DE9007809U1 - Positionsmeßeinrichtung - Google Patents
PositionsmeßeinrichtungInfo
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Description
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 19. Dezember 1989
Positionsmeßeinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff-des-Anspruches. 1.
Positionsmeßeinrichtungen als Interferometer in
integriert optischer Bauart sind bekannt. Als Beispiel sei die DE-C2 36 30 887 genannt. Dort wird
eine Anordnung auf einem Substrat beschrieben, bei der ein Wellenleiter für den Meßstrahl mit einem
Laser verbunden ist. Am anderen Ende des Wellenleiters befindet sich ein Aus- bzw. Einkoppelgitter
für den Meßstrahl. Mittels eines Kopplers wird aus dem Meßwellenleiter ein sogenannter Bezugswellenleiter
gewonnen, der an einer verspiegelten Kante des Substrates endet, die somit einen Spiegel für
den Bezugswellenleiter bildet. Derartige Spiegel oder auch Bragg-Reflektoren sind in der integrierten
Optik nicht leicht herzustellen. Auch Systeme, die Linsen benötigen, sind in der Herstellung
20
- ·2 -9*
und Justierung nicht unproblematisch.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemä-ße Positionsmeßeinrichtung
zu schaffen, die beispielsweise Reflektoren und Linsen nur in geringstem Umfang benötigt, die also
einfach aufgebaut ist, wenig Justageaufwand erfordert,
leicht den Erfordernissen angepaßt werden kann und zudem störsicher arbeitet.
10
Diese Aufgabe wird von einer Positionsmeßeinrichtung
mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung
liegen darin, daß sich die passiven Elemente und auch die Beleuchtung auf einem Substrat
zu einem Interferometer in integriert optischer Bauweise auf kleinstem Raum zusammenfassen lassen
. ·■ und daß jegliche Art von Reflektor und/oder Linse auf dem Chip entfalten kann.
Lediglich der Meßreflektor an dem zu messenden Objekt
ist zwangsläufig noch außerhalb des Substrates angeordnet.
25
25
Weitere Vorteile sind durch die ünteransprüche ausgedrückt.
Anhand der Zeichnungen soll mit Hilfe von Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert
werden.
35
Es zeigt
Figur 1 ein Interferometer mit Zirkulargittern
als Ein- und/oder Auskoppelelemente,'
Figur 2 ein Interferometer mit Lineargittern
als Ein- und/oder Auskoppelelemente und
10
Figur 3 ein Interferometer mit separatem
Referenzkanal.
"" Wie bei Darstellungen in der integrierten Optik
üblich, müssen die Ausführungsbeispiele stark schematisiert und oft auch verzerrt dargestellt sein,
damit die wesentlichen Einzelheiten deutlich werden.
In Figur 1 ist ein Substrat 1 gezeigt, in oder auf
dessen Oberfläche sich in einem Teilbereich ein planarer Lichtwellenleiter la erstreckt.
Dort sind zwei Zirkulargitter 2 und 3 vorgesehen.
Ein von einer Laserdiode 4 in das Substrat 1 ein- _j fallendes Strahlenbündel 5 trifft auf das Zirkular
gitter 2, welches hier auch als Strahlteiler wirkt. Das nahezu senkrecht einfallende Strahlenbündel 5
wird in seine 0. und 1. Ordnung aufgespalten, wobei das Teilstrahlenbündel 0. Ordnung auf einen Meßreflektor
trifft, der hier als Tripelprisma 6 ausgebildet ist. Das Teilstrahlenbündel mit dem Anteil
der 1. Ordnung wird abgebeugt und in den planaren Lichtwellenleiter la eingekoppelt. Dabei wird
dieses Teilstrahlenbündel 1. auf einen Eingang
eines integriert-optischen Kopplers 7 fokussiert. Integriert-optischen Koppler 7 sind in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt., Der Koppler 7 hat
drei Ausgänge, die in Detektoren 3a, 8b, Sc münden.
Das Teilstrahlenbündel mit dem Anteil der 1. Ordnung, welches im Zirkulargitter 2 abgebeugt wird,
wird über den Koppler 7 den Detektoren Sa bis 8c zugeführt und bildet den Referenzarm des Interferometers.
Das Teilstrahlenbündel mit dem . Anteil der 0. Ordnung,
welches über den Meßreflektor 6 geführt wird, trifft auf das Zirkulargitter 3, von dem es in
einen Zweig des Kopplers 7 fokussiert wird, der in den Detektoren Sa bis 8c mündet. Dieser Zweig bildet
den Meßarm des Interferometers.
Im Koppler 7 interferieren die Teilstrahlenbündel von Meßarm 1. und Referenzarm 0., so daß mit Hilfe
des Kopplers 7 in den Detektoren 8a, 8b, 8c drei zueinander phasenverschobene Signale erzeugt werden.
In Figur 2 ist ein ähnliches Interferometer dargestellt,
bei dem Lineargitter 22 und 23 verwendet werden. In oder auf der Oberfläche eines Substrates
21 erstreckt sich ein planarer Lichtwellenleiter 21a, in den senkrecht oder nahezu senkrecht ein
Strahlenbündel 25 einer Laserdiode 24 einfällt.
(Das Strahlenbündel kann auch in nicht gezeigter Weise parallel zum Substrat 21 in den planaren
Lichtwellenleiter 21a einfallen, dann ändern sich die Beziehungen der Beugungsordnungen 0. und 1. zum
Meßarm und zum Referenzarm). Arn Lineargitter 22
wird das einfallende Strahlenbündel 25 in Teilstrahlenbündel aufgespalten. Der Anteil der O. Ordnung
fällt auf einen als Tripelprisma ausgebildeten Meßreflektor 26, der ihn auf das zweite Lineargitter
23 reflektiert, von dem er gebeugt und in den planaren Lichtwellenleiter 21a eingekoppelt wird.
Dort interferiert er mit dem Anteil der 1. Ordnung, der das zweite Lineargitter 23 passiert und nach
Bildung von Interferenzstreifen in die Detektoren
2Sa, 28b, 28c eingespeist wird. Was zeichnerisch nicht darstellbar ist, kann so erläutert werden:
r\ Die mit Pfeilen angedeuteten Teilstrahlenbündel 0.
und 1. Ordnung haben eine endliche Ausdehnung und die planare Lichtwellenleiterschicht 21a hat eine
endliche Dicke. Die zwei ebenen Wellen der 0. und 1. Ordnung interferieren innerhalb dieser Schicht
pnd bilden ein Interferenz-Streifenmuster, welches
von den Detektoren 2Sa, 2Sb, 2Sc erfaßt wird.
Durch leichte Schrägstellung des zweiten Gitters gegenüber dem ersten Gitter kann dieser Effekt erzeugt
werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das erste Gitter - wie beschrieben - als Lineargitter
22 auszubilden, aber das zweite Gitter beispielsweise als leichtes Zirkulargitter zu ge-...-1
stalten. In jedem Falle werden die auf eine der
beschriebenen - aber nicht auf diese beschränkten Methoden erzeugten Interferenzstreifen von den Detektoren
2Sa, 28b, 2Sc erfaßt und in zueinander phasenverschobene Meßsignale umgeformt.
Zur Erzielung phasenverschobener Interferenzsignale
kann aber auch in einem Teil des Referenzstrahls ein phasenschiebendes Element {nicht dargestellt)
angebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Figur 3
"" Ö —
wird ein von einer Laserdiode 34 in einen Lichtwellenleiter 31a einfallendes Strahlenbündel 35 einem
Zirkulargitter 32 zugeführt. Dort wird es in Richtung eines Meßreflektors 36 ausgekoppelt und von
diesem wieder auf ein Einkoppelgitter 33 reflektiert. Das ins Einkoppelgitter 33 eingespeiste
Meß-Strahlenbündel 35 wird dort umgelenkt und von dem Zirkular-(Einkoppel-)gitter 33 in einen Lichtwellenleiter
31b fokussiert, der praktisch die Fortsetzung des ersten Lichtwellenleiters 31a ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Referenzarm durch ein Teilstrahlenbündel 35a gebildet, das mit-
-J tels eines Kopplers 38 aus dem Lichtwellenleiter
31a ausgekoppelt und über einen Lichtwellenleiter 31c zu einem Koppler 37 geleitet wird.
Im Koppler 37 interferieren die Teilstrahlenbündel
des Meßstrahlenbündels 35 mit dem Referenzstrahlenbündel
35a in bekannter[1 Wers'e-Tirid-' es~werden """Tnterferenzsignale
erzeugt, welche durch die Detektoren 38a, 38b, 38c aufgenommen und in zueinander phasenverschobene
elektrische Meßsignale umgeformt werden.
25
30
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Claims (10)
1. Positionsmeßeinrichtung, insbesondere Interferometer in integriert optischer Bauart, wenigstens
mit einem Meß- und einem Referenz-Strahlenbün-
.-&Lgr; del, dadurch gekennzeichnet,, daß zumindest im
Strahlengang des Meß-Strahlenbündels (O.,35)
wenigstens zwei räumlich getrennte Einkoppel- und/oder Auskoppelelemente (2, 22, 32; 3, 23,
33} angeordnet sind und daß das Meß-Strahlenbündel (O.,35) jedes dieser Einkoppel- und/oder
Auskoppelelemente (2, 22, 32; 3, 23, 33) zumindest
einmal durchtritt bzvr. an ihm gebeugt wird.
2. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppel- und/oder Auskoppelelemente
Gitter {2, 22, 32; 3, 23, 33)
sind.
3. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitteir Zirkular- (2, 3;
32, 33) oder Lineargitter {22, 23) sind.
4. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Gitter (2, 22) als
Strahlteiler dient, der ein einfallendes Strahlenbündel {5, 25) in das Meß- (0.) und das Referenz-Strahlenbündel
(1.) aufteilt.
- &dgr;
5. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Laserdiode
{4, 24, 34) dient, deren Strahlenbündel unter einem von 90° abweichenden Winkel in das
Einkoppelgitter {2,-22} einfällt.
6. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten der
Gitter (2, 22} von einer Gitterkonstanten abweichen, die für senkrechten Strahleneinfall
erforderlich wären.
7. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koppler {7, 37} vorgesehen
ist, durch den zusätzlich zum Meßsignal ein Gegentaktsignal gewonnen und die Bewegungsrichtung
ermittelt werden kann.
S. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch
20_. ... gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von.zueinander
phasenverschobenen Meß- bzw. Referenzsignalen ein phasenschiebendes Element (27) zwischen den
Lineargittern vorgesehen ist.
9. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von zueinander
phasenverschobenen Meß- bzw. Referenzsignalen das zweite Lineargitter gegenüber dem ersten
eine Schrägstellung aufweist.
10. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von zueinander
phasenverschobenen Meß- bzw. Referenzsignalen das zweite Gitter gegenüber dem ersten in der
Struktur modifiziert ist.
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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Country | Link |
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DE (1) | DE9007809U1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE20021834U1 (de) | 2000-12-22 | 2001-03-15 | Schleifring und Apparatebau GmbH, 82256 Fürstenfeldbruck | Vorrichtung zur Lichteinkopplung in eine lichtleitende Schicht innerhalb einer hybrid aufgebauten elektrisch-optischen Leiterplatte |
EP2674720A1 (de) * | 2012-06-15 | 2013-12-18 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung |
-
1990
- 1990-03-09 DE DE9007809U patent/DE9007809U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE20021834U1 (de) | 2000-12-22 | 2001-03-15 | Schleifring und Apparatebau GmbH, 82256 Fürstenfeldbruck | Vorrichtung zur Lichteinkopplung in eine lichtleitende Schicht innerhalb einer hybrid aufgebauten elektrisch-optischen Leiterplatte |
US7489841B2 (en) | 2000-12-22 | 2009-02-10 | Schleifring Und Apparatebau Gmbh | Device for transferring optical signals by means of planar optical conductors |
EP2674720A1 (de) * | 2012-06-15 | 2013-12-18 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Vorrichtung zur interferentiellen Abstandsmessung |
CN103512505A (zh) * | 2012-06-15 | 2014-01-15 | 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 | 用于干涉式间距测量的设备 |
US9400168B2 (en) | 2012-06-15 | 2016-07-26 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Device for distance measurement |
CN103512505B (zh) * | 2012-06-15 | 2017-05-10 | 约翰内斯·海德汉博士有限公司 | 用于干涉式间距测量的设备 |
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