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Die Erfindung betrifft einen Linearcodierer, wie er zur Positionsmessung in Halbleiterfertigungsanlagen sowie Werkzeugmaschinen wie Fräsmaschinen verwendet werden kann, wobei es insbesondere um eine Lichtquelleneinrichtung innerhalb des Linearcodierers geht.
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Nun wird ein herkömmlicher optischer Linearcodierer unter Bezugnahme auf die 7 beschrieben, die eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Signalerfassungsabschnitts desselben zeigt. Dieser herkömmliche Linearcodierer 50, der zur Positionserfassung einer Verstellachse und dergleichen in Werkzeugmaschinen verwendet wird, verfügt über eine erste Skala 10, an der eine Hauptgitterskala 16 mit periodischer Strichweite P ausgebildet ist, und einen Schlitten 15. Dieser Schlitten 15 verfügt über eine zweite, lichtdurchlässige Skala 13, die durch vier in einem Quadranten angeordnete Untergitterskalen mit einer Strichweite, die im Wesentlichen dieselbe wie die der Hauptgitterskala 16 ist, gebildet ist, einen Lichtempfangsabschnitt 14 aus vier den vier Untergitterskalen entsprechenden Lichtempfangselementen, ein Lichtemissionselement 12 sowie eine Kollimatorlinse 11, die dafür sorgt, dass das vom Lichtemissionselement 12 emittierte Licht zu parallelem Licht wird.
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Wie oben beschrieben, ist bei der ersten Skala 10 die Hauptgitterskala 16 entlang einer vorbestimmten Anordnungsrichtung mit vorbestimmter Strichweite ausgebildet. Im Allgemeinen ist, wie es in der 7 dargestellt ist, die Hauptgitterskala 16 mit kontinuierlicher Strichweite ausgebildet. Hierbei betrifft die vorbestimmte Anordnungsrichtung die Längsrichtung der ersten Skala 10, wobei es sich in der 7 um die Richtung der x-Achse handelt. Ferner bewegt sich die im Schlitten 15 bewegte zweite Skala 13 entlang dieser vorbestimmten Anordnungsrichtung relativ zur ersten Skala 10.
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Die Kollimatorlinse 11 macht das vom Lichtemissionselement 12 emittierte Licht zu parallelem Licht und strahlt dann dasselbe durch das Gitter der ersten Skala 10 mit konstanter Strichweite sowie die vier verschiedenen Muster der Gitter der zweiten Skala 13, wobei verschiedene Phasen auftreten. Dann führt der Lichtempfangsabschnitt 14 eine fotoelektrische Wandlung aus, wobei sich vier Signale a1, a2, b1 und b2 ergeben. Eine Änderung der Lichtmenge, wozu es durch die Relativbewegung der Skala 10 und des Schlittens 15 kommt, ergibt die vier Signale a1, a2, b1 und b2, die Sinuswellen mit demselben Zyklus aber verschiedenen Phasen sind.
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Die Position POS auf der ersten Skala 10 des Schlittens 15 wird dadurch erhalten, dass diese vier Signale a1, a2, b1 und b2 der unten angegebenen Operation unterzogen werden. Es werden zwei Operationen A = a1 – a2 und B = b1 – b2 ausgeführt, um ein Offsetfreies Signal A und ein Signal B zu erhalten, dessen Phase derjenigen des Signals A um 90 Grad vorauseilt. Ferner wird die Position POS durch Interpolation gemäß POS = Pxtan–1(A/B)/2π berechnet. Hierbei repräsentiert P die Gitterschrittweite der Hauptgitterskala 16. Während bei diesem herkömmlichen Beispiel der Fall angegeben ist, dass auf der Hauptgitterskala 16 (nachfolgend als Skala bezeichnet) im System nur eine Spur vorhanden ist, existieren Fälle mit mehr als einer Skala mit verschiedenen Strichweiten, was im Diagramm nicht dargestellt ist. Die erste Skala 10 und die zweite Skala 13 sind parallel zueinander platziert, da bei derartigen optischen Systemen im Allgemeinen die optische Effizienz wesentlich ist. Ferner ist der Einfallswinkel des parallelen Lichts auf die erste Skala 10 ein rechter Winkel.
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Jedoch besteht bei diesem herkömmlichen Linearcodierer 50 unter Verwendung der oben genannten Vorgehensweise das nachfolgend beschriebene Problem. Um eine Positionserfassung mit hoher Genauigkeit auszuführen, müssen die obigen Signale A und B unabhängig davon gleich sein, wo sie auf der Bahn des Linearcodierers 50 auftreten. Jedoch ändern sich in der Realität der Offset und die Amplitude der Signale A und B abhängig von der Position in der Längsrichtung der ersten Skala 10, wodurch die Positionserfassungsgenauigkeit beeinträchtigt wird. Als Beispiel sei angenommen, dass der Idealzustand des Signals a1 eine Sinuswelle ist, wie es in der 5 dargestellt ist. Das tatsächlich erhaltene Signal zeigt jedoch abhängig von der Position in der Längsrichtung der ersten Skala 10 einen Offset oder eine Verschiebung gegenüber dem Normalwert, wie es in der 6 durch H bzw. J veranschaulicht ist. Dabei tritt bei der durch Interpolation erhaltenen Position ein Fehler auf.
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Zu Gründen für den Offset und/oder die Abweichung der Amplitude vom Normalwert abhängig von der Position der ersten Skala 10 gehören eine Änderung der Amplitudengenauigkeit des Skalengitters, das Vorliegen/Fehlen von gelegentlich im Gitter auftretenden Ätzlöchern, eine Änderung des Transmissionsvermögens auf Grund der Glaseigenschaften im transmissiven Teil der Skala sowie Änderungen des Transmissions- und/oder Reflexionsvermögens auf Grund von Eigenschaften von Schmutz und dergleichen auf der Oberfläche der Skala. Ein weiterer Faktor, der derartige Effekte verstärkt, ist rückgeführtes Licht, d. h. ein Teil des parallelen Lichts von der Lichtquelleneinrichtung, das an der Oberfläche der ersten Skala 10 reflektiert wird. Zurückgeführtes Licht tritt wieder in das Innere der Lichtquelleneinrichtung ein und wird durch die Kollimatorlinse 11 erneut reflektiert, wodurch sich eine Streulichtkomponente ergibt, die auf die Oberfläche der ersten Skala 10 fokussiert wird und einen kleinen Fleck bildet.
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Um diesen Mangel zu vermeiden, wurden verschiedene Linearcodierer mit verbesserter Genauigkeit vorgeschlagen. Beispielsweise ist in der japanischen Patentoffenlegungsveröffentlichung
JP 06-137899 A ein Linearcodierer offenbart, bei dem eine Positionserfassung durch einen Schlitten ausgeführt wird, der so konfiguriert ist, dass mehrere relativ kurze Hauptskalen in der Verschieberichtung angeordnet sind, wodurch zwei Positionseinzelinformationen ausgegeben werden können. In dieser Veröffentlichung ist es auch angegeben, dass die Positionserfassung einfach ist, wenn der Hub lang ist.
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Jedoch können beim eben beschriebenen Linearcodierer die oben genannten Streulichteffekte nicht wesentlich verringert werden. Dazu wird unter Bezugnahme auf die 4 ein Lichtpfad beschrieben, entlang dem Streulicht erzeugt wird. Vom Lichtemissionselement 12 ausgegebenes Licht wird durch Kollimatorlinsen 11b, 11a zu parallelem Licht, das auf die erste Skala 10 gestrahlt wird. Dieses zur Positionserfassung verwendete parallele Licht wird durch die erste Skala 10 und die zweite Skala 13 hindurchgestrahlt und dann vom Lichtempfangsabschnitt 14 empfangen. Neben dieser Hauptlichtkomponente besteht eine parallele Lichtkomponente, die an der Oberfläche der ersten Skala 10 reflektiert wird.
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Ein Teil des von der Lichtquelleneinrichtung ausgegebenen parallelen Lichts wird an der Oberfläche der ersten Skala 10 oder derjenigen der zweiten Skala 13 reflektiert und wird zu rückgeführtem Licht 40. Dieses rückgeführte Licht 40 kehrt zur Kollimatorlinse 11 zurück, wo es auf Grund einer Brechung an der Oberfläche der Kollimatorlinse 11A gebündelt wird und dann auf die Ebene in der Kollimatorlinse 11b reflektiert wird und zu neu reflektiertem Licht 41 wird. Dieses neu reflektierte Licht 41 bildet nahe der Oberfläche der ersten Skala 10 ein Bild und wird in einem Bereich 20 gebündelt. Darüber hinaus wird dieses gebündelte Licht durch Änderungen des Transmissions- und/oder Reflexionsvermögens auf Grund schwankender Eigenschaften der Oberfläche der ersten Skala 10 stark beeinflusst, und es wird der normalen Signallichtkomponente überlagert. Wie es aus der 6 ersichtlich ist, ergibt sich dadurch ein Offset oder ein Amplitudenwert, der gegenüber den normalen Werten verschoben ist.
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Beispielsweise ist dann, wenn die Fläche des Lichtempfangsabschnitts 14 5,7 mm × 1,8 mm beträgt und in der ersten Skala 10 ein Ätzloch von ⌀ 0,1 mm vorhanden ist und durch die oben genannte Reflexion keine gebündelte Lichtkomponente vorliegt, wobei angenommen wird, dass die Fläche parallelen Lichts, das durch die erste Skala 10 läuft, halb so groß wie die Fläche des Lichtempfangsabschnitts 14 ist, das Ausmaß des Einflusses des Ätzloches, einfach durch das Flächenverhältnis gesehen, dasjenige, das eine abnormale Komponente ungefähr 0,15% in Bezug auf eine normale Lichtkomponente beträgt. Wenn jedoch angenommen wird, dass die an der Oberfläche der ersten Skala 10 reflektierten Komponente, die zu rückgeführtem Licht wird, 45% des parallelen Lichts ausmacht, und dass diejenige Komponente, die durch erneute Reflexion in der Kollimatorlinse 11 zu erneut reflektiertem Licht wird, ungefähr 3% ausmacht, beträgt das Ausmaß des Einflusses des Lichts, das am Ätzloch von ⌀ 1 mm in der Oberfläche der ersten Skala 10 gebündelt wird, entsprechend dem Flächenverhältnis, ungefähr 2,7% des normalen Lichts, was das 18fache im Vergleich zum vorigen Fall von ungefähr 0,15% ist. Dies bedeutet, dass bei der Signalamplitude und beim Offset große Veränderungen auftreten. Herkömmliche Vorgehensweisen des optischen Designs leiden unter dem Einfluss geringster Änderungen von Oberflächeneigenschaften von Skalen, weswegen Nachteile wie eine Beeinträchtigung der Signalgenauigkeit und eine Beeinträchtigung der Positionserfassungsgenauigkeit bestehen.
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Aus der
US 7,102,760 B2 ist ein optischer Verschiebesensor und optischer Codierer bekannt, bei dem von einem als Lichtquelleneinrichtung dienenden oberflächenemittierenden Laser Licht durch eine Skala auf die Oberfläche eines Fotosensors gestrahlt wird. Hier ist die Hauptachse des abgestrahlten Lichtbündels nicht nur gegen die Senkrechte zur Oberfläche der Skala, sondern auch gegen die Verschieberichtung geneigt. Dadurch wird das von der Skala zum oberflächenemittierenden Laser zurückkehrende Licht reduziert, so dass die Lichtausgabe des Lasers konstant gehalten werden kann.
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Die
US 2003/0047674 A1 beschreibt einen in Reflexion arbeitenden Codierer mit einer Lichtquelle und einem Detektor, die auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht wird an einem Gitter reflektiert und vom Detektor empfangen. Hier wird das Licht von der Lichtquelle unter einem Winkel auf die Skala eingestrahlt, der um eine Achse im Wesentlichen parallel zur Verschieberichtung der Skala geneigt ist. Hierdurch soll verhindert werden, dass an der Skala reflektiertes Licht zur Lichtquelle zurückläuft. Ferner soll die Lichtmenge, die den Detektor erreicht vergrößert und ausgeglichen werden. Als Lichtquelle wird hier ein oberflächenemittierender Laser (VCSEL) eingesetzt, dessen Lichtabstrahlung durch einfallendes Licht gestört wird.
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Die
JP 08-254441 A zeigt als Lichtquelle ebenfalls einen oberflächenemittierenden Laser, eine Skala und einen Detektor. Der oberflächenemittierende Laser ist dabei sowohl gegen die Längsrichtung der Skala als auch gegen die Senkrechte zur Oberfläche der Skala geneigt.
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Die
JP 61-218909 A beschreibt eine in Reflexion arbeitende fotoelektrische Erfassungsvorrichtung, mit einer Lichtquelleneinrichtung und einer Empfängereinrichtung für einen am zu erfassenden Objekt reflektierten Lichtstrahl. An dem Fotoempfänger reflektiertes Licht fällt in eine Lichtfalle, wodurch Streulicht innerhalb der Detektoranordnung verhindert wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearcodierer mit hoher Positionserfassungsgenauigkeit zu schaffen, die nicht durch Änderungen von Oberflächeneigenschaften einer Skala beeinträchtigt wird.
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Diese Aufgabe ist durch den Linearcodierer gemäß dem beigefügten Anspruch 1 mit einer Verbesserung gemäß dem beigefügten Anspruch 2 gelöst.
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Beim Linearcodierer gemäß der Erfindung ist der Einfallswinkel des parallelen Lichts in Bezug auf die erste Skala geneigt. Dies bedeutet, dass dieser Linearcodierer verhindern kann, dass durch erneute Reflexion erzeugtes Streulicht auf der Oberfläche der ersten Skala gebündelt wird, wodurch eine Beeinflussung durch Oberflächeneigenschaften der ersten Skala verringert werden kann, was wiederum verringerte Effekte auf die Positionserfassungssignale von der ersten Skala hat. Ferner ist es durch Neigen der Richtung dieses parallelen Lichts zur Richtung orthogonal zur Längsrichtung der ersten Skala hin möglich, einen solchen Effekt zu erzielen, dass Positionsfehler selbst dann nicht auftreten, wenn zwischen der Lichtquelleneinrichtung und der ersten Skala eine Variation des Zwischenraums auftritt.
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Wenn dieser Linearcodierer ferner mit einer Struktur versehen ist, deren Oberfläche einer Bearbeitung für Reflexionsfreiheit unterzogen wurde, um eine Reflexion von durch die erste Skala reflektiertem Licht dadurch weiter zu verringern, dass eventuell reflektiertes Licht in der Richtung des Schlittens und dergleichen gelenkt wird, wo eine Bearbeitung für Reflexionsfreiheit ausgeführt wurde, kann der oben genannte Effekt weiter minimiert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend von anhand von Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert.
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1 ist ein schematisches Diagramm, das Hauptkonstruktionsteile eines Linearcodierers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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2 ist ein schematisches Diagramm, das die Gesamtkonstruktion eines Linearcodierers gemäß der Ausführungsform zeigt.
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3 ist eine Zeichnung, die einen Lichtpfad bei der Ausführungsform zeigt.
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4 ist ein Diagramm, das einen Lichtpfad bei einem Linearcodierer gemäß dem Stand der Technik zeigt.
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5 ist ein Diagramm, das ein ideales Signal bei einem Linearcodierer gemäß dem Stand der Technik zeigt.
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6 ist ein Diagramm, das ein tatsächliches Signal eines Linearcodierers gemäß dem Stand der Technik zeigt.
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7 ist ein schematisches Diagramm, das Hauptkonstruktionsteile eines Linearcodierers gemäß dem Stand der Technik zeigt.
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In der nachfolgenden Beschreibung sind dieselben Teile wie in den 4 und 7 mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und die zugehörigen Erläuterungen werden nicht wiederholt. Auch wird eine Beschreibung von Positionserfassungsverfahren, wie sie zum Ablesen von Positionen vom Schlitten verwendet werden, weggelassen, insoweit es sich um Verfahren wie beim Stand der Technik handelt.
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In den 2 und 3 ist die Relativverschieberichtung zwischen der ersten Skala 10 und der zweiten Skala 13 (Schlitten 15) die Richtung orthogonal zur Zeichnungsebene.
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Der hier dargestellte Linearcodierer 8 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel von parallelem Licht, wie es durch die Lichtquelleneinrichtung 9 emittiert wird und auf die erste Skala 10 fällt, um einen vorbestimmten Winkel orthogonal zu einer vorbestimmten Anordnungsrichtung (Relativverschieberichtung zwischen der ersten Skala 10 und der zweiten Skala 13) gegenüber der orthogonalen Einfallsrichtung orthogonal zur Ebene der ersten Skala 10 geneigt ist. Das heißt, dass, wie es aus der 1 erkennbar ist, die Neigungsrichtung die Richtung einer Achse Z2 ist, die in der Y-Richtung in Bezug auf die Richtung der Achse Z1 (orthogonale Einfallsrichtung) orthogonal zur ersten Skala 10 geneigt ist. Hierbei gehören zu Verfahren zum Neigen von parallelem Licht in der Richtung der Achse Z2 beispielsweise das Anordnen der gesamten Lichtquelleneinrichtung 9 in geneigtem Zustand sowie das Anordnen der optischen Achse der Kollimatorlinse 11 in einem geneigten Zustand mit einem vorbestimmten Winkel gegenüber der Senkrechten in Bezug auf die Ebene (Oberfläche) der ersten Skala 10.
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Hierbei ist der oben genannte vorbestimmte Winkel zumindest von solcher Größe, dass sich das Ergebnis einer Verringerung des Einflusses von Oberflächeneigenschaften der ersten Skala 10 erzielen lässt, wobei der Effekt umso deutlicher ist, je größer der Winkel ist. Jedoch kann dann, wenn der vorbestimmte Winkel zu groß ist, eine Verringerung der Menge einfallenden Lichts auf den Lichtempfangsabschnitt auftreten. Daher wird der vorbestimmte Winkel in demjenigen Bereich bestimmt, in dem die optische Achse der Kollimatorlinse 11 durch den Lichtempfangsabschnitt verläuft.
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Nun wird unter Bezugnahme auf die 3 ein Lichtpfad betreffend paralleles Licht beim auf diese Weise aufgebauten Linearcodierer 8 beschrieben. Vom Lichtemissionselement emittiertes Licht wird durch die Kollimatorlinsen 11B, 11A zu parallelem Licht, das auf die erste Skala 10 zu strahlen ist. Ein Teil dieses parallelen Lichts wird an der Oberfläche der ersten Skala 10 reflektiert und wird zu zurückgeführtem Licht 40, das zur Kollimatorlinse 11A zurückkehrt. Jedoch kehrt dieses rückgeführte Licht 40 nicht in der Richtung parallel zum parallelen Licht zurück, sondern statt dessen kehrt es in einem Zustand, der in der Richtung, in der die Lichtquelleneinrichtung 9 geneigt ist, versetzt ist, zur Kollimatorlinse 11A zurück. Innerhalb der Kollimatorlinse tritt erneute Reflexion wie beim herkömmlichen Beispiel an der diese Linse konfigurierenden Ebene 11B auf. Durch diese erneute Reflexion auftretendes Licht 41 erzeugt im Bereich 21 in der 3 ein Bild. Die Fläche dieses Bilds ist ausreichend groß in Bezug auf den Bereich 20, in den beim herkömmlichen Beispiel der 4 Licht gebündelt wird. Im Ergebnis wird der Einfluss winziger Ätzlöcher und dergleichen in der ersten Skala 10, der Änderungen des Reflexions- und Transmissionsvermögens verursacht, relativ klein im Vergleich zum Fall, bei dem Bündelung auftritt.
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Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 2 ein Lichtpfad betreffend das parallele Licht erläutert. Wie es in der 2 dargestellt ist, ist die erste Skala 10 von Skalengehäusen 30 und 31 umgeben, wobei das obere Ende der ersten Skala 10 am Skalengehäuse 30 befestigt ist. Der Schlitten 15 verfügt, wie oben beschrieben, über eine Lichtquelleneinrichtung 9 mit einem Lichtemissionselement 12 und einer Kollimatorlinse 11, eine zweite Skala 13, einen Lichtempfangsabschnitt sowie eine Schlittenkonstruktion 17, die die Elemente miteinander verbindet. Durch Neigen der optischen Achse der Kollimatorlinse 11 in Bezug auf die Oberfläche der ersten Skala 10 wird durch Reflexion an dieser Fläche zurückgeführtes Licht 22 auf einen Teil der Schlittenkonstruktion 17 gelenkt. An der Schlittenkonstruktion 17 kann eine Bearbeitung für Reflexionsfreiheit ausgeführt werden, und auf eine derartige Fläche gestrahltes, zurückgeführtes Licht 22 wird nicht erneut reflektiert. Daher besteht ein Vorteil dahingehend, dass kein Streulicht erzeugt wird. Die Bearbeitung für Reflexionsfreiheit kann unter Verwendung bekannter Verfahren bewerkstelligt werden, und wenn beispielsweise die Schlittenkonstruktion 17 aus Aluminium besteht, kann eine einfache Oberflächenbehandlung ausreichend sein, wie eine Elektrolysebehandlung mit dem Aluminium als Anode, wobei es eine schwarze Oberfläche erhält.
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Gemäß der 2 wird durch Neigen der optischen Achse nach oben das an der Oberfläche der ersten Skala 10 reflektierte, zurückgeführte Licht auf die Innenwand des Skalengehäuses 31 gelenkt. Um die Herstellung dieses länglichen Gehäuses im der ersten Skala 10 entsprechenden Teil einfach zu machen, wird es im Allgemeinen aus gezogenem Aluminium hergestellt. Daher ist das Reflexionsvermögen extrem hoch, wodurch erneute Reflexion auftreten kann, wodurch Streulicht erzeugt wird. In einigen Fällen kann erneut reflektiertes Licht sogar wieder in den Lichtempfangsabschnitt eintreten, was Signale beeinträchtigt. Daher ist es von Nachteil, die optische Achse nach oben zu neigen. Jedoch ist es ersichtlich, dass Streulicht auch dann vermieden werden kann, wenn die optische Achse nach oben geneigt wird, wenn in diesem Fall das Skalengehäuse 31 einer Bearbeitung für Reflexionsfreiheit unterzogen wird.
