DE4303161C2

DE4303161C2 - Photoelectric length or angle measuring system with a device for detecting guide errors

Info

Publication number: DE4303161C2
Application number: DE19934303161
Authority: DE
Inventors: Peter Vogt; Reinhold Bittner
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1993-02-04
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2013-02-05
Also published as: DE4303161A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem mit einem Teilungsträger, der zur Erfassung von Führungsfehlern ein Bezugsnormal aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter, sich in Bewegungsrichtung des Meßsystems erstreckender Linien, eine sogenannte Korrekturspur besitzt.The present invention relates to a photoelectric Length or angle measuring system with a graduation carrier, which for Detection of management errors a reference standard from a Large number of juxtaposed, moving in the direction of movement of the measuring system extending lines, a so-called Has correction track.

Ein solches Meßsystem ist beispielsweise in der US-PS 4,587,622 beschrieben. Bei dem bekannten Meßsystem besteht die Korrekturspur ebenso wie die eigentliche Maßstabsspur aus einer inkrementalen Teilung, d. h. die Bezugsnormal ist ebenfalls äquidistant geteilt und wird von einem oder mehreren separaten photoelektrischen Leseköpfen abgetastet. Dieses System ist wegen der Vielzahl der verwendeten Geberköpfe, die alle eine separate Lichtquelle, einen Satz von mindestens drei oder vier Referenzgittern und eine entsprechende Anzahl von Detektoren zur Erzeugung der phasenverschobenen Meßsignale benötigen, sehr aufwendig und teuer.Such a measuring system is described, for example, in US Pat. No. 4,587,622 described. In the known measuring system Correction track as well as the actual scale track from one incremental division, d. H. the reference standard is also divided equidistantly and is separated by one or more scanned photoelectric reading heads. This system is because of the multitude of transducer heads used, all of them one separate light source, a set of at least three or four Reference grids and a corresponding number of detectors need to generate the phase-shifted measurement signals, very much complex and expensive.

In der US-PS 5,073,710 ist ein inkrementales photoelektrisches Winkelmeßsystem beschrieben, dessen inkrementale Teilung aus einer Art Kreuzgitter besteht, wobei das in Meßrichtung längs verlaufende Muster das auf es auffallende Licht so beugt, daß das durch die Kreisteilung hindurchgehende Licht in radialer Richtung auf dem Detektor konzentriert wird. Mit diesem System ist es jedoch nicht möglich Führungsfehler, beispielsweise Schlagfehler der Welle des Winkelmeßsystems zu erfassen.In U.S. Patent 5,073,710 is an incremental photoelectric Angle measuring system described, its incremental division there is a kind of cross grating, the lengthwise in the measuring direction gradient pattern diffracts the light striking it so that the light passing through the circle in a radial Direction is focused on the detector. With this system however, it is not possible to make management mistakes, for example To record impact errors of the shaft of the angle measuring system.

Die DE 35 42 514 C2 zeigt ein Längenmeßsystem, bei dem ein Inkrementalmaßstab photoelektrisch abgetastet wird. Das Meßsystem besitzt auch eine Korrektureinrichtung mit der der seitliche Versatz festgestellt werden kann. Hierzu erstrecken sich neben dem Inkrementalmaßstab in Bewegungsrichtung Linien, die zusätzlich mit zwei photoelektrischen Sensoren abgetastet werden, so daß über die Positionsdifferenz der Sensoren der seitliche Versatz bestimmt werden kann. Zur Initialisierung der Korrektureinrichtung sind auch auf dem Maßstab zusätzlich zwei gegeneinander versetzte plankonvexe Zylinderlinsen vorgesehen, die von den photoelektrischen Sensoren einfallendes Licht auf einen linienförmigen Lichtfleck fokussieren und damit einen Nullimpuls für die beiden photoelektrischen Sensoren geben.DE 35 42 514 C2 shows a length measuring system in which a Incremental scale is scanned photoelectrically. The Measuring system also has a correction device with the lateral offset can be determined. To do this extend lines alongside the incremental scale in the direction of movement, which are additionally scanned with two photoelectric sensors be so that the position difference of the sensors lateral offset can be determined. To initialize the Correction devices are also two on the scale plano-convex cylindrical lenses offset from one another are provided, the incident light from the photoelectric sensors focus a linear light spot and thus one Give zero pulse for the two photoelectric sensors.

Die DD 2 56 910 A1 zeigt ein Meßsystem mit dem Längen und ,Winkel gemessen werden. Es sind hierbei auf einem Maßstab wenigstens zwei sich schneidende Linien vorgesehen, deren Abstand sich mit fortschreitender Länge bzw. Winkel kontinuierlich vergrößert. Zur Längen- bzw. Winkelmessung wird hierbei von einer Sensorzeile der Abstand zwischen den Linien gemessen und hierüber auf die aktuelle Position der Sensorzeile zurückgerechnet. Zusätzlich läßt sich durch die Positionsmessung der Linien auch eine unzulässige seitliche Abweichung feststellen.DD 2 56 910 A1 shows a measuring system with the lengths and angles be measured. There are at least one scale here two intersecting lines are provided, the spacing of which coincides with progressive length or angle continuously increased. For length or angle measurement, one of Sensor line the distance between the lines measured and to the current position of the sensor line calculated back. In addition, the Position measurement of the lines also an impermissible lateral Determine deviation.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Meßsystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das möglichst einfach aufgebaut ist und dennoch zur Erfassung von Führungsfehlern bei einer Auflösung im Bereich weniger µm geeignet ist.It is the object of the present invention a measuring system to create the kind mentioned above, as simple as possible is constructed and yet for the detection of Guiding errors with a resolution in the range of a few µm suitable is.

Diese Aufgabe wird gemäß den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen dadurch gelöst, daß die sich in Bewegungsrichtung erstreckenden Linien des Bezugsnormals nach Art eines Gitters mit abbildenden Eigenschaften ausgebildet sind.This object is in accordance with the characterizing part of claim 1 specified measures solved in that the Lines of movement extending the reference standard like a lattice with imaging properties are trained.

Ein solches abbildendes Gitter fokussiert das auf es einfallende Licht linienformig in ein Lichtband, das dann mit relativ hoher Genauigkeit über eine Differenzdiode abgetastet werden kann. Ein Auswandern des Lichtbands ist somit ein direktes Maß für den zu erfassenden Führungsfehler.Such an imaging grid focuses on it incident light in the form of a line of light, which then with a relatively high accuracy using a differential diode can be scanned. A migration of the light band is thus a direct measure of what is to be recorded Leadership mistakes.

Es ist zweckmäßig, wenn der Geberkopf des Meßsystems so aufgebaut ist, daß er gleichzeitig die inkrementale Gitterteilung auf dem Maßstab bzw. Teilkreis des Meßsystems abtastet und das abbildende Gitter des Bezugsnormals dazu. Ein solcher Geberkopf kann beispielsweise so aufgebaut sein, daß er Referenzgitter enthält, die das von einer Lichtquelle kommende Licht in unterschiedliche Beugungsordnungen zerlegen, wobei dann das in eine Beugungsordnung abgebeugte Licht die Gitterteilung des Maßstabs und das in die andere Beugungsordnung abgebeugte Licht das abbildende Gitter des Bezugsnormals beleuchtet.It is useful if the encoder head of the measuring system is so is built up that it is the incremental Grid division on the scale or pitch circle of the measuring system scans and the mapping grid of the reference standard. Such an encoder head can be constructed in this way, for example be that it contains reference grids that the of a Light source coming in different Decompose diffraction orders, which then into one Diffraction order light diffracted the grating of the Scale and that diffracted into the other diffraction order Light illuminates the imaging grid of the reference standard.

Auf diese Weise ist der von der Lichtquelle kommende Lichtfluß optimal ausgenutzt und es ergibt sich ein sehr kompakter Aufbau für das Meßsystem.In this way, the one coming from the light source Luminous flux optimally used and there is a very compact design for the measuring system.

Setzt man das System für die Abtastung der Teilkreise von Winkelmeßsystemen ein, dann lassen sich mit relativ geringem Aufwand zusätzlich zu den Winkelmeßsignalen auch die Schlagfehler der Drehachse erfassen.If you set the system for the scanning of the partial circles of Angle measuring systems, then with relative little effort in addition to the angle measurement signals too record the stroke errors of the axis of rotation.

Für die Anwendung bei Winkelmeßsystemen kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn das Bezugsnormal bzw. ein weiteres Bezugsnormal mit einem abbildenden Gitter auf die Stirnseite des Teilkreises aufgebracht ist. Denn damit läßt sich dann nicht nur der Schlagfehler sondern auch der Taumelfehler der drehenden Welle auf einfache Weise erfassen.It can also be used for angle measurement systems be advantageous if the reference standard or another Reference standard with an imaging grid on the End face of the pitch circle is applied. Because with that leaves then not only the stroke error but also the Swashing error of the rotating shaft in a simple way capture.

Zusätzlich ist es zweckmäßig, ein weiteres Gitter mit abbildenden Eigenschaften auf dem Teilungsträger aufzubringen, welches Gitter senkrecht zur Bewegungsrichtung des Meßsystems geteilt ist. Dieses Gitter kann zur Erzeugung eines Nullimpulses für die Initialisierung des Meßsystems benutzt werden, da es ein quer zur Bewegungsrichtung orientiertes, linienförmiges Lichtband erzeugt, das ebenfalls von einem geeigneten Detektor nach Art einer Differenzdiode abgetastet werden kann. Auch in diesem Falle ist es möglich, das zur Beleuchtung des weiteren holographischen Gitters benötigte Licht aus nicht genutzten Beugungsordnungen der Referenzgitter des eigentlichen inkrementalen Meßsystems für die Abtastung der Maßstabsspur abzuleiten.In addition, it is useful to have another grid imaging properties on the graduation carrier to apply which grid is perpendicular to the Direction of movement of the measuring system is divided. This grid can be used to generate a zero pulse for the Initialization of the measuring system can be used as there is a line-shaped, oriented transversely to the direction of movement Strip of light generated, also by a suitable Detector can be scanned in the manner of a differential diode can. In this case, too, it is possible to Illumination of the further holographic grid was required Light from unused diffraction orders of the Reference grid of the actual incremental measuring system to derive for the scanning of the scale track.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 6 der beigefügten Zeichnungen. Hierbei sindFurther advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to FIGS. 1 to 6 of the accompanying drawings. Here are

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Skizze, die ein Längenmeßsystem gemäß der Erfindung zeigt; Fig. 1 is a simplified perspective sketch showing a length measuring system according to the invention;

Fig. 2 zeigt die Trägerplatte (3) des Lesekopfs (4) aus Fig. 1 mit den Referenzgittern über dem Teilungsträger (1) in vergrößertem Maßstabe; Fig. 2 shows the carrier plate ( 3 ) of the reading head ( 4 ) from Fig. 1 with the reference grids over the graduation carrier ( 1 ) on an enlarged scale;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils der Komponenten des Lesekopfs (4) zur Veranschaulichung der von den Referenzgittern abgebeugten Lichtflüsse; Figure 3 is a perspective view of a portion of the components of the read head ( 4 ) illustrating the light fluxes deflected by the reference grids;

Fig. 4 ist eine weitere perspektivische Darstellung eines anderen Teils der wesentlichen Komponenten des Lesekopfs (4) aus Fig. 1 zur Veranschaulichung der von den Referenzgittern abgebeugten Lichtflüsse; FIG. 4 is a further perspective illustration of another part of the essential components of the read head ( 4 ) from FIG. 1 to illustrate the light fluxes deflected by the reference grids;

Fig. 5 ist eine vereinfachte perspektivische Skizze eines Winkelmeßsystems gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 5 is a simplified perspective diagram of an angle measurement system according to the present invention;

Fig. 6a zeigt ein Segment des Teilkreises (11) aus Fig. 5 in Aufsicht in vergrößertem Maßstab; FIG. 6a shows a segment of the partial circle ( 11 ) from FIG. 5 in a plan view on an enlarged scale;

Fig. 6b zeigt das Segment aus Fig. 6a in Ansicht auf die Stirnseite des Teilkreises. FIG. 6b shows the segment from FIG. 6a in a view of the end face of the pitch circle.

Das in Fig. 1 dargestellte photoelektrische Längenmeßsystem besitzt als Teilungsträger einen Glasmaßstab (1), auf dein nebeneinander die eigentliche inkrementale Teilung (2) und ein Bezugsnormal (5) zur Erfassung von Führungsfehlern aufgebracht sind. Das Bezugsnormal (5) besteht aus einem sich in Bewegungsrichtung erstreckenden Liniengitter mit abbildenden Eigenschaften. Ein solches Gitter ist ein binäres optisches Element ähnlich einem sogenannten Fresnelzonenmuster wie von A.W. Lohmann und D.P. Paris in Applied Optics, Vol. 6, No. 9 (September 1967) auf Seite 1567 beschrieben.The photoelectric length measuring system shown in FIG. 1 has a glass scale ( 1 ) as graduation carrier, on which the actual incremental graduation ( 2 ) and a reference standard ( 5 ) for detecting guide errors are applied next to each other. The reference standard ( 5 ) consists of a line grid extending in the direction of movement with imaging properties. Such a grating is a binary optical element similar to a so-called Fresnel zone pattern as described by AW Lohmann and DP Paris in Applied Optics, Vol. 6, No. 9 (September 1967) on page 1567.

Zur Abtastung der Gitterteilung (2) und des Bezugsnormals (5) dient ein einziger photoelektrischer Lesekopf (4), der in einem Abstand von wenigen mm über dem Teilungsträger angeordnet ist. Der Lesekopf (4) enthält neben einer Lichtquelle eine Trägerplatte (3) auf der sich die Referenzgitter des photoelektrischen Meßsystems befinden. Die Anordnung dieser acht Referenzgitter (G1-G4 und G1′-G4′) sowie der den Gittern zugeordneten Detektoren (D1-D4) geht aus der vergrößerten Darstellung nach Fig. 2 hervor. Es handelt sich hierbei um ein Meßsystem wie es von der Anmelderin in der am gleichen Tage eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem" beschrieben und in den Fig. 8 und 9 dieser Anmeldung dargestellt ist. Auf den Inhalt der genannten Anmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen. Detailliertere Angaben über den Aufbau des Geberkopfes sind deshalb an dieser Stelle entbehrlich.A single photoelectric reading head ( 4 ), which is arranged at a distance of a few mm above the graduation carrier, is used to scan the grating graduation ( 2 ) and the reference standard ( 5 ). In addition to a light source, the reading head ( 4 ) contains a carrier plate ( 3 ) on which the reference grids of the photoelectric measuring system are located. The arrangement of these eight reference grids (G1-G4 and G1'-G4 ') and the detectors assigned to the grids (D1-D4) can be seen from the enlarged illustration in FIG. 2. It is a measuring system as described by the applicant in the patent application filed on the same day with the title "Photoelectric length or angle measuring system" and shown in FIGS. 8 and 9 of this application. Reference is expressly made to the content of the aforementioned application. It is therefore not necessary to provide more detailed information about the structure of the encoder head at this point.

Die Referenzgitter (G) auf der Trägerplatte (3) beugen das auf sie auffallende Licht - dies ist in Fig. 3 durch die mit (W) bezeichnete ebene Wellenfront symbolisiert - jeweils paarweise in der +1. Beugungsordnung auf einen gemeinsamen Bereich der inkrementalen Maßstabsteilung (2). Der reflektierte Lichtstrom trifft den photoelektrischen Detektor (D3), der den Gittern (G3 und G3′) zugeordnet ist, und das dort entstehende Interferenzmuster wird bei Verschieben des Teilungsträgers (1) in Längsrichtung in ein zyklisches Signal gewandelt.The reference gratings (G) on the carrier plate ( 3 ) diffract the light incident on them - this is symbolized in FIG. 3 by the plane wavefront denoted by (W) - in pairs in the +1. Diffraction order on a common area of the incremental scale division ( 2 ). The reflected luminous flux strikes the photoelectric detector (D3), which is assigned to the gratings (G3 and G3 '), and the interference pattern that arises there is converted into a cyclic signal when the graduation carrier ( 1 ) is moved in the longitudinal direction.

Das von den beiden Gittern (G3 und G3′) in die entgegengesetzte -1. Beugungsordnung abgebeugte Licht hingegen fällt auf das abbildende Gitter des Bezugsnormals (5). Das Gitter ist so berechnet, daß es die einfallenden parallelen Lichtbündel in zwei scharfe Lichtbänder fokussiert, wobei diese Lichtbänder parallel zur Maßstabsrichtung ausgerichtet sind. In der Ebene dieser beiden linienförmigen Foki sind zwei Detektoren (D5) und (D6) nach Art von Differenzdioden angeordnet. Bei einem seitlichen Auswandern des Teilungsträgers (1) bewegen sich die beiden linienförmigen Foki über die photoempfindlichen Flächen der Differenzdioden (D5) und (D6) und erzeugen damit entsprechende Signale, die das Ausmaß der seitlichen Bewegung charakterisieren und deshalb ein Maß für den translatorischen Führungsfehler darstellen. Da die beiden Detektoren in Maßstabsrichtung zueinander versetzt sind, ist es bei geeigneter Verknüpfung der Ausgangssignale außerdem möglich, rotatorische Führungsfehler um eine Achse senkrecht zur Maßstabsoberfläche zu erfassen. In diesem Zusammenhang wird auf die eingangs zum Stand der Technik genannte US-PS 4587622 verwiesen.That of the two grids (G3 and G3 ′) in the opposite -1. Diffraction order, however, diffracted light falls on the imaging grating of the reference standard ( 5 ). The grating is calculated in such a way that it focuses the incident parallel light bundles into two sharp light bands, these light bands being aligned parallel to the scale direction. Two detectors (D5) and (D6) are arranged in the plane of these two linear foci in the manner of differential diodes. When the graduation carrier ( 1 ) migrates sideways, the two linear foci move over the photosensitive surfaces of the differential diodes (D5) and (D6) and thus generate corresponding signals that characterize the extent of the lateral movement and therefore represent a measure of the translational guiding error . Since the two detectors are offset from one another in the scale direction, it is also possible, with a suitable combination of the output signals, to detect rotational guide errors about an axis perpendicular to the scale surface. In this connection, reference is made to US Pat. No. 4,587,622 mentioned at the beginning of the prior art.

In Fig. 4 ist ein weiterer Teil der auf der Trägerplatte (3) aufgebrachten Komponenten dargestellt. Es handelt sich hierbei um das Gitterpaar (G4) und (G4′), das die einfallende ebene Wellenfront (W) in +1. Ordnung in Richtung auf den von beiden Gittern des Paares (G4, G4′) gemeinsam beleuchteten Bereich der inkrementalen Maßstabsteilung (2) abbeugt. Das von der Maßstabsteilung (2) reflektierte Licht interferiert in der Ebene des dem Gitterpaar (G4, G4′) zugeordneten Detektors (D4). Das Gitterpaar (G4, G4′) ist mit Bezug auf das Gitterpaar (G3, G3′) aus Fig. 3 um ein Viertel seiner Gitterteilung oder ein Vielfaches davon verschoben, so daß der Detektor (D4) im Vergleich zum Detektor (D3) ein um 90° oder ein Vielfaches davon phasenverschobenes Meßsignal erzeugt. Zur näheren Erläuterung wird auch hier wieder auf die gleichzeitig eingereichte Anmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem" verwiesen.In FIG. 4, a further part of the coating applied to the carrier plate (3) components is shown. It is the pair of gratings (G4) and (G4 ') that +1 the incident plane wavefront (W). Order in the direction of the area of the incremental scale graduation ( 2 ), which is jointly illuminated by the two grids of the pair (G4, G4 '). The light reflected by the scale division ( 2 ) interferes in the plane of the detector pair (G4, G4 ') assigned to the grating pair (G4). The pair of gratings (G4, G4 ') is shifted with respect to the pair of gratings (G3, G3') from Fig. 3 by a quarter of its grating or a multiple thereof, so that the detector (D4) compared to the detector (D3) generated by 90 ° or a multiple thereof phase-shifted measurement signal. For a more detailed explanation, reference is again made here to the applicant's simultaneously filed application entitled "Photoelectric length and angle measuring system".

Das vom Gitter (G4′) in die -1. Beugungsordnung abgebeugte Licht fällt bei geeigneter Stellung des Teilungsträgers (1) auf ein zweites Gitter (7) mit abbildenden Eigenschaften. Dieses Gitter (7) besteht ebenso wie das des Bezugsnormals (5) aus einem quasiperiodischen, nicht äquidistant geteilten Gitter.That from the grid (G4 ′) in the -1. Diffraction order diffracted light falls with a suitable position of the graduation carrier ( 1 ) on a second grating ( 7 ) with imaging properties. This grid ( 7 ), like that of the reference standard ( 5 ), consists of a quasi-periodic, not equidistantly divided grid.

Das Gitter (7) fokussiert das auffallende Licht linienförmig in ein Lichtband, das senkrecht zur Bewegungsrichtung des Teilungsträgers (1) ausgerichtet ist. In der Ebene dieses linienförmigen Fokus ist ein weiterer Detektor (D7) angeordnet, der ebenfalls nach Art einer Differenzdiode aufgebaut ist und das sogenannte Nullimpulssignal generiert. Das geschieht immer dann, wenn im Zuge der Maßstabsbewegung das Gitter (7) unter dem Detektor (D7) vorbeiwandert und der linienförmige Fokus des Lichtbandes den Detektor (D7) überstreicht.The grating ( 7 ) focuses the incident light linearly into a light band which is aligned perpendicular to the direction of movement of the graduation carrier ( 1 ). A further detector (D7) is arranged in the plane of this linear focus, which is also constructed in the manner of a differential diode and generates the so-called zero pulse signal. This always happens when the grating ( 7 ) passes under the detector (D7) in the course of the scale movement and the linear focus of the light band sweeps over the detector (D7).

Die Gitter (5) und (7) können beispielsweise als Computerhologramm derart berechnet werden, daß das auffallende Licht in eine Linie mit einer bestimmten Breite fokussiert wird. Aus dem Computerhologramm läßt sich dann z. B. mit elektronenstrahllithographischen Verfahren eine Chrommaske herstellen. Diese Maske kann dann bereits bei der Herstellung der inkrementalen Maßstabsteilung (2) im Zuge des gleichen Herstellprozesses ohne Zusatzkosten auf den Teilungsträger (1) mit aufbelichtet werden.The grids ( 5 ) and ( 7 ) can be calculated, for example, as a computer hologram in such a way that the incident light is focused in a line with a certain width. From the computer hologram can then z. B. produce a chrome mask using electron beam lithography. This mask can then be exposed onto already during the production of the incremental scale division (2) in the course of the same production process at no additional cost to the graduation carrier (1).

Bei der Berechnung des abbildenden Gitters für das Bezugsnormal (5) kann so vorgegangen werden, daß man zuerst eine binäre Struktur bestimmt, die zur punktförmigen Abbildung eines Lichtpunktes geeignet ist. Eine solche Struktur besteht aus konzentrischen quasiperiodischen, nicht äquidistant geteilten Kreisringen und besitzt für den symmetrischen Fall, d. h. für den Fall, daß sie nur abbildet und den Hauptstrahl nicht umlenken muß, im Zentrum die Liniendichte null. Das bedeutet, daß die 1. Ableitung der Linienzahl nach dem Radius der Struktur im Zentrum verschwindet. Entsprechend besitzt die Struktur nur die Mindestanzahl der für die Abbildung erforderlichen Linien in fertigungstechnische gut handhabbaren Abständen.The calculation of the imaging grating for the reference standard ( 5 ) can be carried out by first determining a binary structure which is suitable for the point-like imaging of a light point. Such a structure consists of concentric quasi-periodic, not equidistantly divided circular rings and has a line density of zero in the center for the symmetrical case, ie for the case that it only shows and does not have to deflect the main beam. This means that the 1st derivative of the number of lines disappears after the radius of the structure in the center. Correspondingly, the structure has only the minimum number of lines required for the illustration at easily manageable intervals.

Aus dieser Struktur wird dann anschließend das parallele Liniengitter des Bezugsnormals (5) erzeugt, indem die berechneten Abstände und Breiten der Kreisringe für das Liniengitter übernommen werden, d. h. die Kreisringe der Struktur werden durch ihre Tangenten ersetzt, die sich in Meßrichtung des Maßstabs (1) erstrecken. Das so gewonnene Liniengitter bildet einen Lichtpunkt in ein scharfes Lichtband ab und hat insofern ähnliche Abbildungseigenschaften wie eine Zylinderlinse.The parallel line grid of the reference standard ( 5 ) is then generated from this structure by taking over the calculated distances and widths of the circular rings for the line grid, ie the ring rings of the structure are replaced by their tangents, which change in the measuring direction of the scale ( 1 ). extend. The line grating obtained in this way depicts a point of light in a sharp light band and in this respect has similar imaging properties to a cylindrical lens.

Detailliertere Angaben für die Berechnung und Herstellung von binären optischen Elementen werden beispielsweise von G.J.Swanson im "Technical Report 854" des Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, mit dem Titel "Binary Optics Technology: The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Elements" vom 14. August 1989 gemacht.More detailed information for the calculation and production of binary optical elements are, for example, of G.J. Swanson in Lincoln's "Technical Report 854" Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, with the Title "Binary Optics Technology: The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Elements "from Made August 14, 1989.

Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Winkelmeßsystem besteht aus einem Teilkreis (11) und zwei speziellen Leseköpfen (14) und (15). Der Lesekopf (14) ist ähnlich aufgebaut wie der Lesekopf (4) im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 4. Dieser Lesekopf tastet die inkrementale Teilung (12) des eigentlichen Winkelmeßsystems und das Gitter des daneben aufgebrachten Bezugsnormals (15) auf dem Teilkreis (11) ab. Die Bezugsnormal (15) besteht aus einer Schar sich in Bewegungsrichtung erstreckender konzentrischer Gitterlinien. Sie wird in gleicher Weise hergestellt wie das Gitter des Bezugsnormals (5) im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 4, jedoch mit dein Unterschied, daß die Gitterlinien entsprechend dem Radius des Teilkreises gekrümmt verlaufen. Entsprechend besitzt auch das Gitter des Bezugsnormals (15) abbildende Eigenschaften.The angle measuring in FIGS. 5 and 6 shown consists of a partial circle (11) and two special reading heads (14) and (15). The reading head ( 14 ) is constructed similarly to the reading head ( 4 ) in the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 4. This reading head scans the incremental division ( 12 ) of the actual angle measuring system and the grating of the reference standard ( 15 ) applied next to it on the pitch circle ( 11 ). The reference standard ( 15 ) consists of a family of concentric grid lines extending in the direction of movement. It is produced in the same way as the grid of the reference standard ( 5 ) in the embodiment according to FIGS. 1 to 4, but with the difference that the grid lines are curved in accordance with the radius of the pitch circle. Correspondingly, the grid of the reference standard ( 15 ) also has imaging properties.

Das Signal des betreffenden Detektors, d. h. der Differenzdiode, auf die das von dem Bezugsnormal (15) fokussierte Lichtband auffällt, dient zur Erfassung des Schlagfehlers der Welle, mit der das Winkelmeßsystem verbunden ist. Um diesen Schlagfehler unabhängig vom Exzenterfehler ermitteln zu können, ist im zweiten Lesekopf (24), der um 90° bezogen auf die Achse des Winkelmeßsystems versetzt zum Lesekopf (14) angeordnet ist, eine zweite Differenzdiode und eine Lichtquelle enthalten, die von dem Gitter des Bezugsnormals (15) ebenfalls in ein linienförmiges Band auf dem zweiten Detektor abgebildet wird. Die beiden um 90° zueinander versetzten Stellen, an denen das Bezugsnormal (15) abgetastet wird, sind in der Darstellung nach Fig. 6a mit (20) und (21) bezeichnet. The signal from the detector in question, ie the differential diode on which the light band focused by the reference standard ( 15 ) is incident, is used to detect the impact error of the shaft to which the angle measuring system is connected. In order to be able to determine this impact error independently of the eccentric error, a second differential diode and a light source are contained in the second read head ( 24 ), which is offset by 90 ° with respect to the axis of the angle measuring system to the read head ( 14 ) Reference standard ( 15 ) is also imaged in a linear band on the second detector. The two points offset by 90 ° to one another, at which the reference standard ( 15 ) is scanned, are designated by ( 20 ) and ( 21 ) in the illustration according to FIG. 6a.

Zusätzlich ist auf die Stirnseite des Teilkreises (11) ein zweites Bezugsnormal (16) aufgebracht. Diese Bezugsnormal (16) dient zur Erfassung des Taumelfehlers des Winkelmeßsystems. Es wird ebenfalls an zwei um 90° bezogen auf die Achse des Winkelmeßsystems beabstandenden Stellen abgetastet (Fig. 6a und 6b). Hierzu ist in dem Lesekopf (24) eine separate Lichtquelle (18) enthalten, die von dem Gitter des stirnseitigen Bezugsnormals (16) in ein linienförmiges Lichtband auf einer weiteren Differenzdiode (19) abgebildet wird. In gleicher Weise enthält der Lesekopf (14) eine Lichtquelle (28), die vom Gitter des Bezugsnormals (16) in ein Lichtband auf einer Differenzdiode (29) abgebildet wird. Mit Hilfe der Signale der beiden Differenzdioden (19) und (29) läßt sich nun sehr einfach der Taumelfehler des Meßsystems erfassen, da sich im Zuge der Taumelbewegung das auf die Detektoren (19) und (29) abgebildete Lichtband verschiebt.In addition, a second reference standard ( 16 ) is applied to the end face of the pitch circle ( 11 ). This reference standard ( 16 ) serves to detect the wobble error of the angle measuring system. It is also scanned at two points spaced by 90 ° with respect to the axis of the angle measuring system ( FIGS. 6a and 6b). For this purpose, a separate light source ( 18 ) is contained in the reading head ( 24 ), which is imaged by the grating of the reference standard ( 16 ) on the end face into a linear light band on a further differential diode ( 19 ). In the same way, the reading head ( 14 ) contains a light source ( 28 ) which is imaged by the grating of the reference standard ( 16 ) into a light band on a differential diode ( 29 ). With the aid of the signals from the two differential diodes ( 19 ) and ( 29 ), the wobble error of the measuring system can now be detected very easily since the light band imaged on the detectors ( 19 ) and ( 29 ) shifts in the course of the wobble movement.

Die von den Referenzdioden (18) und (19) abgegebenen Signale entstehen durch eine Faltung des von dem Gitter des Bezugsnormals (16) abgebildeten Lichtbandes mit der Kennlinie der Differenzdiode. Da es sich hierbei um ein analoges Signal handelt, ist es wichtig, die Intensität der Lichtquellen (18) und (28) konstant zu halten. Gleiches gilt für die Lichtquellen, mit denen das erste Bezugsnormal (15) beleuchtet wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei einer Intensitätsregelung von besser als 1% über einen Meßweg von 100 µm Meßgenauigkeiten für den Taumelfehler bzw. Schlagfehler von besser als 1 µm erzielen lassen.The signals emitted by the reference diodes ( 18 ) and ( 19 ) are produced by folding the light band depicted by the grid of the reference standard ( 16 ) with the characteristic curve of the differential diode. Since this is an analog signal, it is important to keep the intensity of the light sources ( 18 ) and ( 28 ) constant. The same applies to the light sources with which the first reference standard ( 15 ) is illuminated. It has been shown, however, that with an intensity control of better than 1% over a measuring path of 100 µm, measurement accuracies for the wobble error or impact error of better than 1 µm can be achieved.

An dieser Stelle soll noch betont werden, daß für das in Fig. 5 bis 6 dargestellte Winkelmeßsystem nur ein einziger Abtastkopf benötigt wird, der die inkrementale Teilung (12) liest. Bisher bekannte Winkelmeßsysteme benötigen dann, wenn der Schlagfehler miterfaßt werden soll, mindestens drei, oft vier Leseköpfe, mit denen die inkrementale Teilung des Teilkreises an entsprechend vielen Stellen abgetastet wird. Es sind aber gerade diese Leseköpfe für die Inkrementalteilung, die sehr aufwendig sind aufgrund der darin enthaltenen Gegengitter und Detektoren zur Erzeugung von drei bis vier phasenverschobenen Signalen bzw. Impulsfolgen. Hingegen kann zur Abtastung der Bezugsnormale (15) und (16) mit ganz einfachen Mitteln, nämlich einer Lichtquelle und einer Differenzdiode als Detektor gearbeitet werden, wodurch das Winkelmeßsystem deutlich weniger aufwendig wird. Zudem kann zusätzlich der Taumelfehler erfaßt werden, was bei üblichen Winkelmeßsystemen nicht ohne weiteres der Fall ist.At this point it should be emphasized that only a single scanning head is required for the angle measuring system shown in FIGS. 5 to 6, which reads the incremental graduation ( 12 ). Previously known angle measuring systems require at least three, often four reading heads, if the impact error is to be recorded, with which the incremental division of the pitch circle is scanned at a corresponding number of locations. However, it is precisely these read heads for incremental graduation that are very complex due to the counter grids and detectors contained therein for generating three to four phase-shifted signals or pulse sequences. In contrast, the scanning of the reference standards ( 15 ) and ( 16 ) can be carried out using very simple means, namely a light source and a differential diode as a detector, as a result of which the angle measuring system is significantly less complex. In addition, the wobble error can also be detected, which is not readily the case with conventional angle measuring systems.

Wie Fig. 6a deutlich zeigt, trägt auch der Teilkreis (11) eine sogenannte Nullimpulsmarke in Form eines weiteren Gitters (17) mit abbildenden Eigenschaften. Zu dessen Funktion wird im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 bis 4 verwiesen. An dieser Stelle soll noch erwähnt werden, daß es natürlich auch möglich ist, mehrere Nullimpulsmarken sowohl auf dem Teilkreis (11) als auch auf dem Maßstab (1) nach Fig. 1 bis 4 aufzubringen. Diese Neuimpulsmarken können auch codiert werden, so daß eine eindeutige Zuordnung des Signals zur Absolutposition auf dem Maßstab bzw. Teilkreis möglich ist. Beispielsweise kann eine Intensitätscodierung gewählt werden indem die abbildenden Gitter der verschiedenen Nullimpulsmarken so berechnet werden, daß sich für das auf den Detektor abgebildete Lichtband jeweils unterschiedliche Breiten ergeben. Entsprechend sieht der Detektor je nach Nullimpulsmarke unterschiedliche Signalintensitäten und sein Ausgangssignal, der eigentliche Nullimpuls kann über entsprechend gesetzte Triggerschwellen der Position der Marke zugeordnet werden.As FIG. 6a clearly shows, the pitch circle ( 11 ) also carries a so-called zero pulse mark in the form of a further grating ( 17 ) with imaging properties. With regard to its function, reference is made in connection with the exemplary embodiment according to FIGS. 1 to 4. At this point it should also be mentioned that it is of course also possible to apply several zero pulse marks both on the pitch circle ( 11 ) and on the scale ( 1 ) according to FIGS. 1 to 4. These new pulse marks can also be coded so that the signal can be uniquely assigned to the absolute position on the scale or pitch circle. For example, an intensity coding can be selected by calculating the imaging grids of the different zero pulse marks so that different widths result for the light band imaged on the detector. Accordingly, depending on the zero pulse mark, the detector sees different signal intensities and its output signal; the actual zero pulse can be assigned to the position of the mark via trigger thresholds set accordingly.

Claims

1. Photoelectric length or angle measuring system with a graduation carrier ( 1 , 11 ), which has a reference standard for detecting guide errors with a plurality of juxtaposed, extending in the direction of movement of the measuring system lines ( 5 , 15 ), the extending in the direction of movement Lines are designed in the manner of a grating with imaging properties and the imaging grating focuses the light coming from a light source into a linear light spot or light band on one or more detectors (D5, D6, 19 , 29 ).

2. Measuring system according to claim 1, wherein as a detector Differential photodiode is used.

3. Measuring system according to claim 1, wherein an encoder head ( 4 , 14 ) of the measuring system scans an incremental grating ( 2 , 12 ) on the graduation carrier ( 1 , 11 ) of the measuring system and the encoder head ( 4 , 14 ) reference grating (G1-G4, G1'-G4 '), which break the light coming from a light source into different diffraction orders, and furthermore with at least one reference grating (G3, G3') the light diffracted into a first diffraction order (+1) onto the incremental grating ( 2nd , 12 ) falls and the light diffracted into the other diffraction order (-1) falls on the grating ( 5 , 15 ) with imaging properties.

4. Photoelectric angle measuring system according to claim 1, wherein a first encoder head ( 14 ) is provided for angle measurement and for detecting the stroke error of the axis of rotation, which has an incremental division ( 12 ) of the angle measuring system and the imaging grid of the reference standard applied to the graduation carrier ( 11 ) ( 15 ) scans, as well as a further transmitter head ( 24 ) which scans the reference standard ( 15 ) at another location ( 21 ).

5. Measuring system according to one of claims 1 to 4, wherein the imaging grid of the reference standard ( 5 , 15 ) next to the incremental grating ( 2 , 12 ) of the measuring system is applied in the same plane to the graduation carrier ( 1 , 11 ).

6. Measuring system according to one of claims 4 to 5, wherein the imaging grid of a reference standard ( 16 ) is applied on the end face to a graduation circle ( 11 ).

7. Measuring system according to one of claims 1 to 6, wherein in addition at least one further grid ( 7 ) with imaging properties is applied to the graduation carrier ( 1 , 11 ), which further grid ( 7 ) is divided perpendicular to the direction of movement of the measuring system and the striking Images light into a linear light spot or light band onto a detector (D7) to generate a zero pulse.

8. Measuring system according to claim 7, wherein on the graduation carrier several perpendicular to the direction of movement of the measuring system split imaging grids to generate zero pulses are upset and the grids in their Differentiate picture properties.

9. Measuring system according to one of claims 1 to 8, wherein the imaging grating is a binary optical element.