DE3938935C2 - - Google Patents
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- G01D5/36—Forming the light into pulses
- G01D5/38—Forming the light into pulses by diffraction gratings
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Bewegungsmeßverfahren
zum Messen einer Bewegung eines Objektes nach dem Patentan
spruch 1 sowie eine optische Bewegungsmeßeinrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens, welche aus dem Anspruch 10
hervorgeht.
Aus der DE 33 16 144 A1 ist bereits ein Verfahren zum Mes
sen des Ausmaßes einer Bewegung eines Objektes bekannt. Bei
diesem bekannten Verfahren wird ein Beugungslichtbündel er
zeugt, wobei die einzelnen Lichtbündel aus parallel zuein
ander verlaufenden Lichtbündeln bestehen. Die einzelnen
Lichtbündel werden miteinander zum Interferieren gebracht,
um auf diese Weise das Ausmaß einer Relativbewegung zwi
schen einem Beugungsgitter und dem übrigen optischen System
zu ermitteln. Dabei werden vor dem Beugungsgitter Beugungs
lichtbündel gleicher Ordnung mit unterschiedlichen Vorzei
chen gebildet, es werden ferner zwei Reflektorspiegel benö
tigt, die bewirken, daß die jeweiligen Beugungslichtbündel
auf dem Hinweg zurücklaufen und erneut in das Beugungsgit
ter eintreten, so daß weitere Beugungslichtbündel gleicher
Ordnung mit unterschiedlichen Vorzeichen erzeugt werden.
Das wesentliche dieses bekannten Verfahrens besteht darin,
daß diese zwei Beugungslichtbündel zum Interferieren ge
bracht werden, um dadurch das Ausmaß der Bewegung des Beu
gungsgitters zu messen. Bei diesem bekannten Verfahren müs
sen die verwendeten Spiegel einzeln sehr genau justiert
werden.
Gemäß der DE 39 27 846 A1 ist auch bereits ein Meßverfahren
zum Messen einer Drehgröße eines Gegenstandes vorgeschlagen
worden, wonach ein Beugungsgittermuster mit Licht von einer
Lichtquelle bestrahlt wird, welches auf einer Umfangsfläche
eines zylindrischen Körpers ausgebildet ist, welcher sich
zusammen mit dem Gegenstand dreht. Gemäß diesem bereits
vorgeschlagenen Meßverfahren wird ein Schattenbildmuster
festgestellt, welches durch ein von dem Beugungsgittermu
ster erhaltenes, reflektiertes Licht aufgrund einer durch
das Beugungsmuster hervorgerufenen Beugung erzeugt wird.
Die Drehgröße des betreffenden Gegenstandes wird basierend
auf einer Bewegung des Schattenbildmusters gemessen, wenn
sich der Gegenstand dreht.
Ferner sind aus der DE 36 33 574 A1 und der GB 22 04 127 A
lichtelektrische Winkelmeßverfahren und Meßeinrichtungen
bekannt, bei denen ausschließlich Licht mit parallel ver
laufenden Lichtstrahlen verwendet wird.
Beim Gegenstand der DE 36 33 574 A1 sind zur Durchführung
der Winkelmessung mehrere optische Elemente erforderlich,
wie beispielsweise zwei parallel angeordnete Spiegel, wobei
das einmal gebeugte Lichtbündel ein zweites Mal durch ein
Beugungsgitter hindurchgelenkt wird, um dann schließlich
von einem photoelektrischen Wandler aufgenommen zu werden.
Bei dem Gerät nach der GB 22 04 127 A ist auf einem rotie
renden Körper ein Beugungsgitter angeordnet, welches von
einem Lichtstrahl beleuchtet wird, wobei das von dem Beu
gunsgitter reflektierte Licht auf einen Detektor gelenkt
wird, das von dem Detektor erzeugte elektrische Signal in
ein Impulssignal umgewandelt wird und das Impulssignal in
tegriert wird und schließlich in Form eines analogen Wertes
dargestellt wird. Die auf diese Weise erzeugten Impulssi
gnale können gezählt werden und als digitaler Wert zur An
zeige gebracht werden.
Aus der US-PS 48 23 001 ist ein optisches Bewegungsmeßver
fahren zum Messen einer Bewegung eines Objekts bekannt, wo
nach ein Beugungsgitter mit Licht bestrahlt wird, welches
auf einem Objekt vorgesehen ist, um gebeugtes Licht ver
schiedener Beugungsordnung zu erzeugen, wobei das Beugungs
gitter Licht durchlassende und Licht absperrende Teile auf
weist, welche abwechselnd und periodisch angeordnet sind.
Bei diesem bekannten Meßverfahren werden Interferenzstrei
fen erzeugt und gemessen, welche durch ein Überdecken von
Lichtpunkten aus gebeugtem divergierendem Licht verschiede
ner Beugungsordnung erzeugt werden und welche helle und
dunkle Streifen aufweisen, welche abwechselnd auftreten.
Ferner wird die Bewegung des Objektes basierend auf einer
gezählten Anzahl von Streifen der festgestellten Interfe
renzstreifen gemessen. Bei der bekannten Anordnung zur
Durchführung dieses bekannten Verfahrens gelangt eine An
ordnung des Beugungsgitters zur Anwendung, wobei der Ab
stand zwischen der Lichtquelle und dem Beugungsgitter und
der Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einem Detektor
bzw. Sensor vorbestimmten Beziehungen genügen muß. Wenn die
auf diese Weise festgelegten Positionsbeziehungen geändert
werden bzw. die vorbestimmten Beziehungen nicht erfüllt
werden, ändert sich das erzeugte Schatten-Licht-Beugungsmu
ster oder es kann sogar der Fall eintreten, daß das Beu
gungsmuster überhaupt nicht erzeugt wird. Dies bedeutet,
daß dann, wenn die Positionsbeziehungen zwischen Lichtquel
le, Beugungsgitter und Sensor geändert werden, beispiels
weise aufgrund von Vibrationen, Montagefehlern u. ä. Ein
flüssen, eine genaue Messung nicht mehr möglich ist.
Aus der US-PS 43 95 124 ist schließlich eine Positionsko
diereinrichtung bekannt, bei der ein holographisch aufge
zeichnetes, Einzelfrequenzphasenbeugungsgitter zur Anwen
dung gelangt. Wenn dieses Gitter durch das Licht einer
quasimonochromatischen räumlich kohärenten Lichtquelle be
strahlt wird, wirkt es als ein Interferometer mit gemeinsa
mer Grundlichtbahn und führt zu sehr kontrastreichen, sta
bilen Interferenz-Ringmustern. Bei einem Positionskodierer
bewegt ein Träger dieses Phasengitter in einer Ebene, die
orthogonal zu einer Achse von der Lichtquelle verläuft.
Eine Bewegung des Trägers wird detektiert, wenn die Muster
ringe an der Detektoreinrichtung vorbeibewegt werden, so
daß dabei die Bewegung festgestellt und auch eine Posi
tionsinformation in Form von elektrischen Signalen gelie
fert werden kann.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin,
ein optisches Bewegungsmeßverfahren zum Messen einer Bewe
gung eines Objekts und eine optische Bewegungsmeßeinrich
tung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, wel
ches bzw. welche die Möglichkeit bietet, eine Meßanordnung
zu realisieren, die gegenüber Positionierungsfehlern weit
gehend unempfindlich ist und die darüber hinaus ein höheres
Auflösungsvermögen bzw. höhere Meßgenauigkeit gewährlei
stet.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Patentan
spruch 1.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des erfindungsgemäßen Bewegungsmeßverfahrens ergeben sich
aus den Unteransprüchen 2 bis 9.
Die Erfindung betrifft ferner auch eine optische Bewegungs
meßeinrichtung zur Messung der Bewegung eines Objektes gemäß
dem Patentanspruch 10.
Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser Meßanordnung geht
aus dem Anspruch 11 hervor.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei
spielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1A und 1B Diagramme zum Erläutern eines Schattenbeugungsbildes;
Fig. 2 ein Diagramm zum Erläutern der Erzeugung eines
Schattenbeugungsbildes in der Nähe einer optischen
Achse;
Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern der Erzeugung eines
Schattenbeugungsbildes an einer von der optischen
Achse entfernt liegenden Stelle;
Fig. 4 ein Diagramm zum Erläutern eines Winkelbereichs,
in welchem ein Schattenbeugungsbild zu erhalten
ist;
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen
Teils eines optischen Systems zum Erläutern
einer ersten Ausführung einer optischen Bewegungs
meßeinrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung;
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen
Teils eines optischen Systems zum Erläutern
einer zweiten Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung;
Fig. 7 ein Diagramm eines wesentlichen Teils eines optischen
Systems zum Erläutern einer dritten Ausführung
des optischen Bewegungsmeßverfahrens mit Merkmalen
nach der Erfindung;
Fig. 8 bzw. 9 Diagramme zum Erläutern eines Mechanismus zum
Erzeugen eines Schattenmusters;
Fig. 10 bzw. 11 Diagramme zum Erläutern einer Lichtintensitätsverteilung,
wenn ein Abstand zwischen einer
Lichtquelle und einem Beugungsgitter annähernd
derselbe ist wie ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter
und einem Schirm oder wenn ein Spaltabstand
des Beugungsgitters klein ist;
Fig. 12A bis 12B Diagramme zum Erläutern der Voraussetzungen
bei einer Lichtquelle, um Interferenzstreifen (ein
Schattenbeugungsbild) zu erhalten;
Fig. 13A bis 13D jeweils Lichtintensitätsverteilungen, um
Wirkungen der Charakteristik des Beugungsgitters
an den Interferenzstreifen zu erläutern;
Fig. 14 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall wiedergibt, bei welchem γ<S/2 ist;
Fig. 15A bis 15E jeweils Beugungsbildpunkte, die in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter in Fig. 14
erzeugt werden;
Fig. 16 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall wiedergibt, bei welchem γ=S/2 ist;
Fig. 17A bis 17D jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter in
Fig. 16 erzeugt werden;
Fig. 18 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall wiedergibt, bei welchem γ=S ist;
Fig. 19A bis 19D Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter in Fig. 18 erzeugt
werden;
Fig. 20 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall wiedergibt, bei welchem γ<S ist;
Fig. 21A bis 21D jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter in
Fig. 20 erzeugt werden;
Fig. 22 ein System-Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform
einer optischen Bewegungsmeßeinrichtung mit Merkmalen
nach der Erfindung;
Fig. 23A bzw. 23B Diagramme zum Erläutern einer räumlichen
Anordnung von zwei in Fig. 22 dargestellten feststehenden
Gittern;
Fig. 24A bzw. 24B Signalwellenformen von Signalen, welche von
in Fig. 22 dargestellten Verstärkern abgegeben worden
sind;
Fig. 25A bzw. 25B Signalwellenformen von digitalen Signalen,
welche von in Fig. 22 dargestellten Analog-Digital-Umsetzern
abgegeben worden sind;
Fig. 26A bzw. 26B Beugungsbildpunkte und ein Fraunhofersches
Bild, welche erzeugt werden, wenn Beugungsbildpunkte
n-ter und m-ter Ordnung erzeugt werden;
Fig. 27A bzw. 27B Beugungsbildpunkte und ein Fraunhofersches
Bild, welche erzeugt werden, wenn Beugungsbildpunkte
0- und ±1ter Ordnung erzeugt werden;
Fig. 28A bzw. 28B Beugungsbildpunkte und ein Fraunhofersches
Bild, welche erzeugt werden, wenn nur Beugungsbildpunkte
±1ter Ordnung erzeugt werden;
Fig. 29A bzw. 29B Beugungsbildpunkte und ein Fraunhofersches
Bild, welche erzeugt werden, wenn nur Beugungsbildpunkte
±n-ter Ordnung erzeugt werden;
Fig. 30 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen
Teils eines optischen Systems zum Erläutern
einer vierten Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung;
Fig. 31 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen
Teils eines optischen Systems zum Erläutern
einer fünften Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung;
Fig. 32 ein Diagramm, in welchem ein wesentlicher Teil
eines optischen Systems wiedergegeben ist, um eine
sechste Ausführungsform des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung zu erläutern;
Fig. 33 ein Diagramm zum Erläutern einer Reflexion an
einer Umfangsfläche eines Zylinders, wenn sich
Licht von der Lichtquelle zum Mittelpunkt des Zylinders
hin ausbreitet;
Fig. 34 ein Diagramm zum Erläutern einer Reflexion an der
Umfangsfläche des Zylinders, wenn das Licht von
der Lichtquelle sich zu einem Punkt hin ausbreitet,
der von dem Mittelpunkt des Zylinders entfernt
liegt; und
Fig. 35 ein Diagramm zum Erläutern einer Reflexion an der
Umfangsfläche des Zylinders, wenn das Beugungsgitter
Streifen aus reflektierenden Teilen hat, welche
parallel zu einer Erzeugenden auf dem Zylinder
angeordnet sind.
Als erstes wird ein "Schattenbeugungsbild" bzw. ein "Schattenbeugungsmuster"
(wobei im folgenden immer von "Schattenbeugungsbild"
gesprochen wird) beschrieben, um das Verständnis
der Erfindung zu erleichtern. Der Begriff "Schattenbeugungsbild"
bezieht
sich auf ein periodisches Streifenmuster, in welchem sich
helle und dunkle Muster abwechseln. Das Schattenbeugungsbild
wird durch eine Beugung erzeugt.
In der vorliegenden Beschreibung wird das Schattenbeugungsbild,
welches ein Schattenbild der periodischen Struktur des
Beugungsgitters ist, als ein Schattenbild oder Interferenzstreifen
bezeichnet. Außerdem wird eine Lichtquelle mit einer endlichen
bzw. begrenzten Länge als ein Linienstrahler
bezeichnet. Beispielsweise kann ein rechteckiger
lichtemittierender Teil einer Laserdiode entlang einer Längsrichtung
als Linienstrahler verwendet werden.
Als nächstes wird ein Arbeitsprinzip des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung beschrieben. In
Fig. 1A sind ein Linienstrahler 10, ein Beugungsgitter
12 und ein Schirm 14 dargestellt. Der
Linienstrahler 10 hat eine Länge d, wie in Fig. 1B dargestellt
ist, während Spalte des Beugungsgitters 12 mit einem
Abstand ξ vorgesehen sind, und jeder Spalt eine Breite δ
hat. Wie in Fig. 1A dargestellt, haben der Linienstrahler
10 und das Beugungsgitter 12 einen Abstand b1, während
das Beugungsgitter 12 und der Schrim 14 einen Abstand
b2 voneinander haben. Der Spalt des Beugungsgitters 12 entspricht
einem lichtdurchlässigen Teil, und ein Teil des Beugungsgitters
12 zwischen zwei aufeinanderfolgende Spalten
entspricht einem lichtblockierenden Teil.
Wenn eine Lichtintensitätsverteilung auf dem Schirm beobachtet
wird, erscheint ein Muster aus starken und schwachen
Lichtintensitäten auf dem Schirm, wie in Fig. 1A dargestellt
ist. In der in Fig. 1A dargestellten Anordnung verläuft eine
Längsrichtung des Linienstrahlers 10 parallel zu
einer Richtung, in welcher Spalte (Gitter) des Beugungsgitters
12 angeordnet sind. Diese Richtung, in welcher die
Spalte des Beugungsgitters 12 angeordnet sind, ist ebenfalls
parallel zu dem Schirm 14. Eine imaginäre senkrechte Linie
ist von einem Mittelpunkt des Linienstrahlers 10
entlang der Längsrichtung eingetragen, und diese senkrechte
Linie wird als eine optische Achse AX bezeichnet.
Wenn Positionen von Scheitelwerten in der Lichtintensitätsverteilung
auf dem Schirm 14 beobachtet werden, entsprechen
diese Positionen den Stellen, an welchen jeder Strahl, welcher durch
einen Spalt des Beugungsgitters 12 hindurchgeht, auf den
Schirm 14 auftrifft, wenn Licht, welches von dem mittleren
Teil des Linienstrahlers 10 entlang der Längsrichtung
abgegeben wird, als Strahlen angesehen wird. Wenn
folglich der Linienstrahler 10 einfach als eine
Lichtpunktquelle angesehen wird und eine Spaltverteilung des
Beugungsgitters 12 auf den Schirm 14 als ein Schattenbild
mit Hilfe der Punktlichtquelle projiziert wird, entspricht
die vorstehend beschriebene Lichtintensitätsverteilung diesem
Schattenbild der Spaltverteilung. Aus diesem Grund wird
die Lichtintensitätsverteilung als Schattenmuster bezeichnet.
Jedoch wird dieses Schattenmuster als ein Ergebnis
des Beugungsphänomens erhalten und ist natürlich nicht eine
einfache Schattenerscheinung. Dies wird aufgrund der Tatsache
offensichtlich, daß die Lichtintensität in der Lichtintensitätsverteilung
in der Nähe der optischen Achse AX groß
und an Stellen klein ist, welche von der optischen AX entfernt
liegen.
Als nächstes werden die Kennzeichen des Schattenmusters beschrieben.
Wenn der Wert d/ξ größer wird als 2, d. h. wenn
die Länge d des Linienstrahlers 10 größer als das
Zweifache des Abstandes ξ der Spalte des Beugungsgitters 12
ist, ist es nicht möglich, ein Schattenmuster zu erhalten,
welches einen ausreichenden Kontrast hat. Wenn dagegen der
Wert d/ξ klein wird und sich 0 nähert, entspricht das
Schattenmuster, welches erhalten wird, den Erzeugungsbedingungen
zum Erzeugen eines Schattenbeugungsbildes, wie es in
der japanischen Patentanmeldung Nr. 63-47 616 beschrieben
ist. Mit anderen Worten, wenn der Wert d/ξ kleiner als
1/10 wird, wirkt der Linienstrahler 10, als ob
er eine Lichtpunktquelle wäre, und das Schattenmuster wird
bezüglich Änderungen in den Abständen b1 und b2 empfindlich
und instabil.
Wenn die Größe der Breite δ dem Abstand ξ vergleichbar
ist, wie es der Fall ist, wenn die Breite δ in der Größenordnung
von ξ/3 liegt, wird der Kontrast des Schattenmusters
schlecht, und der Photodetektor kann den Kontrast nicht in zufriedenstellender
Weise feststellen. Folglich bedeutet in der
vorliegenden Beschreibung, wenn gesagt wird, daß die Breite
δ ausreichend klein im Vergleich zu dem Abstand ξ der periodischen
Struktur des Objekts ist, daß die Breite δ des
lichtdurchlassenden Teils oder des lichtreflektierenden
Teils so bemessen ist, daß das erzeugte Schattenmuster einen
Kontrast hat, welcher mittels des Photodetektors in zufriedenstellender
Weise meßbar ist.
In dem Schattenmuster selbst ist die Lichtintensität in der
Nähe der optischen Achse AX groß und wird kleiner, wenn sich
die Position von der optischen Achse AX weiter entfernt. Mit
anderen Worten, die Lichtintensität ist in einem Winkelbereich
±α groß, wobei der Winkel α zwischen einer optischen Achse
und einer geraden Linie gebildet ist, welche von dem Mittelpunktteil
des Lichtstrahlers 10 entlang der
Längsrichtung ausgeht. Andererseits ist in einem Winkelbereich
R außerhalb des Winkelbereichs ±α die Lichtintensität
stabilisiert, und der Kontrast des Schattenmusters ist
hoch. Jedoch ist in dem Winkelbereich ±α die Lichtintensität
selbst in dem Teil mit geringer Intensität groß, und der
Kontrast des Schattenmusters ist nicht sehr hoch.
Nunmehr wird die Beziehung zwischen der Größe des Schattenmusters
und des Abstandes ξ der Spalte des Beugungsgitters
12 beschrieben. Aus der entsprechenden Beziehung zwischen
dem Schattenmuster und der periodischen Struktur des Beugungsgitters
12 ist klar zu ersehen, daß ein Abstand zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Scheitelwerten in dem Schattenmuster
ξ · (1+b2/b1) ist. Folglich wurde bei Versuchen,
welche von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführt
worden sind, herausgefunden, daß die Beziehung zwischen
dem Abstand ξ und dem Abstand ξ · (1+b1/b2) zwischen
zwei aufeinanderfolgenden Scheitelwerten des Schattenmusters
für einen beachtlich großen Wertebereich der Abstände
b1 und b2 gilt. Die Erfinder waren außerstande, einen Umstand
zu erreichen, bei welchem diese Beziehung nicht länger
gilt. Aus den Versuchsergebnissen hat sich ergeben, daß das
Schattenmuster äußerst stabil ist, und die Größe des Schattenmusters
durch die Werte des Abstandes ξ und den Abstand
ξ · (1+b1/b2) zwischen den zwei aufeinanderfolgenden
Scheitelwerten des Schattenmusters in einem beachtlich großen
Bereich entsprechend eingestellt werden kann.
Das Schattenmuster wird nunmehr theoretisch analysiert. Unter
Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine Anordnung zum Erzeugen
des Schattenmusters in der Nähe der optischen Achse AX beschrieben.
In Fig. 2 soll b1«b2 sein und eine Reihe von
Beugungsbildpunkten soll auf dem Schirm 14 entsprechend der
Anordnung der lichtdurchlässigen Teile des Beugungsgitters
12 erzeugt werden, wenn eine Punktlichtquelle an der Position
des begrenzten Linienstrahlers 10 angeordnet ist. Unter
diesen Voraussetzungen wird dann der begrenzte Linienstrahler
10 als eine lineare Anordnung von fortlaufenden (zusammenhängenden)
Punktlichtquellen betrachtet. Wie in Fig. 2
dargestellt, sind ein oberes Ende, ein unteres Ende und eine
Mitte des Linienstrahlers 10 mit h, g bzw. o bezeichnet.
In diesem Fall werden aus den Beugungsbildpunkten
die durch die Anordnung der Punktlichtquelle auf einem Liniensegment
og erzeugt sind, die Beugungsbildpunkte, welche
einem Spalt T₀ des Beugungsgitters 12 entsprechen, zwischen
Punkten Po und Pog auf dem Schirm 14 erzeugt, und die Lichtintensitätsverteilung
dieser Beugungsbildpunkte überdecken
einander. Schließlich ist, wenn angenommen wird, daß die
Lichtintensität des Linienstrahlers 10 für die
Länge d konstant ist, die Beleuchtungsstärke zwischen den
Punkten Po und Pog auf dem Bildschirm 14 in Übereinstimmung
mit dem Liniensegment og im wesentlichen gleichförmig. Dementsprechend
werden aus den Beugungsbildpunkten, welche
durch die Anordnung der Punktlichtquelle auf dem Liniensegment
og erzeugt worden sind, die Beugungsbildpunkte, welche
einem Spalt Tl des Beugungsgitters 12 entsprechen, zwischen
Punkten Pl und Plg auf dem Schirm 14 erzeugt, und die Lichtintensitätsverteilungen
dieser Beugungslichtpunkte überdecken
einander. Folglich ist, wenn angenommen wird, daß die
Lichtintensität des Linienstrahlers 10 für die
Länge d bekannt ist, die Beleuchtungsstärke zwischen den
Punkten Pl und Plg auf dem Schirm 14 in Übereinstimmung mit
dem Liniensegment og im wesentlichen gleichförmig. Eine
fortlaufende Beleuchtungsstärkeverteilung, bei welcher sich
die Beugungsbildpunkte überlappen, wie vorstehend beschrieben
ist, wird als Ausdehnung des Beugungsbildpunkts bezeichnet.
Ferner werden, wenn die Beugungsbildpunkte, welche durch
die Anordnung der Punktlichtquelle auf einem Liniensegment
oh erzeugt worden sind, betrachtet werden, die Beugungsbildpunkte,
welche dem Spalt Tl des Beugungsgitters 12 entsprechen,
zwischen Punkten Pog und Pl auf dem Schirm 14 erzeugt,
und die Lichtintensitätsverteilungen dieser Beugungsbildpunkte
überdecken einander. Folglich ist, wenn angenommen wird,
daß die Lichtintensität des Linienstrahlers 10
für die Länge d konstant ist, die Beleuchtungsstärke zwischen
den Punkten Pog und Pl auf dem Bildschirm 14 in Übereinstimmung
mit dem Liniensegment oh im wesentlichen gleichförmig.
Bei Festlegen der Bedingungen, unter welchen das
Schattenmuster erzeugt wird, muß berücksichtigt werden, wie
die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte, welche durch das Liniensegment
og des Linienstrahlers 10 erzeugt
worden sind, und die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte, welche
durch das Liniensegment oh des begrenzten Linienstrahlers
10 erzeugt worden sind, einander überdecken.
Wenn der Abstand ξ etwas größer als die Länge d ist, kommt
die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte in der Nähe der Punkte
Po, Pog, Pl u. ä. in Fig. 2 vor. Folglich ist die Beleuchtungsstärke
an Stellen in der Nähe der Punkte Po, Pog, Pl u. ä.
groß. Es kann folglich berücksichtigt werden, daß es keine
Ausdehnung des Beugungsbildpunktes an Teilen, wie zwischen
den Punkten Po und Pog und zwischen den Punkten Pog und Pl
gibt, an welchen die Beleuchtungsstärke die ursprüngliche
Beleuchtungsstärke der Ausdehnung der Beugungsbildpunkte
hat, und die Beleuchtungsstärke an dem Teil groß ist, an
welchem die Ausdehnungen der Beugungsbildpunkte einander
überdecken, und ferner daß die Lichtintensitätsverteilung,
diejenige in dem in Fig. 1A dargestellten Winkelbereich ±α
erhalten wird. Wie aus der vorstehend beschriebenen Theorie
deutlich zu ersehen ist, sind die Ausdehnungen der Beugungsbildpunkte
auf dem Bildschirm 14 gegenseitig voneinander getrennt,
wenn der Abstand ξ größer als die Länge d ist, und
es ist möglich, das Schattenmuster mit einem deutlichen oder
hohen Kontrast zu erhalten. Wenn aber das Verhältnis d/ξ
annähernd 1/10 oder kleiner wird, beginnt der Linienstrahler
10 die Merkmale einer Punktlichtquelle zu zeigen,
und es ist nicht mehr länger möglich, ein stabiles
Schattenmuster für die verschiedenen Werte der Abstände b1
und b2 zu erhalten.
Wenn außerdem die Länge d größer als das Zweifache des Abstandes
ξ wird, wird die Überdeckung der Ausdehnungen der
Beugungsbildpunkte groß, und der Kontrast des Schattenmusters
verschlechtert sich schnell. Wenn der Abstand ξ
gleich der Länge d ist, sind die Ausdehnungen der Beugungsbildpunkte
in der Belichtungsstärkeverteilung auf dem Schirm
14 kontinuierlich, und ein Schattenmuster mit einem zufriedenstellenden
Kontrast kann entsprechend den vorstehenden
Überlegungen nicht erhalten werden. Wenn jedoch die Beleuchtungsstärkeverteilung
des Linienstrahlers 10 so
ist, daß die Beleuchtungsstärke in der Mitte groß und zu den
beiden Enden hin kleiner ist, kann ein stabiles Schattenmuster
erhalten werden, da die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte
selbst infolge jedes Spaltes des Beugungsgitters 12
eine Beleuchtungsstärkeverteilung wird, welche der Beleuchtungsstärkeverteilung
des Linienstrahlers 10 entspricht.
In diesem Fall entsprechen dann die bei den Versuchen
erhaltenen Ergebnisse dieser Überlegung, wenn die wirksame
Länge des Linienstrahlers 10 als eine halbe
Breite der Beleuchtungsstärkeverteilung angesehen wird.
Als nächstes wird anhand von Fig. 3 ein Schattenmuster beschrieben,
welches an einem Teil erhalten wird, der von der
optischen Achse AX entfernt ist. In Fig. 3 soll die Länge d
größer sein als der Abstand ξ, und die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte,
welche auf dem Schirm 14 durch das Licht
von dem Liniensegment og des Linienstrahlers 10
über einen Spalt Ti erzeugt worden sind, und die Ausdehnung
der Beugungslichtpunkte, welche auf dem Schirm 14 durch das
Licht von dem Liniensegment oh des Linienstrahlers
10 durch einen Spalt Ti+1 erzeugt worden sind, überdecken
einander in einem Bereich P(i+1)hPig. Da das Licht,
welches den Schirm 14 von der Mitte des Linienstrahlers
10 aus erreicht, einen Winkel β mit der optischen
Achse AX bildet, muß eine Phasendifferenz zwischen dem Licht
von dem Endteil g und dem Licht von dem Endteil h des Linienstrahlers
10 in dem Bereich P(i+1)hPig infolge der Differenz
in den Lichtwegen zwischen dem Bereich P(i+1)hPig und den
zwei Endteilen g und h berücksichtigt werden.
Wenn angenommen wird, daß b1«b2 und b1»λ ist, wobei mit
λ die Wellenlänge bezeichnet ist, kann eine Differenz Δ
zwischen dem Liniensegment gTiPig und dem Liniensegment
hTi+1P(i+1)h als Δ=d · sin β angenähert werden. Wenn die
Differenz Δ als die Differenz in Lichtwegen betrachtet
wird, kann eine Phasendifferenz Φ, welche durch diese Differenz
in den Lichtwegen erzeugt wird, beschrieben werden
durch Φ=2πΔ/λ. Wenn folglich die Phasendifferenz Φ etwas
größer als π ist, ist die Phasendifferenz irgendwo in
dem Bereich P(i+1)hPig auf dem Schirm 14 π und die Lichtintensität
ist in einem derartigen Teil infolge der Interferenz
klein. In diesem Fall wird, selbst wenn die Länge d
annähernd zweimal der Abstand ξ ist, das Schattenmuster
(Interferenzstreifen) von hellen und dunklen Teilen infolge
der Interferenz erzeugt. Wenn eine Laserdiode mit der Länge
d=3 µm und der Wellenlänge λ=0,78 µm als der
Linienstrahler 10 bezüglich des Beugungsgitters 12, welches
Spalte mit dem Abstand ξ=1,8 µm hat, verwendet wird,
wurde durch Versuche betätigt, daß der in Fig. 1A dargestellte
Winkel α annähernd 10° und der Winkel R annähernd
5° ist. Das heißt, der Winkelbereich, in welchem ein Schattenmuster
mit einem stabilen Kontrast erhalten wird, war annähernd
5°. Wenn der Winkel R größer als 5° wird, verschlechtert
sich der Kontrast des Schattenmusters schnell.
Wenn die Länge d und die Wellenlänge λ der Laserdiode benutzt
werden, um einen Winkel β1 zu berechnen, mit welchem
die Phasendifferenz Φ gleich π wird, beträgt der Winkel
β1=7,47°. Dementsprechend beträgt, wenn der Winkel β2, bei
welchem die Phasendifferenz Φ gleich 2π wird, berechnet
wird, der Winkel β2=15,07°. Es kann folglich berücksichtigt
werden, daß die Winkel β1 und β2 in Fig. 3 dem in Fig. 1A
dargestellten Winkel R entsprechen.
Wenn eine feine rechteckige Öffnung der Laserdiode entlang
der Längsrichtung als der Linienstrahler 10 betrachtet
wird, ergibt sich eine Winkelöffnung γ=15,07°
bei einer Beziehung sin γ=λ/d in Fig. 4. Folglich kann berücksichtigt
werden, daß die Winkelöffnung γ den Winkelbereich,
in welchem das Schattenmuster erhalten wird, auf ungefähr
15° begrenzt.
Wie oben beschrieben, wird das Schattenmuster infolge der
Beugung erzeugt; das Schattenmuster ist ein Schattenbild des
lichtdurchlassenden Teils und des lichtreflektierenden Teils
des Beugungsgitters, und das Schattenmuster hängt von der
Bewegung des Beugungsgitters ab. Wenn aus diesem Grund die
periodische Struktur des Objekts als das Beugungsgitter verwendet
wird, und die Bewegung des erzeugten Schattenmusters
als eine periodische Änderung in der Lichtmenge festgestellt
wird, welche von dem Photodetektor empfangen wird, kann die
Bewegung des Objekts aus der entsprechenden Beziehung zwischen
dem Schattenmuster und der periodischen Struktur festgestellt
werden.
Fig. 5 stellt einen wesentlichen Teil eines optischen Systems
dar, anhand welchem eine erste Ausführung eines optischen
Bewegungsmeßverfahrens mit Merkmalen nach der Erfindung erläutert wird.
In dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem linearen
Codierer angewendet. In Fig. 5 ist ein Halbleiterlaser
als ein Linienstrahler 1 verwendet, und ein Beugungsgitter
2 ist als ein linearer Codierer verwendet. Das
Beugungsgitter 2 weist feine Spalte auf, welche mit einem
konstanten Abstand ξ angeordnet sind. Ein Schattenmuster,
welches durch die Anordnung der Spalte des Beugungsgitters 2
erzeugt wird, bewegt sich wie das Beugungsgitter 2 in der Richtung
eines Pfeils D1. Wenn folglich ein Photodetektor an festen
Positionen angeordnet wird, um eine Bewegung des Schattenmusters
als eine periodische Änderung in der empfangenen
Lichtmenge festzustellen, kann die lineare Bewegung des Beugungsgitters
2 basierend auf einem Vergrößerungsverhältnis
(einem vorstehend beschriebenen Verhältnis ξ · (1+b2/b1)) zwischen
der Lichtquelle, dem Beugungsgitter 2 und dem Schattenmuster
festgestellt werden.
In Fig. 6 ist ein wesentlicher Teil eines optischen Systems
dargestellt, anhand welchem eine zweite Ausführung des optischen
Bewegungsmeßverfahrens mit Merkmalen nach der Erfindung erläutert
wird. In dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem
rotierenden Codierer angewendet. In Fig. 6 sind die Teile,
welche im wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Teile
in Fig. 5 sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet,
und werden nicht noch einmal beschrieben. In Fig. 6 wird ein
Beugungsgitter 2A, welches eine Scheibenform hat, als ein
rotierender Codierer verwendet, und es kann die Rotationsbewegung
des Beugungsgitters 2A in einer Richtung D2 festgestellt
werden.
Fig. 7 zeigt einen wesentlichen Teil eines optischen Systems,
anhand welchem eine dritte Ausführungsform des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung erläutert wird. In
dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem rotierenden
Codierer angewendet. In Fig. 7 sind die Teile, welche im
wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Teile in Fig. 5
sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden
nicht noch einmal beschrieben. In Fig. 7 ist ein Beugungsgitter
2B, welches eine zylindrische Form hat, als ein rotierender
Codierer verwendet, und es kann die Rotationsbewegung
des Beugungsgitters 2B in einer Richtung D3 festgestellt
werden.
In den drei Ausführungsformen ist ein Photodetektor 3 auf
der optischen Achse AX vorgesehen, und Messungen werden so
vorgenommen, daß 1/10d/ξ<2 gilt. Wenn jedoch der
Photodetektor 3 in einer Position angeordnet ist, welche von
der optischen Achse AX entfernt liegt, wie durch eine gestrichelte
Linie in Fig. 5 bis 7 angezeigt ist, kann die Bewegung
der Beugungsgitter 2, 2A und 2B in zufriedenstellender
Weise mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden,
selbst wenn ξ/d=2 ist.
Als nächstes wird im einzelnen die Anordnung zum Erzeugen
des Schattenmusters beschrieben. Wenn ein Beugungsgitter mit
einem parallelen Strahl bestrahlt wird, ist es aus der Fraunhoferschen
Beugungserscheinung bekannt, daß eine Anzahl
klarer Beugungsbildpunkte auf dem Schirm 14 ausgebildet werden,
welcher ausreichend weit weg von dem Beugungsgitter angeordnet
ist. Wie in Fig. 8 dargestellt, erscheinen Beugungsbildpunkte
der 0ten, ±1ten, ±2ten, . . . Ordnung bei einem
Winkel S um eine Position Go herum, an welcher die parallelen Strahlen
das Beugungsgitter 12 treffen. Dieser Beugungswinkel S kann
durch die folgende Formel (1) beschrieben werden, da
ξ · sin S=nλ ist, wobei λ die Wellenlänge des parallelen
Strahls, mit ξ der Abstand der Spalte des Beugungsgitters
bezeichnet sind und n eine beliebige ganze Zahl ist, welche
eine Ordnung des gebeugten Lichts bezeichnet.
S = sin-1 (nλ/ξ) (1)
Folglich breitet sich das gebeugte Licht nullter Ordnung in
einer Richtung, welche identisch zu dem einfallenden parallelen
Strahl ist, an dem Beugungsgitter 12 aus. Wenn das
Beugungsgitter 12 um eine Strecke ΔB in seitlicher Richtung
ohne eine Bewegung in der vertikalen Richtung bewegt wird,
(was nachstehend der Einfachheit halber als seitliche Verschiebung
bezeichnet wird), kann eine optische Wellenfunktion
Un des Beugungsbildpunktes n-ter Ordnung durch die folgende
Formel (2) beschrieben werden, wobei An die Amplitude
des gebeugten Lichts n-ter Ordnung und ϕ₀ eine Phase des
Beugungsbildpunktes bezeichnet, bevor sich das Beugungsgitter
12 bewegt:
Un = An exp [i(ϕ₀ - (2π/ξ) · n · ΔB)] (2)
Aus der Formel (2) kann ersehen werden, daß eine Intensität
Ii eines Beugungsbildpunktes i-ter Ordnung sich nicht
ändert, selbst wenn das Beugungsgitter 12 durch die seitliche
Verschiebung um die Strecke ΔB bewegt wird, da
|Un|²=|An|² ist.
Als nächstes wird ein Fall untersucht, bei welchem sich das
auf das Beugungsgitter 12 fallende Licht in ein divergentes
Licht ändert, wie beispielsweise eine Kugelwelle aus dem
parallelen Strahl. Wenn in diesem Fall ein Strahl, welcher
von einer in Fig. 9 wiedergegebenen Position 10 abgegeben worden
ist, eine quasi-sphärische Welle mit einem Divergenzwinkel
γ wird, überdecken sich der Beugungsbildpunkt 0ter und
+1ter Ordnung, wenn die Bildpunkte größer werden, da das
auf das Beugungsgitter 12 fallende Licht kein paralleles
sondern ein divergentes Licht ist. Wenn das auf das Beugungsgitter
12 auftreffende Licht eine Kugelwelle von einer
vollkommenen Punktlichtquelle ist, ist der Winkel γ=90°.
Eine Lichtintensität IOV in einem Überdeckungsbereich Vn, n-1
in welchem die benachbarten Beugungsbildpunkte verschiedener
Beugungsordnung einander überdecken, können durch die
folgende Formel (3) beschrieben werden, wenn angenommen wird,
daß An=An-1=A ist.
IOV = |Un + Un-1|² = |A|² · |exp [i(ϕ₀ - (2π/ξ) · n · ΔB)]
+ exp [i(ϕ₀ - (2π/ξ) · (n - 1) · ΔB)]² = 4 · |A|² · cos² (ΔB/ ξ) · π (3)
+ exp [i(ϕ₀ - (2π/ξ) · (n - 1) · ΔB)]² = 4 · |A|² · cos² (ΔB/ ξ) · π (3)
Aus der Formel (1) ist zu ersehen, daß die Lichtintensität
IOV eine Periode der Helligkeitsänderung jedesmal dann durchmacht,
wenn das Beugungsgitter 12 die seitliche Verschiebung
über eine Strecke durchmacht, welche gleich dem Abstand ξ
ist. Die Lichtintensität IOV wird aus der Formel (3) unter
den Voraussetzungen erhalten, daß der Beugungswinkel S, welcher
durch die Formel (1) beschrieben ist, hinreichend klein
ist, und daß der Abstand b2 zwischen dem Beugungsgitter 12
und dem Schirm 14 im Vergleich zu dem Abstand b1 zwischen
der Lichtquelle (dem begrenzten Linienstrahler 10) und dem
Beugungsgitter ausreichend groß ist.
Als nächstes wird ein Fall betrachtet, bei welchem die Abstände
b1 und b2 annähernd dieselben sind oder der Abstand
ξ klein ist. In diesem Fall wird die Lichtintensitätsverteilung
so, wie in Fig. 10 dargestellt. In Fig. 10 entspricht
die x-Achse der horizontalen Richtung auf dem Schirm 14 und
die z-Achse entspricht der Richtung, in welcher die optische
Achse AX verläuft. Der Einfachheit halber wird der Bereich V0, +1
in Betracht gezogen, in welchem sich die Beugungsbildpunkte
0ter und +1ter Ordnung überdecken. Ein divergentes Licht,
das von dem Linienstrahler 10 abgegeben worden
ist, welcher an einer Stelle Q₀ angeordnet ist, geht durch
das Beugungsgitter 12 hindurch und wird in das gebeugte
Licht 0ter Ordnung, welches sich entlang der optischen Achse
AX ausbreitet, und in das gebeugte Licht +1ter Ordnung
geformt, welches sich unter dem Winkel S (=sin-1(λ/ξ))
zu der optischen Achse AX ausbreitet. Wie in Fig. 10 dargestellt,
kann das gebeugte Licht +1ter Ordnung als ein divergentes
Licht betrachtet werden, welches sich von einer imaginären
Lichtquelle linear ausbreitet, welche an einer Stelle
Q+1 angeordnet ist. Folglich muß eine Phasendifferenz zwischen
dem Beugungsbildpunkt 0ter und +1ter Ordnung, welche
sich in dem Bereich V0, +1 überdecken, zusätzlich zu der
Formel (3) eine Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen berücksichtigen,
welche infolge der Tatsache zu berücksichtigen
ist, daß Licht, welches von den verschiedenen Positionen
Q₀ und Q+1 abgegeben worden ist, quasi-sphärische Wellen
sind. Diese Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen kann
folgendermaßen berechnet werden.
Eine horizontale Verschiebung ΔL der Positionen Q₀ und Q+1
wird aus der folgenden Formel (4) durch Annäherung berechnet,
wenn ∡Q0G0Q+1=∡P0G0P+1=S und der Winkel S klein
ist.
ΔL = b1 · S ≒ b1 (λ/ξ) (4)
Wenn außerdem das gebeugte Licht 0ter bzw. +1ter Ordnung
durch die sphärischen Wellen um die Positionen Q₀ und Q+1
herum angenähert werden, können die Lichtwege L₀ und L+1 des
gebeugten Lichts 0ter und +1ter Ordnung durch den folgenden
Satz Formeln (5) beschrieben werden, wenn die x- und die z-Achse
um einen Winkel S/2 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht
werden, um eine - und eine -Achse eines gedrehten Koordinatensystems
einzusetzen, wie in Fig. 11 dargestellt ist, und
ein Nullpunkt P₀ dieses gedrehten Koordinatensystems wird an
einer Zwischenposition zwischen den Positionen Q₀ und Q+1
angeordnet, wobei gilt: a=b1+b2.
Folglich kann die Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen
L₀ und L+1 durch die folgende Formel (6) beschrieben werden,
wenn der Winkel S klein ist, da die Koordinate auf der -Achse
angenähert werden kann durch =x · cos (S/2)≒x.
L₀ - L₁ = [a² + (x + ΔL/2)²]1/2 - [a² + (x - ΔL/2)²]1/2
≒ a [1 + (1/2) ((x + ΔL/2)/a)²] - a [1 + (1/2) ((x - ΔL/2)/a)²]
= (1/2a) [(x + ΔL/2)² - (x - ΔL/2)²]
= (ΔL/a) · x
= (b1/(b1 + b2)) · λ/ξ · x (6)
≒ a [1 + (1/2) ((x + ΔL/2)/a)²] - a [1 + (1/2) ((x - ΔL/2)/a)²]
= (1/2a) [(x + ΔL/2)² - (x - ΔL/2)²]
= (ΔL/a) · x
= (b1/(b1 + b2)) · λ/ξ · x (6)
Daher ist eine Koordinate x₀ auf dem Bildschirm 14, wo ein
heller Streifen in dem Bereich V0, +1 erzeugt wird, eine Position,
an welcher die Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen
ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ ist.
Dies bedeutet, daß die folgende Formel (7) gilt:
x₀ = n · (1 + b2/b1) · ξ (7)
In der Formel (7) zeigt der Term (1+b2/b1) die Vergrößerung
des Schattenmusters an. Die Lichtintensität IOV in dem
Bereich V0, +1 kann somit aus der folgenden Formel (8) erhalten
werden, welche auf den Formeln (2), (3) und (6) basiert.
IOV = 4 · |A|² · cos² [(ΔB/ξ + (b1/(b1 + b2)) · x/ξ]) · π (8)
Wie die Formel (8) anzeigt, erscheinen Interferenzstreifen
aus hellen und dunklen Teilen in dem Bereich V0, +1, und die
Interferenzstreifen haben eine Periode ξ′=(1+b2/b1) · ξ.
Diese Periode ξ′ ist im Vergleich zu dem Abstand ξ der
Spalte des Beugungsgitters 12 erweitert. Ferner kann hieraus
ersehen werden, daß sich die Interferenzstreifen bewegen,
wenn das Beugungsgitter 12 eine seitliche Verschiebung erfährt.
Folglich kann durch Anordnen des Photodetektors 3 in
dem Bereich V0, +1, wie in Fig. 5 dargestellt ist, die Bewegung
des Beugungsgitters 12 festgestellt werden.
Natürlich ist der Bereich, in welchem die Interferenzstreifen
(ein Schattenbeugungsbild) erzeugt werden, nicht auf den
Bereich V0, +1 beschränkt, in welchem die Beugungsbildpunkte
0ter und +1ter Ordnung einander überdecken. Die Interferenzstreifen
werden ähnlich wie in dem Bereich V0, ±i erzeugt,
in welchem sich ein Beugungsbildpunkt i-ter Ordnung
und ein Beugungsbildpunkt (i±1)-ter Ordnung überdecken.
Als nächstes werden die Voraussetzungen der Lichtquelle beschrieben,
um die Interferenzstreifen (das Schattenbeugungsbild)
zu erzeugen. Wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 4
beschrieben, kann der Divergenzwinkel γ des divergierenden
Lichts durch die folgende Formel (9) beschrieben werden.
sin γ = λ/d (9)
Fig. 14 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall zeigt, bei welchem γ<S/2 (d<2ξ) ist. Fig. 15A
bis 15E zeigen Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 14 gebildet sind.
Fig. 16 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall zeigt, bei welchem γ=S/2 (d=2ξ) ist. Fig. 17A bis
17D zeigen jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 16 gebildet
sind.
Fig. 18 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall zeigt, bei welchem γ=S (d=ξ) ist. Fig. 19A bis 19D
zeigen jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 18 gebildet sind.
Fig. 20 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen
Fall zeigt, bei welchem γ<S (d<ξ) ist. Fig. 21A bis
21D zeigen jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen
Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 20 gebildet
sind.
Wie aus Fig. 12A, welche einen Fall darstellt, bei welchem
γ<S/4 ist, und aus Fig. 12B ersehen werden kann, welche
einen Fall wiedergibt, bei welchem γ<2S ist, nimmt der
Durchmesser des Beugungsbildpunktes jeder Beugungsordnung zu,
und nur benachbarte Beugungsbildpunkte verschiedener Beugungsordnungen
überdecken einander, wenn der Divergenzwinkel
γ einer Beziehung S/2γ2S genügt. Somit kann
die folgende Beziehung (10) aus den Formeln (1) und (9) erhalten
werden:
(1/4) sin-1 (λ/ξ) sin-1 (λ/d) (2S) sin-1 (λ/ξ) (10)
Wenn dagegen sowohl γ als auch S klein sind, kann die Beziehung
(10) durch die folgende Beziehung (11) angenähert
werden.
1/2 d/ξ 4 (11)
Außerdem überdecken sich die Beugungsbildpunkte in einem Bereich,
welcher eine maximale Fläche hat, wenn S=γ ist,
d. h. wenn die folgende Gl. (12) gilt):
d = ξ (12)
Die Lichtquelle hat eine Größe, welche etwa gleich dem Abstand
ξ der Spalte des Beugungsgitters ist, so daß die vorstehend
beschriebene Quasi-Kugelwelle erzeugt wird. Das von
einer derartigen Lichtquelle abgegebene Licht kann dann
durch ein Licht, das von einer Laserdiode, welche eine rechteckige
Öffnung hat, durch ein Licht, das durch einen Spalt
abgegeben worden ist, welcher eine Öffnungsbreite hat, die
etwa gleich dem Abstand ξ ist, oder durch ein Licht realisiert
werden, das über einen Lichtleiter abgegeben worden
ist, welcher einen Kerndurchmesser hat, der etwa gleich dem
Abstand ξ ist.
Die Lichtquelle braucht nur eine Kohärenz zu haben, so daß
eine Kohärenzlänge etwa dieselbe wie der Abstand zwischen
der Lichtquelle und dem Photodetektor oder dem Schirm ist.
Bezüglich der Wellenlänge des von der Lichtquelle abgegebenen
Lichts nimmt der Beugungswinkel S zu, wenn die Wellenlänge
λ zunimmt, wenn der Abstand ξ konstant ist, wie
aus der Formel (1) ersehen werden kann; der Divergenzwinkel
γ nimmt jedoch ebenfalls zu, wenn die Länge d der Lichtquelle
konstant ist, wie aus der Formel (9) zu ersehen ist.
Folglich überdecken die zwei Beugungsbildpunkte einander in
derselben Weise, und die Interferenzstreifen von hellen und
dunklen Teilen werden unabhängig von der Wellenlänge λ der
Lichtquelle an derselben Stelle erzeugt, wie aus der Formel
(8) zu ersehen ist. Folglich können die Interferenzstreifen
(das Schattenbeugungsbild) erhalten werden, welche einen
hinreichend hohen Kontrast haben, selbst wenn die Lichtquelle
kein monochromatisches Licht abgibt.
Als nächstes werden die Wirkungen der Eigenschaft des Beugungsgitters
auf die Interferenzstreifen (das Schattenbeugungsbild)
beschrieben. Wenn die Amplituden benachbarter
Beugungsbildpunkte verschiedener Beugungsordnungen mit Ai
und Ai-1 bezeichnet werden, kann der Kontrast Ic der Beugungsstreifen
aus der folgenden Gleichung (13) erhalten werden:
Ic = [2Ai · Ai-1/(A²n + A²n-1)] × 100 (13)
Folglich wird, wenn die beiden Amplituden Ai und Ai-1 gleich
sind, der Kontrast Ic ein Maximalwert, welcher 100% ist.
Fig. 13A, 13B bzw. 13C zeigen Lichtintensitätsverteilungen
von Fraunhoferschen Bildern, welche erhalten werden, wenn
mit einem parallelen Strahl das Beugungsgitter mit den Spalten
bestrahlt wird, welche in dem Abstand ξ vorgesehen
sind, wobei jeder Spalt die Breite δ hat. Fig. 13A zeigt
einen Fall, bei welchem δ/ξ=1/3 ist; Fig. 13B zeigt einen
Fall, wo δ/ξ=1/2 ist und Fig. 13C zeigt einen Fall, wo
δ/ξ=2/3 ist. Dagegen zeigt Fig. 13D eine Lichtintensitätsverteilung
eines Fraunhoferschen Bildes, welches erhalten
wird, wenn mit einem parallelen Strahl ein sinusförmiges
Gitter bestrahlt wird. Der Beugungsbildpunkt wird für eine
höhere Beugungsordnung erzeugt, wenn die Breite δ des
Spaltes kleiner wird. Außerdem wird die Amplitude A₀ des gebeugten
Lichts 0ter Ordnung gleich den Amplituden A+1 und
A-1 des gebeugten Lichts ±1ter Ordnung. Folglich wird der
Kontrast des Streifens hoch, wie aus der Formel (13) ersehen
werden kann. Im Falle des Beugungsgitters 12 mit den durchlässigen
und nicht-durchlässigen Teilen können die Amplituden
A+1 und A-1 des gebeugten Lichts ±1ter Ordnung aus der
folgenden Formel (14) erhalten werden, wenn die Amplitude
A₀ des gebeugten Lichts 0ter Ordnung A₀=1 ist.
A±1 = [sin ((δ/ξ) · π)]/(δ/ξ) (14)
Die folgende Tabelle zeigt den Kontrast Ic der Interferenzstreifen,
welche für jede Art von Beugungsgitter erhalten
werden:
Das sinusförmige Gitter ist dadurch gekennzeichnet, daß nur
der Beugungsbildpunkt 0ter Ordnung und die Beugungsbildpunkte
±1ter Ordnung erzeugt werden, und daß die Amplituden
der Beugungsbildpunkte ±1ter Ordnung die halben (1/2) Amplituden
des Beugungsbildpunktes 0ter Ordnung sind. Da die
Beugungsbildpunkte ±2ter Ordnung und höherer Ordnung nicht
erzeugt werden, können die Bedingungen bezüglich der Länge
d des Linienstrahlers 10 gemildert werden, um
ein Überdecken nur der Beugungsbildpunkte 0ter und +1ter
Ordnung und der Beugungsbildpunkte 0ter und -1ter Ordnung
zu bewirken. Mit anderen Worten, selbst wenn die Länge d 1/2
des Abstandes ξ oder weniger ist, können zufriedenstellende
Interferenzstreifen erhalten werden. Außerdem ist die gesamte
Lichtmenge, welche von der Lichtquelle 10 abgegeben
worden ist, auf die Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung
konzentriert, die Lichtintensität der Interferenzstreifen
ist zwischen dem Beugungsbildpunkt 0ter Ordnung und dem
Beugungsbildpunkten ±1ter Ordnung groß, und der Signalfühlwirkungsgrad
des Photodetektors 3 ist verbessert.
Folglich ist es von dem Standpunkt her, zufriedenstellende
Interferenzstreifen zu erhalten, wirksamer, die Bewegung des
Beugungsgitters 12 festzustellen, wenn das Beugungsgitter 12
eine solche Öffnungscharakteristik hat, daß nur die Beugungsbildpunkte
0- und ±1ter Ordnung erzeugt werden, wenn mit
parallelem Licht das Beugungsgitter 12 bestrahlt wird, und
die Amplituden der Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung
dieselben sind.
Als nächstes wird eine erste Ausführungsform einer optischen
Bewegungsmeßeinrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung anhand von
Fig. 22 beschrieben. Die optische Bewegungsmeßeinrichtung
weist im allgemeinen die Lichtquelle 10, das Beugungsgitter
12, erste und zweite Photodetektorteile 50₁ und 50₂, Verstärker 51₁
und 51₂, Analog-Digital-(A/D-)Umsetzer 52₁ und
52₂, eine Operationsschaltung 53 und einen Zähler 54 auf,
welche so, wie dargestellt, geschaltet sind. Der Photodetektorteil
50₁ weist ein festes Gitter G1 und einen Photodetektor
D1 und der Photodetektorteil 50₂ weist ein festes
Gitter G2 und einen Photodetektor D2 auf. Beispielsweise
sind die Photodetektoren D1 und D2 Photodioden.
Die Photodetektoren D1 und D2 werden an Stellen P1 und P2
angeordnet, an welchen eine Linie von der Mitte der Lichtquelle
10 den Winkel γ mit der optischen Achse AX bildet.
Es wird angenommen, daß γ=λb2/2ξ ist. In diesem Fall
kann der Abstand ξ′ der Interferenzstreifen durch die folgende
Formel (15) beschrieben werden.
ξ′ = (1 + b2/b1) · ξ (15)
Folglich wird durch Einstellen eines Abstands der Spalte der
festen Beugungsgitter G1 und G2 auf ξ′ ein Helligkeitssignal
von den Photodetektoren D1 und D2 jedesmal dann erhalten,
wenn sich das Beugungsgitter 12 um einen Abstand ξ bewegt.
Die festen Beugungsgitter G1 und G2 sind räumlich angeordnet,
wie in Fig. 23A und 23B dargestellt ist, d. h. so daß die Positionen
der festen Beugungsgitter G1 und G2 um 1/4 des Abstandes
ξ′ relativ zueinander verschoben sind. Folglich haben
Detektionssignale, welche von den Photodetektoren D1 und
D2 abgegeben werden, eine Phasenverschiebung von 90°, und es
ist möglich, die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 12
aus den Detektionssignalen festzustellen.
Die Detektionssignale von den Photodetektoren D1 und D2 werden
in den jeweiligen Verstärkern 51₁ und 51₂ in Signale S1
und S2 verstärkt, die in Fig. 24A und 24B dargestellt sind.
Die Signale S1 und S2 werden den entsprechenden A/D-Umsetzern
52₁ und 52₂ zugeführt und in digitale Signale B1 und B2
umgesetzt, wie in Fig. 25A und 25B dargestellt ist. Wenn die
Anzahl Bits der A/D-Umsetzer 52₁ und 52₂ zwei ist, ist die
Anzahl Impulse, welche von den A/D-Umsetzern 52₁ und 52₂ abgegeben
werden, die Anzahl von bewegten Streifen der Interferenzstreifen.
Wenn die Anzahl Bits der A/D-Umsetzer 52₁
und 52₂ N ist, ist die Anzahl Impulse, welche von den A/D-Umsetzern
52₁ und 52₂ abgegeben worden sind, das N-fache der
Anzahl bewegter Streifen der Interferenzstreifen.
Die Digitalsignale B1 und B2 werden der Operationsschaltung
53 zugeführt, welche eine entsprechende Operation durchführt
und ein Impulssignal C1, welches die Bewegung des Beugungsgitters
12 anzeigt, und ein Richtungssignal C2 abgibt, welches
die Bewegungsrichtung anzeigt. Die Signale C1 und C2
werden an den Zähler 54 abgegeben und dort gezählt. Somit
kann die Bewegung des Beugungsgitters 12 aus dem Ausgangssignal
des Zählers 54 genau festgestellt werden.
Im allgemeinen werden, wenn nur ein Beugungsbildpunkt m-ter
Ordnung und ein Beugungsbildpunkt n-ter Ordnung erzeugt werden,
die Interferenzstreifen um eine Mitte der zwei Beugungswinkel
mit einer Periode ξ′=|1/(m-n)| · (1+b2/b1) · ξ
(m≠n) erzeugt, und es findet eine Vergrößerung
oder Verkleinerung um diese Mitte der zwei Beugungswinkel
statt. Folglich sollten die Photodetektoren D1 und D2 jeweils
in der Mitte der zwei Beugungswinkel angeordnet sein.
Fig. 26A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, bei
welchem d=|1/(n-m)| · ξ ist, und Fig. 26B zeigt das Fraunhofersche
Bild, das in dem in Fig. 26A dargestellten Fall
erhalten wird. In diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen
|1/(m-n)| · (1+b2/b1) · ξ.
Fig. 27A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, wo die
Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung erzeugt werden und
d=ξ ist, und Fig. 27B zeigt das Fraunhofersche Bild, das
in dem in Fig. 27A dargestellten Fall erhalten worden ist. In
diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen
(1+b2/b1) · ξ, und ein Abstand zwischen den Vergrößerungsmittelpunkten
ist λb2/ξ.
Fig. 28A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, bei
welchem nur die Beugungsbildpunkte ±1ter Ordnung erzeugt
und d=ξ/2 ist, und Fig. 28B zeigt das Fraunhofersche Bild,
das in dem in Fig. 28A dargestellten Fall erhalten worden ist.
In diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen
(1/2) · (1+b2/b1) · ξ, und ein Abstand zwischen den Vergrößerungsmittelpunkten
ist 2λb2/ξ.
Fig. 29A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, bei welchem
nur die Beugungsbildpunkte ±n-ter Ordnung erzeugt werden
und d=ξ/2n ist, und Fig. 29B zeigt das Fraunhofersche
Bild, welches in dem in Fig. 29A dargestellten Fall erhalten
worden ist. In diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen
auf (1/2n) · (1+b2/b1) · ξ, und ein Abstand zwischen
den Vergrößerungsmittelpunkten ist 2nλb2/ξ.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen haben die
Beugungsgitter 2, 2A, 2B und 12 die Spalte zum Durchlassen
des Lichts, welches von den Lichtquellen 1 und 10 empfangen
wird. Jedoch ist das Beugungsgitter nicht auf den durchlassenden
Typ beschränkt, sondern es können auch reflektierende
Beugungsgitter verwendet werden. Ein solches reflektierendes
Beugungsgitter hat reflektierende Teile, welche in einem
vorherbestimmten Abstand angeordnet sind.
Fig. 30 zeigt einen wesentlichen Teil eines optischen Systems,
um eine vierte Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung zu erläutern. In dieser Ausführungsform
wird die Erfindung bei einem Linearcodierer verwendet.
In Fig. 30 sind die Teile, welche im wesentlichen
dieselben wie die entsprechenden Teile in Fig. 5 sind, mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine Laserdiode wird als
ein Linienstrahler 1 verwendet,
und ein Linearcodierer wird als ein Beugungsgitter 22 verwendet.
Das Beugungsgitter 22 weist feine reflektierende
Teile auf, welche in einem konstanten Abstand ξ′ angeordnet
sind. Ein Schattenmuster, welches durch die Anordnung der
reflektierenden Teile des Beugungsgitters 2 erzeugt wird,
bewegt sich, wenn das Beugungsgitter 2 in der Richtung eines
Pfeils D1 bewegt wird. Daher kann, wenn der Photodetektor 3
an fest vorgegebenen Positionen angeordnet ist, um eine Bewegung
des Schattenmusters als eine periodische Änderung in
der empfangenen Lichtmenge festzustellen, die Linearbewegung
des Beugungsgitters 22 basierend auf einer Vergrößerungsbeziehung
(auf einem vorstehend beschriebenen Verhältnis
(1+b2/b1)) zwischen dem Beugungsgitter 22 und dem Schattenmuster
genau festgestellt werden.
In Fig. 31 ist ein wesentlicher Teil eines optischen Systems
dargestellt, um eine fünfte Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung zu erläutern. In dieser
Ausführungsform ist die Erfindung bei einem rotierenden
Codierer angewendet. In Fig. 31 sind die Teile, welche im wesentlichen
dieselben sind, wie die entsprechenden Teile in
Fig. 6, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 31
wird ein rotierender Codierer, welcher eine Scheibenform
hat, als ein Beugungsgitter 22A verwendet, und die Drehbewegung
des Beugungsgitters 22A kann in einer Richtung D2 genau
festgestellt werden.
In Fig. 32 ist ein wesentlicher Teil eines optischen Systems
dargestellt, um eine sechste Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung festzustellen. In
dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem rotierenden
Codierer angewendet. In Fig. 32 sind die Teile, welche im
wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Teile in Fig. 7
sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 32 ist
ein rotierender Codierer, welcher eine Zylinderform hat, als
ein Beugungsgitter 22B verwendet, und die Drehbewegung des
Beugungsgitters 22B in einer Richtung D3 kann genau festgestellt
werden. Das Beugungsgitter kann auf der Umfangsfläche
des Zylinders ausgebildet sein, indem eine magnetische Aufzeichnungsschicht
auf der Umfangsfläche des Zylinders vorgesehen
wird, ein magnetisches Muster auf die magnetische Aufzeichnungsschicht
geschrieben wird und das magnetische Muster
durch ein magnetisches Koloidfluid in das Beugungsmuster
entwickelt wird. Das Verfahren, um das Beugungsgitter
auf der Umfangsfläche des Zylinders herzustellen, ist beispielsweise
in einer am 23. August 1989 eingereichten deutschen
Patentanmeldung P 39 27 846.8 beschrieben.
Fig. 33 ist ein Diagramm, zum Erläutern einer Reflexion an
einer Umfangsfläche des Zylinders, wenn sich das Licht von
der Lichtquelle zu einer Mitte des Zylinders hin sich ausbreitet.
In Fig. 33 fallen parallele Strahlen und
auf eine zylindrische Spiegelfläche S. Der Strahl breitet
sich auf einer ersten imaginären Linie aus, welche durch
einen Mittelpunkt O des Zylinders hindurchgeht, während der
Strahl parallel zu dem Strahl ist, sich aber auf
einer zweiten imaginären Linie ausbreitet, welche etwas bezüglich
der ersten imaginären Linie verschoben ist. Aufgrund
des Reflexionsgesetzes ergibt der Strahl einen reflektierten
Strahl an der zylindrischen Oberfläche S, da der
Strahl die zylindrische Oberfläche S mit
einem Einfallswinkel α zu einer optischen Achse, welche
eine Verlängerung einer Linie B′O ist, und wird als ein reflektierter
Strahl reflektiert. Folglich sind die reflektierten
Strahlen und so wie wenn diese Strahlen
von einem Schnittpunkt C einer Verlängerung des reflektierten
Strahls und einer Verlängerung des reflektierten
Strahls ausgehen würden. Da ein Dreieck ΔCB′O ein
gleichschenkliges Dreieck ist, ist der Schnittpunkt C auf
einer senkrechten Winkelhalbierenden festgelegt, welche
durch einen Punkt Co hindurchgeht, welcher einen Abstand r/2
von der Zylinderoberfläche S hat, wobei mit r der Zylinderradius
bezeichnet ist. Wenn eine Breite δ der parallelen
Strahlen und klein ist, fallen die Punkte C und Co
im wesentlichen zusammen. Wenn daher die zylindrische Oberfläche
S mit parallelen Strahlen bestrahlt wird, und diese
reflektiert werden, divergieren die reflektierten Strahlen,
so, wie wenn eine Punktlichtquelle in einem Abstand r/2 von
der Zylinderoberfläche S angeordnet ist.
In Fig. 34 ist ein Diagramm dargestellt, anhand welchem eine
Reflexion an der Umfangsfläche des Zylinders erläutert wird
wenn das Licht von der Lichtquelle sich zu einem Punkt hin
ausbreitet, welcher von der Mitte des Zylinders entfernt
ist. In Fig. 34 sind dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 33
verwendet. In diesem Fall reagieren die reflektierten Strahlen
A′A′′ und B′B′′ unter einem Winkel 2ΔR, wobei ΔR ein
Mittelwinkel bezeichnet ist, welcher einen Bogen bezüglich
einer Mittenachse O bildet. Wenn der Mittelwinkel ΔR
extrem klein ist, kann der Bogen annähernd als eine Bogensehne
betrachtet werden. Somit gilt die folgende Bewegung,
wenn ein Abstand von einer virtuellen Lichtquelle
zu dem Bogen mit X bezeichnet ist.
X · 2ΔR ≒ r · ΔR cos R
Wenn folglich ΔR→O ist, gilt die folgende Gleichung
X = (r/2) · cos R
Wenn die Breite δ der parallelen Strahlen und hinreichend
klein ist, und die zylindrische Fläche S mit den
parallelen Strahlen und bestrahlt wird und von dieser
reflektiert werden, divergieren die reflektierten Strahlen
so, wie wenn eine Punktlichtquelle in einem Abstand X
von der zylindrischen Oberfläche S angeordnet ist.
In Fig. 35 ist ein Diagramm dargestellt, anhand welchem eine
Reflexion an der Umfangsfläche des Zylinders erläutert wird,
wenn das Beugungsgitter Streifen von reflektierenden Teilen
hat, welche parallel zu einer Erzeugenden auf dem Zylinder
angeordnet sind. In Fig. 35 sind dieselben Bezeichnungen wie
in Fig. 33 verwendet. In diesem Fall treffen die parallelen
Strahlen und auf das Beugungsgitter 22B in Richtung
der Mitte O und werden reflektiert, wie wenn die reflektierten
Strahlen von dem Punkt Co reflektiert würden und das
Beugungsgitter 22B das durchlässige Beugungsgitter wäre.
Das Schattenmuster, welches in diesem Fall erzeugt wird,
entspricht demjenigen, welches erzeugt wird, wenn ein durchlässiges
Beugungsgitter mit Strahlen von einer Punktlichtquelle
aus bestrahlt wird, welche an der Stelle Co angeordnet
ist. Mit anderen Worten, die virtuelle Punktlichtquelle
ist an dem Punkt Co angeordnet, welcher einen Abstand r/2
von dem Beugungsgitter 22B hat. In diesem Fall ist die Größe
der virtuellen Punktlichtquelle kein perfekter Punkt. Das
bedeutet, daß die Breite δ der parallelen Strahlen und
hinreichend klein sein muß, um ein Schattenmuster mit
einem hohen Kontrast zu erhalten, wenn die Breite des reflektierenden
Streifens des Beugungsgitters 22B klein ist.
Entsprechend werden, wenn die parallelen Strahlen und
an dem Beugungsgitter 22B zu einem Punkt hin auftreffen,
welcher von der Mitte O verschoben ist, die Strahlen und
so reflektiert, wie wenn die reflektierten Strahlen von
dem Punkt aus divergieren würden, welcher den Abstand X von
dem Beugungsgitter 22B hat, und das Beugungsgitter 22B ein
durchlässiges Gitter wäre. Der Abstand X kann beschrieben
werden durch X=(r/2) · cos R.
In den vierten bis sechsten Ausführungsformen ist der Photodetektor
3 auf der optischen Achse AX vorgesehen und mißt
einen Wert, so daß 1/10d/ξ<2 ist. Wenn jedoch der
Photodetektor 3 an einer Stelle angeordnet ist, welche von
der optischen Achse AX entfernt liegt, wie durch eine gestrichelte
Linie in Fig. 30 bis 32 angezeigt ist, kann die
Bewegung der Beugungsgitter 22, 22A und 22B in zufriedenstellender
Weise mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden,
selbst wenn ξ/d≒2 ist.
In der ersten in Verbindung mit Fig. 22 beschriebenen Ausführungsform
der optischen Bewegungsmeßeinrichtung ist die Erfindung
bei einem linearen Codierer angewendet, und der Einfachheit
halber ist ein durchlässiges Beugungsgitter verwendet.
Selbstverständlich kann jedoch ohne weiteres auch die
optische Bewegungsmeßeinrichtung bei
einer der in Fig. 5, 6, 7, 30 bis 32 dargestellten Anordnungen
zum Erzeugen und Feststellen des Schattenmusters oder
von Interferenzstreifen verwendet werden. Außerdem können in
jeder der beschriebenen Ausführungsformen das Schattenmuster
oder Interferenzstreifen statt mit einem einzigen Photodetektor
mit Hilfe einer Anzahl von Detektoren festgestellt werden.
Claims (11)
1. Optisches Bewegungsmeßverfahren zum Messen einer Bewe
gung eines Objekts, wonach ein auf einem Objekt vorgesehe
nes Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) direkt mit
divergierendem Licht von einem Linienstrahler (1, 10) be
strahlt wird, um gebeugtes Licht verschiedener Beugungsord
nung zu erzeugen, wobei der Linienstrahler (1, 10) eine
endliche Länge d in einer Richtung parallel zur Bewegungs
richtung des Beugungsgitters (2, 2A, 2B, 12, 22A, 22B) hat,
ferner das Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B)
periodisch in einem Abstand ξ voneinander angeordnete Licht
durchlassende oder reflektierende Teile hat, welche jeweils
eine Breite δ haben, die klein im Vergleich zu dem Abstand
ξ ist, und wobei der Abstand ξ und die Länge d der
Beziehung 1/10 (d/ξ) 2 genügen, wonach an verschiede
nen, vom Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B)
gleich beabstandeten Stellen Interferenzstreifen detektiert
werden, welche durch ein Überdecken von Lichtpunkten aus
dem gebeugten divergierenden Licht verschiedener Beugungs
ordnung erzeugt werden und welche abwechselnd auftretende
helle und dunkle Streifen aufweisen, und wonach eine Bewe
gung des Objekts basierend auf einer gezählten Anzahl von
Streifen der detektierten Interferenzstreifen gemessen
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen, sich
überdeckende Lichtpunkte aus gebeugtem Licht der n-ten und
m-ten Beugungsordnung festgestellt werden, wobei die Länge
d gleich |1/(n-m) | · ξ ist, und die hellen Teile der
Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich
|1/(m-n) | · (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 ein Abstand
zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2,
2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen
dem Beugungsgitter und einer Feststellposition bezeichnet
sind, an welcher die sich überdeckenden Lichtpunkte aus
gebeugtem Licht erzeugt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen, sich
überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts 0ten und der
±1ten Ordnung festgestellt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen, sich
überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts ±1ter Ordnung
festgestellt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen, sich
überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts ±n-ter Beugungs
ordnung festgestellt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Beugungsgitter (2, 12, 22) linear auf dem Objekt ange
ordnet ist, und bei dem Schritt, Messen der Bewegung, eine
lineare Bewegung des Objekts gemessen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Beugungsgitter (2A, 2B, 22A, 22B) in einem kreisförmi
gen Muster auf dem Objekt angeordnet ist, und daß bei dem
Schritt, Messen der Bewegung, eine Drehbewegung des Objekts
gemessen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Objekt eine Scheibe ist, das Beugungsgitter (2A, 22A)
in einem kreisförmigen Muster auf einer Oberfläche der
Scheibe angeordnet ist, und daß bei dem Schritt, Messen der
Bewegungen, eine Drehbewegung der Scheibe gemessen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Objekt ein Zylinder ist, das Beugungsgitter (2B, 22B)
in einem kreisförmigen Muster auf einer Umfangsfläche des
Zylinders angeordnet ist, und daß bei dem Schritt, Messen
der Bewegung, eine Drehbewegung des Zylinders gemessen
wird.
10. Optische Bewegungsmeßeinrichtung zum Messen der Bewe
gung eines Objekts, mit einer Lichtquelle und einem Beu
gungsgitter, das auf dem Objekt angeordnet ist und von dem
Licht der Lichtquelle bestrahlt wird, um gebeugtes Licht
verschiedener Beugungsordnung zu erzeugen, und mit einer
Einrichtung zum Feststellen von Interferenzstreifen, welche
durch ein Überdecken von Lichtpunkten aus gebeugtem diver
gierendem Licht verschiedener Beugungsordnung erzeugt wer
den, und welche helle und dunkle Streifen aufweisen, welche
abwechselnd auftreten, zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Lichtquelle aus einem Linienstrahler (1, 10) end licher Länge d besteht, dessen Abschnitt gemäß der Länge d parallel zur Bewegungsrichtung des Beugungs gitters (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) angeordnet ist,
- b) das Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) pe riodisch in einem Abstand ξ voneinander angeordnete, Licht durchlassende oder reflektierende Teile hat, welche jeweils eine Breite δ haben, die klein im Ver gleich zu dem Abstand ξ ist, und wobei der Abstand ξ und die Länge d der Beziehung 1/10 (δ/ξ) 2 genü gen,
- c) die Einrichtung zum Feststellen der Interferenzstrei fen mehrere Photodetektorelemente (D1, D2) mit je weils gleichem Abstand zum Beugungsgitter aufweist, und
- d) eine Zähleinrichtung (52, 53, 54) mit den Photodetek torelementen (D1, D2) verbunden ist, um die von den Photodetektorelementen detektierten Interferenzstrei fen zu zählen.
11. Optische Bewegungsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, da
durch gekennzeichnet, daß den Photodetektorelementen (D1,
D2) zwei voneinander unabhängige Beugungsgitter (G₁, G₂)
derart zueinander phasenverschoben zugeordnet sind, daß die
von den Photodetektorelementen (D1, D2) abgegebenen Detek
tionssignale eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB8926176A GB2239088B (en) | 1989-11-24 | 1989-11-20 | Optical movement measuring method and apparatus |
DE3938935A DE3938935A1 (de) | 1989-11-24 | 1989-11-24 | Optisches bewegungsmessverfahren und einrichtung zu dessen durchfuehrung |
FR8915519A FR2655142B1 (fr) | 1989-11-24 | 1989-11-24 | Procede et appareil de mesure de mouvement par des moyens optiques. |
US07/931,511 US5355220A (en) | 1989-11-13 | 1992-08-21 | Optical movement measuring method and apparatus using interference fringes generated by overlapping spots of diffracted lights of different orders of diffraction from a line source |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3938935A DE3938935A1 (de) | 1989-11-24 | 1989-11-24 | Optisches bewegungsmessverfahren und einrichtung zu dessen durchfuehrung |
US07/931,511 US5355220A (en) | 1989-11-13 | 1992-08-21 | Optical movement measuring method and apparatus using interference fringes generated by overlapping spots of diffracted lights of different orders of diffraction from a line source |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3938935A1 DE3938935A1 (de) | 1991-05-29 |
DE3938935C2 true DE3938935C2 (de) | 1993-07-29 |
Family
ID=25887361
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3938935A Granted DE3938935A1 (de) | 1989-11-13 | 1989-11-24 | Optisches bewegungsmessverfahren und einrichtung zu dessen durchfuehrung |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5355220A (de) |
DE (1) | DE3938935A1 (de) |
FR (1) | FR2655142B1 (de) |
GB (1) | GB2239088B (de) |
Families Citing this family (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2256476B (en) * | 1991-05-30 | 1995-09-27 | Rank Taylor Hobson Ltd | Positional measurement |
US5486923A (en) * | 1992-05-05 | 1996-01-23 | Microe | Apparatus for detecting relative movement wherein a detecting means is positioned in the region of natural interference |
JP3302139B2 (ja) * | 1993-10-27 | 2002-07-15 | キヤノン株式会社 | 移動体の直進精度測定装置 |
JP3342141B2 (ja) * | 1993-12-28 | 2002-11-05 | キヤノン株式会社 | 速度測定装置 |
JP3312086B2 (ja) * | 1994-05-19 | 2002-08-05 | 株式会社リコー | エンコーダ装置 |
DE69622297T2 (de) * | 1995-02-21 | 2002-11-21 | Canon Kk | Vorrichtung zur Bestimmung einer Verschiebung und deren Verwendung in einer Einrichtung zur Antriebsregelung |
US5909283A (en) * | 1997-10-07 | 1999-06-01 | Eselun; Steven Albert | Linear encoder using diverging light beam diffraction |
DE19956912A1 (de) | 1999-11-26 | 2001-08-09 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Winkelmeßsystem und Winkelmeßverfahren zur berührungslosen Winkelmessung |
DE60039403D1 (de) * | 1999-12-16 | 2008-08-21 | Victor Company Of Japan | Optische Vorrichtung |
GB0004120D0 (en) * | 2000-02-23 | 2000-04-12 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale reading apparatus |
KR100465784B1 (ko) * | 2002-05-03 | 2005-01-13 | 한국과학기술원 | 경사단면 광섬유 광원을 이용한 점회절 간섭계 및 측정방법 |
JP2005011478A (ja) * | 2003-04-24 | 2005-01-13 | Ricoh Co Ltd | 回折格子とその作製方法及び複製方法並びにその回折格子を用いた光ヘッド装置及び光ディスクドライブ装置 |
GB2468263B (en) * | 2008-08-28 | 2013-04-03 | Faro Tech Inc | Indexed optical encoder method for indexing an optical encoder, and method for dynamically adjusting gain and offset in an optical encoder |
KR20120094929A (ko) * | 2009-10-16 | 2012-08-27 | 알피오 피티와이 리미티드 | 터치 오브젝트를 감지하고 추적하는 방법 |
DE102011050030B4 (de) * | 2011-05-02 | 2013-03-28 | Scanlab Ag | Positionsdetektor und Lichtablenkvorrichtung mit Positionsdetektor |
EP2623938A1 (de) * | 2012-02-03 | 2013-08-07 | Siemens Aktiengesellschaft | Messwertgeber zum Erhalt einer Positionsinformation |
JP6048189B2 (ja) | 2013-02-08 | 2016-12-21 | 株式会社リコー | 投影システム、画像生成プログラム、情報処理装置及び画像生成方法 |
JP2018513385A (ja) | 2015-04-22 | 2018-05-24 | ファロ テクノロジーズ インコーポレーテッド | 指標付き光学エンコーダ |
Family Cites Families (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CH428243A (de) * | 1962-08-22 | 1967-01-15 | Philips Nv | Vorrichtung zum Bestimmen der Lage eines beweglichen Teiles in bezug auf ein feststehendes Teil |
US3419330A (en) * | 1965-04-06 | 1968-12-31 | Sperry Rand Corp | Diffraction grating angular rate sensor |
GB1138082A (en) * | 1966-04-28 | 1968-12-27 | Rolls Royce | Apparatus, e.g. for determining the position of a movable member, and method of using same |
US3726595A (en) * | 1970-01-07 | 1973-04-10 | Canon Kk | Method for optical detection and/or measurement of movement of a diffraction grating |
DE2229996A1 (de) * | 1972-06-20 | 1974-01-10 | Leitz Ernst Gmbh | Fotoelektrischer schrittgeber fuer laengen- und winkelmessung |
JPS5023617A (de) * | 1973-06-29 | 1975-03-13 | ||
CH601799A5 (de) * | 1974-01-12 | 1978-07-14 | Leitz Ernst Gmbh | |
US4395124A (en) * | 1977-12-23 | 1983-07-26 | Randwal Instrument Co., Inc. | Apparatus for position encoding |
US4218615A (en) * | 1978-10-23 | 1980-08-19 | Martin Marietta Corporation | Incremental digital shaft encoder |
DE3316144A1 (de) * | 1982-05-04 | 1983-11-10 | Canon K.K., Tokyo | Verfahren und vorrichtung zum messen des ausmasses einer bewegung |
GB8432574D0 (en) * | 1984-12-22 | 1985-02-06 | Renishaw Plc | Opto-electronic scale-reading apparatus |
DE3689602T2 (de) * | 1985-08-23 | 1994-08-25 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Positionsdetektionsvorrichtung. |
DE3706277C2 (de) * | 1986-02-28 | 1995-04-27 | Canon Kk | Drehungsmeßgeber |
DE3625327C1 (de) * | 1986-07-26 | 1988-02-18 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Lichtelektrische Positionsmesseinrichtung |
US4912322A (en) * | 1986-08-15 | 1990-03-27 | Mitutoyo Mfg. Co., Ltd. | Optical type displacement detecting device |
JPS6347616A (ja) * | 1986-08-15 | 1988-02-29 | Ricoh Co Ltd | 移動量測定方法 |
DE3633574A1 (de) * | 1986-10-02 | 1988-04-14 | Heidenhain Gmbh Dr Johannes | Lichtelektrische winkelmesseinrichtung |
JPS63271119A (ja) * | 1987-04-28 | 1988-11-09 | Hamamatsu Photonics Kk | 非接触型回転数検出装置 |
JPH07888Y2 (ja) * | 1988-02-22 | 1995-01-11 | 株式会社ミツトヨ | 光学式変位検出器 |
JP2709088B2 (ja) * | 1988-08-24 | 1998-02-04 | 株式会社リコー | 回転量測定方法 |
JP3408581B2 (ja) * | 1993-06-10 | 2003-05-19 | 康博 小池 | 光拡散体 |
-
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1992
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