DE69422566T2

DE69422566T2 - Optischer Lageänderungssensor

Info

Publication number: DE69422566T2
Application number: DE69422566T
Authority: DE
Inventors: Koh Ishizuka; Yasushi Kaneda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1994-09-28
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2014-09-29
Also published as: US5621527A; JP3028716B2; JPH0798207A; EP0645608A1; DE69422566D1; EP0645608B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen optischen Lageänderungssensor zum hochgenauen Erfassen einer physikalischen Menge, wie z. B. der Bewegungsmenge oder der Lageänderungsmenge eines Objekts, durch die Ausnutzung der Tatsache, daß interferierende Lichtstrahlen durch Beugung moduliert werden und Interferenz auftritt, wenn Licht auf das Objekt einwirkt.

Bemerkungen zum Stand der Technik

Optische Lageänderungssensoren dieser Type gemäß dem Stand der Technik weisen optische Kodiereinrichtungen, Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen, Laserinterferometer usw. auf, und diese sind hochgenau und weisen ein hohes Auflösungsvermögen auf, doch um sie in einem breiteren Anwendungsfeld einsetzen zu können, wird von diesen eine kompakte Ausführung (mit Abmessungen im Millimeterbereich), eine höhere Genauigkeit, ein höheres Auflösungsvermögen (in der Größenordnung von 0,1 um) und eine hohe Stabilität erwartet. Ein Sensor in Millimetergröße könnte zur Verwendung an einem zu messenden Objekt unmittelbar angeordnet werden und könnte daher auch in einem kompakten Gerät verwendet werden, aber es kann durchaus sein, daß ein Anordnungsfehler verursacht wird, und somit wird es notwendig, dies zu verhindern.
Im Stand der Technik sind auf dem Gebiet eines solchen Erfassungsgeräts, das Licht anwendet, folgende hinsichtlich der Miniaturisierung wirkungsvoll.
Fig. 1A und Fig. 1B der beigefügten Zeichnungen zeigen Darstellungen einer optischen Kodiereinrichtung, die in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 1-180615 beschrieben ist. Ein Lichtstrahl, der sich von einem Lichtabstrahlelement 42 ausbreitet, tritt durch eine Blende 46A in einer Grundplatte 46, wird durch eine Schlitzanordnung 14 in eine linienförmige Strahlanordnung umgewandelt und wirkt auf ein Gitter auf einem Maßstab 40 ein, wobei das Gitter des Maßstabs 40 durch einen Lichtstrahl auf einen Gittermaßstab 16 projiziert wird, der von dem Unterteil 12 des Maßstabs 40 reflektiert wird, und die Lichtmenge, die in ein Lichtaufnahmeelement 48 auf der Grundplatte 46 eintritt, wird durch die geometrische Überlagerung der zwei moduliert. Dies ist das Prinzip dieser optischen Kodiereinrichtung. Gemäß diesem Prinzip ist die Verkleinerung möglich, doch das Auflösungsvermögen ist begrenzt.
Fig. 2A und Fig. 2B der beigefügten Zeichnungen zeigen Darstellungen einer optischen Kodiereinrichtung, die in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 62-121314 beschrieben ist, und diese Kodiereinrichtung ist ein wirkungsvolles Beispiel eines verbesserten Aufbaus zur Verkleinerung des optischen Grundsystems (Britische Offenlegungsschrift Nr. 1 474 049) einer Kodiereinrichtung, die drei Beugungsgitter verwendet. Ein Lichtstrahl, der sich aus einem Lichtabstrahlelement 51 ausbreitet, wird durch eine Linse 52 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und wird gebeugt, wenn er auf ein Gitter GK(A) auf einem Gittermaßstab A einwirkt, und erzeugt Lichtstrahlen in drei Austrittsrichtungen.
Jeder Lichtstrahl wird durch ein Gitter GK(B) auf einem Maßstab B gebeugt, wird durch die Relativbewegung der Phasenmodulation unterzogen und wird zu dem Gitter GK(A) auf dem Gittermaßstab A zurückgeführt, und drei Sätze der Interferenzlichtstrahlen werden durch die Beugung durch den Gittermaßstab veranlaßt, in Lichtaufnahmeelemente einzutreten, die in unterschiedlichen Azimuten angeordnet sind. Durch diesen Aufbau sind die Kompaktheit und das hohe Auflösungsvermögen vereinbar ausgelegt.
Fig. 3 der beigefügten Zeichnungen zeigt Darstellungen einer optischen Kodiereinrichtung, die in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 3-27812 beschrieben ist, und diese Kodiereinrichtung ist ein Beispiel, welches wirkungsvoll ist, um gleichzeitig eine hohe Genauigkeit, Einfachheit und Kompaktheit zu erreichen. In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen 61 ein Lichtabstrahlelement, das Bezugszeichen 62 bezeichnet eine Linse, die Bezugszeichen 63, 631a, 631b und 64 bezeichnen Beugungsgitter, und die Bezugszeichen 65a und 65b bezeichnen Lichtaufnahmeelemente. Der Buchstabe L bezeichnet einen einfallenden Lichtstrahl, und die mit L() bezeichneten Lichtstrahlen sind Beugungslichtstrahlen. Die Bezugszeichen 1a und 1b bezeichnen die Interferenzlichtstrahlen der gebeugten Lichtstrahlen, die schließlich aus den Beugungsgittern 631a und 631b austreten. Diese Interferenzlichtstrahlen werden jeweils durch die Lichtaufnahmeelemente 65a und 65b erfaßt, wobei die relative Lageänderung zwischen den Beugungsgittern erfaßbar ist.
Die Kodiereinrichtungen gemäß dem Stand der Technik als optische Lageänderungssensoren sind alle kompakt ausgebildet und weisen eine hohe Genauigkeit auf, doch sie zeigen als Nachteil die folgenden Probleme.
(1) Das Licht, das von dem Lichtabstrahlelement abgestrahlt ist, wird in zwei oder mehr Lichtstrahlen waagerecht geteilt, und deren Interferenzlichtstrahlen werden durch das photoelektrische Element aufgenommen. Somit ist es schwierig, alle Interferenzzustände der Interferenzlichtstrahlen einzustellen. Daher sind die zwischen unterschiedlichen Interferenzbereichen erhaltene Amplitude und der Phasenunterschied nicht stabil.
(2) Die Lichtstrahlen, die in ein und denselben Interferenzlichtstrahl geteilt sind, neigen infolge des Einflusses eines Anordnungsfehlers zu Schwankungen ihres Interferenzzustands, da das Auflösungsvermögen des Hauptkörpers weiter erhöht ist, und der von jeder Phase ausgegebene Phasenunterschied wird instabil. Solange ein solcher Aufbau Anwendung findet, ist es praktisch schwierig, einen Lageänderungssensor mit hohem Auflösungsvermögen aufzubauen.
Das Dokument DE-A-39 05 838 beschreibt eine optische Linearlageänderungs-Kodiereinrichtung, wobei sich unterschiedliche Längen des optischen Pfads, die sich um das erforderliche Gitterteilventil ausbreiten, vorgesehen sind. Eine Zylinderlinse ist zwischen Photoerfassungseinrichtungen und einem zweiten Gitter in Gegenüberlage eines ersten Gitters angeordnet. Die optische Einrichtung in der Form der Zylinderlinse weist eine optische Brechkraft in einer Richtung rechtwinklig zu den Gitterlinien der Beugungsgitter des ersten und des zweiten Gitters auf.
Das Dokument "Optic", Juli 1990, Seiten 47 bis 52 betrifft eine optische Lageänderungs-Meßeinrichtung, die Phasen-Nur- Beugungsretikel als Beugungselemente aufweist. Die Photokodiereinrichtung der Vorrichtung weist zwei Zylinderlinsen mit einer optischen Brechkraft in einer Richtung parallel zu den Gitterlinien der Beugungsgitter auf.
Weiterhin offenbart das Dokument US-A-4 829 342 ein Gerät zur Erfassung der Bewegungsrichtung, d. h. zum Erfassen eines linearen oder Drehzustands eines Objekts. Zum Ausrichten von Lichtstrahlen auf ein spezielles Radialgitter weist die Einrichtung eine Zylinderlinse auf, deren optische Brechkraft in einer Richtung parallel zu den Gitterlinien der Beugungsgitter ist, die auf dem drehbar angeordneten Gitter angeordnet sind. Die Zylinderlinse ist angeordnet, um den Lichtstrahl in eine Richtung rechtwinklig zu der Radialrichtung des Radialgitters zu leiten. Dies dient dazu, einen Teilungsfehler des lichtübertragenden und lichtreflektierenden Musters auf dem Radialgitter zu verringern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten und dem Stand der Technik eigenen Probleme zu lösen und einen optischen Lageänderungssensor mit hohem Auf lösungsvermögen aufzuzeigen, welcher gegen Schwankungen im Interferenzzustand beständig ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Gerät zum Messen der Daten der relativen Lageänderung zwischen diesem und einer Maßstabeinrichtung gemäß den beigefügten Ansprüchen gelöst.
Andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung einiger Ausführungsformen der Erfindung deutlich.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A und Fig. 1B zeigen Darstellungen einer optischen Kodiereinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2A und Fig. 2B zeigen Darstellungen einer anderen optischen Kodiereinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3 zeigt eine Darstellung einer noch anderen optischen Kodiereinrichtung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 4 zeigt die Richtung eines Azimutwinkels,
Fig. 5 zeigt einen Zustand, in welchem infolge des Anordnungsfehlers der Azimutwinkel eines Kopfabschnitts und eines Maßstababschnitts Interferenzstreifen erzeugt werden,
Fig. 6 zeigt die Richtung eines Drehwinkels,
Fig. 7 zeigt einen Zustand, in welchem infolge des Anordnungsfehlers der Drehwinkel des Kopfabschnitts und des Maßstababschnitts Interferenzstreifen erzeugt werden,
Fig. 8A und Fig. 8B zeigen den Unterschied in der Interferenz zwischen einer parallelen Welle und einer Kugelwelle,
Fig. 9A und Fig. 9B zeigen die Beziehung (der Wellenlänge/der Teilung eines Gitters) zwischen dem Winkelunterschied zwischen interferierenden zwei Lichtstrahlen und dem Azimutwinkel, wenn der Kopfabschnitt und der Maßstababschnitt zum Anordnungsfehler des Azimutwinkels Anlaß geben,
Fig. 10A und Fig. 10B zeigen die Beziehung (der Wellenlänge/der Teilung des Gitters) zwischen dem Winkelunterschied zwischen interferierenden zwei Lichtstrahlen und dem Azimutwinkel, wenn der Kopfabschnitt und der Maßstababschnitt zum Anordnungsfehler des Drehwinkels Anlaß geben,
Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 1 eines optischen Lageänderungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 12A und Fig. 12B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in Ausführungsform 1,
Fig. 13A und Fig. 13B zeigen die Beziehung (der Wellenlänge/der Teilung des Gitters) zwischen der Kreuzungsposition der interferierenden zwei Lichtstrahlen und dem Azimutwinkel, wenn der Kopfabschnitt und der Maßstababschnitt Anlaß zu dem Anordnungsfehler des Azimutwinkels geben,
Fig. 14A und Fig. 14B zeigen die Beziehung (der Wellenlänge/der Teilung des Gitters) zwischen der Kreuzungsposition der interferierenden zwei Lichtstrahlen und dem Azimutwinkel, wenn der Kopfabschnitt und der Maßstababschnitt Anlaß zu dem Anordnungsfehler des Drehwinkels geben,
Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 2 des erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors,
Fig. 16A und Fig. 16B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in Ausführungsform 2,
Fig. 17 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 3 des erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors,
Fig. 18A und Fig. 18B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in Ausführungsform 3,
Fig. 19 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 4 des erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors,
Fig. 20A und Fig. 20B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in Ausführungsform 4,
Fig. 21 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 5 des erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors,
Fig. 22A und Fig. 22B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in Ausführungsform 5.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es erfolgt zunächst die Beschreibung eines Verfahrens, welches die Voraussetzung für die vorliegende Erfindung ist.
Nachstehend werden die Schwankungen des Interferenzzustands durch den Anordnungsfehler eines Kopfabschnitts 100 beschrieben, der mit einer Lichtprojektionseinrichtung (ein Lichtabstrahlelement und ein Beugungsgitter G1) und einer Lichtaufnahmeeinrichtung (ein Beugungsgitter G3 und ein Lichtaufnahmeelement) und einem Maßstababschnitt 101 mit einem Beugungsgitter G2 ausgestattet ist, wenn drei Beugungsgitter wie in der in Fig. 3 gezeigten optischen Kodiereinrichtung gemäß dem Stand der Technik verwendet werden. Lichtstrahlen breiten sich in der Pfeilrichtung entlang den optischen Pfaden aus, die durch strichpunktierte Linien gekennzeichnet sind, werden vereinigt und interferieren mit einander durch Beugungsgitter 63 und werden durch das Lichtaufnahmeelement erfaßt.
Wenn ein Anordnungsfehler um die z-Achse in dem in Fig. 4 gezeigten Aufbau auftritt, werden Interferenzstreifen auf dem Lichtaufnahmeelement erzeugt, wie in Fig. 5 gezeigt, und wenn ferner ein Anordnungsfehler um die y-Achse auftritt, wie in Fig. 6 gezeigt, werden in Fig. 7 gezeigte Interferenzstreifen erzeugt. Nachstehend wird der Drehwinkel des Anordnungsfehlers, wie in Fig. 4 gezeigt, als "Azimutwinkel (η)" bezeichnet, und der Drehwinkel des Anordnungsfehlers, wie in Fig. 6 gezeigt, wird als "Drehwinkel φ" bezeichnet.
Es ist bekannt, daß bei der Interferenz zwischen zwei Lichtstrahlen, wie in Fig. 8A und Fig. 8B gezeigt, wenn die zwei Lichtstrahlen Planwellen sind (parallele Lichtstrahlen) oder Kugelwellen mit einem sehr großen Krümmungsradius, der Fleck P der Interferenzstreifen durch den Winkel θ zwischen den Hauptstrahlen der zwei Lichtstrahlen und der Wellenlänge λ der Strahlen bestimmt ist, und die Beziehung zwischen diesen ist
P = λ/(2Sin[θ/2]).
Auch in dem Fall, wenn die interferierenden zwei Lichtstrahlen Kugelwellen mit keinem großen Krümmungsradius sind, wird der Fleck P der Interferenzstreifen durch die Abstände von den Verdichtungspunkten (A und B) der zwei Lichtstrahlen zu dem Sensor (Beobachtungsoberfläche) verändert, unabhängig von dem Winkel θ zwischen den Hauptstrahlen der interferierenden zwei Lichtstrahlen und hängt von den optischen Pfadlängen l1 und l2 von den Verdichtungspunkten (A und B) der zwei Lichtstrahlen und der Wellenlänge λ der Lichtstrahlen ab. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Differenz Δl (Δl = l1-l2) zwischen den optischen Pfadlängen l1 und l2 ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist, verstärken die Lichtstrahlen einander (werden hell) auf der Oberfläche des Sensors, und wenn die Differenz Δ1 ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge plus einer halben Wellenlänge ist, schwächen sich die Lichtstrahlen einander (werden dunkel). In dem Fall, wie er in Fig. 8A und Fig. 8B gezeigt ist, ist Δl = 0 in einem Punkt P1 auf der Oberfläche des Sensors und ist λ in einem Punkt P2 auf der Oberfläche des Sensors.
Wenn der Abstand zwischen ihnen der Abstand P der Interferenzstreifen ist, besteht die Beziehung zwischen den optischen Pfadlängen l1, l2 und der Wellenlänge λ
P = λ (l2 + l1)/2Δx.
Der Winkelunterschied zwischen den interferierenden zwei Lichtstrahlen wird so, wie in Fig. 9A und Fig. 9B gezeigt ist, infolge des Anordnungsfehlers des Azimutwinkels der Fig. 4, und der Winkelunterschied zwischen den interferierenden zwei Lichtstrahlen wird so, wie in Fig. 10A und Fig. 10B gezeigt ist, infolge des Anordnungsfehlers des Drehwinkels in Fig. 6. Wenn parallele Lichtstrahlen verwendet werden, ist der Winkelunterschied zwischen den interferierenden zwei Lichtstrahlen gering (1/100 oder weniger des Anordnungsfehlerwinkels) in bezug auf den Anordnungsfehler des Drehwinkels in Fig. 6, doch der Winkelunterschied zwischen den interferierenden zwei Lichtstrahlen wird so, wie in Fig. 9A und Fig. 9B gezeigt ist, infolge des Anordnungsfehlers des Azimutwinkels in Fig. 4, und der Interferenzzustand wird instabil. Wenn z. B. die Periode des Beugungsgitters 1,6 um beträgt, die Wellenlänge des Lichts 0,78 um ist und der Sensor eine Größe von 1 mm · 1 mm hat sowie der Azimutwinkel in der Größenordnung von 40 Sekunden ist, wird der Winkelunterschied zwischen den zwei Lichtstrahlen in derselben Größe von 40 Sekunden ausgebildet (Fig. 9B) und die Ausgabe vermindert sich um 10%.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung einiger Ausführungsformen im Hinblick auf das vorstehend beschriebene Verfahren.

[Ausführungsform 1]

Fig. 11 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 1 eines erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors, und Fig. 12A und Fig. 12B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht. In Fig. 11, 12A und 12B bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Lichtabstrahlelement, das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Lichtaufnahmeelement, das Bezugszeichen G1 bezeichnet ein erstes Beugungsgitter zum Teilen eines divergenten Lichtstrahls, das Bezugszeichen G2 bezeichnet ein zweites Beugungsgitter, welches ein Maßstab zur Phasenmodulation der geteilten Lichtstrahlen ist, das Bezugszeichen G3 bezeichnet ein drittes Beugungsgitter zum Vereinigen der Lichtstrahlen, und das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Zylinderlinse zum Kondensieren der Lichtstrahlen nur in der Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters G1.
Ein Kopfabschnitt 100, der das Lichtabstrahlelement 3 sowie das erste Beugungsgitter G1 und das dritte Beugungsgitter G3 aufweist, bildet die Lichtprojektionseinrichtung, und ein Maßstababschnitt 101 mit dem zweiten Beugungsgitter G2 bildet die Modulationseinrichtung aus. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Aufnehmen eines Signals von dem Lichtaufnahmeelement 3 und zum Erfassen der Lageänderungsdaten, wie z. B. der relativen Lageänderungsmenge der Lichtprojektionseinrichtung 100 und des Maßstababschnitts 101.
Das Prinzip der Ausführungsform 1 wird nachstehend beschrieben. Ein divergenter Lichtstrahl, der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, wird in einen solchen Wellenoberflächenzustand umgewandelt, daß in der Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters G1 es durch die Zylinderlinse 4 in konvergiertes Licht geformt wird und in die Richtung der Gitteranordnung des ersten Beugungsgitters G1 gerichtet wird, zum divergenten Licht von der Lichtquelle wird, in einem Punkt O1 auf dem ersten Beugungsgitter G1 übertragen und gebeugt wird und in Beugungslicht R0 nullter Ordnung, Beugungslicht R+1 +1. Ordnung und Beugungslicht R-1 -1. Ordnung geteilt wird, und nur das Beugungslicht R0 nullter Ordnung und das Beugungslicht R+1 +1. Ordnung werden verwendet.
Der Lichtstrahl R0, welcher das erste Beschleunigungsgitter G1 geradlinig durchlaufen hat, wird in einem Punkt P1 auf dem zweiten Beschleunigungsgitter G2 reflektiert und gebeugt und in Beugungslicht R0+1 +1. Ordnung und Beugungslicht R0-1 -1. Ordnung geteilt, welche phasenmoduliert werden, und von diesen wird nur das Beugungslicht R0-1 +1. Ordnung verwendet, und die Phase des Beugungslichts R0+1 +1. Ordnung verschiebt sich um +2πΔx/P, wenn Δx die Bewegungsmenge des zweiten Beugungsgitters G2 und P die Teilung des zweiten Beugungsgitters G2 sind.
Das Beugungslicht R0+1 +1. Ordnung wird einmal in einer Position C in der Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters G1 kondensiert, wird durch das dritte Beugungsgitter G3 übertragen und gebeugt und wird in Beugungslicht R0+10 nullter Ordnung, Beugungslicht R0+1-1 -1. Ordnung und andere Lichtstrahlen geteilt, von denen das Beugungslicht R0+1-1 -1. Ordnung rechtwinklig zu der Oberfläche des Beugungsgitters ausgegeben wird, und die Phase der Wellenoberfläche beträgt +2πΔx/P.
Der Lichtstrahl R+1, welcher durch das erste Beugungsgitter G1 +1. Ordnung-gebeugt worden ist, wird einmal in der Position C in der Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters G1 kondensiert, wird in einem Punkt P2 auf dem zweiten Beugungsgitter G2 gebeugt und wird in Beugungslicht R+1- 1 -1. Ordnung, Beugungslicht R+10 nullter Ordnung und andere Lichtstrahlen geteilt, welche phasenmoduliert werden, und von diesen wird nur das Beugungslicht R+1-1 -1. Ordnung verwendet, das von dem zweiten Beugungsgitter G2 rechtwinklig ausgegeben wird. Die Phase des Beugungslicht R+1-1 -1. Ordnung verschiebt sich um -2πΔx/P, und dieses Beugungslicht tritt in das dritte Beugungsgitter G3 ein, und die Phase der Wellenoberfläche des Beugungslichts R+1-10, welches geradlinig hindurchgetreten ist, beträgt -2πΔx/P.
Der Lichtstrahl R+1-10 und der Lichtstrahl R0+1-1, deren optische Pfade durch das dritte Beugungsgitter G3 einander überdecken, werden zu Interferenzlicht, das in das Lichtaufnahmeelement 3 eintritt. Die Interferenzphase zu diesem Zeitpunkt beträgt
{+2πΔx/P} - {-2πΔx/P} = 4πΔx/P,
und wenn sich das zweite Beugungsgitter G2, welches ein Maßstab ist, um P/2-Teilung in der Richtung der Anordnung des Gitters verschiebt, wird ein Hell-Dunkel-Signal einer Periode erzeugt. Das Hell-Dunkel-Signal wird durch das Lichtaufnahmeelement 3 erfaßt, und die Lageänderungsdaten werden in der Signalverarbeitungseinrichtung 31 erzeugt. Dieser Verarbeitungsschritt ist gut bekannt und dessen Beschreibung ist an dieser Stelle nicht notwendig.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung der Beziehungen zwischen den Anordnungsfehlerwinkeln φ, η, des Winkelunterschieds θ zwischen zwei interferierenden Lichtstrahlen und der Wellenlänge λ des Lichts/der Teilung P des Beugungsgitters.
Wenn in Fig. 11 der Vektor eines Strahls, der durch die Linse 4 übertragen ist und in das erste Beugungsgitter G1 rechtwinklig dazu eintritt, des Lichts, das von der Lichtabstrahlquelle abgestrahlt ist, u0 (u0x, u0y, u0z) ist und m die Beugungsordnungszahl darstellt, ist bekannt, daß der Richtungsvektor u1 (u1x, u1y, u1z) des Lichts m-ter Ordnung, das durch das erste Beugungsgitter G1 übertragen und gebeugt ist, die folgenden Beziehungen erfüllt (Px und Py sind die Teilungen des Gitters jeweils in der x- und der y-Richtung, und das Gitter liegt in der x-y-Ebene vor):
1) u1x = u0x + mλ/Px
u1y = u0y + mλ/Py
u0x² + u0y² + u0z² = 1
u1x² + u1y² + u1z² = 1.
Die Beziehung mit dem Winkelunterschied θ zwischen den zwei Lichtstrahlen R+1-1 und R0+1-1, die durch das dritte Beugungsgitter G3 übertragen und gebeugt werden und miteinander interferieren, auf der Grundlage der vorstehend erwähnten Beziehung, ist wie folgt:
(Hier ist λ/P = s)
θ = Cos-1((2s)²(Cosη-1)+1]
θ = -φ-Sin-1{s+Sin[φ-Sin-1(s)]} + Sin-1{s+Sin[φ-Sin-1(s-Sinφ)]},
wenn hier θ und φ sehr kleine Winkel sind und die Annäherung bis zu der zweiten Ordnung erfolgt,
2) θ = 2sη (η: Azimutwinkel)
3) θ = sφ²/[(1-s2)1/2] (φ: Drehwinkel).
Wenn der Azimutwinkel η in Fig. 4 gegeben ist, wird der Winkel θ zwischen den zwei interferierenden Lichtstrahlen R+1- 10 und R0+1-1 in der y-z-Ebene der Fig. 11 (siehe Fig. 5) und wenn der Drehwinkel φ in Fig. 6 gegeben ist, wird der Winkelunterschied θ in der x-z-Ebene in Fig. 11 (siehe Fig. 7) erzeugt. Diese Beziehung ist in Fig. 9A und Fig. 10A gezeigt, und wenn λ = 0,78 um und P = 1,6 um sind, wird die Beziehung derart, wie in Fig. 9B und Fig. 10B gezeigt ist.
Wenn dann das zweite Beugungsgitter G2 Anlaß zu einem Anordnungsfehler gegeben hat, wird die Schnittposition C der interferierenden zwei Lichtstrahlen R+1-10 und R0+1-1, wenn vom Sensor aus betrachtet, ermittelt. Wird unter Verwendung der vorstehend erwähnten Beziehungen 1) bis 3) die Länge L2 des optischen Pfads (siehe Fig. 12A und Fig. 12B) von dem zweiten Beugungsgitter G2 zu dem dritten Beugungsgitter G3 als eine Längeneinheit berechnet, ist die Schnittposition C, wenn das zweite Beugungsgitter G2 den Azimutwinkel η der Fig. 4 so, wie in Fig. 13A gezeigt, und wenn das zweite Beu gungsgitter G2 den Drehwinkel φ der Fig. 6 aufnimmt, ist die Schnittposition C so, wie in Fig. 14A gezeigt. Die Zeichen der Schnittposition C sind derart, daß mit dem dritten Beugungsgitter G3 als der Ursprung, die Richtung des Sensors als Minus definiert ist und die Richtung des zweiten Beugungsgitters G2 als Plus definiert ist.
Das heißt, wenn das zweite Beugungsgitter G2 den Azimutwinkel η erzeugt, die zwei interferierenden Lichtstrahlen in der Richtung der Gitterlinien des dritten Beugungsgitters G3 geteilt werden, und wenn die zwei interferierenden Lichtstrahlen von der Oberfläche des Sensors zu dem dritten Beugungsgitter G3 betrachtet werden, sie nahe dem zweiten Beugungsgitter G2 einander schneiden. Diese Schnittposition C ist eine Position entsprechend (L1 + L2)/2 (L1 ist der Unterschied der Länge des optischen Pfads von dem ersten Beugungsgitter G1 zu dem zweiten Beugungsgitter G2).
Wenn das dritte Beugungsgitter G3 den Drehwinkel φ erzeugt, werden die interferierenden zwei Lichtstrahlen in der Richtung der Gitteranordnung des dritten Beugungsgitters G3 geteilt, und wenn die zwei interferierenden Lichtstrahlen zu der Richtung entgegengesetzt zu der Richtung betrachtet werden, in welcher das dritte Beugungsgitter G3 liegt, wenn von der Oberfläche des Sensors aus betrachtet, erscheinen sie, als ob sie sich in einem sehr fernen Punkt schneiden würden. Wenn P = 1,6 um und λ = 0,78 um betragen, ist die Schnittposition C der zwei interferierenden Lichtstrahlen derart, wie in Fig. 13B und Fig. 14B gezeigt ist.
Um den Interferenzzustand der zwei Lichtstrahlen zu stabilisieren, erfolgt die Gestaltung derart, daß die zwei Lichtstrahlen nahe dem zweiten Beugungsgitter G2 in der Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters G1 verdichtet sind (diese Verdichtungsposition wird gleich der in Fig. 11 gezeigten Schnittposition C ausgebildet, d. h., die Position von L3 = (L1 + L2)/2), und in bezug auf die Richtung der Gitteranordnung des ersten Beugungsgitters G1 werden sie parallele Lichtstrahlen (Planwelle) oder eine Kugelwelle mit einem sehr großen Krümmungsradius (in diesem Fall das divergente Licht von dem Lichtabstrahlelement).
Wie aus Fig. 10A und Fig. 10B deutlich wird, ist selbst dann, wenn der Drehwinkel φ dem zweiten Beugungsgitter G2 erteilt wird, der Winkelunterschied θ zwischen den zwei interferierenden Lichtstrahlen klein, doch die zwei Lichtstrahlen werden voneinander getrennt. Wenn daher in dieser Richtung die zwei Lichtstrahlen zu einer Kugelwelle werden, die einen kleinen Krümmungsradius aufweist, besteht die Neigung zur Zunahme der Interferenzstreifen und der Interferenzzustand wird instabil, doch wenn die zwei Lichtstrahlen eine Kugelwelle sind, die einen sehr großen Krümmungsradius aufweist (eine Kugelwelle mit einem so großen Krümmungsradius, daß sie als eine Planwelle angesehen werden kann), wird der Winkelunterschied θ zwischen den zwei Lichtstrahlen nicht sehr groß, und daher neigen die Interferenzstreifen nicht zur Zunahme und der Interferenzzustand wird stabil.
In bezug auf die Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters G1, wie aus Fig. 13A und Fig. 13B deutlich wird, ist die Schnittposition C der zwei Lichtstrahlen in dem Bereich von λ/P < 0,8 im wesentlichen gleichbleibend, unabhängig vom Azimutwinkel η, doch aus Fig. 9A und Fig. 9B wird deutlich, daß der Winkelunterschied θ zwischen den zwei interferierenden Lichtstrahlen, wenn sie den Azimutwinkel η aufweisen, proportional dazu eingestellt wird.
Dies entspricht der Tatsache, daß in dem Fall, wenn die Richtung der Vereinigung des von der Lichtabstrahlguelle abgestrahlten Lichtstrahls die Richtung der Gitterlinien des ersten Beugungsgitters G1 und die Vereinigungsposition derselbe Bereich wie die Schnittposition C der zwei interferierenden Lichtstrahlen ist, die Wellenoberflächen der zwei Lichtstrahlen einander überlappen, selbst unabhängig davon, ob der Winkelunterschied θ groß ist, und die Längen 11 und 12 der optischen Pfade immer gleichbleibend werden, unabhängig von dem Azimutwinkel η. Daher besteht keine Neigung zum Auftreten von Interferenzstreifen und der Interferenzzustand wird stabil.
Die vorliegende Ausführungsform ist eine, in welcher aus dem vorstehend erläuterten Grund das divergente Licht von der Lichtquelle in der Richtung der Gitteranordnung des ersten Beugungsgitters G1 verwendet wird und der Krümmungsradius des Lichtstrahls so groß als möglich ausgebildet wird und das konvergente Licht in der Richtung der Gitterlinien verwendet wird, um dadurch eine leicht anzuordnende Kodiereinrichtung aufzubauen, deren Ausgabe gegenüber dem Drehwinkel und dem Azimutwinkel unempfindlich ist.

[Ausführungsform 2]

Fig. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 2 des erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors, und Fig. 16A sowie Fig. 16B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in diesem. In Fig. 15, Fig. 16A und Fig. 16B bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Lichtabstrahlelement, das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Lichtaufnahmeelement, das Bezugszeichen G2 bezeichnet ein zweites Beugungsgitter, welches ein Maßstab zur Phasenmodulation der geteilten Lichtstrahlen ist, das Bezugszeichen G3 bezeichnet ein drittes Beugungsgitter zum Vereinigen der Lichtstrahlen, und das Bezugszeichen 4 bezeichnet optisches Element, in welchem eine Zylinderlinse zum Kondensieren eines divergenten Lichtstrahls ausgebildet ist, der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, und ein erstes Beugungsgitter G1 zum Teilen des Lichtstrahls auf der Linsenoberfläche der Zylinderlinse.
Das Prinzip und der Grundaufbau des optischen Systems sind gleich jenen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 1, und der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlte Lichtstrahl wird kondensiert und durch ein einzelnes optisches Element 4 geteilt.
Gemäß Ausführungsform 2 sind die Linse zum Kondensieren und Teilen des Lichtstrahls, der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, und das erste Beugungsgitter G1 durch ein einzelnes optisches Element ausgebildet, das die Zylinderlinse und das erste Beugungsgitter G1 aufweist, aufgebaut auf deren Linsenoberfläche, und daher wird es möglich das optische Element z. B. durch ein formgebendes Verfahren auf einer Grundplatte zu erzeugen, auf welcher das erste Beugungsgitter G1 und das dritte Beugungsgitter G3 ausgebildet sind, und es wird möglich, eine Kodiereinrichtung als einen optischen Lageänderungssensor mit geringer Größe und niedrigen Kosten aufzubauen, welche einen einfachen Aufbau aufweist und keine Justierung zwischen der Gitteranordnung des ersten Beugungsgitters G1 und der Linse während der Montage erfordert und welche einfach zu montieren ist.

[Ausführungsform 3]

Fig. 17 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 3 des erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors, und Fig. 18A sowie Fig. 18B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in diesem.
In Fig. 17, 18A und 18B bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Lichtabstrahlelement, das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Lichtaufnahmeelement, das Bezugszeichen G1 bezeichnet ein Hologramm zum Kondensieren eines divergenten Lichtstrahls, der von dem Lichtabstrahlelement nur in die Richtung der Gitterlinien eines dritten Beugungsgitters G3 abgestrahlt wird, und zum Teilen des Lichtstrahls in der Richtung der Gitteranordnung des dritten Beugungsgitters G3, das Bezugszeichen G2 bezeichnet ein zweites Beugungsgitter, welches ein Maßstab zum Phasenmodulieren der geteilten Lichtstrahlen ist, und G3 bezeichnet ein drittes Beugungsgitter zum Vereinigen der Lichtstrahlen.
Das Prinzip und der Grundaufbau des optischen Systems sind dieselben wie jene der vorstehend beschriebenen Ausführungs form 1, und der Lichtstrahl, der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, wird kondensiert und durch ein optisches Element (Hologramm) geteilt.
Gemäß Ausführungsform 3 sind die Linse zum Kondensieren und Kollimieren des Lichts und das erste Beugungsgitter G1 durch ein einziges optisches Element (Zonenplatte) ausgebildet, und daher wird es möglich, sie durch ein formgebendes Verfahren auf einer Grundplatte zu erzeugen, auf welcher das erste Beugungsgitter G1 und das dritte Beugungsgitter G3 angeordnet sind, und es wird möglich, eine Kodiereinrichtung als einen optischen Lageänderungssensor mit geringer Größe und niedrigen Kosten auszubilden, welcher einen einfachen Aufbau aufweist und welcher keine Justierung zwischen der Gitteranordnung des ersten Beugungsgitters G1 und der Linse während der Montage erfordert und welcher auf leichte Weise zu montieren ist.

[Ausführungsform 4]

Fig. 19 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 4 eines erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors, und Fig. 20A sowie Fig. 20B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in diesem. In diesen Figuren weisen dieselben Abschnitte, wie jene in Fig. 11, 12A und 12B gezeigten, die gleichen Bezugszeichen auf, und deren Beschreibung wird ausgelassen. In Fig. 19, 20A und 20B bezeichnet das Bezugszeichen 4a eine Kollimatorlinse, um im wesentlichen den Lichtstrahl zu kollimieren, der von dem Lichtabstrahlelement abgestrahlt ist, und das Bezugszeichen 4b bezeichnet eine Zylinderlinse zum Kondensieren des durch die Kollimatorlinse 4a kollimierten Lichtstrahls nur in der Richtung der Gitteranordnung des ersten Beugungsgitters G1.
Das Prinzip der Ausführungsform 4 wird nachstehend beschrieben. Der divergente Lichtstrahl, der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, wird durch die Kollimatorlinse 4a im wesentlichen kollimiert, wird durch die Zylinderlinse 4b in der Richtung der Gitterlinien des Beugungsgitters G1 konvergiert, wird in einem Punkt O1 auf dem Beugungsgitter G1 übertragen und gebeugt, wird in Beugungslicht R0 nullter Ordnung, Beugungslicht R+1 +1. Ordnung und Beugungslicht -1. Ordnung geteilt und tritt aus, und nur das Beugungslicht R0 nullter Ordnung und Beugungslicht R+1 +1. Ordnung werden verwendet. Die anderen Operationen der vorliegenden Ausführungsform sind ähnlich jenen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 1, und deren Beschreibung wird ausgelassen.

[Ausführungsform 5]

Fig. 21 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform 5 des erfindungsgemäßen optischen Lageänderungssensors, und Fig. 22A sowie Fig. 22B zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines optischen Pfads in diesem. In Fig. 21, 22A und 22B bezeichnet das Bezugszeichen 4C eine torische Linse, um im wesentlichen den Lichtstrahl zu kollimieren, der von dem Lichtabstrahlelement in die Richtung der Gitteranordnung des Beugungsgitters G1 abgestrahlt ist, und zum Kondensieren des Lichtstrahls in der Richtung der Gitterlinien des Beugungsgitters G1. In den anderen Punkten ist der Aufbau der vorliegenden Ausführungsform der gleiche wie jener der in Fig. 15, 16A und 16B gezeigten Ausführungsform 2, und daher sind die gleichen Abschnitte in der vorliegenden Ausführungsform wie jene in der Ausführungsform 2 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibung wird ausgelassen.
Das Prinzip und der Grundaufbau des optischen Systems sind gleich jenen der Ausführungsform 2, und der Lichtstrahl, der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, wird kondensiert und durch eine einzelne Linse kollimiert.
Gemäß Ausführungsform 5 ist die Linse zum Kondensieren und Kollimieren des Lichtstrahls eine einzelne torische Linse, und daher wird es möglich, sie durch ein formgebendes Verfahren auf einer Grundplatte zu erzeugen, auf welcher das erste Beugungsgitter G1 und das dritte Beugungsgitter G3 an geordnet sind, und es wird möglich, eine Kodiereinrichtung geringer Größe und mit niedrigen Kosten aufzubauen, welche einen einfachen Aufbau aufweist und die Justierung zwischen der Gitteranordnung des ersten Beugungsgitters und der Linse während der Montage nicht erfordert und welche auf leichte Weise zu montieren ist.

[Ausführungsform 6]

Eine ähnliche Wirkung wie jene der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 5 kann auch unter Verwendung einer optischen Einrichtung, wie z. B. einer Fresnel-Linse und von zwei Zylinderlinsen als die optische Einrichtung zum Kondensieren und Kollimieren des Lichtstrahls, der von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, erzielt werden.
Ein Gerät zum Messen der Daten der relativen Lageänderung zwischen diesem und der Maßstabeinrichtung, auf welcher ein Beugungsgitter erzeugt ist, weist eine Lichtquelleneinrichtung, eine Teileinrichtung zum Teilen eines Lichtstrahls von der Lichtquelleneinrichtung in eine Vielzahl von Lichtstrahlen, eine Wellenvereinigungseinrichtung zum Vereinigen der Wellen der gebeugten Lichtstrahlen der Vielzahl von Lichtstrahlen, die durch die Teileinrichtung geteilt sind, welche durch das Beugungsgitter gebeugt sind, eine Lichtaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen der Interferenzlichtstrahlen der Vielzahl von Lichtstrahlen, die durch die Wellenvereinigungseinrichtung als Wellen vereinigt sind, wobei die Daten der relativen Lageänderung zwischen dem Gerät und der Maßstabeinrichtung durch die Lichtaufnahme des Lichtaufnahmeelements gemessen werden und die optische Einrichtung angepaßt ist, die Vielzahl von Lichtstrahlen zu kollimieren oder eine Kugelwelle auszubilden, welche einen so großen Krümmungsradius aufweist, sie als eine Planwelle der Vielzahl von Lichtstrahlen in der Richtung der Lichtstrahlteilung der Teileinrichtung angesehen werden kann, und um die Vielzahl von Lichtstrahlen in dem optischen Pfad von der Teileinrichtung zu der Wellenvereinigungseinrichtung in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Lichtstrahlteilung zu kondensieren.

Claims

1. Gerät zum Messen der Daten der relativen Lageänderung zwischen diesem und einer Maßstabeinrichtung, auf welcher ein Beugungsgitter (G2) erzeugt ist, das aufweist:

- eine Lichtquelleneinrichtung (1),

- eine Teileinrichtung (G1) zum Teilen eines Lichtstrahls von der Lichtquelleneinrichtung (1) in eine Vielzahl von Lichtstrahlen,

- eine Wellenvereinigungseinrichtung (G3) zum Vereinigen der Wellen von gebeugten Lichtstrahlen der Vielzahl von Lichtstrahlen, die durch die Teileinrichtung (G1) geteilt sind, welche durch das Beugungsgitter (G2) gebeugt werden, und

- eine Lichtaufnahmeeinrichtung (3) zum Aufnehmen von Interferenzlichtstrahlen der Vielzahl von Lichtstrahlen, die durch die Wellenvereinigungseinrichtung (G3) als Wellen vereinigt sind, wobei die Daten der relativen Lageänderung zwischen dem Gerät und der Maßstabeinrichtung durch die Lichtaufnahme der Lichtaufnahmeeinrichtung (3) gemessen werden,

gekennzeichnet durch

- eine optische Einrichtung (4), die zwischen der Lichtquelleneinrichtung (1) und der Teileinrichtung (G1) angeordnet ist und angepaßt ist, den Lichtstrahl von der Lichtquelleneinrichtung (1) zu kollimieren oder Kugelwellen auszubilden, welche einen so großen Krümmungsradius aufweisen, daß sie als eine Planwelle der Vielzahl von Lichtstrahlen in einer Richtung der Lichtstrahlteilung der Teileinrichtung (G1) angesehen werden kann, und die Lichtstrahlen in einem optischen Pfad von der Teileinrichtung (G1) zu der Wellenvereinigungseinrichtung (G3) in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Lichtstrahlteilung zu kondensieren.

2. Gerät gemäß Anspruch 1, wobei die optische Einrichtung (4) die Vielzahl von Lichtstrahlen in einem optischen Pfad von der Teileinrichtung (G1) zu der Wellenvereinigungseinrichtung (G3) in bezug auf die Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Lichtstrahlteilung kondensiert.

3. Gerät gemäß Ansprüch 2, wobei die Teileinrichtung (G1) und die Wellenvereinigungseinrichtung (G3) jeweils ein Beugungsgitter (G1, G3) aufweisen, das auf demselben Element erzeugt ist.

4. Gerät gemäß Anspruch 3, wobei die Teileinrichtung (G1) und die Wellenvereinigungseinrichtung (G3) in einer Position in Gegenüberlage des Beugungsgitters der Maßstabeinrichtung angeordnet sind.

5. Gerät gemäß Anspruch 2, wobei die optische Einrichtung (4) eine Zylinderlinse aufweist.

6. Gerät gemäß Anspruch 5, wobei die Teileinrichtung ein Beugungsgitter (G1) aufweist, das auf der Zylinderlinse angeordnet ist.

7. Gerät gemäß Anspruch 2, wobei sich die Teileinrichtung (G1) und die optische Einrichtung (4) eine Zonenplatte teilen.

8. Gerät gemäß Anspruch 2, wobei die optische Einrichtung (4) eine Kollimatorlinse (4a) und eine Zylinderlinse (4b) aufweist.

9. Gerät gemäß Anspruch 2, wobei die optische Einrichtung (4) eine torische Linse (4c) aufweist.

10. Gerät gemäß Anspruch 2, wobei die optische Einrichtung (4) die Vielzahl von Lichtstrahlen nahe dem Beugungsgitter (G2) in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Lichtstrahlteilung kondensiert.

11. Gerät gemäß Anspruch 2, wobei die optische Einrichtung (4) die Vielzahl von Lichtstrahlen in der im wesentlichen mittleren Position der Länge des optischen Pfads von der Teileinrichtung zu der Wellenvereinigungseinrichtung (G3) in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung der Lichtstrahlteilung kondensiert.