DE3736704A1 - Verstellungsmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstellungsmeßvorrichtung für das Erfassen einer Verstellung wie einer Drehung oder Bewegung eines Meßobjektes oder für das Messen des Ausmaßes der Verstellung dieses Objektes.

Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Verstellungsmeßvorrichtung, in der kohärente Lichtstrahlen auf ein Beugungsgitter gerichtet werden, das an einem Meßobjekt angebracht ist, eine gegenseitige Interferenz von Beugungslichtstrahlen aus dem Beugungsgitter herbeigeführt wird, um Interferenzstreifen zu bilden, und irgendwelche Änderungen hinsichtlich der Licht- und Schattenteile der Interferenzstreifen erfaßt werden, um dadurch die Verstellung des Meßobjektes zu ermitteln oder das Ausmaß der Verstellung des Objektes zu messen.

Mit der Erfindung wird eine Verstellungsmeßvorrichtung geschaffen, mit der ein von einer Fotoempfängervorrichtung bei dem Erfassen irgendeiner Änderung hinsichtlich der Licht- und Schattenteile der Interferenzstreifen erzeugtes Signal korrigiert und ein Signal mit im wesentlichen konstanter Amplitude abgegeben wird.

Als Verstellungsmeßvorrichtungen wurden bislang häufig fotoelektrische Drehcodierer bzw. Drehmeßgeber oder lineare Codierer bzw. Wegmeßgeber eingesetzt, um damit das Ausmaß der Bewegung eines bewegten Objektes in einer industriellen Werkzeug­ maschine, die Drehung, Bewegung, Lage und dergleichen von Roboterarmen und das Ausmaß einer Drehung, deren Geschwindigkeit und dergleichen in einem Drehmechanismus zu ermitteln.

Hierzu wurden verschiedenerlei Verstellungsmeßvorrichtungen als Beugungs-Meßvorrichtung vorgeschlagen, bei denen an dem Meßobjekt ein Beugungsgitter angebracht ist und die von dem Beugungsgitter erzeugten Beugungslichtstrahlen dazu herangezogen werden, das Ausmaß einer Verstellung wie einer Bewegung oder Drehung des Meßobjektes zu ermitteln. Da bei diesen Verstellungsmeßvorrichtungen verhältnismäßig leicht eine hohe Genauigkeit erzielbar ist, werden sie häufig insbesondere für Präzisionsmaschinen wie numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen und Halbleiter-Druckvorrichtungen eingesetzt.

Bestimmte Beispiele für diese Beugungs-Verstellungsmeßvorrichtungen sind z. B. in den US-PS 37 26 595, 37 38 758, 37 56 723, 38 91 321, 46 29 886 und 46 76 645 sowie den JP-OS 1 91 906/1983 und 1 91 907/1983 beschrieben.

In den Beugungs-Verstellungsmeßvorrichtungen wird eine gegenseitige Interferenz der von dem Beugungsgitter erzeugten Beugungslichtstrahlen hervorgerufen, um Interferenzstreifen zu bilden, deren Licht- und Schattenteile mittels einer Foto­ empfängervorrichtung gezählt werden, um dadurch ein Interferenz­ signal bezüglich der Verstellung zu erhalten.

Wenn demnach die Ausgangsleistung der Lichtquelle infolge Umgebungsänderungen wie Temperaturänderungen schwankt, die Durchlässigkeit des Beugungsgitters ungleichmäßig ist, im Falle eines Reflexions-Beugungsgitters dessen Reflexionsgrad ungleichmäßig ist oder bei der Verwendung eines Amplituden- Beugungsgitters die Linienbreite der durchlässigen oder reflektierenden Abschnitte nicht gleichförmig ist, hat gemäß Fig. 1A ein die Interferenzstreifen darstellendes Ausgangssignal E des Fotoempfängers ungleichmäßige Kurvenform.

Insbesondere können bei der Herstellung des Beugungsgitters bei dem Ätzen leicht Ungleichmäßigkeiten entstehen, so daß es sehr schwierig ist, die Gleichmäßigkeit der Linienbreite über dem ganzen Meßbereich zu verbessern (im Falle eines Phasen- Beugungsgitters die Form der Höhenstufen oder dergleichen); diese Tendenz tritt merklich in Erscheinung.

Wenn infolge der vorstehend genannten Ursachen der Pegel des Ausgangssignals des Fotoempfängers gemäß der Darstellung in Fig. 1A schwankt und unter den Schnittpegel bzw. Vergleichspegel eines Vergleichers in einer nachgeschalteten Zählerschaltung absinkt, wird es unmöglich, die Ausgangsimpulse genau zu zählen.

Selbst wenn der Ausgangssignalpegel den Schnittpegel übersteigt, ist der mittlere Amplitudenpegel ungleichmäßig, so daß daher gemäß Fig. 1B die Breiten der Ausgangsimpulse des Vergleichers mit den Pegeln "H" und "L" ungleichmäßig werden. Dadurch wird eine Signalverarbeitung wie eine elektrische Teilung in einer nachgeschalteten elektrischen Schaltung schwierig, so daß damit eine Messung der Verstellung mit hoher Genauigkeit und hohem Auflösungsvermögen sehr schwierig wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum Ausschalten der vorstehend genannten, bei dem Stand der Technik auftretenden Probleme eine Verstellungsmeßvorrichtung zu schaffen, die immer eine hochgenaue Messung der Verstellung ermöglicht.

Zur Lösung der Aufgabe hat eine Verstellungsmeßvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Strahlervorrichtung, die Licht auf ein an einem Meßobjekt gebildetes Beugungsgitter richtet, eine optische Vorrichtung, die aus den von dem Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen Interferenzstreifen bildet, eine Wandlervorrichtung, die die Interferenzstreifen fotoelektrisch umsetzt, um ein Interferenzsignal zu erfassen, eine Bezugsmeßvorrichtung die die Intensität der gebeugten Lichtstrahlen erfaßt und ein Bezugssignal erzeugt, und eine Umsetzvorrichtung, die unter Verwendung des Bezugssignals das Interferenzsignal in ein Signal konstanter Amplitude umsetzt, durch das eine Verstellung des Meßobjektes gemessen wird. Somit wird eine Verstellung oder Versetzung des Meßobjektes auf dem Signal konstanter Amplitude beruhend gemessen.

Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung werden die Interferenzstreifen durch das gegenseitige Überlagern von Lichtstrahlen gebildet, die von dem Beugungsgitter in einer bestimmten Ordnung wie beispielsweise der ±1-ten Ordnung gebeugt werden. Diese Überlagerung der gebeugten Lichtstrahlen führt zu vorteilhaften Ergebnissen hinsichtlich der Intensität und des Licht/Schatten-Verhältnisses der Interferenzstreifen.

Das Bezugssignal wird dadurch gebildet, daß zumindest ein gebeugter Lichtstrahl von einem Fotoempfänger in einem derartigen Zustand aufgenommen und fotoelektrisch umgesetzt wird, daß unabhängig von der Verstellung des Meßobjektes nur die Intensität des Beugungslichtes erfaßt werden kann, selbst wenn der Beugungslichtstrahl mit anderen Beugungslichtstrahlen interferiert.

Erfindungsgemäß können dadurch, daß ein Bezugssignal aus einem von dem Beugungsgitter abgegebenen gebeugten Lichtstrahl gebildet wird, nicht nur die Schwankungen der Ausgangsleistung der Lichtquelle selbst, die das Licht liefert, sondern auch die den Eigenschaften des Beugungsgitters zuzuschreibenden Schwankungen der Intensität der Beugungslichtstrahlen auf genaue Weise erfaßt werden. Dadurch kann aus dem Interferenzsignal ein Signal konstanter Amplitude für die zu messende Verstellung bzw. Versetzung des Objektes gebildet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Interferenzsignal und ein hieraus gebildetes binäres Signal.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Wegmeßgebers als ein Ausführungsbeispiel der Verstellungsmeß­ vorrichtung.

Fig. 3 zeigt ein Interferenzsignal, ein Bezugssignal und ein binär digitalisiertes Signal, die mit dem in Fig. 2 gezeigten Wegmeßgeber erzielt werden.

Fig. 4 ist eine Blockdarstellung, die ein Beispiel für eine elektrische Schaltung zum Bilden eines Signals konstanter Amplitude aus dem Interferenzsignal unter Verwendung des Bezugssignals zeigt.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Drehmeßgeber als zweites Ausführungsbeispiel der Verstellungsmeßvorrichtung.

Die Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines optischen Systems, das in einem linearen Codierer bzw. Wegmeßgeber gemäß einem Ausführungsbeispiel der Verstellungsmeßvorrichtung verwendet ist. In der Fig. 2 ist mit 1 eine monochromatische Lichtquelle bezeichnet, die kohärente Lichtstrahlen abgibt, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser; mit 2 ist ein Beugungsgitter bezeichnet, das an einem nicht gezeigten Meßobjekt ausgebildet oder mit diesem verbunden ist, welches sich in der Richtung eines Pfeils 21 bewegt. Das Beugungsgitter 2 wird durch die Bewegung des Meßobjektes bewegt. Mit 31 und 32 sind Würfelecken bzw. Winkelspiegel bezeichnet, mit 41 und 42 sind Viertelwellenlängenplatten bezeichnet, mit 51 und 52 sind nicht polarisierende Strahlenteiler (Halbspiegel) bezeichnet, mit 61 und 62 sind Polarisierplatten bezeichnet und mit 71, 72 und 73 sind Fotoempfänger bezeichnet. Von diesen dient auf besondere Weise der Fotoempfänger 73 zum Überwachen bzw. Erfassen der Intensität des Beugungslichtes.

Die Lichtstrahlen aus der Lichtquelle 1 treffen senkrecht auf das Beugungsgitter 2 und werden durch dieses in verschiedenerlei Richtungen gebeugt. Hierbei werden die in einer bestimmten positiven und negativen Ordnung wie beispielsweise in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen von den Winkelspiegeln 31 bzw. 32 reflektiert, wonach sie durch die Viertelwellen­ längenplatten 41 und 42 hindurch wieder auf das Beugungsgitter 2 treffen. Dadurch werden die erneut positiv und negativ gebeugten Lichtstrahlen einander überlagert und auf den Strahlenteiler 51 gerichtet, an dem sie in reflektierte und durchgelassene Lichtstrahlen geteilt werden. Von diesen werden die durchgelassenen Lichtstrahlen, die aus den nachfolgend erläuterten Gründen keine Interferenz mit den reflektierten Lichtstrahlen zeigen, einfach als "Intensitätssignal" von dem Fotoempfänger 73 aufgenommen, der auf diese Weise ein Bezugssignal abgibt. Andererseits werden die reflektierten Lichtstrahlen erneut durch den Strahlenteiler 52 in reflektierte und durchgelassene Lichtstrahlen aufgeteilt, welche jeweils durch die Polarisierplatten 61 bzw. 62 zu kohärenten Lichtstrahlen werden, die auf die Fotoempfänger 71 bzw. 72 treffen. Hierbei entsprechen die von den Fotoempfängern 71 und 72 aufgenommenen Lichtstrahlen jeweils den Intensitäten der Licht- und Schattenteile der Interferenzstreifen bei der gegenseitigen Interferenz, so daß die Fotoempfänger 71 und 72 Interferenzsignale abgeben.

D. h., wenn das Beugungsgitter 2 eine Teilung P hat und das Licht in positiver und negativer m-ter Ordnung gebeugt wird, gegen die Fotoempfänger 71 und 72 ein Signal mit einer Sinus­ kurvenform für jede Bewegungsstrecke P/4m des Beugungsgitters 2 ab.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch das Einstellen der Kombination des linear polarisierten Lichtes aus der Lichtquelle 1 und der Polarisierzustände der Viertelwellenlängenplatten 41 und 42 sowie der Polarisierplatten 61 und 62 zwischen den Ausgangssignalen der Fotoempfänger 71 und 72 eine Phasendifferenz von 90° hervorgerufen, um dadurch die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 2 zu ermitteln.

D. h., in dem in Fig. 2 gezeigten Wegmeßgeber ist das von der Lichtquelle 1 abgegebene Laserlicht linear polarisiertes Licht, das in einer vorbestimmten Richtung polarisiert ist, wobei auch die das erste Mal durch das Beugungsgitter 2 in vorbestimmten Ordnungen gebeugten mehreren Lichtstrahlen linear polarisiertes Licht sind. Die in dem optischen Weg an der Lichtaustrittseite der Winkelspiegel 31 und 32 angeordneten Viertelwellenlängenplatten 41 und 42 werden derart eingestellt, daß die Richtungen ihrer optischen Achsen in bezug auf die vorbestimmte Polarisationsrichtung einen Winkel von 45° und gegeneinander einen Winkel von 90° bilden. Infolgedessen werden die beiden von den Winkelspiegeln 31 und 32 reflektierten und durch die Viertelwellenlängenplatten 41 und 42 hindurchtretenden gebeugten Lichtstrahlen in zueinander entgegengesetzt zirkular polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt. Falls hierbei die von dem Winkelspiegel 31 reflektierten Beugungslichtstrahlen rechtläufig zirkular polarisierte Lichtstrahlen und die von dem Winkelspiegel 32 reflektierten Beugungslichtstrahlen linksläufig zirkular polarisierte Lichtstrahlen sind, werden diese Beugungslichtstrahlen durch das Beugungsgitter 2 erneut gebeugt, wonach sie unter gegenseitiger Überlappung in der gleichen Richtung austreten, wodurch die auf diese Weise überlagerten Lichtstrahlen zu linear polarisiertem Licht werden.

Dieses linear polarisierte Licht hat eine feste Polarisations­ richtung, wenn das Beugungsgitter 2 nicht versetzt wird, jedoch ändert sich die Polarisationsrichtung, wenn das Beugungsgitter 2 in der Richtung des Pfeiles 21 versetzt wird. Die Intensität des linear polarisierten Lichtes bleibt bei einer Versetzung des Beugungsgitters 2 unverändert. Infolgedessen nimmt der Fotoempfänger 73 einen Teil des Beugungslichtes auf, das durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler zu linear polarisiertem Licht umgesetzt wurde, wobei aber die Intensität des Beugungslichtes auf gleichmäßige Weise unabhängig von einer Versetzung des Beugungsgitters 2 überwacht bzw. erfaßt werden kann.

Andererseits werden die Lichtstrahlen, die aus den beiden einander überlappenden Beugungslichtstrahlen bestehen und die linear polarisierten Lichtstrahlen enthalten, die von dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 51 reflektiert worden sind, durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler 52 in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt. Die von dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 52 reflektierten Lichtstrahlen werden über die Polarisierplatte 61 von dem Fotoempfänger 71 aufgenommen, während die von dem nicht polarisierenden Strahlenteiler 52 durchgelassenen Lichtstrahlen über die Polarisierplatte 62 von dem Fotoempfänger 72 aufgenommen werden.

Die Polarisierplatten 61 und 62 sind dabei derart angeordnet, daß ihre Polarisationsachsen festgelegt sind und in bezug zueinander einen Winkel von 45° bilden. Infolgedessen werden gemäß der vorstehenden Beschreibung durch die Versetzung des Beugungsgitters 2 die Richtungen der linearen Polarisation der auf die Polarisierplatten 61 und 62 treffenden Lichtstrahlen verdreht, wodurch sich die Intensitäten der die Fotoempfänger 71 und 72 erreichenden Lichtstrahlen ändern. D. h., an den Lichtempfangsflächen der Fotoempfänger 71 und 72 tritt eine Veränderung in Licht und Schatten auf. Die Fotoempfänger 71 und 72 geben diesem Wechsel von Licht und Schatten entsprechende Interferenzsignale ab, jedoch entsteht zwischen den Interferenzsignalen aus den jeweiligen Foto­ empfängern 71 und 72 eine Phasendifferenz von 90°, da die Polarisationsachsen der Polarisierplatten 61 und 62 gegeneinander einen Winkel von 45° bilden.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel können der Fotoempfänger 73 und die Fotoempfänger 71 und 72 hinsichtlich ihrer Anordnung vertauscht werden.

Es wird nun ein Verfahren zum Verarbeiten der Ausgangssignale der Fotoempfänger 71, 72 und 73 bei diesem Ausführungsbeispiel beschrieben.

Wenn man die lineare Polarisierung der Lichtquelle 1 als "a sin wt, 0" ausdrückt, wobei a die Amplitude und w die Frequenz ist, können positiv und negativ gebeugte Lichtstrahlen m ⊕ und m ⊖, die von dem Beugungsgitter 2 gebeugt sind, durch die Viertelwellenlängenplatten 41 und 42 hindurch gelangt sind und wieder von dem Beugungsgitter 2 gebeugt sind, durch folgende Ausdrücke dargestellt werden:

m ⊕ ag/√(sin(wt + 45°), cos(wt + 45°))
m ⊖ = ag/√(sin(wt + 45° + w), cos(wt + 45° + δ))

dabei ist δ die durch die Bewegung des Beugungsgitters 2 hervorgerufene Phasendifferenz zwischen den positiv und negativ gebeugten Lichtstrahlen, während g der Beugungswirkungsgrad für das von dem Beugungsgitter 2 in der ±m-ten Ordnung gebeugte Licht ist. Infolgedessen ergibt sich für die Lichtstrahlen aus den einander überlagerten positiv und negativ gebeugten Lichtstrahlen der folgende Ausdruck:

m ⊕ + m ⊖ = √ag sin (wt + 45° + δ/2) × (cos δ/2, sin δ/2)

Die Intensität I 3 der durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler 51 hindurchtretenden und auf den Fotoempfänger 73 treffenden Lichtstrahlen ist:

I 3 = | m ⊕ + m ⊖ |² = 2a²g²sin²(wt + 45° + δ/2) × (cos²δ/2 + sin²δ/2) = 2a²g²sin²(wt + 45° + δ/2)

Das Ausgangssignal E 3, nämlich das Bezugssignal aus dem Foto­ empfänger 73 ist damit gegeben durch:

E 3 = 2a²g² (1)

Falls der Polarisations-Azimuthwinkel der Polarisierplatte 61 Φ₁ ist, gilt für die auf den Fotoempfänger 71 fallenden Lichtstrahlen:

√ag sin (wt + 45° + δ/2) (cos Φ₁ - δ/2) × (cos Φ₁, sin Φ₁)

Die Intensität I 1 dieser Lichtstrahlen ist:

I 1 = 2a²g² cos² (Φ₁ - δ/2) sin² (wt + 45° + δ/2)

Damit erhält man als Interferenzsignal ein Ausgangssignal E 1 aus dem Fotoempfänger 71 auf folgende Weise:

E 1 = 2a²g² cos² (Φ₁ - w/2) = a²g²{1 + cos(2Φ₁ - δ))}. (2)

Gleichermaßen ergibt sich als Interferenzsignal aus dem Foto­ empfänger 72 folgendes Ausgangssignal E 2:

E 2 = a²g²{1 + cos(2Φ₂ -δ)}. (3)

Falls die Azimuthwinkel der Polarisierplatten 61 und 62 derart gewählt werden, daß sie gegeneinander einen Winkel von 45° bilden, folgt aus den Gleichungen (2) und (3), daß zwischen den Ausgangssignalen der Fotoempfänger 71 und 72 eine Phasendifferenz von 90° entsteht, da Φ₁ - Φ₂ = 45° gilt.

Ferner ist gemäß der Gleichung (1) das Ausgangssignal E 3 des Fotoempfängers 73 eine in den Gleichungen (2) und (3) auftretende Signalkomponente der Ausgangssignale E 1 und E 2, die gleich dem Term für die Amplitude ist und die sich auch bei einer Versetzung des Beugungsgitters 2 nicht ändert, wobei sie einen Wert hat, der von Änderungen der Ausgangsleistung a² der Lichtquelle 1, Schwankungen des Beugungswirkungsgrades g² des Beugungsgitters 2 und dergleichen abhängig ist.

Es sei angenommen, daß die Ausgangsleistung der Lichtquelle 1 Schwankungen zeigt oder der Beugungswirkungsgrad des Beugungs­ gitters 2 durch Fehler oder dergleichen bei der Herstellung des Beugungsgitters 2 geändert ist, so daß infolge dieser Faktoren die Amplitude des Ausgangssignals E 1 des Fotoempfängers 71 Schwankungen gemäß der Darstellung in Fig. 3A zeigt. Dabei wird das Ausgangssignal des Fotoempfängers 73 zu dem in Fig. 3B gezeigten. Bei dem Ausführungsbeispiel wird das Ausgangssignal E 1 dadurch korrigiert, daß es unter Anwendung eines Operators durch das dann erzielte Ausgangssignal E 3 dividiert wird, wonach dieser Wert = E 1/E 3 als Ausgangssignal des Fotoempfängers 71 erfaßt wird. Dadurch wird gemäß Fig. 3C ein Ausgangssignal mit konstanter Amplitude erzielt. Das Ausgangssignal wird mit einem vorbestimmten Schnittpegel verarbeitet, wodurch gemäß Fig. 3D ein binär digitalisiertes Signal in Form eines Rechteckwellensignals erhalten wird, das hinsichtlich der Pegel "H" und "L" gleichmäßig ist.

Auf diese Weise wird bei dem Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal E 3 des Fotoempfängers 73 derart eingesetzt, daß dadurch immer stabile Ausgangssignale konstanter Amplitude gemäß der Darstellung in Fig. 3C und 3D selbst dann erreicht werden, wenn das Ausgangssignal E 1 des Fotoempfängers 71 infolge von Schwankungen der Ausgangsleistung der Lichtquelle 1 und Fehlern oder dergleichen bei der Herstellung des Beugungsgitters 2 usw. Schwankungen zeigt und ein fehlerbehaftetes Signal erzeugt wird.

Durch das Erzielen solcher stabiler Signale ist die Signal­ verarbeitung wie eine elektrische Teilung in einer nachgeschalteten Verarbeitungsschaltung leicht zu bewerkstelligen, was eine Messung mit hoher Genauigkeit und hohem Auflösungs­ vermögen ermöglicht.

Aus dem Ausgangssignal E 2 des Fotoempfängers 72 wird auf völlig gleiche Weise wie aus dem Ausgangssignal E 1 ein stabiles Ausgangssignal erzielt.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung für das Bilden der in den Fig. 3C und 3D gezeigten Ausgangssignale. Nach Fig. 4 werden die Ausgangssignale E 1 und E 2 der Fotoempfänger 71 und 72 in jeweiligen Dividierschaltungen 74 bzw. 75 durch das Ausgangssignal E 3 des Fotoempfängers 73 dividiert, wodurch die Ausgangssignale = E 1/E 3 und = E 2/E 3 erhalten werden. Diese Ausgangssignale und werden in eine nachgeschaltete Zählerschaltung 76 eingegeben, wodurch das in Fig. 3D gezeigte Signal erzielt wird.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Wegmeßgeber werden die von dem Beugungsgitter gebildeten zwei Beugungslichtstrahlen wieder auf das Beugungsgitter gerichtet, wonach die dort erzeugten erneut gebeugten Lichtstrahlen einander überlagert werden.

In der Verstellungsmeßvorrichtung kann jedoch als Beugungslicht für das Bilden der Interferenzstreifen auf der Lichtempfangsfläche auf zufriedenstellende Weise auch das durch das Beugungsgitter nur einmalig gebeugte Licht herangezogen werden. Falls ferner die Beugungslichtstrahlen nicht ständig einander überlagert werden, können die Interferenzstreifen dadurch gebildet werden, daß ein vorbestimmter Beugungs­ lichtstrahl und ein Bezugslichtstrahl einander überlagert werden, wie es auch in der US-Patentanmeldung Seriennr. 8 80 207 dargestellt ist.

Weiterhin müssen die zum Bilden des Bezugssignals benutzten Beugungslichtstrahlen mindestens einer der von dem Beugungsgitter erzeugten Beugungslichtstrahlen sein. Infolgedessen müssen dann, wenn gemäß der US-Patentanmeldung Seriennr. 8 80 207 die Interferenzstreifen durch einen Beugungslichtstrahl und einen Bezugslichtstrahl gebildet werden, die Intensitäten der restlichen Beugungslichtstrahlen und des Bezugslichtstrahles derart eingestellt werden, daß sie letztlich einander gleich sind, selbst wenn für das Bilden des Bezugslichtstrahles ein Teil des Beugungslichtstrahles abgezweigt wird. Wenn ferner mehrere Beugungslichtstrahlen einander überlagert werden, muß eine der vorstehend beschriebenen Einstellung gleichartige Einstellung vorgenommen werden, falls ein Teil eines Beugungslichtstrahles für das Erzeugen des Bezugssignals bzw. Bezugslichtstrahles benutzt wird.

Falls gemäß Fig. 2 die beiden von dem Beugungsgitter 2 erzeugten Beugungslichtstrahlen sich hinsichtlich ihrer Polarisations­ richtung voneinander unterscheiden und sich die Intensität der einander überlagerten Lichtstrahlen auch dann nicht ändert, wenn das Beugungsgitter 2 versetzt wird, kann ein Teil der jeweiligen Beugungslichtstrahlen in diesem Zustand aufgenommen werden und dadurch die Intensität der Beugungslichtstrahlen erfaßt werden. Infolgedessen wird dann, wenn ein Teil der mehreren Beugungslichtstrahlen aus dem Beugungsgitter, die zu dem Bilden der Interferenzstreifen aufgenommen werden, um dadurch ein Bezugssignal zu bilden, eine Maßnahme für das Ändern der Polarisationsrichtung in der Weise getroffen, daß sich die Intensität der Lichtstrahlen auch dann nicht verändert, wenn diese Teil-Beugungslichtstrahlen miteinander interferieren und eine Phasenänderung auftritt. Beispielsweise werden die jeweiligen Beugungslichtstrahlen in vorbestimmte linear polarisierte Lichtstrahlen in der Weise umgeformt, daß die Polarisationsrichtungen der beiden Beugungslichtstrahlen zueinander senkrecht stehen, oder es werden wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die beiden Beugungslichtstrahlen in einander entgegengesetzt zirkular polarisiertes Licht umgesetzt, wonach dann die Lichtstrahlen mit dem bestimmten Fotoempfänger aufgenommen werden.

Selbstverständlich ist es bei dem Erfassen eines Interferenz­ signals erforderlich, daß diese überlagerten Beugungslichtstrahlen in eine bestimmte Polarisierplatte eintreten, wobei gemäß der Darstellung in Fig. 2 die Drehung der Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtes aus den überlagerten Beugungslichtstrahlen zu einer Änderung in Licht- und Schattenteile an der Lichtempfangsfläche des Fotoempfängers umgesetzt wird oder gleich polarisierte Komponenten der beiden Strahlen herausgegriffen werden, deren Polarisationsrichtungen zueinander senkrecht stehen, und eine Änderung der Phasen der jeweiligen Beugungslichtstrahlen in eine Änderung zu einem Licht- und Schattenteil an der Lichtempfangsfläche des Fotoempfängers umgesetzt wird.

Die Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines optischen Systems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Verstellungs­ meßvorrichtung in der Anwendung als Drehcodierer bzw. Drehmeßgeber. Die in Fig. 5 dargestellten Teile, die die gleiche Funktion wie die in Fig. 2 gezeigten Teile haben, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Fig. 5 ist mit 10 eine Kollimatorlinse bezeichnet, während mit 11 eine in bezug auf die optische Achse um 45° geneigte Parallelglasplatte bezeichnet ist. Mit 12 ist ein Polarisierprisma bezeichnet, mit 13 ist ein Strahlungs- bzw. Beugungsgitter bezeichnet, das an dem Umfangsteil einer Drehskala entlang der Drehrichtung derselben ausgebildet ist, mit 14 ist ein Fotoempfänger bezeichnet, mit 15 ist eine mit einem zu überprüfenden Drehobjekt verbundene Drehachse bezeichnet, mit 16 ist ein nicht polarisierendes Prisma bezeichnet, mit 17 ist ein Zylinderlinse bezeichnet, mit 81 und 82 sind Spiegelvor­ richtungen bezeichnet, mit 91 und 92 sind Reflexionsprismen bezeichnet und mit 41, 42 und 43 sind Viertelwellenlängenplatten bezeichnet. Nach Fig. 5 werden aus der Lichtquelle 1 wie einem Laser abgegebene Lichtstrahlen durch die Kollimatorlinse 10 in im wesentlichen parallele Lichtstrahlen umgewandelt. Diese Lichtstrahlen treffen durch die Parallelglasplatte 11 hindurch auf das Polarisierprisma 12. Die in das Polarisierprisma 12 eintretenden Lichtstrahlen werden in diesem reflektiert, auf einen an der Verkittungsfläche des Polarisier­ prismas 12 ausgebildeten Polarisier-Strahlenteiler gerichtet und dadurch in reflektierte Lichtstrahlen und durchgelassene Lichtstrahlen aufgeteilt.

Von den beiden durch den Polarisier-Strahlenteiler aufgeteilten Lichtstrahlen werden die reflektierten Lichtstrahlen (als S-polarisiertes Licht) wiederholt an den Innenflächen des Polarisierprismas 12 reflektiert, wonach sie aus dem Polarisierprisma 12 in einer zur Einfallrichtung parallelen Richtung austreten. Diese reflektierten Lichtstrahlen werden dann von dem Reflexionsprisma 92 reflektiert und treffen unter einem vorbestimmten Winkel an einer Stelle M 1 auf das radiale Beugungsgitter 13 auf. Von den durchgelassenen Beugungslichtstrahlen die das Beugungsgitter 13 durchlaufen haben und von diesem gebeugt wurden, wird ein in einer bestimmten Ordnung gebeugter Lichtstrahl durch die Viertelwellenlängenplatte 42 durchgelassen und von der Spiegelvorrichtung 82 reflektiert, so daß er auf dem gleichen optischen Weg zurück gelangt und durch die Viertelwellenlängenplatte 42 wieder auf die gleiche Stelle M 1 an dem Beugungsgitter 13 auftrifft. Infolgedessen wird das durch das Beugungsgitter 13 erneut in der bestimmten Ordnung gebeugte Licht über die Viertelwellenlängenplatte 42 hin- und hergeleitet, wodurch es zu gegenüber der Polarisations­ richtung des einfallenden Lichtes um 90° versetzt linear polarisiertem Licht (P-polarisiertem Licht) umgesetzt wird, das dann auf das Reflexionsprisma 92 gerichtet wird. Das von dem Reflexionsprisma 92 reflektierte Beugungslicht wird dann wieder in Gegenrichtung entlang dem ursprünglichen optischen Weg zurückgeführt, so daß es auf das Polarisierprisma 12 trifft und zu dem polarisierenden Strahlenteiler gelangt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die optischen Wege, entlang denen das in der bestimmten Ordnung gebeugte Licht hin- und herverläuft, von dem polarisierenden Strahlenteiler des Polarisierprismas 12 bis zu der Spiegelvorrichtung 82 identisch.

Die Spiegelvorrichtungen 82 und 81 können gewöhnliche Planspiegel oder optische Präzisioinselemente wie Winkelspiegel sein. Alternativ kann im wesentlichen in der Brennebene einer Kondensorlinse ein reflektierender Spiegel derart angeordnet werden, daß nur in einer bestimmten Ordnung gebeugte Lichtstrahlen die parallel auf die Kondensorlinse eingefallen sind, durch eine Öffnung in einer Maske durchgelassen werden und von dem Spiegel reflektiert werden, wonach sie in Gegenrichtung längs des ursprünglichen optischen Weges zurückgeleitet werden, während in anderen Ordnungen gebeugte Lichtstrahlen von der Maske abgefangen werden. Außerdem kann die Spiegelvorrichtung irgendeine andere Gestaltung haben, wie beispielsweise als optisches Katzenaugensystem. Falls ein optisches System verwendet wird, können die Beugungslichtstrahlen auf im wesentlichen dem gleichen optischen Weg selbst dann zu dem Beugungsgitter zurückgeführt werden, wenn sich beispielsweise die Schwingungswellenlänge des Lasers ändert und sich die Beugungswinkel der Beugungslichtstrahlen mehr oder weniger verändern.

Nach Fig. 5 werden von den beiden durch den Polarisier- Strahlenteiler aufgeteilten Lichtstrahlen die durchgelassenen Lichtstrahlen (als P-polarisiertes Licht) wiederholt an den Innenflächen des Polarisierprismas 12 reflektiert, wonach sie aus dem Polarisierprisma 12 austreten und über das Reflexionsprisma 91 auf einer Stelle M 2 auftreffen, die im wesentlichen punkt-symmetrisch zu der Stelle M 1 des Beugungsgitters 13 in bezug auf die Drehachse 15 ist. Von den durchgelassenen Beugungslichtstrahlen, die auf das radiale Beugungsgitter 13 gefallen sind und von diesem gebeugt wurden, wird ein in der bestimmten Ordnung gebeugter Lichtstrahl durch die Spiegel­ vorrichtung 81 auf dem gleichen optischen Weg wieder zurückgeleitet, wie es gleichermaßen an der vorangehend genannten Spiegelvorrichtung 82 geschieht; dann wird der Lichtstrahl wieder an der gleichen Stelle M 2 des Beugungsgitters 13 durch die Viertelwellenlängenplatte 41 hindurch gebeugt. Infolgedessen wird das erneut in dem radialen Beugungsgitter 13 in der bestimmten Ordnung gebeugte Licht wieder in das Reflexionsprisma 91 geleitet, wodurch es zu einem linear polarisierten Licht (S-polarisiertem Licht) wird, das sich hinsichtlich der Polarisationsrichtung von dem einfallenden Licht um 90° unterscheidet.

Das von dem Reflexionsprisma 91 reflektierte Beugungslicht kehrt wieder entlang dem ursprünglichen optischen Weg zu dem Polarisierprisma 12 zurück, in dem es dann an dem polarisierenden Strahlenteiler ankommt.

Hierbei sind die optischen Wege von dem polarisierenden Strahlenteiler bis zu der Spiegelvorrichtung 81, entlang denen das in der bestimmten Ordnung gebeugte Licht hin- und herverläuft, für den durchgelassenen Lichtstrahl wie für den vorstehend beschriebenen reflektierten Lichtstrahl identisch. Dieses Beugungslicht wird mit dem über die Spiegelvorrichtung 82 eintretende Beugungslicht überlagert, wonach es aus dem Polarisierprisma 12 austritt; durch die Viertelwellenlängen­ platte 43 werden die P-polarisierten Lichtstrahlen und die S- polarisierten Lichtstrahlen in zueinander entgegengesetzt zirkular polarisierte Lichtstrahlen umgesetzt, die dann in das nicht polarisierende Prisma 16 geleitet werden.

Ein Teil der in das nicht polarisierende Prisma 16 eindringenden Lichtstrahlen wird durch die noch zu beschreibenden nicht polarisierenden Strahlenteiler durchgelassen und gelangt zu dem Fotoempfänger 73, in dem er in einem Zustand, bei dem die beiden Beugungslichtstrahlen nicht miteinander interferieren, auf fotoelektrische Weise umgesetzt wird, wodurch das Bezugssignal erzielt wird. An dem nicht polarisierenden Prisma 16 sind in einem vorbestimmten Abstand in dem optischen Weg der beiden überlagerten Beugungslichtstrahlen nicht polarisierende Strahlenteiler 16 a und 16 b angebracht, wodurch die an diesen aufeinanderfolgend reflektierten Lichtstrahlen über die Polarisierplatten 61 und 62, deren Polarisationsrichtungen voneinander um 45° verschieden sind, auf die Fotoempfänger 71 und 72 treffen, in denen sie fotoelektrisch umgesetzt werden, wodurch ein Interferenzsignal gebildet wird. Wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist als den Fotoempfängern 71, 72 und 73 nachgeschaltete Stufe eine elektrische Schaltung gemäß Fig. 4 vorgesehen, wodurch ein stabiles Signal mit im wesentlichen konstanter Amplitude erzielt wird.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Drehmeßgeber wird mit einigen der von der planparallelen Glasplatte 11 reflektierten Lichtstrahlen eine Nullpunktmarke bestrahlt, die an einer vorbestimmten Stelle der Drehskala ausgebildet ist. Das Licht von dieser Marke wird durch die planparallele Glasplatte 11 durchgelassen und von dem Fotoempfänger 14 aufgenommen, wodurch die an der vorbestimmten Stelle ausgebildete Marke erfaßt wird. Diese Marke wird jedesmal dann erfaßt, wenn die Drehskala eine volle Umdrehung ausführt, während das Bezugssignal erzeugt wird, wenn der Drehzustand der Drehskala gemessen wird.

Falls der Meßgeber gemäß den in den Fig. 2 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen eingesetzt wird, kann natürlich das Ausmaß einer Verstellung bzw. Versetzung des Meßobjektes auf genaue Weise erfaßt werden. Die Verstellungsmeßvorrichtung kann jedoch nicht nur als Meßgeber, sondern auch als Geschwindigkeitsmeßvorrichtung eingesetzt werden.

Ferner kann in dem Meßgeber gemäß dem in Fig. 2 oder 5 gezeigten Ausführungsbeispiel die lineare Skala bzw. Drehskala, auf der das Beugungsgitter ausgebildet ist, verschiedenerlei Formen annehmen. Beispielsweise können an diesen Skalen die Beugungsgitter als Amplituden- oder Phasen-Beugungsgitter ausgebildet werden, wobei ferner diese zweierlei Arten von Beugungsgittern als Durchlaß- oder Reflexions-Beugungsgitter gestaltet werden können.

In der beschriebenen Verstellungsmeßvorrichtung wird die Intensität des von dem Beugungsgitter gebeugten Lichts erfaßt, um ein Bezugssignal zu erzeugen, wodurch selbst dann, wenn Schwankungen hinsichtlich der Ausgangsleistung der Lichtquelle oder des Beugungswirkungsgrades des Beugungsgitters auftreten, das Signal, an dem die Licht- und Schattenteile der Interferenzstreifen gezählt werden, nicht ungleichmäßig wird, sondern konstant gehalten wird, so daß auf diese Weise eine Verstellungsmeßvorrichtung geschaffen wird, bei der das Erzielen einer hochgenauen Messung gewährleistet ist.

Die Verstellungsmeßvorrichtung hat durch eine Strahlervorrichtung die Licht auf ein an einem Meßobjekt gebildetes Beugungsgitter richtet, eine optische Vorrichtung, die aus den von dem Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen Interferenz­ streifen bildet, eine Wandlervorrichtung, die die Interferenz­ streifen fotoelektrisch umsetzt, um ein Interferenzsignal zu erfassen, eine Bezugsmeßvorrichtung, die die Intensität der gebeugten Lichtstrahlen erfaßt und ein Bezugssignal erzeugt, und eine Umsetzvorrichtung, die unter Verwendung des Bezugssignals das Interferenzsignal in ein Signal konstanter Amplitude umsetzt, durch das eine Verstellung des Meßobjektes gemessen wird.

Claims (18)

1. Verstellungsmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Strahlervorrichtung (1), die Licht auf ein an einem Meßobjekt gebildetes Beugungsgitter (2) richtet, eine optische Vorrichtung (31, 32, 41, 42), die aus den von dem Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen Interferenzstreifen bildet, eine Wandlervorrichtung (71, 72), die die Interferenzstreifen fotoelektrisch umsetzt, um ein Interferenzsignal (E 1), E 2) zu erfassen, eine Bezugsmeßvorrichtung, (51, 73) die die Intensität der gebeugten Lichtstrahlen erfaßt und ein Bezugssignal (E 3) erzeugt, und eine Umsetzvorrichtung (74 bis 76), die unter Verwendung des Bezugssignals das Interferenzsignal in ein Signal konstanter Amplitude umsetzt, durch das eine Verstellung des Meßobjektes gemessen wird.

2. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlervorrichtung (1) einen Halbleiterlaser aufweist, aus dem kohärente Lichtstrahlen auf das Beugungsgitter (2) gerichtet werden.

3. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung (31, 32, 41, 42) für das Bilden der Interferenzstreifen zwei von dem Beugungs­ gitter (2) in bestimmten Ordnungen gebeugte Lichtstrahlen einander überlagert.

4. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gebeugten Lichtstrahlen in entgegengesetzten Richtungen zirkular polarisierte Lichtstrahlen sind und daß die optische Vorrichtung (31, 32, 41, 42) die beiden gebeugten Lichtstrahlen unter gegenseitiger Überlagerung über eine Polarisierplatte auf die Wandlervorrichtung (71, 72) richtet.

5. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmeßvorrichtung (51, 73) die beiden gebeugten Lichtstrahlen direkt aufnimmt und fotoelektrisch umsetzt, um dadurch die Intensitäten der Lichtstrahlen zu erfassen.

6. Verstellungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzvorrichtung (74 bis 76) für das Bilden des Signals konstanter Amplitude das Interferenzsignal (E 1, E 2) durch das Bezugssignal (E 3) dividiert.

7. Verstellungsmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Strahlervorrichtung (1, 2), die kohärente Lichtstrahlen auf ein bewegbares Beugungsgitter (2) richtet, um eine Vielzahl von durch das Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen zu erzeugen, eine Ausgabevorrichtung (52, 61, 62, 71, 72), die zum Bilden von Interferenzstreifen mehrere gebeugte Lichtstrahlen einander überlagert und ein dem Licht und Schatten der Interferenz­ streifen entsprechendes Interferenzsignal (E 1, E 2) abgibt, eine Bezugsmeßvorrichtung (51, 73) die einen Teil der mehreren gebeugten Lichtstrahlen aufnimmt und ein der Intensität derselben entsprechendes Bezugssignal (E 3) erzeugt, und eine Umsetzvorrichtung (74, 75), die mit dem Bezugssignal das Interferenzsignal in ein Signal konstanter Amplitude umsetzt, durch das eine Versetzungs des Beugungsgitters meßbar ist.

8. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Digitalisierungseinrichtung für das binäre Digitalisieren des Signals konstanter Amplitude und eine Zähleinrichtung (76), die das von der Digitalisierungseinrichtung abgegebene binäre Signal zählt und damit das Ausmaß der Versetzung des Beugungsgitters (2) mißt.

9. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlervorrichtung (1, 2) einen Halbleiterlaser (1) aufweist.

10. Verstellungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlervorrichtung (1, 2) in ±m-ter Ordnung gebeugte Lichtstrahlen erzeugt, die hinsichtlich ihrer Polarisationsrichtung voneinander verschieden sind.

11. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in ±m-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen einander entgegengesetzt zirkular polarisierte Lichtstrahlen sind.

12. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in ±m-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen linear polarisierte Lichtstrahlen sind, die hinsichtlich der Polarisationsrichtung voneinander verschieden sind.

13. Verstellungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsmeßvorrichtung (51, 73) einen Fotoempfänger (73) aufweist und einen Teil der in ±m-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen aufnimmt und fotoelektrisch umsetzt, um dadurch das Bezugssignal (E 3) zu bilden.

14. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabevorrichtung (52, 61, 62, 71, 72) die restlichen in ±m-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen über eine Polarisierplatte (61, 62) aufnimmt, auf einer Lichtempfangsfläche Interferenzstreifen bildet und die Interferenzstreifen fotoelektrisch umsetzt, um dadurch das Interferenzsignal (E 1, E 2) zu erzeugen.

15. Verstellungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzvorrichtung eine Dividierschaltung (74, 75) für das Dividieren des Interferenz­ signals (E 1, E 2) durch das Bezugssignal (E 3) aufweist.

16. Verstellungsmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Strahlervorrichtung (1, 2), die kohärente Lichtstrahlen auf ein bewegbares Beugungsgitter (2) richtet, um von dem Beugungsgitter gebeugte Lichtstrahlen zu erhalten, eine Wandlervorrichtung (52, 61, 62, 71, 72), die mit den gebeugten Lichtstrahlen Interferenzstreifen bildet und die Interferenzstreifen fotoelektrisch umsetzt, um dadurch ein Interferenzsignal (E 1, E 2) zu erhalten, und eine Überwachungsvorrichtung (51, 73), die einen Teil der gebeugten Lichtstrahlen aufnimmt und die Intensität der gebeugten Lichtstrahlen überwacht, wobei eine zu messende Versetzung des Beugungsgitters durch Benutzung des Interferenzsignals und des Ausgangssignals (E 3) der Überwachungsvorrichtung meßbar ist.

17. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsvorrichtung (51, 73) einen Teil der die Interferenzstreifen bildenden gebeugten Lichtstrahlen aufnimmt.

18. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzstreifen durch Interferenz zweier von dem Beugungsgitter (2) abgegebener gebeugter Lichtstrahlen gebildet werden und daß die Überwachungsvorrichtung (51, 73) einen Teil eines jeden der beiden gebeugten Lichtstrahlen aufnimmt.