DE3905838A1

DE3905838A1 - Optischer linearkodierer

Info

Publication number: DE3905838A1
Application number: DE3905838A
Authority: DE
Inventors: Keiji Matsui
Original assignee: Okuma Tekkosho KK; Okuma Machinery Works Ltd
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1988-02-26
Filing date: 1989-02-24
Publication date: 1989-08-31
Anticipated expiration: 2009-02-25
Also published as: US4979827A; DE3905838C2; GB8903956D0; GB2216257A; GB2216257B

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Linearkodierer, der zur Stellungsmessung beispielsweise in einer Werkzeugmaschine oder dergleichen eingesetzt wird. Speziell geht es um einen Stellungsgeber, der mit einem Moir´muster arbeitet, das von einem Satz von Beugungs gittern erzeugt wird.

Derzeitige Längen- oder Entfernungsmeßmethoden bein halten solche, bei denen mit Moir´mustern gearbeitet wird, die von einem Paar Beugungsgittern erzeugt werden. Solche Moir´muster sind für jegliche seitliche Änderungen der Beugungsgitter empfindlich und können Versetzungen oder Verschiebungen in sehr feinen Schritten erfassen. An zwei relativ zueinander be wegten Teilen einer Werkzeugmaschine ist ein Paar Beugungsgitter befestigt, die im folgenden als erstes bzw. zweites Beugungsgitter bezeichnet werden. Während die die Beugungsgitter tragenden Teile der Werkzeug maschine bewegt werden, muß darauf geachtet werden, daß der Abstand, der Spalt oder die Lücke zwischen den beiden Beugungsgittern stets konstant gehalten wird. Während man die Gitterkonstante der beiden Beugungs gitter kleinmacht, um die Auflösung einer Längen messung zu vergrößern, wird der Einfluß des Licht beugungseffekts groß. Deshalb wird ein auf das zweite Beugungsgitter reflektierter Schatten des ersten Beugungsgitters schwach, so daß es unter Umständen nicht mehr möglich ist, Beugungsmuster mit guter Sichtbarkeit zu erhalten. Um derartige Nachteile auszu schließen, wurde ein Fourierbild dazu verwendet, Beugungs-Moir´muster zu erhalten. Ein Fourierbild bedeutet eine Verteilung von dunklen und hellen Ab schnitten aufgrund einer Lichtabschattung. Wenn das erste Gitter von parallelen Lichtstrahlen gleicher Phase oder mit Kohärenz bestrahlt wird, erhält man eine Lichtabschattung oder Lichtverteilung mit der gleichen Gitterkonstanten, wie der des ersten Beugungs gitters, und zwar an Stellen, die sich dadurch be stimmen, daß man mit einer ganzen Zahl den fest stehenden Abstand multipliziert, indem man das zwei fache der zum Quadrat erhobenen Gitterkonstanten P durch die Wellenlänge teilt (an den Mittelpositionen der genannten Stellen, d.h. an Stellen, die sich durch Multiplizieren des erwähnten Abstands mit einer halbierten ganzen Zahl ergeben, erhält man eine Licht abschattung mit der umgekehrten Beziehung von dunklen und hellen Abschnitten).

Wenn das zweite Gitter an der Stelle plaziert wird, an der das Fourierbild erzeugt wird, und die zwei Gitter seitlich und relativ zueinander bewegt werden, zeigt das durch das zweite Gitter gelangende Beugungs licht einen deutlichen Kontrast mit einer Periode P. Diesen Kontrast nennt man ein Beugungsmoir´ (oder im folgenden Beugungsmuster). In jüngster Zeit wurden Untersuchungen vorgenommen, die darauf abzielten, dieses Prinzip bei der Kurzwegmessung zu verwenden, so z.B. bei dem Maskenausrichtschritt im Zuge der Halbleiter fertigung (vergleiche J.Vac.Sci.Technol. 15 (1987), S. 984 und J.V.Vac. Sci. Technol. B1 (1983), S. 1276).

Wenn der zu messende Abstand groß und die Gitter konstante P kleingemacht wird, um die Genauigkeit der Abstandsmessung zu vergrößern, so ist es schwierig, zwei Beugungsgitter an in Längsrichtung getrennten Stellen auf einer Distanz von 2P ²/ λ zu halten, um ein Fourierbild zu erzeugen, da der Abstand sich im Verhältnis zu der quadrierten Gitterkonstanten P abrupt verkürzt. Wenn der Abstand oder der Spalt zwischen den Beugungsgittern sich gegenüber dem Zustand, in welchem ein Fourierbild erzeugt wird, ändert oder verschiebt, ändert sich die Intensität des Beugungs lichts stark, was eine Positionierung der Werkzeug maschinenteile unmöglich macht. Nimmt man z.B. eine Beugungsgitterkonstante P von 1 µm an, während der Lichtstrahl eine Welle von λ=0,633 µm aufweist, so muß eine Änderung des Abstands oder der Lücke G des Beugungsgitters beschränkt werden auf einen ausreichend kleinen Bereich in bezug auf 1,6 µm, was eine Fresnel-Zahl (λ×G)/P²=2 ergibt, dieses Ergebnis erhält man, indem man das Produkt aus Lücken größe G zwischen den Beugungsgittern und der Licht wellenlänge λ dividiert durch die quadrierte Gitterkontante P. Dies ist der Grund dafür, daß Beugungsmuster nicht dazu verwendet werden können, jeden Abstand zwischen zwei Teilen, wie sie üblicher weise in Werkzeugmaschinen verwendet werden, genau zu messen.

Im Hinblick auf die oben gezeigten Umstände wurde von der Anmelderin (JP-OS 61-17 016) ein Stellungsdetektor zum genauen Bestimmen irgendwelcher Stellungen vorge schlagen. Bei diesem Stellungsdetektor wird ein Beugungsmustersignal erhalten, welches nicht beein flußt ist durch eine Änderung der Lücke zwischen dem ersten und dem zweiten Beugungsgitter, und die Anordnung ist empfindlich gegenüber seitlicher Versetzung der Beugungsgitter. Bei diesem Gerät wird an sämtlichen Abschnitten der effektiven gegenüberliegenden Fläche zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter der Licht weg oder der Durchgangsweg der Lücke zwischen den Gittern geändert, so daß ein Signal erhalten wird, welches dem Mittelwert der Beugungsmustersignale ent spricht. Die richtige Stellung wird erfaßt unter Ver wendung der Änderung der Signale derjenigen Periode, die der Periode der halben Gitterkonstante P der Beugungsgitter entspricht, wobei die Änderung in dem Mittelwert zum Ausdruck kommt.

Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils ein Beispiel für einen mit gemitteltem Beugungsmuster arbeitenden Stellungs geber der oben beschriebenen Art. Die Arbeitsweise des Stellungsgebers soll im folgenden für den Fall beschrieben werden, daß ein Beugungslaserstrahl nullter Ordnung verwendet wird.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 wird das erste Gitter 1 von einem Laserstrahl LB auf der linken Bildseite be strahlt. Man beachte, daß das zweite Gitter 2 an der Rückseite des ersten Gitters 1 eine abgestufte transparente Platte 3 aufweist, die an dem zweiten Gitter 2 befestigt ist. Die abgestufte transparente Platte 3 besteht aus einem Material mit hohem Brechungsindex, welches so ausgewählt ist, daß der optische Bereich der Lücke G in einen der Werte von

G _o bis G _o + 2P ²/l

fällt. Die abgestufte transparente Platte 3 erzeugt Lichtweg-Längenunterschiede in jedem Teil des Laser strahls LB. Die abgestufte transparente Platte 3 nach Fig. 1 besitzt fünf Stufen, die den Bereich des optischen Abstands 2P ²/λ in fünf Teile unterteilt. An einer Stelle hinter dem zweiten Gitter 2 befindet sich eine seriell angeordnete Linsengruppe 4, die die durch die unterschiedliche optische Abstände aufweisenden fünf Zonen des zweiten Gitters 2 gelangenden Laserstrahlen konvergiert.

Von den einzelnen Linsen der Linsengruppe 4 jeweils konvergierte Laserstrahlen werden mit Hilfe eines Satzes von Fotodioden erfaßt. Ein Addierer 7, der durch einen Operationsverstärker und zugehörige Schaltungselmente gebildet wird, addiert die von den Fotodioden 5 kommenden Signale, um Versetzungssignale zu erhalten.

Im Fall nach Fig. 2 sind das erste Gitter 1 und das zweite Gitter 2 parallel angeordnet, wobei an dem letztgenannten Gitter 2 eine Zufallslichtwegdifferenz- Platte 9 einstückig angeformt ist. Diese Zufallslicht wegdifferenz-Platte besteht aus einem transparenten Stoff und hat eine konkav-konvexe Oberfläche. Diese konkav-konvexe Oberfläche bestimmt auf Zufallsbasis die verschiedenen Lichtwegabstände jedes Teils des Laserstrahls LB innerhalb des Bereichs von 2P ²/λ. Einzelne Teile des Laserstrahls LB konvergieren durch die Linsengruppe 4 in Richtung der Streuplatte 10. Die Brennpunkte des durch jede Linse der Linsengruppe 4 gelangenden Laserstrahls befinden sich in einer vertikalen Lichtlinie auf der Streuplatte 10. Das heißt: Jeder Teil des fokussierten oder konvergierten Laserstrahls wird aufgrund der Streuplatte 10 zu einem inkohärenten Strahl. Ein von der Streuplatte 10 ge streuter Laserstrahl gelangt durch eine konvexe Linse 11, und ein Photosensor 12, z.B. eine Fotodiode oder der gleichen, stellt den Laserstrahl in der in Fig. 2 angedeuteten Weise fest. Aufgrund der Verwendung der Streuplatte sowie der Tatsache, daß einzelne Laser strahlen durch unterschiedliche Lücken-Distanzen oder unterschiedliche Lichtwegabstände laufen, werden diese Laserstrahlen ohne gegenseitige Beeinflussung gemittelt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine her kömmliche Anordnung. Ein erstes Gitter 1 ist vertikal bezüglich dem auftreffenden Laserstrahl LB angeordnet, während das zweite Gitter 2 schräg zu dem ersten Gitter 1 angeordnet ist. Der Lückenabstand der sich effektiv gegenüberliegenden Flächenbereiche zwischen den beiden Gittern 1 und 2 wird so gesteuert, daß er im Bereich von 2P ²/λ liegt. Also kann nur das Beugungslichtmaximum nullter Ordnung des durch die Gitter 1 und 2 gelangenden Laserstrahls auf einen Photodetektor 13 gelangen und erfaßt werden.

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die der Ansicht nach Fig. 3 ähnelt und einen mit gemitteltem Beugungsmuster arbeitenden Stellungsgeber zeigt, bei dem sekundäres Beugungslicht verwendet wird. Bei dem Stellungsgeber wird die Lücke zwischen den beiden Gittern 1 und 2 so gesteuert, daß Abstände erhalten werden die man durch den Faktor P ²/4 λ erhält. Im Fall der Verwendung des zweiten Beugungsmaximums (Beugungsmaximum oder -streifen zweiter Ordnung) er folgt die im Fall des Beugungslichts nullter Ordnung entstehende Abschattung an der Stelle, die durch den Faktor P ²/4 λ bestimmt wird. Diese Stelle unter scheidet sich von der Stelle, die man bei der Ver wendung des Beugungsmaximus nullter Ordnung erhält. Es empfiehlt sich, die Lücken-Lichtwegentfernungen zu mitteln, die man erhält, indem man den Lücken- Lichtwegabstand von 2P ²/λ, der bei Verwendung des Beugungsmaximus nullter Ordnung zu mitteln ist, in acht Teile unterteilt. Nebenbei bemerkt: Bei Ver wendung des zweiten Beugungsmaximus ist selbst dann, wenn der Bereich 2P ²/λ enthalten ist, der identisch ist mit dem Bereich bei Verwendung des Beugungsmaximums nullter Ordnung, die Bedingung der gemittelten Lücken- Lichtwegentfernung für die Verwendung des Sekundär- Beugungsmaximums erfüllt, da die Breite der Lücke dem Wert P ²/4 λ, multipliziert mit einer ganzen Zahl, entspricht. Es versteht sich, daß, wenn in einem ähnlichen optischen System ein Sekundär-Beugungs maximum (einschließlich Beugungsmaxima anderer Ordnung) verwendet wird, die Möglichkeit besteht, exakt die Stellung zu erfassen, ohne daß eine Änderung der Spaltbreite zwischen erstem und zweitem Gitter irgend einen Einfluß auf das Meßergebnis hat, ähnlich wie bei der Verwendung des Beugungsmaximums nullter Ordnung.

Bei den verschiedenen herkömmlichen Stellungsgebern, die mit gemittelten Beugungsmustern arbeiten, ändert sich die Lichtintensität I in Abhängigkeit der relativen Versetzung X der Beugungsgitter in der in Fig. 5 dargestellten Weise. Es ist möglich, ein Ver setzungs- oder Verschiebungssignal zu erhalten, dessen Periodendauer der Hälfte der Gitterkonstanten P der Beugungsgitter entspricht, ohne daß das Meßergebnis irgendwie beeinflußt ist von einer Änderung der Spaltgröße zwischen erstem und zweitem Gitter. Das Versetzungssignal läßt sich angenähert durch folgende Gleichung beschreiben:

I(x) = A cos (2π 2 x/P) + B (1)

worin
A: Amplitude
B: Versetzungskomponente
bedeutet.

Wenn allerdings irgendeine Differenz zustandekommt zwischen den zu mittelnden Spalt-Lichtwegabständen während eines Montagevorganges und während des Betriebs einerseits und einem weiteren, gerade gemittelten Lichtwegabstand andererseits, oder wenn die Installation fehlerhaft ist, kann das erhaltene Versetzungssignal eine Fehlerkomponente enthalten, die eine Periode der Gitterkonstanten P des Gitters enthält, und/oder Fehler komponenten ungeradzahliger Ordnung. Wenn das Ver setzungssignal eine solche Fehlerkomponente enthält, ist es leider unmöglich, eine präzise Stellungsmessung durchzuführen, da die Wiederholbarkeit oder Repro duzierbarkeit des Versetzungssignals einer Periode P/2 nicht erhalten werden kann.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, den dem herkömmlichen optischen Linearkodierer anhaftenden Nachteil zu beseitigen. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen mit gemitteltem Beugungsmuster ar beitenden Stellungsgeber zu schaffen, der gegenüber relativen seitlichen Versetzungen der Beugungsgitter auch dann empfindlich ist, wenn die Lücke oder der Spalt zwischen den beiden Gittern Änderungen unter worfen ist. Dadurch soll der nachteilige Einfluß be seitigt werden, der durch einen Fehler während der Montage und des Betriebs hervorgerufen wird. Es soll eine exakte Stellungsmessung der Teile, z.B. einer Werkzeugmaschine und einer Struktur, oder dergleichen möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen ange gebene Erfindung gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 bis 4 perspektivische, schematische An sichten von bereits konzipierten Beugungsmusterdetektoren, die mit gemitteltem Beugungsmuster ar beiten,

Fig. 5 den Verlauf einer Ausgangswelle eines herkömmlichen, mit gemittel tem Beugungsmuster arbeitenden Stellungsgebers,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines er findungsgemäßen Stellungsgebers,

Fig. 7 ein Beispiel für ein in dem Stellungsgeber nach Fig. 6 ver wendetes Beugungsgitter,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines er findungsgemäßen Stellungsgebers,

Fig. 9 ein Beispiel für ein in dem Stellungsgeber nach Fig. 8 ver wendetes Beugungsmuster,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines er findungsgemäßen, mit gemitteltem Beugungsmuster arbeitenden Stellungsgebers,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform eines er findungsgemäßen Stellungsgebers,

Fig. 12A-12C Kennliniendiagramme, die die Aus gangswellenformen für das erste und das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen, und

Fig. 13A-13C Ausgangssignalwellenformen für das dritte und das vierte Ausführungs beispiel.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, mit gemitteltem Beugungsmoir´ arbeitenden Stellungs gebers. Ähnliche Teile wie in Fig. 1 sind mit ent sprechenden Bezugszeichen versehen. Auf einer Seite des zweiten Gitters 2 des Stellungsgebers sind gemäß Fig. 7 zwei Gitterabschnitte 2 A und 2 B ausgebildet, die jeweils aus durchlässigen Bereichen (schraffierte Bereiche) und nicht-durchlässigen Bereichen bestehen. Die durch lässigen und die nicht-durchlässigen Bereiche sind wiederholt und abwechselnd mit einer Gitterkonstanten P von einen Mikrometern bis einigen hundert Mikrometern angeordnet. Diese Gitterabschnitte 2 A und 2 B sind in Versetzungsrichtung des zweiten Gitters 2 benachbart und parallel zueinander angeordnet. Die Gitterabschnitte 2 A und 2 B sind in ihrer Phase um P/2 versetzt, so daß, wenn der durchlässige Teil des Gitterabschnitts 2 A dem durchlässigen Teil des ersten Gitters 1 gegenüberliegt, der durchlässige Teil des Gitterabschnitts 2 B dem nicht-durchlässigen Teil des ersten Gitters 1 gegenüber steht.

Mit einem solchen Aufbau ändert sich, wenn das Ver setzungs- oder Verschiebungssignal eine Fehlerkomponente enthält, die Lichtintensität des beispielsweise durch den Gitterabschnitt 2 A gelangenden Laserstrahls, so daß die Form der Welle eines Versetzungssignals I _A(X) sich in der in Fig. 12A dargestellten Weise ändert, was durch die nachstehende Gleichung (2) ausgedrückt wird.

I _A (x) = a cos (2 π x/P) + A cos (2 π · 2 x/P) + B (2)

worin a eine Amplitude der Fehlerkomponente mit der Periode P ist.

Da der Gitterabschnitt 2 B von dem anderen Gitterab schnitt 2 A lediglich um P/2 in der Phase verschoben ist, erhält man als Wellenform für das Versetzungs signal I _B(X) eine Änderung der Lichtintensität des durch den Gitterabschnitt 2 B gelangten Laserstrahls gemäß Fig. 12(B) folgende Beziehung:

I _B (x) = a cos {2 π (x/P - 1/2)} + A cos {2 π (2 x/P -1/2)} + B
= -a cos (2 π x/P) + A cos (2 π · 2 x/P) + B (3)

Deshalb ist es zu bevorzugen, den Gitterabschnitt 2 A identisch mit dem Gitterabschnitt 2 B hinsichtlich der Gitterabschnittsflächen auszugestalten und die Gitter abschnitte so anzuordnen, daß die durch die Gitter abschnitte gelangenden Laserstrahlen gleiche Intensität haben. Die durch die Gitterabschnitte 2 A und 2 B ge langenden Laserstrahlen werden gleichzeitig photo elektrisch umgesetzt. Die einzelnen Lichtintensitäten werden addiert, mit der Folge, daß die Fehlerkomponenten mit einer Periode P einander auslöschen und man dem zufolge ein präzises und korrektes Versetzungssignal mit einer Periode P/2 erhält, wie es in Fig. 12(C) dar gestellt ist.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stellungs gebers, der mit gemittelten Beugungsmustern arbeitet. Der Stellungsgeber hat Ähnlichkeiten mit dem in Fig. 2 dargestellten Stellungsgeber. In den Fig. 2 und 8 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet. Nach Fig. 8 sind zwei Gitterabschnitte 2 C und 2 D an einer Seite des zweiten Gitters 2 des Stellungsgebers ausgebildet. Die Gitterabschnitte 2 C und 2 D bestehen jeweils aus mehreren durchlässigen Abschnitten (schraffiert gezeichnet), die mit einer Gitterkonstanten P von einigen Mikrometern bis einigen hundert Mikro metern angeordnet sind, und mehreren nicht-durch lässigen Abschnitten bestehen, welche die durchlässigen Abschnitte umgeben und abwechselnd mit der Gitter konstanten P angeordnet sind. Diese Gitterabschnitte 2 C und 2 D sind entlang der Richtungen der durchlässigen Abschnitten in der in Fig. 9 dargestellten Weise be nachbart angeordnet. Die Richtungen der durchlässigen Abschnitte stehen senkrecht auf der Versetzungsrichtung des zweiten Gitters 2. Die beiden Gitterabschnitte sind mit einer Verschiebung von P/2 angeordnet. Der Effekt dieser Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels ist dem nach dem ersten Ausführungsbeispiel identisch. Der Grund für die Wirkung dieser Anordnung wurde oben in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel er läutert.

Bei diesen mit gemittelten Beugungsmustern arbeitenden Stellungsgebern nach dem ersten und dem zweiten Aus führungsbeispiel der Erfindung ist es möglich, jegliche Fehlerkomponente mit einer Periode P sowie andere Fehlerkomponenten mit den Perioden P/3, P/5, P/7 usw. aus den Meßergebnissen fernzuhalten.

Man kann den Aufbau dieser Stellungsgeber dadurch ändern, daß man ein einziges photoelektrische Wandler element zum Empfang mehrerer durch einzelne Gitter abschnitte gelaufener Laserstrahlen vorsieht, so daß man durch Addition einen verstärkten Effekt erzielt. Man kann auch eine elektrische Schaltung zum Addieren der Ausgangssignale diskreter photoelektrischer Wandler elemente vorsehen. Im letztgenannten Fall ist es effektiver, eine elektrische Einrichtung zum Steuern des Verhältnisses der zu addierenden Lichtintensitäten zu verwenden (z.B. eine Additionsverhältnis-Steuer einrichtung, die der Addiereinrichtung vorgeschaltet ist). Man kann auch dazu einen optischen Mechanismus verwenden (z.B. bewegliche Abschirmungen, wie sie in Fig. 7 zwischen den einzelnen Gitterabschnitten und der Linsengruppe gezeigt sind). Obschon bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das Beugungs licht, d.h. das Beugungsmaximum nullter Ordnung ver wendet wird, kann man auch andere Beugungsmaxima her nehmen.

Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines mit gemitteltem Beugungs muster arbeitenden Stellungsgebers nach der Erfindung, bei dem ein Sekundär-Beugungsmaximum verwendet wird.

Bei der dritten Ausführungsform befindet sich in senk rechter Anordnung bezüglich eines Laserstrahls LB ein erstes Gitter 21, während ein zweites Gitter 22 schräg gegenüber dem ersten Gitter 21 angeordnet ist. Die durch das erste Gitter 21 und das zweite Gitter 22 gelangten, mehrfach gebeugten Laserstrahlen werden an einer zylindrischen Linse 23, die sich hinter dem zweiten Gitter 22 befindet, gesammelt. Fig. 10 zeigt lediglich das auf der Minus- und der Plus-Seite ge legene Beugungsmaximum zweiter Ordnung L ±2. Die konvergierenden Sekundär-Beugungsmaxima L ₊₂ und L _-2 werden mit Hilfe von photoelektrischen Wandler elementen 24 A und 24 B erfaßt. Die Wandlerelemente setzen das Licht um in elektrische Signale, die proportional zu der Lichtintensität sind. Die elektrischen Signale L ₊₂ und L _-2 werden in dem Addierer 25 addiert, um Versetzungssignale zu erhalten.

Wenn in dem der Plus-Seite zugehörenden Sekundär- Beugungsmaximum L ₊₂ eine Fehlerkomponente mit einer Periode enthalten ist, die der Gitterkonstanten P des Beugungsgitters gleicht, wird bei der dritten Aus führungsform eine Änderung der Lichtintensität des der positiven Seite zugehörenden Sekundär-Beugungs maximums L ₊₂ in Form eines Versetzungssignals L ₊₂ (X) erhalten, wie es in Fig. 3(A) dargestellt ist. Diese Wellenform wird durch folgende Gleichung be schrieben:

I ₊₂ (x) = a cos (2 π x/P) + A cos (2 π · 2 x/P) + B (4)

worin a eine Amplitude einer Fehlerkomponente mit einer Periode P ist.

Demgegenüber besitzt die Änderung der Lichtintensität des der Minus-Seite zugehörigen Sekundär-Beugungs maximums L _-2 die gleiche Fehlerkomponente mit einer Periode, die der Gitterkonstanten P des Beugungsgitters gleicht, und die Phase der Fehlerkomponente ist um P/2 gegenüber der Phase der Fehlerkomponente des auf der Plus-Seite gelegenen Sekundär-Beugungsmaximums L ₂ verschoben. Folglich erhält man eine Änderung der Lichtintensität für das Sekundär-Beugungsmaximum L _-2 auf der Minus-Seite oder ein Versetzungssignal I _-2 (X), wie sie durch die Wellenform in Fig. 13(B) dargestellt ist, und wie sie durch die folgende Gleichung be schrieben wird:

I _-2 (x) = a cos {2 π (x/P - 1/2)} + A cos (2 π · 2 x/P) + B
= -a cos (2 π x/P) + A cos (2 π · 2 x/P) + B (5)

Es ist also möglich, ein korrektes Versetzungssignal zu erhalten, wie es in Fig. 13(C) mit einer Periode P/2 gezeigt ist, nachdem die Fehlerkomponente mit einer der Gitterkonstanten P des Beugungsgitters gleichenden Periode verschoben ist, indem ein elektrisches Signal (Versetzungssignal) I ₊₂ (X), das proportional zur Änderung einer Lichtintensität des positiven Sekundär- Beugungsmaximums L ₊₂ ist, addiert wird auf ein anderes elektrisches Signal (Versetzungssignal) I _-2 (X), welches proportional ist zu einer Änderung der Licht intensität des negativen Sekundär-Beugungsmaximums L _-2.

Fig. 11 zeigt schließlich eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, mit gemitteltem Beugungs muster arbeitenden Stellungsdetektors. Dieser ent spricht dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 in ge wisser Weise, so daß gleiche Teile mit gleichen Bezugs zeichen versehen sind. Bei der vierten Ausführungs form wird das Beugungsmaximum nullter Ordnung sowie das positive und das negative Beugungsmaximum erster Ordnung aus verschiedenen Beugungsmaxima unterschied licher Ordnung gesperrt mit Hilfe einer Abschirmplatte 26, wobei die verbleibenden Beugungsmaxima zweiter Ordnung durch die zylindrische Linse 23 gesammelt werden. Lediglich das positive und negative Sekundär- Beugungsmaximum L ₊₂ werden von einem photoelektrischen Wandlerelement (Photodetektor) 24 C, das sich hinter der Abschirmplatte 26 befindet, erfaßt. Diese Beugungs maxima L ₊₂ werden gleichzeitig in ein elektrisches Signal umgesetzt. Das bedeutet eine Addition zweier elektrischer Signale, wie es oben erwähnt wurde. Dadurch ist der mit dem vierten Ausführungsbeispiel erzielte Effekt ähnlich dem Effekt, der mit den anderen Aus führungsbeispielen erzielt wird.

Obschon bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen unter anderem das positive Sekundär-Beugungsmaximum verwendet wird, ist es ebenfalls möglich, andere Beugungsmaxima der Minus-Seite und der Plus-Seite, jedoch gleicher Größenordnung zu verwenden.

Durch den erfindungsgemäß ausgestalteten Stellungsgeber ist es möglich, exakt die gewünschte Position ohne irgendwelche Fehlerkomponenten anzugeben. Im Vergleich zu den herkömmlichen Stellungsgebern, die die Licht intensitäten von positiven und negativen Beugungs maxima auswerten, vermag der erfindungsgemäße Stellungs geber eine Stellungsmessung durchzuführen, mittels doppelter Lichtintensität des gebeugten Laserstrahls, wobei die Fehlerkomponenten einander auslöschen. Dies gestattet eine Präzisions-Stellungsmessung, wie sie z.B. bei Werkzeugmaschinen benötigt wird.

Claims

1. Mit gemitteltem Beugungsmuster arbeitender Stellungs geber, umfassend:

- ein erstes Beugungsgitter (1; 21),
- ein seitlich in bezug auf das erste Beugungsgitter versetzbares zweites Beugungsgitter (2; 22),
- eine zwischen dem ersten und dem zweiten Beugungs gitter befindliche Einrichtung (3) zum Ändern der Lücken-Lichtweglänge zwischen Teilen der sich effektiv gegenüberliegenden Flächenbereiche der beiden Beugungsgitter in demjenigen Bereich des Lichtdurchgangswegs, der dem zweifachen der Fresnel-Zahl oder deren Produkt mit dem zweifachen einer ganzen Zahl entspricht,
- eine Einrichtung (4, 5, 7; 25) zum Erhalten von Signalen, die den gemittelten Werten von Beugungs mustersignalen in Bezug auf die jeweiligen Teile der sich effektiv gegenüberliegenden Flächenbereiche der zwei Beugungsgitter entsprechen,
- wobei unter Verwendung von Signaländerungen einer der Hälfte der Gitterkonstanten (P) der Beugungs gitter entsprechenden Periode, welche in den ge mittelten Werten zum Ausdruck kommen, seitliche Relativ-Versetzungen der Beugungsgitter genau er faßbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zweiten Beugungsgitter (2) zwei Gitterab schnitte (2 A, 2 B; 2 C, 2 D) ausgebildet sind, die um eine halbe Gitterkonstante verschoben oder versetzt sind.

2. Stellungsgeber nach Anspruch 1, bei dem die zwei Gitterabschnitte (2 A, 2 B) derart angeordnet sind, daß sie sich in Richtung der relativen Versetzung der Beugungsgitter (1, 2) benachbart sind.

3. Stellungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die zwei Gitterabschnitte (2 C, 2 D) senk recht zur Versetzungrichtung der Beugungsgitter (1, 2) benachbart angeordnet sind.

4. Stellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erhalten von Signalen entsprechend den gemittelten Werten von Beugungsmuster signalen aufweist:
einen Addierer (7; 25), der die Intensitäten von Licht addiert, das durch die beiden Gitterabschnitte gelangt, oder elektrische Signale addiert, die proportional zu den Lichtintensitäten des durch die zwei Gitterab schnitte gelangenden Lichts sind.

5. Stellungsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Addierer derart ausgebildet ist, daß er die durch die zwei Gitterabschnitte gelangenden Lichtstrahlen photoelektrisch umsetzt.

6. Stellungsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Addierer derart ausgebildet ist, daß er die durch die zwei Gitterabschnitte gelangenden Lichtstrahlen elektrisch addiert, nachdem die Licht strahlen individuell photoelektrisch umgesetzt worden sind.

7. Stellungsgeber nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, die das Verhältnis zwischen den Intensitäten des durch die zwei Gitterab schnitte gelangenden Lichts steuert.

8. Mit gemitteltem Beugungsmuster arbeitender Stellungsgeber, umfassend:

- ein erstes Beugungsgitter,
- ein seitlich in bezug auf das erste Beugungsgitter versetzbares zweites Beugungsgitter,
- eine zwischen dem ersten und dem zweiten Beugungs gitter befindliche Einrichtung zum Ändern der Lücken-Lichtweglänge zwischen Teilen der sich effektiv gegenüberliegenden Flächenbereich der beiden Beugungsgitter in demjenigen Bereich des Lichtdurchgangswegs, der dem zweifachen der Fresnel- Zahl oder deren Produkt mit einem zweifachen einer ganzen Zahl entspricht,
- eine Einrichtung zum Erhalten von Signalen, die den gemittelten Werten von Beugungsmustersignalen in Bezug auf die jeweiligen Teile der sich effektiv gegenüberliegenden Flächenbereich der zwei Beugungsmuster entsprechen,
- wobei unter Verwendung von Signaländerungen einer der Hälfte der Gitterkonstanten der Beugungsmuster entsprechenden Periode, welche in den gemittelten Werten zum Ausdruck kommen, seitliche und relative Versetzungen der Beugungsgitter mit hoher Genauig keit erfaßbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erhalten von Signalen entsprechend den gemittelten Werten von Beugungsmustersignalen aus einem Addierer (7) besteht, der die jeweiligen Intensitäten der einzelnen Licht strahlen der positiven und negativen Beugungsspektren gleicher Ordnung dieser Lichtstrahlen addiert, wobei diese Lichtstrahlen beim Durchlaufen der beiden Beugungsgitter zu Beugungsspektren mehrerer Ordnungen gebildet werden, oder der elektrische Signale addiert, die proportional sind zu den jeweiligen Intensitäten der positiven und negativen Beugungslichtmaxima gleicher Ordnung.

9. Stellungsgeber nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Addierer derart ausgebildet ist, daß er das positive und negative Beugungslicht gleicher Ordnung photoelektrisch umsetzt.

10. Stellungsgeber nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Addierer derart ausgebildet ist, daß er das Beugungslicht mit positivem und negativem Vorzeichen der gleichen Größenordnung elektrisch addiert, nachdem die Beugungslichtmaxima individuell photoelektrisch umgesetzt wurden.