­ ßere Abstandsunempfindlichkeit gegenüber den bislang erläuterten Varian­ ten der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung aus. So ist etwa im Fall üblicher Abtastbedingungen und bei einer vorgegebenen Form des erzeugten Referenzimpulssignales im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 erforderlich, daß das Abtast-Chirpfeld 22.1 in Meßrichtung x eine nur geringe räumliche Ausdehnung aufweist, um eine möglichst vollständige Trennung der Teilstrahlenbündel in die beiden Maßstab-Chirpfelder 23.1, 23.2 zu ge­ währleisten. In Meßrichtung x variieren demzufolge die Teilungsperioden stark, womit sich auch lokal stark variierende Ablenkwirkungen für die auf­ treffenden Teilstrahlenbündel ergeben. Bei einer Variation des Abtastab­ standes d während der Messung kann daher der Fall auftreten, daß die Teil­ strahlenbündel einer Beugungsordnung von den Maßstab-Chirpfeldern 23.1, 23.2 nicht wie gefordert am gleichen Ort des Abtastchirpfeldes 22.1 wieder­ vereinigt werden und zur Interferenz gelangen. Die von den Maßstab- Chirpfeldern 23.1, 23.2 kommenden Teilstrahlenbündel können vielmehr auf Bereiche des Abtastchirpfeldes gelangen, die zwar nah beieinanderliegen, jedoch stark unterschiedliche Teilungsperioden aufweisen und damit eine Ablenkung in unterschiedliche Raumrichtungen verursachen. Das heißt, die zur Interferenz und damit zur Erzeugung des Referenzimpulssignales erfor­ derlichen Voraussetzungen sind in diesem Fall nicht mehr gegeben.

Um auch unter diesen Bedingungen eine größere Abstandsunempfindlichkeit bei der Positionsmessung zu erreichen, ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 auf Seiten des Abtast-Teilungsträgers 72 vorgesehen, mehrere Teil-Ab­ tast-Chirpfelder 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d in Meßrichtung x beabstandet voneinander anzuordnen. Es erfolgt damit letztlich eine Aufteilung des ur­ sprünglich nur einen Abtast-Chirpfeldes in verschiedene Teil-Abtast- Chirpfelder. Die Teilungsperioden TP_An (n = 1. . .5 im Ausführungsbeispiel) der verschiedenen Teil-Abtast-Chirpfelder 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d variie­ ren dabei in der in Fig. 7 angedeuteten Art und Weise. So ist vorgesehen, daß die Teilungsperioden TP_An an den Rändern von aneinandergrenzenden Teil-Abtast-Chirpfeldern 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d entsprechend dem erfor­ derlichen Chirp-Verlauf identisch sind bzw. zumindest in ähnlichen Größen­ ordnungen liegen. Innerhalb der jeweiligen Teil-Abtast-Chirpfelder 72.1a, 72.1 b, 72.1c, 72.1d ist dabei selbstverständlich auch ein bestimmter Chirpverlauf bzgl. der Teilungsperioden vorgesehen, so daß bei der Kombi­ nation aller Teil-Abtast-Chirpfelder 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d insgesamt der gewünschte, kontinuierliche Chirpverlauf resultiert.

Jedem der vier dargestellten Teil-Abtast-Chirpfelder 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d sind nunmehr jeweils zwei Maßstab-Chirpfelder auf der Seite des Maßstab-Teilungsträgers zugeordnet, d. h. es sind dort in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel insgesamt acht Teil-Maßstab-Chirpfelder 73.1a, 73.2a, 73.1b, 73.2b, 73.1c, 73.2c, 73.1d, 73.2d erforderlich. In Bezug auf die Teilungsperi­ oden TP_Mn in den einzelnen Teil-Maßstab-Chirpfeldern sei auf die prinzipielle Darstellung der Fig. 7 verwiesen; diese zeigt jedoch keinesfalls eine maß­ stäbliche Wiedergabe der Teilungsperiodenverhältnisse.

Für jedes Teilsystem bestehend aus einem Teil-Abtast-Chirpfeld sowie den jeweils zwei zugeordneten Teil-Maßstab-Chirpfeldern gelten hinsichtlich der Dimensionierung des jeweiligen Chirpverlaufes bzw. der Anordnung auf dem jeweiligen Teilungsträger prinzipiell die gleichen Überlegungen wie in den bisherigen Ausführungsbeispielen. Hierzu gehört u. a., daß die Teilungsperi­ oden TP_An auf Seiten der Teil-Abtast-Chirpfelder 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d vorzugsweise jeweils doppelt so groß gewählt sind wie die Teilungsperioden TP_Mn auf der Seite der Teil-Maßstab-Chirpfelder 73.1a, 73.2a, 73.1b, 73.2b, 73.1c, 73.2c, 73.1d, 73.2d. Es gilt somit analog zu den oben erläuterten Bei­ spielen TP_An = 2.TP_Mn.

Bei einer derartigen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind nunmehr auf Seiten der Teil-Abtast-Chirpfelder 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d keine so großen Änderungen der Teilungsperioden TP_An innerhalb kleiner Bereiche erforderlich, d. h. es ist ein Chirpverlauf bzgl. der Teilungsperioden TP_An vor­ gesehen, bei dem sich die Teilungsperioden TP_An benachbarter Bereiche nur geringfügig unterscheiden. Damit ist auch bei ggf. variierendem Abtastab­ stand d gewährleistet, daß die jeweils von den Teil-Maßstab-Chirpfeldern 73.1a, 73.2a, 73.1b, 73.2b, 73.1c, 73.2c, 73.1d, 73.2d. kommenden Teil­ strahlenbündel auf Bereiche der Teil-Abtast-Chirpfelder 72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d gelangen, die nur geringe Unterschiede in den Teilungsperioden TP_An aufweisen und deshalb auch interferieren können.

Selbstverständlich lassen sich die anhand der vorherigen Ausführungsbei­ spiele erläuterten, verschiedensten Einzelmaßnahmen auch in Verbindung mit dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positions­ meßeinrichtung kombinieren.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbei­ spiele hervorgeht, ergeben sich somit eine Reihe von Möglichkeiten, wie die erfindungsgemäße Erzeugung von hochauflösenden Referenzsignal-Impul­ sen bei großen Abtastabständen in interferentiellen Meßsystemen auf ver­ schiedenste Art und Weise umgesetzt werden kann.

Claims (16)

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

• - mindestens zwei mit den beweglichen Objekten verbundenen Tei­ lungsträgern (2, 3, 2', 3'; 12, 13; 22, 23; 52, 53) in definiertem Abtastab­ stand (d), welche als Abtast- und Maßstab-Teilungsträger dienen,
• - mindestens einer dem Abtast-Teilungsträger (2, 2'; 12; 22; 52) und mindestens zwei dem Maßstab-Teilungsträger (3, 3'; 13; 23; 53) zuge­ ordneten Referenzmarken-Teilungsstrukturen, die zur Erzeugung eines definierten Signales an einer bekannten Absolutposition dienen, wobei sowohl die dem Abtast-Teilungsträger (2, 2'; 12; 22; 52) als auch die dem Maßstab-Teilungsträger (3, 3'; 13; 23; 53) zugeordneten Refe­ renzmarken-Teilungsstrukturen als Chirpfelder mit einer Gitterteilung mit stetig variabler Teilungsperiode ausgebildet sind und durch das dem Abtastteilungsträger (2, 2'; 12; 22; 52) zugeordnete Abtast-Chirpfeld (2.1; 12.1; 22.1; 52.1) die auftreffenden Strahlenbündel einer beleuch­ tungsseitig angeordneten Lichtquelle (1; 21; 51) mindestens in zwei Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Beugungsordnung aufspaltbar sind und
• - die auf dem Maßstab-Teilungsträger (3, 3'; 13; 23; 53) angeordne­ ten, mindestens zwei Maßstab-Chirpfelder (3.1, 3.2, 3.3, 3.4; 13.1, 13.2, 13.3, 13.4; 23.1, 23.2; 53.2, 53.3) mit jeweils einem der zwei Teilstrah­ lenbündel wechselwirken und derart räumlich getrennt angeordnet sind, daß beim gewählten Abtastabstand (d) sichergestellt ist, daß die minde­ stens zwei Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Beugungsordnung auf Bereiche in den getrennten Maßstab-Chirpfeldern (3.1, 3.2, 3.3, 3.4; 13.1, 13.2, 13.3, 13.4; 23.1, 23.2; 53.2, 53.3) mit zumindest ähnlicher lo­ kaler Teilungsperiode auftreffen, so daß eine Wiedervereinigung dieser Teilstrahlenbündel am im wesentlichen gleichen Ort eines Abtast- Chirpfeldes (2.1, 2.2; 12.2; 22.1, 22.1'; 52.2) möglich ist und das resul­ tierende, interferierende Paar von Teilstrahlenbündeln mittels minde­ stens eines Detektorelementes (5; 25; 55) erfaßbar ist.

2. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei zwei Maß­ stab-Chirpfelder (3.1, 3.2, 3.3, 3.4; 13.1, 13.2, 13.3, 13.4; 23.1, 23.2; 53.2, 53.3) in Richtung der Relativbewegung der beiden beweglichen Objekte zueinander benachbart auf dem Maßstab-Teilungsträger (3, 3'; 13; 23; 53) angeordnet sind.

3. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die lokalen Gitterparameter des (der) Abtast-Chirpfeldes(er) (2.1, 2.2, 2.1'; 12.1, 12.2; 22.1, 22.1'; 52.1, 52.2) derart dimensioniert ist (sind), daß detek­ torseitig mindestens zwei Signale mit unterschiedlichen Signalverlauf erzeugbar sind.

4. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei mindestens ein weiteres Abtast-Chirpfeld sowie mindestens zwei weitere Maßstab- Chirpfelder auf dem Abtast- und dem Maßstab-Teilungsträger mit einem definierten Versatz zum erstgenannten Abtast-Chirpfeld sowie den min­ destens zwei weitere Maßstab-Chirpfeldern angeordnet sind, und den weiteren Abtast- und Maßstab-Chirpfeldern mindestens ein weiteres Detektorelement zugeordnet ist, über das mindestens ein weiteres Refe­ renzimpuls-Signal mit einem unterschiedlichen Signalverlauf erfaßbar ist.

5. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die mindestens zwei Signale ein Referenzimpuls-Taktsignal sowie ein Refe­ renzimpuls-Gegentaktsignal bilden.

6. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Chirpverlauf der verschiedenen Chirpfelder nach eindimensionalen, ste­ tig monoton steigenden oder stetig monoton fallenden Funktionen ge­ wählt ist.

7. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die minde­ stens zwei Maßstab-Chirpfelder (3.1, 3.2, 3.3, 3.4; 13.1, 13.2,13.3, 13.4; 23.1, 23.2; 53.2, 53.3) eine mittlere lokale Gitterkonstante aufwei­ sen, die dem 2.7-fachen der Gitterkonstante der Maßstab-Inkremen­ talteilung (18; 56) entspricht.

8. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die lokale Gitterkonstante der Maßstab-Chirpfelder (3.1, 3.2, 3.3, 3.4; 13.1,13.2, 13.3, 13.4; 23.1, 23.2; 53.2, 53.3) an den Auftrefforten (P_I,+1, P_I,-1; P_I',+1', P_I',-1') von miteinander interferierenden Teilstrahlenbündeln der halben Gitterkonstanten des Aufspaltortes (P_I, P_I') am zugeordneten Abtast- Chirpfeld (2.1; 12.1; 22.1; 52.1) entspricht.

9. Optische Positionsmeßeinrichtung nach mindestens einem der Ansprü­ che 1-8, mit einem retroreflektierenden optischen Element (4; 54), das nach dem ersten Passieren der dem Abtast-Teilungsträger (3; 53) zu­ geordneten Teilungsstrukturen durchlaufen wird und welches derart di­ mensioniert ist, daß die das retroreflektierende Element (4; 54) verlas­ senden Teilstrahlenbündel gleiche oder weitere Maßstab- und Ab­ tastteilungsstrukturen ein weiteres Mal durchlaufen und nach der aus­ trittseitig letzten Teilungsstruktur miteinander interferieren.

10. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Ansprüche 9, wobei die Abtast- (2.1, 2.2, 2.1'; 12.1, 12.2; 22.1, 22.1'; 52.1, 52.2) und Maßstab-Chirpfel­ der (3.1, 3.2, 3.3, 3.4; 13.1, 13.2,13.3, 13.4; 23.1, 23.2; 53.2, 53.3) je­ weils seitlich benachbart zu einer Abtastteilung (17; 57) und zu einer Maßstabteilung (18; 56) auf dem Abtast-Teilungsträger (2, 2'; 12,; 22; 52) und dem Maßstab-Teilungsträger (3, 3'; 13; 23; 53) angeordnet sind.

11. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, wobei

• - auf dem Abtast-Teilungsträger (12; 52) seitlich benachbart zur Ab­ tastteilung (17; 57) für die Inkrementalsignal-Erzeugung jeweils minde­ stens ein Abtast-Chirpfeld (12.1, 12.2; 52.1, 52.2) angeordnet ist und diese Abtast-Chirpfelder (12.1, 12.2; 52.1, 52.2) entgegengesetzt zuein­ ander orientierte Richtungen des Chirpverlaufes aufweisen und
• - auf dem Maßstab-Teilungsträger (13; 53) seitlich benachbart zur Maßstabteilung (18; 56) für die Inkrementalsignal-Erzeugung je zwei Maßstab-Chirpfelder (13.1, 13.2, 13.3, 13.4; 53.2, 53.3) angeordnet sind, wobei auf jeder Seite die Maßstab-Chirpfelder (13.1, 13.2, 13.3, 13.4; 53.2, 53.3) gleich orientierte Richtungen des Chirpverlaufes auf­ weisen, aber die Richtungen der Chirpverlaufes der gegenüberliegend angeordneten Maßstab-Chirpfelder (13.1, 13.2, 13.3, 13.4; 53.2, 53.3) entgegengesetzt zueinander orientiert sind.

12. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 9, wobei das retro­ reflektierende optische Element (4; 54) als Tripelprisma ausgebildet ist.

13. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 9, die aus beleuch­ tungsseitiger Richtung betrachtet einen ersten lichtdurchlässigen Abtast- Teilungsträger (2) und einen lichtdurchlässigen Maßstab-Teilungsträger (3) umfaßt.

14. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 9, die aus beleuch­ tungsseitiger Richtung betrachtet einen ersten lichtdurchlässigen Abtast- Teilungsträger (52) sowie einen reflektierenden Maßstab-Teilungsträger (53) umfaßt und das retroreflektierende Element (54) auf der Seite des Maßstab-Teilungsträgers (53) angeordnet ist, die der Lichtquelle (51) zugewandt ist.

15. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 11, wobei die ein­ trittsseitigen und die austrittsseitigen Abtast- und Maßstab-Chirpfelder (2.1, 3.1, 3.2, 2.2, 3.3, 3.4) punktsymmetrisch zu einer Achse (6) des Tripelprismas (4) auf den jeweiligen Teilungsträgern (2; 3) angeordnet sind und die Achse (6) durch die Spitze des Tripelprismas (4) verläuft und im wesentlichen senkrecht zur Ein- und Austrittsfläche des Tripel­ prismas (4) orientiert ist.

16. Optische Positionsmeßeinrichtung einem oder mehreren der vorange­ henden Ansprüche, wobei auf dem Abtast-Teilungsträger (72) mehrere Teil-Abtast-Chirpfelder (72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d) in Meßrichtung (x) beabstandet voneinander angeordnet sind und auf dem Maßstab-Tei­ lungsträger (73) jedem Teil-Abtast-Chirpfeld (72.1a, 72.1b, 72.1c, 72.1d) zwei Teil-Maßstab-Chirpfelder (73.1a, 73.2a, 73.1b, 73.2b, 73.1c, 73.2c, 73.1d, 73.2d) zugeordnet sind, die in Meßrichtung (x) benachbart zuein­ ander angeordnet sind.