DE3727188C2 - Optische Verschiebungserfassungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Verschiebungserfassungseinrichtungen und insbesondere Verbesserungen bei einer optischen Verschiebungserfassungseinrichtung, bei der eine Lagebeziehung zwischen zwei Elementen auf Grund der Änderung eines photoelektrisch umgewandelten Signals erfaßt wird, welches durch eine relative Verschiebung zwischen einer Hauptskala mit einem auf ihr ausgebildeten optischen Gitter und einer Indexskala mit einem auf ihr ausgebildeten optischen Gitter, welches denjenigen der Hauptskala entspricht, erzeugt wird.

Zum Messen eines Vorschubwertes eines Werkzeuges, einer Werkzeugmaschine und ähnlichem auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen und Meßinstrumente ist eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung bekannt geworden, die in Fig. 15 gezeigt ist und bei der eine Hauptskala 14, auf der ein erstes optisches Gitter 16 (im folgenden als erstes Gitter bezeichnet) ausgebildet ist, an einem von relativ zueinander bewegbaren Elementen befestigt ist, und ein Gleitteil mit einer Indexskala 18, auf der ein zweites optisches Gitter 20 (im folgenden als zweites Gitter bezeichnet) ausgebildet ist, eine z. B. von einer Lichtquelle 10 und einer Kollimatorlinse 12 gebildete Beleuchtungseinrichtung und z. B. von photoelektrischen Wandlereinrichtungen gebildete Lichtempfangselemente 22 an dem anderen Element befestigt sind, wobei eine Änderung der Lichtmenge, die durch eine relative Bewegung zwischen dem ersten Gitter 16 und dem zweiten Gitter 20 erzeugt wird, photoelektrisch umgewandelt wird und auf diese Weise erfaßte Erfassungssignale interpoliert und in Impulse umgewandelt und von einem angebrachten Zählerkreis gezählt werden, so daß ein Verschiebungswert gemessen werden kann.

Bei der oben beschriebenen Erfassungseinrichtung ist z. B. das zweite Gitter 20, welches auf der Indexskala 18 ausgebildet ist, in vier mit Phasen von 0°, 90°, 180° und 270° unterteilt, wie es Fig. 15 zeigt, und eine Änderung der Lichtmenge wird durch Vorverstärker 24A und 24B differenziell verstärkt, wobei Erfassungssignale mit zwei Phasen, die im wesentlichen durch A sin Θ und A cos Θ angenähert werden können, entsprechend einer Verschiebung in der X-Richtung der Indexskala 18 erzeugt werden.

Bei der vorbeschriebenen Erfassungseinrichtung hat sich zusammen mit der fortgeschrittenen Endbearbeitungstechnik die Notwendigkeit einer noch kleineren Unterteilung der Meßgenauigkeit ergeben. Jedoch gibt es eine Grenze, die durch die Anzahl der Interpolationen des Erfassungssignals in dem Zählerkreis gesetzt wird, und es besteht die Möglichkeit von Fehlern, die durch die Interpolation bewirkt werden, wodurch verlangt wird, die Gitterteilung des Erfassungssignals selbst kleiner zu machen, so daß die Gitterteilung P des ersten Gitters 16 der Hauptskala 14 noch kleiner wird. Bisher wurde eine Gitterteilung P von ungefähr 20 µm eingesetzt, jedoch wurde kürzlich eine Gitterteilung von 10 µm oder weniger verlangt.

Jedoch traten die folgenden Nachteile mit der Verringerung der Gitterteilung P des ersten Gitters 16 der Hauptskala 14 auf.

Insbesondere vom Gesichtspunkt der Konstruktion her ist es erforderlich, daß ein absoluter Wert für den Spalt g zwischen der Hauptskala 14 und der Indexskala 18 und eine zulässige Änderung desselben auf einige Werte oder mehr eingestellt werden sollten. Um jedoch den Anforderungen zu genügen, wenn die Gitterteilung P einen kleinen Wert aufweist, ist es erforderlich, die Kollimatorlinse 12 zu verwenden, die eine große Genauigkeit und eine lange Brennweite aufweist, um das Beleuchtungslicht ausreichend parallel zu machen. Als Folge hiervon ergibt sich eine große Baugröße der Erfassungseinrichtung.

Andererseits wurde in der britischen Patentanmeldung GB-A- 15 04 691 eine Erfassungseinrichtung vorgeschlagen, bei der der Spalt g ohne die Verwendung einer Kollimatorlinse 12 mit hoher Genauigkeit vergrößert werden kann. Jedoch ergibt sich bei diesem Stand der Technik ein Nachteil dahingehend, daß es schwierig ist, diese Erfassungseinrichtung bei einer Erfassungseinrichtung vom Transmissionstyp anzuwenden, insbesondere, weil drei optische Gitter benötigt werden.

Ferner gibt es einen Nachteil bezüglich der Gitterteilung des zweiten Gitters 20, welches auf der Indexskala 18 ausgebildet ist, und der Phasenunterteilung. Bei dem in Fig. 15 gezeigten Beispiel ist das zweite Gitter 20 in vier unterteilt. Wird jedoch die Genauigkeit der Versetzung δ der vertikalen Unterteilung untersucht, wenn die Gitterteilung des ersten Gitters 16 8 µm beträgt und die Gitterteilung des zweiten Gitters 20 auch 8 µm beträgt, dann ist es zum Erhalt einer Genauigkeit von 90° plus oder minus 10° als Phasenunterschied der Erfassungssignale erforderlich, eine sehr kleine Gitterteilung zu verwenden und den Versatz δ auf zwei plus oder minus 0,2 µm einzustellen. Als Folge hiervon sind fortgeschrittene Bearbeitungstechniken erforderlich und die Produktion der Indexskala 18 bei der Herstellung wird mit dem Ergebnis zunehmender Kosten verschlechtert.

Andererseits wurde als eine andere Erfassungseinrichtung, die in vorteilhafterweise der Einrichtung ein großes Auflösungsvermögen verleiht, eine Erfasssungseinrichtung mit sogenannter optischer Unterteilung vorgeschlagen, bei der das bei einer Gitterteilung P des auf der Hauptskala ausgebildeten ersten Gitters erhaltene Erfassungssignal mit einer Signal­ periode t dadurch erhalten wird, daß die Gitterteilung P kleiner gemacht wird, z. B. P/2.

Zum Beispiel ist in der vorgenannten britischen Patentanmeldung GB-A- 15 04 691 eine Erfassungseinrichtung offenbart, bei der drei optische Gitter verwendet werden, um ein Erfassungssignal mit der halben Signalperiode der Gitterteilung P der Hauptskala zu erhalten. Jedoch überwiegt bei diesem Stand der Technik der Nachteil, daß es schwierig ist, diese Erfassungs­ einrichtung bei einer Erfassungseinrichtung vom Transmissionstyp anzuwenden.

Ferner ist in der britischen Patentanmeldung Nr. 2024416A eine Erfassungseinrichtung vorgeschlagen, die in Fig. 16 dargestellt ist und bei der das Tastverhältnis (Verhältnis zwischen einem lichtdurchlässigen Bereich 16A und einem lichtabschirmenden Bereich 16B) des auf der Hauptskala 14 ausgebildeten ersten Gitters 16 auf 1 : (2n-1) festgesetzt ist, wodurch die Signalperiode t des Erfassungssignals, welches von den Lichtempfangselementen (Photodioden) 22 über das auf der Indexskala 18 ausgebildete zweite Gitter 20 erhalten wird, 1/n der Gitterteilung P des ersten Gitters 16 beträgt.

Bei der in Fig. 16 dargestellten Erfassungseinrichtung ist das Tastverhältnis (Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen Bereich 16A des ersten Gitters 16 und dessen Gitterteilung P) auf 1 : 4 festgelegt, die Teilung q des zweiten Gitters 20 beträgt P/2 und die Signalperiode t des Erfassungssignals, welches durch Verstärkung der Signale von der Photodiode 22 mit dem Vorverstärker 24 erhalten wird, ist q, d. h. ein 1/2 der Gitterteilung P des ersten Gitters.

Bei Verwendung der in Fig. 16 gezeigten Erfassungseinrichtung kann ein Erfassungssignal mit der Signalperiode t durch Teilung der Gitterteilung P des ersten Gitters 10 positiv erhalten werden. Da es jedoch erforderlich ist, die Länge des lichtdurchlassenden Bereichs 16A des ersten Gitters 16 proportional zu der Unterteilungsanzahl kürzer zu machen, was im wesentlichen damit gleich ist, daß die Gitterteilung weiter kleiner gemacht wird, wird es insbesondere vom Gesichtspunkt der Bearbeitungstechniken schwierig, das auf der Hauptskala 14 gebildete erste Gitter 16 herzustellen, wenn es ursprünglich einen langen Meßbereich besaß. Da ferner ausreichend parallele Strahlen benötigt werden, ist eine Kollimatorlinse mit großer Genauigkeit und einer langen Brennweite erforderlich, was eine Erfassungseinrichtung großer Baugröße zum Ergebnis hat. Ferner, gegenüber der Gitterteilung P der Hauptskala beträgt die Gitterteilung der Indexskala P/2, und es ergibt sich ein Nachteil dahingehend, daß, wenn z. B. die Gitterteilung P 10 µm oder weniger beträgt, die Produktionsrate der Indexskala bei der Herstellung gering ist, was erhöhte Kosten zum Ergebnis hat.

Andererseits ist in der oben genannten britischen Patentanmeldung Nr. 2024416A ferner ein Beispiel beschrieben, bei dem eine optische Unterteilung selbst dann durchgeführt werden kann, wenn das Tastverhältnis (Verhältnis zwischen der Länge des lichtdurchlässigen Bereichs 16A und des lichtabschirmenden Bereichs 16B) des ersten Gitters 16 gleich 1 : 1 ist. Wenn jedoch bei diesem Stand der Technik die effektive Wellenlänge eines optischen Systems auf λ eingestellt und die Gitterteilung des ersten Gitters 16 zu P bestimmt wird, muß der Gitterspalt v der Beziehung gemäß der folgenden Formel (1) erfüllen:

v (P²/λ)/2 (1)

Daraus ergibt sich der Nachteil, daß ein mechanischer Vorrichtungsteil zum Halten des Gitterspalts v auf einem vorbestimmten Wert kompliziert wird.

Aus der CH-638891 A5 ist eine photoelektrische inkrementale Längen- und Winkelmeßeinrichtung bekannt, die eine Lichtquelle und eine kollimierende Linse zum Erzeugen eines parallelen Lichtstrahls aufweist, sowie einen von dem parallelen Lichtstrahl bestrahlten Maßstab mit einer ersten Gitterteilung und eine dahinter angeordnete Abtastplatte mit einer zweiten Gitterteilung, wobei das Verhältnis der Gitterteilungen zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte ein ganzzahliger Bruchteil ist. Hinter den Gittern ist eine Lichterfassung mit Hilfe von Photoelementen vorgesehen.

Aus der DE-PS-26 53 545 ist eine photoelektrische Auflichtwegmeßeinrichtung bekannt mit einer Lichtquelle, einem reflektierenden Maßstabsgitter und einem verschiebbaren transparenten Referenzgitter mit von dem Maßstabsgitter unterschiedlicher Gitterteilung und mit mehreren photoelektrischen Empfängern, wobei das Verhältnis der Gitterteilung des Maßstabsgitters zu der des Referenzgitters eine nicht ganze Zahl ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorgenannten Nachteile beim Stand der Technik zu vermeiden und eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung bereitzustellen, bei der, selbst wenn das Tastverhältnis eines auf einer Hauptskala gebildeten ersten Gitters gleich 1 : 1 ist, eine optische Unterteilung möglich ist, und bei der, wenn der Spalt zwischen den auf der Hauptskala und der Indexskala ausgebildeten Gittern einen vorbestimmten Wert oder mehr aufweist, ein relativ zufriedenstellendes Erfassungssignal erhalten werden kann.

die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer ersten Lösung durch eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Bei einer anderen besonderen Ausführungsform nach dem ersten Gedanken der Erfindung ist die Gitterteilung q des zweiten Gitters auf P/2 und der Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter im wesentlichen auf 2 q²/λ oder mehr festgelegt, wobei λ die Wellenlänge des Mittelwerts des emittierten Spektrums ist.

Bei einer anderen besonderen Ausführungsform gemäß dem ersten Gedanken der Erfindung ist die Lichtquelle eine Laserdiode.

Bei einer optischen Verschiebungserfassungseinrichtung ist es im allgemeinen Fall, wenn das Tastverhältnis (Verteilung der Durchlässigkeitsfaktoren oder der Reflektionsfaktoren) für das Beleuchtungslicht von dem ersten Gitter nicht durch eine einfache Sinusfunktion dargestellt werden kann, schwierig, genau die Änderungen des durch das erste Gitter hindurchgegangenen Beleuchtungslichts zu analysieren, und daher untersuchte der Erfinder der vorliegenden Erfindung die Zustände der Erfassungssignale, während Erfassungseinrichtungen für die verschiedenen Fälle konstruiert wurden.

Der erste Gedanke der Erfindung wurde aufgrund der Ergebnisse im Hinblick auf die vorgenannten Beobachtungen erfunden. Die Gitterteilung des ersten Gitters ist auf P festgelegt, die Gitterteilung des zweiten Gitters ist auf P/n (n ist eine ganze Zahl 2) festgesetzt, das erste und zweite Gitter werden durch eine kohärente Lichtquelle beleuchtet, und ein Erfassungssignal mit einer Signalperiode P/n kann durch eine relative Verschiebung zwischen der Hauptskala und der Indexskala erzeugt werden.

Als Folge hiervon ist selbst dann, wenn das Tastverhältnis (Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen oder reflektierenden Bereich und dem lichtabschirmenden oder absorbierenden Bereich) des ersten Gitters, das auf der Hauptskala ausgebildet ist, auch im wesentlichen auf 1 : 1 festgelegt wird, eine optische Unterteilung möglich, wodurch die Herstellung der Hauptskalen erleichtert wird. Ferner, selbst wenn der Gitterspalt, der zwischen dem auf der Hauptskala und der Indexskala ausgebildeten Gitter vorliegt, auf einen vorbestimmten Wert oder mehr festgesetzt wird, kann ein relativ zufriedenstellendes Erfassungssignal erhalten werden, so daß der Gitterspalt breiter eingestellt werden kann, wodurch die Konstruktion des mechanischen Teils erleichtert wird.

Eine zweite Zielsetzung der Erfindung besteht darin, eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung zu schaffen, bei der es nicht erforderlich ist, eine Kollimatorlinse mit hoher Genauigkeit und langer Brennweite zu verwenden und bei der die Indexskala leicht fertiggestellt werden kann.

Um die vorgenannte zweite Zielsetzung zu erreichen, ist gemäß einem zweiten Gedanken der Erfindung eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung vorgesehen, welche umfaßt:
eine Streulichtquelle zur Beleuchtung einer Hauptskala ohne die Verwendung einer Kollimatorlinse;
wobei die Hauptskala an einer mit dem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist;
eine Indexskala, die an einer mit dem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/u ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen.

Bei einer besonderen Ausführungsform gemäß dem zweiten Gitter der Erfindung ist die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle.

Bei einer anderen besonderen Ausführungsform gemäß dem zweiten Gedanken der Erfindung ist die Punktlichtquelle eine Laserdiode.

Bei einer weiteren, besonderen Ausführungsform gemäß dem zweiten Gedanken der Erfindung ist die Punktlichtquelle derart ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des Divergenzwinkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor einem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.

Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform gemäß dem zweiten Gedanken der Erfindung ist der Abstand v festgesetzt auf

v ≅ un P²/(λ u-nP²)

wobei n einer natürlichen Zahl gleich λu/P² oder weniger ist, wobei λ die Wellenlänge eines Mittelwerts des Spektrums eines optischen Systems ist.

Als dritte Zielsetzung zusätzlich zu der zweiten Zielsetzung will die Erfindung eine optische Verschiebungserfassungsein­ richtung schaffen, bei der eine optische Unterteilung in zwei unter Verwendung von zwei Gittern durchgeführt werden kann.

Um die vorgenannte dritte Zielsetzung zu erzielen, gibt die Erfindung eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung gemäß einem dritten Gedanken an, die umfaßt:
eine Streulichtquelle zur Beleuchtung einer Hauptskala ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist;
eine Indexskala, die an einer mit einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/(2u) ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund einer Überlagerung des Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen.

Bei einer besonderen Ausführungsform des dritten Gedankens der Erfindung ist die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle.

Bei einer anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem dritten Gedanken ist die Punktlichtquelle eine Laserdiode.

Bei einer weiteren, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem dritten Gedanken ist die Punktlichtquelle derart ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des divergierenden Winkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor einem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.

Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem dritten Gedanken ist die Streulichtquelle eine Linearlichtquelle, die in Richtung der Weite des ersten Gitters ausgerichtet ist.

Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem dritten Gedanken wird der Spalt v eingestellt auf

v ≅ u (n-0,5) P²/(λu - (n-0,5) P²)

wobei n eine natürliche Zahl von λu/P²+0,5 oder weniger ist, wobei λ die Wellenlänge des Mittelwertes des Spektrums des optischen Systems ist.

Das Erfassungsprinzip der Erfindung gemäß dem zweiten und dritten Gedanken wird im folgenden beschrieben.

Gemäß Fig. 1 ist eine Streulichtquelle 30 (z. B. eine Punktlichtquelle) vor einem ersten Gitter 16 mit einem Abstand u von dem ersten Gitter 16 angeordnet, das eine Gitterteilung P aufweist. Dann wird ein vergrößertes Bild des ersten Gitters 16 scheinbar auf einem Schirm S gebildet, der von dem ersten Gitter 16 mit Abstand v beabstandet ist. Jedoch variiert in Wirklichkeit die Form des Bildes stark aufgrund von Beugungswirkungen.

Aus Gründen der Vereinfachung wird ein Lichtamplitudenübertragungsfaktor f(x) des ersten Gitters 16 durch die folgende Gleichung (2) wiedergegeben und das Rechenergebnis für eine Bildverteilung g(x) auf dem Schirm S im Abstand v gemäß der Fresnel-Beugungstheorie, wie sie in "Principles of Optics", 6. Auflage, Seite 383 (MAX BORN & EMIL WOLF, Pergamon Press 1980), beschrieben ist, wird weiter unten gezeigt.

f(x) = 1 + cos (2 πx/P) (2)

Hier ist die Wellenlänge bei dem Mittelwert des in diesem optischen System verwendeten Lichtemissionsspektrum der Streulichtquelle 30 und die spektrale Empfindlichkeit des Lichtempfangselements auf λ festgelegt und n = eine natür­ liche Zahl (eine ganze Zahl 1).

Wenn zunächst der Abstand v im wesentlichen v1(n) ist, wie es durch die folgende Gleichung (3) dargestellt ist, ergibt sich eine in der folgenden Gleichung (4) gezeigte Beziehung mit Ausnahme eines Proportionalitätsfaktors.

v ≃ v1(n) = u (n-0,5) p² / {λu (n-0,5) P²} (3)

g(x) ≡ g1(x) ≃ 4 + cos [4πux / (u+v) · P] (4)

Andererseits, wenn der Abstand v im wesentlichen gleich v2(n) ist, wie es durch folgende Formel (5) dargestellt ist, ergibt sich die in der folgenden Formel (6) gezeigte Beziehung mit Ausnahme eines Proportionalitätsfaktors.

v ≃ v2(v) = un P² / (λu-nP²) (5)

g(x) ≡ g²(x) ≃ 1 + cos [2πux / (u+v) · P] (6)

Aus den Formeln (3) und (4) ergibt sich, daß, wenn ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung von q = (u+v) P/(2u) auf dem Schirm S vorgesehen wird, wo der Abstand v nahe bei v1(n) ist, ein Erfassungssignal erhalten werden kann. Dieses Bild weist eine Gitterteilung von 1/2 zu dem scheinbaren Bild auf, und besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft, daß, wenn das erste Gitter 16 um eine Teilung P verschoben wird, das Erfassungssignal um zwei Perioden verändert wird.

Andererseits hat sich aus den Formeln (5) und (6) ergeben, daß, wenn das zweite Gitter mit der Gitterteilung q = (u+v) P/u auf dem Schirm S vorgesehen wird, wo der Abstand v nahe bei v2(n) liegt, ein Erfassungssignal erhalten werden kann. Da dieses Bild mit dem scheinbaren Bild vergleichbar ist, ändert sich das Erfassungssignal um eine Periode, wenn das erste Gitter 16 um eine Teilung P verschoben wird.

Die Erfassungsvorrichtung nach der Erfindung war bisher nicht näher untersucht worden, da es keine Streulichtquelle 30 und insbesondere keine Punktlichtquelle mit einem kleinen Licht aussendenden Bereich und hoher Ausgangsleistung gab und die Notwendigkeit für die vorgenannte Erfassungseinrichtung bei großer Gitterteilung P nicht weiter bestand. Heutzutage jedoch, auf Grund der Änderungen auf dem technischen Gebiet, wie die Senkung der Kosten einer Laserdiode, die als Punktlichtquelle ideal ist, und der Anforderung, die Schwierigkeiten zu überwinden, wenn die Gitterteilung P sehr klein wird, wurden von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung im Rahmen einer Untersuchung der Schwierigkeiten die oben genannten Formeln (4) und (6) eingeführt und die praktische Ausführbarkeit der oben genannten Erfassungseinrichtung wurde unter Beweis gestellt.

Der zweite Gedanke nach der Erfindung geht von dem Ergebnis der oben genannten Untersuchung aus. Die Gitterteilung des ersten Gitters wird auf P festgelegt und die Gitterteilung q des zweiten Gitters wird auf (u+v)P/u festgelegt, wobei u der Abstand zwischen der Streulichtquelle und dem ersten Gitter und v der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter ist, und die Hauptskala mit dem auf ihr ausgebildeten ersten Gitter wird mit der Streulichtquelle ohne Verwendung der Kollimatorlinse beleuchtet, wodurch eine Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters mit dem zweiten Gitter photoelektrisch umgewandelt wird. Infolgedessen kann eine Punktlichtquelle oder Linearlichtquelle als Streulichtquelle verwendet werden und es besteht keine Notwendigkeit der Verwendung einer Kollimatorlinse mit hoher Genauigkeit und langer Brennweite.

Ferner kann die Teilung der Indexskala größer als bisher gemacht werden, so daß die Herstellung und Fertigstellung der Indexskalen erleichtert werden können.

Auch der dritte Gedanke der Erfindung basiert auf dem Ergebnis der oben genannten Untersuchung. Die Gittertei­ lung des ersten Gitters ist auf P und die Gitterteilung q des zweiten Gitters ist auf (u+v)P/(2u) festgesetzt, und die Hauptskala mit dem auf ihr ausgebildeten ersten Gitter wird von der Streulichtquelle ohne Verwendung der Kolli­ matorlinse beleuchtet, wobei eine Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters mit dem zweiten Gitter photoelektrisch umgewandelt wird. Als Ergebnis kann die optische Teilung in zwei ferner durch Verwendung zweier Gitter erreicht werden.

Wenn gemäß dem ersten Gedanken der Erfindung die Teilung des ersten Gitters auf der Hauptskala auf P und die Teilung des zweiten Gitters auf der Indexskala auf P/n (n ist eine ganze Zahl 2) festgelegt war und ein Erfassungssignal mit der Teilung P/n erhalten wurde, betrug das Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen oder reflektierenden Bereich und dem lichtabschirmenden Bereich 1 : 1. Jedoch besaß das erste Gitter höhere harmonische Anteile einer Teilung P/n zusätzlich zu einem harmonischen Grundanteil der Teilung P, und es wird deshalb angenommen, daß ein Erfassungssignal auf Grund der Überlappung der Bilder der höheren harmonischen Anteile mit dem zweiten Gitter erhalten wurde. Dies wird durch die Tatsache erhärtet, daß, wenn die Wellenlänge auf λ fest­ gelegt wird, ein Signal mit einem guten Kontrast in etwa an einer Stelle erhalten werden kann, wo der Abstand zwischen den Gittern durch Multiplikation von (P/n)²/λ mit einer gewissen ganzen Zahl erhalten wird.

Es wird angenommen, daß es ein Gitter F1(x) mit einer Teilung P gibt und das Verhältnis zwischen dem licht­ durchlässigen oder reflektierenden Bereich und dem licht­ abschirmenden Bereich auf genau 1 : 1 als erstes Gitter festgelegt wird, und bei einer Fourier-Zerlegung wird dann die folgende Gleichung mit Ausnahme einer Konstanten erhalten:

F1(x) = 1/2 + 0,6 sin (2 πx/P)
+ 0,2 sin (3 · 2 πx/P)
+ 0,1 sin (5 · 2 πx/P)
+ . . .

Infolgedessen ist es offensichtlich, daß F1(x) höhere Harmonische, nämlich der dritten und der fünften Ordnung zusätzlich zu der Grundschwingung enthält.

Eine ähnliche Annahme wurde bei dem ersten Gitter gemacht, wobei das Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen oder reflektierenden Bereich und dem lichtabschirmenden Bereich auf 5 : 7 festgelegt wurde, und eine Fourier-Zerlegung hat gezeigt, daß die höheren Harmonischen der zweiten und der vierten Ordnung enthalten sind.

Im allgemeinen wird das erste Gitter mit einem Verhältnis zwischen dem lichtdurchlassenden oder reflektierenden Bereich und dem lichtabschirmenden Bereich mit einem Sollwert von 1 : 1 hergestellt. Jedoch treten auf Grund der Herstellungstechniken Änderungen auf und das Verhältnis 1 : 1 wird nicht erreicht. Diesbezüglich mag man annehmen, daß die höheren harmonischen aller Ordnungen mit eingeschlossen sind und die oben beschriebene Erfasungseinrichtung diese höheren harmonischen Anteile verwendet.

Jedoch benötigt diese Erfassungseinrichtung eine Kollimatorlinse mit hoher Genauigkeit und langer Brennweite, damit das Beleuchtungslicht zufriedenstellend parallele Strahlen erhält. Infolgedessen ergibt sich der bereits genannte Nachteil, daß die genannte Erfassungseinrichtung groß wird.

Ferner, da die optische Unterteilung erhöht wird, sollte die Teilung des zweiten Gitters auf der Indexskala feiner unterteilt werden. Bei der Indexskala reicht es im Unterschied zu der Hauptskala aus, daß sie einige Millimeter lang ist und die kleine Teilung bildet kein wesentliches Hindernis, jedoch bleibt die Schwierigkeit, daß, wenn die Teilung kleiner unterteilt wird, die Ausbeute bei der Herstellung von Indexskalen verschlechtert wird.

Das gleiche gilt für den Fall, bei dem die Teilung des zweiten Gitters auf der Indexskala zu P/(2n) festgelegt wird und ein Erfassungssignal mit einer Teilung P/(2n) erhalten werden soll. In diesem Fall kann ein Signal mit einem guten Kontrast nur an einer Stelle erhalten werden, wo der Abstand zwischen den Gittern durch Multiplikation (P/n)²/λ mit der Hälfte einer ganzen Zahl erhalten wird.

Infolgedessen liegt eine vierte Zielsetzung der Erfindung darin, eine optische Erfassungseinrichtung zu schaffen, bei der die optische Unterteilung ohne die Verwendung einer Kollimatorlinse mit hoher Genauigkeit und langer Brennweite durchgeführt und die Indexskala leicht hergestellt werden kann.

Um diese oben genannte vierte Zielsetzung zu erfüllen, wird gemäß dem vierten Gedanken nach der Erfindung eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung angegeben, die umfaßt:
eine Streulichtquelle;
eine Hauptskala, die an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Stellung angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Anteile enthält;
eine Indexskala, die an einer in einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q ≃ (u+v) · Q/u mit Q = P/m (mit m einer ganzen Zahl gleich 2 oder größer) aufweist; und
ein Lichtempfangselement zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen, um dadurch ein Erfassungssignal mit der Teilung Q zu erzeugen.

Bei einer besonderen Ausführungsform gemäß dem vierten Gedanken der Erfindung ist die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle.

Bei einer anderen besonderen Ausführungsform gemäß dem vierten Gedanken der Erfindung ist die Punktlichtquelle eine Laserdiode.

Bei einer anderen besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem vierten Gedanken ist die Punktlichtquelle so ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des divergierenden Winkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor einem Licht aussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.

Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem vierten Gedanken ist die Streulicht­ quelle eine Linearlichtquelle, die in Richtung der Weite des ersten Gitters ausgerichtet ist.

Bei einer noch anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem vierten Gedanken wird der Abstand v festgelegt auf

v ≃ nMQ²/λ
(mit n einer ganzen Zahl gleich 1 oder größer),

wobei die Wellenlänge bei dem Mittelwert eines Licht­ empfindlichkeitsspektrums eines optischen Systems festgelegt ist, und die Vergrößerung M dieses Systems bestimmt wird durch M≃(u+v)/u.

Die fünfte Zielsetzung der Erfindung besteht darin, eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung zu schaffen, bei der zusätzlich zu der vierten Zielsetzung eine optische Mehrfachunterteilung durch Verwendung von zwei Gittern durchgeführt werden kann.

Um die oben beschriebene fünfte Zielsetzung zu erreichen, wird gemäß einem fünften Gedanken der Erfindung eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung angegeben, die umfaßt:
eine Streulichtquelle;
eine Hauptskala, die an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P besitzt und höhere harmonische Anteile enthält;
eine Indexskala, die an einer mit einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung von q ≃ (u+v)Q/(2u) mit Q = P/m (mit m einer ganzen Zahl gleich 2 oder größer) aufweist; und
ein Lichtempfangselement zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen, um dadurch ein Erfassungssignal mit einer Teilung Q/2 zu erzeugen.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle.

Bei einer anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist die Punktlichtquelle eine Laserdiode.

Bei einer weiteren, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist die Punktlicht­ quelle so ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des divergierenden Winkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor dem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.

Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist die Streulicht­ quelle eine Linearlichtquelle die in Richtung der Weite des ersten Gitters ausgerichtet ist.

Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist der Abstand v eingestellt auf

v ≃ (n - 1/2)MQ²/λ
(mit n einer ganzen Zahl gleich 1 oder größer),

wobei die Wellenlänge ein Mittelwert des Lichtempfindlichkeitsspektrums eines optischen Systems auf λ festgelegt ist und die Vergrößerung M des Systems festgelegt ist durch M = (u+v)/u.

Das Erfassungsprinzip gemäß dem vierten und fünften Gedanken der Erfindung wird im folgenden beschrieben.

Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Unter der Annahme, daß das erste Gitter 16 höhere harmonische Anteile der Ordnung m (m ist eine ganze Zahl gleich 2 oder größer) enthält, kann man annehmen, daß statt des ersten Gitters ein Gitter mit einer Teilung Q (vorausgesetzt, daß Q=P/n ist) vorliegt. Dann wird das Bild eines vergrößerten Gitters mit der Teilung Q scheinbar auf einem Schirm S gebildet, der mit dem Abstand v von dem ersten Gitter 16 beabstandet ist. Jedoch ist in Wirklichkeit die Verteilung der Lichtmenge des Bildes in Abhängigkeit von den Werten u und v äußerst verschieden.

Aus Gründen der Einfachheit wird der Lichtamplitudenübertragungsfaktor f(x) des Gitters mit der Teilung Q durch die folgende Gleichung (7) dargestellt und das Berechnungsergebnis der Bildverteilung g(x) auf dem Schirm S im Abstand v gemäß der oben genannten Theorie der Fresnel-Streuung wird weiter unten dargestellt.

T(x) = 1 + cos (2 πx/Q) (7)

Hier wird die Wellenlänge bei dem Mittelwert des Lichtspektrums in diesem optischen System des von der Streulichtquelle 30 ausgesandten Lichtspektrums und die Wellenlängenempfindlichkeit eines Lichtempfangselements auf λ festgelegt; n ist eine natürliche Zahl (eine ganze Zahl gleich 1 oder größer) und die Vergrößerung M des ersten Gitters ist definiert durch M = (u+v)/u.

Wenn zunächst der Abstand v im wesentlichen gleich v1(n) ist, der durch die folgende Gleichung (8) dargestellt wird, kann eine in der folgenden Formel (9) gezeigte Beziehung mit Ausnahme eines Proportionalitätsfaktors hergestellt werden.

v ≃ v1(n) = (n-0,5) MQ²/λ (8)

g(x) ≡ g1(x) ≃ 4 + cos [4 πux/(u+v) · Q] (9)

Die Gleichung (8) ist zur folgenden Gleichung equivalent.

v ≃ v1(n) = u(n-0,5) Q²/[λu - (n-0,5) Q²]

Wenn jedoch v verändert wird, ändert sich g1(x) nicht so stark. Deshalb ist die Gleichung (8) nicht so genau.

Andererseits, wenn der Abstand v im wesentlichen v2(n) ist, wie er durch die folgende Gleichung (10) dargestellt wird, ergibt sich die in der folgenden Formel (11) gezeigte Beziehung mit Ausnahme eines Porportionalitätsfaktors.

v ≃ v2(n) = nMQ²/λ (10)

g(x) ≡ g2(x) ≃ 1 + cos [2 πux/(u+v) · P) (11)

Aus den Formeln (8) und (9) ergibt sich, daß, wenn das zweite Gitter mit der Gitterverteilung q = (u+v)P/(2u) vorgesehen wird, ein Erfassungssignal auf dem Schirm S erhalten werden kann, wo der Abstand v nahe bei v1(n) liegt. Dieses Bild besitzt eine Gitterteilung von 1/2 zu dem scheinbaren Bild und weist ein bemerkenswertes Merkmal auf, daß, wenn das erste Gitter 16 um Q verschoben wird, d. h. P/m, das Erfassungssignal um einen vergleichbaren Wert von zwei Perioden verändert wird.

Andererseits hat sich aus den Formeln (10) und (11) ergeben, daß, wenn das zweite Gitter mit der Gitterteilung q = (u+v)Q/u versehen wird, ein Erfassungssignal auf dem Schirm S erhalten werden kann, wo der Abstand v nahe bei v2(n) liegt. Da dieses Bild mit dem scheinbaren Bild ver­ gleichbar ist, ändert sich das Erfassungssignal um einen mit einer Teilung vergleichbaren Wert, wenn das erste Gitter 16 um Q, d. h. P/m verschoben wird.

Auf dem Schirm S liegen Wellenformen mit unterschiedlichen Teilungen vor, die den höheren harmonischen Anteilen des ersten Gitters entsprechen. Jedoch kann man annehmen, daß das zweite Gitter spezifische Komponenten ausfiltert.

Der vierte Gedanke der Erfindung basiert auf den Ergebnissen der oben genannten Untersuchung. Die Gitterteilung des ersten Gitters ist auf P und die Gitterteilung q des zweiten Gitters ist auf (u+v)Q/u mit (Q=P/m) festgelegt, die Hauptskala mit dem auf ihr ausgebildeten ersten Gitter wird durch die Streulichtquelle beleuchtet und eine Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes der höheren harmonischen Anteile des ersten Gitters mit dem zweiten Gitter wird photoelektrisch, umgewandelt dadurch ein Erfassungssignal mit der Teilung Q zu erzeugen. Infolgedessen kann die Punktlichtquelle oder die Linearlichtquelle, so wie sie sind, als Streulichtquelle verwendet werden und die Verwendung einer Kollimatorlinse hoher Genauigkeit und langer Brennweite ist nicht erforderlich. Ferner kann die Teilung des zweiten Gitters größer als bisher gemacht werden, so daß die Indexskalen ohne weiteres hergestellt werden können.

Der fünfte Gedanke gemäß der Erfindung basiert ebenfalls auf den Ergebnissen der oben angegebenen Untersuchung. Die Gitterteilung des ersten Gitters ist auf P und die Gitterteilung q des zweiten Gitters ist auf (u + v) · Q/(2u) festgelegt, und die Hauptskala mit dem auf ihr ausgebildeten ersten Gitter wird durch die Streulichtquelle beleuchtet, wodurch eine Änderung der Lichtquelle auf Grund der Überlagerung eines Bildes der höheren harmonischen Anteile des ersten Gitters und des zweiten Gitters photoelektrisch umgewandelt wird, um dadurch ein Erfassungssignal mit einer Teilung von Q/2 zu erzeugen. Infolgedessen kann ferner eine optische Mehrfachteilung durch Verwendung der zwei Gitter erzielt werden.

Das Eigentliche dieser Erfindung sowie weitere Zielsetzungen und Vorteile ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme der auf den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder ähnlichen Teile durchgängig bezeichnen.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Erfasssungsprinzips nach der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, die die Anord­ nung einer ersten Ausführungsform einer optischen Ver­ schiebungserfassungseinrichtung nach der Erfindung zeigt;

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Signalkontrasts bei einem Erfassungssignal;

Fig. 4(A) und 4(B): graphische Darstellungen der Berechnungsergebnisse bei Verwendung der ersten Aus­ führungsform nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung, die die Anordnung einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung zeigt;

Fig. 6 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Anordnung einer dritten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der Anordnung einer vierten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Anordnung einer fünften Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 9 eine Vorderansicht zur Erläuterung der Anordnung der Linearlichtquelle, die bei der fünften Ausführungs­ form nach der Erfindung verwendet wird;

Fig. 10 eine Querschnittdarstellung längs der Linie X-X in Fig. 9;

Fig. 11 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An­ ordnung einer sechsten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 12 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An­ ordnung einer siebten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 13 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An­ ordnung einer achten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 14 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An­ ordnung einer neunten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 15 eine perspektivische Darstellung, die die Anordnung eines Beispiels einer herkömmlichen, optischen Verschiebungserfassungseinrichtung zeigt; und

Fig. 16 eine Schnittdarstellung, die die Anordnung eines anderen Beipiels einer herkömmlichen, optischen Verschiebungserfassungseinrichtung zeigt.

Die Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Gemäß Fig. 2 umfaßt die erste Ausführungsform nach der Erfindung:
eine Beleuchtungseinrichtung, die einen im wesentlichen parallelen Lichtfluß aufweist und von einer Laserdiode 32 als kohärente Lichtquelle und einer kollimaten Linse 33 gebildet wird;
einer Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen einem lichtdurchlässigen Bereich 16A und einem lichtabschirmenden Bereich 16B im wesentlichen auf 1:1 und die Gitterteilung auf P festgelegt ist;
eine Indexskala 18, auf der ein zweigeteiltes zweites Gitter 20 mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen einem lichdurchlässigen Bereich und einem lichtabschirmenden Bereich auf im wesentlichen 1 : 1 und die Gitterteilung mit q festgelegt ist;
zwei Fotodioden 22, die entsprechend der vor­ gesehenen Unterteilung des zweiten Gitters 20 vorgesehen sind, um fotoelektrisch durch das erste Gitter 16 und das zweite Gitter 20 hin­ durchgegangenes Beleuchtungslicht umzuwandeln, und
zwei Vorverstärker 24, um die Ausgänge der je­ weiligen Fotodioden 22 zu verstärken und Er­ fassungssignale A und B auszugeben, die mit einer Teilung t festgelegt und um 90° gegeneinander verschoben sind.

Die Wellenlänge λ der Laserdiode 32 ist auf ungefähr 0,8 µm festgelegt. Hier ist λ die Wellenlänge der Laserdiode 32, jedoch kann im allgemeinen λ als die Mittenwellenlänge des effektiven Spektrums eines optischen Systems im Hinblick auf das Lichtempfangselement (Fotodiode 22) festgelegt werden.

Wenn die Laserdiode 32 an einer entfernt liegenden Stelle angebracht ist, kann die Kollimatorlinse 33 weggelassen werden.

Als Teilung P für das erste Gitter 16 können 8 µm, 16 µm, 20 µm oder 40 µm z. B. gewählt werden.

Ferner kann als Teilung q für das zweite Gitter 20 8 µm oder 4 µm ausgewählt werden.

Die Erfindung wurde unter Verwendung der ersten Ausführungsform untersucht. Kombinationen der Teilung P des ersten Gitters 16 mit der Teilung q des zweiten Gitters 20, die bei der Untersuchung verwendet wurden, sind in der folgenden Tabelle 1 angegeben. Der in Tabelle 1 gezeigte Wert t ist die Periode eines Erfassungssignals, welches erhalten wird, wenn der Abstand v zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter größer als p²/λ gemacht wird.

Tabelle

Wie es aus der Tabelle 1 offensichtlich ist, hat es sich ergeben, daß die Periode bzw. Teilung t des Erfassungssignals gegenüber der Teilung P des ersten Gitters 16 kleingemacht ist, wodurch die optische Mehrfachunterteilung durchgeführt wird. Der in Tabelle 1 angegebene Wert n entspricht P/t, d. h. der Anzahl der optischen Unterteilung.

Selbst wenn die optische Mehrfachunterteilung durchgeführt wird, kann man in Betracht ziehen, daß die Herstellung des zweiten Gitters schwierig ist, weil die Teilung q des zweiten Gitters 20 gleich der Teilung t des Erfassungssignals ist. Jedoch ist es bei dem zweiten Gitter 20, welches sich von dem ersten Gitter 16 auf der Hauptskala 14 insofern unterscheidet, als dieses eine die gesamte Meßlänge überdeckende Länge aufweisen muß, ausreichend, daß es eine Länge aufweist, die nur die Weite der Lichtempfangselemente überdeckt. Demgemäß kann z. B. ein Muster unmittelbar mit einer elektronischen Strahlzeichnungseinrichtung ausgebildet werden, so daß das zweite Gitter verglichen mit dem ersten Gitter auf der Hauptskala ohne weiteres hergestellt werden kann.

Es wurden auch Untersuchungen im Hinblick auf Änderungen des Abstands v der Gitter und des Zustands des Erfassungssignals durchgeführt. Fig. 3 zeigt ein Beispiel des von dem Vorverstärker 24 erhaltbaren Erfassungssignals. Das Maß der Güte des Erfassungssignals kann nach dem Signalkontrast beurteilt werden, der durch die folgende Gleichung (12) unter Verwendung einer Gleichstromkomponente DC und einer Wechselstromkomponente PP definiert ist.

SIGNALKONTRAST = PP/DC (12)

Im allgemeinen sollte die Gleichstromkomponente DC, die nicht zur Verschiebungserfassung beiträgt, einen kleinen Wert aufweisen. Je größer der Kontrast des Signals ist, um so stabiler kann die Messung durchgeführt werden. Der beste Kontrast des erhaltenen Signals ist durch die unterbrochene Linie in Fig. 3 dargestellt. Aus der Definition des Signalkontrasts ergibt sich, daß der Wert des Signalkontrasts dabei 2 ist.

Wenn der Abstand v zwischen den Gittern verändert wird, wird der Signalkontrast ebenfalls verändert. Die Fig. 4(A) und (B) zeigen das Ergebnis der Untersuchung. Als Ergebnis der Untersuchung werden in Abhängigkeit von der Anzahl der optischen Unterteilungen, d. h. wenn n gleich 2 oder n von 2 verschieden ist, unterschiedliche Verhaltensweisen beobachtet; Fig. 4(A) zeigt den Fall mit n=2, während Fig. 4(B) den Fall mit n≠2 zeigt.

Wenn n=2 gilt, sind wie es aus der Fig. (A) offensicht­ lich ist, Signalkontrastspitzen an den Stellen vorhanden, wo der Gitterabstand v durch Multiplikation q²/λ mit einer geraden Zahl erhalten wird. Da Null nirgendwo vorliegt, kann eine Verschiebung solange erfaßt werden, als der Ab­ stand v zwischen den Gittern 2 q²/λ oder größer ist. Ein besonderes Merkmal besteht darin, daß, wenn der Gitterab­ stand v ungefähr 100 q²/λ oder größer wird, der Signal­ kontrast im wesentlichen ein konstanter Wert von 0,5 wird. Demgemäß ergibt sich, daß sich das Erfassungssignal bei einer Änderung des Gitterabstandes v kaum ändert, wodurch es möglich ist, eine sehr stabile Erfassungseinrichtung zu konstruieren.

Im Gegensatz hierzu befinden sich die Kontrastspitzen des Signals, wenn n nicht 2 ist, z. B. bei einer Kombination, bei der die Gitterteilung P des ersten Gitters 16 40 µm und die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 8 µm (n=5) beträgt, nahe den Stellen, wo der Gitterabstand v durch Multiplikation von q²/λ mit einer ganzen Zahl erhalten wird, wie es in Fig. 4(B) gezeigt ist, und der Kontrast des Signals ist in jedem der Zwischenbereiche nahezu 0. Infolgedessen ergibt sich, daß durch Einstellen des Gitterabstands v auf ungefähr m q²/λ (mit m einer positiven ganzen Zahl) und wenn der Wert von m groß gemacht wird, selbst dann, wenn der Gitterabstand v größer als ein vorbestimmter Wert ist, eine Erfassungseinrichtung erhalten werden kann, bei der der Kontrast des Erfassungssignals gut ist.

Als die Erfindung unter Verwendung der Erfassungseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform untersucht worden ist, betrug die Anzahl n der Unterteilung 2-5. Jedoch kann jene auch im Falle einer größeren Mehrfachunterteilung verwendet werden.

Bei der ersten Ausführungsform wurde die Erfindung bei einer geradlinigen Verschiebungserfassungseinrichtung vom Transmissionstyp angewandt. Jedoch ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt und die Erfindung kann in gleicher Weise bei einer geradlinigen Verschiebungserfassungseinrichtung vom Reflexionstyp eingesetzt werden, wie es Fig. 5 zeigt. In diesem Fall wird zusätzlich zu der Glasskala als Hauptskala 14 ein Band aus nichtrostendem Stahl oder ähnlichem verwendet. Ferner kann die Erfindung außer bei einer geradlinigen Verschiebungseinrichtung (Linearencoder) bei einer Drehbewegungserfassungseinrichtung (Drehencoder) angewendet werden.

Bei der obigen Ausführungsform wurde als kohärente Lichtquelle die Laserdiode 32 verwendet. Jedoch ist die Art der Lichtquelle nicht notwendigerweise auf diese beschränkt und eine Leuchtdiode mit einer Breite des Emissionsspektrums von ungefähr 20 nm oder weniger kann z. B. statt der Laserdiode verwendet werden. Selbst wenn die lichtaussendenden Elemente Emissionsspektren mit einer großen Breite aufweisen, können die lichtaussendenden Elemente als kohärente Lichtquelle verwendet werden, indem zusätzlich ein Interferenzfilter oder ähnliches eingesetzt wird, um die Wellenlänge auszuwählen.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem zweiten Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.

Die dritte Ausführungsform nach der Erfindung verwendet die in den obigen Formeln (5) und (6) angegebene Beziehung und umfaßt, wie es Fig. 6 zeigt:
eine Laserdiode 32 zum Beleuchten einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kolli­ matorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 aus länglichen Tei­ lungsstreifen besteht, und die an einer mit dem Abstand u von der Laserdiode 32 beabstan­ deten Position angeordnet ist,
eine Index-Skala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Abstand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangs­ elemente 22A und 22B zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 und des zweiten Gitters 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zu einander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken des Ausgangs des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.

Als Laserdiode 32 kann eine solche verwendet werden, bei der die Größe des Lichtemissionsbereiches ungefähr einige µm² aufweist und die Wellenlänge ungefähr 0,78 µm beträgt (z. B. eine Diode HL-7801 E von Hitachi, Ltd.).

Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem zweiten Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 erfüllen die in den folgenden Formeln angegebenen Bezie­ hungen.

v ≃ unP²/(λu - nP²) (13)

q = (u + v) P/u (14)

Mit n einer natürlichen Zahl n/P² oder kleiner.

Insbesondere wenn n=30 und u und v auf ungefähr 4,9 mm festgelegt werden und die Gitterteilung P des ersten Gitters auf 8 µm festgelegt wird, ergeben sich 16 µm für die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 aus der Beziehung gemäß Gleichung (14). Schließlich sollten die Positionen der Laserdiode 32 und der Indexskala 18 genau eingestellt werden, um zufriedenstellende Signale zu erhalten. Ferner liegt der zulässige Wert für Änderungen des Abstandes v bei ungefähr + oder -0,1 P²/λ.

Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20, welches mit der Versetzung δ unterteilt ist, um phasenverschobene Signale zu erhalten, 4 plus oder minus 0,4 µm betragen, um einen Phasenunterschied von 90° plus oder minus 10° zu erhalten, da die Gitterteilung q 16 µm beträgt. Somit hat sich herausgestellt, daß die Gitterteilung und die Versetzung bei dem zweiten Gitter 20 einen verglichen mit einer herkömmlichen Erfassungseinrichtung doppelten Wert aufweist, wodurch die Herstellung des zweiten Gitters vereinfacht wird.

Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände u und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14 hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Breite der Lichtempfangselemente 22A und 22B in der x-Richtung verringert wird.

Bei der Anordnung dieser Ausführungsform wird die Hauptskala 14 in der X-Richtung verschoben, wodurch Erfassungssignale, die die Teilung t = 8 µm aufweisen und mit zwei Phasen verschoben sind, von den Vorverstärkern 24A und 24B erhalten werden. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß t=P ist.

Bei der dritten Ausführungsform wird die Laserdiode 32, wie sie ist, als Punktlichtquelle verwendet; jedoch muß die Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf eine solche beschränkt sein, und es kann, wie z. B. bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 7, eine sehr kleine plankonvexe Linse 34 mit einem Durchmesser von 500 µm vor dem lichtaussendenden Bereich der Laserdiode 32 verwendet werden, um den Divergenzwinkel zu steuern, so daß der Lichtempfangswirkungsgrad verbessert werden kann.

Ferner kann als Punktlichtquelle eine Hochleistungsleucht­ diode, die zwischen einer Laserdiode und einer Leuchtdiode liegt, verwendet werden.

Eine fünfte Ausführungsform nach der Erfindung wird im folgenden einzeln beschrieben.

Gemäß Fig. 8 wird bei der fünften Ausführungsform als Streulichtquelle eine Linearlichtquelle 40, z. B. eine schlitzförmige Leuchtdiode, verwendet, die in Richtung der Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist. Mit der Ausnahme, daß vier Lichtempfangselemente 22A, 22B, 22C und 22D vorgesehen sind, die um 0°, 180°, 90° und 270° phasenverschoben sind, ist die übrige Ausgestaltung ähnlich der der dritten Ausführungsform, so daß die Beschreibung nicht wiederholt wird.

Wenn eine normale Leuchtdiode als Lichtquelle verwendet wird und der lichtaussendende Bereich lediglich klein gemacht wird, um eine Punktlichtquelle zu erhalten, dann wird die Lichtemission verringert, so daß der Verstärkungsfaktor der Vorverstärker erhöht werden muß, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert wird. Aus diesem Grund wird bei der fünften Ausführungsform eine Leuchtdiode als Linearlichtquelle und nicht als Punktlichtquelle verwendet.

Als Linearlichtquelle 40 kann eine Leuchtdiode mit einem stabförmigen Lichtemissionsbereich 42, wie es in Fig. 9 und 10 gezeigt ist, verwendet werden. Diese Leuchtdiode weist eine solche Ausgestaltung auf, bei der ein stabförmiger Bereich von GaAs vom p-Typ mit einer Weite W von ungefähr 50 µm und einer Länge L von ungefähr 400 µm durch Diffusion auf einem Substrat 44 aus GaAs vom n-Typ gebildet wird und eine Elektrodenschicht 46 auf der Unterseite und eine andere Elektrodenschicht 46 über eine Isolierschicht 48 aufgebracht wird. Mit 50 ist ein Leitungsdraht bezeichnet. Die oben beschriebene Leuchtdiode emittiert Licht in Streifenform, wodurch der Ausgang als Ganzes nicht verringert ist, so daß eine Leuchtdiode dieser Art als Linearlichtquelle äußerst gut geeignet ist.

Die Längsrichtung des streifenförmigen Lichtemissionsbereichs 42 der Leuchtdiode ist in Richtung der Weite des ersten Gitters 16 der Hauptskala 14 ausgerichtet, wie es oben beschrieben wurde, wobei die Leuchtdiode, selbst wenn sie als Linearlichtquelle in Richtung der Gitterweite angeordnet ist, eine Punktlichtquelle in der X-Richtung des Gitters wird, so daß die Leuchtdiode im wesentlichen als Punktlichtquelle wirken kann.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem dritten Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.

Bei der sechsten Ausführungsform nach der Erfindung werden die in den oben angegebenen Formeln (3) und (4) beschrie­ benen Beziehungen verwendet und sie umfaßt gemäß Fig. 11:
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 aus länglichen Teilungsstreifen besteht, und die an einer im Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Position angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Abstand von v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zu­ einander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zur Verstärkung des Ausgangs des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.

Als Laserdiode 32 kann die gleiche wie bei der dritten Ausführungsform verwendet werden.

Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem zweiten Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 können die Beziehungen gemäß den folgenden Formeln erfüllen:

v ≃ u · (n - 0,5) P²/[λu - (n - 0,5)P²)] (15)

q = (u + v) P/(2u) (16)

mit n einer natürlichen Zahl von λu/P²+0,5 oder kleiner.

Als Ergebnis von Untersuchungen wurde festgestellt, daß die in der Formel (15) angegebene Beziehung nicht genau erfüllt werden muß.

Insbesondere kann, wenn u und v auf ungefähr 5 µm und die Gitterteilung P des ersten Gitters auf 8 µm festgelegt werden, die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 auch auf 8 µm auf Grund der Beziehung gemäß Gleichung (16) fest­ gesetzt werden.

Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20, welches durch die Versetzung δ unterteilt ist, um als Phasendifferenz 90° plus oder minus 10° zu erhalten, 2 µm plus oder minus 0,2 µm betragen, da die Gitterteilung q 8 µm ist. Wenn das Moir´-Streifenverfahren angewandt wird, wird δ zu Null gewählt und die Indexskala kann etwas gedreht werden, um die Lichtempfangselemente 22A und 22B in der vertikalen Richtung anzuordnen.

Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände u und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14 hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Weite der Lichtempfangselemente 22A und 22B in der X-Richtung verringert wird. Vorhergehendes ist ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform.

Bei der Anordnung dieser Ausführungsform ändert sich, selbst wenn das erste Gitter 16 der Hauptskala 14 um eine Teilung P in der X-Richtung verschoben wird, das erhaltene Bild mit einem zwei Teilungen vergleichbaren Wert. Infolgedessen können Erfassungssignale mit der Teilung t=P/2 und in zwei Phasen verschoben von den Vorverstärkern 24A und 24B erhalten werden. Mit anderen Worten wird eine optische Teilung in zwei durchgeführt.

Bei der sechsten Ausführungsform wird die Laserdiode wie sie ist als Punktlichtquelle verwendet, jedoch ist die Art der Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf diese beschränkt und als Punktlichtquelle kann eine solche ver­ wendet werden, die dadurch erhalten wird, daß eine sehr kleine plankonvexe Linse 34 vor einem lichtaussendenden Bereich der Laserdiode 32 angeordnet wird, wie es bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform der Fall ist, oder es kann auch eine Hochleistungsleuchtdiode verwendet werden.

Ferner kann wie bei der in den Fig. 8 bis 10 gezeigten fünften Ausführungsform als Streulichtquelle die Linear­ lichtquelle 40 verwendet werden, welche in Richtung der Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem vierten Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.

Bei der siebten Ausführungsform nach der Erfindung werden die in den Formeln (10) und (11) dargestellten Beziehungen verwendet, bei denen die höheren harmonischen Anteile der Ordnung m genutzt werden und diese in Fig. 12 gezeigte Ausführungsform umfaßt:
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 die höheren harmonischen Anteile enthält, und die an einer mit dem Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Po­ sition angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer mit dem Abstand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zueinander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken der Ausgänge des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.

Hier ist die Annahme gemacht worden, daß das erste Gitter 16 höhere harmonische Anteile der Ordnung m aufweist und daß gemäß Fig. 12 das erste Gitter mit einer Gitterteilung Q=P/m dargestellt wird. Als erstes Gitter kann z. B. ein solches verwendet werden, bei dem das Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen Bereich und dem lichtabschirmenden Bereich auf ungefähr 1 : 1 festgelegt ist.

Als Laserdiode 32 kann die gleiche wie bei der dritten Ausführungsform verwendet werden.

Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem zweiten Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 können die in den folgenden Formeln angegebenen Beziehungen erfüllen.

v ≃ nMQ²/λ (17)

q = (u + v) Q/u (18)

mit n einer ganzen Zahl von 1 oder größer.

Insbesondere kann, wenn m = 5, n = 120 und u und v ungefährt 5 mm betragen und die Gitterteilung P des ersten Gitters auf 20 µm (Q=4 µm) festgelegt ist, die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 auf Grund der durch Gleichung (18) angegebenen Beziehung 8 µm betragen. Schließlich sollten die Positionen der Laserdiode 32 und der Indexskala 18 genau eingestellt werden, um zufriedenstellende Signale zu erhalten. Ferner beträgt der zulässige Wert der Änderung des Abstands v ungefähr plus oder minus 0,2 Q²/λ.

Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20, welches durch die Versetzung δ unterteilt ist, um phasenverschobene Signale zu erhalten, 2 plus oder minus 0,2 µm betragen, um 90° plus oder minus 10° als Phasenunterschied zu erhalten, da die Gitterteilung q 8 µm beträgt. Somit ergibt sich, daß bei dem zweiten Gitter 20 die Gitterteilung und die Versetzung einen verglichen mit einer herkömmlichen Erfassungseinrichtung verdoppelten Wert aufweisen, wodurch die Herstellung des zweiten Gitters vereinfacht wird.

Im Falle einer Erfassungseinrichtung vom Nomius-Typ wird hier die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 auf einen Wert von etwa demjenigen, der durch die Gleichung (18) erhalten wird, festgelegt, die Phasenunterteilung der Gitterteilung q ist nicht erforderlich und die Gitterteilung q kann verglichen mit einer herkömmlichen Erfassungseinrichtung einen doppelten Wert aufweisen.

Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände u und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14 hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Weite der Lichtempfangselemente 22A und 22B in der X-Richtung verringert wird. Das Vorstehende ist ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform.

Bei der Anordnung dieser Ausführungsform wird die Hauptskala 14 in der X-Richtung verschoben, so daß Erfassungssignale mit einer Teilung t = 4 µm und mit zwei Phasen verschoben von den Vorverstärkern 24A und 24B erhalten werden können. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß gilt: t = Q. Wenn diese Gitter verwendet werden und u = 5 mm und v≃3 mm sind, wird die Teilung des Erfassungssignals 5 µm durch die Vergrößerung M = 8/5. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß die höheren harmonischen Anteile mit m=4 verwendet werden.

Bei der siebten Ausführungsform wird die Laserdiode 32, wie sie ist, als Lichtquelle verwendet, jedoch ist die Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf diese Art beschränkt; es kann eine solche verwendet werden, die dadurch erhalten wird, daß eine plankonvexe Linse 34 vor einem Lichtemissionsbereich der Laserdiode 32 angeordnet wird, wie es die vierte Ausführungsform gemäß Fig. 7 zeigt.

In diesem Fall wird der Divergenzwinkel des Beleuchtungslichts von der Laserdiode 32 gesteuert, so daß der Lichtempfangswirkungsgrad verbessert werden kann. Jedoch sollte der Wert u in der Gleichung (18) in einen etwas größeren Wert als der tatsächliche Abstand umgewandelt werden.

Ferner kann als Punktlichtquelle eine Hochleistungsleuchtdiode oder ähnliches verwendet werden.

Auch kann, wie es bei der fünften Ausführungsform gemäß den Fig. 8 bis 10 gezeigt ist, als Streulichtquelle die Linearlichtquelle 40 verwendet werden, die in Richtung der Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist.

In diesem Fall kann eine Zylinderlinse zur Steuerung des Divergenzwinkels vor der Linearlichtquelle vorgesehen sein.

Ferner kann als Gitter ein Gitter irgendeiner Form verwendet werden, so lange es nur die höheren harmonischen Anteile aufweist.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem fünften Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.

Die achte Ausführungsform nach der Erfindung verwendet die in den Formeln (8) und (9) angegebenen Beziehungen, bei denen die höheren harmonischen Anteile der Ordnung m verwendet werden und diese Ausführungsform umfaßt, wie es Fig. 13 zeigt:
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung eine Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 die höheren harmonischen Anteile enthält, und die an einer im Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Position angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Ab­ stand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zum fotoelektrischen Umwandeln der Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 16 relativ zueinander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken der Ausgänge des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.

Hier ist die Annahme gemacht worden, daß das erste Gitter 16 höhere harmonische Anteile der Ordnung m in der gleichen Weise wie bei der siebten Ausführungsform aufweist und daß das erste Gitter mit einer Gitterteilung von Q=P/m gemäß Fig. 13 wiedergegeben wird. Als erstes Gitter kann eines verwendet werden, bei dem das Verhältnis zwischen dem lichtdurchlassenden Bereich und dem lichtabschirmenden Bereich z. B. ungefähr 1 : 1 beträgt.

Als Laserdiode 32 kann die gleiche wie bei der dritten Ausführungsform verwendet werden.

Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem zweiten Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 können die in den folgenden Formeln angegebenen Beziehungen erfüllen:

v ≃ (n - 0,5) MQ²/λ (19)

q = (u + v) Q/(2u) (20)

mit n einer ganzen Zahl von 1 oder größer.

Jedoch ist die Bedingung gemäß der Formel (19) nicht so zwingend und als Ergebnis von Untersuchungen hat sich herausgestellt, daß die Beziehung nicht so genau erfüllt werden muß.

Insbesondere kann, wenn m auf 2, u und v auf ungefähr 5 mm und die Gitterteilung P des ersten Gitters auf 16 µm (Q=8 µm) festgelegt sind, die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 auf 8 µm in ähnlicher Weise wie Q auf Grund der Beziehung gemäß Gleichung (20) festgelegt werden.

Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20, welches durch die Versetzung δ unterteilt ist, um eine Phasendifferenz von 90° plus oder minus 10° zu erhalten, 2 plus oder minus 0,2 µm ähnlich wie bei der siebten Ausführungsform betragen, da die Gitterteilung q 8 µm beträgt. Wenn das Nomiusverfahren angewandt wird, sollte die Gitterteilung q des zweiten Gitters auf eine Wert festgelegt werden, der sich von dem Wert der Gleichung (20) unterscheidet und die Lichtempfangselemente 22A und 22B sollten an Positionen angeordnet sein, die um 90° einander gegenüber phasenverschoben sind.

Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände u und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14 hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Weite der Lichtempfangselemente 22A und 22B in der X-Richtung verringert wird. Das Vorstehende ist ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform.

Bei der Anordnung dieser Ausführungsform ändert sich, wenn das erste Gitter 16 der Hauptskala 14 um eine Teilung Q, d. h. um P/m, in der X-Richtung verschoben wird, das erhaltende Bild um einen zwei Teilungen vergleichbaren Wert. Infolgedessen können Erfassungssignale mit einer Teilung von t=Q/2 (in diesem Fall beträgt die Teilung 4 µm) und mit zwei verschobenen Phasen von den Vorverstärkern 24A und 24B erhalten werden. Mit anderen Worten wird eine optische Unterteilung in vier durchgeführt.

Bei der achten Ausführungsform wird eine Laserdiode 32, wie sie ist, als Lichtquelle verwendet. Jedoch ist die Art der Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf diese beschränkt und es kann eine solche verwendet werden, die dadurch erhalten wird, daß eine plankonvexe Linse 34 vor dem lichtaussendenden Bereich der Laserdiode 32 vorgesehen wird, wie es bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 7 der Fall ist. In diesem Fall kann der Divergenzwinkel des Beleuchtungslichts von der Laserdiode 32 gesteuert werden, so daß der Lichtempfangswirkungsgrad verbessert werden kann. Jedoch sollte der Wert u der Gleichung (20) in einen etwas größeren Wert als der tatsächliche Abstand umgewandelt werden.

Ferner kann als Punktlichtquelle eine Hochleistungsleuchtdiode verwendet werden.

Wenn die gleichen Gitter verwendet werden und u auf ungefähr 3 mm und v auf ungefähr 6 mm festgelegt ist, wird die Vergrößerung M des optischen Systems zu 3 und die Teilung des Erfassungssignals wird 8/3 µm.

Ferner kann als Streulichtquelle, wie es bei der fünften Ausführungsform gemäß den Fig. 8 bis 10 gezeigt ist, die Linearlichtquelle 40 verwendet werden, die in Richtung zu der Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist.

In diesem Fall kann bei der obigen Ausführungsform eine Zylinderlinse zur Steuerung des Divergenzwinkels vor der Linearlichtquelle vorgesehen sein.

Ferner kann als erstes Gitter ein Gitter irgendeiner Form verwendet werden, solange es nur die höheren harmonischen Anteile besitzt.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurde die Erfindung bei Verschiebungserfassungseinrichtungen vom Transmissionstyp angewandt, jedoch ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt und die Erfindung kann, wie es die neunte Ausführungsform gemäß Fig. 14 zeigt, ebenso bei einer Verschiebungserfassungseinrichtung vom Reflektionstyp angewendet werden.

Ferner ist bei den obigen Ausführungsformen die Erfindung auf geradlinige Verschiebungserfassungseinrichtungen angewandt worden, bei denen das zweite Gitter in zwei oder mehr unterteilt ist, jedoch ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt und die Erfindung kann auch bei einer Verschiebungserfassungseinrichtung vom Typ mit Moir´-Ringen, die kein unterteiltes zweites Gitter aufweist, und bei Drehbewegungserfassungseinrichtungen (Drehencodern) angewendet werden.

Claims (31)

1. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, mit einer Be­ leuchtungseinrichtung, einer Hauptskala (14), auf der ein erstes optisches Gitter (16) mit einer Gitterteilung (P) ausgebildet ist, und mit einer Indexskala (18), auf der ein zweites optisches Gitter (20) mit einer Gitterteilung q=P/n ausgebildet ist, wobei n eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, und mit einem Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung des durch das erste und das zweite Gitter (16, 20) hindurchgegangenen Beleuchtungslichts, wodurch ein Erfassungssignal mit einer Signalperiode P/n in Übereinstimmung mit einer relativen Ver­ schiebung zwischen der Hauptskala (14) und der Indexskala (18) erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungs­ einrichtung eine kohärente Lichtquelle umfaßt, daß der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter (16, 18) auf ungefähr mq²/λ festgelegt ist, wobei die Wellenlänge λ der Mittelwert des von der Beleuchtungsquelle emittierten Spektrums ist und das Lichtempfangselement ein Empfindlichkeitsmaximum bei λ aufweist, und m eine ganze Zahl von 1 oder größer ist, daß das Tastverhältnis des ersten und zweiten Gitters 1 : 1 gewählt ist (z. B. Verhältnis zwischen einem lichtdurchlässigen und einem reflektierenden Bereich des Gitters).

2. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterteilung q des zweiten Gitters (20) auf P/2 und der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter (16, 20) auf ungefähr 2 q²/λ festgelegt ist.

3. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Laserdiode ist.

4. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch
eine Streulichtquelle (32) zur Beleuchtung einer Hauptskala (14) ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala (14) an einer mit dem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter (16) mit einer Gitterteilung P aus­ gebildet ist,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (16) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/u ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um­ wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen.

5. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle (32) eine Punktlichtquelle ist.

6. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle (32) eine Laser­ diode ist.

7. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle so ausgebildet ist, daß eine Linse (34) zur Steuerung des Divergenzwinkels vor einem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode angeordnet ist.

8. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Divergenz­ winkels eine plankonvexe Linse (33, 34) ist.

9. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear­ lichtquelle (40) ist, die in Richtung der Weite des ersten Gitters (20) ausgerichtet ist.

10. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) festgelegt ist auf v ≅ unP²/(λ · u - nP²),wobei n eine natürliche Zahl λu/P² ist, wobei λ die Wellenlänge des Mittelwertes des von der Streulichtquelle emittierten Spektrums ist.

11. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch
eine Streulichtquelle (32) zur Beleuchtung einer Hauptskala (14) ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala (14) an einer mit einem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter (16) mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist,
eine Indexskala (18), die an einer mit einem Abstand (v) von dem ersten Gitter (14) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/(2u) ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um­ wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund einer Überlagerung des Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen.

12. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle ist.

13. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle eine Laserdiode (32) ist.

14. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle derart aus­ gebildet ist, daß eine Linse zur Steuerung des Divergenzwinkels vor dem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.

15. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Di­ vergenzwinkels eine plankonvexe Linse (34) ist.

16. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear­ lichtquelle (40) ist, die in Richtung zu der Weite des ersten Gitters (16) ausgerichtet ist.

17. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) eingestellt ist auf v ≅ u(n - 0,5)P²/[λu - (n - 0,5)P²]wobei n eine natürliche Zahl der Größe λu/P²+0,5 oder kleiner ist, wobei λ die Wellenlänge des Mittelwerts des von der Streu­ lichtquelle emittierten Spektrums ist.

18. Optisches Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch:
eine Streulichtquelle (32),
eine Hauptskala (14), die an einer im Abstand (u) von der Streulichtquelle beabstandeten Stellung angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter (16) ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Anteile enthält,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (16) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q ≅ (u+v)Q/u ausgebildet ist, wobei Q = P/m ist, wobei m eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zum fotoelektrischen Um­ wandeln einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen, wodurch ein Erfassungssignal mit der Signalperiode P erzeugbar ist.

19. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle ist.

20. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle eine Laserdiode (32) ist.

21. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle derart ausgebildet ist, daß eine Linse (34) zur Steuerung des Diver­ genzwinkels vor dem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode (32) vorgesehen ist.

22. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Diver­ genzwinkels eine plankonvexe Linse (34) ist.

23. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear­ lichtquelle (40) ist, die in Richtung der Weite des ersten Gitters (16) ausgerichtet ist.

24. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) festgelegt ist auf v ≅ nMQ²/λ,wobei n eine ganze Zahl von 1 oder größer ist, wobei λ die Wel­ lenlänge des Mittelwerts des von der Streulichtquelle emittierten Spektrums ist und wobei die Vergrößerung (M) des Systems definiert ist durch M = (u+v)/u.

25. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch:
eine Streulichtquelle (32),
eine Hauptskala (14), die an einer mit dem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter (16) ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Teile enthält,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (14) beanstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung von q - (u+v)Q/(2u) ausgebildet ist, wobei Q = P/m ist, wobei m eine ganze Zahl von 2 oder größer) ist, und
einem Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um­ wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen, wodurch ein Erfassungssignal mit einer Teilung Q/2 erzeugbar ist.

26. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle ist.

27. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle eine Laserdiode (32) ist.

28. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle derart ausgebildet ist, daß eine Linse (34) zur Steuerung des Diver­ genzwinkels vor einem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode (32) vorgesehen ist.

29. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Diver­ genzwinkels eine plankonvexe Linse (34) ist.

30. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear­ lichtquelle (40) ist, die in Richtung der Weite des ersten Gitters (16) ausgerichtet ist.

31. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) festgelegt ist auf v ≅ (n - 1/2) MQ²/λwobei n eine natürliche Zahl von 1 oder größer ist, wobei λ die Wellenlänge des Mittelwerts des von der Streulichtquelle emittierten Spektrums ist, und wobei die Vergrößerung (M) des Systems definiert ist und durch M = (u+v)/u.