DE102020003142A1

DE102020003142A1 - Optischer winkelsensor

Info

Publication number: DE102020003142A1
Application number: DE102020003142.0A
Authority: DE
Inventors: Akihide Kimura
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-12-03
Also published as: US11199400B2; CN112033306A; US20200378757A1; JP2020197452A; CN112033306B

Abstract

Der optische Winkelsensor umfasst eine Beugungseinheit, eine Lichtquelle, eine lichtempfangende Einheit und eine Mehrzahl von Reflexionseinheiten. Die Beugungseinheit beinhaltet ein erstes Beugungsteil für ein Erzeugen von kombiniertem Licht und ein zweites Beugungsteil für ein mehrmaliges Beugen eines ersten Lichts und eines zweiten Lichts. Die Mehrzahl von Reflexionseinheiten beinhaltet eine erste Reflexionseinheit, eine zweite Reflexionseinheit, eine dritte Reflexionseinheit, welche das erste Licht und das zweite Licht durch das zweite Beugungsteil in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil reflektiert, eine vierte Reflexionseinheit und eine fünfte Reflexionseinheit. Die Berechnungseinheit berechnet, mit der Rotation der Beugungseinheit, die Größe einer Änderung in dem Winkel basierend auf der Änderung in dem Interferenzsignal, welches durch das kombinierte Licht bewirkt wird, welches auf der lichtempfangenden Oberfläche erzeugt wird.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Winkelsensor.
Stand der Technik
Konventionellerweise war ein optischer Winkelsensor, welcher eine Lichtquelle, welche Licht emittiert, eine lichtempfangende Einheit, welche das Licht von der Lichtquelle empfängt bzw. erhält, und eine Berechnungseinheit beinhaltet, welche eine Größe einer Änderung in einem Winkel aufgrund einer Rotation eines Messziels berechnet, bekannt.
Beispielsweise beinhaltet ein zweidimensionaler Winkelsensor gemäß der JP 2003-156319A eine Lichtquelle für ein Emittieren eines Lichtstrahls zu dem Detektionsziel, eine Linse, welche in dem optischen Weg bzw. Pfad des Lichts vorgesehen ist, welches von dem Detektionsziel durch den Lichtstrahl reflektiert wird, und ein Detektionselement (lichtempfangendes Mittel), welches eine Photodiode verwendet, welche in der Nähe des Brennpunkts der Linse vorgesehen ist. Der zweidimensionale Winkelsensor detektiert den Winkel des Detektionsziels durch ein Berechnen des Photostroms, welcher durch das Detektionselement detektiert wird.
Spezifisch detektiert der zweidimensionale Winkelsensor den Winkel des Detektionsziels aus der Form bzw. Gestalt des Lichts, welches zu dem Detektionselement emittiert bzw. ausgesandt wird, und der Größe der Lichtmenge. Wenn sich die Form des Lichts, welches zu dem detektierenden Element emittiert wird, und die Größe der Lichtmenge aufgrund einer Linse oder dgl. ändern, kann die Änderung das Detektionsresultat als ein Rauschen beeinflussen bzw. beeinträchtigen. Daher muss der zweidimensionale Winkelsensor hoch-qualitative und kostspielige optische Elemente, wie beispielsweise eine Linse beinhalten, um ein Rauschen zu unterdrücken, und es gibt ein Problem, dass die Kosten des Winkelsensors hoch sind.
Um ein derartiges Problem handzuhaben, verwendet beispielsweise die JP 11-237207 ein Laser-Interferometer. Das Laser-Interferometer misst das Ausmaß bzw. die Größe einer Änderung in dem Winkel durch die Rotation des Messziels durch ein Verwenden der Interferenz des Laserstrahls. Das Laser-Interferometer beinhaltet eine Laserlichtquelle (Lichtquelle) für ein Emittieren bzw. Aussenden eines Laserstrahls, eine erste optische Faser für ein Transmittieren bzw. Übertragen des Laserstrahls, welcher von der Laserlichtquelle emittiert wird, eine erste optische Faser für ein Übertragen des Laserstrahls, welcher von der Laserlichtquelle emittiert wird, eine erste Linse für ein Kollimieren des Laserstrahls von der ersten optischen Faser, einen Polarisations-Strahlteiler für eine Rotationswinkeldetektion, welcher den Laserstrahl teilt, welcher durch die erste Linse kollimiert wird, durch zwei Eckenwürfel hindurchleitet und die geteilten Laserstrahlen kombiniert, eine polarisierende Platte, welche den Laserstrahl polarisiert, welcher von dem Polarisations-Strahlteiler für eine Rotationswinkeldetektion emittiert wird, eine zweite Linse, welche den Laserstrahl auf eine Endfläche der zweiten optischen Faser konvergiert bzw. bündelt, welche den Laserstrahl durch die polarisierende Platte transmittiert, und eine ein Licht empfangende Signal-Bearbeitungseinheit (Empfangseinheit und Betätigungseinheit) für ein Konvertieren bzw. Umwandeln eines Laserstrahls durch die zwei optischen Fasern in ein elektrisches Signal.
Die Laserlichtquelle ist ein He-Ne Laser, welcher einen Laserstrahl mit einer guten Kohärenz des elektrischen Signals emittiert, welches durch den das Licht empfangenden Signalprozessor detektiert wird. Dann bewirkt der Laserstrahl, welcher zu der das Licht empfangenden Signal-Bearbeitungseinheit durch den polarisierenden Strahlteiler für eine Rotationswinkeldetektion emittiert wird, eine Interferenz an der Bestrahlungsoberfläche, auf welche der Laserstrahl in der das Licht empfangenden Signal-Bearbeitungseinheit gestrahlt wird. Das Laser-Interferometer kann die Größe bzw. das Ausmaß einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels durch ein Umwandeln der Intensitätsänderung des Interferenzsignals, welches durch die Änderung in der optischen Weglänge aufgrund der Rotation bewirkt wird, in ein elektrisches Signal durch die das Licht empfangende Signal-Bearbeitungseinheit und ein Durchführen einer Berechnung messen.
Spezifisch wird, wenn die zwei Eckenwürfel, welche mit bzw. bei dem Laser-Interferometer vorgesehen sind, rotieren, die Differenz in der optischen Weglänge der zwei Laserstrahlen, welche durch den polarisierenden Strahlteiler für eine Rotationswinkeldetektion geteilt werden, geändert, und es werden Licht und Dunkelheit des Interferenzlichts (kombinierten Lichts), d.h. die Änderung in der Intensität des Interferenzsignals beobachtet. Zu dieser Zeit ist die Änderung in der Differenz der optischen Weglänge das Doppelte der Länge, welche durch ein Multiplizieren der Anordnungsdistanz der zwei Eckenwürfel mit dem Rotationswinkel erhalten wird. Das Laser-Interferometer kann die Rotation der zwei Eckenwürfel durch ein Detektieren der Intensitätsänderung des Interferenzsignals messen. Daher kann, da das Laser-Interferometer die Detektion unabhängig von der Form bzw. Gestalt des Lichts und der Größe der Lichtmenge durchführt, der Rotationswinkel des Messziels selbst ohne eine hoch-qualitative und kostspielige optische Komponente, wie beispielsweise eine Linse detektiert werden. Darüber hinaus kann derselbe Effekt erhalten werden, selbst wenn der polarisierende Strahlteiler für eine Rotationswinkeldetektion durch ein Beugungsgitter ersetzt ist bzw. wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEME, WELCHE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN SIND
Hier kann die Wellenlänge des Lichts, welches von der Lichtquelle in dem optischen Winkelsensor emittiert bzw. ausgesandt wird (nachfolgend manchmal als die Wellenlänge der Lichtquelle bezeichnet), mit Änderungen in einer Umgebung, wie beispielsweise der Temperatur und Feuchtigkeit variieren. Das Laser-Interferometer, welches in der JP 11-237207 beschrieben ist, detektiert das Ausmaß einer Änderung im Winkel basierend auf der Differenz in der optischen Weglänge der zwei Laserstrahlen, welche durch ein Rotieren der zwei Eckenwürfel bewirkt wird.
Spezifisch detektiert die das Licht empfangende Signalbearbeitungseinheit eine Änderung in der Phase aus dem Interferenzsignal, welches aufgrund der Differenz in der optischen Weglänge der zwei Laserstrahlen variiert, und detektiert das Ausmaß bzw. die Größe der Änderung in dem Winkel aufgrund einer Rotation des Messziels basierend auf der Änderung in der Phase. Die Phase, welche aus dem Interferenzsignal detektiert wird, basiert auf der Wellenlänge der Lichtquelle. Derart ändert sich, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle ändert, auch die Phase.
Daher kann, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund einer Änderung in der Umgebung ändert, das Laser-Interferometer (der optische Winkelsensor) möglicherweise nicht genau die Größe einer Änderung in dem Winkel aus der Änderung in dem Interferenzsignal basierend auf einer Änderung in der Differenz der optischen Weglänge in den zwei Laserstrahlen detektieren, und dadurch kann ein Messfehler auftreten.
Weiters treten, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle ändert, auch die folgenden Probleme auf.
10A bis 10C illustrieren einen konventionellen optischen Winkelsensor 100. Spezifisch illustriert 10A einen optischen Weg bzw. Pfad des Lichts, welcher durch den optischen Winkelsensor 100 beobachtet wird, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 660 nm ist. 10B illustriert einen optischen Weg des Lichts, welcher durch den optischen Winkelsensor 100 beobachtet wird, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 630 nm ist. 10C illustriert einen optischen Pfad des Lichts, welcher durch den optischen Winkelsensor 100 beobachtet wird, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 690 nm ist. In 10A bis 10C sind bzw. werden die optischen Pfade der Lichtstrahlen durch durchgehende Pfeile angezeigt bzw. angedeutet.
Wie dies in 10A gezeigt ist, beinhaltet der optische Winkelsensor 100 ein Beugungsgitter 200, eine Lichtquelle 300, eine lichtempfangende Einheit 400 für ein Empfangen von Licht von der Lichtquelle 300 durch das Beugungsgitter 200 und zwei Eckenwürfel 500.
Wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 660 nm ist, werden zwei Lichtstrahlen, welche von der Lichtquelle 300 emittiert und durch das Beugungsgitter 200 geteilt werden, unter einem Beugungswinkel θ gebeugt. Dann werden die zwei Lichtstrahlen wiederum auf das Beugungsgitter 200 über die zwei Eckenwürfel 500 gestrahlt und werden durch das Beugungsgitter 200 gebeugt und auf die lichtempfangende Einheit 400 als ein kombiniertes Licht bzw. ein kombinierter Lichtstrahl gestrahlt, in welchem die zwei Lichtstrahlen bzw. Lichter überlappen.
Dann ändern sich, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle ändert, wie dies in 10B und 10C gezeigt ist, die optischen Pfade der Lichtstrahlen, welche durch die Pfeile mit durchgehender Linie angezeigt sind, auch in dem optischen Winkelsensor 100.
Spezifisch werden, wie dies in 10B gezeigt ist, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 630 nm ist, zwei Lichtstrahlen, welche von der Lichtquelle 300 emittiert und durch das Beugungsgitter 200 geteilt werden, unter einem Beugungswinkel θ1 kleiner im Vergleich zu dem Beugungswinkel θ in 10A bei der Wellenlänge der Lichtquelle von 660 nm gebeugt. Die zwei Lichtstrahlen, welche unter dem Beugungswinkel θ1 gebeugt werden, werden auf die lichtempfangende Einheit 400 durch zwei Eckenwürfel 500 in einem Zustand gestrahlt, in welchem sie einen Abstand S1 voneinander versetzt aufweisen.
Spezifisch werden, wie dies in 10C gezeigt ist, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 690 nm ist, zwei Lichtstrahlen, welche von der Lichtquelle 300 emittiert und durch das Beugungsgitter 200 geteilt werden, unter einem Beugungswinkel θ2 größer im Vergleich zu dem Beugungswinkel θ in 10A bei einer Wellenlänge der Lichtquelle von 660 nm gebeugt. Die zwei Lichtstrahlen, welche unter dem Beugungswinkel θ2 gebeugt werden, werden auf die lichtempfangende Einheit 400 durch zwei Eckenwürfel 500 gestrahlt, während sie voneinander versetzt sind und einen Abstand S2 aufweisen.
Zu dieser Zeit ist in dem kombinierten Licht, welches auf die lichtempfangende Einheit 400 in 10B und 10C gestrahlt wird, das Ausmaß einer Überlappung der zwei Lichtstrahlen kleiner als dasjenige, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 660 nm ist, welche in 10A gezeigt ist. D.h., in dem optischen Winkelsensor 100 ist, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 630 nm oder 690 nm ist, wie dies in 10B und 10C gezeigt ist, das Interferenzlicht, welches in dem Lichtempfang 400 erzeugt bzw. generiert wird, kleiner im Vergleich zu dem optischen Winkelsensor 100, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 660 nm ist, wie dies in 10A gezeigt ist, und demgemäß ist bzw. wird die Amplitude des Interferenzsignals, welche erhalten werden kann, gedämpft bzw. geschwächt. Daher gibt es, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund von Änderungen in der Umgebung ändert, ein Problem, dass es unmöglich ist, stabil zu detektieren, da sich die Größe einer Überlappung des kombinierten Lichts ändert, welches auf die bzw. zu der lichtempfangende(n) Einheit 400 gestrahlt wird.
Ein Ziel bzw. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Winkelsensor zur Verfügung zu stellen, welcher zu einem Detektieren einer Größe bzw. eines Ausmaßes einer Änderung in einem Winkel aufgrund einer Rotation eines Messziels mit einer hohen Genauigkeit fähig ist, während ein Überlappungsausmaß eines kombinierten Lichts stabilisiert wird, welches auf eine lichtempfangende Einheit gestrahlt wird, selbst wenn die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund von Änderungen in der Umgebung geändert wird.
MITTEL FÜR EIN LÖSEN DER PROBLEME
Ein optischer Winkelsensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Beugungseinheit, welche ein Beugungsgitter aufweist, welches bei einer vorbestimmten Periode entlang der Messrichtung angeordnet ist, eine Lichtquelle für ein Strahlen bzw. Bestrahlen von Licht in Richtung zu der Beugungseinheit, eine lichtempfangende Einheit für ein Empfangen von Licht durch die Beugungseinheit, eine Berechnungseinheit für ein Berechnen der Größe bzw. des Ausmaßes einer Änderung in dem Winkel eines Messziels, welches um eine vorbestimmte Achse als eine Rotationsachse rotiert, basierend auf dem Licht, welches durch die lichtempfangende Einheit empfangen wird. Der optische Winkelsensor umfasst eine Mehrzahl von reflektierenden bzw. Reflexionseinheiten, welche durch die Lichtquelle bestrahlt werden und Licht durch die Beugungseinheit in Richtung zu der Beugungseinheit reflektieren. Die Beugungseinheit ist an dem Messziel festgelegt und rotiert synchron mit der Rotation des Messziels. Die Beugungseinheit umfasst: ein erstes Beugungsteil, welches das Licht von der Lichtquelle in ein erstes Licht und ein zweites Licht verschieden von dem ersten Licht teilt bzw. unterteilt und beugt, und das erste Licht und das zweite Licht durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten in ein kombiniertes Licht beugt und kombiniert, um durch die lichtempfangende Einheit empfangen zu werden; und ein zweites Beugungsteil, welches das erste Licht und das zweite Licht durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten zu der Mehrzahl von Reflexionseinheiten beugt und emittiert, und das erste Licht und das zweite Licht beugt und emittiert, welche durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten reflektiert werden, welche in der entgegengesetzten Richtung zu dem Fall einer Emission auf die Mehrzahl von Reflexionseinheiten auftreffen. Die Mehrzahl von Reflexionseinheiten umfasst: eine erste Reflexionseinheit für ein Reflektieren des ersten Lichts, welches durch das erste Beugungsteil geteilt und gebeugt wurde, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das erste Licht einfällt bzw. auftrifft; eine zweite Reflexionseinheit für ein Reflektieren des zweiten Lichts, welches durch das erste Beugungsteil geteilt und gebeugt wird, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das zweite Licht auftrifft; eine dritte Reflexionseinheit für ein Reflektieren des ersten Lichts und des zweiten Lichts durch das zweite Beugungsteil in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil; eine vierte Reflexionseinheit für ein Reflektieren des ersten Lichts, welches durch das zweite Beugungsteil gebeugt wird, in Richtung zu dem ersten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das erste Licht auftrifft; und eine fünfte Reflexionseinheit für ein Reflektieren des zweiten Lichts, welches durch das zweite Beugungsteil gebeugt wird, in Richtung zu dem ersten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das zweite Licht auftrifft. Die empfangende bzw. Empfangseinheit beinhaltet eine lichtempfangende Oberfläche, auf welche das kombinierte Licht gestrahlt wird. Die Berechnungseinheit berechnet, mit der Rotation der Beugungseinheit, die Größe einer Änderung in dem Winkel basierend auf der Änderung in dem Interferenzsignal, welches durch das kombinierte Licht bewirkt wird, welches auf der lichtempfangenden Oberfläche erzeugt bzw. generiert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung dreht der optische Winkelsensor die Beugungseinheit, welche ein Beugungsgitter aufweist, synchron mit der Rotation des Messziels. Der optische Winkelsensor beinhaltet eine Mehrzahl von reflektierenden Einheiten in einer fixierten Weise. D.h., konventionell wurde eine Änderung in einem Interferenzsignal basierend auf einer Differenz zwischen optischen Weglängen von zwei Lichtstrahlen bzw. Lichtern relativ zu einer Wellenlänge der Lichtquelle, welche durch ein Rotieren einer Mehrzahl von reflektierenden Einheiten bewirkt wird, detektiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Änderung in dem Interferenzsignal basierend auf einer vorbestimmten Periode (Abstufung) eines Beugungsgitters, welche durch ein Rotieren der Beugungseinheit bewirkt wird, während eine Mehrzahl von Reflexionseinheiten fixiert wird, und die Größe einer Änderung in dem Winkel daraus detektiert. Die vorbestimmte Periode des Beugungsgitters variiert nicht signifikant wie die Wellenlänge der Lichtquelle, selbst wenn es eine Änderung in der Umgebung gibt. Daher kann der optische Winkelsensor die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund einer Rotation des Messziels mit einer hohen Genauigkeit aus der Änderung in dem Interferenzsignal basierend auf der vorbestimmten Periode des Beugungsgitters detektieren, selbst wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund von Änderungen in der Umgebung ändert.
Weiters ist es gemäß der vorliegenden Erfindung, da der optische Winkelsensor die erste Reflexionseinheit, die zweite Reflexionseinheit, die vierte Reflexionseinheit und die fünfte Reflexionseinheit, welche das Licht in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung reflektieren, in welcher das erste Licht einfällt bzw. auftrifft, und die dritte Reflexionseinheit beinhaltet, welche das erste Licht und das zweite Licht durch das zweite Beugungsteil in der Beugungseinheit reflektiert und das zweite Beugungsteil wiederum bestrahlt, möglich, die Änderung des Bewegungswinkels des gebeugten Lichts aufgrund der Änderung des Beugungswinkels aufzuheben bzw. auszulöschen, welche durch die Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle bewirkt wird. Spezifisch beugt, durch ein Hindurchtreten durch die dritte Reflexionseinheit, die Beugungseinheit das Licht von der Lichtquelle zweimal, wenn sie das Licht teilt und kombiniert, und zweimal in dem zweiten Beugungsteil, d.h. insgesamt vier Mal. Der optische Winkelsensor hebt die Änderung des Bewegungswinkels des gebeugten Lichts aufgrund der Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle durch ein viermaliges Beugen des Lichts von der Lichtquelle auf. Demgemäß kann der optische Winkelsensor unterdrücken, dass das erste Licht und das zweite Licht, welche das kombinierte Licht darstellen bzw. ausbilden, welches auf die lichtempfangende Einheit gestrahlt wird, versetzt werden und dass das Überlappungsausmaß reduziert wird.
Daher kann der optische Winkelsensor das Ausmaß bzw. die Größe einer Überlappung des kombinierten Lichts stabilisieren, welches auf die lichtempfangende Einheit gestrahlt wird, selbst wenn die Wellenlänge der Lichtquelle durch die Änderung der Umgebung geändert wird.
Zu dieser Zeit bzw. hierbei ist es bevorzugt, dass die erste Reflexionseinheit und die vierte Reflexionseinheit dasselbe Glied sind und die zweite Reflexionseinheit und die fünfte Reflexionseinheit dasselbe Glied sind.
Gemäß einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Kosten zu reduzieren und den optischen Winkelsensor zu miniaturisieren, da es nicht notwendig ist, ein jeweiliges Glied vorzubereiten und die Anordnung des einzelnen Glieds einzustellen.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die dritte Reflexionseinheit ein einzelnes Glied ist, welches das erste Licht und das zweite Licht in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil reflektiert.
Gemäß einer derartigen Konfiguration ist es möglich, die Kosten zu reduzieren und den optischen Winkelsensor zu miniaturisieren, da die dritte Reflexionseinheit ein einzelnes bzw. einziges Glied ist und es nicht notwendig ist, die dritte Reflexionseinheit als eine Mehrzahl von Gliedern entsprechend dem ersten Licht bzw. Lichtstrahl und dem zweiten Licht bzw. Lichtstrahl vorzubereiten.
Zu dieser Zeit beinhaltet die Mehrzahl von Reflexionseinheiten eine sechste Reflexionseinheit, welche das Licht von der Lichtquelle in Richtung zu dem ersten Beugungsteil reflektiert und das kombinierte Licht in Richtung zu der lichtempfangenden Einheit reflektiert.
Gemäß einer derartigen Konfiguration kann der optische Pfad des Lichts in dem optischen Winkelsensor frei gestaltet werden, da die Mehrzahl von Reflexionseinheiten weiters eine sechste Reflexionseinheit für ein Reflektieren des Lichts von der Lichtquelle in Richtung zu dem ersten Beugungsteil und für ein Reflektieren des kombinierten Lichts in Richtung zu der lichtempfangenden Einheit beinhaltet. Weiters ist es möglich, den optischen Winkelsensor durch die Anordnung der sechsten Reflexionseinheit zu miniaturisieren.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die dritte Reflexionseinheit ein Prisma ist.
Hier ist es bevorzugt, dass eine zusätzliche Änderung in dem Bewegungswinkel des Lichts nicht an der dritten Reflexionseinheit auftritt, da die dritte Reflexionseinheit für ein viermaliges Beugen des Lichts von der Lichtquelle durch die Beugungseinheit dient, um die Änderung in dem Bewegungswinkel des Lichts aufzuheben, welche durch die Änderung der Umgebung bewirkt wird. Weiters können, beispielsweise wenn die dritte Reflexionseinheit ein Spiegel ist, welcher das Licht, welches von der Beugungseinheit einfällt bzw. auftrifft, in der entgegengesetzten Richtung reflektiert, ohne versetzt zu werden, Probleme, wie beispielsweise eine Interferenz zwischen dem einfallenden Licht und dem emittierten Licht und die Notwendigkeit eines Anordnens der Lichtquelle und der lichtempfangenden Einheit an derselben Position auftreten.
Andererseits ist ein Prisma eine optische Komponente, welche, im Gegensatz zu einem Spiegel, Licht in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung zurückstrahlt bzw. -reflektiert, in welcher das Licht einfällt. Zu dieser Zeit bzw. in diesem Zusammenhang wird das Licht, welches auf das Prisma einfällt, zweimal in dem Prisma reflektiert, während der Bewegungswinkel in einer spezifischen Richtung beibehalten wird, wird in einer vorbestimmten Richtung versetzt und wird in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu dem einfallenden Licht emittiert.
Daher kann gemäß einer derartigen Konfiguration, da die dritte Reflexionseinheit das Prisma ist, das Licht, welches von der Beugungseinheit einfällt, in einer vorbestimmten Richtung versetzt sein bzw. werden, ohne eine zusätzliche Änderung in dem Bewegungswinkel des Lichts zu bewirken, und auch auf die Beugungseinheit strahlen. Daher ist es möglich, das kombinierte Licht zu stabilisieren, welches durch die lichtempfangende Einheit empfangen bzw. erhalten wird, und den Freiheitsgrad bei einem Entwickeln bzw. Konstruieren des optischen Winkelsensors zu verbessern.
Zu dieser Zeit bzw. in diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass die erste Reflexionseinheit und die zweite Reflexionseinheit an Positionen angeordnet sind, wo die Differenz bzw. der Unterschied zwischen der optischen Weglänge des ersten Lichts von dem Teilungspunkt des Lichts von der Lichtquelle in dem ersten Beugungsteil zu dem kombinierten Punkt für ein Erzeugen bzw. Generieren des kombinierten Lichts in dem ersten Beugungsteil über die erste Reflexionseinheit, die dritte Reflexionseinheit und die vierte Reflexionseinheit und die optische Weglänge des zweiten Lichts von dem Teilungspunkt des Lichts von der Lichtquelle in dem ersten Beugungsteil zu dem kombinierten Punkt für ein Erzeugen des kombinierten Lichts in dem ersten Beugungsteil über die zweite Reflexionseinheit, die dritte Reflexionseinheit und die fünfte Reflexionseinheit innerhalb des Bereichs der kohärenten Länge der Lichtquelle liegt.
Hier ist in dem Laser-Interferometer, welches in JP 11-237207 beschrieben ist, die Differenz in den optischen Weglängen der zwei Laserstrahlen, welche durch den Polarisations-Strahlteiler für eine Rotationswinkeldetektion geteilt wurden, das Doppelte der Länge, welche durch ein Multiplizieren der Anordnungsdistanz bzw. des Anordnungsabstands der zwei Eckenwürfel mit dem Rotationswinkel erhalten wird. Ein Laser, welcher in dem Laser-Interferometer enthalten ist, ist ein He-Ne Laser und eine kohärente Länge davon ist bzw. beträgt einige Meter. Derart kann, selbst wenn optische Längen von zwei Laserstrahlen signifikant verschieden voneinander sind, ein Interferenzlicht auf einer Beleuchtungsoberfläche einer lichtempfangenden Signalbearbeitungseinheit erzeugt bzw. generiert werden.
Jedoch wird beispielsweise in einem Fall, wo ein Halbleiterlaser, in welchem eine kohärente Länge sehr kurz ist und einige Zentimeter beträgt, als eine Lichtquelle verwendet wird, Interferenzlicht nicht auf der Beleuchtungsoberfläche der lichtempfangenden Signalbearbeitungseinheit erzeugt. Daher kann, wenn ein Halbleiterlaser als die Lichtquelle verwendet wird, das Laser-Interferometer nicht fähig sein, das Messziel aufgrund der Beschränkung durch seine sehr kurze kohärente bzw. Kohärenzlänge zu messen. Zusätzlich sind He-Ne Laser sehr teuer und kostspielig.
Jedoch ist es gemäß der oben beschriebenen Konfiguration der vorliegenden Erfindung möglich, zuverlässig Interferenzlicht innerhalb der Beschränkung durch die Kohärenz der Lichtquelle zu bewirken. Und beispielsweise kann durch ein Anordnen der ersten Reflexionseinheit und der zweiten Reflexionseinheit derart, dass die optische Weglänge des ersten Lichts und die optische Weglänge des zweiten Lichts dieselbe Länge sind, wenn sich die Beugungseinheit an einer vorbestimmten Position befindet, selbst wenn ein Halbleiterlaser verwendet wird, das Interferenzlicht erzeugt bzw. generiert werden, indem die Differenz zwischen der optischen Weglänge des jeweiligen Lichts innerhalb von einigen cm gehalten wird, welches die kohärente Länge ist.
Derart kann der optische Winkelsensor einen Halbleiterlaser oder dgl., welcher billig bzw. kostengünstig im Vergleich zu einem He-Ne Laser ist und eine strikte Kohärenzbeschränkung aufweist, als eine Lichtquelle statt eines teuren He-Ne Lasers oder dgl. verwenden, während die Beschränkung durch die Kohärenz der Lichtquelle 3 vermieden wird, und es können dadurch Kosten reduziert werden.
In diesem Fall beinhaltet der optische Winkelsensor vorzugsweise eine erste Viertelwellen-Platte, welche auf einem oder mehreren optischen Weg(en) eines ersten Lichts über die erste Reflexionseinheit, des zweiten Lichts über die zweite Reflexionseinheit, des ersten Lichts über die vierte Reflexionseinheit und des zweiten Lichts über die fünfte Reflexionseinheit angeordnet ist. Der optische Winkelsensor kann beinhalten: einen teilenden bzw. unterteilenden Strahlteiler, welcher kombiniertes Licht in ein erstes unterteiltes Licht und ein zweites unterteiltes Licht unterteilt; eine zweite Viertelwellen-Platte, welche in einem optischen Weg bzw. Pfad von jedem des ersten unterteilten Lichts und des zweiten unterteilten Lichts angeordnet ist, welches durch den unterteilenden Strahlteiler unterteilt wird; einen ersten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler, welcher das erste unterteilte Licht durch die zweite Viertelwellen-Platte in ein erstes polarisiertes Licht und ein zweites polarisiertes Licht unterteilt; eine dritte Viertelwellen-Platte, welche in einem optischen Weg des zweiten unterteilten Lichts durch die zweite Viertelwellen-Platte angeordnet ist; und einen zweiten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler, welcher das zweite unterteilte Licht durch die dritte Viertelwellen-Platte in ein drittes polarisiertes Licht und ein viertes polarisiertes Licht unterteilt. Die lichtempfangende Einheit kann beinhalten: eine erste lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von Null Grad von dem ersten polarisierten Licht aufweist; eine zweite lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 180 Grad von dem zweiten polarisierten Licht aufweist; eine dritte lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 90 Grad von dem dritten polarisierten Licht aufweist; und eine vierte lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 270 Grad von dem vierten polarisierten Licht aufweist. Es ist bevorzugt, dass die Berechnungseinheit, die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf der Mehrzahl von Lichtstrahlen bzw. Lichtern berechnet, welche voneinander unterschiedliche Phasen aufweisen, welche durch die erste lichtempfangende Einheit, die zweite lichtempfangende Einheit, die dritte lichtempfangende Einheit und die vierte lichtempfangende Einheit empfangen werden.
Gemäß einer derartigen Konfiguration kann, da der optische Winkelsensor eine erste Viertelwellen-Platte beinhaltet, welche in einem oder mehreren optischen Weg(en) bzw. Pfad(en) des ersten Lichts und des zweiten Lichts durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten angeordnet ist, und die lichtempfangende Einheit die erste lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von Null Grad aufweist, die zweite lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welche eine Phase von 180 Grad aufweist, die dritte lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 90 Grad aufweist, und die vierte lichtempfangende Einheit beinhaltet, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 270 Grad aufweist, der optische Winkelsensor ein Vier-Phasen-Signal aus dem kombinierten Licht detektieren. Daher kann der optische Winkelsensor beispielsweise ein Vier-Phasen-Signal aus einer Mehrzahl von gebeugtem Licht bzw. gebeugten Lichtstrahlen erhalten und die Verschiebung bzw. Verlagerung des Winkels aufgrund der Rotation des Messziels mit einer hohen Genauigkeit detektieren.
Alternativ beinhaltet der optische Winkelsensor vorzugsweise eine Viertelwellen-Platte, welche auf einem oder mehreren optischen Weg(en) eines ersten Lichts über die erste Reflexionseinheit, des zweiten Lichts über die zweite Reflexionseinheit, des ersten Lichts über die vierte Reflexionseinheit und des zweiten Lichts über die fünfte Reflexionseinheit angeordnet ist. Der optische Winkelsensor kann beinhalten: eine zweite Beugungseinheit, welche eine Beleuchtungsoberfläche, auf welche das kombinierte Licht gestrahlt wird, und ein Beugungsgitter aufweist, welches entlang einer vorbestimmten Richtung vorgesehen ist und welches das kombinierte Licht in eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen bzw. Lichtern kombiniert; eine dritte Beugungseinheit, welche ein Beugungsgitter aufweist, welches entlang einer Richtung normal auf eine vorbestimmte Richtung vorgesehen ist, entlang welcher das Beugungsgitter der zweiten Beugungseinheit vorgesehen ist, und welche weiters die Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen durch die zweite Beugungseinheit in eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen ausbildet; und eine Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen, welche auf den optischen Wegen einer Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen durch die dritte Beugungseinheit angeordnet ist und die Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen in eine Mehrzahl von polarisierten Lichtstrahlen bzw. Lichtern ausbildet, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen. Es ist bevorzugt, dass die lichtempfangende Einheit eine Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten entsprechend jeder der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen beinhaltet, und die Berechnungseinheit die Rotationsrichtung des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf der Mehrzahl von Lichtstrahlen berechnet, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, welche durch die Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten empfangen werden.
Gemäß einer derartigen Konfiguration kann, da der optische Winkelsensor eine Viertelwellen-Platte, welche auf einem oder mehreren optischen Weg(en) des ersten Lichts und des zweiten Lichts über die Reflexionseinheiten angeordnet ist, eine Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen bzw. Polarisatoren entsprechend der Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen, welche durch die zweite Beugungseinheit und die dritte Beugungseinheit gebeugt werden, und eine Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten entsprechend der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen beinhaltet, verglichen mit dem Fall, wo der unterteilende Strahlteiler, der das erste, unterteilte Licht polarisierende Strahlteiler und der das zweite, unterteilte Licht polarisierende Strahlteiler, welche oben beschrieben sind, vorgesehen sind, beispielsweise ein Vier-Phasen-Signal ohne ein Verwenden dieser optischen Komponenten erhalten werden. Derart kann der optische Winkelsensor einen Raum oder Kosten reduzieren, während eine Genauigkeit verglichen mit dem oben beschriebenen optischen Winkelsensor verbessert wird.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
2A bis 2C sind schematische Diagramme, welche die optischen Wege bzw. Pfade des Lichts in dem optischen Winkelsensor illustrieren.
3 ist ein Blockdiagramm, welches den optischen Winkelsensor illustriert.
4A bis 4C sind schematische Diagramme, welche die optischen Wege des Lichts in dem optischen Winkelsensor illustrieren.
5 ist eine schematische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor gemäß der zweiten Ausführungsform illustriert.
6 ist eine schematische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor gemäß der dritten Ausführungsform illustriert.
7 ist eine schematische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor gemäß einer ersten modifizierten Ausführungsform illustriert.
8A und 8B sind schematische Diagramme, welche das erste Beugungsteil und die lichtempfangende Einheit in dem optischen Winkelsensor gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform und der dritten modifizierten Ausführungsform zeigen.
9A und 9B sind schematische Diagramme, welche das erste Beugungsteil und die lichtempfangende Einheit in dem optischen Winkelsensor gemäß der vierten modifizierten Ausführungsform zeigen.
10A bis 10C illustrieren einen konventionellen optischen Winkelsensor.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
[Erste Ausführungsform]
Nachfolgend wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basierend auf 1 bis 4C beschrieben werden.
1 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor 1 gemäß der ersten Ausführungsform illustriert. 2A bis 2C sind schematische Diagramme, welche optische Wege bzw. Pfade von Licht in dem optischen Winkelsensor 1 illustrieren. Spezifisch ist 2A ein Diagramm, welches einen Zustand zeigt, bevor das Messziel in dem optischen Winkelsensor 1 rotiert wird. 2B und 2C sind Diagramme, welche Zustände zeigen, in welchen das Messziel in einer vorbestimmten Richtung in dem optischen Winkelsensor 1 gedreht wird.
Wie dies in 1 und 2A bis 2C gezeigt ist, beinhaltet der optische Winkelsensor 1 eine Beugungseinheit 2, welche ein Beugungsgitter M aufweist, eine Lichtquelle 3 für ein Strahlen von Licht in Richtung zu der Beugungseinheit 2, eine lichtempfangende Einheit 4 für ein Empfangen bzw. Erhalten von Licht durch die Beugungseinheit 2 und eine Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5, welche durch die Lichtquelle bestrahlt werden und das Licht durch die Beugungseinheit 2 in Richtung zu der Beugungseinheit 2 reflektieren.
Der optische Winkelsensor 1 ist im Inneren des Messinstruments für ein Messen des Messziels (nicht gezeigt) vorgesehen, welches zu rotieren ist. In der vorliegenden Ausführungsform rotiert das Messziel mit einer X Achse als der Rotations- bzw. Drehachse AX. Nachfolgend kann die X Achse als die Rotationsachse AX des Messziels beschrieben werden. Für eine Vereinfachung einer Beschreibung ist das Beugungsgitter M in 1 weggelassen und ist in 2A bis 2C illustriert.
Die Beugungseinheit 2 ist ein Beugungsgitter vom transmissiven bzw. durchlässigen Typ, und ist aus einem durchscheinenden Glas gebildet. Es ist festzuhalten bzw. anzumerken, dass die Beugungseinheit 2 nicht auf Glas beschränkt bzw. begrenzt ist und von einem beliebigen durchscheinenden bzw. durchsichtigen Glied gebildet sein kann. Die Beugungseinheit 2 ist bzw. wird an dem Messziel festgelegt, welches mit der X Achse als der Rotationsachse AX zu rotieren ist, und dreht sich synchron mit der Rotation des Messziels.
Das Beugungsgitter M ist in der vorliegenden Ausführungsform bei einer bestimmten Periode m entlang der Y Richtung als der Messrichtung angeordnet. Das Licht von der Lichtquelle 3 durch das Beugungsgitter M ist eine Mehrzahl von gebeugten Lichtern bzw. Lichtstrahlen.
Hier beinhaltet die Mehrzahl von gebeugtem Licht bzw. gebeugten Lichtstrahlen ein gebeugtes Licht, welches sich in einer Richtung bewegt, welche dieselbe wie eine optische Achse von Licht ist, welches von der Lichtquelle 3 emittiert wird, ein gebeugtes Licht, welches sich in bzw. unter einem vorbestimmten Beugungswinkel auf beiden Seiten der optischen Achse bewegt, und ein gebeugtes Licht, welches sich in bzw. unter einem Beugungswinkel größer als dem vorbestimmten Beugungswinkel auf den beiden Seiten der optischen Achse bewegt.
Wenn ein gebeugtes Licht, welches sich in derselben Richtung wie die optische Achse bewegt, ein gebeugtes Licht nullter Ordnung ist, kann die Mehrzahl von gebeugtem Licht bzw. gebeugten Lichtstrahlen geordnet werden als ein gebeugtes Licht ± erster Ordnung und ein gebeugtes Licht ± zweiter Ordnung in einer Richtung, in welcher ein Beugungswinkel groß mit dem gebeugten Licht nullter Ordnung als eine Referenz wird.
Die lichtempfangende Einheit 4 detektiert ein Interferenzsignal aus kombiniertem Licht, welches hauptsächlich durch das gebeugte Licht ± erster Ordnung erzeugt bzw. generiert wird.
Es ist festzuhalten, dass in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen Pfeile mit durchgehender Linie optische Wege bzw. Pfade von Licht andeuten können, welches das kombinierte Licht auf der lichtempfangenden Einheit 4 erzeugt bzw. generiert.
Die Beugungseinheit 2 beinhaltet ein erstes Beugungsteil 21, welches das Licht von der Lichtquelle 3 in ein erstes Licht und ein zweites Licht verschieden von dem ersten Licht unterteilt und beugt, und das erste Licht und das zweite Licht durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 in ein kombiniertes Licht beugt und kombiniert, um durch die lichtempfangende Einheit 4 empfangen bzw. erhalten zu werden, und ein zweites Beugungsteil 22, welches das erste Licht und das zweite Licht durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 zu der Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 beugt und emittiert, und das erste Licht und das zweite Licht, welche durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 reflektiert werden, beugt und emittiert, welche in der entgegengesetzten Richtung zu dem Fall einer Emission auf die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 einfallen bzw. auftreffen.
Das erste Beugungsteil 21 und das zweite Beugungsteil 22 sind nebeneinander in einer Beugungseinheit 2 vorgesehen. Spezifisch ist von dem Beugungsgitter M, welches in einer Beugungseinheit 2 vorgesehen ist, das erste Beugungsteil 21 ein Beugungsgitter M, welches in der Region vorgesehen ist, wo das Licht von der Lichtquelle 3 gestrahlt wird und das erste Licht und das zweite Licht über die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 und das zweite Beugungsteil 22 gestrahlt werden. Von dem Beugungsgitter M, welches in einer Beugungseinheit 2 vorgesehen ist, ist das zweite Beugungsteil 22 ein Beugungsgitter M, welches in der Region vorgesehen ist, wo das erste Licht und das zweite Licht durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 gestrahlt werden. Es ist festzuhalten, dass die Beugungseinheit 2 nicht ein einzelnes bzw. einziges Glied sein muss, sondern eine Mehrzahl von Gliedern bzw. Elementen sein kann. In einem derartigen Fall können das erste Beugungsteil 21 und das zweite Beugungsteil 22 getrennt in jeder von einer Mehrzahl von Beugungseinheiten vorgesehen sein.
Die Lichtquelle 3 emittiert Licht, welches eine gewisse Breite aufweist, in Richtung zu der Beugungseinheit 2. Die Lichtquelle 3 ist beispielsweise ein Halbleiterlaser. Es ist festzuhalten, dass die Lichtquelle 3 nicht auf einen Halbleiterlaser beschränkt ist und nur eine Lichtquelle mit einer kohärenten Länge sein muss, bei welcher Interferenzlicht in dem optischen Winkelsensor erzeugt werden kann.
Die empfangende Einheit 4 weist eine lichtempfangende Oberfläche 40 auf, auf welche das kombinierte Licht gestrahlt wird. Ein PDA (Photodiodenarray) wird als die lichtempfangende Einheit 4 verwendet. Das PDA ist ein optischer Empfänger, welcher eine Eigenschaft aufweist, fähig zu sein, kombiniertes Licht, welches zu einer lichtempfangenden Oberfläche davon emittiert bzw. ausgesandt wird, gleichzeitig zu messen. Die lichtempfangende Einheit 4 ist nicht auf das PDA beschränkt, und jegliche lichtempfangende Vorrichtung, wie beispielsweise ein PSD (positionsempfindlicher Detektor) oder eine CCD (ladungsgekoppelte Vorrichtung) kann verwendet werden.
Die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 beinhaltet eine erste Reflexionseinheit 51, eine zweite Reflexionseinheit 52, eine dritte Reflexionseinheit 53, eine vierte Reflexionseinheit 54, eine fünfte Reflexionseinheit 55 und eine sechste Reflexionseinheit 10, welche fixiert in dem optischen Winkelsensor 1 ohne ein Rotieren vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt sind.
Jede der Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 mit Ausnahme der dritten Reflexionseinheit 53 und der sechsten Reflexionseinheit 10 ist ein Prisma, welches zwei reflektierende Oberflächen aufweist, welche orthogonal aufeinander sind bzw. stehen, und ein linearer orthogonaler Abschnitt 50, welcher erzeugt wird, indem die zwei reflektierenden Oberflächen orthogonal aufeinander gemacht sind bzw. werden, ist derart angeordnet, um parallel zu der x Achse zu sein, welche die Rotationsachse AX des Messziels und der Beugungseinheit 2 ist. Es ist festzuhalten, dass jede der Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 mit Ausnahme der dritten Reflexionseinheit 53 und der sechsten Reflexionseinheit 10 nicht ein Prisma sein muss, und beispielsweise ein Eckenwürfel, in welchem drei plattenartige Körper, welche Licht reflektieren, unter rechten Winkeln zueinander in eine im Wesentlichen kubische bzw. würfelartige Form kombiniert sind bzw. werden, oder ein Katzenauge unter Verwendung von sphärischen Kugeln bzw. Perlen sein kann, wenn es möglich ist, Licht in der entgegengesetzten Richtung zu reflektieren.
Die erste Reflexionseinheit 51 reflektiert das erste Licht, welches durch das erste Beugungsteil 21 geteilt bzw. unterteilt und gebeugt wurde, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil 22 in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das erste Licht auftrifft bzw. einfällt.
Die zweite Reflexionseinheit 52 reflektiert das zweite Licht, welches durch das erste Beugungsteil 21 unterteilt und gebeugt wurde, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil 22 in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das zweite Licht auftrifft.
Die dritte Reflexionseinheit 53 reflektiert das erste Licht und das zweite Licht durch das zweite Beugungsteil in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil.
Die vierte Reflexionseinheit 54 reflektiert das erste Licht, welches durch das zweite Beugungsteil 22 gebeugt wird, in Richtung zu dem ersten Beugungsteil 21 in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das erste Licht auftrifft.
Die fünfte Reflexionseinheit 55 reflektiert das zweite Licht, welches durch das zweite Beugungsteil 22 gebeugt wird, in Richtung zu dem ersten Beugungsteil 21 in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das zweite Licht auftrifft.
Die erste Reflexionseinheit 51 und die vierte Reflexionseinheit 54 sind dasselbe Glied bzw. Element, und die zweite Reflexionseinheit 52 und die fünfte Reflexionseinheit 55 sind dasselbe Glied. D.h., die erste Reflexionseinheit 51 und die vierte Reflexionseinheit 54 sind bzw. werden in demselben Prisma vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt. In ähnlicher Weise werden die zweite Reflexionseinheit 52 und die fünfte Reflexionseinheit 55 in demselben Prisma zur Verfügung gestellt. Die erste Reflexionseinheit 51 und die vierte Reflexionseinheit 54 müssen nicht dasselbe Glied sein, und die zweite Reflexionseinheit 52 und die fünfte Reflexionseinheit 55 müssen nicht dasselbe Glied sein. Jede Reflexionseinheit kann individuell bzw. einzeln in dem optischen Winkelsensor 1 vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt sein bzw. werden.
Die dritte Reflexionseinheit 53 ist ein einzelnes Glied, welches das erste Licht und das zweite Licht in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil 22 reflektiert. Die dritte Reflexionseinheit 53 ist ein Prisma, welches zwei reflektierende Oberflächen aufweist, welche orthogonal aufeinander sind bzw. stehen. Stattdessen kann die dritte Reflexionseinheit 53 ein Spiegel sein. Der Grund, warum die dritte Reflexionseinheit 53 vorzugsweise ein Prisma ist, wird später beschrieben werden.
Die sechste Reflexionseinheit 10 reflektiert das Licht von der Lichtquelle 3 in Richtung zu dem ersten Beugungsteil 21 und reflektiert das kombinierte Licht in Richtung zu der lichtempfangenden Einheit 4. Die sechste Reflexionseinheit 10 ist ein Glied durch ein Kombinieren von zwei Spiegeln. Im Übrigen muss die sechste Reflexionseinheit 10 keine Spiegeln sein, und solange es das Licht von der Lichtquelle 3 in Richtung zu dem ersten Beugungsteil 21 reflektieren kann und das kombinierte Licht in Richtung zu der lichtempfangenden Einheit 4 reflektieren kann, kann jegliches Glied, wie beispielsweise ein Halbspiegel oder ein Strahlteiler verwendet werden. Die sechste Reflexionseinheit 10 muss nicht ein einzelnes Glied sein, sondern kann eine Mehrzahl von Gliedern sein.
Die erste Reflexionseinheit 51 und die zweite Reflexionseinheit 52 sind an Positionen angeordnet, wo die Differenz zwischen der optischen Weglänge des ersten Lichts von dem Teilungspunkt P1 des Lichts von der Lichtquelle 3 in dem ersten Beugungsteil 21 zu dem kombinierten Punkt P2 für ein Erzeugen des kombinierten Lichts in dem ersten Beugungsteil 21 über die erste Reflexionseinheit 51, die dritte Reflexionseinheit 53 und die vierte Reflexionseinheit 54 und die optische Weglänge des zweiten Lichts von dem Teilungspunkt P1 des Lichts von der Lichtquelle 3 in dem ersten Beugungsteil 21 zu dem kombinierten Punkt P2 für ein Erzeugen des kombinierten Lichts in dem ersten Beugungsteil 21 über die zweite Reflexionseinheit 52, die dritte Reflexionseinheit 53 und die fünfte Reflexionseinheit 55 innerhalb des Bereichs der kohärenten Länge der Lichtquelle 3 ist bzw. liegt.
Spezifisch sind in der vorliegenden Ausführungsform, da die kohärente Länge der Lichtquelle 3, welche ein Halbleiterlaser ist, einige cm ist bzw. beträgt, die erste Reflexionseinheit 51 und die zweite Reflexionseinheit 52 an Positionen angeordnet, wo die optische Weglänge des ersten Lichts von dem Teilungspunkt P1 des Lichts von der Lichtquelle 3 in dem ersten Beugungsteil 21 zu dem kombinierten Punkt P2 über die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 und das zweite Beugungsteil 22 und die optische Weglänge des zweiten Lichts von dem Teilungspunkt P1 des Lichts von der Lichtquelle 3 in dem ersten Beugungsteil 21 zu dem kombinierten Punkt P2 über die Reflexionseinheiten 5 und das zweite Beugungsteil 22 dieselbe Länge sind, wenn sich die Beugungseinheit 2 in einer vorbestimmten Position befindet.
Hier ist, wie dies in 2A gezeigt ist, die vorbestimmte Position der Beugungseinheit 2 beispielsweise eine Position, wo das Licht, welches von der Lichtquelle 3 emittiert wird, und die Oberfläche der Beugungseinheit 2, auf welcher das Beugungsgitter M vorgesehen ist, normal aufeinander sind bzw. stehen. Die vorbestimmte Position der Beugungseinheit 2 kann ein Endabschnitt der Beugungseinheit 2 sein oder kann eine beliebige bzw. willkürliche Position sein.
Weiters sind in der vorliegenden Ausführungsform die erste Reflexionseinheit 51 und die vierte Reflexionseinheit 54 und die zweite Reflexionseinheit 52 und die fünfte Reflexionseinheit 55 an Positionen angeordnet, welche ebenen-symmetrisch relativ zu der XZ Ebene sind, welche durch eine X Richtung parallel zu der Rotationsachse AX der Beugungseinheit 2 und eine Z Richtung normal auf eine Oberfläche der Beugungseinheit 2 definiert sind bzw. werden, auf welcher das Beugungsgitter M an der Position vorgesehen ist, welche in 2A gezeigt ist. Im Übrigen müssen die erste Reflexionseinheit 51 und die vierte Reflexionseinheit 54 und die zweite Reflexionseinheit 52 und die fünfte Reflexionseinheit 55 nicht an Positionen angeordnet sein, welche ebenen-symmetrisch relativ zu der XZ Ebene sind.
3 ist ein Blockdiagramm, welches den optischen Winkelsensor 1 illustriert.
Wie dies in 2A bis 2C gezeigt ist, umfasst der optische Winkelsensor 1 weiters eine Berechnungseinheit 6, welche das Ausmaß bzw. die Größe einer Änderung in dem Winkel des Messziels, welches um eine vorbestimmte Achse als einer Rotationsachse rotiert, basierend auf dem Licht berechnet, welches durch die lichtempfangende Einheit 4 empfangen wird.
Die Berechnungseinheit 6 berechnet mit der Rotation der Beugungseinheit 2 die Größe einer Änderung in dem Winkel basierend auf der Änderung in dem Interferenzsignal, welches durch das kombinierte Licht bewirkt wird, welches auf der lichtempfangenden Oberfläche 40 erzeugt bzw. generiert wird. Spezifisch berechnet die Berechnungseinheit 6 mit bzw. bei der Rotation der Beugungseinheit 2 das Ausmaß einer Änderung in dem Winkel basierend auf einer Änderung in einer Phase, welche aus dem Interferenzsignal detektiert wird, welches durch das kombinierte Licht bewirkt wird, welches auf der lichtempfangenden Oberfläche 40 erzeugt wird.
Hier wird ein optischer Weg bzw. Pfad von Licht in dem optischen Sensor 1 auf der Basis von 2A bis 2C beschrieben werden.
Zuerst wird, wie dies in 2A gezeigt ist, das erste Licht durch das erste Beugungsteil 21 geteilt bzw. unterteilt und gebeugt und wird von dem Teilungspunkt P1 auf dem ersten Beugungsteil 21 zu der ersten Reflexionseinheit 51 gestrahlt. Das zweite Licht wird durch das erste Beugungsteil 21 geteilt und gebeugt und wird von dem Teilungspunkt P1 auf dem ersten Beugungsteil 21 zu der zweiten Reflexionseinheit 52 gestrahlt. Zu dieser Zeit wird, wie dies in 2B gezeigt ist, wenn das Messziel in der α Richtung gedreht wird, die Beugungseinheit 2 auch in der α Richtung synchron damit gedreht und es ändert sich der Bewegungswinkel des ersten Lichts und des zweiten Lichts auch in Antwort auf die Rotation der Beugungseinheit 2 in der α Richtung. Wie dies in 2C gezeigt ist, wird, wenn das Messziel in der -α Richtung gedreht wird, die Beugungseinheit 2 auch in der α Richtung synchron damit gedreht und es ändert sich der Bewegungswinkel des ersten Lichts und des zweiten Lichts auch in Antwort auf die Rotation der Beugungseinheit 2 in der -α Richtung.
Als nächstes reflektieren die erste Reflexionseinheit 51 und die zweite Reflexionseinheit 52 das erste Licht und das zweite Licht in einer parallelen und in der entgegengesetzten Richtung in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil 22.
Das erste Licht und das zweite Licht, welche durch das zweite Beugungsteil 22 gebeugt werden, werden in Richtung zu der dritten Reflexionseinheit 53 emittiert. Das erste Licht und das zweite Licht, welche auf der dritten Reflexionseinheit 53 emittiert werden, sind bzw. werden in der X Richtung versetzt, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil 22 reflektiert und durch das zweite Beugungsteil 22 wiederum gebeugt. Nachfolgend wird das erste Licht von dem zweiten Beugungsteil 22 zu der vierten Reflexionseinheit 54 gestrahlt, und es wird das zweite Licht von dem zweiten Beugungsteil 22 zu der fünften Reflexionseinheit 55 gestrahlt. Dann werden das erste Licht, welches auf die vierte Reflexionseinheit 54 gestrahlt wird, und das zweite Licht, welches auf die fünfte Reflexionseinheit 55 gestrahlt ist bzw. wird, in Richtung zu dem ersten Beugungsteil 21 reflektiert und werden an dem kombinierten Punkt P2 des ersten Beugungsteils 21 gebeugt, um das kombinierte Licht zu generieren bzw. zu erzeugen.
In 2B und 2C ist die Position der Beugungseinheit 2 in 2A, bevor das Messziel rotiert, durch unterbrochene Linien illustriert.
4A bis 4C sind schematische Diagramme, welche die optischen Pfade des Lichts in dem optischen Winkelsensor 1 illustrieren. Spezifisch illustriert 4A den optischen Winkelsensor 1, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 660 nm ist. 4B illustriert den optischen Winkelsensor 1, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 630 nm ist. 4C illustriert den optischen Winkelsensor 1, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle 690 nm ist.
Wie dies in 4A gezeigt ist, werden, wenn 660 nm die optimale Wellenlänge der Lichtquelle ist, das erste Licht und das zweite Licht auf die dritte Reflexionseinheit 53 mit einem Abstand S gestrahlt. Dann wird, wenn die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund von Änderungen in der Umgebung variiert, wie dies in 4B und 4C gezeigt ist, das erste Licht versetzt und auf die dritte Reflexion mit einem Abstand S1 oder S2 verschieden von dem Abstand S gestrahlt. Durch ein Beugen des ersten Lichts und des zweiten Lichts, welche den versetzten bzw. Offset-Abstand S1 oder S2 aufweisen, welche die dritte Reflexionseinheit 53 durch die Beugungseinheit 2 wiederum erreichen, hebt der optische Winkelsensor 1 die Abnahme in dem Überlappungsausmaß auf, welche durch den Einfluss des Offset-Abstands S1 oder S2 bewirkt wird.
Spezifisch hebt der optische Winkelsensor 1 die Änderung des Bewegungswinkels des gebeugten Lichts aufgrund der Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle auf, indem bewirkt wird, dass das erste Licht und das zweite Licht denselben optischen Pfaden wie den einfallenden optischen Pfaden des ersten Lichts und des zweiten Lichts in den entgegengesetzten Richtungen durch die dritte Reflexionseinheit 53 folgen, und indem sie durch die Beugungseinheit 2 insgesamt viermal gebeugt werden.
Die dritte Reflexionseinheit 53 reflektiert das erste Licht und das zweite Licht, welche durch das zweite Beugungsteil 22 gebeugt werden, in der parallelen und in der entgegengesetzten Richtung, um wiederum auf das zweite Beugungsteil 22 gestrahlt zu werden. Das erste Licht und das zweite Licht werden durch die vierte Reflexionseinheit und die fünfte Reflexionseinheit 55 in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der einfallenden Richtung reflektiert, folgen denselben optischen Pfaden wie den optischen Pfaden des ersten Lichts und des zweiten Lichts in der entgegengesetzten Richtung und bewirken ein kombiniertes Licht an dem ersten Beugungsteil 21. Das kombinierte Licht, welches an dem ersten Beugungsteil 21 kombiniert wird, bewegt sich auf derselben Achse wie das Licht, welches von der Lichtquelle 3 emittiert wird. D.h., durch ein viermaliges Beugen von Licht durch die Beugungseinheit 2 durch die Reflexion durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 kann der optische Winkelsensor 1 den Einfluss von Änderungen in der Wellenlänge der Lichtquelle aufheben, das Auftreten des Offsets bzw. der Versetzung zwischen dem ersten Licht und dem zweiten Licht unterdrücken, welche das kombinierte Licht darstellen bzw. ausbilden, das Überlappungsausmaß stabilisieren, um eine Schwächung bzw. Dämpfung der Amplitude des Interferenzsignals zu verhindern, und eine hohe Effizienz beibehalten.
Jedoch bewegt sich, wenn beispielsweise die dritte Reflexionseinheit 53 durch einen Spiegel konfiguriert bzw. aufgebaut wird und das erste Licht und das zweite Licht reflektiert werden, ohne in der X Richtung versetzt zu sein, das kombinierte Licht auf derselben Achse wie die Lichtquelle 3. Als ein Resultat kann die lichtempfangende Einheit 4 das kombinierte Licht nicht empfangen.
Daher empfängt bzw. erhält, wie dies in 1 gezeigt ist, durch ein Konfigurieren bzw. Ausbilden der dritten Reflexionseinheit 53 mit einem Prisma und ein Reflektieren des Lichts mit einem Offset bzw. Versatz in der X Richtung die lichtempfangende Einheit 4 das kombinierte Licht mit einem stabilen Überlappungsausmaß, in welchem der Einfluss der Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle unterdrückt ist bzw. wird. Die dritte Reflexionseinheit muss nicht das erste Licht und das zweite Licht in der X Richtung versetzen. Die dritte Reflexionseinheit kann das Licht in einer beliebigen Richtung versetzen, solange die lichtempfangende Einheit das kombinierte Licht empfangen kann. Daher kann die dritte Reflexionseinheit ein Spiegel anstelle eines Prismas sein, und kann ein beliebiges Glied sein, solange es das erste Licht und das zweite Licht durch das zweite Beugungsteil 22 reflektieren kann.
Gemäß einer derartigen ersten Ausführungsform können die folgenden Funktionen und Effekte erzielt bzw. erhalten werden.
(1) Der optische Winkelsensor 1 detektiert eine Änderung in dem Interferenzsignal unter Bezugnahme auf eine vorbestimmte Periode m des Beugungsgitters M, welche durch ein Rotieren der Beugungseinheit 2 erhalten wird, während die Mehrzahl von Reflexionseinheiten fixiert ist bzw. wird, und detektiert ein Ausmaß bzw. eine Größe einer Änderung in dem Winkel aus der Änderung in dem Interferenzsignal. Daher kann der optische Winkelsensor 1 die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund einer Rotation eines Messziels mit einer hohen Genauigkeit aus der Änderung in dem Interferenzsignal basierend auf der vorbestimmten Periode m des Beugungsgitters M detektieren, selbst wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund von Änderungen in der Umwelt ändert.
(2) Durch ein Hindurchtreten durch die dritte Reflexionseinheit 53 kann die Beugungseinheit 2 das Licht von der Lichtquelle 3 zweimal, wenn sie das Licht teilt und kombiniert, und zweimal in dem zweiten Beugungsteil 22 beugen, d.h. insgesamt vier Mal. Der optische Winkelsensor hebt die Änderung des Bewegungswinkels des gebeugten Lichts aufgrund der Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle durch ein viermaliges Beugen des Lichts von der Lichtquelle auf. Demgemäß kann der optische Winkelsensor 1 unterdrücken, dass das erste Licht und das zweite Licht, welche das kombinierte Licht darstellen bzw. ausbilden, welches auf die lichtempfangende Einheit 4 gestrahlt wird, versetzt sind bzw. werden und dass das Überlappungsausmaß reduziert wird. Daher kann der optische Winkelsensor 1 die Größe einer Überlappung des kombinierten Lichts stabilisieren, welches auf die lichtempfangende Einheit 4 gestrahlt ist bzw. wird, selbst wenn die Wellenlänge der Lichtquelle aufgrund der Änderung in der Umgebung geändert wird.
(3) Da die erste Reflexionseinheit 51 und die vierte Reflexionseinheit 54 dasselbe Glied sind, und die zweite Reflexionseinheit 52 und die fünfte Reflexionseinheit 55 dasselbe Glied sind, ist es nicht notwendig, jedes Glied vorzubereiten und die Anordnung individuell einzustellen. Daher können die Kosten reduziert werden und es kann der optische Winkelsensor 1 miniaturisiert werden.
(4) Da die dritte Reflexionseinheit ein einziges Glied ist und es nicht notwendig ist, die dritte Reflexionseinheit als eine Mehrzahl von Gliedern bzw. Elementen entsprechend dem ersten Licht und dem zweiten Licht vorzubereiten, ist es möglich, die Kosten zu reduzieren und den optischen Winkelsensor zu miniaturisieren.
(5) Da die Mehrzahl von Reflexionseinheiten 5 weiters eine sechste Reflexionseinheit 56 für ein Reflektieren des Lichts von der Lichtquelle 3 in Richtung zu dem ersten Beugungsteil 21 und ein Reflektieren des kombinierten Lichts in Richtung zu der lichtempfangenden Einheit 4 beinhaltet, kann der optische Weg des Lichts in dem optischen Winkelsensor 1 frei ausgebildet bzw. konstruiert sein bzw. werden. Weiters ist es möglich, den optischen Winkelsensor 1 durch die Anordnung der sechsten Reflexionseinheit 56 zu miniaturisieren.
(6) Da die dritte Reflexionseinheit 53 das Prisma ist, kann das Licht, welches von der Beugungseinheit 2 einfällt, in der X Richtung versetzt werden, ohne eine zusätzliche Änderung in dem Bewegungswinkel des Lichts zu bewirken, und auf die Beugungseinheit 2 strahlen. Daher ist es möglich, das kombinierte Licht, welches durch die lichtempfangende Einheit 4 empfangen wird, zu stabilisieren und den Freiheitsgrad bei einem Konstruieren bzw. Entwickeln des optischen Winkelsensors 1 zu verbessern.
(7) Durch ein Anordnen der ersten Reflexionseinheit 51, der zweiten Reflexionseinheit 52, der vierten Reflexionseinheit 54 und der fünften Reflexionseinheit 55 derart, dass die optische Weglänge des ersten Lichts und die optische Weglänge des zweiten Lichts dieselbe Länge sind, wenn sich die Beugungseinheit 2 an einer vorbestimmten Position befindet, kann das Interferenzlicht zuverlässig generiert bzw. erzeugt werden, indem die Differenz zwischen der optischen Weglänge eines jeweiligen Lichts innerhalb von einigen cm gehalten wird, welches eine kohärente Länge ist, selbst wenn die Lichtquelle 3 ein Halbleiterlaser ist. Derart kann der optische Winkelsensor 1 einen Halbleiterlaser, welcher billig ist und eine strikte Kohärenzbeschränkung aufweist, als eine Lichtquelle anstelle eines kostspieligen He-Ne Lasers verwenden, während die Beschränkung durch die Kohärenz der Lichtquelle 3 vermieden wird, und dadurch können die Kosten reduziert werden.
[Zweite Ausführungsform]
Nachfolgend wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Basis von 5 beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung werden Abschnitte, welche bereits beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und es wird eine Beschreibung davon weggelassen.
5 ist eine schematische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor 1A gemäß der zweiten Ausführungsform illustriert.
In der ersten Ausführungsform erhält bzw. empfängt die lichtempfangende Einheit 4 das kombinierte Licht und berechnet die Berechnungseinheit 6 das Ausmaß einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf dem Interferenzsignal des kombinierten Lichts, welches durch die lichtempfangende Einheit 4 empfangen wird.
In der zweiten Ausführungsform weist der optische Winkelsensor 1A im Wesentlichen dieselbe Konfiguration wie der optische Winkelsensor 1 in der ersten Ausführungsform mit Ausnahme der lichtempfangenden Einheit 4A auf.
Die zweite Ausführungsform ist verschieden von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass der optische Winkelsensor 1A beinhaltet: eine erste Viertelwellen-Platte 11, welche auf einem oder mehreren optischen Weg(en) eines ersten Lichts über die erste Reflexionseinheit 51, des zweiten Lichts über die zweite Reflexionseinheit 52, des ersten Lichts über die vierte Reflexionseinheit 54 und des zweiten Lichts über die fünfte Reflexionseinheit 55 angeordnet ist; einen unterteilenden Strahlteiler 31, welcher ein kombiniertes Licht in ein erstes unterteiltes Licht 31a und ein zweites unterteiltes Licht 31b unterteilt; eine zweite Viertelwellen-Platte 12, welche in einem optischen Weg bzw. Pfad von jedem des ersten unterteilten Lichts 31a und des zweiten unterteilten Lichts 31b angeordnet ist, welche durch den unterteilenden Strahlteiler 31 unterteilt werden; einen ersten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 32, welcher das erste unterteilte Licht 31a durch die zweite Viertelwellen-Platte 12 in ein erstes polarisiertes Licht 32a und ein zweites polarisiertes Licht 32b unterteilt; eine dritte Viertelwellen-Platte 13, welche in einem optischen Weg des zweiten unterteilten Lichts 31b durch die zweite Viertelwellen-Platte 12 angeordnet ist; und einen zweiten, ein unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 33, welcher das zweite unterteilte Licht 31b durch die dritte Viertelwellen-Platte 13 in ein drittes polarisiertes Licht 33a und ein viertes polarisiertes Licht 33b unterteilt, und die lichtempfangende Einheit 4A beinhaltet eine Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41 bis 44, und die Berechnungseinheit 6 berechnet die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf einer Vielzahl von Lichtern bzw. Lichtstrahlen, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, welche durch die Mehrzahl der lichtempfangenden Einheiten 41 bis 44 empfangen werden. Im Übrigen ist, für eine Erleichterung eines Illustrierens einer lichtempfangenden Einheit 4A, die sechste Reflexionseinheit 10 als zwei Glieder anstelle eines Glieds bzw. Elements illustriert.
Die erste Viertelwellen-Platte 11 ist auf dem optischen Weg des zweiten Lichts durch die zweite Reflexionseinheit 52 und die fünfte Reflexionseinheit 55 vorgesehen. Die erste Viertelwellen-Platte 11 kann irgendwo vorgesehen sein, solange sie sich auf einem oder mehreren der optischen Wege eines ersten Lichts über die erste Reflexionseinheit 51, des zweiten Lichts über die zweite Reflexionseinheit 52, des ersten Lichts über die vierte Reflexionseinheit 54 und des zweiten Lichts über die fünfte Reflexionseinheit 55 befindet.
Der unterteilende Strahlteiler 31 ist ein nichtpolarisierender Strahlteiler. Es ist festzuhalten bzw. anzumerken, dass der unterteilende Strahlteiler 31 das kombinierte Licht von dem zweiten Beugungsteil in ein erstes unterteiltes Licht 31a und ein zweites unterteiltes Licht 31b als das gemittelte nicht-polarisierte Licht unterteilt.
Der erste, ein unterteiltes Licht polarisierende Strahlteiler 32 und der zweite, ein unterteiltes Licht polarisierende Strahlteiler 33 sind eine optische Vorrichtung, welche das unterteilte Licht 31a und 31b von dem unterteilenden Strahlteiler 31 in zwei Polarisationskomponenten, ein S-polarisiertes Licht, welches ein S-zufällig polarisiertes Licht ist, und ein P-polarisiertes Licht trennt, welches ein P-zufällig polarisiertes Licht ist.
Spezifisch transmittiert der erste, ein unterteiltes Licht polarisierende Strahlteiler 32 das erste polarisierte Licht 32a, welches das P-polarisierte Licht ist, und reflektiert das zweite polarisierte Licht 32b, welches das S-polarisierte Licht ist. Der zweite, das unterteilte Licht polarisierende Strahlteiler 33 transmittiert das dritte polarisierte Licht 33a, welches das P-polarisierte Licht ist, und reflektiert das vierte polarisierte Licht 33b, welches das S-polarisierte Licht ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist bzw. wird das S-polarisierte Licht als das zweite polarisierte Licht 32b und das vierte polarisierte Licht 33b beschrieben, und es wird das P-polarisierte Licht als das erste polarisierte Licht 32a und das dritte polarisierte Licht 33a beschrieben. Jedoch ist willkürlich, welches polarisierte Licht das S-polarisierte Licht oder das P-polarisierte Licht ist.
Die lichtempfangende Einheit 4A beinhaltet eine erste lichtempfangende Einheit 41, welche Licht empfängt, welches eine Phase von Null Grad von dem ersten polarisierten Licht 32a aufweist, eine zweite lichtempfangende Einheit 42, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 180 Grad von dem zweiten polarisierten Licht 32b aufweist, eine dritte lichtempfangende Einheit 43, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 90 Grad von dem dritten polarisierten Licht 33a aufweist, und eine vierte lichtempfangende Einheit 44, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 270 Grad von dem vierten polarisierten Licht 33b aufweist.
Die Berechnungseinheit 6 berechnet die Richtung einer Rotation eines Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf der Mehrzahl von Lichtstrahlen, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, welche durch die erste lichtempfangende Einheit 41, die zweite lichtempfangende Einheit 42, die dritte lichtempfangende Einheit 43 und die vierte lichtempfangende Einheit 44 empfangen werden.
Nachfolgend wird der optische Weg des Lichts nach dem unterteilenden Strahlteiler 31 beschrieben werden.
Das erste unterteilte Licht 31a wird Licht, dessen Phase um 90 Grad von dem ersten unterteilten Licht 31a verschoben ist, indem es durch die zweite Viertelwellen-Platte 12 hindurchtritt, und wird zu dem ersten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 32 gestrahlt. Das erste unterteilte Licht 31a, welches zu dem ersten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 32 gestrahlt wird, wird in das erste polarisierte Licht 32a, welches ein S-polarisiertes Licht ist, und das zweite polarisierte Licht 32b unterteilt bzw. geteilt, welches ein P-polarisiertes Licht ist. Dann empfängt die erste lichtempfangende Einheit 41 das erste polarisierte Licht 32a und empfängt das Interferenzlicht, welches eine Phase von 0 Grad aufweist. Die zweite lichtempfangende Einheit 42 empfängt das zweite polarisierte Licht 32b und empfängt das Interferenzlicht, welches eine Phase von 180 Grad aufweist.
Das zweite unterteilte Licht 31b wird Licht, Licht, dessen Phase um 180 Grad von dem zweiten unterteilten Licht 31b verschoben ist, indem es durch die zweite Viertelwellen-Platte 12 und die dritte Viertelwellen-Platte 13 hindurchtritt, und wird zu dem zweiten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 33 gestrahlt. Das zweite unterteilte Licht 31b, welches zu dem zweiten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 33 gestrahlt wird, wird in das dritte polarisierte Licht 33a, welches ein S-polarisiertes Licht ist, und das vierte polarisierte Licht 33b unterteilt, welches ein P-polarisiertes Licht ist. Dann empfängt die dritte lichtempfangende Einheit 43 das dritte polarisierte Licht 33a und empfängt das Interferenzlicht, welches eine Phase von 90 Grad aufweist. Die vierte lichtempfangende Einheit 44 empfängt das vierte polarisierte Licht 33b und empfängt das Interferenzlicht, welches eine Phase von 270 Grad aufweist. Derart kann die Berechnungseinheit 6 (siehe 3) ein Vier-Phasen-Signal von der Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41 bis 44 erhalten. Die Berechnungseinheit 6 berechnet und detektiert die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels durch die Berechnung basierend auf diesem Vier-Phasen-Signal.
In einer derartigen zweiten Ausführungsform ist es auch möglich, Funktionen und Effekte ähnlich zu denjenigen in (1) bis (7) in der ersten Ausführungsform zu erhalten. Zusätzlich können die folgende Funktion und der folgende Effekt erhalten werden.
(8) Da der optische Winkelsensor 1A eine erste Viertelwellen-Platte 11 beinhaltet, welche auf dem optischen Weg des zweiten Lichts vorgesehen ist, und die lichtempfangende Einheit 4A die erste lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von Null Grad aufweist, die zweite lichtempfangende Einheit 42, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 180 Grad aufweist, die dritte lichtempfangende Einheit 43, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 90 Grad aufweist, und die vierte lichtempfangende Einheit 44 beinhaltet, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 270 Grad aufweist, kann der optische Winkelsensor 1A ein Vier-Phasen-Signal aus dem kombinierten Licht detektieren. Daher kann der optische Winkelsensor 1A das Vier-Phasen-Signal aus der Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen erhalten, und die Verlagerung des Winkels aufgrund der Rotation des Messziels mit einer hohen Genauigkeit detektieren.
[Dritte Ausführungsform]
Nachfolgend wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf der Basis von 6 beschrieben werden. In der folgenden Beschreibung werden Abschnitte bzw. Bereiche, welche bereits beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und es wird eine Beschreibung davon weggelassen.
6 ist eine schematische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor 1B gemäß der dritten Ausführungsform illustriert.
In der zweiten Ausführungsform beinhaltet der optische Winkelsensor 1A den unterteilenden Strahlteiler 31, die zweite Viertelwellen-Platte 12, die dritte Viertelwellen-Platte 13, den ersten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 32, den zweiten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 33 und die Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41 bis 44.
Wie dies in 6 gezeigt ist, ist die dritte Ausführungsform verschieden von der zweiten Ausführungsform dahingehend, dass der optische Winkelsensor beinhaltet: eine Viertelwellen-Platte 11, welche auf einem oder mehreren optischen Weg(en) eines ersten Lichts über die erste Reflexionseinheit 51, des zweiten Lichts über die zweite Reflexionseinheit 52, des ersten Lichts über die vierte Reflexionseinheit 54 und des zweiten Lichts über die fünfte Reflexionseinheit 55 angeordnet ist; eine zweite Beugungseinheit 71, welche eine Beleuchtungsoberfläche 70, auf welche das kombinierte Licht gestrahlt wird, und ein Beugungsgitter 711 aufweist, welches entlang einer vorbestimmten Richtung vorgesehen ist und welches das kombinierte Licht in eine Mehrzahl von gebeugten Lichtern bzw. Lichtstrahlen kombiniert; eine dritte Beugungseinheit 72, welche ein Beugungsgitter 722 aufweist, welches entlang einer Richtung orthogonal auf eine vorbestimmte Richtung vorgesehen ist, entlang welcher das Beugungsgitter 711 der zweiten Beugungseinheit 71 vorgesehen ist, und welche weiters die Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen durch die zweite Beugungseinheit 71 in eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen macht bzw. ausbildet; und eine Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen bzw. Polarisatoren 81 bis 84, welche auf den optischen Wegen bzw. Pfaden einer Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen durch die dritte Beugungseinheit 72 angeordnet sind und die Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen in eine Mehrzahl von polarisierten Lichtern bzw. Lichtstrahlen konvertieren bzw. umwandeln, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, und die lichtempfangende Einheit 4B eine Mehrzahl von lichtempfangenden Einheit 41B bis 44B entsprechend jeder der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 enthält, und die Berechnungseinheit 6 die Rotationsrichtung des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf der Mehrzahl von Lichtstrahlen berechnet, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, welche durch die Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41B bis 44B erhalten bzw. empfangen werden. Im Übrigen ist für eine Erleichterung eines Illustrierens einer lichtempfangenden Einheit 4A die sechste Reflexionseinheit 10 als zwei Glieder bzw. Elemente eher als ein Glied illustriert.
Die zweite Beugungseinheit 71 und die dritte Beugungseinheit 72 unterteilen das kombinierte Licht von dem zweiten Beugungsteil 22 in vier gebeugte Lichtstrahlen als das gemittelte nicht-polarisierte Licht.
Die Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 sind polarisierte Linsen. Die Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen beinhaltet eine erste Polarisiereinrichtung 81, eine zweite Polarisiereinrichtung 82, eine dritte Polarisiereinrichtung 83 und eine vierte Polarisiereinrichtung 84. Im Übrigen kann jegliches Material als die Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 verwendet werden, solange es einfallendes Licht polarisieren kann.
Die lichtempfangende Einheit 4B ist auf einer einzigen bzw. einzelnen Oberfläche vorgesehen, welche zu der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 gerichtet ist. Die lichtempfangende Einheit 4B beinhaltet eine erste lichtempfangende Einheit 41B, eine zweite lichtempfangende Einheit 42B, eine dritte lichtempfangende Einheit 43B und eine vierte lichtempfangende Einheit 44B.
Eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen, welche durch die zweite Beugungseinheit 71 und die dritte Beugungseinheit 72 geteilt bzw. unterteilt werden, wird eine Mehrzahl von polarisierten Lichtstrahlen, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, wenn die Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen durch die Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 hindurchtritt.
Die erste lichtempfangende Einheit 41B empfängt Licht, welches durch die erste Polarisiereinrichtung 81 transmittiert wird und welches eine Phase von 0 Grad aufweist. Die zweite lichtempfangende Einheit 42B empfängt Licht, welches durch die zweite Polarisiereinrichtung 82 transmittiert wird und welches eine Phase von 90 Grad aufweist. Die dritte lichtempfangende Einheit 43B empfängt Licht, welches durch die dritte Polarisiereinrichtung 83 transmittiert wird und welches eine Phase von 180 Grad aufweist. Die vierte lichtempfangende Einheit 44B empfängt Licht, welches durch die vierte Polarisiereinrichtung 84 transmittiert wird und welches eine Phase von 270 Grad aufweist.
Demgemäß kann die Berechnungseinheit 6 das Vier-Phasen-Signal von der lichtempfangenden Einheit 4B erhalten und kann die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels aus dem Vier-Phasen-Signal berechnen und detektieren.
Da die lichtempfangende Einheit 4B auf einer einzelnen Oberfläche vorgesehen ist, welche zu der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 gerichtet ist, kann die lichtempfangende Einheit 4B modularisiert werden. Daher muss der optische Winkelsensor 1B nicht mit der Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41B bis 44B an jeder Position, wo Licht gestrahlt wird, wie in der zweiten Ausführungsform versehen werden, wobei dies Kosten reduzieren und Platz sparen kann.
In einer derartigen dritten Ausführungsform ist es auch möglich, Funktionen und Effekte ähnlich zu denjenigen in (1) bis (7) in der ersten Ausführungsform zu erhalten. Zusätzlich können die folgende Funktion und der folgende Effekt erhalten werden.
(9) Da der optische Winkelsensor 1B die Viertelwellen-Platte 11, welche auf dem optischen Weg des zweiten Lichts vorgesehen ist, die Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 entsprechend der Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen, welche durch die zweite Beugungseinheit 71 und die dritte Beugungseinheit 73 gebeugt werden, und eine Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41B bis 44B entsprechend der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 beinhaltet, kann, verglichen mit einem optischen Winkelsensor in der zweiten Ausführungsform, welcher den unterteilenden Strahlteiler 31, den ersten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 32 und den zweiten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler 33 beinhaltet, der optische Winkelsensor 1B ein Vier-Phasen-Signal ohne ein Verwenden dieser optischen Komponenten erhalten. Derart ist es, verglichen mit dem optischen Winkelsensor 1A in der zweiten Ausführungsform, möglich, eine Raumeinsparung und Kostenreduktion zu erzielen, während eine hohe Genauigkeit erzielt bzw. erhalten wird.
(10) Die lichtempfangende Einheit 4B beinhaltet die Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41B bis 44B, welche auf derselben Ebene in einer Weise vorgesehen ist, um zu der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 gerichtet zu sein, und welche jeweils der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen 81 bis 84 entspricht. Derart kann der optische Winkelsensor 1B durch eine Modularisierung verkleinert sein bzw. werden.
[Modifikation einer Ausführungsform]
Es ist festzuhalten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf jede der obigen Ausführungsformen beschränkt bzw. begrenzt ist und eine Modifikation bzw. Abwandlung, Verbesserung und dgl. innerhalb des Geists und des Rahmens bzw. Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Beispielsweise ist in den obigen Ausführungsformen der optische Winkelsensor (1, 1A bis 1B) in einem Messinstrument vorgesehen, wobei er jedoch in einem anderen Gegenstand anstelle des Messinstruments vorgesehen sein kann. D.h., welches Element mit dem optischen Winkelsensor versehen ist, ist nicht besonders beschränkt.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen detektiert der optische Winkelsensor (1, 1A bis 1B) die Größe einer Änderung in dem Winkel von bzw. aus dem gebeugten Licht ± erster Ordnung, wobei es jedoch ein Gegenstand eines Designs bzw. einer Konstruktion ist, basierend auf welchem Licht der optische Winkelsensor die Änderungsgröße bzw. das Änderungsausmaß in dem Winkel detektiert. Kurz gesagt, muss die Berechnungseinheit nur fähig sein, die Größe einer Änderung in dem Winkel basierend auf der Änderung in dem Interferenzsignal aufgrund des kombinierten Lichts zu berechnen, wenn bzw. da sich die Beugungseinheit dreht.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist die dritte Reflexionseinheit 53 ein einzelnes Glied, welches das erste Licht und das zweite Licht in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil reflektiert. Jedoch kann die dritte Reflexionseinheit eine Mehrzahl von Gliedern sein, welche individuell bzw. einzeln entsprechend dem ersten Licht und dem zweiten Licht vorgesehen bzw. zur Verfügung gestellt sind. Kurz gesagt, es kann die dritte Reflexionseinheit eine einzelne oder eine Mehrzahl sein, solange sie das erste Licht und das zweite Licht, welche durch das zweite Beugungsteil hindurchgetreten sind, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil reflektieren kann. Weiters kann die dritte Reflexionseinheit in einer beliebigen Form bzw. Gestalt ausgebildet sein.
7 ist eine schematische Ansicht, welche einen optischen Winkelsensor 1C gemäß einer ersten abgewandelten Ausführungsform illustriert.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist der optische Winkelsensor (1, 1A bis 1B) mit der sechsten Reflexionseinheit 10 versehen.
Der optische Winkelsensor 1C in der vorliegenden modifizierten bzw. abgewandelten Ausführungsform ist verschieden von jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen dahingehend, dass der optische Winkelsensor 1C nicht mit der sechsten Reflexionseinheit versehen ist. Wie dies in 7 gezeigt ist, kann die lichtempfangende Einheit 4 das kombinierte Licht durch die Beugungseinheit 2 empfangen, welche synchron mit der Rotation des Messziels rotiert, selbst wenn die sechste Reflexionseinheit nicht vorgesehen ist.
8A und 8B sind schematische Diagramme, welche das erste Beugungsteil 21D und 21E und die lichtempfangende Einheit 4D und 4EW in dem optischen Winkelsensor 1D und 1E gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform und der dritten modifizierten Ausführungsform zeigen. Spezifisch illustriert 8A die zweite modifizierte Ausführungsform, und es illustriert 8B die dritte modifizierte Ausführungsform. Weiters sind 9A und 9B schematische Diagramme, welche das erste Beugungsteil 21F und die lichtempfangende Einheit 4F in dem optischen Winkelsensor 1F gemäß der vierten modifizierten Ausführungsform zeigen.
Das erste Beugungsteil und die lichtempfangende Einheit für ein Erzeugen des kombinierten Lichts in der Beugungseinheit des optischen Winkelsensors gemäß der vorliegenden Erfindung sind nicht auf diejenigen beschränkt, welche in der zweiten Ausführungsform und der dritten Ausführungsform gezeigt sind, und können das erste Beugungsteil und die lichtempfangende Einheit sein, wie dies in der zweiten bis vierten modifizierten Ausführungsform gezeigt ist.
Weiters kann in der vorliegenden Erfindung, da der optische Weg zwischen dem Licht von der Lichtquelle und dem kombinierten Licht durch die dritte Reflexionseinheit versetzt sein bzw. werden kann, das erste Beugungsteil mit einer Region für ein Unterteilen des Lichts von der Lichtquelle und einer Region für ein Erzeugen des kombinierten Lichts getrennt voneinander versehen sein.
Im Übrigen ist in 8A bis 9B für eine Erleichterung einer Erklärung die Region des ersten Beugungsteils für ein Unterteilen des Lichts von der Lichtquelle nicht illustriert, und es ist nur die Region des ersten Beugungsteils für ein Erzeugen eines kombinierten Lichts gemäß einer modifizierten Ausführungsform illustriert.
Beispielsweise umfasst, wie dies in 8A gezeigt ist, die lichtempfangende Einheit 4D gemäß der zweiten modifizierten Ausführungsform eine Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen 45, welche entlang der Y Richtung angeordnet sind, welches dieselbe Richtung wie die Richtung ist, in welcher das Beugungsgitter M vorgesehen ist. In der zweiten modifizierten Ausführungsform wird das erste Licht durch das Beugungsgitter in einer Seite einer -Y Richtung gebeugt und es wird das zweite Licht in der Seite einer +Y Richtung gebeugt. Hier wird, wenn das erste Licht beispielsweise ein gebeugtes Licht + erster Ordnung ist und das zweite Licht beispielsweise ein gebeugtes Licht - erster Ordnung ist, die andere Ordnung eines gebeugten Lichts (z.B. ± zweiter Ordnung) in einer Richtung verschieden von dem ersten Licht und dem zweiten Licht gebeugt. Daher wird eine andere Ordnung eines gebeugten Lichts nicht auf die lichtempfangende Einheit 4D gestrahlt. Das erste Licht (gebeugtes Licht + erster Ordnung) und das zweite Licht (gebeugtes Licht - erster Ordnung) erzeugen bzw. generieren Interferenzstreifen auf der lichtempfangenden Oberfläche 40D der lichtempfangenden Einheit 4D entlang der X Richtung, welche eine Richtung parallel zu der Rotationsachse der Beugungseinheit 2 ist.
Die Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen 45 ist synchron mit der Periode der Interferenzstreifen angeordnet, um ein Vier-Phasen-Signal (eine Mehrzahl von sinusförmigen Signalen) zu erhalten, welches eine Phasendifferenz aufweist. Zu dieser Zeit bzw. hier ist, wenn das Beugungsgitter M des ersten Beugungsteils 21 (siehe 1), welches das Licht von der Lichtquelle 3 unterteilt, ausgebildet bzw. konstruiert ist, um beispielsweise eine Periode von 1 µm aufzuweisen, das Beugungsgitter M des ersten Beugungsteils 21D für ein Erzeugen von kombiniertem Licht ausgebildet, um eine Periode von 1,005 µm mit einer geringen Abweichung von der Periode des Beugungsgitters M des ersten Beugungsteils 21 aufzuweisen. Dann ist die Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen 45 ausgebildet bzw. konstruiert, um eine Periode von 1,005 µm in einer derartigen Weise aufzuweisen, um dieselbe Periode wie das Beugungsgitter M des ersten Beugungsteils 21D aufzuweisen.
Die Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen 45 beinhaltet ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von Null Grad aufweist, ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von 90 Grad aufweist, ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von 180 Grad aufweist, und ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von 270 Grad aufweist. Diese Elemente sind bzw. werden wiederholt in dieser Reihenfolge entlang der Y Richtung angeordnet. Die Berechnungseinheit 6 kann die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels aus dem Vier-Phasen-Signal basierend auf den Interferenzstreifen berechnen, welche durch die lichtempfangende Einheit 4D empfangen werden.
Weiters umfasst, wie dies in 8B gezeigt ist, die lichtempfangende Einheit 4E gemäß der dritten modifizierten Ausführungsform eine Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen 45E, welche entlang der Richtung parallel zu der X Richtung angeordnet sind, welche die Rotationsachse AX der Beugungseinheit 2 ist. Zu dieser Zeit beinhaltet das erste Beugungsteil 21E ein geneigtes Beugungsgitter ME, welches mit einem vorbestimmten Neigungswinkel β angeordnet ist. Das erste Licht, welches durch das geneigte Beugungsgitter transmittiert wird, wird in einer Seite einer +X Richtung gebeugt und das zweite Licht wird in einer Seite einer -X Richtung gebeugt.
Hier wird, wenn das erste Licht beispielsweise ein gebeugtes Licht + erster Ordnung ist und das zweite Licht beispielsweise ein gebeugtes Licht - erster Ordnung ist, die andere Ordnung eines gebeugten Lichts (z.B. ± zweite Ordnung) in einer Richtung verschieden von dem ersten Licht und dem zweiten Licht gebeugt. Daher wird eine andere Ordnung eines gebeugten Lichts nicht auf die lichtempfangende Einheit 4E gestrahlt. Das erste Licht (gebeugtes Licht + erster Ordnung) und das zweite Licht (gebeugtes Licht - erster Ordnung) erzeugen Interferenzstreifen auf der lichtempfangenden Oberfläche 40E der lichtempfangenden Einheit 4E entlang der Y Richtung, welche eine Richtung normal auf die Rotationsachse AX der Beugungseinheit 2 ist.
Die Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen 45E ist synchron mit der Periode der Interferenzstreifen angeordnet, welche auf der lichtempfangenden Oberfläche 40E erzeugt bzw. generiert werden, um fähig zu sein, ein Vier-Phasen-Signal zu erhalten. Zu dieser Zeit bzw. hier enthält die Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen 45E, wie in der zweiten modifizierten Ausführungsform, ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von Null Grad aufweist, ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von 90 Grad aufweist, ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von 180 Grad aufweist, und ein Element, welches Licht empfängt, welches eine Phase von 270 Grad aufweist. Diese Elemente sind wiederholt in dieser Reihenfolge entlang der X Richtung angeordnet. Die Berechnungseinheit 6 kann die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels aus dem Vier-Phasen-Signal basierend auf den Interferenzstreifen berechnen, welche durch die lichtempfangende Einheit 4E empfangen werden.
In der vierten modifizierten Ausführungsform beinhaltet, wie dies in 9A illustriert ist, das erste Beugungsteil 21F eine Mehrzahl von Beugungsteilen 21Fa bis 21Fd, welche verschiedene Phasen voneinander aufweisen. Die lichtempfangende Einheit 4F beinhaltet eine Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41F bis 44F, welche jeweils der Mehrzahl von Beugungsteilen 21Fa bis 21Fd entsprechen.
Wie dies in 9B illustriert ist, ist in einem Fall, wo eine Periode des Beugungsgitters MF p ist, eine ganze Zahl n ist und ein Versatz bzw. Offset k ist, die Mehrzahl von Beugungsteilen 21Fa bis 21Fd, welche nebeneinander in der Y Richtung vorgesehen sind, in einer Beziehung angeordnet, wie sie durch den Ausdruck (1) repräsentiert wird.
$k1 = n \times p + p / 8$
Spezifisch ist bzw. wird das Beugungsteil 21Fb versetzt von dem Beugungsteil 21Fa um den Wert von k1 angeordnet, welcher aus dem Ausdruck (1) erhalten wird. Das Beugungsteil 21Fc ist in der Y-Achsen-Richtung von dem Beugungsteil 21Fa um den Wert von k2 versetzt, welcher aus p/4 erhalten wird. Das Beugungsteil 21Fd ist von dem Beugungsteil 21Fc um den Wert von k1 versetzt angeordnet, welcher aus dem Ausdruck (1) erhalten wird.
Die Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten 41F bis 44F empfängt jeweils interferierende Lichtstrahlen, welche unterschiedliche Phasen aufweisen, von der Mehrzahl von Beugungsteilen 21Fa bis 21Fd.
Die Berechnungseinheit 6 kann die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf dem Licht berechnen, welches durch die Mehrzahl von lichtempfangenden Einheit 41F bis 44F empfangen bzw. erhalten wird.
Daher kann der optische Winkelsensor die Größe bzw. das Ausmaß einer Änderung in dem Winkel des Messziels durch ein Verwenden von irgendeinem ersten Beugungsteil und einer lichtempfangenden Einheit detektieren, wie sie in der zweiten Ausführungsform, der dritten Ausführungsform und der zweiten bis vierten modifizierten Ausführungsform beschrieben sind. Kurz gesagt, es wird die Beugungseinheit in dem optischen Winkelsensor an einem Messziel festgelegt, welches um eine vorbestimmte Achse als einer Rotationsachse rotiert, und rotiert synchron mit der Rotation des Messziels, und die Berechnungseinheit muss nur fähig sein, die Größe einer Änderung in dem Winkel aus dem Interferenzsignal aufgrund der Rotation der Beugungseinheit basierend auf dem kombinierten Licht zu berechnen, welches durch die lichtempfangende Einheit empfangen wird.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie dies oben beschrieben ist, kann die vorliegende Erfindung geeignet an einem optischen Winkelsensor angewandt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2003156319 A [0003]
JP 11237207 [0005, 0008, 0035]

Claims

Optischer Winkel, umfassend: eine Beugungseinheit, welche ein Beugungsgitter aufweist, welches bei einer vorbestimmten Periode entlang der Messrichtung angeordnet ist; eine Lichtquelle für ein Bestrahlen von Licht in Richtung zu der Beugungseinheit; eine lichtempfangende Einheit für ein Empfangen von Licht durch die Beugungseinheit; eine Berechnungseinheit für ein Berechnen der Größe einer Änderung in dem Winkel eines Messziels, welches um eine vorbestimmte Achse als eine Rotationsachse rotiert, basierend auf dem Licht, welches durch die lichtempfangende Einheit empfangen wird; und eine Mehrzahl von Reflexionseinheiten, welche durch die Lichtquelle bestrahlt werden und Licht durch die Beugungseinheit in Richtung zu der Beugungseinheit reflektieren, wobei die Beugungseinheit an dem Messziel festgelegt ist und synchron mit der Rotation des Messziels rotiert, und die Beugungseinheit umfasst: ein erstes Beugungsteil, welches das Licht von der Lichtquelle in ein erstes Licht und ein zweites Licht verschieden von dem ersten Licht teilt und beugt, und das erste Licht und das zweite Licht durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten in ein kombiniertes Licht beugt und kombiniert, um durch die lichtempfangende Einheit empfangen zu werden; und ein zweites Beugungsteil, welches das erste Licht und das zweite Licht durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten zu der Mehrzahl von Reflexionseinheiten beugt und emittiert, und das erste Licht und das zweite Licht beugt und emittiert, welche durch die Mehrzahl von Reflexionseinheiten reflektiert werden, welche in der entgegengesetzten Richtung zu dem Fall einer Emission auf die Mehrzahl von Reflexionseinheiten auftreffen, die Mehrzahl von Reflexionseinheiten umfasst: eine erste Reflexionseinheit für ein Reflektieren des ersten Lichts, welches durch das erste Beugungsteil geteilt und gebeugt wird, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das erste Licht einfällt bzw. auftrifft; eine zweite Reflexionseinheit für ein Reflektieren des zweiten Lichts, welches durch das erste Beugungsteil geteilt und gebeugt wird, in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das zweite Licht auftrifft; eine dritte Reflexionseinheit für ein Reflektieren des ersten Lichts und des zweiten Lichts durch die Einheit des zweiten Teils in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil; eine vierte Reflexionseinheit für ein Reflektieren des ersten Lichts, welches durch das zweite Beugungsteil gebeugt wird, in Richtung zu dem ersten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das erste Licht auftrifft; und eine fünfte Reflexionseinheit für ein Reflektieren des zweiten Lichts, welches durch das zweite Beugungsteil gebeugt wird, in Richtung zu dem ersten Beugungsteil in einer Richtung parallel zu und entgegengesetzt zu der Richtung, in welcher das zweite Licht auftrifft, die empfangende Einheit eine lichtempfangende Oberfläche beinhaltet, auf welche das kombinierte Licht gestrahlt wird, und die Berechnungseinheit, mit der Rotation der Beugungseinheit, die Größe einer Änderung in dem Winkel basierend auf der Änderung in dem Interferenzsignal berechnet, welches durch das kombinierte Licht bewirkt wird, welches auf der lichtempfangenden Oberfläche erzeugt wird.
Optischer Winkelsensor nach Anspruch 1, wobei die erste Reflexionseinheit und die vierte Reflexionseinheit dasselbe Glied sind und die zweite Reflexionseinheit und die fünfte Reflexionseinheit dasselbe Glied sind.
Optischer Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dritte Reflexionseinheit ein einzelnes Glied ist, welches das erste Licht und das zweite Licht in Richtung zu dem zweiten Beugungsteil reflektiert.
Optischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mehrzahl von Reflexionseinheiten eine sechste Reflexionseinheit umfasst, welche das Licht von der Lichtquelle in Richtung zu dem ersten Beugungsteil reflektiert und das kombinierte Licht in Richtung zu der lichtempfangenden Einheit reflektiert.
Optischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die dritte Reflexionseinheit ein Prisma ist.
Optischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die erste Reflexionseinheit und die zweite Reflexionseinheit an Positionen angeordnet sind, wo die Differenz zwischen der optischen Weglänge des ersten Lichts von dem Teilungspunkt des Lichts von der Lichtquelle in dem ersten Beugungsteil bis zu dem kombinierten Punkt für ein Erzeugen des kombinierten Lichts in dem ersten Beugungsteil über die erste Reflexionseinheit, die dritte Reflexionseinheit und die vierte Reflexionseinheit und der optischen Weglänge des zweiten Lichts von dem Teilungspunkt des Lichts von der Lichtquelle in dem ersten Beugungsteil bis zu dem kombinierten Punkt für ein Erzeugen des kombinierten Lichts in dem ersten Beugungsteil über die zweite Reflexionseinheit, die dritte Reflexionseinheit und die fünfte Reflexionseinheit innerhalb des Bereichs der kohärenten Länge der Lichtquelle liegt.
Optischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welcher weiters umfasst: eine erste Viertelwellen-Platte, welche auf einem oder mehreren optischen Weg(en) eines ersten Lichts über die erste Reflexionseinheit, des zweiten Lichts über die zweite Reflexionseinheit, des ersten Lichts über die vierte Reflexionseinheit und des zweiten Lichts über die fünfte Reflexionseinheit angeordnet ist; einen unterteilenden Strahlteiler, welcher kombiniertes Licht in ein erstes unterteiltes Licht und ein zweites unterteiltes Licht unterteilt; eine zweite Viertelwellen-Platte, welche in einem optischen Weg von jedem des ersten unterteilten Lichts und des zweiten unterteilten Lichts angeordnet ist, welches durch den unterteilenden Strahlteiler unterteilt wird; einen ersten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler, welcher das erste unterteilte Licht durch die zweite Viertelwellen-Platte in ein erstes polarisiertes Licht und ein zweites polarisiertes Licht unterteilt; eine dritte Viertelwellen-Platte, welche in einem optischen Weg des zweiten unterteilten Lichts durch die zweite Viertelwellen-Platte angeordnet ist; und einen zweiten, unterteiltes Licht polarisierenden Strahlteiler, welcher das zweite unterteilte Licht durch die dritte Viertelwellen-Platte in ein drittes polarisiertes Licht und ein viertes polarisiertes Licht unterteilt, wobei die lichtempfangende Einheit umfasst: eine erste lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von Null Grad von dem ersten polarisierten Licht aufweist; eine zweite lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 180 Grad von dem zweiten polarisierten Licht aufweist; eine dritte lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 90 Grad von dem dritten polarisierten Licht aufweist; und eine vierte lichtempfangende Einheit, welche Licht empfängt, welches eine Phase von 270 Grad von dem vierten polarisierten Licht aufweist, und die Berechnungseinheit die Richtung einer Rotation des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf der Mehrzahl von Lichtstrahlen bzw. Lichtern berechnet, welche voneinander unterschiedliche Phasen aufweisen, welche durch die erste lichtempfangende Einheit, die zweite lichtempfangende Einheit, die dritte lichtempfangende Einheit und die vierte lichtempfangende Einheit empfangen werden.
Optischer Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welcher weiters umfasst: eine Viertelwellen-Platte, welche auf einem oder mehreren optischen Weg(en) eines ersten Lichts über die erste Reflexionseinheit, des zweiten Lichts über die zweite Reflexionseinheit, des ersten Lichts über die vierte Reflexionseinheit und des zweiten Lichts über die fünfte Reflexionseinheit angeordnet ist; eine zweite Beugungseinheit, welche eine Beleuchtungsoberfläche, auf welche das kombinierte Licht gestrahlt wird, und ein Beugungsgitter aufweist, welches entlang einer vorbestimmten Richtung vorgesehen ist und welches das kombinierte Licht in eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen bzw. Lichtern kombiniert; eine dritte Beugungseinheit, welche ein Beugungsgitter aufweist, welches entlang einer Richtung normal auf eine vorbestimmte Richtung vorgesehen ist, entlang welcher das Beugungsgitter der zweiten Beugungseinheit vorgesehen ist, und welche weiters die Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen durch die zweite Beugungseinheit in eine Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen ausbildet; und eine Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen, welche auf den optischen Wegen einer Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen durch die dritte Beugungseinheit angeordnet sind und die Mehrzahl von gebeugten Lichtstrahlen in eine Mehrzahl von polarisierten Lichtstrahlen bzw. Lichtern umwandeln, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, die lichtempfangende Einheit eine Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten entsprechend jeder der Mehrzahl von Polarisiereinrichtungen beinhaltet, und die Berechnungseinheit die Rotationsrichtung des Messziels und die Größe einer Änderung in dem Winkel aufgrund der Rotation des Messziels basierend auf der Mehrzahl von Lichtstrahlen berechnet, welche voneinander verschiedene Phasen aufweisen, welche durch die Mehrzahl von lichtempfangenden Einheiten empfangen werden.