DE19716058B4

DE19716058B4 - Optische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE19716058B4
Application number: DE1997116058
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Huber
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1997-04-17
Filing date: 1997-04-17
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: DE19716058A1

Abstract

Optische Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte mit
a) einer Lichtquelle,
b) einer Maßstabteilung mit einer definierten Teilungsperiode,
c) mindestens einer Abtastteilung mit einer definierten Teilungsperiode, auf die interferenzfähige Teilstrahlenbündel auftreffen und über die interferierende Teilstrahlenbündel in mindestens vier unterschiedliche Raumrichtungen ablenkbar sind, wobei die Abtastteilung desweiteren eine Überstruktur aufweist, welche über bestimmte Überstruktur-Parameter charakterisierbar ist sowie
d) vier Detektorelementen, über die zu den interferierenden Teilstrahlenbündeln gehörende Signalanteile erfaßbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
e) die Abtastteilung (A) derart ausgebildet ist, daß auftreffende Strahlenbündel in die 0., +/–1. und +/–2. Ordnung gebeugt werden,
f) die vier Detektorelemente (D₊₁, D_–1, D₊₂, D_–2) in den Raumrichtungen angeordnet sind, die den +/–1, +/–2. Beugungsordnungen entsprechen,
g) die Teilungsperiode (TP_A) der Abtastteilung (A) doppelt so groß gewählt ist wie die Teilungsperiode (TP_M) der Maßstabteilung (M) und ferner
h) die Überstruktur-Parameter (τ₁, τ₂,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Interferentielle Positionsmeßeinrichtungen nach dem Dreigitter-Prinzip, wie sie beispielsweise aus der EP 0 163 362 B1 bekannt sind, liefern in der Regel bei einer Relativbewegung von Maßstab- und Abtastteilung drei intensitätsmodulierte, um 120° phasenverschobene Signale. Übliche nachgeordnete Auswerteeinheiten sind jedoch auf eine derartige Form der von der Positionsmeßeinrichtung gelieferten Signale nicht ausgelegt, sondern setzen eingangsseitig zumindest zwei um 90° phasenverschobene Signale voraus. Über eine entsprechende Anpass-Elektronik werden daher aus den drei um 120° phasenverschobenen Signalen einer derartigen Positionsmeßeinrichtung zwei um 90° phasenverschobene Ausgangssignale erzeugt, die dann an eine übliche Auswerteeinheit übertragen und dort in bekannter Art und Weise hinsichtlich der Positionsbestimmung weiterverarbeitet werden können.
Um den Transformationsaufwand sowie die hierzu erforderliche Anpass-Elektronik einzusparen und bei einer derartigen Positionsmeßeinrichtung trotzdem ausgangsseitig mindestens zwei um 90° phasenversetzte Signale zur Verfügung zu haben, sind nunmehr bereits eine Reihe von Ansätzen bekannt geworden. Neben einer rein elektronischen Transformation wie sie beispielsweise aus der EP 0271 549 B1 bekannt ist, wurde auch schon vorgeschlagen, durch geeignete Modifikationen auf Seiten der Positionsmeßeinrichtung ausgangsseitig entsprechende Signale zu erzeugen, die von herkömmlichen Auswerteeinheiten weiterverarbeitet werden können. Die in der US 5,214,280 A offenbarten Maßnahmen erweisen sich jedoch als relativ aufwendig.
Geht man zur Lösung der oben angesprochenen Problemstellung von einem Ansatz aus, bei dem anstelle von drei Teilsignalen nunmehr vier Teilsignale mittels geeignet angeordneter Detektorelemente erfasst werden, so könnten bei einer interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtung hierzu grundsätzlich die Teilstrahlenbündel resultierender +/–1. sowie +/–2. Beugungsordnungen herangezogen werden. Im Fall einfacher, binärer Phasen-Abtastgitter unterscheiden sich die Phasenlagen der Teilsignale in den +/–1. und +/–2. resultierenden Beugungsordnungen jedoch nicht und sind aus diesem Grund ungeeignet zur Positionsbestimmung bzw. Weiterverarbeitung.
Eine Möglichkeit zur definierten Einstellung von Phasenunterschieden zwischen den Teilsignalen unterschiedlicher Beugungsordnungen in einer interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtung ist beispielsweise aus der DE 40 07 968 C2 der Anmelderin bekannt. Dort werden zu diesem Zweck in einer entsprechenden Positionsmeßeinrichtung die Abtastteilungen als Phasengitter mit einer sogenannten Überstruktur ausgebildet. Unter einer Überstruktur sei hierbei eine Teilungsstruktur verstanden, bei der innerhalb einer Teilungsperiode mehr als zwei sogenannte Gittersprungstellen vorhanden sind. Als Gittersprungstelle wird dabei etwa die Ecke eines Gittersteges bezeichnet. Beispielsweise ist dann zwischen zwei Gitterstegen mit gleicher Stegbreite, wobei durch den gegenseitigen Abstand der Stegmitten die Teilungsperiode definiert ist, jeweils in der Mitte ein weiterer Steg mit einer anderen Stegbreite angeordnet. Durch eine entsprechende Wahl der jeweiligen Überstruktur-Parameter lassen sich definiert die gewünschten Phasenunterschiede zwischen den zu detektierenden Teilsignalen einstellen. Problematisch erweist sich jedoch, daß bei interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtungen gemäß der EP 0 163 362 B1 auf diese Art und Weise eingestellte, geringe Phasenunterschiede in den Detektorsignalen der +/–1. und +/–2. resultierenden Beugungsordnung bereits hohe Einbußen im Modulationsgrad der Detektorsignale zur Folge haben, insbesondere in den Teilsignalen der +/–1. Beugungsordnungen. Die in der DE 40 07 968 C2 offenbarten Maßnahmen sind demzufolge nicht ausreichend, um die oben angesprochene Problematik hinreichend zu lösen.
Aus der Dissertation von Jörg Willhelm, Dreigitterschrittgeber, Technische Universität Hannover, 1978; S. 48–50 sind desweiteren interferentielle Dreigitter-Positionsmeßeinrichtungen bekannt, bei denen die Teilungsperioden von Abtastteilung und Maßstabteilung im Verhältnis 2:1 gewählt wurden, um die Signalstärke in den 2. Beugungsordnungen zu optimieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Positionsmeßeinrichtung auf Grundlage einer interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der ausgangsseitig ohne wesentliche Einbußen in der Signalqualität mindestens zwei um 90° phasenversetzte Ausgangssignale resultieren, die in üblichen Auswerteeinheiten weiterverarbeitet werden können. Insbesondere ist ein hinreichender Modulationsgrad der Signale bei der Relativbewegung von Maßstab- und Abtastteilung gefordert. Der zu diesem Zweck nötige elektronische und/oder optische Aufwand sollte möglichst gering sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wurde nunmehr erkannt, daß der Einsatz der vorher erwähnten Überstruktur-Phasengitter als Abtastteilung einer interferentiellen Dreigitter-Positionsmeßeinrichtung zur Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe trotz der angesprochenen Probleme grundsätzlich möglich ist. Dazu sind jedoch eine Reihe weiterer Maßnahmen erforderlich, um die oben diskutierten Probleme zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. So weist die Abtastteilung ferner die doppelte Teilungsperiode der Maßstabteilung auf. Desweiteren kann durch die gezielte Einstellung der Überstruktur-Parameter der Abtastteilung eine bei einer bestimmten Verschaltung der Detektorelemente optimierte Signalqualität erreicht werden.
Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ist aufzuführen, daß damit eine sogenannte Einfeldabtastung möglich ist, d. h. die zur Positionsbestimmung herangezogenen verschiedenen Teilsignale stammen allesamt aus dem gleichen Bereich der Maßstabteilung bzw. Abtastteilung. Eventuelle Verschmutzungen auf den verschiedenen Teilungen beeinflußen demzufolge nicht nur einzelne Teilsignale, was zu Fehlern bei der Positionsbestimmung führt. Es werden vielmehr alle Teilsignale beeinflußt, wodurch wesentlich stabilere, störungsunempfindliche Ausgangssignale und damit viel geringere Meßfehler resultieren.
Ausgangsseitig liegen bei der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung demzufolge wie gewünscht mindestens zwei um 90° phasenversetzte Ausgangssignale vor, die in bekannter Art und Weise zur Bestimmung der Relativposition von Maßstab- und Abtastteilung in konventionellen Auswerteeinheiten weiterverarbeitet werden können.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.
Dabei zeigt
1 eine schematisierte Darstellung des entfalteten Strahlenganges innnerhalb eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung;
2 die Verschaltung der Detektorelemente des beschriebenen Ausführungsbeispieles;
3 einen Schnitt durch eine Abtastteilung zur Erläuterung verschiedener Überstruktur-Parameter;
4 ein Vektordiagramm mit den verschiedenen Teilsignalen und den entsprechenden Phasenverhältnissen zwischen den Teilsignalen eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung.
Eine schematisierte Darstellung des entfalteten Strahlenganges in einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen interferentiellen Positionsmeßeinrichtung ist in 1 gezeigt. Diese umfaßt im wesentlichen eine Lichtquelle L, eine Optik K zum Kollimieren bzw. Fokussieren des Lichtes, eine erste Abtastteilung A, eine Maßstabteilung M, eine zweite Abtastteilung A, die identisch zur ersten Abtastteilung A ausgebildet ist sowie mehrere Detektorelemente D₊₁, D₊₂, D_–1, D_–2. Die Maßstabteilung M ist relativ zu den beiden Abtastteilungen A in Pfeilrichtung verschiebbar angeordnet. Die Abtastteilungen A einerseits sowie die Maßstabteilung M andererseits sind mit zwei zueinander beweglichen Objekten verbunden, deren Relativposition zueinander exakt bestimmt werden soll. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Werkstück sowie ein Werkzeug an einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine handeln. Die von der erfindungsgemäß ausgebildeten Positionsmeßeinrichtung erzeugten Ausgangssignale S₀, S₉₀ werden an eine – nicht dargestellte – nachgeordnete Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung übertragen, beispielsweise an eine numerische Werkzeugmaschinen-Steuerung.
Die erfindungsgemäße optische Positionsmeßeinrichtung kann grundsätzlich als Durchlicht-Variante ausgebildet werden, die eine Maßstabteilung M in Transmission sowie zwei identisch ausgebildete Abtastteilungen A umfaßt. Als für die Praxis geeigneter erweist sich jedoch eine Auflicht-Variante mit einer reflektierend ausgebildeten Maßstabteilung M und lediglich einer einzigen Abtastteilung A. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei einer derartigen Ausführungsform die Abstände zwischen den Abtastteilungen A und der Maßstabteilung M automatisch immer gleich sind und die interferierenden Teilstrahlenbündel sich immer ideal überlagern. Der in 1 dargestellte Strahlengang entspricht demzufolge dem entfalteten Strahlengang einer Auflicht-Variante oder aber dem Strahlengang der Durchlicht-Variante der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung. Die nachfolgende Beschreibung erfolgt am Beispiel der Auflicht-Variante, d. h. es ist lediglich eine einzige Abtastteilung A sowie eine einzige Optik K vorgesehen, die zweimal von den Strahlenbündeln passiert wird.
Neben der dargestellten Ausführungsform zur Erfassung von Linearbewegungen zwischen Maßstab- und Abtastteilung kann analog selbstverständlich auch eine Positionsmeßeinrichtung zur Erfassung rotatorischer Bewegungen erfindungsgemäß ausgebildet werden.
Das von einer Lichtquelle L kommende Strahlenbündel wird von der Kollimatoroptik K kollimiert, d. h. parallel ausgerichtet und an der Abtastteilung A in verschiedene Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Richtung aufgespalten. Hierbei ist die Abtastteilung A derart ausgebildet, daß eine Ablenkung der verschiedenen Teilstrahlenbündel in die 0. sowie +/–1. und +/–2. Beugungsordnung resultiert. Die gebeugten Teilstrahlenbündel unterschiedlicher Beugungsordnung treffen auf die gegenüber der Abtastteilung A verschiebbare Maßstabteilung M und werden dort erneut gebeugt, wobei die Maßstabteilung M so ausgebildet ist, daß im wesentlichen eine Beugung der auftreffenden Teilstrahlenbündel in die +/–1. Ordnungen erfolgt. In 1 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht alle an der Maßstabteilung M in die verschiedenen Raumrichtungen gebeugten Teilstrahlenbündel dargestellt. Die von der Maßstabteilung M gebeugten und reflektierten Teilstrahlenbündel treffen ein zweites Mal auf die Abtastteilung A auf, wo sie in der Ebene der Abtastteilung A interferieren. Aufgrund der nochmaligen Beugung an der Abtastteilung A werden die interferierenden Teilstrahlenbündel anschließend in verschiedene Raumrichtungen abgelenkt. Die resultierenden, verschiebungsabhängig modulierten Interferenzsignale gelangen über die Optik K auf die insgesamt vier Detektorelemente D₊₁, D_–1, D₊₂, D_–2, die in den entsprechenden Raumrichtungen angeordnet sind. Um ausgangsseitig das gewünschte Paar phasenversetzter Ausgangssignale S₀ und S₉₀ zur Verfügung zu haben, sind die vier Detektorelemente D₊₁, D_–1, D₊₂, D_–2 in der in 2 dargestellten Art und Weise verschaltet.
Die beiden phasenversetzten Ausgangssignale S₀, S₉₀ können, falls erforderlich, über eine – nicht dargestellte – einfach ausgebildete elektronische Korrektureinheit vor der Übertragung an eine Auswerteeinheit desweiteren auch noch verstärkt und hinsichtlich bestimmter Fehler korrigiert werden. Hierzu gehören ungleiche Signalamplituden, störende DC-Anteile sowie ein ggf. nicht optimaler Phasenversatz von 90°. Ist insbesondere die Abtastteilung A der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung mit hinreichender Präzision gefertigt, beispielsweise mittels einer gut reproduzierbaren Fertigungstechnologie wie der Prägetechnologie, so kann eine derartige zusätzliche Korrektur der beiden Ausgangssignale S₀, S₉₀ eventuell entfallen. Die Signale S₀ und S₉₀ können dann unmittelbar an eine Auswerteeinheit übertragen und dort in bekannter Art und Weise zur Positionsbestimmung herangezogen werden.
Die Maßstabteilung M weist zum einen eine Teilungsperiode TP_M = d/2 auf, wobei mit d die – identische – Teilungsperiode TP_A der Abtastteilung A bezeichnet sei. Aufgrund dieser Wahl der Teilungsperiode TP_M der Maßstabteilung M resultiert eine deutlich stärkere Ablenkung der gebeugten Teilstrahlenbündel an der Maßstabteilung M im Vergleich zu bekannten Dreigitter-Positionsmeßeinrichtungen mit identischen Teilungsperioden von Maßstab- und Abtastteilungen. Bei dieser Wahl der Teilungsperioden von Maßstab- und Abtastteilung ergibt sich eine Periode der Ausgangssignale So und S₉₀ von d/4.
Als entscheidender Vorteil dieses Teilungsperioden-Verhältnisses ist jedoch anzuführen, daß auf diese Art und Weise nahezu beliebige Phasenunterschiede zwischen den detektierten Signalanteilen bzw. Teilsignalen in den +/–1 und +/–2. Beugungsordnungen eingestellt werden können. Dies wäre bei identischen Teilungsperioden von Maßstab- und Abtastteilung lediglich unter inakzeptablen Einbußen im Modulationsgrad möglich.
Als weitere erfindungsgemäße Maßnahme ist auf Seiten der als Phasengitter ausgebildeten Abtastteilung A vorgesehen, diese mit einer sogenannten Überstruktur zu versehen. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnt, sei unter einer Überstruktur eine Teilungsstruktur verstanden, bei der innerhalb einer Teilungsperiode mehr als zwei sogenannte Gittersprungstellen vorhanden sind. Als Gittersprungstelle wird dabei etwa die Ecke eines Gittersteges bezeichnet. Bezüglich verschiedener möglicher Ausführungsformen derartiger Überstrukturen sei zudem auf die bereits erwähnte DE 40 07 968 C2 der Anmelderin verwiesen.
Zur Veranschaulichung einer Abtastteilung mit einer derartigen Überstruktur sei auf die 3 verwiesen, die einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Abtastteilung A zeigt. Die entsprechende Abtastteilung A ist hierbei als Transmissionsphasengitter ausgebildet und weist zum einen in periodischer Folge angeordnete Stege S_A der Höhe h auf. Der Abstand zwischen den Mitten zweier benachbarter Stege S_A entspricht der Teilungsperiode TP_A = d. Ferner weist die Abtastteilung A symmetrisch zwischen den Stegen S_A angeordnete weitere Stege S_U mit der gleichen Höhe h auf, deren Stegbreite b_U sich von der Stegbreite b_A der Stege S_A unterscheidet. Innerhalb der dargestellten Teilungsperiode TP der Abtastteilung A sind demzufolge neben den beiden Gittersprungstellen G₁, G₂ aufgrund des zusätzlichen Steges S_U zwei weitere Gittersprungstellen G₃, G₄ vorhanden.
Die in 3 gezeigte Variante einer Überstruktur stellt selbstverständlich lediglich eine mögliche Ausführungsform dar; daneben können jedoch auch komplexere Überstrukturen für die Abtastteilung A vorgesehen werden. Diese können beispielsweise noch mehr Gittersprungstellen innerhalb einer Teilungsperiode aufweisen und/oder verschiedene Steghöhen umfassen usw..
Die jeweils gewählte Überstruktur der Abtastteilung A läßt sich durch eine Reihe von Parametern beschreiben, die am Ausführungsbeispiel der 3 nachfolgend erläutert und im folgenden auch als Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ bezeichnet seien.
Die Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂ sind dabei definiert durch: τ₁ := b_A/TP_A und τ₂ := b_U/TP_A, wobei b_A und b_U der jeweiligen Breite der Stege S_A und S_U entspricht.
Der die Phasentiefe der Abtastteilung A beschreibende Überstruktur-Parameter θ ist definiert durch: θ := (2π/λ)·h·(n – 1), wobei λ die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle, h die geometrische Steghöhe und n den Brechungsindex des eingesetzten Gittermateriales angibt.
Die Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ werden erfindungsgemäß nunmehr unter Beachtung bestimmter Randbedingungen dergestalt gewählt, daß ausgangsseitig bei der beschriebenen Positionsmeßeinrichtung durch geeignete Kombination bestimmter detektierter Signalanteile zumindest zwei um 90° phasenversetzte, verschiebungsabhängig modulierte Ausgangssignale erzeugbar sind.
Als erste Randbedingung wird bei der Wahl der Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ berücksichtigt, daß zumindest die bei einer Beugung an der Abtastteilung A resultierenden Signalanteile in den 0., +/–1. sowie +/–2. Beugungsordnungen eine hinreichende Intensität für die Weiterverarbeitung aufweisen.
Ferner ist als zweite Randbedingung aufzuführen, daß bei der Wahl der Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ gewährleistet sein muß, daß in den detektierten Beugungsordnungen, d. h. in der +/–1. sowie in der +/–2. Beugungsordnung bei der Relativbewegung von Maßstab- und Abtastteilungen ein Modulationsgrad resultiert, der eine Positionsbestimmung mit hinreichender Störsicherheit ermöglicht.
Schließlich ist als dritte Randbedingung zu berücksichtigen, daß die mittlere Intensität der Signale, die in den +/–1. sowie +/–2. Beugungsordnungen detektiert werden, möglichst gleich ist, so daß dieser unerwünschte Signalanteil bei der Signalweiterverarbeitung auf einfache Art und Weise eliminiert werden kann.
Neben diesen drei Randbedingungen ist bei der Wahl der Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ desweiteren zu beachten, daß durch die Überstruktur-Parameter τ₁, τ₂, θ bestimmte Phasenbeziehungen zwischen den Teilsignalen in den verschiedenen detektierten Beugungsordnungen eingestellt werden können, wie dies beispielsweise auch in der bereits oben erwähnten DE 40 07 968 schon vorgeschlagen wurde. In 4 sind in einem Vektordiagramm die Phasenbeziehungen zwischen den verschiedenen detektierten Signalanteilen in den +/–1. und +/–2. Beugungsordnungen dargestellt, wie sie in einem Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß durch die Wahl der Überstrukturparameter eingestellt werden, so daß ausgangsseitig die beiden um 90° phasenversetzten Ausgangssignale S₀, S₉₀ resultieren.
Neben den Vektoren für die Signalanteile in den +/–1. sowie +/–2. Beugungsordnungen sind in 4 desweiteren auch die hierzu invertierten Signalanteile dargestellt, die zu den erstgenannten Signalanteilen jeweils einen Phasenversatz von 180° aufweisen. Die invertierten Signalanteile werden in 4 dabei mit den Bezugszeichen +1 , –1 , +2 , –2 bezeichnet.
Durch nachfolgend erläuterte, geeignete Kombinationen der detektierten Signalanteile werden letztlich die beiden gewünschten Ausgangssignale S₀, S₉₀ mit einem Phasenversatz von 90° zueinander erzeugt. So ergibt sich in der dargestellten Ausführungsform das erste Ausgangssignal S₀ als vektorielle Addition des Signalanteiles in der +1. Beugungsordnung und des invertierten Signalanteiles +2 der +2. Beugungsordnung. Das hierzu um 90° phasenversetzte Ausgangssignal S₉₀ resultiert aus der vektoriellen Addition des Signalanteiles in der –1. Beugungsordnung und des invertierten Signalanteiles –2 der –2. Beugungsordnung.
Um auf diese Art und Weise die verschiedenen Signalanteile kombinieren zu können, müssen die in den verschiedenen Beugungsordnungen erfaßten Detektorsignale bestimmte Amplituden- und Phasenbeziehungen zueinander aufweisen, was durch die geeignete Wahl der Überstrukturparameter τ₁, τ₂, θ einstellbar ist. Eine Variation und ein iteratives Optimieren der Überstrukturparameter τ₁, τ₂, θ führte zu der im Ausführungsbeispiel dargestellten Konfiguration.
So ist dabei die mittlere Intensität der in den +/–1. und +/–2. Beugungsordnungen detektierten Signale gleich. Ferner resultiert für den detektierten Signalanteil in der +1. Beugungsordnung ein auf 0° bezogener Phasenwinkel ϑ₊₁ von ca. 150°, für den Signalanteil in der +2. Beugungsordnung ein auf 0° bezogener Phasenwinkel ϑ₊₂ von ca. 290°. Aus den beiden Phasenwinkeln ϑ₊₁, ϑ₊₂ lassen sich die Phasenwinkel der restlichen detektierten Signalanteile –1, –2 und auch der die invertierten Signalanteile +1 , –1 , +2 , –2 einfach ableiten. So ergeben sich die Signalanteile in den –1. und –2. Beugungsordnungen durch die Bildung komplex konjugierter Vektoren zu den Signalanteilen in der +1. und +2. Beugungsordnung, woraus sich wiederum die zugehörigen Phasenbeziehungen ableiten lassen. Die invertierten Signalanteile +1 , –1 , +2 , –2 unterscheiden sich von den jeweiligen nicht-invertierten Signalanteilen +1, –1, +2, –2 um 180° in der Phase. Die Verhältnisse zwischen den Signalamplituden wurden im dargestellten Ausführungsbeispiel derart eingestellt, daß die Amplitude des Signalanteils in der +1. Beugungsordnung etwa um 40% größer ist als die Amplitude des Signalanteiles in der +2. Beugungsordnung.
Bei einer derartigen Wahl der Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen den verschiedenen detektierten Signalanteilen ergibt sich gemäß der Darstellung in 4 ein Phasenwinkel des Ausgangssignales S₀ von 135° und ein Phasenwinkel des Ausgangssignales S₉₀ von 225°. Somit resultiert der gewünschte Phasenversatz von 90° zwischen den beiden Ausgangssignalen S₀, S₉₀.
Grundsätzlich wäre es dabei selbstverständlich auch möglich, durch entsprechende Kombinationen von Signalanteilen bzw. Verschaltung von Detektorsignalen um 180° phasenversetzte Ausgangssignale zu den Ausgangssignalen S₀ und S₉₀ zu erzeugen.
Die Kombination der verschiedenen Signalanteile zur Bildung der um 90° phasenversetzten Ausgangssignale entsprechend 4 erfolgt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache Art und Weise, indem die Detektorelemente der +1. und +2. Beugungsordnung sowie der –1. und –2. Beugungsordnung gemäß 2 antiparallel verschaltet werden. Die Antiparallelschaltung entspricht hierbei der elektronischen Addition eines invertierten Signalanteiles mit einem nicht-invertierten Signalanteil.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung wird bei einer eingesetzten Lichtwellenlänge λ = 860 nm die Teilungsperiode TP_A = 16 μm gewählt. Die Teilungsperiode der Maßstabteilung TP_M ergibt sich demzufolge zu TP_M = 8 μm. Unter Berücksichtigung der oben erwähnten Randbedingungen werden die Überstrukturparameter bei den in 4 veranschaulichten Phasenbeziehungen folgendermaßen gewählt:
τ₁ = 0,26
τ₂ = 0,04
θ = 2,7 rad
Selbstverständlich lassen sich auf Grundlage der erfindungsgemäßen Lehre auch alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung realisieren. Insbesondere können auch andere Überstrukturen eingesetzt werden, die eine Optimierung ganz bestimmter Anforderungen ermöglichen.

Claims

Optische Positionsmeßeinrichtung zur Bestimmung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte mit a) einer Lichtquelle, b) einer Maßstabteilung mit einer definierten Teilungsperiode, c) mindestens einer Abtastteilung mit einer definierten Teilungsperiode, auf die interferenzfähige Teilstrahlenbündel auftreffen und über die interferierende Teilstrahlenbündel in mindestens vier unterschiedliche Raumrichtungen ablenkbar sind, wobei die Abtastteilung desweiteren eine Überstruktur aufweist, welche über bestimmte Überstruktur-Parameter charakterisierbar ist sowie d) vier Detektorelementen, über die zu den interferierenden Teilstrahlenbündeln gehörende Signalanteile erfaßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß e) die Abtastteilung (A) derart ausgebildet ist, daß auftreffende Strahlenbündel in die 0., +/–1. und +/–2. Ordnung gebeugt werden, f) die vier Detektorelemente (D₊₁, D_–1, D₊₂, D_–2) in den Raumrichtungen angeordnet sind, die den +/–1, +/–2. Beugungsordnungen entsprechen, g) die Teilungsperiode (TP_A) der Abtastteilung (A) doppelt so groß gewählt ist wie die Teilungsperiode (TP_M) der Maßstabteilung (M) und ferner h) die Überstruktur-Parameter (τ₁, τ₂, θ) der Abtastteilung (A) derart gewählt sind, daß h1) in den 0., +/–1. und +/–2. Beugungsordnungen eine hinreichende Intensität der Signalanteile gewährleistet ist, h2) in den +/–1. und +/–2. Beugungsordnungen ein hinreichender Modulationsgrad der Signalanteile bei der Relativbewegung von Maßstab- (M) und Abtastteilung (A) resultiert und h3) die mittlere Intensität der detektierten Signalanteile +/–1. und +/–2. Ordnung identisch sind und h4) die Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen den detektierten Signalanteilen eine Addition von nicht-invertierten und invertierten Signalanteilen miteinander ermöglichen, so daß derart mindestens zwei Ausgangssignale (S₀, S₉₀) mit einem Phasenversatz von 90° erzeugbar sind.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Addition von nicht-invertierten und invertierten Signalanteilen durch Antiparallelschaltung der zugehörigen Detektorelemente (D₊₁, D_–1, D₊₂, D_–2) erfolgt.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Detektorelementen (D₊₁, D_–1, D₊₂, D_–2) eine elektronische Korrektureinheit nachgeordnet ist, über die die beiden Ausgangssignale (S₀, S₉₀) hinsichtlich ungleicher Signalamplituden, störender DC-Anteile sowie ggf. nicht optimalem Phasenversatz korrigierbar sind.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstruktur-Parameter (τ₁, τ₂, θ) der Abtastteilung (A) derart gewählt sind, daß zwischen den Signalanteilen, die in der +1. Beugungsordnung und in der +2. Beugungsordnung erfaßt werden ein Phasenversatz von etwa 140° resultiert.
Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – ein erstes Ausgangssignal (S₀) aus der Kombination des Signalanteiles in der +1. Beugungsordnung sowie des invertierten Signalanteiles der +2. Beugungsordnung resultiert und – ein zweites Ausgangssignal (S₉₀) aus der Kombination des Signalanteiles in der –1. Beugungsordnung sowie des invertierten Signalanteiles der –2. Beugungsordnung resultiert.