DE8701269U1

DE8701269U1 - Lichtelektrische Meßeinrichtung

Info

Publication number: DE8701269U1
Application number: DE8701269U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1987-01-27
Filing date: 1987-01-27
Publication date: 1987-06-25

Description

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DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 20. Januar 198

Lichtelektrische Meßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff äes Anspruchs 1 .

in den letzten Jahren hat auf dem Gebiet der Geschwindigkeits- und Positionsmessung die Weiterentwicklung von Meßinstrumenten erhebliche Fortschritte gemacht, und es wurden für' Verfahrensabläufe und Prüf zwecke Meßgeräte entwickelt, die unter Verwendung elektronischer Schaltungen auf dem Einsatz von Licht, Magnetismus und dergleichen beruhen. Geräte, bei denen zum Messen Licht eingesetzt wird, sind als Lichtwellen-Interferenzmeßgeräte bekannt, bei denen die Wellenlänge von Laserlicht als Bezugsgröße herangezogen wird. Die Genauigkeit dieser Meßgeräte erfüllt in ausreichendem Maße die Erfordernisse der heutigen - industriellen Technik, jedoch läßt sich in vielen Fällen sagen, daß die erzielbare hohe Genauigkeit einen großen wirtschaftlichen Aufwand erfordern würde.

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Als Beispiel für ein Meßgerät/ bei dein die Eigenschaften des Magnetismus ausgenützt werden, ist aus der GB-ßS 1 270 875 ein magnetisches Meßsystem bekannt, bei dem ein Magnetmuster als Bezugsmaß auf einem bandartigen Magnetelement vorab aufgezeichnet wird, um die relative Lage zwischen diesem Magnetmuster und einem Magnetkopf ermitteln zu können. Bei diesem System jedoch bestimmt sich die Genauigkeit durch die Feinheit der magnetischen Teilung, die mit einer Teilungsperiode von etwa 0,2 mm auf dem Magnetelement aufgezeichnet werden kann. Durch Interpolation der Meßsignale erzielt man eine Auflösung von ca. 5 &mgr;&pgr;&igr; - 10 &mgr;&idiagr;&eegr;, so daß die Meßgenauigkeit etwa um zwei Größenordnungen schlechter ist als bei dem Lichtwellen-Interferenzmeßgerät, mit dem eine Auflösung von ca. 0,1 &mgr;&pgr;\ erzielbar ist. Bei einer Werkzeugmaschine beispielsweise ist ein Meßgerät erforderlich, dessen mittlere Genauigkeit zwischen der Genauigkeit des Lichtwellen-Interferenzmeßgerätes und der Genauigkeit des magnetischen Meßsystems liegt, so daß ein optisches Beugungsgitter eingesetzt werden kann, dessen Gitterkonstante in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegt. Ein solches Meßgerät stellt einen Kompromiß zwischen erforderlicher Genauigkeit und vertretbaren Kosten dar. In der DE-OS 33 16 144 und der JP-OS 59-164 914 werden derartige Geräte beschrieben.

Bei derartigen Geräten stellt das Beugungsgitter das Bezugsmaß dar. Ein Beugungsgitter besteht aus sehr dünnen Gitterlinien, die dicht nebeneinander liegend auf einer Glas- oder Metallplatte durch mechanische Bearbeitung, ein optisches Lithographieverfahren/ Elektronenstrahllithographie oder dergleichen ausgebildet sind. Ferner sind vorgesehen: eine Lichtquelle, die monochromatisches Licht aussendet, beispielsweise Laserlicht, zwei Reflektorspiegel und der auf der der Lichtquelle

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gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle befindliche Detektor¹,· der Interferenzlicht empfängt. Der von der Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl wird von deffi Beugungsgitter gebeugt und hindurchgelassen. Ein von dem Beugungsgitter gebeugter Lichtstrahl stellt Beugungslicht (ein Beugungslxchtbündel) der N-ten Ordnung dar, und unter dem Einfluß des Beugungsgitters erhält man in der Wellen!ront des Lichts einen Wert N 3, bei dem es sich um das Produkt der Ordnungszahl und der Phase handelt. Der Lichtstrahl hingegen, der geradlinig durch das Beugungsgitter läuft, enthält keine Phaseninformation. Die beiden Lichtstrahlen werden von den Reflektörspiegeln reflektiert und laufen entlang des Hinwegs zurück, um erneut in das Beugungsgitter einzutreten und von diesem gebeugt und hindurchgelassen zu werden. Das hindurchgelassene Licht des einen Lichtstrahls und das gebeugte Licht N-ter Ordnung des anderen Lichtstrahls werden räumlich selektiert, interferieren miteinander und treten in einen Detektor ein. Nun wird in dem gebeugten Licht N-ter Ordnung des zweiten Lichtstrahls der Wert -N 5 des entgegengesetzten Vorzeichens durch die Phase des Beugungsgitters erhalten, während in dem durchgelassenen Licht des ersten Lichtstrahls nur die zuvor entstandene Phase Nj vorhanden ist, so daß das Interferenzlicht 2N^ entspricht, was dem doppelten Betrag der Phase des Beugungsgitters entspricht. Wenn man nun also annimmt, daß das Beugungsgitter bezüglich einem anderen Teil des optischen Systems, beispielsweise bezüglich der Lichtquelle und den Reflektorspie-. geln relativ bewegt wird, so bewegt sich das Interferenzlicht über 2N Perioden, wenn sich das Beugungsgitter über eine Periode bewegt.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung wird der von der 'Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl von dem Beugungsgitter gebeugt, und Lichtbündel derselben Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen überlappen sich und interferieren miteinander, indem ein halbdürchlässiger Spiegel oder dergleichen vorgesehen wird/ bevor das Licht in den Detektor eintritt* In diesem

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ters in den gebeugten Lichtstrahlen die Größen N 5 und -N^ , wobei N die Beugungs-Ordnungszahl ist, so daß man das Interferenzlicht 2Nf erhält, also einen Betrag, der doppelt so groß ist wie die Phase des Beugungsgitters. Nimmt man also wieder an, daß das Beugungsgitter und ein anderer Teil des optischen Systems relativ zueinander bewegt werden, wie es bereits oben erläutert wurde, so bewegt sich das Interferenzlicht über 2N Perioden, während sich das Beugungsgitter über eine Periode bewegt.

Um die beschriebene optische Anordnung auf kleinem Raum unterbringen zu können, ist es notwendig, die Winkel der Lichtstrahlen bezüglich des Beugungsgitters auszugleichen. Wenn in diesem Fall jedoch die relative Lage des optischen Systems bezüglich des Beugungsgitters in Richtung der Gitterlinien des Beugungsgitters verschoben wird, erfolgt eine Phasenänderung, die derjenigen Phasenänderung ähnlich ist, die auftritt, wenn die Relativbewegung senkrecht zur Ebene des Beugungsgitters erfolgt, so daß die Meßgenauigkeit klein ist. Tritt der Lichtstrahl senkrechtein, so wird der oben erläuterte Nachteil vermieden, jedoch wird das optische System sehr umfangreich, so daß relativ viel Platz zur Verfügung stehen muß.

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DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH G 87 01 269.3

30. April 1987

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung der genannten Gattung die Bausteine so auszugestalten, daß sich ein höherer Integrationsgrad ergibt.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gestalten in ganz besonders vorteilhafter Weise die Meßeinrichtungen gemäß Anspruch 1 aus.

Die Erfindung soll nachstehend mit Hilfe von führungsbeispielen anhand der Zeichnungen noch näher erläutert werden. An dieser Stelle muß ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß bei den Darstellungen die geometrischen Zuordnungen nicht maßstäblich, sondern übertrieben verzerrt abgebildet sind, damit die Unterschiede mit bloßem Auge wahrnehmbar sind« Der Fachmann auf dem Gebiet der integrierten Optik wird in Kenntnis der Erfindung die Dimensionierungen und Lagezüordnungen ohne weiteres in die Praxis umsetzen können. Aus den vorstehenden Gründen können auch die Strahlenverläufe und die Beugungsgitter nicht optisch korrekt, sondem nur symbolisch dargestellt werden.

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Es zeigt:

Figur 1 eine Meßeinrichtung mit integriertem Halbleiterlaser-Baustein, Figur 2 eine Meßeinrichtung mit integriertem Halbleiterlaser-Baustein und

planarer Mikrolinse,

Figur 3 eine Meßeinrichtung mit integriertem Halbleiterlaser-Baustein und Wellenleiterlinse, Figur 4 eine Meßeinrichtung mit integrier

tem Halbleiterlaser-Baustein und kollimierendem Auskoppelgitter.

Bei einer in der Figur 1 dargestellten Positionsmeßeinrichtung ist ein Beugungsgitter G¹ vorgesehen, dessen Position relativ zum Substrat S¹ gemessen werden soll.

Die Strahlung eines Halbleiterlasers L¹ wird am Beugungsgitter G¹ gebeugt und es entstehen Teilstrahlenbündel +m¹ und -m¹ von gleicher Ordnung/ aber entgegengesetztem Vorzeichen. Der Halbleiterlaser L¹ ist erfindungsgemäß Bestandteil einer integrierten optischen Schaltung und somit auf dem Substrat S¹ an-geordnet.

Die Teilstrahlenbündel +m¹ und -m¹ fallen auf das Substrat S·. Auf dem Substrat S· befinden sich zwei Einkoppelelemente +H¹ und -H¹, zwei Lichtwellenleiter +LWL¹ und -LWL¹, ein Koppler TBJ¹ sowie drei Detek-

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toren +D¹, D', -D'- Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind diese Elemente in Form einer integrierten optischen Schaltung auf dem Substrat S' zusammengefaßt, die auch den Halbleiterlaser L¹ und eine nicht &kgr; 5 darstellbare Auswerteelektronik nebst Anzeige umfaßt.

Die Einkoppelelemente +H' und -H' sind in Form von sogenannten adiabatischen Hörnern aufgebaut. Die Einkoppelelemente +H¹ und -H¹ sind quer zur Bewegungs-

richtung des Beugungsgitters G¹ orientiert. Die Einkoppelelemente +H' und -H' weisen Einkoppelgitter +HG¹ und -HG¹ auf. Die Gitterkonstanten der Einkoppel gitter +HG¹ und -HG¹ und ihre Orientierung richten sich nach den Einkoppelbedingungen der gebeugten

Teilstrahlenbündel +m¹ und -m¹.

Der Koppler TBJ¹ kann so ausgelegt werden, daß an sei nen drei Ausgängen zueinander phasenverschobene Signa

Ie anstehen. Die Signale können zueinander jeweils um

120° phasenverschoben sein, es können aber euch an

zwei Ausgängen Signale anstehen, die eine Sinus- bzw. Cosinus-Funktion repräsentieren, wobei am dritten Ausgang ein Referenzsignal ansteht. Die Signale an den Ausgängen werden wiederum mittels Lichtwellen-

leitern zu Detektoren +D¹, D', -D¹ geleitet, von denen sie in elektrische Signale umgewandelt und einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt werden, die Bestandteil der integrierten optischen Schaltung ist, aber nicht dargestellt werden kann.

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Der Strahlungsquelle L' kann eine planare Linse GL¹ zugeordnet sein. Unter planaren Linsen sind planare Gradientenindex Linsen (siehe Applied Optics/ VoI* 25^ No. 19, Oktober 86, Seiten 3388 - 3396 und Naumann, Helmut: Bauelemente der Optik: Taschenbuch für Kon-

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&psgr; strukteure/H. Naumann; G. Schröder - 4. Überarb, u.

-; erw. Ausg., München; Wien: Hanser, 1983, Seiten 545

'■ - 548) oder planare Fresnellinsen oder Zonenlinsen

su verstehen.
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Eine derartige Variante ist in Figur 2 dargestellt.

Um nicht unnötig zu verwirren, werden für gleiche

~l* Bauelemente in den verschiedenen Figuren die glei-

!' chen Bezugszeichen verwendet. Nur für die jeweils ab-

I 10 weichenden Bauteile sind neue Bezugszeichen einge-

I führt.

i In Figur 3 ist der Halbleiterlaser L' auf dem Sub-

i strat S¹ integriert, dessen Strahlung mittels einer

I 15 Wellenleiterlinse WL¹ und einem Auskoppelgitter AG¹

| auf das Beugungsgitter G" gelenkt wird. Eine solche

I Wellenleiterlinse ist beispielsweise in der Druck-

I schrift "Laser und Optoelektronik" Nr. 4/1986,

-: Seite 331, beschrieben.

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I Schließlich ist in Figur 4 ein integrierter Laser L¹

i gezeigt, dessen Strahlung mit Hilfe eines kollimie-

renden Auskoppelgitters KAG' auf das Beugungsgitter G'

I gerichtet wird.

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Kollimierende Auskoppelgitter sind in integrierten

* optischen Schaltungen beispielsweise aus der Technik

der interferometx'ischen Längenmessung bekannt (siehe Veröffentlichung "INTEGRATED-OPTIC SENSORS USING 30 GRATING COMPONENTS", Seite 174, von S. URA, T. SUHARA und H. NISHIHARA auf der 4th INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTICAL FIBER SENSORS; in Tokyo, Japan, Oktober 1986)

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Die Verschiebebewegungen des Beugungsgitters G' werden so zu im allgemeinen digital angezeigten Positions- oder Geschwihdigkeitsmeßwerten für die zu niessende Maschinenbewegung umgeformt* Falls keine Bewegungsrichtung erkannt werden muß - wie beispielsweise bei Geschwindigkeitsmessungen - kann die Erzeugung von phasenverschobenen Signalen entfallen &iacgr;

Claims

ft · · DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 20. Januar 1987 Ansprüche

1. Lichtelektrische Meßeinrichtung mit einer Beleuchtungseinrichtung und wenigstens einem quer zur Strahlrichtung der vorgenannten Beleuchtungseinrichtung verschiebbaren Beugungsgitter zum Erzeugen von mindestens zwei gebeugten Teilstrahlenbündeln, die mittels zwei Einkoppelelementen in zwei Lichtwellenleiter eingekoppelt, zwei Eingängen eines Kopplers zugeführt, im Koppler zur Interferenz gebracht und von wenigstens einem Detektor in wenigstens ein elektrisches Signal umgewandelt werden, bei der die Einkoppelelemente, die ' Lichtwellenleiter, der Koppler und der wenigstens eine Detektor in Form einer integrierten optischen Schaltung auf einem Substrat zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte optische Schaltung auch die Beleuchtungseinrichtung (L¹) beinhaltet.

2. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung ein Halbleiterlaser (L') ist.

3. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung eine planare Linse (GL¹) aufweist, die ebenfalls als Baustein der integrierten optischen Schaltung auf dem Substrat (S¹) angeordnet ist.

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4. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, I dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein-

I richtung eine Wellenleiterlinse (XVL¹) und ein

% Auskoppelgitter (AG¹) aufweist, die als Baustei-

5 ne der integrierten optischen Schaltung auf dem
Substrat (S¹) angeordnet sind.

5. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1,

&Iacgr; dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein-

I₄ 10 richtung ein kollimierendes Auskoppelgitter (KAG¹)

\ aufweist, das als Baustein der integrierten opti-

I sehen Schaltung auf dem Substrat (S¹) angeordnet

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