DE9218274U1

DE9218274U1 - Interferentielle Positionsmeßvorrichtung

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Publication number: DE9218274U1
Application number: DE9218274U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1992-04-11
Filing date: 1992-04-11
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2002-04-12

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 1. September 1993

Interferentielle Positionsmeßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine interferentiell arbeitende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Referenzmarken sind bei photoelektrischen inkrementalen Längen- und Winkelmeßeinrichtungen üblich, um einen definierten Nullpunkt festlegen und reproduzieren zu können.

In der DE-C2 34 16 864 ist der Aufbau einer Referenzmarke zur Erzeugung eines Referenzimpulses beschrieben. Es werden dabei Phasengitter als Teilungsmarkierungen verwendet, die die Strahlung einer Lichtquelle beugen und auf Detektoren lenken.

Die Auswertung von Gegentakt- bzw. Pseudogegentaktsignalen liefert einen Referenzimpuls, der von der Beleuchtungsintensität (und in gewissen Grenzen auch von Abstandsänderungen) relativ unabhängig ist. Die Impulsbreiten dieses Referenzimpulses

werden im wesentlichen durch die Breiten der Teilungsmarkierungen auf dem Teilungsträger und den Breiten der Spalte in der Abtastplatte bestimmt. Mit dieser auf Schattenwurf basierenden Vorrichtung lassen sich aufgrund von Beugungseffekten keine Referenzimpulse mit sehr kleinen Impulsbreiten erzeugen, wie sie für hochauflösende, inkrementale Meßsysteme erforderlich wären. Außerdem müssen die Abtastplatte und der Teilungsträger im engen Abstand gehalten werden.

Aus der DE-C2 34 17 176 ist ein Referenzimpulsgeber bekannt, der die oben angeführten Nachteile nicht besitzt. Dieser besteht aus mehreren Gittern mit periodischen Teilungen unterschiedlicher Gitterkonstante, aus denen entsprechend dem Dreigittergeberprinzip (Dissertation J. Willhelm, "Dreigitterschrittgeber - photoelektrische Aufnehmer zur Messung von Lageänderungen", TU Hannover) Signale unterschiedlicher Periode abgeleitet werden. Entsprechend einer Fourier-Reihe werden diese Signale zusammengefaßt. Dadurch lassen sich Referenzimpulse sehr kleiner Breite erzeugen, die zudem kaum vom Abstand zwischen der Abtastplatte und dem Teilungsträger abhängen. Allerdings liefert diese Vorrichtung nicht nur einen einzelnen Referenzimpuls, sondern eine periodische Folge von Impulsen. Es müssen daher durch zusätzliche Maßnahmen diese Impulse unterscheidbar gemacht werden. Da der Impulsabstand nicht beliebig vergrößert werden kann, ist zur Selektion eines Impulses ein erheblicher Aufwand nötig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Signale sehr kleiner Breite liefert,

die in weiten Grenzen unabhängig sind von der Beleuchtungsintensität und von dem Abstand zwischen dem Abtastgitter und dem Teilungsträger. Zudem soll durch verschieden ausgebildete Referenzmarken eine Unterscheidung der Referenzmarken möglich sein.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen darin, daß trotz der sehr kleinen Breite des Referenzimpulses die Abtastung der Referenzmarken auch in einem großen Abtastabstand möglich ist und daß dementsprechend die Abtastung der Referenzmarken gegenüber Abtastabstandsanderungen unempfindlich ist. Ferner ist es bei dieser Vorrichtung möglich, durch verschiedene Ausgestaltungen der Referenzmarken unterschiedliche Signalformen zu erzeugen. So können z.B. mehrere Referenzmarken unterscheidbar gemacht werden. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber nicht beschränkt auf Referenzmarken. So können auch Nullsignale für Nullsensoren erzeugt werden, deren Signalverlauf in weiten Grenzen durch geeignete Gitterparameter eingestellt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen entnimmt man den Unteransprüchen .

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen soll anhand der Zeichnungen die Erfindung näher erläutert werden. Die Darstellungen sind zum besseren Verständnis stark vereinfacht.

Es zeigt

Figur 1 eine Durchlichtanordnung mit drei gleichartig gechirpten Gittern in Null

stellung (X-O),

Figur 2 veranschaulicht den in Figur 1 stark schematisierten Aufbau einer Po

sitionsmeßeinrichtung,

Figur 3 bis 7 Meßeinrichtungen mit unterschiedlichen Abtast-Prinzipien,

Figur 8 ein gechirptes Radialgitter,

Figur 9 ein Beugungsgitter mit

konzentrischen Kreisen,

Figur 10 eine Beugungsstruktur aus

einzelnen Kreisen und
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Figur 11 ein gechirptes Überstrukturgitter

In Figur 1 ist schematisch eine im Auflichtverfahren arbeitende Meßeinrichtung 1. dargestellt. Drei Beugungsgitter A, B, A¹ besitzen keine periodische Teilung. Ihre Gitterkonstante d=d(x) ändert sich vielmehr entlang der Teilungsrichtung x. In der Literatur werden solche Gitter als gechirpte Gitter bezeichnet. Es wird hier zunächst angenommen, daß

die gechirpten Gitter A, B und A¹ eine identische Teilung besitzen. In Figur 1 sind der Einfachheit halber nur wenige Beugungsstrahlen eingezeichnet. Das Lichtbündel einer kollimierten, inkohärenten Lichtquelle L (LED) wird am Gitter A in Teilstrahlenbündel aufgespalten. Diese werden am Gitter B umgelenkt und schließlich am Gitter A¹ überlagert und zur Interferenz gebracht. Die Detektoren D-I, Do, Dl detektieren die Strahlenbündel der -1., O. und +1. resultierenden Beugungsordnung.

Befindet sich das entlang der Teilungsrichtung verschiebbare Gitter B in der Stellung X=O, bei der sich entsprechende Gitterstege der Gitter A, A¹ und &bgr; gegenüberstehen, so treten durch den Einfluß der ortsabhängigen Gitterkonstante Strahlneigungen 6&THgr;, &dgr; , &dgr; ' auf, die zu Phasenverschiebungen zwischen den Teilstrahlenbündeln führen, die vom Gitterabstand a abhängen. Diese Phasenverschiebungen müssen klein gehalten werden, da nur dann der mit Hilfe der Detektoren D-I, DO, Dl gewonnene Signalverlauf S&ldquor;(X), n=-l, 0, 1 vom Abstand a der Gitter A, B, A¹ unabhängig ist. Dabei steht der Index "n" für die n-te resultierende Ordnung. Diese Bedingung läßt sich erfüllen, wenn die Variation ~ä der lokalen Gitterkonstante d(x) auf kleine Werte begrenzt bleibt, was sich in der Praxis stets durch eine entsprechend lange Gitterteilung erreichen läßt.
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Die Idee der Erfindung geht aus von einem herkömmlichen Dreigittergeber, der periodische Signale mit einer Periode gleich der halben Gitterkonstante liefert. Bei Verwendung gechirpter Gitter können diese gedanklich in viele kleine Teilgitter mit

jeweils konstanter aber untereinander verschiedener Gitterkonstanten zerlegt werden. Jedes Teilgitter liefert bei kleinen Verschiebungen X des Gitters B periodische Signale unterschiedlicher Frequenz. Durch die Überlagerung aller Signalfrequenzen entsteht ein nichtperiodischer Signalverlauf S_n(X), ähnlich einer Überlagerung eines kontinuierlichen Frequenzspektrums in einem Fourierintegral.

Verschiedene funktionale Abhängigkeiten der lokalen Teilungsperiode d(x) von der Teilungsrichtung &khgr; ergeben unterschiedliche Signalverläufe S_n(x). Auch durch die ortsabhängige Variation anderer Gitterparameter, wie Steghöhe, Stegbreite, Steglänge, Transmission, Absorption, Form der Stege; läßt sich bei Verwendung gechirpter Gitter der Signalverlauf S_n(x) beeinflussen.

Die Signalform S_n(x) wird des weiteren bestimmt von der Phasenlage der einzelnen Frequenzkomponenten, die die einzelnen Teilgitter beitragen. Diese Phasenlagen lassen sich verschieben, indem man die einzelnen Gitterstege in den Teilgittern des Beugungsgitters B gegenüber dem entsprechenden der Beugungsgitter A und A¹ verschiebt. So läßt sich die Signalform S_n(x) in weiten Grenzen verändern.

In Figur 2 veranschaulicht nochmals den Aufbau einer Positionsmeßeinrichtung, vor allem die besondere Struktur der Beugungsgitter A, B und A¹ .

In Figur 3 ist schematisch eine weitere Meßeinrichtung 13 als Dreigittergeber gezeigt. Die Funktionsweise dieser Anordnung ist ähnlich der in der Figur 2 beschriebenen Vorrichtung mit dem Unterschied, daß durch die Verwendung eines gechirpten Amplitudengitters A3 als Abtastteilung die verschiedenen

resultierenden Beugungsordnungen dieses Dreigittergebers 13 Signale mit derselben Phasenlage liefern und deshalb nicht mehr getrennt auf Photoelemente D3 gelenkt werden müssen. Daher ist hier auch eine kurzbrennweitige Linse 23 realisierbar.

Figur 4: Die gechirpte Maßstabsteilung B4 besitzt hier an jeder Stelle die halbe lokale Teilungsperiode (=Gitterkonstante) verglichen mit der ent- sprechenden Stelle der gechirpten Abtastteilung A4. Das kollimierte Lichtbündel der Lichtquelle L4 wird durch die gechirpte Teilung A4 (vorzugsweise ein Phasengitter) in eine +1. und eine -1. Beugungsordnung aufgespalten. Die Maßstabsteilung B4 (ebenfalls vorzugsweise ein Phasengitter) lenkt diese Beugungsordnungen jeweils wieder in die entgegengesetzte Richtung zurück, sodaß sie durch die Teilung A4 in nullter resultierender Beugungsordnung zur Interferenz gebracht und vom Photoelement D4 detektiert werden können.

Auch andere Abtastverfahren als das des beschriebenen Dreigittergebers können herangezogen werden, wenn die periodischen Teilungen durch entsprechende gechirpte Teilungen ersetzt werden. Besonders vorteilhaft sind Verfahren, die eine Abtastung des Maßstabs (weitgehend) unabhängig vom seinem Abstand erlauben. Denn bei Verwendung gechirpter Teilungen muß jede lokale Teilungsperiode bei einem festen Abstand des Maßstabs einen entsprechenden, oszillierenden Signalanteil liefern. Bei abstandsunabhängigen Abtastverfahren werden vorzugsweise symmetrische Beugungsordnungen des Maßstabs (meist +1.) zur Interferenz gebracht. Dies führt zu einer

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für diese Verfahren typischen Signalperiode gleich einem Bruchteil der Teilungsperiode. Im Folgenden sind einige weitere geeignete Abtastverfahren zur Erzeugung von Referenzimpulsen mit Hilfe gechirpter Gitter aufgezählt.

In den Figuren 5 und 6 werden Zweigittergeber gezeigt.

Figur 5: Die beiden ersten Beugungsordnungen der Teilung A5 (vorzugsweise ein Phasengitter) bilden am Ort der Teilung B5 ein Streifensystem, das mit Hilfe des Amplitudengitters B5, das verglichen mit entsprechenden Stellen der Teilung A5 die halbe lokale Teilungsperiode besitzt, abgetastet und von einem Detektor D5 detektiert wird. Das Amplitudengitter B5 kann auch direkt auf dem Detektor D5 aufgebracht sein, so daß gewissermaßen dieses Beugungselement durch einen strukturierten Detektor gebildet wird.

Figur 6: Das kollimierte Lichtbündel der Lichtquelle L6 wird durch die gechirpte Teilung A6 (vorzugsweise ein Phasengitter) in eine +1. und eine -1. Beugungsordnung aufgespalten und durch die gechirpte Teilung B6 (ebenfalls vorzugsweise ein Phasengitter) wieder in Richtung resultierender 0. Beugungsordnung zurückgelenkt. Ein Photoelement D6 detektiert diese resultierende 0. Beugungsordnung.

In Figur 7 wird zur Vervollständigung noch ein Eingittergeber 17 dargestellt. Das Licht einer Lichtquelle L7 (vorzugsweise ein Halbleiterlaser) wird durch eine Linse 27 kollimiert und auf eine gechirpte Teilung A7 (vorzugsweise ein Phasengitter) gelenkt. Das reflektierte Lichtbündel wird dabei

in eine +1. und eine -1. Beugungsordnung aufgespalten. Eine Abbildungsoptik (hier die gleiche Linse 27) bildet nun die gechirpte Teilung A7 auf den Detektor D7 ab und überlagert so die beiden Beugungsordnungen. Das entstehende Interferenzstreifensystem mit sich änderndem Streifenabstand wird mittels eines Photoelementes D7 detektiert, das entsprechend einem gechirpten Gitter strukturiert ist. Die lokale Strukturierungsperiode des Photoelementes D7 hängt dabei u.a. vom Abbildungsmaßstab der Abbildungsoptik 27 ab.

Es ist bekannt, daß das Dreigitterprinzip auch für Drehgeber anwendbar ist. Es liegt deshalb im Rahmen der Erfindung, auch einen Drehgeber nach der Erfindung auszugestalten, indem entweder - wie in Figur 8 gezeigt - gechirpte Radialteilungen A8 verwendet oder gechirpte Teilungen auf Zylinderflächen aufgebracht werden.

Mit Hilfe der hier beschriebenen Vorrichtung lassen sich in Abhängigkeit einer Verschiebung X je nach Ausbildung der gechirpten Gitter, sehr unterschiedliche Signalformen erzeugen. Die Verwendung dieser Vorrichtung ist dabei nicht auf die Erzeugung von Referenzimpulsen beschränkt. So können auch für verschiedene Nullsensoren geeignete Signalverläufe generiert werden, beispielsweise mit konzentrischen Kreisen A9 gemäß Figur 9.

Als Beugungselemente müssen nicht unbedingt Beugungsgitter eingesetzt werden. Auch andere beugende Elemente können verwendet werden, wenn ihre beugende Struktur - z.B. Punkte AlO (Kreisscheiben) statt Gitterstriche - sich ortsabhängig und stetig verändert, wie dies aus Figur 10 ersichtlich ist.

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Ferner ist es möglich, gechirpte Gitter als sogenannte Uberstrukturgitter auszuführen.

Periodisch geteilte Uberstrukturgitter besitzen in jeder Teilungsperiode mehr als einen Gittersteg. Durch eine Überstruktur lassen sich die Beugungseffizienzen verschiedener Beugungsordnungen gezielt erhöhen oder abschwächen. Verwendet man periodische Uberstrukturgitter als Abtast- und/oder Maßstabsteilung in einem Dreigittergeber, so erhält man Abtastsignale, deren Oberwellengehalt von der Überstruktur abhängt. Bei geeigneter Wahl der Überstruktur können der Signalanteil mit der doppelten Frequenz (halbe Signalperiode, 2. Harmonische) und/oder noch höhere Harmonische auf Amplitudenwerte der Grundwelle verstärkt werden.

Gechirpte Uberstrukturgitter enthalten ebenfalls in jeder lokalen Teilungsperiode mehr als einen Gittersteg, was in der Figur 11 anhand eines Maßstabes All verdeutlicht wird. Bei geeigneter Wahl der Überstruktur liefert jede Stelle der Gitteranordnung in der Nähe der Nullage X=O der Gitter nicht nur einen Signalanteil mit einer Periode gleich einer halben lokalen Teilungsperiode (Grundwelle), sondern auch einen Signalanteil mit einer Periode gleich einer viertel lokalen Teilungsperiode (2. Harmonische) bzw. noch höhere Harmonische. Variiert die lokale Teilungsperiode der gechirpten Gitter beispielsweise von d_o bis 2d_o, so weist das abgeleitete Signal in der Nähe der Nullage X=O Anteile mit Signalperioden d_o/2...d_o (Grundwelle) und d_o/4... d_o/2 (2. Harmonische) bzw. d_o/2n...d_o/n (n-te Harmonische) auf. So erhält man ein Signal mit einem breiten Frequenzspektrum bei nur kleiner

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Variation der lokalen Teilungsperiode. Eine kleine Variation der lokalen Teilungsperiode (charakterisiert durch den bereits erwähnten Chirpparameter 6d(x)/6x) erlaubt aber eine besonders große Toleranz bzgl. Abstandsänderungen der Gitter und/oder eine Verkürzung der Länge der gechirpten Gitter.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 1. September 1993 Ansprüche

1. Interferentiell arbeitende Vorrichtung zur Erzeugung von Signalen mit einer Lichtquelle, wenigstens zwei Beugungselementen, deren Beugungsstrukturen gleich oder nur geringfügig unterschiedlich sind, sowie mit Detektoren zum Erfassen von gebeugten, miteinander interferierenden Teilstrahlenbündeln, wobei die Parameter der Beugungsstrukturen der Beugungselemente ortsabhängig variieren und diese Variation stetig erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungselemente als Phasengitter A, B; B3; A4, B4; A5; A6, B6; A7; All) oder als Amplitudengitter (A3; B5, D7) ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Beugungsgitter (B4; B5) die halbe lokale Gitterkonstante aufweist, wie das korrespondierende Beugungsgitter (A4; A5).

0 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (D5; D7) als strukturiertes Beugungselement ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstruktur als Radialteilung (A8) ausgebildet ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungselemente als Beugungsgitter (All) mit einer Überstruktur ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Überstruktur durch mehr als einen Gittersteg pro lokaler Gitterkonstante gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Transmissionsgitters (A; A3; A4) und eines Reflexionsgitters (B; B3; B4) eine Meßeinrichtung (1; 13; 14) des Dreigittergeber-Typs gebildet wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe zweier Transmissionsgitter (A5, B5; A6, B6) eine Meßeinrichtung (15; 16) des Zweigittergeber-Typs gebildet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Reflexionsgitters (A7), einer Abbildungsoptik (27) und eines strukturierten Detektors (D7) eine Meßeinrichtung (17) des Eingittergeber-Typs gebildet wird.