DE4303162A1

DE4303162A1 - Photoelectric length and angle-measuring system

Info

Publication number: DE4303162A1
Application number: DE19934303162
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Dorsel; Uwe Dr Vry; Peter Vogt
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: 1994-08-11

Abstract

The measuring system consists of a scale grating (35), a plurality of phase-shifted reference gratings (G1-G4, G1'-G4') and a plurality of photoelectric detectors (D1-D4) which receive light from the same region of the scale grating (35). Each detector is respectively assigned a pair of reference gratings, and the grating pairs are arranged on the illumination side upstream of the scale grating, and form an angle with the ruling of the scale grating with respect to their grating ruling. <IMAGE>

Description

Inkrementale photoelektrische Längen- und Winkelmeßsysteme sind in den unterschiedlichsten Bauformen bekannt. Ihnen ist in der Regel gemeinsam, daß die im Abtastkopf über der Maßstabs- bzw. Kreisteilung enthaltenen Referenzgitter parallel zu den Gitterstrichen des Maßstabs geteilt sind und um 1/4 oder 1/3 der Gitterkonstante gegeneinander verschoben sind. Aufgrund dieser Gitterverschiebung liefern die den Referenzgittern zugeordneten photoelektrischen Detektoren um 90° bzw. 120° phasenverschobene elektrische Signale, die in einer geeigneten Elektronik zusammengeschaltet es erlauben, Ausmaß und Richtung der Maßstabsbewegung bzw. Teilkreisrotation zu erfassen.Incremental photoelectric length and angle measuring systems are known in a wide variety of designs. them is usually common that in the readhead above the Scale or circle division contained reference grid are divided parallel to the grid lines of the scale and against each other by 1/4 or 1/3 of the lattice constant are moved. Deliver due to this grid shift the photoelectric assigned to the reference grids Electrical detectors phase-shifted by 90 ° or 120 ° Signals in suitable electronics interconnected allow the extent and direction of the To detect scale movement or pitch circle rotation.

Es sind speziell auch inkrementale photoelektrische Meßsysteme bekannt geworden, die so aufgebaut sind, daß die drei oder vier photoelektrischen Detektoren alle Licht aus dem gleichen beleuchteten Bereich des Maßstabs empfangen. Solche Meßsysteme sind beispielsweise in der CH-PS 533 294, der DE-OS 39 15 143 und der WO 87/07944 beschrieben. Der Vorteil solcher Anordnungen liegt in ihrer Unempfindlichkeit gegen Ungleichförmigkeiten des Maßstabs wie Teilungsfehler, mangelnde Maßstabsausrichtung, Verschmutzung der Oberfläche etc. Darüberhinaus sind solche Anordnungen auch unempfindlich gegen Verdrehungen des Gebers um die senkrecht zur Ebene des Maßstabs stehende Achse.Incremental photoelectric ones are also special Measuring systems are known, which are constructed so that the three or four photoelectric detectors all light out received the same illuminated area of the scale. Such measuring systems are described for example in CH-PS 533 294, DE-OS 39 15 143 and WO 87/07944. Of the The advantage of such arrangements is their Insensitivity to scale irregularities such as division errors, lack of scale alignment, Soiling of the surface etc. Furthermore such arrangements also insensitive to twisting of the encoder by the one perpendicular to the plane of the scale Axis.

Die in den beiden erstgenannten Schriften beschriebenen Meßsysteme zeichnen sich dadurch aus, daß dort zuerst das Maßstabsgitter direkt beleuchtet wird und die in verschiedene Ordnungen gebeugten Lichtstrahlen wieder zusammengeführt und zur Intereferenz gebracht werden. Diese Meßsysteme sind insbesondere auch wegen der vielen für die Aufteilung des Lichts auf die verschiedenen Detektoren verwendeten polarisierenden Strahlteiler relativ aufwendig und teuer.Those described in the first two writings Measuring systems are characterized by the fact that first there Scale grid is illuminated directly and the in different orders of light diffracted again brought together and brought to interference. This Measuring systems are especially because of the many for the Distribution of light among the various detectors used polarizing beam splitter relatively expensive and expensive.

Das in der WO 87/07944 beschriebene Meßsystem ist ein sogenanntes 3-Gitter-Meßsystem, bei dem das Licht, bevor es auf die Detektoren fällt, durch drei Gitter gebeugt wird: einem ersten Referenzgitter beleuchtungsseitig, dem Maßstabsgitter und einem zweiten Referenzgitter, das detektorseitig angeordnet ist. Für die Erzeugung der drei um 120° phasenverschobenen Signale sind drei Lichtquellen erforderlich, die in ihrem Abstand und ihrer Position relativ zu den Detektoren justiert werden müssen. Das bedeutet einen relativ hohen Herstellungsaufwand.The measuring system described in WO 87/07944 is a so-called 3-grid measuring system, in which the light before it falls on the detectors, is bent by three gratings: a first reference grid on the lighting side, the Scale grid and a second reference grid, the is arranged on the detector side. For the generation of the three Signals that are phase-shifted by 120 ° are three light sources required in their distance and position must be adjusted relative to the detectors. The means a relatively high production cost.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein inkrementales photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem zu schaffen, das möglichst unempfindlich gegen Störeinflüsse ist und dazu einen möglichst einfachen Aufbau besitzt.It is the object of the present invention incremental photoelectric length or Angle measuring system to create the most insensitive against interference and is as simple as possible Has structure.

Diese Aufgabe wird von einem Meßsystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This task is performed by a measuring system with the in the claim 1 specified features solved.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem werden jeweils Paare von Referenzgittern beleuchtungsseitig so angeordnet, daß sie bezüglich der Richtung ihrer Gitterteilung mit der des Maßstabsgitters einen Winkel bilden, der so gewählt ist, daß von dem jeweiligen Referenzgitter auffallendes Licht in Richtung auf den gleichen Bereich der Maßstabsteilung gebeugt wird. Hierdurch ist es möglich, mit dem von einer einzigen Lichtquelle ausgehenden kollimiertem Licht das gesamte aus drei oder vier Gitterpaaren aufgebaute Geberfeld zu beleuchten. Dennoch ist sichergestellt, daß alle Detektoren Licht aus dem gleichen Bereich der Maßstabsteilung empfangen. Denn durch eine geeignete Dimensionierung der Lage der Referenzgitter zueinander und demzufolge ihres Abstands von dem beleuchteten Bereich, ihrer Gitterkonstante und der Richtung der Gitterteilung läßt sich immer sicherstellen, daß die abgebeugten Lichtstrahlen diesen gemeinsamen Bereich auf dem Maßstab auch treffen. Die Gitter können deshalb alle in einer Ebene auf einem Trägersubstrat aufgebracht werden, auf das auch die Detektoren aufgebracht sind. Ein gegenseitiges Justieren von einzelnen Lichtquellen gegenüber einzelnen Detektoren ist deshalb nicht erforderlich.In the measuring system according to the invention, pairs are used of reference gratings arranged on the lighting side so that with respect to the direction of their grid division with that of the Scale grid form an angle which is chosen so that incident light from the respective reference grating in Direction to the same area of the scale division is bowed. This makes it possible to work with one single light source outgoing collimated light that whole made up of three or four pairs of grids To illuminate the encoder field. Nevertheless, it is ensured that all detectors light from the same area of the Receive scale division. Because by a suitable one Dimensioning the position of the reference grids to each other and according to their distance from the illuminated area, their lattice constant and the direction of the lattice division you can always make sure that the Light rays this common area on the scale also meet. The grids can therefore all in one plane be applied to a carrier substrate, on which also the detectors are applied. A mutual one Adjust individual light sources against individual ones Detectors are therefore not required.

Verwendet man vier Referenzgitterpaare, um vier jeweils um 90° phasenverschobene Signale zu erzeugen und ordnet diese nebeneinander in einer Ebene an, so besitzen die in der Regel einen unterschiedlichen Abstand von dem gemeinsam beleuchteten Bereich der Maßstabsteilung. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Gitter so auszubilden, daß mindestens zwei Paare von Referenzgittern sich sowohl im Winkel, den ihre Teilung mit der Maßstabsteilung bildet, als auch in der ihrer Gitterkonstante voneinander unterscheiden.Using four pairs of reference grids, four by four each Generate 90 ° phase-shifted signals and assigns them next to each other on one level, so that in the Usually a different distance from that in common illuminated area of the scale division. In this case it is appropriate to design the grid so that at least two pairs of reference grids are both in the Angle that their division forms with the scale division, as well as in their lattice constant from each other differentiate.

Das ist bei keinem der bisher bekannten inkrementalen photoelektrischen Längen- oder Winkelmeßsystemen der Fall.This is not the case with any of the previously known incremental ones photoelectric length or angle measuring systems.

Das Meßsystem gemäß der Erfindung kann sowohl als Auflichtmeßsystem als auch als Durchlichtmeßsystem aufgebaut werden. Im ersteren Falle sind die Referenzgitter Durchlichtgitter und die Maßstabsteilung beispielsweise ein reflektierendes Auflichtgitter. Im anderen Fall ist das Maßstabsgitter ebenfalls als Durchlichtgitter ausgebildet. Das Meßsystem arbeitet mit Phasengittern als auch mit Amplitudengittern. Außerdem sei noch bemerkt, daß es sich um ein interferometrisches Meßprinzip handelt, das System also oberwellenfreie Sinus und Cosinussignale liefert.The measuring system according to the invention can be used both as Incident light measuring system as well as transmitted light measuring system being constructed. In the former case, the reference grids are Transmitted light grids and the scale division, for example reflective incident light grid. In the other case it is Scale grids are also designed as transmitted light grids. The measuring system works with phase gratings as well Amplitude gratings. It should also be noted that it is the system is an interferometric measuring principle that is, supplies harmonic-free sine and cosine signals.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 10 der beigefügten Zeichnungen. Hierbei sind Further advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to FIGS. 1 to 10 of the accompanying drawings. Here are

Fig. 1-3 vereinfachte Prinzipskizzen, die ein erstes Ausführungsbeispiel im Schnitt in Längsrichtung des Maßstabs (4) (Fig. 1), in Aufsicht (Fig. 2) und im Schnitt parallel zu den Teilstrichen des Maßstabs (4) zeigt; Fig. 1-3 simplified schematic diagrams showing a first embodiment in section in the longitudinal direction of the scale ( 4 ) ( Fig. 1), in plan view ( Fig. 2) and in section parallel to the scale lines of the scale (4);

Die Fig. 4+5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt in Längsrichtung des Maßstabs (14) (Fig. 4) bzw. in Aufsicht (Fig. 5); Figs. 4 + 5 show a second embodiment of the invention in section in the longitudinal direction of the scale (14) (Fig. 4) and in plan (Fig. 5);

Fig. 6 und 7 zeigen ein drittes, im Durchlicht arbeitendes Ausführungsbeispiel im Schnitt parallel zu den Teilstrichen des Maßstabs (24) (Fig. 6) bzw. in Aufsicht (Fig. 7); FIGS. 6 and 7 show a third, working in transmitted light embodiment in the section parallel to the tick marks of the scale (24) (Fig. 6) and in plan (Fig. 7);

Fig. 8 und 9 zeigen ein viertes, in Auflicht arbeitendes Ausführungsbeispiel in Aufsicht bzw. im Schnitt parallel zu den Teilstrichen des Maßstabs (34). FIGS. 8 and 9 show a fourth operating in incident light embodiment in plan view and in section parallel to the tick marks of the scale (34).

Fig. 10 ist eine vergrößerte Darstellung der anstelle der Zylinderlinse Z1 in Fig. 9 auf den Maßstab (34) aufgebrachten Fresnelzonenplatte. FIG. 10 is an enlarged illustration of the Fresnel zone plate which has been applied to the scale ( 34 ) instead of the cylindrical lens Z1 in FIG. 9.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte photoelektrische Längenmeßsystem ist als Auflichtsystem ausgebildet und besitzt hierzu einen Maßstab (4), dessen Gitterteilung (5) als reflektierendes Auflichtphasengitter ausgebildet ist. Der zur Abtastung das Maßstabs dienende Geberkopf enthält eine Lichtquelle (1), beispielsweise eine LED, der eine Kollimatorlinse (2) nachgeschaltet ist. Das hierdurch kollimierte Lichtbündel trifft auf einen direkt hinter der Kollimatorlinse (2) angeordneten transparenten Trägerchip (3). Bei diesem Trägerchip handelt es sich um ein Glassubstrat, auf das vier Paare von Durchlichtphasengittern (G1, G1′; G2, G2′; G3, G3′ und G4, G4′) aufgebracht sind. Jeweils zwei Gitterpaare z. B. (G1, G1′) sind in Maßstabsrichtung zueinander versetzt beidseitig eines Detektors, in diesem Falle des Detektors (D4) angeordnet, der auf die Unterseite des Trägerchips (3) aufgebracht ist. Demzufolge befinden sich unter dem Trägerchip (3) in einer Reihe senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Maßstabs (4) Detektoren (D1 bis D4), die den in umgekehrter Richtung angeordneten Gitterpaaren (G1, G1′ bis G4, G4′) zugeordnet sind.The photoelectric length measuring system shown in FIGS. 1 to 3 is designed as an incident light system and for this purpose has a scale ( 4 ), the grating division ( 5 ) of which is designed as a reflective incident light phase grating. The sensor head used for scanning the scale contains a light source ( 1 ), for example an LED, which is followed by a collimator lens ( 2 ). The thus collimated light beam is incident on a disposed directly behind the collimator lens (2) transparent support chip (3). This carrier chip is a glass substrate on which four pairs of transmitted-light phase gratings (G1, G1 '; G2, G2'; G3, G3 'and G4, G4') are applied. Each two pairs of gratings z. B. (G1, G1 ') are offset from each other in the scale direction on both sides of a detector, in this case the detector (D4), which is applied to the underside of the carrier chip ( 3 ). Accordingly, there are under the carrier chip ( 3 ) in a row perpendicular to the direction of displacement of the scale ( 4 ) detectors (D1 to D4), which are assigned to the grid pairs arranged in the opposite direction (G1, G1 'to G4, G4').

Die Teilungsfurchen der Gitter eines Paares (G1, G1′) sind zueinander und relativ zur Gitterteilung (5) des Maßstabs (4) so geneigt, daß auf sie auffallendes Licht in Richtung auf den Bereich (9) abgebeugt wird, in dem die optische Achse (O) des Gebersystems die Gitterteilung (5) des Maßstabs (4) schneidet. Dort interferieren die von dem Gitterpaar (G1 und G1′) kommenden Teilstrahlenbündel und werden von der Gitterteilung (5) des Maßstabs (4) in Richtung auf den Detektor (D1) abgebeugt. Entsprechendes gilt für die Gitterpaare (G2 und G2′), deren Teilstrahlenbündel nach Vereinigung an der Gitterteilung (5) auf den Detektor (D2) auffallen, sowie für die beiden übrigen Gitterpaare (G3, G3′ und G4, G4′). Es ist klar, daß beispielsweise das Gitterpaar (G2, G2′) bezüglich seiner Gitterfurchen um einen anderen Winkel ausgerichtet ist als das Gitterpaar (G1, G1′) und aufgrund seines kleineren Abstandes zur optischen Achse (O) und des dadurch bedingten geringeren Ablenkwinkels eine größere Gitterkonstante haben muß als das Gitterpaar (G1, G1′). Außerdem sind die Gitterteilungen der Gitterpaare (G1, G1′ und G2, G2′) so gegeneinander verschoben, daß sich auf den Detektoren (D1 und D2) Signale mit um 90° verschobener Phase ergeben, wenn der Maßstab (4) entlang des in Fig. 1 dargestellten Pfeils verschoben wird. Zur Dimensionierung der Gitter werden im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 und 9 noch detailliertere Angaben gemacht. The division furrows of the grating of a pair (G1, G1 ') are inclined to each other and relative to the grating ( 5 ) of the scale ( 4 ) so that light striking them is deflected towards the area ( 9 ) in which the optical axis (O) of the encoder system intersects the grating ( 5 ) of the scale ( 4 ). There, the partial beams coming from the grating pair (G1 and G1 ') interfere and are deflected by the grating ( 5 ) of the scale ( 4 ) in the direction of the detector (D1). The same applies to the grating pairs (G2 and G2 '), the partial beams of which, after uniting at the grating division ( 5 ), strike the detector (D2), and to the two remaining grating pairs (G3, G3' and G4, G4 '). It is clear that, for example, the grating pair (G2, G2 ') is oriented at a different angle with respect to its grating furrows than the grating pair (G1, G1') and due to its smaller distance from the optical axis (O) and the resulting lower deflection angle must have a larger lattice constant than the pair of gratings (G1, G1 '). In addition, the grating of the grating pairs (G1, G1 'and G2, G2') are shifted against each other so that signals with a phase shifted by 90 ° result on the detectors (D1 and D2) if the scale ( 4 ) along the in Fig illustrated arrow. 1 is moved. In the exemplary embodiment according to FIGS. 8 and 9, more detailed information is given on the dimensioning of the grids.

Das Meßsystem im zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 und 5 entspricht dem nach Fig. 1 bis 3 im wesentlichen. Jedoch tritt hier an die Stelle der Lichtquelle das Ende (17a) eines Lichtleiters aus Glasfasern (17), die von einer externen Lichtquelle (11) gespeist werden. Das vom Faserende ausgehende Licht wird von einer Linse (12) kollimiert und fällt auf den Trägerchip (13), auf dem sich wieder 8 Gitter (G1 bis G4 und G1′ bis G4′) befinden, die in gleicher Weise angeordnet sind wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3.The measuring system in the second embodiment according to FIGS. 4 and 5 corresponds essentially to that according to FIGS. 1 to 3. However, here takes the place of the light source, the end ( 17 a) of a light guide made of glass fibers ( 17 ), which are fed by an external light source ( 11 ). The light coming from the fiber end is collimated by a lens ( 12 ) and falls on the carrier chip ( 13 ), on which there are again 8 gratings (G1 to G4 and G1 'to G4'), which are arranged in the same way as in the exemplary embodiment according to Fig. 1 to 3.

Jedoch enthält der Trägerchip (13) an seiner Unterseite keine Detektoren. Vielmehr tritt das von der Maßstabsteilung (15) zurückgebeugte Licht in der Mitte zwischen den zwei Reihen von Gittern (G1 bis G4 und G1′ bis G4′) durch den transparenten Trägerchip (13) hindurch und wird von der Kollimatorlinse (12) auf die Lichteintrittsflächen von vier weiteren Lichtleitern (16a, b, c und d) fokussiert und von diesen zu vier extern angeordneten Detektoren (D1, D2, D3 und D4) geleitet. Diese Anordnung hat Vorteile, falls starke elektromagnetische Felder in der Nachbarschaft des Meßsystems auftreten, aus deren Bereich die opto-elektronische Signalwandlung herausgehalten werden soll.However, the carrier chip ( 13 ) does not contain any detectors on its underside. Rather, the light from the scale graduation ( 15 ) bends back in the middle between the two rows of grids (G1 to G4 and G1 'to G4') through the transparent carrier chip ( 13 ) and is from the collimator lens ( 12 ) to the light entry surfaces focused by four further light guides ( 16 a, b, c and d) and guided by these to four externally arranged detectors (D1, D2, D3 and D4). This arrangement has advantages if strong electromagnetic fields occur in the vicinity of the measuring system, from the area of which the opto-electronic signal conversion is to be kept out.

Auch im beschriebenen Ausführungsbeispiel beugen die vier Gitterpaare das auf sie einfallende Licht in Richtung auf den gemeinsamen Bereich (19) der Maßstabsteilung ab, wo die Teilstrahlenbündel jeweils paarweise miteinander interferieren.In the exemplary embodiment described, too, the four grating pairs deflect the light incident on them in the direction of the common area ( 19 ) of the scale division, where the partial light beams each interfere with one another in pairs.

Im dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 ist der Durchlichtfall dargestellt. Auch hierfür ist wieder ein Trägerchip (23) aus transparentem Material vorgesehen, auf dem vier Paare von Gittern (G1 bis G4 bzw. G1′ bis G4′) aufgebracht sind. Wie aus der Darstellung nach Fig. 7 hervorgeht, sind die Gitterpaare (G1, G1′) dichter aneinander gesetzt als in den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen, da auf dem Trägerchip (23) kein Platz für Detektoren benötigt wird. Die Detektoren (D1 bis D4) befinden sich in diesem Falle auf der Rückseite des Maßstabs (24) und liegen zentrisch unterhalb der die Gitterpaare spiegelnden Symmetrieachse.In the third embodiment according to FIGS. 6 and 7, the transmitted light case is shown. Again, a carrier chip ( 23 ) made of transparent material is provided on which four pairs of grids (G1 to G4 or G1 'to G4') are applied. As is apparent from the illustration of FIG. 7, the grating pairs (G1, G1 ') closer to each other set than in the two previous embodiments, since in the carrier chip (23) has no space is required for detectors. In this case, the detectors (D1 to D4) are located on the rear of the scale ( 24 ) and are located centrally below the axis of symmetry reflecting the grating pairs.

Für die Beleuchtung des Trägerchips (23) mit kollimiertem Licht sind zwei nebeneinander gesetzte Linsen (L1 und L2) vorgesehen, die auf die Basisfläche (22) eines Kösterprisma (27) symmetrisch zu dessen Teilerfläche (28) aufgesetzt sind. Das Kösterprisma (27) teilt den von einer Lichtquelle (21) ausgehenden Wellenzug in zwei Teilbündel auf, die zur Beleuchtung der zwei Gitterpaare (G1 G1′, G2 G2′ und G3 G3′, G4 G4′) dienen. Mit dieser Maßnahme lassen sich die lateralen Abmessungen des Geberkopfes kompakt halten und die Energie bzw. Leistung der Lichtquelle (21) mit besserem Wirkungsgrad auf die vier Gitterpaare konzentrieren.To illuminate the carrier chip ( 23 ) with collimated light, two lenses (L1 and L2) placed next to one another are provided, which are placed on the base surface ( 22 ) of a Köster prism ( 27 ) symmetrically to the divider surface ( 28 ). The Köster prism ( 27 ) divides the wave train emanating from a light source ( 21 ) into two sub-bundles, which serve to illuminate the two pairs of gratings (G1 G1 ', G2 G2' and G3 G3 ', G4 G4'). With this measure, the lateral dimensions of the transducer head can be kept compact and the energy or power of the light source ( 21 ) can be concentrated on the four grating pairs with better efficiency.

Die von den Gitterpaaren (G1-G4, G1′-G4′) abgebeugten Teilstrahlenbündel interferieren auch hier paarweise in dem von allen Teilbündeln gemeinsam beleuchteten Bereich (29) der Gitterteilung (25) des Maßstabs (24) und gelangen dann zu den unter dem Maßstab (24) angeordneten vier Detektoren (D1-D4).The partial beams that are deflected by the grating pairs (G1-G4, G1'-G4 ') also interfere in pairs in the area ( 29 ) of the grating division ( 25 ) of the scale ( 24 ) that is jointly illuminated by all partial beams and then arrive at the below the scale ( 24 ) arranged four detectors (D1-D4).

Es soll an dieser Stelle noch betont werden, daß die vier Gitterpaare durchaus noch dichter als dargestellt aneinandergesetzt werden können als es in der Fig. 7 dargestellt ist, und sich auch zumindest teilweise überlappen können. Die Trennung der Lichtflüsse bzw. deren Zuordnung zu den vier Detektoren kann durch geeignete Wahl des Abstands der Detektoren von der Maßstabsunterseite stets sichergestellt werden.At this point it should be emphasized that the four pairs of grids can be placed even closer together than shown as shown in FIG. 7, and can also overlap at least partially. The separation of the light fluxes or their assignment to the four detectors can always be ensured by suitable selection of the distance of the detectors from the underside of the scale.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 ist wieder ein Auflichtmeßsystem dargestellt. Bei diesem Beispiel ist das Beleuchtungssystem nicht mehr im einzelnen ausgeführt. Vielmehr ist allein durch die beiden Pfeile (37 und 37′) der Einfall der ebenen Wellenfront eines kollimierten Lichtbündels auf den Trägerchip (33) symbolisiert.In the embodiment according to FIGS. 8 and 9, an incident light measuring system is shown again. In this example, the lighting system is no longer detailed. Rather, the incidence of the plane wavefront of a collimated light beam on the carrier chip ( 33 ) is symbolized solely by the two arrows ( 37 and 37 ').

Auf dem Trägerchip (33) sind die beiden Gitter eines jeden Paares von Referenzgittern jeweils in Maßstabsrichtung hintereinander angeordnet. Die Paare (G1 G1′, G2 G2′, G3 G3′ und G4, G4′) besitzen jedoch alle einen unterschiedlichen Abstand (a, b, c und d) von der in Richtung der Maßstabsteilung laufenden Mittelachse (x) des Gitterfelds. Die Detektoren (D1 bis D4) an der Unterseite des Trägerchips (33) liegen jeweils versetzt um den gleichen Abstand jeweils auf der anderen Seite auf dem Trägerchip (33). Der Strahlverlauf der abgebeugten Teilstrahlenbündel ist in der Fig. 9 durch unterschiedlich punktiert bzw. gestrichelt markierte Pfeile symbolisiert.The two grids of each pair of reference grids are arranged one behind the other in the scale direction on the carrier chip ( 33 ). However, the pairs (G1 G1 ', G2 G2', G3 G3 'and G4, G4') all have a different distance (a, b, c and d) from the central axis (x) of the grid field running in the direction of the scale division. The detectors (D1 to D4) on the underside of the carrier chip ( 33 ) are each offset on the other side on the carrier chip ( 33 ) by the same distance. The beam path of the deflected partial beams is symbolized in FIG. 9 by arrows with different dots or dashed lines.

Bei den Gittern (G1 bis G4 bzw. G1′ bis G4′) handelt es sich um Amplitudengitter mit einem Steg-Lückeverhältnis von eins, wobei jedes Gitterfeld etwa 3 × 3 mm mißt. Die Abstände (a, b, c und d) zur Mittelachse (x) betragen a = 13,8 mm, b = 10,7 mm, c = 7,6 mm und d = 4,5 mm. Die Furchen der Referenzgitter sind wie in den anderen Ausführungsbeispielen so gegeneinander geneigt, daß sie Licht jeweils in Richtung auf den mittleren Bereich (39) des darunterliegenden Maßstabs (34) abbeugen. Sie schließen demzufolge mit den Furchen der Maßstabsteilung Winkel (α1 bis α4) ein, die folgende Werte besitzen, α1 = 82° 3′ 20′′, α2 = 80° 50′ 8′′, α3 = 78° 23′ 46′′, α4 = 72° 14′ 54′′.The gratings (G1 to G4 or G1 'to G4') are amplitude gratings with a bridge-gap ratio of one, each grid field measuring approximately 3 × 3 mm. The distances (a, b, c and d) to the central axis (x) are a = 13.8 mm, b = 10.7 mm, c = 7.6 mm and d = 4.5 mm. As in the other exemplary embodiments, the furrows of the reference gratings are inclined relative to one another in such a way that they deflect light in each case in the direction of the central region ( 39 ) of the scale ( 34 ) below. They therefore include angles (α1 to α4) with the furrows of the scale division, which have the following values: α1 = 82 ° 3 ′ 20 ′ ′, α2 = 80 ° 50 ′ 8 ′ ′, α3 = 78 ° 23 ′ 46 ′ ′ , α4 = 72 ° 14 ′ 54 ′ ′.

Um bei der Wellenlänge des auffallenden Lichts von Lambda = 820 nm den Beugungswinkel zu erhalten, der erforderlich ist, um das Feld (39) auf dem 14 mm unter dem Trägerchip (33) liegenden Maßstab zu erreichen, werden folgende Gitterkonstanten für die Paare von Referenzgittern verwendet: d1 = 1,1 µm, d2 = 1,3 µm, d3 = 1,6 µm und d4 = 2,4 µm, d. h. die näher am Zentrum liegenden Gitterpaare (G4 G4′) besitzen eine größere Gitterkonstante, da sie ja auch einen geringeren Beugungswinkel einzustellen haben. Zusätzlich sind die Gitter innerhalb eines jeden Paares bezüglich ihrer Teilung jeweils um 1/4, 1/2 bzw. 3/4 ihrer Gitterkonstante gegeneinander versetzt, um die gewünschte Phasenbeziehung für das Signal der Detektoren einzustellen.In order to obtain the diffraction angle at the wavelength of the incident light of lambda = 820 nm, which is required to reach the field ( 39 ) on the scale lying 14 mm below the carrier chip ( 33 ), the following grating constants are used for the pairs of reference gratings uses: d1 = 1.1 µm, d2 = 1.3 µm, d3 = 1.6 µm and d4 = 2.4 µm, ie the lattice pairs closer to the center (G4 G4 ′) have a larger lattice constant, since they are also have to set a lower diffraction angle. In addition, the grating within each pair is offset by 1/4, 1/2 or 3/4 of its grating constant with respect to their division, in order to set the desired phase relationship for the signal from the detectors.

Die Gitterteilung (35) des Maßstabsgitters (34) hat eine Gitterkonstante von 8 µm. Eine effektive Gitterkonstante keff von 8 µm besitzen auch die vier Referenzgitter (G1 bis G4) in x-Richtung, d. h. in Maßstabsrichtung. Denn unter Berücksichtigung des Winkels α zwischen den Gitterteilungen des Maßstabs und der Referenzgitter und der viel kleineren tatsächlichen Teilung Tref der Referenzgitter ergibt sich diese effektive Gitterkonstante von 8 µm gemäß der FormelThe grating ( 35 ) of the scale grating ( 34 ) has a grating constant of 8 µm. The four reference gratings (G1 to G4) also have an effective grating constant keff of 8 µm in the x direction, ie in the scale direction. Because taking into account the angle α between the grating divisions of the scale and the reference grating and the much smaller actual division Tref of the reference grating, this effective grating constant of 8 μm results according to the formula

Da bei den im Ausführungsbeispiel beschriebenen Meßsystemen der Einfall der miteinander interferierenden von den Referenzgitterpaaren abgebeugten Teilstrahlenbündeln auf das Maßstabsgitter nicht senkrecht zu dessen Furchenverlauf erfolgt, ist bei der Berechnung bzw. Dimensionierung des Meßsystems die Gittergleichung für schrägen Einfall zu verwenden. Hierzu wird beispielsweise verwiesen auf A. Reule in Optik, Band 66, Nr. 1, 1983, Seiten 73 bis 90, insbesondere Formel 14.Since in the measuring systems described in the embodiment the idea of interfering with each other Reference grating pairs of diffracted partial beams the scale grid is not perpendicular to its furrow course is done when calculating or dimensioning the The grid equation for oblique incidence use. For example, reference is made to A. Reule in Optik, Volume 66, No. 1, 1983, pages 73 to 90, especially Formula 14.

Werden bei dem beschriebenen Meßsystem geplatzte Gitter verwendet, so läßt sich der Lichtfluß (37 bzw. 37′) von den Gittern (G1 bis G4 bzw. G1′ bis G4′) effektiv in Richtung auf den Bereich (39) des Maßstabs (34) konzentrieren. Verzichtet man auf geplatzte Gitter und nimmt die Beugung in andere Gitterordnungen in Kauf, so kann dennoch ein Teil des dann in andere Richtungen weggebeugten Lichtes sinnvoll genutzt werden. Dies ist im Meßsystem nach Fig. 8 bzw. 9 der Fall. In der Regel werden inkrementale Meßsysteme für die Initalisierung mit sogenannten Nullimpulsmarken versehen, die neben der Gitterteilung aufgebracht sind. Im Falle des Meßsystems nach Fig. 8 und Fig. 9 dient eine Zylinderlinse (Z1) auf dem Maßstabsträger (34) in Verbindung mit einer Differenzdiode (D5) auf der Unterseite des Trägerchips (33) als Einrichtung zur Erzeugung eines solchen Nullimpulses. Auf die Zylinderlinse (Z1) fällt der vom Gitter (G4) in die -1. Beugungsordnung abgebeugte Lichtstrom auf und wird von der Zylinderlinse in einem linienförmigen Lichtspot in der Ebene des Trägerchips (33) fokussiert. Dieser Lichtspot wandert beim Verschieben des Maßstabs (34) über den Detektor (D5) und erzeugt auf diese Weise ein impulsförmiges Signal.If burst gratings are used in the measuring system described, the light flux ( 37 or 37 ′) from the gratings (G1 to G4 or G1 ′ to G4 ′) can be effectively directed towards the area ( 39 ) of the scale ( 34 ) focus. If you do not use burst grids and accept diffraction in other grating orders, part of the light that is then deflected in other directions can still be used sensibly. This is the case in the measuring system according to FIGS. 8 and 9. As a rule, incremental measuring systems for initialization are provided with so-called zero pulse marks, which are applied next to the grating. In the case of the measuring system according to Fig. 8 and Fig. 9 is a cylindrical lens (Z1) on the scale carrier (34) in conjunction with a differential diode (D5) on the underside of the carrier chip (33) as means for generating such a zero pulse. On the cylindrical lens (Z1) falls from the grating (G4) in the -1. Diffraction order diffracted luminous flux and is focused by the cylindrical lens in a linear light spot in the plane of the carrier chip ( 33 ). This light spot travels over the detector (D5) when the scale ( 34 ) is displaced and in this way generates a pulse-shaped signal.

Bei der Zylinderlinse (Z1) handelt es sich um eine sogenannte Spiegellinse, d. h. die Zylinderlinse ist auf eine spiegelnde Unterlage aufgebracht. Statt der Zylinderlinse kann jedoch auch ein Gitter mit eindimensional abbildenden Eigenschaften, ähnlich einem sogenannten Fresnelzonenmuster auf dem Maßstabsträger (34) aufgebracht werden. Ein solches abbildendes Gitter ist in Fig. 10 vergrößert dargestellt.The cylindrical lens (Z1) is a so-called mirror lens, ie the cylindrical lens is applied to a reflective surface. Instead of the cylindrical lens, however, a grating with one-dimensional imaging properties, similar to a so-called Fresnel zone pattern, can also be applied to the scale carrier ( 34 ). Such an imaging grid is shown enlarged in FIG. 10.

Weiterhin ist es möglich mit dem von den Referenzgittern in andere Beugungsordnungen weggebeugten Licht eine Einrichtung zur Führungsfehlerkorrektur zu versorgen wie sie in der am gleichen Tage von der Anmelderin eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem mit einer Einrichtung zur Erfassung von Führungsfehlern" beschrieben ist. Auf diese Anmeldung wird an dieser Stelle ausdrücklich Bezug genommen.It is also possible to use the reference grid in other diffraction orders diffracted light one Provision for management error correction like them in the same day by the notifier filed patent application entitled "Photoelectric length or angle measuring system with one Device for recording management errors "described is. This registration is expressly stated here Referred.

Claims

1. Photoelectric length or angle measuring system with a scale grid ( 5 , 15 , 25 , 35 ), several mutually phase-shifted reference grids (G1-G4, G1'-G4 '), and several photoelectric detectors (D1-D4), the light from receive the same area ( 9 , 19 , 29 , 39 ) of the scale grid, each detector (D1-D4) each having a pair of reference grids (G1, G1 '; G2, G2'; G3, G3 '; G4, G4') is assigned, the pairs of reference grids are arranged on the illumination side in front of the scale grating and form an angle with respect to the direction of their grating division with that of the scale grating, which is selected such that the reference grids deflect incident light in the direction of the same area of the scale.

2. Measuring system according to claim 1, wherein that on the Reference grid striking light is collimated.

3. Measuring system according to claim 1, wherein the pairs of Reference grids all lie in one plane.

4. Measuring system according to claim 3, wherein for at least two pairs (G1, G1 '; G2, G2') of reference grids the angle (α1, α2), which forms its division with the scale division ( 15 , 25 , 35 ), its lattice constant (d1, d2) and their distance from the illuminated area ( 9 , 19 , 29 , 39 ) of the scale division are different.

5. Measuring system according to claim 1, wherein for at least one pair of reference gratings (G1, G1 ') the angle α1, which forms its division with the scale division ( 35 ), is greater than 45 °.

6. Measuring system according to claim 1, wherein the reference grid Transmitted light grids are.

7. Measuring system according to claim 1, wherein the scale graduation ( 5 , 15 , 35 ) is a reflective incident light grid.

8. Measuring system according to claim 6 and 7, wherein the reference grating and the detectors are on a common carrier substrate ( 3 , 33 ).

9. Measuring system according to claim 1, wherein for illuminating the reference grating and for forwarding the light coming from the scale ( 15 ), glass fibers or light guides ( 16 , 17 ) are used.

10. Measuring system according to one of claims 1-9, wherein the luminous flux diffracted by at least one of the reference gratings in other diffraction orders, which is not directed towards the common area ( 39 ) of the scale division, a device for detecting a zero pulse (Z1, D5) or a device for guiding error correction is supplied.

11. Measuring system according to claim 10, wherein the device for Generation of the zero pulse or Guide error correction after an imaging grid Contains kind of a Fresnel zone plate.