DE4303162A1 - Photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem - Google Patents

Description

Inkrementale photoelektrische Längen- und Winkelmeßsysteme sind in den unterschiedlichsten Bauformen bekannt. Ihnen ist in der Regel gemeinsam, daß die im Abtastkopf über der Maßstabs- bzw. Kreisteilung enthaltenen Referenzgitter parallel zu den Gitterstrichen des Maßstabs geteilt sind und um 1/4 oder 1/3 der Gitterkonstante gegeneinander verschoben sind. Aufgrund dieser Gitterverschiebung liefern die den Referenzgittern zugeordneten photoelektrischen Detektoren um 90° bzw. 120° phasenverschobene elektrische Signale, die in einer geeigneten Elektronik zusammengeschaltet es erlauben, Ausmaß und Richtung der Maßstabsbewegung bzw. Teilkreisrotation zu erfassen.

Es sind speziell auch inkrementale photoelektrische Meßsysteme bekannt geworden, die so aufgebaut sind, daß die drei oder vier photoelektrischen Detektoren alle Licht aus dem gleichen beleuchteten Bereich des Maßstabs empfangen. Solche Meßsysteme sind beispielsweise in der CH-PS 533 294, der DE-OS 39 15 143 und der WO 87/07944 beschrieben. Der Vorteil solcher Anordnungen liegt in ihrer Unempfindlichkeit gegen Ungleichförmigkeiten des Maßstabs wie Teilungsfehler, mangelnde Maßstabsausrichtung, Verschmutzung der Oberfläche etc. Darüberhinaus sind solche Anordnungen auch unempfindlich gegen Verdrehungen des Gebers um die senkrecht zur Ebene des Maßstabs stehende Achse.

Die in den beiden erstgenannten Schriften beschriebenen Meßsysteme zeichnen sich dadurch aus, daß dort zuerst das Maßstabsgitter direkt beleuchtet wird und die in verschiedene Ordnungen gebeugten Lichtstrahlen wieder zusammengeführt und zur Intereferenz gebracht werden. Diese Meßsysteme sind insbesondere auch wegen der vielen für die Aufteilung des Lichts auf die verschiedenen Detektoren verwendeten polarisierenden Strahlteiler relativ aufwendig und teuer.

Das in der WO 87/07944 beschriebene Meßsystem ist ein sogenanntes 3-Gitter-Meßsystem, bei dem das Licht, bevor es auf die Detektoren fällt, durch drei Gitter gebeugt wird: einem ersten Referenzgitter beleuchtungsseitig, dem Maßstabsgitter und einem zweiten Referenzgitter, das detektorseitig angeordnet ist. Für die Erzeugung der drei um 120° phasenverschobenen Signale sind drei Lichtquellen erforderlich, die in ihrem Abstand und ihrer Position relativ zu den Detektoren justiert werden müssen. Das bedeutet einen relativ hohen Herstellungsaufwand.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein inkrementales photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem zu schaffen, das möglichst unempfindlich gegen Störeinflüsse ist und dazu einen möglichst einfachen Aufbau besitzt.

Diese Aufgabe wird von einem Meßsystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßsystem werden jeweils Paare von Referenzgittern beleuchtungsseitig so angeordnet, daß sie bezüglich der Richtung ihrer Gitterteilung mit der des Maßstabsgitters einen Winkel bilden, der so gewählt ist, daß von dem jeweiligen Referenzgitter auffallendes Licht in Richtung auf den gleichen Bereich der Maßstabsteilung gebeugt wird. Hierdurch ist es möglich, mit dem von einer einzigen Lichtquelle ausgehenden kollimiertem Licht das gesamte aus drei oder vier Gitterpaaren aufgebaute Geberfeld zu beleuchten. Dennoch ist sichergestellt, daß alle Detektoren Licht aus dem gleichen Bereich der Maßstabsteilung empfangen. Denn durch eine geeignete Dimensionierung der Lage der Referenzgitter zueinander und demzufolge ihres Abstands von dem beleuchteten Bereich, ihrer Gitterkonstante und der Richtung der Gitterteilung läßt sich immer sicherstellen, daß die abgebeugten Lichtstrahlen diesen gemeinsamen Bereich auf dem Maßstab auch treffen. Die Gitter können deshalb alle in einer Ebene auf einem Trägersubstrat aufgebracht werden, auf das auch die Detektoren aufgebracht sind. Ein gegenseitiges Justieren von einzelnen Lichtquellen gegenüber einzelnen Detektoren ist deshalb nicht erforderlich.

Verwendet man vier Referenzgitterpaare, um vier jeweils um 90° phasenverschobene Signale zu erzeugen und ordnet diese nebeneinander in einer Ebene an, so besitzen die in der Regel einen unterschiedlichen Abstand von dem gemeinsam beleuchteten Bereich der Maßstabsteilung. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Gitter so auszubilden, daß mindestens zwei Paare von Referenzgittern sich sowohl im Winkel, den ihre Teilung mit der Maßstabsteilung bildet, als auch in der ihrer Gitterkonstante voneinander unterscheiden.

Das ist bei keinem der bisher bekannten inkrementalen photoelektrischen Längen- oder Winkelmeßsystemen der Fall.

Das Meßsystem gemäß der Erfindung kann sowohl als Auflichtmeßsystem als auch als Durchlichtmeßsystem aufgebaut werden. Im ersteren Falle sind die Referenzgitter Durchlichtgitter und die Maßstabsteilung beispielsweise ein reflektierendes Auflichtgitter. Im anderen Fall ist das Maßstabsgitter ebenfalls als Durchlichtgitter ausgebildet. Das Meßsystem arbeitet mit Phasengittern als auch mit Amplitudengittern. Außerdem sei noch bemerkt, daß es sich um ein interferometrisches Meßprinzip handelt, das System also oberwellenfreie Sinus und Cosinussignale liefert.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 10 der beigefügten Zeichnungen. Hierbei sind

Fig. 1-3 vereinfachte Prinzipskizzen, die ein erstes Ausführungsbeispiel im Schnitt in Längsrichtung des Maßstabs (4) (Fig. 1), in Aufsicht (Fig. 2) und im Schnitt parallel zu den Teilstrichen des Maßstabs (4) zeigt;

Die Fig. 4+5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt in Längsrichtung des Maßstabs (14) (Fig. 4) bzw. in Aufsicht (Fig. 5);

Fig. 6 und 7 zeigen ein drittes, im Durchlicht arbeitendes Ausführungsbeispiel im Schnitt parallel zu den Teilstrichen des Maßstabs (24) (Fig. 6) bzw. in Aufsicht (Fig. 7);

Fig. 8 und 9 zeigen ein viertes, in Auflicht arbeitendes Ausführungsbeispiel in Aufsicht bzw. im Schnitt parallel zu den Teilstrichen des Maßstabs (34).

Fig. 10 ist eine vergrößerte Darstellung der anstelle der Zylinderlinse Z1 in Fig. 9 auf den Maßstab (34) aufgebrachten Fresnelzonenplatte.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte photoelektrische Längenmeßsystem ist als Auflichtsystem ausgebildet und besitzt hierzu einen Maßstab (4), dessen Gitterteilung (5) als reflektierendes Auflichtphasengitter ausgebildet ist. Der zur Abtastung das Maßstabs dienende Geberkopf enthält eine Lichtquelle (1), beispielsweise eine LED, der eine Kollimatorlinse (2) nachgeschaltet ist. Das hierdurch kollimierte Lichtbündel trifft auf einen direkt hinter der Kollimatorlinse (2) angeordneten transparenten Trägerchip (3). Bei diesem Trägerchip handelt es sich um ein Glassubstrat, auf das vier Paare von Durchlichtphasengittern (G1, G1′; G2, G2′; G3, G3′ und G4, G4′) aufgebracht sind. Jeweils zwei Gitterpaare z. B. (G1, G1′) sind in Maßstabsrichtung zueinander versetzt beidseitig eines Detektors, in diesem Falle des Detektors (D4) angeordnet, der auf die Unterseite des Trägerchips (3) aufgebracht ist. Demzufolge befinden sich unter dem Trägerchip (3) in einer Reihe senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Maßstabs (4) Detektoren (D1 bis D4), die den in umgekehrter Richtung angeordneten Gitterpaaren (G1, G1′ bis G4, G4′) zugeordnet sind.

Die Teilungsfurchen der Gitter eines Paares (G1, G1′) sind zueinander und relativ zur Gitterteilung (5) des Maßstabs (4) so geneigt, daß auf sie auffallendes Licht in Richtung auf den Bereich (9) abgebeugt wird, in dem die optische Achse (O) des Gebersystems die Gitterteilung (5) des Maßstabs (4) schneidet. Dort interferieren die von dem Gitterpaar (G1 und G1′) kommenden Teilstrahlenbündel und werden von der Gitterteilung (5) des Maßstabs (4) in Richtung auf den Detektor (D1) abgebeugt. Entsprechendes gilt für die Gitterpaare (G2 und G2′), deren Teilstrahlenbündel nach Vereinigung an der Gitterteilung (5) auf den Detektor (D2) auffallen, sowie für die beiden übrigen Gitterpaare (G3, G3′ und G4, G4′). Es ist klar, daß beispielsweise das Gitterpaar (G2, G2′) bezüglich seiner Gitterfurchen um einen anderen Winkel ausgerichtet ist als das Gitterpaar (G1, G1′) und aufgrund seines kleineren Abstandes zur optischen Achse (O) und des dadurch bedingten geringeren Ablenkwinkels eine größere Gitterkonstante haben muß als das Gitterpaar (G1, G1′). Außerdem sind die Gitterteilungen der Gitterpaare (G1, G1′ und G2, G2′) so gegeneinander verschoben, daß sich auf den Detektoren (D1 und D2) Signale mit um 90° verschobener Phase ergeben, wenn der Maßstab (4) entlang des in Fig. 1 dargestellten Pfeils verschoben wird. Zur Dimensionierung der Gitter werden im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 und 9 noch detailliertere Angaben gemacht.

Das Meßsystem im zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 und 5 entspricht dem nach Fig. 1 bis 3 im wesentlichen. Jedoch tritt hier an die Stelle der Lichtquelle das Ende (17a) eines Lichtleiters aus Glasfasern (17), die von einer externen Lichtquelle (11) gespeist werden. Das vom Faserende ausgehende Licht wird von einer Linse (12) kollimiert und fällt auf den Trägerchip (13), auf dem sich wieder 8 Gitter (G1 bis G4 und G1′ bis G4′) befinden, die in gleicher Weise angeordnet sind wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3.

Jedoch enthält der Trägerchip (13) an seiner Unterseite keine Detektoren. Vielmehr tritt das von der Maßstabsteilung (15) zurückgebeugte Licht in der Mitte zwischen den zwei Reihen von Gittern (G1 bis G4 und G1′ bis G4′) durch den transparenten Trägerchip (13) hindurch und wird von der Kollimatorlinse (12) auf die Lichteintrittsflächen von vier weiteren Lichtleitern (16a, b, c und d) fokussiert und von diesen zu vier extern angeordneten Detektoren (D1, D2, D3 und D4) geleitet. Diese Anordnung hat Vorteile, falls starke elektromagnetische Felder in der Nachbarschaft des Meßsystems auftreten, aus deren Bereich die opto-elektronische Signalwandlung herausgehalten werden soll.

Auch im beschriebenen Ausführungsbeispiel beugen die vier Gitterpaare das auf sie einfallende Licht in Richtung auf den gemeinsamen Bereich (19) der Maßstabsteilung ab, wo die Teilstrahlenbündel jeweils paarweise miteinander interferieren.

Im dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 ist der Durchlichtfall dargestellt. Auch hierfür ist wieder ein Trägerchip (23) aus transparentem Material vorgesehen, auf dem vier Paare von Gittern (G1 bis G4 bzw. G1′ bis G4′) aufgebracht sind. Wie aus der Darstellung nach Fig. 7 hervorgeht, sind die Gitterpaare (G1, G1′) dichter aneinander gesetzt als in den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen, da auf dem Trägerchip (23) kein Platz für Detektoren benötigt wird. Die Detektoren (D1 bis D4) befinden sich in diesem Falle auf der Rückseite des Maßstabs (24) und liegen zentrisch unterhalb der die Gitterpaare spiegelnden Symmetrieachse.

Für die Beleuchtung des Trägerchips (23) mit kollimiertem Licht sind zwei nebeneinander gesetzte Linsen (L1 und L2) vorgesehen, die auf die Basisfläche (22) eines Kösterprisma (27) symmetrisch zu dessen Teilerfläche (28) aufgesetzt sind. Das Kösterprisma (27) teilt den von einer Lichtquelle (21) ausgehenden Wellenzug in zwei Teilbündel auf, die zur Beleuchtung der zwei Gitterpaare (G1 G1′, G2 G2′ und G3 G3′, G4 G4′) dienen. Mit dieser Maßnahme lassen sich die lateralen Abmessungen des Geberkopfes kompakt halten und die Energie bzw. Leistung der Lichtquelle (21) mit besserem Wirkungsgrad auf die vier Gitterpaare konzentrieren.

Die von den Gitterpaaren (G1-G4, G1′-G4′) abgebeugten Teilstrahlenbündel interferieren auch hier paarweise in dem von allen Teilbündeln gemeinsam beleuchteten Bereich (29) der Gitterteilung (25) des Maßstabs (24) und gelangen dann zu den unter dem Maßstab (24) angeordneten vier Detektoren (D1-D4).

Es soll an dieser Stelle noch betont werden, daß die vier Gitterpaare durchaus noch dichter als dargestellt aneinandergesetzt werden können als es in der Fig. 7 dargestellt ist, und sich auch zumindest teilweise überlappen können. Die Trennung der Lichtflüsse bzw. deren Zuordnung zu den vier Detektoren kann durch geeignete Wahl des Abstands der Detektoren von der Maßstabsunterseite stets sichergestellt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 ist wieder ein Auflichtmeßsystem dargestellt. Bei diesem Beispiel ist das Beleuchtungssystem nicht mehr im einzelnen ausgeführt. Vielmehr ist allein durch die beiden Pfeile (37 und 37′) der Einfall der ebenen Wellenfront eines kollimierten Lichtbündels auf den Trägerchip (33) symbolisiert.

Auf dem Trägerchip (33) sind die beiden Gitter eines jeden Paares von Referenzgittern jeweils in Maßstabsrichtung hintereinander angeordnet. Die Paare (G1 G1′, G2 G2′, G3 G3′ und G4, G4′) besitzen jedoch alle einen unterschiedlichen Abstand (a, b, c und d) von der in Richtung der Maßstabsteilung laufenden Mittelachse (x) des Gitterfelds. Die Detektoren (D1 bis D4) an der Unterseite des Trägerchips (33) liegen jeweils versetzt um den gleichen Abstand jeweils auf der anderen Seite auf dem Trägerchip (33). Der Strahlverlauf der abgebeugten Teilstrahlenbündel ist in der Fig. 9 durch unterschiedlich punktiert bzw. gestrichelt markierte Pfeile symbolisiert.

Bei den Gittern (G1 bis G4 bzw. G1′ bis G4′) handelt es sich um Amplitudengitter mit einem Steg-Lückeverhältnis von eins, wobei jedes Gitterfeld etwa 3 × 3 mm mißt. Die Abstände (a, b, c und d) zur Mittelachse (x) betragen a = 13,8 mm, b = 10,7 mm, c = 7,6 mm und d = 4,5 mm. Die Furchen der Referenzgitter sind wie in den anderen Ausführungsbeispielen so gegeneinander geneigt, daß sie Licht jeweils in Richtung auf den mittleren Bereich (39) des darunterliegenden Maßstabs (34) abbeugen. Sie schließen demzufolge mit den Furchen der Maßstabsteilung Winkel (α1 bis α4) ein, die folgende Werte besitzen, α1 = 82° 3′ 20′′, α2 = 80° 50′ 8′′, α3 = 78° 23′ 46′′, α4 = 72° 14′ 54′′.

Um bei der Wellenlänge des auffallenden Lichts von Lambda = 820 nm den Beugungswinkel zu erhalten, der erforderlich ist, um das Feld (39) auf dem 14 mm unter dem Trägerchip (33) liegenden Maßstab zu erreichen, werden folgende Gitterkonstanten für die Paare von Referenzgittern verwendet: d1 = 1,1 µm, d2 = 1,3 µm, d3 = 1,6 µm und d4 = 2,4 µm, d. h. die näher am Zentrum liegenden Gitterpaare (G4 G4′) besitzen eine größere Gitterkonstante, da sie ja auch einen geringeren Beugungswinkel einzustellen haben. Zusätzlich sind die Gitter innerhalb eines jeden Paares bezüglich ihrer Teilung jeweils um 1/4, 1/2 bzw. 3/4 ihrer Gitterkonstante gegeneinander versetzt, um die gewünschte Phasenbeziehung für das Signal der Detektoren einzustellen.

Die Gitterteilung (35) des Maßstabsgitters (34) hat eine Gitterkonstante von 8 µm. Eine effektive Gitterkonstante keff von 8 µm besitzen auch die vier Referenzgitter (G1 bis G4) in x-Richtung, d. h. in Maßstabsrichtung. Denn unter Berücksichtigung des Winkels α zwischen den Gitterteilungen des Maßstabs und der Referenzgitter und der viel kleineren tatsächlichen Teilung Tref der Referenzgitter ergibt sich diese effektive Gitterkonstante von 8 µm gemäß der Formel

Da bei den im Ausführungsbeispiel beschriebenen Meßsystemen der Einfall der miteinander interferierenden von den Referenzgitterpaaren abgebeugten Teilstrahlenbündeln auf das Maßstabsgitter nicht senkrecht zu dessen Furchenverlauf erfolgt, ist bei der Berechnung bzw. Dimensionierung des Meßsystems die Gittergleichung für schrägen Einfall zu verwenden. Hierzu wird beispielsweise verwiesen auf A. Reule in Optik, Band 66, Nr. 1, 1983, Seiten 73 bis 90, insbesondere Formel 14.

Werden bei dem beschriebenen Meßsystem geplatzte Gitter verwendet, so läßt sich der Lichtfluß (37 bzw. 37′) von den Gittern (G1 bis G4 bzw. G1′ bis G4′) effektiv in Richtung auf den Bereich (39) des Maßstabs (34) konzentrieren. Verzichtet man auf geplatzte Gitter und nimmt die Beugung in andere Gitterordnungen in Kauf, so kann dennoch ein Teil des dann in andere Richtungen weggebeugten Lichtes sinnvoll genutzt werden. Dies ist im Meßsystem nach Fig. 8 bzw. 9 der Fall. In der Regel werden inkrementale Meßsysteme für die Initalisierung mit sogenannten Nullimpulsmarken versehen, die neben der Gitterteilung aufgebracht sind. Im Falle des Meßsystems nach Fig. 8 und Fig. 9 dient eine Zylinderlinse (Z1) auf dem Maßstabsträger (34) in Verbindung mit einer Differenzdiode (D5) auf der Unterseite des Trägerchips (33) als Einrichtung zur Erzeugung eines solchen Nullimpulses. Auf die Zylinderlinse (Z1) fällt der vom Gitter (G4) in die -1. Beugungsordnung abgebeugte Lichtstrom auf und wird von der Zylinderlinse in einem linienförmigen Lichtspot in der Ebene des Trägerchips (33) fokussiert. Dieser Lichtspot wandert beim Verschieben des Maßstabs (34) über den Detektor (D5) und erzeugt auf diese Weise ein impulsförmiges Signal.

Bei der Zylinderlinse (Z1) handelt es sich um eine sogenannte Spiegellinse, d. h. die Zylinderlinse ist auf eine spiegelnde Unterlage aufgebracht. Statt der Zylinderlinse kann jedoch auch ein Gitter mit eindimensional abbildenden Eigenschaften, ähnlich einem sogenannten Fresnelzonenmuster auf dem Maßstabsträger (34) aufgebracht werden. Ein solches abbildendes Gitter ist in Fig. 10 vergrößert dargestellt.

Weiterhin ist es möglich mit dem von den Referenzgittern in andere Beugungsordnungen weggebeugten Licht eine Einrichtung zur Führungsfehlerkorrektur zu versorgen wie sie in der am gleichen Tage von der Anmelderin eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem mit einer Einrichtung zur Erfassung von Führungsfehlern" beschrieben ist. Auf diese Anmeldung wird an dieser Stelle ausdrücklich Bezug genommen.

Claims (11)

1. Photoelektrisches Längen- bzw. Winkelmeßsystem mit einem Maßstabsgitter (5, 15, 25, 35), mehreren zueinander phasenverschobenen Referenzgittern (G1-G4, G1′-G4′), und mehreren photoelektrischen Detektoren (D1-D4), die Licht aus dem gleichen Bereich (9, 19, 29, 39) des Maßstabsgitters empfangen, wobei jedem Detektor (D1-D4) jeweils ein Paar von Referenzgittern (G1, G1′; G2, G2′; G3, G3′; G4, G4′) zugeordnet ist, die Paare von Referenzgittern beleuchtungsseitig vor dem Maßstabsgitter angeordnet sind und bezüglich der Richtung ihrer Gitterteilung mit der des Maßstabsgitters einen Winkel bilden, der so gewählt ist, daß die Referenzgitter einfallendes Licht in Richtung auf den gleichen Bereich des Maßstabs beugen.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, wobei das auf die Referenzgitter auffallende Licht kollimiert ist.

3. Meßsystem nach Anspruch 1, wobei die Paare von Referenzgittern alle in einer Ebene liegen.

4. Meßsystem nach Anspruch 3, wobei für mindestens zwei Paare (G1, G1′; G2, G2′) von Referenzgittern der Winkel (α1, α2), den ihre Teilung mit der Maßstabsteilung (15, 25, 35) bildet, ihre Gitterkonstante (d1, d2) sowie ihr Abstand von dem beleuchteten Bereich (9, 19, 29, 39) der Maßstabsteilung unterschiedlich sind.

5. Meßsystem nach Anspruch 1, wobei für mindestens ein Paar von Referenzgittern (G1, G1′) der Winkel α1, den ihre Teilung mit der Maßstabsteilung (35) bildet, größer als 45° ist.

6. Meßsystem nach Anspruch 1, wobei die Referenzgitter Durchlichtgitter sind.

7. Meßsystem nach Anspruch 1, wobei die Maßstabsteilung (5, 15, 35) ein reflektierendes Auflichtgitter ist.

8. Meßsystem nach Anspruch 6 und 7, wobei sich die Referenzgitter und die Detektoren auf einem gemeinsamen Trägersubstrat (3, 33) befinden.

9. Meßsystem nach Anspruch 1, wobei zur Beleuchtung der Referenzgitter und zur Weiterleitung des vom Maßstabs (15) kommenden Lichtes Glasfasern bzw. Lichtleiter (16, 17) dienen.

10. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der von mindestens einem der Referenzgitter in andere Beugungsordnungen abgebeugte Lichtstrom, der nicht auf den gemeinsamen Bereich (39) der Maßstabsteilung gerichtet ist, einer Einrichtung zur Erfassung eines Nullimpulses (Z1, D5) oder eine Einrichtung zur Führungsfehlerkorrektur zugeführt ist.

11. Meßsystem nach Anspruch 10, wobei die Einrichtung zur Erzeugung des Nullimpulses bzw. zur Führungsfehlerkorrektur ein abbildendes Gitter nach Art einer Fresnelzonenplatte enthält.