DE3931755C2

DE3931755C2 - Wegmeßgeber

Info

Publication number: DE3931755C2
Application number: DE3931755A
Authority: DE
Inventors: Tetsuharu Nishimura; Satoshi Ishii; Yoichi Kubota; Koh Ishizuka; Masaaki Tsukiji
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-09-22
Filing date: 1989-09-22
Publication date: 1996-10-17
Anticipated expiration: 2009-09-23
Also published as: DE3931755A1; JP2586120B2; JPH0285715A; US4970388A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wegmeßgeber und insbe sondere auf einen Wegmeßgeber, in welchem ein Strahl auf ein an einer Skala gebildetes Beugungsgitter ge richtet wird und von dem Beugungsgitter erzeugte Beugungs strahlen einander überlagert werden, um einen Interferenz strahl zu bilden, der in ein Signal für das Messen einer Versetzung der Skala umgesetzt wird.

In den letzten Jahren wurde für Präzisionsmaschinen wie numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen oder Halbleiterher stellungsgeräte eine Präzisionsmeßvorrichtung benötigt, mit der die Versetzung eines bewegbaren Tisches oder dergleichen in Einheiten von 1 µm oder weniger (Submikrometer) gemessen werden kann. Als Meßvorrichtung zum Messen der Versetzung eines bewegbaren Körpers in Submikrometereinheiten ist ein Meßgeber mit hoher Auflösung bekannt, in welchem ein Strahl aus einer Kohärenzstrahlenquelle wie einem Laser auf das Beugungsgitter einer an dem bewegbaren Körper angebrachten Skala gerichtet wird und mit Beugungsstrahlen von der Skala ein Interferenzstrahl gebildet wird, der in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, um dadurch die Versetzung des bewegbaren Körpers zu messen.

Ein Beispiel für einen derartigen Meßgeber bzw. Codierer ist in Fig. 6 gezeigt. Die Fig. 6 zeigt einen Laser 1, eine Kollimatorlinse 2 und ein an einem nicht gezeigten, sich bewegenden Körper angebrachtes Beugungsgitter 3 mit einer Gitterteilung p, das sich beispielsweise in der Richtung eines Pfeils A mit einer Geschwindigkeit v bewegt. Ferner zeigt die Figur Viertelwellenlängenplatten 51 und 52, Dachprisma- oder Würfeleckspiegel 41 und 42, die dazu dienen, irgendeine Änderung hinsichtlich der Schwingungswellenlänge des Lasers 1 oder eine durch die Schräglage des Beugungs gitters 3 verursachte Achsabweichung von nochmals gebeugten Strahlen zu verhindern, einen Strahlenteiler 6 und Polarisierplatten 71 und 72, deren Polarisationsachsen zuein ander senkrecht stehen und so gelegt sind, daß sie in bezug auf die Polarisationsachsen der Viertelwellenlängenplatten 51 und 52 einen Winkel von 45° bilden. Mit 81 und 82 sind Licht empfangselemente bezeichnet.

Nach Fig. 6 wird das Lichtstrahlenbündel aus dem Laser 1 durch die Kollimatorlinse 2 im wesentlichen parallel ausge richtet, wonach es senkrecht auf das Beugungsgitter 3 fällt. Die von dem Beugungsgitter 3 in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen werden nach dem Durchlaufen der Viertelwellen längenplatten 51 und 52 von den Würfeleckspiegeln 41 und 42 reflektiert, wonach sie wieder auf das Beugungsgitter fallen, von dem sie wieder in ±1-ter Ordnung gebeugt werden; die Strahlen treten aus dem Beugungsgitter 3 aus und werden ein ander überlagert, wonach sie durch den Strahlenteiler 6 in zwei Lichtstrahlen geteilt werden, die jeweils durch die Polarisierplatten 71 und 72 hindurch auf die Lichtempfangs elemente 81 und 82 fallen.

Hierbei erhalten die auf die Lichtempfangselemente 81 und 82 fallenden Interferenzlichtstrahlen durch die Kombination aus der Viertelwellenlängenplatte 51 bzw. 52 und der Polarisier platte 71 bzw. 72 eine gegenseitige Phasendifferenz von 90°; die beiden Signale aus den Lichtempfangselementen 81 und 82 werden zur Unterscheidung der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 3 herangezogen. Die durch Hell-/Dunkel- Änderungen der Interferenzlichtstrahlen hervorgerufenen Signalimpulse aus den Lichtempfangselementen 81 und 82 werden gezählt, um dadurch die Bewegungsstrecke des Beugungsgitters 3 zu ermitteln.

In dem in Fig. 6 dargestellten Wegmeßgeber werden die in ±1-ter Ordnung nochmals gebeugten Lichtstrahlen herangezogen, so daß daher aus den Lichtempfangselementen 81 und 82 jeweils ein Sinuswellensignal bzw. Impulssignal mit einer Periodik von 1/4 der Gitterteilung p des Beugungsgitters 3 erhalten wird. Falls beispielsweise das Beugungsgitter 3 eine Gitterteilung von 1,6 µm hat, wird aus den Lichtempfangs elementen 81 und 82 jeweils ein Sinuswellensignal mit einer Periode von 0,4 µm, nämlich 1/4 der Gitterteilung erhalten. Falls versucht wird, aus diesem Sinuswellensignal beispiels weise Ausgangsimpulse mit dem Intervall 5 nm zu erhalten, ist es erforderlich, dieses Sinuswellensignal mittels einer den Lichtempfangselementen 81 oder 82 nachgeschalteten elektrischen Teilerschaltung auf elektrische Weise in achtzig Impulse zu unterteilen. Allgemein besteht die Tendenz, daß durch die elektrische Unterteilung die Meßgenauigkeit herabgesetzt wird, wobei eine hohe bzw. feine Unterteilung schwierig zu erreichen ist. Aus diesem Grund wird eine höhere eigene Auflösung der Ausgangssignale der Lichtempfangselemen te des Meßgebers gefordert.

Zur Erfüllung dieser Forderung wurde von Canon K.K. in der US-Patentanmeldung Serien-Nummer 190 247 ein Meßgeber bzw. Codierer zum Bilden eines Interferenzstrahls aus Beugungs strahlen offenbart, die durch ein Beugungsgitter dreimalig oder mehrmalig gebeugt sind. Bei diesem Meßgeber ist die Anzahl der elektrischen Unterteilungen verringert und es kann mit hoher Genauigkeit und darüber hinaus mit hoher Auflösung gemessen werden.

Aus der DE 33 16 144 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des Ausmaßes einer Bewegung bekannt. Gemäß dieser Druckschrift soll die Meßgenauigkeit dadurch erhöht werden, daß das Licht der ± ersten Beugungsordnung erneut auf das Beugungs gitter gerichtet wird und die dabei entstehenden ± ersten Beugungsordnungen zur Interferenz gebracht werden. Aus der Be schreibung geht hervor, daß das Interferenzsignal bei einer Bewegung des Beugungsgitters um eine Periode vier Perioden ent spricht, also eine Auflösungserhöhung um den Faktor 2 erzielt wird.

Aus der EP 0 146 244 A2 ist eine optische Vorrichtung zum Messen einer Beschiebung bekannt. Auch bei dieser Vorrichtung wird ein bewegbares Beugungsgitter als Skala eingesetzt. Zwei an dem Beugungsgitter gebeugte Lichtstrahlen bilden eine Interferenz, mittels der die Bewegung des Beugungsgitters erfaßt wird. Als Lichtquelle wird ein Laser verwendet, der eine geeignete Ko härenz aufweist, um zwei Lichtstrahlen zu erzeugen, deren op tischer Weg gleichlang ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wegmeßgeber zur Messung der Versetzung eines bewegbaren Beugungsgitters zu schaffen, der mit hoher Genauigkeit arbeitet und möglichst ein fach aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Wegmeßgeber weist einen einfachen Aufbau mit lediglich vier Spiegelsystemen auf. Ein erster und ein zweiter Beugungsstrahl, die von dem Beugungsgitter reflek tiert werden, bilden einen Interferenzstrahl, der von einer Er fassungseinrichtung erfaßt wird, um eine Umsetzung des Interfe renzstrahls in ein Signal, das der Versetzung des Beugungsgit ters entspricht, zu ermöglichen.

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

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Wegmeßgebers gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Abwandlung eines in Fig. 4 gezeigten optischen Systems 20 zeigt.

Fig. 3A und 3B sind schematische Ansichten, die Beispiele für die Gestaltung eines in Fig. 2 gezeigten Beugungs gitters 3 zeigen.

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Abwandlungs form des in Fig. 2 gezeigten Wegmeßgebers zeigt.

Fig. 5 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Wegmeßgebers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für einen Wegmeßgeber nach dem Stand der Technik zeigt.

Fig. 1, die eine schematische Ansicht des Wegmeßgebers gemäß einem Ausführungsbeispiel ist, zeigt einen Multimode-Halblei terlaser 1, eine Kollimatorlinse 2 und ein an einem nicht gezeigten, sich bewegenden Körper angebrachtes Phasen- Beugungsgitter 3 (als Skala) mit einer Gitterteilung p, das sich mit einer Geschwindigkeit v in der Richtung eines Pfeils A bewegt.

Mit 41 und 42 sind Würfeleckspiegel (Dachprismen) bezeichnet, mit 6 ist ein Strahlenteiler (Halbspiegel) bezeichnet und mit 8 ist ein lichtempfangendes Element bezeichnet. Eine Indexgradien ten-Linse 9 ist eine Linse mit Stirnflächenabbildung. Auf eine Stirnfläche dieser Linse, deren einander gegenüber liegende Stirnflächen jeweils plan sind, ist durch Aufdampfen ein Reflexionsfilm 10 aufgebracht, der eine Spiegelfläche bildet. Die Indexgradienten-Linse 9 und der Reflexionsfilm 10 bilden zusammen ein optisches System 20.

Nach Fig. 1 werden die Laserstrahlen aus dem Laser 1 durch die Kollimatorlinse 2 im wesentlichen parallel ausgerichtet und durch den Strahlenteiler 6 hindurchgelassen, wonach sie erstmalig auf eine Stelle P an dem Beugungsgitter 3 senkrecht zu diesem auftreffen. Der senkrecht auf das Beugungsgitter 3 fallende Lichtstrahl wird von dem Beugungsgitter gebeugt und reflektiert, so daß von dem Beugungsgitter 3 weg das in +1-ter Ordnung gebeugte Licht als erster reflektierter Beugungs strahl und das in -1-ter Ordnung gebeugte Licht als zweiter reflektierter Beugungsstrahl in Richtungen austreten, die gegen die Senkrechte auf dem Beugungsgitter 3 einen Winkel θm bilden. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das aus dem Beugungsgitter 3 schräg nach rechts oben austretende Licht als in +1-ter Ordnung gebeugtes Licht bezeichnet, während das von dem Beugungsgitter 3 weg schräg nach links oben austretende Licht als in -1-ter Ordnung gebeugtes Licht be zeichnet wird. Das Beugungslicht +1-ter Ordnung trifft auf den Spiegel 42 und wird von diesem derart reflektiert, daß es auf einem optischen Weg verläuft, der im wesentlichen parallel zu dem optischen Weg ist, entlang dem es auf den Spiegel 42 aufgetroffen ist; dann trifft das Licht von rechts oben her unter einem Einfallwinkel θm auf eine Stelle Q an dem Beugungsgitter 3. Andererseits fällt das Beugungslicht -1-ter Ordnung auf den Spiegel 41 und wird von diesem derart reflektiert, daß es einen optischen Weg durchläuft, der im wesentlichen parallel zu dem optischen Weg ist, entlang dem das Licht zu dem Spiegel 41 gelangt ist; danach fällt das Licht von links oben her unter einem Einfallswinkel θm auf die Stelle Q an dem Beugungsgitter 3. An der Stelle Q treten das in +1-ter Ordnung gebeugte Licht, das durch das reflektierte und gebeugte Beugungslicht +1-ter Ordnung hervorgerufen ist, und das in -1-ter Ordnung gebeugte Licht, das durch das reflektierte und gebeugte Beugungslicht -1-ter Ordnung hervorgerufen ist, aus dem Beugungsgitter 3 senkrecht zu diesem unter gegenseitiger Überlagerung aus und gelangen zu dem optischen System 20. Das optische System 20 enthält die Indexgradienten-Linse 9 und den Reflexionsfilm 10, wobei die einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Linse 9 gemäß der Darstellung Planflächen sind und auf eine dieser Stirn flächen durch Aufdampfen der Reflexionsfilm 10 aufgebracht ist. Dieser Reflexionsfilm 10 liegt in der Brennebene des optischen Systems 20. Da die in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen parallele Strahlen sind, werden die in das optische System 20 eintretenden Beugungslichtstrahlen ±1-ter Ordnung durch die Linse 9 auf dem Reflexionsfilm 10 fokussiert und von diesem reflektiert. Die Beugungslicht strahlen ±1-ter Ordnung treten dann derart aus dem optischen System 20 heraus, daß sie auf den gleichen optischen Wegen wie bei dem Auftreffen auf das optische System 20 zurück gelangen und auf die Stelle Q an dem Beugungsgitter 3 auftreffen.

Die an der Stelle Q aus dem in +1-ter Ordnung gebeugten Lichts durch Reflektieren und Brechen in +1-ter Ordnung hervorgerufenen Lichtstrahlen treten aus dem Beugungsgitter 3 in einer Richtung aus, die in bezug auf die Senkrechte zu dem Beugungsgitter 3 einen schräg rechts nach oben gerichteten Winkel θm bildet und zu dem Spiegel 42 führt. Andererseits wird das aus dem Beugungslicht -1-ter Ordnung durch Reflektieren und Beugen an der Stelle Q hervorgerufene Beugungslicht -1-ter Ordnung aus dem Beugungsgitter 3 in einer Richtung geleitet, die in bezug auf die Senkrechte zum Beugungsgitter 3 schräg nach links oben einen Winkel θm bildet und zu dem Spiegel 41 führt. Von dem Spiegel 42 wird das Beugungslicht +1-ter Ordnung derart reflektiert, daß es auf einem zu dem optischen Einfall-Weg im wesentlichen parallelen optischen Weg verläuft und von schräg rechts oben unter einem Einfallwinkel θm zum vierten Male auf das Beugungsgitter 3 an der Stelle P auftrifft. Das durch dieses Beugungslicht +1-ter Ordnung hervorgerufene, in +1-ter Ordnung gebeugte Licht, das an der Stelle P reflektiert und gebeugt wird, tritt senkrecht zu dem Beugungsgitter 3 aus diesem heraus. Ferner wird das in -1-ter Ordnung gebeugte Licht von dem Spiegel 41 derart reflektiert, daß es auf einem optischen Weg zurückverläuft, der im wesentlichen zu dem optischen Weg parallel ist, auf dem es zu dem Spiegel 41 gelangt ist; dieses Licht fällt zum vierten Mal von schräg links oben unter einem Einfallwinkel θm auf das Beugungs gitter 3 an der Stelle P auf. Das durch dieses Beugungslicht hervorgerufene, an der Stelle P reflektierte und in -1-ter Ordnung gebeugte Licht tritt senkrecht aus dem Beugungsgitter 3 heraus. Daher treten aus dem Beugungsgitter 3 unter gegen seitiger Überlagerung die durch das Beugungsgitter 3 viermalig in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen heraus. Diese Beugungslichtstrahlen werden von dem Strahlenteiler 6 reflektiert und als ein Interferenzstrahl auf das Lichtem pfangselement gerichtet. Das Lichtempfangselement 8 setzt auf photoelektrische Weise den Interferenzstrahl um und gibt ein elektrisches Signal ab, das der Versetzung des Beugungs gitters 3 entspricht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel nimmt das lichtempfangende Element 8 einen Interferenzstrahl auf, der sich aus der Interferenz zwischen den jeweils viermalig der Beugung in ±1-ter Ordnung und der Reflexion unterzogenen Strahlen ergibt. Dabei erfaßt das Lichtempfangselement irgendwelche Änderungen hinsichtlich der Helligkeit und Dunkelkeit des Interferenzlichts, die durch die Versetzung des Beugungsgitters 3 verursacht sind; dadurch kann irgendeine Änderung bzw. Verschiebung des Beugungsgitters 3 gemessen werden. Falls hierbei das Beugungsgitter 3 um eine Gitterteilung p versetzt wird, wiederholt sich die Änderung der Helligkeit und Dunkelheit des Interferenzlichts achtmalig, nämlich zu 4 × 2 = 8. D.h., von dem lichtempfangenden Element 8 wird ein Sinuswellensignal mit einer Periodik von p/8 abgegeben. Nimmt man beispielsweise an, daß das Beugungsgitter 3 eine Gitterteilung 1,6 µm hat, wird von dem lichtempfangenden Element 8 ein Sinuswellensignal mit einer Periode von 0,2 µm abgegeben. Dies bedeutet, daß im Vergleich zu dem in Fig. 1 dargestellten Meßgeber nach dem Stand der Technik das doppelte Auflösungsvermögen erreicht ist. D.h., die Anzahl der Unterteilungen in der nachge schalteten elektrischen Teilerschaltung für das Erhalten von Ausgangsimpulsen mit dem Intervall 5 nm kann "40" sein.

Das optische System 20 bei diesem Ausführungsbeispiel ist derart gestaltet, daß die Spiegelfläche des daran ange brachten Reflexionsfilms 10 nahe oder auf der Brennebene der Linse 9 angeordnet ist, so daß das Beugungslicht im wesentlichen auf dem gleichen optischen Weg selbst dann zurückgeführt werden kann, wenn sich die Schwingungswellen länge des Laserlichts ändert, eine kleine Änderung des Beugungswinkels auftritt und/oder sich der Einfallwinkel des Beugungslichts auf das optische System 20 ändert. Dadurch werden die beiden Beugungslichtstrahlen einander auf genaue Weise überlagert, wodurch eine Verringerung des Störabstands bzw. Nutzsignal/Störsignal-Verhältnisses des Ausgangssignals des Lichtempfangselements verhindert wird.

Während bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel die Indexgradienten-Linse 9 mit dem auf einer Stirnfläche derselben angebrachten Reflexionsfilm 10 als optisches System 20 verwendet wird, kann das optische System 20 ebenso gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel durch eine Kombination aus einer Sammellinse 11 und einem Spiegel 12 gebildet sein.

Da bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Licht strahlen durch das Beugungsgitter 3 viermalig reflektiert und gebeugt werden, ist es vorteilhaft, das Beugungsgitter 3 derart auszulegen, daß sein Beugungswirkungsgrad für die in 1-ter Ordnung gebeugten und reflektierten Lichtstrahlen so hoch wie möglich wird.

Aus diesem Grund wird als Beugungsgitter 3 ein Phasen-Gitter wie ein in Fig. 3A gezeigtes Echelettegitter 13 oder ein in Fig. 3B gezeigtes Schichtgitter 14 verwendet.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das von der Stelle P austretende, in ±1-ter Ordnung gebeugte Licht weiterhin mittels des optischen Spiegelsystems 20, 41 und 42 dreimalig reflektiert und gebeugt, jedoch kann das Spiegel system derart ausgelegt werden, daß das Beugungslicht ±1-ter Ordnung zweimalig, viermalig oder mehrmalig gebeugt und reflektiert wird. Ferner ist die Beugungsordnung der den Interferenzstrahl bildenden Lichtstrahlen nicht auf die 1-te Ordnung gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel beschränkt. Infolgedessen kann des optische Spiegelsystem derart ausgelegt sein, daß ein Interferenzstrahl aus Licht strahlen gebildet wird, die in ±2-ter oder ±3-ter Ordnung gebeugt sind.

Ein in Fig. 4 gezeigtes Ausführungsbeispiel stellt eine Teilverbesserung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 insofern dar, als auch die Bewegungsrichtung des Beugungs gitters 3 erfaßbar ist. In der Fig. 5 sind mit 51 und 52 Viertelwellenlängenplatten, mit 71 und 72 Polarisierplatten und mit 81 und 82 lichtempfangende Elemente bezeichnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird der Lichtstrahl aus dem Strahlenteiler 6 direkt von dem lichtempfangenden Element 8 aufgenommen, wogegen aber bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel das Lichtstrahlenbündel mittels eines Strahlenteilers 62 in zwei Strahlen geteilt wird, die von den lichtempfangenden Elementen 81 und 82 aufgenommen werden. Durch den Einsatz der Viertelwellenlängenplatten 51 und 52 und der Polarisierplatten 71 und 72 erhalten die Ausgangssignale aus den beiden lichtempfangenden Elementen 81 und 82 eine Phasen differenz von 90°.

Auf diese Weise kann nicht nur der Bewegungsweg, sondern auch die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 3 ermittelt werden.

Die Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die einen Meßgeber bzw. Codierer gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Lichtstrahlen aus dem Halbleiterlaser 1 mittels eines polarisierenden Strahlen teilers 16 in zwei Strahlen aufgeteilt, welche mit Spiegeln 171 und 172 auf das Beugungsgitter 3 gerichtet werden, wodurch im Vergleich zu dem Beispiel gemäß Fig. 4, bei dem ein Strahlenteiler 61 benutzt wird, der Verlust an Lichtmenge verringert ist.

In der Fig. 5 ist der durch eine ausgezogene Linie dargestellte optische Weg der optische Weg des durch das Beugungsgitter 3 viermalig der Beugung in +1-ter Ordnung unterzogene Beugungslichts, während der durch eine gestrichelte Linie dargestellte optische Weg der optische Weg des durch das Beugungsgitter 3 viermalig der Beugung in -1-ter Ordnung unterzogene Beugungslichts ist. Mit 201 und 202 sind dem optischen System 20 nach Fig. 1 gleichartige optische Systeme bezeichnet, während mit 4 ein Würfeleck spiegel bezeichnet ist.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel werden wie bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels der Viertel wellenlängenplatten 51 und 52 und der Polarisierplatten 71 und 72 gegeneinander phasenverschobene Interferenzstrahlen von den beiden lichtempfangenden Elementen 81 und 82 aufgenommen, so daß die Ausgangssignale der lichtempfangenden Elemente 81 und 82 eine gegenseitige Phasendifferenz von 90° haben; dadurch kann auch die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters ermittelt werden.

Das Laserlicht aus dem Multimode-Halbleiterlaser 1 wird durch die Kollimatorlinse 2 parallel ausgerichtet, wonach es durch den polarisierenden Strahlenteiler 16 in zwei Lichtstrahlen geteilt wird, die P-polarisiert bzw. S-polarisiert sind. Die von dem Strahlerteiler 16 reflektierten S-polarisierten Lichtstrahlen treffen von schräg rechts oben über den Spiegel 172 auf die Stelle Q an dem Beugungsgitter 3 und werden durch dieses gebeugt und reflektiert. Andererseits fallen die durch den Strahlenteiler 16 durchgelassenen P-polarisierten Licht strahlen über den Spiegel 171 von schräg links oben her auf die Stelle P an dem Beugungsgitter 3, von dem sie gebeugt und reflektiert werden. Der Strahleneinfallwinkel auf das Beugungsgitter, nämlich der Schrägwinkel gegenüber der Senkrechten auf dem Beugungsgitter 3 wird dabei so gewählt, daß er gleich dem Beugungswinkel der Beugung des Lichts in 1-ter Ordnung durch das Beugungsgitter 3 ist. Infolgedessen treten die an der Stelle Q auf dem Beugungsgitter 3 in +1-ter Ordnung gebeugten S-polarisierten Lichtstrahlen und die an der Stelle P auf dem Beugungsgitter 3 in -1-ter Ordnung gebeugten P-polarisierten Lichtstrahlen senkrecht aus dem Beugungsgitter 3 heraus und gelangen zu dem Spiegel 4.

Das von dem Spiegel 4 reflektierte Beugungslicht +1-ter Ordnung fällt auf der Stelle P an dem Beugungsgitter 3 senkrecht hierzu ein und wird von diesem erneut gebeugt und reflektiert. Von den auf diese Weise in ±1-ter Ordnung gebeugten und reflektierten Lichtstrahlen gelangt das in +1-ter Ordnung gebeugte reflektierte Licht durch die Viertel wellenlängenplatte 52 hindurch zu dem optischen System 202, von dem es reflektiert und wieder durch die Viertelwellen längenplatte 52 hindurch zu der Stelle P an dem Beugungs gitter 3 zurückgeleitet wird. Das durch erneutes Reflektieren und Beugen durch das Beugungsgitter 3 entstehende Beugungs licht +1-ter Ordnung tritt wieder in den Spiegel 4 ein und wird von diesem wieder auf das Beugungsgitter 3 gerichtet, auf das es senkrecht an der Stelle Q des Beugungsgitters 3 auftrifft.

Das durch dieses Beugungslicht +1-ter Ordnung hervorgerufene, von dem Beugungsgitter 3 in +1-ter Ordnung gebeugte Licht gelangt über den Spiegel 172 zu dem polarisierenden Strahlen teiler 16. Hierbei hat dieses in +1-ter Ordnung gebeugte Licht die Viertelwellenlängenplatte 52 zweimalig durchlaufen, so daß es daher zu P-polarisiertem Licht wird, welches durch den Strahlenteiler 16 hindurchgelassen wird. Andererseits fällt das zuerst von dem Spiegel 4 reflektierte Licht -1-ter Ord nung auf die Stelle Q des Beugungsgitters 3 senkrecht hierzu und wird von diesem erneut gebeugt und reflektiert. Von den dabei entstehenden, in ±1-ter Ordnung gebeugten und reflektierten Lichtstrahlen gelangen die in -1-ter Ordnung gebeugten reflektierten Lichtstrahlen durch die Viertelwel lenlängenplatte 51 hindurch zu dem optischen System 201, von dem sie reflektiert und wiederum durch die Viertelwellenlän genplatte 51 hindurch zu der Stelle Q an dem Beugungsgitter 3 zurückgeleitet werden. Die durch das erneute Reflektieren und Beugen durch das Beugungsgitter 3 erzeugten Beugungslicht strahlen -1-ter Ordnung gelangen wieder zu dem Spiegel 4 und werden von diesem wieder auf das Beugungsgitter 3 gerichtet, auf das sie senkrecht an der Stelle P auftreffen. Die dabei von dem Beugungsgitter 3 hervorgerufenen, in -1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen gelangen über den Spiegel 171 zu dem polarisierenden Strahlenteiler 16. Diese in -1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen haben zweimalig die Viertelwellen längenplatte 51 durchlaufen, so daß sie zu S-polarisierten Lichtstrahlen werden, die von dem Strahlenteiler 16 reflektiert werden.

Auf diese Weise werden die von dem Beugungsgitter 3 viermalig der Beugung in ±1-ter Ordnung unterzogenen reflektierten Lichtstrahlen durch den polarisierenden Strahlenteiler 16 einander überlagert. Die Lichtstrahlen aus dem Strahlenteiler 16 werden von dem Strahlenteiler 6 in zwei Strahlen aufge teilt, die jeweils über die entsprechenden Polarisierplatten 71 und 72 als Interferenzstrahlen von den entsprechenden lichtempfangenden Elementen 81 und 82 aufgenommen werden. Die lichtempfangenden Elemente 81 und 82 setzen auf photoelektrische Weise die einfallenden Interferenzlichtstrahlen um und geben jeweils ein elektrisches Signal ab, welches der Versetzung des Beugungsgitters 3 entspricht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Beugungsgitter 3 ein Phasen-Beugungsgitter mit einer Tiefe d, die derart begrenzt ist, daß kein in 0-ter Ordnung gebeugtes Licht entsteht. Im einzelnen ist das Beugungsgitter derart gestaltet, daß d = λ/4 gilt, wobei λ die Schwingungswellenlänge des Halb leiterlasers 1 ist. Dadurch wird die Energie des einfallenden Lichts auf zufriedenstellende Weise auf die in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen aufgeteilt, wodurch die Meß empfindlichkeit erhöht wird.

Ein Merkmal dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, daß für die in ±1-ter Ordnung gebeugten Lichtstrahlen der Würfeleckspiegel 4 gemeinsam benutzt wird.

Als Ausführungsbeispiel wurde zwar vorstehend ein linearer Codierer bzw. Wegmeßgeber beschrieben, jedoch ist die erfindungsgemäße Gestaltung gleichermaßen bei einem Dreh meßgeber bzw. Drehungscodierer anwendbar.

Claims

1. Wegmeßgeber zum Messen der Versetzung eines bewegbaren Beugungsgitters (3; 13; 14) mit
einer Einrichtung, die einen von einer Lichtstrahlen- Erzeugungseinrichtung erzeugten Lichtstrahl senkrecht auf das Beugungsgitter (3; 13; 14) auf einen Punkt (P) richtet, um erste und zweite, einmal gebeugte Lichtstrahlen zu er zeugen,
einem ersten Spiegelsystem (41), um den ersten, einmal gebeugten Lichtstrahl zu reflektieren und den so reflek tierten Lichtstrahl schräg auf einen vom Punkt (P) unter schiedlichen Punkt (Q) am Beugungsgitter (3; 13; 14) zu lenken, um einen ersten, zweimal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen,
einem zweiten Spiegelsystem (42), um den zweiten, ein mal gebeugten Lichtstrahl zu reflektieren und den so re flektierten Lichtstrahl schräg auf den Punkt (Q) am Beug ungsgitter (3; 13; 14) zu lenken, um einen zweiten, zweimal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen,
einem dritten Spiegelsystem (20), um den ersten, zwei mal gebeugten Lichtstrahl im wesentlichen auf dem gleichen optischen Weg zurück zu reflektieren und den Lichtstrahl senkrecht auf den Punkt (Q) am Beugungsgitter (3; 13; 14) zu lenken, um einen ersten, dreimal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen, und
einem vierten Spiegelsystem (20), um den zweiten, zweimal gebeugten Lichtstrahl im wesentlichen auf dem glei chen optischen Weg zurück zu reflektieren und den Licht strahl senkrecht auf den Punkt (Q) am Beugungsgitter (3; 13; 14) zu lenken, um einen zweiten, dreimal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen, wobei
der erste, dreimal gebeugte Lichtstrahl vom ersten Spiegelsystem (41) wiederum reflektiert und schräg auf das Beugungsgitter (3; 13; 14) am Punkt (P) gelenkt wird, um einen ersten, viermal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen, während der zweite, dreimal gebeugte Lichtstrahl vom zwei ten Spiegelsystem (42) wiederum reflektiert und schräg auf das Beugungsgitter (3; 13; 14) am Punkt (P) gelenkt wird, um einen zweiten, viermal gebeugten Lichtstrahl zu erzeu gen,
das dritte (20) und vierte Spiegelsystem (20) als ein gemeinsames Element benutzt werden, und
eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, die ein lichtempfindliches Element (8; 81; 82) umfaßt, um einen In terferenz-Lichtstrahl, der vom ersten und zweiten, viermal gebeugten Lichtstrahl erzeugt wird, photoelektrisch zu kon vertieren.

2. Wegmeßgeber zum Messen der Versetzung eines bewegbaren Beugungsgitters (3; 13; 14) mit
einer Einrichtung, die einen von einer Lichtstrahlen- Erzeugungseinrichtung erzeugten Lichtstrahl in zwei Teil strahlen aufspaltet und diese jeweils schräg auf das Beu gungsgitter (3; 13; 14) auf zwei unterschiedliche Punkte (P, Q) richtet, um erste und zweite, einmal gebeugte Licht strahlen zu erzeugen,
einem ersten Spiegelsystem (4), um den ersten und zweiten, einmal gebeugten Lichtstrahl zu reflektieren und den so reflektierten Lichtstrahl senkrecht auf den anderen der beiden Punkte (P, Q) am Beugungsgitter (3; 13; 14) zu lenken, um einen ersten und zweiten, zweimal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen,
einem zweiten Spiegelsystem (202), um den ersten, zweimal gebeugten Lichtstrahl im wesentlichen auf dem glei chen optischen Weg zurück zu reflektieren und den Licht strahl schräg auf das Beugungsgitter (3; 13; 14) zu lenken, um einen ersten, dreimal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen, und
einem dritten Spiegelsystem (201), um den zweiten, zweimal gebeugten Lichtstrahl im wesentlichen auf dem glei chen optischen Weg zurück zu reflektieren und den Licht strahl schräg auf das Beugungsgitter (3; 13; 14) zu lenken, um einen zweiten, dreimal gebeugten Lichtstrahl zu erzeu gen, wobei
der erste, dreimal gebeugte Lichtstrahl vom ersten Spiegelsystem (4) wiederum reflektiert und senkrecht auf das Beugungsgitter (3; 13; 14) am Punkt (Q) gelenkt wird, um einen ersten, viermal gebeugten Lichtstrahl zu erzeugen, während der zweite, dreimal gebeugte Lichtstrahl vom ersten Spiegelsystem (4) wiederum reflektiert und senkrecht auf das Beugungsgitter (3; 13; 14) am Punkt (P) gelenkt wird, um einen zweiten, viermal gebeugten Lichtstrahl zu erzeu gen,
das erste Spiegelsystem (4) als ein gemeinsames Ele ment benutzt wird, und
eine Erfassungseinrichtung vorgesehen ist, die ein lichtempfindliches Element (81; 82) umfaßt, um einen Inter ferenz-Lichtstrahl, der vom ersten und zweiten, viermal ge beugten Lichtstrahl erzeugt wird, photoelektrisch zu kon vertieren.