DE10013725A1 - Measurement device directs beam to measurement scale and receives reflections of beam to produce phase shifted interference signals which are then evaluated - Google Patents
Measurement device directs beam to measurement scale and receives reflections of beam to produce phase shifted interference signals which are then evaluatedInfo
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Abstract
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.The invention relates to a measuring device as well a method of measuring a path of a relative movement between the measuring device and a measure stab on a measuring track with a diffraction grating has.
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.For measuring a path with a relative movement between a measuring device and a scale, at for example to control machine tools as well in coordinate measuring systems, are predominantly incorrect mental encoders, magnetic length measuring systems and La Serinterferometer used. Laser interferometer are for example in the form of sensor heads for in industrial applications available. You point for example waveguide couplers as beam splitters and external evaluation units, whereby their ferti supply, for example, either based on silicon optics and electrical integrated on a chip Coupling to the evaluation unit or through inte grilled optics on glass if necessary with fiber coupling Detectors and the laser to the evaluation unit can follow. With such interferometers high resolutions in the nanometer range can be achieved. In principle, however, there is a dependency on the laser wavelength and the refractive index distribution of the Measuring section that requires extensive corrections.
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.Another disadvantage of the well-known Interfero meters is that they have a relatively large space have structure and therefore for example for are not suitable for use in microsystems.
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.The invention has for its object a Measuring device for measuring a path in a re relative movement between the measuring device and a Specify the scale for the dependencies of the measurement result of the wavelength of the used Radiation and the refractive index distribution of the measuring section are reduced and at the same time low Have space requirements.
Diese Aufgabe wird duch die im Anspruch 1 ange gebene Lehre gelöst.This task is duch in claim 1 given teaching solved.
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.According to the invention, a waveguide coupler is used, such as that used in connection with a fiber, for example from the article "Integrated optics on glass and silicon for sensor applications" by E. Voges in "Technisches Messen" 58 ( 1991 ), pp. 140-145 integrated optical interferometer is known. In contrast to the known interferometers, in the measuring device according to the invention, the radiation of the radiation source, for example a laser, is in principle only split at the grating, with coupling of the radiation from the radiation source into the waveguide coupler only after the diffraction on the scale he follows. This makes it possible to attach the radiation source as an independent component to a substrate having the waveguide coupler.
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.In this way, the space requirement is invented inventive measuring device compared to that from the State of the art measuring devices essential Lich reduced. In particular, the inventions measuring device according to the invention as a miniaturized measuring implement a device that is versatile, for example in machine tools and coordinates measuring systems and for the regulation of micro drives.
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.When operating the measuring device according to the invention there are phase shifted interference signals at the output of the waveguide coupler, the evaluation of which is generally known from the prior art, for example by the article "Interferometric real-time path system with completely dielectric, integrated optical sensor head" by H. Grübel and G. Nitsch in Technischen Messen 58 ( 1991 ), pp. 165-169. If, for example, a 3 × 3 coupler is used, at whose three outputs three interference signals that are phase-shifted by 120 ° can be detected, these interference signals can first be detected with the aid of photodiodes. The voltages corresponding to the interference signals at the output of the photodiodes form a three-phase system consisting of three rotary pointers which are 120 ° out of phase with one another. When the measuring device moves relative to the scale, the rotary pointers rotate in the coordinate system, where their phase relationship relative to one another remains constant. Here, the angle through which the rotary pointers turn is a measure of the distance traveled in the relative movement between the measuring device and the scale. By measuring the angle around which the rotary pointers rotate, a measurement of the path in the relative movement between the measuring device and the scale is thus made possible. In addition, the direction in which the measuring device moves relative to the scale is made possible in this way. Furthermore, with the measuring device according to the invention, with appropriate training of the evaluation means, variables derived from the path, for example the speed or acceleration of the measuring device relative to the scale, can be measured.
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.The use of a scale has the advantage that reference marks can be realized in a simple manner leave one to one during the relative movement clear and constantly reproducible reference This way you can easily Realize measuring devices that measure the when moving along the scale between two punk The scale of the distance covered lichen and for which, in addition, based on the ref enzmarke always a clear reference to a fixed Reference point on the scale is given.
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.With the measuring device according to the invention Path measurements with any relative movements possible light, especially the measurement of lengths with linea ren relative movements and the measurement of angles Angular movements.
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.According to the invention, any waveguide can be used couplers are used to overlay the radiation diffracted at the diffraction grating for formation phase-shifted interference signals are suitable. The waveguide coupler is expediently one n × m coupler, especially a 3 × 3 coupler like this provides an embodiment. The manufacturing tech nisch is the simplest form of such an n × m coupler a 2 × 2 coupler, in which the two outputs of the Wel lenleiterkopplers phase-shifted interference signals deliver le that can be detected with photodiodes. A disadvantage of such a 2 × 2 coupler, however, is that that the waveguide coupler fluctuates in intensity of the beam from the radiation source is not compensated. To compensate for such fluctuations in intensity an additional is then possible, for example Liche monitor diode required, the intensity measures. In contrast, a 3 × 3 coupler is used Compensation for fluctuations in intensity.
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.A further development of the embodiment with the 3 × 3 coupler provides that the interference signals on Phase the output of the waveguide coupler by approximately 120 ° are moved. Designed in this embodiment the evaluation of the output signals of the waves conductor coupler particularly simple. It is also possible couplers with a larger number of outputs to use the out-of-phase interference deliver signals. However, such couplers are on more agile to manufacture and therefore more expensive. Except they increase the space requirement of the measuring device.
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.Another embodiment provides that the Scale inclined to the direction of incidence of the radiation is arranged. This embodiment has the front part that for decoupling the beam of the beam simple optical elements can be used can. In these embodiments the 0th diffraction order of the diffracted radiation is not reflected back into the radiation source, so that interference caused by such back reflections gene, especially the radiation source avoided are.
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.Basically, it can be sufficient to have one Use radiation source, for example Generates radiation with two wavelengths. To measure However, increasing security sees a further development extension of the measuring device according to the invention that the radiation source he monochromatic radiation testifies.
Gemäß einer anderen Weiterbildung erzeugt die Strahlungsquelle kohärente Strahlung. Auf diese Weise läßt sich die Meßsicherheit weiter erhöhen.According to another development, the Radiation source coherent radiation. In this way the measurement reliability can be increased further.
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.According to the invention, any radiation source are used, if necessary Beu by diffraction on the diffraction grating is generated. It is expedient that radiation source according to the invention a laser, esp especially a laser diode. Lasers are cheap available components and enable a high measurement reliability.
Gemäß einer anderen Weiterbildung richtet die Strahlungsquelle die Strahlung über einen Wellenlei ter, insbesondere eine Lichtleitfaser, auf den Maß stab.According to another training, the Radiation source emits radiation through a waveguide ter, especially an optical fiber, to size Rod.
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.Another embodiment provides that the Radiation source than on an active optical sub strat, for example gallium arsenide, integrated Component is formed. That way it's at possible, for example, the radiation source between the arms of an integrated waveguide coupler in to integrate the substrate of the coupler. To this This results in a particularly compact structure.
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.In the sense of a compact structure and a knockout cost-effective production, it is also advantageous that the waveguide coupler as on a substrate, in particular glass substrate, integrated component is formed.
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.In the embodiments with the integrated Radiation source and the integrated waveguide couplers can basically both components on one and the same substrate. Advantageously are the radiation source and the waveguide coupler, however, as separate integrated components trained, which are firmly connected. On in this way the manufacture is simplified. The Radiation source and the waveguide coupler can be glued together, for example.
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. If it is not necessary, regarding the position of the measuring device along the whole Measurement path a clear reference to a fixed Be to get traction point on the scale, but le diglich when moving the measuring device along of the scale between two points relative to the To measure the distance traveled, that's it sufficient if the scale has a single measuring track has. If on the other hand a clear reference to a fixed reference point on the scale is required is an extremely advantageous next education of the teaching according to the invention that the measure stab has a second measuring track or a second Scale with a second measuring track is provided that the radiation source or a second radiation source directs a beam onto the second measuring track and that a second waveguide coupler with at least two waveguides is provided, which on the second measuring track are directed that of the second Measurement track reflected or transmitted through this and on this diffracted radiation into the waveguide of the second waveguide coupler, wherein in a superposition of the second waveguide coupler radiation coupled into the waveguide takes place to form out-of-phase interference signals Outputs of the second waveguide coupler, the second waveguide coupler with the detection means is connected to the detection of the interference signals.
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.In this embodiment, two at the Irradiation of the two measurement tracks generated, of each other other independent diffraction patterns evaluated. On this is the area of uniqueness, i. H. the Area in which the relative movement between the Scale and the measuring device a clear reference the position of the measuring device to a fixed loading traction point on the scale, enlarged. By appropriate training of the measuring tracks, it is prin possible to uniquely hold, which is larger than that when moving the Meßvor direction along the scale relative to this is the maximum distance traveled. That way along the entire path that the measuring device relative to the scale, a clear one Relation of the position of the measuring device to a fixed one Given the reference point on the scale. So that is measuring device according to the invention, for example can be used to control micro drives. Is also in the embodiment with only one measurement track and a diffraction grating a uniqueness area available; however, this is for practical use conditions in which there is a clear reference to the position of the Measuring device to a fixed reference point on the Scale is required, usually too small.
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.Another development of the embodiment with the second measuring track provides that this is a Beu has grating, wherein the diffraction grating two measuring tracks relative to each other have a constant. When using a second Beu is compared to the embodiment, in which a re reference mark is used, the uniqueness range increased, within which an absolute position determination is possible.
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.If both in the sense of a simple structure Measurement tracks with one and the same radiation source one embodiment sees before that means are provided that the radiation the radiation source for irradiating the two measuring split tracks.
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.A training of the aforementioned execution form provides that the two measurement tracks are relative to each other and inclined away from the radiation source Surfaces are arranged that line up on an edge adjoin others such that the edge is the radiation the radiation source for irradiating the two measuring splits tracks. This embodiment is special simple and therefore inexpensive to manufacture.
Zur Bestrahlung der zweiten Meßspur kann jedoch auch eine separate Strahlungsquelle vorgesehen sein, wie dies eine andere Ausführungsform vorsieht.However, the second measurement track can be irradiated a separate radiation source can also be provided, as is provided by another embodiment.
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.Can according to the respective requirements Means for substantially vertical coupling of the reflected on the measuring track or trans through it averaged radiation into the waveguide of the waves conductor coupler may be provided. These funds can for example, in the radiation direction behind the Radiation source arranged grating coupler or Pris Menkoppler be formed.
Falls erforderlich kann gemäß einer anderen Aus führungsform eine Auskoppeloptik vorgesehen sein, die die Strahlung der Strahlungsquelle auf die Meßspur lenkt.If necessary, according to another Aus a decoupling optics can be provided, the the radiation from the radiation source onto the measurement track directs.
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.Another development of the invention Teaching provides that for the coupling of the Beu Diffraction grating diffracted radiation into the waveguide a coupling optics of the waveguide coupler, in particular a lens is provided.
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.Finally sees a further training of the inventor inventive measuring device that the detection have medium photodiodes. Because photodiodes as one fold and inexpensive standard components available stand in this way is the structure of the Measuring device according to the invention simple and therefore ko designed at low cost.
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.The radiation source and the waveguide coupler can according to an embodiment of the Invention according teaching on the same side of the scale be arranged such that from the scale reflect beam and diffracted by its diffraction grating into the waveguide of the waveguide coupler couples.
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.However, the scale can also be in radiation direction between the radiation source and the waveguide ter be arranged such that by the scale transmitted and diffracted at its diffraction grating Radiation in the waveguide of the waveguide coupler lers couples in as this is another embodiment provides.
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.The invention further relates to a miniaturi based optical scanning head according to claim 24. Er According to the invention, the beam is in this readhead source and the waveguide coupler than on one Integrated components formed substrate. This he enables a particularly compact design of the scanning head. Developments of the scanning according to the invention head are given in claims 25 to 27.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist im Anspruch 28 und eine Weiterbildung dieses Verfahrens im An spruch 29 angegeben.A method according to the invention is claimed 28 and a further development of this method in the An pronounced 29.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten stark schematisierten Zeichnung näher erläu tert, in der Ausführungsbeispiele dargestellt sind.The invention is described below with reference to the accompanying highly schematic drawing tert, are shown in the exemplary embodiments.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 in schematischer Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Meßvorrichtung, Fig. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of he inventive measuring device,
Fig. 2 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Meßvorrichtung, Fig. 2 in the same representation as Fig. 1 shows a second embodiment of he inventive measuring device,
Fig. 3 in schematischer Draufsicht ein drit tes Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Meßvorrichtung, Fig. 3 shows a schematic plan view of an embodiment of a TES drit OF INVENTION to the invention the measuring device,
Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein viertes Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Meßvorrichtung ohne den Maßstab, Fig. 4, in the same representation as Fig. 3 shows a fourth embodiment of he inventive measuring device without the scale
Fig. 5 eine Seitenansicht der Meßvorrichtung gemäß Fig. 4 mit dem Maßstab, Fig. 5 is a side view of the measuring apparatus according to Fig. 4 with the scale,
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. 6 is the same view as FIG. 3, a fifth embodiment in which a scale is used with two measuring tracks of he inventive measuring device,
Fig. 7 die beiden Meßspuren des Maßstabes bei der Meßvorrichtung gemäß Fig. 6, Fig. 7, the two measuring tracks of the scale in the measuring apparatus according to 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. 8 is the same view as FIG. 3, a sixth embodiment of a measuring device according to the invention, in which the radiation from the radiation source is split for the irradiation of the two measuring tracks on one edge,
Fig. 9 die beiden Meßspuren des Maßstabes der Meßvorrichtung gemäß Fig. 8, Fig. 9, the two measuring tracks of the scale of the measuring device shown in FIG. 8,
Fig. 10 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer er findungsgemäßen Meßvorrichtung ohne den Maßstab, Fig. 10, in the same representation as Fig. 3 shows a seventh embodiment of an inventive measuring device it without the scale
Fig. 11 eine Seitenansicht der Meßvorrichtung gemäß Fig. 10 mit dem Maßstab, Fig. 11 is a side view of the measuring device shown in FIG. 10 with the scale,
Fig. 12 die beiden Meßspuren des Maßstabes der Meßvorrichtung gemäß Fig. 10, Fig. 12, the two measuring tracks of the scale of the measuring device shown in FIG. 10,
Fig. 13 in gleicher Darstellung wie Fig. 11 ein achtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und Fig. 13 in the same representation as Fig. 11, an eighth embodiment of a measuring device according to the invention and
Fig. 14 die beiden Meßspuren des Maßstabes der Meßvorrichtung gemäß Fig. 13. Fig. 14, the two measuring tracks of the scale of the measuring device of FIG. 13.
Gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile sind in den Figuren der Zeichnung mit den gleichen Bezugs zeichen versehen.The same or corresponding components are in the figures of the drawing with the same reference characters.
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.In Fig. 1, a first embodiment of a measuring device according to the invention is shown, which has a radiation source 4 in the form of a laser, which directs a laser beam to a scale 8 via a coupling optics 6 .
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.The scale 8 has on its surface facing the radiation 4 a measuring track with a diffraction grating, as shown in FIG. 7 above. The grating of the diffraction grating runs into the drawing plane in FIG. 1, the measuring device 2 being movable relative to the scale 8 parallel to the diffraction grating, ie into the drawing plane in FIG. 1 and out of the drawing plane.
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.The measuring device 2 also has a waveguide coupler 10 , of which only one waveguide 12 can be seen in FIG. 1. The waveguide coupler 10 is designed in the manner explained in more detail below with reference to FIG. 3 as a 3 × 3 coupler and, in addition to the waveguide 12, has a further wel conductor, the two waveguides leading to three outputs of the waveguide coupler. The Wel lenleiter 12 and the other, in Fig. 1 not recognizable waveguide of the waveguide coupler 10 are directed to the scale 8 such that reflected from the scale 8 and diffracted at the diffraction grating radiation are coupled into the waveguide. A coupling optics 14 is provided for this. The waveguide coupler 10 is designed as a component integrated on a substrate 16 . If required Lich, the waveguides 12 , 14 for coupling the radiation diffracted on the scale 8 in the drawing, waveguides, not shown, can be pre-switched. Further, the outputs of the Wellenlei may be arranged downstream of terkopplers waveguide 10, which supply the reflected and overlaid in the waveguide 10 radiation detection means. Furthermore, the radiation source 4 can irradiate the scale 8 via a waveguide.
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. 2, a second embodiment of a measuring device according to the invention is shown, which differs from the embodiment of FIG. 1 in that the scale 8 is arranged inclined to the measuring device 2 . This has the advantage that the decoupling optics 6 of the radiation source 4 can be formed by a simpler optical element compared to FIG. 1.
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.In Fig. 3, a third embodiment of a measuring device 2 according to the invention is shown, which differs from the embodiment of FIG. 1 in that the radiation source 4 is formed as a component integrated on an active optical substrate, 10 of the substrate 16 of the waveguide coupler 10 separate component . From Fig. 3 it is clear that the radiation source 4 between the waveguide 12 and another waveguide 18 of the waveguide coupler 10 is arranged and connected to the substrate 16 of the waveguide coupler 10 . From Fig. 3 it can also be seen that the Wel lenleiterkoupler 10 is designed as a 3 × 3 coupler and has three outputs 20 , 22 , 24 .
Die Meßvorrichtung 2 ist vor dem Maßstab 8 und parallel zu dessen Beugungsgitter in Richtung eines Doppelpfeiles 26 relativ zu dem Maßstab 8 beweglich.The measuring device 2 is movable in front of the scale 8 and parallel to the diffraction grating in the direction of a double arrow 26 relative to the scale 8.
Die Auskoppeloptik der Strahlungsquelle 4 sowie die Einkoppeloptik des Wellenleiterkopplers 10 sind bei diesem Ausführungsbeispiel nur schematisch bei 28 angedeutet.The coupling-out optics of the radiation source 4 and the coupling-in optics of the waveguide coupler 10 are only indicated schematically at 28 in this exemplary embodiment.
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.As detection means for the detection of the output signals at the outputs 22 , 24 , 26 of the waveguide coupler 10 , photodiodes 30 , 32 , 34 are provided in this exemplary embodiment, the output voltages of which are supplied with evaluations, not shown in the drawing.
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.When the measuring device 2 according to the invention is in operation, the radiation source 4 directs a beam onto the scale 8, the beam being diffracted at the diffraction grating and reflected by the scale 8. Different diffraction orders of the diffracted radiation are coupled into the waveguide 12 , 18 of the waveguide 10 and are superimposed in this to form phase-shifted interference signals in such a way that three 120 ° phase-shifted interference signals are present at the outputs 20 , 22 , 24 . The interference signals at the outputs 20 , 22 , 24 are detected by the photodiodes 30 , 32 , 34 , the output voltages of which are fed to the evaluation means.
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.The output voltages of the photodiodes 30 , 32 , 34 form a three-phase rotary pointer system, the rotary pointers of which are out of phase with one another by 120 °. When the measuring device 2 moves relative to the measuring rod 8 , the rotary pointers rotate in their coordinate system, their phase relationship to one another being maintained. The angle by which the rotary pointers rotate during a relative movement between the measuring device 2 and the scale 8 is a measure of the distance covered during this relative movement. By determining this angle, it is thus known, as is known per se from the prior art, that the path covered during the relative movement between the measuring device 2 and the scale 8 can be determined. By determining the direction in which the rotary pointers turn, the direction in which the measuring device moves relative to the scale can also be seen. Furthermore, variables derived from the path, for example the speed and acceleration of the measuring device relative to the scale, can be determined.
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. Characterized in that the incident radiation of the radiation source 4 is only split at the diffraction grating of the scale 8 and only the partial beams reflected at the diffraction grating are coupled into the waveguide 12 , 18 of the waveguide coupler 10 , the radiation source 4 can be used as an independent component to fix the substrate 16 , as is the case with the exemplary embodiments according to FIGS . 1 and 3.
Auf diese Weise ist eine miniaturisierte Meßvor richtung gebildet, die beispielsweise in Mikrosyste men einsetzbar ist.In this way, a miniaturized measuring device direction formed, for example in microsystem men can be used.
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.In FIG. 4, a fourth embodiment of a measuring device 2 according to the invention, which differs from the embodiment shown in FIG. 3 that the coupling of the light reflected on the scale and diffracted at the diffraction grating radiation in the waveguides 12, 18 of the waveguide coupler 10 via a grating coupler 36 takes place. This has the advantage that ver can be dispensed with with regard to the coupling to external beam shape optics. This facilitates the assembly and adjustment of the measuring device 2 . Furthermore, the measuring device 2 is implemented in this way with a minimal number of external components. It is then, however, a coupling grating or a coupling prism required for coupling the radiation from the radiation source 4 . When using active optical substrates in this embodiment, the radiation source can be integrated on the substrate 16 of the waveguide coupler 10 and manufactured with it in one production step. The radiation source 4 can be surface-emitting or can be realized with a grating coupler or prism coupler.
Fig. 5 verdeutlicht die Anordnung des Maßstabs 8 relativ zu der Meßvorrichtung 2 bei dem Ausführungs beispiel gemäß Fig. 4. Fig. 5 illustrates the arrangement of the scale 8 relative to the measuring device 2 in the execution example according to 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.In Fig. 6, a fifth embodiment of a measuring device 2 according to the invention is shown, which differs from the previous embodiments in that the scale 8 in addition to a first measuring track 38 with a first diffraction grating 40 has a second measuring track 42 with a second diffraction grating 44 . The diffraction gratings 40 , 44 run parallel to one another and have non-prime lattice constants.
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.In the embodiment according to FIG. 6, the output optical system 6 generates two partial beams 46 'and 46 ", of which the sub-beam 46' on the first diffraction grating of the first measuring track 38 and the sub-beam 46 'is directed to the second diffraction grating 44 of the second measuring track 42 .
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.For evaluation of a beam by diffraction of the part 46 "of the second diffraction grating 44, he testified diffraction image, a second waveguide coupler 48 is provided which is constructed and ar beitet, as has been described above for the waveguide 10 degrees. The evaluation of the output signals of the second waveguide coupler 48 is carried out in the same manner as that previously described for the evaluation of the output signals of the waveguide coupler 10 .
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. Because two independent diffraction patterns are evaluated in the exemplary embodiment according to FIG. 5, there is always a clear relationship between the position of the measuring device 2 and a fixed reference point on the scale 8. It can thus be clearly determined in what position the measuring device 2 is currently relative to the scale 8. If the measuring device 2 according to the invention is used, for example, to control a micro drive, it is not only possible to ascertain which path the micro drive has covered during a movement; rather, it can also be determined in which position the micro drive is currently relative to a fixed reference point on the scale.
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.In Fig. 8, a sixth embodiment of a measuring device 2 according to the invention is shown, which differs from the embodiment of FIG. 6 in that the measuring tracks 38 , 42 of the scale 8 relative to each other and from the radiation source 4 inclined surfaces 50 , 52nd of a body 54 are arranged, the surfaces 50 , 52 adjoining one another at an edge 56 . The formation of the partial beams 46 ', 46 "takes place in this exemplary embodiment, not through the decoupling optics 6 of the radiation source 4 , but through the edge 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. 9 shows the measuring tracks 38 , 42 of the scale 8, the measuring track 38 in this embodiment example having a reference mark, which is sufficient for determining the absolute position of the measuring device 2 in relation to the scale 8. A detector 59 in the form of a photodiode (cf. FIG. 8) is provided for detecting the reference mark.
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. 10 shows a seventh embodiment of a measuring device 2 according to the invention, which differs from the embodiment according to FIGS. 6 and 8 in that the formation of the partial beams len 46 ', 46 "for irradiating the measuring tracks 38 , 42 takes place through a grating 58 In this exemplary embodiment, the first measuring track 38 has a reference mark (cf. FIG. 12) A detector 59 in the form of a photodiode is provided for detecting the reference mark.
Fig. 11 verdeutlicht die Anordnung des Maßstabes 8 relativ zu der Meßvorrichtung 2. Fig. 11 illustrates the arrangement of the scale 8 relative to the gauge 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.From Fig. 12, which shows the measuring tracks 38 , 42 of the measuring rod 8 in the embodiment according to FIG. 10, it can be seen that the first measuring track 38 has a reference mark and the second measuring track 42 has a diffraction grating.
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. 13, an eighth embodiment shows a measuring device according to the invention 2, in which the two waveguide couplers 10, 48, which are necessary for evaluation of the two diffraction images which are generated by irradiation of the two measuring tracks 38, 42, on two superposed substrates 60, 62 are realized.
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. Fig. 14 shows the measuring tracks 38 , 42 used in the measuring device 2 according to FIG. 13, the diffraction grating 40 , 44 with mutually alien lattice constant constant.
Claims (29)
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.1. Measuring device for measuring a path during a relative movement between the measuring device ( 2 ) and a scale (8), which has at least one measuring track ( 38 ) with a diffraction grating ( 40 ),
with at least one radiation source ( 4 ) for directing a beam onto the scale (8),
with at least one waveguide coupler ( 10 ) with at least two waveguides ( 12 , 18 ), which are directed to the scale (8) in such a way that on the diffraction grating ( 40 ) of the scale (8) diffraction radiation into the waveguide ( 12 , 18), couples in the waveguide being (10) a superposition of, in the waveguides (12, 18) coupled radiation is effected for the formation of phase-shifted interference signals as output signals of the waveguide coupler (10)
with detection means for detecting the interference signals and
with evaluation means for evaluating the detected signals.
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.13. Measuring device according to claim 1, characterized in that the scale (8) has a second measuring track ( 42 ) or that a second scale is provided with a second measuring track,
that the radiation source ( 4 ) or a second radiation source directs a beam onto the second measuring track ( 42 ),
that a second waveguide coupler ( 48 ) with at least two waveguides is provided, which are directed towards the second measuring track ( 42 ) in such a way that from the second measuring track ( 42 ) is reflected or transmitted by the se and diffracted at this radiation into the waveguide of the second waveguide coupler (48) couples, in the second waveguide coupler (48) are a superposition of the ter in the Wellenlei radiation coupled to the formation of phase-shifted interference signals at outputs of the second waveguide coupler (48), said second waveguide (48) with the detection means for detecting the interference signals at its output is connected.
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.24. Miniaturized optical scanning head, in particular for use in a measuring device according to one of the preceding claims,
with a radiation source ( 4 ) designed as a component integrated on a substrate and
with a waveguide coupler ( 10 ) designed as a component integrated on a substrate, which is connected to the radiation source.
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.28. A method for measuring a path during a relative movement between a measuring device and a scale, which has a measuring track with a diffraction grating.
in which radiation from a radiation source is directed onto the scale and diffracted at the diffraction grating, in which the diffracted radiation is coupled into a waveguide coupler with at least two waveguides, and
in which the coupled into the waveguide of the waveguide coupler radiation is superimposed to form phase-shifted interference signals as output signals from the waveguide coupler and
in which the interference signals are detected by detection means and the detected signals are supplied to evaluation means.
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| DE2000113725 DE10013725A1 (en) | 2000-03-21 | 2000-03-21 | Measurement device directs beam to measurement scale and receives reflections of beam to produce phase shifted interference signals which are then evaluated |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| DE102007023516A1 (en) | 2007-05-18 | 2008-11-20 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Medium e.g. air, transmitting arrangement for use between basic unit and active unit, has points in two positions of active units relative to basic unit in opposite manner to transmission of medium of basic unit into active unit |
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