DE69522850T2

DE69522850T2 - Apparat zur Verschiebungsmessung eines Gegenstandes unter Verwendung eines Beugungsgitters

Info

Publication number: DE69522850T2
Application number: DE69522850T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Watanabe
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-05-13
Filing date: 1995-05-11
Publication date: 2002-04-11
Anticipated expiration: 2015-05-12
Also published as: US5717488A; EP0682230A2; EP0682230A3; EP0682230B1; JP3495783B2; DE69522850D1; JPH07306060A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Inkrementalgeber zur Verschiebungsmessung eines Gegenstands. In mehr spezifischer Weise kann die vorliegende Erfindung entsprechend auf einen Inkrementalgeber angewendet werden, wie z.B. ein rotato rischer Inkrementalgeber, ein linearer Inkrementalgeber oder dergleichen, welcher Bewegungsdaten, z.B. die Bewegungsmenge, die Bewegungsrichtung, die Beschleunigung, die Winkelbeschleunigung oder dergleichen, eines Beugungsgitters in einer solchen Weise mißt, daß Interferenzmuster durch Einstrahlen eines kohärenten Lichtstrahls, wie z.B. ein Laserstrahl, auf eine Mikrogitteranordnung, wie z.B. ein Beugungsgitter, das an einem bewegbaren Gegenstand (Skale) angeordnet ist, erzeugt werden, und bewirkt, daß Beugungslichtkomponenten vorbestimmter Ordnungen von dem Beugungsgitter miteinander interferieren und die Anzahl dunkler und heller Streifen der Interferenzmuster gezählt wird.

Bemerkungen zum Stand der Technik

Herkömmlich sind rotatorische Inkrementalgeber als Meßapparate bekannt, welche Drehdaten, wie z.B. die Drehmenge, die Drehrichtung oder dergleichen, eines Rotationsobjekts mit hoher Genauigkeit (z.B. im Submikrometerbereich) messen können, z.B. in einer numerisch gesteuerten Arbeitsmaschine, und solche rotatorischen Inkrementalgeber haben Einsatz auf verschiedenen Gebieten gefunden.
Insbesondere ist als ein hochgenauer rotatorischer Inkrementalgeber mit hoher Auflösung ein rotatorischer Beugungslichtinterferenz-Inkrementalgeber bekannt. Der Inkrementalgeber detektiert den Bewegungszustand, wie z.B. die Bewegungsmenge, die Bewegungsrichtung oder dergleichen, eines bewegbaren Gegenstands in einer solchen Weise, daß ein kohärenter Lichtstrahl, wie z.B. ein Laserstrahl, auf ein Beugungsgitter einfällt, das auf einem bewegbaren Gegenstand angeordnet ist, Beugungslichtkomponenten vorbestimmter Ordnungen, die durch das Beugungsgitter gebeugt sind, veranlaßt werden, miteinander zu interferieren, um Interferenzmuster auszubilden, und die Anzahl dunkler und heller Streifen der Interferenzmuster gezählt wird.
Andererseits ist z.B. in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 4-264264 eine Beschleunigungsmeßvorrichtung zum Detektieren einer Beschleunigung durch Messen der elastischen Verformung eines elastischen Elements vorgeschlagen worden. Insbesondere ist als eine Beschleunigungsmeßvorrichtung, deren Ziel die hochgenaue Detektion einer Beschleunigung ist, eine Beschleunigungsdetektionsvorrichtung vorgeschlagen worden, die einen Beugungslichtinterferenz-lEnkrementalgeber verwendet. Auch als eine Winkelbeschleunigungs- Meßvorrichtung zum Detektieren einer Winkelbeschleunigung ist eine Winkelbeschleungigungs-Meßvorrichtung vorgeschlagen worden, wie z.B. ein piezoelektrisches Schwingungsgyroskop oder ein Optofaser-Gyroskop.
Fig. 1 zeigt eine schematische Teilansicht des Hauptteils eines herkömmlichen Beugungslichtinterferenz-Inkrementalgebers.
In Fig. 1 fällt ein monochromatischer Lichtstrahl, der von einer Lichtquelle 101 abgestrahlt ist, auf eine Mikrogitteranordnung 105 ein welche z.B. ein Beugungsgitter aufweist und einen Gitterabstand P (die Anzahl der Gitterlinien entlang dem Umfang des Beugungsgitters ist N) auf einem Maßstab (Scheibe) 105a, wodurch eine Vielzahl von Beugungslichtkomponenten erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Ordnung eines Lichtstrahls, der sich geradlinig ausbreitet, als nullter Ordnung definiert, und als Beugungslichtkomponenten ±1., ±2., ±3.... Ordnung auf den zwei Seiten des Beugungslichts nullter Ordnung definiert. Ferner ist ein "+'"-Zeichen der Drehrichtung der Skale 105a zugeordnet, und ein "-" Zeichen ist einer Richtung zugeordnet, die der Drehrichtung der Skale entgegengesetzt ist, wodurch die vorstehend erwähnten Lichtkomponenten unterschieden werden. Wenn unter diesen Annahmen der Drehwinkel der Skale 105a durch A (Grad) dargestellt wird, ist die Phase der Wellenfront des Beugungslichts n-ter Ordnung gegenüber jener des Lichts nullter Ordnung um 2π·n·N·θ/360 verschoben.
Da die Phasen der Wellenfronten der Beugungslichtkomponenten unterschiedlicher Ordnungen zueinander verschoben werden, wenn zwei Beugungslichtkomponenten veranlaßt werden, miteinander zu interferieren, indem deren optische Pfade unter Verwendung eines zweckentsprechenden optischen Systems in Überlagerung gebracht werden, wird ein Dichtesignal erhalten.
Wenn z.B. Beugungslichtkomponenten +1. Ordnung und -1. Ordnung veranlaßt werden, durch Überlagerung deren optischen Pfade unter Verwendung von Spiegeln 10% und 109b und einer Strahlteilvorrichtung 103 miteinander zu interferieren, da sich die Phasen dieser Beugungslichtkomponenten voneinander um 4π verschieben, während sich die Skale 105a um einen Teilungsabstand (360/N [Grad]) der Mikrogitteranordnung dreht, tritt eine Änderung der Lichtmenge eines Dichtemusters für zwei Zyklen ein. Daher kann durch Detektieren der Änderung der Lichtmenge des Dichtemusters die Drehmenge der Skale 105a erhalten werden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Teilansicht des Hauptteils eines herkömmlichen rotatorischen Beugungslichtinterferenz- Inkrementalgebers, welcher nicht nur die Drehmenge detektiert, sondern auch die Drehrichtung der Skale 105a.
In Fig. 2 werden im Vergleich zu dem in Fig. 1 gezeigten rotatorischen Inkrementalgeber bei Drehung der Skale 105a mindestens zwei unterschiedliche Dichtesignale aus den zwei Beugungslichtkomponenten erzeugt, und die Drehrichtung der Skale 105a wird durch Verschieben der Zeitpunkte der Dichteänderungen dieser Signale detektiert.
In mehr spezifischer Weise werden in Fig. 2, bevor die Beugungslichtkomponenten n-ter und m-ter Ordnung, die durch eine Mikrogitteranordnung 105 gebeugt sind, veranlaßt werden, einander zu überlagern, diese Lichtkomponenten unter Verwendung von Analysatorvorrichtungen 108a und 108b und dergleichen in Lichtstrahlen linearer Polarisation umgewandelt, deren Polarisationsebenen sich rechtwinklig zueinander erstrecken. Die optischen Pfade dieser zwei Lichtkomponenten werden veranlaßt, über Spiegel 109a und 109b und eine Strahlteilvorrichtung 103a einander zu überlagern, und diese Lichtkomponenten werden dann durch ein λ/4-Blättchen 107a geleitet, um sie in einen Lichtstrahl linearer Polarisation mit einer Polarisationsebene umzuwandeln, deren Richtung durch den Phasenunterschied zwischen den zwei Lichtstrahlen bestimmt ist.
Der Lichtstrahl wird durch eine nichtpolarisierende Strahlteilvorrichtung 103 in zwei Lichtstrahlen geteilt, und diese Lichtstrahlen werden durch Analysatorvorrichtungen 108c und 108d geleitet, welche eingerichtet sind, unterschiedliche Erfassungsrichtungen (Richtungen, in welchen Lichtstrahlen mit linearer Polarisation hindurchgehen können) aufzuweisen. Dann werden zwei unterschiedliche Dichtesignale mit unterschiedlichen Dichteänderungszeitpunkten bei Interferenz der zwei Lichtstrahlen durch Detektionsvorrichtungen 110a und 110b detektiert.
Wenn sich z.B. die Detektionsrichtungen der zwei Analysatorvorrichtungen voneinander um 45º verschieben, dann verschieben sich die Änderungszeitpunkte um 90º (π/2) in der Phase. Der in Fig. 2 gezeigte rotatorische Inkrementalgeber detektiert die Drehdaten, einschließlich der Drehrichtung, der Skale 105a unter Verwendung der Signale, die von den zwei Detektionsvorrichtungen 110a und 110b zu diesem Zeitpunkt ausgegeben werden.
Ferner beschreibt die EP-A-0 426 125 einen Apparat zur Messung einer Verschiebung eines Gegenstands, der ein Beugungsgitter aufweist, welches an dem Gegenstand angeordnet ist, eine Lichtquellenvorrichtung zum Einstrahlen von kohärentem Licht auf das Gitter und eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren des resultierenden Interferenzlichts. Abhängig davon, ob ein radiales Beugungsgitter oder ein lineares Beugungsgitter verwendet wird, ist der Apparat in der Lage, entweder eine Radialbewegung oder eine Linearbewegung des Gegenstands zu messen.
Wenn in einem herkömmlichen Inkrementalgeber eine Vielzahl von Arten der Bewegungsdaten (z.B. Drehdaten und Linearbewegungsdaten) eines zu messenden Gegenstands zu erfassen sind, müssen zwei unterschiedliche Detektionssysteme angeordnet werden, wodurch ein großer und komplizierter Apparat ausgebildet wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Inkrementalgeber zu schaffen, welcher gleichzeitig und unabhängig eine Vielzahl von Arten von Bewegungsdaten eines zu messenden Gegenstands mit hoher Genauigkeit erfassen kann, z.B. Bewegungsdaten in einer Richtung und Rotationsdaten um eine Achse.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Inkrementalgeber zu schaffen, welcher unter Verwendung des Inkrementalgebers der Aufgabe der Erfindung mit hoher Genauigkeit gleichzeitig eine Beschleunigung in einer Richtung und eine Winkelbeschleunigung in einer Richtung erfassen kann.
Um die Vorstehend erwähnte Aufgabe und das Ziel zu erreichen, wird ein Apparat zur Verschiebungsmessung eines Gegenstands aufgezeigt, wie im Anspruch 1 definiert ist.
Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen definiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine schematische Teilansicht des Hauptteils eines herkömmlichen rotatorischen Inkrementalgebers,
Fig. 2 zeigt eine schematische Teilansicht des Hauptteils eines herkömmlichen rotatorischen Inkrementalgebers,
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht des Hauptteils der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht des Hauptteils, wenn eine Skale in eine Richtung A in Fig. 3 verschoben ist,
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht des Hauptteils, wenn eine Skale in die Richtungen B in Fig. 3 verschoben ist,
Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Zustands, wobei die Skale in die Richtung A in Fig. 3 verschoben ist,
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Zustands, wobei die Skale in die Richtungen B in Fig. 3 verschoben ist,
Fig. 8 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung eines erfindungsgemäßen Beugungsgitters und von Beugungslichtkomponenten,
Fig. 9 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung bei teilweiser Abwandlung des in Fig. 3 gezeigten Aufbaus,
Fig. 10 zeigt eine schematische Ansicht des Hauptteils der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht des Hauptteils einer Abwandlung der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht des Hauptteils der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel für einen Fall, wobei zwei Reflexionsbeugungsgitter 5a, 5b auf einem zu messenden Gegenstand (fester Körper, nachstehend auch als eine Skale bezeichnet) 5 angeordnet sind und die Bewegungsdaten und Rotationsdaten des zu messenden Gegenstands detektiert werden.
In Fig. 3 strahlt eine Lichtquelle (z.B. ein Halbleiterlaser, dessen Polarisationsebene um 45º geneigt ist) 1 einen kohärenten Lichtstrahl ab, der sowohl P- als auch S-Polatisationskomponenten aufweist. Ein Lichtstrahl, der durch die Lichtquelle 1 abgestrahlt ist, wird durch eine Kollimatorlinse 2 geformt und wird durch eine erste Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3a, deren Polarisationsebene gegenüber der optischen Achse um 45º geneigt ist, in 5- und P-polarisierte Lichtkomponenten LS und LP aufgeteilt.. Die Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3a läßt das P-polarisierte Licht durch und reflektiert das S-polarisierte Licht.
Das P-polarisierte Licht wird durch einen Spiegel 4b reflektiert und fällt auf ein Beugungsgitter (erstes Beugungsgitter) 5a ein. Andererseits wird das S-polarisierte Licht durch einen Spiegel 4a reflektiert und fällt auf ein Beugungsgitter 5a ein. Zu diesem Zeitpunkt fallen die zwei Lichtkomponenten aus zwei Richtungen schräg auf einen einzelnen Punkt ein, so daß die Einfallswinkel der zwei Lichtkomponenten gleich dem Beugungswinkel 1. Ordnung sind. Das Beugungslicht +1. Ordnung S+ der S-Polarisation und das Beugungslicht -1. Ordnung P- der P-Polarisation werden in einer einzigen Richtung rechtwinklig zu der Oberfläche des Beugungsgitters 5a reflektiert und gebeugt.
Das Beugungslicht +1. Ordnung S+ und das Beugungslicht -1. Ordnung P- fallen senkrecht auf ein Beugungsgitter (zweites Beugungsgitter) 5b ein, welches in einer symmetrischen Position über einer Drehachse (Welle) 10 bei Drehung des zu messenden Gegenstands (elastisches Element) in bezug auf das erste Beugungsgitter 5a angeordnet ist, unter Verwendung von Ablenkvorrichtungen 6a und 6b, wie z.B. Spiegel.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht, wenn sich die Skale 5 zu diesem Zeitpunkt in die Richtung A bewegt, und Fig. 6 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der jeweiligen Komponenten in Fig. 4.
In Fig. 4 und Fig. 6 werden P-polarisiertes Licht P-- und Spolarisiertes Licht S+-, welche durch das zweite Beugungsgitter 5b -1.-Ordnung-gebeugt sind, durch einen Spiegel 7b reflektiert und zu einer Polarisationsstrahlteilvor richtung 3b geleitet. Andererseits werden P-polarisiertes Licht P-+ und S-polarisiertes Licht S++, welche durch das zweite Beugungsgitter 5b +1.-Ordnung-gebeugt sind, durch einen Spiegel 7a reflektiert und zu der Polarisationsstrahlteilvo rrichtung 3b geleitet. Die Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b überlagert diese polarisierten Lichtkomponenten.
Von diesen Lichtstrahlen werden das S-polarisierte Licht S++ und das P-polarisierte Licht P--, welche dazwischen eine relative Phasendifferenz = 8π aufweisen, zu einer Analysatorvorrichtung 13a geleitet und werden durch eine erste Photodetektionseinrichtung (erste Detektionseinrichtung) 9a detektiert, und das S-polarisierte Licht S+- und das P-polarisierte Licht P-+, welche dazwischen eine relative Phasendifferenz = 0 aufweisen, werden einer Analysatorvorrichtung 13b zugeführt und werden durch eine zweite Photodetektionseinrichtung (zweite Detektionseinrichtung) 9b detektiert. Zu diesem Zeitpunkt detektiert die Photodetektionseinrichtung 9a die Bewegungsdaten, aber die Photodetektionseinrichtung 9b detektiert keine Bewegungsdaten.
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht, wenn sich die Skale 5 in die Richtungen B in Fig. 3 bewegt, und Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm zur Erläuterung der Komponenten in Fig. 5.
In Fig. 5 und 7 werden P-polarisiertes Licht P-- und S-polarisiertes Licht 5+-, welche durch das zweite Beugungsgitter 5b -1.-Ordnung-gebeugt sind, durch den Spiegel 7a reflektiert und werden der Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b zugeleitet. Andererseits werden P-polarisiertes Licht P-+ und S-polarisiertes Licht S++, welche durch das zweite Beugungsgitter 5b +1.-Ordnung-gebeugt sind, durch den Spiegel 7b reflektiert und werden der Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b zugeleitet. Die Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b überlagert diese polarisierten Lichtkomponenten. Von diesen Lichtstrahlen werden das P-polarisierte Licht P-+ und das 5-polarisierte Licht S+-, welche dazwischen eine relative Phasendifferenz = 0 aufweisen, durch die erste Photodetektionseinrichtung 9b über die Analysatorvorrichtung 13a detektiert, und das P-polarisierte Licht P-- und das S-polarisierte Licht S++, welche dazwischen eine relative Phasendifferenz = 8π aufweisen, durch die zweite Photodetektionseinrichtung 9b über die Analysatorvorrichtung 13b detektiert. Zu diesem Zeitpunkt detektiert die Photodetektionseinrichtung 9b Bewegungsdaten, aber die Photodetektionseinrichtung 9a detektiert keine Bewegungsdaten.
In dieser Ausführungsform detektiert ein Signalverarbeitungssystem (nicht gezeigt) die Bewegungsdaten eines bewegbaren Gegenstands unter Verwendung von Signalen, die von den Photodetektionseinrichtungen 9a und 9b ausgegeben sind. Das Detektionsprinzip der Bewegungsdaten eines bewegbaren Gegenstands in dieser Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 beschrieben. In Fig. 6 und 7 ist die Ordnung m des Beugungslichts m-ter Ordnung auf m = 1 eingestellt.
Fig. 8 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Bewegungsrichtung des Gitters und den Beugungsordnungen. Wenn, wie in Fig. 8 gezeigt, kohärentes Licht einer Wellenlänge λ auf ein Beugungsgitter 51 einfällt, das mit Schlitzen in einem vorbestimmten Teilungsabstand P erzeugt ist, werden die folgenden Beugungslichtkomponenten in der Richtung eines Winkels θ erzeugt:
P·sin θ = m·λ (m = 0, ±1, ...)
Es ist darauf hinzuweisen, daß Beugungslicht m-ter Ordnung, welches in der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters gebeugt ist, als Beugungslicht +m-ter Ordnung definiert ist, und Beugungslicht m-ter Ordnung, welches in einer entgegengesetzten Richtung zu der Bewegungsrichtung gebeugt ist, als Beugungslicht -m-ter Ordnung definiert ist. Wenn sich das Beugungsgitter 51 um X bewegt, ändert sich die Phase des Beugungslichts m-ter Ordnung vor und nach der Bewegung in folgender Menge:
Δθ(X) = 2mπm/P
Daher ändert sich die Phase des Beugungslichts 1. Ordnung (m = 1) bei Bewegung des Beugungsgitters um einen Teilungsabstand um 2π.
In einem Beugungslichtinterferenz-Inkrementalgeber werden Licht, welches durch ein Beugungsgitter, das auf einer Skale angeordnet ist, zweimal +1.-Ordnung-gebeugt ist, und Licht, welches zweimal -1.-Ordnung-gebeugt ist, veranlaßt, einander zu überlagern, so daß sich die Phasen der zwei Lichtkomponenten um 8π je Teilungsabstand des Gitters relativ verschieben. Daher wird bei Bewegung der Skale um einen Teilungsabstand des Gitters eine Änderung der Phase für vier Zyklen erzeugt.
In dieser Ausführungsform ist das Beugungslicht +m-ter Ordnung, das durch das Beugungsgitter gebeugt ist, eine Lichtkomponente, welche in der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters gebeugt ist, des Beugungslichts m-ter Ordnung, und das Beugungslicht -m-ter Ordnung ist eine Lichtkomponente, welche in der entgegengesetzten Richtung zu der Bewegungsrichtung des Beugungsgitters gebeugt ist, des Beugungslichts mter Ordnung.
Z.B. ändert sich in einem Beugungslichtinterferenz-Inkrementalgeber bei der Drehung einer Skale, die ein radiales Beugungsgitter aufweist, eine relative Phasendifferenz zwischen Licht, welches zweimal +m-ter-Ordnung-gebeugt ist, und Licht, welches zweimal -m-ter-Ordnung-gebeugt ist, um 8mπ in bezug auf eine Winkeländerung entsprechend einem Teilungsabstand des Beugungsgitters. In dieser Ausführungsform werden durch Detektieren von Interferenzlicht dieser zwei Lichtkomponenten zu diesem Zeitpunkt die Drehdaten eines Rotationsobjekts (Beugungsgitter) detektiert.
Andererseits wird das Beugungslicht m-ter Ordnung in einem Zustand betrachtet, wobei sich zwei parallele Beugungsgitter auf einer Skale in derselben Menge in eine Richtung rechtwinklig zu dem Gitter bewegen. Ein Lichtstrahl von einer Kohärenzlichtquelle wird veranlaßt, auf ein erstes Beugungsgitter einzufallen, Beugungslicht +m-ter Ordnung Lm und Beugungslicht -m-ter Ordnung L-m von dem ersten Beugungsgitter werden unter Verwendung von Lichtübertragungsvorrichtungen, wie z.B. eine Linse, ein Prisma, ein Spiegel, eine optische Faser und dergleichen, übertragen, und werden veranlaßt, auf ein zweites Beugungsgitter einzufallen. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt das zweite Beugungsgitter vier unterschiedliche Beugungslichtkomponenten m-ter Ordnung, d.h. Beugungslicht + mter Ordnung Lm,m des Beugungslichts +m-ter Ordnung, Beugungslicht -m-ter Ordnung Lm,-m des Beugungslichts +m-ter Ordnung, Beugungslicht +m-ter Ordnung L-m,m des Beugungslichts -m-ter Ordnung und Beugungslicht -m-ter Ordnung L-m,- m des Beugungslichts -m-ter Ordnung.
Wenn sich die Skale 5 in die Richtung A bewegt, werden das Beugungslicht +m-ter Ordnung Lm,m des Beugungslichts +m-ter Ordnung und das Beugungslicht -m-ter Ordnung L-m,-m des Beugungslichts -m-ter Ordnung veranlaßt, miteinander zu interferieren, wie in Fig. 4 und 6 gezeigt ist. Da sich die Phasen dieser Lichtkomponenten um 8mπ je Bewegung um einen Teilungsabstand des Beugungsgitters relativ verschieben, wird das Interferenzlicht durch ein erstes Detektionssystem detektiert, welches eine Vorrichtung (Photodetektionsvorrichtung), wie z.B. eine Photodiode, eine CCD oder dergleichen) aufweist, wodurch die Bewegungsdaten des Beugungsgita ers detektiert werden.
Auch das Beugungslicht -m-ter Ordnung Lm,-m des Beugungslichts +m-ter Ordnung und das Beugungslicht +m-ter Ordnung L-m,m des Beugungslichts -m-ter Ordnung werden durch ein zweites Detektionssystem detektiert, das ähnlich dem ersten Detektionssystem ist. Wenn sich beide der zwei Beugungsgitter in die Richtung rechtwinklig zu dem Gitter bewegen, ändert sich das Interferenzsignal nicht, da die zwei Beugungslichtkomponenten Lm,-m und L-m, m, welche das zweite Detektionssystem erreichen, miteinander in Phase sind. Aus diesem Grund werden keine Bewegungsdaten erhalten.
Nachstehend wird ein anderer Fall geprüft, wobei sich die Skale 5 in die Richtungen B bewegt, d.h., die zwei Beugungsgitter bewegen sich in Richtungen rechtwinklig zu dem Gitter, so daß sich eines der zwei Beugungsgitter in dieselbe Richtung wie die Richtung A bewegt, und sich das andere Beugungsgitter in die Richtung entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung des ersteren Beugungsgitters bewegt (d.h. die zwei Beugungsgitter bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen rechtwinklig zu dem Gitter) (siehe Fig. 5 und 7).
Dieser Fall entspricht einem Zustand, wobei sich die Skale in einer Ebene dreht. In diesem Fall weisen die zwei Beugungslichtkomponenten Lm,-m und L-m, m, welche das vorstehend erwähnte erste Detektionssystem erreichen, keine Phasendifferenz dazwischen auf. Jedoch die zwei Beugungslichtkomponenten Lm,m und L-m,-m, welche das zweite Detektionssystem erreichen, weisen eine relative Phasendifferenz = 8mπ auf, wenn das erste und das zweite Beugungsgitter eine Bewegungsmengendifferenz von zwei Teilungsabständen aufweisen, wie in dem vorstehend erwähnten Fall, wobei sich die Beugungsgitter in dieselbe Richtung bewegen.
Wenn z.B. die zwei Beugungsgitter auf einem einzelnen festen Körper (zu messender Gegenstand) angeordnet sind, parallel zu einer Richtung, die zwei Einstrahlpunkte verbindet, ist das Signal, das von dem ersten Detektionssystem ausgegeben wird, ein Signal, welches eine Bewegung in der Richtung rechtwinklig zu dem Gitter auf der Beugungsgitteroberfläche an dem Mittelpunkt zwischen den Einstrahlpunkten der zwei Beugungsgitter darstellt. Nachstehend wird ein Fall geprüft, wobei sich der feste Körper in einer Ebene dreht, welche die Beugungsgitter einschließt. Wenn der Drehwinkel sehr klein ist, kann davon ausgegangen werden, daß sich die zwei Beugungsgitter in entgegengesetzten Richtungen geradlinig bewegen, und das zweite Detektionssystem den Drehwinkel in der Ebene, welche die zwei Gitter einschließt, detektieren kann. Wenn die zwei Beugungsgitter radiale Beugungsgitter aufweisen, wie in dem herkömmlichen Beugungslichtinterferenz-Rotationsinkrementalgeber, kann der Detektionsbereich in der Drehrichtung erweitert werden. Da sich zu diesem Zeitpunkt die Richtungen der Gitter bei geradliniger Bewegung ändern, wird der Detektionsbereich einer Linearverschiebung enger als jener, der durch parallele Beugungsgitter definiert ist.
In dieser Ausführungsform werden die Bewegungsdaten eines bewegbaren Gegenstands unter Ausnutzung des vorstehend erwähnten Detektionsprinzips detektiert. Das Detektionsverfahren dieser Ausführungsform wird nachstehend ausführlich beschrieben.
(2-1) Verschiebung der zwei Beugungsgitter in die Richtung eines Pfeils A, wie in Fig. 4 gezeigt ist (die Beugungsgitterskale bewegt sich geradlinig in eine Richtung rechtwinklig zu dem Gitter)
In diesem Fall sind die Lichtkomponenten, welche durch die Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b übertragen werden und die Photodetektionseinrichtung 9a (erstes Detektionssystem) über die Analysatorvorrichtung 13a erreichen, P-polarisiertes Licht P--, welches zweimal -1.-Ordnung-gebeugt ist, und 5-polarisiertes Licht S++, welches zweimal +1.-Ordnung- gebeugt ist, und die relative Phasendifferenz zwischen diesen Lichtkomponenten beträgt 87c bei Verschiebung des Gitters um einen Teilungsabstand. Diese Lichtkomponenten werden durch Analysatorvorrichtungen (nicht gezeigt) übertragen, deren Polarisationsachsen auf 45º in bezug auf die entsprechenden linearen Polarisationen eingestellt sind, um in linear polarisierte Lichtkomponenten umgewandelt zu werden, die durch die Polarisationsachsen definiert sind, und diese umgewandelten Lichtkomponenten werden durch die Photodetektionseinrichtung 9a als Bewegung der Interferenzstreifen bei Bewegung der Gitter detektiert. Unter Verwendung eines Signals, das von der Photodetektionseinrichtung 9a ausgegeben ist, berechnet eine Berechnungsvorrichtung (nicht gezeigt:) die Bewegungsdaten der Gitter, d.h. die Bewegungsdaten der Drehwelle 10 bei Verdrehung des elastischen Elements.
Andererseits sind Lichtkomponenten, welche durch die Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b reflektiert sind und die Photodetektionseinrichtung 9b (zweites Detektionssystem) über die Analysatorvorrichtung 13b erreichen, P-polarisiertes Licht P-+, welches -1.-Ordnung-gebeugt und +1.- Ordnung-gebeugt ist, und S-polarisiertes Licht S+-, welches +1.-Ordnung-gebeugt und -1.-Ordnung-gebeugt ist. In diesem Fall wird keine Phasendifferenz bei Bewegung der Gitter erzeugt. Aus diesem Grund detektiert die Photodetektionseinrichtung 9b keine Änderung des Interferenzzustands und es wird kein Signal erzeugt.
(2-2) Drehung von zwei Beugungsgittern in die Richtungen des Pfeils B, wie in Fig. 5 gezeigt ist, (ein Zustand, wobei sich die Skale dreht, auf welcher die Gitter angeordnet sind)
Wenn sich der zu messende Gegenstand um die Drehachse 10 dreht, sind die Lichtkomponenten, welche durch die Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b übertragen werden uncl die Photodetektionseinrichtung 9a über die Analysatorvorrichtung 13a erreichen, P-polarisiertes Licht P+-, welches -1.-Ordnung-gebeugt und +1.-Ordnung-gebeugt ist, und S-polarisiertes Licht S+-, welches +1.-Ordnung-gebeugt und -1.--Ordnunggebeugt ist, und bei Drehung der Gitter wird keine Phasendifferenz erzeugt. Aus diesem Grund werden keine Drehdaten erlangt.
Andererseits sind Lichtkomponenten, welche durch die Polarisationsstrahlteilvorrichtung 3b reflektiert sind und die Photodetektionseinrichtung 9b über die Analysatorvor richtung 13b erreichen, P-polarisiertes Licht P--, welches zweimal - 1.-Ordnung-gebeugt ist, und S-polarisiertes Licht S++, welches zweimal +1.-Ordnung-gebeugt ist, und die relative Phasendifferenz beträgt 8π bei Drehung für einen Teilungsabstand in der Ebene, welche die Gitter einschließt. Diese Lichtkomponenten werden durch Analysatorvorrichtungen (nicht gezeigt) übertragen, deren Polarisationsachsen jeweils um 45º in bezug auf die P- und die 5-Polarisation geneigt sind, um in linear polarisierte Lichtkomponenten umgewandelt zu werden, die durch die Polarisationsachsen definiert sind. Die Photodetektionseinrichtung 9b detektiert die Bewegung von Interferenzmustern, wodurch die Bewegungsdaten in der Ebene detektiert werden, welche die Gitter einschließt.
In dieser Ausführungsform erzeugt die in Fig. 4 gezeigte Photodetektionseinrichtung 9a ein Signal, das der Verschiebung der Gitter in der Richtung A entspricht, und die Photodetektionseinrichtung 9b, die in Fig. 5 gezeigt ist, erzeugt ein Signal, das der Drehung in der Ebene des Gitters entspricht. Insbesondere dann, wenn die Biegung und Torsion der Spindel (Welle) 10, auf welcher die Beugungsgitter angeordnet sind, auf der Grundlage der Detektionssignale von den Photodetektionseinrichtungen 9a und 9b gleichzeitig detektiert sind, werden eine auf die Spindel 10 einwirkende Beschleunigung und eine Winkelbeschleunigung detektiert. Eine Beschreibung eines Verfahrens zur Detektion einer Beschleunigung oder Winkelbeschleunigung auf der Grundlage einer Verschiebung oder Winkelverschiebung wird ausgelassen, da das Verfahren dem Fachmann bekannt ist.
Da sich in dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau die Neigungen des Gitters verschieben und die Polarisationsrichtungen bei Drehung in der Ebene verschieben, ist der Drehwinkel auf eine sehr kleine Menge begrenzt. Jedoch gemäß dem Aufbau dieser Ausführungsform kann der Drehwinkel der Skale gemessen werden, während der Drehpunkt nicht auf zwei Lichteinfallspunkte begrenzt ist.
In dieser Ausführungsform werden als Lichtablenk- und Lichtübertragungsvorrichtungen Spiegel verwendet. Wahlweise können Prismen, welche die Brechkraft nutzen, optische Fasern, optische Wellenleiter und dergleichen verwendet werden, solange sie die Ausbreitungsrichtung des Lichts ablenken. Um in dieser Ausführungsform einen optischen Signalpfad für die S- und die P-polarisierten Lichtkomponenten zwischen dem ersten Beugungsgitter 5a und dem zweiten Beugungsgitter 5b auszubilden, wird der Einfallswinkel des Lichts auf das erste Beugungsgitter 5a eingestellt, daß dieser gleich dem des Beugungslichts 1. Ordnung ist, welches durch das Gitter 5a erzeugt wird. Wahlweise kann ein Aufbau übernommen werden, in welchem die zwei Lichtkomponenten unter verschiedenen Winkeln einfallen und entlang unterschiedlicher optischer Pfade übertragen werden.
Wenn weiterhin die Bewegungsrichtung zu detektieren ist, muß die Bewegungsrichtung der Interferenzmuster detektiert werden. In diesem Fall wird als ein Verfahren, das in einem Beugungslichtinterferenz-Inkrementalgeber realisiert ist, die Anzahl der Interferenzmuster in einem Lichtstrahl des Interferenzlichts nahe 0 eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Interferenzlicht bei Bewegung der Skale ein sich wiederholendes Interferenzmuster. Ein in Fig. 9 gezeigtes optisches System kann das λ/4-Blättchen 8a (8b) und die Photodetektionseinrichtung 9a (9b), wie in Fig. 3 gezeigt, ersetzen.
In Fig. 9 weist ein λ/4-Blättchen 8c eine feste Achse auf, welche in bezug auf die P- und die 5-polarisierte Lichtkomponente auf 45º eingestellt ist, und wandelt die P- und die S-polarisierte Lichtkomponente in zirkular polarisierte Lichtkomponenten um, die entgegengesetzte Drehrichtungen autweisen. Interferenzlicht dieser Lichtkomponenten ist linear polarisiertes Licht, welches sich bei Bewegung der Skale dreht. Das Interferenzlicht wird durch eine nichtpolarisierende Strahlteilvorrichtung 12 in zwei Lichtstrahlen geteilt, und die zwei sich drehenden linear polarisierten Lichtkomponenten werden durch Photodetektionseinrichtungen 9c und 9d über Analysatorvorrichtung 13a und 13b, die eine 45º-Differenz zwischen deren Polarisationsrichtung aufweisen, als sinusförmige Lichtdichtemuster detektiert, die eine Phasendifferenz von 90º dazwischen aufweisen.
Die Photodetektionseinrichtungen 9c und 9d detektieren Dichtemuster von zwei Phasenlichtkomponenten, welche eine Phasendifferenz von 90º aufweisen, wodurch die Daten der Bewegungsrichtung des zu messenden Gegenstands erhalten werden. Wenn der zu messende Gegenstand gleichzeitig sowohl in die Richtung A als auch in die Richtungen 8 in Fig. 3 verschoben wird, werden jeweils unterschiedliche Bewegungsdatenarten von den Photodetektionseinrichtungen 9a und 9b erhalten.
Fig. 10 zeigt eine schematische Ansicht des Hauptteils der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform weist im wesentlichen denselben Aufbau wie die in Fig. 3 gezeigte erste Ausführungsform auf, mit der Ausnahme, daß die Beugungsgitter der Übertragungstype anstelle der Beugungsgitter der Reflexionstype verwendet werden, ein Lichtstrahl, der durch die Lichtquelle 1 abgestrahlt ist, senkrecht auf das erste Beugungsgitter einfällt, Beugungslichtkomponenten vorbestimmter Ordnungen auf das zweite Beugungsgitter schräg einfallen usw.
In Fig. 10 fällt ein Lichtstrahl, welcher durch eine Lichtquelle 1 abgestrahlt ist und durch eine Kollimatorlinse 2 geformt ist, senkrecht auf ein erstes Beugungsgitter 5a ein. Das Beugungslicht +1. Ordnung und das Beugungslicht. -1. Ordnung, welche durch das Beugungsgitter 5a gebeugt sind, fallen unter demselben Winkel wie das Beugungslicht 1.. Ordnung jeweils über Spiegel 6a und 6b sowie Spiegel 6c und 6d auf ein zweites Beugungsgitter 5b ein. Das Beugungslicht +1.
Ordnung und das Beugungslicht -1. Ordnung, welche durch das Beugungsgitter 5b gebeugt sind, werden veranlaßt, einander zu überlagern, und werden durch eine Photodetektionseinrichtung 9a und durch eine Photodetektionseinrichtung 9b über Spiegel 7a und 7b sowie einen Halbspiegel 11 detektiert.

(3-1) Bewegung von zwei Beugungsgittern in eine Richtung A in Fig. 10:

Zu diesem Zeitpunkt fällt Licht, welches zweimal + 1.-Ordnung-gebeugt ist, und Licht, welches zweimal -1.-Ordnunggebeugt ist, auf die Photodetektionseinrichtung 9a ein, um einander zu überlagern, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn sich demzufolge die Beugungsgitter um einen Teilungsabstand bewegen, verschieben sich die Phasen der zwei Beugungslichtkomponenten relativ um 8π, wie in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform werden durch Zählen der Anzahl der Interferenzstreifen auf der Grundlage dieser Phasenverschiebung die Verschiebungsdaten der Beugungsgitter detektiert. Da infolge der Bewegung der Beugungsgitter keine Phasendifferenz in dem Licht erzeugt wird, das durch die Photodetektionseinrichtung 9b detektiert ist, stellt ein Signal, das von der Photodetektionseinrichtung 9b erhalten ist, keine Änderung des Interferenzzustands dar, und daher wird kein Bewegungssignal erzeugt.

(3-2) Bewegung der zwei Beugungsgitter in die Richtungen der Pfeile B in Fig. 10:

Wenn sich in mehr spezifischer Weise die zwei Beugungsgitter um eine Drehwelle (nicht gezeigt) drehen, werden Lichtkomponenten, welche durch das Beugungsgitter 5b gebeugt und durch die Spiegel 7a und 7b reflektiert werden, durch den Halbspiegel 11 veranlaßt, einander zu überlagern, und die Photodetektionseinrichtung 9b detektiert Interferenzlicht des Lichts, welches zweimal +1.-Ordnung-gebeugt ist, und des Lichts, welches zweimal -1.-Ordnung-gebeugt ist. Durch Zählen der Anzahl von Interferenzstreifen, die durch Überlagern von zwei Lichtkomponenten ausgebildet sind, des Signals, das von der Photodetektionseinrichtung 9b zu diesem Zeitpunkt erhalten ist, werden die Rotationsdaten der Beugungsgitter detektiert.
Da in diesem Fall keine Phasendifferenz in dem Licht erzeugt ist, das durch die Photodetektionseinrichtung 9a detektiert wird, erzeugt die Photodetektionseinrichtung 9a kein Signal, das mit den Rotationsdaten verbunden ist.
Wenn der erfindungsgemäße Inkrementalgeber, welcher die Bewegungsdaten in zwei Richtungen detektieren kann, auf Beugungsgitter angewendet wird, die auf Abschnitten eines Gehäuses und einem elastischen Element erzeugt sind, wird eine Verdrehung, die durch eine Winkelbeschleunigung des elastischen Elements verursacht ist, als eine Drehung einer Skale detektiert, wodurch die Winkelbeschleunigung detektiert wird. Wenn zu demselben Zeitpunkt eine Biegung des elastischen Elements als eine Verschiebung der Skale detektiert wird, ist eine Beschleunigung detektierbar. Daher können die Beschleunigung und die Winkelbeschleunigung durch ein einzelnes optisches System gleichzeitig gemessen werden.
Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht einer Abwandlung der vorliegenden Erfindung. In jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen fällt ein Lichtstrahl auf ein Gitter ein. Jedoch in dieser Ausführungsform fallen zwei Lichtstrahlen unabhängig ein und werden durch zwei Gitter gebeugt, und die gebeugten Lichtstrahlen werden durch eine Lichtübertragungsvorrichtung gemischt, die durch punktierte Linien in Fig. 11 gekennzeichnet ist, wodurch dieselbe Detektion wie. In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erreicht wird. In Fig. 11 bezeichnet LG die Lichtübertragungsvorrichtung, und HM bezeichnet eine Strahlteilvorrichtung. Es ist darauf hinzuweisen, daß jedes Suffix das positive bzw. negative Vorzeichen der Beugungsordnung bezeichnet. Demnach bezeichnet X von einen Fall, wobei sich ein Gitter, auf das ein Lichtstrahl L&sub2; einstrahlt, in dieselbe Richtung wie ein Gitter bewegt, auf das ein Lichtstrahl L1 einstrahlt (Linearbewegung), und Y stellt einen Fall dar, wobei sich die zwei Gitter in entgegengesetzte Richtungen bewegen (Rotationsbewegung).
Die zwei Lichtstrahlen L&sub1; und L&sub2;, die kohärent sind, fallen in zwei Positionen auf die Gitter ein, die auf einem zu messenden Gegenstand angeordnet sind, wodurch Beugungsliehtkomponenten +m-ter Ordnung und Beugungslichtkomponenten -m-ter Ordnung erhalten werden. Jeweils zwei Lichtstrahlen dieser vier Lichtstrahlen werden veranlaßt, einander zu überlagern, wie in Fig. 11 gezeigt ist, und Detektionssysteme für diese zwei Lichtstrahlen sind wie in den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen angeordnet, wodurch die Rotationsbewegung und die Linearbewegung eines festen Körpers, auf welchem die Gitter angeordnet sind, unabhängig detektiert werden.
Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen, die zu Erläuterungszwecken gewählt wurden, beschrieben worden ist, so sollte klar sein, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen am Erfindungsgegenstand vorgenommen werden können, die jedoch als in den Rahmen der Erfindung fallend anzusehen sind, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Apparat zur Verschiebungsmessung eines Gegenstands (5), der aufweist:

- ein Beugungsgitter (5a, 5b), das auf dem Gegenstand angeordnet ist,

- eine Lichtquellenvorrichtung (1) zum Einstrahlen von kohärentem Licht auf das Beugungsgitter und

- eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von Interferenzlicht, das sich aus einer Interferenz von Lichtstrahlen ergibt, die durch das Beugungsgitter gebeugt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsvorrichtung aufweist:

- eine erste Detektionseinrichtung (9a) zum Detektieren eines Interferenzlichtstrahls, der sich aus einer Interferenz von Beugungslichtstrahlen ergibt, deren Phasen sich bei Linearbewegung (A) des Gegenstands relativ verschieben, und

- eine zweite Detektionseinrichtung (9b) zum Detektieren des Interferenzlichtstrahls, der sich aus einer Interferenz von Beugungslichtstrahlen ergibt, deren Phasen sich bei Rotationsbewegung (B) des Gegenstands relativ verschieben.

2. Apparat gemäß Anspruch 1, wobei der Gegenstand (5) ein Rotationsobjekt mit einer Drehachse (10) ist und das Beugungsgitter (5a, 5b) ein Radialgitter aufweist, welches die Drehachse als einen Mittelpunkt aufweist.

3. Apparat gemäß Anspruch 1, wobei der Gegenstand (5) ein Rotationsobjekt mit einer Drehachse (10) ist und das Beugungsgitter (5a, 5b) ein Lineargitter aufweist, das in einer Ebene rechtwinklig zu der Drehachse angeordnet ist.

4. Apparat gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das Beugungsgitter in ein erstes Beugungsgitter (5a) und ein zweites Beugungsgitter (5b) unterteilt ist, die in zu der Drehachse (10) symmetrischen Positionen angeordnet sind.

5. Apparat gemäß Anspruch 4, wobei

- das kohärente Licht auf das erste Beugungsgitter (5a) und das zweite Beugungsgitter (5b) einstrahlt und

- der Interferenzlichtstrahl, der durch die erste Detektionseinrichtung (9a) detektiert wird, und der Interferenzlichtstrahl, der durch die zweite Detektionseinrichtung (9b) detektiert wird, jeweils aus einer Interferenz eines Lichtstrahls, der durch das erste Beugungsgitter (5a) gebeugt ist, und eines Lichtstrahls, der durch das zweite Beugungsgitter (5b) gebeugt ist, resultieren.

6. Apparat gemäß Anspruch 4, wobei

- das kohärente Licht auf das erste Beugungsgitter (5a) einstrahlt,

- Lichtleitvorrichtungen (6a, 6b; 6a, 5b, 6c, 6d) eine Vielzahl von gebeugten Lichtkomponenten einer vorbestimmten Ordnung, die durch das erste Beugungsgitter (5a) gebeugt sind, zu dem zweiten Beugungsgitter (5b) leiten und

- der Interferenzlichtstrahl, der durch die erste Detektionseinrichtung (9a) detektiert ist, und der Int erferenzlichtstrahl, der durch die zweite Detektionseinrichtung (9b) detektiert ist, jeweils aus einer Interferenz von zwei Lichtstrahlen resultieren, die durch das zweite Beugungsgitter (5b) gebeugt sind.