DE2362731A1

DE2362731A1 - Verfahren zur erzeugung einer gruppe von positionsbestimmenden signalen

Info

Publication number: DE2362731A1
Application number: DE2362731A
Authority: DE
Inventors: Fromund Dipl Phys Hock
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1973-12-17
Filing date: 1973-12-17
Publication date: 1975-06-19

Description

UiuerZeichen: A 1S>52/H 2812 . · 633 Wetzlar,den, 12. Dez. 1973

Pat St/Pf?

Verfatireti zur Erzeugung einer Gruppe von positionsbestimmotidcn Signa-Ion

Die Erfindung betrifft ein Verfanreri zur Ei^zeugung Gruppe von positionsbestiiwueuden Signalen jnit HiIiV mindestens piner als .Beugungsgitter ausgebildeten Me Ji spur einer Maßverkörperung und eine Anordnung /ur Durcnfünrung dieses Verfatirens.

Es sind verscniedeiio pnotoelektrisciie Verfariren und Anordnungen zur inkrementalen Längen- und Winkelmessung bekanntgeworden, die durcti Abzänlen von überf atirenen Gitterteiluu^sperioden bezuglicn. einer vorgegebenen NuIlage die Positionierung eines Werkstücks ei'lauben. Die eigentlicne Meiigrölje ist bei diesen Anordnungen die Anzaul der bei Bewegung in einer Rictitung entweder direkt oder durcti Interferonzerscaeinungeii erzeugten Signalperioden und deren Periodnnbrucnteile.

Eine absolute Positionierung auf einen bestimmten Längenoder Wiükclwert kann mit Hilfe von codierten Teilungen erreiout iv'erdmi. Als Maßvorkörperung dienen nier meist meiirom parallel zueinander angeordnete Spuren mit untersciilr-dliciior Teilungsperiode. Duron gleicny,eitige Abtastung aller Spuren ertiält man eine Signalkomljination, die entsprechend deüi jeweils verwendeten Code einen bestimmten Meßwert repr-üscutiei't, beispielsweise in Form einer De^irnalzatil. Eine andere Möglichkeit bestellt tlai'in, eine einzige Te i lungs spur mit .Hilfe monrnrer codierter Teilungen gleichzeitig abzutasten, wobei durcti Kombination der einzelnen Signale eine digitale Meilv\^Tertanzei;';e müglicn wird.

BAD ORiGlNAL

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Bei allen bekannten Anordnungen zur Erzeugung positionsbe stimmender Signale liefert jede Teilungsspur nur die Information für einen einzigen Meßwert, bzw. eine Dezimalstelle eines Meßwertes, so daß für jede zusätzlich gewünscnte Information bzw. jede feinere Unterteilung der Meßwertanzeige, die nictit elektronisch erfolgen soll, mindestens eine weitere Teilungsspur erforderlich, ist. Da es Häufig aus Platzgründen nicht möglicn ist, zusätzlicne Teilungsspuren auf dem Teilungsträger unterzubringen, sind dem Meßbereicn. oder der Anzeigegenauigkeit der bekannteii Anordnungen prinzipielle Grenzen gesetzt.

Aus der DT-OS 1 622 865 ist ein Verfahren bekannt gewor- · den, durcn das aus einer Speicnerfläctieneinheit menrere unabnängige Informationen gewonnen werden können. Das genannte Verfanren dient der Einschränkung des Speicnerplatzbedarfs bei optisciaer Informationsspeicüerung, indem einzelnen Informationsgruppen Codierungen zugeordnet werden, die z.B. übereinander menrere Gitter mit untersctiiedlicner azimutaler Winkelstellung und Gitterkonstanten entnalten (vgl. Anspruch 11 dieser Scnrift). Beim Durchleuchten des Speicherfeldes kann durcn Abtasten der Beugungsordnungen in der Ortsfrequenzebene die Codierung gelesen werden. Dieses Verfanren macht von der Erkenntnis Gebraucn, daß die Lage der Beugungsordnungen in der Ortsfrequenzebene nur von der Lage der Licntquelle, der Gitterkonstanten und dem Azimutwinkel der Gitterteilung abnängig ist. Von Interesse ist in diesem Zusammennang nocn. der Aufsatz: Azimutalmodulation in der Optik, A. Lotimann und Bo Morgenstern, Optik 2£ (1963), S. 450 - k-55. Die dort beschriebene Tatsache nat im Zusammenhang mit der Informationsspeir· cnerung den Vorteil, daß bei Bewegung des gittercodierten Speicnerfeldes senkrecnt zur Beleucntungsricntung die Lage der Beugungsordnungen fest bleibt. Dies läßt die Anwendung des Verfanrens für Meßzwecke aber als ungeeignet erscneinen, da durcn Beobacntung der Codesignale eine Verscnie-

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bung des SpeictierfeOa.es in seiner Ebene nictit feststellbar ist.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, das aus der optischen Informationsspeicherung bekannte Verfahren für Linear- und Winkelkoordinaten-Messungen nutzbar zu machen, damit aus einer Teilungsspur mit Hilfe eines geeigneten Abtastkopfes gleichzeitig mehrere voneinander unabhängige Informationen gewonnen werden können«

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwärmten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöste Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sien aus den Ansprüchen 2 bis 7· Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 8 angegeben. Vorteilhafte Ausgesteltungen dieser Anordnung sind in den Ansprüchen 9 bis 11 beschrieben.

In der Zeicnnung ist ein Ausführungsbeispiel für einen Positionsgeber nach der Erfindung sctiematisch dargestellt. Außerdem werden Beispiele für die Überlagerung einer Mikrostruktur auf die Grundstruktur eines mäanderförmigen Phasengitters gezeigt.

Bei dem in Fig. 1 als Beispiel für einen nur eindimensional beugenden Maßstab dargestellten Positionsgeber wird ein als Maßverkörperung dienendes Beugungsgitter 10, das mit einem nicht dargestellten Meßobjekt starr verbunden ist, von einer monochromatischen Lichtquelle 11 über eine Kollimatorlinse 12 mit parallelem Licht beleuchtet,,

Die Grundstruktur des Beugungsgitters 10 ist beispielsweise als mäanderförmiges Phasengitter mit einem Tastverhältnis von 1:1 (Balken=Lücke) und χ/2-Phasensprung ausgebildet» Eine solche Grundstruktur besitzt bekanntlich

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nur in den ungeraden Beugungsordnungen Intensität, wobei die ±1 . BeugungsOrdnung mit 2 χ kO *ja vor allen anderen bevorzugt ist. Dieser Grundstruktür ist erfindungsgemäß in periodischem Wechsel je eine MikroStruktur überlagert, die einmal die Intensität der ±3. und zum anderen die der ±5° BeugungsOrdnung bevorzugt, onne die Auslöschung der nullten Beugungsordnung zu beeinflussen.

In Richtung der optiscnen Actise des Beleuctitungs systems 11, 12 ist Hinter dem Beugungsgitter 10 ein aus Prfenen I3, Ik zusammengesetztes Bauelement angeordnet,das zumindest die ersten drei BeugungsOrdnungen des am Gitter 10 gebeugten Beleucntungsstranls auffängt. Durcn ein nachgescnaltetes Ptiasengitter 15 wird eine Interferenz-Strahl vereinigung der ±1 0 Beugungs Ordnung erreictit. Die Licnteintrittsfläctien 16, I7 der Prismen 13» 14 sind senkrecht zur Strahlrichtung der ±1. BeugungsOrdnung ausgerichtet. Die Prismenmaterialien sind so gewan.lt, daß die Strahlenbündel der ±1 _o Beugungs Ordnung an den Seitenf läctien 18, I9 der Prismen totalreflektiert werden, die Strahlenbündel der ±3. und ±5. Beugungsordnung aber durch diese Fläcnen wieder aus den Prismen austreten«

Nacn ^der Totalreflexion durchdringen und durchmiscnen die Strahlenbündel der ±1. BeugungsOrdnung einander an dem rückbeugenden Phasengitter 15 in der Weise, daß in der wiederentsten.end.en 0-ten Beugungs Ordnung gleiche Anteile der +1 ο und der -1. BeugungsOrdnung enthalten sind, während in den wiederentstehenden zweiten BeugungsOrdnungen Teilstrahlen mit den Ordnungszahlen +1, +3 einerseits und -1, -3 andererseits enthalten sind. Die drei Strahlenbündel werden zusammen über eine Linse 22 auf drei nebeneinander liegende photoelektrische Empfänger 231 2k, 25 abgebildet, an deren Ausgängen bei Bewegung des Gitters 10 in bekannter Weise (DT-OS 2 003 ^92 und DT-OS 2 127

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ein chircn Interferenz der untersctiiedlictien Beugungsordnungen erzeugtes periodiscn.es Signal entstellt«

Die seitlicti aus den Prismen 13» 14 austretenden ±3. und ±5". Beugungsordnungen v/erden je über eine Linse 26, 27 auf getrennte ptiotoelektrisctie Empfänger 28-31 abgebildet. Die Signalamplituden an den Empfängern der 3« bzw. 5· BeugungsOrdnungen nängen von der speziellen Ausfünrung der der Grundstruktur des Gitters 10 überlagerten MikroStruktur ab. Beispiele für verschiedene Mikrostrukturen sind in den Figuren 2 bis 5 angegeben. Die an den pnotoelektrisctien Empfängern anfallenden Signale werden in einer nicnt dargestellten Auswerteelektronik durcti Scnwellwertsenalter in logiscne Signale verformt, die in einer geeigneten Verknüpfungsschaltung zu einem System codierter Positionssignale umgeformt werden.

Die in den Figuren 2 bis 5 angegebenen Beispiele für die in der erfindungsgemäßen Anordnung zu verwendenden Teilungsspuren besitzen die gleicne mäanderförmige Grundstruktur mit einer Gitterperiode g» In Fig. 2 ist in jeden Steg der Grundstruktur eine Lücke mit einer Breite a und in jede Lücke der Grundstruktur ein Steg mit fiter gleicnen Breite a an einer nomologen Stelle eingearbeitet. Diese überlagerte MikroStruktur beeinflußt die Oberwellen des Ortsfrequenzspektrums der Grundstruktur, d.n. die Amplituden und Pnasen der Beugungsordnungen eines Licntbündels bei Reflexion oder Transmission an dem Beugungsgitter mit dieser Struktur, in der Weise, daß die 3· Beugungsordnung verstärkt wird. Das Ausmaß der Verstärkung dieser Beugungsordnung nängt ersicntlich von der Breite a der zusätzlictien Struktur elemente ab_o

Das Beispiel der Fig. 3 ist so gewählt, daß ausgehend von der gleicnen Grundstruktur wie in Fig. 2 zusätzlich, je

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zwei Lücken und Stege eingearbeitet sind, die jeweils die Halbe Breite der Mikrostrukturelemente von Fig» 2 besitzen. Die MikroStruktur nimmt also insgesamt die gleicne Fläctie ein, wie in Fig. 2. Diese Anordnung nat den Vorteil, daß wegen der feineren Teilung der Mikrostruktur jetzt die 5° Beugungsordnung verstärkt wird, wegen der Fläcnengleicnheit der Strukturelemente im Vergleich zu Fig. 2 aber die Intensität in der 1. Beugungsordnung die gleictie bleibt wie dort bei Bevorzugung der 3 ο BeugungsOrdnung.

¥ählt man datier für einen Positionsgeber nacn Fig» 1 beispielsweise ein Beugungsgitter nach Fig_o k, bei dein die Mikrostrukturen nacn den Fig. 2 und 3 periodisch, wechseln, so kann man die notieren Beugungs Ordnungen zum Auslesen einer Hilfsinformation paarweise so ausnutzen, daß die ±1 ο Beugungsordnung, die das Auslesen der Hauptinformation vermittelt, bei Veränderung der Makrostruktur unverändert in der Intensität bleibt, wänrend die Intensitäten für die Hilf sinf ormation in der einen Beugungs Ordnung abnetimen, und in der anderen Beugungsordnung in gleicher Proportion zunehmen. Mit Hilfe von solcnen Signalpaaren kann dann über Differenzverstärker bzw» Differenztrigger aus den Nulldurcngängen von Ausgangssignalen ein weitgehend liontpegelunabnängiges Signal für die Hilfsinformationen aus der metirfacn ausgenutzten Spur gewonnen werden.

Bei dem in Fig. h dargestellten Beugungsgitter kann selbstverständlicn die Länge der verscniedenen Mikrostrukturen auch über menrere Perioden der Grundstruktur reicnen. Auen können anstelle der Anordnung der Grund- und der Mikrostruktur auf getrennten, zueinander ausgerichteten Trägern 32, 33 die Strukturen in einen Träger eingearbeitet sein, Die Anordnung nacn Fig. 4 eignet sich aucn setir gut zur Herstellung eines Reflexionspnasengitters mit überlagerter

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Mikrostruktur« Dazu braucht beispielsweise nur die Grundstruktur auf dem Träger 32 verspiegelt zu werden. Die Furchentiefe im Reflexionsteil und die Steghöhe im Transmissionsteil sind so auszubilden, daß beim Übergang vom Steg zur Furche ein λ/2 Phasensprung für die transmittierten bzw. reflektierten Strahlenanteile entsteht.

Die örtliche Ausfilterung der beiden Beugungsordnungen für die Hauptinformation kann auch durch Spalte oder Spiegelflecken an Stellen, an welchen die Bündel der Beugungsordnungen getrennt verlaufen, erfolgen. Dies können beispielsweise die Bildorte der Lichtquelle oder der Beleuchtungsblende sein« Neben diesen Orten können für die die Hilfsinformationen enthaltenden Beugungsordnungen photoelektrische Wandler angeordnet werden, um die/&ntsprechenden Signale zu erzeugen.

Eine andere Trennung ist entsprechend Fig» 5 dadurch möglich, daß die Strukturelemente der MikroStruktur so angeordnet werden, daß die Verbindungslinie homologer Punkte (m) der Mikrostruktur nicht mit der Teilungsricntung (g) der Grundstruktur zusammenfällt„ Die die Hilfsinformation enthaltenden BeugungsOrdnungen liegen dann nicht mehr in der Ebene der zur Auslesung der Hauptinformation dienenden Beugungsordnungen.

Die Anwendung der vorstehend genannten Prinzipien ist nicht auf einen Positionsgeber mit nur einer Teilungsspur beschränkt. Beispielsweise können die feiner geteilten Spuren eines codierten Gebers auch als Beugungsgitter aufgefaßt werden, so daß durch diesen Teilungen überlagerte Mikrostrukturen bei entsprechender geometrischer Trennung der Beugungsordnungen und durch zusätzliche photoelektrische Empfänger neben der bisher üblichen Information weitere Hilfsinformationen aus derselben Spur gewonnen werden können.

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Claims

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Ansprüche

Verfahren zur Erzeugung einer Gruppe von positionsbestimmenden Signalen mit Hilfe mindestens einer als Beugungsgitter ausgebildeten Meßspur einer ein- oder zweidimensionalen Längen- oder Winkel-MaßVerkörperung, dadurcn gekennzeichnet, daß in mindestens einer Meßspur einer konstanten Grundstruktur des Beugungsgitters mindestens eine aus Flächenelementen der Meßspur Heraus in verschiedene Raumwinkelbereicne beugende MikroStruktur als Funktion des Meßweges abschnittsweise überlagert wird und daß die den Abschnitten zugeordneten BeugungsIntensitäten in den verscniedenen Raumwinkeln durch getrennte Empfänger nachgewiesen werden.

2, Verfahren nacn Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß mindestens zwei von der Grundstruktur herrührende Beugungsordnungen durch strahlrichtungsändernde Strahlvereiniger jeweils paarweise in die gleictie Ricntung gelenkt werden und die positionsabhängige Interferenzmodulation der jeweiligen ZweiStrahlbündel nachgewiesen wird.

3. Verfahren nacn. den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise durch vorzugsweise phasenverschobene gegentaktmodulierte Paare von interferenzmodulierten Signalen ein Drehfeldradiusvektor definiert wird und daß durch die abschnittsweise Intensitätsänderung der miteinander nach Anspruch 2 interferierenden Beugungsintensitäten der Betrag dieses Drehfeldvektors geändert wird und daß zur Abschnittserkennung der Betrag des Drehfeldvektors oder das Verhältnis des Drenfeldvektors zu einem Referenzsignal durcn mindestens einen Schwellwertschalter bewertet wird.

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Verfaaren nacn einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abschnittsweise unterscniedlicnen Mikrostrukturen so ausgebildet werden, daß sie gemeinsame Strukturmerkmale aufweisen, durch die bestimmte Beugungsintensitäten in Gruppen von Abscnnitten zumindest annähernd konstant bleiben, wätirend die Beugungsintensitäten anderer Raumwinkelbereiche den einzelnen Abscnnitten entsprecnond variieren.

5. Verfatiren nacti einem der vorhergehenden Ansprücne , dadurcn gekennzeicnnet, daß die Beugungs- und Interferenzintensitäten durcn pnofcoelektrische Empfänger nachgewiesen werden, deren Signale nacn Re cnte clever formung in Scnwellwertscnaltern so miteinander verkn^üpft werden, daß für jede Position der Maßverkörperung relativ zu einem Abtastkopf in bekannter Weise eine diese Position codierende binäreSignalkombination am Ausgang einer Verknüpfungslοgilt erzeugt wird.

ο Verfanren nacn den Ansprücnen h und 5» dadurch gekennzeicnnet, daß die photoelektrischen Signale den Beugungs- und/ oder Interferenzintensitäten annähernd proportional sind und den jeweiligen Intensitäten durcn mehrere Schwellwertpegel mehr als zwei Schaltzustände zugeordnet worden.

Verfanren nacn den Ansprüchen 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Summen oder Differenzen oder Quotienten von mindestens zwei Signalen von photasLektrischen Empfängern gebildet werden und diese Analog- oder Digitalrechenwerte durch mindestens einen Schwellwertschalter bewertet werden,,

8„ Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine als Beugungsgitter ausgebildete Meßspur einer Maßverkörperung vorgesetien ist, deren konstanter Grundstruktur eine aus Flächen-

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elementen der Meßspur neraus in verscniedene Raumwinkelbereictie beugende Makrostruktur als Punktion des Meßweges abschnittsweise variabel überlagert ist, und daß photoelektrische Empfänger zum Nachweis der den Abschnitten zugeordneten Beugungsintensitäten in verschiedenen Raumwinkeln vorgesehen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturen Periodizitäten aufweisen, deren Ricntung mit der Periodizitätsrichtung der Grundstruktur zusammenfällt .

10. Anordnung nach Ansprucn 8, dadurcn gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturen Periodizitäten aufweisen, deren Richtungen mit der Periodizitätsricntung der Grundstruktur abscnnittsweise verschiedene Winkel einschließen„

11. Anordnung nach einem der Ansprücne 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem als Maßverkörperung dienenden Träger der Grundstruktur der Meßspur mindestens eine zumindest Strukturanteile der Mikrostruktur tragende zweite Trägerplatte fest oder in der Strukturebene verscnwenkbar verbunden ist.

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