DE3700777C2 - Vorrichtung zur Erfassung der Position eines Objektes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Er­ fassung der Position eines mit einem optischen Beu­ gungsgitter verbundenen Objektes mittels Lichtquelle, lichtempfindlichen Elementen und einer Detektoreinrich­ tung.

Aus der DE 29 52 106 C2 ist eine inkrementelle Längen- und Winkelmeßeinrichtung bekannt, bei der mehrere Licht­ quellen vorhanden sind, von denen jede nicht nur das Meß­ gitter, sondern auch die Referenzmarkierung beleuchtet. Eine Bestrahlung der Referenzmarkierung durch zwei ge­ trennte Lichtstrahlen findet dort nicht statt.

Die DE-AL 11 545 VIII b/21c zeigt eine Folgeregelein­ richtung zum Längsauftrennen ablaufender Bahnen, bei der die zu schneidende Bahn mit einem in Längsrichtung durch­ gehenden Kontraststreifen versehen ist. Auf die Ränder des Kontraststreifens werden zwei Lichtmarken, die von zwei getrennten Lichtquellen unterschiedlichen Einfalls­ winkels erzeugt werden, projiziert, die dann mittels zweier Detektoren erfaßt werden. Jedem Detektor ist ein separater Verstärker nachgeschaltet, der auf eine Stell­ einrichtung für die Verstellung des Schnittmessers oder der Bahn einwirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung der Position eines mit einem optischen Beugungsgitter verbundenen Objekts zu schaffen, die trotz eines einfachen konstruktiven Aufbaus eine genaue Ermittlung einer Bezugs­ position und des Bewegungszustandes des Objektes erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen auf besonders vorteilhafte Art und Weise gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verschlüßlers;

Fig. 2 schematisch eine Ausführungsform der in dem Verschlüßler von Fig. 1 verwendeten Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition;

Fig. 3 schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugs­ position;

Fig. 4A und 4B eine weitere Ausführungsform der Vorrich­ tung zur Ermittlung einer Bezugsposition;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 6 noch eine weitere Ausführungsform einer Vor­ richtung zur Ermittlung einer Bezugsposition.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführungsform eines optischen Systems in Anwen­ dung auf einen drehenden Verschlüßler.

Bei dieser Ausführungsform wird ein von einem Laser 1 ausge­ sandter Lichtstrahl durch ein Kollimatorobjektiv 2 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und in einen Strahlentei­ ler 3 eingeführt, um zwei linear polarisierte Strahlen, d. h. einen übertragenen und einen reflektierten Strahl, von nahezu gleichen Intensitäten zu erhalten. Der reflektierte Strahl wird durch ein λ/4-Plättchen 4 in einen zirkular po­ larisierten Strahl umgewandelt und durch ein Prisma mit zwei reflektierenden Flächen an einer Stelle M1 eines radialen Beugungsgitters einer mit einem zu vermessenden drehenden Objekt verbundenen Scheibe 6 eingeführt. Das übertragene und gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung, das vom Gitter 7 erhalten wird, wird durch ein Reflexionselement 8 reflek­ tiert, um an einer annähernd gleichen Stelle M1 des Gitters 7 über denselben Lichtweg einzutreten. Das durch erneute Beu­ gung (Wiederbeugung) durch das Gitter 7 erhaltene gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung wird durch das λ/4-Plättchen in einen linear polarisierten Lichtstrahl umgewandelt, dessen Polarisationsrichtung um 90° zu derjenigen des einfallenden Lichtstrahls unterschiedlich ist, und dieser Lichtstrahl tritt in den Strahlenteiler 3 ein.

Bei dieser Ausführungsform durchläuft das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung den gleichen Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Strahls zwischen dem Strahlenteiler 3 und dem Reflexionselement 8.

Der durch den Strahlenteiler 3 übertragene Lichtstrahl wird durch ein λ/4-Plättchen 5 zu einem zirkular polarisierten Strahl umgewandelt, der in eine Stelle M2 des Gitters 7 auf der Scheibe 6, die mit Bezug zur Drehwelle 50 nahezu symme­ trisch zur Stelle M1 liegt, eintritt. Das vom Gitter 7 übertra­ gene und gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung wird durch ein dem Reflexionselement 8 ähnliches Reflexionselement 9 reflektiert und tritt auf demselben Lichtweg in die nahezu gleiche Stelle M2 des Gitters 7 ein. Das durch erneute Beu­ gung durch das Gitter 7 erhaltene gebeugte Licht einer be­ stimmten Ordnung wird durch das λ/4-Plättchen 5 in ein linear polarisiertes Licht umgewandelt, dessen Polarisationsrich­ tung um 90° zu derjenigen des einfallenden Lichtstrahls un­ terschiedlich ist, und dann tritt der Lichtstrahl in den Strahlenteiler 3 ein.

Das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung in diesem übertra­ genen Lichtstrahl durchläuft ebenfalls denselben Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Lichtstrahls zwischen dem Strahlenteiler 3 und dem Reflexionselement 9, wie es bei dem oben erläuterten reflektierten Lichtstrahl auch der Fall ist. Das gebeugte Licht wird durch das vom Reflexionselement 8 kommende gebeugte Licht überlagert, wird dann durch ein λ/4- Plättchen 10 in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt und durch einen Strahlenteiler 11 in zwei Lichtstrahlen geteilt. Diese Lichtstrahlen werden durch Polarisatoren 12 und 13 ge­ führt, deren Polarisationsrichtungen jeweils um 45° geneigt sind, um linear polarisierte Lichtstrahlen mit einer gegen­ seitigen Phasendifferenz von 90° zu erhalten, und sie werden jeweils in Lichtempfänger (Sehzellen) 14 und 15, die eine Detektoreinrichtung bilden, eingeführt, um die Intensität der von den beiden Lichtstrahlen gebilde­ ten Interferenzstreifen zu ermitteln.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird ein von der Position M1 des Gitters gebeugter Lichtstrahl, z.B. der Ordnung -m oder (m+1), außer dem in das Reflexionselement eintretenden Licht, beispielsweise der Ordnung m, durch Spiegel 18 sowie 25 und eine Zylinderlinse 21 zu einer Mas­ ke 23 geführt, um zwei Lichtbündel bzw. Strahlen von gleicher Intensität zu erhalten, die jeweils einer Bezugsmarkierung bzw. einem Bezugsposition-Nachweiselement 22, das an der Scheibe 6 ausgebildet ist, zugeführt werden.

Dieses Nachweiselement 22 besteht beispielsweise aus einem Strukturpaar, wie zwei Schlitzen, die in der Bewegungsrich­ tung der Scheibe 6 einen Phasenunterschied haben, wobei ein Bezugspositionssignal durch Empfang des von den Gitterstruk­ turen übertragenen Lichts mit zwei lichtempfindlichen Elementen bzw. einer Lichtempfangseinrich­ tung 24, die zwei Lichtempfangsflächen hat, erhalten wird. Diese Lichtempfangseinrichtung 24 kann auch aus zwei unab­ hängigen Elementen gebildet sein. Auf diese Weise wird ein Bezugssignal erhalten, das zur maßlichen Ermittlung des Drehzustandes der Scheibe 6, z.B. für einen Bezugspunkt bei jeder Umdrehung, verwendet wird.

Ferner wird ein aus der Schwankung in der Intensität der Lichtquelle resultierender Fehler durch Aufteilen des Licht­ strahls von einer Lichtquelle in zwei Strahlen vermieden.

Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten zur Ermittlung der Bezugs­ position bei der in Rede stehenden Ausführungsform, wobei zwei durch die Maske 23 geteilte Lichtbündel 141 und 142 von gleicher Intensität in Gitterstrukturen 143 und 144, die die Bezugsmarkierung bilden und aus einem Paar von Schlitzen mit einem Phasenunterschied in der Bewe­ gungsrichtung der Scheibe 6 bestehen, eingeführt werden und die übertragenen Lichtbündel durch die Lichtempfangsein­ richtung 24 mit zwei Lichtempfangsflächen 45 sowie 46 emp­ fangen werden. In einem bestimmten Moment im Verlauf der Bewegung der Scheibe 6 übertragen die Strukturen 143 und 144 wechselseitig gleiche Lichtmengen der Strahlen 141 und 142, so daß die Lichtempfangsflächen der Lichtempfangs­ einrichtung 24 zueinander gleiche Ausgangssignale abgeben. Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird das Bezugs­ positionssignal durch Ermitteln der Ausgänge der Lichtemp­ fangseinrichtung in diesem Moment erhalten.

Die Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition, wobei die Maske 23 den Lichtstrahl in zwei zur Bewegungsrichtung der Scheibe 6 derart parallel angeord­ nete Lichtbündel 51 und 52 unterteilt, daß eine Bezugsmarkierung bzw. Struktur 53 beginnt, das Lichtbündel 52 freizugeben, wenn ein Ende dieser Struktur beginnt, das andere Lichtbündel 51 aufzufangen. Die Bezugsposition wird ermittelt, wenn die zwei Lichtempfangs­ flächen 54 und 55 zueinander gleiche Ausgangsignale abgeben. Die Abmessungen der Bauteile werden so gewählt, daß unter Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Symbole eine Bezie­ hung b-c<a<b+c erfüllt wird.

Bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen können die Strukturen 143 und 144 (s. Fig. 2) durch die in Fig. 4A gezeigten Gitterstrukturen 61 und 62, wobei sich die Gitterteilung längs der Bewegungsrichtung verän­ dert, oder kann die Struktur 53 (s. Fig. 3) durch die in Fig. 4B gezeigte Struktur 73, bei der sich die Gittertei­ lung symmetrisch ändert, ersetzt werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird das Bezugs­ positionssignal von den durch das Bezugsposition-Nachweis­ element (Bezugsmarkierung) 22 übertragenen Lichtstrahlen erhalten, jedoch ist es auch möglich, den Reflexionsgrad der Struktur zu demjeni­ gen der Scheibe 6, wie die Fig. 5 und 6 zeigen, unterschied­ lich zu machen und die von zwei Strukturen reflektierten Lichtbündel zu verwenden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Lichtbündel 181, 182 und 191, 192 sowie einen Strahlenteiler 95, der mit einer Halbspiegel­ fläche 96 versehen ist.

Bei den erläuterten Ausführungsformen kann der in die Struk­ tur eintretende Lichtstrahl anstelle einer Kreisform als ein Oval oder ein Rechteck ausgebildet sein, das in der Be­ wegungsrichtung der Scheibe verkürzt ist, um das Auflösungs­ vermögen in der Ermittlung der Bezugsposition zu steigern.

Das mit der Erfindung verfolgte Ziel kann auch bei einer Ausbil­ den der Scheibe 6 als transparente Platte und einer Gitter­ struktur mit lichtundurchlässigen Elementen erreicht werden.

Das Bezugspositionssignal wird gemäß der Erfindung ohne eine neuerliche oder weitere Lichtquelle erhalten, indem das un­ genutzte gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung, das vom Gitter 7 erhalten, jedoch im Verschlüßler nicht genutzt wird, wirksam verwendet wird.

Auch in dem Fall, da das ungenutzte gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung schwach ist, kann durch Abwandlung der optischen Anordnung, z.B. durch Überdecken von mehreren un­ genutzten gebeugten Strahlen oder durch Verwenden eines Phasenbeugungsgitters, das aus einer transparenten Relief­ struktur von geeigneter Gestalt und Teilung besteht, um nur ein gebeugtes Licht der Ordnung 0 und ein gebeugtes Licht einer erwünschten höheren Ordnung freizugeben, eine gewünsch­ te Lichtintensität erhalten werden.

Wenngleich bei den erläuterten Ausführungsformen eine Maske zur Erzeugung von mehreren Lichtstrahlen für eine Ermitt­ lung einer Bezugsposition verwendet wird, so ist die Ver­ wendung einer derartigen Maske dann nicht erwünscht, wenn der genutzte gebeugte Strahl schwach ist, da die Maske die Lichtintensität weiter herabsetzen wird. Ein derartiger Ver­ lust in der Lichtintensität kann dadurch verhindert werden, daß mehrere Lichtstrahlen durch Beugung unter Verwendung eines optischen Systems mit einem transparenten Reliefphasen­ gitter erzeugt werden, um die gebeugten Lichtstrahlen 1. Ord­ nung nur vom Gitter zu erhalten, so daß der Verlust im we­ sentlichen auf Null vermindert wird.

Im folgenden wird die Funktion des Verschlüßlers gemäß der Erfindung erläutert.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform bewirkt eine Dre­ hung des drehenden Objekts um eine Teilung des Beugungs­ gitters 7 eine Änderung um 2mπ in der Phase des gebeugten Lichts der Ordnung m. Auch die Phase des erneut durch das Gitter 7 gebeugten Lichts der Ordnung n ändert sich in glei­ cher Weise um 2nπ. Demzufolge liefert die Detektoreinrichtung insgesamt (2m-2n)-Sinuswellen, wobei die Größe der Drehung im in Rede stehenden Fall durch Ermitt­ lung der sinusförmigen Wellen erfaßt wird.

Beispielsweise erzeugt im Fall der Verwendung eines Beugungs­ gitters mit einer Teilung von 3,2 µm und von gebeugten Strah­ len der 1. Ordnung und der -1. Ordnung eine Drehung von 3,2 µm des drehenden Objekts vier Sinuswellen. Somit ist das Auflösungsvermögen für jede Sinuswelle gleich 3,2/4=0,8 µm oder ein Viertel einer Teilung des Beu­ gungsgitters.

Die in Rede stehende Ausführungsform ist auch dazu in der Lage, die Drehrichtung des drehenden Objekts durch Teilen des Lichtstrahls mit dem Strahlenteiler 11 und Bilden eines Phasenunterschieds von 90° zwischen zwei Lichtstrahlen zu ermitteln.

Wenn die Messung der Größe der Drehung ausreichend ist, so können der Strahlenteiler 11, die Polarisatoren 12 und 13 sowie eine Sehzelle weggelassen werden. Auch kann die Umlauf­ geschwindigkeit durch Messen der Frequenz der erhaltenen Sinuswellen bestimmt werden.

Bei der besprochenen Ausführungsform werden die gebeugten StrahIen von zwei zur Drehmitte annähernd symmetrischen Stellen M1 und M2 verwendet, um den Meßfehler, der aus der Aberration zwischen der Drehmitte des drehenden Objekts und der Mitte der radialen Beugungsgitter 7 resultiert, zu ver­ mindern.

Anstelle der gebeugten Lichtstrahlen von zwei nahezu symme­ trischen Punkten können, um einen im wesentlichen gleichen Effekt zu erreichen, gebeugte Strahlen von mehreren willkür­ lich gewählten Stellen wirksam verwendet werden, z.B. von drei zueinander um 120° beabstandeten Stellen.

Auch kann der Einfluß der aus dem Unterschied in der Tei­ lung zwischen der Außen- sowie der Innenseite des radialen Gitters resultierende Einfluß der Wellenfront-Aberration eliminiert werden, indem eine der Drehwelle nahe Strahlkom­ ponente mit einer solchen des anderen Strahls, der an der nahezu symmetrischen Stelle eintritt, überlagert wird und in gleichartiger Weise die Strahlkomponenten der Außenseite überlagert werden.

Bei der besprochenen Ausführungsform bewegt sich das gebeug­ te Licht der bestimmten Ordnung auf demselben Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Strahls zwischen dem Strahlen­ teiler 3 und dem Reflexionselement 8 oder 9, so daß das Überlappen der beiden gebeugten Lichtstrahlen an diesem Strahlenteiler 3 erleichtert und die Genauigkeit im Zusammen­ bau der gesamten Vorrichtung verbessert wird.

Falls die Meßgenauigkeit nicht kritisch ist, so kann anstel­ le der zwei Lichtstrahlen von zwei wechselseitig symmetri­ schen Punkten nur ein Lichtstrahl angewendet werden.

Die λ/4-Plättchen 4 und 5 können bei den vorstehenden Aus­ führungsformen an irgendwelchen Stellen zwischen dem Strah­ lenteiler 3 und der Reflexionseinrichtung angeordnet werden. Auch können die Sehzellen 14 und 15 anstelle von übertrage­ nen gebeugten Lichtstrahlen reflektierte gebeugte Lichtstrah­ len empfangen.

Natürlich können die gebeugten Lichtstrahlen außer denen, die für Messungen und für eine Ermittlung einer Bezugsposi­ tion verwendet werden, für andere Funktionen genutzt werden.

Wenngleich die besprochene Ausführungsform auf einen drehen­ den Verschlüßler (Kodedrehgeber) ausgerichtet ist, so kann der technische Grundgedanke auch auf einen linearen Ver­ schlüßler Anwendung finden.

Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform wird somit ein Verschlüßler geschaffen, der imstande ist, mit einem einfa­ chen Aufbau, indem Gitterstrukturen mit einem Phasenunter­ schied an einem sich bewegenden Objekt ausgebildet, zwei Lichtstrahlen in die Gitterstrukturen eingeführt und die von wenigstens einem Teil dieser Gitterstrukturen übertrage­ nen oder reflektierten Lichtstrahlen empfangen werden, ein Bezugspositionssignal mit einem hohen Auflösungsvermögen zu liefern, so daß der Einfluß einer Schwankung in der Inten­ sität der Lichtquelle ausgeschaltet wird.

Auch wird bei den in den Fig. 2-6 gezeigten Vorrichtun­ gen zur Ermittlung einer Bezugsposition das Null-Phasensi­ gnal in Abhängigkeit von der Erfassung des Zentrums der Be­ zugstruktur erzeugt, so daß die Bezugsposition ohne Rück­ sicht auf die Bewegungs- oder Drehrichtung des Objekts kon­ stant bleibt.

Das Auflösungsvermögen bei den in den Fig. 2-6 gezeigten Vorrichtungen kann durch Vermindern der Breiten (a, b in Fig. 2) der Bezugsstruktur verbessert werden.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Position eines mit einem optischen Beugungsgitter (7) verbundenen Objekts, bei der
das Beugungsgitter (7) außer einer Gitterteilung eine Bezugsmarkierung (53; 143; 144) trägt,
das Beugungsgitter gemeinsam mit dem Objekt gegenüber einer Lichtquelle (1) und zwei gegenüber der Lichtquelle (1) fest angebrachten lichtempfindlichen Elementen (24), die Ausgangssignale liefern, beweglich ist und
das Licht der Lichtquelle (1) in einem ersten Strahlengang die Gitterteilung, der eine Detektoreinrichtung (14, 15) optisch nachgeordnet ist, beleuchtet, und in einem, vom ersten Strahlengang nach Beugung an der Gitterteilung abgezweigten zweiten Strahlengang in zwei diskrete Lichtbündel zerlegt ist, welche in einer Bezugsposition die Bezugsmarkierung (53; 143, 144) an unterschiedlichen Bereichen derart beauf­ schlagen, daß ein Bezugssignal bei Gleichheit der Aus­ gangssignale der lichtempfindlichen Elemente (24), deren jedes je einen der Bereiche abtastet, resultiert, so daß mit Hilfe des Bezugssignals und der Detektoreinrichtung (14, 15) die Position des Objekts gegenüber der Licht­ quelle und den lichtempfindlichen Elementen bestimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmarkierung (53) von einer einzelnen, rechtwinkligen Markierung gebildet ist und daß das erste (51) und das zweite Lichtbündel (52) zwei Bereiche des Objekts (6) anstrahlen, die in Bewegungsrichtung des Objekts (6) einen Abstand (c) voneinander aufweisen, so daß sie sich nicht gegenseitig überlappen, wobei der Abstand (c) zwi­ schen den Bereichen so bestimmt ist, daß das erste (51) und das zweite Strahlenbündel (52) in Bewegungsrichtung des Objekts (6) entgegengesetzt angeordnete Kanten der Markierung anstrahlen, wenn die Markierung die Bereiche durchläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmarkierung (143, 144) von einer ersten und einer zweiten rechtwinkligen Markierung gebildet ist und daß das erste (141; 181; 191) und das zweite Licht­ bündel (142; 182; 192) zwei Bereiche des Objekts (6) an­ strahlen, die in einer von der Bewegungsrichtung des Objekts (6) unterschiedlichen Richtung einen Abstand auf­ weisen, so daß sie sich nicht überlappen, wobei der Ab­ stand zwischen den Bereichen so bestimmt ist, daß das erste Lichtbündel (141; 181; 191) die Kante der ersten rechtwinkligen Markierung und das zweite Licht­ bündel (142; 182; 192) die Kante der zweiten rechtwinkli­ gen Markierung anstrahlt, wenn die Bezugsmarkierung (143, 144) die Bereiche durchläuft.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Laser ist, und daß im zweiten Strahlengang eine Teilervorrichtung (23) zur Erzeugung der beiden diskreten Lichtbündel angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Halbspiegel (95), der zwischen der Teilervorrich­ tung (23) und dem Objekt (6) derart angeordnet ist, daß das erste und das zweite Lichtbündel das Objekt (6) durch den Halbspiegel (95) hindurch anstrahlen, wobei das erste und das zweite lichtempfindliche Element (24) das an den Bereichen reflektierte Licht über den Halbspiegel (95) empfangen.