DE3923768C2 - - Google Patents

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.

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.

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.