DE2229996A1 - Fotoelektrischer schrittgeber fuer laengen- und winkelmessung - Google Patents

Fotoelektrischer schrittgeber fuer laengen- und winkelmessung

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Eckart Schneider
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    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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Description

ERN.TL..TZQMB ^ A 1864/B 2732 «W Wetilqr, dtn. 15- Juni 1972. Pat Se/GG *·κ·*3ΐθ/3ΐι
Fotoelektrisoher Schrittgeber für Längen- und Winkelmessung
Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Schrittgeber für Längen- bzw* Winkelmessung unter Verwendung eines Beugungsgitters als Maßverkörperung, bei dem Beugungsordnungen paarweise zur Erzeugung periodischer Signale zur Interferenz gebracht we-rden.
Derartige Schrittgeber sind an sich bekannt. So wird bei einem interferometrisohen elektrooptischen Winkelschrittgeber ein Laser-Strahl auf einer beugungsgitterartig ausgebildeten Code-Spur in einem kleinen Fleck konzentriert. Aus der dadurch entstehenden Beugungsfigur werden mittels kleiner Planspiegel geeignete Komponentenpaare so miteinander kombiniert, daß das auf einem fotoelektrischen Schrittgeber entstehende Interferenzlinienmuster bei Bewegung der Code-Spur infolge der stetigen Phasenverschiebung zwischen den Komponenten am Empfängerausgang ein entsprechend periodisch variierendes Meßsignal erzeugt. Da die Kombination von Beugungskomponenten mit höherem Unterschied in der Ordnungszahl zu einer entsprechend höheren Dopplerfrequenz führt, wird in diesem Fall ein Gitterintervall noch weiter unterteilt.
Es ist ferner bekannt, bei einem Beugungsgitter (Transmissionsoder Reflexionsgitter) mit treppe ns tufottartigeia Fisrchenprofil dadurch das gebeugte Licht nahezu vollständig in ©ine Beugungsordnung zu konzentrieren, daß man die Ablenkung durcli Brechung oder Reflexion an den Furchen mit eier Ab le ate» Eg dureia Beugung zusammenfallen läßt (Blaze). Dabei νχτά. iactscsoEae^e von. symmetrischen Beugungsordmmgspacreß {<£'-» "^j C^r- ox.ne Partner gegenüber dem anderen energetisch Gir-hebLi.cL cuTOveaete __«,_
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Aufgabe der Erfindung ist es, Schrittgeber der obengenannten Art im Hinblick auf Interpolationsgenauigkeit und Signalqualität durch besondere Ausbildung der verwendeten Beugungsgitter weiter zu verbessern.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein fotoelektrischer Schrittgeber der eingangs genannten Art, der sich dadurch auszeichnet, daß das Beugungsgitter derart ausgebildet ist, daß auf Grund seiner Furchengeometrie mindestens ein Beugungsordnungspaar höherer Ordnung (>1f vorzugsweise^^) gegenüber allen übrigen Beugungsordnungen energetisch erheblich bevorzugt wird.
Dabei kann zum Messen nach mehreren Koordinatenrichtungen das Beugungsgitter als Pyramidenraster ausgebildet sein. Ferner können unterschiedlichen Koordinatenrichtungen unterschiedliche Beugungsordnungen bevorzugt sein.
Schließlich kann das Gitter bei gleichbleibendem Töilungsintervall abschnittsweise mit unterschiedlicher Furchengeometrie ausgestattet sein derart, daß unterschiedliche Beugungsordnungspaare bevorzugt werden und so eine Kennung repräsentieren.
Der besondere Vorteil der neuen Anordnungen liegt darin, daß sie, bezogen auf die Verschiebestrecke, auch bei geringer Gitterliniendichte eine hohe Signalperiodenzahl aufweisen, so daß also eine Interpolation auf optischem Wege bewirkt wird.
Die Erfindung isfnaüUfo ί.£οα6 anliaad ron in den Zeichnungen schematisch dargOEts 1.1 .ten Aasf tihr-uci^sbeispielen erläutert. Es zeigenί
Fig. 1 den Aufbau cir:e,-:- :.'o-i:oel-s-^'-l'ri.^chfcn Schrittgebers
-3-BAD ORIGINAL
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Pig. 2a, 2b und 2c mögliche Ausführungsformen des Beugungsgitters.
In Fig.1 ist ein Gitter 1 dargestellt, dessen Verschiebung in Richtung des Doppelpfeiles 2 fotoelektrisch ermittelt werden soll. Zu diesem Zweck wird das Gitter von unten her mit parallelem Licht beleuchtet. Infolge seiner weiter unten genauer erläuterten Blaze-Struktur lenkt das Gitter 1 den einfallenden Lichtfluß überwiegend in die beiden hohen BeugungsOrdnungen +m und -m. Das Licht der Ordnung -m wird nach Reflexion an einem Umlenkspiegel k mittels eines Strahlvereinigers 5 mit dem Licht der Ordnung +m vereinigt und zur Interferenz gebracht. Das vom vereinigten Strahlenbündel 6 in einer Ebene 7 entworfene Interferenzmuster wird mittels eines fotoelektrischen Empfängers 8 abgetastet .
Die Funktion des soweit beschriebenen Schrittgebers ist folgendes Infolge der Beugung am Gitter 1 erhalten die Lichtflüsse der Ordnungen +m und -m parallel zur Gitterverschiebungsrichtung orientierte Ausbreitungskomponenten, welche um so größer sind, je höher die Ordnungszahl m und damit der Ablenkwinkel ist. Entsprechend Betrag und Vorzeichen dieser Ausbreitungskomponenten erfährt das gebeugte Licht bei Bewegung des Gitters 1 eine Dopplerverschiebung seiner Wellenlänge, welche im dargestellten Fall für die Ordnungen +m und -m entgegengesetzt und gleich groß ist. Daher ändert sich die Helligkeit des Interferenzmusters in der Ebene mit einer zum erzeugten Wellenlängenunterschied direkt proportionalen Frequenz, die Lage der Ordnungen bleibt dagegen unverändert. Am fotoelektrischen Empfänger 8 steht dann das helligkeitsproportionale elektrische Meßsignal an.
Die in Fig.2 dargestellten Ausführungsformeη 1· und 1" des Beugungsgitters 1 zeigen gleiche Gitterkonstante, aber verschiedene Blaze-Struktur. Der brechende Winkel Ci1 des
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Durchlichtphasengitters 1 * ist größer als der entsprechende Winkel «„ gewählt. Deshalb sind beim Gitter 1' die symmetrisch gelegenen, energetisch erheblich bevorzugten Ordnungen höher als jene des Gitters 1 tf. Aus den oben dargelegten Gründen liefert also ein erfindungsgemäßer Schrittgeber mit dem Gitter 1 * eine höhere Schrittzahl pro Verschiebestreckeneinheit als ein solcher mit Gitter 1" und daher eine feinere Interpolation bei gleicher Gitterkonstante.
In Fig. 2c ist eine Ausführungsform des Beugungsgitters schematisch dargestellt, welche bei gleichbleibendem Teilungsintervall abschnittsweise mit unterschiedlicher Furchengeometrie ausgestattet ist derart, daß unterschiedliche Beugungsordnungen bevorzugt werden und so eine Kennung repräsentieren. Auf einem Träger 1**1 sind unterschiedlich geteilte Partien 9> 9' usw. nebeneinander angeordnet. In der vorderen Spur erkennt man, von links beginnend, eine Furchenstruktur 9*> welche unsymmetrisch ist und deren Dachkanten nach links verschoben sind. Diese Struktur bevorzugt energetisch z.B. die +5· und die -3.BeugungsOrdnung erheblich. Selbstverständlich stehen die vier dargestellten Furchen symbolisch für eine Vielzahl identischer Strukturen. Die rechts anschließenden Furchen 9" bevorzugen dann die +3· und die -5.BeugungsOrdnung. Weiter schließt sich rechts eine Partie 9''' an, welche symmetrisch beispielsweise die -10.Ordnung anhebt, die Struktur 9lft* schließlich bevorzugt beispielsweise die -3»Ordnung. Eine ähnliche Aufeinanderfolge weist die Spur 10 auf, deren Furchenstruktur 10* von rechts
bevorzugt.
von rechts beginnend zunächst beispielsweise die -15«Ordnung
Wie ersichtlich, sind also hier nach Zeile oder Spalte nebeneinanderliegende Teilungsintervalle in ihrer Furchenstruktur unterschiedlich gestaltet. Es ist leicht einzu-
-5-
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sehen, daß sich in Abwandlung des Gezeigten Gitter mit nach einem Code angeordneten unterschiedlichen Furchenstrulcturen in mehreren nebeneinanderliegenden Zeilen darstellen lassen.
Auch ist es möglich, in Abwandlung des in Fig. 2c Dargestellten eine solche Beugungsgitteranordnung mit unterschiedlichen 'Furchenstrukturen in aneinander angrenzenden Teilungsintervallen so auszugestalten, daß mit seiner Hilfe Messungen nach mindestens zwei sich schneidenden Koordinatenrichtungen möglich sind.
-6-
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Claims (2)

  1. A 1864/B 2732
    Ans prüche
    Fotoelektrischer Schrittgeber für Längen- bzw. Winkelmessung unter Verwendung eines Beugungsgitters als Maßverkörperung, bei dem BeugungsOrdnungen paarweise zur Erzeugung periodischer Signale zur Interferenz gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (i) derart ausgebildet ist, daß auf Grund seiner Furchengeometrie mindestens ein Beugungsordnungspaar höherer Ordnung (-^1 » vorzugsweise^3) gegenüber allen übrigen BeugungsOrdnungen energetisch erheblich bevorzugt wird.
  2. 2. Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (i) zum Messen nach mehreren Koordinatenrichtungen als Pyramidenraster ausgebildet ist»
    3· Fotoelektrischer Schrittgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in unterschiedlichen Koordinatenrichtungen unterschiedliche BeugungsOrdnungen bevorzugt sind.
    ο Fotoelektrischer Schrittgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (iftt) bei gleichbleibendem Teilungsintervall abschnittsweise mit unterschiedlicher Furchengeometrie ausgestattet ist derart, daß unterschiedliche Beugungsordnungspaare bevorzugt werden und so eine Kennung repräsentieren.
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