DE3736704C2 - Verstellungsmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstellungsmeßvorrich­ tung 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 Verstellungsmeßvor­ richtung, in der kohärente Lichtstrahlen auf ein Beugungsgit­ ter 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 wer­ den, um dadurch die Verstellung des Meßobjektes zu ermitteln oder das Ausmaß der Verstellung des Objektes zu messen.

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

Als Verstellungsmeßvorrichtungen wurden bislang häufig foto­ elektrische Drehcodierer bzw. Drehmeßgeber oder lineare Co­ dierer bzw. Wegmeßgeber eingesetzt, um damit das Ausmaß der Bewegung eines bewegtes Objektes in einer industriellen Werk­ zeugmaschine, die Drehung, Bewegung, Lage und dergleichen von Roboterarmen und das Ausmaß einer Drehung, deren Geschwindig­ keit und dergleichen in einem Drehmechanismus zu ermitteln.

Hierzu wurden verschiedenerlei Verstellungsmeßvorrichtungen als Beugungs-Meßvorrichtungen vorgeschlagen, bei denen an dem Meßobjekt ein Beugungsgitter angebracht ist und die von dem Beugungsgitter erzeugten Beugungslichtstrahlen dazu herange­ zogen 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 Werkzeugmaschi­ nen und Halbleiter-Druckvorrichtungen eingesetzt.

Bestimmte Beispiele für diese Beugungs-Verstellungsmeßvor­ richtungen sind z. B. in den US-PS 3 726 595, 3 738 758, 3 756 723, 3 891 321 , 4 629 886 und 4 676 645 sowie den JP-OS 191906/1983 und 191907/1983 beschrieben.

In den Beugungs-Verstellungsmeßvorrichtungen wird eine gegen­ seitige 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-Interfe­ renzsignal 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 ref­ lektierenden Abschnitte nicht gleichförmig ist, hat gemäß Fig. 1A ein die Interferenzstreifen darstellendes Ausgangs­ signal 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. Vergleichs­ pegel eines Vergleichers in einer nachgeschalteten Zähler­ schaltung absinkt, wird es unmöglich, die Ausgangsimpulse genau zu zählen.

Selbst wenn der Ausgangssignalpegel den Schnittpegel über­ steigt, 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.

Die DE 31 51 800 A1 beschreibt eine Anordnung zum Ermitteln der Lage eines Werkstückes bzw. zur Regelung der Lage einer Fläche eines Werkstückes, die zu einer mit einem Elektronenstrahl arbeitenden Einrichtung gehört und eine elektrisch betriebene Lichtquelle aufweist. Desweiteren ist dort ein erstes optisches System zum Fokussieren eines Lichtstrahles der Lichtquelle auf einem Werkstück, ein Lagebestimmungstisch zum Aufnehmen des Werkstückes, ein zweites optisches System zum Fokussieren von durch das Werkstück reflektiertem Licht auf einer vorbestimmten Bildfläche, ein Photodetektor und mit einer am Ort der Bildfläche angeordneten Lichtempfangsfläche, sowie ein negativer Rückkopplungsverstärker zum Steuern der Lichtquelle mit Hilfe des Ausgangssignales des Photodetektors beschrieben.

Aus der DE-AS 15 48 547 ist eine Vorrichtung zur Kondensation von Störungseinflüssen im Strahlengang einer photoelektrischen Abtasteinrichtung bekannt. Eine Verstellungsmeßvorrichtung wird dort nicht beschrieben.

Aus der US 4 629 886 ist eine Skalenleseeinrichtung bekannt, die eine Strahlenerzeugungsvorrichtung umfaßt, deren Licht auf eine reflektierende Skala gerichtet ist. Desweiteren umfaßt die dort gezeigte Einrichtung eine optische Vorrichtung, die von der Skala gebeugtes Licht über zwei Strahlenteiler an zwei photoelektrische Wandlervorrichtungen weiterleitet und eine dritte photoelektrische Wandlervorrichtung, die von dem ersten Strahlenteil ein reflektiertes Licht empfängt. Die dazugehörige Verarbeitungsschaltung umfaßt drei photoelektrische Wandler. Dabei ist ein erster photoelektrischer Wandler zur Korrektur beispielsweise infolge einer Verschmutzung variierender Ausgangssignale der bei den anderen photoelektrischen Wandlervorrichtungen vorgesehen. Dabei wird eine reine Kompensation von Gleichspannungsanteilen der Ausgangssignale der ersten und zweiten photoelektrischen Wandler durchgeführt. Dies bedeutet, daß die in den dort vorgesehenen Vergleichseinrichtungen zugeführten Signale der ersten und der zweiten Wandlereinrichtung keineswegs ortsunabhängig von konstanter Amplitude sind, so daß die entsprechenden Ausgangssignale dort weiterhin fehlerbehaftet sein können.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Verstellungsmeßvorrichtung zu schaffen, deren Meßgenauigkeit von Störungseinflüssen aller Art weitgehend unbeeinflußt bleibt. Diese Aufgabe wird durch eine Verstellungsmeßvorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen auf besonders vorteilhafte Art und Weise gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß können dadurch, daß ein Bezugssignal aus einem von dem Beugungsgitter abgegebenen gebeugten Licht­ strahl gebildet wird, nicht nur die Schwankungen der Aus­ gangsleistung der Lichtquelle selbst, die das Licht liefert, sondern auch die den Eigenschaften des Beugungsgitters zuzu­ schreibenden Schwankungen der Intensität der Beugungslicht­ strahlen 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 Ausführungsbeispie­ len 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 Wegmeßge­ bers als ein Ausführungsbeispiel der Verstellungsmeßvorrich­ tung.

Fig. 3 zeigt ein Interferenzsignal, ein Bezugssig­ nal 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 kon­ stanter 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 Verstellungsmeßvorrich­ tung verwendet ist. In der Fig. 2 ist mit 1 eine monochroma­ tische Lichtquelle bezeichnet die kohärente Lichtstrahlen abgibt, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser; mit 2 ist ein Beugungsgitter bezeichnet, das an einem nicht gezeigten Meß­ objekt ausgebildet oder mit diesem verbunden ist, welches sich in der Richtung eines Pfeils 21 bewegt. Das Beugungsgit­ ter 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 verschiede­ nerlei Richtungen gebeugt. Hierbei werden die in einer be­ stimmten positiven und negativen Ordnung wie beispielsweise in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen von den Winkelspie­ geln 31 bzw. 32 reflektiert, wonach sie durch die Viertelwel­ lenlängenplatten 41 und 42 hindurch wieder auf das Beugungs­ gitter 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 nach­ folgend erläuterten Gründen keine Interferenz mit den reflek­ tierten 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 reflek­ tierte 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, geben 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 Licht­ quelle 1 und der Polarisierzustände der Viertelwellenlängen­ platten 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 angeordne­ ten Viertelwellenlängenplatten 41 und 42 werden derart einge­ stellt, daß die Richtungen ihrer optischen Achsen in bezug auf die vorbestimmte Polarisationsrichtung einen Winkel von 45° und gegeneinander einen Winkel von 90° bilden. Infolge­ dessen 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 umgewan­ delt. Falls hierbei die von dem Winkelspiegel 31 reflektier­ ten Beugungslichtstrahlen rechtsläufig 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 gegen­ seitiger 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 Polarisa­ tionsrichtung, wenn das Beugungsgitter 2 nicht versetzt wird, jedoch ändert sich die Polarisationsrichtung, wenn das Beu­ gungsgitter 2 in der Richtung des Pfeiles 21 versetzt wird. Die Intensität des linear polarisierten Lichtes bleibt bei einer Versetzung des Beugungsgitters 2 unverändert. Infolge­ dessen nimmt der Fotoempfänger 73 einen Teil des Beugungs­ lichtes auf, das durch den nicht polarisierenden Strahlenteiler zu linear polarisiertem Licht umgesetzt wurde, wobei aber die Intensität des Beugungslichtes auf gleichmäßige Weise unab­ hängig 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 polarisie­ renden Strahlenteiler 52 reflektierten Lichtstrahlen werden über die Polarisierplatte 61 von dem Fotoempfänger 71 aufge­ nommen, während die von dem nicht polarisierenden Strahlen­ teiler 52 durchgelassenen Lichtstrahlen über die Polarisier­ platte 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 Licht­ strahlen 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 Foto­ empfänger 71 und 72 geben diesem Wechsel von Licht und Schat­ ten entsprechende Interferenzsignale ab, jedoch entsteht zwischen den Interferenzsignalen aus den jeweiligen Fotoemp­ fängern 71 und 72 eine Phasendifferenz von 90°, da die Pola­ risationsachsen 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 Ausführungsbei­ spiel beschrieben.

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

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

Die Intensität I3 der durch den nicht polarisierenden Strah­ lenteiler 51 hindurchtretenden und auf den Fotoempfänger 73 treffenden Lichtstrahlen ist:

Das Ausgangssignal E3, nämlich das Bezugssignal aus dem Foto­ empfänger 73 ist damit gegeben durch:

E3 = 2a²g² (1)

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

Die Intensität I1 dieser Lichtstrahlen ist:

I1 = 2a²g² cos² (Φ₁-δ/2) sin² (wt + 45° + δ/2)

Damit erhält man als Interferenzsignal ein Ausgangssignal E1 aus dem Fotoempfänger 71 auf folgende Weise:

E1 = 2a²g² cos² (Φ₁-δ/2) = a²g² {1 + cos(2Φ₁-δ))}. (2)

Gleichermaßen ergibt sich als Interferenzsignal aus dem Foto­ empfänger 72 folgendes Ausgangssignal E2:

E2 = a²g² {1 + cos(2Φ₂-δ)}. (3)

Falls die Azimuthwinkel der Polarisierplatten 61 und 62 der­ art gewählt werden, daß sie gegeneinander einen Winkel von 45° bilden, folgt aus den Gleichungen (2) und (3), daß zwi­ schen 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 E3 des Fotoempfängers 73 eine in den Gleichungen (2) und (3) auftre­ tende Signalkomponente der Ausgangssignale E1 und E2, 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 Schwankungen zeigt oder der Beugungswirkungsgrad des Beu­ gungsgitters 2 durch Fehler oder dergleichen bei der Herstel­ lung des Beugungsgitters 2 geändert ist, so daß infolge dieser Faktoren die Amplitude des Ausgangssignals E1 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 E1 dadurch korrigiert, daß es unter Anwen­ dung eines Operators durch das dann erzielte Ausgangssignal E3 dividiert wird, wonach dieser Wert = E1/E3 als Aus­ gangssignal 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" gleich­ mäßig ist.

Auf diese Weise wird bei dem Ausführungsbeispiel das Aus­ gangssignal E3 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 E1 des Fotoempfängers 71 infolge von Schwankungen der Ausgangsleistung der Lichtquelle 1 und Fehlern oder dergleichen bei der Herstellung des Beu­ gungsgitters 2 usw. Schwankungen zeigt und ein fehlerbehaf­ tetes Signal erzeugt wird.

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

Aus dem Ausgangssignal E2 des Fotoempfängers 72 wird auf völlig gleiche Weise wie aus dem Ausgangssignal E1 ein sta­ biles Ausgangssignal erzielt.

Fig. 4 ist ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung für das Bilden der in den Fig. 3C und 3D gezeigten Ausgangs­ signale. Nach Fig. 4 werden die Ausgangssignale El und E2 der Fotoempfänger 71 und 72 in jeweiligen Dividierschaltungen 74 bzw. 75 durch das Ausgangssignal E3 des Fotoempfängers 73 dividiert, wodurch die Ausgangssignale = E1/E3 und = E2/E3 erhalten werden. Diese Ausgangssignale und werden in eine nachgeschaltete Zählerschaltung 76 eingegeben, wo­ durch 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 Beu­ gungslicht für das Bilden der Interferenzstreifen auf der Lichtempfangsfläche auf zufriedenstellende Weise auch das durch das Beugungsgitter nur einmalig gebeugte Licht herange­ zogen werden. Falls ferner die Beugungslichtstrahlen nicht ständig einander überlagert werden, können die Interferenz­ streifen dadurch gebildet werden, daß ein vorbestimmter Beu­ gungslichtstrahl und ein Bezugslichtstrahl einander überla­ gert werden, wie es auch in der US-Patentanmeldung Seriennr. 880 207 dargestellt ist.

Weiterhin müssen die zum Bilden des Bezugssignals benutzten Beugungslichtstrahlen mindestens einer der von dem Beugungs­ gitter erzeugten Beugungslichtstrahlen sein. Infolgedessen müssen dann, wenn gemäß der US-Patentanmeldung Seriennr. 880 207 die Interferenzstreifen durch einen Beugungslichtstrahl und einen Bezugslichtstrahl gebildet werden, die Intensitäten der restlichen Beugungslichtstrahlen und des Bezugslicht­ strahles derart eingestellt werden, daß sie letztlich einan­ der gleich sind, selbst wenn für das Bilden des Bezugslicht­ strahles 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 Bezugssig­ nals bzw. Bezugslichtstrahles benutzt wird.

Falls gemäß Fig. 2 die beiden von dem Beugungsgitter 2 er­ zeugten Beugungslichtstrahlen sich hinsichtlich ihrer Polari­ sationsrichtung voneinander unterscheiden und sich die Inten­ sität 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 Beugungs­ lichtstrahlen erfaßt werden. Infolgedessen wird dann, wenn ein Teil der mehreren Beugungslichtstrahlen aus dem Beugungs­ gitter, die zu dem Bilden der Interferenzstreifen aufgenommen werden, um dadurch ein Bezugssignal zu bilden, eine Maßnahme für das Ändern der Polarisationsrichtung in der Weise getrof­ fen, daß sich die Intensität der Lichtstrahlen auch dann nicht verändert, wenn diese Teil-Beugungslichtstrahlen mit­ einander interferieren und eine Phasenänderung auftritt. Beispielsweise werden die jeweiligen Beugungslichtstrahlen in vorbestimmte linear polarisierte Lichtstrahlen in der Weise umgeformt, daß die Polarisationsrichtungen der beiden Beu­ gungslichtstrahlen zueinander senkrecht stehen, oder es wer­ den 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 Beugungslicht­ strahlen in eine bestimmte Polarisierplatte eintreten, wobei gemäß der Darstellung in Fig. 2 die Drehung der Polarisa­ tionsebene des linear polarisierten Lichtes aus den überla­ gerten 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 Foto­ empfängers umgesetzt wird.

Die Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines optischen Systems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Verstel­ lungsmeßvorrichtung 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 Paral­ lelglasplatte 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 über­ prüfenden Drehobjekt verbundene Drehachse bezeichnet, mit 16 ist ein nicht polarisierendes Prisma bezeichnet, mit 17 ist eine Zylinderlinse bezeichnet, mit 81 und 82 sind Spiegelvor­ richtungen bezeichnet, mit 91 und 92 sind Reflexionsprismen bezeichnet und mit 41, 42 und 43 sind Viertelwellenlängen­ platten bezeichnet. Nach Fig. 5 werden aus der Lichtquelle wie einem Laser abgegebene Lichtstrahlen durch die Kollima­ torlinse 10 in im wesentlichen parallele Lichtstrahlen umge­ wandelt. Diese Lichtstrahlen treffen durch die Parallelglas­ platte 11 hindurch auf das Polarisierprisma 12. Die in das Polarisierprisma 12 eintretenden Lichtstrahlen werden in die­ sem reflektiert, auf einen an der Verkittungsfläche des Pola­ risierprismas 12 ausgebildeten Polarisier-Strahlenteiler ge­ richtet und dadurch in reflektierte Lichtstrahlen und durch­ gelassene Lichtstrahlen aufgeteilt.

Von den beiden durch den Polarisier-Strahlenteiler aufgeteil­ ten Lichtstrahlen werden die reflektierten Lichtstrahlen (als S-polarisiertes Licht) wiederholt an den Innenflächen des Polarisierprismas 12 reflektiert, wonach sie aus dem Polari­ sierprisma 12 in einer zur Einfallrichtung parallelen Rich­ tung austreten. Diese reflektierten Lichtstrahlen werden dann von dem Reflexionsprisma 92 reflektiert und treffen unter einem vorbestimmten Winkel an einer Stelle M1 auf das radiale Beugungsgitter 13 auf. Von den durchgelassenen Beugungslicht­ strahlen, 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 M1 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 Polarisa­ tionsrichtung 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, ent­ lang denen das in der bestimmten Ordnung gebeugte Licht hin- und herverläuft, von dem polarisierenden Strahlenteiler des Polarisierprismas 12 bis zu der Spiegelvorrichtung 82 iden­ tisch.

Die Spiegelvorrichtungen 82 und 81 können gewöhnliche Plan­ spiegel oder optische Präzisionselemente 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 Licht­ strahlen, die parallel auf die Kondensorlinse eingefallen sind, durch eine Öffnung in einer Maske durchgelassen werden und von dem Spiegel reflektiert werden, wonach sie in Gegen­ richtung längs des ursprünglichen optischen Weges zurückge­ leitet werden, während in anderen Ordnungen gebeugte Licht­ strahlen 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 Beugungslicht­ strahlen 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 Refle­ xionsprisma 91 auf einer Stelle M2 auftreffen, die im wesent­ lichen punkt-symmetrisch zu der Stelle M1 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 ge­ nannten Spiegelvorrichtung 82 geschieht; dann wird der Licht­ strahl wieder an der gleichen Stelle M2 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 polarisie­ renden 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 eintretenden 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 eindrin­ genden Lichtstrahlen wird durch die noch zu beschreibenden nicht polarisierenden Strahlenteiler durchgelassen und ge­ langt 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 polari­ sierendem Prisma 16 sind in einem vorbestimmten Abstand in dem optischen Weg der beiden überlagerten Beugungslichtstrah­ len nicht polarisierende Strahlenteiler 16a und 16b ange­ bracht, wodurch die an diesen aufeinanderfolgend reflektier­ ten Lichtstrahlen über die Polarisierplatten 61 und 62, deren Polarisationsrichtungen voneinander um 45° verschieden sind, auf die Fotoempfänger 71 und 72 treffen, in denen sie foto­ elektrisch umgesetzt werden, wodurch ein Interferenzsignal gebildet wird. Wie bei dem vorangehend beschriebenen Ausfüh­ rungsbeispiel 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 wesent­ lichen konstanter Amplitude erzielt wird.

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

Falls der Meßgeber gemäß den in den Fig. 2 und 5 dargestell­ ten 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 Ge­ schwindigkeitsmeßvorrichtung eingesetzt werden.

Ferner kann in dem Meßgeber gemäß dem in Fig. 2 oder 5 ge­ zeigten 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 Lichtes er­ faßt, um ein Bezugssignal zu erzeugen, wodurch selbst dann, wenn Schwankungen hinsichtlich der Ausgangsleistung der Lichtquelle oder des Beugungswirkungsgrades des Beugungsgit­ ters auftreten, das Signal, an dem die Licht- und Schatten­ teile der Interferenzstreifen gezählt werden, nicht ungleich­ mäßig 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 Strahlervor­ richtung, die Licht auf ein an einem Meßobjekt gebildetes Beugungsgitter richtet, eine optische Vorrichtung, die aus den von dem Beugungsgitter gebeugten Lichtstrahlen Interfe­ renzstreifen bildet, eine Wandlervorrichtung, die die Inter­ ferenzstreifen fotoelektrisch umsetzt, um ein Interferenzsig­ nal zu erfassen, eine Bezugsmeßvorrichtung die die Intensität der gebeugten Lichtstrahlen erfaßt und ein Bezugssignal er­ zeugt, 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 (5)

1. Verstellungsmeßvorrichtung mit

• - einer Strahlervorrichtung, die Lichtstrahlen auf ein an einem verstellbaren Meßobjekt angeordnetes Beugungsgitter richtet,
• - einer optischen Vorrichtung, die aus ersten und zweiten gebeugten Lichtstrahlen durch Überlagerung Interferenzstrahlen erzeugt, wobei die optische Vorrichtung eine Erzeugungs­ vorrichtung (32, 32, 41, 42) umfaßt, die die ersten gebeugten Lichtstrahlen rechtsdrehend zirkular polarisiert und die zweiten gebeugten Lichtstrahlen linksdrehend zirkular polari­ siert,
• - einer Wandlervorrichtung (71, 72), die die Interferenz­ strahlen fotoelektrisch in ein sinusförmiges Interferenzsignal umwandelt, wobei zur Bildung des Interferenzsignals ein Teil der Interferenz strahlen nach dem Durchlaufen eines linear polarisierenden Elements (61, 62) von der Wandlervorrichtung (71, 72) erfaßt wird,
• - einer Bezugsmeßvorrichtung (51, 73), die die Intensität der Interferenzstrahlen mißt und ein Bezugssignal (E3) erzeugt, wobei die Bezugsmeßeinrichtung einen Teil der Interferenz­ strahlen über eine nichtpolarisierende Strahlenteilerein­ richtung (51) zur photoelektrischen Umsetzung empfängt, und
• - einer Umsetzeinrichtung (74 bis 76), die das sinusförmige Interferenzsignal unter Verwendung des Bezugssignals (E3) in ein Signal konstanter Signalamplitude umsetzt, das zur Messung der Verstellung des Meßobjekts weiterverarbeitet wird.

2. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Vorrichtung eine weitere Erzeugungs- Vorrichtung (41, 42, 81, 82) umfaßt, die aus den vom Beu­ gungsgitter gebeugten Lichtstrahlen erste gebeugte Licht­ strahlen, die geradlinig polarisiert sind und zweite ge­ beugte Lichtstrahlen erzeugt, die ebenfalls linear polarisiert sind und deren Polarisierungsrichtung im rechten Winkel zu der Polarisierungsrichtung der ersten gebeugten Lichtstrahlen steht, und
daß eine Umwandlungsvorrichtung (43) vorgesehen ist, die ersten gebeugten Lichtstrahlen in rechtsdrehend zirkular polarisierte Lichtstrahlen und die zweiten gebeugten Lichtstrahlen in linksdrehend zirkular polarisierte Lichtstrahlen umwandelt.

3. Verstellungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten gebeugten Lichtstrahlen posi­ tiv bzw. negativ gebeugte Lichtstrahlen derselben Ordnung sind.

4. Verstellungsmeßvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungsvorrichtung (31, 32, 41, 42; 41, 42, 81, 82) von dem Beugungsgitter erzeugte positive bzw. negative gebeugte Lichtstrahlen derselben Ordnung derart reflektiert, daß diese auf dem Beugungsgitter auftreffen, und dabei die ersten und zweiten gebeugten Lichtstrahlen gebildet werden.

5. Verstellungsmeßvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlervorrichtung und die optische Vorrichtung einen gemeinsamen polarisierenden Strahlenteiler (12) um­ fassen,
daß die Strahlervorrichtung den gemeinsamen Strahlertei­ ler mit den Lichtstrahlen eines Lasers derart anstrahlt, daß die ersten und zweiten Lichtstrahlen auf das Beu­ gungsgitter gerichtet werden,
daß die Erzeugungseinrichtung (41, 42, 81, 82) die ersten und zweiten gebeugten Lichtstrahlen erzeugt, indem sie eine Vielzahl von gebeugten Lichtstrahlen, die von den ersten und zweiten Lichtstrahlen erzeugt und von dem Beu­ gungsgitter gebeugt werden, auf das Beugungsgitter rich­ tet, und
daß mittels der optischen Vorrichtung die ersten und zweiten gebeugten Lichtstrahlen durch den gemeinsamen Strahlenteiler (12) gegenseitig überlagert werden, um sie auf den ersten Strahlenteiler (16A) zu richten.