DE3942385A1

DE3942385A1 - Verschiebungsmessgeraet des interferenzgittertyps

Info

Publication number: DE3942385A1
Application number: DE3942385A
Authority: DE
Inventors: Nobuhisa Nishioki; Tatsuo Itabashi
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1988-12-21
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1990-07-05
Anticipated expiration: 2009-12-22
Also published as: GB2227558A; DE3942385B4; GB8928402D0; GB2227558B; US5035507A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verschiebungsmeßgerät des Interferenzgittertyps, insbesondere ein derartiges Gerät, welches eine stabile Interferenz sicherstellen kann, selbst wenn eine Skala eine unebene Oberfläche aufweist.

Nach dem Stand der Technik ist ein photoelektrischer Kodie rer wohlbekannt, der eine Skala aufweist, auf welcher opti sche Abstufungen mit einem gegebenen Teilungsabstand vorge sehen sind, um ein periodisches Nachweissignal zu erzeugen. Die Auflösung des photoelektrischen Kodierers wird durch die Breite einer Nut eines optischen Gitters und einen Teiler festgelegt, der eine Entfernung zwischen benachbarten Nuten des Gitters ist, und wird weiterhin durch die Eigenschaften einer elektronischen Schaltung zur Bearbeitung eines Signals nach einer photoelektrischen Wandlung bestimmt. Ein derarti ges optisches Gitter wird im allgemeinen durch Ätzen her gestellt und weist daher eine äußerste Auflösung von etwa 4 Mikrometer (µm) auf, angesichts der endgültigen Meßgenauig keit, und schließlich eine praktische Auflösung von etwa 1 µm, wenn angenommen wird, daß eine nicht allzu kostenaufwendige elektronische Schaltung verwendet wird. Es ist daher schwie rig, ein optisches Gitter mit darüber hinausgehender Genauig keit zur Verfügung zu stellen.

Dagegen wird es mit zunehmender Verbreitung eines photoelek trischen Kodierers immer mehr erforderlich, ein Nachweissig nal mit hoher Auflösung und mit hoher Genauigkeit zu erzeugen.

Um die Auflösung eines derartigen photoelektrischen Kodierers weiter zu verbessern, wurde ein Interferenzgitter-Verschie bungsmeßgerät vorgeschlagen, bei welchem Abstufungen mit fei nem Teilungsabstand (typischerweise etwa 1 µm) auf einer Ska la durch Holographie hergestellt und als Beugungsgitter ver wendet werden, um darauf wirksam eine Beugung zu erzeugen zum Erhalt eines Nachweissignals.

In Fig. 10 ist ein bekanntes Beugungsgitter-Verschiebungs meßgerät dargestellt, wie es in der japanischen Offenlegungs schrift Nr. 47-10 034 beschrieben ist. Das Beugungsgitter- Verschiebungsmeßgerät weist eine Skala auf, auf welchem ein Beugungsgitter 10 A eines Teilungsabstandes d hergestellt wur de, eine Helium-Neon-Laserlichtquelle 12 zur Aussendung eines Laserstrahls 14 einer Wellenlänge λ als optischer Fluß, um hiermit das Beugungsgitter 10 A zu bestrahlen, Spiegel 16, 18 zum Reflektieren gebeugter optischer Strahlen der nullten und ersten Ordnung, die jeweils von dem Beugungsgitter 10 A erzeugt werden, einen Strahlteiler (grobes Beugungsgitter) 20 zum Auf teilen eines kombinierten Strahls eines Strahls der nullten Ordnung des Strahls der ersten Ordnung, der durch den Spiegel 18 auf der Seite der ersten Ordnung reflektiert wurde, und ei nes Strahls der ersten Ordnung des optischen Strahls der null ten Ordnung, der durch den Spiegel 16 auf der Seite der null ten Ordnung reflektiert wurde, in drei gleiche optische Strah len, und weist optische Detektorelemente 22 A, 22 B und 22 C zur photoelektrischen Wandlung der jeweils durch den Strahlteiler 20 aufgeteilten Strahlen auf. Hierbei bilden die voranstehend beschriebenen Elemente - abgesehen von der Skala - einen opti schen Detektor.

In Fig. 10 weisen Polarisatoren 24, 26, die in den optischen Strahlengang des optischen Strahls der nullten bzw. ersten Ordnung eingefügt sind, Polarisationsrichtungen auf, die ein ander senkrecht schneiden, und daher wird kein Interferenz streifen auf dem optischen Detektor 22 A und um diesen herum erzeugt, der den zentralen Strahl der voranstehend genannten drei optischen Strahlen empfangen soll, die sich wie voran stehend durch Aufteilen des kombinierten optischen Strahls in die voranstehend genannten drei optischen Strahlen ergeben. Daher fällt ein einfaches additives Summensignal, nicht ein Interferenzstreifen, auf das optische Detektorelement 22 A auf. Das Signal wird dort als ein Referenzsignal Vr verwendet.

Zusätzlich ist ein Analysator 28 B, der zur Erzeugung eines Interferenzstreifens dient, unmittelbar vor dem optischen Detektorelement 22 B angeordnet, welches dann ein Nachweissig nal Ψ A mit einer Phase A, welches infolge des Interferenz streifens erzeugt wurde, liefert.

Weiterhin sind eine Viertelwellenlängenplatte 30 und ein Ana lysator 28 C unmittelbar vor dem optischen Detektorelement 22 C angeordnet, welches dann ein Nachweissignal ψ B mit einer Pha se B erzeugt, welches sich in seiner Phase um 90° von dem Nachweissignal ψ A mit der Phase A unterscheidet.

Ein Auftreffwinkel 8 des Laserstrahls 14 und ein Beugungswin kel ψ des Strahls der ersten Ordnung erfüllen folgende Glei chung:

d (sinR + sinψ) = λ (1).

Bei einem derartigen Verschiebungsmeßgerät des Beugungsgitter typs läßt sich ein optisches Gitter mit einem Teilungsabstand von 1 mm oder geringer dadurch erzielen, daß das Beugungsgit er 10 A durch beispielsweise Holographie hergestellt wird, wo durch sich eine Auflösung von 0,01 µm erzielen läßt.

Wenn allerdings die Glasoberfläche der Skala einschließlich des hieraus ausgebildeten Beugungsgitters 10 A bei dem Verschiebungsmeßgerät des Transmissionsbeugungsgittertyps, welches beispielsweise in Fig. 10 gezeigt ist, nicht genügend eben ist, so werden Brechungswinkel der Strahlen nullter und erster Ordnung geändert, und daher werden diese optischen Strahlen abgelenkt, wie durch den Pfeil A in Fig. 11 gezeigt ist (wenn die untere Oberfläche der Skala nicht genügend eben ist). Daher zeigen die Ausbreitungsrichtungen der beiden optischen Strahlen, die auf die optischen Detektorelemente 22 B, 22 C auffallen und zueinander geneigt sind, und die Wel lenoberflächen der Strahlen, die diese Richtungen senkrecht schneiden, ein optisches Muster, welches sich zu einem Inter ferenzmuster zusammensetzt, und so wird verhindert, daß ein gleichförmiges Interferenzmuster zwischen den Strahlen über der gesamten Oberfläche über einen Querschnitt erzeugt wird, auf welchem die Strahlen überlagert sind. Daher muß bei ei nem derartigen Verschiebungsmeßgerät des Transmissionsbeu gungsgittertyps die Skala auf 5 µm pro 100 mm oder weniger eben sein, und weiterhin darf kein Signal nachgewiesen wer den, wenn die Richtungen optischer Achsen infolge eines ande ren Einflusses geneigt wären.

Im Gegensatz hierzu können bei einem Verschiebungsmeßgerät des Reflexionsbeugungsgittertyps, bei welchem eine Licht quelle und ein Detektorsystem zusammen auf einer Seite einer Reflexionsskala angeordnet sind, die Lichtquelle und das Detektorsystem auf der einen Seite der Skala angeordnet sein, so daß der Reflexionstyp geeignet ist für eine ein gebaute Skala, beispielsweise eine separate Skala. Aller dings wird bei einem derartigen Verschiebungsmeßgerät des Reflexionsbeugungsgittertyps die Beugung reflektierten Lich tes eingesetzt, so daß eine Verschiebung eines optischen Strahlengangs, welche sich aus irgendeiner Neigung der Ska la und daraus, daß diese nicht genügend eben ist, ergibt, schlimmer ist als bei dem voranstehend angegebenen Trans missionstyp, und dies erfordert genauere Montage- und Ein stellvorgänge, die sich schwierig ausführen lassen.

Angesichts der Schwierigkeiten bei den bekannten Verschie bungsmeßgeräten wird gemäß der vorliegenden Erfindung in vor teilhafter Weise ein Verschiebungsmeßgerät des Beugungsgit tertyps zur Verfügung gestellt, welches ein stabiles Signal sicherstellen kann und daher eine Ausrichtung erleichtert, die erforderlich ist, um ein Detektorsystem zu montieren, durch Verringerung von Einflüssen infolge von Variationen (von geringer Größe, jedoch deutlichem Einfluß) infolge ei ner nicht genügend ebenen Skalenoberfläche und deren Neigung.

In bezug auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verschiebungsmeßgerät des Beugungsgittertyps eine Skala einschließlich eines Beugungsgitters auf, welches darauf aus gebildet ist, und einen Detektor aus einer Lichtquelle zur Bestrahlung des Beugungsgitters mit einem von der Lichtquelle emittierten optischen Strahl und mit einem optischen Detektor element zur photoelektrischen Wandlung eines kombinierten Strahls aus mehreren optischen Strahlen, die durch das Beu gungsgitter erzeugt werden, wobei die Detektoreinrichtung ein sich periodisch änderndes Nachweissignal erzeugt in Reaktion auf eine Relativ-Verschiebung in bezug auf die Skala, und wo bei das Gerät weiterhin eine Einrichtung zum Kollimieren meh rerer der optischen Strahlen aufweist, die durch das Beugungs gitter erzeugt wurden, bevor sie kombiniert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Einrichtung zum Kollimieren der mehreren optischen Strahlen, die von dem Beugungsgitter erzeugt werden, eine Konvexlinse sein, deren Brennpunkt auf einer Brechungsebene oder einer Beugungsebene der Skala liegt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Einrichtung zum Kollimieren der mehreren optischen Strahlen, die durch das Beugungsgitter erzeugt werden, ein Konkavspiegel sein.

In bezug auf einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfin dung weist ein wie voranstehend aufgebautes Verschiebungsmeß gerät des Beugungsgittertyps weiterhin ein optisches Element zum Aufteilen des von der Lichtquelle emittierten optischen Strahls auf, so daß aufgeteilte optische Strahlen in das Beu gungsgitter eintreten, und weist mehrere Reflektoreinrichtun gen zum Zurückreflektieren jeweiliger Strahlen nullter Ordnung auf, die durch das Beugungsgitter jeweils in derselben Rich tung durchgelassen werden, so daß diese Strahlen nullter Ord nung wiederum in das Beugungsgitter eintreten, wodurch gebeug te Strahlen erster Ordnung, die durch das Beugungsgitter aus den reflektierten Strahlen nullter Ordnung, die wiederum in das Beugungsgitter von mehreren der Reflektoreinrichtungen eintreten, erzeugt wurden, kombiniert werden.

Bei der konventionellen Vorgehensweise würde, wenn ein Bre chungswinkel (beim Transmissionstyp) und ein Beugungswinkel (beim Reflexionstyp) geändert würden, infolge der Tatsache, daß eine Skalenoberfläche nicht genügend eben ist oder die Skala irgendwie geneigt ist, eine unterschiedliche Ausbrei tung zweier auf die optischen Detektorelemente 22 B, 22 C auf treffender optischer Strahlen in einem bestimmten Winkel er folgen, und daher werden Wellenfrontenflächen, die sich senk recht zu ihren Ausbreitungsrichtungen schneiden, zur Ausbil dung eines ungewünschten Beugungsmusters synthetisiert, wo durch es unmöglich wird, eine gleichförmige Interferenz zwi schen den optischen Strahlen über die gesamte Oberfläche im Querschnitt bei der Überlagerung der optischen Strahlen sicherzustellen. Dies führt zu derartigen Schwierigkeiten, daß die Skala mit hohem Genauigkeitsgrad eben ausgebildet sein muß, und daß das Auftreten einer zusätzlichen Neigung zwischen den relativen Ausbreitungsrichtungen der optischen Strahlen infolge irgendwelcher anderer Faktoren es unmöglich macht, ein Signal nachzuweisen, und dies führt zum Auftreten von Meßfehlern.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist eine Konvexlinse 40 so angeordnet, daß sich ihr Brennpunkt auf der Brechungsebene oder der Beugungsebene der Skala befindet, so daß mehrere optische Strahlen, die durch das Beugungsgitter erzeugt werden, sich parallel zu ihren Ausbreitungsrichtun gen erstrecken, die bei Entwurf des Geräts festgelegt werden, und zwar vor ihrer Kombination durch einen Halbspiegel 50. Dies ermöglicht die Bereitstellung eines stabilen Interferenz signals, selbst wenn die Ebene in einem Ausmaß von 15 µm pro 100 mm oder mehr eben ist. Zusätzlich kann ein stabiles Nach weissignal sichergestellt werden, selbst wenn die optischen Achsen der auf die optischen Detektorelemente auffallenden optischen Strahlen zueinander infolge irgendeines anderen Einflusses geneigt sind. Hierbei kann auch ein Konvexspiegel eingesetzt werden, um die soeben angegebenen Bedingungen zu schaffen.

Dann können sich, unabhängig von der ungenügenden Ebenheit der Skalenoberfläche und einer Neigung infolge von Ausrich tungsänderungen nach Montage der Skala, die optischen Strah len nach dem Durchgang durch die Linse parallel zur optischen Achse ausbreiten, wie bei dem Entwurf der optischen Achse festgelegt wurde, und zwar zu allen Zeiten. Mit anderen Wor ten breiten sich die optischen Strahlen entlang paralleler optischer Strahlen nach dem Durchgang durch den Halbspiegel 50 oder nach der Reflexion durch diesen Halbspiegel aus, was ermöglicht, daß eine stabile Interferenz aufrechterhalten werden kann. Durch die voranstehend beschriebene Ausbildung des optischen Systems können die Einflüsse der nicht ebenen Skalenoberfläche und einer Neigung verringert werden, wodurch ein stabileres Nachweissignal sichergestellt wird. Daher kön nen zugelassene Ausmaße der Nichtebenheit der Skala und deren Ausrichtung auf die Montage der Skala verbessert werden, was den Einsatz einer kostengünstigen Skala und eine einfache Ausrichtung gestattet. Darüber hinaus gibt es keine ernst hafte Einschränkung beim Entwurf für die Form und den paral lelen Durchgang des optischen Strahls von der Lichtquelle.

Inbesondere werden bei dem Verschiebungsmeßgerät des Refle xions-Interferenzgittertyps, bei welchem eine Verschiebung des optischen Strahlenganges infolge irgendeiner Neigung der Skala usw. schlimmer ist als beim Transmissionstyp, und bei welchem eine kritische Montage und Einstellung erforderlich sind, die Montage und die Einstellung der Skala wirksamer erleichtert, und es kann ein Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Inter ferenzgittertyps unter Verwendung einer kleinen Lichtquelle, beispielsweise einer Laserdiode, realisiert werden.

Hierbei wird, wie in Fig. 11 dargestellt ist, der von der Ska la 10 durchgelassene optische Strahl nullter Ordnung ebenfalls durch die Ebenheit der Skala beeinflußt, ebenso wie der durch das Beugungsgitter 10 A gebeugte Strahl erster Ordnung, und be züglich des Beugungswirkungsgrades ist der Anteil des opti schen Strahls nullter Ordnung (etwa 80%) erheblich größer als der des Strahls erster Ordnung (etwa 20%).

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung, die sich aus dem voranstehend angegebenen Aspekt des Verschiebungsmeßgeräts ergeben hat, werden - wie in Fig. 8 dargestellt ist - die durch das Beugungsgitter (10) durchgelassenen optischen Strahlen nullter Ordnung in dersel ben Richtung durch ein Rechteckprisma 40 oder ein Dreieck prisma wie ein Eckprisma, ein Katzenauge und dergleichen, zurückreflektiert und fallen wiederum auf das Beugungsgitter auf, wodurch mehreren der durch das Beugungsgitter erzeugten optischen Strahlen gestattet wird, daß sie sich parallel zu ihren Ausbreitungsrichtungen ausbreiten, die bei dem Entwurf des Gerätes festgelegt wurden.

Dann können sich unabhängig von ungenügender Ebenheit der Skala und einer Neigung die optischen Strahlen nach der Beu gung in derselben Richtung zu jedem Zeitpunkt ausbreiten. Auch die zweite Ausführungsform sichert ein stabiles Referenz signal, selbst wenn die Abweichung von der Ebenheit der Skala 15 µm pro 100 mm überschreitet, ebenso wie die erste Ausfüh rungsform.

Weiterhin wird, wenn der von einer Lichtquelle ausgesandte op tische Strahl so eingestellt wird, daß er nicht zu der Licht quelle zurückgeht, selbst wenn die Lichtquelle so ausgebildet ist, daß sie - wie etwa eine Laserdiode - durch zurückkehren des Licht beeinflußt wird, eine Oszillation der Lichtquelle stabilisiert, und daher kann zugeordnetes Rauschen verringert werden.

Hierbei ist es auch bei dem vorigen, in Fig. 10 gezeigten Bei spiel möglich, die Spiegel 16 und 18 durch beispielsweise ein Rechteckprisma zu ersetzen. Allerdings ist in diesem Fall der auf dem Spiegel 18 reflektierte optische Strahl ein gebeugter Strahl erster Ordnung, der auf etwa 20% des von der Licht quelle ausgehenden optischen Strahls reduziert ist. Daher wird die Intensität eines weiteren gebeugten Strahls erster Ord nung, der sich durch weitere Beugung des ersten gebeugten Strahls erster Ordnung ergibt, auf etwa 4% des optischen Strahls von der Lichtquelle verringert. Dies erfordert einen empfindlicheren optischen Detektor und ebenso eine Lichtquel le größerer Kapazität. Im Vergleich hierzu ist die vorliegen de Erfindung so ausgebildet, daß der optische Strahl erster Ordnung reflektiert wird, und daher kann die Intensität des gebeugten Strahls erster Ordnung bis etwa 16% der Intensität des Strahls von der Lichtquelle betragen, wodurch die Reak tionszeit des optischen Detektors verbessert und die Licht quelle miniaturisiert wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestell ter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen gleiche oder ähnliche Teile der Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht zur Erläuterung des Aufbaues einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Verschie bungsmeßgerätes des Interferenzgittertyps gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht zur Erläuterung eines optischen Strahlen ganges zur Beschreibung der Betriebsweise der ersten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 3 eine Vorderansicht zur Erläuterung des Aufbaues einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Vorderansicht zur Erläuterung des Aufbaues einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Seitenansicht zu deren Erläuterung;

Fig. 6 eine Vorderansicht zur Erläuterung des Aufbaues einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine Vorderansicht zur Erläuterung des Aufbaues einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine Ansicht zur Erläuterung eines optischen Strahlen ganges zur Beschreibung der Betriebsweise der fünften bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 9 eine Seitenansicht zur Erläuterung eines Abschnittes eines abgeänderten Beispiels der fünften bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 10 eine Vorderansicht zur Erläuterung des Aufbaues eines zur Erläuterung gezeigten Verschiebungsmeßgerätes des Interferenzgittertyps nach dem Stand der Technik; und

Fig. 11 eine Schnittansicht zur Erläuterung einer beim Stand der Technik aufgetretenen Situation, bei welcher infolge ungenügender Ebenheit einer Skala optische Strahlen abgelenkt werden.

Fig. 1 erläuterte eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei der ersten Ausführungsform weist ein Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Interferenzgitter typs - wie beim voranstehend beschriebenen Stand der Technik - eine Transmissionsskala 10 mit einem darauf ausgebildeten Beu gungsgitter auf, eine Laserdiode (LD) 42 als Lichtquelle zur Aussendung eines kollimierten parallelen optischen Strahls, und einen aus optischen Detektorelementen 22 A ₁, 22 A ₂, 22 B und 22 C bestehenden Detektor, wobei die Detektorelemente je weils als PIN-Dioden ausgebildet sind und der Detektor weiter hin Analysatoren 28 B, 28 C aufweist, sowie eine Viertelwellen längenplatte 30 wodurch ein periodisch wechselndes Nachweis signal in Reaktion auf eine Relativ-Verschiebung zwischen der Skala 10 und dem Detektor erzeugt wird. Weiterhin weist das Verschiebungsmeßgerät einen P/S-Teiler 44 zum Halbieren des von der Laserdiode 42 emittierenden Laserstrahls 14 entsprechend einer Polarisationsichtung des Laserstrahls 14 auf, ein Paar von Spiegeln 46 A, 46 B zum Richten derart aufgeteilter opti scher Strahlen auf das auf der Skala 10 ausgebildete Beugungs gitter, so daß die Strahlen symmetrisch auf das Gitter im selben Beugungspunkt C und mit demselben Auftreffwinkel auf treffen.

Strahlteiler 48 A, 48 B sind vorgesehen, um nur gebeugte opti sche Strahlen der ersten Ordnung zu reflektieren und zu tren nen, und die optischen Detektorelemente 22 A ₁, 22 A ₂ dienen zur photoelektrischen Wandlung der gebeugten optischen Strah len, welche durch die Strahlteiler 48 A, 48 B aufgetrennt wur den, um ein Referenzsignal Vr =(Vra +Vrb)/2 zu erzeugen. Ein Halbspiegel 50 dient zur Wiedervereinigung der auf den Strahl teilern 48 A, 48 B reflektierten gebeugten Strahlen, und Konvex linsen 52 A, 52 B sind jeweils zwischen dem Halbspiegel 50 und den Strahlteilern 48 A, 48 B angeordnet, und zwar so, daß sich jeweils ihr Brennpunkt in einem Brechungspunkt auf der Skala 10 befindet.

Bei einem derartigen Aufbau werden die beiden von dem Beu gungsgitter gebeugten optischen Strahlen durch die Konvexlin sen 52 A, 52 B übertragen, bevor sie durch den Halbspiegel 50 vereinigt werden, wodurch verbogene optische Achsen, die in folge kleiner, aber in Querrichtung antisymmetrischer Varia tionen entstehen können, beispielsweise einer ungenügenden Ebenheit einer Skalenoberfläche und einer Neigung der Skala, so korrigiert werden können, daß sie nicht durch diese Varia tionen ernsthaft beeinflußt werden.

Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde ein in Querrich tung symmetrischer Aufbau eingesetzt, eine sogenannte Mehr fachstufe, bei welcher die gebeugten Strahlen durch den Halb spiegel 50 wiedervereinigt werden, nachdem sie einmal von den Strahlteilern 48 A, 48 B reflektiert wurden. Daher treten die gebeugten Strahlen in die optischen Detektorelemente 22 B, 22 C in einem im wesentlichen vorbestimmten Einfallswinkel ein, da die gebeugten Strahlen der ersten Ordnung einen gemein samen Beugungswinkel ψ aufweisen, selbst wenn sich die Wel lenlänge λ des emittierten Strahls von der Laserdiode 42 ändert. Daher treten ebenfalls moderierte große, aber symme trische Variationen auf, etwa Variationen der Wellenlänge der Lichtquelle und Variationen des Abrollens auf der Skala und jeder Lücke in der Skala, so daß die gebeugten Strahlen durch derartige Variationen nicht beeinflußt werden. Weiterhin ist nicht zu befürchten, daß irgendwelches auf der Skalenober fläche 10 reflektiertes Licht direkt auf das optische Detek torelement auftrifft.

Zwar sind bei den vorliegenden Ausführungsformen die Konvex linsen 52 A, 52 B zwischen den Strahlteilern 48 A, 48 B und dem Halbspiegel 50 angeordnet, sie können jedoch auch - ohne Be grenzung auf die voranstehende Situation - zwischen der Skala 10 und den Strahlteilern 48 A, 48 B angeordnet sein. Sie können nämlich in jeder Lage angeordnet sein, vorausgesetzt, daß die Bedingungen erfüllt sind, daß sich ihre Position auf dieser Seite der Wiedervereinigung der durch das Beugungsgitter ge beugten optischen Strahlen befindet, und daß ihre Brennpunkte auf der Reflexionsebene der Skala liegen.

Nachstehend wird eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Fig. 3 beschrieben.

In der zweiten Ausführungsform wird ein Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Beugungsgittertyps derselben Mehrfachstufen art wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, wobei gemäß Fig. 3 Konkavspiegel 54 A, 54 B anstelle der Konvexlinsen 52 A, 52 B an Positionen der Strahlteiler 48 A, 48 B angeordnet sind.

In diesem Zusammenhang sollte bei der zweiten Ausführungsform ein Referenzsignal Vr getrennt unter Verwendung eines (nicht dargestellten) Strahlteilers und dergleichen erzeugt werden, der in irgendeiner anderen Lage angeordnet ist.

Zwar wurde bei der ersten und zweiten Ausführungsform die vorliegende Erfindung auf das Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Beugungsgittertyps angewendet mit der Trans missionsskala 10, jedoch läßt sich die Erfindung auch bei ei nem Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps mit einer Reflexionsskala 60 einsetzen, wie beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist, ohne Begrenzung auf das voranstehende er läuternde Beispiel.

Nachstehend werden eine dritte und eine vierte bevorzugte Aus führungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, die bei dem Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps eingesetzt werden.

Bei der dritten Ausführungsform ist ein Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps vorgesehen, wie in Fig. 4 dargestellt ist, wobei die Konvexlinsen 52 A, 52 B zwischen den Strahlteilern 48 A, 48 B und den Polarisationsplatten 24, 26 so angeordnet sind, daß ihre Brennpunkte am Beugungspunkt C auf der Skala 60 liegen.

Weiterhin fällt der von der Laserdiode 42 als Lichtquelle emittierte optische Strahl 14 schräg auf die Skala 60 auf, wie in Fig. 5 gezeigt ist, so daß verhindert wird, daß ein auf der Skala 60 zurückreflektierter Strahl zurück zur Laserdiode 42 übertragen wird, und daher wird die automatische Leistungs steuerung (APC) der Laserdiode 42 dagegen geschützt, daß Stö rungen aufgrund eines derartigen zurückreflektierten Lichtes auftreten.

Da auch bei der vorliegenen Ausführungsform das optische System in Querrichtung symmetrisch ist, ist es widerstands fähig gegenüber Variationen der Symmetrie des optischen Strah lenganges, beispielsweise Variationen der Wellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Strahls, und kann den Einfluß derartiger Variationen der Wellenlänge des von der Laserdiode 42 emittierten Strahls ausgleichen.

Andere Einzelheiten sind identisch zu den der ersten Ausfüh rungsform, und daher wird ihre Beschreibung weggelassen.

Nachstehend wird unter Bezug auf Fig. 6 die vierte Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Bei der vierten Ausführungsform wird dasselbe Verschiebungs meßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps wie bei der drit ten Ausführungsform verwendet, wobei anstelle der Konvexlin sen 52 A, 52 B die Konkavspiegel 54 A, 54 B an den Positionen der Strahlteiler 48 A, 48 B vorgesehen sind.

Andere Faktoren sind identisch denen der zweiten und der drit ten Ausführungsform, und daher wird auf ihre Beschreibung ver zichtet.

Nachstehend wird eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf Fig. 7 beschrieben.

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, weist bei dieser Ausführungs form das Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Beugungsgit tertyps wie bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik eine Transmissionsskala 10 auf, eine LD (Laserdiode) 42 und einen Detektor, der aus optischen Detektorelementen 22 A ₁, 22 A ₂, 22 B, 22 C besteht sowie aus Polarisationsplatten 24, 26, Ana lysatoren 28 B, 28 C, und einer Viertelwellenlängenplatte 30. Weiterhin ist ein Strahlteiler 44 zum Halbieren eines von der Laserdiode 42 emittierten Laserstrahls 14 vorgesehen, so daß dieser auf ein auf der Skala 10 ausgebildetes Beugungsgitter auftrifft, und Rechteckprismen 70 A, 70 B sind vorgesehen, um jeweils Strahlen nullter Ordnung in dieselbe Richtung zurück zureflektieren, welche von dem Beugungsgitter auf der Skala 10 übertragen werden, nachdem sie in die Skala symmetrisch in Querrichtung mit demselben Einfallswinkel R in bezug auf die Skala 10 eintreten (wenn R so gesetzt wird, daß R annähernd gleich ψ ist, so ist ψ stabiler), und weiterhin richten die Rechteckprismen die Strahlen so, daß sie wiederum in das Beu gungsgitter eintreten. Strahlteiler 48 A, 48 B sind vorgesehen, um jeweils die Beugungsstrahlen erster Ordnung zu reflektie ren und zu trennen, die durch das Beugungsgitter aus den re flektierten Strahlen nullter Ordnung erzeugt wurden, welche auf den Rechteckprismen 70 A, 70 B reflektiert wurden und die wiederum in das Beugungsgitter eintreten. Die optischen De tektorelemente 22 A ₁, 22 A ₂ dienen zur photoelektrischen Wandlung der durch die Strahlteiler 48 A, 48 B getrennten ge beugten Strahlen zur Erzeugung eines Referenzsignals Vr = (Vra +Vrb)/2, und ein Halbspiegel 50 dient zur Wiedervereini gung der von den Strahlteilern 48 A, 48 B reflektierten gebeug ten Strahlen.

Bei einem derartigen Aufbau werden die durch das Beugungs gitter übertragenen jeweiligen Strahlen nullter Ordnung in derselben Richtung zurückreflektiert durch die Rechteckpris men 70 A, 70 B, um wiederum in das Beugungsgitter einzutreten. Daher treten, wie in Fig. 8 dargestellt ist, die optischen Strahlen, die unterschiedlich durch die Skala 10 gebrochen wurden, infolge der ungenügenden Ebenheit der Skala, nach Eintritt in die Skala wiederum in die Skala ein mit demselben Einfallswinkel, so daß Einflüsse der Brechung der Strahlen kompensiert werden, und zwar so, daß zu sämtlichen Zeiten die Beugungswinkel ψ der beiden Strahlen, nämlich des rech ten und des linken Strahls, gleichgemacht werden. Hierdurch wird sichergestellt, daß sich die gebeugten Strahlen erster Ordnung zu jeder Zeit in derselben Richtung ausbreiten, und das sorgt so für ein stabiles Interferenzsignal, wie auch immer die Ebenheit der Skalenoberfläche sein mag, oder wel che Skalenneigung infolge einer ungenügenden Ausrichtung der Skala auftreten mag.

Zwar sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Rechteck prismen als Einrichtungen zum Zurückreflektieren der von dem Beugungsgitter übertragenen Strahlen nullter Ordnung vorge sehen, es können jedoch auch Dreieckprismen 80, beispielsweise Eckprismen, Katzenaugen und dergleichen, statt dessen vorge sehen sein. In diesem Fall kann der Beugungspunkt quer in ver tikaler Richtung in bezug auf den Raum von Fig. 7 verschoben werden, wie in Fig. 9 dargestellt ist.

Zwar wurde bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsfor men die Laserdiode 42 als Lichtquelle verwendet, allerdings ist die Art der Lichtquelle nicht auf eine solche Lichtquelle beschränkt.

Zwar wurden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der gesamten Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät, gekennzeichnet durch eine Skala (10, 60) einschließlich eines hierauf ausgebil deten Beugungsgitters, einen Detektor, der aus einer Licht quelle (42) zur Bestrahlung des Beugungsgitters mit einem hiervon emittierten optischen Strahl und aus einem opti schen Detektorelement (22 A ₁, 22 A ₂, 22 B, 22 C) zur photo elektrischen Wandlung eines kombinierten Strahls mehrerer optischer Strahlen besteht, welche durch das Beugungsgit ter erzeugt werden, wobei der Detektor ein sich periodisch änderndes Nachweissignal in Reaktion auf eine Relativ verschiebung des Beugungsgitters in bezug auf die Skala erzeugt, und durch eine Einrichtung (52 A, 52 B; 54 A, 54 B) zum Kollimieren mehrerer der von dem Beugungsgitter erzeug ten optischen Strahlen vor der Kombination der optischen Strahlen.

2. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Kollimieren mehrerer der optischen Strahlen eine Konvexlinse (52 A, 52 B) ist, die so angeordnet ist, daß einer ihrer Brennpunkte auf der Brechungsebene oder der Beugungsebene der Skala (10, 60) liegt.

3. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der von dem Beugungs gitter erzeugten optischen Strahlen auf ein Paar optischer Elemente (48 A, 48 B; 54 A, 54 B) reflektiert und dann durch einen gemeinsamen Halbspiegel (50) wiedervereinigt werden.

4. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente mehrere Strahlteiler (48 A, 48 B) umfassen, und daß zumindest einer der mehreren optischen Strahlen, welche durch diese Strahl teiler aufgeteilt werden, zur Erzeugung eines Referenzsig nals (Vr) nachgewiesen wird.

5. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente mehrere Konkavspiegel (54 A, 54 B) umfassen, durch welche mehrere der optischen Strahlen zueinander kollimiert werden.

6. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Kollimie ren mehrerer der optischen Strahlen ein Konkavspiegel (54 A, 54 B) ist.

7. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Skala eine Reflexionsskala (60) ist und der optische Strahl von der Lichtquelle (42) schräg auf die Skala auffällt.

8. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät, gekennzeichnet durch eine Skala (10) einschließlich eines hierauf ausgebildeten Beugungsgitters, einen Detektor aus einer Lichtquelle (42) zur Bestrahlung des Beugungsgitters mit einem von der Lichtquelle emittierten optischen Strahl und aus einem optischen Detektorelement (22 A ₁, 22 A ₂, 22 B, 22 C) zur photoelektrischen Wandlung eines kombinierten Strahls mehrerer der optischen Strahlen, welche durch das Beugungsgitter erzeugt werden, wobei der Detektor ein sich periodisch änderndes Nachweissignal in Reaktion auf eine Relativ-Verschiebung des Beugungsgitters in bezug auf die Skala erzeugt, ein optisches Element (44) zur Aufteilung des von der Lichtquelle emittierten optischen Strahls, so daß die aufgeteilten optischen Strahlen in das Beugungsgitter ein treten, und durch mehrere Reflektoreinrichtungen (70 A, 70 B; 80) zum Zurückreflektieren jeweiliger Strahlen null ter Ordnung, welche jeweils durch das Beugungsgitter in derselben Richtung übertragen wurden, so daß diese Strah len nullter Ordnung wiederum in das Beugungsgitter ein treten, wodurch gebeugte Strahlen erster Ordnung, welche durch das Beugungsgitter aus den reflektierten Strahlen nullter Ordnung, welche wiederum in das Beugungsgitter aus mehreren der Reflektoreinrichtungen eintreten, erzeugt wurden, rekombiniert werden.

9. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einfallswinkel R in be zug auf die Skala (10) mehrerer der durch das optische Element (44) aufgeteilten optischen Strahlen im wesent lichen gleich einem Beugungswinkel ψ infolge der Skala ist, für die von der Reflektoreinrichtung (70 A, 70 B; 80) reflektierten Strahlen zum Wiedereintritt in die Skala nach Durchlaß durch die Skala.

10. Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Dreieckprismen (80) als die mehreren Reflektoreinrichtungen einsetzbar sind, um den Beugungspunkt quer über die Skala (10) zu ver schieben.