DE19956912A1

DE19956912A1 - Winkelmeßsystem und Winkelmeßverfahren zur berührungslosen Winkelmessung

Info

Publication number: DE19956912A1
Application number: DE19956912A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Tondorf; Juergen Thiel; Jan Braasch; Volker Seyfried; Wolfgang Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2001-08-09
Also published as: ATE322667T1; US6995836B1; WO2001038828A1; DE50012541D1; JP2003515153A; EP1236023A1; EP1236023B1; JP4503902B2

Abstract

Das erfindungsgemäße Winkelmeßsystem weist zwei Baugruppen auf und mißt Winkel, um die eine der beiden Baugruppen relativ zur anderen verschoben wird. Dafür beinhaltet eine Baugruppe eine Lichtquelle, deren Strahlung in der anderen Baugruppe von einem Detektor detektiert wird. Der Detektor weist ein Gitter auf, das vor einem strukturierten Photodetektor angeordnet ist. Die divergent strahlende Lichtquelle beleuchtet das Gitter derart, daß nach dem Gitter Minima und Maxima der Strahlungsintensität vorliegen. Diese Minima und Maxima verlagern sich bei einer Verschiebung der Lichtquelle relativ zum Gitter des Detektors in Meßrichtung. Dadurch erzeugt eine Verschiebung der Lichtquelle relativ zum Detektor am strukturierten Photodetektor Intensitätsänderungen, deren Anzahl proportional zur Winkeländerung zwischen den beiden Baugruppen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Winkelmeßsystem zur berührungslosen Winkel messung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Winkelmeßverfah ren zum Betrieb des Winkelmeßsystems nach dem Oberbegriff des An spruchs 24.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 199 41 318 der Anmelderin ist ein Posi tionsmeßsystem mit einem sogenannten Mixed-Amplitude-Phase-Gitter, kurz MAP-Gitter, bekannt, das aus in Meßrichtung alternierend angeordne ten kombinierten Amplituden- und Phasenstrukturen besteht. Dadurch trägt im wesentlichen die ± 1. Beugungsordnung zum Ausgangssignal des Gitters bei, andere Beugungsordnungen werden im wesentlichen unterdrückt.

Aus dem Aufsatz von R. M. Pettigrew, erschienen in SPIE Vol. 136, 1^st European Cogress on Optics Applied to Metrology (1977), Seiten 325-332, sind die Grundlagen der Geometrischen- und Beugungs-Optik an einem Gitter bekannt. Insbesondere ist daraus bekannt, das im geometrischen Bild eines Gitters Talbot-Ebenen existieren, in denen das Gitter abgebildet wird, d. h. die Modulation des Lichts entspricht in einer Talbot-Ebene im wesentli chen seiner Modulation unmittelbar hinter dem Gitter. Zwischen Talbot-Ebe nen treten Nullstellen der Modulation und Phasensprünge auf. Im Beu gungsbild hingegen treten keine Phasensprünge auf und auch die Modula tion des Lichts durch das Gitter weist keine Nullstellen auf.

Aus der US 5,196 900 wird durch ein Kamerasystem ein Winkelmeßsystem realisiert, bei dem eine Linse benutzt wird, um eine punktförmige Lichtquelle auf einem zweidimensionalen photosensitiven Feld abzubilden. Nachdem das rotationssymmetrische Zentrum der Linse des Winkelmeßsystems er mittelt wurde und dadurch das Winkelmeßsystem kalibriert wurde, können zwei Winkel gleichzeitig berührungslos bestimmt werden. Hierfür ist eine Bildverarbeitungseinheit vorgesehen, die für jede Lichtquelle zweidimensio nale Winkelwerte ermittelt. Weiterhin ist ein Prozessor vorgesehen, um für jede Lichtquelle deren Koordinaten im Raum zu berechnen. Die Genauigkeit wird dadurch verbessert, daß eine statistische Analyse der vom zweidimen sionalen photosensitiven Feld durch benachbarte Feldelemente ermittelten Intensitätswerte erfolgt.

Aus der US 5,805,287 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Positions- und Lagebestimmung von mehreren Objekten relativ zueinander bekannt. Dabei werden mindestens zwei Kameras mit elektro-optischen Sensoren benötigt und ein Netzwerk aus Referenzpunkten, deren Positionen entweder bekannt sind oder bestimmt werden, indem mindestens eine Kamera aus verschiedenen Positionen im Raum die Projektionen der Referenzpunkte ermittelt. Anschließend werden mittels der bekannten Positionen der Refe renzpunkte die Kamerapositionen bestimmt. Die Positionen der Objekte re lativ zueinander werden dann bestimmt, indem ein Testwerkzeug mit minde stens einem Punkt des Objekts in Kontakt gebracht wird und Meßwerte für das Testwerkzeug mittels mindestens zweier Kameras in bekannten Positio nen ermittelt werden.

Bei der US 5,196 900 und bei der US 5,805,287 ist von Nachteil, daß auf dem zweidimensionalen photoempfindlichen Feld mittels der Linse die Licht quelle nur in einem einzigen Punkt abgebildet wird und dadurch nur wenige Pixel eine Ortsinformation der Lichtquelle liefern. Unvermeidliches Rauschen führt in diesem Fall zu erheblichen Unsicherheiten bei der Positionsbestim mung. Neben der ungenügenden Genauigkeit ist auch der relativ große Aufwand nachteilig, der zur Positionsbestimmung erforderlich ist. So werden mindestens zwei Kameras benötigt, um einen Positionswert zu ermitteln. Weiterhin erfolgt in den Kameras eine Abbildung mittels Objektiv, was zu einer großen Meßunsicherheit führt. Das Verhältnis von Auflösung zu Meß bereich liegt bei derartigen Systeme nur in einem Bereich von ≧ 10^-4.

Aus der DE 39 38 935 C2 ist ein Bewegungsmeßverfahren und eine Ein richtung zu dessen Durchführung bekannt. Licht einer ortsfesten Lichtquelle scheint auf ein in Meßrichtung bewegliches optisches Gitter, wodurch Beu gung auftritt. In einem definierten Abstand zum optischen Gitter ist ein relativ zur Lichtquelle ortsfester Optodetektor angeordnet, der die Intensität des gebeugten Lichts detektiert. Wird das zwischen Lichtquelle und Optodetektor angeordnete optische Gitter in Meßrichtung bewegt, wandern die Maxima des Beugungsbildes über den Optodetektor und erzeugen zur Bewegung in Meßrichtung proportionale Modulationen im Ausgangssignal des Optode tektors.

Dabei ist von Nachteil, daß die Abstände zwischen Lichtquelle, optischem Gitter und Optodetektor nur in eng begrenzten Bereichen variieren dürfen, da beispielsweise die Modulationstiefe des im Optodetektor detektierten Lichts abhängig ist von dem Abstand zwischen Optodetektor und optischem Gitter. Würde sich der Abstand zwischen Optodetektor und Lichtquelle deut lich ändern, können Phasensprünge und Verlust der Modulation auftreten. Daher ist das offenbarte Verfahren und die offenbarte Anordnung nicht für Winkelmeßsysteme geeignet, bei denen sich die Lage und Entfernung der Lichtquelle relativ zum Optodetektor in weiten Bereichen verändert. Aus der US 4,218,615 ist ein optischer inkrementaler Drehgeber bekannt, bei dem durch eine Lichtquelle ein Spalt beleuchtet wird. Das durch den Spalt hindurchtretende Licht beleuchtet ein erstes Gitter, das relativ zur Lichtquelle und dem Spalt feststeht. Von diesem Gitter liegt in den Talbot- Ebenen ein Abbild vor. Ein zweites, relativ zum ersten Gitter in Meßrichtung verschiebbares Gitter wird in einer der Talböt-Ebenen angeordnet. Durch die Verschiebung dieses zweiten Gitters relativ zum ersten Gitter in Meßrichtung wird die Amplitude des auf einen hinter dem zweiten Gitter angeordneten Photodetektor abhängig von der Verschiebung des zweiten Gitters relativ zum ersten Gitter verändert. Dadurch sind die vom Photodetektor ausgege benen Spannungsmodulationen ein Maß für die relative Verschiebung vom zweiten relativ zum ersten Gitter in Meßrichtung.

Dies weist den Nachteil auf, daß der Abstand zwischen zweitem und erstem Gitter nur in sehr engen Bereichen schwanken darf, da sonst die Talbot- Ebene verlassen wird und eine Verschiebung des zweiten relativ zum ersten Gitter zu keiner ausreichenden Modulation der Lichtintensität und damit zu keiner ausreichenden Spannungsmodulation im Ausgangssignal des Photo detektors führt. Daher ist das offenbarte Verfahren und die offenbarte An ordnung nicht für Winkelmeßsysteme geeignet, bei denen sich die Lage und Entfernung der Lichtquelle relativ zum Optodetektor in weiten Bereichen verändert.

Aus der US 5,900,936 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von Oberflächendeformationen und Oberflächenverlagerungen bekannt. Hierfür sind in einem bestimmten Abstand zwei Quellen für kohärentes Licht angeordnet, die beide in Richtung eines Optodetektors strahlen. Der Opto detektor ist an der Oberfläche angeordnet, deren Deformation oder Verlage rung gemessen werden soll. Dort entsteht ein lnterferenzmuster mit in Meß richtung wechselnder Intensität des Lichts der beiden kohärenten Lichtquel len. Die durch eine Bewegung des Optodetektors verursachten Intensität sänderungen werden durch einen Prozessor ausgewertet.

Dabei ist von Nachteil, daß mindestens eine Quelle für kohärentes Licht be nötigt wird, die relativ teuer ist. Weiterhin nachteilig ist, daß bei Verwendung eines Detektors, der gegenüber der Lichtquelle wesentlich verkippt wird, nur eine einzige Phase des auftreffenden Lichts detektiert werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Winkelmeßsystem an zugeben, welches eine möglichst direkte Winkelbestimmung von einem er sten Objekt relativ zu einem zweiten Objekt ermöglicht, d. h. die Baugruppen des Meßsystems sollen möglichst direkt an erstem und zweitem Objekt ohne Zwischenschaltung weiterer mechanischer Elemente angeordnet werden. Dafür ist das Winkelmeßsystem derart auszugestalten, daß der Abstand zwischen erstem und zweitem Objekt und somit der Abstand zwischen ein zelnen Baugruppen des Meßsystems in weiten Bereichen variieren kann. Zusätzlich soll auch eine Verkippung der Baugruppen des Winkelmeßsy stems die Winkelmessung nicht beeinflussen. Weiterhin soll eine Winkel messung in einem großen Meßvolumen, das mindestens so groß wie der Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine ist, mit einer für Werkzeugmaschinen erforderlichen Genauigkeit möglich sein. Weiterhin soll das Winkelmeßsy stem kompakt und kostengünstig realisiert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Winkelmeßsystem mit den im Anspruch 1 an gegebenen Merkmalen, durch ein Positionsmeßsystem mit den in Anspruch 23 angegebenen Merkmalen und ein Verfahren zum Betrieb des Winkel meßsystems mit den im Anspruch 24 angegebenen Merkmalen gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Winkelmeßsystems sind den jeweils abhängigen Ansprüchen zu entneh men.

Das erfindungsgemäße Winkelmeßsystem und das mit ihm durchgeführte Verfahren weisen den Vorteil auf, daß eine Kompensation thermischer Aus dehnungen und Verformungen einer Maschine nicht erforderlich ist, da das Winkelmeßsystem im wesentlichen unmittelbar die Winkeländerung zwi schen den beiden Objekten erfaßt, beispielsweise Werkzeug und Werkstück. Für diese Funktion sind lediglich die Bauelemente Lichtquelle, Gitter und Optosensor erforderlich. Dadurch ist das erfindungsgemäße Winkelmeßsy stem kompakt und preisgünstig realisierbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Abstand zwischen einer ersten und einer zweiten Baugruppe des Winkelmeßsystems, die an einem ersten und zweiten Objekt, beispiels weise einer Werkzeugmaschine, befestigt sind, in weiten Bereichen schwan ken kann, wodurch ein großes Meßvolumen des Winkelmeßsystems ermög licht wird.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einer geeigneten Anordnung von mindestens drei Winkelmeßsystemen eine direkte Bestimmung einer Posi tion im Raum erfolgen kann. Mit noch mehr erfindungsgemäßen Winkel meßsystemen kann auch die Lage im Raum detektiert werden. Zudem ist die schwierige Bestimmung von Ungenauigkeiten in den mechanischen Baugruppen nicht mehr erforderlich, beispielsweise von Gelenkfehlern bei Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematiken oder von Führungsfehlern, die bei einer achsweisen Positionierung von mindestens zwei Achsen auftreten und bei einer achsweisen Positionsmessung nicht erfaßt werden können. Weitere Vorteile sowie Einzelheiten des erfindungsgemäßen Winkelmeßsy stems sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele anhand der Zeich nungen. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Winkelmeßsystems,

Fig. 2: eine weitere mögliche Ausgestaltung eines erfindungsge mäßen Winkelmeßsystems,

Fig. 3: eine erste erfindungsgemäße Realisierungsmöglichkeit ei ner Auswerteelektronik,

Fig. 4: eine zweite erfindungsgemäße Realisierungsmöglichkeit einer Auswerteelektronik,

Fig. 5: ein Ausführungsbeispiel für ein zweidimensionales Mixed- Amplitude-Phase-Gitter und

Fig. 6: ein Ausführungsbeispiel für ein eindimensionales Mixed- Amplitude-Phase-Gitter.

Es soll zunächst ein Überblick über das erfindungsgemäße Winkelmeßsy stem und dessen Funktionsweise gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gegeben werden. Anschließend werden die einzelnen Baugruppen detailliert mit alternativen Realisierungsmöglichkeiten beschrieben. Danach wird kurz ein alternatives Ausführungsbeispiel erläutert.

In Fig. 1 ist ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel für ein erfindungsge mäßes Winkelmeßsystem dargestellt. Um den Winkel zwischen zwei relativ zueinander beweglichen Objekten zu bestimmen, wird an einem ersten, be weglichen Objekt eine Lichtquelle 1 befestigt. An einem zweiten bewegli chen oder feststehenden Objekt im - in bestimmten Grenzen variierenden - Abtastabstand u vom ersten Objekt wird eine Detektoreinheit 2 angeordnet, die das Licht der Lichtquelle 1 detektiert. Selbstverständlich können dabei Detektoreinheit 2 und Lichtquelle 1 auch miteinander vertauscht werden.

Erfolgt die Anwendung des erfindungsgemäßen Winkelmeßsystems an einer Werkzeugmaschine, wird als erstes bewegliches Objekt der sich nicht dre hende Spindelkopf der Werkzeugmaschine gewählt, wobei die Lichtquelle 1 bevorzugt in der Nähe der Werkzeugeinspannung angeordnet wird und als zweites Objekt wird vorteilhaft die Einspannvorrichtung für das Werkstück gewählt, wobei die Detektoreinheit 2 bevorzugt in der Nähe des Werkstücks angeordnet wird. Besonders vorteilhaft gemäß der Erfindung ist, daß je nä her Lichtquelle 1 und Detektor 2 am Berührungspunkt von Werkzeug mit Werkstück angeordnet sind, um so mehr das Meßergebnis verfälschende Einflüsse unmittelbar im Meßergebnis berücksichtigt werden. Dadurch kann eine Kompensation derartiger Einflüsse (insbesondere thermische Ausdeh nung und mechanische Ungenauigkeiten) weitgehend entfallen. Dies ist we gen der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Winkelmeßsystems möglich, bei dem Lichtquelle 1 und Detektoreinheit 2 an unterschiedlichen Objekten möglichst nahe dem Punkt angeordnet werden, in dem die Winkeländerung des ersten relativ zum zweiten Objekt bestimmt werden soll.

Die Lichtquelle 1 strahlt divergent ab und wird vorzugsweise durch eine Leuchtdiode realisiert. Der Divergenzwinkel der Lichtquelle 1 wird so groß gewählt, daß die Detektoreinheit 2 bei jeder möglichen eigenen Position und Lage sowie jeder möglichen Position und Lage der Lichtquelle 1 im Meßvo lumen mit ausreichender Intensität bestrahlt wird.

Die Detektoreinheit 2 besteht aus einem Gitter 2.1 mit der Gitterkonstanten d_G sowie einem im Abstand v vom Gitter 2.1 angeordneten, bevorzugt strukturierten Photodetektor 2.2, der mehrere Einzelphotoelemente mit ähn lichen oder gleichen Abmessungen aufweist. Alternativ kann der strukturierte Photodetektor 2.2 auch durch ein einziges Photoelement, vor das ein Gitter angeordnet ist, realisiert werden. Sollen mehrere Phasenlagen der Strah lungsintensität des auf den Photodetektor 2.2 treffenden Lichts ermittelt werden, sind mehrere elektrisch getrennte Einzelphotoelemente zu verwen den. Diese können gegeneinander versetzt sein oder bei einem strukturier ten Photodetektor 2.2 ineinander liegen.

Das von der Lichtquelle 1 bestrahlte Gitter 2.1 erzeugt auf dem strukturierten Photodetektor 2.2 ein Intensitätsstreifensystem 3 mit der Periode d_I. Die Lage der Intensitätsstreifen hängt von der Winkellage der Lichtquelle 1 rela tiv zur Detektoreinheit 2 ab. Verschiebt sich die Lichtquelle 1 relativ zur De tektoreinheit 2 in Richtung des Gittervektors des Gitters 2.1, wandert das Intensitätsstreifensystem 3 über den Photodetektor 2.2. Der Gittervektor steht dabei senkrecht auf einer Gitterlinie und weist in Richtung einer ande ren Gitterlinie. Der Abstand, den die Lichtquelle 1 in Richtung des Gitter vektors bewegt werden muß, damit auf dem Photodetektor 2.2 das Intensi tätsstreifensystem 3 um eine Periode d₁ verschoben wird, wird im folgenden als virtuelle Signalperiode SP bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Verwendung eines Gitters 2.1 als abbildendes Ele ment zwischen Lichtquelle 1 und Photodetektor 2.2 bietet den Vorteil, daß nicht nur ein einziges Bild der Lichtquelle 1 auf dem Photodetektor 2.2 ent steht, sondern viele, wodurch die Auflösung wesentlich gesteigert werden kann.

Im folgenden wird das Winkelmeßsystem insgesamt und dessen Funktion beschrieben.

Eine günstige Konfiguration ist beispielsweise durch folgende Dimensionie rung für das erfindungsgemäße Winkelmeßsystem gegeben:

Abtastabstand u von Lichtquelle 1 zur Detektoreinheit 2: 0,5-1,5 m
Abstand v von Gitter 2.1 zum strukturierten Photodetektor 2.2: 80 mm
Gitterkonstante d_G des Gitters 2.1: 148 µm/296 µm
(für das geometrische Bild bzw. Beugungsbild)
Detektorperiode d_D: 160 µm
Ausdehnung der Lichtquelle 1: 400 µm
Virtuelle Signalperiode SP₀ im Abtastabstand u₀ = 1 m: 2 mm
Intensitätsperiode am strukturierten Photodetektor 2.2: 156 µm-171 µm
(abhängig vom Abtastabstand u)
Zahl der Detektorperioden d_D: 5
Zahl der Einzelphotoelemente: 20
Phasenwinkel zwischen den Einzelphotoelementen: 90°

Zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Winkelmeßsystems stehen eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten offen, die beliebig miteinander kombi niert werden können. Einige werden im folgenden erläutert.

Es können zwei verschiedene Abbildungsvarianten durch das Winkelmeßsy stem benutzt werden, das Beugungsbild, bei dem die Modulation nicht ver schwindet und das geometrische Bild, bei dem nur in der Nähe bestimmter Abstände (Talbot-Abstände) zum Gitter 2.1 ein kontrastreiches Bild des Git ters 2.1 vorliegt. Im geometrischen Bild verwendet man vorteilhaft ein Am plitudengitter oder ein Phasengitter mit 90° Phasenhub zur Abbildung, des sen Gitterkonstante d_G die folgenden Beziehungen gelten:

d_G = v/(u₀+v).SP₀ und d_G = u₀/(u₀+v).d_D

Dabei ist u₀ der mittlerer Abtastabstand und SP₀ ist die mittlere, virtuelle Si gnalperiode im Abtastabstand u₀. Im geometrischen Bild ergeben sich je doch nur bei bestimmten Abtastabständen u mit

1/u + 1/v = 1/(n.z_T)

hohe Modulationsgrade der Abtastsignale, wobei Z_T= d_G ²/λ als Talbotab stand bezeichnet wird. Von einem Abstandsbereich mit hoher Modulation zum nächsten Abstandsbereich mit hoher Modulation tritt eine Nullstelle in der Modulation und auch ein Phasensprung von 180° auf, so daß nur ein beschränkter Abstandsbereich (nur ein fester Index n) genutzt werden kann.

Vorteilhafter ist daher das Beugungsbild zu wählen, da hier kein Phasen sprung zwischen den Abstandsbereichen mit hoher Modulation auftritt. Das Gitter wird hier z. B. als Phasengitter mit 180° Phasenhub und gleicher Steg- und Lückenbreite ausgebildet. Für die Dimensionierung der Gitterkonstanten d_G gelten entsprechende Vorschriften:

d_G = 2.u₀/(u₀+v)d_D und d_G = 2.v/(u₀+v).SP₀

Vorteilhaft bei der Verwendung des Beugungsbildes ist, daß keine Phasen sprünge bei der Variation des Abstands zwischen Lichtquelle 1 und Detektor 2 auftreten. In der Praxis schwankt aber der Modulationsgrad erheblich bei Abstandsänderungen zwischen Lichtquelle 1 und Detektoreinheit 2. Ursache dafür sind höhere Beugungsordnungen des Abbildungsgitters 2.1. Durch die Verwendung von kombinierten Phasen/Amplitudengittern als Gitter 2.1 wird über den gesamten Abstandsbereich ein konstant hoher Modulationsgrad ermöglicht. Für die Wahl der Gitterkonstanten d_G gelten auch bei kombinier ten Phasen/Amplitudengittern die gleichen Vorschriften wie im Beugungs bild.

Um die Signalqualität des Ausgangssignals des Photodetektors 2.2 zu ver bessern, werden Oberwellen, die durch höhere Beugungsordnungen verur sacht werden, gedämpft. Dafür wird vorteilhaft am Gitter 2.1 eine spezielle Filterstruktur zur Filterung von Oberwellen angeordnet. Als derartige Ober wellenfilter eignen sich alle aus dem Stand der Technik bereits bekannten optischen Oberwellenfilter. Dabei wird der Oberwellenfilter in das verwen dete MAP-Gitter 2.1, das weiter unten erläutert wird, integriert ausgeführt. Beispielsweise werden zusätzlich zu der in Fig. 6 gezeigten Amplitudentei lung AT noch weitere lichtundurchlässige Stege parallel zur vorhandenen Amplitudenteilung AT vorgesehen, die aber wesentlich schmaler als die vor handene Amplitudenteilung AT sind. Dies bewirkt beispielsweise, daß zu sätzlich insbesondere die fünfte und siebte Beugungsordnung gedämpft wird. Dadurch kann die Amplitude der dritten Signaloberwelle im Ausgangs signal des Photodetektors 2.2 praktisch zum Verschwinden gebracht wer den.

Alternativ kann der Oberwellenfilter auch am strukturierten Photodetektor 2.2 oder an der Lichtquelle 1 des zweiten Ausführungsbeispiels angeordnet sein. Dies weist jedoch den Nachteil auf, daß dann die Filterfunktion abhän gig ist von dem Abstand zwischen Lichtquelle 1 und Photodetektor 2.2. Um diese Abhängigkeit möglichst vollständig zu vermeiden, wird die Empfind lichkeit des Photodetektors 2.2 entsprechend beispielsweise einem um die Mitte symmetrischen Hammingfesters modifiziert. Anstelle des Hammingfen sters können alle aus dem Bereich der Fouriertransformation bekannten Fenster-Funktionen verwendet werden. Dafür ist beispielsweise ein Ham ming-Fenster geeignet, das bei einem strukturierten Photodetektor 2.2 reali siert wird, indem die Längen der Photoelemente des Photodetektors 2.2 parallel zu den Gitterlinien des Gitters 2.1 unterschiedlich sind. Die Länge der Photoelemente wird gemäß der Funktion eines Hamming-Fensters be stimmt.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Lichtquelle 1 detailliert erläutert.

Die Lichtquelle 1 wird derart ausgestaltet, daß für jede mögliche Stellung der Lichtquelle 1 relativ zum Detektor 2 der Emissionsschwerpunkt der Licht strahlen möglichst an der gleichen Stelle liegt. Dies wird beispielsweise durch eine zumindest abschnittsweise flächige, zylinderförmige oder kugel förmige Lichtquelle 1 erreicht. Die Ausdehnung der Lichtquelle 1 sollte vor teilhaft kleiner ungefähr der virtuellen Signalperiode SP sein.

Weiterhin kann der Emissionspunkt der Lichtquelle 1 durch eine Optik derart verschoben werden, daß ein virtueller Emissionspunkt erzeugt wird. Dadurch kann eine Messung möglichst unmittelbar am gewünschten Ort, beispiels weise der Spindel, erfolgen. Weiterhin kann durch eine entsprechende Optik auch die Divergenz verändert werden.

Es besteht auch die Möglichkeit, nicht unmittelbar den Ort der Erzeugung der Lichtstrahlung als Lichtquelle 1 zu benutzen, sondern die Lichtstrahlung über Lichtwellenleiter an einen oder mehrere für die Lichtquelle 1 günstigen Orte, insbesondere nahe am Werkstück oder nahe am Werkzeug, zu leiten. Dann wird das Ende des Lichtleiters, an dem die Lichtstrahlung divergent austritt als Lichtquelle 1 definiert. Dadurch hat man den Vorteil einer kleinen, runden strahlenden Fläche mit einem vom Winkel unabhängigen Emissions schwerpunkt. Besonders geeignet ist dies auch für kleine Meßvolumen, bei denen eine Lichtquelle 1 mit ausreichender Strahlungsintensität einen nicht unerheblichen Platzbedarf hätte. Die Lichtquelle 1 könnte dann entfernt vom Meßvolumen angeordnet werden und es könnten mehrere Lichtwellenleiter die Strahlung einer einzigen Lichtquelle 1 an unterschiedliche, für das Win kelmeßsystem günstig Stellen weiterleiten.

Als Lichtquelle 1 eignet sich grundsätzlich jede, die eine kleine Leuchtfläche aufweist. Die maximale Ausdehnung der Lichtquelle sollte 75% der minimal auftretenden, virtuellen Signalperiode SP nicht überschreiten, da sonst die Modulation zu gering ist. Falls auch Drehungen zwischen Lichtquelle 1 und Detektoreinheit 2 auftreten, wählt man vorteilhaft für die Lichtquelle 1 eine runde Leuchtfläche. Besonders geeignete Lichtquellen 1 sind Leuchtdioden, Halbleiterlaserdioden einschließlich vertikal emittierender VCSELS, Bogen- und andere Entladungslampen und Glühlampen. Um die Einhaltung von La serschutzbestimmungen zu erleichtern, können Lichtquellen im sichtbaren Wellenlängenbereich oder auch im sogenannten "Eye-safe"-Bereich vorteil haft sein.

In Fällen, bei denen keine relevanten Drehungen zwischen der Lichtquelle 1 und der Detektoreinheit 2 auftreten, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Lichtquelle 1 vollständig rund ist. Insbesondere kann sie dann eine läng liche Form parallel zum Intensitätsstreifensystem 3 auf dem Detektor 2 be sitzen oder senkrecht hierzu strukturiert sein. So ist z. B. eine Zeile aus LEDs oder Laserdioden im Abstand der virtuellen Gitterperiode SP₀ als Lichtquelle 1 denkbar, wodurch sich gegenüber dem oben beschriebenen System mit runder Lichtquelle 1 eine deutlich höhere Lichtausbeute errei chen läßt.

Im folgenden wird das verwendete Gitter 2.1 beschrieben.

Die Wahl des Gitters 2.1 ist von entscheidender Bedeutung für das Winkel meßsystem. Bevorzugt werden Sinusgitter oder MAP-Gitter verwendet. Un ter einem Sinusgitter wird dabei ein kombiniertes Amplituden-Phasen-Gitter verstanden, das einen sin²-förmigen Intensitätsverlauf mit Phasensprüngen um 180° in den Nullstellen der Intensität aufweist. Durch derartige Gitter 2.1 kann sichergestellt werden, daß Nullstellen der Modulation und Phasen sprünge im lntensitätsstreifensystems am Photodetektor 2.2 nicht auftreten können. Die Intensität des Lichts der Lichtquelle 1 nimmt somit nur abhängig vom Abstand u+v von der Lichtquelle 1 bzw. deren Verkippung relativ zum Detektor 2 ab. Bei Verwendung eines geeigneten MAP-Gitters als Gitter 2.1 weist die Lichtintensität des Intensitätsstreifensystems 3 im wesentlichen den gleichen Verlauf wie bei einem Sinusgitter auf. Durch ein geeignetes MAP-Gitter wird der sin²-förmige Verlauf gut angenähert, wobei das MAP- Gitter in der Herstellung preisgünstiger als ein Sinusgitter ist.

In Fig. 6 ist ein eindimensionales MAP-Gitter im Schnitt dargestellt. Es sind die lichtundurchlässigen Schichten der Amplitudenteilung AT und die licht durchlässigen Schichten der Phasenteilung PT auf einem lichtdurchlässigen Trägermaterial TR, beispielsweise Glas, gezeigt. Dabei ist in jedem zweiten Zwischenraum zwischen zwei Stegen der Amplitudenteilung AT ein Phasen steg für die Phasenteilung PT vorgesehen, welcher eine Phasenverschie bung um 180° beim hindurchstrahlenden Licht bewirkt.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt eines zweidimensionalen MAP-Gitters 2.1 darge stellt. Es weist eine zweidimensionale Amplitudenteilung AT auf, nur die Stellen P11 bis P23 verbleiben lichtdurchlässig. An diesen dann noch licht durchlässigen Stellen P11 bis P23 sind jeweils horizontal und vertikal ab wechselnd eine Phasenteilung vorgesehen, die einen Phasenhub von 0° bzw. 180° verursacht. An den lichtdurchlässigen Stellen P21, P22 und P23 erfolgt durch die zweidimensionale Phasenteilung ein Phasenhub von 0° und an den schraffierten Stellen P11, P12 und P13 ein Phasenhub von 180°.

Das erfindungsgemäße inkrementale Winkelmeßsystem kann auch Refe renzmarken aufweisen. Vorteilhaft sind sogenannte gechirpte Referenzmar ken, die vorzugsweise im Beugungsbild oder im geometrischen Schatten wurf eingesetzt werden, und die aus einer geeigneten Steganordnung auf dem Gitter 2.1 und einer geeigneten Anordnung einzelner Photoelemente zu einem strukturierten Photodetektor 2.2 bestehen. Alternativ zu mehreren einzelnen Photoelementen kann auch ein Abtastgitter benutzt werden, das auf ein einzelnes Photoelement aufgebracht wird. Bevorzugt wird eine der artige Steg-Lücke-Kombination des Gitters 2.1 gewählt, bei der am Refe renzpunkt die Gitterkonstante am kleinsten ist und auf beiden Seiten nach außen anwächst. Dadurch wird berücksichtigt, daß sich die virtuelle Gitter konstante SP bei variierendem Abtastabstand u zwischen Detektor 2 und Lichtquelle 1 verändern kann.

Im folgenden wird der Photodetektor 2.2 detailliert beschrieben.

Die Detektion der Lage des Intensitätsstreifensystems 3 erfolgt durch den strukturierten Photodetektor 2.2. Ein derartiger strukturierter Photodetektor 2.2 kann - wie bereits beschrieben - auf zwei unterschiedliche Arten reali siert werden. Es kann vor einem einzigen Photoelement ein Gitter angeord net sein, das lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche aufweist. Alternativ können mehrere, elektrisch getrennte Photoelemente vorgesehen sein, die eine bestimmte Breite und einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen, wodurch ebenfalls eine Gitterstruktur realisiert wird. Bevorzugt besteht der Photodetektor 2.2 dabei aus einer Aneinanderreihung von meh reren Einzelphotoelementen in Meßrichtung, die bevorzugt auf einem einzi gen Substrat realisiert werden. Die elektrische Trennung zwischen den Ein zelphotoelementen eines Substrats kann durch eine eindiffundierte Sperre erfolgen. Um die Empfindlichkeit des Photodetektors 2.2 zu erhöhen, wer den Einzelphotoelemente im Abstand d_D miteinander leitend verbunden. Der Abstand d_D wird dabei so gewählt, daß dieser Abstand der miteinander ver bundenen Einzelphotoelemente - hier als Detektorperiode d_D bezeichnet - mit der Periode d_I des Intensitätsstreifensystems 3 für einen bestimmten Ab stand zwischen Lichtquelle 1 und Photodetektor 2.2 übereinstimmt. Durch diese Maßnahme werden an den einzelnen Ausgangsleitungen des struktu rierten Photodetektors 2.2 bei einer Bewegung der Lichtquelle 1 phasenver setzte Abtastsignale erzeugt. Der Phasenversatz berechnet sich aus dem Quotienten von 360° durch die Anzahl Einzelphotoelemente pro Periode d_I des Intensitätsstreifensystems 3.

Der Aufbau des strukturierten Photodetektors 2.2 aus den verschiedenen Einzelphotoelementen kann auf die verschiedenartigsten Weisen erfolgen. Denkbar sind Anordnungen, bei denen Einzelphotoelemente parallel zum Intensitätsstreifensystem 3 in der Detektorebene relativ zueinander versetzt sind, was insbesondere bei nicht rechteckig geformten Einzelphotoelemen ten eine Platzersparnis mit sich bringen kann.

Grundsätzlich sollte die Detektorfläche des strukturierten Photodetektors 2.2 möglichst groß gewählt werden, um eine ausreichende Signalstärke zu ge währleisten und um die Verschmutzungsempfindlichkeit des Winkelmeßsy stems zu reduzieren. Aufgrund der großen Variation des Abtastabstandes u treten allerdings Änderungen in der Periode d_I des Intensitätsstreifensystems 3 auf dem Photodetektor 2.2 auf. Dies führt bei in Meßrichtung großen Ausdehnungen des strukturierten Photodetektors 2.2 zu erheblichen Schwankungen des Modulationsgrades der Abtastsignale. Die Länge des Photodetektors 2.2 in Meßrichtung muß daher begrenzt bleiben. Senkrecht zur Meßrichtung kann der Photodetektor 2.2 aber eine große Ausdehnung aufweisen.

Alternativ kann der strukturierte Photodetektor 2.2 auch in mehrere Zonen mit jeweils mehreren Einzelphotoelementen aufgeteilt werden, wobei jede Zone eine getrennte Auswerteelektronik aufweist. Die Phasenverschiebun gen der Signale aus den einzelnen Zonen, die je nach Abtastabstand u un terschiedlich sind, lassen sich bestimmen und werden korrigiert, so daß die Signale der einzelnen Zonen phasenkorrigiert addiert werden können, wo durch das Nutzsignal verstärkt wird. Daraus wird dann ein gemittelter Positi onswert ermittelt. Für die Kompensation der Änderungen in der Periode des Intensitätsstreifensystems 3 auf dem Photodetektor 2.2 kann in der Aus werteelektronik ein sogenannter adaptierter Arcustangens-Rechner verwen det werden. Dieser ermittelt die Phasenverschiebungen zwischen den Aus gangssignalen der Einzelphotoelemente des Photodetektors 2.2, korrigiert sie und berechnet mittels der Arcustangens-Funktion einen gemittelten Po sitionswert. Zusätzlich läßt sich bei einer Auswertung die Periode der einzel nen Intensitätsstreifen und damit auch der Abstand der Lichtquelle 1 von der Detektoreinheit 2 ermitteln.

Als strukturierten Photodetektor 2.2 können insbesondere Halbleiterdetekto ren, vorzugsweise aus Silizium, mit mehreren, auf einem Substrat integrier ten Einzelphotoelementen verwendet werden; strukturierte Avalanche- Dioden sind ebenso geeignet. Alternativ lassen sich auch mehrere, neben einander angeordnete, diskrete Photodetektoren, z. B. ebenfalls Halbleiter detektoren oder auch Photomultiplier oder Microchannelplates, einsetzen. In diesem Fall ist ein zusätzliches Abtastgitter vor den diskreten Photodetekto ren 2.2 zu verwenden.

Anstelle des strukturierten Photodetektors 2.2 kann auch eine CCD-Zeile eingesetzt werden. Die Auswertung erfolgt dann entweder wie bereits be schrieben oder aber durch eine computergesteuerte Auswertung der aufge nommenen Bilder. Auch hier läßt sich zusätzlich bei einer computergesteu erten Auswertung die Periode der einzelnen Intensitätsstreifen und damit auch der Abstand der Lichtquelle 1 von der Detektoreinheit 2 ermitteln.

Bei Verwendung eines CCD- oder Photoelement-Arrays 2.2 in Verbindung mit einem zweidimensionalen Gitter 2.1, z. B. einem zweidimensionalen Si nusgitter oder rechtwinkligen MAP-Kreuzgitter, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, kann die genaue Lage der beiden senkrecht zueinander erzeugten Intensi tätsstreifensysteme 3 bestimmt werden, so daß mit Hilfe eines einzigen Win kelmeßsystems zugleich zwei Winkel gemessen werden können.

Alternativ dazu ist auch eine andere Vorgehensweise beim Einsatz von CCD-Zeilen als Photodetektoren denkbar. Das Auslesen der CCD-Elemente erfolgt hier nicht wie meist üblich sehr schnell im Vergleich zur jeweiligen Meßzeit. Stattdessen erfolgt das Weiterreichen der Ladungen in den CCD- Elementen durch eine senkrecht zu den Intensitätsstreifen in der Detektor ebene verlaufende Eimerkettenschaltung mit gleichmäßiger Geschwindig keit, so daß sich die jeweils über den Ort der transportierten Ladung defi nierte "aktive Fläche" alle Stellen des Intensitätsstreifensystems 3 gleich lange aufhält. Bei zeitlich konstanter Beleuchtung würde dies zu einem kon stanten, d. h. unmodulierten Strom am Signalausgang der CCD-Elemente führen. Indem man nun aber die Lichtquelle 1 in ihrer Intensität beispiels weise sinusförmig mit geeigneter Frequenz moduliert, liegt dann am Signal ausgang der CCD-Elemente ebenfalls ein moduliertes Signal an, aus des sen Phasenbeziehung zum Eingangssignal der Lichtquelle 1 sich der Winkel der Lichtquelle 1 relativ zur Detektoreinheit 2 ermitteln läßt.

Ein Vorteil der beschriebenen Technik besteht vor allem darin, daß zeitlich konstante Unterschiede wie unterschiedliche Streulichtbedeckungen, Emp findlichkeiten, Öffnungen etc. der einzelnen lichtempfindlichen Elemente durch die Bewegung der jeweils "aktiven Detektorfläche" teilweise oder voll ständig neutralisiert werden und entsprechend zu keinem Winkelmeßfehler führen. Auch Fehlerbeiträge durch die Auswertelektronik werden minimiert, da alle Signale die gleiche Elektronik durchlaufen. Weiterhin können Si gnaloffsets leicht mittels Hochpaßfilterung eliminiert werden.

Um diese Technik für alle Abstände u zwischen Lichtquelle 1 und Detek toreinheit 2 einsetzen zu können, kann es erforderlich sein, die Modulati onsfrequenz der Lichtquelle 1 bzw. die Auslesetaktrate der CCD-Zeile je weils dem momentanen Abstand u zwischen der Lichtquelle 1 und dem De tektor 2 in Form der CCD-Zeile anzupassen. Photoelementarrays, vorteilhaft in CMOS-Technik realisiert, mit nachgeschalteten Multiplexern, stellen in diesem Zusammenhang eine äquivalente Realisierung zu den CCD-Zeilen dar. Dabei erfolgt die Auswahl eines Ausgangssignals eines Photoelements entsprechend der Auslesetaktrate der CCD-Zeile.

Im folgenden wird die Auswertelektronik beschrieben.

Durch die nachfolgende Auswerteelektronik kann der Verstärkungsfaktor, mit dem die Strahlungsleistung der Lichtquelle 1 eingestellt wird, so geregelt werden, daß die Intensitätsschwankungen des Intensitätsstreifensystems 3 aufgrund wechselnder Abstände u zwischen Lichtquelle 1 und Photodetektor 2.2 oder einer Verdrehung bzw. Verkippung von Lichtquelle 1 zu Photode tektor 2.2 relativ zueinander zumindest im wesentlichen ausgeglichen wer den. Weiterhin verstärkt die Auswerteelektronik die Ausgangssignale des strukturierten Photodetektors 2.2. Diese Verstärkung erfolgt bevorzugt durch einen besonders rauscharmen Verstärker unmittelbar nach der Detektion, da die Amplitude des Ausgangssignals der Einzelphotoelemente sehr klein sein kann und eine Übertragung über zusätzliche Leitungen Störungen verursa chen können. Anschließend erfolgt eine Analog/Digital-Wandlung der Ab tastsignale, nach bzw. bei der eine erneute Verstärkung erfolgen kann. Da nach erfolgt eine Umrechnung der digitalen Abtastsignale des Intensitäts streifensystems 3 in Positionswerte mittels der Arcustangens-Funktion, die durch einen Arcustangens-Rechner oder mittels einer gespeicherten Werte- Tabelle erfolgen kann. Die Positionswerte geben die Winkellage der Licht quelle 1 relativ zur Detektoreinheit 2 und somit die Lage von Werkzeug rela tiv zum Werkstück an.

Störendes Untergrundlicht kann durch Wellenlängenfilter reduziert oder un terdrückt werden. Darüber hinaus können Modulationstechniken eingesetzt werden, bei denen die Strahlungsleistung der Lichtquelle 1 periodisch mo duliert wird und die Detektorelektronik diese Modulation mit geeigneten Fil tern, z. B. Bandpaßfiltern, detektiert. Dabei muß in der Regel die Modulati onsfrequenz erheblich höher gewählt werden als die maximale Signalfre quenz aufgrund einer Verschiebung von Lichtquelle 1 und Detektor 2 relativ zueinander. Außerdem bewirkt eine Quasi-Einfeldabtastung bei Verwendung eines strukturierten Photodetektors 2.2, daß eine lokal homogene Streulicht verteilung bei geeigneter Auswertung, beispielsweise mit vier um 90° ver schobenen Phasenlagen, das Meßergebnis nicht oder nur unwesentlich ver ändert.

Bei besonders hohen Anforderungen an die Qualität des Signals kann die bekannte Phase-Locked-Loop (PLL) Technik oder auch die Lock-In Technik verwendet werden, wie in Fig. 3 gezeigt. Dabei wird die der Lichtquelle 1 zugeleitete Leistung durch einen steuerbaren Verstärker SV derart beein flußt, daß die von der Lichtquelle 1 emittierte Strahlungsleistung einen sinus förmigen zeitlichen Verlauf mit der Frequenz f₀ aufweist. Das dafür benötigte Steuersignal liefert ein Signalgenerator SG. Die von der Lichtquelle 1 diver gent abgestrahlte Strahlungsleistung wird zusammen mit Streulicht im Pho todetektor 2.2 detektiert. Das Ausgangssignal des Photodetektors 2.2 kann optional verstärkt werden. Anschließend wird dieses Signal einem Bandpaß BP zugeleitet, der auf die Frequenz f₀ der von der Lichtquelle 1 empfange nen Strahlungsleistung abgestimmt ist bzw. eingestellt wird.

Zur Einstellung der Bandpaßfrequenz wird das Ausgangssignal des Band paßes BP einem Phasendiskriminator PD zugeleitet, dem auch das Aus gangssignal des Signalgenerators SG zugeleitet wird. Das Ausgangssignal des Phasendiskriminators PD wird einem geeigneten Regler R zugeleitet, der ein Steuersignal für den Bandpaß BP erzeugt, um diesen genau auf die Frequenz f₀ abzustimmen, mit der die Intensität der Strahlung der Lichtquelle 1 moduliert wird. Derart kann sichergestellt werden, daß das Ausgangssignal des Bandpaßes BP, das der weiteren Auswerteelektronik AWE des Winkel meßsystems zugeleitet wird, im wesentlichen von der Lichtquelle 1 stammt.

Noch vorteilhafter erscheint die Boxcar-Technik, die in Fig. 4 dargestellt ist. Hier wird durch einen Impulsgenerator IG ein Verstärker IV1 angesteuert, durch den die der Lichtquelle 1 zugeleitete Leistung moduliert wird. Das da durch entstehende impulsförmige Ausgangssignal der Lichtquelle 1 wird vom Photodetektor 2.2 zusammen mit Streulicht detektiert. Die zeitlich be grenzte Öffnungszeit eines anschließenden integrierenden Ladungsverstär kers IV2 wird durch das gleiche Ausgangssignal des Impulsgenerators IG gesteuert, das bereits für den Verstärker IV1 benutzt wird. Durch die Syn chronisation von Verstärker IV1 und Verstärker IV2 wird bewirkt, daß nur in dem Zeitintervall, in dem die Lichtquelle 1 strahlt, eine Verstärkung des Aus gangssignals des Photodetektors 2.2 erfolgt. Das Ausgangssignal des inte grierenden Ladungsverstärkers IV2 wird dann der anschließenden Auswer teelektronik AWE des Winkelmeßsystems zugeleitet. Dadurch ist sicherge stellt, daß nur in den Zeitschlitzen, in denen die Lichtquelle 1 Strahlung emittiert, auch eine Auswertung der im Photodetektor 2.2 empfangenen Strahlung erfolgt. In diesem Fall sind die Verzögerungszeiten zwischen der Triggerung der Positionsmessung und der tatsächlichen Bestimmung der Position äußerst gering. Damit sind auch die dynamischen Positionsfehler stark reduziert und vernachlässigbar.

Einerseits ist für jede einzelne Winkelmessung eine möglichst lange Meßzeit zur Mittelung über das unvermeidbaren Signalrauschen wünschenswert.

Andererseits begrenzt aber bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten der dann stark anwachsende dynamische Fehler die Meßdauer. Deshalb kann vorteil haft bei dem beschriebenen Winkelmeßsystem eine Auswertelektronik mit umschaltbarer oder variabler elektronischer Analogbandbreite eingesetzt werden. Durch Veränderung der Analogbandbreite wird bei niedrigen Ver fahrgeschwindigkeiten eine hohe Genauigkeit aufgrund einer langen Mitte lungszeit erzielt, während bei hohen Verfahrgeschwindigkeiten zwar ein hö herer Rauschfehler aufgrund kurzer Meßzeiten entsteht, aber dafür der hier dominierende dynamische Fehler klein gehalten wird. Entsprechend lassen sich natürlich auch zwei oder mehrere Auswerteelektroniken unterschiedli cher fester Analogbandbreite zum gleichen Zweck einsetzen. Bei Verwen dung mehrerer Auswerteelektroniken können für jede einzelne eigene strukturierte Photoelemente vorgesehen werden.

In der Auswerteelektronik kann auch eine Online-Korrektur von Signalfehlern und Oberwellen im Empfangssignal erfolgen. Bei der Online-Korrektur kann beispielsweise aus dem Ausgangssignal des Photodetektors 2.2 und dem um 90° versetzen Ausgangssignal des Photodetektors 2.2 eine Lissajous- Figur gebildet wird. Dabei wird das Ausgangssignal des Photodetektors 2.2 dadurch erzeugt, dass die Ausgangssignale der Einzelphotoelemente mit 180° Phase von denen mit 0° Phase subtrahiert werden; das um 90° ver setzte Ausgangssignal des Photodetektors 2.2 wird dadurch erzeugt, dass die Ausgangssignal der um 270° versetzten Einzelphotoelemente von dem Ausgangssignal der Einzelphotoelemente mit 90° Phase subtrahiert werden. Für die Erzeugung der Lissajous-Figur werden Abtastwerte des Ausgangs signals des Photodetektors 2.2 als Koordinaten einer ersten Achse und Ab tastwerte des um 90° versetzten Ausgangssignals als Koordinaten einer zur ersten orthogonalen zweiten Achse benutzt. Die Abweichungen der derart erzeugten Lissajous-Figur von einem Kreis um den Nullpunkt des durch die beiden Achsen gebildeten zweidimensionalen Koordinatensystems werden ermittelt und daraus zu korrigierende Offsets, Phasenabweichungen und ein fehlerhaftes Amplitudenverhältnis der beiden um 90° versetzten Signale be stimmt. Vorteilhaft wird diese Kompensation während dem herkömmlichen Betrieb in Echtzeit durchgeführt.

Im folgenden wird eine mögliche Erweiterung des Winkelmeßsystems zu einem Positionsmeßsystem beschrieben.

Um letztendlich eine Positionsbestimmung durchführen zu können, müssen mehrere Winkelmeßsysteme miteinander verknüpft werden. Hierbei kann eventuell eine Mehrfachnutzung von Lichtquellen 1 oder Detektoren 2 erfol gen, d. h. dieselbe Lichtquelle 1 oder Detektoreinheit 2 ist Bestandteil von zwei oder mehr Winkelmeßsystemen. Wird eine Lichtquelle 1 in mehreren Winkelmeßsystemen benutzt, ist dies unproblematisch.

Im Fall einer Mehrfachnutzung von Detektoren 2, kann eine zeitliche Tren nung der Beiträge von den verschiedenen Lichtquellen 1 sinnvoll sein. Dies kann derart realisiert werden, daß die Lichtquellen 1 unterschiedlicher Win kelmeßsysteme in unterschiedlichen Zeitschlitzen eines Zeitmultiplex betrie ben werden und in der Auswerteelektronik des gemeinsamen Detektors 2 das Zeitmultiplex-Schema der Lichtquellen 1 bekannt ist. Bei den Lichtquel len 1 besteht weiterhin die Möglichkeit, daß sie mit unterschiedlichen Trä gerfrequenzen in ihrer Intensität moduliert werden, so daß durch entspre chende Demodulatoren oder Bandpaßfilter in der Auswerteeinheit des De tektors 2 die Signalanteile einzelnen Lichtquellen zugeordnet werden kön nen.

In manchen Fällen wird es sinnvoll sein, die Anzahl der Winkelmeßsysteme größer zu wählen, als theoretisch erforderlich, da Redundanz die Störsicher heit und Genauigkeit des Meßsystems erhöht. Außerdem könnte die Situa tion auftreten, daß an bestimmten räumlichen Positionen einzelne der Win kelmeßsysteme nur ungenügende Ergebnisse liefern, z. B. zwischen Talbot ebenen oder aufgrund geometrischer Abschattung.

Weiterhin können an unterschiedlichen Stellen Einzellichtquellen positioniert werden, um die Lichtquelle 1 zu realisieren und um Meßsignale verschiede ner Phasenlage zu erzeugen. Dann ist ein einzelnes Photoelement im De tektor 2 ausreichend, wie zu Fig. 2 im folgenden näher ausgeführt wird. Al lerdings müssen dann die Signalbeiträge der verschiedenen Einzellicht quellen voneinander getrennt werden, was geometrisch, zeitlich oder durch Farb- bzw. Polarisationscodierung erfolgen kann.

Fig. 2 zeigt ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen Winkelmeßsystems. Dieses unterscheidet sich im wesentlichen von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß im Vergleich hierzu Licht quelle 1 und Photodetektor 2.2 gegeneinander vertauscht sind. Ein am be weglichen Objekt befindlicher Photodetektor 2.2 detektiert jetzt das von einer Lichtquelleneinheit 1 in den Raum gestrahlte Licht. Die Lichtquelleneinheit 1 besteht hierbei analog zur Detektionseinheit 2 im ersten Ausführungsbeispiel aus mehreren, z. T. getrennt ansteuerbaren Einzellichtquellen und einem Gitter 2.1 der Gitterkonstante d_G.

Das Gitter 2.1 weist dabei zu den Einzellichtquellen eine feste räumliche Zu ordnung auf. Die Ansteuerung einer bestimmten Einzellichtquelle führt nun zur Ausbildung eines Intensitätsstreifenmusters 3 mit der (vom Abstand u abhängigen) Periode SP im Raum. Indem man die Einzellichtquellen der Lichtquelleneinheit 1 so anordnet und ansteuert, daß die von ihnen jeweils unmittelbar nacheinander in den Raum projizierten Intensitätsstreifensy steme 3 eine bestimmte, bekannte Phasenbeziehung zueinander besitzen, kann dann aus den am Photodetektor 2.2 ermittelten Lichtintensitäten der verschiedenen Einzellichtquellen die momentane Winkelposition des De tektors 2 relativ zur Lichtquelleneinheit 1 ermittelt werden.

Die Lichtquelleneinheit 1 kann beispielsweise vier äquidistant angeordnete Laserdioden oder Leuchtdioden beinhalten, deren Intensitätsstreifensysteme 3 im Raum gerade um eine Phase von 90° relativ zueinander verschoben sind. Werden einzelne Leuchtdioden unmittelbar nacheinander angesteuert und die am Photodetektor 2.2 auftreffenden Lichtleistungen gemessen, so kann aus den verstärkten und analog/digital gewandelten Abtastsignalen mittels eines Arcustangens-Rechners oder einer entsprechenden Tabelle zur Umrechnung wieder die Winkellage des Photoelements 2.2 relativ zur Lichtquelle 1 ermittelt werden.

Zur Erhöhung der Strahlungsleistung der Lichtquelleneinheit 1 können groß flächige Leuchtdioden benutzt werden, auf die unmittelbar ein Gitter 2.1 auf gebracht ist. Alternativ können auch strukturierte Leuchtdioden oder ein zelne längliche Leuchtdioden, die parallel zum Gitter 2.1 ausgerichtet sind, benutzt werden.

Eine günstige Konfiguration für dieses alternative Winkelmeßsystem ist bei spielsweise durch folgende Dimensionierung gegeben:

Abtastabstand u von Photoelement zur Sendeeinheit: 0,5-1,5 m
Abstand v von Gitter zu den Einzellichtquellen: 80 mm
Gitterkonstante d_G des Gitters: 148 µm/296 µm
(geometrisches Bild bzw. Beugungsbild)
Abstand der Einzellichtquellen: 40 µm
Ausdehnung des Photoelements: 400 µm
Signalperiode SP₀ im Abtastabstand u₀ = 1 m: 2 mm
Zahl der Einzellichtquellen: 4 oder 8
Phasenwinkel zwischen den Einzellichtquellen: 90°
Ausdehnung der Einzellichtquellen: ≦ 100 µm

Zur Ausgestaltung dieses zweiten Ausführungsbeispiels lassen sich alle im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiels beschriebenen Aus gestaltungsmöglichkeiten sinngemäß übertragen. Insbesondere gilt das für den Einsatz verschiedener Lichtquelleneinheit 1, Gitter 2.1 und Photodetek toren 2.2.

Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Winkel meßsystems ist es nicht zwingend erforderlich, daß die Einzellichtquellen tatsächlich zeitlich nacheinander betrieben bzw. die Signale der Einzellicht quellen zeitlich nacheinander detektiert werden. Stattdessen können sich die von ihnen ausgestrahlten bzw. vom Photoelement 2.2 detektierten Intensi tätsstreifenmuster 3 auch zeitlich überlappen. In diesem Fall werden die ver schiedenen Einzellichtquellen in ihren Intensitäten zeitlich beispielsweise sinusförmig moduliert, wobei die Ansteuerung der einzelnen Lichtquellen jeweils zeitlich phasenverschoben erfolgt. Dies hat zur Folge, daß das vom Photoelement 2.2 detektierte Signal ebenfalls zeitlich moduliert ist, wobei die Phasenverschiebung relativ zur Ansteuerung der einzelnen Lichtquellen wiederum ein Maß für den Winkel des Photoelements 2.2 relativ zur Licht quelle 1 ist.

Können in bestimmten Anwendungsfällen keine Drehungen des Detektors 2 um die Verbindungsachse zur Lichtquelle 1 auftreten, so muß das Photo element 2.2 nicht die andernfalls erforderliche hohe Symmetrie besitzen. Dann kann der Photodetektor 2 sich wiederum aus Einzelelementen zu sammensetzen, von denen jedes (z. B. durch Farbfilter etc.) dafür ausgelegt ist, das Licht einer bestimmten Einzellichtquelle zu detektieren. In diesem Fall muß dann natürlich die Messung der den Photodetektor 2 erreichenden Strahlungsintensität nicht für jede Einzellichtquelle zeitlich nacheinander er folgen, sondern kann gleichzeitig geschehen, was den Vorteil hat, daß die Einzellichtquellen kontinuierlich betrieben werden können.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Lichtquelle 1 und Detektor 2 unmittelbar benachbart an einem ersten Objekt angeordnet. An dem zweiten Objekt, zu dem die relative Winkeländerung gemessen werden soll, wird ein retroreflektierendes Element angeordnet, das die Lichtstrahlung geringfügig versetzt in Richtung der Lichtquelle reflektiert. Als retroreflektie rendes Element kann beispielsweise ein Tripelspiegel, ein Tripelprisma, ein Retroreflektor, ein Dachkantprisma oder eine Linse kombiniert mit einem in der Brennebene angeordneten Spiegel benutzt werden. Dies weist den Vorteil auf, daß nur die an einem Objekt angeordneten Baugruppen Licht quelle 1 und Detektor 2 elektrische Verbindungsleitungen erfordern, das re troreflektierende Element diese aber nicht benötigt.

Claims

1. Winkelmeßsystem mit mindestens zwei weitgehend beliebig zueinander bewegbaren Baugruppen zur berührungslosen Winkelmessung, bei dem im Strahlengang zwischen einer Lichtquelle (1) und einem Photodetektor (2.2) ein optisches Gitters (2.1) angeordnet ist und bei dem die Licht quelle (1) und der Photodetektor (2.2) relativ zueinander oder ein re troreflektierendes Element im Strahlengang zwischen Lichtquelle (1) und Photodetektor (2.2) relativ zur Lichtquelle (1) und/oder Photodetektor (2.2) verschiebbar und/oder drehbar angeordnet ist.

2. Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle (1) diver gent strahlt.

3. Winkelmeßsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lichtquelle (1) zumindest abschnittsweise flächig, kugelsymmetrisch oder zylindersym metrisch ist.

4. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Photodetektor (2.2) Photodioden, Avalanchedioden, Microchannels plates oder CCD-Elemente beinhaltet.

5. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem optisches Gitter (2.1) und Photodetektor (2.2) räumlich zueinander fest stehend sind und der Abstand (u) zwischen Lichtquelle (1) und Gitter (2.1) wesentlich größer ist als der Abstand (v) zwischen Gitter (2.1) und Photodetektor (2.2).

6. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Photodetektor (2.2) als strukturierter Photodetektor (2.2) ausgestaltet ist oder sich der Photodetektor (2.2) aus mehreren Einzelphotoelemen ten zusammensetzt, die parallel zu einem durch Lichtquelle (1) und opti sches Gitter (2.1) erzeugten Intensitätsstreifensystem (3) angeordnet sind.

7. Winkelmeßsystem nach Anspruch 6, bei dem für einen bestimmten Ab stand (u) zwischen Lichtquelle(1) und Detektor (2) zumindest die gemit telte Periode des lntensitätsstreifenmusters (d_I) auf dem Photodetektor (2.2) ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der Strukturierung des strukturierten Photodetektors (2.2) oder des Abstands der Einzelphoto elemente des Photodetektors (2.2) ist.

8. Winkelmeßsystem nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der Photodetektor (2.2) in mehrere Abschnitte unterteilt wird und jedem Abschnitt eine ei gene Auswerteelektronik zugeordnet wird.

9. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein steuerbarer Verstärker (SV) und ein Signalgenerator (SG) vorgese hen ist, um die Strahlungsleistung der Lichtquelle (1) mit einer bestimm ten Frequenz (fo) zu modulieren und das Ausgangssignal des Photode tektors (2.2) einem Bandpaß (BP) zugeleitet wird, dessen Mittenfrequenz (fo) der Modulationsfrequenz der Strahlungsleistung entspricht.

10. Winkelmeßsystem nach Anspruch 9, bei dem die Mittenfrequenz des Bandpaßes (BP) durch eine Phase-Locked-Loop-Schaltung (PD, R) phasengenau geregelt wird.

11. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem einem steuerbarer Verstärker (SV) das Ausgangssignal eines Signalgenerators (SG) als Steuersignal zugeleitet wird, um die Strahlungsleistung der Lichtquelle (1) mit einer bestimmten Frequenz (fo) zu modulieren, das Ausgangssignal des Photodetektors (2.2) und das Ausgangssignal des Signalgenerators (SG) einem Multiplizierer zugeleitet werden, dessen Ausgangssignal einem Tiefpass zugeleitet wird, wodurch die aufgrund einer Relativbewegung entstandenen niederfrequenten Signalkompo nenten in Ausgangssignal des Photodetektors (2.2) ermittelt werden.

12. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-8, bei dem die Strah lungsleistung der Lichtquelle (1) impulsmoduliert wird und das Aus gangssignal des Photodetektors (2.2) einem Verstärker (IV2) zugeleitet wird, dessen Verstärkungsfaktor entsprechend der Strahlungsleistung der Lichtquelle (1) geregelt wird, wodurch nur dann ein Ausgangssignal des Photodetektors (2.2) verstärkt wird, wenn die Strahlungsleistung der Lichtquelle (1) einen hohen Wert aufweist.

13. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem minde stens einer Signalverarbeitungsbaugruppe (AWE) die Ausgangssignale des strukturierten Photodetektors (2.2) zugeleitet werden, bei dem die Signalverarbeitungsbaugruppe Phasenunterschiede in den Ausgangs signalen der Einzelphotoelemente kompensiert und bei dem die Aus gangssignale addiert, analogdigital gewandelt werden und eine Winkel änderung berechnet wird.

14. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 6 bis 13, bei dem ein re gelbarer Verstärker (SV, IV1) die der Lichtquelle (1) zugeleitete Leistung abhängig von der im Photodetektor (2.2) oder in einem Kontroll-Detektor detektierten Leistung regelt.

15. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als optisches Gitter (2.1) ein Sinus-Gitter, ein MAP-Gitter, ein gechirpies Gitter oder zwei- bzw. mehrdimensionale Gitter verwendet werden.

16. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das optische Gitter (2.1) mindestens eine Referenzmarke aufweist.

17. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Lichtquelle (1) Leuchtdioden, Halbleiterlaserdioden, Bogen-, Entla dungs- oder Glühlampen verwendet werden.

18. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-4 oder 9-12 oder 14- 17, bei dem die Lichtquelle (1) durch mehrere Einzellichtquellen reali siert wird.

19. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-4 oder 9-12 oder 14- 18, bei dem die Einzellichtquellen räumlich fest mit dem Gitter (2.1) ver bunden sind und der Abstand (v) zwischen Einzellichtquellen und Gitter (2.1) wesentlich kleiner ist als der Abstand (u) zwischen Gitter (2.1) und Photodetektor (2.2).

20. Winkelmeßsystem nach einem der Ansprüche 1-4 oder 9-12 oder 14- 19, bei dem die Einzellichtquellen von Steuerungen oder Reglern ange steuert werden, die die Lichtintensität für jede Einzellichtquelle individuell zeitabhängig verändern, wodurch die Lichtintensität der Lichtquelle (1) sinusförmig moduliert oder die Lichtquelle (1) gepulst betrieben wird.

21. Winkelmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als optisches Element im Strahlengang zwischen Lichtquelle (1) und Photodetektor (2.2) ein Retroreflektor vorgesehen ist.

22. Winkelmeßsystem nach Anspruch 21, bei dem Lichtquelle (1) und Pho todetektor (2.2) in ein gemeinsames Gehäuse integriert sind.

23. Positionsmeßsystem, welches mindestens ein Winkelmeßsystem nach einem der vorherigen Ansprüche aufweist.

24. Winkelmeßverfahren zur berührungslosen Winkelmessung, bei dem von einer ersten Baugruppe, die eine Lichtquelle (1) beinhaltet, abgestrahltes Licht zumindest auf ein optisches Gitter (2.1) und anschließend auf eine zweite Baugruppe, die einen Photodetektor (2.2) beinhaltet, trifft, bei dem durch den Photodetektor (2.2) ein zur Intensität des auftreffenden Lichts proportionales Signal ausgegeben wird, bei dem anhand der Si gnalmodulationen im Ausgangssignal des Photodetektors (2.2) eine Winkeländerung zwischen Lichtquelle (1) und Photodetektor (2.2) ermit telt wird und bei dem die Winkeländerung durch eine Verschiebung von Lichtquelle (1) relativ zum Photodetektor (2.2) oder aufgrund einer Ver schiebung eines im Strahlengang zwischen Lichtquelle (1) und Photo detektor (2.2) angeordneten retroreflektierenden Elements verursacht wird.

25. Winkelmeßverfahren nach Anspruch 24, bei dem die Ausgangssignale des Photodetektors (2.2) oder der Einzelphotoelemente verstärkt wer den.

26. Winkelmeßverfahren nach Anspruch 24 oder 25, bei dem eine Phasen verschiebung in Ausgangssignalen mehrerer Einzelphotoelemente korri giert wird.

27. Winkelmeßverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die Ausgangssignale mehrerer Einzelphotoelemente addiert werden.

28. Winkelmeßverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem die Strahlungsleistung der Lichtquelle (1) derart geregelt wird, daß das ge mittelte Ausgangssignal des Photodetektors (2.2) im wesentlichen kon stant ist.

29. Winkelmeßverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, bei dem das verstärkte Ausgangssignal des Photodetektors (2.2) abgetastet und analogdigital gewandelt wird.

30. Winkelmeßverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 29, bei dem aus den digitalen Ausgangssignalen des Photodetektors (2.2) mittels der Arcustangens-Funktion Positionsänderungen und daraus Winkelände rungen berechnet werden.

31. Winkelmeßverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 30, bei dem die Strahlungsintensität der Lichtquelle (1) sinusförmig moduliert wird und das Ausgangssignal des Photodetektors (2.2) einer Phase-Locked-Loop Schaltung (PD, R), einer Lock-In Schaltung oder einem Bandpaßfilter (BP) zugeleitet wird.

32. Winkelmeßverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 31, bei dem die Lichtquelle (1) gepulst betrieben wird und das Ausgangssignal des Pho todetektors (2.2) synchron dazu ausgewertet wird.

33. Winkelmeßverfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, bei dem ei ner Lichtquelle (1) ein mehrdimensionales Gitter (2.1) oder mehrere ein dimensionale Gitter (2.1), deren Linien nicht parallel zueinander ange ordnet sind, zugeordnet werden, wodurch zwei unabhängige Winkel ge messen werden.