DE3702314C1 - Lichtelektrische Messeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektri­ sche Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

In den letzten Jahren hat auf dem Gebiet der Geschwin­ digkeits- und Positionsmessung die Weiterentwicklung von Meßinstrumenten erhebliche Fortschritte gemacht, und es wurden für Verfahrensabläufe und Prüfzwecke Meßgeräte entwickelt, die unter Verwendung elektro­ nischer Schaltungen auf dem Einsatz von Licht, Magne­ tismus und dergleichen beruhen. Geräte, bei denen zum Messen Licht eingesetzt wird, sind als Lichtwellen- Interferenzmeßgeräte bekannt, bei denen die Wellen­ länge von Laserlicht als Bezugsgröße herangezogen wird. Die Genauigkeit dieser Meßgeräte erfüllt in ausreichendem Maße die Erfordernisse der heutigen industriellen Technik, jedoch läßt sich in vielen Fällen sagen, daß die erzielbare hohe Genauig­ keit einen großen wirtschaftlichen Aufwand erfordern würde.

Als Beispiel für ein Meßgerät, bei dem eine Be­ leuchtungseinrichtung und ein Empfänger auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind, sei die DE-OS 34 27 947 genannt.

Bei einer Werkzeugmaschine beispielsweise ist ein Meßgerät erforderlich, dessen mittlere Genauigkeit zwischen der Genauigkeit von Lichtwellen-Interfe­ renzmeßgeräten und der Genauigkeit von magnetischen Meßsystemen liegt, so daß ein optisches Beugungs­ gitter eingesetzt werden kann, dessen Gitterkonstante in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegt. Ein solches Meßgerät stellt einen Kompromiß zwischen erforderlicher Genauigkeit und vertretbaren Kosten dar. In der DE-OS 33 16 144 und der JP-OS 59-1 64 914 werden derartige Geräte beschrieben.

Bei derartigen Geräten stellt das Beugungsgitter das Bezugsmaß dar. Ein Beugungsgitter besteht aus sehr dün­ nen Gitterlinien, die dicht nebeneinander liegend auf einer Glas- oder Metallplatte durch mechanische Bear­ beitung, ein optisches Lithographieverfahren, Elektro­ nenstrahllithographie oder dergleichen ausgebildet sind. Ferner sind vorgesehen: eine Lichtquelle, die monochro­ matisches Licht aussendet, beispielsweise Laserlicht, zwei Reflektrospiegel und der auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Lichtquelle befindliche Detektor, der Interferenzlicht empfängt. Der von der Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl wird von dem Beu­ gungsgitter gebeugt und hindurchgelassen. Ein von dem Beugungsgitter gebeugter Lichtstrahl stellt Beugungs­ licht (ein Beugungslichtbündel) der N-ten Gattung dar, und unter dem Einfluß des Beugungsgitters erhält man in der Wellenfront des Lichts einen Wert N _ρ , bei dem es sich um das Produkt der Ordnungszahl und der Phase handelt. Der Lichtstrahl hingegen, der geradlinig durch das Beugungsgitter läuft, enthält keine Phaseninforma­ tion. Die beiden Lichtstrahlen werden von den Reflektor­ spiegeln reflektiert und laufen entlang des Hinwegs zu­ rück, um erneut in das Beugungsgitter einzutreten und von diesem gebeugt und hindurchgelassen zu werden. Das hindurchgelassene Licht des einen Lichtstrahls und das gebeugte Licht N-ter Ordnung des anderen Lichtstrahls werden räumlich selektiert, interferieren miteinander und treten in einen Detektor ein. Nun wird in dem ge­ beugten Licht N-ter Ordnung des zweiten Lichtstrahls der Wert -N _ρ des entgegengesetzten Vorzeichens durch die Phase des Beugungsgitters erhalten, während in dem durchgelassenen Licht des ersten Lichtstrahls nur die zuvor entstandene Phase N _ρ vorhanden ist, so daß das Interferenzlicht 2N _ρ entspricht, was dem doppelten Betrag der Phase des Beugungsgitters entspricht. Wenn man nun also annimmt, daß das Beugungsgitter bezüglich einem anderen Teil des optischen Systems, beispiels­ weise bezüglich der Lichtquelle und den Reflektorspie­ geln relativ bewegt wird, so bewegt sich das Interfe­ renzlicht über 2N Perioden, wenn sich das Beugungsgit­ ter über eine Periode bewegt.

Bei einer weiteren bekannten Anordnung wird der von der Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahl von dem Beu­ gungsgitter gebeugt, und Lichtbündel derselben Ord­ nung mit unterschiedlichen Vorzeichen überlappen sich und interferieren miteinander, indem ein halbdurch­ lässiger Spiegel oder dergleichen vorgesehen wird, bevor das Licht in den Detektor eintritt. In diesem Fall erhält man aufgrund der Phase des Beugungsgit­ ters in den gebeugten Lichtstrahlen die Größen N _ρ und -N _p , wobei N die Beugungs-Ordnungszahl ist, so daß man das Interferenzlicht 2N _S erhält, also einen Betrag, der doppelt so groß ist wie die Phase des Beu­ gungsgitters. Nimmt man also wieder an, daß das Beu­ gungsgitter und ein anderer Teil des optischen Systems relativ zueinander bewegt werden, wie es bereits oben erläutert wurde, so bewegt sich das Interferenzlicht über 2N Perioden, während sich das Beugungsgitter über eine Periode bewegt.

Um die beschriebene optische Anordnung auf kleinem Raum unterbringen zu können, ist es notwendig, die Winkel der Lichtstrahlen bezüglich des Beugungsgit­ ters auszugleichen. Wenn in diesem Fall jedoch die relative Lage des optischen Systems bezüglich des Beugungsgitters in Richtung der Gitterlinien des Beu­ gungsgitters verschoben wird, erfolgt eine Phasenän­ derung, die derjenigen Phasenänderung ähnlich ist, die auftritt, wenn die Relativbewegung senkrecht zur Ebene des Beugungsgitters erfolgt, so daß die Meßge­ nauigkeit klein ist. Tritt der Lichtstrahl senkrecht ein, so wird der oben erläuterte Nachteil vermieden, jedoch wird das optische System sehr umfangreich, so daß relativ viel Platz zur Verfügung stehen muß.

Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 36 25 327.8-82 ist eine Positionsmeßrichtung be­ kannt, die einfach im Aufbau ist und bei der Störun­ gen durch Umgebungseinflüsse weitgehend ausgeschal­ tet sind, so daß sich eine zuverlässige Arbeitswei­ se ergibt.

Die Vorteile des Gegenstandes der vorgenannten Pa­ tentanmeldung sind die kompakte Bauweise, die Inte­ grationsfähigkeit und die Störsicherheit gegenüber Umgebungseinflüssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung der genannten Gattung die Bausteine so auszugestalten, daß sich ein höherer Integrations­ grad ergibt.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die in den Unter­ ansprüchen angegebenen Merkmale gestalten in ganz be­ sonders vorteilhafter Weise die Meßeinrichtungen ge­ mäß Anspruch 1 aus.

Die Erfindung soll nachstehend mit Hilfe von Aus­ führungsbeispielen anhand der Zeichnungen noch nä­ her erläutert werden. An dieser Stelle muß ausdrück­ lich darauf hingewiesen werden, daß bei den Darstel­ lungen die geometrischen Zuordnungen nicht maßstäb­ lich, sondern übertrieben verzerrt abgebildet sind, damit die Unterschiede mit bloßem Auge wahrnehmbar sind. Der Fachmann auf dem Gebiet der integrierten Optik wird in Kenntnis der Erfindung die Dimensio­ nierungen und Lagezuordnungen ohne weiteres in die Praxis umsetzen können. Aus den vorstehenden Grün­ den können auch die Strahlenverläufe und die Beu­ gungsgitter nicht optisch korrekt, sondern nur sym­ bolisch dargestellt werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Meßeinrichtung mit inte­ griertem Halbleiterlaser-Baustein,

Fig. 2 eine Meßeinrichtung mit integrier­ tem Halbleiterlaser-Baustein und planarer Mikrolinse,

Fig. 3 eine Meßeinrichtung mit integrier­ tem Halbleiterlaser-Baustein und Wellenleiterlinse,

Fig. 4 eine Meßeinrichtung mit integrier­ tem Halbleiterlaser-Baustein und kollimierendem Auskoppelgitter.

Bei einer in der Fig. 1 dargestellten Positionsmeß­ einrichtung ist ein Beugungsgitter G′ vorgesehen, dessen Position relativ zum Substrat S′ gemessen wer­ den soll.

Die Strahlung eines Halbleiterlasers L′ wird am Beu­ gungsgitter G′ gebeugt und es entstehen Teilstrahlen­ bündel +m′ und -m′ von gleicher Ordnung, aber entge­ gengesetztem Vorzeichen. Der Halbleiterlaser L′ ist erfindungsgemäß Bestandteil einer integrierten opti­ schen Schaltung und somit auf dem Substrat S′ ange­ ordnet.

Die Teilstrahlbündel +m′ und -m′ fallen auf das Sub­ strat S′. Auf dem Substrat S′ befinden sich zwei Ein­ koppelelemente +H′ und -H′, zwei Lichtwellenleiter +LWL′ und -LWL′, ein Koppler TBJ′ sowie drei Detek­ toren +D′, D′, -D′. Im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel sind diese Elemente in Form einer integrierten optischen Schaltung auf dem Substrat S′ zusammenge­ faßt, die auch den Halbleiterlaser L′ und eine nicht darstellbare Auswerteelektronik nebst Anzeige umfaßt.

Die Einkoppelelemente +H′ und -H′ sind in Form von sogenannten adibatishen Hörnern aufgebaut. Die Ein­ koppelelemente +H′ und -H′ sind quer zur Bewegungs­ richtung des Beugungsgitters G′ orientiert. Die Ein­ koppelelemente +H′ und -H′ weisen Einkoppelgitter +HG′ und -HG′ auf. Die Gitterkonstanten der Einkoppel­ gitter +HG′ und -HG′ und ihre Orientierung richten sich nach den Einkoppelbedingungen der gebeugten Teilstrahlenbündel +m′ und -m′.

Der Koppler TBJ′ kann so ausgelegt werden, daß an sei­ nen drei Ausgängen zueinander phasenverschobene Signa­ le entstehen. Die Signale können zueinander jeweils um 120° phasenverschoben sein, es können aber auch an zwei Ausgängen Signale entstehen, die eine Sinus- bzw. Cosinus-Funktion repräsentieren, wobei am dritten Ausgang ein Referenzsignal ansteht. Die Signale an den Ausgängen werden wiederum mittels Lichtwellen­ leitern zu Detektoren +D′, D′, -D′ geleitet, von de­ nen sie in elektrische Signale umgewandelt und einer elektronischen Auswerteschaltung zugeführt werden, die Bestandteil der integrierten optischen Schaltung ist, aber nicht dargestellt werden kann.

Der Strahlungsquelle L′ kann eine planare Linse GL′ zugeordnet sein. Unter planaren Linsen sind planare Gradientenindex Linsen (siehe Applied Optics, Vol. 25, No. 19, Oktober 86, Seiten 3388-3396 und Naumann, Helmut: Bauelemente der Optik: Taschenbuch für Kon­ strukteure/H. Naumann; G. Schröder - 4. überarb. u. erw. Ausg., München; Wien: Hanser, 1983, Seiten 545 -548) oder planare Fresnellinsen oder Zonenlinsen zu verstehen.

Eine derartige Variante ist in Fig. 2 dargestellt. Um nicht unnötig zu verwirren, werden für gleiche Bauelemente in den verschiedenen Figuren die glei­ chen Bezugszeichen verwendet. Nur für die jeweils ab­ weichenden Bauteile sind neue Bezugszeichen einge­ führt.

In Fig. 3 ist der Halbleiterlaser L′ auf dem Sub­ strat S′ integriert, dessen Strahlung mittels einer Wellenleiterlinse WL′ und einem Auskoppelgitter AG′ auf das Beugungsgitter G′ gelenkt wird. Eine solche Wellenleiterlinse ist beispielsweise in der Druck­ schrift "Laser und Optoelektronik" Nr. 4/1986, Seite 331, beschrieben.

Schließlich ist in Fig. 4 ein integrierter Laser L′ gezeigt, dessen Strahlung mit Hilfe eines kollimie­ renden Auskoppelgitters KAG′ auf das Beugungsgitter G′ gerichtet wird.

Kollimierende Auskoppelgitter sind in integrierten optischen Schaltungen beispielsweise aus der Technik der interferometrischen Längenmessung bekannt (siehe Veröffentlichung "INTEGRATED-OPTIC SENSORS USING GRATING COMPONENTS", Seite 174, von S. URA, T. SUHARA und H. NISHIHARA auf der 4th INTERNATIONAL CONFERENCE ON OPTICAL FIBER SENSORS; in Tokyo, Japan, Oktober 1986).

Die Verschiebebewegungen des Beugungsgitters G′ wer­ den so zu im allgemeinen digital angezeigten Positi­ ons- oder Geschwindigkeitsmeßwerten für die zu mes­ sende Maschinenbewegung umgeformt. Falls keine Bewe­ gungsrichtung erkannt werden muß - wie beispiels­ weise bei Geschwindigkeitsmessern - kann die Er­ zeugung von phasenverschobenen Signalen entfallen.

Claims (5)

1. Lichtelektrische Meßeinrichtung mit einer Beleuch­ tungseinrichtung und wenigstens einem quer zur Strahlrichtung der vorgenannten Beleuchtungsein­ richtung verschiebbaren Beugungsgitter zum Erzeu­ gen von mindestens zwei gebeugten Teilstrahlen­ bündeln, die mittels zwei Einkoppelelementen in zwei Lichtwellenleiter eingekoppelt, zwei Eingän­ gen eines Kopplers zugeführt, im Koppler zur In­ terferenz gebracht und von wenigstens einem Detek­ tor in wenigstens ein elektrisches Signal umgewan­ delt werden, bei der die Einkoppelelemente, die Lichtwellenleiter, der Koppler und der wenigstens eine Detektor in Form einer integrierten optischen Schaltung auf einem Substrat zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die intergrierte opti­ sche Schaltung auch die Beleuchtungseinrichtung (L′) beinhaltet.

2. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein­ richtung ein Halbleiterlaser (L′) ist.

3. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein­ richtung eine planare Linse (GL′) aufweist, die ebenfalls als Baustein der integrierten optischen Schaltung auf dem Substrat (S′) angeordnet ist.

4. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein­ richtung eine Wellenleiterlinse (WL′) und ein Auskoppelgitter (AG′) aufweist, die als Baustei­ ne der integrierten optischen Schaltung auf dem Substrat (S′) angeordnet sind.

5. Lichtelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsein­ richtung ein kollimierendes Auskoppelgitter (KAG′) aufweist, das als Baustein der integrierten opti­ schen Schaltung auf dem Substrat (S′) angeordnet ist.