DE2003492A1 - Messverfahren fuer Schrittgeber zum Messen von Laengen oder Winkeln sowie Anordnungen zur Durchfuehrung dieses Messverfahrens - Google Patents
Messverfahren fuer Schrittgeber zum Messen von Laengen oder Winkeln sowie Anordnungen zur Durchfuehrung dieses MessverfahrensInfo
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Description
Meßverfahren Tür Schrittgeber zum Messen von Längen oder Winkeln sowie Anordnungen zur Durchführung
dieses Meßverfahrens
Die Erfindung befaßt sich mit einem Meßverfahren für Schrittgeber zum Messen von Längen oder Winkeln mit mindestens einem
Beugungsgitter, das relativ zum Meßkopf bewegt wird, wobei
das Meßobjekt mit dem Gitter oder dem Meßkopf in Verbindung steht, und mit fotoelektrischer Abtastung über eine Interferenzmodulation
zwischen mindestens zwei Beugungsordnungen.
Derartige Schrittgeber sind an sich bekannt. Und es stellt sich die Aufgabe, solche Geber zu schaffen, die ohne abbildende
Optik auskommen und die es trotzdem gestatten, die Vor-Rückwärtsinformation sowie die Meßgrüße aus einer gemeinsamen
Gitterspur zu gewinnen.
Diese Aufgabe wird durch ein neues Meßverfahren für Schrittgeber gelöst, das sich dadurch auszeichnet, daß die am
Beugungsgitter erzeugten, unterschiedlichen Beugungsordnungen zugehörigen mindestens zwei Lichtstrahlenbündel angenähert
gleich lange optische Wege und dann zwecks Interferenz einen Strahlenvereiniger mit mindestens zwei Ausgängen durchlaufen,
wobei mindestens das eine der interferierenden Lichtstrahlenbündel
Bauelemente durchsetzt, die bezüglich der Polarisation anisotrop sind, so daß die den Strahlenvereiniger verlassenden
senkrecht zueinander polarisierten Komponenten der Lichtstrahle nbündel als richtungsgebende Signale zueinander um
einen Winkel ungleich η . 180 in der Modulationsphase verschoben
sind, wobei η eine ganze, natürliche Zahl ist. Zur Durchführung dieses Verfahrens kann eine Anordnung ver-
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wendet werden, bei der eine Lichtquelle über ein Kollimatorobjektiv
ein radiales oder lineares Beugungsgitter mit angenähert parallelem Licht beleuchtet, wobei diesem Gitter ein
aus mehreren Teilen zusammengesetztes Prisma nachgeschaltet ist, welches als Strahlenvereiniger eine vorzugsweise verlustarme
teildurchlässige Spiegelschicht aufweist und wobei ein Teil des Prismas bezüglich der Polarisation in seinen
anisotropen Eigenschaften zu einem anderen Teil des Prismas
unterschiedlich ist, bei der ferner das Prisma vorzugsweise zwei Austrittsflächen aufweist, denen je ein polarisierender
Teiler nachgeschaltet ist, der die durch die unterschiedliche Anisotropie erzeugten unterschiedlichen Strahlenanteile
nach linearen Schwingungsanteilen aufspaltet und unterschiedlichen fotoelektrischen Empfängern zuleitet. Dabei kann
im Strahlengang zwischen Gitter und Strahlenvereiniger eine den Strahlengang in seinem geometrischen Verlauf beeinflussende
optische Baugruppe vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
so auszugestalten, daß dem Gitter zwei Spiegel oder Umlenkprismen nachgeschaltet sind, welche die Teilstrahlenbündel
zum Strahlenvereiniger leiten, wobei die beiden Strahlenwege unterschiedliche Anisotropie bezüglich der Lichtpolarisation
aufweisen, daß als Strahlenvereiniger ein Phasengitter vorgesehen ist und daß diesem Phasengitter mindestens zwei
polarisierende Teiler nachgeschaltet sind, welche die durch die unterschiedliche Anisotropie erzeugten, unterschiedlich
polarisierten Strahlenanteile nach linearen Schwingungsanteilen aufspaltet und unterschiedlichen fotoelektrischen
Empfängern zuführt. Dabei kann eines der Umlenkprismen bewegbar gelagert sein. Auch kann als Strahlenvereiniger das
gleiche Gitter verwendet werden. Schließlich kann als Beugungsgitter ein Kreuzgitter vorgesehen sein, so daß
mindestens zwei in unterschiedlichen Ebenen liegende TeilbUndelpaare
erzeugt werden. _~_
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Der besondere Vorteil der neuen Anordnungen liegt darin, daß sie keine abbildenden Systeme enthalten, so daß ihre Realisierung
wenig aufwendig ist und keine Focussierprobleme auftreten.
Die Erfindung ist nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert»
Beim in Fig.1 gezeigten Beispiel beleuchtet eine Lichtquelle
10, z.Bο eine GaAs-Diode, über ein Kollimatorobjektiv 11
sowie einen Umlenkspiegel 12 ein mit dem nicht dargestellten Meßobjekt in Verbindung stehendes Auflicht-Phasengitter 13 ι %
dessen Flankontiefe ^ ist. Die an diesem Gitter gebeugten
Lichtstrahlen werden entsprechend den Beugungsordnungen in unterschiedlichen Richtungen reflektiert und die Anteile der
-1.Beugungsordnung nach links, die Anteile der +1.Beugungsordnung dagegen nach rechte gelenkt. Diese Anteile treten in
ein aus mehreren Teilen 14-16 zusammengesetztes Prisma ein
und werden an dessen Innenflächen derart umgelenkt, daß sie sich schneidend durchdringen. Um in dem in der +1.Beugungsordnung abgebeugten Strahlenbündel einen Phasenunterschied
zwischen den Wellenfronten der senkrecht und waagerecht polarisierten Anteile zu erreichen, ist beim Teil 15 des
Prismas die Phasenverschiebung der Totalreflexion durch einen Λ
Metallbelag 15' unterdrückt. Durch die Kombination von
Prismenbrechzahl (Bauteil 1^) und Brechzahl und Dicke eines
dielektrischen Belages Ik* wird der gewünschte Phasenwinkel
erreicht. Im Durchdringungsbereich ist zwischen den Prismen- »ateilen 1*4 und 15 ein Strahlenvereiniger in Form einer
teildurchlässigen Spiegelfläche 17 angeordnet.
Nach der Strahlenvereinigung werden die Lichtflüsse, die auf
den beiden Seiten des Strahlenvereinigers gegenphasig interferenz-moduliert sind, über getrennte Austrittsflächen 18,19
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polarisierenden Teilern 20, 21 zugeleitet, welche die Lichtflüsse entsprechend der unterschiedlichen Anisotropie nach
Hauptschwingungsrichtungen aufspalten und getrennten fotoelektrischen Empfängern 22-25 zuleiten, denen je eine
Sammellinse 26 vorgeschaltet ist. Wählt man die Phasenverschiebung zwischen den Schwingungsrichtungen der entsprechend
interferierenden Strahlenbündel zu 90 , so entsteht an den Ausgängen der fotoelektrischen Empfänger ein
elektrisches Drehfeld, welches die jeweilige Bewegungsrichtung des Gitters 13 signalisiert.
Der Spiegel 12 wirkt hier zusätzlich als Blende, welche das Licht der unerwünschten 0-ten BeugungsOrdnung stoppt.
Wie dargestellt, kann zwischen dem Gitter 13 und dem Prisma eine den Strahlengang in seinem geometrischen Verlauf beeinflussende
optische Baugruppe 27» z.B. in Form einer planparallelen Platte, vorgesehen sein, die mechanisch oder
elektrisch angetrieben wird. Sie dient beispielsweise zur Justierung des Gerätes.
Die insgesamt in einer Meßkoordinate gewinnbaren Signale aus einem Beugungsordnungspaar gleicher Ordnung, also aus -1.
BeugungβOrdnung und +1.Beugungsordnung, erlauben es, mit
Hilfe von Gegentaktverstärkern elektrische Signale zu erzeugen,
die von GleichlichteinflUsaen frei sind. Leitet man in den Gegentaktverstärkern zusätzlich ein Gleichlichtsignal
ab, das praktisch unmoduliert ist, so kann man mittels dieses Signals zusätzlich die Lichtquelle überwachen bzw»
stabilisieren.
An Stelle der dargestellten GaAs-Diode kann als Lichtquelle
beispielsweise auch eine Glühlampe mit vorgeschaltetem Schmalband-Interferenzfilter oder eine Laserbeleuchtung
verwendet werden. Falls eine linear polarisierte Licht-
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quelle verwendet werden soll, ist entweder die dominierende Schwingungsrichtung so zu orientieren, daß bezüglich der
anisotropen Bauelemente zwei etwa gleich starke Komponenten vorliegen, oder es ist durch ein zusätzliches anisotropes
Bauelement in der Beleuchtung eine angenähert zirkuläre Polarisation des auf das Gitter einfallenden Lichtes zu bewirken.
Ein Modulator 56 kann das gleichzeitige Vorhandensein
zweier Polarisationskomponenten durch das zeitliche Nacheinander dieser Komponenten ersetzen.
Beim in Fig.2 gezeigten Ausführungsbeispiel beleuchtet eine
Lichtquelle 10 über eine Kollimatorlinse 11 einen mit dem
Meßobjekt in Verbindung stehenden Gittermaßstab 13 im Durchlicht. Die an der Oberfläche dieses Maßstabes gebeugten
Lichtstrahlen werden entsprechend den Beugungsordnungen in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt und die Anteile der
-1.Beugungsordnung nach links, die Anteile der +1.Beugungsordnung dagegen nach rechts gelenkt. Das linke Strahlenbündel
trifft auf ein Umlenkprisma 35 auf, dessen umlenkende Fläche mit einer die Phase der Polarisationskomponenten in
einer Richtung verschiebenden Schicht 35* belegt ist. Das rechte Strahlenbündel trifft auf ein Umlenkprisma 3*>
auf, dessen umlenkende Fläche mit einer die Phase der Polarisationskomponenten in der anderen Richtung verschiebenden
Schicht 36* belegt ist. Zwischen den beiden Prismen ist
eine Blende 3^ angeordnet, die einen direkten Lichtfluß
zwischen dem Gitter 13 und dem Strahlenvereiniger verhindert. Ale Strahlenvereiniger ist hier ein Phasengitter 33 vorgesehen,
dem drei polarisierende Teiler 30-32 nachgeschaltet sind, und zwar in einer solchen räumlichen Zuordnung, daß
die aus unterschiedlichen BeugungsOrdnungen herrührenden
Strahlenanteile entsprechend den unterschiedlichen Polari-
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sationen getrennten Paaren 37-^2 fotoelektrischer Empfänger
zugeführt werden. Jedem dieser Empfänger ist eine Sammellinse 42»vorgeschaltet. Wie leicht einzusehen ist, treten
dabei an den Empfängern 39, 4o bzw. kl, k2 Signale auf, die
zueinander phasengleich sind, zu den Signalen an den Empfängern 37» 38 aber in Gegenphase sind. Damit erhält man
also bei Bewegung des Gitters 13 in Richtung der Pfeile als Ausgangssignale der fotoelektrischen Empfänger ein
Vierphasen-Drehfeld, das sich zur Unterdrückung der aus
Gleichlichtanteilen herrührenden Signalanteile eignet. Eines der Umlenkprismen kann, wie für das Prisma 36 dargestellt,
um eine Achse k"} drehbar gelagert sein, so daü durch Verschwenken
dieses Prismas die gezeigte Anordnung sich justieren läßt. Wird das Verschwenken mittels eines elektrischen
Antriebs kk (hier Tauchspulensystem) bewirkt, so
lassen sich weitere Effekte, z.B. Eingabe eines Korrekturwertes,
Modulation usw., leicht bewirken.
Wie in der Zeichnung angedeutet ist, kann auch das als Strahlenvereiniger benutzte Gitter 33 bewegbar gelagert
sein. Dadurch ist es möglich, während des Meßvorganges beide verwendeten Gitter zu bewegen und ihre Relativbewegung zu
messen. Auch können beide Gitter mechanisch starr verbunden miteinander bewegt werden.
Ein Ausführungsbeispiel des Vorbeschriebenen, bei dem die beiden Gitter starr miteinander verbunden sind, ist in der
Fig.3 schematisch dargestellt. Hier sind die beiden Gitter 13 und 33 der Fig.2 Bestandteil eines Radialgitters 53,
über dem das entsprechende Bauteile, wie Spiegel, Prismen, elektrisch angetriebene Stelleinrichtung usw., enthaltende
Umlenk- und Phasenschiebesystem 5'v angeordnet ist. Die
Lichtquelle 10 samt Kollimatorlinse 11 ist hinter dem Gitter 53 angebracht und beleuchtet dieses von der abgekehrten
Seite. Dem Gitter ist ein Umlenkspiegel 51 nachge-
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schaltet, der die am Gitter gebeugten Lichtstrahlenbündel dem System ^k zuleitet. Ein entsprechender Umlenkspiegel
52 ist der diametralen Stelle des Gitters zugeordnet. Er
lenkt die von dem System kommenden Strahlenbündel auf das Gitter als Strahlenvereiniger. Diesem Umlenkspiegel 52
stehen auf der abgekehrten Seite des Gitters entsprechend dem in Fig.2 Dargestellten polarisierende Teiler gegenüber,
welche die unterschiedlichen Lichtstrahlenanteile getrennten fotoelektrischen Empfängern so zuführen, daß bei Drehung
des Gitters 53 als Ausgangssignale ein elektrisches Vierphasen-Drehfeld
ansteht.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungebeispiele sind jeweils mit Gittern ausgerüstet, die ein Messen in
einer Koordinatenrichtung gestatten. Will man aber in zwei Koordinatenrichtungen messen, so benötigt man entsprechende
Kreuzgitter. In diesem Fall kann man das Gitter in der Fig. 1 im Durchlicht beleuchten. Das aus mehreren Teilen zusammengesetzte
Prisma ist so auszubilden, daß es bezüglich beider Koordinatenrichtungen die Gestalt des in Fig.1 Gezeigten hat
mit Ausnahme der Spiegelfläche 12, die jetzt überflüssig ist und durch einen Stopper nach Fig.2 ersetzt wird. Das
Prisma weist dann also zwei zueinander in einem den Koordinatenrichtungen entsprechenden Winkel stehende teildurch- g
lässige Spiegel als Strahlenvereiniger auf sowie vier Austrittsflächen,
denen je ein polarisierender Teiler nachgeschaltet ist. Jedem Teiler sind unter Zwischenschaltung von
Sammellinsen zwei fotoelektrische Empfänger zugeordnet, deren Ausgangssignale zueinander um 90 in der Phase verschoben
sind. Es kann sinnvoll sein, die dem Gitter zugewandten Eingangsflächen des zusammengesetzten Prismas nach
der Mittelachse des Prismas hin zu neigen« Dadurch wird
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die Brechung beim senkrechten Durchsetzen der Eintrittsfläche vermieden.
Bei Anwendung des Gesagten auf das Beispiel nach Fig.2 muß
auch als Strahlenvereiniger ein Kreuzphasengitter vorgesehen werden, dessen Koordinatenrichtungen und Gitterkonstanten mit denen des als Meßgitter verwendeten Kreuzgitters
übereinstimmen müssen. Auch hier ist der weitere
Aufbau des Gerätes entsprechend diesen Koordinatenrichtungen auszulegen, und es sind demzufolge vier Umlenkprismen
vorzusehen. Aus dem in Fig.2 Gezeigten ergibt sich, daß dem Strahlenvereiniger mindestens drei polarisierende Teiler
nachgeschaltet werden müssen, wobei zwei derselben um den von den Meßkoordinaten eingeschlossenen Winkel gegeneinander
versetzt sind.
Um bei den Geräten zur Durchführung des eingangs beschriebenen Verfahrens auf eine Trägerfrequenz aufmodulierte Meßsignale
zu erzeugen, kann man mindestens ein elektro-optisch oder elasto-optisch wirksames, die optische Dicke oder den
Phasenunterschied polarisierter Lichtstrahlenbündel steuerndes Bauglied 55 in. einem der miteinander interferierenden
gebeugten Teilstrahlenbündel einfügen. Auch ist bei Beleuchtung mit linearem Licht die Umsteuerung der Polarisationsrichtung von einer linearen Schwingungsrichtung in die andere
mit einem solchen Bauglied 56 möglich. In diesem Fall sind
die dem Strahlenvereiniger nachgeschalteten polarisierenden Teiler überflüssig. Sie werden durch mit der Modulationsfrequenz gesteuerte Schalter in der Signalverarbeitung ersetzt.
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Claims (1)
- , < 2UU3492A 1737/B 2613 21.1.1970AnsprücheMeßverfahren für Schrittgeber zum Messen von Längen oder Winkeln mit mindestens einem Beugungsgitter, das relativ zum Meßkopf bewegt wird, wobei das Meßobjekt mit dem Gitter oder dem Meßkopf in Verbindung steht, und mit fotoelektrischer Abtastung über eine Interferenzmodulation zwischen mindestens zwei Beugungsordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die am Gitter durch Beugung erzeugten, unterschiedlichen Beugungsordnungen zugehörigen mindestens zwei Lichtstrahllenbündel mit angenähert ebenen Wellenfronten ange-Weqejnähert gleich lange optische 75nd dann zwecks Interferenz einen Strahlenvereiniger mit vorzugsweise zwei Ausgängen durchlaufen, wobei mindestens das eine der interferierenden Lichtstrahlenbündel Bauelemente durchsetzt, die bezüglich der Polarisation anisotrop sind, so daß die den Strahlenvereiniger verlassenden senkrecht zueinander polarisierten Komponenten der Strahlenbündel als positionsmeß- und bewegungsrichtungsgebende Signale zueinander um einen Winkel ungleich η . 18O° in der Modulationsphase verschoben sind, \ bei η eine ganze, natürliche Zahl ist.2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (1O) über ein Kollimatorobjektiv (11) ein radiales oder ein lineares Beugungsgitter (13) mit annähernd parallelem Licht beleuchtet, daß diesem Gitter (13) ein aus mehreren Teilen (14-16) zusammengesetztes Prisma nachgeschaltet ist, welches als Strahlenvereiniger eine vorzugsweise verluetarme teildurchlässige Spiegelschicht (17) aufweist und wobei ein Teil des Prismas bezüglich der Polarisation in seinen anisotropen Eigenschaften zu einem anderen Teil des Prismas unterschiedlich ist,-10-109833/1009- ίο -A 1737/B 261321.1.1970.daß das Prisma vorzugsweise zwei Austrittsflächen (18, 19) aufweist, von denen mindestens einer ein polarisierender Teiler (20, 21) nachgeschaltet ist, der die durch die unterschiedliche Anisotropie erzeugten, unterschiedlich polarisierten Strahlenanteile nach linearen Schwingungsanteilen aufspaltet und unterschiedlichen fotoelektrischen Empfängern (22-25) zuleitet .3· Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen Gitter und Strahlenvereiniger eine den Strahlengang in seinem geometrischen Verlauf beeinflussende optische Baugruppe (27) vorgesehen ist.h. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (1O) über ein Kollimatorobjektiv (11) ein lineares oder ein radiales Beugungsgitter (13» 53) mit angenähert parallelem Licht beleuchtet, daß dem Gitter zwei Spiegel oder Umlenkprismen (35, 36) nachgeschaltet sind, welche die Teilstrahlenbündel zum Strahlenvereiniger leiten, wobei die beiden Strahlenwege unterschiedliche Anisotropie bezüglich der Lichtpolarisation aufweisen, daß als Strahlenvereiniger ein Phasengitter (33) vorgesehen ist und daß diesem Phasengitter mindestens ein polarisierender Teiler (30-32) nachgeschaltet ist, welcher die durch die unterschiedliche Anisotropie erzeugten, unterschiedlich polarisierten Strahfenanteile nach linearen Schwingungsanteilen aufspaltet und unterschiedlichen fotoelektrischen Empfängern (37-^2) zuführt.5. Anordnung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Umlenkprismen (36) bewegbar gelagert 1st.-U-109833/1009A 1737/B 2613 2U0349221 .1.1970.6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenvereiniger das gleiche Gitter (53) verwendet ist.7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter ein Kreuzgitter vorhanden ist, daß mindestens zwei in unterschiedlichen Ebenen liegende Teillichtbündelpaare erzeugt werden, daß das zusammengesetzte Prisma in zwei den Koordinatenrichtungen des Gitters entsprechenden Richtungen bezüglich seiner geometrischen Eigenschaften symmetrisch gestaltet istund daß Empfängerpaare zur Signalgewinnung vorgesehen %sind.8. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7t dadurch gekennzeichnet, daß nach der Strahlenvereinigung diejenigen modulierten Lichtstrahlenbündel, die in der Modulation zueinander gegenphasig sind, paarweise den Eingängen von Gegentaktverstärkern zugeführt werden.9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Weg eines der miteinander interferierenden Strahlenbündel ein elektrooptisch oder elasto-optisch wirksames, die optische λ Dicke oder den Phasenunterschied des Polarisationskomponenten des Lichtstrahlenbündels steuerndes Bauglied (55) eingeschaltet ist.10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Beleuchtungsstrahlengang ein Modulator (56) für die Schwingungsrichtungen der Polarisation vorgesehen ist.109833/1009sfSLLeerseite
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