DE69011918T3

DE69011918T3 - Kodiereinrichtung.

Info

Publication number: DE69011918T3
Application number: DE69011918T
Authority: DE
Inventors: Tetsuharu Kawasaki-shi Nishimura; Koh Urawa-shi Ishizuka; Satoshi Ohta-ku Ishii; Masaaki Suginami-ku Tsukiji
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-03-28
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2010-03-28
Also published as: EP0390092A3; DE69011918D1; US5021649A; EP0390092A2; EP0390092B2; DE69011918T2; EP0390092B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kodiereinrichtung, die ein Verfahren zum Messen einer Verschiebung einer optischen Meßeinrichtung, bei der ein Relief-Beugungsgitter auf einem Lichtübertragungssubstrat gebildet ist, unter Verwendung von durch das Beugungsgitter erzeugtem gebeugten Licht anwendet.
Eine Vorrichtung, die z. B. in der Japanischen Gebrauchsmuster-Veröffentlichung Nr. 61-39289 offenbart ist, ist als eine herkömmliche Kodiereinrichtung, wie z. B. eine Linear-Kodiereinrichtung, eine Dreh-Kodiereinrichtung oder dergleichen bekannt. Das darin verwendete Beugungsgitter ist durch ein Array von Abschnitten eines Fotolackmaterials gebildet, das an der Oberfläche eines Substrats angeordnet ist. Bei einer Vorrichtung sind, wie in 8 gezeigt, auf einem durchlässigen Glassubstrat zyklisch Rillen gebildet, um ein Relief-Beugungsgitter zu bilden. Ein metallener Reflexionsfilm aus Gold (Au) oder Aluminium (Al) wird auf den zyklischen Rillenoberflächen aufgetragen, um eine optische Meßeinrichtung zu bilden. Die optische Meßeinrichtung wird von einer Position oberhalb des Relief-Beugungsgitters beleuchtet und durch das Relief-Beugungsgitter erzeugte, gebeugte Lichtkomponenten hoher Ordnung werden miteinander interferiert, wodurch Interferenzstreifen gebildet werden. Eine Änderung der Intensität der Interferenzstreifen wird erfaßt und photoelektrisch gewandelt, um ein sinusförmiges Siugnal zu erhalten. Eine Verschiebung der optischen Meßeinrichtung wird auf der Grundlage des Sinuswellensignals gemessen.
Das vorstehend beschriebene Relief-Beugungsgitter ist sehr wirkungsvoll, da die Höhe der Rille geeignet gewählt werden kann, um die Intensität von reflektiertem/ gebeugtem Licht nullter Ordnung (ebenmäßig reflektiertem Licht) zu schwächen und die Intensität von reflektiertem /gebeugtem Licht hoher Ordnung, das bei einer Messung verwendet wird, zu erhöhen.
Wie in 8 gezeigt ist, hat der bei einer Abscheidung eines Reflexionsfilms 3 auf den Rillenoberflächen des Relief-Beugungsgitters abgeschiedene Film strenggenommen jedoch eine ungleichmäßige Dicke und die Rillen haben demzufolge ungleichmäßige Formen und Tiefen. Als Ergebnis schwankt die Intensität von gebeugtem Licht und es ist schwierig, eine Hochpräzisions-Messung durchzuführen.
Weiterhin offenbart die Schrift EP-A-0 220 757 ein optisches Meßwandlerelement und ein Verschiebungsmeßgerät zum Messen einer Verschiebung mittels Beugungsgitterelementen. Diese Vorrichtung umfaßt ein durchlässiges Substrat mit einem auf einer Seite des Substrats gebildeten Relief-Beugungsgitter und eine lichtreflektierende Gitterschicht. Das Gitter wird von einem Lichtstrahl von der anderen Substratoberfläche angestrahlt, während Erfassungseinrichtungen die reflektierten Lichtstrahlen erfassen, wodurch eine Information über eine relative Verschiebung des Beugungsgitters erhalten wird.
Bei dieser herkömmlichen Kodiereinrichtung sind jedoch die Intensitätsschwankungen der gebeugten Lichtstrahlen groß und somit ist es schwierig, ein stabiles Ausgangssignal von den Erfassungseinrichtungen, die die reflektierten Lichtstrahlen erfassen, zu erhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kodiereinrichtung bei geringen Kosten zu bilden, die eine Hochpräzisions-Verschiebungsmessung durchführen kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kodiereinrichtung gemäß den beigefügten Ansprüchen gelöst.
Die Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten aus der folgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung offensichtlich werden. Es zeigen:
1A, 1B und 1C schematische Ansichten von verschiedenen Relief-Beugungsgittern, die bei einer erfindungsgemäßen Kodiereinrichtung verwendet werden;
2 eine schematische Ansicht eines Aufbaus eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kodiereinrichtung;
3 eine schematische Ansicht eines anderen Aufbaus der Kodiereinrichtung;
4 eine genaue Ansicht einer optischen Meßeinrichtung, auf der ein Relief-Beugungsgitter gebildet ist;
5 ein Kurvendiagramm eines Primär-Beugungswirkungsgrads (Beugungswirkungsgrad einer gebeugten Lichtkomponente erster Ordnung) als Funktion einer Tiefe h einer Rille;
6 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem die vorliegende Erfindung bei einer Dreh-Kodiereinrichtung angewendet wird;
7 ein Blockschaltbild eines Aufbaus eines Antriebssystems unter Verwendung der Kodiereinrichtung; und
8 eine schematische Ansicht zum Erklären einer herkömmlichen Kodiereinrichtung;
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kodiereinrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
1A bis 1C sind schematische Ansichten zum, Erklären einiger verschiedener Relief-Beugungsgitter, die bei einer Kodiereinrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden. 1A zeigt eine optische Meßeinrichtung, bei der ein Relief-Beugungsgitter, dessen Rillen eine rechteckwellenförmige Schnittform bestimmen, gebildet ist, 1B zeigt eine optische Meßeinrichtung, bei der ein Relief-Beugungsgitter, dessen Rillen eine sinuswellenförmige Schnittform bestimmen, gebildet ist und 1C zeigt eine optische Meßeinrichtung, bei der ein Relief-Beugungsgitter, dessen Rillen eine dreieckwellenförmige Schnittform bestimmen, gebildet ist.
In jeder der 1A bis 1C bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein durchlässiges Substrat, das aus einem Lichtübertragungsmaterial, wie z. B. Glas oder einen durchlässigen Kunststoff, besteht. Auf einer einzigen Seite (Oberfläche) des Substrats 1 ist ein Beugungsgitter gebildet. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Lichteinfallsoberfläche des durchlässigen Substrats 1 und das Bezugszeichen 24 bezeichnet einen einfallenden Lichtstrahl. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet eine gebeugte Lichtkomponente negativer erster Ordnung und das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine gebeugte Lichtkomponente positiver erster Ordnung. Bei jeder optischen Meßeinrichtung wird ein Reflexionsfilm 3 zum Erhöhen einer Intensität von reflektiertem/gebeugtem Licht auf den Rillenoberflächen des Relief-Beugungsgitters abgeschieden.
Die charakteristische Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Lichtstrahl nicht von einer Substratoberflächenseite, auf der das Beugungsgitter gebildet ist, auf die Oberfläche des Reflexionsfilms 3 trifft, sondern von einer Substratoberflächenseite entgegengesetzt der Oberfläche, auf der das Beugungsgitter gebildet ist. Die Lichteinfallsoberfläche 2 des durchlässigen Substrats 1 wird hinsichtlich einfallendem Licht einem Antireflexions-Verfahren und einem Verfahren zur Erhöhung der Durchlässigkeit unterzogen. Somit erreicht der einfallende Lichtstrahl 20 eine Grenzfläche zwischen den Rillen des Beugungsgitters auf dem durchlässigen Substrat 1 und dem Reflexionsfilm 3 ohne Dämpfung, und wird durch den Reflexionsfilm 3 reflektiert, um somit die reflektierten/gebeugten Lichtkomponenten 21 und 22 zu erzeugen.
Bei diesem Aufbau kann gebeugtes Licht in einer vorbestimmten Lichtmenge ungeachtet der Dickes des Reflexionsfilms 3 erzeugt werden. Selbst wenn der Reflexionsfilm 3 auf Grund eines angewandten Abscheidungsverfahrens eine ungleichmäßige Dicke besitzt, kann deshalb eine Lichtmenge von erzeugtem gebeugtem Licht konstant sein, ohne durch die ungleichmäßige Dicke beeinflußt zu werden. Da das Abscheidungsverfahren des Reflexionsfilms 3 keine strenge Genauigkeit erfordert, kann eine Kodiereinrichtung bei geringen Kosten hergestellt werden.
2 ist eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kodiereinrichtung unter Verwendung einer optischen Meßeinrichtung, bei der das rechteckwellenförmige Relief-Beugungsgitter (1A) gebildet ist. Die optische Meßeinrichtung wird bei einer sogenannten optischen Linear-Kodiereinrichtung angewendet, die eine lineare Verschiebung der optischen Meßeinrichtung in einer Richtung liest, die durch einen in 2 gezeigten Pfeil angezeigt ist. Es ist zu beachten, daß die in 1B und 1C gezeigten Beugungsgitter selbstverständlich angewendet werden können.
In 2 ist ein Relief-Beugungsgitter, bei dem rechteckwellenförmige zyklische Rillen gebildet sind, auf einer Substratoberfläche des durchlässigen Substrats 1 der in 1A gezeigten optischen Meßeinrichtung gebildet, und ein metallener Reflexionsfilm aus, z. B. Au, Al, Cu, Ag, Cr oder dergleichen, ist auf den Rillenoberflächen aufgetragen. Ein Antireflexionsfilm (nicht gezeigt) ist auf einer, der Substratoberfläche, auf der das Relief-Beugungsgitter gebildet ist, entgegengesetzten Einfallsoberfläche 2 gebildet.
In 2 bezeichnet das Bezugszeichen 31 einen Multimode-Halbleiterlaser 31 zum Emittieren eines kohärenten Lichtstrahls; Bezugszeichen 32 bezeichnet eine Kollimatorlinse; Bezugszeichen 33 bezeichnet einen Reflexionsspiegel; Bezugszeichen 34 bezeichnet einen Halbspiegel; und Bezugszeichen 35 bezeichnet ein Lichtempfangselement. Da der Halbleiterlaser 31 von einem Multimode-Typ ist, kann ein durch den Einfluß einer Änderung der Wellenlänge auf Grund einer Temperaturdrift bewirkter Maßfehler minimiert werden. Natürlich können irgendwelche anderen Lichtquellen, die einen kohärenten Lichtstrahl emittieren, angewendet werden.
Bei diesem Aufbau wird ein vom Halbleiterlaser 31 emittierter Lichtstrahl durch die Kollimatorlinse 32 zu einem weitgehend kollimierten Lichtstrahl gewandelt, trifft auf die Einfallsoberfläche 2 und erreicht die Oberfläche 3 des Beugungsgitters. Falls ein Lichtstrahl 20 von einer Richtung senkrecht zur Beugungsgitter-Bildungsoberfläche ausgestrahlt wird, werden primär (erster Ordnung) gebeugte Lichtkomponenten in Richtungen erzeugt, deren Winkel ±θ durch die folgende Gleichung gegeben sind: Θ = sin–1(λ/P) (1)(λ: Wellenlänge des Lasers 31, p: Gitterkonstante des Beugungsgitters)
Die erzeugten, gebeugten Lichtkomponenten 21 und 22 erster Ordnung werden durch den Reflexionsspiegel 33 reflektiert und werden zusammengeführt, damit durch den Halbspiegel 34 Interferenzlicht erhalten wird. Das Interferenzlicht fällt auf das Lichtempfangselement 35, um somit eine Änderung der Intensität des Interferenzlichts zu erfassen.
Wenn die optische Meßeinrichtung in einer Richtung, die in 2 mit einem Pfeil bezeichnet ist, um eine Strecke x verschoben wird, ändert sich die Phase der gebeugten Lichtkomponente 22 positiver erster Ordnung um 2πx/p und die Phase der gebeugten Lichtkomponente 21 negativer erster Ordnung ändert sich um – 2πx/p. Als Ergebnis erzeugt das Lichtempfangselement 35 ein Ausgangssignal I(x), das gegeben ist durch: I(x) = |exp{i(ωt + 2πx/p)} + exp(i(ωt – 2πx/p)}|2 = 2{1 – cos(4πx/p)}
Deshalb ist das Ausgangssignal vom Lichtempfangselement 35 ein Sinuswsllensignal mit einer Periode von x = p/2. Falls die Gitterkonstante p des Beugungsgitters gleich 1,6 μm ist, kann ein Sinuswellensignal mit einer Periode von 0,8 μm erhalten werden.
Auf diese Weise kann der Verschiebungsbetrag des optischen Meßeinrichtung auf der Grundlage des Ausgangssignals vom Lichtempfangselsment 35 gemessen werden. Wenn die optische Meßeinrichtung auf einen zu messenden Gegenstand (nicht gezeigt) montiert ist, wie z. B, einen beweglichen Tisch, kann der Verschiebungsbetrag dieses Tisches mit hoher Genauigkeit mit einer Auflösung von 1 μm oder weniger gemessen werden.
3 zeigt einen Aufbau einer Kodiereinrichtung, die sich von der in 2 gezeigten unterscheidet. Die gleichen Bezugszeichen in 3 bezeichnen die gleichen Teile wie in 2.
In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 10 einen Multimode-Halbleiterlaser; Bezugszeichen 11 bezeichnet eine Kollimatorlinse; Bezugszeichen 12 bezeichnet einen Strahlteiler; Bezugszeichen 131 und 132 bezeichnen Reflexionsspiegel; und Bezugszeichen 133 bezeichnet ein optisches Reflexionssystem mit einer Spiegeloberfläche. Diese Komponenten bilden ein optisches Rückstrahlungssystem mit weitgehend den gleichen Lichteinfalls- und Lichtausfallsrichtungen. Die Kodiereinrichtung enthält auch ein Lichtempfangselement 15.
Ein vom Halbleiterlaser 10 emittierter Lichtstrahl wird durch die Kollimatorlinse 11 in einen kollimierten Lichtstrahl gewandelt. Der kollimierte Lichtstrahl wird durch den Strahlteiler 12 in einen Übertragungslichtstrahl A und einen Reflexionslichtstrahl B aufgespalten. Der Übertragungslichtstrahl A und der Reflexionslichtstrahl B werden durch die Reflexionsspiegel 131 bzw. 132, die in ihren optischen Pfaden angeordnet sind, reflektiert und fallen unter dem gleichen Winkel θ auf den gleichen Abschnitt der optischen Meßeinrichtung. Falls ein Einfallswinkel θ in Bezug auf die Senkrechte zum Beugungsgitter (ein durch die Einfallsrichtung und die Senkrechte zur Oberfläche des Substrats 1 definierter Winkel) durch Gleichung (2) gegeben ist, treten eine durch Reflektieren und Beugen des Lichtstrahls A erzeugte, gebeugte Lichtkomponente negativer erster Ordnung und eine durch Reflektieren und Beugen des Lichtstrahls B erzeugte, gebeugte Lichtkomponente positiver erster Ordnung in einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche (in der Richtung der Senkrechten) heraus. θ = ein–1(λ/p) (2)wobei λ die Wellenlänge des Halbleiterlasers 10 und p die Gitterkonstante des Relief-Beugungsgitters (geradlinig ausgerichteter Rillenzyklus) ist. Die reflektierten/gebeugten Lichtkomponenten erster Ordnung werden durch den Reflexionsspiegel 133 in die gleiche Richtung wie die Einfallsrichtung reflektiert und treffen wieder auf die gleiche Stelle auf der optischen Meßeinrichtung. Bei diesem Wiedereinfall wird die gebeugte Lichtkomponente positiver erster Ordnung nochmals einer Beugung positiver erster Ordnung unterzogen, um in eine wiedergebeugte Lichtkomponente positiver erster Ordnung gewandelt zu werden. Die wiedergebeugte Lichtkomponente positiver erster Ordnung wird zum optischen Pfad des Lichtstrahls B (ursprünglicher optischer Pfad) hin abgelenkt. Unterdessen wird die gebeugte Lichtkomponente negativer erster Ordnung nochmals einer Beugung negativer erster Ordnung unterzogen, um in eine wiedergebeugte Lichtkomponente negativer erster Ordnung gewandelt zu werden. Die wiedergebeugte Lichtkomponente negativer erster Ordnung wird zum optischen Pfad des Lichtstrahls A (ursprünglicher optischer Pfad) hin abgelenkt.
Die Lichtstrahlen A und B, die jeweils zweimal einer Beugung erster Ordnung unterzogen wurden, werden durch den Strahlteiler 12 zusammengeführt, um miteinander zu interferieren und somit ein Interferenzlicht zu bilden. Eine Änderung der Intensität des Interferenzlichts wird durch das Lichtempfangselement 15 erfaßt. Die Phasen der gebeugten Lichtkomponenten erster Ordnung ändern sich um ±2π, wenn das Beugungsgitter um eine Gitterkonstante verschoben wird. Da das Interferenzlicht der wiedergebeugten Lichtkomponenten, die jeweils zweimal einer Beugung erster Ordnung unterzogen wurden, auf das Lichtempfangselement 15 fällt, werden vom Lichtempfangselement 15 vier Sinuswellensignale erhalten, wenn das Beugungsgitter um eine Gitterkonstante verschoben wird. Wenn beispielsweise die Gitterkonstante p des Beugungsgitters gleich 1,6 μm ist, werden Sinuswellensignale mit einer Periode von 0,4 μm vom Lichtempfangselement 15 erhalten. Wenn auf diese Weise zweimal Licht auf das Beugungsgitter fällt, kann eine zweimal so hohe Auflösung wie bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verwirklicht werden.
Die Beziehung zwischen der Form des Beugungsgitters und einem Beugungswirkungsgrad wird nachstehend mit Bezug auf das rechteckwellenförmige Relief-Beugungsgitter, das in 1A gezeigt ist, untersucht.
Es wird nun auf 4 verwiesen. Falls der Brechungsindex des durchlässigen Substrats 1 mit n, die Tiefe der rechteckwellenförmigen Beugungsgitterrillen mit h und die Wellenlänge eines einfallenden Lichtstrahls mit λ bezeichnet wird, wird ein an einer Unterseite 41 der Rille reflektierter Lichtstrahl E₁ und ein an einer Oberseite 42 der Rille reflektierter Lichtstrahl E₂ durch Gleichung (3) bzw. (4) ausgedrückt: E1 = a·exp[i{ωt + 2π/λ(L + 2nh)}] (3) E2 = a·exp[i(ωt + 2πL/λ)] (4)wobei a die Amplitude des einfallenden Lichtstrahls, ω die Kreisfrequenz des einfallenden Lichtstrahls und L die optische Pfadlänge ausschließlich eines Abschnitts des Beugungsgitters ist (eine optische Pfadlänge, die sich von der Lichtquelle bis zur Rillenoberseite 42 erstreckt). Eine Intensität I₀(h) von ebenmäßig reflektiertem Licht, d. h. von reflektiertem/gebeugtem Licht nullter Ordnung, ist gegeben durch: I0(h) = |E1 + E2|2 = 2a2(1 + cos(4nπh/λ)} (5)
Wenn Gleichung (5) durch I₀(0) = 4a² normiert wird, kann sie umgeschrieben werden in: I0(h) = (1 + cos(4nπh/λ))/2 (6)
Falls das EIN-/AUS-Verhältnis (ein Verhältnis von Rillenlängen W₁ und W₂ der Rillenunter- und Rillenoberseiten 41 und 42 entlang der Rillenausrichtungsrichtung) des Relief-Beugungsgitters gleich 50% ist, d. h. W1 = W2 in 4, da die meisten gebeugten Lichtkomponenten hoher Ordnung als gebeugte Lichtkomponenten er ster Ordnung betrachtet werden können, können Intensitäten I₁(h) der gebeugten Lichtkomponenten erster Ordnung erhalten werden durch: I1(h) = (1 – I0(h))/2 = {1 – cos(4nπh/λ)}/4 (7)
5 veranschaulicht einen Primär-Beugungswirkungsgrad (erste Ordnung) in Abhängigkeit von der Tiefe h der Rille, wenn n = 1,5 und λ = 0,78 μm ist.
Bei einer Kodiereinrichtung, die Interferenzlicht durch gebeugte Lichtkomponenten erster Ordnung bildet, besteht eine Bedingung zum Maximieren einer Intensität von gebeugtem Licht erster Ordnung (eine Gesamtlichtmenge von gebeugten Lichtkomponenten erster Ordnung) und zum Niederhalten einer Intensitätsschwankung beim Relief-Beugungsgitter innerhalb von 10% darin, daß die Tiefe h der Rille im Fall von 5 in die Bereiche von 0,10 μm bis 0,16 μm, 0,36 μm bis 0,42 μm, ..., usw. fällt. Die Bedingung zum Niederhalten der Intensitätsschwankung des gebeugten Lichts erster Ordnung innerhalb von 10% kann durch Beziehung (8) auf der Grundlage von Gleichung (7) ausgedrückt werden: m + cos–1(–0,8)/2π ≤ 2nh/λ ≤ (m + 1) –cos–1(–0,8)/2π (m = 0, 1, 2, 3, ...) (8)
Da cos^–1(–0,8) = 2,498 rad ergibt, kann aus Beziehung (8) die folgende Beziehung (9) als die Bedingung für die Tiefe h der Rille zum Niederhalten der Intensitätsschwankung von gebeugtem Licht erhalten werden: (λ/n)·(m/2 + 0,199) ≤ h ≤ (λ/n)·(m + 1)/2 – 0,199) (9)
Wenn die Tiefe h der Rille wie in Beziehung (9) bestimmt wird, kann die Intensitätsschwankung von gebeugtem Licht minimiert und ein stabiles Ausgangssignal vom Lichtempfangselement erhalten werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist λ = 0,78 μm, n = 1,5 und h = 0,13 μm, sodaß die Tiefe h der Rille des Relief-Beugungsgitters Beziehung (9) erfüllt. Somit kann eine Verschiebungsmessung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
Die Ausführungsbeispiele, bei denen die vorliegende Erfindung bei einer sogenannten Linear-Kodiereinrichtung angewendet wird, wurden beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann auch bei einer Dreh-Rodiereinrichtunq, wie in 6 gezeigt, angewendet werden. 6 zeigt, wie ein Lichtübertragungssubstrat 7 durch Verarbeitung von Glas oder Kunststoff in eine scheibenähnliche Form erhalten wird. Ein Relief-Beugungsgitter, bei dem zyklische Rillen in einem gleichwinkligen Abstand gebildet sind, wie in 1A gezeigt, wird auf einer Oberfläche des Substrats gebildet. Natürlich können Beugungsgitter, wie in 1B und 1C gezeigt, verwendet werden. Ein Reflexionsfilm 3 wird auf die Beugungsgitteroberfläche aufgetragen. Ein optisches System zum Erfassen von gebeugtem Licht, das durch Ausstrahlen eines Lichtstrahls auf das Beugungsgitter erhalten wird, besitzt den gleichen Aufbau, wie in den 2 oder 3 gezeigt. Wie beim vorstehenden Ausführungsbeispiel fällt ein Lichtstrahl von einer der Beugungsgitter-Bildungsoberfläche des Substrats 7 entgegengesetzten Oberfläche ein, sodaß eine Drehwinkelmessung ohne Beeinflussung durch die Filmdicke des Reflexionsfilms 3 durchgeführt werden kann.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde eine Vorrichtung zum Messen eines Verschiebungsbetrags oder eines Drehungsbetrags (Drehwinkel) einer optischen Meßeinrichtung veranschaulicht. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei einer Vorrichtung zum Messen einer Verschiebungsgeschwindigkeit oder einer Umdrehungsgeschwindigkeit einer optischen Meßeinrichtung angewendet werden.
Falls eine Kodiereinrichtung gebeugtes Licht einer höheren Ordnung als gebeugte Lichtkomponenten erster Ordnung verwendet, z. B. gebeugte Lichtkomponenten zweiter Ordnung, kann eine Meßauflösung weiter erhöht werden.
Eine Kodiereinrichtung kann einen anderen Aufbau haben. Das heißt, es können nur gebeugte Lichtkomponenten einer vorbestimmten Ordnung aus einem Relief-Beugungsgitter herausgeführt werden und die herausgeführten gebeugten Lichtkomponenten können mit einem anderen Bezugslicht zusammengeführt werden, um Interferenzlicht zu bilden. Somit können Vorrichtungen verschiedener Art im Schutzbereich der Erfindung, wie in den Patentansprüchen beansprucht, erhalten werden.
7 ist ein Blockschaltbild eines Antriebssystems unter Verwendung der Kodiereinrichtung als ein Anwendungsbeispiel zur Verwendung der Kodiereinrichtung. Eine Kodiereinrichtung 111 ist mit einer Antriebsausgangseinheit einer Antriebseinrichtung 110, die eine Antriebsquelle, wie z. B. eine innere Verbrennungskraftmaschine oder eine bewegliche Einheit eines anzutreibenden Gegenstands, besitzt, verbunden und erfaßt einen Antriebszustand, wie z. B. einen Drehungsbetrag, eine Umdrehungsgeschwindigkeit, einen Verschiebungsbetrag, eine Verschiebungsgeschwindigkeit oder dergleichen. Der Erfassungsausgang der Kodiereinrichtung 111 ist zu einer Steuereinrichtung 112 zurückgeführt. Die Steuereinrichtung 112 führt der Antriebseinrichtung 110 ein Antriebssignal zu, um einen durch eine Einstelleinrichtung 113 eingestellten Zustand zu erreichen. Mit diesem Rückkopplungssystem kann ein durch die Einstelleinrichtung 113 eingestellter Antriebszustand ohne einen Störeinfluß aufrechterhalten werden. Das Antriebssystem findet bei Arbeitsmaschinen, Fertigungsmaschinen, Meßvorrichtungen, Aufzeichnungsvorrichtungen und verschiedenen anderen allgemeinen Vorrichtungen mit einer Antriebseinrichtung ein breites Anwendungsgebiet vor.

Claims

Kodiereinrichtung (111), mit: einem Lichtübertragungssubstrat (1); einem Relief-Beugungsgitter, das auf einer Oberfläche des Lichtübertragungssubstrats (1) gebildet ist; einer Einrichtung (31; 10) zum Aussenden eines Lichtstrahls von der anderen Oberfläche (2) des Lichtübertragungssubstrats (1) auf das Beugungsgitter; und einer Einrichtung (35; 15) zum Erhalten einer Information über eine relative Verschiebung des Beugungsgitters; wobei ein Metallreflexionsfilm (3) an dem Beugungsgitter abgeschieden ist; die Einrichtung (35; 15) zum Erhalten einer Information über eine relative Verschiebung des Beugungsgitters Interferenzlicht erfasst, das durch gebeugtes Licht gebildet wird, welches durch das Beugungsgitter bei Bestrahlung mit einem einfallenden Lichtstrahl (20) erzeugt wird, der eine Grenzfläche zwischen den Rillen des Beugungsgitters und dem Reflexionsfilm (3) erreicht, und der von dem Reflexionsfilm (3) reflektiert wird, wodurch reflektierte /gebeugte Lichtkomponenten (21, 22) erzeugt werden; und die Rillentiefe h des Lichtübertragungssubstrats (1) die folgende Beziehung erfüllt: (λ/n) × (m/2 + 0.199) ≤ h ≤ (λ/n) × {(m + 1)/2 – 0. 199}wobei ein Brechungsindex des Lichtübertragungssubstrats (1) mit n bezeichnet ist, eine Wellenlänge des ausgesendeten Strahls mit λ bezeichnet ist und m eine ganze Zahl ist (m ≥ 0).
Kodiereinrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Antireflexionsfilm auf der anderen Oberfläche (2) des Lichtübertragungssubstrats (1), auf die der Lichtstrahl einfällt, gebildet ist.
Kodiereinrichtung nach Anspruch 1, zudem mit einer Lichtquelle (31; 10) zum Erzeugen eines kohärenten Lichtstrahls.
Kodiereinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Lichtquelle (31; 10) einen Halbleiterlaser umfasst.
Kodiereinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Halbleiterlaser einen Multimode-Halbleiterlaser umfasst.
Kodiereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kodiereinrichtung (111) eine Linear-Kodiereinrichtung umfasst, und das Beugungsgitter entlang einer Verschiebungsrichtung eines verschiebbaren Gegenstands gebildet ist.
Kodiereinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kodiereinrichtung (111) eine Dreh-Kodiereinrichtung umfasst und das Beugungsgitter entlang einer Drehrichtung eines drehbaren Gegenstands gebildet ist.
Kodiereinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Relief-Beugungsgitter eine im Wesentlichen rechteckige Wellenform besitzt.
Antriebssystem, einschließlich einer Antriebseinrichtung (110) mit einer Antriebsquelle und zudem einschließlich einer Kodiereinrichtung (111) nach Anspruch 1 oder 8, mit der Kodiereinrichtung (111) zum Erfassen eines Antriebszustands der Anbtriebseinrichtung (110); und einer Steuereinrichtung (112) zum Steuern der Ansteuereinrichtung (110) auf der Grundlage einer Ausgabe von der Codiereinrichtung (111).
System nach Anspruch 9, mit einer Einstelleinrichtung (113) zum Einstellen eines Antriebszustands der Antriebseinrichtung (110), wenn diese durch die Steuereinrichtung (112) gesteuert wird.