DE102015218539A1

DE102015218539A1 - Optische Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102015218539A1
Application number: DE102015218539.7A
Authority: DE
Inventors: Karsten Sändig
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2015-09-28
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: US20160109216A1; JP6696748B2; JP2016080692A; DE102015218539B4; US10082410B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung mehrerer phasenverschobener Abtastsignale bezüglich der Relativposition einer Abtasteinheit und einer hierzu in mindestens einer Messrichtung beweglichen Maßverkörperung. Die Phasenlagen der erzeugten phasenverschobenen Abtastsignale sind hierbei wellenlängenabhängig; die Abtasteinheit umfasst Aufspaltmittel zur wellenlängenabhängigen Trennung der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel sowie eine optoelektronische Detektoranordnung. Die Aufspaltmittel sind als asymmetrisches Interferometer ausgebildet, welches zwei Interferometerarme mit unterschiedlichen optischen Weglängen umfasst, in denen die Teilstrahlenbündel zwischen Aufspaltung und Wiedervereinigung propagieren, bevor die wiedervereinigten Teilstrahlenbündel auf die Detektoranordnung gelangen.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung, die zur hochgenauen Bestimmung der Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte geeignet ist.
STAND DER TECHNIK
Eine gattungsgemäße optische Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung verschiebungsabhängiger, phasenverschobener Abtastsignale ist aus der EP 2 765 394 A2 bekannt. Diese umfasst eine Abtasteinheit mit einem Faseroptik-Abtastkopf sowie eine hierzu in mindestens einer Messrichtung bewegliche Maßverkörperung. Der Faseroptik-Abtastkopf ist mit einer Lichtleitfaser verbunden, vor deren maßverkörperungsseitigem Ende eine Abtastplatte angeordnet ist. Am maßverkörperungsseitig abgewandten Ende der Lichtleitfaser ist eine Lichtquelle sowie eine Detektoreinrichtung mit einer Detektoranordnung vorgesehen. Über die Lichtquelle erfolgt eine breitbandige Beleuchtung bzw. Abtastung der Maßverkörperung, so dass im Fall einer Relativbewegung von Maßverkörperung und Abtasteinheit für eine bestimmte Wellenlänge sinusförmige Abtastsignale resultieren. Es liegt hier somit eine sog. wellenlängenabhängige Kodierung der Abtastsignale vor, d.h. die Phasenlagen der erzeugten phasenverschobenen Abtastsignale sind wellenlängenabhängig. Detektionsseitig muss das detektierte Licht dann in seine spektralen Bestandteile bzw. Komponenten aufgeteilt werden, um die zur Weiterverarbeitung erforderlichen phasenverschobenen, elektrischen Abtastsignale zu erzeugen. Hierzu weist die Detektoreinrichtung Aufspaltmittel zur wellenlängenabhängigen Trennung der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel auf, wobei die Aufspaltmittel ein Beugungsgitter umfassen. Die erforderliche wellenlängenabhängige Aufteilung des detektierten Lichts erfolgt in der bekannten Vorrichtung aus der EP 2 765 394 A2 somit spektrometrisch.
Die Verschiebung der Phasenlage der Abtastsignale als Funktion der Wellenlängenänderung stellt in einer derartigen optischen Positionsmesseinrichtung eine wesentliche Designgröße dar. Sie ist mindestens so groß zu dimensionieren, dass innerhalb des zur Verfügung stehenden Spektrums des Beleuchtungslichts drei um jeweils 120° (oder ggf. vier um 90°) phasenverschobene Abtastsignale gewonnen werden können. Steht also beispielsweise beleuchtungsseitig ein 30nm breites Spektrum zur Verfügung, dann ist die Dispersion der Positionsmesseinrichtung so zu wählen, dass durch eine Wellenlängenänderung von 10nm eine Phasenverschiebung von 120° entsteht. Dies heißt andererseits, dass das über die vorgesehenen Aufspaltmittel eine Auflösung von 10nm gewährleistet sein muss.
In der bekannten Vorrichtung aus der EP 2 765 394 A2 werden die Strahlenbündel, die über die Lichtleitfaser zur Detektoreinrichtung zurückgeleitet werden, zunächst über eine Kollimatorlinse zwischen der Lichtleitfaser und der Detektoreinrichtung kollimiert. Damit eine ausreichende Lichtleistung, z.B. einer LED-Lichtquelle, durch eine Lichtleitfaser übertragen werden kann, benötigt die Lichtleitfaser eine hinreichend große numerische Apertur und einen hinreichend großen Kerndurchmesser. Bedingt durch die endliche Größe des Kerndurchmessers hat das Strahlenbündel nach der Kollimation eine bestimmte Divergenz. Dieses Strahlenbündel soll anschließend durch das als Beugungsgitter ausgebildete Aufspaltmittel über unterschiedliche Ablenkungswinkel in seine spektralen Komponenten zerlegt werden. Unterschiedliche spektrale Komponenten werden jedoch nur dann mittels des Beugungsgitters aufgelöst, wenn der Ablenkungswinkelunterschied größer als die Divergenz des abzulenkenden Strahlenbündels ist. Um das erforderliche Auflösungsvermögen zu erreichen, ist also eine hinreichend kleine Divergenz erforderlich. Dazu muss die zwischen der Lichtleitfaser und der Detektoreinrichtung vorgesehene Kollimatorlinse eine ausreichend große Brennweite aufweisen. Soll kein Licht bei der Detektion verlorengehen, führt dies zu einem entsprechend großen Durchmesser der Kollimatorlinse. Damit bestimmt das erforderliche spektroskopische Auflösungsvermögen der Detektoreinrichtung die detektionsseitige Baugröße der vorgeschlagenen Positionsmesseinrichtung maßgeblich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Positionsmesseinrichtung der eingangs erläuterten Art anzugeben, die trotz hoher spektroskopischer Auflösung auf der Detektionsseite kompakt bauend ausgebildet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Die erfindungsgemäße optische Positionsmesseinrichtung dient zur Erzeugung mehrerer phasenverschobener Abtastsignale bezüglich der Relativposition einer Abtasteinheit und einer hierzu in mindestens einer Messrichtung beweglichen Maßverkörperung. Die Phasenlagen der erzeugten phasenverschobenen Abtastsignale sind wellenlängenabhängig; die Abtasteinheit umfasst Aufspaltmittel zur wellenlängenabhängigen Trennung der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel sowie eine optoelektronische Detektoranordnung. Die Aufspaltmittel sind als asymmetrisches Interferometer ausgebildet, welches zwei Interferometerarme mit unterschiedlichen optischen Weglängen umfasst, in denen die Teilstrahlenbündel zwischen Aufspaltung und Wiedervereinigung propagieren, bevor die wiedervereinigten Teilstrahlenbündel auf die Detektoranordnung gelangen.
Vorzugsweise sind die optischen Weglängen in den beiden Interferometerarmen derart gewählt, dass detektionsseitig und abtastseitig die gleichen Phasenverschiebungen pro Wellenlängenänderung resultieren.
Es ist möglich, dass das asymmetrische Interferometer als Gitterinterferometer ausgebildet ist und ein Aufspaltgitter sowie mindestens ein nachgeordnetes Umlenkgitter umfasst, wobei am Aufspaltgitter eine Aufspaltung der einfallenden Teilstrahlenbündel auf die beiden Interferometerarme erfolgt, die Teilstrahlenbündel dann in Richtung des mindestens einen Umlenkgitters propagieren, welches die Teilstrahlenbündel wieder so umlenkt, dass diese an einem Überlagerungsort zur Wiedervereinigung gelangen.
Dabei kann das Aufspaltgitter als geblaztes Gitter oder als zweistufig tiefgeätztes Gitter ausgebildet sein und eine Aufspaltung der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel in unterschiedliche Beugungsordnungen bewirken.
Mit Vorteil weist das Aufspaltgitter zwei unterschiedliche Gitterkonstanten auf, für die jeweils Beugungsordnungen mit hoher Beugungseffizienz resultieren.
Ferner ist möglich, dass das Gitterinterferometer ein oder mehrere Umlenkgitter mit mindestens zwei unterschiedlichen Gitterkonstanten umfasst und den beiden Interferometerarmen unterschiedliche Umlenkgitterbereiche auf den Umlenkgittern mit unterschiedlichen Gitterkonstanten zugeordnet sind.
Vorzugsweise ist dabei am Überlagerungsort ein Vereinigungsgitter angeordnet, dem mehrere Detektorelemente der Detektoranordnung zur Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale nachgeordnet sind.
Desweiterein ist möglich, dass am Überlagerungsort ein strukturierter Detektor der Detektoranordnung angeordnet ist, der aus einer Vielzahl periodisch angeordneter Detektorelemente besteht, über die die Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale erfolgt.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass

– die Teilstrahlenbündel senkrecht auf das Aufspaltgitter einfallen und
– das Gitterinterferometer mindestens ein Umlenkgitter umfasst, das als binäres Gitter ausgebildet ist, welches
– bei Beleuchtung unter dem Littrow-Winkel eine Beugungseffizienz > 70% in +/– 1. Beugungsordnung liefert und
– bei senkrechter Beleuchtung eine Beugungseffizienz > 70% in 0. Beugungsordnung liefert.

Ferner kann vorgesehen sein, dass

– die Teilstrahlenbündel unter einem von 90° abweichenden Winkel auf das Aufspaltgitter einfallen, wobei der Winkel derart gewählt ist, dass eine der am Aufspaltgitter resultierenden 1. Beugungsordnungen senkrecht zum Aufspaltgitter weiterpropagiert und
– das Aufspaltgitter als zweistufig tiefgeätztes Gitter ausgebildet ist, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt.

Es kann ist alternativ auch möglich, dass das asymmetrische Interferometer als Spiegelinterferometer ausgebildet ist und ein Aufspaltgitter sowie mehrere nachgeordnete Umlenkspiegel umfasst, wobei am Aufspaltgitter eine Aufspaltung der einfallenden Teilstrahlenbündel auf die beiden Interferometerarme erfolgt, die Teilstrahlenbündel dann in Richtung der Umlenkspiegel propagieren, welche die Teilstrahlenbündel derart umlenken, dass diese an einem Überlagerungsort zur Wiedervereinigung gelangen.
Dabei kann zur Einstellung eines gewünschten Gangunterschieds in mindestens einem der Interferometerarme eine planparallele Glasplatte definierter Dicke im Strahlengang eines Teilstrahlenbündels angeordnet sein.
Mit Vorteil ist dabei am Überlagerungsort ein strukturierter Detektor der Detektoranordnung angeordnet, der aus einer Vielzahl periodisch angeordneter Detektorelemente besteht, über die die Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale erfolgt, wobei der Strahlengang in den beiden Interferometerarmen und/oder die Ausrichtung des strukturierten Detektors derart gewählt ist, dass eine Normale auf den strukturierten Detektor die Winkelhalbierende zwischen den beiden darauf einfallenden Teilstrahlenbündeln darstellt.
Es ist ferner möglich, dass die Abtasteinheit einen Faseroptik-Abtastkopf umfasst, wobei im Faseroptik-Abtastkopf eine Abtastplatte vor dem maßverkörperungsseitigen Ende einer Lichtleitfaser angeordnet ist und die Aufspaltmittel, die Detektoranordnung und mindestens eine Lichtquelle am maßverkörperungsabgewandten Ende der Lichtleitfaser angeordnet sind.
Als besonders vorteilhaft erweist sich bei der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung, dass diese detektionsseitig aufgrund der alternativen Ausbildung der Aufspaltmittel sehr kompakt ausgebildet werden kann. Dies ist möglich, da zur erforderlichen Kollimation Linsen mit kurzer Brennweite verwendet werden können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit den Figuren erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigt
1 eine schematisierte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung;
2 eine schematische Teildarstellung einer ersten Variante des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung;
3 eine schematische Teildarstellung einer zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung;
4 eine schematische Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung wird nachfolgend anhand der 1 erläutert. Diese weist eine Maßverkörperung 10 und eine Abtasteinheit auf, wobei die Maßverkörperung 10 als lineare Reflexions-Maßverkörperung ausgebildet und mindestens in der angegebenen Messrichtung x relativ beweglich zur Abtasteinheit 20 mit einem Faseroptik-Abtastkopf angeordnet ist. Hierbei kann entweder die Reflexions-Maßverkörperung 10 stationär und die Abtasteinheit 20 beweglich oder die Reflexions-Maßverkörperung 10 beweglich und die Abtasteinheit 20 stationär angeordnet sein. Die Maßverkörperung 10 und die Abtasteinheit 20 sind mit zwei – nicht dargestellten – Objekten verbunden, die relativ zueinander in Messrichtung x beweglich sind und deren Relativposition zueinander zu bestimmen ist. Hierbei kann es sich etwa um zwei zueinander bewegliche Komponenten einer Maschine handeln, deren Relativposition erfasst werden muss. Über eine nachgeordnete, ebenfalls nicht dargestellte, Folgeelektronik, der die von der Positionsmesseinrichtung erzeugten positionsabhängigen Abtastsignale zugeführt werden, kann dann eine entsprechende Lage- oder Positionsregelung bzgl. dieser Komponenten erfolgen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Maßverkörperung 10 als lineares Reflexions-Phasengitter mit der Gitterkonstante TP_M ausgebildet, das im Auflicht vom Faseroptik-Abtastkopf der Abtasteinheit 20 abgetastet wird. Die Maßverkörperung 10 besteht aus periodisch in Messrichtung x angeordneten Teilungsbereichen mit unterschiedlichen phasenschiebenden Wirkungen. Die Teilungsbereiche besitzen eine rechteckige Form, wobei sich die Rechtecks-Längsachse jeweils entlang einer Richtung erstreckt, die in der Maßverkörperungsebene senkrecht zur Messrichtung x orientiert ist.
Selbstverständlich kann alternativ zur dargestellten Ausführungsform auch eine rotatorische Maßverkörperung in Form einer Radial- oder Trommelteilung in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung zum Einsatz kommen; ebenso ist es denkbar, ein Amplitudengitter an dieser Stelle einzusetzen.
Die Beleuchtung der Maßverkörperung 10 erfolgt durch die Zuführung eines Beleuchtungsstrahlenbündels über eine Lichtleitfaser 30. Hierzu ist am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser 30 eine spektral breitbandige Lichtquelle 40 angeordnet, deren Strahlung über Einkoppelmittel in Form einer Kollimatorlinse 41, eines Strahlteilers 42 und einer Einkoppellinse 43 in die Lichtleitfaser 30 eingekoppelt wird. Als geeignete Lichtquelle 40 mit einem hinreichend breitbandigen Emissionsspektrum kommt z.B. eine Infrarot-LED in Betracht, die bei einer zentralen Wellenlänge von 850nm emittiert und eine spektrale Breite von 60nm besitzt.
Am maßverkörperungs-abgewandten Ende der Lichtleitfaser 30 ist neben der Lichtquelle 40 desweiteren noch eine Detektionseinheit 50 vorgesehen, über die die Erzeugung mehrerer phasenverschobener Abtastsignale aus den zugeführten, überlagerten Teilstrahlenbündeln erfolgt. Der Detektionseinheit 50 werden die von der Maßverkörperung 10 zurückreflektierten und überlagerten Teilstrahlenbündel über die Lichtleitfaser 30 und den Strahlteiler 42 zugeführt; zum detaillierten Aufbau und der Funktionsweise der Detektionseinheit 50 sei auf die weitere Beschreibung verwiesen. Von der Detektionseinheit 50 werden die verschiebungsabhängigen Abtastsignale einer – nicht gezeigten – Folgeelektronik zugeführt, die diese zum Zwecke der Lageregelung bzw. Positionssteuerung der zueinander beweglichen Objekte nutzt.
Die verschiedenen aktiven Komponenten der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung, wie insbesondere die Lichtquelle 40 und die Detektionseinheit 50, sind demzufolge räumlich entfernt vom eigentlichen Messort angeordnet und mit diesem lediglich über die Lichtleitfaser 30 optisch gekoppelt. Derart ist zum einen die Minimierung von Störeinflüssen auf diese Komponenten gewährleistet, zum anderen kann die Abtasteinheit 20 mit dem passiven Faseroptik-Abtastkopf am Messort sehr kompakt ausgebildet werden.
Die Lichtleitfaser 30 ist vorzugsweise als Multimodefaser ausgebildet. Über diese sind sowohl die zur Beleuchtung genutzten Beleuchtungsstrahlenbündel zur Maßverkörperung 10 hin als auch die zur Detektion genutzten, überlagerten Teilstrahlenbündel von der Reflexions-Maßverkörperung 10 weg, in Richtung der Detektionseinheit 50 übertragbar.
Nachfolgend sei die Erzeugung wellenlängenabhängig kodierter, phasenverschobener Abtastsignale im ersten Ausführungsbeispiel erläutert; diese Erzeugung entspricht derjenigen, wie sie bereits aus der EP 2 765 394 A2 bekannt ist und auf die in diesem Zusammenhang ausdrücklich Bezug genommen wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die beispielhaft erläuterte Erzeugung der wellenlängenabhängig kodierten, phasenverschobenen Abtastsignale nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dies kann auch anderweitig erfolgen, beispielsweise sei hierzu auf die DE 10 2007 024 349 A1 der Anmelderin verwiesen.
Wie aus 1 ersichtlich, umfasst der Faseroptik-Abtastkopf der Abtasteinheit 20 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Abtastplatte 21, die vor dem maßverkörperungsseitigen Ende der Lichtleitfaser 30 angeordnet ist, sowie ein refraktives optisches Element in Form einer Linse 22. Die Linse 22 ist hierbei zwischen der Lichtleitfaser 30 und der Abtastplatte 21 im Faseroptik-Abtastkopf angeordnet. Über die Linse 22 wird das von der Lichtleiter-Austrittsfläche her einfallende Strahlenbündel auf dem Weg in Richtung Maßverkörperung 10 entlang der optischen Achse OA kollimiert bzw. die aus Richtung der Maßverkörperung 10 darauf einfallenden Teilstrahlenbündel wieder in die Lichtleitfaser 30 eingekoppelt bzw. auf die Lichtleitfaser-Eintrittsfläche fokussiert.
Als Abtastplatte 21 dient ein transparentes Trägersubstrat aus Glas mit der Dicke d_AP, auf dessen der Lichtleitfaser 30 zugewandten Seite (Oberseite) ein erstes Transmissionsgitter 23 mit der Gitterkonstante TP_G1 und auf der der Maßverkörperung 10 zugewandten Seite (Unterseite) ein zweites Transmissionsgitter 24 mit der Gitterkonstante TP_G2 angeordnet ist. Über das erste Transmissionsgitter 23 wird das darauf einfallende, über die Linse 22 kollimierte Strahlenbündel in mindestens zwei gebeugte Teilstrahlenbündel aufgespalten, die nach der Aufspaltung in der Abtastplatte 21 asymmetrisch in Bezug auf eine Abtastplatten-Normale weiterpropagieren; die in 1 eingezeichnete optische Achse OA stellt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa eine derartige Abtastplatten-Normale dar. Das erste Transmissionsgitter 23 ist als geblaztes Phasengitter ausgebildet, das eine maximale Beugungseffizienz in der +1. und –2. Beugungsordnung aufweist. Diese beiden Beugungsordnungen stellen somit die asymmetrisch weiterpropagierenden Teilstrahlenbündel im Abtaststrahlengang dar, die zur Erzeugung der verschiebungsabhängigen Abtastsignale genutzt werden und zwischen Aufspaltung und Wiedervereinigung unterschiedliche optische Weglängen zurücklegen.
Nach dem Durchlaufen der Abtastplatte 21 gelangen die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel auf das zweite Transmissionsgitter 24, welches an der Seite der Abtastplatte 21 angeordnet ist, die der Reflexions-Maßverkörperung 10 zugewandt ist. Das zweite Transmissionsgitter 24 bewirkt eine Ablenkung der vom ersten Transmissionsgitter 23 her einfallenden Teilstrahlenbündel dergestalt, dass nach dem Durchlaufen des zweiten Transmissionsgitters 24 die Teilstrahlenbündel dann symmetrisch in Bezug auf eine Abtastplatten-Normale zwischen der Abtastplatte 21 und der Maßverkörperung 10 weiterpropagieren. Zudem erfolgt die Ablenkung der Teilstrahlenbündel über das zweite Transmissionsgitter 24 derart, dass diese im sog. Littrow-Winkel auf die Maßverkörperung 10 einfallen. Ein Einfall der Teilstrahlenbündel auf die in diesem Ausführungsbeispiel reflektierend ausgebildete Maßverkörperung 10 unter dem Littrow-Winkel hat zur Folge, dass diese unter dem gleichen Winkel von der Maßverkörperung 10 zurück zur Abtastplatte 21 reflektiert werden, unter dem sie auf die Abtastplatte 21 einfallen. Das zweite Transmissionsgitter 24 ist ebenfalls als geblaztes Phasengitter ausgebildet; optimiert ist dieses Phasengitter in Bezug auf eine maximale Beugungseffizienz in der +1. und –1. Beugungsordnung.
Nach der Rückreflexion an der Maßverkörperung 10 durchlaufen die Teilstrahlenbündel erneut das zweite Transmissionsgitter 24 an der Unterseite der Abtastplatte 21 und propagieren in der Abtastplatte 21 wieder asymmetrisch in Bezug auf eine Abtastplatten-Normale bis zur Wiedervereinigung am ersten Transmissionsgitter 23. Am ersten Transmissionsgitter 23 an der Oberseite der Abtastplatte 21 gelangen die an diesem Transmissionsgitter in +1. und –2. Beugungsordnung aufgespaltenen Teilstrahlenbündel zur interferierenden Überlagerung. Das überlagerte Paar von Teilstrahlenbündeln propagiert dann schließlich entlang der optischen Achse OA in Richtung der Linse 22 und wird über diese in die Lichtleitfaser 30 eingekoppelt.
Wie bereits oben erwähnt, ist in der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung eine wellenlängenabhängige Kodierung der phasenverschobenen Abtastsignale vorgesehen. Dies bedeutet, dass die phasenverschobenen Abtastsignale aus Komponenten des Beleuchtungsspektrums mit unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt werden. Entscheidend hierfür ist dabei der asymmetrische Strahlengang der signalerzeugenden Teilstrahlenbündel zwischen der Aufspaltung und Wiedervereinigung am ersten Transmissionsgitter und den dadurch resultierenden unterschiedlichen optischen Weglängen, die die Teilstrahlenbündel zwischen Aufspaltung und Wiedervereinigung zurücklegen. Der asymmetrische Strahlengang in diesem Bereich des Strahlenganges bewirkt demzufolge eine wellenlängenabhängige Phasenverschiebung zwischen den aufgespaltenen Teilstrahlenbündeln.
In Bezug auf weitere Details zu dieser Variante der Erzeugung wellenlängenkodierter, phasenverschobenen Abtastsignale sei ausdrücklich auf die EP 2 765 394 A2 verwiesen.
Maßgeblich für die vorliegende Erfindung ist nunmehr eine gegenüber der EP 2 765 394 A2 vorgesehene, alternative Detektion der wellenlängenkodierten, phasenverschobenen Abtastsignale und die entsprechende Ausbildung der hierzu verwendeten Detektionseinheit 50.
Grundsätzlich umfasst die Detektionseinheit 50, die am maßverkörperungsabgewandten Ende der Lichtleitfaser 30 angeordnet ist, Aufspaltmittel 51 zur wellenlängenabhängigen Auftrennung der überlagerten Teilstrahlenbündel, die über die Lichtleitfaser 30 in Richtung Detektionseinheit 50 übertragen werden. Erfindungsgemäß ist das Aufspaltmittel 51 im Unterschied zur EP 2 765 394 A2 als asymmetrisches Interferometer ausgebildet, das zwei Interferometerarme A, B mit unterschiedlichen optischen Weglängen aufweist, in denen die Teilstrahlenbündel zwischen Aufspaltung und Wiedervereinigung propagieren, bevor die wiedervereinigten Teilstrahlenbündel auf die Detektoranordnung 53 gelangen. Dabei werden die optischen Weglängen bzw. Gangunterschiede in den beiden Interferometerarmen A, B derart gewählt, dass detektionsseitig und abtastseitig die gleichen Phasenverschiebungen pro Wellenlängenänderung resultieren.
Im vorliegenden, ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung ist das detektionsseitig vorgesehene asymmetrische Interferometer hierbei als Gitterinterferometer ausgebildet, dessen Aufbau und Funktionsweise nachfolgend im Detail erläutert werden.
Nicht in 1 dargestellt sind weitere Komponenten zur Signalverarbeitung, die ggf. in der Detektionseinheit 50 noch zusätzlich angeordnet werden können. Hierzu gehören etwa Verstärker-Bausteine, A/D-Wandler etc., über die eine weitere elektronische Verarbeitung und Aufbereitung der Abtastsignale erfolgt, bevor diese zur Weiterverarbeitung an eine nicht gezeigte Folgeelektronik übertragen werden.
In der Detektionseinheit 50 trifft das darauf einfallende Strahlenbündel bzw. das Paar von wiederüberlagerten Teilstrahlenbündeln unter dem Einfallswinkel α gegen die Gitternormale GN auf ein Aufspaltgitter 54, über das eine Aufspaltung der einfallenden Teilstrahlenbündel in die beiden Interferometerarme A, B, bzw. in zwei unterschiedliche Beugungsordnungen erfolgt. Vorzugsweise ist das Aufspaltgitter 54 als geblaztes Gitter mit den Gitterkonstanten d_1A und d_1B ausgebildet und auf eine hohe Beugungseffizienz zweier Beugungsordnungen optimiert.
Alternativ zum geblazten Gitter kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch vorgesehen werden, das Aufspaltgitter als zweistufig tiefgeätztes Gitter auszubilden, das eine Aufspaltung der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel in unterschiedliche Beugungsordnungen bzw. Interferometerarme A, B bewirkt.
In Strahlausbreitungsrichtung im Abstand z₁ vom Aufspaltgitter 54 ist mindestens ein weiteres Gitter in Form eines Umlenkgitters angeordnet, in dessen Richtung nach der Aufspaltung die Teilstrahlenbündel in den beiden Interferometerarmen A, B propagieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 ist das Umlenkgitter zweiteilig ausgebildet und umfasst zwei einzelne Umlenkgitter 55.1, 55.2 mit unterschiedlichen Gitterkonstanten d_2A, d_2B. Den beiden Interferometerarmen A, B bzw. den darin propagierenden Teilstrahlenbündeln sind somit unterschiedliche Umlenkgitterbereiche mit unterschiedlichen Gitterkonstanten d_2A, d_2B zugeordnet; im Interferometerarm A etwa ist dem darin proagierenden Teilstrahlenbündel das Umlenkgitter 55.1 mit der Gitterkonstante d_2A zugeordnet, im anderen Interferometerarm B ist das Umlenkgitter 55.2 mit der Gitterkonstante d_2B vorgesehen. Dies ist vorliegend möglich, da der Abstand z₁ hinreichend groß gewählt ist und in der Anordnungsebene der beiden Umlenkgitter 55.1, 55.2 die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel räumlich getrennt voneinander vorliegen.
Würde der Abstand z₁ kleiner gewählt und demzufolge noch keine vollständige Trennung der Bündel in der Anordnungsebene des mindestens einen Umlenkgitters vorliegen, wäre alternativ ein einzelnes Umlenkgitter vorzusehen, das in Bezug auf zwei Beugungsordnungen optimiert sein müsste. Das entsprechende Umlenkgitter müsste dann die beiden Gitterkonstanten d_2A, d_2B aufweisen bzw. umfassen.
Über die beiden Umlenkgitter 55.1, 55.2 mit unterschiedlichen Gitterkonstanten d_2A, d_2B resultiert wie aus 1 ersichtlich eine Umlenkung der beiden Teilstrahlenbündel zurück in Richtung der optischen Achse. In Strahlausbreitungsrichtung im Abstand z₂ von den beiden Umlenkgittern 55.1, 55.2 kommen die beiden Teilstrahlenbündel dann an einem Überlagerungsort wieder zur Überlappung bzw. Wiedervereinigung. In der entsprechenden Ebene ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Vereinigungsgitter 56 angeordnet, das eine Gitterkonstante d₃ besitzt. Dem Vereinigungsgitter 56 sind mehrere Detektorelemente 53.1–53.3 der optoelektronischen Detektoranordnung 53 nachgeordnet.
In den nachfolgenden Gleichungen zur Charakterisierung verschiedener wichtiger Systemparameter in der Detektionseinheit 50 werden analog zur Darstellung in der EP 2 765 394 A2 anstelle der Gitterkonstanten d_i der verschiedenen Gitter 54, 55.1, 55.2, 56 im Strahlengang der Detektionseinheit 50 jeweils deren Kehrwerte, also die k-Vektoren k_i verwendet, die richtungsabhängig sowohl positive wie auch negative Werte annehmen können. Das Aufspaltgitter 54 besitzt demzufolge die k-Vektoren k_1A, k_1B, die Umlenkgitter 55.1, 55.2 weisen die k-Vektoren k_2A, k_2B, das Vereinigungsgitter 56 besitzt den k-Vektor k₃.
Die Gitterkonstante d₃ des Vereinigungsgitters 56 ist dabei vorzugsweise derart zu wählen, dass die +1. Beugungsordnung des einen darauf einfallenden Teilstrahlenbündels bzw. Interferometerarms richtungsgleich mit der –1. Beugungsordnung des anderen Teilstrahlenbündels bzw. Interferometerarms ist. Daraus ergibt sich in der k-Vektor-Darstellung für den k-Vektor k₃ des Vereinigungsgitters 56: k₃ = 1 / 2(k_1B + k_2B – k_1A – k_2A) (Gl.1) mit

k₃:: = 1/d₃ (k-Vektor des Vereinigungsgitters)
k_1B:: = 1/d_1B (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm B)
k_2B:: = 1/d_2B (k-Vektor des Umlenkgitters für Interferometerarm B)
k_1A:: = 1/d_1A (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm A)
k_2A:: = 1/d_2A (k-Vektor des Umlenkgitters für Interferometerarm A)

Die Auftrefforte x_2A bzw. x_2B der jeweiligen Hauptstrahlen der aufgespaltenen Teilstrahlenbündel an den Umlenkgittern 55.1, 55.2 bzw. die Abstände der Auftrefforte von einer Durchlaufachse der Detektionseinheit 50 in den Interferometerarmen A, B ergeben sich folgendermaßen:
mit

x_2A:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm A von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_2B:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm B von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
z₁:: = Abstand der Aufspaltgitterebene von der Umlenkgitterebene
α:: = Einfallswinkel der Teilstrahlenbündel auf das Aufspaltgitter gegen dessen Gitternormale
λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle
k_1A:: = 1/d_1A (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm A)
k_1B:: = 1/d_1B (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm B)
n_ref1:: = Brechungsindex des Mediums zwischen dem Aufspaltgitter und den Umlenkgittern

Die Auftrefforte x_3A bzw. x_3B der jeweiligen Hauptstrahlen der aufgespaltenen Teilstrahlenbündel in den beiden Interferometerarmen A, B am Vereinigungsgitter 56 ergeben sich aus der nachfolgenden Gleichung:

x_3A:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Vereinigungsgitter im Interferometerarm A von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_3B:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Vereinigungsgitter im Interferometerarm B von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_2A:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm A von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_2B:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm B von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
z₂:: = Abstand der Umlenkgitterebene von der Vereinigungsgitterebene
α:: = Einfallswinkel der Teilstrahlenbündel auf das Aufspaltgitter gegen dessen Gitternormale
λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle
k_1B:: = 1/d_1B (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm B)
k_2B:: = 1/d_2B (k-Vektor des Umlenkgitters für Interferometerarm B)
k_1A:: = 1/d_1A (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm A)
k_2A:: = 1/d_2A (k-Vektor des Umlenkgitters für Interferometerarm A)
n_ref2:: = Brechungsindex des Mediums zwischen den Umlenkgittern und dem Vereinigungsgitter

Der Abstand z₂ zwischen den beiden Umlenkgittern 55.1, 55.2 und dem Vereinigungsgitter 56 ist hierbei so zu wählen, dass die Auftrefforte x_3A bzw. x_3B am Vereinigungsgitter 56 für beide Teilstrahlenbündel in den Interferometerarmen A, B gleich sind:
mit:

z₂:: = Abstand der Umlenkgitterebene von der Vereinigungsgitterebene
z₁:: = Abstand der Aufspaltgitterebene von der Umlenkgitterebene
x_3A:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Vereinigungsgitter im Interferometerarm A von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_3B:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Vereinigungsgitter im Interferometerarm B von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_2A:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm A von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_2B:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm B von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit

Die wellenlängenabhängige Phasendifferenz Δp(λ) zwischen den beiden Interferometerarmen A, B setzt sich aus den beiden geometrischen Weglängenunterschieden und den beiden Gitterphasendifferenzen an den Umlenkgittern 55.1, 55.2 und dem Vereinigungsgitter 56 folgendermaßen zusammen:
mit:

Δp(λ):: = wellenlängenabhängige Phasendifferenz
x_3A:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Vereinigungsgitter im Interferometerarm A von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_3B:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Vereinigungsgitter im Interferometerarm B von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_2A:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm A von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
x_2B:: = Abstand des Auftrefforts des Teilstrahlenbündels auf das Umlenkgitter im Interferometerarm B von einer Durchlaufachse durch die Detektionseinheit
z₂:: = Abstand der Umlenkgitterebene von der Vereinigungsgitterebene
z₁:: = Abstand der Aufspaltgitterebene von der Umlenkgitterebene
α:: = Einfallswinkel der Teilstrahlenbündel auf das Aufspaltgitter gegen dessen Gitternormale
λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle
k_1B:: = 1/d_1B (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm B)
k_2B:: = 1/d_2B (k-Vektor des Umlenkgitters für Interferometerarm B)
k_1A:: = 1/d_1A (k-Vektor des Aufspaltgitters für Interferometerarm A)
k_2A:: = 1/d_2A (k-Vektor des Umlenkgitters für Interferometerarm A)
n_ref1:: = Brechungsindex des Mediums zwischen dem Aufspaltgitter und den Umlenkgittern
n_ref2:: = Brechungsindex des Mediums zwischen den Umlenkgittern und dem Vereinigungsgitter

Die Phasendifferenz Δp(λ) als Funktion der Wellenlänge hat über einen bestimmten Bereich einen annähernd linearen Verlauf. Ist sie ganzzahlig, resultiert konstruktive Interferenz zwischen den wiedervereinigten Teilstrahlenbündeln; ist sie ein ungerades Vielfaches von ½, so resultiert destruktive Interferenz. Die kleinste Differenz zweier Wellenlängen, bei der konstruktive Interferenz besteht, soll nachfolgend als Dispersionsperiode Δλ bezeichnet werden. Diese sollte vorzugsweise der abtastseitigen Dispersionsperiode Δλ der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung entsprechen, da in diesem Fall dann automatisch das gesamte Spektrum zur Signalauswertung genutzt wird. Zur definierten Einstellung einer geeigneten Phasendifferenz Δp(λ) eignen sich die Abstände z₁, z₂ sowie die verschiedenen Gitterkonstanten d_i der einzelnen Gitter 54, 55.1, 55.2, 56.
Wenn die Bedingung aus der o.g. Gleichung 1 für die Gitterkonstante d₃ des Vereinigungsgitters 56 erfüllt ist, ist auch die 0. Ordnung des einen Interferometerarms A richtungsgleich mit einer +2. Ordnung des jeweils anderen Interferometerarms B. Desweiteren ist dann die –1. Beugungsordnung des Interferometerarms A richtungsgleich mit der +1. Beugungsordnung des Interferometerarms B; ferner ist die –2. Beugungsordnung des Interferoemterams A richtungsgleich mit der 0. Beugungsordnung des Interferometerarms B. Es resultieren dadurch detektionsseitig drei Kanäle, in denen die beiden Teilstrahlenbündel aus den Interferometerarme A, B mit unterschiedlicher Relativphase miteinander interferieren und über die Detektorelemente 53.1–53.3 in elektrische Signale respektive Abtastsignale umgewandelt werden. Üblicherweise liegen dann ausgangsseitig drei um 120° phasenversetzte Abtastsignale vor.
Idealerweise sind die Beugungseffizienzen der 0., 1. und 2. Beugungsordnung des Vereinigungsgitters 56 gleich und es besteht eine Phasenverschiebung von 120° zwischen der 0. und der 2. Beugungsordnung. Aus der resultierenden Phasendifferenz zwischen der 0. und der 2. Beugungsordnung herrscht in den entsprechenden Signalzweigen bzw. Kanälen konstruktive Interferenz für Wellenlängen λ +/– Δλ/3 zum zentralen Signalzweig. Durch eine, dem Vereinigungsgitter 56 nachgeordnete – nicht dargestellte – Linse und die Platzierung der Detektorelemente 53.1, 53.2, 5.33 in deren Brennebene können die drei Signalzweige für die phasenverschobene Abtastsignale mit geringem Platzbedarf räumlich voneinander getrennt werden.
In einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung kann vorgesehen werden, in der Detektionseinheit 50 anstelle des Vereinigungsgitters 56 und der Mehrzahl einzelner Detektorelemente 53.1–53.3 dem mindestens einen Umlenkgitter in der Ebene des Überlagerungsorts einen strukturierten Detektor einer Detektoranordnung anzuordnen. Dieser besteht aus einer Vielzahl periodisch angeordneter Detektorelemente, über die die Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale erfolgt. Die Detektorelemente mit beispielsweise rechteckförmigem Querschnitt sind dabei eng benachbart zueinander angeordnet und diejenigen Detektorelemente, die phasengleiche Abtastsignale erfassen, sind jeweils elektrisch miteinander verschaltet. Die Periodizität der Detektorelemente bzw. der Abstand p_struct derjenigen Detektorelemente, die jeweils miteinander verschaltet werden, beträgt dabei
mit:

p_struct:: = Periodizität der Detektorelemente
k₃:: = 1/d₃ (k-Vektor des Vereinigungsgitters)

Pro Periode des strukturierten Detektors können aus drei oder vier Detektorelementen dann drei oder vier phasenverschobene Abtastsignale gewonnen werden, aus denen in bekannter Art und Weise durch die Bildung von Linearkombinationen zwei gleichanteilfreie um 90° phasenverschobene Abtastsignale erzeugbar sind.
Eine erste Variante des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung ist in 2 in einer Teildarstellung schematisiert gezeigt. Nachfolgend seien primär die Unterschiede in der Ausbildung der Detektionseinheit 150 im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel aus 1 erläutert.
So ist hier nunmehr vorgesehen, dass die über die Linse 143 und den Strahlteiler 142 von der – in 2 nicht gezeigten – Maßverkörperung zurückreflektierten Teilstrahlenbündel in der Detektionseinheit 150 unter dem Einfallswinkel α = 0° gegen die Gitternormale GN auf das Aufspaltgitter 154 treffen, also senkrecht auf das Aufspaltgitter einfallen. Weiterhin gilt hier k_1B = 0, k_2B = 0 sowie n_ref1 = n_ref2 = n_ref. Daraus wiederum ergibt sich z₁ = z₂, k_2A = 2k_1A und k₃ = ½k_1A. Im Hinblick auf die Bedeutung dieser Größen sei auf die Definitionen in den obigen Gleichungen verwiesen.
Aus der o.g. Gleichung 5 folgt für die wellenlängenabhängige Phasenverschiebung Δp(λ) somit in dieser Variante der erfindungsgemäße optischen Positionsmesseinrichtung:
mit:

Δp(λ):: = wellenlängenabhängige Phasendifferenz
n_ref:: = Brechungsindizes der Materialien zwischen dem Aufspaltgitter, dem Umlenkgitter und dem Vereinigungsgitter
z₁:: = Abstand der Aufspaltgitterebene von der Umlenkgitterebene
λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle
k:: = 1/d₁ (k-Vektor des Aufspaltgitters)

Bei nicht zu feinen Gitterkonstanten der verschiedenen Gitter 154, 155, 156 gilt folgende Näherung:
mit:

Bei hinreichend kleiner Gitterkonstante kann das Umlenkgitter 155 in dieser Variante als binäres Gitter so optimiert werden, dass dieses eine hohe Beugungseffizienz >70% in +/– 1. Ordnung bei Beleuchtung unter dem Littrow-Winkel aufweist und gleichzeitig eine hohe Effizienz > 70% in 0. Ordnung bei senkrechter Beleuchtung besitzt. Unter dem Littrow-Winkel sei hierbei derjenige Einfallswinkel verstanden, bei dem der resultierende Beugungswinkel des gebeugt reflektierten Teilstrahlenbündels identisch zum Einfallswinkel ist, jedoch ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Auf diese Art und Weise wird der gewünschte Strahlenverlauf auch ohne vollständige Trennung der beiden Beugungsordnungen sehr effizient; gleichzeitig werden unerwünschte Beugungsordnungen stark unterdrückt. Dadurch, dass die Beugungsordnungen hier nicht räumlich voneinander getrennt werden müssen, lässt sich die Detektionseinheit 150 der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung äußerst kompakt aufbauen.
Nachfolgend sollen noch die Dimensionierungsparameter eines konkreten Ausführungsbeispiels dieser Variante der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung angegeben werden, welches eine Dispersionsperiode Δλ = 30nm besitzt; ferner wird von einem Brechungsindex n_ref = 1.5, einer Zentralwellenlänge λ = 0.85µm und einer Gitterkonstante des Aufspaltgitters 154 von 2µm also einem zugehörigen k-Vektor k_1A = 0.5µm^–1 ausgegangen. Daraus ergibt sich mit Gleichung 7 für die Abstände z₁, z₂: z₁ = z₂ = 188µm.
Mit Hilfe von Gleichung 5 kann ferner abgeschätzt werden, wie groß der Einfluss der Divergenz des Strahlenbündels auf das Signal ist, indem die Phasendifferenzen für den Divergenzwinkelbereich des auf das Aufspaltgitter einfallenden Strahlenbündel ermittelt und die Signale entsprechend aufintegriert werden. Für das genannte Dimensionierungsbeispiel ergibt sich eine Phasendifferenz von 8° bei einem Einfallswinkel α = 2° (aufgrund einer unvermeidlichen Divergenz dieses Strahlenbündels). Bei einem Divergenzwinkelbereich von ±2° wird noch ein Modulationsgrad 90% erreicht. Um z.B. bei einer Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser von 400µm eine entsprechende Divergenz zu erreichen, ist eine Brennweite der Linse 143 von nur 5.7mm erforderlich. Um die entsprechende Wellenlängenauflösung von 10nm mit einem oder ggf. zwei als Beugungsgitter ausgebildeten Aufspaltmitteln gemäß dem Stand der Technik aus der EP 2 765 394 A2 mit 800nm Periode zu erreichen, würde bei gleichem Durchmesser der Lichtleitfaser eine Linse 143 mit einer Brennweite von 27mm bzw. 13.5mm benötigt. Die erfindungsgemäße Lösung bietet also eine Möglichkeit zur signifikanten Reduzierung des erforderlichen Bauraums der Detektionseinheit 150.
Eine weitere, zweite Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung ist in 3 analog zur Darstellung der 2 in einer Teildarstellung schematisiert gezeigt. Nachfolgend seien wiederum nur die maßgeblichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel aus 1 erläutert.
Für den Einfallswinkel α gilt hier sin(α)=λ k_1B; weiterhin ist vorgesehen k_1B = –k_1A = ¼k_2A, k_2B = 0 und n_ref1 = n_ref2 = n_ref.
Daraus folgt wiederum z₁ = z₂ und k₃ = k_1A. Der resultierende Strahlengang ähnelt stark demjenigen der vorhergehend erläuterten Variante. Das Aufspaltgitter 254 besitzt die halbe Gitterkonstante im Vergleich zur vorhergehend erläuterten Variante und wird so beleuchtet, dass eine der beiden ersten Beugungsordnungen bei Beleuchtung mit der Zentralwellenlänge senkrecht zur Gitterebene weiterpropagiert. Das Aufspaltgitter 254 ist so auszulegen, dass die 0. Beugungsordnung möglichst unterdrückt wird. Der Vorteil gegenüber der vorherigen Variante besteht darin, dass das Aufspaltgitter 254 nicht als geblaztes Gitter ausgebildet werden muss, sondern z.B. als einfacher zu fertigendes zweistufig tiefgeätztes Gitter ausgebildet werden kann.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung sei abschließend anhand der 4 erläutert, die i.w. wiederum schematisiert die Ausgestaltung der Detektionseinheit 350 zeigt.
Das in der Detektionseinheit 350 vorgesehene asymmetrische Interferometer ist nunmehr als Spiegelinterferometer ausgebildet, welches ein Aufspaltgitter 354 sowie mehrere nachgeordnete Umlenkspiegel 355.1–355.3 umfasst. Am Aufspaltgitter 354 erfolgt eine Aufspaltung der einfallenden Teilstrahlenbündel auf die beiden Interferometerarme A, B; die aufgespaltenen Teilstrahlenbündel propagieren dann in Richtung der in den beiden Interferometerarmen A, B platzierten Umlenkspiegel 355.1 bzw. 355.2, 355.3, welche die Teilstrahlenbündel derart umlenken, dass diese an einem Überlagerungsort zur Wiedervereinigung gelangen.
Um die gewünschte Dispersionsperiode Δλ zu erhalten, muss zwischen den beiden Interferometerarmen A, B ein Weglängenunterschied Δx eingestellt werden. Es gilt hierfür folgende Gleichung 9:
mit:

Δx:: = Weglängenunterschied zwischen den beiden Interferometerarmen
a₁:: = Abstand des Aufspaltgitters zum ersten Umlenkspiegel im Interferometerarm A
a₂:: = Abstand des ersten Umlenkspiegels zum zweiten Umlenkspiegel im Interferometerarm A
a₃:: = Abstand des zweiten Umlenkspiegels zum Überlagerungsort im Interferometerarm A
b₁:: = Abstand des Aufspaltgitters zum ersten Umlenkspiegel im Interferometerarm B
b₂:: = Abstand des ersten Umlenkspiegels zum Überlagerungsort im Interferometerarm B
λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle

Der Gang- bzw. Weglängenunterschied Δx kann auch dadurch eingestellt werden, indem wie im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, in einen der beiden Interferometerarme A, B bzw. Teilstrahlenbündel eine planparallele Glasplatte 359 mit der definierten Dicke d_Glas und dem Brechungsindex n_ref eingebracht wird. Entsprechend gilt dann für den Gangunterschied Δx:
mit:

Δx:: = Weglängenunterschied zwischen den beiden Interferometerarmen
a₁:: = Abstand des Aufspaltgitters zum ersten Umlenkspiegel im Interferometerarm A
a₂:: = Abstand des ersten Umlenkspiegels zum zweiten Umlenkspiegel im Interferometerarm A
a₃:: = Abstand des zweiten Umlenkspiegels zum Überlagerungsort im Interferometerarm A
b₁:: = Abstand des Aufspaltgitters zum ersten Umlenkspiegel im Interferometerarm B
b₂:: = Abstand des ersten Umlenkspiegels zum Überlagerungsort im Interferometerarm B
λ:: = Wellenlänge der Lichtquelle
d_Glas:: = Dicke der Glasplatte
n_ref:: = Brechungsindex der Glasplatte

Am Überlagerungsort, an dem die Teilstrahlenbündel aus den beiden Interferometerarmen A, B unter dem Winkel β wieder zusammentreffen, ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Detektoranordnung 353 in Form eines strukturierten Detektors angeordnet, der aus einer Vielzahl periodisch angeordneter Detektorelemente besteht, über die die Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale erfolgt. Der Strahlengang in den beiden Interferometerarmen A, B wird hierbei über die verschiedenen Umlenkspiegel 355.1–355.3 derart geführt, dass eine Normale auf den strukturierten Detektor der Detektoranordnung 353 die Winkelhalbierende zwischen den beiden darauf einfallenden Teilstrahlenbündeln darstellt. In der Detektionsebene bzw. auf dem strukturierten Detektor resultiert dann ein Streifenmuster mit der Periodizität λ/sin(β). Die Periodizität des strukturierten Detektors ist entsprechend zu wählen.
Neben den konkret beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. entsprechenden Varianten der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2765394 A2 [0002, 0002, 0004, 0036, 0042, 0043, 0044, 0052, 0069]
DE 102007024349 A1 [0036]

Claims

Optische Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung mehrerer phasenverschobener Abtastsignale bezüglich der Relativposition einer Abtasteinheit und einer hierzu in mindestens einer Messrichtung beweglichen Maßverkörperung, wobei die Phasenlagen der erzeugten phasenverschobenen Abtastsignale wellenlängenabhängig sind und die Abtasteinheit Aufspaltmittel zur wellenlängenabhängigen Trennung der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel sowie eine optoelektronische Detektoranordnung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufspaltmittel (51; 151; 251; 351) als asymmetrisches Interferometer ausgebildet sind, welches zwei Interferometerarme (A, B) mit unterschiedlichen optischen Weglängen umfasst, in denen die Teilstrahlenbündel zwischen Aufspaltung und Wiedervereinigung propagieren, bevor die wiedervereinigten Teilstrahlenbündel auf die Detektoranordnung (53; 153; 253; 353) gelangen.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Weglängen in den beiden Interferometerarmen (A, B) derart gewählt sind, dass detektionsseitig und abtastseitig die gleichen Phasenverschiebungen (Δp) pro Wellenlängenänderung resultieren.
Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das asymmetrische Interferometer als Gitterinterferometer ausgebildet ist und ein Aufspaltgitter (54; 154; 254) sowie mindestens ein nachgeordnetes Umlenkgitter (55.1, 55.2; 155; 255) umfasst, wobei am Aufspaltgitter (54; 154; 254) eine Aufspaltung der einfallenden Teilstrahlenbündel auf die beiden Interferometerarme (A, B) erfolgt, die Teilstrahlenbündel dann in Richtung des mindestens einen Umlenkgitters (55.1, 55.2; 155; 255) propagieren, welches die Teilstrahlenbündel wieder so umlenkt, dass diese an einem Überlagerungsort zur Wiedervereinigung gelangen.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspaltgitter (54; 154; 254) als geblaztes Gitter oder als zweistufig tiefgeätztes Gitter ausgebildet ist und eine Aufspaltung der darauf einfallenden Teilstrahlenbündel in unterschiedliche Beugungsordnungen bewirkt.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspaltgitter (54; 154; 254) zwei unterschiedliche Gitterkonstanten (d_1A, d_1B) aufweist, für die jeweils Beugungsordnungen mit hoher Beugungseffizienz resultieren.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gitterinterferometer ein oder mehrere Umlenkgitter (55.1, 55.2; 155; 255) mit mindestens zwei unterschiedlichen Gitterkonstanten (d_2A, d_2B) umfasst und den beiden Interferometerarmen (A, B) unterschiedliche Umlenkgitterbereiche auf den Umlenkgittern (55.1, 55.2; 155; 255) mit unterschiedlichen Gitterkonstanten (d_2A, d_2B) zugeordnet sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Überlagerungsort ein Vereinigungsgitter (56; 156; 256) angeordnet ist, dem mehrere Detektorelemente (53.1–53.3; 153.1–153.3; 253.1–253.3) der Detektoranordnung (53; 153; 253) zur Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale nachgeordnet sind.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Überlagerungsort ein strukturierter Detektor der Detektoranordnung (53; 153; 253) angeordnet ist, der aus einer Vielzahl periodisch angeordneter Detektorelemente besteht, über die die Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale erfolgt.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Teilstrahlenbündel senkrecht auf das Aufspaltgitter (154) einfallen und – das Gitterinterferometer mindestens ein Umlenkgitter (155) umfasst, das als binäres Gitter ausgebildet ist, welches – bei Beleuchtung unter dem Littrow-Winkel eine Beugungseffizienz > 70% in +/– 1. Beugungsordnung liefert und – bei senkrechter Beleuchtung eine Beugungseffizienz > 70% in 0. Beugungsordnung liefert.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Teilstrahlenbündel unter einem von 90° abweichenden Winkel auf das Aufspaltgitter (254) einfallen, wobei der Winkel derart gewählt ist, dass eine der am Aufspaltgitter (254) resultierenden 1. Beugungsordnungen senkrecht zum Aufspaltgitter (254) weiterpropagiert und – das Aufspaltgitter (254) als zweistufig tiefgeätztes Gitter ausgebildet ist, welches die 0. Beugungsordnung unterdrückt.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das asymmetrische Interferometer (351) als Spiegelinterferometer ausgebildet ist und ein Aufspaltgitter (354) sowie mehrere nachgeordnete Umlenkspiegel (355.1–355.3) umfasst, wobei am Aufspaltgitter (354) eine Aufspaltung der einfallenden Teilstrahlenbündel auf die beiden Interferometerarme (A, B) erfolgt, die Teilstrahlenbündel dann in Richtung der Umlenkspiegel (355.1–355.3) propagieren, welche die Teilstrahlenbündel derart umlenken, dass diese an einem Überlagerungsort zur Wiedervereinigung gelangen.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung eines gewünschten Gangunterschieds in mindestens einem der Interferometerarme (A, B) eine planparallele Glasplatte (359) definierter Dicke (d_Glas) im Strahlengang eines Teilstrahlenbündels angeordnet ist.
Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Überlagerungsort ein strukturierter Detektor der Detektoranordnung (353) angeordnet ist, der aus einer Vielzahl periodisch angeordneter Detektorelemente besteht, über die die Erfassung der phasenverschobenen Abtastsignale erfolgt, wobei der Strahlengang in den beiden Interferometerarmen (A, B) und/oder die Ausrichtung des strukturierten Detektors derart gewählt ist, dass eine Normale auf den strukturierten Detektor die Winkelhalbierende zwischen den beiden darauf einfallenden Teilstrahlenbündeln darstellt.
Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit (20) einen Faseroptik-Abtastkopf umfasst, wobei im Faseroptik-Abtastkopf eine Abtastplatte (21) vor dem maßverkörperungsseitigen Ende einer Lichtleitfaser (30) angeordnet ist und die Aufspaltmittel (51; 151; 251; 351), die Detektoranordnung (53; 153; 253; 353) und mindestens eine Lichtquelle (40; 140; 240; 340) am maßverkörperungsabgewandten Ende der Lichtleitfaser (30) angeordnet sind.