DE2653545C2

DE2653545C2 - Fotoelektrische Auflicht-Wegmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE2653545C2
Application number: DE19762653545
Authority: DE
Inventors: Dietmar 6336 Solms Kaul; Joerg Dipl.-Ing. Dr. 6331 Nauborn Willhelm
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1976-11-25
Filing date: 1976-11-25
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2653545B1

Description

χ = " mit

a = opiisch wirksamer Luftabstand zwischen Referenz- und Maßstabgitter,

ν = ' " = Verzerrungsfaktor

y = Abstand der durch beide Gitter erzeugten Vernier-Streifen und mit

dsi als optisch wirksame« Gitterkonstante des Maßstabgitters (12), die mit der optisch wirksamen Gitterkonstante du des Referenzgitters (11) durch

du — d\i(\ + yjverknüpft ist.

2. Fotoelektrische Auflic:<t-Wegmeßeinrichtung nach Anspruch i, daüu^ch gekennzeichnet, daß zwischen Referenz- und Maß iabgitter eine Linse (18) angeordnet ist, die durch Lupenwirkung eine optisch wirksame Gitterkonstante des Maßstabgitters (12') erzeugt, die größer als die des Referenzgitters (11) ist.

3. Fotoelektrische Auflicht-Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der das Gittersystem verlassenden Strahlenbündel eine Linse (19) angeordnet ist, die eine verkleinerte Abbildung (y¹) des Vernier-Streifenmusters ^erzeugt.

4. Fotoelektrische Auflicht-Wegmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite /'und die Lage der Linse (19) so gewählt sind, daß ein dem Gittersystem (11,12) zugeordnetes virtuelles Vernier-Streifenmuster in der Brennebene (13")derünse(19) liegt.

Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Auflicht-Wegmeßeinrichtung, mit einer Lichtquelle, einem reflektierenden Maßstabgitter, einem gegenüber diesem verschiebbaren und transparenten Referenzgitter mit vom Maßstabgitter unterschiedlicher Gitterkonstante, einem Luftabstand zwischen beiden Gittern und mit mehreren in Richtung des zu messenden Weges beabstandeten fotoelektrischen Empfängern, Welche das Maßstabgitter über das Referenzgiüer abtasten.

Aus der DE'PS 1040 268 ist ein Wegmeßsystem bekannt, bei dem das Maßstab- und das Referenzgitter mit ihren Teilungen parallel zueinander ausgerichtet sind und geringfügig unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen. Zwischen den beiden Gittern befindet sich s ein geringer Luftabstand. In dem von einer Lichtquelle ausgehenden Beleuchtungsstrahlengang sind zwei Blendenöffnungen angeordnet, durch die hindurch zwei verschiedene Felder des Gittersystems beleuchtet werden.

in Die Wegmessung erfolgt senkrecht zur Teiiungsrichtung der beiden Gitter. Dabei entsteht ein Streifenmuster, dessen Streifen parallel zur Teilungsrichtung der Gitter liegen und bei einer Relativbewegung der Gitter zueinander senkrecht zur Teilungsrichtung wandern.

π Die erwähnten Blendenöffnungen liegen in Meßrichtung nebeneinander und haben einen solchen Abstand zueinander, daß die durch sie beleuchteten Bildausschnitte des Streifenmusters miteinander um einen Bruchteil der halben Streifenperiode außer Phase sind.

Jedem Bildausschnitt sind fotoclektrische Empfänger zugeordnet, die die bei einer Wanderung der Streifen entstehende Lichtmodulation in elektrische, phasenverschobene Meßsignale umwandeln. Durch die spezielle Anordnung der Blendenöffnungen gelingt es, aus den Meßsignalen nicht nur den Verschiebeweg des Maßstabgitters, sondern auch seine Verschieberichtung zu bestimmen. Da die Meßsignale aus Lichtflüssen abgeleitet werden, -tie unterschiedliche Teilbereiche des Gittersystems durchsetzt haben, beeinflussen lokale

jo Unterschiede in den optischen Eigenschaften dieser Bereiche die Meßgenauigkeit. Insbesondere sind dies lokal unterschiedliche Verschmutzungen und Teilungsfehler der Gitter.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die

ii bekannte Einrichtung so abzuwandeln, daß dieselben Meßinformationen aus nur einem Gitterabtastfeld gewonnen werden können, damit systembedingte Fehler die beiden phasenverschobenen Meßsignale in gleicher Weise beeinflussen und somit für die Meßgenauigkeit unbeachtlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einer Wegmeßeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens zwei fotoelektrische Empfänger in Lichtrichtung gemessen zumindest angenähert in

■υ einem Abstand χ von dem Gitter mit der größeren optisch wirksamen Gitterkonstante angeordnet sind, für den gilt:

= mit

Cl I

optisch wirksamer Luftabstand zwischen Referenz- und Maßstabgitter,

' " = Verzerrungsfaktor

Abstand der durch beide Gitter erzeugten Vernierstreifen und mit

als optisch wirksamer Gitterkonstante des Maßstabgitters, die mit der optisch wirksamen Gitterkonstante du des Referenzgitters durch
du(\ + ^verknüpft ist.

Unter optisch wirksamer Gitterkonstante du wird dabei verstanden, daß du = ^_n ^ mit κ als Winkel zwischen den Strahlen mit maximaler BeugUngsintensl· tat gilt. So hat z. B. ein .j-Phasengittcr mit ausgelöschter O-ter Beugungsordnung eine optisch wirksame Gitter-

konstante, die der Hälfte seiner mechanischen Teilung entspricht {du = _Ί i/mechanisch].

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Merkmalen der Unteranspruche 2 bis 4 angegeben.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung werden nachfolgend in Verbindung mit Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Auflicht-Wegmeßeinrichtung, bei der das Referenzgitter uine geringfügig kleinere Gitterkonstante als das Maßstabgitter besitzt,

Fig.2 eine Auflicht-Wegmeßeinrichtung, bei der die Gitterkonstante des Maßstabgitters geringfügig kleiner als die des Referenzgitters ist,

Fig.3 eine Einrichtung, bei der die Gitterkonstante des Maßstabgitters durch Lupenwirkung vergrößert wird,

F i g. 4 eine Einrichtung, bei der das Vernier-Streifensystem optisch verkleinert wird und F i g. 5 die Entstehung virtueller Vernier-Streifen.

In Fig. 1 beleuchtet eine Lichtquelle 10 im Auflicht eine aus einem transparenten Referenzgitter 11 und einem reflektierenden Maßstabgitter 12 iestenende Gitteranordnung. Beide Gitter haben einen Abstand a voneinander. Die Gitterkonstante des Referenzgitters 11 ist geringfügig kleiner als die des Maßstabgitters, und zwar um den Faktor (1 — v), wobei ν einen Verzerrungsfaktor mit sehr kleinem Zahlenwert (= 0,05) darstellt.

Es wurde in überraschender Weise gefunden, daß die Wirkung des Referenzgitters auf das Bele'ichtungsstrahlenbündel in diesem Fall beim ersten Gitterdurchgang vollkommen vernachlässigt werden kann, wenn die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Abstände und Gitterkonstantenverhältnisse eingehalten werden. Beim ersten Gitterdurchgang wirkt das Referenzgitter ausschließlich als Diffusor für das Beleuchtungsstrahlenbündel. Zur Bildung der Vernier-Streifen trägt es ausschließlich beim zweiten Gitterdurchgang bei, so daß die Einrichtung als echtes Zwei-Gitter-System zu behandeln ist.

Das in '.· i g. 1 (du = du [1 —"]) eingezeichnete Strahlensystem veranschaulicht die Bildung der Vernier-Streifen in einer F.bene 13. Die an der. Gilterstrichen des Maßstabgitters 12 reflektierten Beleuchtungsstrahlen treten entweder durch die Lücken des Referenzgitters 11 aus dem Gittersystem aus (ausgezogene Linien) oder werden durch Stege ausgeblendet (gestrichelte Linien). Es ergibt sich eine etwa sinusförmige Helligkeitsverteilung mit ausgeprägten Maxima und Minima in der F.bene 13. Diese als Vernier-Streifen bekannten Linien wandern in der Ebene 13, wenn sich das Maßstabgitter und das Referenzgitter relativ zueinandei bewegen. Fs ist leicht zu sehen, daß sich die von den reflektierenden Gitterstegen des Maßstabgitters ausgehenden Lichtbündel entgegengesetzt /ur Richtung der Verschiebung des Maßstabgitters, aber gleichgerichtet mit einer Verschiebung des Referenzgitters bewegen.

Man erkennt ebenfalls aus dem eingezeichneten geometrischen Strahlenverlauf, daß der Abstand χ der , Ebene 13 vom Maßstabgitter, das hier das Gitter mit der größeren Gitterkonstante ist, sowohl vom Gitlerkonstantenverhältnis als auch Vom Abstand a der Gitter zueinandei' abhängt, und zwar ergibt sich die Beziehung X=", Es läßt sich aber weiter zeigen, daß der

Streifenabstand ^(Periode des Vernier-Streifenmusters) Unabhängig von a und xht und nur vom Gitterkonstantenverhältnis abhängt.

Im Abstand -v erhält man maximalen Kontrast für die Vernier-Streifen. Ändern sich im Laufe des Meßvorganges die Abstände a und v, so hat das lediglich Einfluß auf -. die relativen Signalhöhen, nicht aber auf den Streifenabstand y.

Ordnet man daher zumindest angenähert in der Ebene 13 zwei fotoelektrische Empfänger 14, 15 in einem Abstand ungleich einem ganzzahligen Vielfachen von !,an, so werden diese bei einer Relativverschiebung

zwischen Referenz- und Maßstabgitter in Abhängigkeit von der Verschieberichtung nacheinander in periodischen Abständen von den in den Vernier-Slreifen ι -, enthaltenen Lichtflüssen beaufschlagt. Für die elektronische Signalauswertung kann man den Abstand der

beiden Empfänger gleich ^ wählen, da dann die Signalmodulation in beiden Empfängern um 90°

Ji) phasenverschoben ist. Solche Signale lassen sich in bekannter Weise besonders einfar¹ zur Anzeige der Verschieberichtung der Gitter auswe'ien.

Fig. 2 (du = d\i[\ + v]) zeigt im Prinzip denselben Aufbau wie Fig. I. mit dem Unterschied, daß hier das

_>) Referenzgitter 11 das Gitter mit der größeren Gitterkonstante ist. Ausgehend vom Gitter mit der größeren Gitterkonstante erfolgt die geometrische Bildung des Vernier-Streifenmusters genau wie in Fig. 1. Bei Durchleuchtung des Maßstabgitters würde

in das Streifenmuster im Abstand χ ir der Ebene 13' erscheinen. Da das Maßstabgitter 12 reflektierend ist. mür-sen die entsprechenden Strahlenbündel an den Gitterstegen des Gitters 12 gespiegelt werden und das Streifenmuster erscheint in einer Ebene 13, die

i) ausgehend vom Gitter 11 den Lichtstrahlen folgend wieder den Abstand χ hat. In der Ebene 13 sind in diesem Beispiel vier fotoelektrische Empfänger 14, 15,

16, 17 in einem Abstand von je ,angeordnet, so daß die

(i gewonnenen elektrischen Signale um je 90" gegeneinander phasenverschoben sind. In bekannter Weise kö' aen dann durch Gegentaktsignalauswertung die keine Signalmodulation enthaltenden Signalanteile (Gleichlichtpegel) unterdrückt werden.

r. Auch diese Anordnung stellt wiederum ein echtes Zwei-Gitter-System dar. Das Gitter 11 wirkt hier beim zweiten Gitterdurchgang als Diffusor. Dadurch wird allerdings der Kontrast der Vernier-Streifen durch Beugung verschlechtert. Außerdem macht der darge-

(i stellte Strahlenverlauf deutlich, daß ein Teil der in Richtung der hellen Vernier-Streifen reflektierten Lichtanteile durch das Gitter 11 ausgeblendet wird. Der Vorteil dieser Anordnung liegt jedoch in dem etwas komp-.kteren Aufbau.

γ, Der in F i g. 3 dargestellte Aufbau geht von zwei Gittern 11 und 12' tjs. von denen der Einfa:hheit halber angenommen werden soll, daß beide gleiche Gitterkon stante besitzen. Beide Gitter haben zueinander einen Abstand a' und zwischen ihnen ist eine Linse 18 angeordnet, derei. Brennweite größer als a'ist. Diese Linse erzeugt dann durch Lupenvergrößerung ein vergrößertes Bild 12 des Maßstabgitters 12' mit einer Gitterkonstante d/u, die die optisch wirksame Gitterkonslante zur Erzeugung der Vernier-Streifen darstellt.

Μ Der Abstand a des Gitterbildes 12 zum Referenzgitter ist der optisch wirksame Abstand zur Ermittlung des Abstandes .v, in dem die Vernier-Streifen maximalen Kontrastes entstehen.

Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß durch Wahl der Brennweite der Linse 18 und über den Absland a'das wirksame Gitterkonstantenverhältnis, das für den Abstand der Vernier-Streifen verantwortlich ist, eingestellt werden kann. Das Referenzgitter kann unmittel- ■> bar auf die Linse 18 aufgedampft sein. Die Linse 18 wirkt außerdem als Feldlinse für das System und erhöht die Lichtstärke der Anordnung.

Bei der in Fig.4 dargestellten Anordnung isl zwischen der Ebene 13 und dem Referenzgilter 11 eine in Linse 19 angeordnet, und zwar zweckmäßigerweise so, daß sie gleichzeitig als Träger für das Referenzgitter dient. Aufgrund ihrer Brechkraft erzeugt sie ein verkleinertes Bild des Vernier-Slreifchniuslers in einer Ebene 13'.

Man kann auf diese Weise den Streifenabstand einem •eventuell vorgegebenen Abstand der foloelektrischen Empfänger 14, 15, 16, 17 anpassen. Da die Linse in der gezeigten Anordnung auch auf das von der Lichtquelle 10 ausgehende Beleuchtungsstrahlenbündel sammelnd wirkt, erreicht man zusätzlich eine Steigerung des Signallichtflusses.

Bei den bisher betrachteten Vernier-Streifen handelt es sich ausschließlich um reelle Streifenmuster. Tatsächlich entstehen jedoch auch noch virtuelle Streifen, wie F i g. 5 veranschaulicht.

Zum Verständnis denke man sich zunächst das aus cfo und dm bestehende Gittersystem wie in F i g. 1 ohne die Linse 19. Das System wird wiederum durch die Lichtquelle 10 im Zusammenwirken mit dem Gitter 11 jo diffus ausgeleuchtet. Ausgehend von den transparenter» Gitterstegen des Referenzgitters 11 lassen sich in Lichtrichtung gesehen divergente, auf die reflektierenden Stege des Maßstabgitters 12 gerichtete Lichtstrahlenbündel 20 auswählen, die sich in rückwärtiger Verlängerung in der Ebene 13 vereinigen. Dasselbe gilt für Strahlenbündel 21, die von den opaken Gilterstegen des Gitters 11 ausgehen. Das durch geometrische rückwärtige Verlängerung der bezeichneten Strahlenbündel in der Ebene 13 entstehende Streifenmuster erscheint für einen in Lichtrichlung blickenden Beobachter als virtuelles Vernier-Streifenmuster in einer Ebene 13" hinter dem Maßstabgitter 12, und zwar in einer Lage, die der Spiegelung der Ebene 13 an der Ebene des Gilters 12 entspricht.

Die virtuellen Streifen können nur mit Hilfe eines optischen Abbildungssystems sichtbar gemacht werden. So lange die Wegmeßeinrichtung, wie in Fig. I und 2 dargestellt, ohne abbildende Linsen arbeitet, sind die virtuellen Streifen nicht schädlich. Häufig sind aber z. B. den fotoelektrischen Empfängern Linsen vorgeschaltet, die die zu messenden Lichtflüsse auf die lichtempfindlichen Flächen fokussieren. Bei Anordnungen mit großer Schärfentiefe (Gitter mit großer Gitterkonstaiite) kommt es dann zu einer Überlagerung des reellen und des ebenfalls aufgefangenen virtuellen Streifenbildes. Beide Streifensysteme bewegen sich bei einer Relativbewegung der Gitter gegenläufig, so daß die fotoelektrische Auswertung der laufenden Streifensysleme unmöglich wird. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, entsprechend der in Fig.4 gezeigten Anordnung, die Brennweite /"der Linse 19 so zu wählen, daß virtuelle Streifenebene 13" und Brennebene zusammenfallen. Dadurch wird das virtuelle Streifenmuster nach Unendlich abgebildet und stört die Signalauswertung nicht, weil die fotoelektrischen Empfänger in der Auffangebene 13' des reellen Streifensystems angeordnet sind.

Hiereu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Foioelektrische Auflicht-Wegmeßeinrichtung mit einer Lichtquelle, einem reflektierenden Maßstabgitter, einem gegenüber diesem verschiebbaren und transparenten Referenzgitter mit vom Maßstabgitter unterschiedlicher Gitterkonstante, einem Luftabstand zwischen beiden Gittern und mit mehreren in Richtung des zu messenden Weges beabstandeten fotoelektrischen Empfängern, welche das Maßstabgitter über das Referenzgitter abtasten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei fotoelektrische Empfänger (14, 15, 16, 17) in Lichtrichtung gemessen zumindest angenähert in einem Abstand χ von dem Gitter mit der größeren optisch wirksamen Gitterkonstante entfernt angeordnet sind, für den gilt: