DE69407208T2

DE69407208T2 - Optisches Instrument und Verfahren zur Verschiebungsmessung einer Skala

Info

Publication number: DE69407208T2
Application number: DE69407208T
Authority: DE
Inventors: Hideaki Tamiya
Original assignee: Sony Precision Technology Inc
Current assignee: Magnescale Co Ltd
Priority date: 1993-04-13
Filing date: 1994-04-12
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2014-04-13
Also published as: EP0620418B1; US5499096A; JPH06300520A; EP0620418A1; JP3144143B2; DE69407208D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Feld der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Instrument und ein optisches Verfahren zur Messung der Verschiebung einer Skala. Die vorliegende Erfindung bezieht sich im speziellen auf ein optisches Instrument und ein Verfahren zur Messung der Position und/oder der Geschwindigkeit eines beweglichen Körpers.

Beschreibung des Standes der Technik

Die japanische Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungs-Nr. Showa 47-10034 (Patentanmeldung in den Vereinigten Staaten, Serien-Nr. 73, 791, eingereicht am 21. September 1970), die am 22. Mai 1972 veröffentlicht worden ist, die japanische Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungs-Nr. Showa 63-75518, die am 5. April 1988 veröffentlicht worden ist und die japanische Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungs-Nr. Heisei 2-85715, die am 27. März 1990 veröffentlicht worden ist, stellen beispielhaft früher vorgeschlagene optische Verschiebungsmeßvorrichtungen dar, welche die Positionsanderungen von sich bewegenden Beugungsgittern unter Ausnutzung von Lichtinterferenzen nachweisen.
Bei jeder der früher vorgeschlagenen optischen Vorrichtungen zur Verschiebungsmessung wird ein Lichtbündel (Strahlen), das von einer kohärenten Lichtquelle ausgesandt wird, mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei Lichtbündel aufgeteilt; die zwei Lichtbündel werden entlang zweier unterschiedlicher Lichtpfade geschickt und fallen auf ein Beugungsgiffer, das eine Skala darstellt, und es wird Licht erhalten, das in einer m-ten Ordnung daran gebeugt worden ist (m bezeichnet 1 oder eine größere ganze Zahl); diese zwei gebeugten Lichtstrahlen m-ter Ordnung werden rekombiniert und eine Beugungsfigur des rekombinierten Lichtbündels wird nachgewiesen.
Die Lichtquelle und der optische Detektor sind vom Transmissionstyp, wenn sie sich - mit der Skala dazwischen - gegenüberliegen&sub1; und vom Refexionstyp, wenn sie in derselben Position in bezug zu der Skala angeordnet sind.
Im allgemeinen wird ein Volumenhologramm als Diffraktionsgitter für die Anwendung des Transmisstionstyps benutzt. Speziell wenn die optischen Teile so angeordnet sind, daß sie einer Bragg-Bedingung genügen, kann ein Signal hohen Wertes und hoher Auflösung erhalten werden.
Da jedoch beim Transmissionstyp die Anordnungen der Lichtquelle und des Detektors so sind, daß sie jeweils in gegenüberliegenden Positionen mit Bezug zu der Skala angeordnet sind, kann keine Kompaktheit der optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung erhalten werden.
Andererseits ist der Reflexionstyp geeignet, das optische Instrument zur Verschiebungsmessung kompakter zu machen, da die Anordnungen der Lichtquelle und des Detektors in derselben Position mit Bezug zu der Skala sind, jedoch ist es schwierig, ein Instrument hoher Auflösung zu erhalten.
Unter Berücksichtiung der oben beschriebenen Nachteile könnte ein derartiges neues optisches Instrument zur Verschiebungsmessung erwogen werden, das die Vorteile des Transmissionstypes mit denen des Reflexionstypes verbindet. Dabei würde jedoch das neue Problem auftauchen, daß die Einstellungen der Position und der optischen Teile schwierig würde.
Fig. 1 zeigt ein anderes früher vorgeschlagenes optisches Instrument zur Verschiebungsmessung (Kodierer), der in der japanischen Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungs-Nr. Heisei 4-130220 offenbart ist, die am 1. Mai 1992 veröffentlicht worden ist.
In Fig. 1 fallt der Lichtstrahl (das Lichtbündel), das von der Lichtquelle 901 ausgesandt wird, auf ein erstes Beugungsgitter 902, geht durch eine Sammellinse 911, einen Strahlteiler 903 und eine λ/4-Platte 912. An diesem ersten Beugungsgitter wird der Lichtstrahl in die zwei Strahlen aufgespalten und die Beugung wird von einem zweiten Beugungsgitter empfangen, das die Skalenoberflache bildet. Die gebeugten Lichtstrahlen fallen senkrecht auf eine reflektierende Ebene 907. Das reflektierte Licht davon kehrt über den ursprünglichen Lichtweg zurück und fallt wieder auf das zweite Beugungsgitter 906.
Das gebeugte Licht, das durch das zweite Beugungsgitter 906 gebeugt worden ist, wird weiter über den ursprünglichen Lichtweg zurückgeschickt und fallt wieder auf das erste Beugungsgitter. Die kombinierten Lichtbündel werden zu dem Strahlteiler 903 zurückgeschickt und auf einen Photodetektor 904 gelenkt.
Wie oben mit bezug zu der Fig. 1 beschrieben, sind die Lichtbündel, die zwischen dem Beugungsgitter 906 und der reflektierenden Ebene 907 vorhanden sind, senkrecht zu der reflektierenden Ebene 907, d.h., daß die Lichtbündel in senkrechter Richtung zurückgeschickt werden, wie es in Fig. 1 gesehen wird. Auf diese Weise ist die Einstellung der Ausrichtung zwischen einem ersten Beugungsgitter 902 eines optischen Lesesystems und dem zweiten Beugungsgitter 906 auf der Skalenseite leicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein optisches Instrument und Verfahren zur Verschiebungsmessung bereitzustellen, bei welchen das Problem des Rauschens, das durch Lichtbündel hervorgerufen wird, die zu einer koharenten Lichtquelle zurückgeschickt werden, beseitigt ist und welche einen kompakteren Aufbau des optischen Instrumentes zur Verschiebungsmessung ermöglichen.
Dieses Ziel wird mit einem Instrument zur optischen Messung der Verschiebung einer Skala, das die Merkmale des Anspruchs 1 hat, und einem Verfahren zur optischen Messung der Verschiebung einer Skala, das die Merkmale des Anspruchs 10 hat, erreicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine beispielhafte Ansicht eines optischen Instrumentes zur Verschiebungsmessung, das in der japanischen Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungs-Nr. Heisei 4-130220 offenbart ist, die am 1. Mai 1992 veröffentlicht worden ist.
Fig. 2 ist eine beispielhafte Ansicht eines optischen Instrumentes zur Verschiebungsmessung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform zur Erklarung der Lichtwegeinstellungsbedingung.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus der ersten bevorzugten Ausführungsform der optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus eines optischen Instrumentes zur Verschiebungsmessung in einer ersten Ausführungsform des optischen Instrumentes zur Verschiebungsmessung.
Fig. 5 ist eine beispielhafte Darstellung, wie ein Hologramm gefertigt wird.
Fig. 6 ist eine beispielhafte Ansicht einer optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 ist eine beispielhafte Ansicht einer optischen Vorrichtung zur Verschiebungs messung in einer driffen bevorzugten Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 ist eine beispielhafte Ansicht einer optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung in einer vierten bevorzugten Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht des Aufbaus einer optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung in einer fünften bevorzugten Ausführungsform entsprechend der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugen Ausführungsformen

Bevor die bevorzugten Ausführungsformen des optischen Instrumentes und Verfahrens zur Verschiebungsmessung beschrieben werden, werden unten die Nachteile des Kodierers, der in Fig. 1 gezeigt ist und in der japanischen Patentanmeldung mit der ersten Veröffentlichungs-Nr. Heisei 4-130220 offenbart ist, die am 1. Mai 1992 veröffentlicht worden ist, beschrieben.
Die optische Vorrichtung zur Verschiebungsmessung, die in Fig. 1 gezeigt ist, kann inhärent kein volumenartiges Hologramm annehmen, um eine Bragg-Beugung durchzuführen, und die Lichtbündel passieren die Beugungsgitteroberflächen 902, 906 im ganzen viermal, so daß kein hohes Ausgabesignal erreicht werden kann.
Zusätzlich wird, wenn die Lichtbündel f und g, wie in Fig. 1 gezeigt, über den ursprünglichen Weg zurückgeschickt werden, wobei sie mit Hilfe der reflektierenden Schicht 907 reflektiert worden sind, und wieder auf das erste Beugungsgitter 902 fallen, ein Teil der Lichtbündel durch das erste Beugungsgitter 902 zu dem Strahlteiler 903 hindurchgehen und der andere Teil der Lichtbündel wird auf die Ebene des ersten Beugungsgitters 902 reflektiert. Der Lichtstrahl g in Fig. 1 wird zur Seite f geführt und gemischt und der andere Lichtstrahl wird zu der Seite g geführt und gemischt. So kann nicht leicht ein Signal guter Qualität erreicht werden. Da das einfallende Lichtbündel und das reflektierte Lichtbündel mit bezug zu der reflektierenden Schicht 907 zusammen denselben Lichtpfad benutzen, wird leicht ein Licht erzeugt, das zu der kohärenten Lichtquelle zurückkehrt.
Es sei angemerkt, daß die komplette Auslöschung des zurückkehrenden Lichtes schwierig ist, obwohl mit einem Polarisator verhindert werden kann, daß das zurückkehrende Licht in die kohärente Lichtquelle eintritt, um den Effekt des zurückkehrenden Lichtes auf die kohärente Lichtquelle zu reduzieren.
Wenn das Nachweissignal in Zukunft elektrisch mit einer höheren Auflösung eines Hochpräzisionsmeßfeldes aufgelöst wird, kann ein so kleiner Effekt des zurückkehrenden Lichtes auf die kohärente Lichtquelle ein Hauptproblem werden.
Fig. 2 bis 9 zeigen bevorzugte Ausführungsformen einer optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform der optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Ein Lichtbündel a, das von einer kohärenten Lichtquelle 101 ausgesendet wird, wird mit Hilfe des Strahlteilers 102 in zwei Lichtbündel b, c aufgespalten. Die zwei Lichtbündel b, c fallen auf eine Beugungsoberfläche 106 unter gleichen Winkeln θ&sub1;. Das eine Lichtbündel b wird gebeugtes Licht d m-ter Ordnung (m bezeichnet 1 oder eine größere ganze Zahl) und das andere Lichtbündel c wird ein transmittiertes Licht (Licht 0-ter Ordnung) e.
Es sei angemerkt, daß zu diesem Zeitpunkt die Beziehung zwischen der Gitterkonstante p, der Wellenlänge λ des kohärenten Lichtes und des Einfallswinkels θ&sub1; auf der Beugungsoberfläche eine Bragg-Bedingung erfüllen, d.h. 2p sin θ&sub1; = mλ (wobei m eine ganze Zahl darstellt).
Wenn eine solche wie oben beschriebene Beugung diese Bedingung erfüllt, wird die Beziehung zwischen dem Einfallswinkel θ&sub1; des Lichtbündeis auf der Beugungsoberfläche 106 und des Strahlungswinkels θ&sub2; des Lichtbündels, das durch die Beugungsoberfläche hindurchgegangen ist, wie folgt ausgedrückt:
θ&sub1; = θ&sub2; .
Die entsprechenden Lichtbündel, die durch das Beugungsgitter 106 hindurchgegangen sind, werden an der reflektierenden Platte 107 reflektiert und fallen wieder auf das Beugungsgitter 106. Zu diesem Zeitpunkt wird das gebeugte Licht d beim zweiten Einfall auf das Beugungsgitter nicht gebeugt und dient als beugungstransmittiertes Licht f. Andererseits wird das transmittierte Licht e gebeugt, wenn es zum zweiten Mal auf das Beugungsgitter 106 fällt und wird transmittiertes gebeugtes Licht g. Diese zwei Lichtbündel f und g fallen auf denselben Punkt auf dem Strahlteiler 103 und werden miteinander kombiniert. Ein Teil des kombinierten Lichtbündels wird zu dem Detektor 104 gerichtet und der andere Teil davon wird mit einer Phasendifferenz von 90º zu dem Detektor 105 gerichtet.
Entsprechend dem optischen Instrument zur Verschiebungsmessung nach der ersten Ausführungsform sind die zwei Lichtweglangen von einem Zeitpunkt an&sub1; wo die zwei Lichtbündel b und c mit Hilfe des Strahlteilers 102 aufgespalten werden, bis zu einem Zeitpunkt, wenn die Lichtbündel b und c mit Hilfe des Strahlteilers 103 rekombiniert werden, ungefähr gleich. Daher kann eine kohärente Lichtquelle wie ein Haibleiterlaser eingesetzt werden.
Zusätzlich ist die Möglichkeit der Erzeugung von zurückkehrendern Licht auf der kohärenten Lichtquelle 101 sehr klein, da die einfallenden und reflektierten Lichtbündel mit bezug zu der reflektierenden Platte 107 keinen gemeinsamen Gebrauch desselben Lichtweges machen und der Schnittpunkt der entsprechenden Lichtbündel nicht auf einer Fläche zwischen dem Beugungsgitter 106 und/oder einer Flache eines Brechungsindexes der Skala ist. Dementsprechend kann ein Nachweissignal erreicht werden, das eine gute Qualitat und fast kein Rauschen aufgrund des zurückkehrenden Lichtes aufweist.
Wenn ein Volumenhologramm als Beugungsgitter 106 eingesetzt wird, wie es später beschrieben wird, kann die Beugungsgittereffektivität erhöht werden, da die Bragg- Bedingung erfüllt wird.
Bei der ersten Ausführungsforrn ist es vorzuziehen, daß die Beugungsgittereffektivität 50% ist und es ist leicht, ein solches Hologramm, das die Beugungseffektivität aufweist, herzustellen.
Die Dimensionen der Skala und des optischen Detektionssystemes werden gewählt, wie aus der Fig. 3 gesehen werden kann.
Angenommen, daß die räumliche Distanz zwischen dem Beugungsgitter 206 und der reflektierenden Schicht 207 D ist, daß der Brechungsindex dazwischen n&sub1; ist, daß der Brechungsindex von Luft n&sub0; ist, und der Einfaliswinkel des kohärenten Lichtes θ ist, so wird die Beziehung der räumlichen Distanz zwischen diesen Werten und den Strahlteilern 202, 203 wie folgt gewählt:
L = 2 D tan(sin&supmin;¹(n&sub0;sinθ/n&sub1;)).
Als nächstes wird ein spezieller Aufbau der ersten bevorzugten Ausführungsform des optischen Instrumentes zur Verschiebungsmessung entsprechend der vorliegenden Erfindung mit bezug zu der Fig. 4 beschrieben.
In Fig. 4 wird die kohärente Lichtquelle, die in Fig. 2 gezeigt ist, von einer Halbleiterlaserlichtquelle 301 gebildet. Zusätzlich sind konvexe Linsen 312, 313 bzw. 314 in der Nähe der Halbleiterlaserlichtquelle 301 und der Detektoren 305 bzw. 304 installiert. 315 und 316 bezeichnen λ/4-Platten (λ bezeichnet eine Wellenlänge). in Fig. 4 bezeichnen die Nummern 317 und 318 Polarisatorplatten, die Nummer 304 bezeichnet einen Kosinuswellen-Photodetektor. Zusätzlich bezeichnet in Fig. 4 die Nummer 308 ein Hologrammglassubstrat, die Nummer 306 bezeichnet das Volumenholograrnrn, die Nummer 309 bezeichnet eine Haftschicht, die Nummer 310 bezeichnet ein dichtendes Glassubstrat und die Nummer 307 bezeichnet eine reflektierende Schicht.
Es sei angemerkt, daß sowohl das Glassubstrat 308, das Hologramm 306, die Haftschicht 309, das dichtende Glassubstrat 310 als auch die reflektierende Schicht 307 mit einer Markierung ausgestattet sind, so daß jede Komponente der Skala mit Hilfe der Markierungsübereinstimmung ausgerichtet werden kann.
In Fig. 4 wird der Laserstrahl (Laserlicht), der von der Halbleiterlaserlichtquelle 301 ausgesendet wird, mit Hilfe der konvexen Linse 312 gesammelt und wird mit Hilfe des ersten Strahlteilers 302 in zwei Lichtstrahlen aufgespalten. Die dadurch gespaltenen Strahlen werden als Strahlpunkte auf eine Ebene des Hologrammes 306 geschickt. Die Strahlen, die durch die Ebene des Hologrammes 306 hindurchgegangen sind, werden auf die reflektierende Schicht 307 fokussiert. Die reflektierten Strahlen bilden divergierende Lichtstrahlen und passieren wieder durch die Ebene 306 Hologramms 306. Der eine Strahl geht durch die λ/4-Platte 315 und der andere Strahl geht durch die λ/4-Platte 316, um auf den zweiten Strahlteiler 303 zu fallen.
Die zwei Polarisatoren 318 und 317 extrahieren die 0º-gerichtete Komponente (Kosinuswelle) und die 90º-gerichtete Komponente (Sinuswelle) des Lichtstrahles, der an dem zweiten Strahlteiler 303 kombiniert wird. Die konvexen Linsen 314 bzw. 313 sammeln die Kosinus- bzw. Sinuskomponenten der Lichtstrahlen auf den Photodetektoren 304 bzw. 305.
Fig. 5 zeigt einen Teil eines Volumenhologrammes (Gitter vom volumenholographischen Typ), das in der Ausführungsform, die in Fig. 4 gezeigt ist, benutzt wird.
Um das holographische Gitter, das in Fig. 5 gezeigt ist, zu erzeugen, fallen kohärente ebene Wellen 401 und 402 auf ein Aufzeichnungsmaterial 406 unter Winkeln θ, so daß ein Interferenzmuster der beiden ebenen Wellen gebildet wird und auf dem Aufzeichnungsmaterial 406 aufgezeichnet wird.
Das so hergestellte holographische Gitter 406 hat eine Beugungsfläche, die senkrecht zu der Oberfläche des Hologrammes angeordnet ist. Daher wird die Herstellung der Skala leichter, da die Änderung in der Gitterkonstante, welche durch die Änderung des Materials während des Herstellungsprozesses des Hologrammes hervorgerufen wird, kleiner ist.
Zusätzlich kann eine Holograrnmskala, die ungefähr 50% Beugungseffektivität hat und entsprechend der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, leicht erhalten werden, da die Auswahl des photoempfindlichen Materials die Herstellung einer Hologrammskala mit hoher Beugungseffektivität erlaubt.
Als nächstes wird in Fig. 6 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des optischen Instrumentes zur Verschiebung smesseng entsprechend der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Eine detaillierte Erklarung des optischen Detektion ssystemes wird hier weggelassen, da es das gleiche ist, wie es in den Fig. 2 und 4 gezeigt ist.
Obwohl das optische System bei der zweiten Ausführungsform prinzipiell dasselbe ist, wie es in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, wird jedoch ein Strahlteiler integrierten Types bei der zweiten Ausführungsform eingesetzt.
Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, bilden zwei Ebenen (außere Oberflachen) 502 und 503 eines Prismas 508 die zwei Strahlteiler 502 und 503. Eine Einstellung eines Abstandes L zwischen den zwei Strahlteilern, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, ist bei der zweiten Ausführungsform nicht nötig und die Anzahl der Teile wird entsprechend verringert.
Fig. 7 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der optischen Vorrichtung zur Verschiebungsmessung.
Die Skala bei der dritten Ausführungsform wird durch ein Hologrammglassubstrat 608, das Volumenhologramm 606, die Haftschicht 609, das dichtende Glassubstrat 610 und die Reflexionsschicht 607 gebildet.
Das optische Detektionssystem ist dasselbe wie bei der ersten Ausführungsform und eine detaillierte Beschreibung davon wird dementsprechend hier weggelassen.
Bei der Skala der dritten Ausführungsform dient das dichtende Glassubstrat 610 des Hologramms als lichtreflektierende Platte. Daher kann ein stabiles Detektionssignal erhalten werden, sogar wenn die raum liche Distanz zwischen dem optischen Detektionssystem und der Skala verandert wird, da die raumliche Distanz zwischen dem Volumenhologramm 606 und der Reflexionsschicht 607 konstant gehalten wird.
Fig. 8 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der optischen Vorrichtung zur Verschiebungsrnessung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Bei der vierten Ausführungsform wird für die Skala eine solche Skala benutzt, bei der das Beugungsglassubstrat 708 dick ist und eine reflektierende Schicht 707 auf der hinteren Oberfläche des Beugungsglassubstrates 708 gebildet ist.
So wird die Dicke der gesamten Skala dünner als die in der Fig. 7 gezeigten und das Instrument kann kompakter werden.
Der Abstand zwischen dem Gitter 706 und der reflektierenden Schicht 707 wird entsprechend der Dicke des Glassubstrates 708 gewählt, so daß die Skala gleichförmig wird und die Genauigkeit der Skala verbessert werden kann.
Obwohl bei der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform das optische Nachweissystem unter Einbeziehung eines der gebeugten Lichtstrahlen, die an der Beugungsgitterebene erzeugt werden, beschrieben ist, ist das gebeugte Licht tatsächlich in der ± m-ten Ordnung vorhanden, so daß das optische Detektionssystem unter Einbeziehung des gebeugten Lichtes m-ter Ordnung aufgebaut ist.
Eine fünfte Ausführungsform des optischen Instrumentes zur Verschiebungsmessung entsprechend der vorliegenden Erfindung, das in Fig. 9 gezeigt ist, zeigt das gebeugte Licht m-ter Ordnung.
Wie es in Fig. 9 gezeigt ist, wird das Lichtbündel, das von der Lichtquelle ausgesandt wird, mit Hilfe des Strahlteilers 802 in zwei Lichtbündel aufgespalten und die aufgespaltenen Lichtbündel fallen auf das Beugungsgitter 806.
Unter den gebeugten Lichtstrahlen, die an dem Beugungsgitter 806 erzeugt werden, werden die gebeugten Lichtstrahlen d und e, welche in der Fig. 9 nach links gerichtet sind, mit Hilfe der Photodetektoren 804 und 805 über dieselben Lichtwege, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, nachgewiesen.
Es sei angemerkt, daß die anderen Lichtbündel, die außer d und e in dem Beugungsgitter 806 vorhanden sind, mit Hilfe der Photodetektoren 809 und 810 nachgewiesen werden, da diese anderen Lichtbündel in der Fig. 9 nach rechts gerichtet sind.
Da die lichtempfangenen Bereiche bei der fünften Ausführungsform eine Anzahl von zwei Photodetektoren haben, verdoppelt sich der Wert der nachgewiesenen Signale. Zusätzlich kann die Abnahme der Amplitude des Ausgabenachweissignales halbiert werden, auch wenn Fehler auf der reflektierenden Schicht gefunden werden.
Wie oben beschrieben kann bei dem optischen Instrument und Verfahren zur Verschiebungsmessung das Nachweissignal eine hohe Amplitude, eine hohe Auflösung und ein großes SIN-(Signal-zu-Rausch-)Verhältnis bereitstellen.
Verschiedene Effekte können mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden und Modifikationen und Abänderungen in den bevorzugten Ausführungsformen können gemacht werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen, welcher durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1.Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala (106, 107), das folgendes umfaßt:

eine kohärente Lichtquelle (101);

ein Beugungsgitter (106) vom Transmissionstyp, das eine Bragg- Beugungsbedingung erfüllt;

eine erste Strahlteilereinrichtung (102) zum Empfangen eines Lichtbündels (a), das von der Lichtquelle (101) ausgesendet wird, wobei die erste Strahlteilereinrichtung (102) derart angeordnet ist, daß die aufgespaltenen Lichtbündel (b, c) auf das Beugungsgitter (106) unter Winkeln (e&sub1;) einfallen, die in ihren absoluten Werten ungefähr gleich sind;

ein lichtreflektierendes Element (107), das derart angeordnet ist, daß beide Lichtbündel (d, e), die durch das Beugungsgitter (106) hindurchgegangen sind, wieder auf dasselbe Beugungsgitter (106) fallen und durch das Beugungsgitter (106) ein zweites Mal hindurchgehen, wobei das lichtreflektierende Element (107) und das Beugungsgitter (106) die Skala bilden;

eine zweite Strahlteilereinrichtung (103), die in der Nähe eines Punktes angeordnet ist, an dem sich die beiden Lichtbündel (f, g) nach ihrem zweiten Hindurchgehen durch das Beugungsgitter (106) schneiden;

ein photoelektrisches Wandlerelement (104, 105) zum Nachweis eines Interferenzzustandes der beiden Lichtbündel, die mit Hilfe der zweiten Strahlteilereinrichtung (103) kombiniert worden sind, und zum Ausgeben eines Signales, das den Interferenzzustand anzeigt;

wobei die Längen der beiden Lichtwege, durch welchen beide Lichtbündel gegangen sind, ungefähr gleich sind;

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Strahlteilereinrichtung (102) einen Teil des Lichtbündels (a) durchläßt, das von der Lichtquelle (101) ausgesendet wird, und den verbleibenden Teil des Lichtbündels (a), der von der Lichtquelle (101) ausgesendet wird, reflektiert, wobei die erste Strahlteilereinrichtung (102) derart angeordnet ist, daß die aufgespaltenen Lichtbündel (b, c) durch das Beugungsgitter zweimal hindurchgehen, wobei eines der Lichtbündel (b, c) beim ersten Mal auf das Beugungsgitter (106) fällt und hindurchgeht und beim zweiten Mal auf das Beugungsgitter fällt und in einer m-ten Ordnung (m bezeichnet 1 oder eine größere ganze Zahl) gebeugt wird und das andere Lichtbündel beim ersten Mal auf das Beugungsgitter fällt und in der m-ten Ordnung durch das Beugungsgitter (106) gebeugt wird und beim zweiten Mal auf das Beugungsgitter fällt und durch das Beugungsgitter transmittiert wird;

die zweite Strahlteilereinrichtung (103) an einem anderen Ort als die erste Strahlteilereinrichtung (102) und an einem anderen Ort als das Beugungsgitter (106) angeordnet ist; und

das Lichtbündel (d, e), das auf das lichtreflektierende Element (107) fällt, und das Lichtbündel, das von dem lichtreflektierenden Element (107) reflektiert wird, nicht denselben Lichtweg benutzen.

2. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach Anspruch 1, worin die kohärente Lichtquelle (101) einen Halbleiterlaser umfaßt.

3. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach einem der vorherigen Ansprüche, worin die erste und die zweite Strahlteilereinrichtung (102, 103) Strahlteiler umfassen.

4. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das Beugungsgitter (106) ein Volumenhologramm (406) umfaßt.

5. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach einem der vorherigen Ansprüche, worin das lichtreflektierende Element (107) eine reflektierende Platte umfaßt, die in der Nähe des Beugungsgitters (106) ungefähr parallel zu dessen axialer Richtung angeordnet ist und von der kohärenten Lichtquelle (101) aus gesehen unterhalb des Beugungsgitters angeordnet ist.

6. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach Anspruch 5, worin die Skala ein Glassubstrat (208) umfaßt, welches ungefähr parallel zu einer Beugungsoberfläche des Beugungsgitters (106, 206) angeordnet ist und an dem Beugungsgitter haftet, wobei eine hintere Oberfläche davon mit einer reflektierenden Schicht behandelt ist, die als reflektierende Platte dient.

7. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach Anspruch 5, worin die reflektierende Platte (207) eine reflektierende Schicht ist, die auf einer hinteren Oberfläche des Substrates (208) des Beugungsgitters (206) gebildet ist.

8. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach einem der Ansprüche 4 bis 7, worin der erste Strahlteiler (502) und der zweite Strahlteiler (503) integral durch ein Prisma (508) aufgebaut sind.

9. Instrument zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala nach Anspruch 4, worin die Beugungsvektorrichtung des Volumenhologrammes ungefähr mit der Meßrichtung der Skala übereinstimmt.

10. Verfahren zur optischen Messung einer Verschiebung einer Skala, das die folgenden Schritte umfaßt.

a) Aussenden kohärenten Lichtes;

b) Bereitstellen eines Beugungsgitters (106) vom Transmissionstyp und einer Lichtreflexionseinrichtung (107), die die Skala aufbauen; und

c) Nachweis eines Interferenzzustandes von Lichtbündeln, die durch das Beugungsgitter hindurchgegangen sind, an ihrem Schnittpunkt.

wobei das Lichtbündel (a) von kohärentem Licht in zwei Lichtbündel aufgespalten wird, wobei beide Lichtbündel durch das Beugungsgitter zweimal hindurchgehen, eines der Lichtbündel beim ersten Mal auf das Beugungsgitter (106) fällt und transmittiert wird und beim zweiten Mal auf das Beugungsgitter fällt und in einer m- ten Ordnung (m bezeichnet 1 oder eine größere ganze Zahl) gebeugt wird und das andere Lichtbündel beim ersten Mal auf das Beugungsgitter (106) fällt und durch das Beugungsgitter (106) in die m-te Ordnung gebeugt wird und beim zweiten Mal durch das Beugungsgitter transmittiert wird, wobei diese Lichtbündel gleiche Weglängen haben,

wobei weiterhin der Schnittpunkt der beiden Lichtbündel nicht auf dem Beugungsgitter (106) liegt, und das Lichtbündel (d, e), das auf das lichtreflektierende Element (107) fällt, und das Lichtbündel, das von dem lichtreflektierenden Element (107) reflektiert wird, nicht denselben Lichtweg benutzen.