DE3706277A1

DE3706277A1 - Drehungsmessgeber

Info

Publication number: DE3706277A1
Application number: DE19873706277
Authority: DE
Inventors: Tetsuharu Nishimura; Koh Ishizuka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-02-28
Filing date: 1987-02-26
Publication date: 1987-09-03
Anticipated expiration: 2007-02-27
Also published as: DE3706277C2; GB2187282A; US5101102A; GB2187282B; GB8704851D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehungsmeßgeber und insbesondere auf einen Meßgeber, bei dem an einem drehenden Objekt ein radiales Beugungsgitter angebracht wird, auf das Beugungsgitter ein Strahl beispielsweise aus einem Laser gerichtet wird und aus dem durch das Beugungsgitter gebeugten Licht auf fotoelektrische Weise ein Drehungszustand des Beugungsgitters oder des drehenden Objekts wie die Drehzahl, eine Änderung der Drehzahl oder ein Drehwinkel ermittelt wird.

Herkömmliche fotoelektrische Drehungsmeßgeber wurden als Meßvorrichtungen zum Ermitteln von Drehzahlen, Drehwinkeln und Drehzahländerungsgeschwindigkeiten von drehenden Objekten oder Mechanismen in Computergeräten (z. B. Diskettenlaufwerken), Bürogeräten (z. B. Druckern), numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen sowie von Bandantriebsmotoren und Umlauftrommeln in Videobandgeräten eingesetzt.

Bei einem herkömmlichen fotoelektrischen Drehungsmeßgeber gemäß einem typischen Beispiel wird ein sog. Indexskalensystem gemäß der Darstellung in Fig. 1 verwendet. Bei diesem Drehungsmelder werden eine sog. Hauptskala 31 und eine sog. stationäre Indexskala 32 zwischen einer Leuchtvorrichtung 33 und einer Lichtempfangsvorrichtung 34 angeordnet. Die Hauptskala 31 besteht aus lichtdurchlässigen und Lichtabschirmflächen, die in gleichen Winkelabständen an dem Umfangsbereich einer Scheibe 35 gebildet sind. Die Scheibe 35 ist mit einer Drehachse 30 verbunden. Die Indexskala 32 hat lichtdurchlässige und Lichtabschirmflächen mit den gleichen Winkelabständen wie die Hauptskala 31. Bei diesem System werden aus den Lichtempfangsvorrichtungen 34 bei der Drehung der Hauptskala 31 Signale erhalten, die mit den Intervallen zwischen den lichtdurchlässigen und Lichtabschirmflächen der Skalen 31 und 32 synchron sind. Zum Ermitteln einer Änderung der Drehzahl der Drehachse wird die Frequenz der sich ergebenden Signale bestimmt. Aus diesem Grund kann die Meßgenauigkeit dadurch verbessert werden, daß die Intervalle zwischen den lichtdurchlässigen und Lichtabschirmflächen der Skalen 31 und 32 verringert werden. Bei der Verringerung der Intervalle zwischen den lichtdurchlässigen und Lichtabschirmflächen der Skalen 31 und 32 entsteht jedoch eine Beugung in den Skalen 31 und 32. Durch das gebeugte Licht wird das Nutzsignal/Störsignal- Verhältnis bzw. der Störabstand S/N eines Ausgangssignals der Lichtempfangsvorrichtung verringert, so daß daher die Meßgenauigkeit auf ungewollte Weise herabgesetzt wird. Falls die Anzahl der lichtdurchlässigen und Lichtabschirmflächen der Hauptskala 31 festgelegt ist und die Intervalle zwischen den lichtdurchlässigen und Lichtabschirmflächen so vergrößert werden, daß keine Beeinflussung durch das gebeugte Licht entsteht, muß zum Erreichen einer Stabilität der Skala der Durchmesser der Scheibe für die Hauptskala 31 vergrößert werden, so daß der Meßgeber dick und sperrig wird. Infolgedessen wird das drehende Objekt auf unerwünschte Weise übermäßig belastet.

In den US-PS 37 26 595 und 37 38 758 sind herkömmliche lineare bzw. Wegmeßgeber beschrieben. Bei diesen Meßgebern wird ein kohärenter Strahl auf ein an einem bewegten Objekt angebrachtes Beugungsgitter gerichtet, von dem in vorbestimmten Ordnungen gebeugte Strahlen abgegeben werden, die überlagert werden und Interferenzstreifen bilden, die mittels einer Lichtempfangsvorrichtung erfaßt werden; bei einer Bewegung des Objekts wird die Intensität der Streifen auf der Lichtempfangsfläche auf fotoelektrische Weise umgesetzt, wodurch ein elektrisches Signal (in Form von Impulsen) erzielt wird und damit eine Versetzung des bewegten Objekts ermittelt wird.

Es wäre anzunehmen, daß alle Mängel der herkömmlichen Drehungsmeßgeber behoben sind, wenn das bei diesen linearen Codierern bzw. Meßgebern angewandte Interferenzstreifen- Meßverfahren bei einem Drehungsmeßgeber angewandt wird. Bei der tatsächlichen Anwendung dieses Meßverfahrens bei dem Drehungsmeßgeber wird auf einem drehbaren Objekt wie einer Scheibe ein radiales Gitter als Beugungsgitter geformt, um eine Skala zu bilden, und ein kohärenter Strahl auf das radiale Gitter der Skala gerichtet. Dabei entsteht jedoch häufig ein Meßfehler durch eine Exzentrizität, wenn der Mittelpunkt des radialen Beugungsgitters nicht ganz genau mit der Mitte des drehbaren Objekts übereinstimmt.

Zum Verringern der Einwirkung der Exentrizität werden zweckdienlich zur gegenseitigen Interferenz Lichtkomponenten überlagert, die von mehreren Stellen des radialen Gitters gebeugt und abgegeben werden. Falls jedoch die Ebenheit bzw. Parallelität der Skala schlecht ist, die ein drehbares Objekt wie eine Scheibe aufweist, entstehen Unterschiede zwischen den optischen Wegen bzw. Weglängen der zur Interferenz zu überlagernden gebeugten Komponenten. Infolgedessen können wiederum Meßfehler auftreten.

In Anbetracht dieser Probleme liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drehungsmeßgeber zu schaffen, der unter Vorgabe einer Bedingung für die Parallelität eines drehbaren Objekts in dem Meßgeber einer Parallelität hat, die einer vorbestimmten Toleranz für die Messung genügt.

Zur Lösung der Aufgabe wird mit der Erfindung ein Drehungsmeßgeber geschaffen, in welchem kohärente Strahlen auf verschiedene Stellen eines an einem drehbaren Objekt angebrachten Beugungsgitters gerichtet werden, von dem Beugungsgitter gebeugte verschiedene Strahlen zum Bilden von Interferenzstreifen überlagert werden und zum Ermitteln eines Drehungszustands des Objekts die Streifen mittels einer Lichtempfangsvorrichtung erfaßt werden, wobei die Einheit bzw. Parallelität a des Objekts der Ungleichung

a ≦ tan^-1[{π(m-n)λ/360n ₀ P}R-k]

genügt, in der m und n die Ordnungen der gebeugten Strahlen sind, n ₀ der Brechungsindex des Objekts ist, P die Teilung des Beugungsgitters ist, λ die Wellenlänge der kohärenten Strahlen ist und R k ein zulässiger Winkelfehlerwert bzw. Toleranzwert ist.

Erfindungsgemäß wird ein kompakter Drehungsmeßgeber geschaffen, in welchem ein Winkelabstand Δ von in benachbarten Ordnungen gebeugten Strahlen aus einer Vielzahl von durch das Beugungsgitter gebeugten und von diesem abgegebenen Strahlen der Bedingung Δ ≦λτ 3° genügt.

Wenn die Teilung P kleiner als 15 µm ist, kann der Drehungsmeßgeber kompakter gestaltet werden.

Zur Steigerung der Intensität der mittels der Lichtempfangsvorrichtung erfaßten Interferenzstreifen und zum Verbessern der Empfindlichkeit der Lichtempfangsvorrichtung wird das Beugungsgitter vorzugsweise derart gestaltet, daß von allen von dem Beugungsgitter gebeugten und abgegebenen Strahlen die Intensität der in einer vorbestimmten Ordnung gebeugten und überlagerten Strahlen maximal ist.

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

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines herkömmlichen Drehungsmeßgebers.

Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Drehungsgemeßgebers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer als Skala nach Fig. 2 verwendeten Scheibe 6 und dient zur Erläuterung eines Merkmals des erfindungsgemäßen Drehungsmeßgebers.

Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Teilansicht und veranschaulicht eine Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgebers.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer als Skala des in Fig. 4 gezeigten Drehungsmeßgebers dienenden Scheibe 6.

Fig. 6 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Drehungsmeßgebers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die die Gestaltung einer Spiegelvorrichtung in den in den Fig. 2 bis 6 gezeigten Drehungsmeßgebern zeigt.

Fig. 8 ist eine Ansicht eines Radialgitters einer in den erfindungsgemäßen Drehungsmeßgebern verwendeten Skala.

Fig. 9 ist eine grafische Darstellung eines Beugungswirkungsgrads η als Funktion eines Durchlaß/Sperrverhältnisses ϕ w/ϕ p eines Amplituden-Beugungsgitters.

Fig. 10 ist eine Ansicht zur Erläuterung von in dem Beugungsgitter erzeugten reflektiertem Geisterbild- Licht.

Fig. 11A und 11B sind Schnittansichten anderer Beugungsgitter, die Phasen-Beugungsgitter in Relief-Ausführung sind.

Die Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Drehungsmeßgebers gemäß einem Ausführungbeispiel.

Ein von einem Laser 1 abgegebener Strahl wird mittels einer Kollimatorlinse 2 kollimiert. Der kollimierte Strahl fällt auf einen Polarisierungs-Strahlenteiler 3. Der Strahlenteiler 3 teilt das einfallende Licht in zwei linear polarisierte reflektierte bzw. durchgelassene Strahlen gleicher Intensität auf. Der reflektierte Strahl wird durch eine λ/4-Platte 4 und über einen Umlenkspiegel 5 geleitet und auf diese Weise in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt. Der sich ergebende Strahl fällt an einer Stelle M 1 auf ein Radialgitter 7, das an einer Scheibe 6 angebracht ist, die als optische Skala dient und die mit einem zu messenden drehenden Objekt verbunden ist. Aus der Vielzahl der auf das Radialgitter 7 fallenden und von diesem gebeugten Strahlen wird ein in einer bestimmten Ordnung wie beispielsweise der +m-ten Ordnung gebeugter Strahl von einer Spiegelvorrichtung 8 reflektiert. Der reflektierte Strahl kehrt auf einem optischen Weg zurück, der mit dem optischen Einfallweg identisch ist. Der reflektierte Strahl fällt daher wieder an der Stelle M 1 auf das Radialgitter 7. Ein von dem Radialgitter 7 in einer vorbestimmten Ordnung gebeugter Strahl wird wieder über den Umlenkspiegel 5 und durch die λ/4-Platte 4 geführt und auf diese Weise in einen linear polarisierten Strahl umgewandelt, dessen Polarisationsrichtung gegenüber derjenigen des ersten einfallenden Strahls um 90° versetzt ist. Der linear polarisierte Strahl fällt dann auf den Strahlenteiler 3.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Einfallweg und der Rückkehrweg des in der vorbestimmten Ordnung gebeugten Lichts zwischen dem Strahlenteiler 3 und der Spiegelvorrichtung 8 gleich.

Die Spiegelvorrichtung 8 kann ein optisches Element wie einen gewöhnlichen Reflexionsspiegel enthalten, jedoch ist ein optisches Element wie ein Winkelreflektor vorteilhaft, welches den einfallenden Strahl kollimiert bzw. parallel richtet.

Beispielsweise wird gemäß der Darstellung in Fig. 7 ein Reflexionsspiegel 40 als das vorstehend genannte optische Element im wesentlichen auf der Brennebene einer Fokussierlinse 41 angeordnet; durch eine Öffnung 43 einer Maske bzw. Blende 42 tritt nur der als Parallelstrahl auf die Fokussierlinse 41 fallende, in der vorbestimmten Ordnung gebeugte Strahl hindurch. Der durch die Öffnung 43 hindurchtretende Strahl wird von dem Reflexionsspiegel 40 reflektiert und kehrt auf dem gleichen optischen Weg zurück. In diesem Fall werden die in anderen Ordnungen gebeugten Strahlen von der Blende 42 abgefangen. Die Spiegelvorrichtung 8 kann irgendein optisches System wie ein Katzenaugensystem sein, falls dieses die gleiche Funktion wie der Reflexionsspiegel 40 hat. Wenn ein derartiges optisches System eingesetzt wird, kann selbst bei einer Änderung der Schwingungswellenlänge des Lasers 1 oder einer geringfügigen Änderung des Beugungswinkels der reflektierte Strahl auf dem gleichen optischen Weg wie der einfallende Strahl zurückgeführt werden.

In dem optischen Katzenaugensystem kann eine Indexgradientenlinse wie eine SELFOC-Mikrolinse (Handelsbezeichnung) von Nippon Sheet Glass Co., Ltd. verwendet werden, wobei auf eine Stirnfläche ein Reflexionsfilm aufgebracht werden kann, da beide Stirnflächen zueinander parallel sind; dadurch wird die Linse auf zweckdienliche Weise als das angestrebte optische Element eingesetzt, welches einfach aufgebaut ist und in Massenproduktion hergestellt werden kann.

Nach Fig. 2 wird der durchgelassene Strahl der von dem Strahlenteiler 3 geteilten Strahlen durch eine λ/4-Platte 9 in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt. Dieser Strahl wird über einen Umlenkspiegel 10 geleitet und fällt an einer zur Stelle M 1 um eine Drehachse O symmetrischen Stelle M 2 auf das Radialgitter 7 an der als optische Skala dienenden Scheibe 6. Von den einfallenden und durch das Radialgitter 7 gebeugten und durchgelassenen Strahlen wird ein in einer bestimmten Ordnung wie beispielsweise der -m-ten Ordnung gebeugter Strahl durch eine Spiegelvorrichtung 11 reflektiert, die die gleiche Gestaltung wie die Spiegelvorrichtung 8 hat. Der reflektierte Strahl wird auf dem gleichen optischen Weg wie der einfallende Strahl zurückgeführt und fällt wieder an der Stelle M 2 auf das Radialgitter 7. Der durch das Radialgitter wieder in einer bestimmten Ordnung gebeugte Strahl wird durch den Umlenkspiegel 10 und die λ/4-Platte 9 in einen linear polarisierten Strahl umgewandelt, dessen Polarisationsrichtung gegenüber derjenigen des zuerst einfallenden Strahls um 90° gedreht ist. Der sich ergebende linear polarisierte Strahl fällt auf den Strahlenteiler 3 und wird von diesem reflektiert.

In diesem Fall sind wie bei dem an der Stelle M 1 gebeugten Strahl der Einfallichtweg und der Rückkehrlichtweg des in der bestimmten Ordnung gebeugten Strahls zwischen dem Strahlenteiler 3 und der Spiegelvorrichtung 11 gleich. Der Strahl wird dem über die Spiegelvorrichtung auf den Strahlenteiler 3 fallenden Beugungslicht überlagert, wonach der sich ergebende Strahl durch eine λ/4-Platte 12 in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt wird. Dieser Strahl wird durch einen Strahlenteiler 13 in zwei Strahlen aufgeteilt. Diese Teilstrahlen werden jeweils durch Polarisationsplatten 14 und 16 in linear polarisierte Strahlen mit 90° Phasenverschiebung umgewandelt. Die Polarisierplatten 14 und 16 werden derart geneigt angeordnet, daß die Polarisationsrichtungen einen Winkel von 45° bilden. Die linear polarisierten Strahlen fallen jeweils auf Lichtempfangsvorrichtungen 15 und 17. Es werden die Intensitäten von auf den Lichtempfangsflächen der Lichtempfangsvorrichtungen 15 und 17 gebildeten Interferenzstreifen gemessen bzw. erfaßt.

Wenn sich bei diesem Ausführungsbeispiel das der Messung unterzogene drehende Objekt um eine Teilung bzw. einen Teilungsabstand des Radialgitters 7 dreht, ändert sich die Phase des Strahls der m-ten Ordnung um 2m π. Die Phase der von dem Radialgitter wieder in n-ter Ordnung gebeugten Strahlen ändert sich um 2n π. Daher erzeugen die Lichtempfangsvorrichtungen 15 und 17 jeweils (2m - n) Sinuswellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird durch das Erfassen dieser Sinuswellen ein Drehwinkel gemessen.

Die Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Scheibe 6 des in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgebers. Das optische System oberhalb der Scheibe 6 ist weggelassen. In der Fig. 3 sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 die gleichen Teile oder Stellen bezeichnet. Mit l ist der Abstand zwischen den Stellen M 1 und M 2 an dem Radialgitter bezeichnet, während mit t 1 und t 2 die Dicken der Scheibe an den Stellen M 1 und M 2 bezeichnet sind.

Es sei angenommen, daß bei dem Drehungsmeßgeber, bei dem gemäß Fig. 2 die durchgelassenen Beugungsstrahlen ausgewertet werden, die als Skala mit dem Radialgitter 7 dienende Scheibe 6 gemäß der Darstellung in der Schnittansicht in Fig. 3 keilförmig ist. In diesem Fall unterscheidet sich die optische Weglänge des durch eine ausgezogene Linie dargestellten an der Stelle M 1 einfallenden und wieder gebeugten Beugungsstrahls der +m-ten Ordnung von der optischen Weglänge des durch die gestrichelte Linie dargestellten, an der Stelle M 2 einfallenden und wieder gebeugten Beugungsstrahls der -m-ten Ordnung. Infolgedessen tritt ein Meßfehler auf.

Die an den Stellen M 1 und M 2 einfallenden und von diesen Stellen weg abgegebenen Strahlen durchlaufen die entsprechenden Wege in bezug auf das Radialgitter 7 hin und zurück. Falls zwischen den Dicken an den Stellen M 1 und M 2 eine Differenz Δ = t 1 - t 2 besteht, ergibt sich eine optische Weglänge aus n ₀ Δ = λ/2, wobei n ₀ der Brechungsindex der Scheibe 6 mit dem daran angebrachten Radialgitter 7 ist und λ die Schwingungswellenlänge des Lasers 1 ist. Bei jeder einzelnen Umdrehung der Scheibe 6 tritt ein Fehler von ±1 Impuls (einer Sinuswelle) auf. Daher ergibt sich eine Differenz Δ k, die einen Fehler von ±k Impulsen je Umdrehung hervorruft, aus der folgenden Gleichung:

Δ k = k g/2n ₀ (1)

Hierbei ist eine Parallelität a der Scheibe 6 mit dem daran angebrachten Radialgitter 7 folgendermaßen definiert:

a = tan^-1(Δ k/l) = tan^-1(k λ/2 n ₀ l) (2)

Wenn die Beugungsstrahlen der ±m-ten Ordnung ausgewertet werden, ergibt sich folgende Winkelauflösung R je Impuls des in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgebers:

R = 360° × 60²/4mN (s) = 324 000/mN (s) (3)

wobei N die Gesamtanzahl der lichtdurchlässigen und lichtabschirmenden Flächen des Radialgitters 7 an der Scheibe 6 ist.

Die Einfallstellen M 1 und M 2 sind um die Drehachse bzw. Mittelachse O des Radialgitters symmetrisch. Die Gitterteilung P an jeder Einfallstelle ist durch P = π l/N gegeben, so daß sich folgende Winkelauflösung R gemäß Gleichung (3) ergibt:

R = 324 000P/π ml (4)

Der Fehler je ±k Impulse ist durch einen Fehler von R k Sekunden folgendermaßen ausgedrückt:

R k = 324 000kP/π ml (5)

Die Gleichungen (2) und (5) ergeben folgenden Zusammenhang zwischen dem Winkelfehler R k (s) und der Parallelität a der Scheibe 6 mit dem daran angebrachten Radialgitter 7 in dem in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgeber:

tan a = (π m λ/648 000n ₀ P).R k (6)

Zum Erreichen einer Meßgenauigkeit von R k (s) muß die Parallelität a der Scheibe 6 der folgenden Bedingung genügen:

a ≦ tan^-1[(π m λ/648 000n ₀ P) R k] (7)

In dem in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgeber wird die Scheibe 6 mit der angestrebten Winkelgenauigkeit so hergestellt, daß die Bedingung (7) erfüllt ist. Die Scheibe 6 wird von der Bedingung (7) ausgehend hergestellt. Bei dem praktischen Entwurf eines Drehungsmeßgebers müssen dessen endgültige Sollwerte unter Berücksichtigung anderer Meßfehler bestimmt werden, welche andere Ursachen als eine Abweichung der Parallelität der Scheibe 6 haben.

Nachstehend wird ein Fall beschrieben, bei dem die Bedingung (7) erfüllt ist. Falls bei dem in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgeber die Ordnungen der Beugungsstrahlen durch m = ±1 gegeben sind, die Schwingungswellenlänge des Lasers 1 durch λ = 0,78 µm gegeben ist, die Teilung des Radialgitters 7 durch P = 2,85 µm gegeben ist und der Brechungsindex der Scheibe 6 durch n ₀ = 1,5 gegeben ist, ergibt sich für die geforderte Winkelgenauigkeit R k folgende Parallelität a der Scheibe 6:

a ≦ tan^-1(8,84 × 10^-7.R k)

Zum Gewährleisten einer Meßgenauigkeit von R k = 10 (s) ergibt sich durch das Einsetzen von R = 10 in die vorstehende Ungleichung die geforderte Prallelität der Scheibe 6 zu:

a ≦ 5,07 × 10^-4 (rad) = 1,8 (s)

Die Fig. 4 und 5 sind Ansichten, die eine Betriebsweise veranschaulichen, bei der reflektierte Beugungsstrahlen in dem Drehungsmeßgeber nach Fig. 2 ausgewertet werden. Gleiche Bezugszeichen wie in den Fig. 2 und 3 bezeichnen in den Fig. 4 und 5 gleiche Teile. Bei einem solchen sog. Reflexions- Drehungsmeßgeber kann die Toleranz der Parallelität a der Scheibe 6 für die Meßgenauigkeit R k aus der Ungleichung (7) berechnet werden.

In dem in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgeber werden durch die Spiegelvorrichtungen 8 und 11 die gebeugten Strahlen wieder auf die Stellen M 1 und M 2 gerichtet und dann wieder gebeugte Strahlen erzeugt. Die an den Stellen M 1 und M 2 entstehenden Beugungsstrahlen können jedoch auch ohne Verwendung der Spiegelvorrichtungen 8 und 11 mit einer bestimmten Vorrichtung direkt überlagert werden, um die Interferenzstreifen zu bilden. Wenn sich in diesem Fall das drehende Meßobjekt um eine Teilung des Radialgitters 7 dreht, ändert sich die Phase der Beugungsstrahlen der m-ten Ordnung um m π. Gleichermaßen ändert sich die Phase des an einer von dieser Stelle verschiedenen Stelle an dem Radialgitter 7 in n-ter Ordnung gebeugten Strahls um n π. Infolgedessen werden von den Lichtempfangsvorrichtungen (m - n) Sinuswellen abgegeben.

Gemäß der Beschreibung anhand der Fig. 2 zum Ableiten der Ungleichung (7) werden die Strahlen der ±m-ten Ordnungen überlagert. Hinsichtlich der sich überlagernden Beugungsstrahlen besteht jedoch keine Einschränkung auf solche mit gleichen Ordnungen. Daher hat die Ungleichung (7) nicht allgemeine Gültigkeit, so daß nachstehend eine allgemein gültige Bedingung abgeleitet wird.

Falls die Anzahl der Beugungen, nämlich die Anzahl der Zyklen der auf das Radialgitter fallenden Strahlen der Beugungsstrahlen bestimmter Ordnungen, die für das Bilden der Interferenzstreifen herangezogen werden, durch x gegeben ist, ergibt sich eine optische Weglängendifferenz zu n ₀ Δ = Δ/x. Bei jeder einzelnen Umdrehung der Scheibe 6 tritt ein Fehler von ±1 Impuls auf. Daher kann die Gleichung (1) folgendermaßen umgeschrieben werden:

Δ k = k λ/xn ₀ (1)′

Aus der Gleichung (2) für die Parallelität der Scheibe 6 ergibt sich:

a = tan^-1(k λ/xn ₀ l) (2)′

Die Parallelität a in dem Drehungsmeßgeber entspricht dem Verhältnis der Skalendicke an den Ausgangsstellen bezogen auf den Abstand zwischen den Ausgangsstellen der beiden zu überlagernden Beugungsstrahlen.

Wenn die Winkelauflösung R je Impuls in dem erfindungsgemäßen Drehungsmeßgeber in Graden ausgedrückt wird, ergibt sich:

R = 360/x(m - n)N (3)′

Die Gleichung (3)′ wird mit der Gitterteilung P und dem Abstand zwischen den Stellen M 1 und M 2 folgendermaßen umgeschrieben:

R = 360P/π lx(m - n) (4)′

Ein Fehler je ±k Impulse entspricht folgendem Winkelfehler R in Graden:

R k = 360PK/π lx(m - n) (5)′

Die Gleichungen (2)′ und (5)′ ergeben folgenden Zusammenhang zwischen dem Winkelfehler R k (in Graden) und der Parallelität a der Scheibe 6 mit dem Radialgitter 7 (in Graden) in dem beschriebenen Drehungsmeßgeber:

tan a = {π(m - n)g/360n ₀ P}R k- (6)′

Zum Erhalten eines Drehungsmeßgebers mit einer Toleranz, die innerhalb des Winkelfehlers R k (°) liegt, muß die Parallelität a der Scheibe 6 (in Graden) folgender Bedingung genügen:

a ≦ tan^-1[{f(m - n)λ/360n ₀ P}-ϑ k] (7)′

Bei dem Drehungsmeßgeber fällt ein kohärenter Strahl auf eine mit einem Beugungsgitter versehene Skala, die der Bedingung (7)′ genügt, so daß der Drehungszustand des drehenden Objekts innerhalb eines vorbestimmten Winkelfehlerbereichs gemessen wird. D. h., unter Anwendung der Ungleichung (7)′ wird der Wert des zulässigen Winkelfehlers entsprechend den Sollwerten des Drehungsmeßgebers eingestellt. Das drehende Objekt wird derart ausgelegt und hergestellt, daß an der in dem Drehungsmeßgeber enthaltenen umlaufenden Skala eine Parallelität erzielt wird, mit der der zulässige Winkelfehler eingehalten wird. Der untere Grenzwert der Ungleichung (7)′ ist "0", so daß es vorteilhaft ist, an einem drehenden Objekt ein Beugungsgitter mit vollkommener Parallelität zu bilden.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Drehungsmeßgeber werden Beugungsstrahlen ausgewertet, die von den um den Mittelpunkt des Rastergitters symmetrischen Stellen M 1 und M 2 erhalten werden. Die Ungleichung (7)′ kann jedoch auch dann herangezogen werden, wenn die Beugungsstrahlen von zwei um 120° beabstandeten asymmetrischen Stellen her erhalten werden.

Wenn bei dem Drehungsmeßgeber nach Fig. 2 die Beugungsgitterteilung 2,85 µm beträgt und die Strahlen in der ±1-ten Ordnung gebeugt sind, werden aus einem Lichtempfangselement vier Sinuswellen erhalten, wenn das drehende Objekt um 2,85 µm, nämlich den Drehskalen-Teilungsabstand dreht. D. h., die Auflösung je Sinuswelle entspricht einem Viertel der Teilung des Beugungsgitters, nämlich 2,85/4 = 0,71 µm.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Strahl in dem Strahlenteiler 13 in zwei um 90° phasenverschobene Strahlen aufgeteilt, wodurch auch die Drehrichtung des drehenden Objekts ermittelt werden kann.

Wenn nur Drehwinkel gemessen werden sollen, können der Strahlenteiler 13, die Polarisierplatten 14 und 16 und eine der Lichtempfangsvorrichtungen weggelassen werden.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird durch die Auswertung der Beugungsstrahlen von den beiden zur Drehmitte symmetrischen Stellen eine Abweichung zwischen der Drehmitte des drehenden Objekts und dem Mittelpunkt des Radialgitters verringert, so daß der Meßfehler auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.

Die Komponenten des einen Strahls nahe der Drehachsenmitte werden mit den Komponenten des anderen Strahls überlagert, der symmetrisch zu dem einen Strahl nahe der Drehachsenmitte einfällt. Auf gleichartige Weise werden einander entsprechende Komponenten der von dem Drehzentrum abliegenden Strahlen einander überlagert. Daher kann eine durch einen Unterschied zwischen inneren und äußeren Teilungsabständen des Radialgitters hervorgerufene Wellenfrontabweichungs-Einwirkung ausgeschaltet werden.

Die hin und zurück durchlaufenen optischen Wege der Beugungsstrahlen der bestimmten Ordnungen zwischen dem Strahlenteiler 3 und den Spiegelvorrichtungen 8 und 11 sind unverändert. Daher kann die Überlagerung der beiden Beugungsstrahlen in dem Polarisierungs-Strahlenteiler 3 vereinfacht werden und die Genauigkeit bei dem Zusammenbau des Drehungsmeßgebers verbessert werden.

Die λ/4-Platten 4 und 9 können an beliebigen Stellen zwischen dem Strahlenteiler 3 und den Spiegelvorrichtungen 8 und 11 angeordnet werden.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel kann statt des durchgelassenen Beugungslichts das reflektierte Beugungslicht benutzt werden.

Zu Beugungsgittern für die Verwendung in dem Drehungsmeßgeber zählen ein sog. Amplituden-Beugungsgitter aus durchlässigen und abschirmenden Flächen und ein Phasen-Beugungsgitter aus Flächen mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Im einzelnen kann das Phasen-Beugungsgitter durch Ausbilden eines dreidimensionalen Reliefmusters an einem Umfangsbereich einer durchsichtigen Scheibe hergestellt werden. Die Phasen-Beugungsgitter können bei der Massenproduktion in einem Präge- oder Preßprozeß hergestellt werden.

Bei dem Drehungsmeßgeber gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Beugungsgitter an einer drehenden Skala angebracht, deren Parallelität der erwünschten Meßtoleranz entspricht. Daher kann mit dem Drehungsmeßgeber immer die geforderte Meßgenauigkeit erreicht werden.

Bei dem Interferenzstreifen-Meßsystem werden Beugungsstrahlen sowohl bei einem linearen bzw. Wegmeßgeber als auch bei dem vorstehend als Ausführungsbeispiel beschriebenen Drehungsmeßgeber ausgewertet. Wenn ungenutzte Beugungsstrahlen und insbesondere Strahlen benachbarter Ordnungen auf ein vorbestimmtes optisches Element für das Zuführen der Beugungsstrahlen zu den Lichtempfangsvorrichtungen fallen, wenn die Strahlen für das Bilden der Interferenzstreifen benutzten vorbestimmten Ordnungen auf das optische Element gerichtet werden, werden die unbenutzten Beugungsstrahlen bei der Messung zu Störsignalen, so daß die Meßgenauigkeit herabgesetzt ist.

Nachstehend wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Verfahren beschrieben, mit dem diese Problem auf einfache Weise gelöst wird.

Die Fig. 6 ist eine schematische Ansicht eines Drehungsmeßgebers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 bezeichnen gleiche Teile in Fig. 6, wobei deren ausführliche Beschreibung weggelassen ist.

Der Drehungsmeßgeber nach Fig. 6 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 2 darin, daß nicht die Umlenkspiegel 5 und 10 nach Fig. 2 benutzt werden, sondern bei dem Drehungsmeßgeber nach Fig. 6 die Strahlen über den Polarisierungs-Strahlteiler 3 und die λ4-Platten 4 und 9 direkt auf die Scheibe 6 fallen.

Bei der Gestaltung nach Fig. 2 ist ein den Laser 1 mit den jeweiligen Elementen verbindender optischer Weg im wesentlichen zu der Fläche der Scheibe 6 parallel. Bei der Gestaltung nach Fig. 6 ist dieser optische Weg jedoch in bezug auf die Fläche der Scheibe 6 geneigt. Zum Erzielen eines flachen Meßgebers ist die Gestaltung nach Fig. 2 vorzuziehen.

Die anderen Anordnungen des in Fig. 6 gezeigten Drehungsmeßgebers sind im wesentlichen die gleichen wie diejenigen des Drehungsmeßgebers nach Fig. 2. Das Meßverfahren mit der Scheibe 6 des Meßgebers nach Fig. 6 ist das gleiche wie dasjenige nach Fig. 2, so daß dessen ausführliche Beschreibung weggelassen wird.

Die Parallelität a der Scheibe 6 erfüllt bei diesem Ausführungsbeispiel die Bedingung (7)′, so daß der Drehzustand der Scheibe 6 mit der erwünschten Genauigkeit erfaßt werden kann. Ein durch den Aufbau entstehendes Problem bei dem in Fig. 6 gezeigten Drehungsmeßgeber ist insbesondere die Anordnung der Spiegelvorrichtungen 8 und 11. Die von dem Polarisierungs- Strahlenteiler 3 getrennten reflektierten und durchgelassenen Strahlen fallen jeweils an den Stellen M 1 und M 2 auf das Radialgitter 7. In diesem Fall werden an den Stellen M 1 und M 2 mehrere Beugungsstrahlen der 0-ten, ±1-ten und ±2-ten Ordnung durchgelassen. Wenn zum Bilden der Interferenzstreifen die Strahlen der ±1-ten Ordnung von den Stellen M 1 und M 2 herangezogen werden, ist es unerwünscht, daß die in der 0- ten und ±2-ten Ordnung gebeugten Strahlen auf die Spiegelvorrichtungen 8 und 11 fallen. Daher wird der in Fig. 6 gezeigte Drehungsmeßgeber so ausgelegt, daß eine nachstehend aufgestellte Bedingung (10) eingehalten wird.

Anders als bei der Fresnel-Beugung, die bei einem herkömmlichen fotoelektrischen Drehungsmeßgeber mit der Hauptskala und der Indexskala ein Problem darstellt, werden bei dem erfindungsgemäßen Meßgeber mit dem Interferenzstreifen-Meßverfahren die Teilungsabstände des Beugungsgitters auf ein Mindestmaß herabgesetzt, um eine Änderung an die Fraunhofersche Beugung zu erreichen. Es sei angenommen, daß der Winkel des auf das Beugungsgitter fallenden Strahls durch R i gegeben ist und der Beugungswinkel des in n-ter Ordnung unter Frauenhoferscher Beugung gebeugten Strahls durch R n gegeben ist. Der Zusammenhang zwischen diesen Komponenten und einer Wellenlänge λ des zu beugenden Strahls ist folgender:

P(sinR n - sinR i) = n λ (8)

Der Winkelabstand zwischen den Strahlen benachbarter Ordnungen ist folgender:

Δ = sin^-1{(n+1)λ/P + sinR i} - sin^--1{n g/P
+ sinR i} (n = 0, 1, 2, 3,...) (9)

Bei dem Meßgeber mit dem Interferenzstreifen-Erfassungssystem wird unter Berücksichtigung der genutzten kohärenten Strahlen, der Anordnung des optischen Systems und der Strahlenpunktedurchmesser vorzugsweise folgende Bedingung für den durch die Gleichung (9) gegebenen Winkelabstand Δ eingehalten:

Δ ≦λτ 3° (10)

Wenn der Trennwinkel bzw. Winkelabstand Δ kleiner als 3° ist, ist der Unterschied zwischen den benachbarten Beugungswinkeln außerordentlich klein. Um allein einen Beugungsstrahl einer erwünschten Ordnung den Strahl der gewünschten Ordnung von den Strahlen anderer Ordnungen zu trennen, müssen die optischen Elemente wie die Spiegelvorrichtungen 8 und 11 nach Fig. 6 weit weg von den Stellen M 1 und M 2 angeordnet werden. In diesem Fall wird die optische Weglänge unvermeidbar größer, so daß kein kompakter Meßgeber aufgebaut werden kann und die Dauerhaftigkeit bzw. Widerstandfähigkeit des Systems herabgesetzt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Teilung P des Beugungsgitters 2,85 µm, so daß selbst bei der Verwendung einer gegenwärtigen erhältlichen Laservorrichtung als Laser 1 ein Winkelabstand von mehr als 15° erreicht wird, wodurch auf ausreichende Weise die Bedingung (10) erfüllt ist. Die ungenutzten Beugungsstrahlen fallen nicht auf die Spiegelvorrichtungen 8 und 11, so daß diese in der Nähe der Stellen M 1 und M 2 angeordnet werden können. Damit wird ein außerordentlich genauer kompakter Drehmeßgeber geschaffen.

Da die Strahlen vertikal auf das Beugungsgitter fallen können, nämlich R i = 0 eingestellt werden kann, ergeben die Gleichungen (8) und (9) die folgende Gleichung:

Δ = sin^-1{(n+1)λ/P} -sin^-1{n λ-/P}≦λτ 3°
(n = 0, 1, 2,...) (11)

Für diesen Fall sind für die Teilung P (µm) des Beugungsgitters die oberen Grenzwerte, die bei den entsprechenden Wellenlängen der typischen kohärenten Strahlen der Gleichung (4) genügen, nachstehend zusammengefaßt aufgeführt:

Falls als Laser ein preiswerter Halbleiterlaser eingesetzt wird, fällt die Wellenlänge λ der Lichtquelle dieser Art in den Bereich von 0,78 bis 0,80 µm. Daher wird für das Beugungsgitter vorzugsweise eine Teilung P von weniger als 15 µm gewählt.

Bei dem Interferenzstreifen-Meßsystem dieser Art besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Meßgenauigkeit und dem Teilungsabstand des an einem bestimmten bewegten Objekts gebildeten Beugungsgitters. Je kleiner die Teilung des Beugungsgitters wird, umso höher wird die Meßgenauigkeit des Meßgebers. Daher muß die Teilung des Beugungsgitters entsprechend den Sollwerten des Meßgebers, wie beispielsweise entsprechend der geforderten Meßgenauigkeit, der Gestaltung des Meßgebers und der Größe desselben bestimmt werden.

Bei dem Meßgeber gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden die nachteiligen Einwirkungen ausgeschaltet, die durch mehrere Beugungsstrahlen, und zwar insbesondere durch Beugungsstrahlen benachbarter Ordnungen aus dem Beugungsgitter der Skala mit der vorbestimmten Parallelität verursacht werden. Zugleich kann der Codierer kompakt und flach gestaltet werden und Messungen in hoher Genauigkeit ergeben.

Die Fig. 8 zeigt ein Radialgitter einer Skala, die bei den Meßgebern gemäß den Ausführungsbeispielen verwendet wird. Gleichermaßen wie gemäß Fig. 2 und 6 enthält der Meßgeber die Scheibe 6 mit dem Radialgitter 7. Das Radialgitter 7 besteht aus durch strichlierte Flächen dargestellten absorbierenden Bereichen und durch leere Flächen dargestellten lichtdurchlässigen Bereichen. Das Radialgitter 7 hat einen Teilungswinkel ϕ p, während jeder lichtdurchlässige Bereich einen einschließenden bzw. Mittenwinkel ϕ w hat.

Das Verhältnis ϕ w/ϕ p des Winkels ϕ w der lichtdurchlässigen (oder reflektierenden) Fläche zu dem Teilungswinkel ϕ p des Radialgitters 7 wird bei jedem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel zu 0,5 gewählt. Bei dem in Fig. 8 gezeigten Amplituden-Beugungsgitter ist das Ein/Aus-Verhältnis der ±1-ten Ordnung gebeugten Strahlen die höchste Intensität haben. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Interferenz an den durch den Strahlenteiler 3 gebildeten und mittels der Lichtempfangsvorrichtungen 15 und 17 erfaßten Interferenzstreifen verbessert werden. Das in Fig. 8 dargestellte Radialgitter kann dazu benutzt werden, das Erzeugen von Beugungsstrahlen der ±2-ten Ordnung zu verhindern, wodurch das Erzeugen von Geisterbild-Licht oder dergleichen verhindert wird, was nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.

Der Wirkungsgrad der Beugung für die Beugungsstrahlen der m- ten Ordnung an dem in Fig. 8 gezeigten Amplituden-Beugungsgitter ist durch die nachstehende Gleichung gegeben:

η m = sin²(π m ϕ w/ϕ P)/ π ² m ² (12)

wobei ϕ p der Teilungswinkel ist und ϕ w der Winkel der lichtdurchlässigen Fläche ist.

Der Zusammenhang zwischen dem Verhältnis ϕ w/ϕ p und dem Wirkungsgrad η m der Beugung gemäß der Gleichung (12) ist in Fig. 9 dargestellt. Das Ein/Aus-Verhältnis ϕ w/ϕ p ist auf der Abszisse aufgetragen, während der Wirkungsgrad η m der Beugung auf der Ordinate aufgetragen ist.

Aus der Fig. 9 ist ersichtlich, daß bei der Auswertung der Beugungsstrahlen erster Ordnung der Beugungswirkungsgrad η1 bei dem Verhältnis 0,5 bis 10% wird, was anzeigt, daß die Intensität der Beugungsstrahlen am höchsten ist. Der Beugungswirkungsgrad η2 für die in zweiter Ordnung gebeugten Strahlen ist dabei "0", so daß das Beugungsgitter mit dem Verhältnis ϕ w/ϕ p = 0,5 keine Beugungsstrahlen der ±2-ten Ordnung erzeugt. Beispielsweise fällt bei dem in Fig. 6 gezeigten Meßgeber der Beugungsstrahl einer bestimmten Ordnung im wesentlichen senkrecht auf das Radialgitter 7, so daß ein kohärenter Strahl häufig auf das Radialgitter 7 unter einem Beugungswinkel α des Beugungsstrahls der bestimmten Ordnung einfällt. In diesem Fall wird ein reflektierter und unter einem Winkel β gebeugter Reflexions-Geisterbild-Strahl hervorgerufen, wie es in Fig. 10 dargestellt ist. Die Reflexions- und Beugungsbedingung ist folgendermaßen definiert:

P(sinα + sinβ) = m λ (13)

Die Durchlaß- und Beugungsbedingung bei dem Einfallen des Strahls unter dem Beugungswinkel der ersten Ordnung ergibt sich folgendermaßen:

Psinα = λ (14)

Die Reflexions- und Beugungsbedingung kann folgendermaßen umgeschrieben werden:

Psinβ = (m - 1)λ (15)

Falls m = 2 gilt, ergibt sich a = β. In diesem Fall wird der Beugungsstrahl zweiter Ordnung abgegeben und auf dem optischen Einfallweg zurückgeleitet. Dieser Beugungsstrahl stört die Erfassung der Interferenzstreifen, da es als sog. Geisterlicht wirkt. Da jedoch gemäß der vorangehenden Beschreibung das Ein/Aus-Verhältnis auf 50%, nämlich ϕ w/ϕ p = 0,5 eingestellt wird, kann damit das Erzeugen des Beugungsstrahls der zweiten Ordnung verhindert werden. Daher wird die Genauigkeit der Erfassung der Interferenzstreifen nicht durch ein derartiges Geisterlicht herabgesetzt.

Wenn die Beugungsstrahlen der zweiten und dritten Ordnung herangezogen werden, um die Meßauflösung zu steigern, wird das Beugungsgitter, nämlich das Radialgitter derart ausgelegt, daß das Verhältnis ϕ w/ϕ p für den Beugungsstrahl zweiter Ordnung 0,25 und für den Beugungsstrahl dritter Ordnung 0,5 beträgt. Bei dem Amplituden-Beugungsgitter dieser Art ist kein Ein/Aus-Verhältnis vorhanden, bei dem ein Wirkungsgrad η m der Beugung mit m-ter Ordnung gleich einem Wirkungsgrad η n der Beugung in n-ter Ordnung ist. Daher werden in dem Meßgeber vorzugsweise positiv und negativ gebeugte Strahlen der gleichen Ordnung benutzt (m = n). In diesem Fall sind die Interferenzstreifen am besten sichtbar, so daß eine gute Meßgenauigkeit erreicht wird.

Vorstehend wurde das Amplituden-Beugungsgitter beschrieben. In dem erfindungsgemäßen Meßgeber kann jedoch auch ein Phasen- Beugungsgitter verwendet werden. Insbesondere hat das Phasen-Beugungsgitter einen höheren Beugungswirkungsgrad als das Amplituden-Beugungsgitter. Hierdurch wird sehr zweckdienlich der Wirkungsgrad bei der Strahlauswertung verbessert.

Die Fig. 11A und 11B sind Schnittansichten von Phasen-Beugungsgittern, in denen dreidimensionale Reliefmuster Phasendifferenzen von Strahlen hervorrufen. Außerdem kann statt dessen zum Bilden eines Gitters ein Hologramm benutzt werden, in einem lichtdurchlässigen Material abwechselnd der Brechungsindex geändert werden oder auf dem Reliefmuster ein reflektierender Film ausgebildet werden, um damit Durchlaß- oder Reflexions-Phasen-Beugungsgitter zu bilden.

Die Fig. 11A zeigt ein Rechteck-Phasen-Gitter, während die Fig. 11B ein Dreieck-Phasen-Gitter zeigt. Außerdem können ein Sinus-Phasen-Gitter und ein als sog. "Brazed diffraction grating" bekanntes asymmetrisches Phasen-Gitter benutzt werden. Das Verhalten des Beugungsstrahls in einem derartigen Phasen-Beugungsgitter ist durch vielerlei Parameter wie die Gitterform, den Brechungsindex des das Gitter bildenden Materials, die Gitterhöhe und die Gitterteilung bestimmt. Ein allgemein gültiger mathematischer Ausdruck dieser Parameter wird hier jedoch nicht abgeleitet.

Ein charakteristisches Merkmal des Phasen-Beugungsgitters ist es, daß die Ordnung des abgegebenen Beugungsstrahls durch eine Verminderung der Gitterteilung bestimmt werden kann. Beispielsweise ist es möglich, Beugungsstrahlen der 0-ten und der ±1-ten Ordnung abzugeben. Der Winkelabstand benachbarter Ordnungen kann vergrößert werden. Durch die Einstellung einer Gitterhöhe T und eines Brechungsindex n des das Gitter bildenden Materials als Funktion einer Wellenlänge g0 des verwendeten kohärenten Strahls kann die ganze einfallende Energie allein auf die Beugungsstrahlen der ±1-ten und ±2-ten Ordnung konzentriert werden, ohne daß ein Beugungsstrahl der 0-ten Ordnung abgegeben wird. In diesem Fall ist der Beugungswirkungsgrad sehr hoch.

Falls bei dem in Fig. 11A gezeigten Rechteck-Beugungsgitter der Umgebungs-Brechungsindex durch n ₀ gegeben ist und das Beugungsgitter gemäß der Gleichung

n -n ₀ ·T = (1/2 + m)λ0
(m = 0, 1, 2, 3,...) (16)

ausgelegt ist, wird kein Beugungsstrahl 0-ter Ordnung erzeugt. Zieht man in diesem Fall den Winkelabstand der Beugungsstrahlen und deren Beugungswirkungsgrad in Betracht, so ist es hinsichtlich der Meßgenauigkeit und des Aufbaus des Meßgebers vorteilhaft, die Interferenzstreifen unter Auswertung der Beugungsstrahlen der ±1-ten Ordnung zu erfassen.

Mit dem asymmetrischen Phasen-Beugungsgitter wird die Intensität eines Beugungsstrahls einer bestimmten Ordnung gesteigert. Beispielsweise wird die einfallende Energie auf die Beugungsstrahlen der +1-ten oder +3-ten Ordnung konzentriert, während die Intensität der anderen Beugungsstrahlen abgeschwächt wird. Der Beugungsstrahl der +3-ten Ordnung kann dazu verwendet werden, die Meßauflösung beträchtlich zu verbessern und eine ausreichend hohe Intensität bei guter Meßgenauigkeit zu erhalten.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann auch bei der Verwendung des Phasen-Beugungsgitters die Intensität des gebeugten Strahls der bestimmten Ordnung auf ein Maximum eingestellt werden. Daher können der Wirkungsgrad bei der Auswertung des Strahls, der Wirkungsgrad der Interferenz und die Meßgenauigkeit verbessert werden.

Zu den bei dem Drehungsmeßgeber verwendbaren Beugungsgittern zählen das sog. Amplituden-Beugungsgitter mit den lichtdurchlässigen und lichtabschirmenden Flächen und das Phasen-Beugungsgitter mit Bereichen unterschiedlicher Brechungsindizes. Im einzelnen kann das Phasen-Beugungsgitter dadurch hergestellt werden, daß ein dreidimensionales Reliefmuster im Umfangsbereich einer lichtdurchlässigen Scheibe ausgebildet wird. Daher kann ein derartiges Gitter auf einfache Weise zur Massenproduktion in einem Präge- oder Standprozeß hergestellt werden.

Die Erfindung wurde vorstehend im Hinblick auf Drehungsmeßgeber beschrieben. Die erfindungsgemäße Gestaltung ist jedoch gleichermaßen bei linearen Meßgebern bzw. Wegmeßgebern (linearen Codierern) anwendbar. Die Gestaltung ist bei allen Meßgebern oder Codierern anwendbar, bei denen ein Bewegungs- oder Drehzustand eines Beugungsgitters durch das Erfassen von Interferenzstreifen aus Beugungsstrahlen bestimmter Ordnungen aus allen von dem Beugungsgitter abgegebenen Beugungsstrahlen gemessen oder ermittelt wird.

Es wird ein Drehungsmeßgeber beschrieben, mit dem ein Drehzustand eines Objekts durch das Erfassen von Interferenzstreifen ermittelt wird, welche bei der Überlagerung von Beugungsstrahlen aus einem zusammen mit dem Objekt drehenden Beugungsgitter entstehen. Die Meßgenauigkeit des Meßgebers wird durch eine geeignete Dimensionierung des Beugungsgitters gewährleistet.

Claims

1. Drehungsmeßgeber, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1 bis 5, 9, 10), die kohärente Strahlen auf verschiedene Stellen (M 1, M 2) einer drehenden Skala (6) richtet, die längs der Drehrichtung mit einem Beugungsgitter (7) versehen ist, und eine Lichtempfangsvorrichtung (12 bis 17), die von den verschiedenen Stellen ausgehende gebeugte Strahlen unter Überlagerung empfängt und aus deren Ausgangssignal der Drehungszustand der Skala ermittelbar ist, wobei die Parallelität a der Skala der Gleichung a = tan^-1(Δ k/l) ≦ tan^-1[{π(m-n)g/360-n ₀ P}R k]genügt, in welcher n ₀ der Brechungsindex der Skala einschließlich "1" ist, P die Teilung des Beugungsgitters ist, λ die Wellenlänge der kohärenten Strahlen ist, m und n die Ordnungen der in bestimmten Ordnungen gebeugten Strahlen sind, l der Abstand zwischen den verschiedenen Stellen ist, Δ k der Unterschied der optischen Weglängen bei dem einmaligen Verlauf der kohärenten Strahlen über die verschiedenen Stellen ist und R k ein als Winkelfehler des Meßgebers zulässiger Wert ist.

2. Drehungsmeßgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung P des Beugungsgitters (7) kleiner als 15 µm ist.

3. Drehungsmeßgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (7) ein Amplituden-Beugungsgitter mit Lichtabsorptionsflächen und durchlässigen oder reflektierenden Flächen ist, die abwechselnd angeorndet sind.

4. Drehungsmeßgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Amplituden-Beugungsgitter (7) ein Verhältnis ϕ w/ ϕ p = 0,5 eingehalten ist, wobei δ p der Teilungswinkel des Beugungsgitters ist und ϕ w der Winkelabstand der durchlässigen oder reflektierenden Flächen ist.

5. Meßgeber, gekennzeichnet durch eine Strahlvorrichtung (1) für das Zuführen kohärenter Strahlen, eine optische Vorrichtung (2 bis 5, 9, 10), die die kohärenten Strahlen auf eine mit einem Beugungsgitter (7) versehene Skala (6) richtet, eine Vorrichtung für das Überlagern der von dem Beugungsgitter in m-ter und n-ter Ordnung gebeugten Strahlen aus der Vielzahl der in verschiedenen Ordnungen gebeugten Strahlen und eine Lichtempfangsvorrichtung (12 bis 17), die Interferenzstreifen empfängt, welche durch die Interferenz der in der m-ten und n-ten Ordnung gebeugten Strahlen gebildet sind, und aus deren Signal ein Bewegungszustand der Skala erfaßbar ist, wobei ein Winkelabstand Δ zwischen den in der m-ten und n-ten Ordnung gebeugten Strahlen und den in der (m±1)-ten und (n±1)-ten Ordnung gebeugten Strahlen der Bedingung Δ ≦λτ 3° genügt.

6. Meßgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung P des Beugungsgitters (7) kleiner als 15 µm ist.

7. Meßgeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlvorrichtung (1) für das Zuführen der kohärenten Strahlen einen Halbleiterlaser aufweist.

8. Drehungsmeßgeber, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (1) für das Zuführen kohärenter Strahlen, eine optische Vorrichtung (2 bis 5, 9, 10), die die kohärenten Strahlen auf eine drehende Skala (6) richtet, an der in Drehrichtung ein Beugungsgitter (7) ausgebildet ist, eine Überlagerungsvorrichtung (3) für das Überlagern von durch das Beugungsgitter in bestimmten Ordnungen gebeugten Strahlen und eine Lichtempfangsvorrichtung (12 bis 17), die Interferenzstreifen empfängt, welche durch Interferenz der in den bestimmten Ordnungen gebeugten Strahlen gebildet sind, und aus deren Signal ein Drehungszustand der drehenden Skala ermittelbar ist, wobei das Beugungsgitter ein Radialgitter ist, dessen Mitte mit der Mitte der Skala übereinstimmt, so daß sich der Gitterteilungsabstand zu der Mitte des Gitters hin ändert, während der Teilungswinkel unverändert ist.

9. Drehungsmeßgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (7) ein Phasen-Beugungsgitter mit einem Reliefmuster ist.

10. Drehungsmeßgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (7) erste und zweite Flächen aufweist, die voneinander verschiedene Brechungsindizes oder Durchlässigkeiten haben und die abwechselnd angeordnet sind, und ein Verhältnis ϕ w/ϕ p = 0,5 eingehalten ist, wobei ϕ p der Teilungswinkel des Beugungsgitters ist und d w der Winkelabstand der ersten Flächen ist.