DE4030049A1

DE4030049A1 - Optischer bewegungsmelder

Info

Publication number: DE4030049A1
Application number: DE4030049A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Takagi; Atsushi Omura; Shigekazu Nakamura
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1989-09-21
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1991-04-04
Anticipated expiration: 2010-09-21
Also published as: US5073710A; DE4030049C2

Description

Die Erfindung betrifft optische Bewegungsmelder und insbe sondere Lasermeßgeber, die eine Punktlichtquellenbeugung benutzen.

In jüngster Zeit sind Drehmeßgeber als Sensor für einen Drehwinkel für die schnelle und genaue Positionierung in industriellen Robotern und numerisch gesteuerten Werkzeug maschinen und außerdem für eine weiche Geschwindigkeits steuerung von einem Bereich langsamer Geschwindigkeit bis zu einem Bereich hoher Geschwindigkeit eingesetzt worden. Die herkömmlichen magnetischen Drehmeßgeber und optischen Meßgeber sind empfindlich gegenüber Vibrationen und Stößen in höheren Auflösungsbereichen. Darüber hinaus haben sie eine ziemlich große Bauform und verursachen hohe Produk tionskosten, so daß sie verschiedene Voraussetzungen bei der Entwicklung von Automatisationstechnologien nicht er füllen können.

Unter diesem Gesichtspunkt ist z. B. in der japanischen Pa tentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 47 616/1988 eine weitere Type eines optischen Drehmeßgebers vorgeschla gen worden, der die Beugung von divergenten sphärischen Wellen aus einer kohärenten Punktlichtquelle einsetzt. Aufgrund der Beugung, die sich einer Punktlichtquelle bedient, ver schiebt sich ein Beugungsbild wie ein Projektionsbild in Abhängigkeit von der Verschiebung eines Beugungsgitters, das sich an einem Objekt befindet. In einem derartigen Fall kann das Beugungsbild oder das Interferenzbild durch das Verhältnis eines Abstandes zwischen einer Lichtquelle und einem Beu gungsgitter und einem weiteren Abstand zwischen dem Beu gungsgitter und einem Fotodetektor vergrößert werden. Des halb können feine Ortsveränderungen bzw. Mikrobewegungen eines Beugungsmusters oder -gitters sehr einfach ohne ein zusätzliches optisches Vergrößerungssystem erfaßt werden. Diese Type eines optischen Drehmeßgebers kann z. B. durch einen Halbleiterlaser und ein radiales Beugungsgitter kon struiert werden, das mehrere µm Teilung aufweist, um eine hohe Leistung und eine hohe Auflösungskraft zu erzielen. Diese Type eines Drehmeßgebers weist einen einfachen Auf bau auf und ist mit einem genügend großen Abstand zwischen einem Fotodetektor und einer Meßgeberplatte versehen, die das Beugungsgitter trägt, um mit Sicherheit unempfindlich gegenüber Stoß und Vibration zu sein.

Im allgemeinen kann der Drehmeßgeber der Type, die eine Punktlichtquellenbeugung benutzt, einen Meßgeberausgang mit hoher Auflösung erreichen, der ein Maß für die Rela tivbewegung ist, da das durch das Brechungsgitter geformte Interferenzbild klare Streifen und sehr enge Abstandsinter valle hat. Auf der anderen Seite ist die Meßgeberplatte außerdem mit einem Schlitz versehen, der die tatsächliche absolute Referenzposition anzeigt. Das einfallende Primär licht, das durch den Schlitz fällt und gebeugt wird, wird jedoch nicht so gebündelt, daß Sekundärlicht nicht eine markante Spitzenintensität hat, so daß die Referenzposition nicht genau festgestellt wird. Das Sekundärlicht, das durch den Referenzschlitz fällt, hat nämlich eine ziemlich breite Spitzenbreite, die mehrere Streifen des Intereferenzbildes enthalten würde, das durch das Beugungsgitter entsteht. Deshalb kann bei der Aufnahme der absoluten Referenzposition der Meßgeberplatte keine hohe Auflösungskraft erreicht werden, während das Beugungsgitter die genaue Feststellung einer relativen Bewegung der Meßgeberplatte ermöglicht.

Bei dem Meßgeber der Type, die eine Punktlichtquellenbeu gung einsetzt, wird außerdem ein divergentes Primärlicht auf das Beugungsgitter geworfen, so daß ein gebeugtes Sekun därlicht ebenso divergent ist. Ein Fotodetektor, der eine begrenzte Sensorfläche aufweist, kann deshalb nur einen geringen Teil des divergenten Sekundärlichtes empfangen.

Der Betrag an empfangenem Licht ist viel kleiner als der Betrag an dem Gesamtlicht, das von der Punktlichtquelle erzeugt wird, so daß der Wirkungsgrad weniger als 1% be trägt. Wenn der Fotodetektor lediglich eine Spur des Se kundärlichtes empfängt, muß die Detektorschaltung, die an dem Fotodetektor angeschlossen ist, eine heftige Verstär kung bewirken, wodurch ein guter Signal-Rausch-Abstand ver hindert wird und die Frequenzcharakteristiken verschlechtert werden.

Angesichts der vorangehend beschriebenen Nachteile des Stan des der Technik besteht eine erste Aufgabe der Erfindung darin, allgemein die Auffangeffektivität von sekundärem Licht von der Meßgeberplatte zu dem Fotodetektor zu ver größern, um die Meßgenauigkeit zu verbessern.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere da rin, ein konvergentes holographisches Linsengitter direkt auf der Meßgeberplatte vorzusehen, um die Sammeleffizienz des Sekundärlichtes zu vergrößern.

Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht ganz besonders darin, an einer vorgegebenen Referenzposition oder an einem vorgegebenen Referenzpunkt der Meßgeberplatte ein holographi sches Linsengitter lokal zu formen, um die Bestimmungsge nauigkeit des Referenzpunktes zu verbessern.

Eine vierte Aufgabe der Erfindung besteht vor allen Dingen darin, ein planes, holographisches Linsengitter in Über lagerung mit dem Beugungsgitter zu formen, um das Beugungs bild auf eine Fläche des Fotodetektors zu fokussieren. Weitere Aufgaben werden in Verbindung mit der nachfolgenden Beschrei bung und der Zeichnung deutlich.

Nach einem ersten Vorschlag der Erfindung wird lokal ein holographisches Linsengitter auf der Meßgeberplatte oder dem Verschiebeglied in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Beugungsgitter geformt. Ein Zentrum des holographischen Linsengitters ist an einem vorgegebenen Referenzpunkt des Verschiebegliedes positioniert. Jedesmal wenn das holographi sche Linsengitter einfallendes Licht durchquert, wird das einfallende Licht gebündelt, um ein Referenzpunktbild in einem vorgegebenen Abstand entlang der optischen Achse zu formen, die durch eine Lichtquelle und das Zentrum des holographischen Linsengitters verläuft. Das holographische Linsengitter arbeitet auf der Basis von Interferenz von kohärentem Licht, was ebenso für das benachbarte Beugungs gitter zutrifft, wodurch exzellente optische Konvergenz erreicht wird, so daß eine Spitzenbreite des Referenz punktbildes dieselbe Größe aufweist oder kleiner ist als die Streifenteilung eines Interferenzbildes, das durch das Beugungsgitter gebildet wird. Ein stationärer Schlitz ist auf einer Ebene des Referenzpunktbildes angeordnet, und ein Fotodetektor ist hinter dem Schlitz angeordnet, um das Punktbild durch den Schlitz selektiv zu empfangen, so daß er ganz genau den Referenzpunkt des Verschiebegliedes erfaßt.

Gemäß einem zweiten Vorschlag der Erfindung ist die Meßgeber platte mit einem eindimensionalen Beugungsgitter in Form von Schlitzen mit vorgegebener Teilung versehen, um ein fallendes divergentes Licht in ein divergierendes gebeug tes Licht umzuwandeln, das dafür sorgt, daß ein vergrößertes Interferenzbild an einer vorgegebenen Position in der Form von Streifen mit einer vergrößerten Teilung gebildet wird. Dieses Interferenzbild wechselt die Hell-Dunkel-Zonen in Abhängigkeit von der Verschiebung der Meßgeberplatte oder des Verschiebegliedes, wodurch die Feststellung einer Bewegung der Meßgeberplatte ermöglicht wird. Außerdem wird ein pla nes holographisches Linsengitter auf derselben Fläche der Meßgeberplatte geformt, und zwar in überlagernder Relation zu dem Beugungsgitter, in Form von Schlitzen, die so angeordnet sind, daß vorgegebene Abstände entlang einer Richtung entstehen, die vertikal zu den Schlitzen des Beugungsgitters angeordnet sind. Das holographische Linsengitter empfängt das divergente einfallende Licht, um seine Beugung und Konvergenz zu bewirken. Als Folge davon wird das divergente gebeugte Licht, das durch das eindimensionale Beugungsgitter geformt wird, gleichzeitig durch das holographische Linsengitter in der Richtung konver giert, die vertikal zur Bewegungsrichtung verläuft. Deshalb wird das daraus resultierende Interferenzbild lediglich in der Normal- bzw. Orthogonalrichtung gemäß der orthogonalen Anordnung des holographischen Linsengitters zusammengezogen. Andererseits wird die vergrößerte Teilung des Interferenzbildes erhalten, soweit es sich in Verschiebungsrichtung erstreckt. Während also die Verschiebungsinformation in Verschiebungs richtung der Meßgeberplatte nicht verschlechtert wird, kann das Interferenzbild lediglich in der orthogonalen Richtung zusammengezogen bzw. konzentriert werden, wodurch die Nutzung des einfallenden divergenten Lichtes verbessert wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Die Fig. 1 bis 8 beziehen sich auf einen ersten Vorschlag der Erfindung, wobei

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Laser-Rotationsmeßgebers ist;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Detektorschaltung, die in dem Laser-Rotationsmeßgeber gemäß der Fig. 1 eingesetzt wird;

Fig. 3 ist eine vergrößerte Teil-Draufsicht, die ein Beu gungsgitter und ein holographisches Linsengitter zeigt, die auf einer Rotationsscheibe aufgebracht sind;

Fig. 4 ist ein Anschauungsdiagramm zur Verdeutlichung der Anordnung von Komponenten des Laser-Rotationsmeßgebers;

Fig. 5 ist ein Anschauungsdiagramm zur Verdeutlichung der Berechnung des Radius von jedem Ringschlitz des holographischen Linsen gitters;

Fig. 6 ist ein Anschauungsdiagramm zur Verdeut lichung der Verteilung der Lichtintensität eines Referenz punktbildes, das durch das holographische Linsengitter der Fig. 3 geformt worden ist;

Fig. 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Laser-Linearmeßgebers; und

Fig. 8 ist ein Anschauungsdiagramm zur Verdeutlichung des Prinzips des Laser-Meßgebers, der eine Punktlichtquellen beugung benutzt.

Die Fig. 9 bis 11 betreffen einen zweiten Vorschlag der vorliegenden Erfindung, wobei

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form eines Laser-Rotationsmeßgebers wiedergibt;

Fig. 10 ist eine vergrößerte Teil-Draufsicht zur Verdeutlichung der Anordnung eines eindimensionalen Beugungsgitters und planen holographischen Linsengitters, die in dem Laser-Rotationsmeß geber eingesetzt werden; und

Fig. 11 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung der Funktion des holographischen Linsengitters.

Die Fig. 12 bis 14 beziehen sich auf eine komplette Einheit eines Laser-Meßgebers, der in einem Zylinder untergebracht ist, wobei

Fig. 12 eine Querschnittsansicht der kompletten Einheit des Laser-Meßgebers ist;

Fig. 13 ist eine Teil- Querschnittsansicht, die eine Aufbaustruktur einer Laser-Diode wiedergibt; und

Fig. 14 ist ein Anschauungsdiagramm zur Verdeutlichung der Funktion der kompletten Einheit des Laser- Meßgebers.

Die Fig. 15 bis 18 beziehen sich auf eine Abwandlung des Laser-Rotationsmeßgebers, wobei

Fig. 15 ein schematisches Diagramm zur Verdeutlichung der Konstruktion des Laser-Rota tionsmeßgebers ist;

Fig. 16 ist ein schematisches Diagramm zur Verdeutlichung der Anordnung einr Maske und eines Fotode tektors, die in dem Laser-Rotationsmeßgeber verwendet werden;

Fig. 17 ist ein detailliertes Schaltdiagramm, das die Detek torschaltung des Laser-Rotationsmeßgebers zeigt; und

Fig. 18 ist ein Wellenformdiagramm, das die Funktionen des Detek torschaltkreises zeigt.

Die Fig. 19 bis 23 beziehen sich auf eine weitere Abwand lung des Laser-Rotationsmeßgebers, wobei

Fig. 19 eine sche matische perspektivische Ansicht ist, die die Konstruktion des Laser-Rotationsmeßgebers zeigt;

Fig. 20 ist eine Ansicht zur Verdeutlichung einer stationären Maske und eines Foto detektors des Laser-Rotationsmeßgebers;

Fig. 21 ist ein detailliertes Blockschaltbild eines Detektorschaltkreises in dem Laser-Rotationsmeßgebers;

Fig. 22 ist ein Wellenform diagramm zur Verdeutlichung der Funktion des Detektorschalt kreises; und

Fig. 23 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel des Detektorschaltkreises zeigt.

Die Fig. 24 bis 28 beziehen sich auf eine weitere Abwand lung des Laser-Rotationsmeßgebers gemäß der Erfindung, wobei

Fig. 24 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die die Konstruktion des Laser-Rotationsmeßgebers zeigt;

Fig. 25 ist ein Anschauungsdiagramm zur Verdeutlichung der Anordnung einer stationären Maske und eines Fotodetek tors in dem Laser-Rotationsmeßgeber;

Fig. 26 ist ein de tailliertes Schaltkreisdiagramm, das einen Detektorschalt kreis des Laser-Rotationsmeßgebers zeigt;

Fig. 27 ist ein Wellenformdiagramm, das die Funktion des Detektorschaltkreises zeigt; und

Fig. 28 ist ein Anschauungsdiagramm, das die Anfallzeiten von Detektorpulsen anzeigt.

Die Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel des Laser-Rotationsmeßgebers gemäß dem ersten Vorschlag der Erfindung zeigt. Der Laser- Rotationsmeßgeber hat eine Punktlichtquelle 1, die z. B. aus einem Halbleiterlaser besteht. Die Punktlichtquelle 1 emittiert ein kohärentes Primärlicht, das eine Wellenlänge von λ = 780 nm innerhalb eines gegebenen festen Strahl winkels aufweist. Ein Verschiebeglied 2 in der Form einer Rotationsscheibe ist in einem vorgegebenen Abstand L von der Lichtquelle 1 angeordnet. Die Scheibe 2 trägt auf ihrem kreisringförmigen Umfang ein Beugungsgitter oder Beugungs muster 3 in der Form einer Mehrzahl von radial angeordneten Schlitzen entlang der Kreisringperipherie. Das Beugungsgitter 3 hat eine vorgegebene Teilung T der radialen Schlitze und durchquert einen optischen Pfad aus der Lichtquelle 1 mit der Rotation der Scheibe 2, um eine vergrößerte Beugung oder ein Interferenzbild in einem vorgegebenen Abstand M von der Scheibe 2 zu bilden. Das Interferenzbild wechelt seine Hell-Dunkel-Zonen in Abhängigkeit von der Winkelbewegung des Beugungsgitters 3 auf der Scheibe 2. Eine stationäre Maske 4 ist in einem Abstand M angeordnet. Die Maske 4 stellt ein Ortsfrequenzfilter dar, der eine Ortsfrequenz entsprechend einer Teilung P der Streifen des Interferenzbildes aufweist. Ein Potodetektor 5 ist hinter der Maske 4 angeordnet, um das gebeugte Licht oder Sekundärlicht durch Schlitze auf der Maske 4 zu empfangen, so daß ein Wechselstromsignal ent sprechend dem periodischen Intensitätswechsel des empfan genen Sekundärlichtes produziert wird. Eine Drehgeschwin digkeit der Meßgeber-Rotationsscheibe 2 kann nach einer Frequenz des Wechselstromsignals festgestellt werden, und die Winkelverstellung der Rotationsscheibe 2 kann gemäß der Amplitudenanzahl des produzierten Wechselstromsignals festgestellt werden.

Ein lokales holographisches Linsenmuster oder Linsengitter 10 ist an einer vorgegebenen Referenzposition auf der Scheibe 2 unmittelbar benachbart zu dem kreisringförmigen Beugungs gitter 3 und radial einwärts davon aufgebracht. Das lokale holographische Linsengitter 10 kann einen wirksamen Quer schnittsbereich eines Strahles aus Primärlicht kreuzen, das von der Punktlichtquelle 1 emittiert wird. Jedesmal, wenn das lokale holographische Linsengitter 10 den Lichtpfad durch quert, wird der einfallende Teil des Primärlichtes in ein Sekundärlicht verwandelt, das dazu dient, ein Referenzpunktbild zu bilden, das eine sehr scharfe Spitzenbreite in einem Abstand M aufweist. Eine weitere stationäre Maske 8 ist an einer Stelle des Referenzpunktbildes angeordnet. Die Maske 8 trägt einen Schlitz, dessen Öffnungsbreite einer Abmessung des Punktbildes entspricht. Ein weiterer Fotodetektor 9 ist unmittelbar hinter der Maske 8 angeordnet, so daß er einen Teil des Sekundärlichtes empfängt, das durch die Maske 8 hindurchtritt, so daß er ein entsprechendes Pulssignal abgibt. Wie später noch beschrieben wird, ist das holographi sche Linsengitter 10 so beschaffen, daß es das Punktbild an dem vorgegebenen Abstand M von der Meßgeberplatte 2 bildet.

Bevor die Fig. 2 beschrieben wird, werden einige Erklärungen zum Prinzip des Lasermeßgebers gegeben, der die Punktlicht quellenbeugung einsetzt, und zwar mit Bezug auf die Fig. 8, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Eine Punktlichtquelle O emittiert ein kohärentes Primärlicht, das eine Wellenlänge λ entlang der optischen Achse aufweist. Ein eindimensionales Beugungsgitter ist im Abstand L von der Lichtquelle O angeordnet, das in entgegengesetzte Rich tungen bewegt werden kann, was durch einen doppelköpfigen Pfeil angedeutet ist. Das Beugungsgitter oder -muster be steht aus einer Vielzahl von Schlitzen, die mit einer Tei lung T angeordnet sind. Das kohärente Primärlicht bildet dieses sich bewegende Beugungsgitter ab, so daß ein Inter ferenz- oder Beugungsbild im Abstand M von dem Beugungs gitter abgebildet wird. Das Interferenzbild besteht aus Streifen aus dunklen und hellen, sich abwechselnden Bändern, die gemäß einer vorgegebenen Ortsfrequenzperiode P angeordnet sind. Dieses Interferenzbild ist eine vergrößerte Projektion des Beugungsgitters und wechselt seine Hell-Dunkel-Zonen in Abhängigkeit von der Bewegung des Beugungsgitters.

Um ein klares und scharfes Interferenzbild zu bekommen, muß die folgende Gleichung (1) gemäß der Fresnelschen Beugungs theorie erfüllt sein:

Insbesondere die einzelnen Parameter L, M, λ und T des Ro tationsmeßgebers sind so gewählt, um die Gleichung (1) zu erfüllen, so daß ein klares Interferenzbild entsteht. In diesem Fall hat das Interferenzbild eine Ortsfrequenzperiode oder eine Teilung P, die nach der folgenden Gleichung (2) bestimmt werden kann:

Wie durch die Gleichung (2) vorgegeben, ist die Teilung P des Interferenzbildes mal so groß wie die Teilung T des Beugungsgitters.

Zurück zur Fig. 2. Die Beschreibung wird für die Funktion der Feststellung einer Referenzposition auf dem Verschiebe glied oder der Scheibe 2 bei dem Lasermeßgeber gemäß der Fig. 1 gegeben. Die Fig. 2 zeigt einen Detektorschaltkreis zur Verarbeitung eines Detektorsignals, das von dem Fotode tektor 9 ausgegeben wird, um ein Referenzpulssignal Z hervor zubringen, das eine Anzeige für den Scheibenreferenzpunkt ist. Dieser Detektorschaltkreis besteht aus einem Verstärker 11, der an dem Fotodetektor 9 in Form einer Fotodiode ange schlossen ist, und einem Vergleicher 12, der in Serie an dem Verstärker 11 angeschlossen ist. Wie in der Fig. 2 angedeutet, gibt der Fotodetektor 9 ein Detektorsignal aus, das eine Impulswellenform aufweist, und die Impulsbreite ist ziemlich schmal im Vergleich zu einem Durchmesser des Punktbildes, das durch das holographische Linsenmuster ge bildet wird, wenn es mit dem Stand der Technik verglichen wird. Dieses Detektorsignal wird durch den Verstärker 11 verstärkt und in den Vergleicher 12 eingegeben, wo das Sig nal in einen rechteckigen Referenzpositionpuls Z umgeformt wird, der während einer sehr geringen Winkelbewegung an fällt.

Als nächstes wird eine Beschreibung für die Abmessung und Form des lokalen holographischen Linsengitters 10 gegeben. Die Fig. 3 ist eine vergrößerte Teil-Draufsicht auf die Meßgeberscheibe 2, die in der Fig. 1 wiedergegeben ist. Das Beugungsgitter 3 besteht aus einer Mehrzahl von Streifen schlitzen, und das benachbarte holographische Linsengitter 10 besteht aus einer Vielzahl von koaxialen Kreisschlitzen. Diese Streifenschlitze und Kreisschlitze sind gleichzeitig auf dieselbe Fläche einer Glassubstratscheibe durch eine Feinfotolithographie und eine Ätztechnologie aufgebracht. Das kohärente Licht, das aus der Punktlichtquelle 1 unter einem vorgegebenen festen Winkel emittiert wird, bestrahlt gleichzeitig das Beugungsgitter und das holographische Lin sengitter 10. Bei dieser Anordnung ist ein größerer Teil des effektiven Querschnitts des einfallenden Lichtes einem Bereich des Beugungsgitters 3 und ein kleinerer Teil dessen einem Bereich des holographischen Linsengitters 10 zugeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel hat deshalb die holographische Linse keine komplette Kreisform sondern eine rechteckig beschnittene Form, die 0,5 mm lang ist und 0,125 mm breit ist. Generell hat ein ideales holographisches Linsengitter einen großen Öffnungsdurchmesser und eine perfekte Kreisform. Wenn jedoch die Öffnungsgröße erweitert wird, wird die Tei lung der Kreisschlitze auf dem Umfang so eng, wodurch Her stellungsschwierigkeiten heraufbeschworen werden. Zusätzlich wäre es nicht effektiv, die Größe der Öffnung über die effek tive Querschnittsfläche des einfallenden Lichtstrahles hinaus zu vergrößern.

Die Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das die geometri sche Anordnung von Komponenten des Rotationsmeßgebers der Fig. 1 zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Abstand L auf L = 1,45 mm zwischen dem Ursprung O der Punktlichtquelle 1 und dem Verschiebeglied 2 eingestellt. Dieser Abstand L schließt 0,25 mm der Dicke der Scheibe 2 ein, die aus Glas besteht und einen Brechungsindex von 1,51 hat. In einem solchen Fall muß der Wert L in der Einheit der optischen Länge in den vorhergehend erwähnten Gleichungen (1) und (2) berücksichtigt werden. Der Abstand M ist auf M = 19,46 mm zwischen der Scheibe 2 und der stillstehenden Maske 4 einge stellt. Die Teilung T des Beugungsgitters 3 beträgt T = 5,5 µm. Gemäß der Gleichung (2) wird die Teilung P der Streifen des Interferenzbildes zu P = 83,647 µm berechnet, und zwar durch Benutzung der Werte der verschiedenen Parameter wie oben angegeben. Wenn die Scheibe 2 in Winkelrichtung um eine Teilung von 5,5 µm verdreht wird, verschiebt sich das Interferenzbild um ca. 80 µm an Strecke entlang der still stehenden Maske 4.

Wie in der Fig. 4 dargestellt ist, ist die weitere statio näre Maske 8 auf derselben Ebene zur Filterung des Referenz punktbildes neben der stationären Maske 4 angebracht, die das Interferenzbild filtert. Um in einem solchen Fall den Referenzpunkt der Rotationsscheibe 2 mit einer Genauigkeit zu erfassen, die höher ist als die Auflösung des Interferenz bildes, d. h. der Streifenteilung P, kann das holographische Linsengitter ein Referenzpunktbild bilden, das z. B. einen Punktdurchmesser von 40 µm auf der stationären Maske 8 hat. Deshalb ist die stationäre Maske 8 mit einem Schlitz geformt, dessen Öffnungsweite ca. 40 µm beträgt.

Bei der geometrischen Anordnung, die in der Fig. 4 gezeigt ist, wird die nachfolgende Gleichung (3) zwischen dem Öff nungsradius R des holographischen Linsenmusters 10 und dem Punktdurchmesser S des Referenzpunktbildes wie folgt berück sichtigt:

Der Radius R wird zu R = 0,311 mm berechnet unter Benutzung der Gleichung (3), und zwar durch Festlegen der Parameter M = 19,46 mm, S = 40 µm und λ = 780 nm. Das holographische Linsengitter hat deshalb bei idealen Verhältnissen einen Öffnungsdurchmesser von 0,622 mm. Wenn jedoch, wie voran gehend beschrieben, der Öffnungsdurchmesser auf 0,622 mm gebracht wird, ist die Teilung der Ringschlitze zu eng an der Peripherie des holographischen Linsengitters. Deshalb wird das holographische Linsengitter zu einer Rechteckform beschnitten, die 0,5 mm lang ist und 0,125 mm breit ist, wie in der Fig. 3 gezeigt ist.

Bei der geometrischen Anordnung, bei der die stationaren Masken 4 und 8 auf derselben Ebene in einem Abstand N von N = 5 mm angeordnet sind, wird ein Abstand D auf D = 0,347 mm zwischen einer optischen Achse, die durch das Beugungs gitter 3 verläuft und einer anderen optischen Achse, die durch das Zentrum des holographischen Linsengitters 10 ver läuft, festgesetzt, und zwar gemäß der proportionalen Re lation zu dem Abstand N, wie in Fig. 4 gezeigt.

Das holographische Linsengitter 10 besteht aus einer Mehr zahl von Ringschlitzen, die koaxial um die optische Achse angeordnet sind, die im Zentrum des Gitters 10 liegt. Der Radius R_I jedes Ringschlitzes ist so angeordnet, daß Licht komponenten, die die entsprechenden Ringschlitze passieren, positiv mit jedem anderen interferieren, um ein Punktbild auf der Maske 8 zu bilden. Im Bezug auf Fig. 5 wird eine derartige Bedingung durch die folgende Gleichung (4) be schrieben:

A + B = (K₀ + I)λ (4)

worin I = 0, 1, 2, . . . ist.

Um der Gleichung (4) zu genügen, muß der Radius R_I jedes Ringschlitzes gemäß der folgenden Gleichung (5) angeordnet sein:

worin

worin R_I = R₀ ist, wenn I = 0 ist.

Die Gleichung (5) kann durch die folgende Gleichung (6) angenähert werden:

Folglich kann der Radius R_I jedes Ringschlitzes nach der Gleichung (6) berechnet werden durch Festsetzen der vorge gebenen Werte zu den einzelnen Parametern, die in der Glei chung (6) erscheinen.

Die Fig. 6 zeigt eine Lichtintensitätsverteilung eines Punktbildes, das durch das holographische Linsengitter 10 gebildet ist, wobei es in Abmessung und Form wie voran gehend beschrieben festgelegt ist. Die Intensitätsverteilung des Punktbildes hat eine ziemlich scharfe Spitze, die die Feststellung des Referenzpunktes auf der Verschiebungsscheibe mit derselben Genauigkeit oder mit einer höheren Genauig keit gestattet als die Auflösekraft des Beugungsgitters.

Schließlich ist die Fig. 7 eine schematische perspektivi sche Ansicht, die einen Laser-Linearmeßgeber gemäß dem ersten Vorschlag der Erfindung zeigt. Der lineare Meßgeber besteht aus einer Punktlichtquelle 1 zur Aussendung eines kohärenten Lichtes, einem länglichen Bewegungsglied 2, das linear in entgegengesetzte Richtungen verschiebbar ist, einem eindimen sionalen Beugungsgitter 3, das auf dem Verschiebeglied geformt ist, einer stationären Maske 4 zur Filterung eines Interferenz bildes, das durch das Beugungsgitter oder -muster 3 gebildet ist, und einem Fotodetektor 5, der so angeordnet ist, daß er das Interferenzbild durch die Maske 4 empfängt, um ein entspre chendes Wechselstrom-Detektorsignal zu erzeugen. Zusätzlich ist ein holographisches Linsengitter 10 unmittelbar über dem eindimensionalen Beugungsgitter 3 angeordnet, um ein Punktbild zu liefern. Eine weitere stationäre Maske 8 ist so angeordnet, daß sie das Punktbild filtert. Ein weiterer Fotodetektor 9 ist hinter der Maske 8 angeordnet, um das Punktbild durch die Maske 8 zu empfangen, so daß er ein Detektorpulssignal aus sendet, das eine Anzeige für die Passage des Referenzpunktes auf dem linearen Verschiebeglied 2 ist.

Bei den Ausführungsbeispielen, die in den Fig. 1 bis 7 gezeigt sind, wird eine Punktlichtquelle eingesetzt, um ein kohärentes Licht aus einer sphärischen Wellenform zu bilden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es kann ein ande res kohärentes Licht einer ebenen Wellenfront genausogut eingesetzt werden. In einem solchen Fall bewirkt das Beu gungsgitter keine Vergrößerungsfunktion für das ebene Wel lenfrontlicht, so daß die Öffnungsgröße des holographischen Linsengitters vergrößert werden muß, um das einfallende Licht intensiv zu konzentrieren.

Als nächstes wird die Beschreibung auf den zweiten Vorschlag der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Fig. 9 bis 11 gerichtet. Die Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Rotationsmeßgeber gemäß dem zweiten Vor schlag der Erfindung zeigt. Der Rotationsmeßgeber ist mit einer Punktlichtquelle 21 zur Aussendung eines kohärenten Primärlichtes in divergierender Form versehen. Die Punkt lichtquelle 21 besteht z. B. aus einem Halbleiterlaser, der ein kohärentes Wellenlicht erzeugt, das eine Wellenlänge von λ = 830 nm aufweist. Ein Verschiebeglied 22 ist in einem Abstand L von der Punktlichtquelle 21 angeordnet, um eine Winkelverstellung durch einen Teil des divergenten Primärlichtes auszuführen. Das Verschiebeglied 22 besteht aus einer Rotatiomsscheibe. Auf der Rotationsscheibe ist ein eindimensionales Beugungsgitter 23 aufgebracht. Das Beugungsgitter 23 besteht aus einer Vielzahl von radialen Schlitzen, die unter einer Teilung T in Richtung der Ver stellung der Rotationsscheibe angebracht sind, also in Um fangsrichtung der Rotationsscheibe. Außerdem ist ein planes holographisches Linsengitter 24 auf derselben Fläche der Rotationsscheibe in überlagerter Relation zu dem eindimen sionalen Beugungsgitter aufgebracht. Das holographische Lin sengitter 24 besteht aus einer Vielzahl von koaxialen Kreis schlitzen, die in vorgegebenen Abständen in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung, d. h. also in radialer Richtung der Scheibe angebracht sind. Das eindimensionale Beugungsgitter 23 dient dazu, das Primärlicht oder das diver gente einfallende Licht zu beugen, um ein vergrößertes Inter ferenzbild hervorzurufen, das eine vergrößerte Teilung der Interferenzstreifen in einem vorgegebenen Abstand M in der axialen Richtung aufweist. Dieses Interferenzbild hat helle und dunkle, sich abwechselnde Bänder und ändert die Hell- Dunkel-Zonen in Abhängigkeit von der Winkelverstellung der Scheibe. Auf der anderen Seite bündelt das holographische Linsengitter 24 das Sekundärlicht, also das gebeugte Licht ausschließlich in der radialen Richtung, wodurch eine Variation in der Teilung des Interferenzbildes entlang der Umfangsrich tung vermieden wird. Eine stationäre Maske 25 ist in der Bild ebene des Interferenzbildes angeordnet. Die Maske 25 trägt einen einzigen Schlitz oder eine Vielzahl von Schlitzen, die eine Ortsfrequenz aufweisen, die der Teilung des Inter ferenzbildes entspricht. Als Folge davon wird die Maske 25 als ein Ortsfrequenzfilter eingesetzt, das in der Lage ist, selektiv das hell-dunkel-wechselnde Interferenzbild durchzulassen. Ein Fotodetektor 26 ist unmittelbar hinter der stationären Maske 25 angeordnet, um das gefilterte Inter ferenzbild zu empfangen, um ein Wechselstrom-Detektorsignal hervorzubringen, das dem periodischen Wechsel der aufgefan genen Lichtintensität entspricht. Das Wechselstrom-Detektor signal hat eine Frequenz, die ein Hinweis auf die Drehge schwindigkeit der Rotationsscheibe 22 ist und eine Anzahl von Amplituden, die ein Zeichen für die Größe der Winkelver stellung der Rotationsscheibe ist. Der Fotodetektor 26 empfängt das Sekundärlicht, das lediglich in radialer Richtung der Scheibe gebündelt ist, d. h. in einer Richtung orthogonal zu der Verstellrichtung, um die Empfangseffizienz des Sekundär lichtes zu verbessern.

Die Fig. 10 ist eine vergrößerte Teil-Draufsicht auf die Rotationsscheibe 22, die die Schlitzanordnung des eindimen sionalen Beugungsgitters 23 und des holographischen Linsen gitters 24 zeigt. Wie in der Figur wiedergegeben, besteht das eindimensionale Beugungsgitter 23 aus einer Mehrzahl von Schlitzen, die unter einer konstanten Steigung T ent lang der Verstellrichtung der Scheibe, also in horizontaler Richtung in der Figur angeordnet sind. Die Teilung T ist auf 30 µm an dem radialen Mittenabschnitt des Beugungsgitters festgesetzt. Andererseits besteht das holographische Lin sengitter 24 aus einer Vielzahl von Schlitzen, die mit va riierenden Abständen entlang der Radialrichtung, also in vertikaler Richtung der Figur angeordnet sind. Die hori zontalen und vertikalen Schlitze können gleichzeitig auf dieselbe Fläche der Rotationsscheibe aufgebracht werden, die aus einem Glassubstrat besteht, und zwar durch eine Feinfotolithographie und durch eine Ätztechnologie.

Die Fig. 11 ist ein Anschauungsdiagramm, um die Funktion des holographischen Linsengitters zu zeigen. In der Fig. 11 bezeichnet L den Abstand zwischen der Lichtquelle O und der Rotationsscheibe, während M den Abstand zwischen der Rotationsscheibe und der Ebene des Interferenzbildes be zeichnet. X bezeichnet außerdem einen Radius jedes Ring schlitzes des holographischen Linsengitters. Der Wert X ist für jeden Ring genau festgelegt, damit die entspre chenden gebeugten Lichtkomponenten, die durch entsprechende Ringschlitze hindurchgehen, intensiv miteinander auf der Bildebene interferieren, wodurch eine Bündelung des Lichtes in radialer Richtung bewirkt wird. In diesem Fall wird der Bündelungseffekt lediglich in radialer Richtung der Ring schlitze erzielt, nicht jedoch in der Umfangsrichtung der Ringschlitze. Deshalb funktioniert das holographische Lin sengitter in ähnlicher Weise wie eine regelmäßige zylindri sche Linse aus Vollmaterial. Es ist möglich, eine derartige zylindrische Linse zwischen die Rotationsscheibe und die Interferenzbildebene statt des holographischen Linsengitters gemäß der Erfindung einzusetzen, um die Bündelung des Sekun därlichtes zu bewirken; ein derartiger Aufbau wäre jedoch mit Blick auf das Anwachsen der Anzahl der Bauteile und der notwendigen Einstellungsschritte nachteilig.

Damit das holographische Linsengitter die erwünschte Bünde lung des Lichtes auf einer vorgegebenen Interferenzbildebene bewirkt, muß die folgende Gleichung (7) erfüllt sein:

in der I eine ganze Zahl und K₀ eine Konstante bezeichnet. Wenn I = 0 ist, wird X zu 0 angenommen, also X = 0. Dann wird die Gleichung (7) verändert in L + M = 2πK₀λ. In dieser Weise wird die Konstante K₀ festgelegt zu

Da näherungsweise gelten kann, daß X « L und X « M, kann die Gleichung (7) angenähert werden durch die folgende Gleichung (8):

Wenn z. B. die Teilung T des eindimensionalen Brechungsgitters auf T = 30 µm festgelegt wird und die Wellenlänge λ des Primärlichtes λ = 830 nm bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt, errechnet sich der Abstand L zu L = 6 mm und der andere Abstand M errechnet sich zu M = 55 mm gemäß der vor angehend erwähnten Gleichung (1). Unter Benutzung dieser Werte für L und M kann der Wert von X für jede Zahl von I gemäß der Gleichung (8) berechnet werden, deren Ergebnisse in der folgenden Tabelle zusammengefaßt sind:

Tabelle

Fig. 10 zeigt ein Beispiel eines holographischen Linsengitters, das mit unterschiedlichen Abständen gebildet ist, die in der voranstehenden Tabelle aufgeführt sind.

Diese Type eines holographischen Linsengitters hat eine optische Sammeleffektivität E, die durch die folgende Glei chung (9) definiert ist:

in der D eine effektive Lichtaufnahmedimension des Fotodetek tors bezeichnet. Wenn der Wert D mit D = 1 mm festgelegt wird und der Wert X mit X = ± 0,6 mm bestimmt wird, errechnet sich die optische Sammeleffektivität E zu E = 6,1 unter Benutzung der Gleichung (9), in der L mit 6 mm und M mit 55 mm festgelegt ist. Insbesondere das Sekundärlicht von dem Brechnungsgitter kann effektiv ca. 6 mal so gut aufge fangen werden als in einem Fall ohne das holographische Linsengitter.

Als nächstes wird anhand der Fig. 12 eine Beschreibung für eine Konstruktion einer kompletten Einheit eines Laser- Rotationsmeßgebers beschrieben, der in einem Zylindergehause zusammengebaut ist. Die Lasermeßgebereinheit ist mit einer Lichtquelle in Form einer Laserdiode 31 versehen, um einen kohärenten Lichtstrahl auszusenden, der eine temperaturab hängige Wellenlänge hat. Die Laserdiode 31 ist in einem Halter 32 gehalten. Zwischen einem Boden des Halters 32 und einem Sockel 33 befindet sich ein Ausgleichsglied 34. Der Sockel 33 besteht z. B. aus Metall wie Aluminium, und das Ausgleichsglied 34 besteht z. B. aus einem Kunststoffma terial. Das Ausgleichsglied hat einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der deutlich größer ist als der des Sockelmaterials, um eine wirksame Kompensation der Wellen länge bzgl. der Umgebungstemperatur zu bewirken. Das Kunst stoffmaterial kann z. B. ein Polybutylenterephtalat sein.

Auf der optischen Achse ist in einem Abstand L von der Laser diode eine Meßgeberplatte oder -scheibe 35 angeordnet. Die Meßgeberscheibe 35 ist an einem Ende einer drehbaren Welle 36 befestigt und bewegt sich quer zur optischen Achse in Winkelrichtung bei einer Rotation der Welle 36. Auf einer Peripherie der Scheibe 35 in Umfangsrichtung ist ein eindi mensionales Beugungsgitter oder -muster aufgebracht. Dieses Beugungsgitter beugt einen kohärenten, einfallenden Licht strahl, um ein Interferenzbild vor der optischen Achse zu bilden. Dieses Interferenzbild wechselt seine Hell-Dunkel- Zonen in Abhängigkeit von der Winkelbewegung der Meßgeber scheibe 35. Die Welle 36 ist an ihrem einen Ende mit einer Rotorbüchse 37 verbunden und drehbar in dem Sockel 33 mit Hilfe eines Lagerpaares 38 gehalten.

Eine plattenförmmige Maske in Form einer Ortsfrequenzmaske 39 ist in einem Abstand M vor der Meßgeberscheibe 35 in der optischen Achse angebracht. Das Ortsfrequenzgitter 39 wird durch ein Stützglied 40 gehalten, um das Interferenz bild zu filtern. Ein Fotodetektor 41 in Form einer Fotodiode usw. ist unmittelbar neben dem Ortsfrequenzgitter 39 ange bracht. Der Fotodetektor 41 empfängt das gefilterte Inter ferenzbild, um ein entsprechendes elektrisches Signal auszu senden. Ein Prozessor 32 verarbeitet das elektrische Signal zu einem Meßgeberausgangssignal, das ein Maß ist für eine Winkelverstellung der Meßgeberscheibe 35. Diese Bauteile werden wie oben beschrieben, miteinander zusammengebaut und dann in das Zylindergehäuse 43 eingebracht. Das Gehäuse 43 ist mit einem Kabel 44 zur äußeren elektrischen Verbin dung versehen, um die Übertragung des Meßgeberausgangs und die Versorgung mit elektrischer Energie zu bewirken.

Die Fig. 13 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau der Laserdiodenhalterung der Einheit gemäß der Fig. 12 zeigt. Wie deutlich zu sehen ist, ist die Laserdiode 31 auf den Halter 32 aufgebracht. Der Halter 32 ist an seinem unteren Umfang an dem Ausgleichsglied 34 mit Hilfe von einem Paar von Schrauben 45 befestigt. Das Ausgleichsglied 34 ist außerdem mit Hilfe eines weiteren Paares von Schrauben 46 an dem Sockel 33 befestigt. Durch eine derartige Konstruk tion ist die Laserdiode 31 einer Verschiebung in Richtung der optischen Achse unterworfen, wenn das Ausgleichsglied einer thermischen Expansion und Kontraktion in Dickenrichtung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur unterworfen ist. Folglich kann die optische Strecke L in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur zwischen der Laserdiode 31 und der Meßgeberscheibe 35 reguliert werden.

Fig. 14 ist eine anschauliche Querschnittsansicht, die die Funktion der kompletten Einheit des Lasermeßgebers zeigt. Wie gezeigt, hat der Lasermeßgeber die Punktlichtquelle 31 zum Aussenden von kohärentem Licht. Die Meßgeberscheibe 35 ist an der ersten optischen Weglänge L vor der Punkt lichtquelle 31 angeordnet, um einer Verschiebung quer zum optischen Pfad unterworfen zu werden. Die Meßgeberscheibe trägt ein eindimensionales Beugungsgitter oder -muster 47. Das Beugungsgitter 47 wird von dem kohärenten Licht bestrahlt, um ein Interferenzbild 48 an der zweiten optischen Weglänge M vor dem Beugungsgitter zu bilden. Das Interferenzbild 48 wechselt seine Hell-Dunkel-Zonen, was durch einen Doppel pfeil angedeutet ist, in Abhängigkeit von der Verschiebung der Meßgeberscheibe 35 und weist eine besondere Ortsfrequenz periode des Interferenzstreifens auf. Das Ortsfrequenzgitter 39 ist an der zweiten optischen Pfadlänge M angebracht. Das Ortsfrequenzgitter 39 ist in Richtung des Hell-Dunkel-Wechsels des Interferenzbildes 48 angebracht und hat eine Ortsfrequenz periode, die der des Interferenzbildes 48 entspricht. Der Fotodetektor 41 ist unmittelbar hinter dem Ortsfrequenzgitter 39 angeordnet, um das Licht aufzufangen, das durch das Ortsfrequenzgitter 39 hindurchfällt, um ein Wechselstrom- Detektorsignal abzugeben, das dem periodischen Wechsel in der Lichtintensität des empfangenen Lichtes entspricht. Das Detektorsignal hat eine Frequenz, die ein Maß für die Verstellgeschwindigkeit der Meßgeberplatte 35 ist, und eine Anzahl von Wellenausschlägen, die ein Maß für den Verstell betrag des Meßgebers 35 ist.

Die Laser-Meßgebereinheit gemäß der Erfindung des Typs, der die Punktlichtquellenbeugung einsetzt, arbeitet so, daß das sich bewegende Beugungsgitter 47 mit kohärentem Licht bestrahlt wird, das aus der Punktlichtquelle 31 aus gesandt wird, um das gebeugte Licht zu produzieren, und der Fotodetektor 41 empfängt das gebeugte Licht durch das Ortsfrequenzgitter 39. Bei einem solchen Betrieb muß die voranstehend genannte Gleichung (1) erfüllt werden gemäß der Fresnelschen Beugungstheorie, um das klare Interferenz bild 48 aus gebeugtem Licht zu bilden. Wenn die Gleichung (1) in der Meßgebereinheit berücksichtigt wird, wird das klare Interferenzbild erhalten, und es wechseln die Hell Dunkel-Zonen in Abhängigkeit von der Verschiebung der Meß geberscheibe 35. Wie vorangehend beschrieben, wird außer dem die Gleichung (2) zwischen der Teilung T des Beugungs gitters 47 und der Periode des Interferenzbildes 48 einge halten, also die Teilung P des Interferenzstreifens. Insbe sondere wird die Teilung P des Interferenzstreifens relativ zu der Teilung T des Beugungsgitters durch den Multiplika tionsfaktor vergrößert.

Die Vergrößerungsrate kann durch Festlegen der zweiten opti schen Pfadlänge M um ein Mehrfaches gegenüber der ersten optischen Pfadlänge L vergrößert werden, um einen Lasermeß geber zu erhalten, der eine gute Leistung und eine hohe Auflösungskraft hat.

Es ist praktisch notwendig, die zweite optische Pfadlänge M unter verschiedenen Parametern, die in der Gleichung (1) enthalten sind, konstant zu halten, um die Position der Interferenzbildebene zu fixieren. Praktisch ändert sich die Wellenlänge λ des einfallenden Lichtes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Deshalb wird die erste opti sche Pfadlänge L so eingestellt, daß diese Schwankung ausge glichen wird, um in Beachtung der Gleichung (1) den Para meter M festzulegen. Zu diesem Zweck ist das Ausgleichs glied 34 zwischen die Punktlichtquelle 31 und den Sockel 33 eingeschoben.

Im allgemeinen ist die Laserdiode der Lichtquelle 31 mit einem schützenden Glasfilm abgedeckt, der z. B. eine Dicke von d = 0,25 mm und einen Brechungsindex von n = 1,51 hat. In einem solchen Fall wird die effektive erste optische Pfadlänge L′ durch die folgende Gleichung (10) bestimmt:

Folglich sollte der Parameter L durch den Parameter L′ in der Gleichung (1) ersetzt werden, wodurch die Gleichung (1) in die folgende Gleichung (11) überführt wird:
e

worin C = ist.

Unter der Voraussetzung, daß λ = λ₀ + Δ λ ist, worin λ₀ eine Standardwellenlänge und Δ λ eine Wellenlängenverschie bung anzeigt, die von der Temperatur abhängt, ist der Wert von Δ Λ weit geringer als der Wert von λ_0,, und deshalb wird die Gleichung (11) in Form einer Tayler-Gleichung fol gendermaßen angenähert:

Die Gleichung (12) wird berechnet unter Ansetzen der Parameter

λ₀ = 0,78 × 10^-3 mm, T = 0,0055 mm, M = 19,46 mm und

durch die folgende Gleichung (13)

Die Parameterwerte n = 1,51 und d = 0,25 mm werden außerdem auf der linken Seite der Gleichung (13) eingesetzt, um L wie gezeigt in der nachfolgenden Gleichung (14) zu berechnen:

L = -1372λ + 2,52 (allg. Formel: L = -Aλ + B) (14)

Wenn nämlich die erste Pfadlänge L und die Wellenlänge λ des kohärenten Lichtes die Gleichung (14) erfüllt, wird das Interferenzbild an der festgelegten, zweiten Pfadlänge M = 19,46 mm gebildet.

Andererseits wird die Temperaturabhängigkeit der Oszilla tionsfrequenz λ in der Laserdiode durch die folgende all gemeine Gleichung (15) ausgedrückt:

λ = λ₀ - α · Δt (15)

in der α einen Wellenlängenschwankungskoeffizient und eine Temperaturänderung bezeichnet. Im Bezug auf die Gleichung (15) hat eine auf dem Markt erhältiche Laserdiode typische Parameterwerte wie λ₀ = 0,78 × 10^-3 mm und α = 0,26 × 10^-6 mm/°C.

Diese Werte werden in die Gleichung (15) eingesetzt, um die folgende spezifische Gleichung (16) zu erhalten:

λ = 0,78 × 10^-3 - 0,26 × 10^-6Δt (16)

Dann wird die Gleichung (16) in die Gleichung (14) eingesetzt, um die folgende Gleichung (17) zu erhalten:

L ≐ 1,45 - 3,567 × 10^-4Δt (17)

Um der Gleichung (17) zu genügen, sollte das Ausgleichsglied einer thermischen linearen Expansion von +3,567 × 10^-4 mm pro °C unterliegen, um die temperaturabhängige Wellen längenschwankung aufzuheben. Das Ausgleichsglied besteht z. B. aus einer Polybutylenterephtalatplatte mit einem li nearen Expansionskoeffizienten von β = 9 × 10^-5 cm/°C cm und einer Dicke von S = 3,567 × 10^-4/9 × 10^-5 = 3,96 mm.

Die oben angegebene Berechnung wird in allgemeiner Form angegeben mit:

Das Ausgleichsglied muß nicht unbedingt aus Polybutylenter ephtalat bestehen, sondern es kann aus einem Plastikmaterial gebildet sein, das einen linearen Ausdehnungskoeffizienten hat, der deutlich größer ist als der des Sockelmaterials.

Es kann vorteilhaft sein, die temperaturabhängige Änderung der Abmessung des Sockels 33 und des Gehäuses 43 mit einzu beziehen, um eine noch genauere Kompensation der Umgebungs temperatur zu erreichen.

Die Fig. 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Laser-Rotations meßgebers gemäß dem ersten Vorschlag der vorliegenden Er findung. Der Laser-Rotationsmeßgeber hat eine feste Licht quelle 51. Die feste Lichtquelle 51 besteht aus einem Halb leiterlaser zur Hervorbringung eines kohärenten, einfallenden Lichtstrahls. Seine Wellenlänge ändert sich jedoch in Ab hängigkeit von der Temperatur und andere Faktoren. Vor der festen Lichtquelle 51 befindet sich eine Rotationsmeßgeber scheibe 52. Die Meßgeberscheibe 52 kann in Winkelrichtung in entgegengesetzte Richtungen verdreht werden, was durch den doppelköpfigen Pfeil angezeigt wird, wobei der einfallende Lichtstrahl gekreuzt wird. Entlang einer winkeligen Peripherie der Meßgeberscheibe 52 ist ein eindimensionales Beugungsgitter oder -muster 53 aufgebracht. Das Gitter 53 ist in Verschiebe richtung angeordnet und beugt den einfallenden Lichtstrahl fortwährend, um ein Interferenzbild in einer vorgegebenen Entfernung von der Scheibe zu bilden. Das Interferenzbild entspricht einer vergrößerten Projektion des eindimensionalen Beugungsgitters 53, so daß das Interferenzbild in Abhängigkeit von der Verschiebung der Meßgeberscheibe 52 die Hell-Dunkel- Felder wechselt. Ein optisches Referenzelement ist an einer Referenzposition auf der Meßgeberscheibe 52 gebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das optische Referenzelement aus einem lokalen, holographischen Linsengitter 54 unmittelbar neben dem eindimensionalen Beugungsgitter 53. Das holographi sche Linsengitter 54 besteht aus einer Vielzahl von koaxialen Ringschlitzen. Jedesmal, wenn die Ringschlitze durch den einfallenden Lichtstrahl hindurchgehen, produziert die holo graphische Linse einen Sekundärlichtstrahl, der dazu führt, daß ein Referenzpunktbild in einem vorgegebenen Abstand gebildet wird. Eine Teilung der holographischen Ringschlitze ist in geeigneter Weise gewählt, um den einfallenden Licht strahl heftig zu beugen, um das Punktbild hervorzubringen, das einen scharfen Ausschlag aufgrund der Interferenz hat. Die Punktbildebene ist identisch der Interferenz- oder Beu gungsbildebene. Wie beschrieben, benutzt das holographische Linsengitte 54 Beugung und Interferenz des kohärenten ein fallenden Lichtstrahls, so daß seine Leistung von der Wellen länge des einfallenden Lichtstrahls in gleicher Weise abhängt wie beim eindimensionalen Beugungsgitter 53, so daß eine Spitzenintensität des Punktbildes in Abhängigkeit von einer Änderung der Wellenlänge schwankt.

Eine plattenförmige Maske 55 ist in der zusammenfallenden Bildebene des Interferenzstreifens und des Referenzpunktes angeordnet. Die Maske 55 besteht aus einer Vielzahl von Ortsfrequenzfiltern 56, die eine Ortsfrequenzperiode haben, die der Teilung des Interferenzstreifens entspricht. Außerdem ist auf der Maske 55 ausgerichtet zu der Punktbildposition ein Paar aus einem breiten Schlitz 57C und einem engen Schlitz 57D, die eine breite bzw. schmale Öffnungsbreite aufweisen.

Der breite Schlitz 57C und der schmale Schlitz 57D sind nebeneinander angeordnet, um das Punktbild gleichzeitig und geteilt hindurchzulassen.

Eine Mehrzahl von Fotodetektoren 58 ist unmittelbar hinter der Maske 55 in entgegengesetzter Relation dazu angeordnet. Die Vielzahl der Fotodetektoren schließt einen Fotodetektor ein, der den Sekundärlichtstrahl durch den breiten Schlitz 57C empfängt, um ein Vergleichspulssignal abzugeben, das eine weite Pulsbreite hat, und einen weiteren Fotodetektor, der den Sekundärlichtstrahl durch den schmalen Schlitz 57D empfängt, um ein Detektorpulssignal abzugeben, das eine enge Pulsweite hat. Es sind außerdem weitere Fotodetektoren vorhanden, die den Sekundärlichtstrahl durch das Ortsfre quenzfilter 56 empfangen, um ein entsprechendes Wechsel stromdetektorsignal hervorzubringen. Die Vielzahl der Foto detektoren 58 sind in einem Detektorschaltkreis 59 enthalten. Der Detektorschaltkreis 59 wird tätig, um die Detektorpuls signale im Hinblick auf die Vergleichspulssignale zu ver gleichen und zu bestimmen, um das Detektorpulssignal schwel lenmäßig zu erfassen und zu formen, um damit ein Referenz pulssignal hervorzubringen, das ein Maß für das Passieren des Referenzpunktes der Meßgeberscheibe ist.

Die Fig. 16 zeigt ein Erläuterungsdiagramm, in dem die relative Anordnung zwischen der Maske 55 und den Fotodetek toren 58 wiedergegeben ist. Das Punktbild ist ein Anzeichen für den Referenzpunkt der Meßgeberscheibe, das eine ziem lich scharfe Spitzenintensität infolge eines starken Bünde lungseffektes des holographischen Linsengitters aufweist. Das Punktbild ist zu einer länglichen Form gebildet, das eine sehr geringe Breite in Verschieberichtung der Meßgeber scheibe aufweist, jedoch eine relativ große Länge in einer Richtung vertikal zu der Verstellrichtung, so daß die Gesamt länge des weiten Schlitzes 57D abgedeckt wird. Der schmale Schlitz 57D hat eine ziemlich schmale Öffnungsbreite in genauer Übereinstimmung mit der Punktbildposition, so daß der Referenzpunkt der Meßgeberscheibe mit hoher Auflösung erfaßt wird. Andererseits hat der breite Schlitz 57C eine relativ weite Öffnungsbreite, um ein Vergleichspulssignal zu erzeugen. Ein Fotodetektor 58C ist hinter dem breiten Schlitz 57C angeordnet, und ein weiterer Fotodetektor 58D ist hinter dem schmalen Schlitz 57D angeordnet. Dieses Paar von Fotodetektoren 58C und 58D sind jeweils entsprechend dem breiten Schlitz 57C und dem schmalen Schlitz 57D angeord net, um gleichzeitig und zu gleichen Teilen das Punktbild aufzunehmen. Der Fotodetektor 58C empfängt den Sekundärlicht strahl durch den breiten Schlitz 57C, um das Vergleichspuls signal zu erzeugen, das eine breite Pulsdauer aufweist, während der andere Fotodetektor 58D den Sekundärlichtstrahl durch den schmalen Schlitz 57D empfängt, um das Detektor pulssignal zu erzeugen, das eine schmale Pulsdauer aufweist. Das Vergleichspulssignal fällt gleichzeitig mit dem Detektor pulssignal an und überdeckt das Detektorpulssignal.

Das eindimensionale Beugungsgitter formt andererseits das Interferenzstreifenbild, das fortlaufende Amplitudenspizten hat, die in der einen oder anderen der beiden Richtungen, wie durch den doppelköpfigen Pfeil angedeutet, ihre Hell- Dunkel-Zonen wechseln. Ein Paar von Ortsfrequenzfiltern 56A und 56 sind in Richtung der Hell-Dunkel-Änderung des Interferenzbildes nebeneinander angebracht. Diese Ortsfre quenzfilter 56A und 56 haben dieselbe Ortsfrequenzperiode, die der Streifenteilung des Interferenzbildes entspricht, jedoch eine relative Phasendifferenz von 180°. Ein weiteres Paar von Ortsfrequenzfiltern 56B und 56 sind parallel zu dem Paar von Ortsfrequenzfiltern 56A und 56 angeordnet. Diese Ortsfrequenzfilter 56B und 56 haben ebenso dieselbe Ortsfrequenzperiode, die der Streifenteilung des Interferenz bildes entspricht, jedoch einen relativen Phasenunterschied von 180°. Es gibt außerdem einen Phasenunterschied von 90° zwischen dem Filterpaar 56A und 56 und dem anderen Filter- Paar 56B und 56. Dieser Phasenunterschied von 90° ist dazu da, um die Richtung beim Hell-Dunkel-Wechel des Interferenz bildes festzustellen. Entsprechend den jeweiligen vier Orts frequenzfiltern 56A, 56, 56B und 56 sind vier Fotodetektoren 58A, 58, 58B und 58 angeordnet.

Die Fig. 17 zeigt ein Blockdiagramm, in dem im einzelnen der Schaltungsaufbau des Detektorschaltkreises 59 wiederge geben ist. An dem Fotodetektor 58 ist ein Verstärker Al angeschlossen, an dem Fotodetektor 58B ist ein Verstärker A2 angeschlossen, an dem Fotodetektor 58A ist ein Verstärker A3 angeschlossen und an dem Fotodetektor 58 ist ein Verstärker A4 angeschlossen. Außerdem ist an dem Fotodetektor 58D ein Verstärker A5 und an dem Fotodetektor 58C ist ein Verstärker A6 angeschlossen, wobei der Verstärker A6 hinsichtlich seiner Verstärkungsrate durch einen variablen Resistor VR1 gesteuert wird. An die Ausgangsanschlüsse der Verstärker A1 und A2 ist ein Vergleicher C1 angeschlossen, und an die Ausgangsan schlüsse der Verstärker A3 und A4 ist ein Vergleicher C2 angeschlossen. An die Ausgangsanschlüsse der Verstärker A4 und A5 ist ein Differentialverstärker A7 angeschlossen, dessen Eingangsniveau durch einen variablen Resistor VR2 gesteuert wird. In ähnlicher Weise ist an die Ausgangsan schlüsse der Verstärker A4 und A6 ein Differentialverstärker A8 angeschlossen, dessen Eingangsniveau durch einen variablen Resistor VR3 gesteuert wird. An die Ausgangsanschlüsse der Verstärker A7 und A8 ist außerdem ein Vergleicher C3 ange schlossen, und an die Ausgangsanschlüsse des Verstärkers A8 ist ein weiterer Vergleicher C4 angeschlossen. Der Ver gleicher C4 führt einen Vergleich auf der Grundlage eines vorgewählten Spannungsniveaus V_REF durch. Schließlich ist noch ein Schaltkreis G, der aus einem UND-Glied be steht, an die Ausgangsanschlüsse der Vergleicher C3 und C4 angeschlossen.

Die Fig. 18 zeigt unterschiedliche Wellenformen von Signalen, die in dem Schaltkreis der Fig. 17 auftauchen. Die Beschrei bung wird für die Funktion des Lasermeßgebers der Fig. 15 in Verbindung mit der Fig. 18 gegeben. Der Fotodetektor 58A gibt ein A-Phasen-Wechselstromdetektorsignal SA ab, und der Fotodetektor 58 gibt ein -Phasen-Detektorsignal S der gegenteiligen Phase ab, das einen 180° Phasenunter schied zu dem Signal SA aufweist. Diese Phasendifferenz entspricht der Ortsfrequenzphasendifferenz zwischen dem Paar der Ortsfrequenzfiltern 56A und 56. In ähnlicher Weise gibt der Fotodetektor B ein B-Phasen-Wechselstrom-Detektor signal SB und der Fotodetektor 58 ein -Phasen-Wechsel strom-Detektorsignal von entgegengesetzter Phasenlage ab. Der Fotodetektor 58C gibt außerdem ein Vergleichspuls signal SC ab. Das Vergleichspulssignal SC enthält eine Ver gleichspulskomponente einer weiten Pulsbreite und eine Rauschkomponente entsprechend dem Interferenzbild. Der Foto detektor 58D gibt das Detektorpulssignal SD ab, das eine Detektorpulskomponente einer schmalen Pulsbreite und eine ähnliche Rauschkomponente enthält. Die Vergleichspulskomponente und die Detektorpulskomponente haben eine übereinstimmende Amplitudenspitzenposition und im wesentlichen dieselbe Pulshöhe, da das Punktbild gleichzeitig und gleichteilig von den Fotode tektoren 58C und 58D empfangen wird. Der Vergleichspuls hat jedoch eine Breite, die größer ist als die des Detektorpulses.

Das A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA und das -Phasen- Wechselstrom-Detektorsignal werden durch die jeweiligen Verstärker A3 und A4 verstärkt und danach durch den Vergleicher C2 miteinander verglichen, um ein A-Phasen-Verschiebesignal PA zu erzeugen. Das A-Phasen-Verschiebesignal PA besteht aus einer Abfolge von Rechteckpulsen, wobei die Anzahl der Pulse den Verschiebebetrag der Meßgeberscheibe anzeigt. In gleicher Weise werden das B-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SB und das -Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal verstärkt durch die jeweiligen Verstärker A1 und A2 und dann durch den Ver gleicher C1 miteinander verglichen, um ein B-Phasen-Verschie besignal PB zu erzeugen. Das B-Phasen-Verschiebesignal PB besteht ebenso aus einer Abfolge von Rechteckpulsen. Das B- Phasen-Verschiebesignal PB hat jedoch eine Phasendifferenz von 90° bezogen auf das A-Phasen-Verschiebesignal PA in Überein stimmung mit dem Ortsfrequenzphasenunterschied von 90° zwi schen dem Paar von Ortsfrequenzfiltern 56A, 56 und dem anderen Paar von Ortsfrequenzfiltern 56B und 56. Diese Phasendifferenz ist von der Art des Nachbleibens oder des Voreilens, was von der Verschieberichtung der Meßgeberscheibe abhängt. Die Verschieberichtung kann nämlich nach Maßgabe der relativen Phasenlage zwischen dem A-Phasen-Verschiebe signal und dem B-Phasen-Verschiebesignal festgestellt werden.

Das Detektorpulssignal SD wird durch den Verstärker A5 ver stärkt und dann durch den Differentialverstärker A7 geformt, um die Rauschkomponente zu beseitigen, so daß ein Detek torpuls PD entsteht. Andererseits wird das Vergleichspuls signal SC durch den variablen Verstärker A6 verstärkt und dann durch den Differentialverstärker A8 geformt, um die Rauschkomponente zu beseitigen, so daß ein Vergleichspuls PC entsteht. Zu diesem Zeitpunkt wird die Verstärkungsrate des variablen Verstärkers A6 kleiner eingestellt als die des Verstärkers A5, so daß der Verstärker A8 einen geformten Vergleichspuls PC abgibt, der ein Spitzenspannungsniveau aufweist, das geringer ist als das des geformten Detektor pulses PD, das aus dem Verstärker A7 austritt. Als Folge davon kann der geformte Vergleichspuls PC direkt als Schwel lenspannungswert benutzt werden, um den geformten Detektor puls PD zu bewerten. Der Vergleicher C3 empfängt nämlich direkt den Detektorpuls PD und den Vergleichspuls PC, um sie mit einander zu vergleichen, so daß daraus ein Referenzpulssignal PZ entsteht.

Wie jedoch in der Figur gezeigt, enthält die Ausgangswellenform PZ′ des Vergleichers C3 nicht nur das Referenzpulssignal PZ, sondern kann auch eine undefinierte Rauschkomponente ent halten. Wenn die Meßgeberscheibe nämlich angehalten wird oder der Referenzpunkt von dem einfallenden Lichtstrahl wegbewegt wird, werden die Ausgangssignale der Verstärker A7 und A8 unstabil gehalten, so daß der Vergleicher C3 in den unstabilen Zustand fällt. Als Folge davon kann der Vergleicher C3 einen Rauschpuls gemäß der Störung produzieren. Um einen derartigen unstabilen Faktor in der Funktion des Vergleichers C3 zu eliminieren, wird das Ausgangssignal des Verstärkers A8 mit einem vorgegebenen Spannungsniveau V_REF in dem Vergleicher C4 verglichen, um ein Tor-Pulssignal PG zu bilden. Wie darge stellt, besteht das Tor-Pulssignal PG aus einem Rechteckpuls, der eine relativ weite Pulsbreite aufweist. Der Schaltkreis G wird in Abhängigkeit von dem Tor-Pulssignal PG geöffnet, um selektiv das Referenzpulssignal PZ durchzulassen, um ein endgültiges Z-Phasensignal zu bilden. Schließlich werden, was nicht in der Figur gezeigt ist, das A-Phasen-Verschie besignal PA, das B-Phasen-Verschiebesignal PB und das Z-Phasen- Signal PZ durch einen Computer verarbeitet, um eine Information bzgl. der absoluten Winkelverstellung und der Verstellrichtung der Meßgeberscheibe zu erhalten.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Laser-Rotationsmeßgeber; die vorliegende Erfindung ist je doch nicht auf den Rotationstyp begrenzt, sondern kann ebenso auf einen linearen Lasermeßgeber angewandt werden. Das vor liegende Ausführungsbeispiel benutzt eine Lichtquelle in Form eines Halbleiterlasers zur Aussendung eines kohärenten Licht strahles sowie ein eindimensionales Beugungsgitter; die Erfindung kann ebenso auf eine Vorrichtung zur optischen Verschiebungsfeststellung der Type angewandt werden, die aus einer Kombination einer lichtemittierenden Diode, einer geschlitzten Platte und einem Fotodetektor besteht. Weiterhin besteht der breite Schlitz aus einem einzigen Schlitz bei diesem Ausführungsbeispiel, er kann jedoch aus einer Gruppe von schmalen Schlitzen bestehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird als ein optisches Referenzelement das holographische Linsengitter eingesetzt; es kann jedoch ebenso ein Paar von benachbarten holographischen Linsengittern zur gesonderten Bildung eines Paares von Punktbildern eingesetzt werden, und zwar zu jeweils schmalen und weiten Schlitzen. Im übrigen kann ein zusätzliches teilendes optisches Element zwischen ein einziges holographisches Linsengitter und die Maske gesetzt werden, um das Punktbild in zwei Teile zu teilen, die durch jeweilge Fotodetektoren 58C und 58D aufgenommen werden. Außerdem kann eine zylindrische Linse oder eine parallele Platte, die relativ zu der optischen Achse im Winkel steht, zwischen das holographische Linsengitter und die Maske einge setzt werden, um dem Punktbild eine Aberration in orthogonaler Richtung zu der Verschieberichtung der Meßgeberplatte zu verleihen, um die Länge des Punktbildes zu vergrößern. Schließlich kann das holographische Linsengitter durch einen einzigen Schlitz ersetzt werden, um ein optisches Referenz element zu bilden.

Die Fig. 19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Laser-Rotationsmeßgebers gemäß dem ersten Vorschlag der vorliegenden Erfindung. Der Laser-Rotationsmeßgeber hat eine feststehende Lichtquelle 61. Die feststehende Licht quelle 61 besteht aus einem Halbleiterlaser zur Hervor bringung eines kohärenten einfallenden Lichtstrahls mit einer sphärischen Wellenfront. Eine Rotations-Meßgeber scheibe 62 ist vor der feststehenden Lichtquelle 61 ange ordnet, die in Winkelrichtung in entgegengesetzte Richtungen verschiebbar ist, wobei der einfallende Lichtstrahl geschnit ten wird. Ein eindimensionales Beugungsgitter oder -muster 63 ist an einer kreisringförmigen Peripherie der Meßgeber scheibe 62 angebracht. Das Gitter 63 besteht aus Schlitzen, die in Verschieberichtung angeordnet sind, unter einer vorge gebenen Teilung und fortlaufend den einfallenden Lichtstrahl beugen, um ein Interferenzbild in einem vorgegebenen Abstand von der Scheibe zu erzeugen. Das Interferenzbild entspricht einer vergrößerten Projektion des eindimensionalen Beugungs gitters 63, so daß das Interferenzbild in Abhängigkeit von der Rotation der Meßgeberscheibe 62 seine Hell-Dunkel-Felder wechselt. Ein holographisches Linsengitter 64 ist lokal an einer Referenzposition der Meßgeberscheibe 62 neben dem eindimensionalen Beugungsgitter 63 angeordnet. Das hologra phische Linsengitter 64 besteht aus einer Vielzahl von ko axialen Ringschlitzen in der Weise, daß deren Mittelpunkte mit dem Referenzpunkt der Scheibe 62 zusammenfallen. Jedesmal, wenn die Ringschlitze den einfallenden Lichtstrahl passieren, produziert das holographische Linsengitter einen gebeugten Sekundärlichtstrahl, der dazu dient, ein Punktbild in einem vorgegebenen Abstand davor auf der Interferenz- oder Beu gungsbildebene zu bilden. Das Punktbild entsteht nämlich an vorgegebener Stelle jedesmal dann, wenn das lokale, holo graphische Linsengitter 84 den einfallenden Lichtstrahl durchquert.

Eine stationäre, plattenförmige Maske 65 ist in der gemein samen Bildebene der Interferenzstreifen und des Referenz punktes angeordnet. Die Maske 65 besteht aus einer Vielzahl von Ortsfrequenzfiltern 66, die eine Ortsfrequenzperiode aufweisen, die der Teilung des Interferenzstreifens ent spricht. Außerdem befindet sich auf der Maske 65 in Zuord nung zu der Position des Punktbildes ein Paar aus einem breiten Schlitz 67C und einem schmalen Schlitz 67D mit einer weiten bzw. einer schmalen Öffnungsbreite. Darüber hinaus befindet sich auf der Maske 65 ein Nebenschlitz 67E, der sich neben dem schmalen Schlitz 67D außerhalb der Position des Punkt bildes erstreckt. Der breite Schlitz 67C, der schmale Schlitz 67D und der Nebenschlitz 67E sind linear entlang einer Rich tung angeordnet, die orthogonal zur Wechselrichtung des Interferenzbildes verläuft. Der Nebenschlitz 67E hat eine relativ schmale Öffnungsbreite, die im wesentlichen der des schmalen Schlitzes 67D identisch ist. Zusätzlich können der schmale Schlitz 67D und der Nebenschlitz 67E aus einer einzigen, länglichen Öffnung bestehen. Eine Vielzahl von Fotodetektoren 68 sind unmittelbar hinter der Maske 65 in Zuordnung mit den jeweiligen Ortsfrequenzfiltern und Schlitzen auf der Maske angebracht. Diese Fotodetektoren 68 sind in einem Detektorschaltkreis 69 untergebracht.

Die Fig. 20 ist ein Anschauungsdiagramm, das die relative Anordnung zwischen der Maske 65 und den Fotodetektoren 68 wiedergibt. Wie auf der linken Seite der Figur dargestellt ist, ist das Punktbild eine Anzeige des Referenzpunktes der Meßgeberscheibe, das eine ziemlich scharfe Amplituden spitzenintensität aufgrund des starken Bündelungs- und Beu gungseffektes des holographischen Linsengitters aufweist. Das Punktbild ist zu einer länglichen Form gebildet, die eine sehr schmale Breite in Verstellrichtung der Meßgeber scheibe, jedoch eine relativ große Länge in der Richtung orthogonal zur Verstellrichtung aufweist. Eine derartige längliche Punktform kann durch eine geeignete Gestaltung des holographischen Linsengitters erhalten werden.

Wie auf der rechten Seite der Fig. 20 gezeigt ist, bildet das eindimensionale Beugungsgitter andererseits das Inter ferenzstreifenbild ab. das fortlaufende Spitzen aufweist, die in der einen oder anderen Richtung die Hell-Dunkel-Zonen wechseln, was durch den vertikalen, doppelköpfigen Pfeil in der Figur angedeutet ist. Da dieses Interferenzbild durch das eindimensionale Beugungsgitter geformt wird, das Schlitze aufweist, die in vorgegebener Teilung in Verstellrichtung der Scheibe angeordnet sind, hat das Interferenzbild eine relativ breite Verteilung in der dazu orthogonalen Richtung, so daß die gesamte Fläche der Maske 65 überdeckt wird. In unmittelbarer Nachbarschaft in Richtung der Hell-Dunkel-Wech selrichtung des Interferenzbildes ist ein Paar von Ortsfre quenzfiltern 66A und 66 angeordnet. Diese Ortsfrequenzfilter 66A und 66 weisen dieselbe Ortsfrequenzperiode auf, die der Streifenteilung des Interferenzbildes entspricht, jedoch einen Phasenunterschied von 180°. Ein weiteres Paar von Ortsfrequenzfiltern 66B und 66 sind parallel zu dem Paar von Ortsfrequenzfiltern 66A und 66 angeordnet. Diese Ortsfre quenzfilter 66B und 66 haben ebenfalls dieselbe Ortsfre quenzperiode, die der Streifenteilung des Interferenzbildes entspricht, sie weisen jedoch eine Phasendifferenz von 180° auf. Außerdem gibt es einen Phasenunterschied von 90° zwischen dem Paar von Filtern 66A und 66 und dem anderen Filterpaar 66B und 66. Die vier Fotodetektoren 68A, 68, 68B und 68 sind entsprechend den jeweiligen vier Ortsfrequenzfiltern 66A, 66, 66B und 66 zueinander angeordnet. Diese vier Fotodetek toren produzieren Wechselstrom-Detektorsignale, die eine Phasendifferenz von 90° bzw. 180° entsprechend den Phasendif ferenzen der Ortsfrequenzfilter aufweisen.

Die Maske 65 trägt außerdem die drei Schlitze 67C, 67D und 67E, die linear entlang der orthogonalen Richtung angeordnet sind. Der breite Schlitz 67C und der schmale Schlitz 67D sind im Bereich des Punktbildes angeordnet, um das Punktbild zu gleichen Teilen durchzulassen. Der Nebenschlitz 67E ist außerhalb des Bereiches des Punktbildes angeordnet, so daß das Punktbild nicht darauf fällt. Wie vorher beschrieben, fällt der gebeugte Lichtstrahl, der das Interferenzbild bildet, auf die gesamte Fläche der Maske 65, so daß alle drei Schlitze 67C, 67D und 67E unabwendbar von dem gebeugten Lichtstrahl bestrahlt werden. Insbesondere fällt durch den Nebenschlitz 67E lediglich der gebeugte Lichtstrahl, der das Interferenzbild bildet, weil der Nebenschlitz 67E außer halb des Punktbildbereiches angeordnet ist. Drei Fotodetektoren 68C, 68D und 68E sind in Zuordnung mit den entsprechenden Schlitzen 67C, 67D und 67E angeordnet. Der Fotodetektor 68C empfängt den einfallenden Lichtstrahl durch den breiten Schlitz 67C, um ein Vergleichspulssignal zu erzeugen, das einen Vergleichspuls mit einer großen Pulsdauer enthält. Das Vergleichspulssignal enthält außerdem eine Rausch- oder Backgroundkomponente aufgrund eines untergeordneten Empfanges des Interferenzbildes. Der Fotodetektor 68D em pfängt das Punktbild durch den schmalen Schlitz 67D, um ein Detektorpulssignal zu erzeugen, das einen Detektorpuls enthält, der eine relativ schmale Pulsbreite aufweist. Das Detektorpulssignal enthält in derselben Weise die Background komponente aufgrund des überlagerten Empfanges des Interfe renzbildes. Schließlich empfängt der Fotodetektor 68E den einfallenden Lichtstrahl durch den Nebenschlitz 67E, um ein Backgroundsignal zu erzeugen, das keine Pulskomponente enthält, die mit dem Punktbild verbunden ist. Dieses Back groundsignal wird in Abhängigkeit des Empfangs eines Teils des Interferenzbildes erzeugt, so daß es eine Frequenz auf weist, die identisch ist mit der des Wechselstromdetektor signals. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die drei Schlitze 67C, 67D und 67E in Phasengleichheit mit dem Orts frequenzfilter 66A angeordnet, so daß das Backgroundsignal dieselbe Phase aufweist, wie das Wechselstrom-Detektorsignal, das von dem Fotodetektor 68A erzeugt wird.

Die Fig. 21 stellt ein Blockdiagramm dar, das im einzelnen den Schaltungsaufbau des Detektorschaltkreises 69 wiedergibt. Ein Verstärker A1 ist mit dem Fotodetektor 68, ein Verstärker A2 ist mit dem Fotodetektor 68B, ein Verstärker A3 ist mit dem Fotodetektor 68 und ein Verstärker A4 ist mit dem Foto detektor 68A verbunden. Außerdem ist ein Verstärker A5 mit dem Fotodetektor 68D und ein Verstärker A6 mit dem Fotodetektor 68C verbunden, dessen Verstärkungsrate durch einen variablen Resistor VR1 gesteuert wird. Ein Verstärker A7 ist darüber hinaus mit dem Fotodetektor 68E verbunden. Ein Vergleicher C1 ist mit den Ausgangsanschlüssen der Verstärker A1 und A2 verbunden, und ein Vergleicher C2 ist mit den Ausgangs anschlüssen der Verstärker A3 und A4 verbunden. Ein Diffe rentailverstärker A8 ist mit den Ausgangsanschlüssen der Verstärker A5 und A7 verbunden, dessen Eingangsniveau durch einen variablen Resistor VR2 gesteuert wird. In gleicher Weise ist ein Differentialverstärker A9 an die Ausgangsan schlüsse der Verstärker A6 und A7 angeschlossen, dessen Eingangsniveau durch einen variablen Resistor VR3 gesteuert wird. Ein Vergleicher C3 ist außerdem an die Ausgangsanschlüs se der Verstärker A8 und A9 angeschlossen, und ein weiterer Vergleicher C4 ist an den Ausgangsanschluß des Verstärkers A9 angeschlossen. Der Vergleicher C4 führt einen Vergleich auf der Basis eines vorgegebenen Spannungsniveaus V_REF durch. Schließlich ist ein Tor G, das aus einem UND-Glied besteht, an die Ausgangsanschlüsse der Vergleicher C3 und C4 angeschlossen.

Die Fig. 22 zeigt unterschiedliche Wellenformen von Signalen, die in dem Detektorschaltkreis 69 vorkommen. Die Beschrei bung wird für die Funktion des Lasermeßgebers der Fig. 19 in Verbindung mit der Fig. 22 gegeben. Der Fotodetektor 68A gibt ein A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA aus, wenn er den Interferenzstreifen durch den Ortsfrequenzfilter 66A empfängt, und der Fotodetektor 68 gibt ein -Phasen- Detektorsignal entgegengesetzter Phase mit einem 180° Phasen-Unterschied im Vergleich zu dem Signal SA auf. Diese Phasendifferenz entspricht der Ortsfrequenzphasendifferenz zwischen dem Paar der Ortsfrequenzfilter 66A und 66. Die Detektorsignale haben eine Frequenz, die ein Maß ist für die Drehgeschwindigkeit der Meßgeberscheibe, und eine Anzahl vom Amplitudenspitzen, die ein Maß sind für ihren Verdreh betrag. Im gleicher Weise gibt der Fotodetektor 68B ein B-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SB aus, das dieselbe Frequenz hat, während der Fotodetektor 68 ein -Phasen- Wechselstrom-Detektorsignal mit entgegengesetzter Phase ausgibt. Das B-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SB hat eine Phasendifferenz von 90° im Vergleich zu dem A-Phasen- Wechselstrom-Detektorsignal SA, Diese Phasendifferenz ent spricht der Phasendifferenz zwischen den Ortsfrequenzfiltern 66A und 66B. Der Fotodetektor 68C gibt das Vergleichspuls signal SC aus. Das Vergleichspulssignal SC enthält eine Vergleichspulskomponente mit einer großen Pulsbreite und eine Rausch- oder Backgroundkomponente aufgrund des Inter ferenzbildes. Die Rauschkomponente hat dieselbe Frequenz und Phase wie das A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA. Der Fotodetektor 68D gibt das Detektorpulssignal SD aus, das eine Detektorpulskomponente einer schmalen Pulsbreite und eine gleiche Rauschkomponente enthält. Die Vergleichs pulskomponente und die Detektorpulskomponente haben jeweils miteinander zusammenfallende Amplitudenspitzenpositionen und im wesentlichen dieselbe Pulshöhe, weil das Punktbild gleichzeitig und gleichteilig durch die Fotodetektoren 68C und 68D empfangen wird. Der Fotodetektor 68E gibt ein Wechsel strom-Backgroundsignal SE aus, das dieselbe Frequenz und Phase wie das A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA hat. Seine Amplitude ist jedoch schmaler als die des A-Phasen- Wechselstrom-Detektorsignals SA.

Das A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA und das -Phasen- Wechselstrom-Detektorsignal werden durch die jeweiligen Verstärker A3 und A4 verstärkt und danach durch den Vergleicher C2 miteinander verglichen, um ein A-Phasen-Verschiebesignal PA zu bilden. Das A-Phasen-Verschiebesignal PA besteht aus einer Sequenz von Rechteckpulsen durch einen Vergleich des A- Phasen-Wechselstrom-Detektorsignals SA und des -Phasen- Wechselstrom-Detektorsignals der entgegengesetzten Phase miteinander, so daß das A-Phasen-Verschiebesignal PA für eine digitale Weiterverarbeitung zur Ausgabe eines Meßgeberausgangs geeignet ist. Selbst wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichtstrahls aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur und dgl. schwankt und damit eine Niveauänderung des Wechsel strom-Detektorsignals bewirkt, kann die Niveauänderung her ausgebracht werden, weil die Niveauänderung gleichzeitig in dem A-Phasen- und -Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal eintritt. In gleicher Weise wird das B-Phasen=Wechselstrom-Detektorsignal SB und das -Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal durch die jeweiligen Verstärker A1 und A2 verstärkt und dann in dem Vergleicher C1 miteinander verglichen, um ein B-Phasen-Ver schiebesignal PB zu erzeugen. Das B-Phasen-Verschiebesignal PB besteht ebenfalls aus einer Sequenz von Rechteckpulsen. Das B-Phasen-Verschiebesignal PB weist jedoch eine Phasendif ferenz von 90° im Vergleich zu dem A-Phasen-Verschiebesignal PA auf. Diese Phasendifferenz ist entweder ein Nachlauf oder ein Vorlauf, was von der Verschieberichtung der Meßgeberscheibe abhängt. Die Verschieberichtung kann also aufgrund der re lativen Phasenlage zwischen dem A-Phasen-Verschiebesignal und dem B-Phasen-Verschiebesignal festgestellt werden.

Das Detektorpulssignal SD wird durch den Verstärker A5 ver stärkt und in einen negativen Eingangsanschluß des Differen tialverstärkers A8 gegeben. Das Wechselstrom-Backgroundsignal SE wird durch den Verstärker A7 verstärkt und dann in einen positiven Eingangsanschluß des Differentialverstärkers A8 ge geben. In diesem Stadium ist das Eingangsniveau des Wechsel strom-Backgroundsignals SE in geeigneter Weise durch den variablen Resistor VR2 so eingestellt, daß sein Niveau mit dem Niveau der Rauschkomponente des Detektorpulssignals SD vergleichbar ist, das in den positiven Anschluß eingege ben worden ist. Als Folge davon arbeitet der Differentialver stärker A8 so, daß er das Wechselstrom-Backgroundsignal SE und die Rauschkomponente, die in dem Detektorpulssignal SD enthalten ist, entfernt, so daß er einen geformten Detektor puls PD ausgibt.

In gleicher Weise wird das Detektorpulssignal SC durch den Verstärker A6 verstärkt und dann an den positiven Eingangs anschluß des Differentialverstärkers A9 gegeben. Das ver stärkte Wechselstrom-Backgroundsignal SE wird gleichzeitig in einen negativen Eingangsanschluß des Differentialverstärkers A9 gegeben. In diesem Stadium ist das Eingangsniveau des Wechselstrom-Backgroundsignals SE durch den variablen Resi stor VR3 in geeigneter Weise eingestellt. Folglich bewirkt der Differentialverstärker A9, daß das Wechselstrom-Back groundsignal SE und die Rauschkomponente, die in dem Ver gleichspulssignal SC enthalten ist, gegeneinander aufgehoben werden, so daß ein geformter Vergleichspuls PC ausgegeben wird.

Bei dieser Operation wird die Verstärkungsrate des veränder baren Verstärkers A6 durch den variablen Resistor VR1 in geeigneter Weise so eingestellt, daß der Verstärker A9 den geformten Vergleichspuls PC mit einem Spitzenspannungsni veau ausgibt, das niedriger ist als das des geformten Detek torpulses PD, das von dem Verstärker A8 ausgeht.

Der Vergleicher C3 empfängt dann direkt den Detektorpuls PD und den Vergleichspuls PC, um beide miteinander zu ver gleichen, so daß ein Referenzpulssignal PZ′ als Rechteckpuls ausgegeben wird. Gemäß Ausführungsbeispiel kann der Ver gleicher C3 einen exakten Vergleich anstellen, da der Detek torpuls PD und der Vergleichspuls PC im wesentlichen keine Rauschkomponente enthalten.

Wie in der Figur jedoch gezeigt ist, enthält die Ausgangs wellenform PZ′ des Vergleichers C3 nicht nur das Referenzpuls signal PZ′ sondern kann außerdem noch eine undefinierte Rauschkomponente enthalten. Wenn nämlich die Meßgeberscheibe angehalten wird oder ihr Referenzpunkt sich von dem einfal lenden Lichtstrahl entfernt, werden die Ausgänge der Ver stärker A8 und A9 unstabil, so daß der Vergleicher C3 in den unstabilen Zustand fällt. Als Folge davon kann der Ver gleicher C3 aufgrund der Störung einen Rauschpuls hervor bringen. Um einen derartigen unstabilen Faktor im Betrieb des Vergleichers auszuschließen, wird das Ausgangssignal des Verstärkers A9 mit einem vorgegebenen Spannungsniveau V_REF in dem Vergleicher C4 verglichen, um ein Torpuls signal PG zu bilden. Wie dargestellt, besteht das Torpuls signal PG aus einem Rechteckpuls, der eine relativ weite Pulsbreite aufweist. Das Tor G ist in Abhängigkeit von dem Torpulssignal PG geöffnet, um selektiv das Referenzpulssignal PZ′ hindurchzulassen, und so ein endgültiges Z-Phasen-Signal PZ hervorzubringen.

Die Fig. 23 zeigt eine Abänderung des Schaltkreises d 19568 00070 552 001000280000000200012000285911945700040 0002004030049 00004 19449er Fig. 21. Der Detektorschaltkreis der Fig. 23 hat grund sätzlich denselben Aufbau und dieselbe Funktion wie der Detektorschaltkreis der Fig. 21. Deshalb sind übereinstim mende Bauteile mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zu dem Detektorschaltkreis der Fig. 21 liegt darin, daß der Fotodetektor 68E zur Ausgabe des Wech selstrom-Backgroundsignals bei dem Detektorschaltkreis der Fig. 23 nicht vorhanden ist. Entsprechend ist auch ein Nebenschlitz auf der fest angeordneten Maske 65 nicht mehr vorhanden. Statt dessen wird der Fotodetektor 68A als Quelle für das Wechselstrom-Backgroundsignal bei dieser Abänderung benutzt. Der Fotodetektor 68A produziert nämlich fortlaufend das A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal, das dieselbe Fre quenz und dieselbe Phase wie die Rauschkomponente aufweist, die in dem Vergleichspulssignal und dem Detektorpulssignal enthalten ist. Deshalb kann das A-Phasen-Wechselstrom-Detek torsignal in das Wechselstrom-Backgroundsignal umgeformt werden. Das A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal, das von dem Fotodetektor 68A ausgeht, wird durch den Verstärker verstärkt und danach in die negativen Eingangsanschlüsse der Differentialverstärker A8 und A9 eingegeben. In diesem Fall wird das Eingangsniveau des A-Phasen-Wechselstrom-Detek torsignals durch die variablen Resistoren VR2 und VR3 abge senkt, so daß sie mit dem Niveau der Rauschkomponente ver gleichbar sind, wodurch die Beseitigung der Rauschkomponente eintritt.

Die Fig. 24 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laser-Rotationsmeßgebers gemäß dem ersten Vorschlag der vorliegenden Erfindung. Der Laser-Rotationsmeßgeber gemäß der Fig. 24 hat eine feststehende Lichtquelle 71 zur Hervorbringung eines kohärenten einfallenden Lichtstrah les mit einer sphärischen Wellenfront. Eine Rotationsmeßgeber scheibe 72 ist vor der feststehenden Lichtquelle 71 angeordnet und in entgegengesetzte Richtungen in Winkeln verstellbar, so daß der einfallende Lichtstrahl gekreuzt wird. Ein ein dimensionales Beugungsgitter oder -muster 73 ist entlang einer Kreisringperipherie der Meßgeberscheibe 72 angeordnet. Das Gitter 73 besteht aus Schlitzen, die entlang der Ver schieberichtung der Scheibe angeordnet sind, d.h. in Umfangs richtung der Scheibe, und die fortlaufend den einfallenden Lichtstrahl beugen, um ein Interferenzbild in einem vorge gebenen Abstand von der Scheibe zu bilden. Das Interferenzbild entspricht einer vergrößerten Projektion des eindimensio nalen Beugungsgitters 73, so daß das Interferenzbild in Abhängigkeit von der Drehung der Meßgeberscheibe 72 die Hell-Dunkel-Zonen wechselt. Ein lokales holographisches Linsengitter 54 ist an einem Referenzpunkt auf der Meßgeber scheibe 72 neben dem eindimensionalen Beugungsgitter 73 angeordnet. Das holographische Linsengitter 73 besteht aus einer Vielzahl von koaxialen Ringschlitzen in der Weise, daß ihre Mittelpunkte mit der Referenzposition der Scheibe zusammenfallen. Wenn die Referenzposition den einfallenden Lichtstrahl durchquert, beugt das holographische Linsengitter 74 das einfallende Licht. Der gebeugte Ausgangslichtstrahl bildt ein Punktbild auf derselben Bildebene wie der des Interferenzbildes ab. Das Punktbild fällt nur dann an, wenn das lokale holographische Linsengitter 74 den Querschnitt des einfallenden Lichtstrahles durchquert und wechselt die Hell-Dunkel-Zonen in Verschieberichtung der Meßgeberscheibe.

Eine feststehende, plattenförmige Maske 75 ist in der ge meinsamen Bildebene des Interferenzbildes und des Punktbildes angeordnet. In der Maske 75 ist ein Fenster 77 eingelassen, das sich in Richtung des begrenzten Bewegungspfades des Punktbildes erstreckt, um das Punktbild hindurchzulassen. Die Maske trägt außerdem eine Mehrzahl von Ortsfrequenzfiltern 76, die eine Ortsfrequenzperiode aufweisen, die einer Tei lung des Interferenzbildstreifens entspricht. Eine Mehrzahl von Fotodetektoren 78 ist unmittelbar hinter der Maske 75 auf das Fenster und die Ortsfrequenzfilter gerichtet. Die Mehrzahl der Fotodetektoren 78 sind in einem Detektorschalt kreis 79 enthalten.

Die Fig. 25 ist ein Anschauungsdiagramm, das die relative Anordnung zwischen der Maske 75 und den Fotodetektoren 78 wiedergibt. Wie auf der linken Seite der Figur zu erkennen ist, zeigt das Punktbild den Referenzpunkt auf der Meßgeber scheibe an. Das Punktbild tritt nur auf, während das holo graphische Linsengitter den einfallenden Lichtstrahl durch quert, und es weist eine ziemlich starke Spitzenintensität aufgrund des starken Bündelungs- und Beugunqseffektes des holographischen Linsengitters auf. Das Punktbild bewegt sich in Verschieberichtung der Scheibe, was durch den Pfeil angedeutet ist.

Wie andererseits auf der rechten Seite der Fig. 25 angedeutet ist, bildet das eindimensionale Beugungsgitter das Interfe renzstreifenbild ab, das fortlaufende Amplitudenspitzen aufweist, deren Hell-Dunkel-Zonen in Verschieberichtung der Meßgeberscheibe wechseln, was durch den vertikalen Pfeil in der Figur angedeutet ist. Da das Interferenzbild durch ein eindimensionales Beugungsgitter mit Schlitzen gebildet wird, die in einer vorgegebenen Teilung in Verschieberichtung der Scheibe angeordnet sind, hat das Interferenzbild eine relativ breite Ausdehnung in orthogonaler Richtung, so daß die gesamte Fläche der Maske 75 bedeckt wird. Ein Paar von Ortsfrequenz filtern 76A und 76 sind daneben in der Laufrichtung des Interferenzbildes angebracht. Diese Ortsfrequenzfilter 76A und 76 haben dieselbe Ortsfrequenzperiode, die der Streifen teilung des Interferenzbides entspricht, jedoch eine relativen Phasenunterschied von 180°. Ein weiteres Paar von Ortsfre quenzfiltern 76B und 76 sind parallel zu dem Paar von Orts frequenzfiltern 76A und 76 angeordnet. Diese Ortsfrequenz filter 76B und 76 haben ebenso dieselbe Ortsfrequenzperiode, die der Streifenteilung des Interferenzbildes entspricht, jedoch eine relative Phasendifferenz von 180°. Es gibt außerdem eine Phasendifferenz von 90° zwischen dem Filterpaar 76A und 76 und dem anderen Filterpaar 76B und 76. Zu den jeweili gen vier Ortsfrequenzfiltern 76A, 76, 76B und 76 sind vier Fotodetektoren 78A, 78, 78B und 78 entsprechend ange ordnet. Diese vier Fotodetektoren produzieren Wechselstrom- Detektorsignale, die eine Phasendifferenz von 90° bzw. 180° in Relation zu den Phasenunterschieden der Ortsfrequenzfilter aufweisen.

Die drei Fotodetektoren 78C, 78D und 78E sind hinter dem Fenster 77 angeordnet, das in der Maske 75 eingelassen ist, und zwar benachbart zueinander in Bewegungsrichtung des Punktbildes. Vorzugsweise haben die drei Fotodetektoren dieselbe Form und Abmessung und sind in Abständen zueinan der angeordnet, die der Teilung des Interferenzbildstrei fens entspricht. Durch diese Konstruktion können die drei Fotodetektoren denselben Betrag des einfallenden Lichtes empfangen, das das Interferenzbild bildet und zwar durch das Fenster 77. Deshalb haben diese drei Fotodetektoren dasselbe Ausgangsniveau des Gleichstrombauteils, was die Detektorgenauigkeit nicht weiter berührt.

Unter der Voraussetzung, daß das Punktbild, wie durch den Pfeil in der Figur angedeutet, sich aufwärts bewegt, produ ziert der erste Fotodetektor 78C einen Vordetektorpuls, der zweite Fotodetektor 78D einen Mittendetektorpuls und der dritte Fotodetektor 78E einen Nachdetektorpuls, und zwar in einer Abfolge hintereinander. Diese aufeinanderfolgenden Detektor pulse überlappen sich z. T. gegenseitig und werden zeitlich nacheinander entsprechend der Bewegung des Punktbildes ab gegeben.

Die Fig. 26 ist ein Blockdiagramm, das im einzelnen den Schaltaufbau des Detektorschaltkreises 79 zeigt. Ein Ver stärker A1 ist mit dem Fotodetektor 78A, ein Verstärker A2 mit dem Fotodetektor 78, ein Verstärker A3 mit dem Foto detektor 78B und ein Verstärker A4 mit dem Fotodetektor 78B verbunden. Ein Vergleicher C1 ist mit dem Paar von Ver stärkern A1 und A2 verbunden, und ein weiterer Vergleicher C2 ist mit dem Paar von Verstärkern A3 und A4 verbunden. Ein Verstärker A5 ist mit dem Fotodetektor 78C, ein Ver stärker A6 mit dem Fotodetektor 78D und ein Verstärker A7 mit dem Fotodetektor 78E verbunden. Ein Vergleicher C3 ist über seinen positiven Eingangsanschluß mit dem Ausgangsan schluß des Verstärkers A6 und über seinen negativen Ein gangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers A5 verbunden. Ein Vergleicher C4 ist über seinen positiven Eingangsanschluß mit dem Ausgangsanschluß des Verstärkers A6 und über seinen negativen Eingangsanschluß mit dem Aus gangsanschluß des Verstärkers A7 verbunden. Ein Tor G, das aus einem UND-Glied besteht, ist an seinen Eingangsanschlüs sen an die jeweiligen Vergleicher C3 und C4 angeschlossen. Über seine drei Eingangsanschlüsse ist ein Summierer 8 an die jeweiligen Ausgangsanschlüsse der Verstärker A5, A6 und A7 angeschlossen. Ein Vergleicher C5 ist über seinen Eingangsanschluß an den Ausgangsanschluß des Summierers A8 angeschlossen und wird an seinem anderen Eingangsan schluß mit einem vorgegebenen Spannungsniveau V_REF ge speist. Der Vergleicher C5 wird außerdem über seinen Aus gangsanschluß an den verbleibenden Eingangsanschluß des Tores G angeschlossen.

Die Fig. 27 zeigt unterschiedliche Wellenformen von Signa len, die in dem Detektorschaltkreis 79 auftreten. Die Be schreibung wird für die Operation eines Lasermeßgebers der Fig. 24 in Verbindung mit Fig. 27 gegeben. Der Fotodetektor 78A gibt ein A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA aus, wenn er den Interferenzstreifen durch den Ortsfilter 76A empfängt, und der Fotodetektor 78 gibt ein -Phasen-Wechsel strom-Detektorsignal mit entgegengesetzter Phase aus, das eine Phasendifferenz von 180° im Vergleich zu dem Signal SA aufweist. Diese Phasendifferenz entspricht der Ortsfre quenzphasendifferenz zwischen dem Paar von Ortsfrequenzfiltern 76A und 76. Die Detektorsignale haben eine Frequenz, die ein Maß für die Drehgeschwindigkeit der Meßgeberscheibe ist, und eine Anzahl von Amplitudenspitzen, die ein Maß für den Rotationsbetrag ist. In gleicher Weise gibt der Fotodetektor 78B ein B-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SB aus, das dieselbe Frequenz hat, und der Fotodetektor 78 gibt ein -Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal mit entgegengesetzter Phase aus. Das B-Phasen-Wechselstrom-Detek torsignal BS hat eine Phasendifferenz von 90° im Vergleich zu dem A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA. Diese Phasen differenz entspricht der Phasendifferenz zwischen den Orts frequenzfiltern 76A und 76B.

Das A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal SA und das -Phasen- Wechselstrom-Detektorsignal werden durch die jeweiligen Verstärker A1 und A2 verstärkt und danach durch den Ver gleicher C1 miteinander verglichen, um ein A-Phasen-Verschiebe signal PA hervorzubringen. Dieses A-Phasen-Verschiebesignal PA besteht aus einer Sequenz von Rechteckpulsen durch Ver gleich des A-Phasen-Wechselstrom-Detektorsignals SA und dem -Phasen-Wechselstrom-Detektorsignal mit entgegen gesetzter Phase miteinander, so daß das A-Phasen-Detektor signal PA für eine digitale Weiterverarbeitung zur Abgabe eines Meßgeberausgangs geeignet ist. Selbst wenn die Wellen länge des einfallenden Lichts aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur usw. schwankt, so daß das Niveau der Wechselstrom-Detektorsignale schwankt, kann die Niveauschwan kung beseitigt werden, weil die Niveauschwankung gleich zeitig in dem A-Phasen- und -Phasen-Wechselstrom-Detektor signal auftritt. In gleicher Weise werden das B-Phasen-Wechsel strom-Detektorsignal SB und das -Phasen-Wechselstrom-Detek torsignal durch die jeweiligen Verstärker A3 und A4 ver stärkt und dann in dem Vergleicher C2 miteinander vergli chen, um ein B-Phasen-Verschiebesignal BP hervorzubringen. Das B-Phasen-Verschiebesignal PB besteht ebenfalls aus einer Sequenz von Rechteckpulsen. Das B-Phasen-Verschiebesignal PB hat jedoch eine Phasendifferenz von 90° im Vergleich zu dem A-Phasen-Verschiebesignal PA. Dieser Phasenunter schied ist entweder Nachlauf oder Vorlauf, was von der Ver schieberichtung der Meßgeberscheibe abhängt. Die Verschiebe richtung kann nämlich nach Maßgabe der relativen Phasen lage zwischen dem A-Phasen-Verschiebesignal PA und dem B- Phasen-Verschiebesignal PB festgestellt werden.

Wie in der Fig. 27 gezeigt, empfängt der erste Fotodetektor 78C als erster das Punktbild, um den Vor-Detektorpuls SC zu erzeugen. Dieser Puls erreicht seine Spitze zum Zeit punkt T1 und fällt zum Zeitpunkt T2 auf die Hälfte seines Spitzenspannungswertes ab, während die überlagerte Gleich stromkomponente nicht betrachtet wird. Wie in der Fig. 28 zu erkennen ist, entspricht der Zeitpunkt T1 demjenigen Zeitpunkt, zu dem das Punktbild im Zentrum des ersten Foto detektors 78C angelangt ist, während der Zeitpunkt T2 gerade dem Zeitpunkt entspricht, zu dem das Punktbild die Grenze zwischen dem ersten und zweiten Fotodetektor 78C und 78D überschreitet.

Anschließend empfängt der zweite Fotodetektor 78D das Punkt bild, um einen Mittendetektorpuls SD zu erzeugen. Dieser Puls erreicht zum Zeitpunkt T2 die Hälfte seines Spitzen niveaus, erreicht zum Zeitpunkt T3 seine Spitze und fällt danach zum Zeitpunkt T4 auf die Hälfte seines Spitzenwert niveaus zurück. Wie in der Fig. 28 gezeigt ist, entspricht der Zeitpunkt T3 demjenigen Zeitpunkt, bei dem das Punktbild das Zentrum des zweiten Fotodetektors betritt, und der Zeit punkt T4 entspricht dem Zeitpunkt, zu dem das Punktbild die Grenze zwischen dem zweiten und dem dritten Fotodetektor 78D und 78E überschreitet. Der Vor-Detektorpuls SC und der Mitten-Detektorpuls hat zum Zeitpunkt T2 dasselbe Spannungs niveau.

Schließlich gibt der dritte Fotodetektor 78E den Nach-Detek torpuls SE ab. Dieser Puls ist zum Zeitpunkt T4 auf die Hälfte seines Spitzenniveaus angestiegen und erreicht die Spitze zum Zeitpunkt T5. Wie in der Fig. 28 gezeigt ist, entspricht der Zeitpunkt T5 demjenigen Zeitpunkt, zu dem das Punktbild das Zentrum des dritten Fotodetektors 78E erreicht. Der Mitten-Detektorpuls SD und der Nach-Detektor puls SE haben zum Zeitpunkt T4 dasselbe Spannungsniveau.

Diese Vor-, Mitten- und Nachdetektorpulse werden durch die entsprechenden Verstärker A5, A6 und A7 verstärkt und danach in den Summierer A8 gegeben, um die Addition dieser Pulse zu bewirken. Wie in Fig. 27 gezeigt ist, wird die Ausgangs wellenform SCDE des Summierers A8 auf einem hohen Spannungsn niveau gehalten, während das Punktbild an der Reihe der Fotodetektor 78C, 78D und 78E vorbeiwandert.

Die verstärkten Vor- und Mitten-Detektorpulse werden an die negativen und positiven Eingangsanschlüsse des Ver gleichers C3 gegeben, um dazwischen einen Vergleich durch zuführen. Wie in der Figur gezeigt ist, verändert sich die Ausgangswellenform PCD des Vergleichers C3 zum Zeitpunkt T2 zu einem hohen Spannungsniveau. Andererseits werden die verstärkten Mitten- und Nach-Detektorpulse in die positiven und negativen Eingangsanschlüsse des Vergleichers C4 gegeben, um dazwischen einen Vergleich anzustellen. Wie in der Figur gezeigt, verändert sich die Ausgangswellenform PDE des Ver gleichers C4 zu einem niedrigen Spannungsniveau zum Zeit punkt T4. Diese Ausgangswellenformen aus den Vergleichern C3 und C4 werden in den Torschaltkreis G eingegeben und logisch verarbeitet, um ein Referenzpositionssignal PZ auszu geben. Wie in der Fig. 27 gezeigt ist, besteht das Referenz positionssignal PZ aus einem Rechteckpuls, der zum Zeitpunkt T2 einen Sprung und zum Zeitpunkt T4 einen Sprung aufweist. Der Rechteckpuls steht also für eine Zeitperiode von dem Zeitpunkt an, zu dem das Punktbild in zwei Teile geteilt wird durch die eine Kante des zweiten Fotodetektors 78D bis zu dem Zeitpunkt, zu dem das Punktbild durch die andere Kante des zweiten Fotodetektors 78D in zwei Hälften geteilt wird. Die drei Fotodetektoren 78C, 78D und 78E sind in derselben Pha senlage angeordnet wie der Ortsfrequenzfilter 76B, so daß das Referenzpositionssignal PZ in Synchronisation mit einer Periode des B-Phasen-Verschiebesignals PB produziert wird.

Wenn jedoch die Meßgeberscheibe angehalten wird oder der Referenzpunkt sich von dem einfallenden Lichtstrahl entfernt, werden die Ausgänge der Verstärker unstabil, so daß die Vergleicher C3 und C4 in einen unstabilen Zustand fallen. Um einen derartigen unstabilen Faktor bei dem Betrieb der Vergleicher C3 und C4 zu eliminieren, wird das Ausgangs signal des Summierers A8 mit einem vorgegebenen Spannungs niveau V_REF in dem Vergleicher C5 verglichen, um ein Torpulssignal PG zu erzeugen. Dann werden die Ausgangs signale der Vergleicher C3 und C4 in den Torschaltkreis G eingegeben, so daß ein Referenzpositionssignal PZ in Ab hängigkeit von dem Torsignal PG entsteht, wodurch der inde finierte Zustand beseitigt wird.

Claims

1. Gerät zur optischen Feststellung einer Verschiebung mit Lichtquellenmitteln zur Aussendung eines kohärenten Primärlichtes, einem Verschiebeglied, das quer zu dem Primärlicht eine Verschiebung ausführt und auf dessen Fläche das Primärlicht fällt, wobei das Verschiebeglied auf seiner Fläche ein Beugungsgitter trägt, das eine Beugung des Primärlichtes bewirkt, sowie ein hologra phisches Linsengitter, das eine Bündelung des Primärlichtes bewirkt, wodurch das Primärlicht zu einem Sekundärlicht umgewandelt wird, und mit Detektormitteln, die das sekun däre Licht empfangen und optisch die Verschiebung des Verschiebegliedes erfassen.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Beugungsgitter ein eindimensionales Beugungsgitter umfaßt, das in Richtung der Verschiebung so angeordnet ist, daß das Primärlicht fortlaufend gebeugt wird, um ein vergrößertes Beugungs bild zu bilden, dessen Hell-Dunkel-Zonen in Verschiebe richtung verlaufen, und bei dem das holographische Linsen gitter ein lokales holographisches Linsengitter umfaßt, das an einer Referenzposition des Verschiebegliedes angeordnet ist und beim Durchqueren des Primärlichtes wirksam ist, um einen Teil des Primärlichtes zu bündeln, so daß ein Referenzpunktbild entsteht.

3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquellenmittel eine Punktlichtquelle einschließen zur Aussendung eines Strahls von kohärentem Primärlicht mit einer sphärischen Wellenfront und bei dem das lokale holographische Linsen gitter eine Größe und Form aufweist, die einer effektiven Querschnittsfläche des Primärlichtstrahles entspricht.

4. Gerät nach Anspruch 2, bei dem das Verschiebeglied eine Rotationsscheibe umfaßt, das eindimensionale Beugungs gitter aus radialen Schlitzen besteht, die entlang einer Kreisringperipherie der Scheibe angeordnet sind, und das lokale holographische Gitter aus koaxialen, kreis förmigen Schlitzen besteht, die neben dem Beugungsgitter in radialer Richtung einwärts der Kreisringperipherie gebildet sind.

5. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Beugungsgitter ein eindimensionales Beugungsgitter umfaßt, das entlang der Verschieberichtung so angeordnet ist, daß es das Primärlicht fortlaufend beugt, so daß ein vergrößertes Beugungsbild gebildet wird, dessen Hell-Dunkel-Zonen in Verschieberichtung wechseln, und bei dem das holo graphische Linsengitter ein planes holographisches Linsen gitter umfaßt, das orthogonal in Überdeckung mit dem Beugungsgitter angeordnet ist, um das vergrößerte Beugungs bild in einer Richtung zusammenzuziehen, die senkrecht zur Verschieberichtung verläuft.

6. Gerät nach Anspruch 5, bei dem das Verschiebeglied eine Rotationsscheibe ist, das eindimensionale Beugungsgitter aus radialen Schlitzen besteht, die entlang einer Kreis ringperipherie auf der Scheibe angeordnet sind, und das plane holographische Linsengitter aus koaxialen Kreisringschlitzen besteht, die auf der Kreisringperi pherie angeordnet sind.

7. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Beugungsgitter und das holographische Linsengitter aus geätzten Schlitzen besteht, die auf derselben Fläche des Verschiebegliedes angeordnet sind.

8. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Verschiebeglied ein längliches Glied umfaßt, das linear verschoben wird.

9. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Verschiebeglied aus einer Meßgeberplatte besteht, die in einem vorgegebenen axialen Abstand von den Lichtquellenmitteln entlang ihrer optischen Achse angeordnet ist und quer zum Primär licht verschiebbar ist, das Beugungsgitter ein eindimen sionales Beugungsgitter umfaßt, das das Primärlicht beugt, um ein vergrößertes Beugungsbild zu bilden, das von einer Wellenlänge des Primärlichtes in einer Richtung der optischen Achse abhängt, und die Lichtquellenmittel eine Lichtquelle zum Aussenden von kohärentem Primärlicht entlang der optischen Achse einschließen, das eine in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur schwankenden Wellenlänge aufweist, mit einem Sockel zur Befestigung der Lichtquelle und einem Ausgleichsglied, das zwischen der Lichtquelle und dem Sockel angeordnet ist und ther mischer Expansion und Kontraktion entlang der optischen Achse in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur unterworfen ist, um den axialen Abstand zwischen der Lichtquelle und der Meßgeberplatte zu verändern, so daß dadurch die Kompensation für die schwankende Wellenlänge des Primärlichtes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bewirkt wird.

10. Gerät nach Anspruch 9, bei dem das eindimensionale Beugungs gitter eine Type umfaßt, die im Betrieb ein vergrößertes Beugungsbild gemäß einer ersten Gleichung bildet, wobei M den Abstand zwischen der Meßgeberplatte und dem vergrößerten Beugungsbild, L den axialen Abstand zwischen der Lichtquelle und der Meßgeberplatte, T die Teilung des eindimensionalen Beugungsgitters, λ die Wellenlänge des kohärenten Primärlichtes und G und H eine ganze Zahl bezeichnen, wobei die Lichtquelle eine Type umfaßt, die im Betrieb das kohärente Primärlicht gemäß einer zweiten Gleichungλ = λ₀ - α · Δtausstrahlt, worin λ₀ eine Referenzwellenlänge, Δ T eine Temperaturänderung und α einen Wellenlängenänderungs koeffizienten bezeichnet, wobei die Meßgeberplatte eine Type umfaßt, die so einstellbar ist, daß der axiale Abstand L nach einer dritten Gleichung L = -Aλ + B beträgt, worin A und B Konstanten sind, um die erste Gleichung zu erfüllen, und wobei das Ausgleichsglied eine axiale Dicke S aufweist, die durch eine vierte Gleichung festgelegt ist, in der β einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Ausgleichsgliedes zur Erfüllung der dritten Gleichung bezeichnet.

11. Gerät nach Anspruch 9, bei dem das Ausgleichsglied aus einem thermisch expandierbaren und zusammenziehbaren Kunststoffmaterial besteht.

12. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die Detektormittel eine plattenförmige Maske einschließen, die so angeordnet ist, daß sie selektiv das Referenzpunktbild durchläßt durch ein in die Maske eingelassenes Paar aus einem breiten Schlitz mit einer relativ weiten effektiven Öffnungsbreite und einem schmalen Schlitz mit einer relativ engen effektiven Öffnungsbreite, einen Fotode tektor, der das Referenzpunktbild durch den breiten Schlitz empfängt, um ein Vergleichspulssignal mit einer weiten Pulsbreite zu erzeugen, einen weiteren Fotodetektor, der das Referenzpunktbild gleichzeitig mit dem anderen Fotodetektor empfängt, um ein Detektorpulssignal mit einer schmalen Pulsbreite zu erzeugen, und einen Detektorschalt kreis, der das Detektorpulssignal mit dem Vergleichspuls signal verarbeitet, um ein Referenzpulssignal auszugeben, das ein Maß für den Weg des Referenzpunktes auf dem Verschiebeglied ist.

13. Gerät nach Anspruch 12, bei dem der Detektorschaltkreis einen Vergleicher einschließt, der im Betrieb das Ver gleichspulssignal als Schwellenwert in ein Torpulssig nal umformt, sowie ein Torschaltkreis zum Durchlassen des Referenzpulssignals in Abhängigkeit von dem Torpuls signal.

14. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die Detektormittel eine feststehende, plattenförmige Maske einschließen, die so angeordnet ist, daß sie selektiv das Sekundärlicht passieren läßt, einen ersten Fotodetektor zur Aufnahme des sich hinsichtlich der Hell-Dunkel-Zonen ändernden Beugungsbildes durch die stationäre Maske und zur Ab gabe eines entsprechenden Wechselstromsignales, einen zweiten Fotodetektor zur Aufnahme des Referenzpunktbildes, das dem Beugungsbild überlagert ist, durch die statio näre Maske zur Erzeugung eines Detektorpulssignales, das eine Detektorpulskomponente entsprechend dem Punkt bild und eine Wechselstrom-Rauschkomponente entspre chend dem Beugungsbild enthält, sowie einen Detektorschalt kreis, der das Detektorpulssignal mit dem Wechselstrom signal im Betrieb zur Beseitigung der Wechselstrom rauschkomponente so verarbeitet, daß ein Referenzpulssignal in Synchronisation mit dem Detektorpulssignal abgegeben wird, wodurch der Referenzpunkt auf dem Verschiebeglied feststellbar ist.

15. Gerät nach Anspruch 14, bei dem die feststehende, plat tenförmige Maske einen wirksamen Schlitz zum Durchlassen des Referenzpunktbildes und eines Teils des Beugungs bildes sowie einen Nebenschlitz aufweist, der in Aus richtung zu dem wirksamen Schlitz in einer Richtung verläuft, die vertikal zur Verschieberichtung verläuft, so daß nur ein Teil des Beugungsbildes hindurchgeht, und bei dem der erste Fotodetektor hinter dem Neben schlitz angeordnet ist, um ein Background-Wechselstrom signal zu erzeugen, das frei von der Detektorpulskompo nente ist, und der zweite Fotodetektor hinter dem wirk samen Schlitz angeordnet ist, um ein Detektorpulssignal zu erzeugen, das eine Wechselstrom-Background-Rausch komponente und eine Detektorpulskomponente enthält.

16. Gerät nach Anspruch 14, bei dem die feststehende, plat tenförmige Maske einen wirksamen Schlitz aufweist, der so angeordnet ist, daß er das Referenzpunktbild hindurch läßt und einen Teil des Beugungsbildes, sowie eine Mehr zahl von stationären Schlitzgruppen umfaßt, die im Be trieb das sich hinsichtlich der Hell-Dunkel-Grenzen ändernde Beugungsbild mit einer Phasendifferenz von 90° oder 180° zwischen den Schlitzgruppen hindurchläßt, und bei dem der zweite Fotodetektor hinter dem wirksamen Schlitz angeordnet ist, um ein Detektorpulssignal zu erzeugen, das eine Wechselstrom-Rauschkomponente bei einer vorgegebenen Phase enthält, und der erste Fotode tektor hinter einer Schlitzgruppe angeordnet ist, die aus der Vielzahl der stationären Schlitzgruppen ausge wählt ist, um ein Wechselstromsignal zu erzeugen, das dieselbe Phase hat wie die der Wechselstrom-Rauschkom ponente.

17. Gerät nach Anspruch 2, bei dem die Detektormittel drei Fotodetektoren einschließen, die nebeneinander in Ver schieberichtung zur Aufnahme in zeitlicher Abfolge des Referenzpunktbildes angeordnet sind, während das lokale, holographische Linsengitter das Primärlicht durchquert, wodurch nacheinander ein Vor-Detektorpuls, ein Mitten- Detektorpuls und ein Nach-Detektorpuls abgegeben wird, und ein Detektorschaltkreis an die drei Fotodetektoren angeschlossen ist und im Betrieb in logischer Weiter verarbeitung jeweils ein Vergleichsergebnis zwischen dem Vor- und Mitten-Detektorpulsen und ein weiteres Vergleichsergebnis zwischen dem Mitten- und Nachdetek torpulsen hervorbringt, um ein Referenzpulssignal abzu geben, das den Referenzpunkt auf dem Verschiebeglied anzeigt.

18. Gerät nach Anspruch 17, bei dem der Detektorschaltkreis einen Vergleicher für eine Schwellenwertbildung eines aufsummierten Ausgangs der drei nacheinander auftreten den Detektorpulse einschließt, um ein Torsignal abzugeben, und einen Torschaltkreis einschließt, um das Referenz pulssignal in Abhängigkeit von dem Torsignal auszugeben.

19. Gerät nach Anspruch 17, bei dem die drei Fotodetektoren in einem vorgegebenen Abstand zueinander angeordnet sind, der der Teilung des vergrößerten Beugungsbildes entspricht.