DE4113046C2 - Optoelektronisches Positionsmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Positionsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Gerät ist aus der DE 32 28 064 A1 bekannt.

In der DE 39 28 064 A1 wird eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstabsgitter zum Erzeugen von mindestens zwei gebeugten Teilstrahlen, welche durch Überlagerung zur Interferenz gebracht und detektiert werden, vorgestellt. In einemm planaren Wellenleiter ist ein Doppelgitter vorgesehen, welches entweder die am Maßstabsgitter gebeugten Teilstrahlen in den Wellenleiter einkoppelt, überlagert und Detektoren zuführt oder die Teilstrahlen erzeugt, die durch das Maßstabsgitter überlagert und anschließend Detektoren zugeführt werden.

Bei dieser Positionsmeßeinrichtung haben Temperatureinflüsse zwischen den Einkoppelgliedern und den Detektoren keinen oder nur einen geringen Einfluß. Winkel- oder Lageänderungen der Lichtquelle sowie Verkippungen und Verdrehungen zwischen Maßstabsgitter und planaren Wellenleiter können jedoch nicht erfaßt werden und führen somit zu Meßfehlern.

Interferometrische Meßgeräte, bei denen die Wellenlänge von Laserlicht als Bezugsgröße herangezogen wird, sind darüber hinaus generell bekannt. Als Maßverkörperung werden üblicherweise optische Beugungsgitter mit Gitterkonstanten von einigen Mikrometern eingesetzt. Um bei der inkrementalen Wegmessung Genauigkeiten von bis zu 0,1 µm zu erreichen, ist es notwendig, die Gitterkonstanten optisch und/oder elektronisch zu interpolieren. Beispiele zur elektronischen Interpolation werden z. B. angegeben in O. Troitscher: Über Fragen der digitalen Wegmessung mit fotoelektrischen Wegmeßgeräten hoher Auflösung, Optik 28, Heft 3, 1968/69, S. 210-221.

Der elektronische Interpolationsgrad ist jedoch durch den Oberwellengehalt der zu verarbeitenden Signale begrenzt. Neben der elektronischen Interpolation werden daher auch optische Interpolationsverfahren angewendet.

Durch Mehrfachreflexion an einem Rastermaßstab wird ein optischer Interpolationsfaktor von 4 erreicht (Firmenschrift "Laser linear encoder", Canon Europa N.V., London NW 10 OJF, Brent Trading Centre, North Circular Road).

Alle diese Positionsmeßsysteme sind aus diskreten optischen und elektronischen Bauelementen aufgebaut. Sie erfordern einen hohen Bau- und Montageaufwand. Außerdem können Umgebungseinflüsse die Justierung der Bauelemente zueinander beeinträchtigen und somit zu Meßungenauigkeiten führen und Nachjustierungen erforderlich machen.

In der DE 36 25 327 C1 wird daher zur Reduzierung von Baugröße und störenden Einflüssen eine Positionsmeßeinrichtung angegeben, bei welcher die am Beugungsgitter gebeugten Teilstrahlenbündel gleicher Ordnung mit unterschiedlichem Vorzeichen in Lichtwellenleiter eingekoppelt und zur Überlagerung einem Koppler zugeführt werden. An den drei Ausgängen des Kopplers sind zueinander phasenverschobene elektrische Signale detektierbar, die einer elektronischen Interpolation unterzogen werden. Einkoppelelemente, Lichtwellenleiter, Koppler und Detektoren können dabei als integriert optische Schaltung auf einem Substrat zusammengefaßt sein. Nachteilig ist, daß Verkippungen und Temperaturgradienten zu Meßungenauigkeiten führen. Eine weitere Vereinfachung des Aufbaus und weitere Verbesserung der Störsicherheit wäre jedoch wünschenswert.

Weiterhin sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung bekannt (DE 33 16 144 A1), wobei mittels eines als Bezugsmaß dienenden Beugungsgitters Beugungslichtbündel erzeugt werden, die miteinander interferieren, um das Ausmaß der Relativbewegung zwischen Beugungsgitter und dem übrigen optischen System zu ermitteln. Derartige Vorrichtungen sind gegenüber Umwelteinflüssen sehr empfindlich und erfordern einen hohen Fertigungs- und Montageaufwand.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Herstellungs- und Montageaufwand für optoelektronische Positionsmeßgeräte bei Realisierung kleiner Baugrößen und einer hohen Auflösung zu senken sowie die Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Positionsmeßgerät mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine Verkürzung des optischen Weges und damit Miniaturisierung der Baugröße gelingt bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß drei Reflektoren (R₁, R₂, R₃) in integriert optischer Form so auf dem Schichtwellenleiter (W) oder an den Grenzflächen des Schichtwellenleiters (W) angeordnet sind, daß durch Mehrfachflexion die Überlagerung der Teilstrahlenbündel (L₁, L₂) herbeigeführt wird.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Teilstrahlenbündel (L₁, L₂) mittels eines Reflektors (R) und eines Teilerspiegels (T), beide in integriert optischer Form auf dem Schichtwellenleiter ausgebildet, zur Interferenz gebracht. Die Einkopplung der am Beugungsgitter gebeugten Teilstrahlenbündel erfolgt hier durch ein Koppelgitter.

Die Empfängerzeile (E) kann in Hybridbauweise an das Substrat (S), das in diesem Fall vorteilhafter Weise aus Glas besteht, angekoppelt sein.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit ist, die Empfängerzeile (E) in die integriert optische Schaltung von Schichtwellenleiter (W) und optischen Elementen (R₁, R₂, R₃ oder R, T) einzubeziehen, wobei als Substratmaterial in diesem Fall besonders Silizium geeignet ist.

Bei einer Auflichteinrichtung unter Verwendung eines optischen Reflexionsgitters (G_R) können sowohl die Empfängerzeile (E) als auch die Strahlungsquelle (Q), z. B. eine Halbleiter-Laserdiode zusammen mit Strahlformelementen F, z. B. einer Linse, in die integriert optische Schaltung einbezogen sein. Als Substrat wird dabei vorteilhaft ein A III-B V-Halbleiter verwendet.

Ein derartiges optoelektronisches Positionsmeßgerät läßt sich aufgrund des hohen Integrationsgrades besonders klein und kompakt fertigen. Da die Justierung der Bauelemente zueinander in der integriert optischen Schaltung fixiert ist, sind Störungen durch Umgebungseinflüsse weitestgehend ausgeschaltet.

Durch die Auswertung des gesamten Inteferenzmusters wird nicht nur die Verschiebung der Maßstabsverkörperung erfaßt, sondern es werden auch Driften, wie z. B. die Bewegung eines Laserstrahles, die Veränderung der Geometrie eines Laserstrahles, Temperaturdriften, Verkippungen oder Verdrehungen zugänglich.

Eine hochgenaue Justierung ist nicht erforderlich, da alle notwendigen Berechnungsgrößen durch Auswertung des Pixelbilds des Interferenzmusters ermittelbar sind. Über einen Bildvergleich lassen sich Verschiebungen definieren.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Positionsmeßgerätes besteht darin, daß durch die Anordnung der Empfängerzeile und die Auswahl der auszuwertenden Empfängersignale eine optische Interpolation durchgeführt werden kann. Zur Erhöhung der Auflösung des Positionsmeßgerätes ist zusätzlich eine elektronische Interpolation in bekannter Weise vorgesehen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigen schematisch in der Grundansicht:

Fig. 1 ein einfaches Positionsmeßsystem;

Fig. 2 ein Positionsmeßsystem, bei dem zusätzlich die Empfängerzeile optisch integriert ist;

Fig. 3 ein Positionsmeßsystem, bei dem Strahlungsquelle und Empfängerzeile optisch integriert sind.

In Fig. 1 ist eine Auflichtmeßeinrichtung dargestellt, bei welcher ein von einer nicht näher dargestellten Strahlungsquelle emittiertes Parallelstrahlenbündel L auf ein optisches Reflexionsbeugungsgitter G_R mit einer Gitterkonstante g (z. B. 8 µm) trifft und reflektierend in zwei unter einem Beugungswinkel R divergierende Teilstrahlenbündel L₁, L₂ der gleichen Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen gebeugt werden. Das Reflexionsbeugungsgitter G_R ist dabei auf einem quer zur Strahlungsrichtung der Strahlungsquelle beweglichen Maschinenteil, z. B. dem Support einer NC-Werkzeugmaschine, befestigt. Zwischen dem Reflexionsgitter G_R und der Strahlungsquelle ist, zusammen mit dieser auf einem feststehenden Teil der Werkzeugmaschine angebracht, ein Substrat S, z. B. aus Glas, angeordnet, welches an seiner Oberfläche als Schichtwellenleiter W ausgebildet ist, beispielsweise durch eine Dotierung, und dessen Grenzflächen mit Reflektoren R₁, R₂ und R₃ in der Weise versehen sind, daß das Teilstrahlenbündel L₁ (+n Ordnung) an allen drei Reflektoren reflektiert wird, das Teilstrahlenbündel L₂ (-n Ordnung) dagegen nur an Reflektor R₂ und R₃. Die Grenzflächen können zur Erhöhung des Reflexionsgrades vorteilhaft mit Metallaufdampfschichten vergütet sein. In einer analogen Ausführungsform können sie aber auch direkt im Schichtwellenleiter als Gräben ausgebildet sein.

Nach der Reflexion am Reflektor R₃ interferieren beide Teilstrahlenbündel miteinander. Eine Empfängerzeile E, z. B. eine Zeile aus diskreten Empfängerbauelementen (Fotodioden oder Transistoren) oder eine CCD-Zeile, ist in Hybridbauweise so an das Substrat angekoppelt, daß in ihr das Interferenzstreifenmuster als Abbildung des als Maßverkörperung dienenden optischen Beugungsgitters G_R entsteht. Die von der Empfängerzeile E an den einzelnen Meßstellen registrierte Intensitätsverteilung wird in entsprechende elektrische Signale umgewandelt und einer nicht näher dargestellten elektronischen Auswerteeinheit zugeführt, wo sie in bei inkrementalen Positionsmeßeinrichtungen bekannter Weise ausgewertet werden. Somit werden Verschiebungen des optischen Beugungsgitters zu im allgemeinen digital angezeigten Maschinenbewegungen transformiert.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform nach dem Durchlichtprinzip. Die Meßeinrichtung weist als Strahlungsquelle einen nicht näher dargestellten Laser auf. Das optische Beugungsgitter ist als Transmissionsgitter G_T ausgelegt.

Der auf der Oberfläche des vorzugsweise aus Silizium bestehenden Substrats S ausgebildete Schichtwellenleiter W beinhaltet in integriert optischer Form einen Reflektor R und einen Teilerspiegel T, jeweils zueinander verkippt, sowie zusätzlich die Empfängerzeile E, z. B. aus diskreten Fotodioden. Von den durch Beugung am Transmissionsgitter G_T erzeugten Teilstrahlenbündel L₁, L₂ gelangt das Teilstrahlenbündel L₁ der +n. Ordnung über den Reflektor R auf den Teilerspiegel T, wo ein Teil L_1.1 wiederum reflektiert wird und ein anderer Teil L_1.2 ungehindert in Richtung auf die Empfängerzeile hindurchtritt. Das auf den Teilerspiegel T auftretende Teilstrahlenbündel L₂ der -n Ordnung passiert diesen zu einem Teil L_2.1 ungehindert und wird zu einem anderen Teil L_2.2 in Richtung auf die Empfängerzeile E reflektiert. Durch Überlagerung der Teilstrahlenbündel L_1.2 und L_2.2 in der Empfängerzeile E entsteht dort ein Interferenzbild, das analog zu Beispiel 1 ausgewertet wird. Auch die Teilstrahlenbündel L_1.1 und L_2.1 interferieren miteinander und können ebenfalls ausgewertet werden. Die Einkopplung der vom Transmissionsgitter T_T gebeugten Teilstrahlenbündel L₁ und L₂ erfolgt über die Strinfläche oder mit einem nicht dargestellten Koppelgitter.

Bei einer Auflichtanordnung gemäß Fig. 3 ist zusätzlich zur Empfängerzeile E die Strahlungsquelle Q, eine Laserdiode mit einer Linse als Strahlformelement F, in den Schichtwellenleiter W mit dem Reflektor R und dem Teilerspiegel T optisch integriert. Als Substratmaterial dient ein A III-B V-Halbleiter.

Claims (6)

1. Optoelektronisches Positionsmeßgerät zum Messen der Relativlage zweier Objekte nach dem Durchlicht- oder Auflichtprinzip, mit einem quer zur Strahlungsrichtung einer Strahlungsquelle bewegbar angeordneten optischen Beugungsgitter, durch das mindestens zwei Teilstrahlenbündel der gleichen Ordnung mit unterschiedlichem Vorzeichen erzeugt werden, und mit einem auf einem Substrat angeordneten Schichtwellenleiter, in den die Teilstrahlenbündel eingekoppelt, mittels integriert optischer Elemente zur Interferenz gebracht werden und von den Empfängern in elektrische Signale umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger mindestens eine Empfängerzeile (E) bilden, die integriert optischen Elemente (R1, R₂, R₃ oder R, T) die Teilstrahlenbündel (L₁, L₂) so zur Interferenz bringen, daß auf der mindestens einen Empfängerzeile (E) ein Interferenzstreifenmuster als modifizierte Abbildung des Beugungsgitters (G_R oder G_T) entsteht und die elektrischen Signale der mindestens einen Empfängerzeile (E) von der Lage des Interferenzstreifenmusters auf der Empfängerzeile (E) abhängen.

2. Optoelektronisches Positionsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integriert optische Elemente aus drei Reflektoren (R₁, R₂, R₃) bestehen, die auf dem Schichtwellenleiter (W) oder an seinen Grenzflächen so zueinander angeordnet sind, daß die gebeugten Teilstrahlenbündel (L₁, L₂) durch Mehrfachreflexion zur Interferenz gebracht werden.

3. Optoelektronisches Positionsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die integriert optischen Elemente aus einem Reflektor (R) und einem Teilerspiegel (T) bestehen, die so angeordnet sind, daß die Interferenz der Teilstrahlenbündel (L₁, L₂) im Schichtwellenleiter (W) erzeugt wird.

4. Optoelektronisches Positionsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die integriert optischen Elemente (R₁, R₂, R₃ oder R, T) und der Schichtwellenleiter (W) auf einem Substrat (S) aus Glas angeordnet sind und die Strahlungsquelle (Q) und die mindestens eine Empfängerzeile (E) in Hybridbauweise an das Substrat (S) angekoppelt sind.

5. Optoelektronisches Positionsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Empfängerzeile (E) in die integriert optische Schaltung einbezogen ist und das Substrat (S) aus Silizium besteht.

6. Optoelektronisches Positionsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (Q) mit Strahlformelementen (F) und die mindestens eine Empfängerzeile (E) in die integriert optische Schaltung einbezogen sind und das Substrat (S) aus einem A III-B V- Halbleiter besteht.