DE9321298U1

DE9321298U1 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE9321298U1
Application number: DE9321298U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1992-09-21
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1997-01-30
Anticipated expiration: 2003-09-03

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 8. September 1992

Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Längen- oder Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Erfindung geht von dem aus der europäischen Patentschrift EP- 0 163 362 -Bl bekannten Stand der Technik aus. Dieser Stand der Technik zeigt ein Dreigitterinterferometer, welches in praktischen Anwendungen dadurch, daß eines der Gitter reflektierend ist, auf zwei Gitterstrukturen reduziert wird. Die Auswertung der interferierenden Teilstrahlenbündel ermöglicht die Messung der Größe und der Richtung der Relativverschiebung zwischen den beiden Gittern.

Eine Phasenverschiebung zwischen den von den Detektoren detektierten Teilstrahlenbündel ist deshalb erforderlich.

Die DE-23 16 248-A1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen mit einem durchlässigen und einem reflektierenden Gitter. Drei Detektoren
detektieren die Beugungsgruppen der nullten und der positiven und negativen zweiten Ordnung. Eine klare Offenbarung der Phasenbeziehungen zwischen den von ■ den Detektoren, die nicht die Beugungsgruppen der ersten Ordnung detektieren, detektierten Lichtstrahlen fehlt.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung mit einer sehr hohen ' _) Auflösung und großzügiger Ausrichttoleranz unter

Verwendung von feinen Gittern mit einer Teilungsperiode in der Größenordnung von einem halben Mikrometer am Maßstabgitter anzugeben. Hohe Modulationsgrade, keine Signaloberwellen und ein einfacher, kompakter Aufbau sind ebenso erwünscht, wie die Möglichkeit, die phasenverschobenen Signale mittels verschiedener Methoden zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird von einer Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

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Die besonderen Vorteile bestehen darin, daß mit sehr feinen Teilungsperioden des Maßstabgitters gearbeitet werden kann, so daß bereits vor einer späteren Signalinterpolation eine hohe Auflösung erzielt wird.

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels und seiner Varianten unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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Dabei zeigt:

Figur 1 ein optisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung __ zum Messen von Verschiebungen;

Figur 2 ein schematisches optisches Schaubild;

Figur 3 ein optisches Schaubild mit aus

gedehnter Lichtquelle und

Figur 4 eine schematisch dargestellte . Abtastplatte mit zwei unterschiedlichen Gitterstrukturen.

Einzelbeschreibunq der Zeichnungen

Gemäß der Darstellung in Figur 1 enthält eine Längenmeßeinrichtung-1 eine Lichtquelle 2, ein Abtastgitter 3, ein reflektierendes Maßstabgitter 4 und einen Fotodetektor 5, der die Signalstrahlenbündel Jo/ J+i/ J-x detektiert. In einer praktischen Ausführungsform würden die Bauteile 2, 3 und 5 an einem gegenüber dem reflektierenden Maßstabgitter 4 verschiebbaren Lesekopf angebracht sein. Die elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektors 5 bilden ein Maß für die Richtung und Größe der Verschiebung des Lesekopfes gegenüber dem ortsfesten Maßstabgitter 4. Eine Linear- oder Winkelverschiebung zwischen den Elementen 3 und 4 kann bei entsprechendem Aufbau gemessen werden.

Die Besonderheit der gezeigten Längenmeßeinrichtung liegt darin, daß als Lichtquelle 2 eine LED

(Lichtemittierende Diode), die Licht mit bestimmten Kohärenzeigenschaften aussendet/ verwendet wird.

Das Abtastgitter 3 weist eine Teilungsperiode TP2 auf, die näherungsweise oder genau doppelt so groß ist wie die Teilungsperiode TPl des Maßstabgitters 4. Wichtig ist dabei, daß das Verhältnis genau 2:1, oder näherungsweise 2:1 ist. Das gezeigte Maßstabgitter 4 soll eine Teilungsperiode TPl von &Ogr;,&dgr;&mgr;&khgr;&agr; haben, das zugehörige Abtastgitter 3 jedoch eine Teilungsperiode TP2 von 0,9982&mgr;&pgr;&igr;. Allerdings könnte diese Teilungsperiode auch ljL/m oder &Igr;,&Ogr;&Ogr;&Igr;&dgr;&mgr;&pgr;&igr; groß bzw. fein sein.

Das" Maßstabgitter 4 und das Abtastgitter 3 sind parallel zueinander angeordnet. Das Lichtstrahlenbündel der LED wird am Abtastgitter 3 in zwei erste Beugungsordnungen -1 und +1 aufgespalten, die symmetrisch zum einfallenden Lichtstrahlenbündel verlaufen.

Durch das oben- genannte Verhältnis der Teilungsperioden von Abtastgitter 3 zu Maßstabgitter 4 entstehen am Maßstabgitter 4, das als Reflexionsmaßstab ausgebildet ist, zwei gebeugte Teilstrahlenündel, die - in Strichrichtung betrachtet - genau oder näherungsweise in sich zurücklaufen.

Diese am Maßstab 4 gebeugten Teilstrahlenbündel werden durch nochmalige Beugung am Abtastgitter 3 zur Interferenz gebracht. Für den Fall TP2/TP1=2:1 interferieren diese Teilstrahlenbündel durch Beugung am Abtastgitter 3 in leicht unterschiedliche Richtungen und erzeugen in der Brennebene einer Linse ein Interferenz-Streifensystem/ aus welchem

mittels eines strukturierten Detektors die gewünschten phasenversetzten Ausgangssignale abgeleitet werden können.

Für den Fall TP2/TP1=2:1 interferieren diese Teilstrahlenbündel durch Beugung am Abtastgitter 3 in exakt gleiche Richtungen und erzeugen somit bei Bewegung des Maßstabgitters 4 relativ zum Abtastgitter 3 Intensitätsmodulationen in den resultierenden Signalstrahlenbündeln J₀, J^_x, J__x deren gegenseitiger Phasenversatz, vorzugsweise 120°, durch geeignete Ausgestaltung des Abtastgitters 3 ._) erreicht wird.

Diese Alternative entspricht der Darstellung in Figur 1.

Das schematische optische Schaubild in Figur 2 zeigt einen aufgefalteten Strahlengang eines Dreigitterschrittgebers 12. Hier sind das erste Gitter 32a und das dritte Gitter 32b räumlich getrennt und die Funktionen als Aufspaltgitter 32a und als Vereinigungsgitter 32b leichter erkennbar.

Ein von einer LED 22 ausgesandtes Lichtstrahlenbündel fällt senkrecht auf das erste Gitter 32a, an dem durch Beugung Teilstrahlenbündel der 0. und der +1.Ordnungen erzeugt werden. Diese Teilstrahlenbündel treffen auf ein Maßstabgitter 42, an dem sie erneut gebeugt werden. Die zur Gitternormalen hingebeugten Teilstrahlenbündel treffen am Vereinigungsgitter 32b aufeinander, wo sie unter erneuter Beugung zur Interferenz kommen.

Die zeitlichen Kohärenzeigenschaften der Lichtquelle 22 sind derart, daß das Teilstrahlenbündel der 0. Beugungsordnung des Aufspaltgitters 32a nicht zur Interferenz beiträgt, da es zwischen den drei Gittern 32a, 42 und 32b eine andere optische Weglänge zurücklegt, wie die beiden Teilstrahlenbündel der +1. Beugungsordnungen.

Die räumlichen Kohärenzeigenschaften der Lichtquel-Ie 22 sind derart, daß die am Maßstabgitter 42 aus

den Teilstrahlenbündeln der +1. BeugungsOrdnungen

.des Aufspaltgitters 32a hervorgegangenen Teilstrah-

J lenbündel 0. Beugungsordnungen ebenfalls nicht zur

Interferenz beitragen, da sie mit Versatz in Meßrichtung X am Vereinigungsgitter 32b auftreffen. Es gelangen somit nur diejenigen Teilstrahlenbündel zur Interferenz, welche sowohl gleich lange optische Wege zwischen den Gittern durchlaufen als auch am Vereinigungsgitter 32b ohne Versatz in Meßrich^ tung X überlagert werden.

In Figur 3 ist ein optisches Schaubild dargestellt, anhand dessen die Verhältnisse bei Beleuchtung unter dem Winkel &egr; - Lichtstrahlenbündel, das von einem emittierenden Punkt einer ausgedehnten Lichtquelle 23 ausgeht - verdeutlicht werden.

Wie leicht erkennbar, bleiben die optischen Weglängen der signalbildenden Teilstrahlenbündel (Parallelogramm) gleich; diese Teilstrahlenbündel erzeugen somit unabhängig vom Beleuchtungswinkel &egr; Interferenzen gleicher Phase.

Die optischen Weglängen der am Maßstabsgitter 43 aus den Teilstrahlenbündeln der +1. Beugungsordnungen des Aufspaltgitters 33a hervorgegangenen Teilstrahlenbündel 0. Beugungsordnungen sind dagegen für unterschiedliche Beleuchtungswinkel verschieden.
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Eine Mischung vieler Einfallsrichtungen durch eine ausgedehnte Lichtquelle führt damit zu einer Überlagerung von Interferenzen beliebiger Phase.

Aus diesem Grund erzeugen die Teilstrahlenbündel J₀*, J+i*, J-x* und Jo**, Jh-I**, J-I** nur einen konstanten Gleichlichtanteil auf dem Detektor.

Da bei dieser Ausführungsform das erste und das letzte Gitter nicht körperlich identisch sind, können ihre Gitterparameter so gewählt werden, daß sie ihre Aufgaben als Aufspaltgitter und als Vereinigungsgitter optimal erfüllen können.

Diese Optimierung ist auch bei Auflichtmeßeinrichtungen möglich, wenn das Abtastgitter 3 aus Figur 1 durch eine Abtastplatte 34 ersetzt wird, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. Die Abtastplatte 34 weist für diesen Anwendungsfall zwei Zonen mit unterschiedlichen Gitterstrukturen 34a und 34b auf, die für Ihre Aufgaben als Aufspaltgitter 34a und Vereinigungsgitter 34b optimiert sind.

Mit einer Längen- oder Winkelmeßeinrichtung gemäß der Erfindung lassen sich also unter der Bedingung, daß die Teilungsperiode TPl des Maßstabgitters 4 kleiner ist als die Wellenlänge des verwendeten Lichtes, allein durch die Kohärenzeigenschaften der Lichtquelle 2 oberwellenfreie Signale mit der Periode TP1/2 erzeugen.

Phasenverschobene Signale können außer durch geeignete Dimensionierung des Abtastgitters oder durch Auswerten eines Interferenzstreifensystems mittels strukturiertem Detektor auch polarisationsoptisch gewonnen werden.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 8. September 1992 Ansprüche

1. Interferentiell arbeitende Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit mehreren in Meßrichtung relativ zueinander verschiebbaren Gittern, die als

J) Abtast- und als Maßstabgitter ausgebildet sind

und die von einer Lichtquelle kommendes Licht beugen und ferner die gebeugten Teilstrahlenbündel zur Interferenz bringen, wobei die durch Interferenz entstehenden Intensitätsmodulationen der Teilstrahlenbündel durch wenigstens einen Detektor in zueinander phasenverschobene elektrische Signale umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Maßstabgitter (4; 42) eine Teilungsperiode·(TPl) aufweist, die kleiner ist, als die Wellenlänge (^) des Lichtes, und daß das Abtastgitter (3; 32a, 32b; 33a, 33b) eine Teilungsperiode (TP2) aufweist, die näherungsweise oder exakt doppelt so groß ist, wie die Teilungsperiode (TPl) des Maßstabgitters (4), und die größer als die Wellenlänge (^) des Lichtes ist, und daß die zeitlichen Kohärenzeigenschaften der Lichtquelle (2; 22) Interferenz nur von solchen Teilstrahlenbündeln zulassen, die zwischen den Gittern (3, 4; 32a, 32b) gleich lange optische Wege zurücklegen und daß die räumlichen Kohärenzeigenschaften der Lichtquelle (2; 22) Interferenz nur von solchen Teilstrahlenbündeln zulassen, die beim letzten Gitterdurchtritt ohne Versatz in Meßrichtung (X) überlagert werden.

2. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am legten Gitter (3/ 32b) nur die Teilstrahlenbündel der +1.Ordnung miteinander interferieren und die Teilstrahlenbündel der 0. und 2.Ordnungen miteinander interferieren.

3. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht mittels eines Polarisators in Strichrichtung der Gitter oder senkrecht dazu polarisiert wird.

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4. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines
&lgr;/2-Plättchens die Polarisationsebene zwischen den Gittern gedreht wird.

5. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines konvergenten ' Beleuchtungsstrahlenganges die Lichtquelle (2; 22) auf dem Detektor (5; 52) abgebildet wird.

6. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenverschobenen Signale durch die Variation der Gitterparameter des Abtastgitters (3; 32b; 33) gewonnen werden.

7. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die phasenverschobenen Signale mit polarisationsoptischen Mitteln erzeugt werden.

8. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch I₇ dadurch gekennzeichnet/ daß die phasenverschobenen Signale durch die Auswertung eines Interferenzstreifen-Musters mittels eines strukturierten Detektors {5, 52) gewonnen werden.

9. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten Gitter (3; 32a) eine Aufspaltung in Teilstrahlenbündel (+1; -1) erfolgt, die symmetrisch zum einfallenden Lichtstrahl verlaufen.

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10. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch

1/ dadurch gekennzeichnet, daß das erste bzw. dritte Gitter Aufspalt- bzw. Abtastgitter (3; 32a bzw. 32b) und das zweite Gitter das Maßstabgitter (4; 42) einer inkrementalen Wegmeßeinrichtung (1; 12) verkörpern.

11. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 10/ dadurch gekennzeichnet, daß das erste und dritte Gitter (3) transparent und körperlich identisch sind/ und daß das zweite Gitter reflektierend als Maßstabgitter (4) einer Auflichtmeßeinrichtung (1) ausgebildet ist.

12. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 10/ dadurch gekennzeichnet, daß das erste und dritte Gitter auf einer gemeinsamen Abtastplatte (33) angeordnet sind, aber unterschiedliche Gitterparameter (33a; 33b) aufweisen.

13. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gitter (32a; 42; 32b) als transparente Gitter einer Durchlichtmeßeinrichtung (12) ausgebildet sind.

14. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 13/ dadurch gekennzeichnet/ daß das erste Gitter als Aufspaltgitter (32a) und das dritte Gitter als Vereinigungsgitter (32b) ausgebildet ist und daß sie unterschiedliche Gitterparameter aufweisen.

15. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet/ daß als Maßstab- und/oder Abtastgitter Phasen- und/oder Amplitudengitter verwendet werden.

16. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche/ dadurch gekennzeichnet, daß als Maßstab- und Abtastgitter sogenannte Kreuzgitter verwendet werden.

17. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet/ daß mit Hilfe der Kreuzgitter eine Meßeinrichtung für zwei Dimensionen gebildet wird..