DE3844935C2 - Distance measurement system - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zur Entfernungs messung und insbesondere auf ein Entfernungsmeßsystem der Gitterinterferenz-Bauart (Gitterinterferometer).The invention relates to a removal system measurement and in particular on a distance measuring system of Grid interference design (grid interferometer).
Wie in den JP-Patent-OS'en Nr. 59-191 906 und Nr. 59- 191 907 offenbart ist, werden herkömmliche Gitterinterfe renz-Entfernungsmeßvorrichtungen so angeordnet, daß ein ko härentes Licht von einer Lichtquelle durch einen Spiegel od. dgl. auf ein Beugungsgitter, das als ein Bezugsmaß wirkt, gerichtet wird, und Beugungslicht der positiven Ord nung n sowie Beugungslicht der negativen Ordnung n, die von diesem Beugungsgitter ausgehen, werden unter Verwendung von Winkelspiegeln (Corner-Cubes) zurück parallel zu ihren ankommenden Wegen reflektiert, so daß die reflektierten Beugungslichtstrahlen wieder auf das Beugungsgitter einfal len, an dem die beiden Beugungslichtstrahlen der positiven und negativen Ordnung n in der gleichen Richtung gebeugt werden, um eine gegenseitige Interferenz hervorzurufen, wobei die Intensität dieses Interferenzlichts mittels lichtelektrischer Fühler ermittelt wird.As in JP Patent OSs No. 59-191 906 and No. 59- 191 907, conventional grid interfaces are disclosed renz distance measuring devices arranged so that a ko inherent light from a light source through a mirror or the like on a diffraction grating that serves as a reference acts, is directed, and diffraction light the positive ord n and diffraction light of the negative order n that of this diffraction grating will be using of angle mirrors (corner cubes) back parallel to theirs incoming routes reflected, so that the reflected Diffraction light rays are incident on the diffraction grating again len, on which the two diffraction light beams of the positive and negative order n diffracted in the same direction to cause mutual interference where the intensity of this interference light by means of Photoelectric sensor is determined.
Eine Bewegungsmeßvorrichtung, bei der wie oben beschrieben Beugungslicht positiver und negativer Ordnung n zweimal durch ein Beugungsgitter fällt, bevor es zur Interferenz gebracht wird, ist auch aus der DE 33 16 144 A1 bekannt.A motion measuring device in which as described above Diffraction light of positive and negative order n twice falls through a diffraction grating before it interferes is also known from DE 33 16 144 A1.
Bei den obengenannten Anordnungen wird die Menge eines jeden Lichts mit der Bewegung des relativ bewegbaren Gitters geändert und diese Änderungen von den Fühlern als Ausgangssignale ausgegeben, deren Phasen in Aufeinan derfolge um eine Phasendifferenz von 90° verschoben sind.In the above arrangements, the amount is one every light with the movement of the relatively movable Grid changed and these changes from the feelers output as output signals, the phases of which in succession consequently shifted by a phase difference of 90 °.
Dann wird für jeweils zwei Signale, deren Phasen relativ um 180° verschoben sind, ein Differenzsignal gebildet, d. h., es werden zwei Differenzsignale gebildet. Diese bei den Differenzsignale haben einen Phasenunterschied von 90° und sind als R sowie S in den oberen beiden Teilen (a) und (b) von Fig. 2 gezeigt.Then a difference signal is formed for every two signals, the phases of which are shifted relatively by 180 °, ie two difference signals are formed. These in the difference signals have a phase difference of 90 ° and are shown as R and S in the upper two parts (a) and (b) of FIG. 2.
Unter Verwendung von elektrischen Schal tungen und auf der Grundlage eines vorbestimmten Pegels werden diese beiden Signale R und S binär verarbeitet (binär kodiert), wie es in den Teilen (c) und (d) von Fig. 2 darge stellt ist. Vier Impulse für eine Periode werden zu den Zeit punkten eines Anstiegs und Abfalls der binär verarbeiteten Signale erzeugt, wie im Teil (e) von Fig. 2 gezeigt ist. Durch Zählen der Anzahl der Impulse ist es möglich, die Größe der Relativbewegung zwischen dem Meßkopf und dem Beugungsgitter zu messen. In diesem Fall ändert sich für die Relativbewegung mit einem Wert, der einer Teilung (einem regelmäßigen Abstand) des Beugungsgitters entspricht, die Interferenz-Lichtintensität über vier Zyklen, so daß 16 Impulse erzeugt werden. Zur Zeit der Zählung der Impulse wird auch die Richtung der Relativbewegung ermittelt, und in Übereinstimmung mit dem Ergebnis der Ermittlung wird be stimmt, ob die gezählte Anzahl addiert oder subtrahiert wer den soll oder nicht. Die Bewegungsrichtung kann von dem Pe gel eines jeden Signals, die in den Teilen (c) und (d) der Fig. 2 gezeigt sind, der zum Zeitpunkt der Erzeugung eines jeden im Teil (e) von Fig. 2 gezeigten Impulses hervorgeru fen wird, diskriminiert werden. Wenn beispielsweise der Pe gel des im Teil (d) gezeigten Signals, das zum Zeitpunkt des Abfall des Signals, das im Teil (c) gezeigt ist, erzeugt wird, "hoch" ist in einem Fall, da die Bewegung in der posi tiven Richtung verläuft, wird dieser Pegel "niedrig" in einem Fall, da die Bewegung in der negativen oder umgekehr ten Richtung verläuft.Using electrical circuitry and based on a predetermined level, these two signals R and S are binary processed (binary coded) as shown in parts (c) and (d) of FIG. 2. Four pulses for one period are generated at the times of rising and falling of the binary processed signals, as shown in part (e) of FIG. 2. By counting the number of pulses it is possible to measure the size of the relative movement between the measuring head and the diffraction grating. In this case, for the relative movement with a value corresponding to a pitch (a regular interval) of the diffraction grating, the interference light intensity changes over four cycles, so that 16 pulses are generated. At the time of counting the pulses, the direction of the relative movement is also determined, and in accordance with the result of the determination, it is determined whether the counted number should be added or subtracted or not. The direction of movement may be from the level of each signal shown in parts (c) and (d) of FIG. 2, which is caused at the time of generation of each pulse shown in part (e) of FIG. 2 , to be discriminated. For example, when the level of the signal shown in part (d) generated at the time of the fall of the signal shown in part (c) is "high" in a case because the movement is in the positive direction runs, this level becomes "low" in a case where the movement is in the negative or reverse direction.
Die Signale R und S, die in den Teilen (a) und (b) der Fig. 2 gezeigt sind, können addiert und subtrahiert werden, um Signale "R + S" und "R - S" zu erzeugen, die Phasenunterschiede von 45° mit Bezug zu den Signalen R und S jeweils haben. Diese Signale können binär in einer gleichartigen Weise ver arbeitet werden, so daß zu den Zeitpunkten eines Anstiegs und Abfalls Impulse erzeugt werden. Durch dieses Vorgehen ist es möglich, 32 Impulse für die Bewegung mit einem Wert, der einer Teilung des Beugungsgitters entspricht, zu erhalten.The signals R and S shown in parts (a) and (b) of FIG. 2 can be added and subtracted to produce signals "R + S" and "R - S", the phase differences of 45 ° with reference to the signals R and S each. These signals can be processed in a binary manner in a similar manner, so that pulses are generated at the times of an increase and a decrease. With this procedure, it is possible to obtain 32 pulses for the movement with a value corresponding to a division of the diffraction grating.
Bei einer Meßvorrichtung der vorstehend beschriebenen Bauart ändert sich die Lichtmen ge an einem Lichtfühler mit Intervallen, die 1/4 der Tei lung eines verwendeten Gitters entsprechen, wie durch die Signale R und S. die in den Teilen (a) und (b) von Fig. 2 gezeigt sind, dargestellt ist. Bei dem in diesen JP-Patent anmeldungen offenbarten Entfernungsmeßgerät der Gitterin terferenz-Bauart wird die Periode eines solchen Lichtmen gen Erfassungssignals (R oder S) elektrisch geteilt, um die Anzahl der Impulssignale pro einer Teilung des Gitters zu erhöhen und dadurch die Auflösung zu verbessern. Wenn die Teilung durch eine elektrische Verarbeitung erfolgt, so besteht jedoch die Möglichkeit, daß sich der Impulsab stand mit der Änderung in der Amplitude eines Signals oder im Gleichstrompegel ändert. Wenn das eintritt, wird die Genauigkeit verschlechtert.In a measuring device of the type described above, the amount of light changes on a light sensor with intervals which correspond to 1/4 of the distribution of a grating used, as indicated by the signals R and S in parts (a) and (b) of Fig. 2 are shown. In the grating interference type rangefinder disclosed in these JP patent applications, the period of such light quantity detection signal (R or S) is electrically divided to increase the number of pulse signals per division of the grating and thereby improve the resolution. If the division is done by electrical processing, however, there is a possibility that the momentum changed with the change in the amplitude of a signal or in the DC level. If this happens, the accuracy will deteriorate.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Entfernungsmeßsystem höherer Genauigkeit zur Verfügung zu stellen.It is therefore an object of the invention to provide a distance measuring system to provide higher accuracy.
Dies Aufgabe wird durch eine interferometrische Entfer nungsmeßvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst, wobei die Unteransprüche Weiterbildungen der Erfindung angeben.This task is accomplished by an interferometric removal voltage measurement device according to claim 1 solved, wherein the sub-claims specify developments of the invention.
Im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik ist das optische System bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung so angeordnet, daß die Anzahl der Lichtbeugungen am Entfernungsmeß-Bezugs gitter erhöht wird, was zum Ergebnis hat, daß die Licht menge an einem Lichtfühler sich um viele Male (z. B. achtmal) während einer Zeitperiode ändert, in welcher das Be zugsgitter sich um einen einer Teilung von diesem ent sprechenden Wert bewegt. Bei dieser Anordnung ändert sich die Lichtmenge am Lichtfühler in sehr kurzen Intervallen, wie beispielsweise einem Achtel der Teilung des Bezugsgit ters. Dadurch wird durch die optische Anordnung selbst die Anzahl der Teilungen mit Bezug auf das Gitter (Gittertei lung) erhöht.In comparison to the prior art mentioned above, this is optical system in the measuring device according to the invention arranged that the number of light diffractions at the distance measuring reference grid is raised, which has the result that the light quantity on a light sensor changes many times (e.g. eight times) changes during a period in which the Be train grid around a division of this ent speaking value moves. This arrangement changes the amount of light on the light sensor in very short intervals, such as an eighth of the division of the reference git ters. This is due to the optical arrangement itself Number of divisions with reference to the grid (grid part lung) increased.
Die Erfindung wird nun genauer anhand des in Fig. 1 gezeig ten bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert, in der schematisch eine erfindungsgemäße interferometrische Entfernungsmeßvorrichtung dargestellt ist, in der das Licht viermal durch ein Entfernungsmaß-Beugungsgitter tritt, um die Auflösung des Systems zu steigern. The invention will now be explained in more detail with reference to the preferred exemplary embodiment shown in FIG. 1, in which an interferometric distance measuring device according to the invention is shown schematically, in which the light passes four times through a distance diffraction grating in order to increase the resolution of the system.
In Fig. 1 wird das von einer Lichtquelle LD, die beispiels weise einen Halbleiterlaser umfaßt, des optischen Entfer nungsmeßsystems der Gitterinterferenz-Bauart ausgehende Licht in ein ebenwelliges Licht LD durch ein Kollimator objektiv CL umgewandelt und fällt dann auf einen Punkt P1 am Entfernungsmeß-Bezugsgitter GS, das in einer relativ bewegbaren Beziehung zum optischen Entfernungsmeßsystem steht. Das auf das Bezugsgitter GS einfallende Licht wird durch dieses gebeugt. Beugungslichtstrahlen L11 und L12 von positiver und negativer Ordnung n, die dadurch erzeugt werden, treten jeweils in die Winkelspiegel CC1 und CC2 ein, durch die sie reflektiert werden, und jedes reflektier te Licht pflanzt sich in einer zu seinem ankommenden Weg parallelen und umgekehrten Richtung fort. Die von den Winkel spiegeln CC1 und CC2 reflektierten Lichtstrahlen fallen wie der auf das Bezugsgitter GS an den jeweiligen Punkten P2 so wie P3 und werden erneut durch das Gitter GS gebeugt. Diese gebeugten Lichtstrahlen L21 und L22 treten durch Phasenplat ten FP1 und FP2, so daß der Polarisationszustand eines jeden Lichts geändert wird. Nach der Reflexion durch die Winkel spiegel CC3 und CC4 gelangen die Lichtstrahlen L21 und L22 zurück zum Gitter GS an den Punkten P4 sowie PS und werden er neut durch das Gitter GS gebeugt. Diese gebeugten Lichtstrah len L31 und L32 werden wiederum durch die Winkelspiegel CC1 bzw. CC2 gebeugt, kehren zurück zum Gitter GS und fallen am selben Punkt P6 ein, an dem sie wiederum gebeugt werden (vierte Beugung). Diese vierten Beugungslichtstrahlen L41 und L42 inter ferieren miteinander. Das interferierende Licht gelangt über einen Spiegel MR zu einem Strahlenteiler HM, wo eine Trennung in zwei Lichtstrahlen erfolgt, die durch Polarisationsplatten PP1 bzw. PP2 zu Fühlern PD1 bzw. PD2 gerichtet werden.In Fig. 1, the light emanating from a light source LD, for example comprising a semiconductor laser, the optical distance measuring system of the lattice interference type is converted into a single-wave light LD by a collimator CL and then falls on a point P1 on the distance measuring reference grating GS, which is in a relatively movable relationship to the optical distance measuring system. The light incident on the reference grating GS is diffracted by the latter. Diffraction light beams L11 and L12 of positive and negative order n generated thereby enter the angle mirrors CC1 and CC2, respectively, through which they are reflected, and each reflected light propagates in a direction parallel and inverse to its incoming path . The light rays reflected by the angles CC1 and CC2 fall like that onto the reference grating GS at the respective points P2 and P3 and are again diffracted by the grating GS. These diffracted light beams L21 and L22 pass through phase plates FP1 and FP2, so that the polarization state of each light is changed. After reflection by the angle mirrors CC3 and CC4, the light beams L21 and L22 return to the grating GS at points P4 and PS and are newly diffracted by the grating GS. These diffracted light beams L31 and L32 are in turn diffracted by the angle mirrors CC1 and CC2, return to the grating GS and are incident at the same point P6 at which they are again diffracted (fourth diffraction). These fourth diffraction light beams L41 and L42 interfere with each other. The interfering light reaches a beam splitter HM via a mirror MR, where it is separated into two light beams which are directed to sensors PD1 and PD2 by polarizing plates PP1 and PP2.
Die Phasenplatten FP1 und FP2 können beispielsweise λ/4- Plättchen umfassen und sind so festgesetzt, daß ihre starken Achsen mit Winkeln von +45° und -45° mit Bezug zu den linear polarisierten Komponenten der Laserstrahlen L21 und L22 ge neigt sind. Auch können die Polarisationsplatten PP1 und Pp2 so festgelegt werden, daß sie jeweils Winkel mit 0° und 45° haben. Mit der oben beschriebenen Anordnung sind solche Signa le mit Intensitäten, welche sich mit einem Phasenunterschied von 90° unterscheiden, an den beiden Fühlern PD1 und PD2 zu erhalten. Ferner wenden, wenn die Teilung des Entfernungsmeß- Bezugsgitters 2,4 µm beträgt und wenn die Beugungs ordnung an jedem der verschiedenen Punkte und bei jeden Zeiten "±1. Ordnung" ist, an den Fühlern PD1 und PD2 solche Signale erzeugt, die einen 0,3 µm-Abstand haben, der 1/8 der Teilung des Gitters beträgt. Durch Teilen des auf diese Weise bestimmten Impulsintervalls in Übereinstim mung mit dem elektrischen Teilungsverfahren, das beispiels weise unter Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben wurde, sind Impulssignale in einer Anzahl, die zweimal größer ist als die oben beschriebene Impulsanzahl, zu erhalten, d. h., es können 32 Impulse pro einer Teilung mit einem Abstand von 0,075 µm erhalten werden.The phase plates FP1 and FP2 can comprise, for example, λ / 4 plates and are set so that their strong axes are inclined at angles of + 45 ° and -45 ° with respect to the linearly polarized components of the laser beams L21 and L22. The polarizing plates PP1 and Pp2 can also be set so that they have angles of 0 ° and 45 °, respectively. With the arrangement described above, such signals with intensities which differ with a phase difference of 90 ° can be obtained at the two sensors PD1 and PD2. Further, when the pitch of the rangefinder reference grating is 2.4 µm and when the diffraction order is "± 1st order" at each of the various points and at all times, sensors PD1 and PD2 generate those signals which produce a 0 , 3 µm distance, which is 1/8 of the pitch of the grating. By dividing the pulse interval determined in this manner in accordance with the electrical division method described, for example, with reference to FIG. 2, pulse signals in a number that is twice the number of pulses described above can be obtained, that is, 32 pulses per division can be obtained at a distance of 0.075 µm.
Obwohl die Erfindung anhand des obigen Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, so ist sie nicht auf die dargelegten Einzelheiten beschränkt, da dem Fachmann im Rahmen des Schutzbereichs der Erfindung in Kenntnis der vermittelten Lehre Abwandlungen und Abänderungen verschiedenster Art an die Hand gegeben worden sind.Although the invention based on the above embodiment has been described, it is not based on those set out Details limited, because the specialist within the scope of Scope of the invention with knowledge of the mediated Teach variations and changes of various kinds have been shaken.
Claims (4)
- a) einem Beugungsgitter (GS), das relativ zu einem Lesekopf verschiebbar ist, wobei der Lesekopf eine Licht quelle (LD) enthält, die ein kohärentes Lichtbündel senkrecht auf das Beugungsgitter sendet und das Beugungs gitter (GS) das auftreffende Lichtbündel in eine positive Beugungsordnung (n) und eine negative Beugungsordnung (n) aufspaltet, wobei
- b) das Lichtbündel der positiven Beugungsordnung (n) auf ein erstes retroreflektierendes Element (CC1) auftrifft und nach der Reflexion an dem retroreflek tierenden Element (CC1) ein zweites Mal an dem Beugungs gitter (GS) gebeugt wird, der zweimal gebeugte Strahl an einem dritten retroreflektierenden Element (CC3) reflektiert wird und ein drittes Mal an dem Gitter (GS) gebeugt wird und der dreimal gebeugte Strahl erneut auf das erste reflektierende Element (CC1) auftrifft und nach der Reflexion an dem retroreflektierenden Element (CC1) ein viertes Mal an dem Gitter (GS) gebeugt wird und das Gitter (GS) als viermal gebeugter Strahl parallel zur Einfallsrichtung des von der Lichtquelle kommenden Licht bündels verläßt;
- c) das Lichtbündel der negativen Beugungsordnung (n) auf ein zweites retroreflektierendes Element (CC2) auftritt und nach der Reflexion an dem retroreflek tierenden Element (CC2) ein zweites Mal an dem Beugungsgitter (GS) gebeugt wird, der zweimal gebeugte Strahl an einem vierten retroreflektierenden Element (CC4) reflektiert wird und ein drittes Mal an dem Beugungs gitter (GS) gebeugt wird und der dreimal gebeugte Strahl erneut auf das zweite reflektierende Element (CC2) auftrifft und nach der Reflexion an dem retroreflektie renden Element (CC2) ein viertes Mal an dem Beugungs gitter (GS) gebeugt wird und das Beugungsgitter (GS) als viermal gebeugter Strahl parallel zur Einfallsrichtung des von der Lichteinfallseinrichtung kommenden Licht bündels verläßt und mit dem von dem Beugungsgitter (GS) zum vierten Mal gebeugten Licht der positiven Beugungs ordnung (n) interferiert und
- d) die interferierenden Lichtbündel auf eine Sensoreinrichtung (PD1, PD2) fallen, die ein Signal entsprechend dem empfangenen Licht aus der Interferenz des viermal gebeugten Lichts der positiven Beugungs ordnung (n) und der negativen Beugungsordnung (n) abgibt.
- a) a diffraction grating (GS) which is displaceable relative to a reading head, the reading head containing a light source (LD) which sends a coherent light beam perpendicular to the diffraction grating and the diffraction grating (GS) the incident light beam in a positive diffraction order (n) and a negative diffraction order (n) split, where
- b) the light beam of the positive diffraction order (s) strikes a first retroreflective element (CC1) and after reflection on the retroreflective element (CC1) is diffracted a second time on the diffraction grating (GS), the twice diffracted beam on one third retroreflective element (CC3) is reflected and is diffracted a third time on the grating (GS) and the three times diffracted beam strikes the first reflective element (CC1) again and after the reflection on the retroreflective element (CC1) a fourth time the grating (GS) is diffracted and leaves the grating (GS) as a four times diffracted beam parallel to the direction of incidence of the light beam coming from the light source;
- c) the light beam of the negative diffraction order (n) occurs on a second retroreflective element (CC2) and after reflection on the retroreflective element (CC2) is diffracted a second time on the diffraction grating (GS), the twice diffracted beam on a fourth retroreflective element (CC4) is reflected and diffracted a third time on the diffraction grating (GS) and the three times diffracted beam hits the second reflective element (CC2) again and after the reflection on the retroreflective element (CC2) a fourth time is diffracted at the diffraction grating (GS) and leaves the diffraction grating (GS) as a four times diffracted beam parallel to the direction of incidence of the light bundle coming from the light incidence device and with the light of the positive diffraction order (n ) interferes and
- d) the interfering light beams fall on a sensor device (PD1, PD2) which emits a signal corresponding to the received light from the interference of the four times diffracted light of the positive diffraction order (s) and the negative diffraction order (s).
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