DE19957777A1 - Optische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine optische Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier in Meßrichtung zueinander beweglicher Objekte angegeben. Diese umfaßt mindestens eine mit einem der beiden Objekte verbundene periodische Meßteilung. Mit dem anderen Objekt ist eine Abtasteinheit verbunden. Hierzu gehört eine Lichtquelle, mindestens eine Abtastteilung sowie eine Detektoranordnung in einer Detektorebene. Die Detektoranordnung besteht aus mehreren strahlungsempfindlichen Detektorelementen, die in Meßrichtung blockweise benachbart zueinander angeordnet sind. Es werden für verschiedene Systemkonfigurationen optimale Entfernungen der Detektorebene von der jeweils letzten durchlaufenen Teilung angegeben, in denen eine gute Modulation der Abtastsignale vorliegt (Fig. 3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung, die zur präzisen Bestimmung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte geeignet ist.

Es sind inkrementale Positionsmeßeinrichtungen bekannt, bei denen die maßstab- und abtastseitig vorgesehenen Teilungen, d. h. die Meßteilung und ein oder mehrere Abtastteilungen, unterschiedliche Teilungsperioden auf­ weisen. Werden diese Teilungen von einer Lichtquelle beleuchtet, so resul­ tiert in einer Detektorebene ein periodisches Streifenmuster, das mit Hilfe einer geeigneten Detektoranordnung erfaßt werden kann. Das periodische Streifenmuster resultiert hierbei aus einer Wechselwirkung der von der Lichtquelle emittierten Strahlenbündel mit den verschiedenen Teilungen im Strahlengang. Dieses Streifenmuster sei im folgenden als Vernier-Streifen­ muster bezeichnet, wobei die Periodizität dieses Streifenmusters durch die Vernier-Periode definiert sei.

Hierbei kann es sich im Zusammenhang mit der Art und Weise der Erzeu­ gung des Vernier-Streifenmusters zum einen um sog. abbildende Positions­ meßeinrichtungen mit relativ groben Teilungsperioden auf Maßstab- und Abtastseite handeln. Das resultierende Vernier-Streifenmuster wird hierbei im wesentlichen im Schattenwurf erzeugt. Diese Systeme umfassen in der Regel eine Meßteilung sowie eine Abtastteilung; hierzu sei z. B. auf die DE 195 27 287 A1 oder DE 17 98 368 A1 verwiesen. Die Abtastung des resul­ tierenden Streifenmusters mit einer relativ großen Vernier-Periode erfolgt jeweils mit Hilfe geeignet angeordneter Quadrantendetektoren. Desweiteren sei hierzu auf die DE 26 53 545 hingewiesen.

Zum anderen kann das resultierende Vernier-Streifenmuster prinzipiell auch mit einer interferentiellen Positionsmeßeinrichtung erzeugt werden, bei der die verwendeten Teilungsstrukturen auf Maßstab- und Abtastseite sehr kleine Teilungsperioden aufweisen. Das abgetastete Vernier-Streifenmuster in der Detektorebene entsteht bei derartigen Meßeinrichtungen aus Teil­ strahlenbündeln, die an den verwendeten Teilungen gebeugt werden und zur Interferenz gelangen. In diesem Zusammenhang sei etwa auf die DE 27 14 324 verwiesen.

Es sollen nunmehr sowohl abbildende Positionsmeßeinrichtungen als auch interferentielle Positionsmeßeinrichtungen zur Erzeugung derartiger Vernier- Streifenmuster angegeben werden, die bestimmten Anforderungen genü­ gen.

So soll grundsätzlich gewährleistet sein, daß aus der Abtastung des Vernier- Streifenmusters im Fall der Relativbewegung hinreichend gut modulierte Abtastsignale resultieren. Eventuelle Verschmutzungen auf Seiten der Meßteilung sollen sich hierbei möglichst nicht auf die Abtastsignale auswir­ ken. Desweiteren ist eine gewisse Flexibilität hinsichtlich der Lage der De­ tektorebene gefordert, da mitunter aufgrund konstruktiver Vorgaben die De­ tektorebene nicht immer unmittelbar hinter der letzten durchlaufenen Teilung der Positionsmeßeinrichtung angeordnet werden kann. Letzteres ist insbe­ sondere im Hinblick auf kompakt bauende Abtasteinheiten von Bedeutung. Ferner ist aufzuführen, daß bei kleineren Perioden des Vernier-Streifenmu­ sters in abbildenden Systemen der Abstand zwischen der letzten durchlau­ fenen Teilung und der Detektorebene äußerst klein sein sollte. Grund hierfür sind die höheren Beugungsordnungen, die zu einem Streifenbild mit lediglich geringem Kontrast führen. Ein derartiger geringer Abstand wiederum ist in der Praxis jedoch nur schwer realisierbar; so könnten dabei etwa Bond­ drähte der jeweiligen Detektorelemente, die über die Detektorelemente hin­ ausragen, beschädigt werden etc.

Im Fall interferentieller Systeme ist oft eine räumliche Trennung der austre­ tenden Beugungsordnungen durch Linsen erforderlich. Bei derartigen Positi­ onsmeßeinrichtungen treten jedoch auch im Fall unterschiedlicher Teilungs­ perioden der eingesetzten Teilungen in den Brennebenen der Linsen keine Vernierstreifen auf.

Eine optische Positionsmeßeinrichtung, die diesen Anforderungen genügt ist Gegenstand des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positionsmeßein­ richtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Patentan­ sprüchen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, insbesondere auf Seiten der Detek­ toranordnung, gewährleisten nunmehr eine hochauflösende, verschmut­ zungsunempfindliche bzw. störunempfindliche Erzeugung der verschie­ bungsabhängigen Abtastsignale. Dies ist aufgrund der entsprechend ausge­ bildeten Detektoranordnung sichergestellt, da sich eventuelle Verschmut­ zungen auf der Meßteilung auf die verschiedenen, phasenverschobenen Signalanteile weitgehend gleichmäßig auswirken.

Desweiteren resultiert in Kenntnis der optimalen Lage der Detektorebene eine gewisse Flexibilität im Hinblick auf verschiedenste konstruktive Gege­ benheiten. So ist es beispielsweise nicht mehr unbedingt erforderlich, die Detektoranordnung unmittelbar nach der letzten jeweils durchlaufenen Tei­ lung anzuordnen; es wurde erfindungsgemäß vielmehr erkannt, daß es weitere Möglichkeiten zur Anordnung der Detektorelemente gibt, die eben­ falls hinreichend gut modulierte Abtastsignale liefern. Dadurch resultiert letztlich die Möglichkeit eine sehr kompakt bauende Abtasteinheit bei gleich­ zeitig hohem Signalkontrast bzw. Modulationsgrad zu realisieren.

Ebenso kann nunmehr in Kenntnis der optimalen Lage der Detektorebene auch eine interferentielle Positionsmeßeinrichtung angegeben werden, die abtastseitig ein Vernier-Streifenmuster liefert. Als Vorteil der erfindungsge­ mäßen interferentiellen Positionsmeßeinrichtungen, in denen keine Tren­ nung der verschiedenen Beugungsordnungen erfolgt, ist weiterhin aufzufüh­ ren, daß sämtliche Signalanteile gleich beeinflußt werden, wenn sich über die Länge der Meßteilung die Beugungseigenschaften ändern sollten.

Zudem können auf diese Art und Weise in interferentiellen Systemen Si­ gnale mit jeweils 90° Phasenversatz erzeugt werden, die in Standard-Aus­ werteelektroniken weiterverarbeitet werden können. Durch die sehr präzise Erzeugung von Gegentakt-Signalen läßt sich desweiteren auch die zweite Harmonische eliminieren, die ansonsten Fehler bei der nachfolgenden Si­ gnalinterpolation bewirkt.

Selbstverständlich lassen sich die erfindungsgemäßen Überlegungen so­ wohl bei rotatorischen als auch bei linearen Positionsmeßeinrichtungen an­ wenden. Ebenso ist es möglich Positionsmeßeinrichtungen erfindungsge­ mäß auszubilden, die im Auflicht oder aber im Durchlicht arbeiten.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen optischen Posi­ tionsmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines ersten Aus­ führungsbeispieles der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung, ausgebildet als abbil­ dende Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 2 eine Darstellung der Detektorebene des Aus­ führungsbeispieles der erfindungsgemäßen op­ tischen Positionsmeßeinrichtung aus Fig. 1 in Verbindung mit dem abgetasteten Vernier- Streifenmuster;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Zusammenhänge mit der optimalen Posi­ tionierung der Detektorebene bei abbildenden Positionsmeßeinrichtungen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung, ausgebildet als in­ terferentielle Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung, ausgebildet als in­ terferentielle Positionsmeßeinrichtung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Verhältnisse im Fall einer nicht-kollimierten Beleuchtung.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positi­ onsmeßeinrichtung sei nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Gezeigt ist hierbei in Fig. 1 eine abbildende optische Positionsmeßeinrich­ tung in einer schematisierten seitlichen Ansicht. Die optische Positions­ meßeinrichtung besteht im wesentlichen aus einer Abtasteinheit 1 und ei­ nem Maßstab 2 mit einer Meßteilung 2.2 und einem Meßteilungsträger 2.1. Abtasteinheit 1 und Maßstab 2 sind mit zwei zueinander beweglichen Ob­ jekten verbunden, deren Relativposition zueinander bestimmt werden soll. Dabei kann es sich z. B. um Werkzeug und Werkstück in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine handeln. Im dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind die Abtasteinheit 1 und der Maßstab 2 in Meßrichtung x zueinan­ der verschiebbar, wobei x senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist. Die abgetastete Meßteilung 2.2 besteht aus einer bekannten Auflicht-Inkre­ mentalteilung auf einem Meßteilungträger 2.1 mit alternierend in Meßrich­ tung x angeordneten, reflektierenden und nicht-reflektierenden Teilberei­ chen, deren Längsachse in y-Richtung orientiert ist. Als Teilungsperiode TP_M der Meßteilung 2.2 sei die Breite eines reflektierenden Teilbereiches zuzüg­ lich der Breite eines nicht-reflektierenden Teilbereiches in Meßrichtung x verstanden. Die abgetastete Meßteilung 2.2 ist in diesem Ausführungsbei­ spiel demzufolge als reines Amplitudengitter ausgebildet; die Teilungsperi­ ode TP_M ist als TP_M = 20.00 µm gewählt, das Teilbereichs-Teilungsperioden- Verhältnis τ, d. h. das Verhältnis aus der Breite eines reflektierenden Teilbe­ reichs zur Teilungsperiode in Meßrichtung x, beträgt τ = 0.5.

Die relativ zur Meßteilung 2.2 verschiebbare Abtasteinheit 1 umfaßt im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle 1.1, eine Kollimatoroptik 1.2, eine transparente Abtastplatte 1.3 mit einer Abtastteilung 1.4 mit der Abtast- Teilungsperiode TPA sowie eine Detektoranordnung 1.5. Die optische Achse der Lichtquelle 1.1 ist gegen die Normale auf die Abtastplatte 1.3 um einen Winkel ε = 30° in der Zeichenebene verkippt angeordnet. Die Abtastteilung 1.4 dieser Ausführungsform ist als Phasengitter ausgebildet und besitzt eine Teilungsperiode TP_A = 18.52 µm (somit TP_M ≠ TP_A), das Verhältnis τ aus Steg/Teilungsperiode ist als τ = 0.5 gewählt, der Phasenhub ϕ beträgt ϕ = π/2. Bereits an dieser Stelle werden der Vollständigkeit halber die nachfol­ gend noch detailliert zu erläuternden Größen η und β für dieses Ausfüh­ rungsbeispiel angegeben, die den Fall eines abbildenden Systems bei kolli­ mierter Beleuchtung beschreiben: η = 0, β = 1.

Die von der Lichtquelle 1.1 emittierten Strahlenbündel durchtreten nach der Kollimation durch die Kollimatoroptik 1.2 zunächst die transparente Ab­ tastplatte 1.3, durchlaufen die Phasengitter-Abtastteilung 1.4 und treffen dann auf die reflektierend ausgebildete Meßteilung 2.2 auf. Von dort werden die Strahlenbündel in Richtung der Abtastplatte 1.3 zurückreflektiert und durchlaufen die Abtastplatte 1.3 in einem optisch-unwirksamen, transparen­ ten Fenster-Bereich benachbart zur eigentlichen Abtastteilung 1.4, bevor sie auf die Detektoranordnung 1.5 in der Detektorebene gelangen. Dort erfolgt die Erfassung des periodischen Streifenmusters bzw. der verschiebungsab­ hängig modulierten Abtastsignale und ggf. bereits eine Vorverarbeitung die­ ser Signale, ehe diese an eine nachgeordnete - nicht dargestellte - Aus­ werteeinheit übertragen werden.

Wesentliche erfindungsgemäße Maßnahmen seien nunmehr anhand der Darstellung in Fig. 2 erläutert. Diese zeigt in schematischer Form einen Teil der Detektoranordnung 1.5 der optischen Positionsmeßeinrichtung in der Detektorebene sowie die Intensitätsverteilung eines damit abgetasteten Vernier-Streifenmusters.

Die Detektoranordnung 1.5 besteht aus mehreren strahlungsempfindlichen Detektorelementen D1-D20, die in Meßrichtung x benachbart zueinander angeordnet werden. Die einzelnen Detektorelemente D1-D20 besitzen al­ lesamt die gleiche Geometrie in Form eines schmalen Rechteckes, dessen Längsachse in der Detektorebene in y-Richtung, d. h. senkrecht zur Meß­ richtung x orientiert ist. Über die vorgesehene Länge L_DET der Detektor­ anordnung 1.5 sind in Meßrichtung x insgesamt 20 einzelne Detektorele­ mente D1-D20 angeordnet, die in in fünf Gruppen blockweise zusammen­ gefaßt sind. Jeder Block B1-B5 besitzt in der dargestellten Ausführungs­ form mit kollimierter Beleuchtung hierbei in Meßrichtung x die Länge Λ_Vernier, die der Periode des erzeugten Vernier-Streifenmusters in der Detektorebene entspricht, d. h. L_DET = k.Λ_Vernier, wobei im gezeigten Beispiel k = 5 gilt. Die Größe Λ_Vernier sei deshalb nachfolgend als Vernier-Periode bezeichnet.

Allgemein sind N Detektorelemente jeweils innerhalb des Abstandes β. Λ_Vernier angeordnet, wobei über den später noch näher zu erläuternden Kor­ rekturfaktor β eine eventuelle nicht-kollimierte Beleuchtung berücksichtigt werden kann. Im obigen Fall mit kollimierter Beleuchtung gilt demzufolge β = 1, während der Faü der nicht-kollimierten Beleuchtung durch β ≠ 1 be­ schrieben wird; die exakte Herleitung des Korrekturfaktors β folgt im Verlauf der Beschreibung.

Der Abstand benachbarter Detektorelemente D1-D20 wird nachfolgend als d_DET bezeichnet und beträgt im allgemeinen Fall d_DET = (n + Δϕ/360°). Λ_Vernier. Hierbei ist n = 0, 1, 2, 3. . ., während Δϕ die Phasenverschiebung der erfaßten Signale benachbarter Detektorelemente angibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist d_DET = ¼.Λ_Vernier, d. h. n = 0 und Δϕ = 90°.

Die erwähnte Vernier-Periode Λ_Vernier ergibt sich dabei im Fall einer kolli­ mierten Beleuchtung einer optischen Positionsmeßeinrichtung mit mehreren Meß- und/oder Abtast-Teilungen - nachfolgend lediglich Teilungen genannt - und entsprechend vorgegebenen Teilungsperioden TP_i der verschiedenen Teilungen in allgemeiner Form gemäß folgender Gleichung (1):

mit
n_i: auftretende Beugungsordnungen eines ersten Teilstrahlenbündels an einer Teilung,
n_i': auftretende Beugungsordnungen eines zweiten Teilstrahlenbündels an einer Teilung,
TP_i: Teilungsperiode der jeweiligen Teilung,
M: Zahl der durchlaufenen Teilungen.

Hierbei wird vorausgesetzt, daß abgesehen von der auch in Fig. 1 darge­ stellten Kollimatoroptik 1.2 keine weiteren optischen Elemente im Strahlen­ gang angeordnet sind, die ggf. die Kollimation der Strahlenbündel beein­ flußen könnten.

Im Beispiel der Fig. 1 mit den Meß- und Abtastteilungen 2.2, 1.4 ergibt sich die Vernier-Periode Λ_Vernier aus den vorgegebenen Teilungsperioden TP_M und TP_A der Abtast- und Meßteilungen und M = 2 gemäß Gleichung (1) zu:

Λ_Vernier = 1/((1/TP_A) - (1/TP_M))

Aus dieser Beziehung geht hervor, daß die Vernier-Periode Λ_Vernier des re­ sultierenden Vernier-Streifenmusters umso kleiner ist, je stärker sich die Teilungsperioden TP_A und TP_M der Abtast- und Meßteilung unterscheiden.

Anschaulich läßt sich die oben analytisch für den Fall der kollimierten Be­ leuchtung angegebene Vernier-Periode Λ_Vernier so definieren, daß darunter grundsätzlich die Periode des resultierenden (Teil-)Streifenmusters in der Ebene der letzten durchlaufenen Teilung verstanden sei.

Pro Block B1-B5 sind innerhalb der Detektoranordnung 1.5 im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils vier einzelne Detektorelemente im oben er­ wähnten Abstand d_DET vorgesehen. Benachbarte Detektorelemente liefern bei der Abtastung des Vernier-Streifenmusters jeweils um 90° phasenver­ setzte Teil-Abtastsignale.

Im allgemeinen Fall von k Detektorelementen pro Block B1-B5 resultieren demzufolge aus benachbarten Detektorelementen um 360°/k phasenver­ setzte Teil-Abtastsignale.

Wie ebenfalls aus der Darstellung in Fig. 2 erkennbar ist, sind diejenigen Detektorelemente D1-D20 der verschiedenen Blöcke B1-B5 miteinander verschaltet bzw. ausgangsseitig leitend verbunden, die phasengleiche Aus­ gangssignale bzw. Teil-Abtastsignale liefern. Die letztlich derart resultieren­ den Abtastsignale A₀, A₉₀, A₁₈₀ und A₂₇₀ werden auswerteseitig in bekannter Art und Weise weiterverarbeitet. An den beiden Längsseiten der Detektor­ anordnung 1.5 sind hierzu Kontaktierungsbereiche vorgesehen, über die die erzeugten Abtastsignale A₀, A₉₀, A₁₈₀ und A₂₇₀ abgegriffen werden können.

In einem typischen Ausführungsbeispiel einer derartigen Detektoranordnung ist eine Vernierperiode von 250 µm vorgegeben, die abgetastet werden soll. Hierzu werden insgesamt zehn Blöcke mit jeweils vier Detektorelementen eingesetzt, d. h. die Länge L_DET innerhalb der Detektoranordnung in Meß­ richtung x beträgt L_DET = 10.250 µm = 2.5 mm. Die Breite eines Detektor­ elementes in x-Richtung wird mit 47.5 µm, die Länge in y-Richtung mit 1.8 mm gewählt. Der Abstand d_DET zwischen den Mitten benachbarter De­ tektorelemente in x-Richtung beträgt 62.5 µm.

Der Phasenabstand Δϕ zwischen den Ausgangssignalen benachbarter De­ tektorelemente beträgt allgemein

Δϕ = (m₁ + m₂/k).360[°].

Für die verschiedenen Größen gilt dabei
m₁ = 0, 1, 2, 3, . . .
m₂ = 1, 2, 3, . . . (k-1).

Während im gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt vier phasenverscho­ bene Abtastsignale A₀-A₂₇₀ detektiert und weiterverarbeitet werden, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich möglich, die An­ zahl und/oder die Breite der Detektorelemente bzw. deren Abstände zuein­ ander pro Block zu variieren, so daß dann beispielsweise drei um 120° pha­ senverschobene Abtastsignale resultieren, die weiterverarbeitet werden können usw.. Ebenso bestehen selbstverständlich Variationsmöglichkeiten im Hinblick auf die Anzahl der Blöcke mit Detektorelementen, die in der De­ tektoranordnung eingesetzt werden. Auf diese Art und Weise läßt sich dem­ zufolge sowohl einstellen, wieviele phasenverschobene Abtastsignale er­ zeugt werden als auch die entsprechenden Phasenbeziehungen zwischen den Abtastsignalen.

Durch die Vielzahl verbundener Detektorelemente einer Phasenlage, die wiederum verschachtelt mit den Detektorelementen der anderen Phasenla­ gen angeordnet sind, läßt sich eine sog. "Einfeldabtastung" auch bei der Abtastung von Vernier-Streifenmustern realisieren. Bei derartigen "Einfeld­ abtastungen" werden alle phasenverschobenen Siganalanteile der Abtastsi­ gnale aus dem selben abgetasteten Bereich der Meßteilung gewonnen. Eine lokale Verschmutzung der Meßteilung wirkt sich damit auf alle Signalanteile im wesentlichen gleich aus; es ergeben sich deshalb keine Interpolations­ fehler an der verschmutzten Stelle, d. h. es resultiert ein wesentlich genaue­ res Meßsystem. Ein ähnlicher Vorteil ist auch hinsichtlich eventueller Tei­ lungsfehler aufzuführen.

Die Qualität der jeweiligen "Einfeldabtastung" hängt von der erzeugten Ver­ nierperiode ab. Je kleiner die Vernier-Periode ist, desto gleichmäßiger ver­ teilen sich die erwähnten Fehler aufgrund von Teilungsungenauigkeiten bzw. Verschmutzungen auf alle phasenverschobenen Signalanteile. Bei der Di­ mensionierung einer derartigen Positonsmeßeinrichtung wird deshalb vor­ zugsweise angestrebt, möglichst kleine Vernier-Perioden mittels entspre­ chender Detektoranordnungen abzutasten.

Wie bereits oben angedeutet ist neben der konkreten Ausgestaltung der Detektoranordnung desweiteren von Bedeutung, daß die Detektoranord­ nung, wie sie etwa in Fig. 2 gezeigt ist, räumlich in Bezug auf die anderen Komponenten der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung derart an­ geordnet wird, daß ein hinreichender Modulationsgrad der detektierten Ab­ tastsignale bzw. ein hinreichender Kontrast des Vernier-Streifenmusters re­ sultiert. Insbesondere relevant ist hierbei die Entfernung Z der Detektor­ ebene von der jeweils zuletzt durchlaufenen bzw. zuletzt wirksamen Teilung der Positionsmeßeinrichtung. Je nach Ausbildung der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung kann es sich bei der letzten durchlaufe­ nen bzw. zuletzt wirksamen Teilung um eine Abtastteilung oder aber um die Meßteilung handeln. Der Abstand Z von dieser letzten durchlaufenen Tei­ lung sei nachfolgend als Normalen-Abstand zwischen der Ebene mit der letzten durchlaufenen bzw. zuletzt wirksamen Teilung und der Detektor­ ebene verstanden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nunmehr erkannt, daß grund­ sätzlich eine Abnahme des Kontrastes des erzeugten Vernier-Streifenmu­ sters mit zunehmender Entfernung Z von der letzten durchlaufenen Teilung vorliegt. Die Kontrastabnahme ist hierbei umso ausgeprägter, je kleiner die Teilungsperioden der verwendeten Abtast- und Meßteilungen und je kleiner die Vernier-Perioden des Vernier-Streifenmusters sind. Insbesondere bei hochauflösenden derartigen Positionsmeßeinrichtungen mit kleinen Vernier- Perioden ergibt sich somit das Problem der geeigneten Anordnung der De­ tektorebene, um einen hinreichenden Kontrast des Vernier-Streifenmusters und damit eine gute Modulation der Abtastsignale zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wurde jedoch darüberhinaus erkannt, daß der Kontrast in definierten Abständen Z_n von der letzten durchlaufenen Teilung aus wieder ansteigt, d. h. es liegen auch mit zunehmender Entfernung Z Detektorebenen vor, in denen ein relativ großer Kontrast des erzeugten Vernier-Streifenmu­ sters resultiert. Diese Detektorebenen seien in Anlehnung an den bekannten Talbot-Effekt nachfolgend als Vernier-Talbot-Ebenen bezeichnet. Die Ver­ nier-Talbot-Ebenen befinden sich im allgemeinen Fall mit kollimierter Be­ leuchtung in den Abständen Z_n von der letzten durchlaufenen Teilung aus, wobei für Z_n gilt:

Z_n = n.d_VT (Gl. 2)

Für n gilt hierbei n = 1, 2, 3 . . .

Die Größe d_VT sei nachfolgend als Vernier-Talbot-Abstand bezeichnet und ergibt sich gemäß folgender Gleichung (3):

d_VT = (Λ_Vernier. TP_eff)/λ (Gl. 3)

Hierbei ist
d_VT: Abstand benachbarter Vernier-Talbot-Ebenen mit hinreichendem Kontrast des Vernierstreifenmusters,
Λ_Vernier: Vernier-Periode des abgetasteten Vernier-Streifenmusters gemäß Gl. (1); allgemein die Periode des Streifenmusters am Ort der letz­ ten durchlaufenen Teilung
TP_eff: effektive Teilungsperiode der Abbtastanordnung, die die Richtungen der an der letzten durchlaufenen Teilung austretenden Beugungs­ ordnungen, die eine hinreichende Intensität aufweisen, richtig be­ schreibt; bei abbildenden Systemen entspricht TPen in der Regel der Teilungsperiode der letzten Teilung, in interferentiellen Dreigitter- Systemen mitunter der Hälfte oder einem Drittel der letzten Tei­ lungsperiode der letzten Teilung
λ: Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist TP_eff = TP_M, d. h. der Vernier-Talbot- Ebenen-Abstand d_VT ergibt sich mit Gl. (3) als d_VT = (Λ_Vernier.TP_M)/λ.

Der ausgeschlossene Fall n = 0 in Gl. (2) würde demzufolge bedeuten, daß unmittelbar hinter der letzten durchlaufenen Teilung eine derartige, geeig­ nete Detektorebene liegt, in der dann eine Detektoranordnung gemäß Fig. 2 positioniert werden könnte. Ist dies aus bestimmten konstruktiven Gründen nicht möglich, so wird die Detektoranordnung in dieser Ausführungsform erfindungsgemäß im Abstand Z₁ = 1.(TP_M.Λ_Vernier)/λ hinter der letzten Teilung angeordnet, also n = 1 gewählt etc.

Eine schematische, nicht-maßstabsgerechte Darstellung dieser Zusammen­ hänge ist in Fig. 3 gezeigt, die neben der Meßteilung M und der Abtasttei­ lung A desweiteren die verschiedenen geometrischen Größen TP_M, TP_A, Avernier, Z_n und d_VT zeigt, wie sie in den Gleichungen (2) und (3) verwendet werden. Desweiteren ist in der Darstellung der Fig. 3 angedeutet, weshalb sich in periodischen Abständen d_VT geeignete Detektorebenen mit hinrei­ chendem Kontrast ergeben. So treten aufgrund des Vernier-Effektes unmit­ telbar nach der letzten durchlaufenen Teilung Vernier-Streifen auf. Dis sich ausbreitenden Lichtbündel besitzen jedoch keine einheitliche Ausbreitungs­ richtung. Es existieren vielmehr verschiedene Beugungsordnungen, je nach den gewählten Teilungsparametern. So treten an der letzten durchlaufenen Teilung vor der Detektoranordnung - in diesem Fall der Meßteilung M - nicht nur Strahlenbündel in 0. Beugungsordnung aus, sondern es resultieren auch ±1. und höhere Beugungsordnungen, die sich in Richtung der nach­ geordneten Detektoranordnung ausbreiten. Die Feinaufspaltung der einzel­ nen Beugungsordnungen aufgrund des Vernier-Effektes, durch deren Inter­ ferenz die einzelnen Teil-Vernierstreifen überhaupt erst entstehen, wird hier vernachlässigt.

Betrachtet man nun eine solche Beugungsordnung isoliert, so tritt das selbe Vernier-Streifenmuster auf wie bei der Betrachtung des gesamten Lichtbün­ dels mit allen überlagerten Beugungsordnungen. Jede Beugungsordnung weist also ein Teil-Vernierstreifenmuster in Teilungsrichtung x auf. Während in der Ebene der letzten durchlaufenen Teilung M noch eine phasenrichtige Überlagerung der verschiedenen Teil-Vernierstreifenmuster vorliegt, so än­ dern sich die Phasenbeziehungen aufgrund der unterschiedlichen Ausbrei­ tungsrichtungen anschließend. In den erwähnten Abständen Z_n von der letzten Teilung A aus liegen jedoch wieder kontrastreiche Vernier-Streifen­ muster vor, da sich die Teil-Vernierstreifenmuster unterschiedlicher Beu­ gungsordnungen wieder phasenrichtig überlagern.

Insbesondere wichtig sind in der Praxis hierbei die Detektorebenen mit den Abständen Z₁ und Z₂ von der letzten Teilung M aus, da bei noch größeren Werten für n sich ggf. die nicht optimal kollimierte Beleuchtung zusätzlich negativ bemerkbar macht, d. h. den Kontrast verringert.

Der beschriebene Effekt ähnelt somit sehr der bekannten Selbstabbildung von Gittern, die als Talbot-Effekt bekannt ist. Die oben beschriebene Selbstabbildung von Vernierstreifen-Systemen wird deshalb als Vernier-Tal­ bot-Effekt bezeichnet; die Größe d_VT als Vernier-Talbot-Abstand.

Nachfolgend seien konkrete Zahlenangaben für die Parameter eines weite­ ren, zweiten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen optischen Posi­ tionsmeßeinrichtung aufgeführt, welches ebenfalls wiederum als abbilden­ des System ausgelegt ist und einen grundsätzlichen Aufbau analog zum Beispiel in Fig. 1 aufweist.

Ein abbildendes System sei hierbei derart definiert, daß dabei ohne Vernier- Effekt keine Trennung der austretenden Beugungsordnungen erforderlich ist, da alle nennenswerten Intensitätsmodulationen der einzelnen Beu­ gungsordnungen etwa gleichphasig sind und sich damit nicht gegenseitig auslöschen. In der Regel sind die letzten durchlaufenen Teilungen derartiger abbildender Systeme als Amplitudengitter ausgebildet.

In dieser weiteren, zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinichtung wird eine LED oder ein Halbleiterlaser als Licht­ quelle eingesetzt, welche eine Wellenlänge λ = 860 nm liefert. Die optische Achse der Lichtquelle ist um den Winkel ε = 30° in Richtung der Teilungsbe­ reich-Längsachse gegen die Normale auf die Abtastplatte verkippt angeord­ net. Die von der Lichtquelle emittierten Strahlenbündel gelangen zunächst auf eine Abtastteilung auf der transparenten Abtastplatte, die als Phasen­ gitter ausgebildet ist und alternierend angeordnete Teilungsbereiche in Form von Stegen und Lücken aufweist. Das Phasengitter der Abtastteilung hat eine Abtast-Teilungsperiode TP_A = 37.04 µm, einen Phasenhub ϕ = π sowie ein Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ = 0.5, d. h. ein Steg weist in Meß­ richtung x die Breite einer Lücke auf. Nach der Aufspaltung der auf das Pha­ sengitter auftreffenden Strahlenbündel in die verschiedenen Beugungsord­ nungen gelangen die gebeugten Strahlenbündel auf die Reflexions-Meßtei­ lung. Diese ist als Amplitudengitter mit alternierend angeordneten, reflektie­ renden Strichen und nicht-reflektierenden Lücken ausgebildet und besitzt eine Teilungsperiode TP_M = 20 µm ≠ TP_A/2 sowie ein Strich-Teilungsperi­ oden-Verhältnis τ = 0.5. Von dort wiederum werden die Strahlenbündel in Richtung der Abtastplatte zurückreflektiert, wo sie durch ein transparentes Fenster derselben treten und dann schließlich auf die Detektoranordnung auftreffen. Dort wird letztlich das resultierende Vernier-Streifenmuster detek­ tiert, das bei der angegebenen Variante gemäß Gl. (1) eine Vernier-Periode Λ_Vernier = 1/((2/TP_A)-(1/TP_M)) aufweist. Die Detektoranordnung ist hierbei im Abstand Z₁ = (Λ_Vernier.TP_M)/λ von der letzten durchlaufenen Teilung aus angeordnet und kann analog zum Beispiel in Fig. 2 ausgebildet werden, so daß die letztlich gewünschte Anzahl phasenverschobener Abtastsignale ausgangsseitig resultiert. In der Regel wird die Detektoranordnung hierbei so dimensioniert, daß entweder drei um 120° phasenverschobene Abtastsi­ gnale oder aber vier um 90° phasenverschobene Abtastsignale resultieren. Die Signalperiode der detektierten Abtastsignale entspricht in diesem Aus­ führungsbeispiel im übrigen der Meßteilungsperiode TP_M. Wie im ersten Ausführungsbeispiel werden der Vollständigkeit halber bereits an dieser Stellle die nachfolgend noch zu erläuternden beiden Größen η und β ange­ geben: η = 0, β = 1.

Während bislang die Zusammenhänge für abbildende Positionsmeßeinrich­ tungen erläutert wurden, soll durch die nachfolgende Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele in Form interferentieller Positionsmeßeinrichtungen deutlich gemacht werden, daß sich die erfindungsgemäßen Überlegungen auch bei derartigen Systemen anwenden lassen.

Fig. 4 zeigt hierbei in einer schematisierten Seitenansicht ein drittes Aus­ führungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrich­ tung, nunmehr ausgebildet als interferentielle Positionsmeßeinrichtung. Die Positionsmeßeinrichtung umfaßt wiederum eine Abtasteinheit 11, die in Meßrichtung x gegenüber einem Maßstab 12 verschiebbar angeordnet ist, wobei letzterer aus einem Meßteilungsträger 12.1 sowie einer darauf ange­ ordneten Meßteilung 12.2 besteht. Die Meßrichtung x sei in dieser Darstel­ lung senkrecht zur Zeichenebene orientiert.

Zur Abtasteinheit 11 gehört eine Lichtquelle 11.1, ausgebildet als LED oder als geeigneter Halbleiterlaser, deren optische Achse in Strichrichtung um einen Winkel s gegenüber der Normalen auf die Oberseite der transparenten Abtastplatte 11.3 verkippt angeordnet ist. Der Lichtquelle 11.1 ist eine Kolli­ matoroptik 11.2 nachgeordnet, die die von der Lichtquelle 11.1 emittierten Strahlenbündel durchlaufen, bevor diese auf einen ersten Teilbereich der Abtastteilung 11.4a treffen, die in diesem Beispiel auf der Oberseite der Ab­ tastplatte 11.3 angeordnet ist. Die Abtastteilung 11.4a ist wie in den vorher­ gehenden Ausführungsbeispielen als Phasengitter ausgebildet und weist eine Abtast-Teilungsperiode TP_A = 15.75 µm, einen Phasenhub ϕ = π sowie ein Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ = 0.5 auf. In Bezug auf die Definition der verschiedenen Gitterparameter sei auf die obigen Ausführungsbeispiele verwiesen. An der Abtastteilung 11.4a erfolgt hierbei die Aufspaltung der auftreffenden Strahlenbündel in verschiedene Beugungsordnungen, an­ schließend treffen die gebeugten Strahlenbündel auf die Reflexions-Meßtei­ lung 12.2 auf. Diese ist nunmehr ebenfalls als Phasengitter ausgebildet mit der Teilungsperiode TP_M = 8 µm ≠ 0.5.TP_A, dem Phasenhub ϕ = π und dem Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ = 0.5. Nach erfolgter Reflexion in Richtung der wiederum gebeugten Strahlenbündel in Richtung der Ab­ tastplatte 11.3, treffen diese auf einen zweiten Teilbereich der Abtastteilung 11.4b, nach dem eine Vereinigung der verschiedenen aufgespaltenen Strahlenbündel erfolgt. Nach dem Durchtreten der Abtastteilung 11.4b, die in diesem Fall die letzte durchlaufene Teilung darstellt, resultiert wiederum ein Vernier-Streifenmuster, das eine Vernier-Periode Λ_Vernier = 1/((4/TP_A)-­ (2/TP_M)) aufweist. Die Vernier-Periode Λ_Vernier ergibt sich wiederum aus der oben bereits erwähnten Gleichung (1). Wie in den vorhergehenden beiden Ausführungsbeispielen werden bereits an dieser Stellle die nachfolgend noch zu erläuternden beiden Größen η und β angegeben: η = 0.5, β = 1.

Erneut kommt es auch in diesem Beispiel nur in bestimmten Entfernungen Z_n von der letzten Teilung aus zur phasenrichtigen Überlagerung der ver­ schiedenen, sich in verschiedene Beugungsrichtungen ausbreitenden Teil- Vernierstreifenmuster. Nur in diesen Entfernungen liegt ein resultierendes Vernier-Streifenmuster mit hinreichendem Kontrast vor und kann mit Hilfe der Detektoranordnung 11.5 erfaßt werden. Die Detektoranordnung 11.5 weist wie angedeutet einen grundsätzlichen Aufbau auf, der dem Aufbau im Beispiel der Fig. 2 entspricht. Für die Entfernungen bzw. Abstände Z_n opti­ maler Detektorebenen von der letzten durchlaufenen Teilung muß berück­ sichtigt werden, daß die Teil-Vernierstreifen bereits in der Ebene der letzten durchlaufenen Teilung zueinander phasenverschoben sind. Diese Phasen­ verschiebung muß durch entsprechend geänderte Abstände Z_n kompensiert werden. Es gilt nunmehr die folgende Gleichung (4):

Z_n = (n + η).d_VT Gl. (4)

Hierbei ist
n = 0, 1, 2, 3 . . .,
d_VT: Abstand benachbarter Detektorebenen bzw. Vernier-Talbot-Ebenen mit hinreichendem Kontrast des Vernierstreifenmusters; bestimmt sich gemäß Gl. (3),
η: Phasenverschiebung der an der letzten durchlaufenen Teilung in unterschiedliche Richtungen autretenden Teil-Vernierstreifenmuster in Bruchteilen von 360°; diese Phasenverschiebung entspricht der Phasenverschiebung der austretenden Beugungsordnungen zuein­ ander an jedem Ort in der Ebene der letzten durchlaufenen Teilung. Im Fall des obigen Ausführungsbeispieles der Fig. 4 liegt eine Pha­ senverschiebung von 180° vor, d. h. η ergibt sich dann als η = 0.5; allgemein gilt 0 ≦ η < 1.

Für die Größe d_VT, d. h. den Vernier-Talbot-Abstand gilt in diesem Beispiel d_VT = (Λ_Vernier.TP_M)/λ. Unmittelbar hinter der letzten durchlaufenen Teilung ist daher gemäß der Gleichung (4) keine oder lediglich eine geringe Modula­ tion der Abtastsignale bzw. nur ein geringer Kontrast des Vernier-Streifen­ musters zu erwarten. Die erste mögliche Detektorebene ergibt sich für 0 ≦ η < 1 mit n = 0 somit im Abstand Z₀.

Allgemein wird somit erfindungsgemäß bei abbildenden Systemen η = 0 und n < 0 gewählt, bei interferentiellen Systemen hingegen η ≠ 0 und n = 0, 1, 2, 3, . . .

Wenn im Gegensatz zum dargestellten Ausführungsbeispiel die Abtasttei­ lung 11.4a, 11.4b nicht auf der zur Lichtquelle orientierten Oberseite der Abtastplatte 11.3 angeordnet wird, sondern die Abtastteilung 11.4b auf der zur Meßteilung 12.2 orientierten Unterseite der Abtastplatte 11.3 angeord­ net wird, so könnte durch eine geeignete Wahl der Dicke der Abtastplatte 11.3 die Detektoranordnung 11.5 unmittelbar auf der Oberseite der Ab­ tastplatte 11.3 angebracht werden, was dann dem Fall n = 0 entsprechen würde. In einer derartigen Ausführungsform wäre dann auch die Kontaktie­ rung der Detektoranordnung 11.5 über die Abtastplatte 11.3 möglich. Dies könnte dann z. B. in bekannter Chip-On-Glass-Technik und/oder in Flip-Chip- Technik erfolgen.

Die Signalperiode SP der detektierten Abtastsignale entspricht in diesem Ausführungsbeispiel im übrigen der halben Meßteilungsperiode TP_M, d. h. SP = TP_M/2 = 4 µm.

Nachfolgend sei eine abgewandelte Form des Ausführungsbeispieles der Fig. 4 angegeben, d. h. das nunmehr vierte Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung, das wiederum als interferentielles System ausgebildet ist. Das Abtastgitter 11.4a, 11.4b ist erneut als Phasengitter ausgebildet und weist eine Teilungsperiode TP_A = 8 µm, einen Phasenhub ϕ = (2/3)π sowie ein Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ ≈ 0.34 auf. Die Meßteilung 12.2 be­ sitzt eine Teilungsperiode TP_M = 7.874 µm ≠ TP_A, einen Phasenhub ϕ = π und ein Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ = 0.5. Die Vernier-Periode Λ_Vernier ergibt sich aus Gl. (1) hierbei Λ_Vernier = 1/((2/TP_A)-(2/TP_M)). Für die Größe η gilt in diesem Fall η = 1/3. Für die nachfolgend noch zu erläuternde Größe β gilt wiederum β = 1.

Eine weitere Ausführungsform einer interferentiellen, erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung und damit das insgesamt fünfte Ausfüh­ rungsbeispiel im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 darge­ stellt.

Die dargestellte Positionsmeßeinrichtung umfaßt wiederum eine Abtastein­ heit 21, die in Meßrichtung x gegenüber einer Meßteilung 22.2 verschiebbar angeordnet ist, wobei die Meßrichtung x erneut senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Meß­ teilung 22.2 als flexibles Maßband ausgebildet.

Auf Seiten der Abtasteinheit 21 ist eine Lichtquelle 21.1 vorgesehen, ausge­ bildet als LED oder als geeigneter Halbleiterlaser, deren optische Achse in Strichrichtung um einen Winkel ε gegenüber der Oberseite der transparen­ ten Abtastplatte 21.3 verkippt angeordnet ist. Der Lichtquelle 21.1 ist eine Kollimatoroptik 21.2 nachgeordnet, die die von der Lichtquelle 21.1 emittier­ ten Strahlenbündel durchtreten, bevor diese die Abtastplatte 21.3 in einem transparenten, optisch nicht-wirksamen Bereich durchlaufen. Nach dem Durchtritt durch die Abtastplatte 21.3 gelangen die Strahlenbündel das erste Mal auf die als Reflexions-Phasengitter ausgebildete Meßteilung 22.2. Diese besitzt eine Meßteilungsperiode TP_M = 16 µm, den Phasenhub ϕ = π und das Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ = 0.5. Von der Meßteilung 22.2 aus werden die Strahlenbündel in Richtung der Abtastplatte 21.3 auf eine dort angeordnete Abtastteilung 21.4 zurückreflektiert, welche innenliegend an der Oberseite der Abtastplatte 21.3 angeordnet ist. Die vorgesehene Abtasttei­ lung 21.4 ist als reflektierendes Phasengitter mit der Abtast-Teilungsperiode TP_A = 7.874 µm ≠ 0.5.TP_M, einem Phasenhub ϕ = π sowie einem Steg-Tei­ lungsperioden-Verhältnis τ = 0.5 ausgebildet. In Bezug auf die Definition der verschiedenen Gitterparameter sei erneut auf die obigen Ausführungsbei­ spiele verwiesen. Von der Abtastteilung 21.4 erfolgt eine Rückreflexion der gebeugten Strahlenbündel in die Richtung der Meßteilung 22.2, von wo wie­ derum eine zweite Reflexion in Richtung der Abtastplatte 21.3 erfolgt. Die Abtastplatte 21.3 wird von den von der Meßteilung 22.2 kommenden Strah­ lenbündeln in einem transparenten Bereich durchlaufen, ehe das nach der letzten passierten Teilung 22.2 resultierende Vernier-Streifenmuster über eine Detektoranordnung 21.5 erfaßt wird. Diese ist wiederum erfindungs­ gemäß in einer geeigneten Detektorebene angeordnet. Das dabei erfaßte Vernier-Streifenmuster weist eine Vernier-Periode Λ_Vernier auf, die sich ge­ mäß Gl. (1) als Λ_Vernier = 1/((4/TP_M)-(2/TP_A)) aus der oben aufgeführten Gleichung (3) ergibt. Desweiteren gilt β = 1, η = 1/2.

Für die Entfernungen Z_n von der letzten Teilung, in denen es zur phasen­ richtigen Überlagerung der verschiedenen Teil-Vernierstreifenmuster kommt, gilt auch in diesem Fall die obige Gleichung (4) mit η = 1/2. Entspre­ chend erfolgt auch in diesen Ebenen die Anordnung der Detektoranordnung 22.5 etc..

Wiederum ergibt sich, daß unmittelbar hinter der letzten durchlaufenen Tei­ lung, was in diesem Fall die Meßteilung 22.2 ist, lediglich eine geringe Mo­ dulation der detektierten Abtastsignale zu erwarten ist. Die erste, grundsätz­ lich mögliche Abtastebene mit n = 0 erweist sich in dieser Konfiguration ebenfalls als nicht optimal, da diese bei den gegebenen Parametern zwi­ schen der Meßteilung 22 und der Abtastplatte 21.3 liegen würde. Aus die­ sem Grund wird die Detektoranordnung 21.5 in der Detektorebene mit dem Abstand Z₁ (n = 1) von der letzten durchlaufenen Teilung aus plaziert, wo sich erfindungsgemäß ein Vernier-Streifenmuster mit ηinreichendem Kon­ trast detektieren läßt.

Die Signalperiode SP der detektierten Abtastsignale ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel als SP = TP_M/4.

In einer weiteren Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 5, d. h. in ei­ nem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, werden die folgende Parameter gewählt. Für die als Phasengitter ausgebildete Meßtei­ lung 22.2 gilt TP_M ≠ TP_A; Phasenhub ϕ = 2/3 π, Steg-Teilungsperiodenver­ hältnis τ ≈ 0.34. Für die ebenfalls als Phasengitter ausgebildete Abtasttei­ lung 21.4 gilt TP_A ≠ TP_M; Phasenhub ϕ = π, Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5 und ferner β = 1, η = 1/3.

In Bezug auf die Anordnung der Abtastteilung 21.4 auf Seiten der Ab­ tastplatte 21.3 gibt es wiederum verschiedene Möglichkeiten. So kann die Abtastteilung 21.4 direkt auf der Oberseite der Abtastplatte 21.3 angeordnet werden, was eine geringere Verschmutzungsempfindlichkeit zur Folge hat. Ebenso ist es jedoch möglich bei der Wahl der entsprechenden Dicke der Abtastplatte 21.3 die Abtastteilung 21.4 auf der zur Meßteilung zeigenden Seite der Abtastplatte 21.3 anzuordnen. Bei dieser Variante könnte die De­ tektoranordnung 21.5 unmittelbar auf der Oberseite der Abtastplatte 21.3 angeordnet werden.

Nachfolgend seien noch weitere Ausführungsvarianten der optischen Positi­ onsmeßeinrichtung diskutiert, die ebenfalls auf den erfindungsgemäßen Überlegungen basieren.

So könnte beispielsweise die Meßteilung 22.2 im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 in gekrümmter Form auf der Innen- oder Außenseite eines rotieren­ den Zylinders angeordnet werden. Die Drehachse des Zylinders ist hierbei in y-Richtung orientiert. In einer derartigen Variante resultiert aufgrund der ge­ krümmten Anordnung der Meßteilung 22.2 eine Vergrößerung oder Verklei­ nerung des abzutastenden Vernier-Streifenmusters in der Detektorebene. Im Fall der Anordnung der Meßteilung auf der Zylinder-Außenseite ergibt sich eine Vergrößerung, im Fall der Anordnung auf der Zylinder-Innenseite eine entsprechende Verkleinerung. Dieser optische Effekt kann für den Fall einer gekrümmten Meßteilung in obiger Gl. (3) ebenso berücksichtigt werden, wie für alle weiteren Fälle mit nicht-kollimierten Strahlengängen, die z. B. durch beliebige fokussierende oder zerstreuende optische Elemente in den Strah­ lengängen verursacht werden. Hierzu wird ein Vergrößerungs- bzw. Korrek­ turfaktor β eingeführt, der die Übertragung bzw. Vergrößerung der Teil-Ver­ nierstreifen-Periode vom Ort der letzten durchlaufenen Teilung zur Detektor­ ebene beschreibt. Es resultiert somit die allgemeine Gleichung (3'):

d_VT = (β.Λ_Vernier.TP_eff)/λ (Gl. 3')

bzw. d_VT = β.d_VT0,
mit d_VT0 = (Λ_Vernier.TP_eff)/λ
und
Λ_Vernier: Vernierperiode der Teil-Vernierstreifen am Ort der letzten durchlaufenen Teilung

Der in die allgemeine Gleichung (3') eingehende Vergrößerungsfaktor β hängt selbstverständlich von bestimmten geometrischen Größen innerhalb der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung ab. In diesem Zusammen­ hang sei auf die Fig. 6 verwiesen, die zur Erläuterung der relevanten Grö­ ßen dient, durch die der Faktor β bestimmt wird. In Fig. 6 ist neben der letzten durchlaufenen Teilung T, in deren Ebene ein Teil-Vernierstreifenmu­ ster mit der Vernierperiode Λ_Vernier vorliegt, ferner die Detektorebene D im Abstand Z_n von der Teilung T dargestellt, in der aufgrund des vorliegenden divergenten Strahlenganges ein um den Faktor β vergrößertes Vernier- Streifenmuster vorliegt. Der ferner in Fig. 6 angedeutete Punkt Q kann in diesem Fall als virtueller bzw. realer Quellenpunkt der Strahlenbündel bzw. des Vernierstreifenmusters betrachtet werden. Der Abstand Z_Q gibt somit die Entfernung des realen oder virtuellen Quellenpunktes von der letzten durchlaufenen Teilung T an. Im Fall β < 1, d. h. im Fall der Vergrößerung des Vernier-Streifenmusters gilt für den Abstand Z_Q: Z_Q < 0; im Fall β < 1 d. h. im Fall einer theoretischen Verkleinerung des Streifenmusters gilt hin­ gegen: Z_Q < 0.

Nach den Gesetzen der zentrischen Streckung gilt bei einer derartigen Geometrie für den Vergrößerungs- bzw. Korrekturfaktor β demzufolge:

β = (Z_n + Z_Q)/Z_Q

Für den oben erwähnten Fall der Anordnung der Meßteilung auf der Zylin­ deraußenseite ist der Faktor β < 1 zu wählen; im Fall der Anordnung der Meßteilung auf der Zylinder-Innenseite wäre hingegen β < 1 zu wählen.

Aus der Gleichung (4) sowie der oben erläuterten Gleichung (3') folgt somit die für alle erfindungsgemäßen Systeme gültige Gleichung (5), aus der sich die Lage der Detektorebenen bzw. deren Abstände Z_n von der letzten durchlaufenen Teilung ermitteln lassen:

1/Z_n + 1/Z_Q = 1/((n + η).d_VT0) (Gl. 5)

Die Bedeutung der in Gl. (5) vorkommenden Größen Z_Q, n und η wurde be­ reits oben erläutert. Ebenso wurde die Definition für die Größe d_VT0 bereits erwähnt, wobei in deren Definition die Vernierperiode Λ_Vernier eingeht.

Während bei den diskutierten abbildenden Systemen sich die Vernierperiode Λ_Vernier gemäß Gl. (1) analytisch bestimmen läßt, ist im Fall einer nicht-kolli­ mierten Beleuchtung bzw. beim Einsatz von optischen Elementen im Strah­ lengang, die die Divergenz der Strahlenbündel beeinflußen, die Angabe ei­ nes eindeutigen, analytischen Ausdruckes für die Vernier-Periode Λ_Vernier analog zu Gl. (1) nicht möglich. Die Vernier-Periode Avernier läßt sich bei die­ sen optischen Verhältnissen nur durch Beziehungen angeben, die speziell an die optischen Gegebenheiten angepaßt sind; alternativ ist die Bestim­ mung der Vernier-Periode Λ_Vernier bei derartigen Systemen auch durch nu­ merische Methoden möglich, wie etwa dem sog. "Ray-Tracing".

Grundsätzlich sei deshalb unter der Vernier-Periode Λ_Vernier in der allgemein­ gültigen Gleichung (5) die Periode der Teil-Vernierstreifen am Ort der letzten durchlaufenen Teilung verstanden.

Die Gleichung (5) ist wie bereits angedeutet sowohl für den Fall einer nicht­ kollimierten Beleuchtung als auch für den Fall einer kollimierten Beleuchtung gültig. Im letztgenannten Fall wäre die Größe Z_Q als Z_Q = ∞, d. h. β = 1 zu wählen, womit Gleichung (5) wiederum identisch mit der oben diskutierten Gleichung (4) ist. Umgekehrt ist im Fall der nicht-kollimierten Beleuchtung die Größe Z_Q endlich, d. h. Z_Q ≠ ∞, und somit β ≠ 1.

Nachfolgend sei der Fall diskutiert, wenn die Größe Z_Q in Gleichung (5) als Z_Q = (n + η).d_VT0 gewählt wird, mit n = 1, 2. . .. Es ergibt sich dann ein Ver­ nier-Streifenmuster im Abstand Z_n = ∞ von der letzten durchlaufenen Teilung aus. In der Praxis muß dann die Detektoranordnung in der Brennebene ei­ ner der letzten Teilung nachgeordneten fokussierenden Linse plaziert wer­ den.

Grundsätzlich können selbstverständlich der letzten durchlaufenen Teilung auch sog. Relais-Optiken nachgeordnet werden, die ein Bild der Detektor­ ebene, die sich gemäß Gl. (5) ergibt, in einer anderen Ebene erzeugen.

Abschließend sei ferner noch darauf hingewiesen, daß die oben für den Fall interferentieller Systeme eingeführte Gleichung (5) selbstverständlich bei entsprechender Wahl der Größe η auch für abbildende Positionsmeßein­ richtungen gilt; in diesem Fall ist wie bereits diskutiert η = 0 zu wählen.

Dies bedeutet wiederum, daß die angegebenen Gleichungen (3') und (5) allgemeine Gültigkeit besitzen und durch die entsprechende Wahl der ver­ schiedenen Parameter die diskutierten abbildenden und interferentiellen Va­ rianten der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung korrekt beschrieben werden können. Hierbei beschreiben diese Gleichungen auch den bekannten Fall optischer Positionsmeßeinrichtungen, wie etwa abbil­ dende Systeme gemäß der eingangs erwähnten DE 195 27 287 A1. Dort ist nahezu unmittelbar hinter der letzten durchlaufenen Teilung die Detektor­ ebene plaziert und das resultierende Vernier-Streifenmuster detektiert wird, d. h. die Parameter n und η sind bei derartigen Positionsmeßeinrichtungen als n ≅ 0 und η = 0 zu wählen. Für die erfindungsgemäßen optischen Positi­ onsmeßeinrichtungen sind demzufolge die Parameter n und η in den allge­ meingültigen Gleichungen (3') und (5) als n < 0 oder η ≠ 0 zu wählen.

Grundsätzlich ist desweiteren an dieser Stelle noch anzumerken, daß selbstverständlich eine gewisse Toleranz in Bezug auf die exakte Lage der jeweiligen Detektorebene existiert. So kann auch bei einer geringen Abwei­ chung von der Ideallage, die sich gemäß den obigen Gleichungen ergibt, noch eine ggf. hinreichende Intensitätsmodulation erreicht werden.

Ferner sei erwähnt daß im Rahmen der vorliegenden Erfindung etwa auch die Detektion eines senkrecht zur Meßrichtung verlaufenden periodischen Streifenmusters in Form sog. Moiré-Streifen möglich ist, wenn beispiels­ weise eine der verwendeten Teilungen als zweidimensionale Teilung ausge­ bildet ist und damit transversale, in Richtung der Moiré-Streifen abgelenkte Beugungsordnungen austreten. Alternativ ist die Erzeugung derartiger Moiré-Streifen selbstverständlich in bekannter Art und Weise zu erreichen, indem die eingesetzten Teilungen zueinander um einen bestimmten Winkel verdreht angeordnet werden.

Es existieren demzufolge eine Reihe von Möglichkeiten, wie die vorliegende Erfindung in verschiedensten Ausführungsformen ausgebildet werden kann. Die obige Beschreibung von Ausführungsbeispielen ist deshalb selbstver­ ständlich keineswegs abschließend zu verstehen.

Claims (19)

1. Optische Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier in Meßrichtung zueinander beweglicher Objekte mit

• a) mindestens einer periodischen Meßteilung (2.2; 12.2; 22.2), die mit einem der beiden Objekte verbunden ist,
• b) einer Abtasteinheit (1; 11; 21), die mit dem anderen Objekt verbun­ den ist, mit
  • 1. einer Lichtquelle (1.1; 11.1; 21.1),
  • 2. mindestens einer Abtastteilung (1.4; 11.4a, 11.4b; 21.4) sowie
  • 3. einer Detektoranordnung (1.5; 11.5; 21.5) in einer Detektorebene, bestehend aus mehreren strahlungsempfindlichen Detektorelementen (D1, . . . D20) zur Abtastung eines periodischen Streifenmusters, welches aus der Wechselwirkung der von der Lichtquelle (1.1; 11.1; 21.1) emit­ tierten Strahlenbündel mit den verschiedenen Teilungen resultiert, wobei die Detektorebene im Abstand Z_n von der letzten durchlaufenen Teilung entfernt angeordnet ist und sich der Abstand Z_n aus folgender Bezie­ hung ergibt
    1/Z_n + 1/Z_Q = 1/((n + η).d_VT0),
    mit:
    Z_Q: Entfernung der letzten durchlaufenen Teilung von realem oder virtuellem Quellenpunkt des periodischen Streifenmusters,
    n = 0, 1, 2, 3, . . .,
    η: Phasenverschiebung der an der letzten durchlaufenen Teilung in unterschiedliche Richtungen austretenden periodischen Strei­ fenmuster in Bruchteilen von 360°, wobei zumindest entweder n < 0 oder η ≠ 0 gewählt ist und
    d_VT0: (TP_eff.Λ_Vernier)/λ, mit
    TP_eff: effektive Teilungsperiode der Abtastanordnung, die die Rich­ tungen der an der letzten durchlaufenen Teilung austretenden Beugungsordnungen, die eine hinreichende Intensität aufwei­ sen, richtig beschreibt,
    λ: Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle,
    Λ_Vernier: Periode des periodischen Streifenmusters am Ort der letzten durchlaufenen Teilung.

2. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektor­ elemente (D1, . .D20) in Meßrichtung (x) blockweise benachbart zueinan­ der angeordnet sind, wobei mindestens zwei Blöcke (B1, . .B5) vorgese­ hen sind und pro Block (B1, . .B5) jeweils k einzelne Detektorelemente (D1, . .D20) innerhalb des Abstandes β.Λ_Vernier angeordnet sind mit β = (Z_Q + Z_n)/Z_Q und wobei die Anordnung der Detektorelemente (D1, . . .D20) ferner dergestalt erfolgt, daß aus benachbarten Detektorelementen (D1, . .D20) jedes Blockes (B1, . .B5) bei der Abtastung um 360°/k phasen­ versetzte Abtastsignale (A₀, A₉₀, A₁₈₀, A₂₇₀) resultieren.

3. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei jeweils dieje­ nigen Detektorelemente (D1, . . .D20) der verschiedenen Blöcke (B1, . . .B5) miteinander verschaltet sind, die phasengleiche Ausgangssignale liefern.

4. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei für den Ab­ stand d_VT zwischen benachbarten Detektorebenen gilt
d_VT = β.d_VT0,
mit β = (Z_Q + Z_n)/Z_Q.

5. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine kolli­ mierte Beleuchtung mit Z_Q = ∞ und β = 1 vorgesehen ist.

6. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei eine nicht­ kollimierte Beleuchtung mit Z_Q ≠ ∞ und β ≠ 1 vorgesehen ist.

7. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei η = 0 und n < 0 gewählt ist.

8. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei η ≠ 0 und n = 0, 1, 2, 3, . . . gewählt ist.

9. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtastein­ heit (1) eine transparente Abtastplatte (1.3) mit einer Abtastteilung (1.4) mit der Abtastteilungsperiode TP_A umfaßt, so daß die von der Lichtquelle (1.1) emittierten Strahlenbündel zunächst die Abtastteilung (1.4) durch­ laufen, dann auf eine reflektierende Meßteilung (2.2) mit der Meßtei­ lungsperiode TP_M auftreffen, wo eine Rückreflexion in Richtung der Ab­ tastplatte (1.3) erfolgt, die rückreflektierten Strahlenbündel die Ab­ tastplatte (1.3) benachbart zur Abtastteilung (1.4) durchlaufen und auf die Detektoranordnung (1.5) in der Detektorebene gelangen.

10. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 9 mit folgenden Pa­ rametern:

• a) für die als Amplitudengitter ausgebildete Meßteilung (2.2):
  TP_M ≠ TP_A; Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5
• b) für die als Phasengitter ausgebildete Abtastteilung (1.4):
  TP_A ≠ TP_M; Phasenhub ϕ = π/2; Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ = 0.5
• c) und ferner:
  η = 0, β = 1.

11. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 9 mit folgenden Pa­ rametern:

• a) für die als Amplitudengitter ausgebildete Meßteilung (2.2):
  TP_M ≠ 0.5.TP_A; Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5
• b) für die als Phasengitter ausgebildete Abtastteilung (1.4):
  TP_A ≠ 2.TP_M; Phasenhub ϕ = π; Steg-Teilungsperioden-Verhältnis τ = 0.5
• c) und ferner:
  η = 0, β = 1.

12. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abta­ steinheit (11) eine transparente Abtastplatte (11.3) umfaßt, die eine transmittierende Abtastteilung (11.4a, 11.4b) mit der Abtastteilungsperi­ oder TPA umfaßt, so daß die von der Lichtquelle (11.1) emittierten Strah­ lenbündel zunächst auf einen ersten Teilbereich der Abtastteilung (11.4a) gelangen, dann auf eine reflektierende Meßteilung (12.2) mit der Meßteilungsperiode TPM auftreffen und nach der Rückreflexion auf einen zweiten Teilbereich der Abtastteilung (11.4b) auftreffen und diesen durchlaufen, bevor sie auf die Detektoranordnung (11.5) in der Detektor­ ebene gelangen.

13. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 12 mit folgenden Pa­ rametern:

• a) für die als Phasengitter ausgebildete Meßteilung (12.2):
  TP_M ≠ 0.5.TP_A; Phasenhub ϕ = π; Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5
• b) für die als Phasengitter ausgebildete Abtastteilung (11.4a, 11.4b):
  TP_A = 2.TP_M; Phasenhub ϕ = π; Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5
• c) und ferner:
  β = 1, η = 0.5.

14. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 12 mit folgenden Pa­ rametern:

• a) für die als Phasengitter ausgebildete Meßteilung (12.2):
  TP_M ≠ TP_A; Phasenhub ϕ = π; Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5,
• b) für die als Phasengitter ausgebildete Abtastteilung (11.4a, 11.4b):
  TP_M ≠ TP_A; Phasenhub ϕ = (2/3)π; Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ ≈ 0.34
• c) und ferner:
  β = 1, η = 1/3.

15. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abtast­ einheit (21) eine transparente Abtastplatte (21.3) umfaßt, die eine reflek­ tierende Abtastteilung (21.4) mit der Abtastteilungsperiode TPA umfaßt, die der reflektierend ausgebildeten Meßteilung (22.2) mit der Meßtei­ lungsperiode TPM zugewandt ist, so daß die von der Lichtquelle (21.1) emittierten Strahlenbündel zunächst die Abtastplatte (21.3) benachbart zur Abtastteilung (21.4) durchtreten, dann auf die reflektierende Meßtei­ lung (22.2) auftreffen, wo eine Rückreflexion in Richtung der Abtasttei­ lung (21.4) erfolgt, von wo eine erneute Rückreflexion auf die Meßteilung (22.2) erfolgt, ehe von dort erneut eine Reflexion in Richtung der Ab­ tastplatte (21.3) erfolgt und die rückreflektierten Strahlenbündel die Ab­ tastplatte (21.3) benachbart Abtastteilung (21.4) durchlaufen und auf die Detektoranordnung (21.5) in der Detektorebene gelangen.

16. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 15, wobei die Meß­ teilung (22.2) auf der Außen- oder Innenseite eines Zylinders angeordnet ist.

17. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 15, wobei die Meß­ teilung (22.2) als flexibles Maßband ausgebildet ist.

18. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 15 mit folgenden Pa­ rametern:

• a) für die als Phasengitter ausgebildete Meßteilung (22.2):
  TP_M ≠ 2.TP_A; Phasenhub ϕ = π, Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5
• b) für die als Phasengitter ausgebildete Abtastteilung (21.4):
  TP_A ≠ 0.5.TP_M; Phasenhub ϕ = π, Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5
• c) und ferner:
  β = 1, η = 1/2.

19. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 15 mit folgenden Pa­ rametern:

• a) für die als Phasengitter ausgebildete Meßteilung:
  TP_M ≠ TP_A; Phasenhub ϕ = 2/3 π, Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ ≈ 0.34
• b) für die als Phasengitter ausgebildete Abtastteilung:
  TP_A ≠ TP_M; Phasenhub ϕ = π, Steg-Teilungsperiodenverhältnis τ = 0.5
• c) und ferner:
  β = 1, η = 1/3.