DE3915143C2 - Optischer Geber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Geber oder Verschlüßler und insbesondere auf einen Geber optischer Bau­ art zur Beleuchtung eines bewegbaren Beugungsgitters mittels Lichtstrahlen und zum Ermitteln einer Phasenänderung in einem durch das optische Beugungsgitter erzeugten gebeug­ ten Licht, das auf die Verlagerung des bewegbaren Beugungs­ gitters reagiert, um dadurch die Verlagerung dieses bewegba­ ren Beugungsgitters zu messen.

In den letzten Jahren wurde ein genaues Wegmeßgerät, das im­ stande ist, die Verlagerung eines bewegbaren Körpers in einer Einheit von 1 µm oder geringer (Submikron) bei einem Präzi­ sionsinstrument, wie einer NC-Werkzeugmaschine oder einer Halbleiter-Druckvorrichtung, gefordert. Als ein solches Meß­ gerät, das in der Lage ist, die Verlagerung im Submikron-Bereich zu messen, ist ein drehender Geber oder ein linearer Geber bekannt, bei dem ein kohärenter Lichtstrahl, wie ein Laserstrahl, verwendet wird, um einen Interferenz­ streifen aus an einem bewegbaren Kör­ per gebeugtem Licht zu bilden, wobei der Geber eine Wegmessung durch ein Signal, das durch eine lichtelektrische Umwandlung dem In­ terferenzstreifen erhalten wird, bewerkstelligt.

Die beigefügte Fig. 7 zeigt den Aufbau eines Beispiels für einen linearen Geber dieser Art nach dem Stand der Technik. Dieser Geber umfaßt einen Laser 1, ein Kollimatorobjektiv 2 und ein Beugungsgitter 3 mit dem Gittergrundmaß P, das an einem (nicht gezeigten) sich bewegenden Körper befestigt ist, welcher beispielsweise mit einer Geschwindigkeit v in der Richtung des Pfeils X bewegt wird. Ferner umfaßt der Geber λ/4-Plättchen 51 und 52, Tripel-Spiegel 41 und 42, einen Strahlenteiler 6 sowie Pola­ risationsplatten 71 und 72, deren Polarisationsachsen recht­ winklig zueinander stehen und so angeordnet sind, daß sie mit Bezug zu den Polarisationsachsen der λ/4-Plättchen 51 und 52 einen Winkel von 45° bilden. Darüber hinaus sind Licht­ empfangselemente 81 und 82 vorhanden.

Bei dem Geber von Fig. 7 wird der Lichtstrahl vom Laser 1 durch das Kollimatorobjektiv 2 zu einem im wesentlichen paral­ lelen Lichtstrahl ausgebildet, der auf das Beugungsgitter 3 einfüllt. Positiv und negativ gebeugte Lichtstrahlen m.-Ordnung, die durch das Beugungsgitter 3 gebeugt wurden, werden von den Tripel-Spiegeln 41 bzw. 42 und den λ/4- Plättchen 51 bzw. 52 erneut auf das Beugungsgitter 3 gerichtet, das sie erneut positiv sowie negativ in m.ter Ordnung beugt. Die erneut gebeugten Lichtstrahlen überlagern einander. Dieses Interferenz- Licht wird durch den Strahlenteiler 6 in zwei Interferenz-Lichtstahlen geteilt, worauf die beiden Interferenz-Lichtstrahlen durch die Polarisationsplatten 71 und 72 in die Fotodetektoren 81 und 82 eintreten.

Der Strahlenteiler 6, die beiden Polarisationsplatten 71 und 72 sowie die Fotodektoren bilden eine Lichtempfangseinrichtung, die das empfangene Intergerenz-Licht lichtelektrisch umwandelt.

Den Interferenz-Lichtstrahlen, die in die Fotodetektoren 81 und 82 eintreten, wird ein Phasenunterschied von 90° zwischen diesen durch eine Kombination der λ/4-Plättchen 51 sowie 52 und der Polarisationsplatten 71 sowie 72 vermittelt, und sie werden zur Diskriminierung der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 3 verwendet. Die Impuls­ anzahl eines durch eine photoelektrische Umwandlung der Inter­ ferenzstreifen erhaltenen und durch die Fotodetektoren 81 sowie 82 empfangenen Signals wird gezählt, um dadurch die Größe der Bewegung des Beugungsgitters 3 zu ermitteln.

Zahlreiche optische Geber dieser Art, die die Interferenz von gebeugten Lichtstrahlungen verwenden, sind beispielsweise in den US-Patentschriften Nr. 3 726 595, Nr. 3 738 753, Nr. 3 756 723, Nr. 3 891 321, Nr. 4 629 886 und Nr. 4 676 645 sowie in den JP-Patent-Offenlegungsschriften Nr. 58-191 906, Nr. 58-191 907, Nr. 60-190 812, Nr. 61- 65 165, Nr. 61-178 613, Nr. 61-212 728, Nr. 62-6119 und Nr. 62-12 814 offenbart. Diese optischen Geber nach dem Stand der Technik neigen jedoch zu einem komplizierten Aufbau, wenn angestrebt wird, ihr Auflösungsvermögen zu stei­ gern.

Ein Geber mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patent­ anspruch 1 ist durch die Veröffentlichung US 46 76 645 bekannt. Bei diesem bekannten Geber tragen auch regel­ mäßig am Beugungsgitter gebeugte Lichtstrahlen zur Bil­ dung des Interferenz-Lichtes bei, wodurch das Signal­ störverhältnis des von der Lichtempfangseinrichtung ge­ lieferten Signals vergleichsweise klein ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsge­ mäßen Geber dahingehend zu verbessern, daß Lichtkomponen­ ten, die durch regelmäßige Reflexion der ersten und zweiten Lichtstrahlen am Beugungsgitter entstehen, nicht als Störlicht in das Interferenz-Licht einbezogen werden, um ein günstiges Signalstörverhältnis zu erzielen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Geber gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist dafür gesorgt, daß regelmäßig am Beugungsgitter reflektierte Licht­ strahlen mittels des optischen Systems von den erneut gebeugten Lichtstrahlen getrennt werden und nur letztere, nicht jedoch die regelmäßig reflektierten Lichtstrahlen zur Lichtempfangseinrichtung gelangen und das Interfe­ renz-Licht bilden. Dessen Interferenzstreifen sind da­ durch klar voneinander getrennt, so daß das Signal­ störverhältnis des durch die lichtelektrische Umwandlung von der Lichtempfangseinrichtung erzeugten Signals ver­ bessert ist. Der erfindungsgemäße optische Geber weist somit ein hohes Auflösungsvermögen auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden im folgenden näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines optischen Gebers gemäß einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Reflexionseinrichtung des Gebers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Anordnung von λ/4-Plättchen des in Fig. 1 dargestellten Gebers;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Reflexionseinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 5 ausschnittsweise eine Abwandlung des Gebers gemäß Fig. 1;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines optischen Gebers in einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines optischen Gebers nach dem Stand der Technik.

In der schematischen Darstellung des optischen Gebers in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform, die in Fig. 1 gezeigt ist, sind Elemente, die zu solchen von Fig. 7 gleichartig sind, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Der Geber von Fig. 1 umfaßt einen als Polarisationsstrahlenteiler 9 ausgebildeten Strahlenverteiler und λ/4- Plättchen 51 sowie 52, die so angeordnet sind, worauf noch eingegangen werden wird, daß deren schnelle Achsen in dieselbe Richtung mit Bezug zum einfallenden Lichtstrahl und in vorbestimmte Richtungen mit Bezug zum Polarisationsstrahlenteiler 9 zeigen. Darüber hinaus sind Umlenkspiegel 101 sowie 102 und eine Reflexionseinrichtung 20 vorhanden, die eine Linse 11 in Form einer Gradientenindexlinse sowie eine einen Spiegel 12 bildende Reflexionsschicht auf einer Stirnseite der Gradientenindexlinse aufweist.

Ein bei der in Rede stehenden Ausführungsform verwendeter Laser 1 ist ein Halbleiterlaser (eine Laserdiode), und die Anwendung eines derartigen kompakten Lasers läßt die raum­ sparende, gedrängte Bauweise des Gebers zu. Der Halbleiterla­ ser kann von der Einmodem- oder Multimodem-Betriebsart sein. Ein Beugungsgitter 3 ist an einer linearen Skala ausgebildet und kann von Amplituden- oder Phasenbauart sein.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der geradlinig polarisier­ te Lichtstrahl, nämlich der kohärente Lichtstrahl vom Laser 1 durch ein Kollimatorobjektiv 2 zu einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahl ausgebildet, der in den Polarisationsstrahlenteiler 9 einfällt und durch diesen Strah­ lenteiler in einen geradlinig polarisierten transmittierten Lichtstrahl (P-polarisiertes Licht) und einen geradlinig po­ larisierten reflektierten Lichtstrahl (S-polarisiertes Licht) geteilt wird. Die Befestigungsstelle des Lasers 1 wird so justiert, daß der geradlinige Polarisationsazimut des Lichtstrahls vom Laser 1 unter 45° mit Bezug zum Polarisationsazimut des Polarisationsstrahlenteilers 9 liegt. Insofern wird das In­ tensitätsverhältnis zwischen dem vom Polarisationsstrahlen­ teiler 9 transmittierten Lichtstrahl und dem reflektierten Licht­ strahl zu annähernd 1 : 1. Anstelle dieser Maßnahme kann im Strahlengang des Lichtstrahls vom Laser 1 ein λ/4-Plättchen vorgesehen sein, so daß der Laserstrahl in einen zirkular polarisierten Lichtstrahl durch die Wirkung dieses λ/4-Plättchens umgewandelt wird und als solcher in den Polarisationsstrahlenteiler 9 einfällt.

Die vom Polarisationsstrahlenteiler 9 reflektierten und transmittierten Lichtstrahlen werden von geradlinig polarisierten Lichtstrahlungen durch die λ/4-Plättchen 51 und 52 in zirkular polarisierte Lichtstrahlungen umgewandelt, durch die Umlenkkspiegel 101 sowie 102 reflektiert und treten in das Beugungsgitter 3 ein. Die beiden λ/4-Plättchen 51 und 52 sowie die Umlenkspiegel 101 und 102 bilden somit ein optisches System, das die beiden Lichtstrahlen auf dieselbe Position des Beugungsgitters 3 richtet. Der Einfallswinkel eines jeden Lichtstrahls wird hierbei so festgesetzt, daß das vom Beugungsgitter 3 gebeugte Licht m.-Ordnung jedes Lichtstrahls im wesentlichen senkrecht vom Beugungsgitter 3 reflektiert wird und von diesem austritt.

Das heißt mit anderen Worten, daß jeder Lichtstrahl so zum Eintreten in das Beugungsgitter 3 gebracht wird, daß

Rm≈arc sin (mλ/P) (m = ±1, ±2, . . .) (1)

gilt, worin
P das Gittergrundmaß des Beugungsgitters 3,
λ die Wellenlänge des Lichtstrahls,
m eine ganze Zahl und
R der Einfallswinkel des Lichtstrahls auf das Beugungsgitter 3 sind.

Bei der beschriebenen Ausführungsform ist m mit ± 1 festgesetzt, und der durch den Polarisationsstrahlentei­ ler 9 reflektierte Lichtstrahl wird auf das Beugungsgitter 3 mit einem Einfallswinkel R₁ gerichtet, während der durch den Polarisationsstrahlenteiler 9 transmittierte Lichtstrahl auf das Beugungsgitter 3 mit einem Einfallswinkel von -R₁ gerichtet wird, so daß der in Reflexion gebeugte Lichtstrahl +1.- Ordnung, der durch den vom Polarisationsstrahlenteiler reflektierten Lichtstrahl erzeugt wird, und der in Reflexion gebeugte Lichtstrahl -1.- Ordnung, der durch den transmittierten Lichtstrahl erzeugt wird, im wesentlichen rechtwinklig vom Beugungsgitter 3 austreten.

Die gebeugten Lichtstrahlungen m.-Ordnung (m=±1), die im wesentlichen senkrecht vom Beugungsgitter 3 ausgetreten sind, treten in die Linse 11 ein. Der Spiegel 12 ist nahe der Brennebene vorgesehen, d. h. an der Stirnfläche der Linse 11, weshalb jeder in die Linse 11 eingetretene gebeugte Lichtstrahl durch den Spiegel 12 so, wie in Fig. 3 gezeigt ist, reflektiert wird, worauf er längs des ursprünglichen optischen Weges zurückkehrt und von der Linse 11 austritt sowie wiederum auf das Beugungsgitter 3 rechtwinklig zu diesem einfällt.

Jeder der gebeugten Lichtstrahlen wird wiederum durch das Beugungsgitter 3 gebeugt, und die in Reflexion erneut gebeugten Lichtstrahlen m.-Ordnung (m=±1), die daraus resultieren, kehren längs der ursprünglichen Strahlengänge zurück. Sie werden durch die Umlenkspiegel 101 sowie 102 reflektiert durch die λ/4-Plättchen 51 sowie 52 übertragen und treten wiederum in den Polarisationsstrahlenteiler 9 ein.

Auf diese Weise sind bei dem beschriebenen Geber die Strahlengänge der vom Polarisationsstrahlenteiler reflektierten sowie transmittierten Lichtstrahlen, die für eine Messung verwendet werden, so ausgelegt, daß der reflektierte te Lichtstrahl längs eines ersten optischen, vom Polarisa­ tionsstrahlenteiler 9, vom Umlenkspiegel 101, vom Beugungs­ gitter 3 sowie von der Reflexionseinrichtung 20 gebildeten Weges wan­ dert und der transmittierte Lichtstrahl längs eines zweiten, vom Polarisationsstrahlenteiler 9, vom Umlenkspiegel 102, vom Beugungsgitter 3 und von der Reflexionseinrichtung 20 gebildeten optischen Weges sich bewegt. Ein dritter Strahlengang zwischen dem Beugungsgitter 3 und der Reflexionseinrichtung 20 ist beiden Lichtstrahlen gemeinsam, so daß sich eine Vereinfachung und kompakte Bauweise des Gebers ergibt. Wie bereits erwähnt wurde, werden sowohl der reflektierte Lichtstrahl als auch der transmittierte Lichtstrahl durch das Beugungsgitter 3 zweimal gebeugt, jedoch wandern sie längs ihrer jeweiligen ursprünglichen Wege zurück, d. h., der reflektierte Lichtstrahl (gebeugtes Licht +1.-Ordnung) bewegt sich längs des ersten optischen Weges und der transmittierte Lichtstrahl (gebeugtes Licht -1.-Ordnung) bewegt sich längs des zweiten optischen Weges zurück. In diesem Fall sind die Längen des ersten sowie zweiten optischen Weges zueinander gleich.

Wie bereits gesagt wurde, treten die erneut gebeugten Lichtstahlen in die λ/4-Plättchen 51 bzw. 52 ein, weshalb der reflektierte und der transmittierte Lichtstrahl jeweils umgekehrt durch die λ/4-Plättchen 51 bzw. 52 wandern. Demzufolge wird der zunächst vom Polarisationsstrahlenteiler 9 reflektierte Lichtstrahl zu P-polarisiertem Licht, dessen Polarisationsazimut sich um 90° vom ursprünglichen Polarisationsazimut mit Bezug zum Polarisationsstrahlenteiler 9 eintritt. Daher wird dieser Lichtstrahl vom Strahlenteiler 9 transmittiert. Andererseits wird der zunächst durch den Polarisationsstrahlenteiler 9 transmittierte Lichtstrahl zu S-polarisiertem Licht, das deshalb vom Polarisationsstrahlenteiler 9, wenn es in diesen wieder eintritt, reflektiert wird.

Auf diese Weise werden die beiden erneut gebeugten Lichtstrah­ lungen vom Polarisationsstrahlenteiler 9 einander überla­ gert und durch ein λ/4-Plättchen 53 zu zueinander gegensinnig zirkular polarisierten Lichtstrahlen gemacht, wobei dieses kohärente Interferenz-Licht durch einen Strahlenteiler 6 in zwei Lichtstrahlen geteilt wird. Diese Lichtstrahlen werden zu geradlinig polarisierten Lichtstrahlen durch Polarisationsplatten 71 bzw. 72 ausgebildet und zum Eintreten in die Fotodetektoren 81 bzw. 82 der Lichtempfangseinrichtung gebracht.

Der Winkel Rm der Formel (1) kann innerhalb eines solchen Winkelbereichs liegen, daß die gebeugten Lichtstrahlen in die Reflexionseinrichtung 20 eintreten und dann wieder auf das Beugungsgitter 3 einfallen können.

Wenn bei der in Rede stehenden Ausführungsform das Beugungsgitter um das Gittergrundmaß bzw. die Teilung bewegt wird, ändert sich die Phase des gebeugten Lichts m.-Ordnung um 2 m · π. Demzufolge wandeln die Fotodetektoren 81 und 82 das Interferenz-Licht, das durch die Lichtstrahlungen erzeugt wird, welche zweimal der positiven und negativen Beugung m.-Ordnung unterworfen wurden, derart um, daß dann, wenn das Beugungsgitter um eine einer Teilung des Gitters entsprechende Strecke bewegt wird (4 · m) sinusförmige Signale erhalten werden.

Es sei angenommen, daß das Gittergrundmaß P des Beugungsgitters 3 gleich P=3,2 µm ist und das gebeugte Licht 1.- Ordnung (m=±1) verwendet wird. Dann werden vier sinusförmige Signale von jedem der Fotodetektoren 81 und 82 erhalten, wenn das Beugungsgitter 3 um 3,2 µm bewegt wird. Demzufolge wird 1/4 der Teilung des Beugungsgitters 3, d. h. 3,2 µm/4=0,8 µm, als Auflösungsvermögen erhalten.

Die Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Polarisations­ azimut des Polarisationsstrahlenteilers 9 und den schnelle Achsen der λ/4-Plättchen 51 und 52. Gemäß Fig. 3 verlaufen die schnellen Achsen der λ/4-Plättchen 51 und 52 unter 45° bezüglich des jeweiligen Polarisationsazimuts der geradlinig polarisierten Lichtstrahlungen, die vom Strahlenteiler 9 reflektiert und transmittiert wurden, und diese schnelle Achsen der λ/4-Plättchen 51 und 52 sind in der gleichen Richtung mit Bezug zum jeweils auf das λ/4-Plättchen einfallenden Lichtstrahl festgelegt. Das bedeutet, daß der vom Polarisationsstrahlenteiler 9 reflektierte Lichtstrahl durch das λ/4-Plättchen 51 übertragen und zu einem rechts zirkular polarisierten Licht wird sowie auf das Beugungsgitter 3 einfällt, und wenn der von der Reflexionseinrichtung 20 reflektierte sowie durch das Beugungsgitter 3 erneut gebeugte Lichtstrahl m.-Ordnung durch das λ/4-Plättchen 51 übertragen wird, so wird dieser zu geradlinig polarisiertem Licht, das in einer zur Richtung der Polarisation auf dem Vorwärtsweg rechtwinkligen Richtung schwingt, vom den Polarisationsstrahlenteiler 9 transmittiert und auf die Fotodetektoren 81 sowie 82 gerichtet wird.

Andererseits wird der zuerst vom Polarisationsstrahlenteiler 9 transmittierte Lichtstrahl durch das λ/4-Plättchen 52 übertragen, und er wird zu einem links zirkular polarisierten Licht, das auf das Beugungsgitter 3 einfällt. Wenn der von der Reflexionseinrichtung 20 reflektierte und durch das Beugungsgitter 3 erneut gebeugte Lichtstrahl m.-Ordnung durch das λ/4-Plättchen 52 übertragen wird, so wird dieser zu geradlinig polarisiertem Licht in einer zur Polarisationsrichtung im Vorwärtsweg rechtwinkligen Richtung, der vom Polarisationsstrahlenteiler 9 reflektiert und zu den Fotodetektoren 81 sowie 82 gerichtet wird. Wenn die beiden Lichtstrahlen dazu gebracht werden, auf das Beugungsgitter 3 mit dem Winkel Rm, der durch die Formel (1) gegeben ist, einzufallen, überlagert das vom Beugungsgitter 3 regelmäßig reflektierte Licht 0-ter Beugungsordnung eines jeden Lichtstrahls die erneut gebeugten Lichtstrahlen ±m.-Ordnung und tritt es in den Strahlenteiler 9 ein. Bei der in Rede stehenden Ausführungsform sind die schnellen Achsen der λ/4-Plättchen 51 und 52 in der gleichen Richtung festgesetzt. Der zuerst durch den Polarisationsstrahlenteiler 9 reflektierte und durch das λ/4-Plättchen 51 übertragene, zu einem rechts zirkular polarisierten Licht gemachte auf, in das Beugungsgitter einfallende und von diesem regelmäßig reflektierte Lichtstrahl wird, wenn er durch das λ/4-Plättchen 52 übertragen wird, zu einem geradlinig polarisierten Licht (P-polarisiertes Licht), das in einer zur Polarisationsrichtung des auf das λ/4-Plättchen 51 einfallenden Lichtstrahls rechtwinkligen Richtung polarisiert ist. Somit wird dieses geradlinig polarisierte Licht vom Polarisationsstrahlenteiler 9 transmittiert. Demzufolge tritt dieser Lichtstrahl nicht in die Fotodetektoren 81 und 82 ein. Der zuerst vom Polarisationsstrahlenteiler 9 transmittierte, in das Beugungsgitter 3 eingefallene und dadurch regelmäßig reflektierte Lichtstrahl tritt ebenfalls in keinen Fotodetektoren 81 und 82 ein.

Ferner tritt von den mehreren erneut gebeugten Lichtstrahlen, die durch die gebeugten, von der Reflexionseinrichtung 20 reflektierten und auf das Beugungsgitter 3 erneut einfallenden Lichtstrahlen erzeugt werden, das gebeugte Licht -m.-Ordnung mit entgegen­ gesetztem Vorzeichen zum erneut gebeugten, zurück längs des Vorwärts­ weges sich ausbreitenden Licht m.-Ordnung hat, in den Strahlengang bzw. -weg auf der entgegengesetzten Seite sowie in den Polarisations­ strahlenteiler 9 ein. Da die schnellen Achsen der λ/4-Plättchen 51 und 52 so festgesetzt sind, wie vorher beschrieben wurde, werden diese Lichtstrahlen gleich dem regelmäßig reflektierten Licht an einem Eintreten in die Fotodetektoren 81 und 82 gehindert. Das bedeutet, daß durch das Festsetzen der schnellen Achsen der λ/4-Plättchen 51 und 52 in derselben Richtung lediglich diejenigen erneut gebeugten Lichtstrahlen ±m.-Ordnung, die für die Messung ausgewertet werden sollen, in die Fotodetektoren 81 sowie 82 eintreten, und jedes regelmäßig reflektierte Licht (das der Beugung -m.-Ordnung nach der Beugung m.-Ordnung unterworfene Licht sowie das der Beugung +m.-Ordnung nach der Beugung -m.-Ordnung unterworfene Licht) nicht in die Lichtempfangselemente 81 und 82 eintritt. Dem­ zufolge kann bei der in Rede stehenden Ausführungsform das Signalstörverhältnis der Ausgangssignale der Lichtempfangs­ einrichtung verbessert werden, und es ist eine in hohem Maß genaue Ermittlung möglich.

Die Reflexionseinrichtung 20 bei der beschriebenen Ausführungsform ist eine sog. Katzenaugenoptik, in welcher eine reflektierende Fläche nahe der Brennebene angeordnet ist. Deshalb kann, selbst wenn beispielsweise der Beugungswinkel des gebeugten Lichts sich mit einer Änderung in der Wellenlänge des Laserstrahls ändert und der Einfallswinkel auf die Linse 11 mehr oder weniger variiert, das gebeugte Licht zum Beugungsgitter 3 im wesentlichen längs desselben Weges zurückgeführt werden. Dadurch können die beiden positiv und negativ gebeugten Lichtstrahlen exakt einander überlagert werden, und eine Herabsetzung im Störverhältnis der Ausgangssignale der Fotodetektoren 81 sowie 82 wird verhindert.

Auch wird eine raumsparende, kompakte Bauweise des gesamten Gebers durch Festsetzen des Ein­ fallswinkels der Lichtstrahlen auf das Beugungsgitter 3, wie vorher beschrieben wurde, und durch Verwendung der Reflexions­ einrichtung 20 erreicht.

Wenn beispielsweise das Gittergrundmaß des Beugungsgitters 3,2 µm beträgt und die Wellenlänge des Laserlichts 0,78 µm ist, dann ist, wie vorher erwähnt wurde, der Beugungswinkel der gebeugten Lichtstrahlen ±1.-Ordnung 14,2°. Wenn eine Gradientenindexlinse mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 2 mm als Linse 11 verwendet wird und lediglich gebeugte Lichtstrahlen ±1.-Ordnung reflektiert werden, so ist der Abstand vom Beugungsgitter 3 zur Linse 11 gleich 2 mm/tg 14,2° = 7,9 mm. Diese beiden Bauelemente können daher mit einem Abstand von ungefähr 8 mm voneinander angeordnet werden, so daß folglich der gesamte Geber sehr kompakt gebaut werden kann.

Wenngleich bei der in Rede stehenden Ausführungsform als Linse 11 eine Gradientenindexlinse zur Anwendung kommt, so kann die Reflexionseinrichtung 20 auch, wie in Fig. 4 gezeigt ist, durch eine Kombination einer gewöhnlichen Linse 13 und eines Umlenkspiegels 14 gebildet werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird durch Verwendung von in Reflexion gebeugten Lichtstrahlen aus Interferenz-Licht gebildet. Jedoch kann alternativ, wie in Fig. 5 gezeigt ist, die Reflexionseinrichtung 20 unterhalb des Beugungsgitters 3 ange­ ordnet sein und das Interferenz-Licht durch die Verwendung von in Transmission gebeugten Lichtstrahlen gebildet werden.

Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei zu Bauteilen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 gleichartige Elemente mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind. Ein in Fig. 6 dargestellter prismatischer Polarisationsstrahlenteiler 15 erfüllt dieselbe Funktion wie der Polarisationsstrahlenteiler 9 bei der Aus­ führungsform nach Fig. 1, während ein Prisma 16 dieselbe Funktion wie die Kombination der Umlenkspiegel 101 sowie 102 bei der Ausführungsform von Fig. 1 erfüllt.

Bei dieser Ausführungsform wird der Laserstrahl vom Laser 1 durch das Kollimatorobjektiv 2 zu einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahl ausgebildet, der in den Polarisationsstrahlen 15 eintritt. Der in den Strahlenteiler 15 eingetretene Lichtstrahl wird durch dessen Reflexionsflächen 15a und 15b umgelenkt, worauf er durch eine Polarisations-Strahlenteilerfläche 15c des Polarisationsstrahlenteilers 15 in einen reflektierten Lichtstrahl L1 und einen transmittierten Lichtstrahl L2 geteilt wird. Der reflektierte sowie der transmittierte Lichtstrahl L1 bzw. L2 werden durch die Reflexionsflächen 15a bzw. 15d reflektiert, sie treten an der Reflexionsfläche 15b aus und werden durch die λ/4-Plättchen 51 sowie 52 übertragen, worauf sie mit einem vorbestimmten Winkel durch das Prisma 16 gebeugt werden und auf das Beugungsgitter 3 mit Einfallswinkeln, die die zuvor erwähnte Bedingung erfüllen, einfallen. In diesem Fall ist das optische System, das die beiden Lichtstrahlen L1 und L2 auf dieselbe Position des Beugungsgitters 3 richtet, durch das Prisma 16 und die λ/4-Plättchen 51 und 52 gebildet.

In Reflexion gebeugte Lichtstrahlen vorbestimmter Ordnung, die durch Beugung der jeweiligen Lichtstrahlen am Beugungsgitter 3 erzeugt wurden, werden durch die Reflexionseinrichtung 20 erneut auf das Beugungsgitter 3 gerichtet. Die beiden vom Beugungsgitter 3 erneut gebeugten Lichtstrahlen werden durch das Prisma 16 sowie den Polarisationsstrahlenteiler 15 einander überlagert und durch ein λ/4-Plättchen 53 wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 übertragen. Dadurch wird das Interferenz-Licht gebildet. Dieses Interferenz-Licht wird durch den Strahlenteiler 6 in zwei Lichtstrahlen geteilt, die durch die Polarisationsplatten 71 bzw. 72 geführt werden, worauf sie von den Fotodetektoren 81 bzw. 82 empfangen werden.

Auch bei dieser Ausführungsform zeigen die schnellen Achsen der λ/4-Plättchen 51 und 52 in dieselbe Richtung mit Bezug zum einfallenden Licht, weshalb die durch das Beugungsgitter 3 regelmäßig reflektierten Lichtstrahlen, d. h. die auf dem vorher erwähnten ersten sowie zweiten Weg sich ausbreitenden Strahlen 0-ter Ordnung nicht in dem Interferenz- Licht, das die Interferenzstreifen bildet, enthalten sind. Demzufolge können klar getrennte Interferenzstreifen gebildet werden, so daß es möglich ist, das Signalstörverhältnis des Signals zu verbessern. Die bei dieser und bei der vorherigen Ausführungsform gebildeten Interferenzstreifen sind einfarbig.

Wenngleich die obigen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf einen linearen Geber beschrieben wurden, so kann die Erfindung in gleicher Weise auf einen Drehgeber Anwendung finden.

Bei einer Anwendung auf einen Drehgeber können durch das optische System, wie es beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist, erneut gebeugte Lichtstrahlen an vorbestimmten Positionen auf einem Beugungsgitter erzeugt werden, das am Umfang einer drehenden Skala längs deren Drehrichtung ausgebildet ist, und Interferenz-Licht kann durch diese erneut gebeugten Lichtstrahlen gebildet werden. Auch kann eine Mehrzahl von derartigen optischen Systemen verwendet werden, um erneut gebeugte Lichtstrahlen an zwei Orten auf dem Beugungsgitter, die mit Bezug zur Drehmitte der drehenden Skala punktsymmetrisch sind, hervorzurufen, um dadurch ein Interferenz-Licht zu erzeugen, wobei die Größe der Drehung der drehenden Skala auf der Grundlage von Signalen gemessen werden kann, die durch eine lichtelektrische Umwandlung der kohärenten Lichtstrahlen durch die jeweiligen optischen Systeme erhalten werden.

Auch kann das optische System zur Ausbildung der beiden Lichtstrahlen verschiedene Ausgestaltungen annehmen, solange eine solche Aus­ gestaltung eine derartige Wirkung bieten kann, die dem des in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Gebers gleich ist.

Claims (15)

1. Optischer Geber, mit
einer Lichtquelle (1),
einem einen Lichtstrahl von der Lichtquelle in einen ersten Lichtstrahl (L1) sowie einen zweiten Lichtstrahl (L2) teilenden Strahlenteiler (9; 15),
einem optischen System (16, 51, 52; 51, 52, 101, 102), das den ersten sowie zweiten Lichtstrahl zu einem schrägen Auftreffen an im wesentlichen derselben Position auf einem bewegbaren Beugungsgitter (3) aus einer ersten und einer zweiten Richtung bringt, die zur ersten Richtung unterschiedlich ist, so daß der erste sowie zweite Lichtstrahl mittels des Beugungsgitters gebeugt werden und ein erster sowie ein zweiter gebeugter Licht­ strahl von dem Beugungsgitter in vorbestimmten Richtungen austreten,
einer Reflexionseinrichtung (20), die den ersten sowie zweiten gebeugten Lichtstrahl reflektiert und diese zu der genannten Position richtet, so daß der erste sowie zweite gebeugte Lichtstrahl mittels des Beugungsgitters (3) erneut gebeugt werden und ein erster erneut gebeugter Lichtstrahl sowie ein zweiter erneut gebeugter Licht­ strahl in der jeweils ersten bzw. zweiten Richtung vom Beugungsgitter (3) austreten, und
einer Lichtempfangseinrichtung (6, 71, 72, 81, 82), die den ersten sowie zweiten erneut gebeugten Lichtstrahl durch das optische System (16, 51, 52; 51, 52, 101, 102) und den Strahlenteiler (9; 15) hindurch empfängt,
wobei die Lichtempfangseinrichtung (6, 71, 72, 81, 82) ein durch Interferenz des ersten sowie zweiten erneut ge­ beugten Lichtstrahls gebildetes Interferenz-Licht licht­ elektrisch umwandelt und ein der Verlagerung des Beu­ gungsgitters (3) entsprechendes Signal ausgibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahlenteiler ein Polarisationsstrahlen­ teiler (9; 15) ist und
daß im optischen System (16, 51, 52; 51, 52, 101, 102) ein erstes λ/4-Plättchen (51) im Strahlengang des ersten Lichtstrahls (L1) und ein zweites λ/4-Plättchen (52) im Strahlengang des zweiten Lichtstrahls (L2) ange­ ordnet sind und
daß die Richtung der schnellen Achse des zweiten λ/4-Plättchens (52) für den zweiten Lichtstrahl gleich der Richtung der schnellen Achse des ersten λ/4-Plättchens (51) für den ersten Lichtstrahl ist,
so daß der erste und der zweite Lichtstrahl zueinander gegensinnig zirkular polarisiert sind und dadurch am Beu­ gungsgitter (3) reflektiertes Licht 0-ter Beugungsordnung nicht zu der Lichtempfangseinrichtung (6, 71, 72, 81, 82) gelangen kann.

2. Optischer Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (51, 52, 101, 102) einen ersten, im Strahlengang zwischen dem ersten λ/4-Plättchen (51) sowie dem Beugungsgitter (3) angeordneten, den ersten Lichtstrahl reflektierenden Umlenkspiegel (101) und einen zweiten, im Strahlengang zwischen dem zweiten λ/4-Plättchen (52) sowie dem Beugungsgitter (3) angeordneten, den zweiten Lichtstrahl reflektierenden Umlenkspiegel (102) umfaßt, wobei der erste und der zweite Umlenkspiegel die Einfallswinkel des ersten sowie zweiten Lichtstrahls auf das Beugungsgitter bestimmen.

3. Optischer Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (16, 51, 52) ein Prisma (16) mit einer ersten geneigten Fläche, die den in Reflexion geteilten, ersten Lichtstrahl (L1) bricht und zum Beugungsgitter (3) richtet, sowie mit einer zweiten geneigten Fläche aufweist, die den in Transmission geteilten, zweiten Lichtstrahl (L2) bricht und zum Beugungsgitter (3) richtet.

4. Optischer Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Laser (1) umfaßt.

5. Optischer Geber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein Halbleiterlaser (1) ist und daß ein das Laserlicht kollimierendes Kollimator­ objektiv (2) zwischen dem Laser und dem Polarisations­ strahlenteiler (9; 15) angeordnet ist.

6. Optischer Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Polarisations­ strahlenteiler (9; 15) und der Lichtempfangseinrichtung (6, 71, 72, 81, 82) ein weiteres λ/4-Plättchen (53) angeordnet ist.

7. Optischer Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangseinrichtung (6, 71, 72, 81, 82) einen zweiten Strahlenteiler (6), der das Interferenz-Licht in ein erstes sowie zweites Interferenz-Licht teilt, sowie einen ersten, das erste Interferenz-Licht empfangenden Fotodetektor (81) und einen zweiten, das zweite Interferenz-Licht empfangenden Fotodetektor (82) umfaßt.

8. Optischer Geber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strahlenteiler ein Halbspiegel (6) ist, daß zwischen dem Halbspiegel und dem ersten Fotodetektor (81) eine erste Polarisationsplatte (71) angeordnet ist und daß zwischen dem Halbspiegel (6) und dem zweiten Fotodetektor (82) eine zweite Polarisationsplatte (72) angeordnet ist, wobei der erste Fotodetektor (81) das vom Halbspiegel (6) transmittierte Interferenz-Licht erhält und der zweite Fotodetektor (82) durch die zweite Polarisationsplatte (72) das vom Halbspiegel (6) reflektierte Interferenz-Licht erhält und wobei der Polarisationsazimut der zweiten Polarisa­ tionsplatte (72) eine Neigung von 45° mit Bezug zum Polarisationsazimut der ersten Polarisationsplatte (71) hat, so daß der zweite Fotodetektor (82) ein Signal liefert, das zum Signal vom ersten Fotodetektor (81) eine Phasendifferenz von 90° aufweist.

9. Optischer Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Reflexionsein­ richtung (20) der erste sowie der zweite gebeugte Licht­ strahl auf einem gemeinsamen Weg verlaufen.

10. Optischer Geber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (16, 51, 52; 51, 52, 101, 102) sowohl den ersten als auch den zweiten Lichtstrahl derart auf die vorbestimmte Position richtet, daß der erste sowie zweite gebeugte Lichtstrahl senkrecht von dem Beugungsgitter (3) austreten.

11. Optischer Geber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionseinrichtung (20) den ersten sowie zweiten gebeugten Lichtstrahl derart reflektiert, daß diese Lichtstrahlen senkrecht auf das Beugungsgitter (3) auftreffen.

12. Optischer Geber nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionseinrichtung (20) eine Linse (11) und einen reflektierenden Spiegel (12) umfaßt.

13. Optischer Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite gebeugte Lichtstrahl in ±1.-Ordnung gebeugtes Licht sind.

14. Optischer Geber nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste erneut gebeugte Lichtstrahl ein durch Beugung des gebeugten Lichtes +1.-Ordnung erzeugtes erneut gebeugtes Licht +1.-Ordnung ist und daß der zweite erneut gebeugte Lichtstrahl ein durch Beugung des gebeugten Lichtes -1.-Ordnung erneut gebeugtes Licht -1.-Ordnung ist.

15. Optischer Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (3) Bestandteil einer Skala ist.