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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät mit den
Merkmalen gemäß den Oberbegriffen
der Ansprüche
1 und 7.
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Nach
dem Stand der Technik ist ein photoelektrischer Kodierer wohlbekannt,
der eine Skala aufweist, auf welcher optische Abstufungen mit einem gegebenen
Teilungsabstand vorgesehen sind, um ein periodisches Nachweissignal
zu erzeugen. Die Auflösung
des photoelektrischen Kodierers wird durch die Breite einer Nut
eines optischen Gitters und einen Teiler festgelegt, der eine Entfernung
zwischen benachbarten Nuten des Gitters ist, und wird weiterhin
durch die Eigenschaften einer elektronischen Schaltung zur Bearbeitung
eines Signals nach einer photoelektrischen Wandlung bestimmt. Ein
derartiges optisches Gitter wird im allgemeinen durch Ätzen hergestellt
und weist daher eine äußerste Auflösung von
etwa 4 Mikrometer (μm)
auf, angesichts der endgültigen
Meßgenauigkeit,
und schließlich
eine praktische Auflösung
von etwa 1 μm,
wenn angenommen wird, daß eine
nicht allzu kostenaufwendige elektronische Schaltung verwendet wird.
Es ist daher schwierig, ein optisches Gitter mit darüber hinausgehender
Genauigkeit zur Verfügung
zu stellen.
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Dagegen
wird es mit zunehmender Verbreitung eines photoelektrischen Kodierers
immer mehr erforderlich, ein Nachweissignal mit hoher Auflösung und
mit hoher Genauigkeit zu erzeugen.
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Um
die Auflösung
eines derartigen photoelektrischen Kodierers weiter zu verbessern,
wurde ein Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät vorgeschlagen, bei welchem
Abstufungen mit feinem Teilungsabstand (typischerweise etwa 1 μm) auf einer Skala
durch Holographie hergestellt und als Beugungsgitter verwendet werden,
um darauf wirksam eine Beugung zu erzeugen zum Erhalt eines Nachweissignals.
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In 10 ist ein bekanntes Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät dargestellt,
wie es in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 47-10034 beschrieben
ist. Das Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerät weist eine Skala auf, auf
welchem ein Beugungsgitter 10A eines Teilungsabstandes
d hergestellt wurde, eine Helium-Neon-Laserlichtquelle 12 zur
Aussendung eines Laserstrahls 14 einer Wellenlänge λ als optischer
Fluß,
um hiermit das Beugungsgitter 10A zu bestrahlen, Spiegel 16, 18 zum
Reflektieren gebeugter optischer Strahlen der nullten und ersten
Ordnung, die jeweils von dem Beugungsgitter 10A erzeugt
werden, einen Strahlteiler (grobes Beugungsgitter) 20 zum
Aufteilen eines kombinierten Strahls eines Strahls der nullten Ordnung
des Strahls der ersten Ordnung, der durch den Spiegel 18 auf
der Seite der ersten Ordnung reflektiert wurde, und eines Strahls
der ersten Ordnung des optischen Strahls der nullten Ordnung, der
durch den Spiegel 16 auf der Seite der nullten Ordnung
reflektiert wurde, in drei gleiche optische Strahlen, und weist
optische Detektorelemente 22A, 22B und 22C zur
photoelektrischen Wandlung der jeweils durch den Strahlteiler 20 aufgeteilten
Strahlen auf. Hierbei bilden die voranstehend beschriebenen Elemente – abgesehen
von der Skala – einen
optischen Detektor.
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In 10 weisen Polarisatoren 24, 26,
die in den optischen Strahlengang des optischen Strahls der nullten
bzw. ersten Ordnung eingefügt
sind, Polarisationsrichtungen auf, die einander senkrecht schneiden,
und daher wird kein Interferenz streifen auf dem optischen Detektor 22A und
um diesen herum erzeugt, der den zentralen Strahl der voranstehend
genannten drei optischen Strahlen empfangen soll, die sich wie voranstehend
durch Aufteilen des kombinierten optischen Strahls in die voranstehend genannten
drei optischen Strahlen ergeben. Daher fällt ein einfaches additives
Summensignal, nicht ein Interferenzstreifen, auf das optische Detektorelement 22A auf.
Das Signal wird dort als ein Referenzsignal Vr verwendet.
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Zusätzlich ist
ein Analysator 28B, der zur Erzeugung eines Interferenzstreifens
dient, unmittelbar vor dem optischen Detektorelement 22B angeordnet, welches
dann ein Nachweissignal ϕA mit einer Phase A, welches infolge
des Interferenzstreifens erzeugt wurde, liefert.
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Weiterhin
sind eine Viertelwellenlängenplatte 30 und
ein Analysator 28C unmittelbar vor dem optischen Detektorelement 22C angeordnet,
welches dann ein Nachweissignal ϕB mit einer Phase B erzeugt,
welches sich in seiner Phase um 90° von dem Nachweissignal ϕA
mit der Phase A unterscheidet.
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Ein
Auftreffwinkel θ des
Laserstrahls 14 und ein Beugungswinkel ϕ des Strahls
der ersten Ordnung erfüllen
folgende Gleichung: d(sinθ + sinϕ)
= λ (1)
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Bei
einem derartigen Verschiebungsmeßgerät des Beugungsgittertyps läßt sich
ein optisches Gitter mit einem Teilungsabstand von 1 μm oder geringer
dadurch erzielen, daß das
Beugungsgiter 10A durch beispielsweise Holographie hergestellt
wird, wodurch sich eine Auflösung
von 0,01 μm
erzielen läßt.
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Wenn
allerdings die Glasoberfläche
der Skala einschließlich
des hieraus ausgebildeten Beugungsgitters 10A bei dem Verschiebungsmeßgerät des Transmissionsbeugungsgittertyps,
welches beispielsweise in 10 gezeigt
ist, nicht genügend eben
ist, so werden Brechungswinkel der Strahlen nullter und erster Ordnung
geändert,
und daher werden diese optischen Strahlen abgelenkt, wie durch den
Pfeil A in 11 gezeigt
ist (wenn die untere Oberfläche
der Skala nicht genügend
eben ist). Daher zeigen die Ausbreitungsrichtungen der beiden optischen
Strahlen, die auf die optischen Detektorelemente 22B, 22C auffallen
und zueinander geneigt sind, und die Wellenoberflächen der
Strahlen, die diese Richtungen senkrecht schneiden, ein optisches Muster,
welches sich zu einem Interferenzmuster zusammensetzt, und so wird
verhindert, daß ein
gleichförmiges
Interferenzmuster zwischen den Strahlen über der gesamten Oberfläche über einen
Querschnitt erzeugt wird, auf welchem die Strahlen überlagert
sind. Daher muß bei
einem derartigen Verschiebungsmeßgerät des Transmissionsbeugungsgittertyps
die Skala auf 5 μm
pro 100 mm oder weniger eben sein, und weiterhin darf kein Signal
nachgewiesen werden, wenn die Richtungen optischer Achsen infolge
eines anderen Einflusses geneigt wären.
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Im
Gegensatz hierzu können
bei einem Verschiebungsmeßgerät des Reflexionsbeugungsgittertyps,
bei welchem eine Lichtquelle und ein Detektorsystem zusammen auf
einer Seite einer Reflexionsskala angeordnet sind, die Lichtquelle
und das Detektorsystem auf der einen Seite der Skala angeordnet
sein, so daß der
Reflexionstyp geeignet ist für eine
eingebaute Skala, beispielsweise eine separate Skala. Allerdings
wird bei einem derartigen Verschiebungsmeßgerät des Reflexionsbeugungsgittertyps die
Beugung reflektierten Lichtes eingesetzt, so daß eine Verschiebung eines optischen
Strahlengangs, welche sich aus irgendeiner Neigung der Skala und daraus,
daß diese
nicht genügend
eben ist, ergibt, schlimmer ist als bei dem voranstehend angegebenen
Transmissionstyp, und dies erfordert genauere Montage- und Einstellvorgänge, die
sich schwierig ausführen
lassen.
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Eine
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 ist aus der EP-A-01 46 244 bekannt.
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Weiter
sind Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 7 aus den Entgegenhaltungen DE-A-33 16 144 und DE-A-37
00 906 bekannt.
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Angesichts
der Schwierigkeiten bei den bekannten Verschiebungsmeßgeräten ist
es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in vorteilhafter Weise
ein Verschiebungsmeßgerät des Beugungsgittertyps
zu schaffen, welches ein stabiles Signal sicherstellen kann und
daher eine Ausrichtung erleichtert, die erforderlich ist, um ein
Detektorsystem zu montieren, auch wenn in den Beugungsstrahlen Variationen (von
geringer Größe, jedoch
deutlichem Einfluß)
infolge von Unebenheiten der Skalenoberfläche und deren Neigung vorhanden
sind.
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In
einer ersten Lösung
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verschiebungsmeßgerät des Beugungsgittertyps geschaffen
mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das optische Element zum Kollimieren der mehreren
optischen Strahlen, die von dem Beugungsgitter erzeugt werden, eine
Konvexlinse sein, deren Brennpunkt auf einer Brechungsebene oder
einer Beugungsebene der Skala liegt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann das optische Element zum Kollimieren der mehreren
optischen Strahlen, die durch das Beugungsgitter erzeugt werden,
auch ein Konkavspiegel sein.
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In
einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung wird
ein Verschiebungsmeßgerät des Beugungsgittertyps
geschaffen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Bei
der konventionellen Vorgehensweise würde, wenn ein Brechungswinkel
(beim Transmissionstyp) und ein Beugungswinkel (beim Reflexionstyp)
geändert
würden,
infolge der Tatsache, daß eine Skalenoberfläche nicht
genügend
eben ist oder die Skala irgendwie geneigt ist, eine unterschiedliche Ausbreitung
zweier auf die optischen Detektorelemente 22B, 22C auftreffender
optischer Strahlen in einem bestimmten Winkel erfolgen, und daher
werden Wellenfrontenflächen,
die sich senkrecht zu ihren Ausbreitungsrichtungen schneiden, zur
Ausbildung eines ungewünschten
Beugungsmusters synthetisiert, wodurch es möglich wird, eine gleichförmige Interferenz
zwischen den optischen Strahlen über die
gesamte Oberfläche
im Querschnitt bei der Überlagerung
der optischen Strahlen sicherzustellen. Dies führt zu derartigen Schwierigkeiten,
daß die Skala
mit hohem Genauigkeitsgrad eben ausgebildet sein muß, und daß das Auftreten
einer zusätzlichen Neigung
zwischen den relativen Ausbreitungsrichtungen der optischen Strahlen
infolge irgenwelcher anderer Faktoren es unmöglich macht, ein Signal nachzuweisen,
und dies führt
zum Auftreten von Meßfehlern.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie sie in 2 dargestellt
ist, ist eine Konvexlinse 40 so angeordnet, daß sich ihr
Brennpunkt auf der Brechungsebene oder der Beugungsebene der Skala
befindet, so daß mehrere
optische Strahlen, die durch das Beugungsgitter erzeugt werden,
sich parallel zu ihren Ausbreitungsrichtungen erstrecken, die bei
Entwurf des Geräts
festgelegt werden, und zwar vor ihrer Kombination durch einen Halbspiegel 50.
Dies ermöglicht
die Bereitstellung eines stabilen Interferenzsignals, selbst wenn
die Ebene in einem Ausmaß von 15 μm pro 100
mm oder mehr eben ist. Zusätzlich kann
ein stabiles Nachweissignal sichergestellt werden, selbst wenn die
optischen Achsen der auf die optischen Detektorelemente auffallenden
optischen Strahlen zueinander infolge irgendeines anderen Einflusses
geneigt sind. Hierbei kann auch ein Konvexspiegel eingesetzt werden,
um die soeben angegebenen Bedingungen zu schaffen.
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Dann
können
sich, unabhängig
von der ungenügenden
Ebenheit der Skalenoberfläche
und einer Neigung infolge von Ausrichtungsänderungen nach Montage der
Skala, die optischen Strahlen nach dem Durchgang durch die Linse
parallel zur optischen Achse ausbreiten, wie bei dem Entwurf der
optischen Achse festgelegt wurde, und zwar zu allen Zeiten. Mit
anderen Worten breiten sich die optischen Strahlen entlang paralleler
optischer Strahlen nach dem Durchgang durch den Halbspiegel 50 oder
nach der Reflexion durch diesen Halbspiegel aus, was ermöglicht,
daß eine
stabile Interferenz aufrechterhalten werden kann. Durch die voranstehend
beschriebene Ausbildung des optischen Systems können die Einflüsse der
nicht ebenen Skalenoberfläche
und einer Neigung verringert werden, wodurch ein stabileres Nachweissignal
sichergestellt wird. Daher können
zugelassene Ausmaße
der Nichtebenheit der Skala und deren Ausrichtung auf die Montage
der Skale verbessert werden, was den Einsatz einer kostengünstigen
Skala und eine einfache Ausrichtung gestattet. Darüber hinaus
gibt es keine ernsthafte Einschränkung
beim Entwurf für
die Form und den parallelen Durchgang des optischen Strahls von
der Lichtquelle.
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Insbesondere
werden bei dem Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps, bei
welchem eine Verschiebung des optischen Strahlengangs infolge irgendeiner
Neigung der Skala usw. schlimmer ist als beim Transmissionstyp,
und bei welchem eine kritische Montage und Einstellung erforderlich
sind, die Montage und die Einstellung der Skala wirksamer erleichtert,
und es kann ein Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps
unter Verwendung einer kleinen Lichtquelle, beispielsweise einer
Laserdiode, realisiert werden.
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Hierbei
wird, wie in 11 dargestellt ist, der von
der Skala 10 durchgelassene optische Strahl nullter Ordnung
ebenfalls durch die Ebenheit der Skala beeinflußt, ebenso wie der durch das
Beugungsgitter 10A gebeugte Strahl erster Ordnung, und bezüglich des
Begungswirkungsgrades ist der Anteil des optischen Strahls nullter
Ordnung (etwa 80 %) erheblich größer als
der des Strahls erster Ordnung (etwa 20 %).
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Gemäß der zweiten
erfindungsgemäßen Lösung, die
sich aus dem voranstehend angegebenen Aspekt des Verschiebungsgeräts ergeben
hat, werden – wie
beispielhaft in 8 dargestellt ist – die durch
das Beugungsgitter (10) durchgelassenen optischen Strahlen
nullter Ordnung in derselben Richtung durch ein Rechteckprisma 40 oder
ein Dreieckprisma, wie ein Eckprisma, ein Katzenauge und dergleichen,
zurückreflektiert
und fallen wiederum auf das Beugungsgitter auf, wodurch mehreren
der durch das Beugungsgitter erzeugten optischen Strahlen gestattet
wird, daß sie
sich parallel zu ihren Ausbreitungsrichtungen ausbreiten, die bei
dem Entwurf des Gerätes
festgelegt wurden.
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Dann
können
sich, unabhängig
von ungenügender
Ebenheit der Skala und einer Neigung die optischen Strahlen nach
der Beugung in derselben Richtung zu jedem Zeitpunkt ausbreiten.
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Auch
die zweite Ausführungsform
sichert ein stabiles Referenzsignal, selbst wenn die Abweichung von
der Ebenheit der Skala 15 μm
pro 100 mm überschreitet,
ebenso wie die erste Ausführungsform.
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Weiterhin
wird, wenn der von einer Lichtquelle ausgesandte optische Strahl
so eingestellt wird, daß er
nicht zu der Lichtquelle zurückgeht,
selbst wenn die Lichtquelle so ausgebildet ist, daß sie – wie etwa
eine Laserdiode – durch
zurückkehrendes
Licht beeinflußt
wird, eine Oszillation der Lichtquelle stabilisiert, und daher kann
zugeordnetes Rauschen verringert werden.
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Hierbei
ist es auch bei dem vorigen, in 10 gezeigten
Beispiel möglich,
die Spiegel 16 und 18 durch beispielsweise ein
Rechteckprisma zu ersetzen. Allerdings ist in diesem Fall der auf
dem Spiegel 18 reflektierte optische Strahl ein gebeugter Strahl
erster Ordnung, der auf etwa 20 % des von der Lichtquelle ausgehenden
optischen Strahls reduziert ist. Daher wird die Intensität eines
weiteren gebeugten Strahls erster Ordnung, der sich durch weitere Beugung
des ersten gebeugten Strahls erster Ordnung ergibt, auf etwa 4 %
des optischen Strahls von der Lichtquelle verringert. Dies erfordert
einen empfindlicheren optischen Detektor und ebenso eine Lichtquelle
größerer Kapazität. Im Vergleich
hierzu ist die vorliegende Erfindung so ausgebildet, daß der optische
Strahl erster Ordnung reflektiert wird, und daher kann die Intensität des gebeugten
Strahls erster Ordnung bis etwa 16 % der Intensität des Strahls von
der Lichtquelle betragen, wodurch die Reaktionszeit des optischen
Detektors verbessert und die Lichtquelle miniaturisiert wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Gleiche Bezugsziffern
bezeichnen gleiche oder ähnliche
Teile der Figuren. Es zeigen:
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1 eine
Vorderansicht zur Erläuterung des
Aufbaues einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerätes gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
Ansicht zur Erläuterung
eines optischen Strahlenganges zur Beschreibung der Betriebsweise
der ersten bevorzugten Ausführungsform;
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3 eine
Vorderansicht zur Erläuterung des
Aufbaues einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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4 eine
Vorderansicht zur Erläuterung des
Aufbaues einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
Seitenansicht zu deren Erläuterung;
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6 eine
Vorderansicht zur Erläuterung des
Aufbaues einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
Vorderansicht zur Erläuterung des
Aufbaues einer fünften
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Ansicht zur Erläuterung
eines optischen Strahlenganges zur Beschreibung der Betriebsweise
der fünften
bevorzugten Ausführungsform;
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9 eine
Seitenansicht zur Erläuterung
eines Abschnittes eines abgeänderten
Beispiels der fünften
bevorzugten Ausführungsform;
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10 eine
Vorderansicht zur Erläuterung des
Aufbaues eines zur Erläuterung
gezeigten Beugungsgitter-Verschiebungsmeßgerätes nach dem Stand der Technik;
und
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11 eine
Schnittansicht zur Erläuterung einer
beim Stand der Technik aufgetretenen Situation, bei welcher infolge
ungenügender
Ebenheit einer Skala optische Strahlen abgelenkt werden.
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1 erläutert eine
erste bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Bei der ersten Ausführungsform weist ein Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Beugungsgittertyps – wie beim
voranstehend beschriebenen Stand der Technik – eine Transmissionsskala 10 mit
einem darauf ausgebildeten Beugungsgitter auf, eine Laserdiode (LD) 42 als
Lichtquelle zur Aussendung eines kollimierten parallelen optischen
Strahls, und einen aus optischen Detektorelementen 22A1 , 22A2 , 22B und 22C bestehenden
Detektor, wobei die Detektorelemente jeweils als PIN-Dioden ausgebildet
sind und der Detektor weiterhin Analysatoren 28B, 28C aufweist,
sowie eine Viertelwellenlängenplatte 30,
wodurch ein periodisch wechselndes Nachweissignal in Reaktion auf
eine Relativ-Verschiebung zwischen der Skala 10 und dem
Detektor erzeugt wird. Weiterhin weist das Verschiebungsmeßgerät einen
P/S-Teiler 44 zum Halbieren des von der Laserdiode 42 emittierten
Laserstrahls 14 entsprechend einer Polarisationssichtung
des Laserstrahls 14 auf, ein Paar von Spiegeln 46A, 46B zum
Richten derart aufgeteilter optischer Strahlen auf das auf der Skala 10 ausgebildete
Beugungsgitter, so daß die
Strahlen symmetrisch auf das Gitter im selben Beugungspunkt C und mit
demselben Auftreffwinkel auftreffen.
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Strahlteiler 48A, 48B sind
vorgesehen, um nur gebeugte optische Strahlen der ersten Ordnung zu
reflektieren und zu trennen, und die optischen Detektorelemente 22A1 , 22A2 dienen
zur photoelektrischen Wandlung der gebeugten optischen Strahlen, welche
durch die Strahlteiler 48A, 48B aufgetrennt wurden,
um ein Referenzsignal Vr = (Vra + Vrb)/2 zu erzeugen. Ein Halbspiegel 50 dient
zur Wiedervereinigung der auf den Strahlteilern 48A, 48B reflektierten
gebeugten Strahlen, und Konvexlinsen 52A, 52B sind
jeweils zwischen dem Halbspiegel 50 und den Strahlteilern 48A, 48B angeordnet,
und zwar so, daß sich
jeweils ihr Brennpunkt in einem Brechungspunkt auf der Skala 10 befindet.
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Bei
einem derartigen Aufbau werden die beiden von dem Beugungsgitter
gebeugten optischen Strahlen durch die Konvexlinsen 52A, 52B übertragen,
bevor sie durch den Halbspiegel 50 vereinigt werden, wodurch
verbogene optische Achsen, die infolge kleiner, aber in Querrichtung
antisymmetrischer Variationen entstehen können, beispielsweise einer ungenügenden Ebenheit
einer Skalenoberfläche
und einer Neigung der Skala, so korrigiert werden können, daß sie nicht
durch diese Variationen ernsthaft beeinflußt werden.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wurde ein in Querrichtung symmetrischer Aufbau eingesetzt, eine
sogenannte Mehrfachstufe, bei welcher die gebeugten Strahlen durch
den Halbspiegel 50 wiedervereinigt werden, nachdem sie
einmal von den Strahlteilern 48A, 48B reflektiert
wurden. Daher treten die gebeugten Strahlen in die optischen Detektorelemente 22B, 22C in
einem im wesentlichen vorbestimmten Einfallswinkel ein, da die gebeugten
Strahlen der ersten Ordnung einen gemeinsamen Beugungswinkel ϕ aufweisen,
selbst wenn sich die Wellenlänge λ des emittierten
Strahls von der Laserdiode 42 ändert. Daher treten ebenfalls
moderierte große, aber
symmetrische Variationen auf, etwa Variationen der Wellenlänge der Lichtquelle
und Variationen des Abrollens auf der Skala und jeder Lücke in der
Skala, so daß die
gebeugten Strahlen durch derartige Variationen nicht beeinflußt werden.
Weiterhin ist nicht zu befürchten,
daß irgendwelches
auf der Skalenoberfläche 10 reflektiertes
Licht direkt auf das optische Detektorelement auftrifft.
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Zwar
sind bei der vorliegenden Ausführungsformen
die Konvexlinsen 52A, 52B zwischen den Strahlteilern 48A, 48B und
dem Halbspiegel 50 angeordnet, sie können jedoch auch – ohne Begrenzung auf
die voranstehende Situation – zwischen
der Skala 10 und den Strahlteilern 48A, 48B angeordnet
sein. Sie können
nämlich
in jeder Lage angeordnet sein, vorausgesetzt, daß die Bedingungen erfüllt sind,
daß sich
ihre Position auf dieser Seite der Wiedervereinigung der durch das
Beugungsgitter gebeugten optischen Strahlen befindet, und daß ihre Brennpunkte auf
der Reflexionsebene der Skala liegen.
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Nachstehend
wird eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 3 beschrieben.
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In
der zweiten Ausführungsform
wird ein Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Beugungsgittertyps
derselben Mehrfachstufenart wie bei der ersten Ausführungsform
beschrieben, wobei gemäß 3 Konkavspiegel 54A, 54B anstelle
der Konvexlinsen 52A, 52B an Positionen der Strahlteiler 48A, 48B angeordnet
sind.
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In
diesem Zusammenhang sollte bei der zweiten Ausführungsform ein Referenzsignal
Vr getrennt unter Verwendung eines (nicht dargestellten) Strahlteilers
und dergleichen erzeugt werden, der in irgendeiner anderen Lage
angeordnet ist.
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Zwar
wurde bei der ersten und zweiten Ausführungsform die vorliegende
Erfindung auf das Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Beugungsgittertyps
angewendet mit der Transmissionsskala 10, jedoch läßt sich
die Erfindung auch bei einem Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps
mit einer Reflexionsskala 60 einsetzen, wie beispielsweise
in 4 gezeigt ist, ohne Begrenzung auf das voranstehende
erläuternde
Beispiel.
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Nachstehend
werden eine dritte und eine vierte bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben, die bei dem Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps
eingesetzt werden.
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Bei
der dritten Ausführungsform
ist ein Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps
vorgesehen, wie in 4 dargestellt ist, wobei die
Konvexlinsen 52A, 52B zwischen den Strahlteilern 48A, 48B und
den Polarisationsplatten 24, 26 so angeordnet
sind, daß ihre
Brennpunkte am Beugungspunkt C auf der Skala 60 liegen.
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Weiterhin
fällt der
von der Laserdiode 42 als Lichtquelle emittierte optische
Strahl 14 schräg
auf die Skala 60 auf, wie in 5 gezeigt
ist, so daß verhindert
wird, daß ein
auf der Skala 60 zurückreflektierter
Strahl zurück
zur Laserdiode 42 übertragen wird,
und daher wird die automatische Leistungssteuerung (APC) der Laserdiode 42 dagegen
geschützt, daß Störungen aufgrund
eines derartigen zurückreflektierten
Lichtes auftreten.
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Da
auch bei der vorliegenen Ausführungsform
das optische System in Querrichtung symmetrisch ist, ist es widerstandsfähig gegenüber Variationen
der Symmetrie des optischen Strahlenganges, beispielsweise Variationen
der Wellenlänge
des von der Lichtquelle emittierten Strahls, und kann den Einfluß derartiger
Variationen der Wellenlänge
des von der Laserdiode 42 emittierten Strahls ausgleichen.
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Andere
Einzelheiten sind identisch zu den der ersten Ausführungsform,
und daher wird ihre Beschreibung weggelassen.
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Nachstehend
wird unter Bezug auf 6 die vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Bei
der vierten Ausführungsform
wird dasselbe Verschiebungsmeßgerät des Reflexions-Beugungsgittertyps
wie bei der dritten Ausführungsform verwendet,
wobei anstelle der Konvexlinsen 52A, 52B die Konkavspiegel 54A, 54B an
den Positionen der Strahlteiler 48A, 48B vorgesehen
sind.
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Andere
Faktoren sind identisch denen der zweiten und der dritten Ausführungsform,
und daher wird auf ihre Beschreibung verzichtet.
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Nachstehend
wird eine fünfte
bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf 7 beschrieben.
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Wie
in 7 dargestellt ist, weist bei dieser Ausführungsform
das Verschiebungsmeßgerät des Transmissions-Beugungsgittertyps
wie bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik eine Transmissionsskala 10 auf,
eine LD (Laserdiode) 42 und einen Detektor, der aus optischen
Detektorelementen 22A1, 22A2, 22B, 22C besteht
sowie aus Polarisationsplatten 24, 26, Analysatoren 28B, 28C,
und einer Viertelwellenlängenplatte 30.
Weiterhin ist ein Strahlteiler 44 zum Halbieren eines von
der Laserdiode 42 emittierten Laserstrahls 14 vorgesehen,
so daß dieser
auf ein auf der Skala 10 ausgebildetes Beugungsgitter auftrifft,
und Rechteckprismen 70A, 70B sind vorgesehen,
um jeweils Strahlen nullter Ordnung in dieselbe Richtung zurückzureflektieren, welche
von dem Beugungsgitter auf der Skala' 10 übertragen
werden, nachdem sie in die Skala symmetrisch in Querrichtung mit
demselben Einfallswinkel θ in
bezug auf die Skala 10 eintreten (wenn θ so gesetzt wird, daß θ annähernd gleich ϕ ist,
so ist ϕ stabiler), und weiterhin richten die Rechteckprismen die
Strahlen so, daß sie
wiederum in das Beugungsgitter eintreten. Strahlteiler 48A, 48B sind
vorgesehen, um jeweils die Beugungsstrahlen erster Ordnung zu reflektieren
und zu trennen, die durch das Beugungsgitter aus den reflektierten
Strahlen nullter Ordnung erzeugt wurden, welche auf den Rechteckprismen 70A, 70B reflektiert
wurden und die wiederum in das Beugungsgitter eintreten. Die optischen Detektorelemente 22A1 , 22A2 dienen
zur photoelektrischen Wandlung der durch die Strahlteiler 48A, 48B getrennten
gebeugten Strahlen zur Erzeugung eines Referenzsignals Vr = (Vra
+ Vrb)/2, und ein Halbspiegel 50 dient zur Wiedervereinigung
der von den Strahlteilern 48A, 48B reflektierten
gebeugten Strahlen.
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Bei
einem derartigen Aufbau werden die durch das Beugungsgitter übertragenen
jeweiligen Strahlen nullter Ordnung in derselben Richtung zurückreflektiert
durch die Rechteckprismen 70A, 70B, um wiederum
in das Beugungsgitter einzutreten. Daher treten, wie in 8 dargestellt
ist, die optischen Strahlen, die unterschiedlich durch die Skala 10 gebrochen
wurden, infolge der ungenügenden
Ebenheit der Skala, nach Eintritt in die Skala wiederum in die Skala
ein mit demselben Einfallswinkel, so daß Einflüsse der Brechung der Strahlen
kompensiert werden, und zwar so, daß zu sämtlichen Zeiten die Beugungswinkel ϕ der
beiden Strahlen, nämlich
des rechten und des linken Strahls, gleichgemacht werden. Hierdurch
wird sichergestellt, daß sich
die gebeugten Strahlen erster Ordnung zu jeder Zeit in derselben
Richtung ausbreiten, und das sorgt so für ein stabiles Interferenzsignal,
wie auch immer die Ebenheit der Skalenoberfläche sein mag, oder welche Skalenneigung
infolge einer ungenügenden
Ausrichtung den Skala auftreten mag.
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Zwar
sind bei der vorliegenden Ausführungsform
die Rechteckprismen als Einrichtungen zum Zurückreflektieren der von dem Beugungsgitter übertragenen
Strahlen nullter Ordnung vorgesehen, es können jedoch auch Dreieckprismen 80,
beispielsweise Eckprismen, Katzenaugen und dergleichen, statt dessen
vorgesehen sein. In diesem Fall kann der Beugungspunkt quer in vertikaler
Richtung in bezug auf den Raum von 7 verschoben
werden, wie in 9 dargestellt ist.
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Zwar
wurde bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen die Laserdiode 42 als Lichtquelle
verwendet, allerdings ist die Art der Lichtquelle nicht auf eine
solche Lichtquelle beschränkt.
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Zwar
wurden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben, es wird jedoch darauf hingewiesen, daß zahlreiche Änderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der
gesamten Erfindung abzuweichen.