DE2308643B2 - Meßanordnung zur Lagebestimmung mit einem PräzisionsmaBstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Lagebestimmung mit einem gegenüber einem Gitter beweglichen, mittels einer Lichtquelle beleuchteten und zu interpolierenden Präzisionsmaßstab, der sich in einer zur Gitterebene parallelen Ebene befindet sowie mit mindestens einem fotoelektrischen Wandler, welcher den mit dem Gitter optisch zusammenwirkenden Präzisionsmaßstab abtastet.

Bekannte Meßeinrichtungen besitzen einen Maßstab mit einer Teilung aus feinen Strichlinien, die in regelmäßigen gegenseitigen Abständen angeordnet sind. Ein solcher Maßstab weist Meßlücken auf, so daß Stellen zwischen den Strichlinien interpoliert werden müssen. Dafür wurden bereits verschiedene Lösungen bekannt, die jedoch allgemein den Nachteil haben, daß sie entweder sehr zeitaufwendig zu handhaben sind

5 oder ungenau sind oder aufwendig in der Herstellung.

Ein Problem bei der Herstellung von Präzisionsmaschinen und -geräten ist es, die Lage eines Stellglieds in Bearbeitungsmaschinen mit einer Genauigkeit von wenigstens ± 1 μΐη und in Meßmaschinen oder -geräten

ίο mit einer Genauigkeit von wenigstens ±0,1 μΐη zu messen. Die dafür bekannten Lösungen lassen sich in folgende Gruppen unterteilen:

a) lichtinterferometer. Diese sind jedoch sehr empfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen und

is daher außerhalb von Laboratorien praktisch nicht dnsetzbar.

b) Geteilte Maßstäbe mit z. B. Strichlinien von 10 μπι Breite an jeder mm-Stelle. Sie machen einen sehr feinen Interpolator erforderlich, mit dem sich zwar genau messen läßt, jedoch bei optischer Ablesung ein erheblicher Zeitaufwand erforderlich ist Bei elektrischen Maßstäben ist eine sehr feine interpolation aufgrund unbestimmter Fehler nicht möglich.

c) Maßstäbe mit Feinteilung, die als Gitter bezeichnet werden. Gitter haben den Vorteil, daß zur genauen Lagenbestimmung eine weniger feine Interpolation notwendig ist Das bedeutet aber, daß die Gittersteigung für Bearbeitungsmaschinen 2 μπι und für Meßmaschinen oder -geräte 0,2 μπι betragen müßte. Derartige feine Teilungen sind jedoch nur unter erheblichem Aufwand herstellbar.

Eine bekannte Meßeinrichtung (DE-AS 12 66 001) weist zwei Strichmaßstäbe auf, die übereinanderliegend zueinander verschiebbar sind und mit einer Lampe zu durchleuchten sind Bei ihrer gegenseitigen Verschiebung treten örtliche Helligkeitsschwankungen auf, die durch Fotozellen in Spannungsschwankungen umzuwandeln sind. Einfacher ist die Ausbildung bei einer anderen bekannten Meßeinrichtung (DE-AS 10 93 099), die nur ein materielles Gitter auf ν eist, das mit seiner Abbildung in Wechselwirkung treten kann durch Verwendung eines Hohlspiegels.

Aus einer weiteren Veröffentlichung (Optics Communications; Vol. 1,Nr. 1, April 1969, S. 5-8) ist es bekannt, Gitter auf holographischem Wege herzustellen. Hierbei resultieren daher letztlich wiederum materielle Gitter, die leicht Beschädigungen unterworfen sein können.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zum Messen und Interpolieren zu schaffen, die im Aufbau einfach ist und für die Bedürfnisse des Präzisions-Maschinenbaus eine ausreichend hohe Meßgenauigkeit bietet.

Gemäß der Erfindung ist die Anordnung dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle zwei konvergierende, monochromatische Lichtbündel derart ausgehen, daß im Kreuzungsbereich der Lichtbündel das Gitter bildende Interferenzstreifen gleicher Breiten resultieren, und daß die Steigungshöhe dieses Gitters einstellbar ist.

ω Die Vorteile dieser Anordnung liegen in folgendem:

a) Es lassen sich Interferenzstreifen mit jeder gewünschten Feinheit unter Beibehaltung eines hohen Kontrastes erzeugen. Bei Abbildung eines Gitters mit einer sphärischen Abbildungsoptik ist diese Feinheit nicht erzielbar.

b) Der Bereich, in dem die Streifen erzeugt werden, ist so breit oder »tief«, daß die Höhe des Maßstabs absolut unkritisch ist.

c) Die modulierten Lichtbündel können zur gleichen Seite reflektiert werden, auf der sich die Lichtquelle befindet Bei Verwendung eines teilweise reflektierenden und teilweise durchlässigen Maßstabs kann daher das von dem Maßstab durchgelassene Licht außer Betracht gelassen werden. In der Praxis werden vornehmlich opake und reflektierende Metallmaßstäbe verwendet.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigen:

F i g. 1: das Meßprinzip, Fig. 2: eine Meßanordnung und

Fig.3: einen Ausschnitt aus einer abgeänderten Ausführungsform der Anordnung nach F i g. 2.

In Fig. 1 sind mit la und \b zwei konvergierende monochromatische Lichtbündel bezeichnet, welche in ihrem Kreuzungsbereich Interferenzstreifen 2 gleicher Breiten erzeugen. Der hier beispielsweise dargestellte Maßstab 3 ist transparent und besteht aus einer opaken Beschichtung mit transparenten Schlitzen oder Strichlinien 5. Im Interferenzstreifenbereich befinden sich ein oder mehrere Schlitze 5. Wenn ein oder mehrere Schlitze auf einen bzw. mehrere helle Streifen zentriert sind, wird mehr Licht durchgelassen als wenn sich der oder die Schlitze in zentrischer Lage zu einem bzw. mehreren dunklen Streifen befinden. Der Abstand zwischen zwei Schlitzen muß kleiner sein als die Länge des Streifenfeldes, damit sich bei Verschiebung des Maßstabs keine Meßlücke ergibt

Gemäß einem Anwendungsbeispiel wird ein Gitter mit einer Steigungshöhe von z. B. 2 μπι verwendet, bei dem die Strichlinien auf einem reflektierenden Metallmaßstab aufgebracht sind. Die Herstellung eines derartigen Gitters kann vermittels Hochleistungsinterferenz erfolgen. Der Maßstab muß im allgemeinen aus Metall bestehen, damit sein Wärmeausdehnungskoeffizient in etwa dem der Maschine und dem der zu -to bearbeitenden oder zu vermessenden Werkstücke entspricht Die Steigungshöhe von 2 μπι sei hier nur als typisches Beispiel angeführt, da bei Zählung der »schwarzen« und der »weißen« Stellen der Teilung eine Steigungshöhe von 1 μιη erhalten wird und da eine auf 1/10 leicht durchführbare Interpolation die Lagenbestimmung auf etwa 0,1 μΐη genau gestattet Kleinere Steigungshöhen als 2 μίτι sind aus herstellungstechnischen Gründen schwieriger, während größere Steigungshöhen eine feinere und damit weniger genaue so Interpolation erforderlich machen.

Der Präzisionsmaßstab 3 wird in den Bereich gebracht, in dem sich zwei monochromatische, kohärente Lichtbündel einer kontinuierlich strahlenden Lichtquelle kreuzen. Der Kreuzungswinkel der Lichtbündel ist so bemessen, daß die im Raum parallel zueinander verlaufenden Interferenzstreifen ein Gitter bilden, welches die gleiche Steigungshöhe wie der Maßstab (d. h. beispielsweise 2 μηι) aufweist Wenn nun die hellen Streifen auf die reflektierenden Gitterbereiche treffen, wird sämtliches Licht reflektiert Wenn die hellen Streifen des Gitters jedoch auf die nichtreflektierenden Bereiche auftreffen, wird das Licht gestreut. Auf diese Weise läßt sich eine sehr intensive Modulation des reflektierten Lichts erzielen. (Bei Verwendung eines Maßstabs mit reflektierenden und transparenten Bereichen kann diese Modulation auch im durchfallenden Licht erhalten werden.) Bei Verschiebung des Maßstabs in bezug auf das Interferenzstreifenfeld findet eine sinusförmige Veränderung des Lichtstroins statt, der ein gewisses Beleuchtungsstärkenkontinuum überlagert ist

Vermittels einer oder mehrerer, schnell ansprechender Fotozellen lassen sich die Lichtstromwerte in elektrische Signale umsetzen, wodurch die Anzahl der Lichtstromschwankungen bei einer Lagenänderung des Maßstabs gemessen werden kann. Gleichzeitig wird dabei das Beleuchtungskontinuum unterdrückt Die entsprechende Anordnung ist in F i g. 2 dargestellt

Da die Lichtstromschwankungen (und die elektrischen Signale) sinusförmig sind, ist der Interpolationsvorgang nach bekannten Verfahren durch Kombination zweier, um eine Viertelsteigungshöhe zueinander versetzter Signale, die beispielsweise von zwei um eine Viertelsteigungshöhe zueinander versetzten Meßpunkten ausgehen, ganz erheblich erleichtert Zur Interpolation braucht daher nur die Phase _;es kombinierten Signais in bezug auf die beiden ünprungssignaie gemessen zu werden. In gleicher Weise gestatten zwei um eine Viertel Phase zueinander versetzte Signalzüge in bekannter Weise die Zählung der Signaldurchgänge bei gleichzeitiger Anzeige der Verlagerungsrichtung.

Die in Fig.2 dargestellte Anordnung weist ein Kösters-Prisma 6 auf, welches aus zwei Prismen mit einem Scheitelwinkel von jeweils 30° und einer halbreflektierenden Zwischenschicht 7 besteht. Das einfallende Lichtbündel a+b ist parallel, kohärent und monochromatisch. Das Lichtbündel wird typischerweise von einem Helium-Neon-Laser erzeugt Im Prisma wird das Lichtbündel in die beiden sich kreuzenden Lichtbündel a und b aufgespalten, welche ein ebenes Streifenfeld fp bilden. Das Steigungsverhältnis, d. h. der gegenseitige Streifenabstand läßt sich durch Veränderung des Winkels α beliebig einstellen.

Der Maßstab 8 stellt ein Gitter mit der glichen Steigungshöhe wie das durch das Interferenzstreifenfeld fp gebildete Gitter dar und reflektiert oder reflektiert nick, die Lichtbündel a'und b', was jeweils von seiner Stellung abhängig ist Die reflektierten Lichtbündel a' und b' werden vermittels der Linse 9 auf die Fotozelle 10 abgebildet

Die zwischen den Lichtbündeln a' und b' erzeugten Interferenzlinien haben eine festgelegte Lage im Raum und werden bei Verschiebung des Maßstabs oder Gitters 8 nicht moduliert. Die Lichtbündel beeinflussen die Messung in keiner Weise, da der Maßstab 8 in keinem Falle so eben ist, daß eine vollflächige Reflexion erfolgt und sich die Lichtbündel a' und b' gegenseitig auslöschen. Um diesen Extremfall zu vermeiden, kann dip. A'-.crdnung in jedem Falle leicht unsymmetrisch ausgelegt werden. Eine plane Glasplatte 11 mit zueinander parallelen Oberflächen läßt sich entsprechend F i g. 3 in den halben Querschnitt eines oder beider Lichtbündel einbringen, um einen beliebig großen phasenversetzten Bereich zu erhalten. In diesem Falle sind die beiden reflektierten Lichtbündel a'+b' verdoppelt und lassen sich auf bekannte Weise vermittels (hier nicht dargestellter) zweier Able;ikspiegel und zweier Fotozellen in der Weise trennen, daß zur Interpolation oder Zählung in beiden Richtungen zwei Signale erhalten werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Meßanordnung zur Lagebestimmung mit einem gegenüber einem Gitter beweglichen, mittels einer Lichtquelle beleuchteten und zu interpolierenden Präzisionsmaßstab, der sich in einer zur Gitterebene parallelen Ebene befindet sowie mit mindestens einem fotoelektrischen Wandler, welcher den mit dem Gitter optisch zusammenwirkenden Präzisionsmaßstab abtastet, dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle zwei konvergierende, monochromatische Lichtbündel (la, lö; a, b) derart ausgehen, daß im Kreuzungsbereich der Lichtbündel das Gitter bildende Interferenzstreifen (fp) gleicher Breiten resultieren, und daß die Steigungshöhe dieses Gitters einstellbar ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigungshöhe des Gitters durch die Wahl der Lichtwellenlänge einstellbar ist

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigungshöhe des Gitters durch die Wahl des zwischen den Achsen der beiden Lichtbündel (la, ib, a, b) eingeschlossenen Winkels fixj einstellbar ist

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Licb'.bündel aus einander gleichen Lichtkegeln bestehen, die in konvergierenden Ebenen liegen und die Steigungshöhe des Gitters in Abhängigkeit von der Lage der Schnittebene zu ändern ist

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Stellung des Maßstabs in bezug auf das aus Interferenzstreifen gleicher Breiten gebildete Gitter modulierte Licht mit einer Fotozelle aufzufangen ist unu das von dieser erzeugte Signal einem numerischen Zählwerk zuzuführen ist, mit dem die Anzahl der Streifen anzeigbar ist, um welche der Maßstab in bezug auf das Gitter verlagert ist

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kösters-Prisma (6) vorgesehen ist, dessen halbreflektierende Zwischenschicht (7) senkrecht zu dem Maßstab (8) ausgerichtet ist

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Maßstab (8) und dem Kösters-Prisma (6) eine plane Glasplatte (11) mit zueinander parallelen Oberflächen im Bereich des halben Lichtbündels (a+b) angeordnet ist und zwei Fotozellen (10) derart angeordnet sind, daß sie die um eine Viertelwellenlänge zueinander versetzten Lichtstrahlen auffangen.