DE3727188C2 - Optische Verschiebungserfassungseinrichtung - Google Patents
Optische VerschiebungserfassungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft optische
Verschiebungserfassungseinrichtungen und insbesondere
Verbesserungen bei einer optischen
Verschiebungserfassungseinrichtung, bei der eine
Lagebeziehung zwischen zwei Elementen auf Grund der
Änderung eines photoelektrisch umgewandelten Signals
erfaßt wird, welches durch eine relative Verschiebung
zwischen einer Hauptskala mit einem auf ihr ausgebildeten
optischen Gitter und einer Indexskala mit einem auf ihr
ausgebildeten optischen Gitter, welches denjenigen der
Hauptskala entspricht, erzeugt wird.
Zum Messen eines Vorschubwertes eines Werkzeuges, einer
Werkzeugmaschine und ähnlichem auf dem Gebiet der
Werkzeugmaschinen und Meßinstrumente ist eine optische
Verschiebungserfassungseinrichtung bekannt geworden, die
in Fig. 15 gezeigt ist und bei der eine Hauptskala 14,
auf der ein erstes optisches Gitter 16 (im folgenden als
erstes Gitter bezeichnet) ausgebildet ist, an einem von
relativ zueinander bewegbaren Elementen befestigt ist, und
ein Gleitteil mit einer Indexskala 18, auf der ein zweites
optisches Gitter 20 (im folgenden als zweites Gitter
bezeichnet) ausgebildet ist, eine z. B. von einer
Lichtquelle 10 und einer Kollimatorlinse 12 gebildete
Beleuchtungseinrichtung und z. B. von photoelektrischen
Wandlereinrichtungen gebildete Lichtempfangselemente 22 an
dem anderen Element befestigt sind, wobei eine Änderung
der Lichtmenge, die durch eine relative Bewegung zwischen
dem ersten Gitter 16 und dem zweiten Gitter 20 erzeugt
wird, photoelektrisch umgewandelt wird und auf diese Weise
erfaßte Erfassungssignale interpoliert und in Impulse
umgewandelt und von einem angebrachten Zählerkreis gezählt
werden, so daß ein Verschiebungswert gemessen werden kann.
Bei der oben beschriebenen Erfassungseinrichtung ist z. B.
das zweite Gitter 20, welches auf der Indexskala 18
ausgebildet ist, in vier mit Phasen von 0°, 90°, 180° und
270° unterteilt, wie es Fig. 15 zeigt, und eine Änderung
der Lichtmenge wird durch Vorverstärker 24A und 24B
differenziell verstärkt, wobei Erfassungssignale mit zwei
Phasen, die im wesentlichen durch A sin Θ und A cos Θ
angenähert werden können, entsprechend einer Verschiebung
in der X-Richtung der Indexskala 18 erzeugt werden.
Bei der vorbeschriebenen Erfassungseinrichtung hat sich
zusammen mit der fortgeschrittenen Endbearbeitungstechnik die
Notwendigkeit einer noch kleineren Unterteilung der
Meßgenauigkeit ergeben. Jedoch gibt es eine Grenze, die durch
die Anzahl der Interpolationen des Erfassungssignals in dem
Zählerkreis gesetzt wird, und es besteht die Möglichkeit von
Fehlern, die durch die Interpolation bewirkt werden, wodurch
verlangt wird, die Gitterteilung des Erfassungssignals selbst
kleiner zu machen, so daß die Gitterteilung P des ersten
Gitters 16 der Hauptskala 14 noch kleiner wird. Bisher wurde
eine Gitterteilung P von ungefähr 20 µm eingesetzt, jedoch
wurde kürzlich eine Gitterteilung von 10 µm oder weniger
verlangt.
Jedoch traten die folgenden Nachteile mit der Verringerung der
Gitterteilung P des ersten Gitters 16 der Hauptskala 14 auf.
Insbesondere vom Gesichtspunkt der Konstruktion her ist es
erforderlich, daß ein absoluter Wert für den Spalt g
zwischen der Hauptskala 14 und der Indexskala 18 und eine
zulässige Änderung desselben auf einige Werte oder mehr
eingestellt werden sollten. Um jedoch den Anforderungen zu
genügen, wenn die Gitterteilung P einen kleinen Wert
aufweist, ist es erforderlich, die Kollimatorlinse 12 zu
verwenden, die eine große Genauigkeit und eine lange
Brennweite aufweist, um das Beleuchtungslicht ausreichend
parallel zu machen. Als Folge hiervon ergibt sich eine
große Baugröße der Erfassungseinrichtung.
Andererseits wurde in der britischen Patentanmeldung GB-A-
15 04 691 eine Erfassungseinrichtung vorgeschlagen, bei der
der Spalt g ohne die Verwendung einer Kollimatorlinse 12 mit
hoher Genauigkeit vergrößert werden kann. Jedoch ergibt sich
bei diesem Stand der Technik ein Nachteil dahingehend, daß es
schwierig ist, diese Erfassungseinrichtung bei einer
Erfassungseinrichtung vom Transmissionstyp anzuwenden,
insbesondere, weil drei optische Gitter benötigt werden.
Ferner gibt es einen Nachteil bezüglich der Gitterteilung
des zweiten Gitters 20, welches auf der Indexskala 18
ausgebildet ist, und der Phasenunterteilung. Bei dem in
Fig. 15 gezeigten Beispiel ist das zweite Gitter 20 in
vier unterteilt. Wird jedoch die Genauigkeit der
Versetzung δ der vertikalen Unterteilung untersucht,
wenn die Gitterteilung des ersten Gitters 16 8 µm beträgt
und die Gitterteilung des zweiten Gitters 20 auch 8 µm
beträgt, dann ist es zum Erhalt einer Genauigkeit von
90° plus oder minus 10° als Phasenunterschied der
Erfassungssignale erforderlich, eine sehr kleine
Gitterteilung zu verwenden und den Versatz δ auf
zwei plus oder minus 0,2 µm einzustellen. Als Folge
hiervon sind fortgeschrittene Bearbeitungstechniken
erforderlich und die Produktion der Indexskala 18 bei der
Herstellung wird mit dem Ergebnis zunehmender Kosten
verschlechtert.
Andererseits wurde als eine andere Erfassungseinrichtung, die
in vorteilhafterweise der Einrichtung ein großes
Auflösungsvermögen verleiht, eine Erfasssungseinrichtung mit
sogenannter optischer Unterteilung vorgeschlagen, bei der das
bei einer Gitterteilung P des auf der Hauptskala ausgebildeten
ersten Gitters erhaltene Erfassungssignal mit einer Signal
periode t dadurch erhalten wird, daß die Gitterteilung P
kleiner gemacht wird, z. B. P/2.
Zum Beispiel ist in der vorgenannten britischen Patentanmeldung GB-A-
15 04 691 eine Erfassungseinrichtung offenbart, bei der drei
optische Gitter verwendet werden, um ein Erfassungssignal mit
der halben Signalperiode der Gitterteilung P der
Hauptskala zu erhalten. Jedoch überwiegt bei diesem Stand der
Technik der Nachteil, daß es schwierig ist, diese Erfassungs
einrichtung bei einer Erfassungseinrichtung vom Transmissionstyp
anzuwenden.
Ferner ist in der britischen Patentanmeldung Nr. 2024416A eine
Erfassungseinrichtung vorgeschlagen, die in Fig. 16
dargestellt ist und bei der das Tastverhältnis (Verhältnis
zwischen einem lichtdurchlässigen Bereich 16A und einem
lichtabschirmenden Bereich 16B) des auf der Hauptskala 14
ausgebildeten ersten Gitters 16 auf 1 : (2n-1) festgesetzt
ist, wodurch die Signalperiode t des Erfassungssignals, welches
von den Lichtempfangselementen (Photodioden) 22 über das auf
der Indexskala 18 ausgebildete zweite Gitter 20 erhalten wird,
1/n der Gitterteilung P des ersten Gitters 16 beträgt.
Bei der in Fig. 16 dargestellten Erfassungseinrichtung ist
das Tastverhältnis (Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen
Bereich 16A des ersten Gitters 16 und dessen Gitterteilung P)
auf 1 : 4 festgelegt, die Teilung q des zweiten Gitters 20
beträgt P/2 und die Signalperiode t des Erfassungssignals,
welches durch Verstärkung der Signale von der Photodiode 22 mit
dem Vorverstärker 24 erhalten wird, ist q, d. h. ein 1/2 der
Gitterteilung P des ersten Gitters.
Bei Verwendung der in Fig. 16 gezeigten Erfassungseinrichtung
kann ein Erfassungssignal mit der Signalperiode t durch Teilung
der Gitterteilung P des ersten Gitters 10 positiv erhalten
werden. Da es jedoch erforderlich ist, die Länge des
lichtdurchlassenden Bereichs 16A des ersten Gitters 16
proportional zu der Unterteilungsanzahl kürzer zu machen, was
im wesentlichen damit gleich ist, daß die Gitterteilung weiter
kleiner gemacht wird, wird es insbesondere vom Gesichtspunkt
der Bearbeitungstechniken schwierig, das auf der
Hauptskala 14 gebildete erste Gitter 16 herzustellen, wenn es
ursprünglich einen langen Meßbereich besaß. Da ferner
ausreichend parallele Strahlen benötigt werden, ist eine
Kollimatorlinse mit großer Genauigkeit und einer langen
Brennweite erforderlich, was eine Erfassungseinrichtung
großer Baugröße zum Ergebnis hat. Ferner, gegenüber der
Gitterteilung P der Hauptskala beträgt die Gitterteilung der
Indexskala P/2, und es ergibt sich ein Nachteil dahingehend,
daß, wenn z. B. die Gitterteilung P 10 µm oder weniger beträgt,
die Produktionsrate der Indexskala bei der Herstellung gering
ist, was erhöhte Kosten zum Ergebnis hat.
Andererseits ist in der oben genannten britischen
Patentanmeldung Nr. 2024416A ferner ein Beispiel beschrieben,
bei dem eine optische Unterteilung selbst dann durchgeführt
werden kann, wenn das Tastverhältnis (Verhältnis zwischen der
Länge des lichtdurchlässigen Bereichs 16A und des
lichtabschirmenden Bereichs 16B) des ersten Gitters 16 gleich
1 : 1 ist. Wenn jedoch bei diesem Stand der Technik die effektive
Wellenlänge eines optischen Systems auf λ eingestellt und die
Gitterteilung des ersten Gitters 16 zu P bestimmt wird, muß der
Gitterspalt v der Beziehung gemäß der folgenden Formel (1)
erfüllen:
v (P²/λ)/2 (1)
Daraus ergibt sich der Nachteil, daß ein mechanischer
Vorrichtungsteil zum Halten des Gitterspalts v auf einem
vorbestimmten Wert kompliziert wird.
Aus der CH-638891 A5 ist eine photoelektrische inkrementale
Längen- und Winkelmeßeinrichtung bekannt, die eine Lichtquelle
und eine kollimierende Linse zum Erzeugen eines parallelen
Lichtstrahls aufweist, sowie einen von dem parallelen
Lichtstrahl bestrahlten Maßstab mit einer ersten Gitterteilung
und eine dahinter angeordnete Abtastplatte mit einer zweiten
Gitterteilung, wobei das Verhältnis der Gitterteilungen
zwischen dem Maßstab und der Abtastplatte ein ganzzahliger
Bruchteil ist. Hinter den Gittern ist eine Lichterfassung
mit Hilfe von Photoelementen vorgesehen.
Aus der DE-PS-26 53 545 ist eine photoelektrische
Auflichtwegmeßeinrichtung bekannt mit einer Lichtquelle, einem
reflektierenden Maßstabsgitter und einem verschiebbaren
transparenten Referenzgitter mit von dem Maßstabsgitter
unterschiedlicher Gitterteilung und mit mehreren
photoelektrischen Empfängern, wobei das Verhältnis der
Gitterteilung des Maßstabsgitters zu der des Referenzgitters
eine nicht ganze Zahl ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorgenannten
Nachteile beim Stand der Technik zu vermeiden und eine
optische Verschiebungserfassungseinrichtung bereitzustellen,
bei der, selbst wenn das Tastverhältnis eines auf einer
Hauptskala gebildeten ersten Gitters gleich 1 : 1 ist, eine
optische Unterteilung möglich ist, und bei der, wenn der Spalt
zwischen den auf der Hauptskala und der Indexskala
ausgebildeten Gittern einen vorbestimmten Wert oder mehr
aufweist, ein relativ zufriedenstellendes Erfassungssignal
erhalten werden kann.
die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß in einer ersten
Lösung durch eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung
gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsform nach dem ersten
Gedanken der Erfindung ist die Gitterteilung
q des zweiten Gitters auf P/2 und der Spalt zwischen dem ersten
und dem zweiten Gitter im wesentlichen auf 2 q²/λ oder mehr
festgelegt, wobei λ die Wellenlänge des Mittelwerts des
emittierten Spektrums ist.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsform gemäß dem ersten
Gedanken der Erfindung ist die Lichtquelle eine Laserdiode.
Bei einer optischen Verschiebungserfassungseinrichtung ist
es im allgemeinen Fall, wenn das Tastverhältnis (Verteilung der
Durchlässigkeitsfaktoren oder der Reflektionsfaktoren) für das
Beleuchtungslicht von dem ersten Gitter nicht durch eine
einfache Sinusfunktion dargestellt werden kann, schwierig,
genau die Änderungen des durch das erste Gitter
hindurchgegangenen Beleuchtungslichts zu analysieren, und
daher untersuchte der Erfinder der vorliegenden Erfindung
die Zustände der Erfassungssignale, während
Erfassungseinrichtungen für die verschiedenen Fälle
konstruiert wurden.
Der erste Gedanke der Erfindung wurde aufgrund der Ergebnisse
im Hinblick auf die vorgenannten Beobachtungen erfunden. Die
Gitterteilung des ersten Gitters ist auf P festgelegt, die
Gitterteilung des zweiten Gitters ist auf P/n (n ist eine
ganze Zahl 2) festgesetzt, das erste und zweite Gitter
werden durch eine kohärente Lichtquelle beleuchtet, und ein
Erfassungssignal mit einer Signalperiode P/n kann durch eine
relative Verschiebung zwischen der Hauptskala und der
Indexskala erzeugt werden.
Als Folge hiervon ist selbst dann, wenn das Tastverhältnis
(Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen oder
reflektierenden Bereich und dem lichtabschirmenden oder
absorbierenden Bereich) des ersten Gitters, das auf der
Hauptskala ausgebildet ist, auch im wesentlichen auf 1 : 1
festgelegt wird, eine optische Unterteilung möglich, wodurch
die Herstellung der Hauptskalen erleichtert wird. Ferner,
selbst wenn der Gitterspalt, der zwischen dem auf der
Hauptskala und der Indexskala ausgebildeten Gitter vorliegt,
auf einen vorbestimmten Wert oder mehr festgesetzt wird, kann
ein relativ zufriedenstellendes Erfassungssignal erhalten
werden, so daß der Gitterspalt breiter eingestellt werden kann,
wodurch die Konstruktion des mechanischen Teils erleichtert
wird.
Eine zweite Zielsetzung der Erfindung besteht darin, eine
optische Verschiebungserfassungseinrichtung zu schaffen, bei
der es nicht erforderlich ist, eine Kollimatorlinse mit hoher
Genauigkeit und langer Brennweite zu verwenden und bei der die
Indexskala leicht fertiggestellt werden kann.
Um die vorgenannte zweite Zielsetzung zu erreichen, ist gemäß
einem zweiten Gedanken der Erfindung eine optische
Verschiebungserfassungseinrichtung vorgesehen, welche umfaßt:
eine Streulichtquelle zur Beleuchtung einer Hauptskala ohne die Verwendung einer Kollimatorlinse;
wobei die Hauptskala an einer mit dem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist;
eine Indexskala, die an einer mit dem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/u ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen.
eine Streulichtquelle zur Beleuchtung einer Hauptskala ohne die Verwendung einer Kollimatorlinse;
wobei die Hauptskala an einer mit dem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist;
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ein Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen.
Bei einer besonderen Ausführungsform gemäß dem zweiten Gitter
der Erfindung ist die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsform gemäß dem zweiten
Gedanken der Erfindung ist die Punktlichtquelle eine
Laserdiode.
Bei einer weiteren, besonderen Ausführungsform gemäß dem
zweiten Gedanken der Erfindung ist die Punktlichtquelle derart
ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des
Divergenzwinkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor einem
lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.
Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform gemäß
dem zweiten Gedanken der Erfindung ist der Abstand v festgesetzt
auf
v ≅ un P²/(λ u-nP²)
wobei n einer natürlichen Zahl gleich λu/P² oder weniger ist,
wobei λ die Wellenlänge eines Mittelwerts des Spektrums eines
optischen Systems ist.
Als dritte Zielsetzung zusätzlich zu der zweiten Zielsetzung
will die Erfindung eine optische Verschiebungserfassungsein
richtung schaffen, bei der eine optische Unterteilung in zwei
unter Verwendung von zwei Gittern durchgeführt werden kann.
Um die vorgenannte dritte Zielsetzung zu erzielen, gibt die
Erfindung eine optische Verschiebungserfassungseinrichtung
gemäß einem dritten Gedanken an, die umfaßt:
eine Streulichtquelle zur Beleuchtung einer Hauptskala ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist;
eine Indexskala, die an einer mit einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/(2u) ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund einer Überlagerung des Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen.
eine Streulichtquelle zur Beleuchtung einer Hauptskala ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist;
eine Indexskala, die an einer mit einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/(2u) ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund einer Überlagerung des Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen.
Bei einer besonderen Ausführungsform des dritten Gedankens der
Erfindung ist die Streulichtquelle eine Punktlichtquelle.
Bei einer anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung
gemäß dem dritten Gedanken ist die Punktlichtquelle eine
Laserdiode.
Bei einer weiteren, besonderen Ausführungsform der Erfindung
gemäß dem dritten Gedanken ist die Punktlichtquelle derart
ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des divergierenden
Winkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor einem
lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.
Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der
Erfindung gemäß dem dritten Gedanken ist die Streulichtquelle
eine Linearlichtquelle, die in Richtung der Weite des ersten
Gitters ausgerichtet ist.
Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der
Erfindung gemäß dem dritten Gedanken wird der Spalt v
eingestellt auf
v ≅ u (n-0,5) P²/(λu - (n-0,5) P²)
wobei n eine natürliche Zahl von λu/P²+0,5 oder weniger ist,
wobei λ die Wellenlänge des Mittelwertes des Spektrums des
optischen Systems ist.
Das Erfassungsprinzip der Erfindung gemäß dem zweiten und
dritten Gedanken wird im folgenden beschrieben.
Gemäß Fig. 1 ist eine Streulichtquelle 30 (z. B. eine
Punktlichtquelle) vor einem ersten Gitter 16 mit einem Abstand
u von dem ersten Gitter 16 angeordnet, das eine Gitterteilung
P aufweist. Dann wird ein vergrößertes Bild des ersten Gitters
16 scheinbar auf einem Schirm S gebildet, der von dem ersten
Gitter 16 mit Abstand v beabstandet ist. Jedoch variiert in
Wirklichkeit die Form des Bildes stark aufgrund von
Beugungswirkungen.
Aus Gründen der Vereinfachung wird ein
Lichtamplitudenübertragungsfaktor f(x) des ersten Gitters 16
durch die folgende Gleichung (2) wiedergegeben und das
Rechenergebnis für eine Bildverteilung g(x) auf dem Schirm S
im Abstand v gemäß der Fresnel-Beugungstheorie, wie sie in
"Principles of Optics", 6. Auflage, Seite 383 (MAX BORN & EMIL
WOLF, Pergamon Press 1980), beschrieben ist, wird weiter unten
gezeigt.
f(x) = 1 + cos (2 πx/P) (2)
Hier ist die Wellenlänge bei dem Mittelwert des in diesem
optischen System verwendeten Lichtemissionsspektrum der
Streulichtquelle 30 und die spektrale Empfindlichkeit des
Lichtempfangselements auf λ festgelegt und n = eine natür
liche Zahl (eine ganze Zahl 1).
Wenn zunächst der Abstand v im wesentlichen v1(n) ist, wie
es durch die folgende Gleichung (3) dargestellt ist,
ergibt sich eine in der folgenden Gleichung (4) gezeigte
Beziehung mit Ausnahme eines Proportionalitätsfaktors.
v ≃ v1(n) = u (n-0,5) p² / {λu (n-0,5) P²} (3)
g(x) ≡ g1(x) ≃ 4 + cos [4πux / (u+v) · P] (4)
Andererseits, wenn der Abstand v im wesentlichen gleich
v2(n) ist, wie es durch folgende Formel (5) dargestellt
ist, ergibt sich die in der folgenden Formel (6) gezeigte
Beziehung mit Ausnahme eines Proportionalitätsfaktors.
v ≃ v2(v) = un P² / (λu-nP²) (5)
g(x) ≡ g²(x) ≃ 1 + cos [2πux / (u+v) · P] (6)
Aus den Formeln (3) und (4) ergibt sich, daß, wenn ein zweites
Gitter mit einer Gitterteilung von q = (u+v) P/(2u) auf dem
Schirm S vorgesehen wird, wo der Abstand v nahe bei v1(n) ist,
ein Erfassungssignal erhalten werden kann. Dieses Bild weist
eine Gitterteilung von 1/2 zu dem scheinbaren Bild auf, und
besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft, daß, wenn das erste
Gitter 16 um eine Teilung P verschoben wird, das
Erfassungssignal um zwei Perioden verändert wird.
Andererseits hat sich aus den Formeln (5) und (6) ergeben,
daß, wenn das zweite Gitter mit der Gitterteilung q = (u+v)
P/u auf dem Schirm S vorgesehen wird, wo der Abstand v nahe
bei v2(n) liegt, ein Erfassungssignal erhalten werden kann.
Da dieses Bild mit dem scheinbaren Bild vergleichbar ist,
ändert sich das Erfassungssignal um eine Periode, wenn das
erste Gitter 16 um eine Teilung P verschoben wird.
Die Erfassungsvorrichtung nach der Erfindung war bisher nicht
näher untersucht worden, da es keine Streulichtquelle 30 und
insbesondere keine Punktlichtquelle mit einem kleinen Licht
aussendenden Bereich und hoher Ausgangsleistung gab und die
Notwendigkeit für die vorgenannte Erfassungseinrichtung bei
großer Gitterteilung P nicht weiter bestand. Heutzutage
jedoch, auf Grund der Änderungen auf dem technischen Gebiet,
wie die Senkung der Kosten einer Laserdiode, die als
Punktlichtquelle ideal ist, und der Anforderung, die
Schwierigkeiten zu überwinden, wenn die Gitterteilung P sehr
klein wird, wurden von dem Erfinder der vorliegenden Erfindung
im Rahmen einer Untersuchung der Schwierigkeiten die oben
genannten Formeln (4) und (6) eingeführt und die praktische
Ausführbarkeit der oben genannten Erfassungseinrichtung wurde
unter Beweis gestellt.
Der zweite Gedanke nach der Erfindung geht von dem Ergebnis
der oben genannten Untersuchung aus. Die Gitterteilung des
ersten Gitters wird auf P festgelegt und die Gitterteilung q
des zweiten Gitters wird auf (u+v)P/u festgelegt, wobei u
der Abstand zwischen der Streulichtquelle und dem ersten
Gitter und v der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten
Gitter ist, und die Hauptskala mit dem auf ihr ausgebildeten
ersten Gitter wird mit der Streulichtquelle ohne Verwendung
der Kollimatorlinse beleuchtet, wodurch eine Änderung der
Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten
Gitters mit dem zweiten Gitter photoelektrisch umgewandelt
wird. Infolgedessen kann eine Punktlichtquelle oder
Linearlichtquelle als Streulichtquelle verwendet werden und es
besteht keine Notwendigkeit der Verwendung einer
Kollimatorlinse mit hoher Genauigkeit und langer Brennweite.
Ferner kann die Teilung der Indexskala größer als bisher
gemacht werden, so daß die Herstellung und Fertigstellung der
Indexskalen erleichtert werden können.
Auch der dritte Gedanke der Erfindung basiert auf dem
Ergebnis der oben genannten Untersuchung. Die Gittertei
lung des ersten Gitters ist auf P und die Gitterteilung q
des zweiten Gitters ist auf (u+v)P/(2u) festgesetzt, und
die Hauptskala mit dem auf ihr ausgebildeten ersten Gitter
wird von der Streulichtquelle ohne Verwendung der Kolli
matorlinse beleuchtet, wobei eine Änderung der Lichtmenge
auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters
mit dem zweiten Gitter photoelektrisch umgewandelt wird.
Als Ergebnis kann die optische Teilung in zwei ferner
durch Verwendung zweier Gitter erreicht werden.
Wenn gemäß dem ersten Gedanken der Erfindung die Teilung des
ersten Gitters auf der Hauptskala auf P und die Teilung des
zweiten Gitters auf der Indexskala auf P/n (n ist eine ganze
Zahl 2) festgelegt war und ein Erfassungssignal mit der
Teilung P/n erhalten wurde, betrug das Verhältnis zwischen dem
lichtdurchlässigen oder reflektierenden Bereich und dem
lichtabschirmenden Bereich 1 : 1. Jedoch besaß das erste Gitter
höhere harmonische Anteile einer Teilung P/n zusätzlich zu
einem harmonischen Grundanteil der Teilung P, und es wird
deshalb angenommen, daß ein Erfassungssignal auf Grund der
Überlappung der Bilder der höheren harmonischen Anteile mit
dem zweiten Gitter erhalten wurde. Dies wird durch die
Tatsache erhärtet, daß, wenn die Wellenlänge auf λ fest
gelegt wird, ein Signal mit einem guten Kontrast in etwa an
einer Stelle erhalten werden kann, wo der Abstand zwischen den
Gittern durch Multiplikation von (P/n)²/λ mit einer gewissen
ganzen Zahl erhalten wird.
Es wird angenommen, daß es ein Gitter F1(x) mit einer
Teilung P gibt und das Verhältnis zwischen dem licht
durchlässigen oder reflektierenden Bereich und dem licht
abschirmenden Bereich auf genau 1 : 1 als erstes Gitter
festgelegt wird, und bei einer Fourier-Zerlegung wird dann
die folgende Gleichung mit Ausnahme einer Konstanten
erhalten:
F1(x) = 1/2 + 0,6 sin (2 πx/P)
+ 0,2 sin (3 · 2 πx/P)
+ 0,1 sin (5 · 2 πx/P)
+ . . .
+ 0,2 sin (3 · 2 πx/P)
+ 0,1 sin (5 · 2 πx/P)
+ . . .
Infolgedessen ist es offensichtlich, daß F1(x) höhere
Harmonische, nämlich der dritten und der fünften Ordnung
zusätzlich zu der Grundschwingung enthält.
Eine ähnliche Annahme wurde bei dem ersten Gitter gemacht,
wobei das Verhältnis zwischen dem lichtdurchlässigen oder
reflektierenden Bereich und dem lichtabschirmenden Bereich
auf 5 : 7 festgelegt wurde, und eine Fourier-Zerlegung hat
gezeigt, daß die höheren Harmonischen der zweiten und der
vierten Ordnung enthalten sind.
Im allgemeinen wird das erste Gitter mit einem Verhältnis
zwischen dem lichtdurchlassenden oder reflektierenden Bereich
und dem lichtabschirmenden Bereich mit einem Sollwert von 1 : 1
hergestellt. Jedoch treten auf Grund der Herstellungstechniken
Änderungen auf und das Verhältnis 1 : 1 wird nicht erreicht.
Diesbezüglich mag man annehmen, daß die höheren harmonischen
aller Ordnungen mit eingeschlossen sind und die oben
beschriebene Erfasungseinrichtung diese höheren harmonischen
Anteile verwendet.
Jedoch benötigt diese Erfassungseinrichtung eine
Kollimatorlinse mit hoher Genauigkeit und langer Brennweite,
damit das Beleuchtungslicht zufriedenstellend parallele
Strahlen erhält. Infolgedessen ergibt sich der bereits
genannte Nachteil, daß die genannte Erfassungseinrichtung groß
wird.
Ferner, da die optische Unterteilung erhöht wird, sollte die
Teilung des zweiten Gitters auf der Indexskala feiner
unterteilt werden. Bei der Indexskala reicht es im Unterschied
zu der Hauptskala aus, daß sie einige Millimeter lang ist und
die kleine Teilung bildet kein wesentliches Hindernis, jedoch
bleibt die Schwierigkeit, daß, wenn die Teilung kleiner
unterteilt wird, die Ausbeute bei der Herstellung von
Indexskalen verschlechtert wird.
Das gleiche gilt für den Fall, bei dem die Teilung des
zweiten Gitters auf der Indexskala zu P/(2n) festgelegt
wird und ein Erfassungssignal mit einer Teilung P/(2n)
erhalten werden soll. In diesem Fall kann ein Signal mit
einem guten Kontrast nur an einer Stelle erhalten werden,
wo der Abstand zwischen den Gittern durch Multiplikation
(P/n)²/λ mit der Hälfte einer ganzen Zahl erhalten wird.
Infolgedessen liegt eine vierte Zielsetzung der Erfindung
darin, eine optische Erfassungseinrichtung zu schaffen, bei
der die optische Unterteilung ohne die Verwendung einer
Kollimatorlinse mit hoher Genauigkeit und langer Brennweite
durchgeführt und die Indexskala leicht hergestellt werden
kann.
Um diese oben genannte vierte Zielsetzung zu erfüllen, wird
gemäß dem vierten Gedanken nach der Erfindung eine optische
Verschiebungserfassungseinrichtung angegeben, die umfaßt:
eine Streulichtquelle;
eine Hauptskala, die an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Stellung angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Anteile enthält;
eine Indexskala, die an einer in einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q ≃ (u+v) · Q/u mit Q = P/m (mit m einer ganzen Zahl gleich 2 oder größer) aufweist; und
ein Lichtempfangselement zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen, um dadurch ein Erfassungssignal mit der Teilung Q zu erzeugen.
eine Streulichtquelle;
eine Hauptskala, die an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Stellung angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Anteile enthält;
eine Indexskala, die an einer in einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung q ≃ (u+v) · Q/u mit Q = P/m (mit m einer ganzen Zahl gleich 2 oder größer) aufweist; und
ein Lichtempfangselement zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen, um dadurch ein Erfassungssignal mit der Teilung Q zu erzeugen.
Bei einer besonderen Ausführungsform gemäß dem vierten
Gedanken der Erfindung ist die Streulichtquelle eine
Punktlichtquelle.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsform gemäß dem
vierten Gedanken der Erfindung ist die Punktlichtquelle
eine Laserdiode.
Bei einer anderen besonderen Ausführungsform der Erfindung
gemäß dem vierten Gedanken ist die Punktlichtquelle so
ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des divergierenden
Winkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor einem Licht
aussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen ist.
Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der
Erfindung gemäß dem vierten Gedanken ist die Streulicht
quelle eine Linearlichtquelle, die in Richtung der Weite
des ersten Gitters ausgerichtet ist.
Bei einer noch anderen, besonderen Ausführungsform der
Erfindung gemäß dem vierten Gedanken wird der Abstand v
festgelegt auf
v ≃ nMQ²/λ
(mit n einer ganzen Zahl gleich 1 oder größer),
(mit n einer ganzen Zahl gleich 1 oder größer),
wobei die Wellenlänge bei dem Mittelwert eines Licht
empfindlichkeitsspektrums eines optischen Systems
festgelegt ist, und die Vergrößerung M dieses Systems
bestimmt wird durch M≃(u+v)/u.
Die fünfte Zielsetzung der Erfindung besteht darin, eine
optische Verschiebungserfassungseinrichtung zu schaffen,
bei der zusätzlich zu der vierten Zielsetzung eine
optische Mehrfachunterteilung durch Verwendung von zwei
Gittern durchgeführt werden kann.
Um die oben beschriebene fünfte Zielsetzung zu erreichen,
wird gemäß einem fünften Gedanken der Erfindung eine
optische Verschiebungserfassungseinrichtung angegeben, die
umfaßt:
eine Streulichtquelle;
eine Hauptskala, die an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P besitzt und höhere harmonische Anteile enthält;
eine Indexskala, die an einer mit einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung von q ≃ (u+v)Q/(2u) mit Q = P/m (mit m einer ganzen Zahl gleich 2 oder größer) aufweist; und
ein Lichtempfangselement zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen, um dadurch ein Erfassungssignal mit einer Teilung Q/2 zu erzeugen.
eine Streulichtquelle;
eine Hauptskala, die an einer mit einem Abstand u von der Streulichtquelle beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P besitzt und höhere harmonische Anteile enthält;
eine Indexskala, die an einer mit einem Abstand v von dem ersten Gitter beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter mit einer Gitterteilung von q ≃ (u+v)Q/(2u) mit Q = P/m (mit m einer ganzen Zahl gleich 2 oder größer) aufweist; und
ein Lichtempfangselement zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters durch die Streulichtquelle mit dem zweiten Gitter, wenn sich beide Skalen relativ zueinander bewegen, um dadurch ein Erfassungssignal mit einer Teilung Q/2 zu erzeugen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung gemäß dem
fünften Gedanken ist die Streulichtquelle eine
Punktlichtquelle.
Bei einer anderen, besonderen Ausführungsform der Erfindung
gemäß dem fünften Gedanken ist die Punktlichtquelle eine
Laserdiode.
Bei einer weiteren, besonderen Ausführungsform der
Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist die Punktlicht
quelle so ausgebildet, daß eine Linse zur Steuerung des
divergierenden Winkels, z. B. eine plankonvexe Linse, vor
dem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen
ist.
Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der
Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist die Streulicht
quelle eine Linearlichtquelle die in Richtung der Weite
des ersten Gitters ausgerichtet ist.
Bei einer wiederum anderen, besonderen Ausführungsform der
Erfindung gemäß dem fünften Gedanken ist der Abstand v
eingestellt auf
v ≃ (n - 1/2)MQ²/λ
(mit n einer ganzen Zahl gleich 1 oder größer),
(mit n einer ganzen Zahl gleich 1 oder größer),
wobei die Wellenlänge ein Mittelwert des
Lichtempfindlichkeitsspektrums eines optischen Systems
auf λ festgelegt ist und die Vergrößerung M des
Systems festgelegt ist durch M = (u+v)/u.
Das Erfassungsprinzip gemäß dem vierten und fünften Gedanken
der Erfindung wird im folgenden beschrieben.
Es wird auf die Fig. 1 Bezug genommen. Unter der Annahme, daß
das erste Gitter 16 höhere harmonische Anteile der Ordnung m
(m ist eine ganze Zahl gleich 2 oder größer) enthält, kann man
annehmen, daß statt des ersten Gitters ein Gitter mit einer
Teilung Q (vorausgesetzt, daß Q=P/n ist) vorliegt. Dann wird
das Bild eines vergrößerten Gitters mit der Teilung Q
scheinbar auf einem Schirm S gebildet, der mit dem Abstand v
von dem ersten Gitter 16 beabstandet ist. Jedoch ist in
Wirklichkeit die Verteilung der Lichtmenge des Bildes in
Abhängigkeit von den Werten u und v äußerst verschieden.
Aus Gründen der Einfachheit wird der
Lichtamplitudenübertragungsfaktor f(x) des Gitters mit der
Teilung Q durch die folgende Gleichung (7) dargestellt und das
Berechnungsergebnis der Bildverteilung g(x) auf dem Schirm S im
Abstand v gemäß der oben genannten Theorie der
Fresnel-Streuung wird weiter unten dargestellt.
T(x) = 1 + cos (2 πx/Q) (7)
Hier wird die Wellenlänge bei dem Mittelwert des
Lichtspektrums in diesem optischen System des von der
Streulichtquelle 30 ausgesandten Lichtspektrums und die
Wellenlängenempfindlichkeit eines Lichtempfangselements auf λ
festgelegt; n ist eine natürliche Zahl (eine ganze Zahl gleich
1 oder größer) und die Vergrößerung M des ersten Gitters ist
definiert durch M = (u+v)/u.
Wenn zunächst der Abstand v im wesentlichen gleich v1(n) ist,
der durch die folgende Gleichung (8) dargestellt wird, kann
eine in der folgenden Formel (9) gezeigte Beziehung mit
Ausnahme eines Proportionalitätsfaktors hergestellt werden.
v ≃ v1(n) = (n-0,5) MQ²/λ (8)
g(x) ≡ g1(x) ≃ 4 + cos [4 πux/(u+v) · Q] (9)
Die Gleichung (8) ist zur folgenden Gleichung equivalent.
v ≃ v1(n) = u(n-0,5) Q²/[λu - (n-0,5) Q²]
Wenn jedoch v verändert wird, ändert sich g1(x) nicht so
stark. Deshalb ist die Gleichung (8) nicht so genau.
Andererseits, wenn der Abstand v im wesentlichen v2(n) ist,
wie er durch die folgende Gleichung (10) dargestellt wird,
ergibt sich die in der folgenden Formel (11) gezeigte
Beziehung mit Ausnahme eines Porportionalitätsfaktors.
v ≃ v2(n) = nMQ²/λ (10)
g(x) ≡ g2(x) ≃ 1 + cos [2 πux/(u+v) · P) (11)
Aus den Formeln (8) und (9) ergibt sich, daß, wenn das zweite
Gitter mit der Gitterverteilung q = (u+v)P/(2u) vorgesehen
wird, ein Erfassungssignal auf dem Schirm S erhalten werden
kann, wo der Abstand v nahe bei v1(n) liegt. Dieses Bild
besitzt eine Gitterteilung von 1/2 zu dem scheinbaren Bild und
weist ein bemerkenswertes Merkmal auf, daß, wenn das erste
Gitter 16 um Q verschoben wird, d. h. P/m, das
Erfassungssignal um einen vergleichbaren Wert von zwei
Perioden verändert wird.
Andererseits hat sich aus den Formeln (10) und (11)
ergeben, daß, wenn das zweite Gitter mit der Gitterteilung
q = (u+v)Q/u versehen wird, ein Erfassungssignal auf dem
Schirm S erhalten werden kann, wo der Abstand v nahe bei
v2(n) liegt. Da dieses Bild mit dem scheinbaren Bild ver
gleichbar ist, ändert sich das Erfassungssignal um einen
mit einer Teilung vergleichbaren Wert, wenn das erste
Gitter 16 um Q, d. h. P/m verschoben wird.
Auf dem Schirm S liegen Wellenformen mit unterschiedlichen
Teilungen vor, die den höheren harmonischen Anteilen des
ersten Gitters entsprechen. Jedoch kann man annehmen, daß
das zweite Gitter spezifische Komponenten ausfiltert.
Der vierte Gedanke der Erfindung basiert auf den Ergebnissen
der oben genannten Untersuchung. Die Gitterteilung des ersten
Gitters ist auf P und die Gitterteilung q des zweiten Gitters
ist auf (u+v)Q/u mit (Q=P/m) festgelegt, die Hauptskala
mit dem auf ihr ausgebildeten ersten Gitter wird durch die
Streulichtquelle beleuchtet und eine Änderung der Lichtmenge
aufgrund der Überlagerung eines Bildes der höheren
harmonischen Anteile des ersten Gitters mit dem zweiten Gitter
wird photoelektrisch, umgewandelt dadurch ein Erfassungssignal
mit der Teilung Q zu erzeugen. Infolgedessen kann die
Punktlichtquelle oder die Linearlichtquelle, so wie sie sind,
als Streulichtquelle verwendet werden und die Verwendung einer
Kollimatorlinse hoher Genauigkeit und langer Brennweite ist
nicht erforderlich. Ferner kann die Teilung des zweiten
Gitters größer als bisher gemacht werden, so daß die
Indexskalen ohne weiteres hergestellt werden können.
Der fünfte Gedanke gemäß der Erfindung basiert ebenfalls auf
den Ergebnissen der oben angegebenen Untersuchung. Die
Gitterteilung des ersten Gitters ist auf P und die
Gitterteilung q des zweiten Gitters ist auf (u + v) · Q/(2u)
festgelegt, und die Hauptskala mit dem auf ihr ausgebildeten
ersten Gitter wird durch die Streulichtquelle beleuchtet,
wodurch eine Änderung der Lichtquelle auf Grund der
Überlagerung eines Bildes der höheren harmonischen Anteile des
ersten Gitters und des zweiten Gitters photoelektrisch
umgewandelt wird, um dadurch ein Erfassungssignal mit einer
Teilung von Q/2 zu erzeugen. Infolgedessen kann ferner eine
optische Mehrfachteilung durch Verwendung der zwei Gitter
erzielt werden.
Das Eigentliche dieser Erfindung sowie weitere Zielsetzungen
und Vorteile ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden
Beschreibung unter Bezugnahme der auf den beigefügten
Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder
ähnlichen Teile durchgängig bezeichnen.
Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden an Hand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des
Erfasssungsprinzips nach der Erfindung;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung, die die Anord
nung einer ersten Ausführungsform einer optischen Ver
schiebungserfassungseinrichtung nach der Erfindung zeigt;
Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des
Signalkontrasts bei einem Erfassungssignal;
Fig. 4(A) und 4(B): graphische Darstellungen der
Berechnungsergebnisse bei Verwendung der ersten Aus
führungsform nach der Erfindung;
Fig. 5 eine Schnittdarstellung, die die Anordnung einer
zweiten Ausführungsform nach der Erfindung zeigt;
Fig. 6 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der
Anordnung einer dritten Ausführungsform nach der
Erfindung;
Fig. 7 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der
Anordnung einer vierten Ausführungsform nach der
Erfindung;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung
der Anordnung einer fünften Ausführungsform nach der
Erfindung;
Fig. 9 eine Vorderansicht zur Erläuterung der Anordnung
der Linearlichtquelle, die bei der fünften Ausführungs
form nach der Erfindung verwendet wird;
Fig. 10 eine Querschnittdarstellung längs der Linie X-X
in Fig. 9;
Fig. 11 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An
ordnung einer sechsten Ausführungsform nach der Erfindung;
Fig. 12 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An
ordnung einer siebten Ausführungsform nach der Erfindung;
Fig. 13 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An
ordnung einer achten Ausführungsform nach der Erfindung;
Fig. 14 eine Schnittdarstellung zur Erläuterung der An
ordnung einer neunten Ausführungsform nach der Erfindung;
Fig. 15 eine perspektivische Darstellung, die die Anordnung
eines Beispiels einer herkömmlichen, optischen
Verschiebungserfassungseinrichtung zeigt; und
Fig. 16 eine Schnittdarstellung, die die Anordnung eines
anderen Beipiels einer herkömmlichen, optischen
Verschiebungserfassungseinrichtung zeigt.
Die Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden im
einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
Gemäß Fig. 2 umfaßt die erste Ausführungsform nach der
Erfindung:
eine Beleuchtungseinrichtung, die einen im wesentlichen parallelen Lichtfluß aufweist und von einer Laserdiode 32 als kohärente Lichtquelle und einer kollimaten Linse 33 gebildet wird;
einer Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen einem lichtdurchlässigen Bereich 16A und einem lichtabschirmenden Bereich 16B im wesentlichen auf 1:1 und die Gitterteilung auf P festgelegt ist;
eine Indexskala 18, auf der ein zweigeteiltes zweites Gitter 20 mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen einem lichdurchlässigen Bereich und einem lichtabschirmenden Bereich auf im wesentlichen 1 : 1 und die Gitterteilung mit q festgelegt ist;
zwei Fotodioden 22, die entsprechend der vor gesehenen Unterteilung des zweiten Gitters 20 vorgesehen sind, um fotoelektrisch durch das erste Gitter 16 und das zweite Gitter 20 hin durchgegangenes Beleuchtungslicht umzuwandeln, und
zwei Vorverstärker 24, um die Ausgänge der je weiligen Fotodioden 22 zu verstärken und Er fassungssignale A und B auszugeben, die mit einer Teilung t festgelegt und um 90° gegeneinander verschoben sind.
eine Beleuchtungseinrichtung, die einen im wesentlichen parallelen Lichtfluß aufweist und von einer Laserdiode 32 als kohärente Lichtquelle und einer kollimaten Linse 33 gebildet wird;
einer Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen einem lichtdurchlässigen Bereich 16A und einem lichtabschirmenden Bereich 16B im wesentlichen auf 1:1 und die Gitterteilung auf P festgelegt ist;
eine Indexskala 18, auf der ein zweigeteiltes zweites Gitter 20 mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen einem lichdurchlässigen Bereich und einem lichtabschirmenden Bereich auf im wesentlichen 1 : 1 und die Gitterteilung mit q festgelegt ist;
zwei Fotodioden 22, die entsprechend der vor gesehenen Unterteilung des zweiten Gitters 20 vorgesehen sind, um fotoelektrisch durch das erste Gitter 16 und das zweite Gitter 20 hin durchgegangenes Beleuchtungslicht umzuwandeln, und
zwei Vorverstärker 24, um die Ausgänge der je weiligen Fotodioden 22 zu verstärken und Er fassungssignale A und B auszugeben, die mit einer Teilung t festgelegt und um 90° gegeneinander verschoben sind.
Die Wellenlänge λ der Laserdiode 32 ist auf ungefähr 0,8 µm
festgelegt. Hier ist λ die Wellenlänge der Laserdiode 32,
jedoch kann im allgemeinen λ als die Mittenwellenlänge des
effektiven Spektrums eines optischen Systems im Hinblick auf
das Lichtempfangselement (Fotodiode 22) festgelegt werden.
Wenn die Laserdiode 32 an einer entfernt liegenden Stelle
angebracht ist, kann die Kollimatorlinse 33 weggelassen
werden.
Als Teilung P für das erste Gitter 16 können 8 µm, 16 µm,
20 µm oder 40 µm z. B. gewählt werden.
Ferner kann als Teilung q für das zweite Gitter 20
8 µm oder 4 µm ausgewählt werden.
Die Erfindung wurde unter Verwendung der ersten
Ausführungsform untersucht. Kombinationen der Teilung P des
ersten Gitters 16 mit der Teilung q des zweiten Gitters 20,
die bei der Untersuchung verwendet wurden, sind in der
folgenden Tabelle 1 angegeben. Der in Tabelle 1 gezeigte Wert
t ist die Periode eines Erfassungssignals, welches erhalten
wird, wenn der Abstand v zwischen dem ersten und dem zweiten
Gitter größer als p²/λ gemacht wird.
Wie es aus der Tabelle 1 offensichtlich ist, hat es sich
ergeben, daß die Periode bzw. Teilung t des Erfassungssignals
gegenüber der Teilung P des ersten Gitters 16 kleingemacht
ist, wodurch die optische Mehrfachunterteilung durchgeführt
wird. Der in Tabelle 1 angegebene Wert n entspricht P/t, d. h.
der Anzahl der optischen Unterteilung.
Selbst wenn die optische Mehrfachunterteilung durchgeführt
wird, kann man in Betracht ziehen, daß die Herstellung des
zweiten Gitters schwierig ist, weil die Teilung q des zweiten
Gitters 20 gleich der Teilung t des Erfassungssignals ist.
Jedoch ist es bei dem zweiten Gitter 20, welches sich von dem
ersten Gitter 16 auf der Hauptskala 14 insofern unterscheidet,
als dieses eine die gesamte Meßlänge überdeckende Länge
aufweisen muß, ausreichend, daß es eine Länge aufweist, die
nur die Weite der Lichtempfangselemente überdeckt. Demgemäß
kann z. B. ein Muster unmittelbar mit einer elektronischen
Strahlzeichnungseinrichtung ausgebildet werden, so daß das
zweite Gitter verglichen mit dem ersten Gitter auf der
Hauptskala ohne weiteres hergestellt werden kann.
Es wurden auch Untersuchungen im Hinblick auf Änderungen des
Abstands v der Gitter und des Zustands des Erfassungssignals
durchgeführt. Fig. 3 zeigt ein Beispiel des von dem
Vorverstärker 24 erhaltbaren Erfassungssignals. Das Maß der
Güte des Erfassungssignals kann nach dem Signalkontrast
beurteilt werden, der durch die folgende Gleichung (12) unter
Verwendung einer Gleichstromkomponente DC und einer
Wechselstromkomponente PP definiert ist.
SIGNALKONTRAST = PP/DC (12)
Im allgemeinen sollte die Gleichstromkomponente DC, die nicht
zur Verschiebungserfassung beiträgt, einen kleinen Wert
aufweisen. Je größer der Kontrast des Signals ist, um so
stabiler kann die Messung durchgeführt werden. Der beste
Kontrast des erhaltenen Signals ist durch die unterbrochene
Linie in Fig. 3 dargestellt. Aus der Definition des
Signalkontrasts ergibt sich, daß der Wert des Signalkontrasts
dabei 2 ist.
Wenn der Abstand v zwischen den Gittern verändert wird, wird
der Signalkontrast ebenfalls verändert. Die Fig. 4(A)
und (B) zeigen das Ergebnis der Untersuchung. Als Ergebnis der
Untersuchung werden in Abhängigkeit von der Anzahl der
optischen Unterteilungen, d. h. wenn n gleich 2 oder n von 2
verschieden ist, unterschiedliche Verhaltensweisen beobachtet;
Fig. 4(A) zeigt den Fall mit n=2, während Fig. 4(B) den
Fall mit n≠2 zeigt.
Wenn n=2 gilt, sind wie es aus der Fig. (A) offensicht
lich ist, Signalkontrastspitzen an den Stellen vorhanden,
wo der Gitterabstand v durch Multiplikation q²/λ mit einer
geraden Zahl erhalten wird. Da Null nirgendwo vorliegt,
kann eine Verschiebung solange erfaßt werden, als der Ab
stand v zwischen den Gittern 2 q²/λ oder größer ist. Ein
besonderes Merkmal besteht darin, daß, wenn der Gitterab
stand v ungefähr 100 q²/λ oder größer wird, der Signal
kontrast im wesentlichen ein konstanter Wert von 0,5 wird.
Demgemäß ergibt sich, daß sich das Erfassungssignal bei
einer Änderung des Gitterabstandes v kaum ändert, wodurch
es möglich ist, eine sehr stabile Erfassungseinrichtung zu
konstruieren.
Im Gegensatz hierzu befinden sich die Kontrastspitzen des
Signals, wenn n nicht 2 ist, z. B. bei einer Kombination, bei
der die Gitterteilung P des ersten Gitters 16 40 µm und die
Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 8 µm (n=5) beträgt,
nahe den Stellen, wo der Gitterabstand v durch Multiplikation
von q²/λ mit einer ganzen Zahl erhalten wird, wie es in Fig.
4(B) gezeigt ist, und der Kontrast des Signals ist in jedem
der Zwischenbereiche nahezu 0. Infolgedessen ergibt sich, daß
durch Einstellen des Gitterabstands v auf ungefähr m q²/λ
(mit m einer positiven ganzen Zahl) und wenn der Wert von m
groß gemacht wird, selbst dann, wenn der Gitterabstand v
größer als ein vorbestimmter Wert ist, eine
Erfassungseinrichtung erhalten werden kann, bei der der
Kontrast des Erfassungssignals gut ist.
Als die Erfindung unter Verwendung der Erfassungseinrichtung
gemäß der ersten Ausführungsform untersucht worden ist, betrug
die Anzahl n der Unterteilung 2-5. Jedoch kann jene auch im
Falle einer größeren Mehrfachunterteilung verwendet werden.
Bei der ersten Ausführungsform wurde die Erfindung bei einer
geradlinigen Verschiebungserfassungseinrichtung vom
Transmissionstyp angewandt. Jedoch ist der Anwendungsbereich
der Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt und die
Erfindung kann in gleicher Weise bei einer geradlinigen
Verschiebungserfassungseinrichtung vom Reflexionstyp
eingesetzt werden, wie es Fig. 5 zeigt. In diesem Fall wird
zusätzlich zu der Glasskala als Hauptskala 14 ein Band aus
nichtrostendem Stahl oder ähnlichem verwendet. Ferner kann die
Erfindung außer bei einer geradlinigen
Verschiebungseinrichtung (Linearencoder) bei einer
Drehbewegungserfassungseinrichtung (Drehencoder) angewendet
werden.
Bei der obigen Ausführungsform wurde als kohärente Lichtquelle
die Laserdiode 32 verwendet. Jedoch ist die Art der
Lichtquelle nicht notwendigerweise auf diese beschränkt und
eine Leuchtdiode mit einer Breite des Emissionsspektrums von
ungefähr 20 nm oder weniger kann z. B. statt der Laserdiode
verwendet werden. Selbst wenn die lichtaussendenden Elemente
Emissionsspektren mit einer großen Breite aufweisen, können
die lichtaussendenden Elemente als kohärente Lichtquelle
verwendet werden, indem zusätzlich ein Interferenzfilter oder
ähnliches eingesetzt wird, um die Wellenlänge auszuwählen.
Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem zweiten
Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
Die dritte Ausführungsform nach der Erfindung verwendet
die in den obigen Formeln (5) und (6) angegebene Beziehung
und umfaßt, wie es Fig. 6 zeigt:
eine Laserdiode 32 zum Beleuchten einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kolli matorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 aus länglichen Tei lungsstreifen besteht, und die an einer mit dem Abstand u von der Laserdiode 32 beabstan deten Position angeordnet ist,
eine Index-Skala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Abstand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangs elemente 22A und 22B zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 und des zweiten Gitters 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zu einander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken des Ausgangs des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
eine Laserdiode 32 zum Beleuchten einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kolli matorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 aus länglichen Tei lungsstreifen besteht, und die an einer mit dem Abstand u von der Laserdiode 32 beabstan deten Position angeordnet ist,
eine Index-Skala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Abstand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangs elemente 22A und 22B zur photoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 und des zweiten Gitters 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zu einander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken des Ausgangs des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
Als Laserdiode 32 kann eine solche verwendet werden, bei der
die Größe des Lichtemissionsbereiches ungefähr einige µm²
aufweist und die Wellenlänge ungefähr 0,78 µm beträgt
(z. B. eine Diode HL-7801 E von Hitachi, Ltd.).
Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem zweiten
Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten Gitters
20 erfüllen die in den folgenden Formeln angegebenen Bezie
hungen.
v ≃ unP²/(λu - nP²) (13)
q = (u + v) P/u (14)
Mit n einer natürlichen Zahl n/P² oder kleiner.
Insbesondere wenn n=30 und u und v auf ungefähr 4,9 mm
festgelegt werden und die Gitterteilung P des ersten Gitters
auf 8 µm festgelegt wird, ergeben sich 16 µm für die
Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 aus der Beziehung
gemäß Gleichung (14). Schließlich sollten die Positionen
der Laserdiode 32 und der Indexskala 18 genau eingestellt
werden, um zufriedenstellende Signale zu erhalten. Ferner
liegt der zulässige Wert für Änderungen des Abstandes v bei
ungefähr + oder -0,1 P²/λ.
Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20,
welches mit der Versetzung δ unterteilt ist, um
phasenverschobene Signale zu erhalten, 4 plus oder minus
0,4 µm betragen, um einen Phasenunterschied von 90° plus
oder minus 10° zu erhalten, da die Gitterteilung q 16 µm
beträgt. Somit hat sich herausgestellt, daß die
Gitterteilung und die Versetzung bei dem zweiten Gitter 20
einen verglichen mit einer herkömmlichen
Erfassungseinrichtung doppelten Wert aufweist, wodurch die
Herstellung des zweiten Gitters vereinfacht wird.
Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung
zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der
Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände u
und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14
hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Breite
der Lichtempfangselemente 22A und 22B in der x-Richtung
verringert wird.
Bei der Anordnung dieser Ausführungsform wird die
Hauptskala 14 in der X-Richtung verschoben, wodurch
Erfassungssignale, die die Teilung t = 8 µm aufweisen und
mit zwei Phasen verschoben sind, von den Vorverstärkern
24A und 24B erhalten werden. Mit anderen Worten bedeutet
dies, daß t=P ist.
Bei der dritten Ausführungsform wird die Laserdiode 32, wie
sie ist, als Punktlichtquelle verwendet; jedoch muß die
Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf eine solche
beschränkt sein, und es kann, wie z. B. bei der
vierten Ausführungsform gemäß Fig. 7, eine sehr kleine
plankonvexe Linse 34 mit einem Durchmesser von 500 µm vor
dem lichtaussendenden Bereich der Laserdiode 32 verwendet
werden, um den Divergenzwinkel zu steuern, so daß der
Lichtempfangswirkungsgrad verbessert werden kann.
Ferner kann als Punktlichtquelle eine Hochleistungsleucht
diode, die zwischen einer Laserdiode und einer Leuchtdiode
liegt, verwendet werden.
Eine fünfte Ausführungsform nach der Erfindung wird im
folgenden einzeln beschrieben.
Gemäß Fig. 8 wird bei der fünften Ausführungsform als
Streulichtquelle eine Linearlichtquelle 40, z. B. eine
schlitzförmige Leuchtdiode, verwendet, die in Richtung der
Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist. Mit der
Ausnahme, daß vier Lichtempfangselemente 22A, 22B, 22C und
22D vorgesehen sind, die um 0°, 180°, 90° und 270°
phasenverschoben sind, ist die übrige Ausgestaltung ähnlich
der der dritten Ausführungsform, so daß die Beschreibung
nicht wiederholt wird.
Wenn eine normale Leuchtdiode als Lichtquelle verwendet
wird und der lichtaussendende Bereich lediglich klein
gemacht wird, um eine Punktlichtquelle zu erhalten, dann
wird die Lichtemission verringert, so daß der
Verstärkungsfaktor der Vorverstärker erhöht werden muß,
wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert wird.
Aus diesem Grund wird bei der fünften Ausführungsform eine
Leuchtdiode als Linearlichtquelle und nicht als
Punktlichtquelle verwendet.
Als Linearlichtquelle 40 kann eine Leuchtdiode mit einem
stabförmigen Lichtemissionsbereich 42, wie es in Fig. 9 und
10 gezeigt ist, verwendet werden. Diese Leuchtdiode weist
eine solche Ausgestaltung auf, bei der ein stabförmiger
Bereich von GaAs vom p-Typ mit einer Weite W von ungefähr
50 µm und einer Länge L von ungefähr 400 µm durch
Diffusion auf einem Substrat 44 aus GaAs vom n-Typ
gebildet wird und eine Elektrodenschicht 46 auf der
Unterseite und eine andere Elektrodenschicht 46 über eine
Isolierschicht 48 aufgebracht wird. Mit 50 ist ein
Leitungsdraht bezeichnet. Die oben beschriebene
Leuchtdiode emittiert Licht in Streifenform, wodurch der
Ausgang als Ganzes nicht verringert ist, so daß eine
Leuchtdiode dieser Art als Linearlichtquelle äußerst gut
geeignet ist.
Die Längsrichtung des streifenförmigen
Lichtemissionsbereichs 42 der Leuchtdiode ist in Richtung
der Weite des ersten Gitters 16 der Hauptskala 14
ausgerichtet, wie es oben beschrieben wurde, wobei die
Leuchtdiode, selbst wenn sie als Linearlichtquelle in
Richtung der Gitterweite angeordnet ist, eine
Punktlichtquelle in der X-Richtung des Gitters wird, so
daß die Leuchtdiode im wesentlichen als Punktlichtquelle
wirken kann.
Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem dritten
Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
Bei der sechsten Ausführungsform nach der Erfindung werden
die in den oben angegebenen Formeln (3) und (4) beschrie
benen Beziehungen verwendet und sie umfaßt gemäß Fig. 11:
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 aus länglichen Teilungsstreifen besteht, und die an einer im Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Position angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Abstand von v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zu einander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zur Verstärkung des Ausgangs des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 aus länglichen Teilungsstreifen besteht, und die an einer im Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Position angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Abstand von v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zu einander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zur Verstärkung des Ausgangs des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
Als Laserdiode 32 kann die gleiche wie bei der dritten
Ausführungsform verwendet werden.
Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem
zweiten Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten
Gitters 20 können die Beziehungen gemäß den folgenden Formeln
erfüllen:
v ≃ u · (n - 0,5) P²/[λu - (n - 0,5)P²)] (15)
q = (u + v) P/(2u) (16)
mit n einer natürlichen Zahl von λu/P²+0,5 oder
kleiner.
Als Ergebnis von Untersuchungen wurde festgestellt, daß
die in der Formel (15) angegebene Beziehung nicht genau
erfüllt werden muß.
Insbesondere kann, wenn u und v auf ungefähr 5 µm und die
Gitterteilung P des ersten Gitters auf 8 µm festgelegt
werden, die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 auch
auf 8 µm auf Grund der Beziehung gemäß Gleichung (16) fest
gesetzt werden.
Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20,
welches durch die Versetzung δ unterteilt ist, um als
Phasendifferenz 90° plus oder minus 10° zu erhalten, 2 µm
plus oder minus 0,2 µm betragen, da die Gitterteilung q 8 µm
ist. Wenn das Moir´-Streifenverfahren angewandt wird,
wird δ zu Null gewählt und die Indexskala kann etwas
gedreht werden, um die Lichtempfangselemente 22A und 22B
in der vertikalen Richtung anzuordnen.
Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung
zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der
Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände u
und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14
hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Weite der
Lichtempfangselemente 22A und 22B in der X-Richtung
verringert wird. Vorhergehendes ist ähnlich wie bei der
dritten Ausführungsform.
Bei der Anordnung dieser Ausführungsform ändert sich,
selbst wenn das erste Gitter 16 der Hauptskala 14 um eine
Teilung P in der X-Richtung verschoben wird, das erhaltene
Bild mit einem zwei Teilungen vergleichbaren Wert.
Infolgedessen können Erfassungssignale mit der Teilung
t=P/2 und in zwei Phasen verschoben von den
Vorverstärkern 24A und 24B erhalten werden. Mit anderen
Worten wird eine optische Teilung in zwei durchgeführt.
Bei der sechsten Ausführungsform wird die Laserdiode wie
sie ist als Punktlichtquelle verwendet, jedoch ist die
Art der Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf diese
beschränkt und als Punktlichtquelle kann eine solche ver
wendet werden, die dadurch erhalten wird, daß eine sehr
kleine plankonvexe Linse 34 vor einem lichtaussendenden
Bereich der Laserdiode 32 angeordnet wird, wie es bei der
in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform der Fall ist, oder es
kann auch eine Hochleistungsleuchtdiode verwendet werden.
Ferner kann wie bei der in den Fig. 8 bis 10 gezeigten
fünften Ausführungsform als Streulichtquelle die Linear
lichtquelle 40 verwendet werden, welche in Richtung der
Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist.
Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem vierten
Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
Bei der siebten Ausführungsform nach der Erfindung werden
die in den Formeln (10) und (11) dargestellten Beziehungen
verwendet, bei denen die höheren harmonischen Anteile der
Ordnung m genutzt werden und diese in Fig. 12 gezeigte
Ausführungsform umfaßt:
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 die höheren harmonischen Anteile enthält, und die an einer mit dem Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Po sition angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer mit dem Abstand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zueinander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken der Ausgänge des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung einer Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 die höheren harmonischen Anteile enthält, und die an einer mit dem Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Po sition angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer mit dem Abstand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zur fotoelektrischen Umwandlung einer Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 18 relativ zueinander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken der Ausgänge des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
Hier ist die Annahme gemacht worden, daß das erste Gitter
16 höhere harmonische Anteile der Ordnung m aufweist und
daß gemäß Fig. 12 das erste Gitter mit einer Gitterteilung
Q=P/m dargestellt wird. Als erstes Gitter kann z. B. ein
solches verwendet werden, bei dem das Verhältnis zwischen
dem lichtdurchlässigen Bereich und dem lichtabschirmenden
Bereich auf ungefähr 1 : 1 festgelegt ist.
Als Laserdiode 32 kann die gleiche wie bei der dritten
Ausführungsform verwendet werden.
Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem zweiten
Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten Gitters
20 können die in den folgenden Formeln angegebenen
Beziehungen erfüllen.
v ≃ nMQ²/λ (17)
q = (u + v) Q/u (18)
mit n einer ganzen Zahl von 1 oder größer.
Insbesondere kann, wenn m = 5, n = 120 und u und v
ungefährt 5 mm betragen und die Gitterteilung P des ersten
Gitters auf 20 µm (Q=4 µm) festgelegt ist, die
Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 auf Grund der durch
Gleichung (18) angegebenen Beziehung 8 µm betragen.
Schließlich sollten die Positionen der Laserdiode 32 und
der Indexskala 18 genau eingestellt werden, um
zufriedenstellende Signale zu erhalten. Ferner beträgt der
zulässige Wert der Änderung des Abstands v ungefähr plus
oder minus 0,2 Q²/λ.
Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20,
welches durch die Versetzung δ unterteilt ist, um
phasenverschobene Signale zu erhalten, 2 plus oder minus
0,2 µm betragen, um 90° plus oder minus 10° als
Phasenunterschied zu erhalten, da die Gitterteilung q 8 µm
beträgt. Somit ergibt sich, daß bei dem zweiten Gitter 20
die Gitterteilung und die Versetzung einen verglichen mit
einer herkömmlichen Erfassungseinrichtung verdoppelten
Wert aufweisen, wodurch die Herstellung des zweiten
Gitters vereinfacht wird.
Im Falle einer Erfassungseinrichtung vom Nomius-Typ wird
hier die Gitterteilung q des zweiten Gitters 20 auf einen
Wert von etwa demjenigen, der durch die Gleichung (18)
erhalten wird, festgelegt, die Phasenunterteilung der
Gitterteilung q ist nicht erforderlich und die
Gitterteilung q kann verglichen mit einer herkömmlichen
Erfassungseinrichtung einen doppelten Wert aufweisen.
Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung
zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der
Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände u
und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14
hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Weite der
Lichtempfangselemente 22A und 22B in der X-Richtung
verringert wird. Das Vorstehende ist ähnlich wie bei der
dritten Ausführungsform.
Bei der Anordnung dieser Ausführungsform wird die
Hauptskala 14 in der X-Richtung verschoben, so daß
Erfassungssignale mit einer Teilung t = 4 µm und mit zwei
Phasen verschoben von den Vorverstärkern 24A und 24B
erhalten werden können. Mit anderen Worten bedeutet dies,
daß gilt: t = Q. Wenn diese Gitter verwendet werden und u
= 5 mm und v≃3 mm sind, wird die Teilung des
Erfassungssignals 5 µm durch die Vergrößerung M = 8/5.
Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß die
höheren harmonischen Anteile mit m=4 verwendet werden.
Bei der siebten Ausführungsform wird die Laserdiode 32, wie
sie ist, als Lichtquelle verwendet, jedoch ist die
Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf diese Art
beschränkt; es kann eine solche verwendet werden, die
dadurch erhalten wird, daß eine plankonvexe Linse 34 vor
einem Lichtemissionsbereich der Laserdiode 32 angeordnet
wird, wie es die vierte Ausführungsform gemäß Fig. 7 zeigt.
In diesem Fall wird der Divergenzwinkel des
Beleuchtungslichts von der Laserdiode 32 gesteuert, so daß
der Lichtempfangswirkungsgrad verbessert werden kann.
Jedoch sollte der Wert u in der Gleichung (18) in einen
etwas größeren Wert als der tatsächliche Abstand
umgewandelt werden.
Ferner kann als Punktlichtquelle eine
Hochleistungsleuchtdiode oder ähnliches verwendet werden.
Auch kann, wie es bei der fünften Ausführungsform gemäß
den Fig. 8 bis 10 gezeigt ist, als Streulichtquelle die
Linearlichtquelle 40 verwendet werden, die in Richtung der
Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist.
In diesem Fall kann eine Zylinderlinse zur Steuerung des
Divergenzwinkels vor der Linearlichtquelle vorgesehen
sein.
Ferner kann als Gitter ein Gitter irgendeiner Form
verwendet werden, so lange es nur die höheren harmonischen
Anteile aufweist.
Eine Ausführungsform nach der Erfindung gemäß dem fünften
Gedanken wird im folgenden im einzelnen beschrieben.
Die achte Ausführungsform nach der Erfindung verwendet die
in den Formeln (8) und (9) angegebenen Beziehungen, bei
denen die höheren harmonischen Anteile der Ordnung m
verwendet werden und diese Ausführungsform umfaßt, wie es
Fig. 13 zeigt:
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung eine Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 die höheren harmonischen Anteile enthält, und die an einer im Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Position angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Ab stand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zum fotoelektrischen Umwandeln der Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 16 relativ zueinander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken der Ausgänge des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
eine Laserdiode 32 zur Beleuchtung eine Hauptskala 14 ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
die Hauptskala 14, auf der ein erstes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist, wobei das Gitter 16 die höheren harmonischen Anteile enthält, und die an einer im Abstand u von der Laserdiode 32 beabstandeten Position angeordnet ist,
eine Indexskala 18, auf der ein zweites Gitter 20 mit einer Teilung q ausgebildet ist und die an einer im Ab stand v von dem ersten Gitter 16 beabstandeten Position angeordnet ist,
zwei um 90° phasenverschobene Lichtempfangselemente 22A und 22B zum fotoelektrischen Umwandeln der Änderung der Lichtmenge auf Grund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters 16 durch die Laserdiode 32 mit dem zweiten Gitter 20, wenn sich beide Skalen 14 und 16 relativ zueinander bewegen, und
Vorverstärker 24A und 24B zum Verstärken der Ausgänge des Lichtempfangselements 22A bzw. 22B.
Hier ist die Annahme gemacht worden, daß das erste Gitter
16 höhere harmonische Anteile der Ordnung m in der
gleichen Weise wie bei der siebten Ausführungsform
aufweist und daß das erste Gitter mit einer Gitterteilung
von Q=P/m gemäß Fig. 13 wiedergegeben wird. Als erstes
Gitter kann eines verwendet werden, bei dem das Verhältnis
zwischen dem lichtdurchlassenden Bereich und dem
lichtabschirmenden Bereich z. B. ungefähr 1 : 1 beträgt.
Als Laserdiode 32 kann die gleiche wie bei der dritten
Ausführungsform verwendet werden.
Der Abstand v zwischen dem ersten Gitter 16 und dem
zweiten Gitter 20 und die Gitterteilung q des zweiten
Gitters 20 können die in den folgenden Formeln angegebenen
Beziehungen erfüllen:
v ≃ (n - 0,5) MQ²/λ (19)
q = (u + v) Q/(2u) (20)
mit n einer ganzen Zahl von 1 oder größer.
Jedoch ist die Bedingung gemäß der Formel (19) nicht so
zwingend und als Ergebnis von Untersuchungen hat sich
herausgestellt, daß die Beziehung nicht so genau erfüllt
werden muß.
Insbesondere kann, wenn m auf 2, u und v auf ungefähr 5 mm
und die Gitterteilung P des ersten Gitters auf 16 µm
(Q=8 µm) festgelegt sind, die Gitterteilung q des
zweiten Gitters 20 auf 8 µm in ähnlicher Weise wie Q
auf Grund der Beziehung gemäß Gleichung (20) festgelegt
werden.
Andererseits kann die Versetzung δ des zweiten Gitters 20,
welches durch die Versetzung δ unterteilt ist, um eine
Phasendifferenz von 90° plus oder minus 10° zu erhalten,
2 plus oder minus 0,2 µm ähnlich wie bei der siebten
Ausführungsform betragen, da die Gitterteilung q 8 µm
beträgt. Wenn das Nomiusverfahren angewandt wird, sollte
die Gitterteilung q des zweiten Gitters auf eine Wert
festgelegt werden, der sich von dem Wert der Gleichung (20)
unterscheidet und die Lichtempfangselemente 22A und
22B sollten an Positionen angeordnet sein, die um 90°
einander gegenüber phasenverschoben sind.
Ferner kann der nachteilige Einfluß einer Verschiebung
zwischen der Teilung q des zweiten Gitters 20 und der
Teilung des Bildes, welche durch Änderungen der Abstände
u und v bei einer Verschiebung der Hauptskala 14
hervorgerufen wird, vermieden werden, indem die Weite der
Lichtempfangselemente 22A und 22B in der X-Richtung
verringert wird. Das Vorstehende ist ähnlich wie bei der
dritten Ausführungsform.
Bei der Anordnung dieser Ausführungsform ändert sich, wenn
das erste Gitter 16 der Hauptskala 14 um eine Teilung Q,
d. h. um P/m, in der X-Richtung verschoben wird, das
erhaltende Bild um einen zwei Teilungen vergleichbaren
Wert. Infolgedessen können Erfassungssignale mit einer
Teilung von t=Q/2 (in diesem Fall beträgt die Teilung
4 µm) und mit zwei verschobenen Phasen von den Vorverstärkern
24A und 24B erhalten werden. Mit anderen Worten wird eine
optische Unterteilung in vier durchgeführt.
Bei der achten Ausführungsform wird eine Laserdiode 32, wie
sie ist, als Lichtquelle verwendet. Jedoch ist die Art der
Punktlichtquelle nicht notwendigerweise auf diese
beschränkt und es kann eine solche verwendet werden, die
dadurch erhalten wird, daß eine plankonvexe Linse 34 vor
dem lichtaussendenden Bereich der Laserdiode 32 vorgesehen
wird, wie es bei der vierten Ausführungsform gemäß Fig. 7
der Fall ist. In diesem Fall kann der Divergenzwinkel des
Beleuchtungslichts von der Laserdiode 32 gesteuert werden,
so daß der Lichtempfangswirkungsgrad verbessert werden
kann. Jedoch sollte der Wert u der Gleichung (20) in einen
etwas größeren Wert als der tatsächliche Abstand
umgewandelt werden.
Ferner kann als Punktlichtquelle eine
Hochleistungsleuchtdiode verwendet werden.
Wenn die gleichen Gitter verwendet werden und u auf
ungefähr 3 mm und v auf ungefähr 6 mm festgelegt ist, wird
die Vergrößerung M des optischen Systems zu 3 und die
Teilung des Erfassungssignals wird 8/3 µm.
Ferner kann als Streulichtquelle, wie es bei der fünften
Ausführungsform gemäß den Fig. 8 bis 10 gezeigt ist, die
Linearlichtquelle 40 verwendet werden, die in Richtung zu
der Weite des ersten Gitters 16 ausgerichtet ist.
In diesem Fall kann bei der obigen Ausführungsform eine
Zylinderlinse zur Steuerung des Divergenzwinkels vor der
Linearlichtquelle vorgesehen sein.
Ferner kann als erstes Gitter ein Gitter irgendeiner Form
verwendet werden, solange es nur die höheren harmonischen
Anteile besitzt.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurde die Erfindung
bei Verschiebungserfassungseinrichtungen vom
Transmissionstyp angewandt, jedoch ist der
Anwendungsbereich der Erfindung nicht notwendigerweise
darauf beschränkt und die Erfindung kann, wie es die
neunte Ausführungsform gemäß Fig. 14 zeigt, ebenso bei
einer Verschiebungserfassungseinrichtung vom
Reflektionstyp angewendet werden.
Ferner ist bei den obigen Ausführungsformen die Erfindung
auf geradlinige Verschiebungserfassungseinrichtungen
angewandt worden, bei denen das zweite Gitter in zwei oder
mehr unterteilt ist, jedoch ist der Anwendungsbereich der
Erfindung nicht notwendigerweise darauf beschränkt und die
Erfindung kann auch bei einer
Verschiebungserfassungseinrichtung vom Typ mit
Moir´-Ringen, die kein unterteiltes zweites Gitter
aufweist, und bei Drehbewegungserfassungseinrichtungen
(Drehencodern) angewendet werden.
Claims (31)
1. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, mit einer Be
leuchtungseinrichtung, einer Hauptskala (14), auf der ein erstes
optisches Gitter (16) mit einer Gitterteilung (P) ausgebildet
ist, und mit einer Indexskala (18), auf der ein zweites optisches
Gitter (20) mit einer Gitterteilung q=P/n ausgebildet
ist, wobei n eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, und mit einem
Lichtempfangselement zur fotoelektrischen Umwandlung des
durch das erste und das zweite Gitter (16, 20) hindurchgegangenen
Beleuchtungslichts, wodurch ein Erfassungssignal mit einer
Signalperiode P/n in Übereinstimmung mit einer relativen Ver
schiebung zwischen der Hauptskala (14) und der Indexskala (18)
erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungs
einrichtung eine kohärente Lichtquelle umfaßt, daß der Abstand
zwischen dem ersten und dem zweiten Gitter (16, 18) auf ungefähr
mq²/λ festgelegt ist, wobei die Wellenlänge λ der Mittelwert
des von der Beleuchtungsquelle emittierten Spektrums ist
und das Lichtempfangselement ein Empfindlichkeitsmaximum bei λ
aufweist, und m eine ganze Zahl von 1 oder größer ist, daß das
Tastverhältnis des ersten und zweiten Gitters 1 : 1 gewählt ist
(z. B. Verhältnis zwischen einem lichtdurchlässigen und einem
reflektierenden Bereich des Gitters).
2. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterteilung q des zweiten
Gitters (20) auf P/2 und der Abstand zwischen dem ersten und
dem zweiten Gitter (16, 20) auf ungefähr 2 q²/λ festgelegt ist.
3. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Laserdiode ist.
4. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet
durch
eine Streulichtquelle (32) zur Beleuchtung einer Hauptskala (14) ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala (14) an einer mit dem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter (16) mit einer Gitterteilung P aus gebildet ist,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (16) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/u ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen.
eine Streulichtquelle (32) zur Beleuchtung einer Hauptskala (14) ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala (14) an einer mit dem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter (16) mit einer Gitterteilung P aus gebildet ist,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (16) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/u ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen.
5. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle (32) eine
Punktlichtquelle ist.
6. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle (32) eine Laser
diode ist.
7. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle so ausgebildet
ist, daß eine Linse (34) zur Steuerung des Divergenzwinkels vor
einem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode angeordnet ist.
8. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Divergenz
winkels eine plankonvexe Linse (33, 34) ist.
9. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear
lichtquelle (40) ist, die in Richtung der Weite des ersten Gitters
(20) ausgerichtet ist.
10. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) festgelegt ist auf
v ≅ unP²/(λ · u - nP²),wobei n eine natürliche Zahl λu/P² ist, wobei λ die Wellenlänge
des Mittelwertes des von der Streulichtquelle emittierten
Spektrums ist.
11. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet
durch
eine Streulichtquelle (32) zur Beleuchtung einer Hauptskala (14) ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala (14) an einer mit einem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter (16) mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist,
eine Indexskala (18), die an einer mit einem Abstand (v) von dem ersten Gitter (14) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/(2u) ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund einer Überlagerung des Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen.
eine Streulichtquelle (32) zur Beleuchtung einer Hauptskala (14) ohne Verwendung einer Kollimatorlinse,
wobei die Hauptskala (14) an einer mit einem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf ihr ein erstes Gitter (16) mit einer Gitterteilung P ausgebildet ist,
eine Indexskala (18), die an einer mit einem Abstand (v) von dem ersten Gitter (14) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q = (u+v)P/(2u) ausgebildet ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund einer Überlagerung des Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen.
12. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine
Punktlichtquelle ist.
13. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle eine Laserdiode
(32) ist.
14. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
9, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle derart aus
gebildet ist, daß eine Linse zur Steuerung des Divergenzwinkels
vor dem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode vorgesehen
ist.
15. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
14, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Di
vergenzwinkels eine plankonvexe Linse (34) ist.
16. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear
lichtquelle (40) ist, die in Richtung zu der Weite des ersten
Gitters (16) ausgerichtet ist.
17. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) eingestellt ist
auf
v ≅ u(n - 0,5)P²/[λu - (n - 0,5)P²]wobei n eine natürliche Zahl der Größe λu/P²+0,5 oder kleiner
ist, wobei λ die Wellenlänge des Mittelwerts des von der Streu
lichtquelle emittierten Spektrums ist.
18. Optisches Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet
durch:
eine Streulichtquelle (32),
eine Hauptskala (14), die an einer im Abstand (u) von der Streulichtquelle beabstandeten Stellung angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter (16) ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Anteile enthält,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (16) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q ≅ (u+v)Q/u ausgebildet ist, wobei Q = P/m ist, wobei m eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zum fotoelektrischen Um wandeln einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen, wodurch ein Erfassungssignal mit der Signalperiode P erzeugbar ist.
eine Streulichtquelle (32),
eine Hauptskala (14), die an einer im Abstand (u) von der Streulichtquelle beabstandeten Stellung angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter (16) ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Anteile enthält,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (16) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung q ≅ (u+v)Q/u ausgebildet ist, wobei Q = P/m ist, wobei m eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, und
ein Lichtempfangselement (22A, 22B) zum fotoelektrischen Um wandeln einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen, wodurch ein Erfassungssignal mit der Signalperiode P erzeugbar ist.
19. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
18, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine
Punktlichtquelle ist.
20. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
19, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle eine Laserdiode
(32) ist.
21. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
19, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle derart
ausgebildet ist, daß eine Linse (34) zur Steuerung des Diver
genzwinkels vor dem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode
(32) vorgesehen ist.
22. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
21, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Diver
genzwinkels eine plankonvexe Linse (34) ist.
23. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
18, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear
lichtquelle (40) ist, die in Richtung der Weite des ersten
Gitters (16) ausgerichtet ist.
24. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
18, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) festgelegt ist
auf
v ≅ nMQ²/λ,wobei n eine ganze Zahl von 1 oder größer ist, wobei λ die Wel
lenlänge des Mittelwerts des von der Streulichtquelle emittierten
Spektrums ist und wobei die Vergrößerung (M) des Systems
definiert ist durch M = (u+v)/u.
25. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet
durch:
eine Streulichtquelle (32),
eine Hauptskala (14), die an einer mit dem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter (16) ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Teile enthält,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (14) beanstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung von q - (u+v)Q/(2u) ausgebildet ist, wobei Q = P/m ist, wobei m eine ganze Zahl von 2 oder größer) ist, und
einem Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen, wodurch ein Erfassungssignal mit einer Teilung Q/2 erzeugbar ist.
eine Streulichtquelle (32),
eine Hauptskala (14), die an einer mit dem Abstand (u) von der Streulichtquelle (32) beabstandeten Position angeordnet ist und auf der ein erstes Gitter (16) ausgebildet ist, welches eine Gitterteilung P aufweist und höhere harmonische Teile enthält,
eine Indexskala (18), die an einer mit dem Abstand (v) von dem ersten Gitter (14) beanstandeten Position angeordnet ist und auf der ein zweites Gitter (20) mit einer Gitterteilung von q - (u+v)Q/(2u) ausgebildet ist, wobei Q = P/m ist, wobei m eine ganze Zahl von 2 oder größer) ist, und
einem Lichtempfangselement (22A, 22B) zur fotoelektrischen Um wandlung einer Änderung der Lichtmenge aufgrund der Überlagerung eines Bildes des ersten Gitters (16) durch die Streulichtquelle (32) mit dem zweiten Gitter (20), wenn sich beide Skalen (14, 18) relativ zueinander bewegen, wodurch ein Erfassungssignal mit einer Teilung Q/2 erzeugbar ist.
26. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
25, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine
Punktlichtquelle ist.
27. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
26, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle eine Laserdiode
(32) ist.
28. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
26, dadurch gekennzeichnet, daß die Punktlichtquelle derart
ausgebildet ist, daß eine Linse (34) zur Steuerung des Diver
genzwinkels vor einem lichtaussendenden Bereich einer Laserdiode
(32) vorgesehen ist.
29. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
28, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse zur Steuerung des Diver
genzwinkels eine plankonvexe Linse (34) ist.
30. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
25, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtquelle eine Linear
lichtquelle (40) ist, die in Richtung der Weite des ersten
Gitters (16) ausgerichtet ist.
31. Optische Verschiebungserfassungseinrichtung nach Anspruch
25, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (v) festgelegt ist
auf
v ≅ (n - 1/2) MQ²/λwobei n eine natürliche Zahl von 1 oder größer ist, wobei λ die
Wellenlänge des Mittelwerts des von der Streulichtquelle emittierten
Spektrums ist, und wobei die Vergrößerung (M) des Systems
definiert ist und durch M = (u+v)/u.
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Legal Events
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