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Optischer Codierer
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BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen optischen Codierer mit
einem Halbleiterlaser zum Erfassen einer Dreh- oder Bewegungsstrecke.
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Ein typisches Beispiel eines konventionellen optischen Codierers dieser
Art ist in perspektivischer Darstellung in Fig. 1 gezeigt. In Fig. 1 bezeichnet
das Referenzzeichen 1 ein Kugellager, 2 eine durch das Kugellager drehbar gelagerte
Drehwelle, 3 eine als Impulsskala wirkende Impulsscheibe, die mit der drehbaren
Welle fest verbunden ist, so daß sie mit ihr rotiert, 4 einen als Lichtquelle benutzten
Halbleiterlaser, 5 einen von dem Halbleiterlaser emittierten Laserstrahl, 6 eine
Kollimatorlinse zum Kollimieren des von dem Laser ausgestrahlten Laserstrahls, 7
eine Kondensatorlinse zum Kondensieren des Laserstrahls 5 auf der Scheibe 3 auf
solche Weise, daß ein Laserstrahlfleck, der auf die Scheibe fokussiert wird, einen
Durchmesser von ungefähr einigen Mikron hat, und 8 einen Photodetektor zum Erfassen
von Änderungen der Intensität des durch die Scheibe 3 transmittierten Laserstrahls.
Der Photodetektor 8 kann beispielsweise eine Photodiode sein. Die Impulsscheibe
3 wird im allgemeinen durch eine Glasscheibe gebildet, bei der auf Umfangsteilen
einer Oberfläche in Streifenmuster mit alternierend angeordneten lichtundurchlässigen
und transparenten Streifen vorgesehen ist durch Musterbildung auf einem Chromfilm
mittels Ätzens.
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Im folgenden wird der Betrieb des optischen Codierers nach Fig. 1
beschrieben. Wenn die drehbare Welle 2 durch eine daran übertragene äußere Kraft
angetrieben wird, rotiert die Impulsscheibe 3 mit dem Streifenmuster und ändert
dadurch die Intensität des durch das Streifenmuster 9 der Impulsscheibe 3 transmittierten
Laserstrahls 5 in Übereinstimmung mit der Rotation der Impulsscheibe 3. Der Rotationsweg
der Impulsscheibe 3 kann erfaßt werden durch Erfassen der Änderungen in der Intensität
des Laserstrahls mit dem Photodetektor 8. Der von dem Halbleiterlaser 4 erzeugte
Laserstrahl hat eine Leistung von typisch ungefähr 1 bis 3 Milliwatt.
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Der Laserstrahl 5 wird radial, wie in Fig. 1 gezeigt, von dem Halbleiterlaser
4 emittiert, von der Kollimatorlinse 6 kollimiert und dann durch die Kondensatorlinse
7 kondensiert, so daß er einen Laserstrahlfleck bildet mit einem Durchmesser von
ungefähr 2 bis 10 Mikron auf dem Streifenmuster der Impulsscheibe 3. Der so fokussierte
Laserstrahl wird, wie in Fig. 2A gezeigt, durch die Impulsscheibe 3 transmittiert
und trifft auf den Photodetektor 8, der ein Ausgangssignal mit einer in Fig. 2B
gezeigten Wellenform hat, wenn die Scheibe 3 rotiert wird.
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Wie in Fig. 2B gezeigt ist, ist das Ausgangssignal im wesentlichen
ähnlich einem Rechteckwellensignal, falls die Teilung des Streifenmusters 9 relativ
groß ist. Jedoch wird das Ausgangssignal nahezu sinusförmig, wie in Fig. 2D gezeigt,
falls die Teilung des Streifenmusters relativ klein ist, das heißt, so klein, daß
die Teilung des Streifenmusters 9 von der gleichen Ordnung ist wie der Durchmesser
des Laserstrahlfleckens 10, wie in Fig. 2C gezeigt. Falls die Teilung des Streifenmusters
9 weiterhin kleiner ist als der Durchmesser des kreisförmigen Laserstrahlfleckens
10 des Laserstrahls 5, wird die Amplitude des Ausgangssignals des Photodetektors
8 zu klein, um die lichtundurchlässigen Streifen von den lichtdurchlässigen
Streifen
zu unterscheiden. Um das Streifenmuster korrekt zu erfassen, ist es demzufolge erforderlich,
den Durchmesser des Laserstrahlfleckens 10 zu reduzieren, wenn die Teilung des Streifenmusters
kleiner wird. Beispielsweise ist für eine Impulsscheibe 3 mit einem Durchmesser
von 50 mm, die 10.000 Impulse pro Umdrehung erzeugt, die Teilung des Streifenmusters
9 7 Mikron, so daß der Durchmesser des kreisförmigen Laserstrahlfleckens 10 des
Laserstrahls 5 nicht größer sein darf als 7 Mikron.
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Im allgemeinen werden in solch einem optischen System zwei Ausgangssignale
mit ungefähr sinusförmigen Wellenformen mit einer Phasendifferenz von 90 Grad, wie
in Fig. 3B gezeigt, von dem optischen Detektor 8 erzeugt, wenn die zwei Halbleiterlaser
4 wie in Fig. 3A gezeigt angeordnet sind. Die zwei in Fig. 3B und 3C gezeigten Ausgangssignale
werden einer Wellenformung ausgesetzt, um sie in Rechtecksignale, wie in Fig.
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3D und 3E gezeigt, zu transformieren, damit die Rotationsrichtung
der drehbaren Welle 2 entschieden werden kann. Die Rechtecksignale werden weiter
transformiert in ein Impulssignal, wie in Fig. 3F gezeigt, mit einer Frequenz, die
viermal so groß ist wie jene der Rechtecksignale durch Erzeugen eines Impulses bei
jeder Anstiegs- und Abfallkante beider Rechtecksignale. Deshalb werden pro Umdrehung
der Impulsscheibe mit 10.000 lichtundurchlässigen Streifen darauf 40.000 Impulse
erzeugt. Weiter ist es erforderlich, ein weiteres optisches System vorzusehen zum
Erzeugen eines Null-Signals, das eine Referenzwinkelposition der Impulsscheibe darstellt,
wobei das Null-Signal einmal pro Umdrehung der Impulsscheibe erzeugt wird.
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Wie oben beschrieben wurde, benötigt der konventionelle optische Decodierer
mit einem Halbleiterlaser drei Systeme mit drei Halbleiterlasern, um zwei Ausgangssignale
mit einer Phasendifferenz von 90 Grad und ein Null-Signal, das eine Refe-
renzwinkelposition
der Impulsscheibe anzeigt, zu erzeugen.
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Da es weiter erforderlich ist, die drei optischen Systeme getrennt
zu justieren, ist der Justiervorgang sehr mühsam, wodurch die Kosten des Codierers
auf nachteilige Weise hoch werden.
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Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen
Nachteile des konventionellen optischen Codierers zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Codierer zum Erfassen
einer Dreh- oder Bewegungsstrecke mit einer Impulsskala, einem Halbleiterlaser für
eine optische Quelle, ein Diffraktionsgitter zum Aufspalten eines von einem Halbleiterlaser
emittierten Laserstrahls in eine Mehrzahl von Laserstrahlen, einem ersten optischen
System zum Kondensieren jedes der Mehrzahl von Laserstrahlen, damit elliptische
Strahlflecken auf der Impulsskala gebildet werden, einem zweiten optischen System
zum Zuführen des von der Impulsskala reflektierten oder durch sie transmittierten
Laserstrahls zu einem Photodetektor, und dem Photodetektor. Diese Anordnung ermöglicht
einen miniaturisierten optischen Codierer mit niedrigen Kosten, der eine hohe Auflösung
aufweist.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung werden im folgenden
anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Von
den Figuren zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Grundkonstruktion
eines konventionellen optischen Codierers mit einem Halbleiterlaser zum Erfassen
einer Drehstrecke;
Fig. 2A bis 2D Diagramme zum Erläutern des Betriebs
einer in Fig. 1 gezeigten Impulsscheibe; Fig. 3A eine perspektivische Darstellung
eines Teils des optischen Rotationscodierers nach Fig.
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1 zur Erklärung seines Betriebs, wobei Laserstrahlen mit einer Phasendifferenz
von 90 Grad erzeugt werden; Fig. 3B bis 3F verschiedene Wellenformen der von dem
optischen Rotationscodierer nach Fig. 3A erzeugten Ausgangssignale; Fig. 4A eine
perspektivische Darstellung der Konstruktion eines optischen Rotationscodierers
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 4B eine vergrößerte
Horizontalprojektion eines Teils des optischen Rotationscodierers nach Fig. 4A;
Fig. 4C eine Darstellung der Lagebeziehung zwischen elliptischen Strahlflecken,
die auf einer Impulsscheibe nach Fig. 4A auftreffen; Fig. 5A und 5B einen Seitenriß
und eine Horizontalprojektion eines Signalerfassungssystems des optischen Rotationscodierers
nach Fig. 4A; Fig. 6A und 6B einen Seitenriß und eine Horizontalprojektion eines
Signalerfassungssystems eines optischen Rotationscodierers gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 eine Seitenrißdarstellung
eines Signalerfassungssystems eines optischen Rotationscodierers gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung; Fig. 8A eine perspektivische Darstellung der Konstruktion
eines optischen Linearcodierers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung; und Fig. 8B eine vergrößerte Horizontalprojektion eines Teils des in
Fig. 8A gezeigten optischen Linearcodierers.
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Typische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail
unter Bezugnahme auf Fig. 4A bis 8B beschrieben.
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Fig. 4A ist eine perspektivische Darstellung, die die Grundkonstruktion
einer bevorzugten Ausführungsform eines optischen Rotationscodierers gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt, Fig. 4B ist eine vergrößerte Horizontalprojektion, die einen Teil
des Rotationscodierers nach Fig. 4A zeigt, und Fig. 4C ist ein Diagramm, das die
Beziehungen zwischen elliptischen Laserstrahlflecken zeigt. In diesen Figuren bedeuten
gleiche Referenzzeichen gleiche Elemente wie in Fig. 1.
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In Fig. 4A bis 4C bezeichnet das Referenzzeichen 1Oa elliptische Strahlflecken,
11 ein Diffraktionsgitter, 12 eine plankonkave zylindrische Linse, 13 einen Drei-Element-Photodetektor
und 14 einen lichtundurchlässigen Streifen (Markierung) zur Erzeugung eines Null-Signals.
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Nun wird der Betrieb dieser Ausführungsform eines Rotationscodierers
erläutert. Wenn die drehbare Welle 2 von einer ex ternen Antriebskraft angetrieben
wird, rotiert die Impulsscheibe 3 mit dem Streifenmuster 9, und die Rotationsstrecke
der
Impulsscheibe 3 wird erfaßt basierend auf den Änderungen der Intensität des durch
die Impulsscheibe 3 hindurchgetretenen Laserstrahls. Der von dem Halbleiterlaser
4 emittierte Laserstrahl 5 wird durch die Kollimatorlinse 6 kollimiert und danach
durch das Diffraktionsgitter 11 in drei Strahlen bestehend aus einem transmittierten
Strahl und positiven und negativen primären Diffraktionsstrahlen gespalten. Jeder
der drei Laserstrahlen wird in einen elliptischen Strahl durch die plan-konkave
Zylinderlinse 12 transformiert, die eine Hauptachse (längere Achse) parallel zur
radialen Richtung der Scheibe 3 hat. Die Brennweite der plan-konkaven zylindrischen
Linse 12 ist so, daß die Hauptachse des elliptischen Strahls 15 bis 20 mal so groß
ist wie seine Nebenachse. Jeder der drei elliptischen Strahlen wird durch die Kondensatorlinse
7 kondensiert und dann auf die Impulsscheibe 3 als elliptischer Strahlfleck 10a
gelenkt, dessen Hauptachse ungefähr 50 bis 150 Mikron und dessen Nebenachse ungefähr
5 bis 10 Mikron, beispielsweise, wie in Fig. 4B und 4C gezeigt, ist.
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Im Falle der Benutzung einer Impulsscheibe 3 zum Erzeugen von 10.000
Impulsen fUr jede ihrer Umdrehungen, wird die Nebenachse des elliptischen Strahlfleckens
so gewählt, daß sie ungefähr 7 Mikron ist. Die drei elliptischen Strahlflecken 1Oa
werden auf die Impulsscheibe 3 auf gleiche Weise wie in Fig.
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4B gezeigt, gelenkt. Wenn einer der drei elliptischen Strahlflecken
1Oa nämlich auf den Null-Signal-Streifen 14. fällt, fallen die zwei übrigbleibenden
Strahlen auf das Streifenmuster 9 in solch einer Beziehung, daß zwei Ausgangssignale
mit einer Phasendifferenz von 90 Grad von dem Photodetektor 13 erzeugt werden. Wie
in Fig. 4C gezeigt ist, entspricht eine Entfernung A, die durch die Teilung des
Diffraktionsgitters 11 bestimmt wird, der Entfernung, die die Mittelpunkte benachbarter
Flecken trennt, und eine Entfernung B, die durch den Rotationswinkel des Diffraktionsgitters
11 bezüglich der optischen Achse des Laserstrahls bestimmt wurde, stellt den
Abstand
zwischen Hauptachsen benachbarter Flecken dar.
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Die Form eines jeden der Strahlflecken lOa wird elliptisch so ausgewählt,
daß die Abnahme des Ausgangssignals von dem Photodetektor infolge von Defekten'auf
dem Streifenmuster 9 durch Verengen der Länge des Strahlflecks in Umfangsrichtung
der Scheibe 3 und durch Ausdehnen der Länge des Strahlfleckens in der radialen Richtung
der Scheibe 3 (der longitudinalen Richtung des Streifens 9) minimiert wird.
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Die Intensität eines jeden der drei Laserstrahlen 5, die durch die
Impulsscheibe 3 hindurchtreten, ändert sich mit der Rotation der Impulsscheibe 3.
Die Änderungen in der Intensität der Laserstrahlen, die durch die Impulsscheibe
3 hindurchtreten, werden getrennt durch den Drei-Element-Photodetektor 13 erfaßt,
der hinter der Impulsscheibe 3 angeordnet ist. Der Drei-Element-Photodetektor 13
ist an einer in Fig. 5A und 5B gezeigten Position angeordnet. Wie aus der seitlichen
Darstellung des in Fig. 5A gezeigten optischen Codierers hervorgeht, wird der in
drei Strahlen aufgesplittete Laserstrahl 5 durch die plan-konkave zylindrische Linse
12 so geführt, daß die Fokussierlage des Laserstrahls an einen Ort hinter der Pulsscheibe
3 verschoben wird, um dadurch die drei elliptischen Strahlenflecken l0a auf der
Impulsscheibe 13 zu bilden. Der Drei-Element-Photodetektor 13 wird nahe der Fokussierposition
der Kondensatorlinse 7, welche, wie in Fig. 5A und 5B gezeigt, hinter der Impulsscheibe
3 angeordnet ist, angeordnet. Wie aus der Darstellung des optischen Codierers in
Fig. SB hervorgeht, splittet das Diffraktionsgitter 11 den Laserstrahl 5 in drei
Laserstrahlen, die plan-konkave zylindrische Linse 12 dient als eine Glasplatte
mit parallelen Flächen in der Umfangsrichtung der Scheibe 3 für die drei Laserstrahlen,
und die Kondensatorlinse 7 kondensiert die drei Laserstrahlen. Danach werden die
drei Laserstrahlen 5, die durch die Impulsscheibe 3 hindurchtreten, auf den Drei-Element-Photodetektor
13, wie
in Fig. 5A und 5B gezeigt, gelenkt, und liefern so die
drei Ausgangssignale.
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In der in Fig. 5A und 5B gezeigten Ausführungsform werden die Laserstrahlen
5 so erfaßt, wie sie durch die Impulsscheibe 3 transmittiert werden. Jedoch können
auch Laserstrahlen, die von der Impulsscheibe 3 reflektiert werden, erfaßt werden,
wie in einer weiteren Ausführungsform nach Fig. 6A und 6B, die später beschrieben
wird.
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Wie in Fig. 6A und 6B gezeigt ist, wird der Laserstrahl 5, der von
dem Halbleiterlaser 4 emittiert wird, durch die Kollimatorlinse 6 kollimiert und
dann in drei Laserstrahlen gespalten und in drei Richtungen durch das Diffraktionsgitter
11 gerichtet. Die drei Strahlen werden durch einen Polarisierungs-Strahlteiler 14a
transmittiert, die transmittierten Laserstrahlen werden von linear-polarisierten
Strahlen in zirkularpolarisierte Strahlen durch eine l/ 4-Platte 15 konvertiert,
und danach durch die Kondensatorlinse 7 durch die plan-konkave zylindrische Linse
12 kondensiert, ehe sie auf die Impulsscheibe 3 auftreffen. Die Laserstrahlen 5,
die auf die Impulsscheibe 3 gelenkt werden, werden von der Scheibe 3 reflektiert
und durch die A/4 -Platte 15 von zirkular polarisierten Strahlen in linear polarisierte
Strahlen mit einer Polarisationsebene, die perpendikular zu jener der einfallenden
Laserstrahlen, die von dem Halbleiterlaser 4 emittiert werden, ist, konvertiert.
Die linear polarisierten Strahlen werden durch den Polarisierungsstrahlteiler 14a
abgelenkt und dann auf den Drei-Element-Photodetektor 13 gelenkt, nachdem sie durch
eine konvexe Linse 16, die als Kondensatorlinse wirkt, geleitet wurden, um so die
Änderungen der Intensitäten der drei Laserstrahlen getrennt zu erfassen.
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In jeder der in Fig. 5A, 5B, 6A und 6B gezeigten Ausführungsformen
werden die Änderungen der Intensitäten der Laserstrahlen, die durch die Rotation
der Impulsscheibe 3 bewirkt werden, direkt durch den Drei-Element-Photodetektor
13 erfaßt.
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Andererseits, wie in Fig. 7 gezeigt, können die durch die Impulsscheibe
3 transmittierten Laserstrahlen erfaßt werden durch drei getrennte Photodetektoren
8, nachdem die drei Strahlen durch ein optisches Faserkabel 17 transmittiert wurden.
In diesem Fall werden solche Signale nur wenig durch äußeres Rauschen beeinflußt,
da die die Änderungen der Intensitäten der Laserstrahlen darstellenden Signale als
optische Signale übertragen werden.
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Jede der oben beschriebenen Ausführungsformen benutzt drei Laserstrahlen
mit dem transmittierten Laserstrahl und den positiven und negativen primären Diffraktionsstrahlen,
die durch das Diffraktionsgitter 11 erhalten werden. Es ist jedoch möglich, einen
optischen Codierer mit hoher Auflösung zu schaffen durch Erhöhen der Zahl von Streifen
auf dem während einer Umdrehung der Impulsscheibe zu erfassenden Streifenmuster
durch Benutzen von nicht nur positiven und negativen primären Diffraktionsstrahlen,
sondern auch von Diffraktionsstrahlen höherer Ordnung, beispielsweise positiven
und negativen sekundären Diffraktionsstrahlen, usw.
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In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen wird der von dem
Halbleiterlaser 4 emittierte Laserstrahl 5 durch die Kollimatorlinse 6 kollimiert,
so daß parallele Strahlen auf die Kondensatorlinse 7 auftreffen. Es ist jedoch möglich,
die Kollimatorlinse 6 zu eliminieren, falls die Kondensatorlinse 7 durch eine Linse
ersetzt wird, die die dort hinzugeführten Laserstrahlen nicht parallel, sondern
radial bezüglich des Halbleiterlasers 4 kollimieren kann. Im Fall des Erfassens
von Änderungen der Intensitäten der Laserstrahlen basierend auf den von der Impulsscheibe
reflektierten Laserstrahlen (siehe
Fig. 6A und 6B) ist es weiter
möglich, die konvexe Linse 16 zu eliminieren, da die reflektierten Laserstrahlen
zum Photodetektor hin konvergieren.
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Jede der oben beschriebenen Ausführungsformen benutzt die plan-konkave
zylindrische Linse 12, um die Laserstrahlen zu kondensieren, um so elliptische Strahlflecken
10a zu erhalten.
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Andererseits ist es möglich, die elliptischen Strahl flecken zu erhalten
durch Anordnen eines Blendenelementes mit einer Öffnung im Lichtweg der Laserstrahlen
5 anstelle der plan-i<onkaven zylindrischen Linse, damit die Strahlen nur in
einer Richtung infolge der Diffraktionsnatur der Öffnungen verbreitet werden. Alternativ
ist es möglich, die elliptischen Laserstrahlflecken 10a zu erhalten durch Benutzen
einer plan-konvexen zylindrischen Linse anstelle der plan-konkaven zylindrischen
Linse 12.
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In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist die plan-konkave
zylindrische Linse 12 vor der Kondensatorlinse 7 angeordnet, aber sie kann auch
hinter derselben angeordnet sein.
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Dieoben beschriebene Erfindung wird angewandt auf einen optischen
Rotationscodierer zum Erfassen einer Rotationsstrecke, aber die vorliegende Erfindung
ist auch anwendbar auf einen optischen Linearcodierer zum Erfassen einer Strecke
von linearer Bewegung. Dieser Fall wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 8A
und 8B beschrieben. In Fig. 8A und 8B bezeichnet das Referenzzeichen 4 einen Hal.bleiterlaser,
5 einen Laserstrahl, 6 eine Kollimatorlinse, 7 eine Kondensatorlinse, 9 ein Streifenmuster
mit alternierend angeordneten lichtundurchlässigen und transparenten Streifen, 10a
elliptische Laserstrahlflecken, 11 ein Diffraktionsgitter, 12 eine plankonkave zylindrische
Linse, 13 einen Drei-Element-Photodetektor, 14 einen lichtundurchlässigen Streifen
(Markierung) für
ein Null-Signal, und 18 eine lineare Impulsskala.
Das Signalerfassungssystem der Ausführungsform nach Fig. 8A und 8B ist das selbe
wie jenes nach Fig. 4A und 4B, außer, daß die Impulsscheibe 3 durch die lineare
Impulsskala 18 ersetzt ist.
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Ein Signal, das die lineare Bewegungsstrecke darstellt, wird erhalten
durch Erfassen der Laserstrahlen, deren Intensitäten in Übereinstimmung mit der
Bewegung der linearen Impulsskala 18 sich ändern. Das Signalerfassungssystem in
dem optischen Rotationscodierer, der oben beschrieben wurde, kann auch hier verwendet
werden. Jede der oben beschriebenen Ausführungsformen eines optischen Rotationscodierers
kann benutzt werden als optischer Linearcodierer, indem nur die Impulsscheibe 3
mit der linearen Impulsskala 18 ausgetauscht wird. Es gibt zwei Arten von optischen
Linearcodierern, einen, bei dem das Signalerfassungssystem fest ist und die lineare
Impulsskala 18 bewegt wird, und das tandem bei dem die lineare Impulsskala 18 fest
ist und das Signalerfassungssystem bewegt wird.
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Demgemäß ist der optische Codierer gemäß der Erfindung so konstruiert,
daß eine Mehrzahl von Laserstrahlen durch ein Diffraktionsgitter und ein einzelnes
optisches System erzeugt werden. Jeder der drei Laserstrahlen wird so kondensiert,
daß er einen elliptischen Strahlflecken auf der Impulsskala bildet. Demzufolge wird
ein miniaturisierter und kostengünstiger optischer Codierer geschaffen, der Laserstrahlen
aus mehreren Kanälen und mit sehr hoher Auflösung erfassen kann.