DE4004835A1

DE4004835A1 - Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE4004835A1
Application number: DE19904004835
Authority: DE
Inventors: Alfons Dipl Ing Spies; Arnold Dipl Ing Teimel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1989-11-02
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1991-05-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Relativlage zweier Objekte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Positionsmeßeinrichtungen sind in vielfältiger Bau weise bekannt. Als Beispiel sei die EP-B1-1 63 362 angeführt. Dort ist eine Vorrichtung beschrieben, die nach dem sogenannten Dreigitter-Meßprinzip ar beitet. Dort ist das Maßstabgitter reflektierend ausgebildet und das Referenzgitter weist ausgewähl te Charakteristika auf, die die Phasenlage der Beu gungsordnungen zueinander beeinflussen.

In der Dissertation "Photoelektrische Messung der Änderung von Längen- oder Winkelpositionen mit Hil fe von Beugungsgittern" von F. Hock, Universität Stuttgart 1975, ist auf den Seiten 130 und 131 die Rückmischung zweier kohärenter Teilstrahlen an ei nem laminaren Phasengitter dargestellt (Abb. 55) und beschrieben. Das Meßgitter ist dort jedoch nicht dargestellt. Das Phasengitter ist so ausge bildet, daß die 0. und geradzahlige Beugungsord nungen eliminiert werden.

In der DE-OS 37 00 906 ist eine interferentiell ar beitende Positionsmeßeinrichtung dargestellt, bei der die Phasenverschiebungen der Meßsignale durch polarisationsoptische Elemente erzeugt werden, die im Strahlengang der Teilstrahlenbündel liegen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und unter Verzicht auf polarisations optische Mittel wenigstens zwei zueinander phasen verschobene Signale liefert.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Vorrichtung mit nur einem Beugungsgitter ausge stattet werden muß und ohne polarisationsoptische Bauelemente auskommt, was den Aufbau stark verein facht und die Kosten vorteilhaft beeinflußt. Ferner erzielt man Abtastsignale deren Periode ein Viertel der Maßstabs-Periode beträgt.

Merkmale, die die erfindungsgemäße Vorrichtung vor teilhaft ausgestalten entnimmt man den Unteran sprüchen.

Anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh rungsbeispiele wird die Erfindung noch näher er läutert.

Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Meßvorrichtung für zwei phasen verschobene Meßsignale;

Fig. 2 eine Meßvorrichtung für drei phasenverschobene Meßsignale;

Fig. 3 eine Meßvorrichtung mit nicht senkrecht einfallendem Be leuchtungsstrahlenbündel;

Fig. 4A eine Meßvorrichtung mit Re flexionsspiegeln;

Fig. 4B eine Seitenansicht der Meßvor richtung gemäß Fig. 4A;

Fig. 5 eine Variante der Meßvorrich tung gemäß Fig. 3 mit Tripel spiegeln;

Fig. 6A eine Auflicht-Meßvorrichtung mit Reflexionsspiegeln;

Fig. 6B eine Seitenansicht der Meßvor richtung gemäß Fig. 6A;

Fig. 7A eine Auflicht-Meßanordnung mit Tripelspiegeln;

Fig. 7B eine Seitenansicht der Meßvor richtung gemäß Fig. 7A;

Fig. 8 eine Meßvorrichtung zur Win kelmessung mit Durchmesserabtastung und

Fig. 9 eine Variante einer Durchmes serabtastvorrichtung.

Eine in Fig. 1 gezeigte Meßvorrichtung M1 weist ein Phasengitter 1 auf, an dem ein senkrecht ein fallendes Lichtbündel L in seine ± 1. Beugungsord nungen abgebeugt wird. Andere Beugungsordnungen werden eliminiert. Die Teilstrahlenbündel der ± 1. Beugungsordnungen treffen auf retroreflektierende Elemente in Form von Tripelspiegeln 2 und 3. Die Tripelspiegel 2 und 3 werfen die Teilstrahlenbündel der ± 1. Beugungsordnungen parallel zu sich selbst auf das Phasengitter 1 zurück. Dort werden sie er neut gebeugt und es interferieren nach dem zweiten Durchgang durch das Phasengitter 1 folgende Beu gungsordnungen miteinander:
Die -1. Ordnung der ersten Beugung und die 0. Ordnung der zweiten Beugung mit der +1. Ordnung der ersten Beugung und der +2. Ordnung der zwei ten Beugung, sowie die +1. Ordnung der ersten Beugung und die 0. Ordnung der zweiten Beugung mit der -1. Ordnung der ersten Beugung und der -2. Ordnung der zweiten Beugung.

Es treten Zweistrahlinterferenzen auf, deren Inten sitäten bei Bewegung des Phasengitters 1 moduliert werden und die durch die Einbeziehung der 0. Beu gungsordnung beim zweiten Durchgang durch das Pha sengitter 1 zueinander phasenverschoben sind.

Diese Phasenschiebungen sind abhängig von den Cha rakteristika des Phasengitters. Sie können durch ein von 1 : 1 abweichendes Verhältnis von Strich-zu- Lückenbreite und durch Differenzen im Brechungsin dex der Phasenschichten und/oder ihre Dicke vari iert werden.

Von Detektoren 4 und 5 werden die Intensitätsmodu lationen in zueinander phasenverschobene elek trische Signale umgewandelt.

Das anhand von Fig. 1 erläuterte Grundprinzip zieht sich durch alle Ausführungsbeispiele, so daß hier zur Straffung nur die der jeweiligen Figur zugrundeliegenden Variationen erläutert werden.

In Fig. 2 werden bei ähnlichem Aufbau drei zuein ander phasenverschobene Signale erzeugt, indem nach dem zweiten Durchgang durch das Phasengitter 12 in drei Richtungen Zweistrahlinterferenzen auftreten und von drei Detektoren 42, 52, 62 in drei zueinan der phasenverschobene elektrische Signale umgewan delt werden. Die interferierenden Strahlen werden in Richtung ihres Detektors angegeben, es inter feriert
in Richtung des Detektors 42:
ein Strahl der Beugungsordnungen +1., +1. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen -1.,
-1.;
in Richtung des Detektors 52:
ein Strahl der Beugungsordnungen -1., -2. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen +1., 0. und
in Richtung des Detektors 62:
ein Strahl der Beugungsordnungen +1., +2. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen -1., 0..

Die Phasenschiebung zwischen den Signalen beträgt in diesem Fall 120°.

Zu beachten ist auch in diesem Fall, daß beim er sten Durchtritt durch das Phasengitter 12 (Auf spaltungsgitter) die 0., ± 2., und die höheren Beu gungsordnungen absorbiert oder ausgeblendet werden, und erst beim zweiten Durchgang durch das Phasen gitter 12 (Vereinigungsgitter) werden die 0. und die höheren Beugungsordnungen bei der Bildung der interferierenden Teilstrahlenbündel wieder mit ein bezogen.

In der in Fig. 3 dargestellten Variante wird das Phasengitter 13 unter einem Winkel beleuchtet, der von 90° abweicht. Hier wird die -1. Beugungsordnung beim ersten Durchgang durch das Phasengitter 13 ausgeblendet, und die 0. sowie die -2. Beugungsord nung werden Tripelspiegeln 23 und 33 zugeführt, die sie wieder auf das Phasengitter 13 zurückwerfen. Nach erneuter Beugung interferieren nun
in Richtung des Detektors 43:
ein Strahl der Beugungsordnungen 0., +2. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen -2., 0. und
in Richtung des Detektors 53:
ein Strahl der Beugungsordnungen -2., -2. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen 0., 0..

In Fig. 4A ist eine Variante mit Reflexionsspie geln 24 und 34 gezeigt, bei der das Beleuchtungs strahlenbündel 24 wiederum senkrecht zur Meßrich tung auf das Phasengitter 14 auftritt und dort in Teilstrahlenbündel aufgespalten wird.

Fig. 4B zeigt hingegen, daß in dieser Ansicht das Beleuchtungsstrahlenbündel unter einem von der Nor malen abweichenden Winkel auf einen Teil 14A des Phasengitters 14 auftrifft, und durch die Re flexionsspiegel 24, 34 auf einen anderen Teil 14V trifft, wobei die gebeugten Teilstrahlenbündel nochmals gebeugt werden und auch wieder miteinander interferieren.

Bei dieser Anordnung können die Teilbereiche des Phasengitters jeweils für die Aufspaltung des Be leuchtungsstrahlenganges und für die Vereinigung der gebeugten Teilstrahlenbündel bezüglich der zu erzeugenden Beugungsordnungen der Teilstrahlenbün del jeweils optimiert werden. Die interferierenden Teilstrahlenbündel werden in analoger Weise zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen gebildet.

In Fig. 5 ist eine Variante der Ausführungsform gemäß Fig. 3 skizziert, bei der die 0. und +1. Beugungsordnungen verwendet werden. Diese Anordnung liefert eine Signalperiode die 1/2 der Gitterperio de beträgt. Die resultierenden Zweistrahlinterfe renzen ergeben sich aus der Analogie zu den vor stehend beschriebenen Beispielen.

Bei den Ausführungsformen gemäß der Fig. 6A, 6B; 7A, 7B sind die Beispiele aus den Fig. 2; 4A, 4B in Varianten als Auflichtversionen dargestellt. Die Beleuchtung, die Reflexionselemente 26, 36; 27, 37 sowie die Detektoren 46, 56, 66; 47, 57, 67 sind alle auf derselben Seite des Phasengitters 16; 17 angeordnet, was im Gegensatz zu den ersten Bei spielen dem sogenannten Auflichtprinzip entspricht.

Da die bauliche Ausgestaltung auf die bei Auflicht geräten übliche Variationen gegenüber den Durch lichtgeräten abgestimmt ist, braucht hierzu nicht näher Stellung genommen werden.

Ähnlich verhält es sich bei den Ausführungsbeispie len gemäß der Fig. 8 und 9. Hier wird ein an sich bekanntes Abtastprinzip der sogenannten Durch messerabtastung mit der Erfindung in besonders vor teilhafter Weise verknüpft.

Ein Beispiel für die Durchmesserabtastung findet sich in der DE-PS-36 33 574.

Als Meßgitter dient ein Zylindermantel, auf den in bekannter Weise ein Phasengitter 18 mit den für die Erfindung erforderlichen physikalischen Eigenschaf ten aufgebracht ist.

Beim ersten Durchgang durch das Phasengitter 18 wird das einfallende Lichtbündel L8 wieder gebeugt, Teilstrahlenbündel der ± 1. Ordnung werden erzeugt und treten in ein Umlenkprisma 28 ein, in welchem sie zweimal umgelenkt werden.

Unter dem gleichen Winkel, unter dem sie in das Umlenkprisma 28 eingetreten sind, treten sie wieder aus und durchsetzen das Phasengitter 18 zum zweiten Mal, und zwar diametral gegenüber dem ersten Git terdurchgang. Nachdem die Teilstrahlenbündel in der bereits beschriebenen Art und Weise nochmals ge beugt werden, interferieren sie wieder und treffen als Zweistrahlinterferenzen folgender Kombi nationen auf Detektoren 48, 58, 68, und zwar inter ferieren
in Richtung Detektor 48:
ein Strahl der Beugungsordnungen -1., -2. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen +1., 0.;
in Richtung des Detektors 58:
ein Strahl der Beugungsordnungen +1., +1. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen -1., -1. und
in Richtung des Detektors 68:
ein Strahl der Beugungsordnungen -1., 0. mit einem zweiten Strahl der Beugungsordnungen +1., +2..

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 entspricht im Kern dem der Fig. 8. Die Umlenkung der gebeugten Teilstrahlenbündel ± 1. Ordnung erfolgt hier jedoch mittels eines sogenannten "Dove"-Prismas 29, dem Umlenkgitter 39 vor- bzw. nachgeschaltet sind. Der Verlauf der gebeugten Teilstrahlenbündel ist aus Fig. 9 ersichtlich und die interferierenden Teil strahlenbündel entsprechen den in Fig. 8 gezeigten Zweistrahlinterferenzen. Diese werden in bekannter Weise von Detektoren 49, 59 und 69 in zueinander phasenverschobene Signale umgewandelt.

Die Lichtquelle kann durch einen HeNe-Gaslaser, einen Halbleiter-Laser mit einer Kollimationsoptik, eine Lumineszenzdiode mit Kollimationsoptik oder dergleichen gebildet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Relativlage zweier Objekte mit wenigstens einer Beleuchtungs- und einer Detektoreinrichtung die einem der Objekte zugeordnet sind, sowie wenigstens mit einer als Beugungsgitter ausgebildeten Meßteilung am ande ren Objekt, bei der ein Strahlenbündel an der Meßteilung gebeugt und in interferenzfähige Teil strahlenbündel aufgespalten wird, wobei die ge beugten Teilstrahlenbündel von optischen Elemen ten auf die Meßteilung umgelenkt, erneut gebeugt und paarweise zur Interferenz gebracht werden, wobei Intensitätsmodulationen dieser Zweistrahl interferenzen durch die Detektoreinrichtung in elektrische Signale umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalischen Eigen schaften der als Phasengitter ausgebildeten Meß teilung (1n) so gewählt sind, daß zumindest bei der Bildung einer der Zweistrahlinterferenzen wenigstens ein Teilstrahlenbündel der 0. Beu gungsordnung beteiligt ist, und daß die bei ei ner Bewegung der Meßteilung (1n) in Meßrichtung entstehenden Intensitätsmodulationen der Zwei strahlinterferenzen zueinander phasenverschoben sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die optischen Elemente retrore flektierende Elemente (2n, 3n) wie Tripelpris men, Tripelspiegel, Katzenaugen oder dgl. sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente Plan spiegel (2k, 3k) sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einer Winkelmeßeinrichtung die optischen Elemente Umlenkprismen (28) sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß bei einer Winkelmeßeinrichtung die optischen Elemente durch ein Dove-Prisma (29) gebildet werden, dem je ein Umlenkgitter (39) vor- und nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Detektoreinrichtung wenigstens zwei Photoelemente (4n, 5n, 6n) aufweist, die wenigstens zwei Zweistrahlinterferenzen in zwei zueinander phasenverschobene elektrische Signale umwandeln.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß als Beugungsgitter eine einzige Meßteilung (1n) vorgesehen ist, an der die Strahlenbündel zweimal gebeugt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß Teilbereiche des Phasengitters (1n) jeweils für die Aufspaltung (14A) und für die Vereinigung (14V) der Strahlenbündel unter schiedliche physikalische Eigenschaften aufwei sen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die interferierenden Beu gungsordnungen so gewählt sind, daß die Periode der elektrischen Signale 1/4 der Teilungsperiode der Meßteilung (1n) beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die interferierenden Beugungs ordnungen so gewählt sind, daß die Periode der elektrischen Signale 1/2 der Teilungsperiode der Meßteilung (1n) beträgt.