DE4212281C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferentiell arbeitende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Referenzmarken sind bei photoelektrischen inkrementalen Längen- und Winkelmeßeinrichtungen üblich, um einen definierten Nullpunkt festlegen und reproduzieren zu können.

In der DE-C2 34 16 864 ist der Aufbau einer Refe­ renzmarke zur Erzeugung eines Referenzimpulses be­ schrieben. Es werden dabei Phasengitter als Tei­ lungsmarkierungen verwendet, die die Strahlung ei­ ner Lichtquelle beugen und auf Detektoren lenken. Die Auswertung von Gegentakt- bzw. Pseudogegentakt­ signalen liefert einen Referenzimpuls, der von der Beleuchtungsintensität (und in gewissen Grenzen auch von Abstandsänderungen) relativ unabhängig ist. Die Impulsbreiten dieses Referenzimpulses werden im wesentlichen durch die Breiten der Tei­ lungsmarkierungen auf dem Teilungsträger und den Breiten der Spalte in der Abtastplatte bestimmt. Mit dieser auf Schattenwurf basierenden Vorrichtung lassen sich aufgrund von Beugungseffekten keine Referenzimpulse mit sehr kleinen Impulsbreiten er­ zeugen, wie sie für hochauflösende, inkrementale Meßsysteme erforderlich wären. Außerdem müssen die Abtastplatte und der Teilungsträger im engen Ab­ stand gehalten werden.

Aus der DE-C2 34 17 176 ist ein Referenzimpulsgeber bekannt, der die oben angeführten Nachteile nicht besitzt. Dieser besteht aus mehreren Gittern mit periodischen Teilungen unterschiedlicher Gitter­ konstante, aus denen entsprechend dem Dreigitter­ geberprinzip (Dissertation J. Willhelm, "Dreigit­ terschrittgeber - photoelektrische Aufnehmer zur Messung von Lageänderungen", TU Hannover) Signale unterschiedlicher Periode abgeleitet werden. Ent­ sprechend einer Fourier-Reihe werden diese Signale zusammengefaßt. Dadurch lassen sich Referenzimpulse sehr kleiner Breite erzeugen, die zudem kaum vom Abstand zwischen der Abtastplatte und dem Teilungs­ träger abhängen. Allerdings liefert diese Vorrich­ tung nicht nur einen einzelnen Referenzimpuls, son­ dern eine periodische Folge von Impulsen. Es müssen daher durch zusätzliche Maßnahmen diese Impulse unterscheidbar gemacht werden. Da der Impulsabstand nicht beliebig vergrößert werden kann, ist zur Se­ lektion eines Impulses ein erheblicher Aufwand nö­ tig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Signale sehr kleiner Breite liefert, die in weiten Grenzen unabhängig sind von der Be­ leuchtungsintensität und von dem Abstand zwischen dem Abtastgitter und dem Teilungsträger. Zudem soll durch verschieden ausgebildete Referenzmarken eine Unterscheidung der Referenzmarken möglich sein.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen darin, daß trotz der sehr kleinen Breite des Referenzimpulses die Abtastung der Referenzmarken auch in einem großen Abtastabstand möglich ist und daß dementsprechend die Abtastung der Referenzmar­ ken gegenüber Abtastabstandsänderungen unempfind­ lich ist. Ferner ist es bei dieser Vorrichtung möglich, durch verschiedene Ausgestaltungen der Referenzmarken unterschiedliche Signal formen zu erzeugen. So können z. B. mehrere Referenzmarken unterscheidbar gemacht werden. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber nicht be­ schränkt auf Referenzmarken. So können auch Null­ signale für Nullsensoren erzeugt werden, deren Si­ gnalverlauf in weiten Grenzen durch geeignete Git­ terparameter eingestellt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen entnimmt man den Un­ teransprüchen.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen soll anhand der Zeichnungen die Erfindung näher erläutert werden. Die Darstellungen sind zum besseren Verständnis stark vereinfacht.

Es zeigt

Fig. 1 eine Durchlichtanordnung mit drei gleichartig ge­ chirpten Gittern in Null­ stellung (X-0),

Fig. 2 veranschaulicht den in Fig. 1 stark schemati­ sierten Aufbau einer Po­ sitionsmeßeinrichtung,

Fig. 3 bis 7 Meßeinrichtungen mit un­ terschiedlichen Abtast­ prinzipien,

Fig. 8 ein gechirptes Radialgit­ ter,

Fig. 9 ein Beugungsgitter mit konzentrischen Kreisen,

Fig. 10 eine Beugungsstruktur aus einzelnen Kreisen und

Fig. 11 ein gechirptes Überstruk­ turgitter.

In Fig. 1 ist schematisch eine im Auflichtverfah­ ren arbeitende Meßeinrichtung 1 dargestellt. Drei Beugungsgitter A, B, A′ besitzen keine periodische Teilung. Ihre Gitterkonstante d = d(x) ändert sich vielmehr entlang der Teilungsrichtung x. In der Literatur werden solche Gitter als gechirpte Gitter bezeichnet. Es wird hier zunächst angenommen, daß die gechirpten Gitter A, B und A′ eine identische Teilung besitzen. In Fig. 1 sind der Einfachheit halber nur wenige Beugungsstrahlen eingezeichnet. Das Lichtbündel einer kollimierten, inkohärenten Lichtquelle L (LED) wird am Gitter A in Teilstrah­ lenbündel aufgespalten. Diese werden am Gitter B umgelenkt und schließlich am Gitter A′ überlagert und zur Interferenz gebracht. Die Detektoren D-1, D0, D1 detektieren die Strahlenbündel der -1., 0. und +1. resultierenden Beugungsordnung.

Befindet sich das entlang der Teilungsrichtung ver­ schiebbare Gitter B in der Stellung X = 0, bei der sich entsprechende Gitterstege der Gitter A, A′ und B gegenüberstehen, so treten durch den Einfluß der ortsabhängigen Gitterkonstante Strahlneigungen δR, δϕ, δϕ′ auf, die zu Phasenverschiebungen zwischen den Teilstrahlenbündeln führen, die vom Gitterab­ stand a abhängen. Diese Phasenverschiebungen müssen klein gehalten werden, da nur dann der mit Hilfe der Detektoren D-1, D0, D1 gewonnene Signalverlauf S_n(X), n = -1, 0, 1 vom Abstand a der Gitter A, B, A′ unabhängig ist. Dabei steht der Index "n" für die n-te resultierende Ordnung. Diese Bedingung läßt sich erfüllen, wenn die Variation δd(x)/δx der lokalen Gitterkonstante d(x) auf kleine Werte be­ grenzt bleibt, was sich in der Praxis stets durch eine entsprechend lange Gitterteilung erreichen läßt.

Die Idee der Erfindung geht aus von einem herkömm­ lichen Dreigittergeber, der periodische Signale mit einer Periode gleich der halben Gitterkonstante liefert. Bei Verwendung gechirpter Gitter können diese gedanklich in viele kleine Teilgitter mit jeweils konstanter aber untereinander verschiedener Gitterkonstanten zerlegt werden. Jedes Teilgitter liefert bei kleinen Verschiebungen X des Gitters B periodische Signale unterschiedlicher Frequenz. Durch die Überlagerung aller Signalfrequenzen ent­ steht ein nichtperiodischer Signalverlauf S_n(x), ähnlich einer Überlagerung eines kontinuierlichen Frequenzspektrums in einem Fourierintegral.

Verschiedene funktionale Abhängigkeiten der lokalen Teilungsperiode d(x) von der Teilungsrichtung x ergeben unterschiedliche Signalverläufe S_n(x). Auch durch die ortsabhängige Variation anderer Gitter­ parameter, wie Steghöhe, Stegbreite, Steglänge, Transmission, Absorption, Form der Stege; läßt sich bei Verwendung gechirpter Gitter der Signalverlauf S_n(x) beeinflussen.

Die Signalform S_n(x) wird des weiteren bestimmt von der Phasenlage der einzelnen Frequenzkomponenten, die die einzelnen Teilgitter beitragen. Diese Pha­ senlagen lassen sich verschieben, indem man die einzelnen Gitterstege in den Teilgittern des Beu­ gungsgitters B gegenüber dem entsprechenden der Beugungsgitter A und A′ verschiebt. So läßt sich die Signalform S_n(x) in weiten Grenzen verändern.

Die Fig. 2 veranschaulicht nochmals den Aufbau ei­ ner Positionsmeßeinrichtung, vor allem die beson­ dere Struktur der Beugungsgitter A, B und A′.

In Fig. 3 ist schematisch eine weitere Meßeinrich­ tung 13 als Dreigittergeber gezeigt. Die Funktions­ weise dieser Anordnung ist ähnlich der in der Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung mit dem Unterschied, daß durch die Verwendung eines gechirpten Amplitu­ dengitters A3 als Abtastteilung die verschiedenen resultierenden Beugungsordnungen dieses Dreigitter­ gebers 13 Signale mit derselben Phasenlage liefern und deshalb nicht mehr getrennt auf Photoelemente D3 gelenkt werden müssen. Daher ist hier auch eine kurzbrennweitige Linse 23 realisierbar.

Fig. 4: Die gechirpte Maßstabsteilung B4 besitzt hier an jeder Stelle die halbe lokale Teilungs­ periode (=Gitterkonstante) verglichen mit der ent­ sprechenden Stelle der gechirpten Abtastteilung A4. Das kollimierte Lichtbündel der Lichtquelle L4 wird durch die gechirpte Teilung A4 (vorzugsweise ein Phasengitter) in eine +1. und eine -1. Beugungsord­ nung aufgespalten. Die Maßstabsteilung B4 (eben­ falls vorzugsweise ein Phasengitter) lenkt diese Beugungsordnungen jeweils wieder in die entgegenge­ setzte Richtung zurück, so daß sie durch die Teilung A4 in nullter resultierender Beugungsordnung zur Interferenz gebracht und vom Photoelement D4 detek­ tiert werden können.

Auch andere Abtastverfahren als das des beschriebe­ nen Dreigittergebers können herangezogen werden, wenn die periodischen Teilungen durch entsprechende gechirpte Teilungen ersetzt werden. Besonders vor­ teilhaft sind Verfahren, die eine Abtastung des Maßstabs (weitgehend) unabhängig von seinem Abstand erlauben. Denn bei Verwendung gechirpter Teilungen muß jede lokale Teilungsperiode bei einem festen Abstand des Maßstabs einen entsprechenden, os­ zillierenden Signalanteil liefern. Bei abstands­ unabhängigen Abtastverfahren werden vorzugsweise symmetrische Beugungsordnungen des Maßstabs (meist ±1.) zur Interferenz gebracht. Dies führt zu einer für diese Verfahren typischen Signalperiode gleich einem Bruchteil der Teilungsperiode. Im folgenden sind einige weitere geeignete Abtastverfahren zur Erzeugung von Referenzimpulsen mit Hilfe gechirpter Gitter aufgezählt.

In den Fig. 5 und 6 werden Zweigittergeber ge­ zeigt.

Fig. 5: Die beiden ersten Beugungsordnungen der Teilung A5 (vorzugsweise ein Phasengitter) bilden am Ort der Teilung B5 ein Streifensystem, das mit Hilfe des Amplitudengitters B5, das verglichen mit entsprechenden Stellen der Teilung A5 die halbe lokale Teilungsperiode besitzt, abgetastet und von einem Detektor D5 detektiert wird. Das Amplituden­ gitter B5 kann auch direkt auf dem Detektor D5 auf­ gebracht sein, so daß gewissermaßen dieses Beu­ gungselement durch einen strukturierten Detektor gebildet wird.

Fig. 6: Das kollimierte Lichtbündel der Licht­ quelle L6 wird durch die gechirpte Teilung A6 (vor­ zugsweise ein Phasengitter) in eine +1. und eine -1. Beugungsordnung aufgespalten und durch die ge­ chirpte Teilung B6 (ebenfalls vorzugsweise ein Pha­ sengitter) wieder in Richtung resultierender 0. Beugungsordnung zurückgelenkt. Ein Photoelement D6 detektiert diese resultierende 0. Beugungsordnung.

In Fig. 7 wird zur Vervollständigung noch ein Ein­ gittergeber 17 dargestellt. Das Licht einer Licht­ quelle L7 (vorzugsweise ein Halbleiterlaser) wird durch eine Linse 27 kollimiert und auf eine ge­ chirpte Teilung A7 (vorzugsweise ein Phasengitter) gelenkt. Das reflektierte Lichtbündel wird dabei in eine +1. und eine -1. Beugungsordnung aufge­ spalten. Eine Abbildungsoptik (hier die gleiche Linse 27) bildet nun die gechirpte Teilung A7 auf den Detektor D7 ab und überlagert so die beiden Beugungsordnungen. Das entstehende Interferenz­ streifensystem mit sich änderndem Streifenabstand wird mittels eines Photoelementes D7 detektiert, das entsprechend einem gechirpten Gitter struk­ turiert ist. Die lokale Strukturierungsperiode des Photoelementes D7 hängt dabei u. a. vom Abbildungs­ maßstab der Abbildungsoptik 27 ab.

Es ist bekannt, daß das Dreigitterprinzip auch für Drehgeber anwendbar ist. Es liegt deshalb im Rahmen der Erfindung, auch einen Drehgeber nach der Erfin­ dung auszugestalten, indem entweder - wie in Fig. 8 gezeigt - gechirpte Radialteilungen A8 verwendet oder gechirpte Teilungen auf Zylinderflächen aufge­ bracht werden.

Mit Hilfe der hier beschriebenen Vorrichtung lassen sich in Abhängigkeit einer Verschiebung X je nach Ausbildung der gechirpten Gitter, sehr unterschied­ liche Signalformen erzeugen. Die Verwendung dieser Vorrichtung ist dabei nicht auf die Erzeugung von Referenzimpulsen beschränkt. So können auch für verschiedene Nullsensoren geeignete Signalverläufe generiert werden, beispielsweise mit konzentrischen Kreisen A9 gemäß Fig. 9.

Als Beugungselemente müssen nicht unbedingt Beu­ gungsgitter eingesetzt werden. Auch andere beugende Elemente können verwendet werden, wenn ihre beugen­ de Struktur - z. B. Punkte A10 (Kreisscheiben) statt Gitterstriche - sich ortsabhängig und stetig ver­ ändert, wie dies aus Fig. 10 ersichtlich ist.

Ferner ist es möglich, gechirpte Gitter als soge­ nannte Überstrukturgitter auszuführen.

Periodisch geteilte Überstrukturgitter besitzen in jeder Teilungsperiode mehr als einen Gittersteg. Durch eine Überstruktur lassen sich die Beugungs­ effizienzen verschiedener Beugungsordnungen gezielt erhöhen oder abschwächen. Verwendet man periodische Überstrukturgitter als Abtast- und/oder Maßstabs­ teilung in einem Dreigittergeber, so erhält man Abtastsignale, deren Oberwellengehalt von der Über­ struktur abhängt. Bei geeigneter Wahl der Über­ struktur können der Signalanteil mit der doppelten Frequenz (halbe Signalperiode, 2. Harmonische) und/oder noch höhere Harmonische auf Amplitudenwer­ te der Grundwelle verstärkt werden.

Gechirpte Überstrukturgitter enthalten ebenfalls in jeder lokalen Teilungsperiode mehr als einen Git­ tersteg, was in der Fig. 11 anhand eines Maßstabes A11 verdeutlicht wird. Bei geeigneter Wahl der Überstruktur liefert jede Stelle der Gitteranord­ nung in der Nähe der Nullage X = 0 der Gitter nicht nur einen Signalanteil mit einer Periode gleich einer halben lokalen Teilungsperiode (Grundwelle), sondern auch einen Signalanteil mit einer Periode gleich einer viertel lokalen Teilungsperiode (2. Harmonische) bzw. noch höhere Harmonische. Variiert die lokale Teilungsperiode der gechirpten Gitter beispielsweise von d₀ bis 2d₀, so weist das abge­ leitete Signal in der Nähe der Nullage X = 0 Anteile mit Signalperioden d₀/2 . . . d₀ (Grundwelle) und d₀/4 . . . d₀/2 (2. Harmonische) bzw. d₀/2n . . . d₀/n (n-te Harmonische) auf. So erhält man ein Signal mit einem breiten Frequenzspektrum bei nur kleiner Variation der lokalen Teilungsperiode. Eine kleine Variation der lokalen Teilungsperiode (charakteri­ siert durch den bereits erwähnten Chirpparameter δd(x)/δx) erlaubt aber eine besonders große Tole­ ranz bzgl. Abstandsänderungen der Gitter und/oder eine Verkürzung der Länge der gechirpten Gitter.

Claims (9)

1. Interferentiell arbeitende Vorrichtung zur Er­ zeugung von elektrischen Signalen bei Lagemeßeinrichtungen mit einer Lichtquelle, wenigstens zwei relativ zueinander in im wesentlichen parallelen Ebenen bewegten Beugungselementen, deren Beugungsstrukturen gleich oder nur geringfügig unterschiedlich sind, sowie mit Detektoren zum Erfassen von gebeugten, miteinander interferierenden Teilstrahlenbündeln, wobei die Teilungsperiode der Beugungsstrukturen der Beugungselemente eine stetig ansteigende oder fallende Funktion d=d(x) des Ortes ist, nach Patent DE 41 22 932 C1 dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungselemente als Phasengitter (A, B; B3; A4, B4; A5; A6, B6; A7; A11) oder als Amplitudengitter (A3; B5, D7) ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eines der Beugungsgitter (B4; B5) die halbe lokale Gitterkonstante aufweist, wie das korrespondierende Beugungsgitter (A4; A5).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor (D5; D7) als struk­ turiertes Beugungselement ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beugungsstruktur als Radial­ teilung (A8) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beugungselemente als Beu­ gungsgitter (A11) mit einer Überstruktur aus­ gebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Überstruktur durch mehr als einen Gittersteg pro lokaler Gitterkonstante gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit Hilfe eines Transmissions­ gitters (A; A3; A4) und eines Reflexionsgitters (B; B3; B4) eine Meßeinrichtung (1; 13; 14) des Dreigittergeber-Typs gebildet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit Hilfe zweier Transmissions­ gitter (A5, B5; A6, B6) eine Meßeinrichtung (15; 16) des Zweigittergeber-Typs gebildet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Reflexions­ gitters (A7), einer Abbildungsoptik (27) und eines strukturierten Detektors (D7) eine Meß­ einrichtung (17) des Eingittergeber-Typs ge­ bildet wird.