DE3700777A1 - Vorrichtung zur ermittlung einer bezugsposition und mit dieser vorrichtung ausgestatteter verschluessler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermitt­ lung einer Bezugsposition, um ein Bezugssignal für jede Bewe­ gung oder Drehung eines sich bewegenden Objekts um einen vor­ bestimmten Wert zur Verwendung in einem den Bewegungszustand oder -status eines sich bewegenden Objekts messenden Geräts zu erzeugen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Entschlüßler zur photoelektrischen Messung des Bewegungs- oder Drehungszustan­ des eines Objekts und insbesondere auf einen Verschlüßler, bei dem ein Lichtstrahl, vor allem ein kohärenter Licht­ strahl, in ein am Objekt fest angebrachtes Beugungsgitter eingeführt wird, um durch die Interferenz der von dem Beu­ gungsgitter gebeugten Lichtstrahlen Interferenzstreifen zu bilden, so daß ein Signal für eine Bezugsposition, um den Bewegungszustand des Objekts zu messen, durch Zählen der An­ zahl der Interferenzstreifen leistungsfähig und genau erhal­ ten werden kann.

Moderne Präzisionsausrüstungen, wie numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen und Schrittmotoren, zur Fertigung von Halb­ leiterelementen erfordern eine genaue Positionsvermessung in der Größenordnung von Submikron (<1 µm).

Für eine derartige Messung im Submikronbereich ist bereits ein linearer Verschlüßler bekannt, bei dem durch gebeugte Lichtstrahlen von einem sich bewegenden Objekt, das mit einem kohärenten Licht, wie einem Laserstrahl, bestrahlt wird, gebildete Interferenzstreifen verwendet werden.

Ein solcher linearer Verschlüßler wurde bereits offenbart, und zwar beispielsweise in den US-PS′en Nr. 37 26 595 und 37 38 753, in der JP-GM-OS SHO 57-81 510 und in den JP- Patent-OS′en SHO 57-207 805, SHO 57-19 202, SHO 57-19 203 sowie SHO 60-98 302.

Andererseits weist ein photoelektrischer Drehverschlüßler eine sog. Meßmarkenstruktur auf, wie die beigefügte Fig. 1 zeigt, die mit einer aus lichtundurchlässigen sowie licht­ durchlässigen Teilen von gleicher Teilung, die entlang der Peripherie einer Scheibe 35, welche mit einer Drehwelle 30 verbunden ist, bestehenden Hauptskala 31, mit einer aus licht­ undurchlässigen sowie -durchlässigen Teilen von gleicher Tei­ lung wie diejenige der Hauptskala bestehenden festen Meßmar­ kenskala 32 sowie mit quer zu den beiden Skalen angeordneten Lichtemittern 33 und Lichtempfängern 34 versehen ist. Bei diesem Verschlüßler wird durch die Drehung der Hauptskala ein zur Teilung der lichtundurchlässigen und -durchlässigen Teile von beiden Skalen synchronisiertes Signal erzeugt, das einer Frequenzanalyse unterworfen wird, um die Änderung in der Umlaufgeschwindigkeit der Drehwelle zu ermitteln.

Um ein Bezugspositionssignal zu erhalten, ist die Scheibe 35 mit einer Schlitzstruktur 36 versehen, die mit einer Licht­ quelle 38 und einem Lichtempfänger 37 zusammenwirkt.

Auf diese Weise wird für jede Drehung der Scheibe 35 ein Ausgangs-Impulssignal erhalten, das zur Prüfung eines Meß­ fehlers und zur Durchführung von absoluten Messungen verwen­ det wird.

Im beschriebenen Fall empfängt jedoch der Lichtempfänger 37 das Licht nur dann, wenn der Lichtstrahl durch die Schlitz­ struktur 36 tritt, und die Bezugsposition wird bestimmt, wenn das Ausgangssignal vom Lichtempfänger 37 einen vorbe­ stimmten Pegel überschreitet. Demzufolge ändert sich entspre­ chend der Bewegungsrichtung der Struktur 36 die Bezugspositi­ on, wobei auch ein Einfluß durch die Intensität des Licht­ strahls und die Empfindlichkeit des Lichtempfängers vorhan­ den ist.

Es ist auch möglich, zwei einander überlappende Schlitzreihen mit inkohärentem Licht, wie von einer Leuchtdiode, zu bestrah­ len und die Bezugsposition zu bestimmen, wenn das übertragene Licht ein Maximum erreicht. Bei diesem Verfahren wird das Auflösungsvermögen durch die maximale Raumfrequenz (minimale Teilung) der Schlitzreihe festgelegt und kann lediglich durch Verwendung einer kleineren Teilung der Schlitze verbessert werden. Die Verwendung einer kleineren Teilung, z.B. einer der Wellenlänge der Lichtquelle nahegelegenen Teilung, ver­ mindert auf Grund einer Beugung das übertragene Licht und erfordert eine präzise Justierung im Abstand der beiden Schlitzreihen.

Im Hinblick auf die obigen Feststellungen ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugs­ position, die imstande ist, die Bezugsposition präzis fest­ zustellen, und einen mit einer solchen Einrichtung ausgestat­ teten Verschlüßler von hoher Leistung zu schaffen.

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermitt­ lung einer Bezugsposition mit einem hohen Auflösungsvermö­ gen sowie einen ein hohes Auflösungsvermögen aufweisenden Verschlüßler, der mit dieser Vorrichtung versehen ist, zu schaffen.

Das wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Ermitt­ lung einer Bezugsposition erreicht, die optische Elemente, um einen Lichtstrahl auf eine die Bezugsposition angebende Struktur zu richten, und eine Mehrzahl von Lichtfühlelemen­ ten zum Empfang des durch die Struktur hindurch empfangenen Lichtstrahls umfaßt, so daß ein Bezugspositionssignal aus den Signalen der in Mehrzahl vorhandenen Lichtfühlerelemente erhalten wird.

Der Verschlüßler gemäß der Erfindung umfaßt eine erste opti­ sche Einrichtung, die einen kohärenten Lichtstrahl auf ein längs der Bewegungs- oder Drehrichtung eines Objekts ausge­ bildetes Beugungsgitter richtet, Interferenzeinrichtungen, die die gebeugten Lichtstrahlen einer bestimmten Ordnung, die von dem Beugungsgitter austreten, überlagern, um Inter­ ferenzstreifen zu erzeugen, Lichtfühleinrichtungen zur photo­ elektrischen Umwandlung dieser Inteferenzstreifen, eine eine Bezugsposition angebende Struktur, die in der Nachbarschaft des Beugungsgitters angeordnet ist, eine zweite optische Ein­ richtung, die einen Lichtstrahl auf diese Struktur richtet, und mehrere Lichtfühlelemente zum Empfang des durch die Struktur hindurch erhaltenen Lichtstrahls.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an­ hand von verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen photoelektrischen Drehverschlüßlers;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verschlüßlers gemäß der Erfindung;

Fig. 3 schematisch eine in dem Verschlüßler von Fig. 2 verwendete Reflexionseinrichtung;

Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen des Aufbaus und des Arbeitsprinzips einer in dem Verschlüßler von Fig. 2 verwendeten Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition;

Fig. 5A bis 5E Kurvenbilder zu Ausgangssignalen von zwei Lichtempfangseinrichtungen (Sehzellen) der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugs­ position;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition in einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 7A und 7B schematische Darstellungen einer dritten und vierten Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition gemäß der Erfindung;

Fig. 8A und 8B schematische Darstellungen einer fünften und sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition;

Fig. 9 schematisch eine siebente Ausführungsform einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition;

Fig. 10 eine schematische Darstellung eines Verschlüßlers gemäß der Erfindung in einer weiteren Ausführungs­ form;

Fig. 11 schematisch eine achte Ausführungsform der in dem Verschlüßler von Fig. 10 verwendeten Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition;

Fig. 12 schematisch eine neunte Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugs­ position;

Fig. 13A und 13B eine zehnte Ausführungsform der Vorrich­ tung zur Ermittlung einer Bezugsposition gemäß der Erfindung;

Fig. 14 eine elfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition in schematischer Darstellung;

Fig. 15 schematisch eine zwölfte Ausführungsform einer Vor­ richtung zur Ermittlung einer Bezugsposition gemäß der Erfindung;

Fig. 16 schematisch einen Verschlüßler in einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 17 schematisch einen Verschlüßler in einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Systems gemäß der Erfindung in Anwendung auf einen Drehver­ schlüßler (Kodedrehgeber).

Bei dieser Ausführungsform wird ein von einem Laser 1 ausge­ sandter Lichtstrahl durch ein Kollimatorobjektiv 2 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt, der in einen Strahlentei­ ler 3 geleitet wird, um zwei linear polarisierte Strahlen, d.h. einen übertragenen und einen reflektierten Lichtstrahl, von nahezu gleichen Intensitäten zu erhalten. Der reflektier­ te Lichtstrahl wird durch ein g/4-Plättchen in einen zir­ kular polarsierten Lichtstrahl umgewandelt und durch ein Prisma 16 mit zwei reflektierenden Flächen auf eine Position M 1 eines radialen Beugungsgitters 7 einer Scheibe 6, die mit einem zu vermessenden drehenden Objekt verbunden ist, einge­ leitet. Das übertragene und gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung, das von dem Gitter 7 erhalten wurde, wird durch ein Reflexionselement 8 reflektiert, um auf dem gleichen Licht­ weg in nahezu dieselbe Position M 1 des Gitters einzutreten. Das durch eine erneute Beugung (Wiederbeugung) durch das Git­ ter 7 erhaltene gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung wird durch das λ/4-Plättchen 4 in einen linear polarisierten Lichtstrahl umgesetzt, dessen Polarisationsrichtung um 90° zu der des einfallenden Lichtstrahls unterschiedlich ist und der in einen polarisierten Strahlenteiler 3 eintritt.

Bei dieser Ausführungsform bewegt sich das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung auf demselben Lichtweg wie der ein­ fallende Lichtstrahl zwischen dem polarisierten Strahlen­ teiler 3 und dem Reflexionselement 8. Die Fig. 3 zeigt sche­ matisch eine Ausführungsform für das Reflexionselement 8 oder 9, die in Fig. 2 gezeigt sind.

Gemäß Fig. 3 ist ein Spiegel 40 annähernd in der Brennebene einer Kondensorlinse 41 angeordnet, wobei das als ein paral­ leler Strahl in diese Linse allein eintretende gebeugte Licht der bestimmten Ordnung durch eine Apertur 43 einer Maske 42 übertragen wird, durch den Spiegel 40 reflektiert wird und längs des einfallenden Lichtweges (Strahlenganges) zurückkehrt, während das gebeugte Licht anderer Ordnungen durch die Maske 42 aufgefangen wird. Das Reflexionselement kann jedoch bei gleicher Funktion irgendeinen anderen Aufbau aufweisen, z.B. kann es ein optisches Katzenaugesystem sein. Ein solches optisches System hat einen Vorteil insofern, als der einfallende Lichtstrahl längs eines annähernd glei­ chen Weges zurückkehrt, selbst wenn der Beugungswinkel durch eine mögliche Änderung in der Oszillationswellenlänge des Lasers geringfügig verändert wird.

Auch kann das optische Katzenaugesystem mit einer verteil­ ten Brechungsindexlinse, z.B. einer unter dem Namen "Celfoc Micro Lens", hergestellt von Nippon Plate Glass Co., bekann­ ten Linse, mit einer an einer ebenen Fläche dieser Linse vorgesehenen reflektierenden Schicht kombiniert werden, wo­ bei diese Kombination bei dem Erfindungsgegenstand leistungs­ fähig als ein optisches Element, das einen einfachen Aufbau aufweist und ohne Schwierigkeiten herzustellen ist, zur Anwendung gelangen kann.

Gemäß Fig. 2 wird der durch den Strahlenteiler 3 übertragene Lichtstrahl durch ein λ/4-Plättchen 5 in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl umgewandelt, der an der Stelle M 2 des Gitters 7 auf der Scheibe 6 eintritt, wobei diese Stel­ le M 2 mit Bezug zur Drehwelle 50 nahezu symmetrisch zum Punkt M 1 liegt. Das von diesem Gitter 7 übertragene und gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung wird durch das Reflexionsele­ ment 9, das dem Reflexionselement 8 gleichartig ist, reflek­ tiert und tritt über den gleichen Lichtweg an nahezu derselben Stelle M 2 des Gitters 7 ein. Das durch erneute Beugung durch das Gitter 7 erhaltene gebeugte Licht einer bestimmten Ord­ nung wird durch das λ/4-Plättchen 5 in linear polarisiertes Licht umgewandelt, dessen Polarisationsrichtung um 90° zu derjenigen des einfallenden Strahls unterschiedlich ist, und es tritt in den Strahlenteiler 3 ein.

Auch bei diesem übertragenen Lichtstrahl bewegt sich wie im Fall des oben erläuterten Lichtstrahls das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung auf dem gleichen Lichtweg wie der ein­ fallende Lichtstrahl zwischen dem Strahlenteiler 3 und dem Reflexionselement 9. Dieses gebeugte Licht wird von dem vom Reflexionselement 8 kommenden Licht überlagert, dann durch ein λ/4-Plättchen 10 in zirkular polarisiertes Licht umge­ setzt und durch einen Strahlenteiler 11 in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt. Diese Lichtstrahlen werden durch Polarisatoren 12 und 13 geführt, deren Polarisationsrichtungen jeweils um 45° geneigt sind, um Lichtstrahlen mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° zu erhalten, und sie werden jeweils in Lichtempfänger (Sehzellen) 14 und 15 eingeführt, um die Intensität der von den beiden Lichtstrahlen gebildeten Inter­ ferenzstreifen zu ermitteln.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird ein direkt vom Laser 1 oder von einer nicht dargestellten getrennten Lichtquelle kommender Lichtstrahl oder ein gebeugter Licht­ strahl beispielsweise der Ordnung -m oder (m+1) von der Stelle M 1 des Gitters 7 außer dem, der in das Reflexionsele­ ment 8 eintritt, beispielsweise der gebeugte Lichtstrahl der Ordnung m, durch einen Spiegel 18 sowie einen Strahlentei­ ler 19 geführt und durch eine Zylinderlinse 21 zum Eintritt in ein Bezugsposition-Nachweiselement 22, das an der Scheibe 6 vorgesehen ist, in einen linearen Lichtstrahl umgewandelt.

Das Bezugsposition-Nachweiselement 22 besteht beispielsweise aus einem rechteckigen, reflektierenden Bereich (Fläche), wobei ein Bezugspositionssignal durch Empfang des vom Bezugs­ position-Nachweiselement 22 übertragenen Lichts mittels einer zwei Sehzellen 24 A und 24 B umfassenden Lichtempfangs­ einrichtung erhalten wird. Diese Lichtempfangseinrichtung 24 kann auch aus einem Lichtempfangselement bestehen, das zwei integrierte Lichtempfangsflächen aufweist. Ein Bezugs­ signal, um den Zustand der Drehung der Scheibe 6 zu messen, beispielsweise ein Bezugssignal für jede Umdrehung, kann auf diese Weise erhalten werden.

Durch die hier besprochene Ausführungsform kann der Einfluß von Staub und Flecken vermindert und die Genauigkeit in der Ermittlung der Bezugsposition gesteigert werden, indem ein linearer Lichtstrahl sowie eine reflektie­ rende Fläche von gleichartiger Gestalt verwendet werden.

Die Fig. 4A ist eine detaillierte Teildarstellung, die die Art der Ermittlung des Bezugspositionssignals gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform zeigt, während die Fig. 4B schematisch einen Zustand zeigt, wobei das Bezugsposition- Nachweiselement 22, das aus einer Spiegelfläche 22′ mit einer Breite P in der Drehrichtung besteht, in den fokussierten Bereich eines Lichtstrals der Breite P′ eingetreten ist.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird ein Teil des Lichtstrahls vom Laser durch den Strahlenteiler 19 reflek­ tiert und durch die Zylinderlinse 21 in einer linearen Form in der Nachbarschaft des Bezugsposition-Nachweiselements 22 auf der Scheibe 6 scharf eingestellt. Der auf diese Weise fokussierte Lichtstrahl wird durch die Spiegelfläche 22′ re­ flektiert, wenn die Scheibe 6 eine bestimmte Lage erreicht.

Wenn sich die Spiegelfläche 22′ bei Betrachtung von Fig. 4A von links nach rechts bewegt, dann tritt das anfangs reflek­ tierte Licht in die Sehzelle 24 A durch die Zylinderlinse 21 und den Strahlenteiler 19 ein.

Bei einer weiteren Bewegung der Spiegelfläche 22′ nach rechts tritt das Licht auch in die Sehzelle 24 B ein. Somit empfangen die Sehzellen 24 A und 24 B in einem bestimmten Moment im Ver­ lauf der Bewegung der Spiegelfläche 22′ gleiche Lichtmengen.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird eine Position von gleichen Ausgangssignalen von den Sehzellen 24 A und 24 B als eine Bezugsposition oder eine Nullage genommen, wobei in dieser Position ein Null-Phasensignal erzeugt wird.

Die Fig. 5A bis 5E zeigen die Änderungen in den von den Seh­ zellen 24 A und 24 B empfangenen Lichtmengen als eine Funktion einer Relativbeziehung in der Breite P der Spiegelfläche 22′ und der Breite P′ des fokussierten Lichtstrahls, wobei die Fig. 5A, 5B, 5C, 5D und 5E jeweils den Fällen von P′<2P, P′=2P, P′=1, 5P, P′=P und P′<P entsprechen. Wie sich aus der Fig. 5B ergibt, ist für eine genaue Ermittlung der Nullage eine Beziehung P′=2P erwünscht. Andererseits ist eine genaue Ermittlung im Fall von P′≦P, wie Fig. 5E zeigt, schwierig.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei die Zy­ linderlinse 21 vor dem Strahlenteiler 19, d.h. näher an der Lichtquelle, angeordnet ist. Der übrige Aufbau entspricht demjenigen der Fig. 4, wobei gleiche Bauteile zu Fig. 4 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und deshalb nicht näher erläutert werden.

Bei den bisherigen Ausführungsformen kann die Zylinderlinse durch einen Schlitz und eine Kugelflächenlinse ersetzt werden, um in der Nähe des Bezugsposition-Nachweiselements 22 auf der Scheibe 6 einen schlitzförmigen Lichtstrahl zu bilden.

Ferner können bei den besprochenen Ausführungsformen die Ein­ fallsrichtung des Lichtstrahls auf die Scheibe 6 und die Rich­ tung der beiden Sehzellen 24 A, 24 B gegenseitig ausgetauscht werden.

Des weiteren kann anstelle der beiden unabhängigen Sehzellen 24 A und 24 B, die beiden erläuterten Ausführungsformen verwen­ det wurden, ein sog. zweigeteilter Fühler mit zwei Lichtemp­ fangsflächen an einem Element zur Anwendung kommen, um einen einfacheren Aufbau und eine einfachere Justierung zu erlan­ gen. Anstelle des Erfassens des reflektierten Lichts im Zu­ stand eines parallelen Strahls nach Durchtritt durch die Zy­ linderlinse kann auch eine Positivlinse, wie Fig. 7B zeigt, vorgesehen werden, um einen konvergierenden Strahl zu den Sehzellen zu führen. In diesem Fall können kleinere Sehzellen verwendet werden, so daß eine Vereinfachung und eine kompakte­ re Bauweise der Vorrichtung erreicht werden.

Durch die Kombination einer schlitzförmigen Spiegelfläche und eines schlitzförmigen Lichtstrahls wird bei den beschrie­ benen Ausführungsformen eine Nullage-Ermittlung mit hoher Genauigkeit erreicht, jedoch kann natürlich auch ein fleck­ förmiger Lichtstrahl oder eine reflektierende oder absorbie­ rende Fläche von anderer Gestalt zur Anwendung kommen.

Bei den besprochenen Ausführungsformen ist es nicht notwendig, den Laserstrahl durch die Zylinderlinse 21 auf die Nachbar­ schaft des Bezugsposition-Nachweiselements 22 der Scheibe 6 zu fokussieren.

Die Fig. 7A und 7B zeigen jeweils eine dritte und vierte Aus­ führungsform der Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposi­ tion gemäß der Erfindung, wobei zu den vorherigen Ausführungs­ formen gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeich­ net sind. Darüber hinaus ist eine positive Kondensorlinse 71 vorgesehen.

Der Laserstrahl kann vor der Scheibe 6, wie die Fig. 7A zeigt, oder jenseits der Scheibe 6, wie die Fig. 7B zeigt, konver­ giert werden, und das mit der Erfindung verfolgte Ziel kann durch Konzentrieren des reflektierten Lichtstrahls auf die Sehzellen 24 A, 24 B durch die Kondensorlinse 71 erreicht wer­ den.

Um eine wirksame Verwendung des Lichtstrahls zu erreichen, ist es auch möglich, den Strahlenteiler, wie Fig. 8A zeigt, durch schräges Einführen des Lichtstrahls von einem Laser 80 auf die Scheibe 6 durch die Zylinderlinse 21 und Führen des reflektierten Lichts von der Scheibe 6 zu den Sehzellen 24 A, 24 B durch eine Zylinderlinse 81 zu ersetzen. Wie die Fig. 8B zeigt, kann die Zylinderlinse 81, die gemäß der Fig. 8A zur Anwendung kommt, auch weggelassen werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird das Bezugsposi­ tionssignal aus dem durch das Bezugsposition-Nachweiselement 22 reflektierten Licht erhalten, jedoch kann, wie die Fig. 9 zeigt, auch ein übertragenes Licht verwendet werden.

Bei der Ausführungsform von Fig. 9 wird der von einem unter­ halb einer transparenten Scheibe 6 angeordneten Laser 90 aus­ gehende Lichtstrahl durch die Zylinderlinse 21 zur Scheibe 6 geführt und das durch diese Scheibe getretene Licht durch eine Zylinderlinse 91 zu den Sehzellen 24 A und 24 B geleitet.

Bei diesen Ausführungsformen kann der in das Bezugsposition- Nachweiselement eintretende Lichtstrahl in der Bewegungsrich­ tung der Bezugsstruktur verkürzt werden, beispielsweise in ovaler oder rechteckiger Form.

Die Bezugsstruktur wird bei den besprochenen Ausführungsfor­ men durch einen konvergierenden oder divergierenden Licht­ strahl bestrahlt, jedoch kann ein gleiches Ermittlungsprin­ zip mit einem parallelen Lichtstrahl zur Anwendung kommen.

Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 3-9 erläutert wurde, zeichnet sich die Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugs­ position gemäß der Erfindung dadurch aus, daß der Lichtstrahl von einer sich zusammen mit dem Objekt bewegenden oder drehen­ den Bezugsstruktur (Spiegelfläche 22′) mit Hilfe von zwei Sehzellen empfangen wird und ein Null-Signal abgegeben wird, wenn die Ausgänge der Sehzellen gegenseitig gleich werden. Aus den vorherigen Ausführungsformen wird klar, daß die Mitte der Bezugsstruktur als die Bezugsposition ermittelt wird.

Demzufolge besteht gemäß der Erfindung im Gegensatz zu her­ kömmlichen Vorrichtungen keine Abhängigkeit der Bezugsposi­ tion von der Bewegungsrichtung der Struktur. Ferner wird, weil das erwähnte Null-Signal durch Überwachung der Ausgänge von mehreren Sehzellen erzeugt wird, die Bezugsposition nicht länger durch die Intensität des Lichtstrahls oder durch eine Änderung in der Empfindlichkeit der Sehzellen beeinflußt.

Der hier beschriebene Verschlüßler mißt die Größe in der Be­ wegung oder Drehung eines Objekts durch Ermitteln der Inteni­ tätsänderung von Interferenzstreifen. Diese Vorrichtung hat ein Auflösungsvermögen in der Größenordnung von Submikron, worauf noch eingegangen werden wird. Demzufolge sollte die Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition, die in einem derartigen Verschlüßler zur Anwendung kommen soll, bevorzug­ terweise imstande sein, ein Null-Phasensignal mit einem Auf­ lösungsvermögen zu liefern, das demjenigen in der Umdrehung vergleichbar ist.

Die Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition gemäß der Erfindung ist in der Lage, ein Null-Phasensignal eines sehr hohen Auflösungsvermögens zu liefern. Vor allem kann die Breite der Bezugsstruktur in der Bewegungsrichtung in Übereinstimmung mit dem erwünschten Auflösungsvermögen klei­ ner oder enger gemacht werden.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird zur Ermittlung der Bezugsposition ein Laserstrahl verwendet, jedoch kann auch Licht von anderen Lichtquellen, z.B. einer Leuchtdiode, zur Anwendung kommen.

Um ein höheres Auflösungsvermögen und eine höhere Ausnutzung des Lichtstrahls zu erzielen, ist die Verwendung eines Laser­ strahls, der in zufriedenstellender Weise gerichtet und fokus­ siert werden kann, wirksam.

Um eine kompakte Bauweise der Vorrichtung zu erlangen, ist die Verwendung eines Halbleiterlasers geeignet.

Im folgenden wird die Funktion der in Fig. 2 gezeigten Aus­ führungsform als ein Verschlüßler erläutert.

Bei dieser Ausführungsform ruft eine Drehung des zu vermes­ senden Objekts 6 um eine Teilung des Beugungsgitters 7 eine Änderung von 2m π in der Phase des gebeugten Lichts mit der Ordnung m hervor. Auch die Phase des durch das Gitter 7 erneut gebeugten Lichts der Ordnung n ändert sich in gleicher Weise um 2n π. Demzufolge liefert die Lichtempfangseinrichtung insgesamt sinusförmige Wellenformen von (2m-2n), wobei die Größe der Drehung bei der in Rede stehenden Ausführungsform durch Erfassen der sinusförmigen Wellenformen ermittelt wird.

Beispielsweise erzeugt im Fall der Verwendung eines Beugungs­ gitters mit einer Teilung von 3,2 µm und von gebeugten Strah­ len der 1. Ordnung und der -1. Ordnung eine Drehung des dre­ henden Objekts um 3,2 µm vier sinusförmige Wellen. Somit ist das Auflösungsvermögen für jede sinusförmige Welle gleich 3,2/4=0,8 µm oder ein Viertel einer Teilung des Beugungs­ gitters.

Mit der in Rede stehenden Ausführungsform ist es auch möglich, die Drehrichtung des drehenden Objekts 6 zu bestimmen, indem, der Lichtstrahl mit dem Strahlenteiler 11 geteilt und zwi­ schen zwei Lichtstrahlen ein Phasenunterschied von 90° gebil­ det wird.

Wenn die Messung der Größe der Drehung ausreichend ist, dann können der Strahlenteiler 11, die Polarisatoren 12 und 13 sowie eine Sehzelle weggelassen werden. Die Umdrehungsge­ schwindigkeit kann auch durch Messen der Frequenz der erhalte­ nen sinusförmigen Wellen ermittelt werden.

Bei der besprochenen Ausführungsform werden die gebeugten Lichtstrahlen von zwei Stellen M 1 und M 2, die annähernd sym­ metrisch zur Drehmitte liegen, verwendet, um den Meßfehler zu verhindern, der aus einer Aberration zwischen der Dreh­ mitte des drehenden Objekts und der Mitte des radialen Beu­ gungsgitters 7 resultiert.

Anstelle der beiden gebeugten Lichtstrahlen von zwei nahezu symmetrischen Punkten können, um eine im wesentlichen gleiche Wirkung zu erreichen, gebeugte Lichstrahlen von mehreren willkürlichen Positionen verwendet werden. Beispielsweise können die gebeugten Strahlen von drei zueinander unter 120° getrennten Punkten wirksam zur Anwendung gelangen.

Auch kann der aus der Differenz in der Teilung zwischen der Außen­ und der Innenseite des radialen Gitters resultierende Einfluß der Wellenfrontaberration durch Überlagern einer der Drehwel­ le nahen Strahlkomponente mit derjenigen des anderen Strahls, der in die nahezu symmetrische Position eintritt, und durch eine gleichartige Überlagerung der Strahlkomponenten der Außenseite eliminiert werden.

Bei der besprochenen Ausführungsform durchläuft das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung denselben Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Strahls zwischen dem Strahlenteiler und dem Reflexionselement 8 oder 9, so daß die Überlagerung der zwei gebeugten Lichtstrahlen am Strahlenteiler 3 erleichtert und die Genauigkeit im Zusammenbau der gesamten Vorrichtung ge­ steigert wird.

In dem Fall, da die Meßgenauigkeit nicht kritisch ist, kann anstelle der beiden Lichtstrahlen von zwei gegenseitig symme­ trischen Punkten nur ein Lichtstrahl verwendet werden.

Bei den bisherigen Ausführungsformen können die λ/4-Plätt­ chen 4 und 5 an irgendwelchen Stellen zwischen dem Strahlen­ teiler 3 und den Reflexionselementen angeordnet werden. Auch können bei diesen Ausführungsformen die Sehzellen 14 und 15 anstelle von übertragenem gebeugten Licht reflektierte ge­ beugte Lichtstrahlen empfangen.

Obwohl die bisherigen Ausführungsformen auf drehende Ver­ schlüßler (Kodedrehgeber) abgestellt sind, kann der techni­ sche Grundgedanke der Erfindung auch auf lineare Verschlüß­ ler angewendet werden.

Auch ist die Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition gemäß der Erfindung nicht nur auf Verschlüßler der oben er­ wähnten Arten anwendbar, sondern auch auf verschiedenartige andere Geräte, wie z.B. einen herkömmlichen photoelektri­ schen Verschlüßler, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, oder auf einen Verschlüßler, der Moirestreifen erfaßt.

Ferner wird die Ermittlung der Bezugsposition in der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung durch einen ungenutzten gebeugten Strahl erreicht, jedoch ist es auch möglich, eine eigene Lichtquelle vorzusehen oder einen Teil des durch einen Strah­ lenteiler getrennten Lichts von der Lichtquelle zur Ermitt­ lung der Interferenzstreifen zu verwenden.

Das bei dem Verschlüßler gemäß der Erfindung verwendete Beu­ gungsgitter ist ein Beugungsgitter der sog. Amplituden-Bau­ art, das aus lichtundurchlässigen sowie lichtdurchlässigen Teilen besteht, oder ein Gitter der Phasen-Bauart, das aus Teilen von wechselseitig verschiedenartigen Brechungsindices zusammengesetzt ist. Insbesondere kann das Gitter der Phasen- Bauart gefertigt werden, indem an der Peripherie einer trans­ parenten Scheibe Reliefstrukturen ausgebildet werden, womit das Gitter durch Prägen oder Pressen als Massenprodukt gefer­ tigt werden kann.

Durch die Erfindung wird somit ein Verschlüßler geschaffen, mit dem man imstande ist, mit einem einfachen Aufbau, indem eine Bezugsstruktur in der Bewegungs- oder Drehrichtung eines Objekts ausgebildet wird, ein Lichtstrahl auf diese Struktur geführt und der von wenigstens einem Teil dieser Struktur übertragene oder reflektierte Lichtstrahl durch mehrere Sehzellen empfangen wird, ein Bezugspositionssignal mit einem hohen Auflösungsvermögen zu erhalten.

Die Fig. 10 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Systems in Anwen­ dung auf einen drehenden Verschlüßler.

Bei dieser Ausführungsform wird ein von einem Laser 1 ausge­ sandter Lichtstrahl durch ein Kollimatorobjektiv 2 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und in einen Strahlentei­ ler 3 eingeführt, um zwei linear polarisierte Strahlen, d. h. einen übertragenen und einen reflektierten Strahl, von nahezu gleichen Intensitäten zu erhalten. Der reflektierte Strahl wird durch ein λ/4-Plättchen 4 in einen zirkular po­ larisierten Strahl umgewandelt und durch ein Prisma mit zwei reflektierenden Flächen an einer Stelle M 1 eines radialen Beugungsgitters einer mit einem zu vermessenden drehenden Objekt verbundenen Scheibe 6 eingeführt. Das übertragene und gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung, das vom Gitter 7 erhalten wird, wird durch ein Reflexionselement 8 reflek­ tiert, um an einer annähernd gleichen Stelle M 1 des Gitters 7 über denselben Lichtweg einzutreten. Das durch erneute Beu­ gung (Wiederbeugung) durch das Gitter 7 erhaltene gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung wird durch das λ/4-Plättchen in einen linear polarisierten Lichtstrahl umgewandelt, dessen Polarisationsrichtung um 90° zu derjenigen des einfallenden Lichtstrahls unterschiedlich ist, und dieser Lichtstrahl tritt in den Strahlenteiler 3 ein.

Bei dieser Ausführungsform durchläuft das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung den gleichen Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Strahls zwischen dem Strahlenteiler 3 und dem Reflexionselement 8.

Der durch den Strahlenteiler 3 übertragene Lichtstrahl wird durch ein g/4-Plättchen 5 zu einem zirkular polarisierten Strahl umgewandelt, der in eine Stelle M 2 des Gitters 7 auf der Scheibe 6, die mit Bezug zur Drehwelle 50 nahezu symme­ trisch zur Stelle M 1 liegt, eintritt. Das vom Gitter 7 übertra­ gene und gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung wird durch ein dem Reflexionselement 8 ähnliches Reflexionselement 9 reflektiert und tritt auf demselben Lichtweg in die nahezu gleiche Stelle M 2 des Gitters 7 ein. Das durch erneute Beu­ gung durch das Gitter 7 erhaltene gebeugte Licht einer be­ stimmten Ordnung wird durch das λ/4-Plättchen 5 in ein linear polarisiertes Licht umgewandelt, dessen Polarisationsrich­ tung um 90° zu derjenigen des einfallenden Lichtstrahls un­ terschiedlich ist, und dann tritt der Lichtstrahl in den Strahlenteiler 3 ein.

Das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung in diesem übertra­ genen Lichtstrahl durchläuft ebenfalls denselben Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Lichtstrahls zwischen dem Strahlenteiler 3 und dem Reflexionselement 9, wie es bei dem oben erläuterten reflektierten Lichtstrahl auch der Fall ist. Das gebeugte Licht wird durch das vom Reflexionselement 8 kommende gebeugte Licht überlagert, wird dann durch ein λ/4- Plättchen 10 in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt und durch einen Strahlenteiler 11 in zwei Lichtstrahlen geteilt. Diese Lichtstrahlen werden durch Polarisatoren 12 und 13 ge­ führt, deren Polarisationsrichtungen jeweils um 45° geneigt sind, um linear polarisierte Lichtstrahlen mit einer gegen­ seitigen Phasendifferenz von 90° zu erhalten, und sie werden jeweils in Lichtempfänger (Sehzellen) 14 und 15 eingeführt, um die Intensität der von den beiden Lichtstrahlen gebilde­ ten Interferenzstreifen zu ermitteln.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird ein von der Position M 1 des Gitters gebeugter Lichtstrahl, z.B. der Ordnung -m oder (m+1), außer dem in das Reflexionselement eintretenden Licht, beispielsweise der Ordnung m, durch Spiegel 18 sowie 25 und eine Zylinderlinse 21 zu einer Mas­ ke 23 geführt, um zwei Strahlen von gleicher Intensität zu erhalten, die jeweils in ein Bezugsposition-Nachweiselement 22, das an der Scheibe 6 ausgebildet ist, eingeführt werden.

Dieses Nachweiselement 22 besteht beispielsweise aus einem Strukturpaar, wie zwei Schlitzen, die in der Bewegungsrich­ tung der Scheibe 6 einen Phasenunterschied haben, wobei ein Bezugspositionssignal durch Empfang des von den Gitterstruk­ turen übertragenen Lichts mit einer Lichtempfangseinrich­ tung 24, die zwei Lichtempfangsflächen hat, erhalten wird. Diese Lichtempfangseinrichtung 24 kann auch aus zwei unab­ hängigen Sehzellen gebildet sein. Auf diese Weise wird ein Bezugssignal erhalten, das zur maßlichen Ermittlung des Drehzustandes der Scheibe 6, z.B. für einen Bezugspunkt bei jeder Umdrehung, verwendet wird.

Ferner wird ein aus der Schwankung in der Intensität der Lichtquelle resultierender Fehler durch Aufteilen des Licht­ strahls von einer Lichtquelle in zwei Strahlen vermieden.

Die Fig. 11 zeigt Einzelheiten zur Ermittlung der Bezugs­ position bei der in Rede stehenden Ausführungsform, wobei zwei durch die Maske 23 geteilte Lichtstrahlen 141 und 142 von gleicher Intensität in Gitterstrukturen 143 und 144, die das Bezugsposition-Ermittlungsteil bilden und aus einem Paar von Schlitzen mit einem Phasenunterschied in der Bewe­ gungsrichtung der Scheibe 6 bestehen, eingeführt werden und die übertragenen Lichtstrahlen durch eine Lichtempfangsein­ richtung 24 mit zwei Lichtempfangsflächen 45 sowie 46 emp­ fangen werden. In einem bestimmten Moment im Verlauf der Bewegung der Scheibe 6 übertragen die Strukturen 143 und 144 wechselseitig gleiche Lichtmengen der Strahlen 141 und 142, so daß die Lichtempfangsflächen der Lichtempfangs­ einrichtung 24 zueinander gleiche Ausgangssignale abgeben. Bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird das Bezugs­ positionssignal durch Ermitteln der Ausgänge der Lichtemp­ fangseinrichtung in diesem Moment erhalten.

Die Fig. 12 zeigt schematisch eine neunte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition, wobei die Maske 23 den Lichtstrahl in zwei zur Bewegungsrichtung der Scheibe 6 derart parallel angeord­ nete Strahlen 51 und 52 unterteilt, daß eine Struktur 53 beginnt, den Strahl 52 freizugeben, wenn ein Ende dieser Struktur beginnt, den anderen Strahl 51 aufzufangen. Die Bezugsposition wird ermittelt, wenn die zwei Lichtempfangs­ flächen 54 und 55 zueinander gleiche Ausgangsignale abgeben. Die Abmessungen der Bauteile werden so gewählt, daß unter Verwendung der in Fig. 12 dargestellten Symbole eine Bezie­ hung b-c<a<b+c erfüllt wird.

Bei den in den Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsformen können die Strukturen 143 und 144 (s. Fig. 11) durch die in Fig. 13A gezeigten Gitterstrukturen 61 und 62, wobei sich die Gitterteilung längs der Bewegungsrichtung verän­ dert, oder kann die Struktur 53 (s. Fig. 12) durch die in Fig. 13B gezeigte Struktur 73, bei der sich die Gittertei­ lung symmetrisch ändert, ersetzt werden.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform wird das Bezugs­ positionssignal von den durch das Bezugsposition-Nachweis­ element 22 übertragenen Lichtstrahlen erhalten, jedoch ist es auch möglich, den Reflexionsgrad der Struktur zu demjeni­ gen der Scheibe 6, wie die Fig. 14 und 15 zeigen, unterschied­ lich zu machen und die von zwei Strukturen reflektierten Lichtstrahlen zu verwenden.

Die Fig. 14 und 15 zeigen Lichtstrahlen 181, 182 und 191, 192 sowie einen Strahlenteiler 95, der mit einer Halbspiegel­ fläche 96 versehen ist.

Bei den erläuterten Ausführungsformen kann der in die Struk­ tur eintretende Lichtstrahl anstelle einer Kreisform als ein Oval oder ein Rechteck ausgebildet sein, das in der Be­ wegungsrichtung der Scheibe verkürzt ist, um das Auflösungs­ vermögen in der Ermittlung der Bezugsposition zu steigern.

Das mit der Erfindung verfolgte Ziel kann auch durch Ausbil­ den der Scheibe 6 als transparente Platte und der Gitter­ struktur mit lichtundurchlässigen Elementen erreicht werden.

Das Bezugspositionssignal wird gemäß der Erfindung ohne eine neuerliche oder weitere Lichtquelle erhalten, indem das un­ genutzte gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung, das vom Gitter 7 erhalten, jedoch im Verschlüßler nicht genutzt wird, wirksam verwendet wird; jedoch ist es auch möglich, einen Teil des Lichts von der Lichtquelle 1 direkt zum Be­ zugsposition-Nachweiselement oder -teil zu richten.

Auch in dem Fall, da das ungenutzte gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung schwach ist, kann durch Abwandlung der optischen Anordnung, z.B. durch Überdecken von mehreren un­ genutzten gebeugten Strahlen oder durch Verwenden eines Phasenbeugungsgitters, das aus einer transparenten Relief­ struktur von geeigneter Gestalt und Teilung besteht, um nur ein gebeugtes Licht der Ordnung 0 und ein gebeugtes Licht einer erwünschten höheren Ordnung freizugeben, eine gewünsch­ te Lichtintensität erhalten werden.

Wenngleich bei den erläuterten Ausführungsformen eine Maske zur Erzeugung von mehreren Lichtstrahlen für eine Ermitt­ lung einer Bezugsposition verwendet wird, so ist die Ver­ wendung einer derartigen Maske dann nicht erwünscht, wenn der genutzte gebeugte Strahl schwach ist, da die Maske die Lichtintensität weiter herabsetzen wird. Ein derartiger Ver­ lust in der Lichtintensität kann dadurch verhindert werden, daß mehrere Lichtstrahlen durch Beugung unter Verwendung eines optischen Systems mit einem transparenten Reliefphasen­ gitter erzeugt werden, um die gebeugten Lichtstrahlen 1. Ord­ nung nur vom Gitter zu erhalten, so daß der Verlust im we­ sentlichen auf Null vermindert wird.

Im folgenden wird die Funktion des Verschlüßlers gemäß der Erfindung erläutert.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform bewirkt eine Dre­ hung des drehenden Objekts um eine Teilung des Beugungs­ gitters 7 eine Änderung um 2m π in der Phase des gebeugten Lichts der Ordnung m. Auch die Phase des erneut durch das Gitter 7 gebeugten Lichts der Ordnung n ändert sich in glei­ cher Weise um 2n π. Demzufolge liefert die Lichtempfangs­ einrichtung insgesamt (2m-2n)-Sinuswellen, wobei die Größe der Drehung im in Rede stehenden Fall durch Ermitt­ lung der sinusförmigen Wellen erfaßt wird.

Beispielsweise erzeugt im Fall der Verwendung eines Beugungs­ gitters mit einer Teilung von 3,2 µm und von gebeugten Strah­ len der 1. Ordnung und der -1. Ordnung eine Drehung von 3,2 µm des drehenden Objekts vier Sinuswellen. Somit ist das Auflösungsvermögen für jede Sinuswelle gleich 3,2/4=0,8 µm oder ein Viertel einer Teilung des Beu­ gungsgitters.

Die in Rede stehende Ausführungsform ist auch dazu in der Lage, die Drehrichtung des drehenden Objekts durch Teilen des Lichtstrahls mit dem Strahlenteiler 11 und Bilden eines Phasenunterschieds von 90° zwischen zwei Lichtstrahlen zu ermitteln.

Wenn die Messung der Größe der Drehung ausreichend ist, so können der Strahlenteiler 11, die Polarisatoren 12 und 13 sowie eine Sehzelle weggelassen werden. Auch kann die Umlauf­ geschwindigkeit durch Messen der Frequenz der erhaltenen Sinuswellen bestimmt werden.

Bei der besprochenen Ausführungsform werden die gebeugten StrahIen von zwei zur Drehmitte annähernd symmetrischen Stellen M 1 und M 2 verwendet, um den Meßfehler, der aus der Aberration zwischen der Drehmitte des drehenden Objekts und der Mitte der radialen Beugungsgitter 7 resultiert, zu ver­ mindern.

Anstelle der gebeugten Lichtstrahlen von zwei nahezu symme­ trischen Punkten können, um einen im wesentlichen gleichen Effekt zu erreichen, gebeugte Strahlen von mehreren willkür­ lich gewählten Stellen wirksam verwendet werden, z.B. von drei zueinander um 120° beabstandeten Stellen.

Auch kann der Einfluß der aus dem Unterschied in der Tei­ lung zwischen der Außen- sowie der Innenseite des radialen Gitters resultierende Einfluß der Wellenfront-Aberration eliminiert werden, indem eine der Drehwelle nahe Strahlkom­ ponente mit einer solchen des anderen Strahls, der an der nahezu symmetrischen Stelle eintritt, überlagert wird und in gleichartiger Weise die Strahlkomponenten der Außenseite überlagert werden.

Bei der besprochenen Ausführungsform bewegt sich das gebeug­ te Licht der bestimmten Ordnung auf demselben Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Strahls zwischen dem Strahlen­ teiler 3 und dem Reflexionselement 8 oder 9, so daß das Überlappen der beiden gebeugten Lichtstrahlen an diesem Strahlenteiler 3 erleichtert und die Genauigkeit im Zusammen­ bau der gesamten Vorrichtung verbessert wird.

Falls die Meßgenauigkeit nicht kritisch ist, so kann anstel­ le der zwei Lichtstrahlen von zwei wechselseitig symmetri­ schen Punkten nur ein Lichtstrahl angewendet werden.

Die λ/4-Plättchen 4 und 5 können bei den vorstehenden Aus­ führungsformen an irgendwelchen Stellen zwischen dem Strah­ lenteiler 3 und der Reflexionseinrichtung angeordnet werden. Auch können die Sehzellen 14 und 15 anstelle von übertrage­ nen gebeugten Lichtstrahlen reflektierte gebeugte Lichtstrah­ len empfangen.

Natürlich können die gebeugten Lichtstrahlen außer denen, die für Messungen und für eine Ermittlung einer Bezugsposi­ tion verwendet werden, für andere Funktionen genutzt werden.

Wenngleich die besprochene Ausführungsform auf einen drehen­ den Verschlüßler (Kodedrehgeber) ausgerichtet ist, so kann der technische Grundgedanke auch auf einen linearen Ver­ schlüßler Anwendung finden.

Durch die erfindungsgemäße Ausführungsform wird somit ein Verschlüßler geschaffen, der imstande ist, mit einem einfa­ chen Aufbau, indem Gitterstrukturen mit einem Phasenunter­ schied an einem sich bewegenden Objekt ausgebildet, zwei Lichtstrahlen in die Gitterstrukturen eingeführt und die von wenigstens einem Teil dieser Gitterstrukturen übertrage­ nen oder reflektierten Lichtstrahlen empfangen werden, ein Bezugspositionssignal mit einem hohen Auflösungsvermögen zu liefern, so daß der Einfluß eine Schwankung in der Inten­ sität der Lichtquelle ausgeschaltet wird.

Auch wird bei den in den Fig. 11-15 gezeigten Vorrichtun­ gen zur Ermittlung einer Bezugsposition das Null-Phasensi­ gnal in Abhängigkeit von der Erfassung des Zentrums der Be­ zugstruktur erzeugt, so daß die Bezugsposition ohne Rück­ sicht auf die Bewegungs- oder Drehrichtung des Objekts kon­ stant bleibt.

Bei den in den Fig. 3-9 gezeigten Vorrichtungen zur Ermitt­ lung einer Bezugsposition wird ein einzelner Lichtstrahl ver­ wendet, während bei den Vorrichtungen nach den Fig. 11-15 ein Paar von Lichtstrahlen Anwendung findet. Das Ermittlungs­ prinzip ist jedoch in beiden Fällen dasselbe, wobei das Null-Phasensignal freigegeben wird, wenn mehrere Sehzellen zueinander gleiche Ausgangssignale abgeben.

Demzufolge sind die in den Fig. 3-9 gezeigten Vorrichtun­ gen im Hinblick auf die Vereinfachung der Konstruktion vor­ zuziehen.

Das Auflösungsvermögen bei den in den Fig. 11-15 gezeigten Vorrichtungen kann durch Vermindern der Breiten (a, b in Fig. 11) der Bezugsstruktur verbessert werden.

Die Fig. 16 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems in Anwendung auf einen drehenden Verschlüßler.

Hierbei wird ein von einem Laser 1 ausgesandter Lichtstrahl durch ein Kollimatorobjektv 2 in einen parallelen Licht­ strahl umgewandelt, der in einen Strahlenteiler 3 eingeführt wird, um zwei linear polarisierte Lichtstrahlen, d.h. einen übertragenen und einen reflektierten Lichtstrahl, von annä­ hernd gleichen Intensitäten zu erhalten. Durch ein λ/4-Plätt­ chen 4 wird der reflektierte Strahl in einen zirkular pola­ risierten Strahl umgewandelt, der durch ein Prisma 16 mit zwei reflektierenden Flächen in eine Stelle M 1 eines radia­ len Beugungsgitters 7 einer mit einem zu vermessenden, dre­ henden Objekt verbundenen Scheibe 6 eingeleitet wird. Das vom Gitter 7 übertragene und gebeugte Licht einer bestimm­ ten Ordnung wird durch ein Reflexionselement 8 reflektiert, so daß es auf demselben Lichtweg in die nahezu gleiche Stel­ le M 1 des Gitters 7 eintritt. Das durch erneute Beugung durch das Gitter 7 erhaltene Licht einer bestimmten Ordnung wird durch das g/4-Plättchen 4 in einen linear polarisier­ ten Strahl umgewandelt, dessen Polarisationsrichtung zu der des einfallenden Strahls um 90° verschieden ist, worauf der Strahl in den Strahlenteiler 3 eintritt.

Bei dieser Ausführungsform bewegt sich das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung auf demselben Lichtweg wie das Licht des einfallenden Strahls zwischen dem Strahlenteiler 3 und dem Reflexionselement 8.

Der durch den Strahlenteiler 3 übertragene Lichtstrahl wird durch ein λ/4-Plättchen 5 in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt, der in eine mit Bezug zur Drehwelle 50 nahezu zum Punkt M 1 symmetrische Stelle M 2 des Gitters 7 an der Scheibe 6 eintritt. Das vom Gitter 7 übertragene und - gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung wird durch ein zum Reflexionselement 8 gleichartiges Reflexionselement 9 re­ flektiert und tritt in die nahezu gleiche Stelle M 2 des Gitters 7 auf dem gleichen Lichtweg ein. Das durch erneute Beugung durch das Gitter 7 erhaltene gebeugte Licht der be­ stimmten Ordnung wird durch das λ/4-Plättchen 5 in linear polarisiertes Licht umgewandelt, dessen Polarisationsrich­ tung um 90° zu derjenigen des einfallenden Lichtstrahls unterschiedlich ist, worauf der Strahl in den Strahlentei­ ler 3 eintritt.

Wie im Fall des oben erläuterten Lichtstrahls bewegt sich auch in diesem übertragenen Lichtstrahl das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung auf dem gleichen Lichtweg wie dasje­ nige des einfallenden Lichtstrahls zwischen dem Strahlentei­ ler 3 und dem Reflexionselement 9. Dem gebeugten Licht wird vom Reflexionselement 8 kommendes gebeugtes Licht überla­ gert, es wird dann durch ein λ/4-Plättchen 10 zu zirkular polarisiertem Licht ausgebildet und durch einen Strahlen­ teiler 11 in zwei Lichtstrahlen geteilt. Diese beiden Licht­ strahlen werden durch Polarisatoren 12 und 13, deren Pola­ risationsrichtungen jeweils um 45° geneigt sind, um linear polarisiertes Licht mit einem gegenseitigen Phasenunter­ schied von 90° zu erhalten, geführt und jeweils in Sehzel­ len 14 sowie 15 eingeführt, um die Intensität der durch die beiden Lichtstrahlen gebildeten Interferenzstreifen zu ermitteln.

Auch bei dieser Ausführungsform wird ein von der Stelle M 1 des Gitters 7 gebeugter Lichtstrahl, z.B. der Ordnung -m oder (m+1) neben dem in das Reflexionselement 8 eintreten­ den Licht, z.B. der Ordnung m, durch Spiegel 18 sowie 25 und eine Zylinderlinse 21 zu einem Bezugspositon-Nachweisele­ ment 22, das an der Scheibe 6 vorhanden ist, geführt.

Dieses Nachweiselement 22 besteht beispielsweise aus einer an der Scheibe 6 ausgebildeten Schlitzöffnung, wobei die Änderung der Intensität des durch den Schlitz tretenden Lichts durch eine Lichtempfangseinrichtung 24 photoelek­ trisch erfaßt wird, um die Nullage zu bestimmen.

Auf diese Weise wird ein Bezugssignal zum maßlichen Erfas­ sung des Drehzustandes der Scheibe 6, beispielsweise für jede Umdrehung, erhalten.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird das Bezugsposi­ tionssignal ohne eine neuerliche Lichtquelle erhalten, indem ein gebeugtes, vom Gitter 7 erhaltenes Licht einer bestimm­ ten Ordnung genutzt, jedoch im Verschlüßler nicht verwendet wird.

Auch kann, falls das ungenutzte gebeugte Licht einer bestimm­ ten Ordnung schwach ist, eine gewünschte Lichtintensität erhalten werden, indem die optische Anordnung abgewandelt wird, beispielsweise durch Überlappen von mehreren ungenutz­ ten gebeugten Strahlen oder durch Verwendung eines aus einer transparenten Reliefstruktur mit geeigneter Gestalt und Tei­ lung, um lediglich gebeugtes Licht der 0. Ordnung und ein gewünschtes gebeugtes Licht höherer Ordnung freizusetzen.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform bewirkt eine Dre­ hung des zu vermessenden drehenden Objekts um eine Teilung des Beugungsgitters 7 eine Änderung von 2m π in der Phase des gebeugten Lichts der Ordnung m. In gleichartiger Weise ändert sich auch die Phase des durch das Gitter 7 erneut gebeugten Lichts der Ordnung n um 2n π. Demzufolge liefert die Lichtempfangseinrichtung insgesamt (2m-2n)-Sinuswel­ len, wobei die Größe der Drehung bei dieser Ausführungs­ form durch Erfassen dieser Sinuswellen ermittelt wird.

Beispielsweise erzeugt im Fall der Verwendung eines Beugungs­ gitters mit einer Teilung von 3,2 µm und von gebeugten Strah­ len der 1. Ordnung und -1. Ordnung eine Drehung von 3,2 µm des drehenden Objekts vier Sinuswellen. Somit ist das Auflö­ sungsvermögen pro jede Sinuswelle gleich 3,2/4=0,8 µm oder ein Viertel einer Teilung des Beugungsgitters.

Die in Rede stehende Ausführungsform ist auch imstande, die Drehrichtung des drehenden Objekts zu bestimmen, indem der Lichtstrahl durch den Strahlenteiler 11 geteilt und zwi­ schen zwei Lichtstrahlen ein Phasenunterschied von 90° ge­ bildet wird.

Falls allein die Messung der Größe in der Drehung erforder­ lich ist, so können der Strahlenteiler 11, die Polarisatoren 12 sowie 13 und eine Sehzelle entfallen.

Auch wird bei dieser Ausführungsform der aus einer Aberra­ tion zwischen der Drehmitte des drehenden Objekts und der Mitte des radialen Beugungsgitters 7 resultierende Meßfeh­ ler durch die Verwendung der gebeugten Strahlen von zwei zur Drehmitte annähernd symmetrischen Stellen M 1 und M 2 vermindert.

Anstelle der gebeugten Lichtstrahlen von zwei nahezu symme­ trischen Stellen können gebeugte Strahlen von mehreren will­ kürlichen Stellen verwendet werden, um eine im wesentlichen gleiche Wirkung zu erzielen. Beispielsweise können wirksam die gebeugten Strahlen von drei zueinander mit 120° beabstan­ deten Stellen verwendet werden.

Auch kann der aus dem Unterschied in der Teilung zwischen der Außen- und der Innenseite des radialen Gitters hervor­ gerufene Einfluß der Wellenfrontaberration ausgeschaltet werden, indem eine der Drehachse nahe Strahlkomponente mit einer solchen des anderen, in die nahezu symmetrische Stelle eintretenden Strahls überlagert wird und die Strahlkompo­ nenten an der Außenseite in gleichartiger Weise überlagert werden.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform bewegt sich das gebeugte Licht der bestimmten Ordnung auf demselben Lichtweg wie dasjenige des einfallenden Strahls zwischen dem Strah­ lenteiler 3 und dem Reflexionselement 8 oder 9, so daß das Überdecken der zwei gebeugten Lichtstrahlen am Strahlentei­ ler 3 erleichtert und die Präzision im Zusammenbau der gesam­ ten Vorrichtung gesteigert wird.

Falls die Meßgenauigkeit nicht kritisch ist, kann anstelle der zwei Lichtstrahlen von zwei zueinander symmetrischen Punkten nur ein Lichtstrahl zur Anwendung kommen.

Die Fig. 17 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems in Anwendung auf einen Verschlüßler, wobei zu Fig. 16 gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Bei dieser Ausführungsform wird das vom Beugungsgitter 7 übertragene gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung in ein Reflexionselement 8 eingeführt, während das reflektierte gebeugte Licht einer bestimmten Ordnung durch ein Prisma 27 mit einer reflektierenden Fläche, zwei Spiegel 18 sowie 25 und eine Zylinderlinse 21 zum Bezugsposition-Nachweis­ element 22 gelenkt wird, wobei der von diesem Nachweisele­ ment 22 übertragene Lichtstrahl durch eine Maske 23 von einer Lichtempfangseinrichtung 24 aufgenommen wird, um ein Bezugs­ positionssignal zu erhalten.

Weitere bauliche Ausbildungen entsprechen der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform.

Das Verfahren, um das Bezugspositonssignal zu erhalten, und die optische Anordnung sind nicht auf die in den vorstehen­ den Ausführungsformen beschriebenen Einzelheiten begrenzt, sondern können in irgendeiner Weise abgewandelt werden, so­ lange ein optisches Verfahren zur Anwendung gelangt.

Bei den vorgenannten Ausführungsformen können die λ/4-Plätt­ chen 4 und 5 an jeglichen Stellen zwischen dem Strahlentei­ ler und der Reflexionseinrichtung angeordnet werden. Ferner­ können die Sehzellen 14, 15 anstelle des übertragenen gebeug­ ten Lichts das reflektierte Licht gebeugte Licht empfangen.

Darüber hinaus können neben den gebeugten Lichtstrahlen, die für eine Messung und Ermittlung einer Bezugsposition verwendet werden, gebeugte Lichtstrahlen natürlich für ande­ re Zwecke genutzt werden.

Wenngleich die zuletzt beschriebenen Ausführungsformen auf einen drehenden Verschlüßler abgestellt sind, so kann der erläuterte technische Grundgedanke unmittelbar auf einen linearen Verschlüßler angewendet werden.

Gemäß den erläuterten Ausführungsformen wird folglich ein Verschlüßler geschaffen, der imstande ist, ohne eine zusätz­ liche Lichtquelle und mit einem einfachen Aufbau ein Bezugs­ positionssignal auf einfache Weise zu liefern, indem außer dem gebeugten Licht einer bestimmten Ordnung, das zur maßli­ chen Erfassung des Bewegungszustands eines sich bewegenden Objekts verwendet wird, ein Lichtstrahl genutzt wird.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition, gekenn­ zeichnet durch optische, einen Lichtstrahl auf eine beweg­ bare, eine Bezugsposition angebende Struktur (7, 22, 22′, 61, 62, 73, 143, 144) richtende Einrichtungen und durch mehrere, einen durch die Struktur erhaltenen Nachweislicht­ strahl erfassende Lichtempfangselemente (14, 15, 24 A, 24 B), wobei ein Bezugspositionssignal erzeugt wird, wenn die Ausgänge der Lichtempfangselemente eine bestimmte Be­ ziehung erfüllen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur als eine rechteckige Struktur ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl als ein schlitzförmiger Lichtstrahl ausge­ bildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl aus einem Laserstrahl besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch zwei Lichtempfangselemente (14, 15; 24 A, 24 B), wobei das Bezugspositionssignal bei zueinander glei­ chen Ausgängen der beiden Lichtempfangselemente erzeugt wird.

6. Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition, gekenn­ zeichnet durch optische, einen Lichtstrahl auf ein sich bewegendes oder drehendes Objekt (6) richtende Einrich­ tungen und durch ein paar von Lichtempfangselementen (14, 15; 24 A, 24 B), die einen bei Durchlaufen einer auf dem Objekt ausgestalteten Bezugsstruktur (7, 22, 22′, 61, 62, 73, 143, 144) durch den von dem Lichtstrahl gebil­ deten Fleck reflektierten oder übertragenen Lichtstrahl empfangen, wobei ein Bezugspositionssignal erzeugt wird, wenn die Ausgänge des Paars der Lichtempfangselemente zueinander gleich werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsstruktur als eine rechteckige Struktur ausgebil­ det ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist.

9. Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition, gekenn­ zeichnet durch ein Lichtstrahlenpaar (51, 52; 141, 142; 181, 182; 191, 192) auf ein sich bewegendes oder dre­ hendes Objekt (6) richtende optische Einrichtungen und durch ein Paar von Lichtempfangselementen (45, 46; 54, 55), die jeweils bei Durchlauf einer auf dem Objekt ausgebildeten Bezugsstruktur (53, 61, 62, 73, 143, 144) durch die von dem Lichtstrahlenpaar erlangten Lichtflecke übertragene oder reflektierte Lichtstrahlen empfangen, wobei ein Bezugspositionssignal erzeugt wird, wenn die Ausgänge des Paars von Lichtempfangselementen zueinander gleich werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen Laserstrahlen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bezugsstruktur mehrere Strukturen längs der Bewegungsrichtung des Objekts umfaßt.

12. Vorrichtung zur Ermittlung einer Bezugsposition, gekenn­ zeichnet durch optische, einen Lichtstrahl auf eine beweg­ bare, eine Bezugsposition angebende Struktur richtende Einrichtungen und durch eine die mittige Lage der Bezugs­ struktur im Ansprechen auf den von dieser reflektierten oder durch diese übertragenen Lichtstrahl ermittelnde Erfassungseinrichtung, wobei im Ansprechen auf die Ermitt­ lung der mittigen Lage ein Bezugspositionssignal erzeugt wird.

13. Verschlüßler, gekennzeichnet

• - durch einen kohärenten Lichtstrahl auf ein längs der Bewegungs- oder Drehrichtung eines sich bewegenden oder drehenden Objekts (6) ausgebildetes Beugungsgitter (7, 53, 61, 62, 143, 144) richtende Einrichtungen,
• - durch optische Einrichtungen, die unter Verwendung eines gebeugten, vom Bewegungsgitter austretenden Lichtstrahls Interferenzstreifen bilden,
• - durch eine die Änderung in der Intensität der Interfe­ renzstreifen erfassende Ermittlungseinrichtung,
• - durch eine einen Teil des kohärenten Lichtstrahls auf die am Objekt (6) ausgebildete Bezugsstruktur richten­ de Einrichtung und
• - durch Lichtempfangseinrichtungen (14, 15, 24 A, 24 B), die im Ansprechen auf den von der Bezugsstruktur reflek­ tierten oder durch diese übertragenen Lichtstrahl ein Bezugspositionssignal erzeugen,
• - wobei der Bewegungs- oder Drehungzustand des Objekts aus den Ausgangssignalen der Ermittlungseinrichtung und der Lichtempfangseinrichtungen erfaßt wird.

14. Verschlüßler, gekennzeichnet

• - durch einen kohärenten Lichtstrahl auf ein längs der Bewegungs- oder Drehrichtung eines sich bewegenden oder drehenden Objekts (6) ausgebildete Beugungsgitter (7, 53, 61, 62, 143, 144) richtende Einrichtungen,
• - durch optische Einrichtungen, die unter Verwendung eines gebeugten, vom Bewegungsgitter austretenden Licht­ strahls Interferenzstreifen bilden,
• - durch eine die Änderung in der Intensität der Interfe­ renzstreifen erfassende Ermittlungseinrichtung,
• - durch eine einen weiteren gebeugten Lichtstrahl vom Beugungsgitter auf eine am Objekt ausgebildete Bezugs­ struktur richtende Einrichtung und
• - durch Lichtempfangseinrichtungen (14, 15, 24 A, 24 B), die im Ansprechen auf den von der Bezugsstruktur reflek­ tierten oder durch diese übertragenen Lichtstrahl ein Bezugspositionssignal erzeugen,
• - wobei der Bewegungs- oder Drehungszustand des Objekts aus den Ausgangssignalen der Ermittlungseinrichtung und der Lichtempfangseinrichtungen erfaßt wird.