DE9321301U1 - Length or angle measuring device - Google Patents

Length or angle measuring device

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Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3. September 1992DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3 September 1992

Längen- oder WinkelmeßeinrichtungLength or angle measuring device

Die Erfindung bezieht sich auf eine Längen- oder Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a length or angle measuring device according to the preamble of claim 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 gemacht wird, auf zwei Gitterstrukturen reduziert wird. Die Auswertung der interferierenden Teilstrahlen ermöglicht das Feststellen der Größe und der Richtung der Relativverschiebung zwischen den beiden Gittern.The invention is based on the state of the art known from European patent specification EP-0 163 362-B1. This state of the art shows a three-grating interferometer which in practical applications is reduced to two grating structures by making one of the gratings reflective. The evaluation of the interfering partial beams makes it possible to determine the size and direction of the relative displacement between the two gratings.

1515

Eine Phasenverschiebung zwischen den von den Detektoren detektierten Beugungsordnungen ist deshalb erforderlich.A phase shift between the diffraction orders detected by the detectors is therefore required.

Die DE-23 16 248-Al offenbart eine Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen mit einem durchlässigen und einem reflektierenden Gitter. Drei DetektorenDE-23 16 248-Al discloses a device for measuring displacements with a transmissive and a reflective grating. Three detectors

—. 2 ——. 2 —

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.detect the zeroth and the positive and negative second order diffraction groups. A clear revelation of the phase relationships between the light rays detected by the detectors that do not detect the first order diffraction groups is missing.

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 einer Größenordnung von einem halben Mikrometer am Maßstabgitter anzugeben. Die Interferenzstreifen werden mit Fotodetektoren ausgewertet. Ein hoher Modulationsgrad, ein geringer Oberwellenanteil und ein einfacher und kleiner Aufbau sind ebenso erwünscht.The present invention is based on the task of specifying a measuring device with a very high resolution and generous alignment tolerance using fine gratings with a graduation period of the order of half a micrometer on the scale grating. The interference fringes are evaluated using photodetectors. A high degree of modulation, a low harmonic content and a simple and small structure are also desirable.

Diese Aufgabe wird von einer Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved by a length or angle measuring device with the features of claim 1.

Die besonderen Vorteile bestehen darin, daß mit sehr feinen Teilungsperioden beim Maßstabgitter gearbeitet werden kann, so daß bereits vor einer späteren Signalinterpolation eine hohe Auflösung erzielt wird.The particular advantages are that very fine division periods can be used for the scale grid, so that a high resolution is achieved even before subsequent signal interpolation.

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels und seiner Varianten unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.The invention will now be described by way of example and its variants with reference to the accompanying drawings.

Dabei zeigt:It shows:

Figur 1 ein optisches Schaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen von Verschiebungen;Figure 1 is an optical diagram of a device according to the invention for measuring displacements;

- ' Figur 2 ein schematisches optisches- ' Figure 2 is a schematic optical

Schaubild;Graph;

Figur 3 ein , schematisches optischesFigure 3 is a schematic optical

Schaubild einer Meßeinrichtung für zwei Dimensionen;Diagram of a measuring device for two dimensions;

Figur 4 zwei Blenden- Ausführungsformen undFigure 4 two aperture designs and

Figur 5 ein optisches Teil-Schaubild mit Blende.Figure 5 is a partial optical diagram with aperture.

Einzelbeschreibunq der ZeichnungenIndividual description of the drawings

Gemäß der Darstellung in Figur 1 enthält eine Längenmeßeinrichtung 1 eine Lichtquelle 2, einen Kollimator 3, ein Abtastgitter 4, ein reflektierendes Maßstabgitter 5, eine Fokussierlinse 6, eine Ringblende 7 und einen Fotodetektor 8, der ein Interferenzstreifen-System 9 detektiert. In einer praktischen Ausführungsform würden die Bauteile 2, 3, 4, 6, 7 und 8 an einem gegenüber dem reflektierenden Maßstabgitter 5 verschiebbaren Lesekopf angebracht sein. Die elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektors 8 bilden ein Maß für die Richtung und Größe der Verschiebung des Lesekopfes gegenüber dem ortsfesten Maßstabgitter 5. Eine Linear- oder Winkelverschiebung zwischen den Elementen 4 und 5 kann bei entsprechendem Aufbau gemessen werden.According to the illustration in Figure 1, a length measuring device 1 contains a light source 2, a collimator 3, a scanning grating 4, a reflective scale grating 5, a focusing lens 6, a ring diaphragm 7 and a photodetector 8 which detects an interference fringe system 9. In a practical embodiment, the components 2, 3, 4, 6, 7 and 8 would be attached to a reading head that can be displaced relative to the reflective scale grating 5. The electrical output signals of the photodetector 8 form a measure of the direction and magnitude of the displacement of the reading head relative to the stationary scale grating 5. A linear or angular displacement between the elements 4 and 5 can be measured with the appropriate structure.

Die Besonderheit der gezeigten Langenmeßeinrichtung liegt darin, daß eine punktförmige Lichtquelle 2, nämlich eine Laserdiode, die Licht mit einer Wellenlänge von z.B. 780nm aussendet, verwendet wird. 5The special feature of the length measuring device shown is that a point-shaped light source 2, namely a laser diode that emits light with a wavelength of e.g. 780nm, is used. 5

Das Abtastgitter 4 weist eine Teilungsperiode TP2 auf, die näherungsweise doppelt so groß ist wie die Teilungsperiode TPl des Maßstabgitters 5. Wichtig ist dabei, daß das Verhältnis nicht genau 2:1, sondem nur näherungsweise . 2:1 ist. Das gezeigte Maßstabgitter 5 soll eine Teilungsperiode TPl von 0,5&mgr;&pgr;&igr; haben, das zugehörige Abtastgitter 4 jedoch eine Teilungsperiode TP2 von 0,99&Bgr;2&mgr;&tgr;&agr;. Allerdings könnte diese Teilungsperiode auch 1,0018&mgr;&idiagr;&eegr; groß bzw. fein sein.The scanning grating 4 has a graduation period TP2 that is approximately twice as large as the graduation period TP1 of the scale grating 5. It is important that the ratio is not exactly 2:1, but only approximately 2:1. The scale grating 5 shown should have a graduation period TP1 of 0.5μπα, but the associated scanning grating 4 should have a graduation period TP2 of 0.99β2μπα. However, this graduation period could also be 1.0018μπα large or fine.

Das Maßstabgitter 5 und das Abtastgitter 4 sind parallel zueinander angeordnet. Der Lichtstrahl der Laserdiode 2 wird am Abtastgitter 4 in zwei erste Beugungsordnungen —1. und +1. aufgespalten.The scale grating 5 and the scanning grating 4 are arranged parallel to each other. The light beam of the laser diode 2 is split at the scanning grating 4 into two first diffraction orders -1st and +1st.

Bedingt durch die ungefähr halbe Teilungsperiode TPl des Maßstabgitters 5, das als Reflexionsmaßstab ausgebildet ist, entsteht jeweils ein gebeugter Teilstrahl, der - in Strichrichtung betrachtet nahezu in sich selbst zurückläuft. In Figur 1 bedeutet das, daß die beiden reflektierten Teilstrahlenbündel der -1. und +1. Ordnung nahezu den gleichen Winkel zur Normalen auf das Maßstabgitter 5 einschließen, wie die einfallenden Teilstrahlenbündel dieser -1. und +1.Ordnung.Due to the approximately half division period TPl of the scale grating 5, which is designed as a reflection scale, a diffracted partial beam is created which - viewed in the direction of the line - almost runs back on itself. In Figure 1, this means that the two reflected partial beams of the -1st and +1st order enclose almost the same angle to the normal to the scale grating 5 as the incident partial beams of this -1st and +1st order.

Nach der nochmaligen Beugung am Abtastgitter 4 weisen die durchtretenden Teilstrahlenbündel fast parallele Richtungen auf.After repeated diffraction at the scanning grating 4, the passing partial beams have almost parallel directions.

• ··

Der durch die geringfügige Abweichung des Verhältnisses der Teilungsperioden TP1/TP2 von einem ganzzahligen Verhältnis entstehende kleine Winkel zwischen den gebeugten Teilstrahlenbündeln führt dazu, daß in der Brennebene der Fokussierlinse 6 zwei Foki 10 und 11 entstehen.The small angle between the diffracted partial beams, which is created by the slight deviation of the ratio of the graduation periods TP1/TP2 from an integer ratio, leads to two foci 10 and 11 being created in the focal plane of the focusing lens 6.

Die von den Foki 10 und 11 ausgehenden Kugelwellen erzeugen ein Interferenzstreifen-System, welches mit dem Detektor 8 ausgewertet wird. Eine Ringblende 7 blendet dabei andere Beugungsordnungen und Streulicht aus.The spherical waves emanating from the foci 10 and 11 generate an interference fringe system, which is evaluated by the detector 8. A ring diaphragm 7 blocks out other diffraction orders and scattered light.

Derartige Blenden 7 sind in der Figur 4 gezeigt, auf die noch näher eingegangen wird.Such apertures 7 are shown in Figure 4, which will be discussed in more detail below.

Abweichend von der in Figur 1 gezeigten Anordnung, bei der die Lichtquelle 2 und der Detektor 8 in einer Ebene senkrecht zur Meßrichtung angeordnet sind, kann auch eine andere Anordnung erfolgen.Deviating from the arrangement shown in Figure 1, in which the light source 2 and the detector 8 are arranged in a plane perpendicular to the measuring direction, another arrangement can also be used.

Gemäß Figur 2 sind die Laserdiode 22 und der Detektor 82 zwar auch in einer Ebene angeordnet, diese wird jedoch von einer Komponente in Meßrichtung und der Normalen auf das Maßstabgitter 5 aufgespannt.According to Figure 2, the laser diode 22 and the detector 82 are also arranged in a plane, but this is spanned by a component in the measuring direction and the normal to the scale grid 5.

Ein Strahlteiler 112 befindet sich im Strahlengang zwischen Laserdiode 22 und Detektor 82. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist gut zu erkennen, daß die gebeugten Teilstrahlenbündel -1. und +1. nach der Reflexion am Maßstabgitter 52 in sich selbst zurücklaufen und nach erneuter Beugung am Abtastgitter 42 mit geringer Scherung auf den Strahlteiler 112 treffen. Der Strahlteiler 112 lenkt dieA beam splitter 112 is located in the beam path between laser diode 22 and detector 82. In this embodiment, it is clearly visible that the diffracted partial beams -1. and +1. run back into themselves after reflection at the scale grating 52 and, after renewed diffraction at the scanning grating 42, hit the beam splitter 112 with little shear. The beam splitter 112 directs the

unparallel verlaufenden Teilstrahlenbündel -1. und +1. auf eine Linse 62, von der sie fokussiert und auf eine Blende 72 geworfen werden. Nachdem die zur Auswertung zulässigen Teilstrahlenbündel die Blende 72 durchlaufen haben, fallen sie auf einen Detektor 82.non-parallel partial beams -1. and +1. onto a lens 62, which focuses them and throws them onto an aperture 72. After the partial beams permitted for evaluation have passed through the aperture 72, they fall onto a detector 82.

In Figur 3 ist sehr schematisiert gezeigt, daß bei entsprechendem Aufbau mit Hilfe von Kreuzgittern eine Längenmeßeinrichtung für zwei Dimensionen geschaffen werden kann.Figure 3 shows very schematically that with the appropriate construction using cross gratings a length measuring device for two dimensions can be created.

Kern einer derartigen Meßeinrichtung sind sogenannte Kreuzgitter. Sowohl das Abtastgitter 43 als auch das Maßstabgitter 53 weisen eine Gitterteilung in zwei Koordinatenrichtungen auf. Daraus resultiert ein Kreuzgitter. Für diese Gitter gelten ebenfalls die erfindungsgemäßen Kriterien, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf das Vorstehende hingewiesen wird.The core of such a measuring device is a so-called cross grating. Both the scanning grating 43 and the scale grating 53 have a grating division in two coordinate directions. This results in a cross grating. The criteria according to the invention also apply to these gratings, which is why reference is made to the above to avoid repetition.

Der Punkt 23 symbolisiert einen von einer nicht dargestellten Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahl, der in dieser aufgefalteten Darstellung auf ein als Kreuzgitter ausgebildetes Abtastgitter 43 trifft. Am Kreuzgitter 43 wird der Lichtstrahl 23 in zueinander senkrecht verlaufende Teilstrahlenbündel -1. und +1. sowie -1.' und +1.' aufgespalten und gebeugt. Diese gebeugten Teilstrahlenbündel -1., +1., -1.', +1.' werden am Maßstabgitter 53, welches ebenfalls als Kreuzgitter ausgebildet ist, reflektiert und abermals gebeugt. Die nochmals gebeugten Teilstrahlenbündel -1., +1., -l«1, +1.' sind nach dem Maßstab-Kreuzgitter 53 symbolisch dargestellt. In Analogie zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel in den Figuren 1 und 2 treten aufgrund der erfindungsgemäßen Bedingungen in der Brennebene einer ebenfalls nicht dargestellten Lin-The point 23 symbolizes a light beam emitted by a light source (not shown) which, in this unfolded representation, strikes a scanning grating 43 designed as a cross grating. At the cross grating 43, the light beam 23 is split into partial beams -1. and +1. and -1.' and +1.' running perpendicular to one another and is diffracted. These diffracted partial beams -1., +1., -1.', +1.' are reflected at the scale grating 53, which is also designed as a cross grating, and diffracted again. The partial beams -1., +1., -1« 1 , +1.' diffracted again are shown symbolically after the scale cross grating 53. In analogy to the first and second embodiments in Figures 1 and 2, due to the conditions according to the invention, in the focal plane of a line (also not shown)

se vier Foki auf, die als Punkte 1O7 11 und 10', 11' schematisch dargestellt sind.It has four foci, which are schematically represented as points 1O 7 11 and 10', 11'.

Die bereits in der Beschreibung von Figur 1 erwähnte Ringblende ist in zwei Ausführungsformen in Figur 4 dargestellt. Die Blende 7a weist zwei lichtdurchlässige Bereiche -71 und +71 auf, durch die die leicht unparallel verlaufenden Teilstrahlenbündel hindurchtreten können.The ring diaphragm already mentioned in the description of Figure 1 is shown in two embodiments in Figure 4. The diaphragm 7a has two light-permeable areas -71 and +71 through which the slightly non-parallel partial beams can pass.

Eine Alternative stellt die Ausführungsform gemäß 7b dar. Hier ist der lichtdurchlässige Bereich +71 tatsächlich ringförmig/ was die Justage erleichtert. An alternative is the embodiment according to 7b. Here the translucent area +71 is actually ring-shaped/ which makes adjustment easier.

Schließlich ist in Figur 5 noch das optische Schema gemäß dem rechten Teil der Figur 2 gezeigt. Es wird deutlich, daß mit Hilfe der Blende 72 alle Beugungsordnungen außer der -1. und +1. herausgefiltert werden. Mit dem Symbol f ist angedeutet/ daß sich die Blende 72 in der Brennebene der Linse 62 befindet.Finally, Figure 5 shows the optical scheme according to the right part of Figure 2. It is clear that with the help of the aperture 72 all diffraction orders except the -1st and +1st are filtered out. The symbol f indicates that the aperture 72 is located in the focal plane of the lens 62.

Claims (14)

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3. September 1992 AnsprücheDR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 3 September 1992 Claims 1. Interferentiell arbeitende Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit mehreren relativ zueinander verschiebbaren Gittern, die als 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 (5) eine Teilungsperiode (TPl) aufweist, die kleiner ist, als die Wellenlänge (&lgr;) des Lichtes, und daß das Abtastgitter (4) eine Teilungsperiode (TP2) aufweist, die näherungsweise, aber nicht genau doppelt so groß ist, wie die Teilungsperiode (TPl) des Maßstabgitters, und die größer als die Wellenlänge (^) des Lichtes ist.1. Interferentially operating length or angle measuring device with several gratings which can be moved relative to one another and which are designed as scanning and as scale gratings and which diffract light coming from a light source and also cause the diffracted partial beams to interfere, the intensity modulations of the partial beams resulting from interference being converted by at least one detector into electrical signals which are phase-shifted relative to one another, characterized in that the scale grating (5) has a graduation period (TP1) which is smaller than the wavelength (λ) of the light, and that the scanning grating (4) has a graduation period (TP2) which is approximately, but not exactly, twice as long as the graduation period (TP1) of the scale grating and which is larger than the wavelength (^) of the light. 2. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufgrund des Verhältnisses der Teilungsperioden (TPl)/(TP2)=l/2 nach der Beugung der Teilstrahlenbündel (-1., +1·) am letzten durchlaufenen Gitter (4) eine geringfügige Scherung der. Teilstrahlenbündel (-1., +1.) auftritt, die in2. Length or angle measuring device according to claim 1, characterized in that due to the ratio of the graduation periods (TPl)/(TP2)=l/2 after the diffraction of the partial beams (-1., + 1·) at the last grating (4) passed through, a slight shearing of the partial beams (-1., +1.) occurs, which in der Brennebene einer nachgeordneten Linse (6) zu mehreren Foki(10, 11) führt.the focal plane of a downstream lens (6) leads to several foci (10, 11). 3. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 2,^ dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (6)3. Length or angle measuring device according to claim 2, characterized in that the lens (6) eine Gradientenindex-Linse ist.is a gradient index lens. 4. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Foki {10, 11) ausgehenden Kugelwellen ein Interferenzstreifen-System (9) erzeugen.4. Length or angle measuring device according to claim 2, characterized in that the spherical waves emanating from the foci (10, 11) generate an interference fringe system (9). ..) ..) 5. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch5. Length or angle measuring device according to claim 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Linse (6) und den Interferenzstreifen (9) eine Blende (7) angeordnet ist.4, characterized in that an aperture (7) is arranged between the lens (6) and the interference fringes (9). 6. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzstreifen-System (9) mittels eines strukturierten Detektors (8) ausgewertet wird.6. Length or angle measuring device according to claim 4, characterized in that the interference fringe system (9) is evaluated by means of a structured detector (8). 7. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle7. Length or angle measuring device according to claim 1, characterized in that the light source (2) und der Detektor (8) in einer Ebene senkrecht zur Meßrichtung angeordnet sind.(2) and the detector (8) are arranged in a plane perpendicular to the measuring direction. 8. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 7/ dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle8. Length or angle measuring device according to claim 7/ characterized in that the light source (2) und der Detektor (8) symmetrisch zur Normalen auf den Maßstab (5) angeordnet sind.(2) and the detector (8) are arranged symmetrically to the normal to the scale (5). 9. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch9. Length or angle measuring device according to claim 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (2) und der Detektor (8) in einer Ebene angeordnet sind, die von einer Komponente in Meßrichtung, und der Normalen auf das Maßstabgitter (5) aufgespannt wird.1, characterized in that the light source (2) and the detector (8) are arranged in a plane which is spanned by a component in the measuring direction and the normal to the scale grid (5). 10. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strahlengang zwischen Lichtquelle (2) und Detektor (8) ein Strahlteiler (112) befindet.10. Length or angle measuring device according to claim 9, characterized in that a beam splitter (112) is located in the beam path between the light source (2) and the detector (8). 11. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch11. Length or angle measuring device according to claim 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ort der jeweiligen Foki (10, 11) wenigstens je ein Wellenleiter angebracht ist, der die Teilstrahlenbündel einem aus der integrierten Optik an sich bekannten 2x3-Koppler zuführt.2, characterized in that at the location of the respective foci (10, 11) at least one waveguide is mounted, which guides the partial beams to a 2x3 coupler known per se from integrated optics. 12. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Maßstab- und/oder Abtastgitter Phasen- und/oder Amplitudengitter verwendet werden.12. Length or angle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that phase and/or amplitude gratings are used as scale and/or scanning gratings. 13. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Maßstab- und Abtastgitter sogenannte Kreuzgitter (43, 53) verwendet werden.13. Length or angle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that so-called cross gratings (43, 53) are used as scale and scanning gratings. 14. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der Kreuzgitter (43, 53) eine Meßeinrichtung für zwei Dimensionen gebildet wird.14. Length or angle measuring device according to claim 14, characterized in that a measuring device for two dimensions is formed with the aid of the cross gratings (43, 53).
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