DE3923768C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Versetzungsmeßgerät
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Meßgeber der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
angegebenen Art, der in der JP-OS 63-75 518 beschrieben
ist, ist in Fig. 1A gezeigt. Ein monochromatisches
paralleles Strahlenbündel aus einer
Beleuchtungsvorrichtung 1 wird durch einen Strahlenteiler
2 in zwei Strahlenbündel a und b aufgeteilt, die jeweils
unter einem bestimmten Winkel R1 auf Zielpunkte P und Q
an einem Beugungsgitter 5 fallen; ein an dem Punkt P in
+1ter Ordnung gebeugter Beugungsstrahl und ein an dem
Punkt Q in -1ter Ordnung gebeugter Beugungsstrahl werden
jeweils an Punkten M1 und M2 an einer Spiegelfläche 51
reflektiert, die durch Aufdampfen eines Metallfilms oder
dergleichen auf der Rückseite einer Glas-Skalenplatte 50
ausgebildet ist, auf deren Oberfläche das Beugungsgitter
5 gebildet ist, und kehren unter einem Winkel R2 zu einem
Punkt R an dem Beugungsgitter 5 zurück. Der an dem Punkt
P in +1ter Ordnung gebeugte Beugungsstrahl wird an dem
Beugungsgitter 5 wiederum in +1ter Ordnung gebeugt und
der an dem Punkt Q in -1ter Ordnung gebeugte
Beugungsstrahl wird an dem Beugungsgitter 5 wieder in
-1ter Ordnung gebeugt. Diese nochmals in ±1ter Ordnung
gebeugten Strahlen sind auf ihren optischen Wegen
einander überlagert und treten senkrecht aus dem
Beugungsgitter 5 aus, wonach sie als
Interferenzlichtstrahlen über eine
Viertelwellenlängenplatte 9, einen
Polarisationsstrahlenteiler 12 und Polarisierplatten 11A
und 11B zu Aufnahmevorrichtungen 8A und 8B gelangen.
Fig. 1B zeigt einen in der US-PS 46 76 645 beschriebenen
Meßgeber. Ein von einer Lichtquelle 1 abgegebener
monochromatischer Parallel-Lichtstrahl wird durch einen
Strahlenteiler 2 in zwei Strahlenbündel a und b
aufgeteilt, die jeweils unter einem bestimmten Winkel R1
aus einander entgegengesetzten Richtungen auf Zielpunkte
P und Q an einem Beugungsgitter 5 auftreffen. Ein an dem
Punkt P in +1ter Ordnung gebeugter Beugungsstrahl und ein
an dem Punkt Q in -1ter Ordnung gebeugter Beugungsstrahl
werden jeweils an Spiegeln M1 und M2 derart reflektiert,
daß sie auf dem gleichen optischen Weg zu dem
Beugungsgitter 5 zurückkehren, an dem sie unter einem
Winkel R2 auf die Punkte P und Q auftreffen und erneut
gebeugt werden. Die an den Punkten P und Q an dem
Beugungsgitter 5 wiederum in ±1ter Ordnung gebeugten
Strahlen kehren entlang den ursprünglichen optischen
Wegen zurück und werden durch den Strahlenteiler 2
einander überlagert, wonach sie als
Interferenzlichtstrahl auf einen Lichtempfangssensor 8
fallen.
In diesen Meßgebern nach dem Stand der Technik ist der
optische Weg bis zum erneuten Beugen des in +1ter Ordnung
gebeugten Beugungsstrahls von dem optischen Weg bis zum
erneuten Beugen des in -1ter Ordnung gebeugten
Beugungsstrahls verschieden. Wenn eine Skala mit einem
auf einem Glassubstrat ausgebildeten Beugungsgitter
verwendet wird und die Dicke und der Brechungsindex des
Glassubstrats ungleichmäßig sind, ändert sich die
Differenz zwischen den Längen der optischen Wege des in
+1ter Ordnung gebeugten Lichts und des in -1ter Ordnung
gebeugten Lichts entsprechend der Meßstelle an der Skala.
Infolgedessen tritt zwischen den die optischen Wege
durchlaufenden Beugungsstrahlen eine Phasenänderung auf,
die einen Meßfehler hervorruft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Versetzungsmeßgerät der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzubilden,
daß eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1
angegebenen Maßnahmen gelöst.
Dabei werden die von mindestens einem einzelnen
Strahlenbündel (a; a, b) an dem Beugungsgitter (5)
erzeugten ersten und zweiten Beugungsstrahlen (-1a, +1a;
-1a, +1b) mittels des optischen Systems (6, 7) derart
weitergeleitet, daß sie vor dem erneuten Beugen am
Beugungsgitter (5) einen gemeinsamen Weg durchlaufen.
Auf diese Weise ist es möglich, daß von dem
Beugungsstrahlen gleiche Wege durchlaufen werden, wodurch
eine sehr präzise Versetzungsmessung auch bei einem
inhomogenen Glassubstrat möglich ist.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung dargelegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1A und 1B Meßgeber nach dem Stand
der Technik,
Fig. 2 den Aufbau des Versetzungsmeßge
räts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 veranschaulichend den Einfluß einer Ände
rung der Wellenlänge des Lichts aus einer Lichtquelle auf
die Messung bei dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 den Aufbau des Versetzungsmeßge
räts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 veranschaulichend den Einfluß einer Ände
rung der Wellenlänge des Lichts aus einer Lichtquelle bei
dem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 und 7 jeweilige Aufbauten in denen
statt der Beugungsgitter
Reflexions-Beugungsgitter verwendet wer
den,
Fig. 8 bis 10 Abwandlungsformen des
ersten und zweiten Ausführungsbeispiels und
Fig. 11 die Gestaltung eines Drehmeßge
bers, der mit zwei Sätzen von in Fig. 10 gezeigten optischen
Systemen aufgebaut ist.
Das Versetzungsmeßgerät wird nachstehend ausführlich be
schrieben, wobei zur deutlichen Unterscheidung der Arten von
an einem Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen in der
Zeichnung und der Beschreibung folgende Bezeichnungen ge
wählt werden:
- (1) -1a: Ein durch ein Beugungsgitter einmalig in -1ter Ordnung gebeugter Beugungsstrahl a.
- (2) -1×2a: Der durch das Beugungsgitter nochmals in -1ter Ordnung gebeugte Strahl -1a.
- (3) +1b: Ein einmalig durch das Beugungsgitter in +1ter Ordnung gebeugter Beugungsstrahl b.
- (4) +1×2b: Der durch das Beugungsgitter nochmals in +1ter Ordnung gebeugte Strahl +1b.
- (5) +1a: Ein einmalig durch das Beugungsgitter in +1ter Ordnung gebeugter Beugungsstrahl a.
- (6) +1×2a: Ein durch das Beugungsgitter nochmals in +1ter Ordnung gebeugter Strahl +1a.
Die Fig. 2 und 3 sind schematische Ansichten, die ein erstes
Ausführungsbeispiel des Versetzungsmeßgeräts zeigen.
Gemäß Fig. 2 und 3 wirkt als optische Skala ein Beugungsgit
ter 5, das ein Amplituden-Beugungsgitter ist, welches durch
Aufdampfen von Chrom oder dergleichen in Form eines Gitter
musters auf ein Glassubstrat gebildet wird. Diese Skala wird
an einem zu überwachenden Objekt wie einem bewegbaren Tisch
angebracht und in der in den Figuren durch Pfeile darge
stellten Richtungen versetzt. Infolgedessen wird das Verset
zungsmeßgerät gemäß den Fig. 2 und 3 als Linear-Meßgeber
eingesetzt.
Nach Fig. 2 wird ein Lichtstrahl aus einer monochromatischen
Beleuchtungsvorrichtung 1 (z.B. einem Halbleiterlaser), die einen kohä
renten Lichtstrahl abgibt, durch einen Strahlenteiler 2 in
zwei Strahlenbündel a, b aufgeteilt. Das durch den Strahlenteiler 2
durchgelassene Strahlenbündel a wird von einem Spiegel 3 re
flektiert und trifft unter einem Einfallwinkel R 1 auf einen
Punkt O des Beugungsgitters 5 auf, während das von dem
Strahlenteiler 2 reflektierte Strahlenbündel b von einem Spie
gel 4 reflektiert wird und mit dem gleichen Einfallwinkel R 1
wie das Strahlenbündel a auf den Punkt O auftrifft. Ein durch
das Beugen des Strahlenbündels a in -1ter Ordnung gebildeter
Beugungsstrahl -1a tritt aus dem Beugungsgitter 5 unter einem Winkel
R 2 aus, wird an einem Spiegel 7 reflektiert und auf einen
Spiegel 6 gerichtet. Danach wird dieser Beugungsstrahl -1a von dem
Spiegel 6 reflektiert und zu dem Punkt O zurückgeleitet. Ein
durch Beugung des Strahlenbündels b in +1ter Ordnung erzeugter
Beugungsstrahl +1b tritt aus dem Beugungsgitter 5 unter einem Winkel
R 2 aus, wird von dem Spiegel 6 reflektiert und auf den
Spiegel 7 gerichtet. Danach wird der Beugungsstrahl +1b von dem
Spiegel 7 reflektiert und zu dem Punkt O zurückgeleitet. Das
aus den Spiegeln 6 und 7 bestehende optische System 6, 7
ist derart angeordnet, daß die beiden Beugungsstrahlen -1a und +1b
in einander entgegengesetzten Richtungen auf einem gemeinsa
men optischen Weg verlaufen und unter dem Winkel R 2 wieder
zu dem Punkt O zurück gelangen.
Der Beugungsstrahl -1a wird erneut in -1ter Ordnung gebeugt, wodurch
er zu einem nochmals gebeugten Strahl -1×2a wird, der aus
dem Punkt O des Beugungsgitters 5 senkrecht zur Gitterebene
des Beugungsgitters 5 austritt. Ferner wird der Beugungsstrahl +1b
erneut in +1ter Ordnung gebeugt, wodurch er zu einem noch
mals gebeugten Strahl +1×2b wird, der von dem Punkt O des
Beugungsgitters 5 senkrecht zur Gitterebene des Beugungsgit
ters 5 austritt. Von dem gemeinsamen Punkt O treten der
Strahl -1×2a und der Strahl +1×2b in der gleichen Richtung
aus, wobei ihre optischen Wege einander überlappen, so daß
daher diese nochmals gebeugten Strahlen miteinander inferieren und einen
Interferenzstrahl bilden, der auf eine
Aufnahmevorrichtung 8 fällt. Der Strahl -1×2a ist zweimalig in -
1ter Ordnung gebeugt, so daß daher seine Phase je Relativbe
wegungsstrecke x des Beugungsgitters 5 in der Pfeilrichtung
um Φa verzögert ist. Dies läßt sich mathematisch folgender
maßen ausdrücken:
Φa = 2π × (x/p) × 2,
wobei p der Gitterteilungsabstand des Beugungsgitters 5 in
gleicher Maßeinheit wie die Bewegungsstrecke x ist. Glei
chermaßen wird je Relativbewegungsstrecke x des Beugungsgit
ters 5 die Phase des Strahls +1×2b um Φb vorverschoben. Dies
wird durch die Gleichung
Φb = 2π × (x/p) × 2
ausgedrückt. Wenn die beiden Strahlen -1×2a und +1×2b ein
ander überlagert werden, wird aus der Aufnahmevorrichtung 8 ein
Sinuswellensignal mit der Periode 4x/p erhalten.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind selbst dann, wenn das
Beugungsgitter 5 auf einem Glassubstrat mit ungleichmäßiger
Dicke ausgebildet ist, der optische Weg des in +1ter Ordnung
gebeugten Beugungsstrahls +1b und der optische Weg des in -1ter
Ordnung gebeugten Beugungsstrahls -1a einander gleich. Daher
wird die Phasendifferenz zwischen den beiden Beugungsstrahlen nicht
beeinflußt, wenn sich die Dicke des Glassubstrats für
diese beiden Beugungsstrahlen durch die Versetzung des Beu
gungsgitters 5 ändert. Ferner ist eine durch eine Änderung
der Umgebungstemperatur verursachte Änderung der Phasendif
ferenz zwischen den beiden Beugungsstrahlen klein. Infolgedes
sen kann die Versetzung mit einem nur geringen Meßfehler
gemessen werden.
Ferner sind bei diesem Ausführungsbeispiel die optischen
Wege für den Beugungsstrahl -1a und den Beugungsstrahl +1b durch die beiden
Spiegel bestimmt, so daß sich daher dann, wenn sich durch
eine Änderung der Umgebungstemperatur oder dergleichen die
Wellenlänge des Lichts aus der Beleuchtungsvorrichtung 1 ändert, gemäß der
Darstellung in Fig. 3 der Beugungswinkel von R 2 auf R 2′
ändert. Hiermit ändern sich die optischen Wege gemäß der Darstel
lung durch die gestrichelten Linien. In Fig. 3
ist die Abweichung der optischen Wege über
trieben dargestellt. Daher weichen gemäß der Darstellung ein
Punkt P, an dem der Beugungsstrahl -1a wieder zu dem Beugungsgitter
5 zurückkehrt, und ein Punkt Q geringfügig voneinander ab,
an dem der Beugungsstrahl +1b zu dem Beugungsgitter 5 zurückkehrt.
Da jedoch die Einfallswinkel der Beugungsstrahlen -1a und +1b auf das
Beugungsgitter 5 R 2′ sind, treten die nochmals gebeugten
Strahlen -1×2a und +1×2b senkrecht zur Gitterebene des Beu
gungsgitters 5 aus. Infolgedessen stellt dann, wenn die
optischen Wege der Beugungsstrahlen -1a und +1b kurz gewählt sind,
die Abweichung der optischen Wege kaum ein Problem dar.
Selbst wenn sich die Wellenlänge des Lichts aus der Beleuchtungsvorrichtung
und damit der Beugungswinkel ändert, tritt keine
Winkeldifferenz zwischen den Austrittswinkeln aus dem Beu
gungsgitter 5 für die nochmals gebeugten Strahlen -1×2a und
+1×2b auf, die einander überlagert werden. Daher tritt kaum
eine Verringerung der Amplitude des in der Aufnahmevorrichtung 8
gebildeten Signals auf.
Die Fig. 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des
Versetzungsmeßgeräts.
Ein von einer Beleuchtungsvorrichtung 1 abgegebenes
monochromatisches paralleles Strahlenbündel a trifft senkrecht zur Git
terebene auf einen Punkt O des Beugungsgitters 5. Der
von dem Beugungsgitter 5 in +1ter Ordnung gebeugte Beugungsstrahl +1a
tritt aus dem Beugungsgitter 5 unter einem Winkel R 1 aus und
wird von einem Spiegel 7 reflektiert und auf einen Spiegel 6
gerichtet. Dann wird es von dem Spiegel 6 derart reflek
tiert, daß es zu dem Punkt O zurückkehrt. Der von dem Beu
gungsgitter 5 in -1ter Ordnung gebeugte Beugungsstrahl -1a tritt aus
dem Beugungsgitter 5 unter dem Winkel R 1 aus und wird von
dem Spiegel 6 reflektiert und auf den Spiegel 7 gerichtet.
Danach wird es von dem Spiegel 7 derart reflektiert, daß es
zu dem Punkt O zurückkehrt. D.h., die beiden Beugungsstrahlen +1a
und -1a verlaufen in entgegengesetzten Richtungen auf einem
gemeinsamen optischen Weg, der durch das optische Sy
stem aus dem Spiegel 6 und dem Spiegel 7 gebildet ist, und
kehren zu der Stelle bzw. dem Punkt O unter dem Winkel R 1
zurück.
Der Beugungsstrahl -1a wird von dem Beugungsgitter 5 wieder in -1ter
Ordnung gebeugt und wird ein zu einem nochmals gebeugten Strahl -1×2a, der von dem Punkt
O unter einem Winkel R 2 in bezug auf die Senkrechte zur
Gitterebene des Beugungsgitters 5 austritt. Andererseits
wird der Beugungsstrahl +1a wieder durch das Beugungsgitter 5
in +1ter Ordnung gebeugt und zu einem nochmals gebeugten Strahl +1×2a, der
von dem Punkt O weg unter dem Winkel R 2 in bezug auf die
Senkrechte zur Gitterebene des Beugungsgitters 5 austritt.
Die beiden nochmals gebeugten Strahlen -1×2a und +1×2a tre
ten unter dem Winkel R 2 in entgegengesetzten Richtungen aus,
zwischen denen die Senkrechte zu der Gitterebene des Beu
gungsgitters 5 liegt; der Strahl +1×2a wird über einen
Spiegel 4 auf einen Strahlenteiler 2 gerichtet, während der
Strahl -1×2a über einen Spiegel 3 auf den Strahlenteiler 2
gerichtet wird. Durch den Strahlenteiler 2 werden diese
Strahlen auf ihren optischen Wegen überlagert, wonach
sie als Interferenzstrahl auf eine Aufnahmevorrichtung 8 auftreffen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind wie bei dem vorangehend
beschriebenen Ausführungsbeispiel durch das optische
System aus dem Spiegel 6 und dem Spiegel 7 die optischen
Wege der beiden gebeugten Beugungsstrahlen, nämlich die optischen
Wege bis zu dem erneuten Beugen der einmal gebeugten Beugungsstrah
len zusammengelegt, so daß daher die Meßfehler klein werden.
Wenn sich ferner bei diesem Ausführungsbeispiel die Wellen
länge des Lichts aus der Beleuchtungsvorrichtung 1 infolge einer Änderung
der Umgebungstemperatur oder dergleichen ändert, ändern sich
die Beugungswinkel der gebeugten Beugungsstrahlen von R 1 auf R 1′ und
von R 2 auf R 2′, so daß gemäß Fig. 5, die optischen Wege die
durch gestrichelte Linien dargestellten Wege werden.
Da jedoch die optischen Wege der
nochmals gebeugten Strahlen +1×2a und -1×2a symmetrisch in
bezug auf die durch den Punkt O verlaufende Senkrechte zur
Beugungsgitterebene abweichen, bleiben die aus dem Beugungs
gitter 2 austretenden Strahlen immer überlagert. Allgemein
wird dann, wenn die optischen Wege kürzer werden, die Lage
abweichung des einfallenden Interferenzstrahls im Vergleich
zu der Größe der Lichtempfangsfläche der Aufnahmevorrichtung 8 ver
nachlässigbar klein, so daß daher selbst dann, wenn sich die
Beugungswinkel infolge einer Änderung der Wellenlänge des
Lichts aus der Beleuchtungsvorrichtung 1 ändern, die Amplitude eines in
der Aufnahmevorrichtung 8 erzeugten Interferenzsignals nicht kleiner
wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden zuerst der in +1ter
Ordnung gebeugte Beugungsstrahl +1a und der in -1ter Ordnung gebeug
te Beugungsstrahl -1a aus einem einzigen Strahlenbündel gebildet, was
dazu führt, daß die Intensität des Interferenzstrahls doppelt
so hoch wird als bei dem vorangehend beschriebenen Ausfüh
rungsbeispiel.
In den Versetzungsmeßgeräten gemäß dem ersten und dem zwei
ten Ausführungsbeispiel wird der Interferenzstrahl aus
durchgelassenen gebeugten Strahlen gebildet, jedoch kann
beispielsweise gemäß der Darstellung in Fig. 6 und 7 ein
Interferenzstrahl durch reflektierte nochmals gebeugte Strahlen gebil
det werden. Die Meßgeräte gemäß den in den Fig. 6 und 7 gezeig
ten Ausführungsbeispielen sind gleichartig wie diejenigen
gemäß dem vorangehend beschriebenen ersten bzw. zweiten
Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme aufgebaut, daß das
optische System aus dem Spiegel 6 und dem Spiegel 7
an der Seite der Beleuchtungsvorrichtung 1 angebracht ist. Das
Meßprinzip ist bei diesen Meßgeräten ebenfalls das gleiche wie
bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Infolgedessen werden der Aufbau und die Funktion der in Fig.
6 und 7 gezeigten Meßgeräte nicht ausführlich beschrieben.
Eine der Funktionen eines Versetzungsmeßgeräts wie eines
Linear-Meßgebers oder eines Drehmeßgebers besteht darin, die
Richtung einer Versetzung eines zu überwachenden Objekts,
nämlich einer optischen Skala zu ermitteln. Für eine solche
Richtungsermittlung wurden bisher in der Praxis durch Nut
zung des Lichtsignals von der optischen Skala Signale mit
einer Phasendifferenz (von beispielsweise 90°) gebildet.
Dies wird auf einfache Weise durch Nutzung der Polarisa
tionseigenschaften des Lichtsignals bewerkstelligt. Nachste
hend wird ein Meßgerät gemäß eines weiteren Ausführungsbeispieles beschrie
ben, bei denen auch das Ermitteln der Richtung der Bewegung
des Beugungsgitters 5 ermöglicht ist.
Die Fig. 8 zeigt eine Abwandlungsform des Ausführungsbei
spiels nach Fig. 2, deren grundlegender Aufbau sich nicht
von demjenigen des in Fig. 2 gezeigten Meßgeräts unterschei
det. Ein monochromatischer Parallel-Lichtstrahl aus einer
Beleuchtungsvorrichtung 1 wird durch einen Polarisationsstrahlenteiler
12 in ein P-polarisiertes Strahlenbündel a und ein S-polarisiertes Strahlenbündel b
aufgeteilt, wonach die beiden Strahlenbündel mittels eines
optischen Systems aus Spiegeln 3, 4, 6 und 7 zweima
lig durch ein Beugungsgitter 5 gebeugt werden; der P-polari
sierte Strahl -1×2a tritt durch eine Viertelwellenlängenplat
te 9 hindurch und bleibt ein P-polarisierter Strahl. Der mit dem
P-polarisierten Strahlenbündel a interferierende S-polarisierte Strahl
+1×2b trifft auf die Viertelwellenlängenplatte 9 und bleibt ein
S-polarisierter Strahl. Durch die Viertelwellenlängenplatte 9
werden diese beiden Strahlen zu in entgegengesetzten Rich
tungen zirkular polarisierten Lichtstrahlen. Das sich durch
Überlagerung dieser Strahlen ergebende Interferenzstrahl
wird geradlinig polarisiert, wobei sich der Polarisa
tionsazimuth entsprechend der Phasendifferenz zwischen
den Strahlen -1×2a und +1×2b, nämlich entsprechend der Ver
setzung des Beugungsgitters 5 ändert. Danach wird der Inter
ferenzstrahl durch einen nicht polarisierenden Strahlentei
ler 10 in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen einer durch
eine Polarisierplatte 11A durchgelassen wird und der andere
durch eine Polarisierplatte 11B durchgelassen wird, deren
Polarisationsazimuth gegenüber dem Polarisationsazimuth der
Polarisierplatte 11A um 45° versetzt ist. Danach fallen die
Interferenzlichtstrahlen jeweils auf Aufnahmevorrichtungen 8A bzw.
8B. Auf diese Weise werden aus den Aufnahmevorrichtungen 8A und 8B
Sinuswellensignale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz
von 90° erhalten, so daß aus der Phasenbeziehung zwischen
den Sinuswellensignalen aus den Aufnahmevorrichtungen 8A und 8B die
Richtung der Bewegung des Beugungsgitters 5 ermittelt werden
kann.
Fig. 9 zeigt eine Abwandlungsform des in Fig. 4 gezeig
ten Ausführungsbeispiels, deren grundlegender Aufbau sich
nicht von demjenigen des Meßgeräts nach Fig. 4 unterschei
det. Ein von einer Beleuchtungsvorrichtung 1 abgegebener geradlinig
polarisierter monochromatischer Parallel-Lichtstrahl trifft
auf ein Beugungsgitter 5 auf und wird mittels eines opti
schen Systems aus Spiegeln 6 und 7 zu einem zweimalig
in -1ter Ordnung gebeugten Strahl -1×2a und einem zweimalig
in +1ter Ordnung gebeugten Strahl +1×2a. Mittels eines Spie
gels 3 wird der zweifach gebeugte Strahl -1×2a durch eine
Viertelwellenlängenplatte 91 geleitet, während der zweimalig
gebeugte Strahl +1×2a mittels eines Spiegels 4 durch eine
Viertelwellenlängenplatte 92 geleitet wird, deren optische
Achse in bezug auf die optische Achse der Viertelwellenlän
genplatte 91 um 90° versetzt ist. Diese Strahlen werden zu
zirkular polarisierten Strahlen mit einander entgegengesetz
ten Drehrichtungen. Infolgedessen können dann, wenn die
beiden Strahlen -1×2a und +1×2a einander durch einen nicht
polarisierenden Strahlenteiler 22 überlagert werden, die
Strahlen als Interferenzlichtstrahlen abgenommen werden, in
denen zwei Strahlen miteinander in zwei Richtungen
interferieren. Jeder Interferenzstrahl wird geradli
nig polarisiert, wobei der Polarisationsazimuth sich
entsprechend der Phasendifferenz zwischen den in entgegenge
setzten Richtungen drehenden zirkular polarisierten Strah
len, nämlich entsprechend der Phasendifferenz zwischen den
Strahlen -1×2a und +1×2a ändert. Danach werden wie bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 die Interferenzstrahlen
durch Polarisierplatten 11A bzw. 11B hindurchgeleitet und
auf entsprechende Aufnahmevorrichtung 8A bzw. 8B gerichtet.
Fig. 10 zeigt eine Abwandlungsform des Ausführungsbei
spiels nach Fig. 9. Bei dieser Abwandlungsform ist anstelle
der Viertelwellenlängenplatten 91 und 92 nach Fig. 9 jeweils
eine Viertelwellenlängenplatte 9 in dem optischen Weg des
Interferenzstrahls angeordnet, während ein Polarisierstrah
lenteiler 13A anstelle der Polarisierplatte 11A und ein
Polarisierstrahlenteiler 13B anstelle der Polarisierplatte
11B derart angebracht sind, daß sie in bezug zueinander um
45° um die optische Achse gedreht sind, wodurch aus
Aufnahmevorrichtungen 8A bis 8D vier phasen
verschobene Signale erhalten werden, die jeweils eine Pha
senversetzung von 90° haben.
Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zur
Verwendung des Versetzungsmeßgeräts als Drehmeßgeber zwei
optische Meßsysteme S 1 und S 2 mit dem Aufbau wie das Ausfüh
rungsbeispiel nach Fig. 10 benutzt werden. Der Lichtstrahl
aus einem Multimode-Halbleiterlaser 1 wird mittels einer
nicht gezeigten Kollimatorlinse kollimiert und dann durch
ein Strahlenteilerprisma 110 in zwei Strahlen aufgeteilt,
die den optischen Meßsystemen S 1 und S 2 zugeführt werden,
welche punktsymmetrisch in bezug auf eine Drehachse AX einer
drehbaren Scheibe 111 angeordnet sind. Diese optischen Meß
systeme richten die jeweiligen Strahlen auf Punkte M 1 und M 2
an dem Beugungsgitter 5, die in bezug auf die Drehachse AX
punktsymmetrisch sind; die Versetzung des Beugungsgitters
(bzw. der Drehwinkel der Scheibe) wird nach dem vorangehend
beschriebenen Prinzip gemessen.
Bei den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen
wurden die Strahlenbündel alle in ±1ter Ordnung gebeugt,
jedoch können allgemein in m-ter Ordnung und n-ter Ordnung
gebeugte Strahlen, wobei m von n verschieden ist, und natür
lich auch in ±m-ter Ordnung gebeugte Strahlen genutzt werden
(m = 1, 2, . . .).
Als Beugungsgitter kann anstelle des vorangehend beschriebe
nen Amplituden-Beugungsgitters ein Phasen-Beugungsgitter mit
einem Reliefgitter oder einem Hologramm verwendet werden.
Ferner werden bei einigen der vorangehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele zwei Strahlenbündel auf im wesentlichen
die gleiche Stelle an dem Beugungsgitter gerichtet, jedoch
kann alternativ das Gerät derart gestaltet werden, daß die
beiden Strahlenbündel auf voneinander beabstandete Stellen
fallen.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist das Meßgerät derart
gestaltet, daß die optischen Wege des aus dem bewegbaren
Beugungsgitter austretenden ersten und zweiten gebeugten
Beugungsstrahls zusammenfallen und die beiden gebeugten Beugungsstrahlen den
gemeinsamen optischen Weg in entgegengesetzten Richtungen
durchlaufen, wonach sie dann wieder auf das Beugungsgitter
auftreffen und von diesem nochmals gebeugt werden. Der aus
dem ersten und zweiten nochmals bzw. zweimalig gebeugten
Strahl gebildete Interferenzstrahl wird auf die Aufnahmevorrichtung 8
gerichtet, wodurch die Meßgenauigkeit
selbst dann nicht verschlechtert wird, wenn Schwankungen hin
sichtlich der Dicke und des Brechungsindex des Glassubstrats
auftreten, auf dem das Beugungsgitter ausgebildet ist, näm
lich der optischen Skala. Ferner wird dadurch, daß sich die
Längen der optischen Wege des ersten und des zweiten gebeug
ten Beugungsstrahls nicht durch irgendeine Änderung der Umgebungs
temperatur verändern, auf wirkungsvolle Weise ein Ver
schlechtern der Meßgenauigkeit verhindert.
Ein Versetzungsmeßgerät hat eine Beleuchtungsvorrichtung für
das Beleuchten eines Beugungsgitters mit einem Strahlenbün
del, ein optisches System, das einen ersten und einen zwei
ten Beugungsstrahl, die durch das Beugungsgitter erzeugt
werden, wieder auf das Beugungsgitter richtet, wobei das op
tische System derart gestaltet ist, daß der erste und der
zweite Beugungsstrahl einen gemeinsamen optischen Weg haben,
den sie in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen, und
eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines Interferenzstrahls, der
aus einem ersten und einem zweiten nochmals gebeugten Strahl
gebildet ist, die durch das Beugungsgitter aus dem ersten
und dem zweiten Beugungsstrahl gebildet sind, und zur Aus
gabe eines Signals, das der Versetzung des Beugungsgitters
in bezug auf das Strahlenbündel entspricht.
Claims (17)
1. Versetzungsmeßgerät mit einer Beleuchtungsvorrichtung
zum Beleuchten eines Beugungsgitters mit einem
Strahlenbündel,
einem optischen System, das einen ersten und einen zweiten Beugungsstrahl auf das Beugungsgitter richtet,
einer Überlagerungsvorrichtung zum interferenzbildenden Überlagern eines ersten und eines zweiten nochmals gebeugten Strahls zu einem Interferenzstrahl
und einer Aufnahmevorrichtung, die den Interferenzstrahl aufnimmt und ein Signal abgibt, das der Versetzung des Beugungsgitters in bezug auf das Strahlenbündel entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von mindestens einem einzelnen Strahlenbündel (a; a, b) an dem Beugungsgiter (5) erzeugten ersten und zweiten Beugungsstrahlen -1a, +1a; -1a, +1b) mittels des optischen Systems (6, 7) derart weitergeleitet werden, daß sie vor dem erneuten Beugen am Beugungsgitter (5) einen gemeinsamen Weg durchlaufen.
einem optischen System, das einen ersten und einen zweiten Beugungsstrahl auf das Beugungsgitter richtet,
einer Überlagerungsvorrichtung zum interferenzbildenden Überlagern eines ersten und eines zweiten nochmals gebeugten Strahls zu einem Interferenzstrahl
und einer Aufnahmevorrichtung, die den Interferenzstrahl aufnimmt und ein Signal abgibt, das der Versetzung des Beugungsgitters in bezug auf das Strahlenbündel entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von mindestens einem einzelnen Strahlenbündel (a; a, b) an dem Beugungsgiter (5) erzeugten ersten und zweiten Beugungsstrahlen -1a, +1a; -1a, +1b) mittels des optischen Systems (6, 7) derart weitergeleitet werden, daß sie vor dem erneuten Beugen am Beugungsgitter (5) einen gemeinsamen Weg durchlaufen.
2. Versetzungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beleuchtungsvorrichtung (1; 1 bis
4) einen Halbleiterlaser zum Zuführen des Strahlenbündels
(a; a, b) hat.
3. Versetzungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung (1; 1 bis
4) das Strahlenbündel (a; a, b) derart auf das
Beugungsgitter (5) richtet, daß der erste und der zweite
Beugungsstrahl (-1a, +1a; -1a, +1b) im wesentlichen an
einer gleichen Stelle (0) des Beugungsgitters (5)
austreten.
4. Versetzungsmeßgerät, nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste nochmals
gebeugte Strahl (+1×2a; +1×2b) ein zweimalig in +1ter
Ordnung gebeugter Strahl ist und der zweite nochmals
gebeugte Strahl (-1×2a; -1×2a) ein zweimalig in -1ter
Ordnung gebeugter Strahl ist.
5. Versetzungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System
(6, 7) mehrere Spiegel hat, die zum Bilden des gemeinsamen
optischen Wegs derart zusammenwirken, daß die
Beugungsstrahlen den gemeinsamen Weg in entgegengesetzter
Richtung durchlaufen.
6. Versetzungsmeßgerät, nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System
(6, 7) und die Überlagerungsvorrichtung derart angebracht
sind, daß Schwankungen der Wellenlänge des Strahlenbündels
(a; a, b) keinen großen Einfluß auf die Art und Weise der
gegenseitigen Überlagerung des ersten und des zweiten
nochmals gebeugten Strahls (+1×2a, -1×2a; +1×2b, -1×2a)
haben.
7. Versetzungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Aufnahmevorrichtung (8) eine fotoelektrische
Wandlervorrichtung zum fotoelektrischen Umsetzen des
Interferenzstrahls in das auszugebende Signal umfaßt.
8. Versetzungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung (1 bis 4)
einen Strahlenteiler (2) zum Teilen eines Lichtstrahls und
ein Projektionssystem (3, 4) zum Zuführen eines ersten und
eines zweiten Strahlenbündels (a, b) aus dem Strahlenteiler
(2) zu der Stelle (0) aufweist.
9. Versetzungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung (1
bis 4) das erste und das zweite Strahlenbündel (a, b) auf
die Stelle (0) des Beugungsgitters (5) richtet, an der das
erste Strahlenbündel (a) zum Erzeugen des ersten
Beugungsstrahls (-1a) gebeugt wird und das zweite
Strahlenbündel (b) zum Erzeugen des zweiten
Beugungsstrahls (+1b) gebeugt wird (Fig. 2).
10. Versetzungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System
(6, 7) den ersten und den zweiten Beugungsstrahl (+1b, -1a)
derart auf die Stelle (0) richtet, daß der erste und
der zweite nochmals gebeugte Strahl (+1×2b, -1×2a) an
dieser Stelle (0) unter gegenseitiger überlagerung
austreten.
11. Versetzungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung
(1) ein einzelnes Strahlenbündel (a) auf die Stelle (0)
an dem Beugungsgitter (5) richtet, an das Strahlenbündel zum
Erzeugen des ersten und des zweiten Beugungsstrahls (-1a,
+1a) gebeugt wird (Fig. 4).
12. Versetzungsmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsvorrichtung (1) derart
angebracht ist, daß das einzelne Strahlenbündel (a)
senkrecht auf das Beugungsgitter (5) fällt.
13. Versetzungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und
zweite Beugungsstrahl (+1a, -1a; +1b, -1a) sowie der erste
und der zweite nochmals gebeugte Strahl (+1×2a, -1×2a;
+1×2b, -1×2a) jeweils durch das Beugungsgitter (5)
hindurchgelassene Strahlen sind (Fig. 4; Fig. 2).
14. Versetzungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der
zweite Beugungsstrahl (+1a, -1a; +1b, -1a) sowie der erste
und der zweite nochmals gebeugte Strahl (+1×2a;
-1×2a; +1×2b, -1×2a) jeweils von dem Beugungsgitter (5)
reflektierte Strahlen sind (Fig. 7; Fig. 6).
15. Versetzungsmeßverfahren, das mit einem
Versetzungsmeßgerät nach einem der vorherigen Ansprüche
durchführbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem ersten Schritt ein Strahlenbündel auf ein Beugungsgitter geleitet wird,
daß in einem zweiten Schritt ein erster und ein zweiter Beugungsstrahl, die von dem Beugungsgitter erzeugt sind, in entgegengesetzter Richtung über einen gemeinsamen optischen Weg geführt und auf das Beugungsgitter gerichtet werden, um dadurch einen ersten und einen zweiten nochmals gebeugten Strahl zu bilden, und
daß in einem dritten Schritt ein aus dem ersten und dem zweiten nochmals gebeugten Strahl gebildeter Interferenzstrahl aufgenommen und daraus die Versetzung des Beugungsgitters in bezug auf das Strahlenbündel erfaßt wird.
daß in einem ersten Schritt ein Strahlenbündel auf ein Beugungsgitter geleitet wird,
daß in einem zweiten Schritt ein erster und ein zweiter Beugungsstrahl, die von dem Beugungsgitter erzeugt sind, in entgegengesetzter Richtung über einen gemeinsamen optischen Weg geführt und auf das Beugungsgitter gerichtet werden, um dadurch einen ersten und einen zweiten nochmals gebeugten Strahl zu bilden, und
daß in einem dritten Schritt ein aus dem ersten und dem zweiten nochmals gebeugten Strahl gebildeter Interferenzstrahl aufgenommen und daraus die Versetzung des Beugungsgitters in bezug auf das Strahlenbündel erfaßt wird.
16. Versetzungsmeßverfahren nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Schritt das Aufstrahlen
eines ersten und eines zweiten Strahlenbündels zu einer
vorbestimmten Stelle (0) an dem Beugungsgitter in der
Weise umfaßt, daß aus einem ersten Strahlenbündel der
erste Beugungsstrahl gebildet wird und aus einem zweiten
Strahlenbündel der zweite Beugungsstrahl gebildet wird.
17. Versetzungsmeßverfahren nach Anspruch 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Schritt das Aufstrahlen
eines einzelnen Strahlenbündels auf das Beugungsgitter in
der Weise umfaßt, daß der erste und der zweite
Beugungsstrahl gebildet werden.
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |