DE69320678T2

DE69320678T2 - Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation

Info

Publication number: DE69320678T2
Application number: DE69320678T
Authority: DE
Inventors: Koh C/O Canon Kabushiki Kaisha Tokyo 146 Ishizuka; Yasushi C/O Canon Kabushiki Kaisha Tokyo 146 Kaneda; Hiroshi C/O Canon Kabushiki Kaisha Tokyo 146 Kondo; Tetsuharu C/O Canon Kabushiki Kaisha Tokyo 146 Nishimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1993-04-06
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2013-04-07
Also published as: EP0565056B1; DE69320678D1; US5390022A; EP0565056A3; EP0565056A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion einer Verschiebungsinformation und in mehr besonderer Weise eine Vorrichtung, die für optische Verschiebungssensoren, wie z. B. eine Codiereinrichtung, ein Geschwindigkeitssensor, ein Beschleunigungssensor und dergleichen, geeignet ist, welche eine Verschiebung und eine Geschwindigkeit eines Objekts unter Anwendung der Tatsache messen, daß in dem Fall, wenn ein auf ein sich verschiebendes Objekt einstrahlender Lichtstrahl gebeugt oder gestreut wird, der gebeugte oder gestreute Lichtstrahl gemäß der Verschiebung oder der Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts phasenmoduliert wird.

Bemerkungen zum Stand der Technik

Herkömmlich werden optische Verschiebungssensoren, z. B. eine optische Codiereinrichtung, eine Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmeßeinrichtung, ein Laserinterferometer und dergleichen, zur Gewinnung einer physikalischen Größe, wie z. B. eine Bewegung oder eine Verschiebung eines Objekts, mit hoher Genauigkeit durch Einstrahlen von Licht auf das Objekt hauptsächlich auf dem Gebiet der NC-Bearbeitungsmaschinen, der Büroautomatisierungseinrichtungen, der Robotertechnik und dergleichen weit verbreitet eingesetzt. Ein herkömmlicher Verschiebungssensor ist z. B. in den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 1-180615 und Nr. 62-121314 jeweils als eine optische Codiereinrichtung beschrieben. Auch die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2-262064 beschreibt eine Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmeßeinrichtung.
Unter Berücksichtigung einer Anwendung des Verschiebungssensors auf weiteren Gebieten wird vom Verschiebungssensor ein noch kompakterer Aufbau (in der Größenordnung von Millimetern) sowie eine höhere Präzision und Auflösung (in der Größenordnung von 0,1 um) verlangt. Wenn der Verschiebungssensor eine Größe in der Größenordnung von Millimetern aufweist, ist er verwendbar, während er unmittelbar an einem zu messenden Objekt angeordnet werden kann, z. B. durch einen Klebstoff. Aus diesem Grund ist der Verschiebungssensor für kleinere Geräte verwendbar, und der Anwendungsbereich kann wesentlich erweitert werden. Es ist jedoch schwierig, bei einem herkömmlichen Verschiebungssensor sowohl einen kompakten Aufbau als auch hohe Präzision bzw. hohe Auflösung zu erreichen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Detektion einer Verschiebungsinformation zu schaffen, welche sowohl einen kompakten Aufbau als auch eine ausreichend hohe Präzision bzw. hohe Auflösung aufweist und auf wirkungsvolle Weise einen Drehfehler unterdrückt, welcher zwischen der Sensorkopfseite und der Objektseite erzeugt wird, sowie ein System, welches die Vorrichtung verwendet.
Ausgehend von der Lehre des Dokuments EP-A-0 163 326 wird der Rahmen der Erfindung jeweils in den Ansprüchen 1 und 13 definiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung einer Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform,
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung ' gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der nachteiligen Wirkung, welche durch einen Anordnungsfehler eines Maßstabs 21 verursacht ist,
Fig. 6A und Fig. 6B zeigen Ansichten zum Vergleich eines Falls, wobei ein paralleler Lichtstrahl (ebene Welle) auf die lichtaufnehmende Oberfläche eines Lichtaufnahmeelements (Fig. 6A) einfällt, und eines Falls, wobei ein divergenter Lichtstrahl (Kugelwelle) auf die lichtaufnehmende Oberfläche (Fig. 6B) einfällt,
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 8 zeigt eine Prinzipansicht zur Erläuterung eines Anordnungsfehlers eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf,
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung eines Anordnungsfehlers eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf,
Fig. 10 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung, welche einen Interferenzzustand einer Kugelwelle darstellt,
Fig. 11 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Winkeldifferenz zwischen zwei interferierenden Lichtstrahlen, dem Anordnungsfehlerwinkel (Azimutwinkel) eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf und dem Verhältnis der Wellenlänge einer Lichtquelle zum Gitterabstand,
Fig. 12 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Winkeldifferenz zwischen zwei interferierenden Lichtstrahlen und dem Anordnungsfehlerwinkel (Azimutwinkel) eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf,
Fig. 13 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Kreuzungsposition von zwei interferierenden Lichtstrahlen, dem Anordnungsfehlerwinkel (Azimutwinkel) eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf und dem Verhältnis der Wellenlänge einer Lichtquelle zum Gitterabstand,
Fig. 14 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Kreuzungsposition von zwei interferierenden Lichtstrahlen und dem Anordnungsfehlerwinkel (Azimutwinkel) eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf,
Fig. 15 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Anzahl der Interferenzstreifen je mm, dem Anordnungsfehlerwinkel (Azimutwinkel) eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf und der Verschiebung aus einer theoretischen Konvergenzposition,
Fig. 16 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen der Anzahl der Interferenzstreifen je Millimeter, dem Anordnungsfehlerwinkel (Azimutwinkel) eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf und der Verschiebung aus einer theoretischen Konvergenzposition,
Fig. 17 zeigt eine Ansicht der Lagebeziehung zwischen der Konvergenzposition und einem Sensor,
Fig. 18 zeigt eine Prinzipansicht zur Erläuterung eines anderen Anordnungsfehlers eines Maßstabs mit Bezug auf einen Kopf, und
Fig. 19 zeigt ein Blockdiagramm eines Antriebssystems mit einer Codiereinrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

< Erste Ausführungsform>

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Codiereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ein Element 1 ist ein Lichtabstrahlelement zum Abstrahlen von Licht und weist eine Größe in der Größenordnung von mehreren Hundert Mikrometer auf. Das Lichtabstrahlelement dieser Ausführungsform weist ein Halbleiterlaserelement zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 780 nm auf. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Lichtabstrahlelement z. B. eine Lichtemitterdiode anstelle des Halbleiterlaserelements aufweisen kann. Das von dem auf einer waagerechten Ebene angeordneten Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlte Licht wird durch einen Spiegel 2 reflektiert, dessen Spiegeloberfläche mit einer Neigung von 45º ausgebildet ist, um es in der senkrechten Richtung auszubreiten. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein Prisma anstelle des Spiegels verwendet werden kann. Eine lichtdurchlässige Glasplatte (nicht gezeigt) als ein Lichtübertragungselement ist in der Ausbreitungsrichtung des Lichts angeordnet. Drei Beugungsgitterabschnitte 32A, 32B und 32C, welche denselben Gitterabstand aufweisen, sind auf einer Oberfläche der Glasplatte ausgebildet. Der Gitterabstand P jedes Beugungsgitterabschnitts ist in dieser Ausführungsform auf 1,6 um eingestellt. Die Lichtaufnahmeelemente 4B und 4C sind angeordnet, um Licht aufzunehmen und das aufgenommene Licht photoelektrisch umzuwandeln. Ein Ausführungsbeispiel des Lichtaufnahmeelements weist eine Photodiode, eine Lawinenphotodiode, eine PIN-Photodiode, eine CCD oder einen Lichtaufnahme-IC mit einem solchen Lichtaufnahmeabschnitt auf und eine Schaltung zum Verstärken oder Verarbeiten eines Ausgangsphotostroms. Die Lichtaufnahmeelemente 4B und 4C erfassen Signale, welche zueinander einen Phasenunterschied aufweisen.
Ein divergenter Lichtstrahl, abgestrahlt von dem Lichtabstrahlelement 1, wird durch den Spiegel 2 in die senkrechte Richtung abgelenkt und wird durch eine Maske 30 mit einer kreisförmigen Öffnung in einen divergenten Lichtstrahl R mit einem vorbestimmten Strahldurchmesser umgewandelt. Dieser Lichtstrahl wird durch das Beugungsgitter 32A, welches auf einer Oberfläche der Glasplatte angeordnet ist, transmissionsgebeugt und tritt als eine Vielzahl von Teillichtstrahlen mit einem Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&sub0;, einem Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R+1 und einem Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&submin;&sub1; aus.
Von diesen Lichtstrahlen wird der Lichtstrahl R&sub0;, welcher direkt durch das Beugungsgitter 32A übertragen wird, durch einen Punkt P1 auf einem Beugungsgitter 21, erzeugt auf einem Maßstab, reflexionsgebeugt und wird in einen Beugungsλichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ und einen Beugungslichtstrahl - 1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ geteilt, um phasenmoduliert zu werden. Wenn der Maßstab relativ bewegt wird, erfolgt das Verschieben der Phase des Beugungslichtstrahls +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ um +2πx/P und das Verschieben der Phase des Beugungslichtstrahls -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ um -2πx/P (wobei x die Bewegungsmenge des Beugungsgitters 21 und P der Gitterabstand des Beugungsgitters 21 ist).
Der Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ wird durch das auf einer Oberfläche der Glasplatte ausgebildete Beugungsgitter 32B transmissionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&sub0;&spplus;¹&sub0;, einen Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; und andere Lichtstrahlen geteilt. Von diesen Lichtstrahlen wird der Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; in eine Richtung rechtwinklig zu der Beugungsgitteroberfläche abgeleitet, und die Phase der zwei Wellenflächen zu diesem Zeitpunkt beträgt +2πx/P. Andererseits wird der Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ durch das auf einer Oberfläche der Glasplatte ausgebildete Beugungsgitter 32C transmissionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sub0;, einen Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; und andere Lichtstrahlen geteilt. Von diesen Lichtstrahlen wird der Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; in eine Richtung rechtwinklig zu der Beugungsgitteroberfläche abgeleitet, und die Phase der Wellenfläche beträgt zu diesem Zeitpunkt
-2πx/P.
Wenn in diesem Fall die Phasenbeziehung der Gitteranordnung des Beugungsgitters 32B um P/4 gegenüber jener des Beugungsgitters 32C verschoben ist, wird die Phase der Wellenfläche des Beugungslichtstrahls +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; ferner um -2π(P/4)/P = -π/2 nach -2πx/P - π/2 verschoben.
Andererseits wird der Lichtstrahl R&sbplus;&sub1;, welcher durch das auf einer Oberfläche der Glasplatte ausgebildete Beugungsgitter 32A +1. Ordnung-gebeugt wird, durch einen Punkt P2 auf dem Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab 20 reflexionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹, einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sup0; und andere Lichtstrahlen geteilt, um phasenmoduliert zu werden. Von diesen Lichtstrahlen fällt der Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ auf das Beugungsgitter 32B ein, während dessen Phase um - 2πx/P verschoben wird, und die Phase der Wellenfläche des Beugungslichtstrahls nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sup0;, welcher direkt durch das Beugungsgitter übertragen wird, beträgt -2πx/P.
Auch der Lichtstrahl R&submin;&sub1;, welcher durch das auf einer Oberfläche der Glasplatte 3 ausgebildete Beugungsgitter 32A -1. Ordnung-gebeugt wird, erfährt durch einen Punkt P3 auf dem Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab eine Reflexionsbeugung und wird in einen Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹, einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sup0; und andere Lichtstrahlen geteilt, um phasenmoduliert zu werden. Von diesen Lichtstrahlen fällt der Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹ auf das Beugungsgitter 32C, wobei dessen Phase um +2πx/P verschoben wird, und die Phase der Wellenfläche des Beugungslichtstrahls nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sup0;, welche direkt durch das Beugungsgitter übertragen wird, beträgt +2πx/P.
Die Lichtstrahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter 32B veranlaßt werden, einander zu überlappen, werden in einen Interferenzlichtstrahl umgewandelt, wobei der Interferenzlichtstrahl fokussiert wird, um auf das Lichtaufnahmeelement 4B einzufallen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Phase des Interferenzlichtstrahls gegeben durch:
{+2πx/P} - {-2πx/P} = 4πx/P (1)
Auf diese Weise wird jedesmal, wenn das Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab 20 um 1/2 Gitterabstand bewegt wird, ein Hell/Dunkel-Signal für eine Periode erzeugt.
Die Lichtstrahlen R&submin;&sub1;&spplus;¹&sub0; und R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter 32C veranlaßt werden, einander zu überlappen, werden in einen Interferenzlichtstrahl umgewandelt, wobei der Interferenzlichtstrahl durch eine Linse fokussiert wird, um auf das Lichtaufnahmeelement 4C einzufallen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Phase des Interferenzlichtstrahls gegeben durch:
(-2πx/P - π/2} - {+2πx/P} = -4πx/P - π/2 (2)
Daher wird jedesmal dann, wenn das Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab um 1/2 Gitterabstand bewegt wird, ein Hell/Dunkel- Signal für eine Periode erzeugt, und die Hell/Dunkel-Zeitsteuerung dieses Signals wird um 1/4 Periode gegenüber jener des Lichtaufnahmeelements 4B verschoben.
Wie vorstehend beschrieben, können beim Verschieben des Maßstabs die periodischen Signale A und B, welche einen Phasenunterschied von 1/4 Periode (90º) aufweisen, zwischen diesen durch die Lichtaufnahmeelemente 4B und 4C erlangt werden. Auf der Grundlage dieser Signale ist ein Relativverschiebungszustand zwischen der Sensoreinheit und dem Maßstab unter Verwendung bekannter Signalverarbeitungsschaltungen, wie z. B. ein Verstärker, eine Signalinterpolationsschaltung, eine Digitalisierschaltung, eine Richtungsunterscheidungsschaltung und dergleichen, erfaßbar. In dieser Ausführungs form sind einige oder alle dieser Signalverarbeitungsschaltungen in die Sensoreinheit einbezogen und vergrößern auf diese Weise den Integrationsgrad.
Die Anordnung zum Erzeugen eines divergenten Lichtstrahls ist nicht auf jene in Fig. 1 gezeigte begrenzt. Z. B. ist anstelle der Maske eine Linse 31 verwendbar, wie in Fig. 2 gezeigt, um so einen zweckentsprechenden divergenten Lichtstrahl zu erzeugen.
Das kennzeichnende Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß ein divergenter Lichtstrahl, d. h. eine Kugelwelle, auf das Lichtaufnahmeelement einfällt. Fig. 6A und Fig. 6B zeigen Ansichten zum Vergleich zwischen einem Fall, wobei ein Lichtstrahl ein paralleler Lichtstrahl (ebene Welle) ist, und einem Fall, wobei ein Lichtstrahl ein divergenter Lichtstrahl (Kugelwelle) ist. Wenn der Lichtstrahl ein paralleler Lichtstrahl ist, d. h. eine ebene Welle, wie in Fig. 6A gezeigt, ist ein Abstand P&sub2; der Interferenzstreifen bei der Interferenz von zwei parallelen Lichtstrahlen durch einen Winkel θ&sub2; zwischen den zwei Lichtstrahlen bestimmt. Wenn daher, wie in Fig. 5 gezeigt, ein Anordnungsfehler des Maßstabs in der Drehrichtung eines Pfeils mit Bezug auf einen Kopf einer Codiereinrichtung eintritt, ändert sich der Interferenzzustand in unerwünschter Weise. In mehr spezifischer Weise, in dem Fall der ebenen Welle ist erforderlich, daß der Maßstab eine hohe Anordnungsgenauigkeit mit Bezug auf den Kopf der Codiereinrichtung aufweist.
Wenn im Gegensatz dazu, wie in Fig. 6B gezeigt, zwei interferierende Lichtstrahlen A und B divergente Lichtstrahlen sind (konvexe Kugelwellen in der Ausbreitungsrichtung), hängt ein Abstand P&sub1; der Interferenzstreifen von dem Verhältnis (ΔX/R) einer Teilungsmenge ΔX an den Lichtabstrahlpunkten A und B ab sowie einem Abstand R von jedem Lichtabstrahlpunkt zur Beobachtungsoberfläche (die Kugelwelle auf der Beobachtungsoberfläche weist eine Krümmung 1/R auf), unabhängig von einem Winkel θ&sub1;, welcher zwischen den Hauptstrahlen der Lichtstrahlen A und B ausgebildet ist. Da sich das Verhältnis ΔX/R Null annähert, wird der Abstand P&sub1; der Interferenzstreifen größer, und folglich wird eine Änderung im Interferenzzustand gering. Wenn daher R mit Bezug auf die Teilungsmenge ΔX an den Lichtabstrahlpunkten A und B so groß als möglich eingestellt wird, kann die Kugelwelle eine Veränderung in der Ausgabe, verursacht durch Anordnungsfehler des Maßstabs in der Drehrichtung, wie in Fig. 5 gezeigt, im Vergleich zur ebenen Welle vermindern.
Wenn in dieser Ausführungsform die divergenten Lichtstrahlen (Kugelwellen), welche eine zweckentsprechende Krümmung aufweisen, veranlaßt werden, durch die Maske 30 oder die Linse 31, wie vorstehend beschrieben, auf die Lichtaufnahmeoberflächen der Lichtaufnahmeelemente 4B und 4C aufzutreffen, wird der Einfluß auf eine Ausgabe, verursacht durch den Anordnungsfehler eines Beugungsgitters 21, welches auf dem Maßstab angeordnet ist, oder der Anordnungsfehler des Maßstabs, wie in Fig. 5 gezeigt, ausgeschlossen, und eine Codiereinrichtung, welche die einfache Montage zuläßt und beständig gegenüber einer Veränderung der Umgebungsbedingungen ist, kann erzielt werden.

< Zweite Ausführungsform>

Fig. 3 zeigt eine Anordnung einer Codiereinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Kugelwellen auf die Lichtaufnahmeelemente auftreffen, wie in der ersten Ausführungsform. In Fig. 3 wandelt eine Linse 31A das von einem Lichtabstrahlelement abgestrahlte Licht in einen konvergenten Lichtstrahl oder einen parallelen Lichtstrahl um, und die Linsen 31B und 31C sind angeordnet, um den konvergenten oder den parallelen Lichtstrahl in einen zweckentsprechenden divergenten Lichtstrahl umzuwandeln und zu veranlassen, auf die Lichtaufnahmeelemente 4B und 4C einzufallen. Diese Linsen 31A, 31B und 31C sowie die Beugungsgitter 32A, 32B und 32C sind jeweils auf der vorderen Oberfläche und der hinteren Oberfläche einer lichtdurchlässigen Glasplatte ausgebildet.
Ein vom Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlter divergenter Lichtstrahl wird durch den Spiegel 2 abgelenkt und wird durch die Linse 31A in einen konvergenten oder in einen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl R umgewandelt. Der konvergente oder der parallele Lichtstrahl R wird auf das Beugungsgitter 32A gestrahlt. Das Erfassungsprinzip der Codiereinrichtung ist dasselbe wie jenes der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. In dieser Ausführungsform werden jedoch die konvergenten oder parallelen Lichtstrahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter 32B veranlaßt werden, einander zu überlappen, durch die Linse 31B in zweckentsprechendes divergentes Interferenzlicht (Kugelwelle) umgewandelt, und das Interferenzlicht fällt auf das Lichtaufnahmeelement 4B (ein photoelektrisches Element) ein. Die konvergenten oder parallelen Lichtstrahlen R&submin;&sub1;&spplus;¹&sub0; und R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter 32C veranlaßt werden, einander zu überlappen, werden durch die Linse 31C in zweckentsprechendes divergentes Interferenzlicht (Kugelwelle) umgewandelt, und das Interferenzlicht fällt auf das Lichtaufnahmeelement 4C (ein photoelektrisches Element) ein.
Da gemäß dieser Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, die Interferenzlichtstrahlen unmittelbar vor den Lichtaufnahmeelementen 4B und 4C in divergente Lichtstrahlen umgewandelt werden, können die Intensitäten der Lichtstrahlen, welche auf den Lichtaufnahmeelementen 4B und 4C auftreffen, erhöht werden. Daher ist ein stabiles Signal mit einem guten Geräuschabstand erzeugbar, zusätzlich zu der Wirkung der ersten Ausführungsform.

< Dritte Ausführungsform>

Fig. 4 zeigt eine Anordnung einer Codiereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die Kugelwellen auf die Lichtaufnahmeelemente, wie in der ersten und in der zweiten Ausführungsform, einfallen. Die Linse 31A fokussiert das vom Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlte Licht. Das konvergierte Licht wird zeitweise nahe dem Beugungsgitter 21 des Maßstabs fokussiert und fällt dann auf die Lichtaufnahmeelemente 4B und 4C als divergentes Licht ein.
Selbst wenn in diesem Zustand ein Ausrichtungsfehler zwischen dem Beugungsgitter 21 des Maßstabs und den Beugungsgittern 32A, 32B und 32C eintritt, werden die zwei einfallenden Kugelwellen fast nicht durch den Ausrichtungsfehler beeinflußt, da die Positionen der Punktlichtquellen der zwei einfallenden Kugelwellen, wenn von der Sensoroberfläche aus beobachtet, nahe dem Beugungsgitter des Maßstabs angeordnet sind. In mehr spezifischer Weise, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist, wird der Abstand P&sub1; der Interferenzstreifen fast eine unendliche Zahl, unabhängig von θ&sub1;, und der Interferenzzustand wird fast nicht verändert, da sich die Trennungsmenge ΔX der Lichtabstrahlpunkte A und B fast 0 nähert.

< Vierte Ausführungsform>

Fig. 7 zeigt eine Anordnung einer Codiereinrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Kugelwellen auf die Lichtaufnahmeelemente, wie in der ersten bis dritten Ausführungsform, auftreffen. In dieser Ausführungsform wird ein Lichtstrahl veranlaßt, auf einem Mittelpunkt entlang eines optischen Pfads zu konvergieren, welcher sich zwischen einem Teilungsbeugungsgitter und einem Vereinigungsbeugungsgitter erstreckt, so daß eine Änderung des Interferenzzustands, welche durch den Anordnungsfehler verursacht ist, unterdrückt werden kann. Somit wird eine Veränderung der Ausgabe minimiert, welche durch die Veränderung des Interferenzzustands auf der Lichtaufnahmeoberfläche verursacht wird, und ein Signal, welches weniger durch die Anordnungsfehler beeinflußt wird und einen guten Geräuschabstand aufweist, ist erzeugbar. Da die Codiereinrichtung durch eine Lichtabstrahlelement ausgebildet wird, sind mindestens eine Maske oder eine Linse, drei auf einem Meßkopf angeordnete Beugungsgitter, ein auf einem Maßstab angeordnetes Beugungsgitter und zwei Lichtaufnahmeelemente notwendig, und eine kompakte, hochpräzise und kostengünstige Codiereinrichtung, welche einfache Anordnungs- und Montageprozesse gestattet, einen einfachen Aufbau aufweist und leicht handhabbar ist, kann ausgebildet werden.
Diese Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Aufbaus einer optischen Codiereinrichtung gemäß dieser Ausführungsform. Dieselben Bezugszeichen in Fig. 7 bezeichnen dieselben Teile wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Ein von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlter divergenter Lichtstrahl wird durch den Spiegel 2 abgelenkt und wird durch die Linse 31A in einen zweckentsprechenden konvergenten Lichtstrahl umgewandelt. Der konvergente Lichtstrahl wird durch das Beugungsgitter 32A transmissionsgebeugt und tritt aus diesem in drei Teilstrahlen aus, d. h. ein Beugungslichtstrahl nullter Ordnung 1%, ein Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; und ein Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&submin;&sub1;.
Der direkt durch das Beugungsgitter 32A übertragene Lichtstrahl R&sub0; wird durch einen Punkt P1 auf dem auf dem Maßstab ausgebildeten Beugungsgitter 21 reflexionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ und in einen Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ geteilt, um phasenmoduliert zu werden. Diese Lichtstrahlen konvergieren jeweils in den Punkten 011 und 012 nahe dem Beugungsgitter 21.
Die Phase des Beugungslichtstrahls +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ wird um +2πx/P verschoben, und die Phase des Beugungslichtstrahls -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ wird um -2πx/P verschoben (wobei x die Bewegungsmenge des Beugungsgitters 21 ist und P der Gitterabstand des Beugungsgitters 21 ist).
Der Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ wird durch das Beugungsgitter 32B transmissionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&sub0;&spplus;¹&sub0;, einen Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&submin;&sub1; und andere Lichtstrahlen geteilt.
Von diesen Lichtstrahlen wird der Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&submin;&sub1; in eine Richtung rechtwinklig zu der Beugungsgitteroberfläche abgeleitet. Die Phasenverschiebung der Wellenfläche dieses Lichtstrahls beträgt +2πx/P, es sei denn, das Beugungsgitter 32B erfährt eine Phasenverschiebung.
Der Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ wird durch das Beugungsgitter 32C transmissionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sub0;, einen Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; und andere Lichtstrahlen geteilt. Von diesen Lichtstrahlen wird der Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; in eine Richtung rechtwinklig zu der Beugungsgitteroberfläche abgeleitet. Die Phasenverschiebung der zwei Wellenflächen dieses Lichtstrahls beträgt -2πx/P, es sei denn, das Beugungsgitter 32C erfährt eine Phasenverschiebung.
Wenn in diesem Fall die Phasenbeziehung der Gitteranordnung des Beugungsgitters 32B um P/4 gegenüber jener des Beugungsgitters 32C verschoben wird, ist die Phase der Wellenfläche des Beugungslichtstrahls +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; ferner um -2π(P/4)/P = -π/2 nach -2πx/P - π/2 verschoben.
Der Lichtstrahl R&sbplus;&sub1;, welcher durch das Beugungsgitter 32A +1. Ordnung-gebeugt wird, konvergiert in einem Punkt 02 nahe dem- Beugungsgitter 21. Danach wird der Lichtstrahl R&sbplus;&sub1; durch einen Punkt P2 auf dem Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab reflexionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹, einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sup0; und andere Lichtstrahlen geteilt, um phasenmoduliert zu werden. Von diesen Lichtstrahlen fällt der Beugungslichtstrahl -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ auf das Beugungsgitter 32B ein, während dessen Phase um -2πx/P verschoben wird, und die Phase der Wellenfläche des Beugungslichts nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sup0;, welches direkt durch das Beugungsgitter übertragen wird, beträgt - 2πx/P.
Der Lichtstrahl R&submin;&sub1;, welcher durch das Beugungsgitter 32A -1. Ordnung-gebeugt wird, konvergiert in einem Punkt 03 nahe dem Beugungsgitter 21. Danach wird der Lichtstrahl R&submin;&sub1; durch einen Punkt P3 auf dem Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab reflexionsgebeugt und wird in einen Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹, einen Beugungslichtstrahl nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sup0; und andere Lichtstrahlen geteilt, um phasenmoduliert zu werden. Von diesen Lichtstrahlen fällt der Beugungslichtstrahl +1. Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹ auf das Beugungsgitter 32C ein, während dessen Phase um +2πx/P verschoben wird, und die Phase der Wellenfläche des Beugungslichtstrahls nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sup0; welches direkt durch das Beugungsgitter übertragen wird, beträgt +2πx/P.
Der vorstehend erwähnte Konvergenzpunkt jedes Lichtstrahls wird auf eine mittlere Position der optischen Pfadlänge des optischen Pfads vom Beugungsgitter 32A zum Beugungsgitter 32B oder 32C des entsprechenden Lichtstrahls eingestellt. Wenn in mehr spezifischer Weise die optischen Pfadlängen der Lichtstrahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ und R&sub0;&spplus;¹ vom Beugungsgitter 21 zum Beugungsgitter 32B jeweils durch L und L' dargestellt werden, sind die Konvergenzpunkte des Lichtstrahls R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ (d. h. der Lichtstrahl R&sbplus;&sub1;) und der Lichtstrahl R&sub0;&spplus;¹ eingestellt, daß sie in Positionen erzeugt werden, welche eine optische Pfadlänge von etwa (L + L)/2 vom Beugungsgitter 32B aufweisen. Dasselbe gilt für die Lichtstrahlen R&sub1;+1 und R&sub0;&supmin;¹.
Die Lichtstrahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter 32B veranlaßt werden, einander zu überlappen, fallen auf das Lichtaufnahmeelement 4B als ein Interferenzlichtstrahl ein. Eine Interferenzphase zu diesem Zeitpunkt wird dargestellt durch:
{+2πx/P} - {-2πx/P} = 4πx/P (3)
Somit wird ein Hell/Dunkel-Signal für eine Periode jedesmal erzeugt, wenn das Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab um 1/2 Gitterabstand bewegt wird.
Die Lichtstahlen R&submin;&sub1;&spplus;¹&sub0; und R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter 32C veranlaßt werden, einander zu überlappen, fallen auf das Lichtaufnahmeelement 4C als ein Interferenzlichtstrahl ein. Eine Interferenzphase zu diesem Zeitpunkt ist darstellbar durch:
(-2πx/P} - {+2πx/P} = -4πx/P (4)
Somit wird ein Hell/Dunkel-Signal für eine Periode jedesmal erzeugt, wenn das Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab um 1/2 Gitterabstand bewegt wird, und die Hell/Dunkel-Zeitsteuerung dieses Signals wird um 1/4 Periode gegenüber jener des Lichtaufnahmeelements 4B verschoben.
Da das vorstehend erwähnte Gerät ein sehr einfaches optisches Interferenzsystem aufweist, wenn die Linsen und die Beugungsgitter auf zwei Oberflächen einer Glasplatte durch z. B. ein Replika-Fertigungsverfahren ausgebildet werden, kann eine kompakte und kostengünstige Codiereinrichtung realisiert werden. In dieser Ausführungsform sind insbesondere die folgenden Vorteile zu erwarten:
(1) Selbst wenn das Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab und die Beugungsgitter (32A, 32B und 32C) zum Teilen und zum Verbinden der Lichtstrahlen angeordnet sind, um dazwischen eine Winkelverschiebung aufzuweisen, kann ein Interferenzsignal stabil ausgegeben werden. Der Grund dafür wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 8 bis 17 erläutert.
Fig. 8 zeigt das Prinzip des in Fig. 7 gezeigten Geräts, und der Spiegel 2 ist nicht dargestellt. In einem Originalzustand, in welchem keine Drehverschiebung zwischen dem Beugungsgitter 21 und den Beugungsgittern 32A, 32B und 32C im Zusammenhang mit den zwei interferierenden Lichtstrahlen eintritt, welche auf den zwei Sensoroberflächen erfaßt werden, stimmen die Hauptstrahlen der zwei interferierenden Lichtstrahlen einander überein, und die Kugelwellen dieser Lichtstrahlen definieren immer einen konzentrischen Zustand. Wenn jedoch eine in Fig. 8 gezeigte Azimutwinkelverschiebung q auf den Maßstab einwirkt, wird ein Winkelunterschied (θ&sub1;) zwischen den Hauptstrahlen der zwei Lichtstrahlen erzeugt, wie in Fig. 9 gezeigt ist. In diesem Fall kann infolge der Verschiebung zwischen den Kugelwellen der zwei Lichtstrahlen auf den Sensoroberflächen leicht die Interferenzungleichförmigkeit eintreten, obgleich deren Pegel wesentlich kleiner als jener durch die ebenen Wellen verursachte ist.
Fig. 10 zeigt einen Zustand, in welchem die Hauptstrahlen der zwei Lichtstrahlen A und B mit Kugelwellen einen Winkelunterschied aufweisen. Die Punkte OA und OB stellen jeweils Konvergenzpunkte der zwei Lichtstrahlen A und B dar, AA und AB stellen die zwei Hauptstrahlen der zwei Lichtstrahlen A und B dar, und W stellt die Wellenfläche dar. In diesem Strahlenzustand scheinen sich die Hauptstrahlen in einer spezifischen Position (einem Punkt C in Fig. 10) zu kreuzen. Die Position, in welcher sich die Hauptstrahlen zu kreuzen scheinen, wird nachstehend als eine Kreuzungsposition bezeichnet. Wenn die Konvergenzpositionen der Lichtstrahlen nicht mit der Kreuzungsposition übereinstimmen, sind die zwei Punktlichtquellen (Konvergenzpunkte) in unerwünschter Weise voneinander beabstandet. Da die Punktlichtquelle mit der Mitte der Kugelwelle jedes Lichtstrahls übereinstimmt, definieren die Kugelwellen der zwei Lichtstrahlen einen nichtkonzentrischen Zustand, und die Interferenzstreifen werden auf der Sensoroberfläche erzeugt, wie durch "HELL" und "DUNKEL" in Fig. 10 bezeichnet ist. Ein Abstand P1 der Interferenzstreifen auf der Sensoroberfläche hängt von dem Verhältnis (ΔX/R) einer Trennungsmenge ΔX der Konvergenzpunkte OA und OB zu einem Abstand R von der Punktlichtquelle zur Beobachtungsoberfläche ab (die Kugelwelle auf der Beobachtungsoberfläche weist eine Krümmung 1/R auf), unabhängig von einem Winkel θ&sub1;, welcher zwischen den Hauptstrahlen der Lichtstrahlen A und B ausgebildet ist. Wenn sich das Verhältnis ΔX/R Null annähert, wird der Abstand P1 der Interferenzstreifen vergrößert, und demzufolge wird eine Änderung im Interferenzzustand vermindert. In einem Extremfall, wenn ΔX = 0 ist, wird der Abstand P1 der Interferenzstreifen unendlich, und der Interferenzzustand bleibt unverändert, un geachtet des Werts von θ&sub1;. Wenn die Konvergenzpunkte OA und OB veranlaßt werden, sich der Kreuzungsposition C der Hauptstrahlen der zwei interferierenden Lichtstrahlen anzunähern, ist die Trennungsmenge ΔX minimierbar. Die Kreuzungsposition der Hauptstrahlen der zwei interferierenden Lichtstrahlen wird nachstehend beschrieben. In dem Fall des in Fig. 8 gezeigten optischen Systems ist die Beziehung zwischen der Kreuzungsposition der Hauptstrahlen der zwei interferierenden Lichtstrahlen, dem Verhältnis der Wellenlänge zum Gitterabstand und dem Drehwinkel (Azimutwinkel) θ (Fig. 8) durch ein in Fig. 13 gezeigtes Kurvenbild ausdrückbar, wenn ein Zwischengitterabstand L2 als eine Einheitslänge definiert ist (die Kreuzungsposition der Hauptstrahlen der zwei interferierenden Lichtstrahlen wird durch die Abstände von den Beugungsgittern 32B und 32C zum Verbinden der Lichtstrahlen ausgedrückt: wenn das Vorzeichen negativ ist, stellt es eine Richtung dar, die von den Beugungsgittern 32B und 32C weggerichtet ist, wenn von den Sensoroberfläche 4b und 4c aus beobachtet, und wenn das Vorzeichen positiv ist, stellt es eine Richtung dar, welche auf die Beugungsgitter 32B und 32C zu gerichtet ist). Wie aus Fig. 13 erkennbar, ist die Kreuzungsposition der zwei interferierenden Lichtstrahlen nahezu gleichbleibend, unabhängig von der Wellenlänge λ, dem Gitterabstand P und dem Azimutwinkel θ in diesem optischen System und ist eine mittlere Position der optischen Pfadlänge eines optischen Pfads zwischen den Beugungsgittern 32A und 32B (ein optischer Pfad des durch das Beugungsgitter 32A geteilten Lichts, bis es auf das Beugungsgitter 32B einfällt, nachdem es durch das Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab reflexionsgebeugt ist) oder eines optischen Pfads zwischen den Beugungsgittern 32A und 32C (ein optischer Pfad des durch das Beugungsgitter 32A geteilten Lichts, bis es auf das Beugungsgitter 32C einfällt, nachdem es durch das Beugungsgitter auf dem Maßstab 20 reflexionsgebeugt ist), d. h. eine Position entsprechend einer optischen Pfadlänge der Hälfte der optischen Pfadlänge des optischen Pfads vom Beugungsgitter 32A zum Beugungsgitter 32B oder 32C. Wie auch aus Fig. 13 erkennbar, ist in dem in Fig. 7 gezeigten Gerät, in welchem jeder Konvergenzpunkt auf eine Position des optischen Pfads der Hälfte der optischen Pfadlänge des optischen Pfads vom Beugungsgitter 32A zum Beugungsgitter 32B oder 32C eingestellt ist (d. h. eine Position, welche durch eine optische Pfadlänge von etwa (L + L')/2 von dem Beugungsgitter 32B oder 32C beabstandet ist, wobei L und L' die optischen Pfadlängen der zwei interferierenden Beugungslichtstrahlen vom Beugungsgitter 21 zu dem Beugungsgitter 32B oder 32C ist), wobei die Kreuzungsposition der zwei interferierenden Lichtstrahlen im wesentlichen mit der Konvergenzposition übereinstimmt, die Kugelwellen der zwei Lichtstrahlen einen konzentrischen Zustand definieren und. theoretisch keine Interferenzstreifen auf der Sensoroberfläche erzeugt werden.
Fig. 14 zeigt ein Kurvenbild der Beziehung zwischen dem Azimutwinkel θ und der Kreuzungsposition. Wie aus Fig. 14 deutlich wird, bewegt sich die Kreuzungsposition feinschrittig in eine Richtung, um sich dem Maßstab 20 praktisch anzunähern, da der Azimutwinkel θ größer wird. Der Grund dafür ist folgender. Wenn der Maßstab einen Azimutwinkel θ annimmt, beginnt sich die Richtung der Reflexionsbeugung in die Y- Achsenrichtung und die X-Achsenrichtung in Fig. 8 zu verschieben. Die Verschiebung in die Y-Achsenrichtung kann jedoch vernachlässigt werden, wenn der Azimutwinkel θ klein ist oder wenn der Beugungswinkel klein ist. In mehr spezifischer Weise ist in diesem Fall die Kreuzungsposition der zwei interferierenden Lichtstrahlen gemäß der Verschiebung in der X-Achsenrichtung allein berechenbar und stimmt fast mit der vorstehend erwähnten Mittenposition des optischen Pfads zwischen den Beugungsgittern überein. Wenn jedoch der Azimutwinkel θ oder der Beugungswinkel gegenüber dem vorstehend erwähnten Fall vergrößert wird, kann die Verschiebung in der Y-Achsenrichtung nicht vernachlässigt werden, und die Kreuzungsposition der zwei interferierenden Lichtstrahlen bewegt sich in die Richtung in Annäherung an den Maßstab. Die Bewegungsmenge der Kreuzungsposition ist jedoch im Vergleich zum Zwischengitterabstand vernachlässigbar, wie aus Fig. 14 deutlich wird.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung erkennbar, kann in dem Fall, wenn die Lichtstrahlen durch die Kollimatorlinse 31A auf Positionen kollimiert werden, welche im wesentlichen den Mittenpositionen der optischen Pfadlänge zwischen den Beugungsgittern entsprechen, eine Verminderung der Ausgabe, verursacht durch den relativen Winkel (Azimutwinkel) zwischen dem Maßstab und den Beugungsgittern 32A, 32B und 32C zum Teilen und zum Verbinden der Lichtstrahlen, unterdrückt werden. Wenn z. B. in dieser Ausführungsform der Zwischengitterabstand auf 1 mm eingestellt ist und P = 1,6 um sowie λ = 0,78 um betragen, so ist die theoretische Konvergenzposition eine Position, welche um -1,072657 mm vom Beugungsgitter 32B oder 32C zum Verbinden der Lichtstrahlen beabstandet ist.
Eine Verschiebung zwischen der theoretischen Konvergenzposition und der reellen Konvergenzposition wird nachstehend ausführlich untersucht. Zuerst wird nachstehend die Beziehung zwischen den Eintrittswinkeln und den Austrittswinkeln mit Bezug auf das Beugungsgitter und die Richtung, in welcher das Beugungsgitter vorliegt, erläutert. Wenn somit der Einfallsvektor zum Beugungsgitter durch U&sub0; (u0x, u0y, u0z) dargestellt wird, kann der Austrittsvektor durch U&sub1; (u1x, u1y, u1z) dargestellt werden, wobei das Beugungsgitter in der x-y- Ebene des Kartesischen Koordinatensystems vorliegt, der Gitterabstand durch P (Px ist der Abstand in der x-Richtung, Py ist der Abstand in der y-Richtung) dargestellt wird, die Beugungsordnung durch m dargestellt wird und die Wellenlänge des Lichts durch λ dargestellt wird, kann die folgende Beziehung begründet werden:
u1x = u0x + mλ/Px
u1y = u0z + mλ/Py
u1x² + u1Y² + u1z² = 1
u0x² + u0y² + u0z² = 1 (5)
Wenn auf der Grundlage dieser Beziehungen die Drehung des relativen Winkels (Azimutwinkel) θ zwischen dem Maßstab 20 und den Beugungsgittern 32A bis 32C zum Teilen und Verbinden der Lichtstrahlen eintritt, wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind die Austrittsvektoren vom Beugungsgitter 32B zum Verbinden der Lichtstrahlen R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; und R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0;, abgeleitet als Interferenzlicht, wie folgt (eine Richtung zum Beugungsgitter 32A hin ist als eine positive Richtung definiert).
Der Austrittsvektor U&sub2; (u2x, u2y, u2z) des Lichtstrahls R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; vom Beugungsgitter 32B wird ausgedrückt durch:
u2x = λ (cosθ - 1) /P
u2y = λsinθ/P (6)
Der Austrittsvektor U&sub2;' (u&sub2;', u2y', u2z') des Lichtstrahls R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; vom Beugungsgitter 32B wird ausgedrückt durch:
u2x' = λ(cosθ - 1) /P
u2y' = -λsinθ/P (7)
Resultierend aus den Gleichungen (7) und (8) wird eine Winkeldifferenz θ&sub1; zwischen den zwei interferierenden Lichtstrahlen unter Berücksichtigung von θ&sub1; = ArcCos [U&sub2;·U&sub2;'] (· ist das innere Produkt des Vektors) ausgedrückt durch:
θ&sub1; = ArcCos [(2λ/P)²(cosθ - 1) + 1].
Da der Azimutwinkel etwa mehrere Grad beträgt, wird die vorstehend erwähnte Gleichung durch Annäherung an einen Ausdruck 2. Ordnung von θ wie folgt umgeschrieben:
θ&sub1; = (2λ/P)θ (für θ < 1) (8)
Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die Beziehung zwischen der Winkeldifferenz θ&sub1; zwischen den zwei interferierenden Lichtstrahlen, λ/P und dem Azimutwinkel θ wie in Fig. 11 gezeigt ist und wie in Fig. 12 gezeigt ist, wenn λ = 0,78 um und P = 1,6 um betragen.
Unter Beachtung der auf das Beugungsgitter 32B einfallenden Lichtstrahlen wird die Kreuzungsposition der Hauptstrahlen der zwei interferierenden Lichtstrahlen R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; und R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0;, wenn von der Sensoroberfläche aus beobachtet, berechnet. Die Vektoren der Lichtstrahlen, welche aus dem Vereinigungs-Beugungsgitter 32B dieser zwei Lichtstrahlen austreten, sind jeweils durch die Gleichungen (6) und (7) beschrieben. Werden die Gleichungen (5) und der Abstand zwischen den Beugungsgittern verwendet, können die Kreuzungspunkte zwischen den zwei Lichtstrahlen und jedem Beugungsgitter erlangt werden. Somit sind die Kreuzungspunkte zwischen den zwei Strahlen und dem Beugungsgitter 32B, d. h. die Austrittspositionen P&sub0; und P&sbplus;&sub1; der Strahlen auf dem Beugungsgitter 32B berechenbar. Aus diesen Austrittspositionen kann eine Linie, welche durch den Punkt P&sub0; und parallel zu dem Vektor (U&sub2;) verläuft, ausgedrückt durch die Gleichungen (6), und eine Linie, welche durch den Punkt P&sbplus;&sub1; und parallel zu dem Vektor (U&sub2;') verläuft, ausgedrückt durch die Gleichungen (7), berechnet werden. Wenn die Kreuzungsposition dieser zwei Linien berechnet wird, ist die berechnete Position die zu erlangende Kreuzungsposition. In der folgenden Beschreibung wird die Kreuzungsposition angesehen, daß sie das Beugungsgitter 32B zum Verbinden der zwei Lichtstrahlen als Ursprung der Z- Achse und die Richtung des Maßstabs 20 als eine negative Richtung aufweist. Die Position in der X-Richtung und der Y- Richtung kann wie folgt berechnet werden. Die Winkel, welche zwischen einer Senkrechten zum Beugungsgitter 32B und den zwei Lichtstrahlen R&sub0;&supmin;¹ und R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0;, getrennt durch einen Azimut, ausgebildet werden, sind in entgegengesetzten Richtungen einander nahezu gleich. Somit ist die Kreuzungsposition in der X-Richtung und der Y-Richtung der zwei Linien nahe der optischen Achse, wenn kein Azimut vorliegt. In mehr spezifischer Weise braucht als die Kreuzungsposition der zwei Linien die Richtung der optischen Achse, wenn kein Azimut vorliegt, d. h. die Position in der Z-Richtung, nur betrachtet zu werden. In der folgenden Beschreibung wird nur die Position in der Z-Richtung betrachtet. Wenn der Abstand L&sub2; zwischen den Beugungsgittern 32A, 32B und 32C zum Teilen und zum Verbinden der Lichtstrahlen und dem Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab als eine Längeneinheit definiert ist, können unter Verwendung der vorstehend erwähnten Beziehungen die Beziehungen zwischen der Kreuzungsposition Z, dem Azimutwinkel θ und dem Verhältnis Wellenlänge λ/Gitterabstand P erlangt werden. Fig. 13 zeigt die Beziehungen als ein Kurvenbild (das Beugungsgitter zum Verbinden der Lichtstrahlen ist als der Koordinatenursprung definiert: eine Richtung zur Annäherung des Sensors vom Ursprung ist als eine positive Richtung definiert, eine Richtung zum Beabstanden vom Sensor ist als eine negative Richtung definiert). Wenn λ = 0,78 um und P = 1,6 um sind, wird ein in Fig. 14 gezeigtes Kurvenbild erhalten. Werden die in Fig. 13 als Kurvenbild ausgedrückten Beziehungen für θ entwickelt, ergibt sich:
+ (- (λ/P)² - ((λ/P)² + ... ))L&sub2;θ²/8 (9)
+ (Ausdruck höherer Ordnung von θ).
Werden Ausdrücke der zweiten oder höherer Ordnung von θ ignoriert, ergibt sich:
Wenn eine durchschnittliche optische Pfadlänge unterschiedlicher optischer Pfadlängen vom Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab 20 zum Beugungsgitter 32B berechnet wird, stimmt diese im wesentlichen mit dem durch die Gleichung (10) ausgedrückten Abstand Z überein. Die Gleichung (10) ergibt - 1,07265, wenn λ = 0,78 um und P = 1,6 um eingesetzt werden. Wie aus der vorstehenden Beschreibung klar wird, entspricht die in Fig. 14 gezeigte Position -1,072 nahezu einem mittleren Abstand der zwei verschiedenen optischen Pfadlängen vom Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab 20 zum Beugungsgitter zum Verbinden der Lichtstrahlen. Daher wird in einem Bereich, welcher die Bedingung θ < 5º erfüllt, die Annäherung der Gleichung (10) ausgeführt. Da in diesem Fall die Position des Maßstabs -1 ist, kann sie auch so aufgefaßt werden, daß die Position -1,072 nahe dem Maßstab ist. Da ferner aus Fig. 13 oder Gleichung (10) klar wird, daß selbst dann, wenn der Azimutwinkel verändert wird, wenn das Verhältnis λ/P kleiner als 1 ist und nicht nahe 1 ist, die Kreuzungsposition der zwei interferierenden Lichtstrahlen nahezu gleichbleibend ist.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung erkennbar, ist eine durch den Azimutwinkel verursachte Änderung des Interferenzzustands nahezu ausschließbar, solange die Lichtstrahlen in den Kreuzungspositionen der zwei interferierengen Lichtstrahlen konvergieren. Wenn jedoch die Lichtstrahlen in einer Position konvergieren, welche gegenüber der theoretischen Konvergenzposition der Lichtstrahlen verschoben sind, ändert sich der Interferenzzustand, und dies führt zu einer Verringerung der Ausgabe. Die Anzahl der Interferenzstreifen auf dem Sensor, verursacht durch die Verschiebung der Lichtstrahl-Konvergenzposition, wird nachstehend berechnet.
Wenn, wie in Fig. 17 gezeigt, der Abstand von einem Kreuzungspunkt (dieser Punkt wird als der Mittelpunkt der Sensoroberfläche eingestellt) zwischen einer Senkrechten, welche von der theoretischen Lichtstrahl-Konvergenzposition zur Sensoroberfläche und von der Sensoroberfläche zum Sensorende gezogen ist, durch RS dargestellt wird, werden die Abstände zwischen dem Sensorende und den Konvergenzpunkten durch LS, LS' (LS < LS') dargestellt, der Abstand zwischen dem Beugungsgitter 32B zum Verbinden der zwei Lichtstrahlen und dem Sensor 4B wird durch L&sub3; dargestellt, die theoretische Konvergenzposition wird durch Li dargestellt, und eine Verschiebung gegenüber der theoretischen Konvergenzposition wird durch DZ dargestellt, wobei die Abstände LS und LS' jeweils ausgedrückt werden durch:
Eine optische Pfaddifferenz ΔL zwischen diesen zwei optischen Pfaden ergibt sich zu:
ΔL - LS' - LS .
Wenn daher ΔL = λ/2 ist, wird der Mittelpunkt des Sensors am hellsten, und das Sensorende wird am dunkelsten.
Demzufolge ist die Anzahl der Interferenzstreifen auf der gesamten Sensoroberfläche gleich 1. Somit ergibt sich die Anzahl H0n der Interferenzstreifen auf der Sensoroberfläche zu:
H0n = 2 ΔL /λ
In diesem Fall ist θ&sub1; eine Funktion des Azimutwinkels θ aus der Gleichung (8), und wie sich aus Gleichung (10) ergibt, wenn das in Fig. 7 gezeigte optische System übernommen wird, ergibt sich Li aus:
Da H0n die Bedingung H0n = Rsn erfüllt (wenn n die Anzahl der Interferenzstreifen je Längeneinheit ist), ergibt sich:
Die Beziehung zwischen der Sensorausgabe und der Anzahl der Interferenzstreifen auf der Sensoroberfläche wird nachstehend erläutert. Wenn die Interferenzstreifen auf der Sensoroberfläche erzeugt werden, nimmt die Amplitude der Ausgabe des Lichtaufnahmeelements ab. Nähert sich die Anzahl der Interferenzstreifen auf der Sensoroberfläche Null, dann erreicht die Amplitude der Ausgabe des Lichtaufnahmeelements den Größtwert. Wenn somit der Kontrast der Interferenzstreifen durch V dargestellt wird, ergibt sich V zu:
V = (Imax - Imin) / (Imax + Imin),
wobei Imax und Imin jeweils die maximale und die minimale Amplitude der Ausgabe des Lichtaufnahmeelements ist. Wird die Anzahl der Interferenzstreifen in einem Sensorbereich mit ns bezeichnet und werden die maximale und die minimale Ausgabe des Lichtaufnahmeelements jeweils mit Vmax und Vmin bezeichnet, ergeben sich die Ausgaben Vmax und Vmin jeweils durch:
Wenn daher die maximale Ausgabe als 1 definiert ist, erfüllen eine Ausgabe X des Lichtaufnahmesensors und die Interferenzstreifen die Beziehung:
X = sin (πns) /πns
Da ns = nRS ist, ergibt sich:
X = sin(πnRs) /πnRs (13)
Wenn z. B. der Zwischengitterabstand 1 mm ist, P = 1,6 um und λ = 0,78 um betragen, ist die theoretische Konvergenzposition eine Position, welche -1,072657 mm von den Beugungsgittern 32B und 32C zum Verbinden der Lichtstrahlen beabstandet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist die Beziehung zwischen dem Azimutwinkel θ, der Anzahl n der Interferenzstreifen und der Verschiebung DZ gegenüber der theoretischen Konvergenzposition wie in Fig. 15 und Fig. 16 nach Gleichung (12) gezeigt. Wenn eine Verringerung der Ausgabe innerhalb 20% ist, kann die maximale Anzahl der auf der Sensoroberfläche erzeugten Interferenzstreifen gemäß Gleichung (13) bestimmt werden. Wird der Durchmesser des Sensors mit 1 mm angenommen, beträgt die maximal zulässige Streifenzahl 0,36. Ist der zulässige Bereich des Azimutwinkels als ein Maximum mit 480 Sekunden (8 Minuten) definiert, wird der entsprechende Bereich der Verschiebung DZ gegenüber der theoretischen Konvergenzposition aus Fig. 16 bestimmt, und der Bereich, welcher die vorstehend erwähnten Bedingungen erfüllt, ist in Fig. 16 schraffiert gekennzeichnet. Wie aus Fig. 16 deutlich wird, ist die Zielstabilität durch Ausbildung eines optischen Systems erreichbar, welches die Lichtstrahlen innerhalb eines Bereichs fokussiert, welcher die Bedingung erfüllt:
-0,29 mm < DZ < 0,22 mm.
Mit der in Fig. 7 gezeigten Anordnung ist auf diese Weise eine Codiereinrichtung realisierbar, in welcher die Ausgabe durch Anordnungsfehler des Maßstabs weniger beeinflußt wird und einfache Anordnungs- und Montageprozesse möglich sind.
Selbst wenn das Beugungsgitter 21 auf dem Maßstab und die Beugungsgitter (32A, 32B und 32C) zum Teilen und Verbinden der Lichtstrahlen angeordnet sind, wobei sie Winkelverschiebungen gegenüber der X-Achse und der Y-Achse als Drehachsen aufweisen, wie in Fig. 18 gezeigt ist, treten keine Winkelverschiebungen zwischen den Wellenflächen der zwei interfe rierenden Lichtstrahlen auf, und ein stabiles Interferenzsignal kann ausgegeben werden, da die scheinbaren Lichtabstrahlpunkte der zwei Kugelwellen im wesentlichen zu einem übereinstimmenden Punkt werden.
Wenn die Beugungsgitter 32C und 32B angeordnet werden, daß sie um 1/4 Gitterabstand in der Gitterausrichtrichtung verschoben sind, erfolgt eine Verschiebung der Phasen der von den Sensoren 4C und 4B ausgegebenen Signale um 90º, und die Zwei-Phasen-Signale können als Signalausgaben gewonnen werden.

< Fünfte Ausführungsform>

Fig. 19 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform entsprechend einer Anwendung der vorstehend erwähnten Codiereinrichtung, d. h. ein Antriebssystem unter Verwendung der Codiereinrichtung. Eine Codiereinrichtung 101 ist an einem Abtriebsabschnitt oder an einem Bewegungsabschnitt eines durch eine Antriebseinrichtung 100 mit einer Antriebsquelle, wie z. B. ein Motor, eine Betätigungseinrichtung, eine Kraftmaschine oder dergleichen, anzutreibenden Objekts angeordnet und erfaßt einen Verschiebungszustand, wie z. B. eine Verschiebungsmenge, eine Verschiebungsgeschwindigkeit und dergleichen. Als Codiereinrichtung wird eine der Codiereinrichtungen gemäß der ersten bis vierten Ausführungsform verwendet. Die Erfassungsausgabe der Codiereinrichtung 101 wird zu einer Steuereinrichtung 102 zurückgeführt, und die Steuereinrichtung 102 führt der Antriebseinrichtung 100 ein Ansteuersignal zu, um so zu einen Zustand zu gelangen, welcher an einer Einstelleinrichtung 103 eingestellt ist. Mit einem auf diese Weise aufgebauten Rückkoppelsystem kann der durch die Einstelleinrichtung 103 eingestellte Antriebszustand erzielt werden. Ein solches Antriebssystem ist umfassend einsetzbar, z. B. in Büroautomatisierungseinrichtungen, wie z. B. Schreibmaschinen, Druckern, Kopiermaschinen, Faksimilesystemen und dergleichen, in Videoeinrichtungen, wie z. B. in Kameras, Videogeräten und dergleichen, in Informationsaufzeichnungs- und -wiedergabegeräten, Robotern, Arbeitsmaschi nen, Fertigungsmaschinen, Transportmaschinen und auch in allen anderen Geräten, welche Antriebseinrichtungen aufweisen.

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation zum Erfassen der Information der Relativverschiebung zwischen der Vorrichtung und einem zu erfassenden Objekt, welche aufweist:

- ein Beleuchtungssystem (1) zum Abstrahlen von kohärenten Lichtstrahlen, welche miteinander interferieren können,

- eine erste Einrichtung (32A) zum Teilen der kohärenten Lichtstrahlen vom Beleuchtungssystem in einen ersten und in einen zweiten Lichtstrahl, wobei mindestens einer der beiden Lichtstrahlen, des ersten und des zweiten Lichtstrahls, auf das Objekt einstrahlt,

- eine zweite Einrichtung (32B; 32C) zum Verbinden des ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls, von denen mindestens einer vom Objekt austritt, wobei durch die Verbindungsoperation der zweiten Einrichtung (32B; 32C) ein Interferenzlichtstrahl erzeugt wird, und

- mindestens ein Lichtaufnahmeelement (4B; 4C) zum Erfassen des Interferenzlichtstrahls, wobei beim Aufnehmen des Interferenzlichtstrahls durch das Lichtaufnahmeelement (4B; 4C) die Information der Relativverschiebung zwischen der Vorrichtung und dem Objekt erfaßt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorrichtung so aufgebaut ist, daß der Interferenzlichtstrahl, welcher auf das Lichtaufnahmeelement einfällt, ein divergenter Lichtstrahl ist.

2. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Einrichtung ein Beugungsgitter aufweist, welches die gebeugten Lichtstrahlen mit zueinander unterschiedlichen Ordnungen von einem Beugungsgitter auf den Objekt verbindet, wenn der erste und der zweite Lichtstrahl vom Objekt austreten.

3. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei das Beleuchtungssystem ein fokussierendes optisches Element zum zeitweisen Fokussieren des ersten und des zweiten Lichtstrahls entlang einem optischen Pfad zwischen der ersten und der zweiten Einrichtung aufweist.

4. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei in dem Fall, wenn die Längen der optischen Pfade des ersten und des zweiten Lichtstrahls vom Objekt zur zweiten Einrichtung jeweils mit L1 und L2 bezeichnet werden, der erste und der zweite Lichtstrahl Konvergenzpunkte in Positionen erzeugen, welche eine Länge des optischen Pfads von etwa (L1 + L2)/2 von der zweiten Einrichtung aufweisen.

5. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Lichtstrahl in im wesentlichen mittleren Positionen einer Länge des optischen Pfads von der ersten Einrichtung zu der zweiten Einrichtung Konvergenzpunkte ausbilden.

6. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Lichtstrahl in Positionen nahe dem Objekt Konvergenzpunkte ausbilden.

7. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei die erste Einrichtung das kohärente Licht in einen dritten Lichtstrahl, zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten Lichtstrahl, teilt und die Vorrichtung ferner eine dritte Einrichtung zum Verbinden des ersten und des dritten Lichtstrahls vom Objekt aufweist, um einen Interferenzlichtstrahl zu erzeugen, und ein anderes Lichtaufnahmeelement zum Aufnehmen des Interferenzlichts, welches von der dritten Einrichtung austritt, wobei periodische Ausgaben der zwei Lichtaufnahmeelemente unterschiedliche Phasen aufweisen.

8. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Einrichtung jeweils Beugungsgitter aufweisen, welche auf einer Oberfläche eines einzelnen lichtdurchlässigen Elements in benachbarten Positionen angeordnet sind.

9. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei das Beleuchtungssystem ein fokussierendes optisches System aufweist, welches auf einer Oberfläche eines lichtdurchlässigen Elements erzeugt ist, ausgebildet mit der ersten Einrichtung, dessen Oberfläche gegenüber einer Oberfläche, auf welcher die erste Einrichtung erzeugt ist, verschieden ist.

10. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei das Beleuchtungssystem eine Lichtquelle zum Erzeugen eines divergenten Lichtstrahls als das kohärente Licht und eine Maske zum Begrenzen einer Strahlquerschnittsfläche des von der Lichtquelle abgestrahlten divergenten Lichtstrahls aufweist.

11. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei das Beleuchtungssystem eine Lichtquelle zum Erzeugen eines divergenten Lichtstrahls als das kohärente Licht und ein optisches System zum Ändern eines Divergenzzustands des von der Lichtquelle abgestrahlten divergenten Lichtstrahls aufweist.

12. Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, welche ferner ein optisches System aufweist, das auf einer Ausgangsseite des Lichtstrahls der zweiten Einrichtung zum Konvertieren einer Wellenfläche des Interferenzlichtstrahls von der zweiten Einrichtung angeordnet ist, in eine konvexe Kugelform mit Bezug auf die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls.

13. Antriebssystem mit einer Vorrichtung zur Detektion von Verschiebungsinformation gemäß Anspruch 1, wobei die erste Einrichtung zum Teilen der kohärenten Lichtstrahlen vom Beleuchtungssystem in den ersten und den zweiten Lichtstrahl und zum Einstrahlen der Lichtstrahlen auf ein zweites Objekt ein erstes Beugungsgitter (32A) ist, die zweite Einrichtung zum Verbinden des ersten und des zweiten austretenden Lichtstrahls ein zweites Beugungsgitter ist, wobei durch die Verbindungsoperation des zweiten Beugungsgitters (32B; 32C) ein Interferenzlichtstrahl erzeugt wird, und eine Steuereinrichtung angeordnet ist, um die Steuerung der Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und dem zu erfassenden Objekt auf der Grundlage der Information der Relativverschiebung auszuführen.