DE10013725A1 - Meßvorrichtung sowie Verfahren zur Messung eines Weges bei einer Relativbewegung zwischen der Meßvorrichtung und einem Maßstab, der eine Meßspur mit einem Beugungsgitter aufweist, sowie miniaturisierter optischer Abtastkopf - Google Patents

Abstract

Eine Meßvorrichtung (2) zur Messung eines Weges bei einer Relativbewegung zwischen der Meßvorrichtung (2) und einem Maßstab (8), der wengistens eine Meßspur (38) mit einem Beugungsgitter (40) aufweist, weist eine Strahlungsquelle (4) zum Richten eines Strahles auf den Maßstab (8) auf. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung (2) weist ferner einen Wellenleiterkoppler (10) mit wenigstens zwei Wellenleitern (12, 18), die derart auf den Maßstab (8) gerichtet sind, daß an dem Beugungsgitter (40) des Maßstabs (8) gebeugte Strahlung in die Wellenleiter einkoppelt, auf, wobei in dem Wellenleiterkoppler (10) eine Überlagerung der in die Wellenleiter (12, 18) eingekoppelten Strahlung erfolgt zur Bildung phasenverschobener Interferenzsignale als Ausgangssignale des Wellenleiterkopplers (10). Ferner weist die Meßvorrichtung (2) Detektionsmittel zur Detektion der Interferenzsignale und Auswertemittel zur Auswertung der detektierten Signale auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung eines Weges einer Relativ­ bewegung zwischen der Meßvorrichtung und einem Maß­ stab, der eine Meßspur mit einem Beugungsgitter auf­ weist.

Zum Messen eines Weges bei einer Relativbewegung zwischen einer Meßvorrichtung und einem Maßstab, bei­ spielsweise zur Steuerung von Werkzeugmaschinen sowie in Koordinatenmeßsystemen, werden überwiegend inkre­ mentelle Geber, magnetische Längenmeßsysteme und La­ serinterferometer eingesetzt. Laserinterferometer sind beispielsweise in Form von Sensorköpfen für in­ dustrielle Anwendungen verfügbar. Sie weisen beispielsweise Wellenleiterkoppler als Strahlteiler und externe Auswerteeinheiten auf, wobei ihre Ferti­ gung beispielsweise entweder auf Siliziumbasis mit auf einem Chip integrierter Optik und elektrischer Ankopplung an die Auswerteeinheit oder durch inte­ grierte Optik auf Glas ggf. mit Faserankopplung der Detektoren und des Lasers an die Auswerteeinheit er­ folgen kann. Mit derartigen Interferometern können hohe Auflösungen im Nanometerbereich erzielt werden. Prinzipbedingt besteht jedoch eine Abhängigkeit von der Laserwellenlänge und der Brechzahlverteilung der Meßstrecke, die aufwendige Korrekturen erfordert.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Interfero­ meter besteht darin, daß sie einen relativ raumgrei­ fenden Aufbau aufweisen und daher beispielsweise für einen Einsatz in Mikrosystemen nicht geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zur Messung eines Weges bei einer Re­ lativbewegung zwischen der Meßvorrichtung und einem Maßstab anzugeben, bei der Abhängigkeiten des Meß­ ergebnisses von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung und der Brechzahlverteilung der Meßstrecke verringert sind und die gleichzeitig einen geringen Raumbedarf aufweisen.

Diese Aufgabe wird duch die im Anspruch 1 ange­ gebene Lehre gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Wellenleiterkoppler verwendet, wie er beispielsweise aus dem Aufsatz "In­ tegrierte Optik auf Glas und Silizium für Sensoran­ wendungen" von E. Voges in "Technisches Messen" 58 (1991), S. 140-145, im Zusammenhang mit einem faser­ gekoppelten integriert-optischen Interferometer be­ kannt ist. Im Gegensatz zu den bekannten Interfero­ metern erfolgt bei der erfindungsgemäßen Meßvorrich­ tung eine Aufspaltung der Strahlung der Strahlungs­ quelle, beispielsweise eines Lasers, prinzipiell je­ doch erst am Gitter, wobei eine Einkopplung der Strahlung der Strahlungsquelle in den Wellenleiter­ koppler erst nach der Beugung an dem Maßstab erfolgt. Hierdurch ist es möglich, die Strahlungsquelle als unabhängiges Bauelement an einem den Wellenleiter­ koppler aufweisenden Substrat zu befestigen.

Auf diese Weise ist der Raumbedarf der erfin­ dungsgemäßen Meßvorrichtung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Meßvorrichtungen wesent­ lich verringert. Insbesondere läßt sich die erfin­ dungsgemäße Meßvorrichtung als miniaturisierte Meß­ vorrichtung ausführen, die vielfältig einsetzbar ist, beispielsweise in Werkzeugmaschinen und Koordinaten­ meßsystemen sowie zur Regelung von Mikroantrieben.

Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung liegen am Ausgang des Wellenleiterkopplers phasenver­ schobene Interferenzsignale vor, deren Auswertung aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist, bei­ spielsweise durch den Aufsatz "Interferometrisches Echtzeit-Wegsystem mit vollständig dielektrischem, integriert-optischem Sensorkopf" von H. Grübel und G. Nitsch in Technisches Messen 58 (1991), S. 165-169. Wird beispielsweise ein 3 × 3-Koppler verwendet, an dessen drei Ausgängen drei um 120° phasenverschobene Interferenzsignale detektierbar sind, so können diese Interferenzsignale zunächst mit Hilfe von Photodioden detektiert werden. Die den Interferenzsignalen ent­ sprechenden Spannungen am Ausgang der Photodioden bilden ein aus drei um 120° zueinander phasenverscho­ benen Drehzeigern bestehendes Dreiphasensystem. Bei Bewegung der Meßvorrichtung relativ zu dem Maßstab drehen sich die Drehzeiger im Koordinatensystem, wo­ bei ihre Phasenbeziehung relativ zueinander konstant bleibt. Hierbei ist der Winkel, um den sich die Dreh­ zeiger drehen, ein Maß für den bei der Relativbewe­ gung zwischen der Meßvorrichtung und dem Maßstab zu­ rückgelegten Weg. Durch Messung des Winkels, um den sich die Drehzeiger drehen, ist somit eine Messung des Weges bei der Relativbewegung zwischen der Meß­ vorrichtung und dem Maßstab ermöglicht. Außerdem ist auf diese Weise eine Erkennung der Richtung, in die sich die Meßvorrichtung relativ zu dem Maßstab bewegt, ermöglicht. Ferner können mit der erfindungs­ gemäßen Meßvorrichtung bei entsprechender Ausbildung der Auswertemittel von dem Weg abgeleitete Größen, beispielsweise die Geschwindigkeit oder Beschleuni­ gung der Meßvorrichtung relativ zu dem Maßstab, ge­ messen werden.

Die Verwendung eines Maßstabes hat den Vorteil, daß sich in einfacher Weise Referenzmarken realisie­ ren lassen, um während der Relativbewegung einen ein­ deutigen und ständig reproduzierbaren Bezug zu erhal­ ten. Auf diese Weise lassen sich in einfacher Weise Meßvorrichtungen realisieren, die eine Messung des bei Bewegung entlang des Maßstabs zwischen zwei Punk­ ten des Maßstabs relativ zurückgelegten Weges ermög­ lichen und bei denen darüber hinaus anhand der Refer­ enzmarke stets ein eindeutiger Bezug zu einem festen Bezugspunkt auf dem Maßstab gegeben ist.

Mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind Wegmessungen bei beliebigen Relativbewegungen ermög­ licht, insbesondere die Messung von Längen bei linea­ ren Relativbewegungen und die Messung von Winkeln bei Winkelbewegungen.

Erfindungsgemäß können beliebige Wellenleiter­ koppler verwendet werden, die zur Überlagerung der an dem Beugungsgitter gebeugten Strahlung zur Bildung phasenverschobener Interferenzsignale geeignet sind. Zweckmäßigerweise ist der Wellenleiterkoppler ein n × m-Koppler, insbesondere ein 3 × 3-Koppler, wie dies eine Ausführungsform vorsieht. Die fertigungstech­ nisch einfachste Form eines solchen n × m-Kopplers ist ein 2 × 2-Koppler, bei dem die beiden Ausgänge des Wel­ lenleiterkopplers phasenverschobene Interferenzsigna­ le liefern, die mit Photodioden detektierbar sind. Nachteilig bei einem solchen 2 × 2-Koppler ist jedoch, daß der Wellenleiterkoppler Intensitätsschwankungen des Strahles der Strahlungsquelle nicht kompensiert. Um eine Kompensation solcher Intensitätsschwankungen zu ermöglichen, ist dann beispielsweise eine zusätz­ liche Monitordiode erforderlich, die die Intensität mißt. Demgegenüber erfolgt bei einem 3 × 3-Koppler eine Kompensation von Intensitätsschwankungen.

Eine Weiterbildung der Ausführungsform mit dem 3 × 3-Koppler sieht vor, daß die Interferenzsignale am Ausgang des Wellenleiterkopplers um etwa 120° phasen­ verschoben sind. Bei dieser Ausführungsform gestaltet sich die Auswertung der Ausgangssignale des Wellen­ leiterkopplers besonders einfach. Es ist zwar auch möglich, Koppler mit einer größeren Zahl von Ausgän­ gen zu verwenden, die phasenverschobene Interferenz­ signale liefern. Derartige Koppler sind jedoch auf­ wendiger in der Herstellung und damit teurer. Außer­ dem vergrößern sie den Raumbedarf der Meßvorrichtung.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß der Maßstab zur Einfallsrichtung der Strahlung geneigt angeordnet ist. Diese Ausführungsform hat den Vor­ teil, daß zur Auskopplung des Strahles der Strah­ lungsquelle einfache Optikelemente eingesetzt werden können. Bei dieser Ausführungsformen wird die 0. Beugungsordnung der gebeugten Strahlung nicht in die Strahlungsquelle zurückreflektiert, so daß durch derartige Rückreflektionen verursachte Störun­ gen, insbesondere der Strahlungsquelle, vermieden sind.

Grundsätzlich kann es ausreichend sein, eine Strahlungsquelle zu verwenden, die beispielsweise Strahlung mit zwei Wellenlängen erzeugt. Um die Meß­ sicherheit zu erhöhen, sieht jedoch eine Weiterbil­ dung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung vor, daß die Strahlungsquelle monochromatische Strahlung er­ zeugt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung erzeugt die Strahlungsquelle kohärente Strahlung. Auf diese Weise läßt sich die Meßsicherheit weiter erhöhen.

Erfindungsgemäß kann eine beliebige Strahlungs­ quelle verwendet werden, sofern in der erforderlichen Weise durch Beugung an dem Beugungsgitter ein Beu­ gungsbild erzeugt wird. Zweckmäßigerweise ist die erfindungsgemäße Strahlungsquelle ein Laser, insbe­ sondere eine Laserdiode. Laser stehen als kostengün­ stige Bauteile zur Verfügung und ermöglichen eine hohe Meßsicherheit.

Gemäß einer anderen Weiterbildung richtet die Strahlungsquelle die Strahlung über einen Wellenlei­ ter, insbesondere eine Lichtleitfaser, auf den Maß­ stab.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß die Strahlungsquelle als auf einem aktiven optischen Sub­ strat, beispielsweise Galliumarsenid, integriertes Bauteil ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es bei­ spielsweise möglich, die Strahlungsquelle zwischen den Armen eines integrierten Wellenleiterkopplers in das Substrat des Kopplers zu integrieren. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders kompakter Aufbau.

Im Sinne eines kompakten Aufbaus und einer ko­ stengünstigen Herstellung ist es ferner vorteilhaft, daß der Wellenleiterkoppler als auf einem Substrat, insbesondere Glassubstrat, integriertes Bauteil aus­ gebildet ist.

Bei den Ausführungsformen mit der integrierten Strahlungsquelle und dem integrierten Wellenleiter­ koppler können beide Bauteile grundsätzlich auf ein und demselben Substrat realisiert sein. Vorteilhafterweise sind die Strahlungsquelle und der Wellenlei­ terkoppler jedoch als separate integrierte Bauteile ausgebildet, die miteinander fest verbunden sind. Auf diese Weise ist die Herstellung vereinfacht. Die Strahlungsquelle und der Wellenleiterkoppler können beispielsweise miteinander verklebt sein.

Falls es nicht erforderlich ist, hinsichtlich der Position der Meßvorrichtung entlang des gesamten Meßweges einen eindeutigen Bezug zu einem festen Be­ zugspunkt auf dem Maßstab zu erhalten, sondern le­ diglich den bei Bewegung der Meßvorrichtung entlang des Maßstabs zwischen zwei Punkten relativ zu dem Maßstab zurückgelegten Weg zu messen, so ist es aus­ reichend, wenn der Maßstab eine einzige Meßspur auf­ weist. Wenn demgegenüber ein eindeutiger Bezug zu einem festen Bezugspunkt auf dem Maßstab erforderlich ist, sieht eine außerordentlich vorteilhafte Weiter­ bildung der erfindungsgemäßen Lehre vor, daß der Maß­ stab eine zweite Meßspur aufweist oder ein zweiter Maßstab mit einer zweiten Meßspur vorgesehen ist, daß die Strahlungsquelle oder eine zweite Strahlungsquel­ le einen Strahl auf die zweite Meßspur richtet und daß ein zweiter Wellenleiterkoppler mit wenigstens zwei Wellenleitern vorgesehen ist, die derart auf die zweite Meßspur gerichtet sind, daß von der zweiten Meßspur reflektierte oder durch diese transmittierte und an dieser gebeugte Strahlung in die Wellenleiter des zweiten Wellenleiterkopplers einkoppelt, wobei in dem zweiten Wellenleiterkoppler eine Überlagerung der in die Wellenleiter eingekoppelten Strahlung erfolgt zur Bildung phasenverschobener Interferenzsignale an Ausgängen des zweiten Wellenleiterkopplers, wobei der zweite Wellenleiterkoppler mit den Detektionsmitteln zur Detektion der Interferenzsignale verbunden ist.

Bei dieser Ausführungsform werden somit zwei bei der Bestrahlung der beiden Meßspuren erzeugte, vonein­ ander unabhängige Beugungsbilder ausgewertet. Auf diese Weise ist der Eindeutigkeitsbereich, d. h. der Bereich, in dem bei der Relativbewegung zwischen dem Maßstab und der Meßvorrichtung ein eindeutiger Bezug der Position der Meßvorrichtung zu einem festen Be­ zugspunkt auf dem Maßstab besteht, vergrößert. Durch entsprechende Ausbildung der Meßspuren ist es prin­ zipiell möglich, einen Eindeutigkeitsbereich zu er­ halten, der größer als der bei Bewegung der Meßvor­ richtung entlang des Maßstabes relativ zu diesem zu­ rückgelegte maximale Weg ist. Auf diese Weise ist entlang des gesamten Weges, den die Meßvorrichtung relativ zu dem Maßstab zurücklegt, ein eindeutiger Bezug der Position der Meßvorrichtung zu einem festen Bezugspunkt auf dem Maßstab gegeben. Somit ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung beispielsweise bei der Steuerung von Mikroantrieben einsetzbar. Zwar ist auch bei der Ausführungsform mit nur einer Meßspur und einem Beugungsgitter ein Eindeutigkeitsbereich vorhanden; dieser ist jedoch für praktische Anwendun­ gen, in denen ein eindeutiger Bezug der Position der Meßvorrichtung zu einem festen Bezugspunkt auf dem Maßstab erforderlich ist, in der Regel zu klein.

Eine andere Weiterbildung der Ausführungsform mit der zweiten Meßspur sieht vor, daß diese ein Beu­ gungsgitter aufweist, wobei die Beugungsgitter der beiden Meßspuren zueinander teilerfremde Gitterkon­ stanten aufweisen. Bei Verwendung eines zweiten Beu­ gungsgitters ist im Vergleich zu der Ausführungsform, bei der zur Herstellung eines Bezugspunktes eine Re­ ferenzmarke verwendet wird, der Eindeutigkeitsbereich erhöht, innerhalb dessen eine absolute Positionsbestimmung möglich ist.

Falls im Sinne eines einfachen Aufbaus beide Meßspuren mit ein und derselben Strahlungsquelle be­ strahlt werden sollen, so sieht eine Ausführungsform vor, daß Mittel vorgesehen sind, die die Strahlung der Strahlungsquelle zur Bestrahlung der beiden Meß­ spuren aufteilen.

Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungs­ form sieht vor, daß die beiden Meßspuren an relativ zueinander und von der Strahlungsquelle weg geneigten Flächen angeordnet sind, die an einer Kante anein­ ander angrenzen, derart, daß die Kante die Strahlung der Strahlungsquelle zur Bestrahlung der beiden Meß­ spuren aufteilt. Diese Ausführungsform ist besonders einfach und damit kostengünstig herstellbar.

Zur Bestrahlung der zweiten Meßspur kann jedoch auch eine separate Strahlungsquelle vorgesehen sein, wie dies eine andere Ausführungsform vorsieht.

Entsprechend den jeweiligen Anforderungen können Mittel zur wesentlichen senkrechten Einkopplung der an der Meßspur reflektierten oder durch diese trans­ mittierten Strahlung in die Wellenleiter des Wellen­ leiterkopplers vorgesehen sein. Diese Mittel können beispielsweise durch in Strahlungsrichtung hinter der Strahlungsquelle angeordnete Gitterkoppler oder Pris­ menkoppler gebildet sein.

Falls erforderlich kann gemäß einer anderen Aus­ führungsform eine Auskoppeloptik vorgesehen sein, die die Strahlung der Strahlungsquelle auf die Meßspur lenkt.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß zur Einkopplung der an dem Beu­ gungsgitter gebeugten Strahlung in die Wellenleiter des Wellenleiterkopplers eine Einkoppeloptik, insbesondere eine Linse, vorgesehen ist.

Schließlich sieht eine Weiterbildung der erfin­ dungsgemäßen Meßvorrichtung vor, daß die Detektions­ mittel Photodioden aufweisen. Da Photodioden als ein­ fache und kostengünstige Standardbauteile zur Verfü­ gung stehen, ist auf diese Weise der Aufbau der er­ findungsgemäßen Meßvorrichtung einfach und damit ko­ stengünstig gestaltet.

Die Strahlungsquelle und der Wellenleiterkoppler können gemäß einer Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Lehre auf der gleichen Seite des Maßstabes angeordnet sein, derart, daß von dem Maßstab reflek­ tierte und an dessen Beugungsgitter gebeugte Strah­ lung in die Wellenleiter des Wellenleiterkopplers einkoppelt.

Der Maßstab kann jedoch auch in Strahlungsrich­ tung zwischen der Strahlungsquelle und dem Wellenlei­ ter angeordnet sein, derart, daß durch den Maßstab transmittierte und an dessen Beugungsgitter gebeugte Strahlung in die Wellenleiter des Wellenleiterkopp­ lers einkoppelt, wie dies eine andere Ausführungsform vorsieht.

Die Erfindung betrifft ferner einen miniaturi­ sierten optischen Abtastkopf gemäß Anspruch 24. Er­ findungsgemäß sind bei diesem Abtastkopf die Strah­ lungsquelle und der Wellenleiterkoppler als auf einem Substrat integrierte Bauteile ausgebildet. Dies er­ möglicht einen besonders kompakten Aufbau des Abtast­ kopfes. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Abtast­ kopfes sind in den Ansprüchen 25 bis 27 angegeben.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 28 und eine Weiterbildung dieses Verfahrens im An­ spruch 29 angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten stark schematisierten Zeichnung näher erläu­ tert, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 2 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 3 in schematischer Draufsicht ein drit­ tes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein viertes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Meßvorrichtung ohne den Maßstab,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Meßvorrichtung gemäß Fig. 4 mit dem Maßstab,

Fig. 6 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Meßvorrichtung, bei der ein Maßstab mit zwei Meßspuren verwendet wird,

Fig. 7 die beiden Meßspuren des Maßstabes bei der Meßvorrichtung gemäß Fig. 6,

Fig. 8 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, bei dem die Strahlung der Strahlungsquelle zur Bestrahlung der beiden Meßspuren an einer Kante aufgeteilt wird,

Fig. 9 die beiden Meßspuren des Maßstabes der Meßvorrichtung gemäß Fig. 8,

Fig. 10 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer er­ findungsgemäßen Meßvorrichtung ohne den Maßstab,

Fig. 11 eine Seitenansicht der Meßvorrichtung gemäß Fig. 10 mit dem Maßstab,

Fig. 12 die beiden Meßspuren des Maßstabes der Meßvorrichtung gemäß Fig. 10,

Fig. 13 in gleicher Darstellung wie Fig. 11 ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und

Fig. 14 die beiden Meßspuren des Maßstabes der Meßvorrichtung gemäß Fig. 13.

Gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile sind in den Figuren der Zeichnung mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt, die eine Strahlungsquelle 4 in Form eines Lasers auf­ weist, der über eine Auskoppeloptik 6 einen Laser­ strahl auf einen Maßstab 8 richtet.

Der Maßstab 8 weist auf seiner der Strahlungs­ quelle 4 zugewandten Fläche eine Meßspur mit einem Beugungsgitter auf, wie sie in Fig. 7 oben dar­ gestellt ist. Die Gitterteilung des Beugungsgitters verläuft in Fig. 1 in die Zeichenebene hinein, wobei die Meßvorrichtung 2 parallel zu dem Beugungsgitter, d. h. in Fig. 1 in die Zeichenebene hinein und aus der Zeichenebene heraus, relativ zu dem Maßstab 8 beweglich ist.

Die Meßvorrichtung 2 weist ferner einen Wellen­ leiterkoppler 10 auf, von dem in Fig. 1 lediglich ein Wellenleiter 12 erkennbar ist. Der Wellenleiterkopp­ ler 10 ist in anhand von Fig. 3 weiter unten näher erläuterter Weise als 3 × 3-Koppler ausgebildet und weist neben dem Wellenleiter 12 einen weiteren Wel­ lenleiter auf, wobei die beiden Wellenleiter zu drei Ausgängen des Wellenleiterkopplers führen. Der Wel­ lenleiter 12 sowie der weitere, in Fig. 1 nicht er­ kennbare Wellenleiter des Wellenleiterkopplers 10 sind derart auf den Maßstab 8 gerichtet, daß von dem Maßstab 8 reflektierte und an dessen Beugungsgitter gebeugte Strahlung in die Wellenleiter eingekoppelt werden. Hierzu ist eine Einkoppeloptik 14 vorgesehen. Der Wellenleiterkoppler 10 ist als auf einem Substrat 16 integriertes Bauteil ausgebildet. Falls erforder­ lich, können den Wellenleitern 12, 14 zur Einkopplung der an dem Maßstab 8 gebeugten Strahlung in der Zeichnung nicht dargestellte Wellenleiter vorgeschal­ tet sein. Ferner können den Ausgängen des Wellenlei­ terkopplers 10 Wellenleiter nachgeordnet sein, die die reflektierte und in dem Wellenleiterkoppler 10 überlagerte Strahlung Detektionsmitteln zuführen. Ferner kann die Strahlungsquelle 4 den Maßstab 8 über einen Wellenleiter bestrahlen.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß der Maßstab 8 zu der Meß­ vorrichtung 2 geneigt angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, daß die Auskoppeloptik 6 der Strahlungsquel­ le 4 im Vergleich zu Fig. 1 durch ein einfacheres Optikelement gebildet sein kann.

In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß die Strahlungsquelle 4 als auf einem aktiven optischen Substrat integriertes, von dem Substrat 16 des Wellenleiterkopplers 10 sepa­ rates Bauteil ausgebildet ist. Aus Fig. 3 ist er­ sichtlich, daß die Strahlungsquelle 4 zwischen dem Wellenleiter 12 und einem weiteren Wellenleiter 18 des Wellenleiterkopplers 10 angeordnet und mit dem Substrat 16 des Wellenleiterkopplers 10 verbunden ist. Aus Fig. 3 ist ferner ersichtlich, daß der Wel­ lenleiterkoppler 10 als 3 × 3-Koppler ausgebildet ist und drei Ausgänge 20, 22, 24 aufweist.

Die Meßvorrichtung 2 ist vor dem Maßstab 8 und parallel zu dessen Beugungsgitter in Richtung eines Doppelpfeiles 26 relativ zu dem Maßstab 8 beweglich.

Die Auskoppeloptik der Strahlungsquelle 4 sowie die Einkoppeloptik des Wellenleiterkopplers 10 sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur schematisch bei 28 angedeutet.

Als Detektionsmittel zur Detektion der Ausgangs­ signale an den Ausgängen 22, 24, 26 des Wellenleiter­ kopplers 10 sind bei diesem Ausführungsbeispiel Pho­ todioden 30, 32, 34 vorgesehen, deren Ausgangsspan­ nungen in der Zeichnung nicht dargestellten Auswerte­ mitteln zugeführt werden.

Bei Betrieb der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2 richtet die Strahlungsquelle 4 einen Strahl auf den Maßstab 8, wobei der Strahl an dem Beugungsgitter gebeugt und von dem Maßstab 8 reflektiert wird. Un­ terschiedliche Beugungsordnungen der gebeugten Strah­ lung werden in die Wellenleiter 12, 18 des Wellenlei­ ters 10 eingekoppelt und in diesem zur Bildung pha­ senverschobener Interferenzsignale derart überlagert, daß an den Ausgängen 20, 22, 24 drei um 120° phasen­ verschobene Interferenzsignale vorliegen. Die Interferenzsignale an den Ausgängen 20, 22, 24 werden durch die Photodioden 30, 32, 34 detektiert, deren Ausgangsspannungen den Auswertemitteln zugeführt wer­ den.

Die Ausgangsspannungen der Photodioden 30, 32, 34 bilden ein Dreiphasen-Drehzeigersystem, dessen Drehzeiger um 120° zueinander phasenverschoben sind. Bei Bewegung der Meßvorrichtung 2 relativ zu dem Maß­ stab 8 drehen sich die Drehzeiger in ihrem Koordina­ tensystem, wobei ihre Phasenbeziehung zueinander er­ halten bleibt. Der Winkel, um den sich die Drehzeiger bei einer Relativbewegung zwischen der Meßvorrichtung 2 und dem Maßstab 8 drehen, ist ein Maß für den bei dieser Relativbewegung zurückgelegten Weg. Durch Er­ mittlung dieses Winkels ist somit, wie aus dem Stand der Technik für sich genommen bekannt, der bei der Relativbewegung zwischen der Meßvorrichtung 2 und dem Maßstab 8 zurückgelegte Weg ermittelbar. Durch Er­ mittlung der Richtung, in die sich die Drehzeiger drehen, ist ferner die Richtung erkennbar, in der sich die Meßvorrichtung relativ zu dem Maßstab be­ wegt. Ferner sind von dem Weg abgeleitete Größen, beispielsweise die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Meßvorrichtung relativ zu dem Maßstab, ermittel­ bar.

Dadurch, daß die einfallende Strahlung der Strahlungsquelle 4 erst an dem Beugungsgitter des Maßstabes 8 aufgespalten und erst die am Beugungs­ gitter reflektierten Teilstrahlen in die Wellenleiter 12, 18 des Wellenleiterkopplers 10 eingekoppelt wer­ den, ist es möglich, die Strahlungsquelle 4 als un­ abhängiges Bauelement an dem Substrat 16 zu befesti­ gen, wie dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 3 der Fall ist.

Auf diese Weise ist eine miniaturisierte Meßvor­ richtung gebildet, die beispielsweise in Mikrosyste­ men einsetzbar ist.

In Fig. 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dadurch unterscheidet, daß die Einkopplung der an dem Maßstab reflektierten und an dessen Beugungsgitter gebeugten Strahlung in die Wellenleiter 12, 18 des Wellenleiterkopplers 10 über einen Gitterkoppler 36 erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß im Hinblick auf die Einkopplung auf externe Strahlformoptiken ver­ zichtet werden kann. Dies erleichtert die Montage und Justage der Meßvorrichtung 2. Ferner ist auf diese Weise die Meßvorrichtung 2 mit einer minimalen Anzahl von externen Komponenten realisiert. Es ist dann al­ lerdings für die Auskopplung der Strahlung aus der Strahlungsquelle 4 ein Auskoppelgitter oder ein Aus­ koppelprisma erforderlich. Bei Verwendung von aktiven optischen Substraten kann bei diesem Ausführungsbei­ spiel die Strahlungsquelle auf dem Substrat 16 des Wellenleiterkopplers 10 integriert und mit diesem in einem Fertigungsschritt hergestellt werden. Die Strahlungsquelle 4 kann oberflächenemittierend ausge­ bildet oder mit einem Gitterkoppler oder Prismakopp­ ler realisiert sein.

Fig. 5 verdeutlicht die Anordnung des Maßstabs 8 relativ zu der Meßvorrichtung 2 bei dem Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 4.

In Fig. 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2 dargestellt, das sich von den vorhergehenden Ausführungsbeispielen dadurch unterscheidet, daß der Maßstab 8 neben einer ersten Meßspur 38 mit einem ersten Beugungsgitter 40 eine zweite Meßspur 42 mit einem zweiten Beugungs­ gitter 44 aufweist. Die Beugungsgitter 40, 44 ver­ laufen parallel zueinander und weisen teilerfremde Gitterkonstanten auf.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 erzeugt die Auskoppeloptik 6 zwei Teilstrahlen 46' und 46", von denen der Teilstrahl 46' auf das erste Beugungs­ gitter der ersten Meßspur 38 und der Teilstrahl 46" auf das zweite Beugungsgitter 44 der zweiten Meßspur 42 gerichtet wird.

Zur Auswertung eines durch Beugung des Teil­ strahles 46" an dem zweiten Beugungsgitter 44 er­ zeugten Beugungsbildes ist ein zweiter Wellenleiter­ koppler 48 vorgesehen, der so aufgebaut ist und ar­ beitet, wie dies zuvor für den Wellenleiterkoppler 10 beschrieben worden ist. Die Auswertung der Ausgangs­ signale des zweiten Wellenleiterkopplers 48 erfolgt in der gleichen Art und Weise, wie dies zuvor für die Auswertung der Ausgangssignale des Wellenleiterkopp­ lers 10 beschrieben worden ist.

Dadurch, daß bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zwei voneinander unabhängige Beugungsbilder ausgewertet werden, ist stets ein eindeutiger Bezug zwischen der Position der Meßvorrichtung 2 und einem festen Bezugspunkt auf dem Maßstab 8 gegeben. Es ist somit eindeutig feststellbar, in welcher Lage relativ zu dem Maßstab 8 sich die Meßvorrichtung 2 gerade befindet. Wird die erfindungsgemäße Meßvorrichtung 2 beispielsweise verwendet, um einen Mikroantrieb zu steuern, so ist nicht nur feststellbar, welchen Weg der Mikroantrieb bei einer Bewegung zurückgelegt hat; vielmehr ist auch feststellbar, in welcher Lage rela­ tiv zu einem festen Bezugspunkt auf dem Maßstab sich der Mikroantrieb gerade befindet.

In Fig. 8 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 dadurch unterscheidet, daß die Meßspuren 38, 42 des Maßstabes 8 an relativ zueinander und von der Strah­ lungsquelle 4 weg geneigten Flächen 50, 52 eines Kör­ pers 54 angeordnet sind, wobei die Flächen 50, 52 an einer Kante 56 aneinander angrenzen. Die Bildung der Teilstrahlen 46', 46" erfolgt bei diesem Aus­ führungsbeispiel nicht durch die Auskoppeloptik 6 der Strahlungsquelle 4, sondern durch die Kante 56.

Fig. 9 zeigt die Meßspuren 38, 42 des Maßstabes 8, wobei die Meßspur 38 bei diesem Ausführungsbei­ spiel eine Referenzmarke aufweist, was zur Ermittlung der absoluten Position der Meßvorrichtung 2 in Bezug auf den Maßstab 8 ausreichend ist. Zur Detektion der Referenzmarke ist ein Detektor 59 in Form einer Pho­ todiode (vgl. Fig. 8) vorgesehen.

Fig. 10 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 6 und 8 dadurch unterscheidet, daß die Bildung der Teilstrah­ len 46', 46" zur Bestrahlung der Meßspuren 38, 42 durch ein Gitter 58 erfolgt. Die erste Meßspur 38 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Referenz­ marke auf (vgl. Fig. 12). Zur Detektion der Referenz­ marke ist ein Detektor 59 in Form einer Photodiode vorgesehen.

Fig. 11 verdeutlicht die Anordnung des Maßstabes 8 relativ zu der Meßvorrichtung 2.

Aus Fig. 12, die die Meßspuren 38, 42 des Maß­ stabes 8 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 zeigt, ist ersichtlich, daß die erste Meßspur 38 eine Referenzmarke und die zweite Meßspur 42 ein Beugungsgitter aufweist.

Fig. 13 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung 2, bei dem die beiden Wellenleiterkoppler 10, 48, die zur Auswertung der beiden Beugungsbilder, die durch Bestrahlung der beiden Meßspuren 38, 42 erzeugt werden, erforderlich sind, auf zwei übereinander angeordneten Substraten 60, 62 realisiert sind.

Fig. 14 zeigt die bei der Meßvorrichtung 2 gemäß Fig. 13 verwendeten Meßspuren 38, 42, die Beugungs­ gitter 40, 44 mit zueinander teilerfremden Gitterkon­ stanten aufweisen.

Claims (29)

1. Meßvorrichtung zur Messung eines Weges bei einer Relativbewegung zwischen der Meßvorrichtung (2) und einem Maßstab (8), der wenigstens eine Meßspur (38) mit einem Beugungsgitter (40) aufweist,
mit wenigstens einer Strahlungsquelle (4) zum Richten eines Strahles auf den Maßstab (8),
mit einem wenigstens einem Wellenleiterkoppler (10) mit wenigstens zwei Wellenleitern (12, 18), die der­ art auf den Maßstab (8) gerichtet sind, daß an dem Beugungsgitter (40) des Maßstabs (8) gebeugte Strah­ lung in die Wellenleiter (12, 18) einkoppelt, wobei in dem Wellenleiterkoppler (10) eine Überlagerung der in die Wellenleiter (12, 18) eingekoppelten Strahlung erfolgt zur Bildung phasenverschobener Interferenz­ signale als Ausgangssignale des Wellenleiterkopplers (10),
mit Detektionsmitteln zur Detektion der Interferenz­ signale und
mit Auswertemitteln zur Auswertung der detektierten Signale.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiterkoppler (10) ein n × m- Koppler, insbesondere ein 3 × 3-Koppler ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Interferenzsignale an den Ausgängen (20, 22, 24) des Wellenleiterkopplers (10) um etwa 120° phasenverschoben sind.

4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Maßstab (8) zur Einfallsrichtung der Strahlung geneigt angeordnet ist.

5. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) monochromati­ sche Strahlung erzeugt.

6. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) kohärente Strahlung erzeugt.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) ein Laser, insbesondere eine Laserdiode, ist.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) als auf einem aktiven optischen Substrat, beispielsweise Galliumar­ senid, integriertes Bauteil ausgebildet ist.

9. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) die Strahlung über einen Wellenleiter, insbesondere eine Lichtleit­ faser, auf den Maßstab (8) richtet.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wellenleiterkoppler (10) als auf einem Substrat, insbesondere Glassubstrat, integrier­ tes Bauteil ausgebildet ist.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) und der Wel­ lenleiterkoppler (10) als separate integrierte Bau­ teile ausgebildet sind, die miteinander fest verbun­ den sind.

12. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Maßstab eine Referenzmarke aufweist und daß ein Detektor zur Detektion der Referenzmarke vorgesehen ist.

13. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Maßstab (8) eine zweite Meßspur (42) aufweist oder daß ein zweiter Maßstab mit einer zweiten Meßspur vorgesehen ist,
daß die Strahlungsquelle (4) oder eine zweite Strah­ lungsquelle einen Strahl auf die zweite Meßspur (42) richtet,
daß ein zweiter Wellenleiterkoppler (48) mit wenig­ stens zwei Wellenleitern vorgesehen ist, die derart auf die zweite Meßspur (42) gerichtet sind, daß von der zweiten Meßspur (42) reflektierte oder durch die­ se transmittierte und an dieser gebeugte Strahlung in die Wellenleiter des zweiten Wellenleiterkopplers (48) einkoppelt, wobei in dem zweiten Wellenleiter­ koppler (48) eine Überlagerung der in die Wellenlei­ ter eingekoppelten Strahlung erfolgt zur Bildung von phasenverschobenen Interferenzsignalen an Ausgängen des zweiten Wellenleiterkopplers (48), wobei der zweite Wellenleiterkoppler (48) mit den Detektions­ mitteln zur Detektion der Interferenzsignale an sei­ nem Ausgang verbunden ist.

14. Meßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Meßspur (42) ein zweites Beugungsgitter (44) aufweist, wobei die Beugungsgit­ ter (40, 44) der beiden Meßspuren (38, 42) zueinander teilerfremde Gitterkonstanten aufweisen.

15. Meßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die die Strah­ lung der Strahlungsquelle (4) zur Bestrahlung der beiden Meßspuren (38, 42) aufteilen.

16. Meßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Meßspuren (38, 42) an rela­ tiv zueinander und von der Strahlungsquelle (4) weg geneigten Flächen (50, 52) angeordnet sind, die an einer Kante (56) aneinander angrenzen, derart, daß die Kante (56) die Strahlung der Strahlungsquelle (4) zur Bestrahlung der beiden Meßspuren (38, 42) auf­ teilt.

17. Meßvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bestrahlung der zweiten Meßspur (42) eine separate Strahlungsquelle vorgesehen ist.

18. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel zur im wesentlichen senkrechten Einkopplung der an dem Beugungsgitter (40) gebeugten Strahlung in die Wellenleiter (12, 18) des Wellenlei­ terkopplers (10) vorgesehen sind.

19. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Auskoppeloptik (6) vorgesehen ist, die die Strahlung der Strahlungsquelle (4) auf die Meßspur (38 bzw. 42) lenkt.

20. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Einkopplung der an dem Beugungs­ gitter gebeugten Strahlung in die Wellenleiter (12, 18) des Wellenleiterkopplers (10) eine Einkoppeloptik (14), insbesondere eine Linse, vorgesehen ist.

21. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektionsmittel Photodioden (30, 32, 34) aufweisen.

22. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) und der Wel­ lenleiterkoppler (10) auf der gleichen Seite des Maß­ stabes (8) angeordnet sind, derart, daß von dem Maß­ stab (8) reflektierte und an dessen Beugungsgitter (40) gebeugte Strahlung in die Wellenleiter (12, 18) des Wellenleiterkopplers (10) einkoppelt.

23. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Maßstab (8) in Strahlungsrichtung zwischen der Strahlungsquelle (4) und dem Wellenlei­ terkoppler (10) angeordnet ist, derart, daß durch den Maßstab (8) transmittierte und an dessen Beugungs­ gitter (40) gebeugte Strahlung in die Wellenleiter (12, 18) des Wellenleiterkopplers (10) einkoppelt.

24. Miniaturisierter optischer Abtastkopf, insbeson­ dere zur Verwendung in einer Meßvorrichtung nach ei­ nem der vorhergehenden Ansprüche,
mit einer als auf einem Substrat integriertes Bauteil ausgebildeten Strahlungsquelle (4) und
mit einem als auf einem Substrat integriertes Bauteil ausgebildeten Wellenleiterkoppler (10), der mit der Strahlungsquelle verbunden ist.

25. Abtastkopf nach Anspruch 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) und der Wel­ lenleiterkoppler (10) als separate, fest miteinander verbundene integrierte Bauteile ausgebildet sind.

26. Abtastkopf nach Anspruch 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Substrat, auf dem der Wellenleiter­ koppler (10) integriert ist, ein optisch aktives Sub­ strat ist und daß die Strahlungsquelle (4) auf dem Substrat des Wellenleiterkopplers integriert ist.

27. Abtastkopf nach Anspruch 24, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strahlungsquelle (4) eine Laserdio­ de ist.

28. Verfahren zur Messung eines Weges bei einer Re­ lativbewegung zwischen einer Meßvorrichtung und einem Maßstab, der eine Meßspur mit einem Beugungsgitter aufweist,
bei dem Strahlung aus einer Strahlungsquelle auf den Maßstab gerichtet und an dem Beugungsgitter gebeugt wird, bei dem die gebeugte Strahlung in einen Wellenleiterkoppler mit wenigstens zwei Wellenleitern ein­ gekoppelt wird, und
bei dem die in die Wellenleiter des Wellenleiterkopp­ lers eingekoppelte Strahlung überlagert wird zur Bil­ dung phasenverschobener Interferenzsignale als Aus­ gangssignale des Wellenleiterkopplers und
bei dem die Interferenzsignale durch Detektionsmittel detektiert und die detektierten Signale Auswertemit­ teln zugeführt werden.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23 verwendet wird.