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Dokumentenidentifikation EP1173726 07.08.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1173726
Titel OPTISCHE POSITIONSMESSEINRICHTUNG
Anmelder Dr. Johannes Heidenhain GmbH, 83301 Traunreut, DE
Erfinder HOLZAPFEL, Wolfgang, D-83119 Obing, DE;
MAYER, Elmar, D-83365 Nussdorf, DE
DE-Aktenzeichen 50002740
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 15.04.2000
EP-Aktenzeichen 009386012
WO-Anmeldetag 15.04.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/EP00/03441
WO-Veröffentlichungsnummer 0000065310
WO-Veröffentlichungsdatum 02.11.2000
EP-Offenlegungsdatum 23.01.2002
EP date of grant 02.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.08.2003
IPC-Hauptklasse G01D 5/00
IPC-Nebenklasse G01D 5/38   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmeßeinrichtung, insbesondere ein sog. 4-Gitter-Meßsystem.

Derartige Positionsmeßeinrichtungen umfassen in der Regel eine Lichtquelle, eine davor angeordnete Sendeteilung, eine Meßteilung, eine Abtastteilung sowie eine Detektoranordnung mit einer periodischen Struktur aus einzelnen Detektorelementen, die die vierte Teilung bildet. Die Lichtquelle, die Sendeteilung, die Abtastteilung sowie die Detektoranordnung sind hierbei in der Regel in einer Abtasteinheit angeordnet, welche relativ zur Meßteilung in einer bestimmten Meßrichtung beweglich ist. Derartige Systeme können hierbei sowohl als Durchlicht- wie auch als Auflichtsysteme ausgelegt werden; ebenso können rotatorische Anordnungen ebenso realisiert werden wie lineare Anordnungen. In der WO 97/16704 ist beispielsweise eine entsprechende Meßeinrichtung offenbart. Hinsichtlich der Dimensionierung der Detektoranordnung enthält diese Druckschrift keine weiteren Hinweise.

Aus der Veröffentlichung von R.M. Pettigrew mit dem Titel "Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology" in SPIE Vol. 136 1st European Congress on Optics Applied to Metrology (1977), S. 325 - 332 sind ebenfalls verschiedenste Varianten von Mehr-Gittergebern bekannt. Auf Seite 328 dieser Veröffentlichung werden auch die Abbildungsverhältnisse bei einem Mehr-Gittergeber diskutiert, bei dem eine divergente Beleuchtung vorgesehen ist. Unter divergenter Beleuchtung sei hierbei verstanden, daß der verwendeten Lichtquelle keine Kollimatoroptik nachgeordnet ist, d.h. die von der Lichtquelle emittierten Strahlenbündel treffen nicht exakt parallel auf die erste Teilung im Strahlengang. Die Diskussion der Abbildungsverhältnisse führt hierbei zu dem Ergebnis, daß der Vergrößerungsfaktor im Strahlengang durch eine Anordnung bestimmt ist, bei der sich der Vergrößerungsfaktor aus einer zentrischen Streckung ausgehend von der Meßteilungsebene bestimmt. Der Vergrößerungsfaktor ist insofern ein wichtiger Parameter bei einem System mit divergenter Beleuchtung als die optimale geometrische Dimensionierung der Detektoranordnung bzw. der Detektorelemente entscheidend von der Kenntnis des Vergrößerungsfaktors im Strahlengang abhängt.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß ein Strahlengangmodell wie in der erwähnten Veröffentlichung vorgeschlagen zu einem 4-Gitter-Meßsystem führt, das einen schlechten Modulationsgrad der erzeugten Abtastsignale aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optische Positionsmeßeinrichtung auf Basis eines 4-Gitter-Meßsystem anzugeben, bei welchem die oben diskutierten Probleme möglichst minimiert werden. Insbesondere ist eine auf die jeweiligen Systemvoraussetzungen hin optimierte Ausgestaltung der Detektoranordnung in einer derartigen Positionsmeßeinrichtung anzugeben, die einen hinreichenden Modulationsgrad der positionsabhängigen Abtastsignale gewährleistet.

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

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt sind.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen nunmehr sicher, daß für beliebige Systemkonfigurationen einer optischen Positionsmeßeinrichtung basierend auf dem 4-Gitter-Prinzip mit divergenter Beleuchtung eine optimierte Ausgestaltung der Detektoranordnung angegeben werden kann. Hierdurch ist insbesondere ein guter Modulationsgrad der positionsabhängigen Abtastsignale gewährleistet.

Desweiteren gestattet die exakte Kenntnis des oben erwähnten Vergrößerungsfaktors auch eine Dimensionierung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung, die eine bestimmte Toleranz hinsichtlich des Abtastabstandes gewährleistet. Es ist demzufolge auch eine Abweichung des tatsächlichen Abtastabstandes von einem idealen Abtastabstand möglich, ohne daß die Signalqualität entscheidend negativ beeinflußt wird.

Als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen 4-Gitter-Systems ist aufzuführen, daß die Detektoranordnung hierbei nicht unmittelbar benachbart zur relativ dazu beweglichen Meßteilung angeordnet ist. Innerhalb der Abtasteinheit ist vor der Detektoranordnung vielmehr noch die Abtastteilung angeordnet, die die Detektoranordnung vor einer eventuellen Beschädigung durch die Meßteilung im Meßbetrieb schützt.

Selbstverständlich läßt sich die erfindungsgemäße Positionsmeßeinrichtung sowohl als Auflicht- wie auch als Durchlichtsystem realisieren. Ebenso ist es möglich, lineare als auch rotatorische Anordnungen erfindungsgemäß auszugestalten.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen optischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen.

Dabei zeigt

Figur 1
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung in einer gestreckten Darstellung;
Figur 2
eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer geeigneten Detektoranordnung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung;
Figur 3 - 6
jeweils eine weitere schematische Darstellung von Teilen der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung, anhand der jeweils relevante Parameter des Systems erläutert werden.

In Figur 1 ist die erfindungsgemäße optische Positionsmeßeinrichtung in einer gestreckten Darstellung gezeigt, anhand der nachfolgend wichtige geometrische Parameter erläutert werden. Bereits an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die Darstellung in Figur 1 selbstverständlich keineswegs maßstäblich korrekt ist, sondern lediglich in schematischer Form zur Erläuterung der verschiedenen Geometrieparameter dienen soll.

Wie bereits oben angedeutet ist die erfindungsgemäße Positionsmeßeinrichtung als sog. 4-Gitter-Meßsystem ausgebildet und umfaßt ferner eine Lichtquelle LQ, eine Sendeteilung ST, eine Maßstabteilung MT, eine Abtastteilung AT sowie eine periodisch ausgestaltete Detektoranordnung D. Die vierte Teilung bzw. das vierte Gitter der Positionsmeßeinrichtung wird demzufolge durch die periodische Detektoranordnung D gebildet.

Wie in Figur 1 angedeutet, sind die Lichtquelle LQ, die Sendeteilung ST, die Abtastteilung AT sowie die Detektoranordnung in einer gemeinsamen Abtasteinheit A angeordnet, die gegenüber der Meßteilung MT in der Meßrichtung x beweglich ist. Die Darstellung der Abtasteinheit A in Figur 1 ist bei der gewählten Meßrichtung x nicht vollkommen korrekt, sondern wurde lediglich gewählt, um zu veranschaulichen, welche Komponenten zur Abtasteinheit A gehören.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß neben der in Figur 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit veranschaulichten Durchlichtvariante auch eine entsprechend ausgebildete Auflichtvariante der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung realisierbar ist. Der wesentliche Unterschied ist in einer derartigen Variante, daß dann eine reflektierende Meßteilung MT erforderlich ist, während in Fig. 1 eine Durchlicht-Meßteilung MT eingesetzt wird. Im Fall der Auflicht-Meßteilung sind ferner die Teilungen ST und AT vorzugsweise gemeinsam auf einem transparenten Täger bzw. Substrat angeordnet.

Die erfindungsgemäße Positionsmeßeinrichtung kann z.B. zur exakten Positionsbestimmung in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine eingesetzt werden. Hierzu sind die Abtasteinheit A und die Meßteilung MT mit entsprechend zueinander verschiebbaren Komponenten derselben verbunden. Die erzeugten positionsabhängigen Ausgangssignale werden einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerung zur Weiterverarbeitung zugeführt.

Die Detektoranordnung D der Positionsmeßeinrichtung umfaßt insgesamt M periodisch angeordnete Blöcke B1 - BM mit jeweils k einzelnen Detektorelementen; im gezeigten Beispiel ist M = 5 und k = 4 gewählt. Die Detektorperiode der Blöcke B1 von Detektorelementen wird im Verlauf der weiteren Beschreibung mit PDET bezeichnet. Die einzelnen k Detektorelemente der Blöcke B1 - B5 sind in der schematischen Darstellung in Figur 1 nicht eingezeichnet. In Bezug auf die exakte Ausgestaltung der Detektoranordnung D sei auf die nachfolgende Beschreibung der Figur 2 verwiesen.

Mit DLQ wird gemäß Figur 1 der Abstand zwischen der Lichtquelle LQ und der Sendeteilung ST bezeichnet. Die Lichtquelle LQ hat in Meßrichtung x die Ausdehnung xLQ. Die Größe u gibt den Abstand zwischen der Sendeteilung ST und der Meßteilung MT an; die Größe v hingegen gibt den Abstand zwischen der Meßteilung MT und der Abtastteilung AT an. Mit DDET wird der Abstand zwischen der Abtastteilung AT und der Detektoranordnung D bezeichnet. Die Größen PST, PMT und PAT geben jeweils die Teilungsperioden der Sendeteilung ST, der Meßteilung MT und der Abtastteilung AT an.

Im dargestellten Fall eines Durchlichtsystemes kann selbstverständlich der Abstand u zwischen der Sendeteilung ST und der Meßteilung MT und der Abstand v zwischen Meßteilung MT und Abtastteilung AT auch ungleich zueinander gewählt werden. In einem Auflichtsystem hingegen gilt in der Regel u = v für die Abstände der Meßteilung MT zu den jeweils benachbarten Teilungen ST und AT.

Die von der Lichtquelle LQ emittierten Strahlenbündel durchlaufen die verschiedenen Teilungen ST und MT und liefern in der Ebene der Abtastteilung AT ein periodisches Streifenmuster S mit der Streifenmusterperiode PSM. Das Streifenmuster S erfährt im Fall der Relativbewegung von Abtasteinheit A und Meßteilung MT eine verschiebungsabhängige Modulation, die letztlich zur Bestimmung der jeweiligen Relativposition von Meßteilung MT und Abtasteinheit A erfaßt wird. Mit Hilfe der periodisch ausgestalteten Abtastteilung AT erfolgt hierbei eine sogenannte Vernier-Abtastung des Streifenmusters S; hierzu sei auch auf die Darstellung in Figur 3 verwiesen. Die verwendete Abtastteilung AT weist dabei eine Teilungsperiode PAT auf, die sich sowohl von der Periode PSM des Streifenmusters S als auch von den Teilungsperioden PST, PMT der Sende- und Meßteilung ST, MT unterscheidet. Durch die benachbarten, durchlässigen Bereiche der Abtastteilung AT gelangen dann Lichtanteile des Streifenmusters S. Die verschiedenen Lichtanteile werden dann über die optoelektronischen Detektorelemente in elektrische Signalanteile bzw. Teil-Abtastsignale TAS0 - TAS270 mit definierten relativen Phasenbeziehungen umgewandelt. Beispielsweise können durch benachbarte, durchlässige Bereiche der Abtastteilung AT Lichtanteile mit jeweils 90° Phasenversatz in Richtung der Detektoranordnung D gelangen, wie dies in Figur 3 angedeutet ist. Jeder der durchlässigen Bereiche der Abtastteilung AT ist ferner genau einem der einzelnen k Detektorelemente in der Detektoranordnung D zugeordnet. Daher wiederum erfaßt jedes Detektorelement auf Seiten der Detektoranordnung D einen der Lichtanteile und erzeugt derart eines der Teil-Abtastsignaie TAS0 - TAS270 mit definierter Phasenbeziehung. Die Detektorelemente werden auf Seiten der Detektoranordnung D bzw. in der Abtasteinheit A geeignet verschaltet, wie dies nachfolgend anhand von Figur 2 noch erläutert wird, so daß letztlich Abtastsignale S0 - S270 zur Weiterverarbeitung an eine nachgeordnete - nicht gezeigte - Auswerteeinheit übermittelt werden können.

Erfindungsgemäß wurde nunmehr erkannt, daß die Periodiziät der Detektoranordnung, d.h. die Detektorperiode PDET, eine entscheidende Bedeutung im Zusammenhang mit der Erzeugung präziser, positionsabhängiger Abtastsignale hat. Die optimale Detektorperiode PDET läßt sich erfindungsgemäß in Abhängigkeit bestimmter Geometrie-Parameter der Positionsmeßeinrichtung gemäß folgender Gleichung (1) angeben: PDET = m*l*PV

Für den Parameter I gilt hierbei : I = 1, 2, 3, ...

Die nachfolgend als Vergrößerungsfaktor bezeichnete Größe m ergibt sich gemäß folgender Gleichung (2) als:

Wird wie oben angedeutet u = v gewählt, so resultiert die Gleichung (2'):

Die in Gleichung (1) eingehende Größe PV sei nachfolgend als Vernier-Periode bezeichnet. Zur anschaulichen Interpretation der Größe PV sei erneut auf die Figur 3 verwiesen.

Im Fall I = 1 beschreibt gemäß der Darstellung in Figur 3 die Vernier-Periode PV diejenige Periodizität in der Ebene der Abtastteilung AT, durch die eine mehrfache Reproduktion der phasenverschobenen Teil-Abtastsignale TAS0 - TAS270 in Meßrichtung x möglich ist. Anschaulich stellt PVim gezeigten Beispiel mit I = 1 diejenige Distanz in der Ebene der Abtastteilung AT dar, über die vier phasenverschobene Teil-Abtastsignale TAS0 - TAS270 aus vier benachbarten durchlässigen Bereichen gewonnen werden. Im dargestellten Beispiel gilt demzufolge PV = 4 * PAT.

Allgemein ergibt sich die Vernierperiode PV in der Ebene der Abtastteilung AT in Abhängigkeit der Streifenmusterperiode PSM gemäß folgender Gleichung (3): 1/PV = 1/PSM - 1/PAT

Werden hierbei k um 360°/k phasenverschobene Teil-Abtastsignale erzeugt, ergibt sich bei einer exakten Zuordnung von durchlässigen Bereichen der Abtastteilung zu bestimmten Detektorelementen die Vemierperiode PV gemäß der GI. (3'): PV = ((k *p)/l ± 1) * PSM

Im Fall der Gl. (3') wurde die Teilungsperiode der Abtastteilung gemäß Gl. (4) gewählt: PAT = (1 ± l/(k * p)) * PSM

Hierbei gilt in Gl. (3) und (4) : p = 1, 2, 3, ..; ferner ist I teilerfremd zu k zu wählen.

Der Parameter k gibt in diesen Gleichungen die Anzahl der detektierten verschiedenen Phasenlagen an; der Parameter I beschreibt die Anzahl der einer Detektorperiode zugeordneten Vernierperioden, während der Parameter p wiederum die Anzahl der Abtastfelder bzw. Abtastspalte spezifiziert, die einem Detektorelement zugeordnet sind.

Wird hierbei p > 1 gewählt, so können innerhalb einer Abtastperiode PAT mehrere Abtastspalte bzw. durchlässige Bereiche angeordnet werden. Der Abstand dAS benachbarter Abtastspalte ist hierbei in einer vorteilhaften Ausführungsform dAS = w * PSM mit w = 0, 1, 2, ...p-1. Eine derartige Ausgestaltung erlaubt jeweils die Zuordnung mehrerer gleichphasiger Abtastspalte zu einem Detektorelement.

Eine schematisierte Draufsicht auf einen Teil der Abtastebene sowie der Detektorebene eines derartigen Ausführungsbeispieles zeigt Figur 6. Hierbei sind pro Detektorelement D je zwei Abtastspalte AS vorgesehen. Ein entsprechendes zahlenmäßiges Ausführungsbeispiel wird nachfolgend im Verlauf der Beschreibung noch erläutert.

Bei der Herleitung der Gleichung (2), d.h. der exakten Bestimmung des Vergrößerungsfaktors m, wurde erfindungsgemäß vorausgesetzt, daß das Zentrum der zur Herleitung zugrundegelegten zentrischen Streckung in der Ebene der Lichtquelle LQ liegt. Demgegenüber legte die oben zitierte Veröffentlichung von R.M. Pettigrew nahe, von einem Zentrum auszugehen, das in der Ebene der Meßteilung MT liegt. Diese Annahme lieferte jedoch Detektorperioden PDET für die Positionsmeßeinrichtung, die im praktischen Einsatz zu groß wären. Dadurch wiederum würde ein Modulationsgrad der Abtastsignale resultieren, der insbesondere bei große Abtastfeldern zu niedrig wäre.

Wird die Detektorperiode PDET hingegen gemäß den obigen Gleichungen (1) und (2) gewählt, so lassen sich auch große Abtastfelder bei hohem Modulationsgrad der Ausgangssignale abtasten. Große Abtastfelder wiederum bieten eine deutlich höhere Unempfindlichkeit gegenüber eventuellen Verschmutzungen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung einer geeigneten Detektoranordnung D zeigt Figur 2 in einer Draufsicht auf die Detektorebene. Die dargestellte Ausführungsform der Detektoranordnung D dient zur Erzeugung von vier, verschiebungsabhängig modulierten Ausgangssignalen S0, S90, S180 und S270, die jeweils um 90° phasenversetzt zueinander sind. Selbstverständlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch entsprechend modifizierte Varianten realisierbar, die etwa andere Phasenbeziehungen zwischen den Ausgangssignalen liefern.

Auf Seiten der Detektoranordnung D sind im Beispiel der Figur 2 ingesamt M = 5 Blöcke B1 - B5 mit jeweils mehreren einzelnen Detektorelementen D1 - D20 in Meßrichtung x periodisch angeordnet. Pro Block B1 - B5 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils k = 4 einzelne Detektorelemente D1 - D20 vorgesehen, die allesamt identisch ausgebildet sind. Insgesamt umfaßt das Beispiel n = 20 separate Detektorelemente D1 - D20. Die Detektorelemente D1 - D20 sind jeweils im Abstand dED zueinander angeordnet, wobei auch der Abstand dED benachbarter Detektorelemente D1 - D20 über die gesamte Detektoranordnung D identisch gewählt wird. Jedes Detektorelement D1 - D20 weist eine schmale Rechteckform auf, wobei die Rechteck-Längsachse in der Detektorebene senkrecht zur Meßrichtung x orientiert ist, d.h. in der angegebenen y-Richtung. Pro Detektorelement wird bei der Abtastung des periodischen Streifenmusters S ein Teil-Abtastsignal TAS0 - TAS270 mit einer bestimmten definierten Phasenlage erzeugt.

Die Detektorperiode PDET wurde erfindungsgemäß entsprechend den vorher diskutierten Gleichungen (1) und (2) gewählt und gibt demzufolge wie in Fig. 2 erkennbar die Länge eines Blockes B1 - B5 mit vier Detektorelementen D1 - D20 an. Im Fall der gezeigten Anordnung mit M = 5 Blöcken B1 - B5 ergibt sich demzufolge die Länge LDET in der Detektoranordnung D als LDET = M * PDET = 5 * PDET - dED.

Wie ebenfalls in Figur 2 erkennbar, ist in der dargestellten Ausführungsform jedes k-te, d.h. jedes vierte Detektorelement D1 - D20 miteinander elektrisch verbunden, d.h. das von links aus erste Detektorelement D1 ist mit dem von links aus fünften Detektorelement D5, mit dem neunten mit dem dreizehnten sowie mit dem siebzehnten Detektorelement D9, D13, D17 verbunden. Analog hierzu sind die anderen Detektorelemente miteinander verbunden. Es existieren demzufolge ingesamt k = 4 Gruppen von jeweils parallel miteinander verschalteten Detektorelementen D1 - D20, die im Fall der gezeigten Anordnung um jeweils 90° phasenversetzte Ausgangssignale S0, S90, S180 und S270 liefern. Die Ausgangssignale S0, S90, S180 und S270 sind an den angedeuteten Kontaktpads der Detektoranordnung D abgreifbar. Jede Gruppe derart verschalteter Detektorelemente liefert demzufolge Ausgangssignale mit einer bestimmten Phasenbeziehung, wobei sich die Phasenlagen der k = 4 verschiedenen Gruppen in dieser Ausführungsvariante jeweils um 90° unterscheiden.

In einer alternativen Ausführungsform könnte beispielsweise auch k = 3 gewählt werden, womit ein Phasenversatz von 120° zwischen den Ausgangssignalen resultieren würde. Grundsätzlich ergibt sich in Abhängigkeit vom Parameter k demzufolge ein Phasenversatz von 360°/k zwischen den Ausgangssignalen der k verschiedenen Gruppen von verschalteten Detektorelementen.

Im allgemeinen Fall sind pro Block jeweils k einzelne Detektorelemente in äquidistanten Abständen dED angeordnet. Der Abstand xED zwischen den Mittellagen benachbarter Detektorelemente beträgt xED = dED + bED. Mit dED bzw. bED werden gemäß Figur 2 die Abstände bzw. die Breiten der einzelnen Detektorelemente bezeichnet.

Die Abstände zwischen den benachbarten Detektorelementen einer Gruppe, d.h. also z.B. die Abstände zwischen dem ersten und fünften Detektorelement D1, D5, zwischen dem fünften und neunten Detektorelement D5, D9 etc. betragen jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Detektorperiode PDET. Im dargestellten Beispiel der Figur 2 beträgt dieser Abstand jeweils eine einfache Detektorperiode PDET.

Eine weiterer wichtiger Parameter bei der vorteilhaften Ausgestaltung der Detektoranordnung D ist auch die Breite bED eines einzelnen Detektorelementes D1 - D20, d.h. die Breite eines rechteckförmigen Detektorelementes D1 - D20 in Meßrichtung x. Inbesondere wichtig ist hierbei die Forderung, daß ein Übersprechen zwischen benachbarten phasenversetzten Detektorelementen möglichst vermieden wird. Dies bedeutet letztlich, daß die definierte Zuordnung der Phasenlage eines Signalanteiles aus einem durchlässigen Bereich der Abtastteilung zu einem bestimmten Detektorelement stets gewährleistet ist.

Im Fall mit k = 4 Detektorelementen pro Block B1 - B5 und einer Detektorperiode PDET würde die maximale Breite bED für ein einzelnes Detektorelement demzufolge PDET/4 betragen. Hierbei würde zwar jedes einzelne Detektorelement D1 - D20 eine maximale Signalintensität registrieren; die oben angesprochene Forderung nach möglichst geringem Übersprechen zwischen benachbarten Detektorelementen kann unter bestimmten Umständen, d.h. unter bestimmten gegebenen geometrischen Rahmenbedingungen, bei einer derart gewählten Breite jedoch nicht immer erfüllt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nunmehr desweiteren erkannt, wie auch die optimierte Breite bED,n des einzelnen, n-ten Detektorelementes D1 - D20 in Abhängigkeit verschiedener Systemparameter einer derartigen Positionsmeßeinrichtung zu bestimmen ist. Die nachfolgend aufgeführte Gleichung (5) liefert eine Detektorelement-Breite bED,n für das n-te Detektorelement, die einen guten Kompromiß zwischen der Forderung nach möglichst geringem Übersprechen zwischen benachbarten Detektorelementen D1 - D20 und einer möglichst hohen Signalintensität, die von jedem Detektorelement D1 - D20 registriert wird, darstellt. Es läßt sich darüber eine Mindestbreite für jedes einzelne der insgesamt n Detektorelemente in der Detektoranordnung angegeben, um eine hinreichende Lichtintensität bei gleichzeitig vermiedenem Übersprechen sicherzustellen: bED,n ≥ (tan αmax - tan αmin) * DDET

Hierbei gilt: αmin = [(arctan (xAS,N + PSM/2 - xLQ/2)) / (2 * u + DLQ)] - arcsin (q * λ/PMT)    und αmax = [(arctan (xAS,N + PSM/2 + xLQ/2)) / (2 * u + DLQ)] + arcsin (q * λ/PMT) wobei

xAS,N :
Entfernung des N-ten Abtastspaltes AS von der optischen Achse OA gemäß der Definition in Figur 4
xLQ:
Ausdehnung der Lichtquelle in Meßrichtung x,
u:
Abstand zwischen Sendeteilung und Meßteilung bzw. zwischen Meßteilung und Abtastteilung
DLQ:
Abstand zwischen Lichtquelle und Sendeteilung
λ:
Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle
q:
Beugungsordnung an Meßteilung, die primär zur Signalgewinnung beiträgt (0, 1, 2, .....); in der Praxis tragen i.w. die 0. und +/- 1. Beugungsordnungen zur Signalgewinnung bei
PMT:
Teilungsperiode der Meßteilung

Ferner sei darauf hingewiesen, daß in den Gleichungen (5), (5.1) und (5.2) der Fall mit u = v beschrieben ist, d.h. ein Auflichtsystem. Selbstverständlich lassen sich diese Beziehungen auch problemlos für den Fall u ≠ v modifizieren.

Die in die Gleichung (5) eingehenden Winkel αmin und αmax können auch anschaulich interpretiert werden. In diesem Zusammenhang sei auf die Figur 5 verwiesen. So wird über αmin und αmax jeweils der Winkel gegen die Normale auf die Sendeteilung ST beschrieben, der Strahlen zugeordnet ist, die vom Rand einer ausgedehnten Lichtquelle LQ ausgehend noch durch einen gemeinsamen durchlässigen Bereich der Abtastteilung AT treten und auf das gleiche Detektorelement auftreffen.

Abschließend seien zwei konkrete Ausführungsbeispiele für Positionsmeßeinrichtungen angegeben, bei denen die Parameter PDET und bED in der Detektoranordnung auf Grundlage der oben erläuterten erfindungsgemäßen Überlegungen bestimmt wurden. Die aufgeführten Varianten unterscheiden sich primär durch die jeweils gewählte Lichtquelle.

Im ersten Ausführungsbeispiel mit einer nahezu punktförmigen Lichtquelle LQ seien folgende Parameter gegeben:

xLQ =
0.1 mm
DLQ =
0.2mm
DDET =
0.2mm
u = v =
0.8mm
PMT =
20µm
PST =
40µm
PAT =
50µm
PSM =
40µm
PV =
200µm

Auf Seiten der Abtastteilung wurde die Breite der durchlässigen Bereiche mit 20µm und die Breite der undurchlässigen Bereiche mit 30µm gewählt.

Die Detektorperiode PDET ergibt sich aus diesen Größen mit Hilfe der beiden Gleichungen (1) und (2) zu:

PDET =
232µm

Für die optimale Breite bED,n eines einzelnen Detektorelementes, das unmittelbar benachbart zur optischen Achse angeordnet ist, ergibt sich mit den weiteren Parametern

xn =
0 (Detektorelement auf optischer Achse)
dED =
13µm
q =
0
λ =
860nm
die Größe bED,0 über die Gleichungen (5), (5.1), (5.2) zu
bED,0 =
45µm.

Diese Größe stellt die optimierte Detektorbreite bei Berücksichtigung der q = 0. sowie +/-1. Beugungsordnungen an der Signalgewinnung dar. In der Praxis wird ein Auftreten von Übersprechen aufgrund weiterer beteiligter Beugungsordnungen toleriert, da sich derart eine Filterung von Oberwellenanteilen an den erzeugten Abtastsignalen erreichen läßt. Hierbei kann es sich etwa um das geringfügige Übersprechen der +/- 2. Beugungsordnungen handeln.

Im zweiten, zahlenmäßigen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nunmehr eine ausgedehnte Lichtquelle LQ eingesetzt, d.h. die Größe xLQ ist deutlich größer gewählt als im vorhergehenden Beispiel. Als vorgegebene Parameter des Systems sind aufzuführen:

xLQ =
0.35mm
DLQ =
0.3mm
DDET =
0.35mm
u = v =
0.8mm
PMT =
20µm
PST =
40µm
PAT =
45µm
PSM =
40µm
PV =
360µm

Die Abtastteilung wurde hierbei dergestalt dimensioniert daß innerhalb zweier Abtastteilungsperioden, d.h. innerhalb von 2 * PAT = 90µm, zwei durchlässige Bereiche bzw. Abtastspalte mit einer jeweiligen Breite von 20µm vorgesehen werden. Eine Draufsicht auf einen Teil der Abtastteilung AT sowie einen zugeordneten Ausschnitt der Detektorebene mit den Detektorelementen D1 - D5 dieses Beispieles zeigt Figur 6.

Die Detektorperiode PDET ergibt sich aus diesen Größen mit Hilfe der beiden Gleichungen (1) und (2) zu:

PDET =
417µm

Bei einer derartigen Ausgestaltung der Abtastteilung wird nunmehr den beiden durchlässigen Bereichen AS,1, AS,2.... pro n * PAT Abtastteilungsperioden auf der Abtastteilung ein Detektorelement D1 - D5 mit der wiederum optimierten Breite bED,n auf Seiten der Detektoranordnung zugeordnet. Beispielsweise wird den beiden Abtastspalten AS,1 und AS,2 das Detektorelement D1 zugeordnet usw.. Um einen guten Modulationsgrad sicherzustellen, wird der Abstand der beiden Abtastspalte AS,1 und AS,2, mit denen demzufolge phasengleiche Signale erfaßt werden, gleich PSM gewählt.

Die optimierten Breiten bED,n der einzelnen n Detektorelemente D1 - D5 lassen sich wiederum wie im vorhergehenden Beispiel mit Hilfe der Gleichungen (5), (5.1) und (5.2) bestimmen.

Mit den desweiteren hierzu erforderlichen Parametern

xn =
0 (Detektorelement auf optischer Achse)
dED =
13.5µm
q =
0
λ =
860nm
resultiert die gesuchte Größe bED,0 über die Gleichungen (5), (5.1), (5.2) zu
bED,0 =
91µm.

Wie aus den Gleichungen (5.1), (5.2) und (5) hervorgeht, wirkt sich die ausgedehnte Lichtquelle dahingehend aus, daß grundsätzlich eine größere Vernierperiode PV vorzusehen ist, um das erwähnte Übersprechen zwischen den einzelnen Detektorelementen zuverlässig zu vermeiden. Dementsprechend unterschiedlich zur ersten Variante wurde in diesem Ausführungsbeispiel auch die Teilungsperiode PAT der Abtastteilung gewählt.

Neben den erläuterten Beispielen existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch eine Vielzahl weiterer Ausführungsmöglichkeiten.


Anspruch[de]
  1. Optische Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus einer Meßteilung (MT) und einer relativ dazu in einer Meßrichtung (x) beweglichen Abtasteinheit (A), wobei
    • a) die Abtasteinheit (A) folgende Komponenten umfaßt:
      • a1) eine Lichtquelle (LQ),
      • a2) eine im Abstand DLQ von der Lichtquelle (LQ) entfernt angeordnete Sendeteilung (ST),
      • a3) eine Abtastteilung (AT) mit der Teilungsperiode PAT, auf der im Fall der Relativbewegung von Abtasteinheit (A) und Meßteilung (MT) ein periodisches Streifenmuster (SM) mit der Streifenmusterperiode PSM resultiert,
      • a4) eine im Abstand DDET von der Abtastteilung (AT) entfernt angeordnete Detektoranordnung (D) mit mehreren Blöcken (B1 - B5) aus einzelnen Detektorelementen (D1 - D20), wobei die Blöcke (B1 - B5) in Meßrichtung (x) periodisch mit der Detektorperiode PDET angeordnet sind und
    • b) die Sendeteilung (ST) von der Meßteilung (MT) den Abstand u aufweist,
    • c) die Abtasteilung (AT) von der Meßteilung (MT) den Abstand v aufweist und
    • d) die Detektorperiode PDET gemäß der Beziehung PDET = m * | * PV gewählt ist, wobei
      und I = 1, 2, 3, ...,

      und die als Vernierperiode bezeichnete Größe PV sich gemäß 1/PV = 1/PSM - 1/PAT ergibt.
  2. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei im Fall von k um 360°/k phasenverschobenen Teil-Abtastsignalen die Vernierperiode PV gemäß PV = ((k *p)/l ± 1) * PSM gewählt ist, mit PAT = (1 ± l/(p *k)) * PSM und p = 1, 2, 3, .. und I teilerfremd zu k zu wählen ist.
  3. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektoranordnung (D) M Blöcke (B1 - B5) mit jeweils k einzelnen Detektorelementen (D1 - D20) umfaßt und die Abstände xED der Mittellagen benachbarter Detektorelemente (D1 - D20) gemäß xED = PDET/k gewählt sind.
  4. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes k-te Detektorelement (D1 - D20) der Detektoranordnung (D) miteinander verbunden ist, so daß an der Detektoranordnung (D) k Teil-Abtastsignale (TAS0 - TAS270) mit einer Phasenverschiebung von 360°/k anliegen.
  5. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes der n Detektorelemente (D1 - D20) in Meßrichtung (x) eine Breite bED,n ≥ (tan αmax - tan αmin) * DDET aufweist, mit: αmin = [(arctan (xAS,N + PSM/2 - xLQ/2)) / (u+v + DLQ)] - arcsin (q * λ/PMT) αmax = [(arctan (xAS,N + PSM/2 + xLQ/2)) / (u+v + DLQ)] + arcsin (q * λ/PMT) wobei:
    xAS,N :
    Entfernung des N-ten Abtastspaltes AS von der optischen Achse OA
    xLQ:
    Ausdehnung der Lichtquelle in Meßrichtung x,
    u:
    Abstand zwischen Sendeteilung und Meßteilung bzw. zwischen Meßteilung und Abtastteilung
    DLQ:
    Abstand zwischen Lichtquelle und Sendeteilung
    λ:
    Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle
    q:
    Beugungsordnung an Meßteilung, die primär zur Signalgewinnung beiträgt (0, 1, 2, .....);
    PMT:
    Teilungsperiode der Meßteilung
  6. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, wobei pro Block (B1 - B5) k = 4 einzelne Detektorelemente (D1 - D20) in einem derartigen Abstand zueinander angeordnet sind, so daß benachbarte Detektorelemente (D1 - D20) um 90° phasenverschobene Teil-Abtastsignale (TAS0 - TAS270) liefern.
  7. Optische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei einem Detektorelement (D1 - D5) auf Seiten der Detektoranordnung mehrere durchlässige Bereiche (AS,1, AS,2) der Abtastteilung zugeordnet sind.
Anspruch[en]
  1. Optical position measuring device, comprising a measuring graduation (MT) and a scanning unit (A) which is movable relative thereto in a measuring direction (x),
    • a) the scanning unit (A) comprising the following components:
      • a1)a light source (LQ),
      • a2)a transmitting graduation (ST) which is disposed removed at the spacing DLQ from the light source (LQ),
      • a3)a scanning graduation (AT) with the graduation period PAT, upon which a periodic strip pattern (SM) with the strip pattern period PSM results in the event of the relative movement of the scanning unit (A) and the measuring graduation (MT),
      • a4)a detector arrangement (D) with a plurality of blocks (B1 - B5) made of individual detector elements (D1 - D20) which is disposed removed at the spacing DDET from the scanning graduation (AT), the blocks (B 1 - B5) being disposed periodically with the detector period PDET in the measuring direction (x) and
    • b) the transmitting graduation (ST) has the spacing u from the measuring graduation (MT),
    • c) the scanning graduation (AT) has the spacing v from the measuring graduation (MT) and
    • d) the detector period PDET is chosen according to the relationship PDET = m * 1 * PV in which m=(1 + DDET /(u + v + DLQ)) and l = 1, 2, 3, ...,

      and the dimension PV designated as the vernier period is produced according to 1/PV = 1/PSM - 1/PAT.
  2. Optical position measuring device according to claim 1, the vernier period PV being chosen, in the case of k partial scanning signals phase-displaced by 360°/k, according to PV = ((k * p)/1 ± 1) * PSM    with PAT = (1 ± 1/(p * k)) * PSM    and   p = 1, 2, 3, ... and 1 should be chosen relatively prime to k.
  3. Optical position measuring device according to claim 1, the detector arrangement (D) comprising M blocks (B1 - B5) with k individual detector elements (D 1 - D20) respectively, and the spacings xED of the mean positions of adjacent detector elements (D 1 - D20) being chosen according to XED = PDET/k.
  4. Optical position measuring device according to claim 1, each kth detector element (D1 - D20) of the detector arrangement (D) being connected to each other so that k partial scanning signals (TAS0 - TAS270) with a phase displacement of 360°/k are present at the detector arrangement (D).
  5. Optical position measuring device according to claim 1, each of the n detector elements (D1 - D20) having a width in the measuring direction (x) bED,n ≥ (tan αmax - tan αmin) * DDET with: αmin =[(arctan(xAS,N +PSM/2 - xLQ/2))/(u + v) + DLQ)] - arcsin(q * λ/PMT) αmax=[(arctan(xAS,N+PSM/2 + xLQ/2])/(u + v) + DLQ)] + arcsin(q * λ/PMT) in which:
    xAS,N:
    distance of the Nth scanning gap AS from the optical axis OA xLQ: extension of the light source in the measuring direction x,
    u:
    spacing between transmitting graduation and measuring graduation or between measuring graduation and scanning graduation
    DLQ:
    spacing between light source and transmitting graduation
    λ:
    wavelength of the used light source
    q:
    diffraction order at the measuring graduation, which contributes primarily to the signal yield (0, 1, 2, ...)
    PMT:
    graduation period of the measuring graduation
  6. Optical position measuring device according to claim 3, k = 4 individual detector elements (D 1 - D20) being disposed per block (B1 - B5) at such a spacing to each other so that adjacent detector elements (D 1 - D20) deliver partial scanning signals (TAS0 - TAS270) which are phase-displaced by 90°.
  7. Optical position measuring device according to claim 1, a plurality of transparent regions (AS,1, AS,2) of the scanning graduation being assigned to one detector element (D 1 - D5) on the part of the detector arrangement.
Anspruch[fr]
  1. Dispositif optique de mesure de position, comprenant une division de mesure (MT) et une unité de palpage (A) mobile par rapport à celle-ci dans une direction de mesure (x), dans lequel
    • a) l'unité de palpage (A) comprend les composants suivants :
      • a1) une source de lumière (LQ)
      • a2) une division d'émission (ST) disposée à une distance DLQ de la source de lumière (LQ),
      • a3) une division de palpage (AT) de période de division PAT, sur laquelle, lors d'un déplacement relatif de l'unité de palpage (A) et de la division de mesure (MT), un motif de bandes (SM) périodique, avec la période de motif de bandes PSM, est formé,
      • a4) un agencement de détecteurs (D) disposé à une distance DDET de la division de mesure (AT) et comprenant plusieurs blocs (B1-B5) de détecteurs élémentaires (D1-D20), les blocs (B1-B5), dans la direction de mesure (x), étant disposés de manière périodique avec la période de détecteurs PDET et
    • b) la division d'émission (ST) est disposée à la distance u par rapport à la division de mesure (MT),
    • c) la division de palpage (AT) est disposée à la distance v par rapport à la division de mesure (MT), et
    • d) la période de détecteur PDET est définie par la relation PDET = M * I * PV avec m = (1 + DDET / (u + v + DLQ)) et I = 1, 2, 3,...,

      et la grandeur PV définie comme période de vernier, est donnée par la relation 1/PV = | 1/PSM - 1/PAT |
  2. Dispositif optique de mesure de position selon la revendication 1, dans lequel dans le cas de k signaux de palpage partiels déphasés de 360°/k, la période de vernier PV est choisie conformément à la relation PV = ((k * p)/ I ± 1) * PSM    avec PAT = (1 ± I / (p * k)) * PSM    et p=1, 2, 3, ... et I étant primaire relatif par rapport à k.
  3. Dispositif optique de mesure de position selon la revendication 1, dans lequel l'agencement de détecteurs (D) comprend M blocs (B1-B5) avec chaque fois k détecteurs élémentaires (D1-D20) et les distances xED des positions moyennes de détecteurs élémentaires (D1-D20) voisins sont choisies conformément à la relation xED = PDET/k
  4. Dispositif optique de mesure de position selon la revendication 1, dans lequel les k-ième détecteurs élémentaires (D1-D20) de l'agencement de détecteurs (D) sont reliés entre eux, de telle sorte que l'on obtient au niveau de l'agencement de détecteurs (D), k signaux de palpage partiels (TAS0-TAS270) avec un déphasage de 360°/k.
  5. Dispositif optique de mesure de position selon la revendication 1, dans lequel chacun des n détecteurs élémentaires (D1-D20), dans la direction de mesure (x), a une largeur bED,n ≥ (tan αmax - tan αmin) * DDET avec αmin = [(arctan (xAS,N + PSM/2 - XLQ/2)) / (u + v + DLQ)] - arcsin (q*λ/PMT) αmin = [(arctan (xAS,N + PSM/2 - xLQ/2)) / (u + v + DLQ)] - arcsin (q*λ/PMT)
    xAS,N
    distance de la n-ième fente de palpage AS à l'axe optique OA,
    xLQ
    étendue de la source de lumière dans la direction de mesure x,
    u
    distance entre division d'émission et division de mesure, ou entre division de mesure et division de palpage,
    DLQ
    distance entre source de lumière et division d'émission,
    λ
    longueur d'onde de la source de lumière utilisée,
    q
    ordre de réfraction sur la division de mesure qui contribue en premier lieu à l'obtention de signaux (0, 1, 2, ...) ;
    PMT
    période de division de la division de mesure.
  6. Dispositif optique de mesure de position selon la revendication 3, dans lequel pour chaque bloc (B1-B5), k=4 détecteur élémentaires (D1-D20) sont disposés à une distance réciproque telle que des détecteurs élémentaires (D1-D20) voisins fournissent des signaux de palpage partiels (TAS0-TAS270) déphasés de 90°.
  7. Dispositif optique de mesure de position selon la revendication 1, dans lequel à un détecteur élémentaire (D1-D5) côté agencement de détecteurs sont associées plusieurs zones (AS,1, AS,2) transparentes de la division de mesure.






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