DE8532808U1

DE8532808U1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE8532808U1
Application number: DE19858532808
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1985-11-21
Filing date: 1985-11-21
Publication date: 1988-03-24

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 13.11.1985

Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Positionsmeßeinrichtungen, die mit Phasengittern arbeiten, sind beispielsweise aus der DE-AS 15 48 707 und der DE-OS 23 16 248 bekannt.

Des weiteren wird in der nicht vorveröffentlichten europäischen Patentanmeldung Nr. 85301077.5 der Anmelderin eine Positionsmeßeinrichtung beschrieben, bei der vorgeschlagen wird, eine Phasenverschiebung zwischen den am Indexgitter gebeugten Strahlenbündeln dadurch zu erzeugen, daß bei gegebener Gitterkonstante die Breite eines Steges des als Phasengitter ausgebildeten Indexgitters von der Breite einer Furche abweicht, daß also das Steg-/Furche-Verhältnis von 1:1 abweicht.

Mit Hilfe der mittels eines solchen Phasengitters gewonnenen - zueinander phasenverschobenen - Teilstrahlenbündeln verschiedener Ordnungen kann die Richtung der RelatiwerSchiebung zwischen dem Maßstabgitter

und dem Indexgitter ermittelt werden.

Die Modulationsgrade der Signale nullter und ± erster Ordnung in Auflicht-Phasengittermeßsystemen mit parallel angeordnetem Index- und Maßstabgitter mit ungleich breiten Stegen bzw. Furchen des Indexgitters sind allerdings unterschiedlich und ändern sich bei Abstandsänderung, Verschmutzung des Gitters etc. ungleich»

Dies ist bedingt durch das Dreigitter-Abtastprinzip und die unvermeidbare geometrisch-optische Abbildung der Lichtquelle auf den Photodetektor der nullten Ordnung.

Die unterschiedlichen Änderungen der Modulationsgrade führen zur ungenauen und/oder unsicheren elektronischen Auswertung der Signale.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Positionsmeßeinrichtungen dieser Art die Empfindlichkeit gegenüber Abstandsänderungen, Abweichungen von der Parallelität der Gitter, Verschmutzung und dgl. zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch eine Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung liegen in der einfachen Erzeugung der phasenverschobenen Abtastsignale zur Richtungserkennung in Verbindung mit der einfachen Erzeugung von Gegentaktsignalen und deren elektrischer Zusammenfassung zur Kompensation von Abtaststöreinflüssen.

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In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert werden, wobei die Darstellungen zum besseren Verständnis stark vereinfacht wurden.

Es zeigt
Figur 1 eine schematische Darstellung

einer Meßeinrichtung im Auflicht arbeitend;
Figur 2 ein Abtastgitter in vergrößerter

Ansicht aus Richtung II von Figur 1; Figur 3 ein nochmals vergrößerter Ausschnitt

eines Phasengitters gemäß Figur 2 als Fragment;

Figur 4a nochmals die Darstellung aus Figur 1; Figur 4b eine um 90° gedrehte Ansicht der Meßeinrichtung aus Figur 4a, mit

Prismen;

Figur 4c eine Variante der in Figur 4b dargestellten Meßeinrichtung mit dezentrierten Linsen. 25

Der im folgenden verwendete Ausdruck "Licht" umfaßt ultraviolette und infrarote Strahlung sowie die im sichtbaren Bereich liegende Strahlung.

In Figur 1 ist eine Längenmeßeinrichtung 1 nach dem sogenannten Dreigitter-Auflichtprinzip dargestellt. Die Strahlung einer Lichtquelle L wird von einem Kondensor 2 kollimiert und an Phasengittern A und B gebeugt und reflektiert.

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Beim Phasengitter B ist das Verhältnis von Stegbreite zu Furchenbreite 1:1; es stellt das Maßstabgitter dar. Das Abtastgitter A wird von zwei als Phasengitter ausgebildeten Abtastfeldern AP und ÄF gebildet. Im Gegensatz zum Maßstabgitter B-weicht das Steg-/Furchefibreiten-Verhältnis aSb der Abtastfelder AF und ÄF von 1:1 ab, was besonders aus den Figuren 2 und 3 gut ersichtlich ist.

Dabei ist zu beachten, daß die Phasengitter des Maßstabgitters B und des Abtastgitters A die gleiche Gitterkonstante GK haben. Das Maßstabgitter B und das Abt^stgitter A sind parallel zueinander angeordnet und das Maßstabgitter B ist in dieser parallelen Ebene senkrecht zum Verlauf der Teilungsmarkierungen verschieblich.

Die von der Lichtquelle L ausgehende Strahlung wird von dem in Lichtrichtung ersten (Abtast)-gitter A und vom zweiten (Maßstab)-qitter B gebeugt und am Abtastgitter A wiedervereinigt und zur Interlierenz gebracht.

Bei gleicher Gitterkonstante GK des Maßstabgitters B und des Aotastgitters A unterscheiden sich - wie bereits erwähnt - bei diesen beiden Gittern die Steg-/Furchenbreiten-Verhältnisse. Beim Maßstabgitter B ist das Steg-/Furchenbreiten-Verhältnis 1:1, beim Abtastgitter beträgt es beispielsweise 1:1,5. Diese Maßnahme führt dazu, daß die gebeugten Teilstrahlenbündel verschiedener Beugungsordiiungen in ihrer Phasenlage gegeneinander verschoben sind.

In der Brennebene des Kondensors 2 befinden sich Photodetektoren DO, D+1, D-1 und DO, D+1, D-1, die entsprechend der Beugungstheorie an Gittern justiert

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sind, und in Figur 1 - in die Zeichnungsebene ge-

klappt - links von der Meßeinrichtung gezeigt sind. |

Aus den phasenverschobenen Teilstrahlenbündeln _f die | auf die Photodetektoren D-1, DO, D+1 fallen, läßt sich die Richtung der Relativbewegung zwischen dem Abtastgitter A und dem Maßstabgitter B bestimmen, was durch das von 1:1 abweichende Steg-/Furchenbreiten-Verhältnis des Abtastgitters A ermöglicht wird (s. Fig. 3).

Das Abtastgitter A ist ferner mit selektiv wirkenden optischen Mitteln K1, K2 versehen, die es im Zusammenwirken mit den zwei Abtastfeldern AF und ÄF

j 15 ermöglichen, zu den vorgenannten Teilstrahlenbündeln

j gegenphasige Teilstrahlenbündel zu erzeugen.

Die Abtastfelder AF und AF sind dazu in Meßrichtung um einen Bruchteil, beispielsweise um 1/4 der Gitterkonstante GK zueinander versetzt. Den einzelnen Abtastfeldern AF bzw. ÄF sind Prismen K2 bzw. K1 zugeordnet, die die Teilstrahlbündel gegensinnig ablenken.

Diese Maßnahme ist in den Figuren 4a bis 4b verdeutlicht. In Figur 4a ist dabei nochmals die aus Figur 1 bereits bekannte Positionsmeßeinrichtung dargestellt, von der in Figur 4b eine Draufsicht gezeigt ist.

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Die Draufsicht in Figur 4b ; -Igt, daß die beiden Prismen K1 und K2/ die den nUtastfeidern ÄF und AF zugeordnet sind, die gegenphasigeh Tellsfcrahlen·* bündel auf die zugehörigen Photodetektoren DO*, D+1 , D-1 und DO, D+1, D-1 lenken. Die Anordnung der Photo-

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detektoren DO, D+1, D-1 und DO, D+1, D-1 zeigt jeweils der linke Teil der Figuren 4a und 4b, wobei die Brennebene des Kondensors 2 jeweils in die Zeichnungsebene geklappt wurde. In der Realität liegt sie senkrecht zur Zeichnungsebene.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4c gezeigt, die ebenfalls stark schematisiert wurde. Hier werden zwei gegensinnig dezentriert angeordnete Linsen Z1 und Z2 den Abtastfeldern ÄF und AF zugeordnet, um das Licht zu kollimieren und auf die entsprechenden Photodetek-

toren DO, D+1, D-1; DO, D+1, D-1 abzulenken. Da die Lage der genannten Photodetektoren prinzipiell der Darstellung von Figur 4b entspricht, wurde auf eine separate Zeichnung verzichtet. Durch die beschriebene Anordnung der dezentrierten Linsen Z1 und Z2 kann der Kondensor entfallen.

In der Auswahl der selektiv wirkenden optischen Mittel ist der Fachmann durch die aufgeführten Beispiele nicht eingeschränkt. So ist es ins Belieben des Fachmannes gestellt, daß er die Prismen oder die dezentrierten Linsen nicht gegensinnig justiert, sondern entsprechende optische Bauelemente auswählt, die zwar gleichsinnig ablenken, jedoch unterschiedliche Ablenkwinkel aufweisen. Als selektiv wirkende optische Mittel sind in diesem Sinne besonders gut Echelettegitter mit unterschiedlicher Gitterkonstante und/oder Auslenkrichtung geeignet.

Desgleichen können die selektiv wirkenden optischen Mittel durch Bauelemente mit unterschiedlichen spektralen und/oder polarisationsöptischen Eigenschaf' ten gebildet werden, worauf selbstverständlich die

Photodetektoren abgestimmt sein müssen.

Des weiteren liegt es im Ermessen des Fachmannes, die Techniken der Faseroptik für die Beleuchtung und die Photodetektoren anzuwenden.

Durch die geometrische Gestaltung der Abtastfelder AF und AF (Steg-ZFurchenbreiten-Verhältnis a:b und Furchentiefe h) kann die Phasenverschiebung zwischen D+1 und D-I genau, z.B. auf 90° eingestellt werden.

Durch antiparalleles Zusammenschalten der Photodetektoren D+1 mit D+1 und D-1 mit D-1 wird ein Gegentaktsignal erzeugt.

Besondere "orteile ergeben sich hinsichtlich des Wirkungsgrcides &tgr; wenn die nullte Ordnung mit ausgewertet wird. Zur Erzeugung des O°-Signales werden dazu die Photodetektoren DO und M antiparallel geschaltet.

Eine stabile Phasenverschiebung von 90° zum 0°-Signal erhält man, wenn aus der antiparallelen Zusammenschaltung der Photoelemente D+1 mit D+1 und der antiparallelen Zusanunenschaltung von D-1 mit D-1 die Differenz gebildet wird. Fehler des Abtastgitters A wirken sich bei einer derartigen Auswertung nicht mehr stark aus.

Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 13.11.1985 Ansprüche

1. Lichtelektrische Positionsmeßsinrichtung, bei der die Meßteilung und die Abtastteilung von parallel zueinander angeordneten und relativ zueinander verschieblichen Gittern gleicher Gitterkonrtanten gebildet werden, wobei wenigstens t eines der Gitter - vorzugsweise das Abtastgitter -

als Phasengitter derart ausgebildet ist, daß mittels einem von 1:1 abweichenden Verhältnis

von Stegbreite zu Furchenbreite des Phasengitters ph isenverschobene Teilstrahlenbündel verschiedener Beugungsordnungen zur Erkennung der Bewegungsrichtung erzeugt werden können, und daß Detektoren zum Empfang der gebeugten Teilstrahlenbündel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastgitter (A) wenigstens zwei, in Meßrichtung um einen Bruchteil der Gitterkonstanten (GK) zueinander verschobene Abtastfelder (AF, AF) aufweist, denen selektiv wirkende optische Mittel (K1, K2; Z1, Z2) zugeordnet sind, so daß zu den vorgenannten gebeugten Teilstrahlenbündeln weitere gebeugte Teilstrahlenbündel erzeugt werden, die zu den vorgenannten Teilstrahlenbündeln jeweils im wesentlichen gegenphasiq sind, und daß sowohl den vorgenannten gebeugten Teilstrahlenbündeln als auch den dazu

gegenphasigen Teilstrahlenbündeln jeweils eigene Detektoren (DO, D+1, d-1 bzw. DO, D+1, D-i) optisch zugeordnet sind«

2. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfelder (AF, ÄF) um (n+1/4)-GK(n=0,1,2,3,...} der Gitterkonstante (GK) in Meßrichtung zueinander versetzt sind.

3. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Abtastfwidern (AF, AF) als selektiv wirkende optische Mittel Prismen (K1, &Kgr;2) zugeordnet sind.

4. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung licch Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen (K1, K2) gegensinnig ablenkend den Abtastfeidern (AF, AF) zugeordnet sind.

5. Lichtelektrische Positonsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Abtastfeldern (AF, ÄF) als selektiv wirkende optische Mittel dezentriert angeordnete Linsen (Z1, Z2) zum Kollimieren und Ablenken des Lichtes zugeordnet sind.

6. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Abtastfeldern (AF, ÄF)als selektiv wirkende optische Mittel Echelettegitter für unterschiedliche Auslenkrichtungen zugeordnet sind.

7. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Abtastfeidern (AF, ÄF) als selektiv wirkende optische Mittel Elemente mit unterschiedlichen spektralen und/oder polarisationsoptisohen Eigenschaften zugeordnet sind.