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Die Erfindung betrifft ein Positionsmessgerät, bei dem durch die Verwendung holographischer Strukturen ein besonders einfacher Aufbau gegeben ist und das dennoch sehr genau messen kann.
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Die Verwendung von Beugungsstrukturen in optischen Positionsmessgeräten ist bekannt. Ganz allgemein werden positionsabhängige periodische Lichtmuster durch den Einsatz von Beugungsgittern erzeugt und abgetastet, um so positionsabhängige periodische Detektorsignale zu erzeugen.
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Die
JP 01280215 A beschreibt ein Positionsmessgerät, das einen Maßstab mit gitterartigen Strukturen aufweist, deren Strichrichtung sich über die Messlänge kontinuierlich ändert. Licht einer Lichtquelle fällt durch den beweglichen Maßstab auf einen relativ zur Lichtquelle ortsfesten Abtastkopf mit Photodetektoren. Der Abtastkopf erkennt anhand der Position der +/- 1. Beugungsordnung des am Gitter gebeugten Lichtstrahls in einer Detektorebene die Position des Maßstabes, an dem der Lichtstrahl gebeugt wurde. Ein Nachteil dieses Messprinzips ist, dass für eine hohe Auflösung feinste Beugungsstrukturen auf dem Maßstab hergestellt werden müssen, was für große Messlängen und damit lange Maßstäbe schwierig und teuer ist.
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Die
DE 10334250 A1 beschreibt ein Positionsmessgerät mit einem Maßstab für zwei zueinander senkrechte Messrichtungen, der schachbrettartig angeordnete Felder mit in unterschiedliche Richtungen beugende periodische Strukturen aufweist. Für große Messlängen und hohe Auflösung ist auch hier die Herstellung eines solchen Maßstabes aufwändig und teuer. Außerdem ist der Aufwand zur Vermeidung von unerwünschten Beugungsordnungen in der Detektorebene relativ hoch.
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Die
US 2001/0017350 A1 beschreibt ein optisches Positionsmessgerät basierend auf einem ringförmigen Beugungsgitter, das an einem weiteren Beugungsgitter in die +/- 1. Beugungsordnung aufgespaltenes Licht zurück auf das ersten Beugungsgitter reflektiert. Diese Anordnung ermöglicht auch bei einer durch äußere Einflüsse variierenden Wellenlänge einer Laserlichtquelle eine stabile Interferenz der gebeugten Teilstrahlen.
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Die
US 5909283 A zeigt ein optisches Positionsmessgerät basierend auf einer Laserlichtquelle und einem Maßstab mit einem Beugungsgitter, dessen Beugungsmuster mittels eines Computergenerierten Hologramms (CGH) abgetastet wird, um ein Moiré - Muster zu erzeugen und mittels eines Detektors abzutasten. Die Lichtausbeute kann mit dem CGH gegenüber einem herkömmlichen Abtastgitter gesteigert werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes Positionsmessgerät anzugeben, das kostengünstig herstellbar ist und dennoch eine gute Signalqualität aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
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Es wird ein Positionsmessgerät mit einer Laserlichtquelle und einem Abtastkopf mit Photodetektoren beschrieben, der Laserlicht der Laserlichtquelle empfängt. Dieses Positionsmessgerät weist außerdem ein Mittel zum Erzeugen eines periodischen Lichtmusters auf der Abtastplatte auf. Die Abtastplatte trägt ein aus wenigstens zwei flächig ineinander verschachtelten Teilhologrammen zusammengesetztes Hologramm, wobei die Teilhologramme einfallendes Laserlicht in Richtung der den Teilhologrammen zugeordneten Photodetektoren beugen.
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Durch die Bewegung des Lichtmusters relativ zur Abtastplatte erhält man periodische Detektorsignale mit einem hohen Modulationsgrad. Die Anordnung ist bei geeigneter Auslegung verschmutzungsunempfindlich.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figuren. Dabei zeigt
- 1 ein Positionsmessgerät für eine Messrichtung,
- 2 zwei Hologramme,
- 3 eine Detektorebene des Positionsmessgerätes,
- 4 ein Positionsmessgeräte für zwei Messrichtungen,
- 5 eine alternative Ausführungsform zur Erzeugung eines periodischen Lichtmusters.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Eine Laserlichtquelle 1 sendet einen Laserstrahl mit einem Durchmesser von ca. 4 mm und einer Wellenlänge von 670nm über einen in Messrichtung X beweglichen Maßstab 2 auf einen Abtastkopf 3. Der Abtastkopf 3 weist eine Abtastplatte 4 auf, durch die das einfallende Licht auf eine Detektorebene 5 mit mehreren Photodetektoren 7 fällt. Der Maßstab 2 trägt ein Schattenwurfgitter 6. Auf die Abtastplatte 4 fällt daher ein periodisches Lichtmuster aus hellen und dunklen Streifen. Dieses Lichtmuster bewegt sich mit dem Maßstab 2. Auf der Abtastplatte 4 befindet sich ein zusammengesetztes Hologramm H der Größe 5mm x 5mm, also in etwa entsprechend dem Durchmesser des Laserstrahls der Laserlichtquelle 1. Es ist aus mehreren streifenförmigen Teilhologrammen zusammengesetzt. Jedes dieser Teilhologramme ist so erzeugt, dass es das einfallende Licht in erster Ordnung auf einen der Photodetektoren 7 beugt. Das Schattenwurfgitter 6 ist so ausgebildet, dass in bestimmten Stellungen nur solche Streifen des Hologramms beleuchtet werden, die das Licht zu einem bestimmten Photodetektor 7 beugen. Verschiebt man den Maßstab 2 um die Breite eines Teilhologramms in Messrichtung X, so werden andere Teilhologramme beleuchtet, die das Licht nun zu einem nächsten Photodetektor 7 beugen. Bewegt man also den Maßstab 2 in Messrichtung X, so trifft in der Detektorebene 5 neben ungebeugtem Licht 8 ein gebeugter Lichtstrahl 9 auf, der nacheinander alle Photodetektoren 7 beleuchtet. Im Beispiel der 1 erhält man so von den Photodetektoren 7 vier um jeweils 90 Grad phasenverschobene Inkrementalsignale, die sich in herkömmlicher Weise zur relativen Positionsmessung durch Zählen und Interpolieren der Inkrementalsignale verwenden lassen. Anstelle eines Schattenwurfgitters kann natürlich auch ein Reflexionsgitter zum Erzeugen des periodischen Lichtmusters dienen.
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2 verdeutlicht noch einmal den Aufbau des Hologramms H. Rechts dargestellt ist das Hologramm H, wie es auf der Abtastplatte 4 aufgebracht ist. Man erkennt vier Teilhologramme A, B, C, D, die streifenförmig und abwechselnd nebeneinander und in immer gleicher Reihenfolge angeordnet sind. Im linken Teil der 2 ist ein vollständiges Hologramm A dargestellt, aus dem die Streifen A für das Hologramm H entnommen sind.
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Bei dem Hologramm H handelt es sich um ein binäres Amplitudenhologramm. Solche Hologramme ermöglichen es, Licht aus einem kohärenten Laserstrahl gezielt in ein beliebiges reales Bild zu beugen. Sie lassen sich z.B. durch die rechnerische Überlagerung einer Referenzwelle mit den (fiktiven) Punktlichtquellen des gewünschten Bildes berechnen. Für jede einzelne Teilfläche des Hologramms H wird in einem Raster mit z.B. 1µm Schrittweite die Summe beispielsweise der Feldvektoren des elektromagnetischen Feldes der Punktlichtquellen bestimmt. Je nach Größe des resultierenden Feldes wird bei Amplitudenhologrammen die jeweilige Teilfläche dann undurchlässig oder transparent gewählt. Das Hologramm wird einfach durch die Strukturierung einer nichttransparenten Schicht auf einer transparenten Platte hergestellt.
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Für ein binäres Phasenhologramm, das gegenüber dem Amplitudenhologramm eine höhere Effizienz aufweist, benutzt man eine Reliefstruktur mit zwei Ebenen, die für die Wellenlänge des Referenzstrahls eine Phasenverschiebung von 180° zueinander aufweisen. Die Phasenverschiebung erreicht man entweder durch das gezielte Tiefätzen einer transparenten Platte (z, B. Glas) oder durch die Strukturierung einer transparenten Schicht auf einer Platte. Im Vergleich zu binären Phasenhologrammen kann man die Effizienz weiter erhöhen, wenn man anstelle der zwei Ebenen mehrere Stufen mit kleineren Phasenverschiebungen benutzt. Zur Berechnung solcher Hologramme werden in der Regel komplexere Algorithmen eingesetzt.
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Die Rekonstruktion des gewünschten Bildes erfolgt, indem man das fertige Hologramm mit dem Referenzstrahl beleuchtet. Licht aus dem Referenzstrahl wird aufgrund der Amplituden- oder Phasenstruktur des Hologramms in das reale Bild gebeugt.
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Für das in der linken Hälfte der 2 gezeigte Hologramm A wurde beispielsweise vorgegeben, dass einfallendes Licht auf einen Punkt der Detektorebene 5 fallen soll, in dem ein dem Hologramm A zugeordneter Photodetektor 7 liegt. Jeweils 10 µm breite Streifen dieses Hologramms A, im Abstand von 40 µm aus dem linken Hologramm A entnommen und an der korrespondierenden Stelle in das rechte Hologramm H eingesetzt bilden einen Teil des Hologramms H. Die weiteren Teilhologramme B, C, D werden entsprechend für die Beleuchtung der weiteren Photodetektoren 7 ausgelegt. Weitere Streifen der Breite 10 µm aus den drei Teilhologrammen B, C, D vervollständigen das Hologramm H, das dann eine Periodizität (A - B - C - D) von 40 µm in Messrichtung aufweist. Alle Teilhologramme vom Typ „A“ beugen auftreffendes Licht ausschließlich in Richtung des dem Hologramm A zugeordneten Photodetektors 7. Genauso beugen die Teilhologramme der Typen „B“, „C“ und „D“ einfallendes Licht in Richtung der den Teilhologrammen B, C, D jeweils zugeordneten Photodetektoren 7. Das von den Teilhologrammen eines Typs (z.B. Typ A) gebeugte Licht läuft also nicht parallel zur Detektorebene 5, sondern wird auf einen Detektor 7 gebündelt.
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Das Hologramm H wird natürlich rein rechnerisch generiert: Sowohl die Berechnung der vollständigen Teilhologramme A, B, C, D, als auch deren Zerlegung in Streifen und das Zusammensetzen des Hologramms H aus diesen Streifen erfolgt mit einem Computer, der als Ausgabe beispielsweise eine CAD-Datei liefert, mit der ein Elektronenstrahlschreiber das Hologramm H der rechten Hälfte der 2 mit einem Raster von einem Mikrometer auf ein beschichtetes Glassubstrat schreiben kann.
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Der Maßstab 2 trägt ein Schattenwurfgitter 6, dessen Periodizität der des Hologramms H entspricht, in diesem Beispiel also 40 µm. Dabei kann die Breite der hellen (durchlässigen oder reflektierenden) Streifen des Gitters 6 z.B. 10 µm betragen, und die Breite der dunklen (undurchlässigen oder absorbierenden) Streifen 30 µm. So gibt es Gitterpositionen, in denen nur Streifen eines einzigen Teilhologramms (z.B. nur „A-Streifen“) beleuchtet werden, und damit gebeugtes Licht nur auf einen einzigen der Photodetektoren 7 fällt. Beim Verschieben des Maßstabes nimmt dann die Beleuchtungsintensität am einem Detektor 7 ab, während sie am nächsten Detektor 7 zunimmt, bis schließlich nur der nächste Detektor 7 beleuchtet wird.
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Die vier Positionen des Maßstabes, in denen jeweils nur ein Teilhologramm A, B, C, D beleuchtet wird, sind in 3 dargestellt: in den Positionen a, b, c und d wird jeweils nur auf einen einzigen Photodetektor 7 Laserlicht 9 gebeugt. Aufgrund der Beugung an den Grenzen der Teilhologramme A, B, C, D ist das Laserlicht 9 in Messrichtung X aufgespalten. Die 0. Beugungsordnung (also der ungebeugte Laserstrahl 8) ändert seine Lage und Intensität nicht. Eine möglichst hohe Effizienz des Hologramms H ist wünschenswert, um einen guten Signal-Rauschabstand der Detektorsignale zu erhalten.
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Es ist auch möglich, ein Gitter 6 mit einem anderen Teilungsverhältnis zu verwenden, etwa 20 µm helle und 20 µm dunkle Gitterbereiche. Dadurch werden die periodischen Signale an den Photodetektoren 7 zwar breiter und überlappen sich stärker, man erhält aber dennoch vier periodische Signale, die um je 90 Grad phasenverschoben sind. Andere Phasenverschiebungen lassen sich durch eine andere Zahl von Teilhologrammen A, B, C, D innerhalb einer Hologrammperiode realisieren: Mit drei Teilhologrammen erhält man z.B. 120 Grad Phasenverschiebung.
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Wie 4 zeigt, lässt sich der Aufbau gemäß 1 auch relativ einfach zu einem Positionsmessgerät für zwei (üblicherweise aufeinander senkrecht stehende) Messrichtungen X und Y erweitern. Hierzu trägt der Maßstab 4 nun ein 2-dimensionales Schattenwurfgitter in Form eines Kreuzgitters 6, wie es beispielhaft in einer separaten Draufsicht in der 4 dargestellt ist. Je nach gewünschter Transmission kann dieses Kreuzgitter auch invertiert und/oder mit unterschiedlichen Strich/Lücke - Verhältnissen wie z.B. 1:1, 3:1 oder 1:3 verwendet werden. In jedem Fall sollte die Periode des Kreuzgitters 6 und damit des periodischen Lichtmusters auf der Abtastplatte 4 der Periodizität des Hologramms H entsprechen.
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Das in der 4 ebenfalls als separate Draufsicht dargestellte Hologramm H auf der Abtastplatte 4 ist in zwei Hälften aufgeteilt, die beide durch das Laserlicht beleuchtet werden. Die erste, obere Hälfte des Hologramms H ist ausgebildet wie in 1 und 2 beschrieben. Die in dieser Hälfte beleuchteten Teilhologramme A, B, C, D beugen das Licht abwechselnd auf die Photodetektoren 7a zur Bestimmung der Relativlage in Messrichtung X.
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Die in der zweiten Hälfte des Hologramms H angeordneten Teilhologramme A', B', C', D' sind um 90 Grad gegenüber denen der ersten Hälfte gedreht und nicht in Messrichtung X nebeneinander, sondern übereinander angeordnet. Dies entspricht einer Nebeneinanderanordnung in Messrichtung Y. Die in dieser zweiten Hälfte beleuchteten Teilhologramme A', B', C', D' beugen das Licht abwechselnd auf die Photodetektoren 7b zur Bestimmung der Relativlage in Messrichtung Y. Andere, stärker verschachtelte Anordnungen der Teilhologramme A, B, C, D, A', B', C', D' sind denkbar. Die Lage der Photodetektoren 7a und 7b kann frei gewählt werden, es müssen nur die Teilhologramme A, B, C, D, A', B', C', D' entsprechend berechnet werden. Eine zum ungebeugten Lichtstrahl 8 punktsymmetrische Anordnung aller Detektoren 7a und 7b kann aus Gründen der Beugungseffizienz vorteilhaft sein.
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Von Vorteil ist, wenn jeweils mehrere Perioden des Hologramms H durch mehrere Perioden des periodischen Lichtmusters 10 beleuchtet werden. Der Laserstrahl 8 sollte dazu einen Querschnitt aufweisen, der (in jeder Messrichtung X, Y) ein mehrfaches der Gitterperiode des Schattenwurfgitters 6 umfasst. Verschmutzungen auf dem Maßstab 2 oder auf der Abtastplatte 4, die deutlich kleiner sind als der Querschnitt des Laserstrahls, aber in der Größenordnung der Gitterperiode, verschlechtern die Signale der Photodetektoren 7 nur unwesentlich. Im Gegensatz zu vielen anderen Positionsmessgeräten fällt nämlich nicht ein Detektorsignal kurzeitig ganz aus, sondern es wird lediglich die Amplitude eines oder mehrerer Detektorsignale reduziert, wenn eine Periode des Schattenbildes ausfällt. Es tragen nämlich immer alle Lichtperioden des Laserstrahls zum Lichteinfall auf die einzelnen Detektoren 7 bei.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Erzeugung des periodischen Lichtmusters
10 auf der Abtastplatte
4. Zwei Laserstrahlen
8a,
8b fallen hierzu unter einem Winkel α zueinander auf die Abtastplatte
4 im Bereich des Hologramms
6. Die Laserstrahlen interferieren dort miteinander und bilden das gewünschte periodische Lichtmuster
10 mit der Periode
aus, wobei λ die Wellenlänge der Laserstrahlen
8a,
8b ist. Mit drei Laserstrahlen
8a,
8b lässt sich auch ein Punktgitter für zwei Messrichtungen erzeugen. In beiden Fällen wird die Laserlichtquelle relativ zum Abtastkopf bewegt.
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Eine Referenzmarke zur Codierung der absoluten Position kann erzeugt werden, indem auf der Abtastplatte 4 zusätzliche Hologramme vorgesehen werden, die nur in bestimmten Stellungen des Maßstabs 2 durch eine transparente Öffnung des Maßstabs 2 beleuchtet werden und das Licht dann auf einen Detektor für die Referenzposition lenken. Dabei ist es auch möglich, mehrere solcher Hologramme auf einen Detektor zu richten und so die Signalhöhe dieses Detektors positionsabhängig zu variieren.
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Es kann auch ein Hologramm für mehrere unterschiedliche Wellenlängen erzeugt werden, das einfallendes Licht verschiedener Wellenlängen in jeweils unterschiedliche Richtungen beugt. Beleuchtet man so ein Hologramm gleichzeitig mit Licht mit mehren Wellenlängen, lässt sich z.B. auch so eine Referenzmarke realisieren.
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Für den Aufbau eines hier beschriebenen Positionsmessgerätes ist es nicht notwendig, dass die Detektoren 7 in einer Ebene liegen. Vielmehr können sie beinahe frei entsprechend den gegebenen Randbedingungen angeordnet werden. Die Teilhologramme A, B, C, D müssen nur jeweils so berechnet werden, dass einfallendes Licht auf den jeweils zugeordneten Detektor fällt.
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An einem Versuchsaufbau gemäß 1 wurde festgestellt, dass die Photodetektoren 7 eines solchen Positionsmessgeräts Signale mit einem besonders hohen Modulationsgrad liefern. Wählt man die Perioden von Hologramm H und Maßstab 2 so, dass Dreiecksignale entstehen (also z.B. 20µm Maßstabperiode und vier Teilhologramme mit je 10µm Breite) so bietet sich an, aus der Lage der Flanken eines durch Ableitung aus den Detektorsignalen gebildeten Rechtecksignals die Geschwindigkeit (z.B. Drehgeschwindigkeit eines Motors, oder Verfahrgeschwindigkeit eines Schlittens) zu ermitteln. Da die Flanke des durch Ableitung gebildeten Rechtecksignals nicht von der Signalhöhe der zugrunde liegenden Detektorsignale abhängt, gelingt dies mit hoher Genauigkeit.