DE4420276A1

DE4420276A1 - Apparat zur Versatzmessung von bewegten Körpern

Info

Publication number: DE4420276A1
Application number: DE4420276A
Authority: DE
Inventors: Masami Ito; Makoto Kato; Kanji Nishii; Atsushi Fukui; Keiichi Fujikawa
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2014-06-11
Also published as: DE4420276C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Apparat, wie beispielsweise eine optische Kodiereinrichtung zum optischen Messen eines Versatzes eines bewegten Körpers, wie beispielsweise einer durch Translation oder Rotation bedingten Lageänderung eines beweg ten Körpers.

Fig. 1 zeigt eine bekannte optische Kodiereinrichtung zum Messen einer Position oder eines Winkels, wobei das Bezugszeichen 301 eine Lichtquelle bezeichnet, das Bezugszeichen 302 einen Drehteller, der eine A/B-Phasen-Signalregion besitzt, in der gleichmäßig beabstande te Schlitze oder ein Gitter 306 am Umfang angeordnet sind, und eine Z-Phasen-Signalregion enthält, bei der nur ein Schlitz 307 am Umfang angeordnet ist. Das Bezugszeichen 303 bezeichnet eine feste Platte mit einer A/B-Phasen-Signalregion, bei der Schlitze oder ein Gitter 308 mit dem selben Abstand wie auf dem Drehteller angeordnet ist bzw. sind, und einer Z-Phasen-Signalregion, wobei lediglich ein Schlitz 309 am Umfang vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 304 bezeich net einen Fotosensor zum Erfassen von Licht, welches durch den Drehteller 302 und die feste Platte 303 hindurchtritt. Beim Erfassen von Licht, das durch die A/B-Phasen-Signalregion des Drehtellers und der festen Platte hindurchtritt wird ein Signal (A/B-Phasensignal) in Übereinstimmung mit einem Winkel des Drehtellers erfaßt, während beim Erfassen von Licht, das durch die Z-Phasen-Signalregionen hindurchtritt, ein Signal (Z-Phasensignal) erfaßt wird, welches einen Ursprung des Drehtellers anzeigt.

Es ist jedoch beim zuvor genannten bekannten Verfahren ein Problem, daß der Grad der Modulation des A/B-Phasensignals gestört ist. Dieses Problem wird nachfolgend erklärt. Fig. 2 zeigt eine Basis struktur einer bekannten optischen Kodiereinrichtung, welche zum Messen einer Position oder eines Winkels von einem bewegten Körper benutzt wird (japanische Patent-Offenlegungsschrift 257 419/1991). In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine Lichtquelle, die eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode relativ hoher Kohärenz enthält, das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Kollimatorlinse zum parallelen Ausrichten von Licht, das von der Lichtquelle 11 emit tiert wurde, das Bezugszeichen 13 eine feste Beugungsplatte, die ein Gitter mit einer Sektion mit rechteck-wellenähnlicher Gestalt besitzt und senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausge richteten Lichtes angeordnet ist, welches von der Linse 12 emittiert wird, das Bezugszeichen 14 eine bewegliche Beugungsplatte mit einer Sektion von rechteck-wellenförmiger Gestalt, die senkrecht zu der optischen Achse angeordnet ist, wobei die bewegbare Beugungsplatte in der Lage ist, sich senkrecht zu bewegen (in der Zeichnung auf- und abwärts). Die Gitter der festen und drehbaren Beugungsplatten besitzen dieselbe Periode.

Darüber hinaus hat eine Schrittdifferenz "d" bezüglich der Höhe zwischen Oberkanten und Unterkanten der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 die folgende Beziehung zur Wellenlänge λ der Lichtquelle 11:

|n - n₀| × d = (λ/2) × (1+2m) (Gleichung 1),

wobei m = 0, ±1, ±2, . . ., n einen Brechungsindex des Materials der festen und drehbaren Beugungsplatten 13, 14 bezeichnen und n₀ einen Brechungsindex eines Mediums zwischen den Platten 13 und 14 bezeich net. Weiterhin bezeichnet in Fig. 2 das Bezugszeichen 105 eine Kon densorlinse zum konzentrieren von Licht, das durch die bewegbare Beugungsplatte 14 hindurchtritt, während das Bezugszeichen 105 einen Fotosensor bezeichnet, der ein gebeugtes Bild, welches von der Linse 105 konzentriert wurde, in ein elektrisches Signal umwandelt. Die bewegbare Beugungsplatte 14 ist beispielsweise an einer sich drehen den Rotationseinrichtung befestigt, während die feste Beugungsplatte 13 stationär befestigt ist. Eine Rotationsgröße oder ähnliches der Rotationseinrichtung kann durch Herbeiführung eines Versatzes der bewegbaren Beugungsplatte 14 gegen die feste Beugungsplatte 13 aus einem Ausgangssignal des Fotosensors 16 erzielt werden.

Nachfolgend wird eine Arbeitsweise der bekannten optischen Kodier einrichtung beschrieben, welche die zuvor beschriebene Struktur besitzt. Zunächst wird von einer optischen Quelle 11 ausgesandtes Licht durch eine Kollimatorlinse 12 parallel ausgerichtet. Dann tritt das Licht im wesentlichen senkrecht auf die feste Beugungs platte. Die Differenz "d" bezüglich der Höhe zwischen Ober- und Unterkante der festen Beugungsplatte 13 wird so gestaltet, daß sich die Beziehung gemäß Gleichung 1 wie zuvor beschrieben ergibt. Für diesen Fall ist bekannt, daß die Komponenten des gebeugten Lichtes der Ordnung mit geraden Nummern - einschließlich Null - zu Null werden und daß ein Maximum an Energie an gebeugtem Licht bei Ord nungen ±1 (ungefähr jeweils 40%) konzentriert ist. Deshalb wird das in die feste Beugungsplatte 13 eintretende Licht von der Platte 13 gebeugt und tritt als gebeugtes Licht 110 der Ordnung +1 und als gebeugtes Licht 111 der Ordnung -1 aus. Dieses gebeugte Licht 110, 111 tritt in die bewegbare Beugungsplatte 14 ein und tritt als gebeugtes Licht aus. Analog zu dem von der festen Beugungsplatte 13 gebeugten Licht hat das gebeugte Licht der bewegbaren Beugungsplatte 14 Null-Komponenten von gebeugtem Licht der Ordnungen mit geraden Nummern einschließlich Null und ein Maximum an Energie ist auf gebrochenes Licht der Ordnungen ±1 (ungefähr jeweils 40%) konzen triert.

Gebrochenes Licht, welches von der bewegbaren Beugungsplatte 14 austritt wird ausgedrückt als (n, m), wobei n eine Beugungsordnung der festen Beugungsplatte 13 und m eine Beugungsordnung der beweg baren Beugungsplatte 14 bezeichnet. Anschließend tritt gebeugtes Licht durch die bewegbare Beugungsplatte 14 parallel zur optischen Achse einschließlich gebeugtem Licht 121 mit (+1, -1), gebeugtem Licht 122 mit (-1, +1), gebeugtem Licht mit (-3, +3), gebeugtem Licht mit (+3, -3) usw. hindurch. Gebeugtes Licht der Ordnungen 3 oder mehr ist in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Wenn die bewegbare Beugungsplatte 14 mit konstanter Geschwindigkeit senkrecht zu der optischen Achse bewegt wird, ver ändert sich die Phase des gebeugten Lichtes mit Ordnungen von mehr als 3 relativ zu dem der Ordnung Null. Es ist bekannt, daß eine optische Intensität eines Lichtes durch Interferenz von gebeugtem Licht (+k, -k) mit dem von (-k, +k) mit einer Sinuswelle einer Frequenz von k/p erzielt werden kann (oder einer Frequenz, die ein k-faches der Basisfrequenz 1/k beträgt), wobei p einen Gitterabstand eines Gitters bezeichnet, welches in der bewegbaren Beugungsplatte 14 angeordnet ist. Deshalb interferiert das gebeugte Licht mit (+1, -1) und (-1, +1) miteinander, welches einen wesentlichen Teil der Lichtmenge ausmacht, und ein Ausgangssignal in Form einer Sinuswelle wird erzielt, die eine Frequenz besitzt, die dem zweifa chen der Basisfrequenz der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13 und 14 entspricht. Deshalb ermöglichen es im Stand der Technik bekannte Verfahren, eine Position durch die Benutzung der Komponen ten der doppelten Frequenz präzise zu erfassen.

Im Stand der Technik gibt es jedoch ein Problem, das darin besteht, daß der Modulationsgrad gestört ist. Das gebrochene Licht von (+1, -1) und (-1, +1) wird von der Kondensorlinse 105 konzentriert, um das Licht wie zuvor beschrieben effizient zu nutzen. Dann wird eine minimale optische Intensität, welche von dem Fotosensor 16 erfaßt wird, nicht Null oder der Modulationsgrad ist gestört.

Dies wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 erklärt, in der λ die Wellen länge des Lichtes der Lichtquelle 11, D die Strahlgröße, p den Gitterabstand der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 und das Bezugszeichen 105 eine Fourier-Transformationslinse mit einer Brennweite f bezeichnet. Darüber hinaus bezeichnet Δx eine Versatz menge der bewegbaren Beugungsplatte 14 und α einen Differenzwinkel λ/p von gebrochenem Licht der Ordnung 1. Da α hinreichend klein ist, gilt sin α = tan α = α. Eine Gestalt eines Abschnittes des Gitters der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 wird aus Gründen der Einfachheit mit einer komplexen Amplitude ausgedrückt als

cos (kαx) = {exp(ikαx) + exp(-ikαx}/2,

und das gebrochene Licht der Ordnungen ±1 wird als parallel ausge richtetes Licht approximiert. Anschließend wird eine komplexe Amplitude von gebrochenem Licht der Ordnung +1 bei der bewegbaren Beugungsplatte 14 ausgedrückt als AΦexp(-ikαx), während das der Ordnung -1 ausgedrückt wird als AΦexp(+ikαx), wobei Φ = exp(-ikgcosα) und A eine Amplitude eines auftreffenden Strahls bezeichnet. Eine komplexe Amplitude f1 von gebrochenem Licht der Ordnung +1 an der bewegbaren Beugungsplatte 14 wird wie folgt ausgedrückt:

Auf entsprechende Weise wird eine komplexe Amplitude f2 von gebeug tem Licht in der Ordnung +1 an der bewegbaren Beugungsplatte 14 wie folgt ausgedrückt:

Dann wird eine Divergenz des gebeugten Lichtes mit +1 an der beweg baren Beugungsplatte 14: (-D/2 -gα, D/2 - gα). Falls Gleichung 2 in diesem Bereich Fourier-transformiert wird, wird deshalb eine folgen de Gleichung 4 erzielt, bei der ω = 2πx/(fλ) ist.

Da eine Divergenz des gebeugten Lichtes von -1 an der bewegbaren Beugungsplatte 14 (-D/2 + gα, D/2 + gα) wird, wird auf entsprechende Weise, wenn Gleichung 3 in diesem Bereich Fourier-transformiert wird, eine folgende Gleichung 5 erzielt. Deshalb entspricht eine komplexe Amplitude, die von dem Fotosensor 16 erfaßt wird, der Gleichung 6.

In Gleichung 6 bezieht sich der erste Ausdruck auf gebeugtes Licht von (+1, -1) und (-1, +1), der zweite Ausdruck bezieht sich auf gebeugtes Licht mit (+1, +1) und der dritte Ausdruck bezieht sich auf gebeugtes Licht mit (-1, -1).

Als nächstes wird ein Effekt um die optische Achse vom zweiten und dritten Ausdruck erklärt. In Gleichung 6 wird, falls ω = Δx = 0 gilt, die Amplitude des ersten Terms AX. Auf der anderen Seite wären die Amplituden vom zweiten und dritten Ausdruck

A| sin(kαD)|/(2kα) A/(2kα) = Ap/(4π).

Falls D = 0,5 mm und p = 10 µm ist, sind (der erste Ausdruck/der zweite Ausdruck) und (der dritte Ausdruck/der zweite Ausdruck) 0,0016 oder weniger. Deshalb sind der zweite und der dritte Ausdruck hinreichend klein und in der Nähe der optischen Achse vernachlässig bar und nur der erste Ausdruck wird von dem Fotosensor 16 erfaßt. Dann wird nur der erste Ausdruck in Gleichung 6 nachfolgend in Betracht gezogen.

Fig. 4 zeigt eine Amplitudenverteilung am Fotosensor 14, wenn eine Versatzmenge Δx der bewegbaren Beugungsplatte 14 Null beträgt oder die Ausgangssignal-Intensität maximal ist. Es wurde in Fig. 4 gefunden, daß die Amplitude an der optischen Achse maximal ist. Bei der Berechnung wird angenommen, daß λ = 633 nm, g = 2 mm, f = 5 mm, p = 10 µm und D = 0,5 mm beträgt. Auf der anderen Seite zeigt Fig. 5 eine Amplitudenverteilung, wenn die Intensität minimal ist (kαΔx = π/2 oder Δx = p/4), wobei die Amplitude mit der maximalen Amplitude in Fig. 4 normalisiert ist. In diesem Fall wird der erste Ausdruck in Gleichung 6 zu Gleichung 7:

Fig. 5 und Gleichung 7 zeigen, daß Licht außerhalb der optischen Achse existiert. Wenn solch ein Licht existiert, wird der Modula tionsgrad gestört. Fig. 6 zeigt den Modulationsgrad, wenn die oben erwähnten Werte benutzt werden und die Größe des Fotosensors 5 5 µm beträgt. Der Modulationsgrad ist definiert als (Ausgangssignal- Intensität - minimale Intensität)/(maximale Intensität - minimale Intensität).

Um solch einen Effekt zu vermeiden, kann ein Stiftloch oder ähn liches vorgesehen werden, um Licht außerhalb der optischen Achse abzuschatten. Eine Strahlgröße, die eine wesentliche Menge des Lichtes in Fig. 5 enthält, ist jedoch lediglich 12 µm klein und es ist somit notwendig, das Stiftloch so klein zu gestalten, daß es einige µm kleiner als die Strahlgröße ist. In diesem Fall jedoch wird auch Licht erfaßt und der Modulationsgrad beeinträchtigt. Darüber hinaus ist die Positionierung des Stiftloches relativ zu der optischen Achse schwierig. Weiterhin, falls solch ein kleines Stiftloch benutzt wird, ist der Verlust an Lichtmenge groß und ein von dem Fotosensor erzieltes Signal schwach und der Apparat ist anfällig, von Rauschen beeinträchtigt zu werden.

Nachfolgend wird ein anderes Problem von bekannten Verfahren er klärt. Falls eine geometrische Mitte des Drehtellers von seinem Rotationszentrum abweicht, werden Fehler der A/B-Phasensignale akkumuliert. Dieses Problem wird durch Benutzung eines Modells, welches in Fig. 7 dargestellt ist, erklärt, wobei das Bezugszeichen 51 eine Lichtquelle bezeichnet, das Bezugszeichen 52 eine Kollima torlinse zur parallelen Ausrichtung von Licht, welches von der Lichtquelle ausgesandt wurde, Bezugszeichen 53 einen Drehteller mit gleichmäßig beabstandeten Schlitzen am Umfang, das Bezugszeichen 54 eine feste Platte mit Schlitzen, die den selben Abstand wie die Schlitze des Drehtellers haben, und das Bezugszeichen 55 bezeichnet einen Fotosensor zur Erfassung von Licht, welches durch den Drehtel ler 53 und die feste Platte 54 hindurchtritt.

Wenn der Drehteller 53 gedreht wird, verändern sich die Positionen der Schlitzöffnungen des Drehtellers 53 relativ zu denen der festen Platte 54, so daß sich eine von dem Fotosensor empfangene Lichtmenge gemäß der Veränderung der relativen Positionen verändert. Die Fig. 8A und 8B zeigen eine Veränderung des Ausgangssignals des Fotosensors 55 für diesen Fall. Falls der Spaltabstand groß genug ist, keine Beugung zu verursachen, verändert sich das Ausgangssignal wie in Fig. 8A dargestellt ist. Falls der Spaltabstand in bezug auf die Entfernung zwischen dem Drehteller 53 und der festen Platte 54 klein ist, wird eine Wellenform eines Ausgangssignals des Foto sensors 55 von der Beugung an den Schlitzen beeinflußt und die Flanken der Wellenform werden gerundet, um wie eine Sinuswelle ver ändert zu werden, wie in Fig. 8B dargestellt ist.

Gleichung 8 zeigt das Ausgangssignal des Fotosensors 55, wenn die Signalwellenform als Sinuswelle approximiert wird.

y = Asin(NR)+B (Gleichung 8),

wobei A eine Signalamplitude, B eine dc-Komponente des Signals, N eine Anzahl der Schlitze, die in dem Drehteller 43 ausgebildet sind, und R einen Rotationswinkel bezeichnet.

Die oben erwähnten aufgelaufenen Fehler, welche durch die Exzen trizität des Drehtellers 53 hervorgerufen wurden, werden unter Bezugnahme auf Fig. 9 erklärt, die eine Bestrahlungsposition eines Strahls und die Spur des Strahls auf dem Drehteller 53 illustriert. Falls eine Exzentrizitätsgröße zwischen einem Rotationszentrum 60 und einem Zentrum 61 des Drehtellers 53 existiert, ist ein Rota tionswinkel eines bestimmten Punktes 62 oder eines Winkels R relativ zum Rotationszentrum 60 verschieden von einem Winkel R_a relativ zum Zentrum 61 des Drehtellers 53. Falls r eine Distanz zwischen dem Rotationswinkel 60 und dem Fotosensor 55 bezeichnet, gilt δ = R - R_a = (ε/r)cosR. Da das Ausgangssignal des Fotosensors 55 vom Winkel R_a vom Zentrum des Drehtellers 61 abhängt, wird das Ausgangs signal gemäß Gleichung 9 ausgedrückt:

y = Asin(NR_a)+B = Asin{N(R+(ε/r)cosR)}+B (Gleichung 9)

Wenn ein Rotationswinkel von Null auf R verändert wird, wird die Anzahl der Impulse eines Fotosensors 55 wie folgt ausgedrückt:

N(R+(ε/r)cosR)/(2π) (Gleichung 10)

Anschließend, wenn ein Rotationswinkel von α auf β verändert wird, wird die Anzahl an Impulsen des Fotosensors 55 wie folgt ausge drückt:

N(β-α+(ε/r) (cosβ-cosα))/(2π) (Gleichung 11)

Deshalb wird eine Differenz bezüglich der Anzahl an Impulsen relativ zu einer wahren Impulsanzahl N(β-α) oder ein aufgelaufener Fehler der Signale wie folgt ausgedrückt:

N(ε/r) (cosβ - cosα)/(2π) = {Nε/(πr)}sin{(β+α)/2}sin{β-α)/2} (Gleichung 12)

Ein maximaler aufgelaufener Fehler tritt dann auf, wenn α = 0 und β = π ist, und er beträgt Nε/(πr) Impulse. Beträgt beispielsweise die Anzahl an Impulsen pro Umdrehung 10 000, beträgt die Position r des Fotosensors vom Rotationszentrum 20 mm und beträgt die Exzen trizitätsgröße ε 10 µm, so belaufen sich die aufgelaufenen Fehler auf 1,6 Impulse. Dies ist zu viel für eine Kodiereinrichtung von 10 000 Impulsen und die Kodiereinrichtung kann praktisch nicht verwendet werden.

Die aufgelaufenen Fehler können herabgesetzt werden, falls r erhöht wird oder die Exzentrizitätsgröße ε vermindert wird. Um jedoch die aufgelaufenen Fehler auf 0,1 Impulse oder weniger herabzusetzen, muß r mehr als 320 mm betragen und die Größe der Kodiervorrichtung wird sehr groß. Falls die Exzentrizitätsgröße ε vermindert wird, muß sie auf einen Wert von weniger als 0,6 µm vermindert werden und dies macht den Aufbau des Drehtellers 53 sehr schwierig.

Deshalb werden bei Verfahren im Stand der Technik für die Realisie rung einer hochauflösenden Kodiervorrichtung zwei Fotosensoren an zwei symmetrischen Punkten in bezug auf das Rotationszentrum des Drehtellers 53 angeordnet und ein arithmetisches Mittel der opti schen Intensitäten benutzt, die von den Fotosensoren erfaßt werden, um die aufgelaufenen Fehler zu vermeiden. Das Prinzip dieses Ver fahrens wird nachfolgend erklärt.

Wenn die Exzentrizität des Drehtellers auftritt, werden die Aus gangssignale der beiden Fotosensoren gemäß Gleichungen 13 und 14 unter Benutzung von Gleichung 9 ausgedrückt.

y1 = A1sin{N(R + (ε/r)cosR)} + B1 (Gleichung 13)

y2 = A2sin{N(R - π + (ε/r)cos(R - π))} + B2 = A2sin{N(R - (ε/r)cosR)} + B2 (Gleichung 14)

Falls der Einfachheit halber angenommen wird, daß A1 = A2 = A und B1 = B2 = B gilt, wird ein arithmetisches Mittel dieser zwei Aus gangssignale gemäß Gleichung 15 erzielt.

y = y1 + y2 = 2Asin(NR)cos{(Nε/r)cosR} + 2B (Gleichung 15)

Gleichung 15 zeigt, daß Fehler nicht auf aufgelaufenen Fehlern beruhen, da der Effekt der Exzentrizität in dem Ausdruck bezüglich der Periode der Impulssignale verschwindet.

Gleichung 15 zeigt jedoch deutlich, daß eine Amplitude des erzielten Signals mit cos{(Nε/r)cosR} multipliziert wird, und dies bedeutet, daß die Signalamplitude sich mit dem Umdrehungswinkel verändert, wenn eine Exzentrizität ε existiert. Wenn |Nε/r| < π gilt, exi stiert ein Teil, bei dem die Signalamplitude bei einer Drehung des Drehtellers Null wird. Deshalb ist es zur Benutzung in einer Kodier einrichtung erforderlich, daß |Nε/r| < π gilt. Zum Beispiel, falls N = 10 000 und r = 20 mm gilt, ist es notwendig, daß ε 6,3 µm oder weniger beträgt. Anschließend, um eine kompakte Kodiereinrichtung mit hoher Auflösung zu erzeugen, muß der Drehteller sehr präzise aufgebaut werden, wodurch die Kosten erhöht werden. Da die Exzen trizität oder die Achse aufgrund einer Last gleichfalls vermindert werden muß, wird die Achse darüber hinaus groß, um ihr Gewicht zu erhöhen, und die Einsatzbereiche für die zu benutzende Kodierein richtung sind begrenzt.

Ein weiteres Problem bei bekannten Verfahren wird nachfolgend beschrieben; es besteht darin, daß die Präzision der Positions erfassung des Ursprungs der Kodiereinrichtung entsprechend der Veränderung der Intensität der Lichtquelle beeinträchtigt wird. Dieses Problem wird nachfolgend erklärt. Es ist bekannt, eine Position eines Bauteils ohne physikalischen Kontakt zu erfassen. Zum Beispiel wird, wie in der japanischen Offenlegungsschrift 44,202/1990 offenbart, ein Körper mit einem Licht beleuchtet, um sein Bild mit einer Videokamera abzubilden und es wird eine Position durch Binärisierung des Ausgangssignals eines linearen Array-Sensors erfaßt. Darüber hinaus, um eine Referenzposition eines bewegten Körpers zu erfassen, ist ein Schlitz in dem bewegten Körper vor gesehen und der Körper wird beleuchtet. Ein den Schlitz durchqueren des Licht wird von Fotosensoren empfangen und ihre Ausgangssignale binärisiert.

Ein Beispiel einer bekannten Positionsbestimmung wird unter Be zugnahme auf die Fig. 10 und 11A, 11B erklärt. Fig. 10 ist eine Ansicht eines bekannten Positionsbestimmungsapparates, wobei das Bezugszeichen 251 eine Lichtquelle und das Bezugszeichen 252 einen bewegten Körper bezeichnet. Ein Schlitz 253 ist in dem bewegten Körper 252 vorgesehen. Das Bezugszeichen 254 bezeichnet einen Fotosensor. Der bewegte Körper 252 ist zwischen der Lichtquelle 251 und dem Fotosensor 254 angeordnet und er bewegt sich senkrecht zu einer Achse zwischen der Lichtquelle 251 und dem Fotosensor 254.

Eine Betriebsweise dieses Apparates wird nachfolgend beschrieben. Fig. 11A zeigt einen Lichtstrahl 255, der durch den Schlitz 253 in dem bewegten Körper 252 hindurch zum Fotosensor 254 reicht. Es wird angenommen, daß der bewegte Körper sich entlang einer x-Achse von links nach rechts bewegt. Deshalb überstreicht der Lichtstrahl 255 den Fotosensor 254 gemäß der Bewegung des bewegten Körpers 252. Dann besitzt das Ausgangssignal des Fotosensors 254 eine Wellenform, wie in Fig. 11B dargestellt ist. Um den Einfluß von in den Fotosensor 254 eintretenden Streulicht oder ähnlichem zu begegnen, wird ein geeigneter Schwellwert für die Umsetzung des Ausgangssignals in ein Binärsignal gesetzt. Auf diese Weise kann ein Referenzpositions signal des bewegten Körpers erzielt werden.

Es existiert jedoch das folgende Problem: Wenn die Intensität des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes fluktuiert, tritt schließ lich ein Einfluß auf, der der Fluktuation des Schwellwertes ent spricht und die Impulsbreite des Referenzpositionssignals und die Position der Signalflanken werden verändert. Deshalb wird die Präzi sion der Positionserfassung beeinträchtigt. Darüber hinaus wird mit verminderter Strahlgröße beim Fotosensor 254 eine Veränderung des Ausgangssignals des Fotosensors 254 mit einer Veränderung des bewegten Körpers 252 groß. Deshalb nimmt die Beeinträchtigung der Präzision der Positionserfassung aufgrund von Rauschen von Streu licht und elektrischem Rauschen ab. Falls die Größe des Schlitzes 253 jedoch zu stark verkleinert wird, um die Strahlgröße zu ver kleinern, findet eine Beugung statt und die Strahlgröße beim Foto sensor 254 nimmt gegenläufig zu. Wenn die Schlitzgröße vermindert wird, nimmt darüber hinaus eine von dem Fotosensor 254 empfangene Lichtmenge ab und Fehler aufgrund von Rauschen nehmen zu. Ein Spalt zwischen dem Schlitz 253 und dem Fotosensor 254 kann verkleinert werden, um die Beugungseffekte zu vermeiden. Wenn der Spalt ver kleinert wird, gibt es jedoch die Möglichkeit, daß der bewegte Körper den Fotosensor berührt und ihn beschädigt. Um einen Impuls von zuvor beschriebener schmaler Breite zu erzeugen, müssen weiter hin die Breite des Fotosensors 254 und die Strahlgröße vermindert werden. Die zuvor genannten Probleme des Kontaktes zwischen dem bewegten Körper 252 und dem Fotosensor 254 und der Beeinträchtigung der Präzision der Positionsbestimmung aufgrund von Rauschen findet auch in diesem Fall statt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Messen einer Position oder eines Winkels mit einem guten Modula tionsgrad zu erzielen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Messen einer Position oder eines Winkels mit einer hohen Präzision bezüglich der Positionsbestimmung anzugeben.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einem ein Verfahren zum Messen einer Position oder eines Winkels zu schaffen, welches keinen aufgelaufenen Fehler aufgrund einer Exzen trizität des Drehtellers besitzt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Messen einer Position oder eines Winkels zu schaffen, welches nur geringe Beeinträchtigungen der Genauigkeit der Posi tionserfassung aufgrund von Intensitätsveränderungen des von einer Lichtquelle emittierten Lichtes oder Rauschens hervorruft.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung tritt ein kohärenter, parallel ausgerichteter Strahl mit einer Wellenlänge λ und einem Durchmesser "D" durch eine feste Beugungsplatte und eine bewegbare Beugungsplatte, welche jeweils ein Gitter mit einem Gitterabstand "p" besitzt. Die Gitter haben Beugungs-Hauptkomponenten der Ordnung ±1. Die feste und bewegbare Beugungsplatte sind jeweils parallel zueinander im Abstand "g" voneinander angeordnet und sie sind in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeord net, so daß der parallel ausgerichtete Strahl nacheinander durch die Gitter in der festen und der bewegbaren Beugungsplatte gebeugt wird. Auf diese Weise wird eine Interferenz von Beugungskomponenten mit Ordnungen ±1 durch aufeinanderfolgende Beugungen durch die erste und die zweite Beugungsplatte erzeugt und eine Lichtmenge des gebeugten Lichtes wird bestimmt, um einen Versatz der bewegbaren Beugungs platte zu bestimmen. Da unnötige Beugungskomponenten nicht erfaßt werden, wird der Modulationsgrad verbessert. Bevorzugt konzentriert eine Kondensorlinse mit einer Eingangspupillengröße innerhalb D- 2gλ/p das durch die feste und bewegbare Beugungsplatte hindurch tretende Licht und ein Fotosensor erfaßt ein von der Kondensorlinse konzentriertes Licht oder ein Fotosensor ist an einem Ort in Abstand von der festen und bewegbaren Beugungsplatte von D/2λ-g oder mehr in einer Region innerhalb D-2gλ/p um die optische Achse angeord net. Ein dreieckiges Prisma kann anstelle der ersten festen Platte benutzt werden und die bewegbare Beugungsplatte hat dabei einen Beugungswinkel, der dem Ablenkungswinkel des dreieckigen Prismas entspricht.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung tritt ein kohärenter, parallel ausgerichteter Strahl durch eine erste feste Beugungs platte, einen Drehteller und eine zweite feste Beugungsplatte. Die erste und zweite feste Beugungsplatte haben erste bzw. dritte Gitter mit Hauptbeugungskomponenten der Ordnung ±1, während der Drehteller, welcher um eine Drehachse drehbar ist, ein zweites ringförmiges Gitter besitzt, welches in bezug auf die Drehachse symmetrisch angeordnet ist. Das zweite Gitter hat den selben Gitterabstand wie das erste Gitter. Die Rotationsachse des Drehtellers kann mit der optischen Achse koinzidieren. Die erste feste Platte und der Dreh teller sind in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet, so daß der parallel ausgerichtete Strahl von dem ersten und zweiten Gitter nacheinander gebeugt wird. Darüber hinaus wird ein von dem ersten und dem zweiten Gitter ausgesandtes Licht zu der zweiten festen Platte an einer in bezug auf das Rotationszentrum des Drehtellers symmetrischen Position gelenkt. Die zweite feste Beugungsplatte ist in einem optischen Pfad zu dem symmetrischen Punkt angeordnet, so daß von dem optischen Lenkmittel gelenktes Licht von dem zweiten und dritten Gitter nacheinander gebeugt wird. Dann wird eine Lichtmenge erfaßt, welche im wesentlichen durch Interferenz von gebeugten Komponenten der Ordnungen ±1 erzeugt wurde. Wenn ein Versatz des Drehtellers durch die erfaßte Lichtmenge bestimmt wird, kann ein Exzentrizitätseffekt des Drehtellers redu ziert werden. Ein dreieckiges Prisma kann anstelle der ersten oder zweiten festen Beugungsplatte verwendet werden. Der Drehteller kann um eine Drehachse gedreht werden, die senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet ist. In diesem Fall wird die zweite feste Beugungsplatte in dem Drehteller vor gesehen.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung trifft ein kohärenter, parallel ausgerichteter Strahl auf einen bewegten Körper, welcher durch einen optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls sich senkrecht zu dem parallel ausgerichteten Strahl bewegt. In diesem Fall konzentriert ein erstes Kondensormittel, wie beispielsweise eine Kondensorlinse, die an dem bewegbaren Körper befestigt ist, den parallel ausgerichteten Strahl. Erste und zweite Fotosensoren erfassen nur eine Lichtmenge des Strahls, die von dem ersten Kon densormittel konzentriert ist. Die ersten und zweiten Fotosensoren haben einen Abstand voneinander, der kleiner ist, als ein Durch messer des parallel ausgerichteten Strahls in einer Bewegungsrich tung des bewegbaren Körpers, während sie eine Breite besitzen, die größer als der Durchmesser des parallel ausgerichteten Strahls ist. Ein Signalverarbeitungsmittel erzeugt ein Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Fotosensoren und eine Position des bewegbaren Körpers kann gemäß dem Differenzsignal bestimmt werden. Auf diese Weise kann ein Referenzpunkt zur Erfas sung der Position eines bewegten Körpers präzise bestimmt werden. Bevorzugt wird ein zweites Kondensormittel darüber hinaus an dem bewegbaren Körper befestigt und dritte und vierte Fotosensormittel erfassen eine Lichtmenge nur desjenigen Strahls, welcher von dem zweiten Kondensormittel entsprechend parallel ausgerichtet ist. Dann wird ein zweites Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen von den dritten und vierten Fotosensoren erzielt und eine Position des bewegbaren Körpers kann gemäß einer Lichtquelle zur Erzeugung von Impulssignalen aus den ersten und zweiten Differenzsignalen bestimmt werden.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Modulationsgrad verbessert wird, wenn eine Position oder ein Winkel gemessen wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Position oder ein Winkel präzise gemessen werden kann.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß keine aufgelaufenen Fehler aufgrund einer Exzentrizität eines auszumessenden Drehtellers auftritt, wenn die Position des Drehtel lers gemessen wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Position eines bewegten Körpers optisch erfaßt werden kann, ohne von Intensitätsveränderungen des von einer Lichtquelle ausge sandten Lichtes beeinflußt zu werden.

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfüh rungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen deutlich.

Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung einer bekannten optischen Kodierein richtung;

Fig. 2 eine Darstellung einer bekannten optischen Kodierein richtung;

Fig. 3 eine Darstellung eines Modells der optischen Kodierein richtung;

Fig. 4 einen Graph einer Amplitudenverteilung eines in dem Modell benutzten Fotosensors;

Fig. 5 einen Graph einer Amplitudenverteilung eines in dem Modell benutzten Fotosensors;

Fig. 6 einen Graph des Modulationsgrades in dem Modell;

Fig. 7 eine Darstellung einer bekannten optischen Kodierein richtung;

Fig. 8A und 8B Graphen von Signalwellenformen einer bekannten optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 9 eine Darstellung der Exzentrizität eines Drehtellers der optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 10 eine Ansicht eines bekannten Positionsbestimmungsappara tes;

Fig. 11A und 11B Darstellungen des Apparates und eines Graphs seiner Aus gangssignale;

Fig. 12 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfin dung;

Fig. 13 einen Graph, der den Modulationsgrad der Ausführungsform zeigt;

Fig. 14 einen Graph, der den Modulationsgrad in bezug auf die Eingangspupille zeigt;

Fig. 15 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 17 eine Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 18 eine Ansicht von einer Lichtquelle zu einem Spiegel gemäß der Ausführungsform;

Fig. 19 eine Ansicht von einem Spiegel zu einem Fotosensor in der Ausführungsform;

Fig. 20 eine Darstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 21 eine Ansicht von einem Spiegel zu einem Fotosensor in dieser Ausführungsform;

Fig. 22 eine Darstellung einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 23 eine Ansicht einer Kodiereinrichtung gemäß dieser Aus führungsform;

Fig. 24 eine perspektivische Darstellung eines Positions-Meß apparates gemäß einer siebenten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 25 ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungsmittels dieser Ausführungsform;

Fig. 26 eine Darstellung einer Wellenform jedes Teils des Si gnalverarbeitungsmittels in dieser Ausführungsform;

Fig. 27A und 27B Darstellungen von Wellenformen zur Strahlabtastung gemäß dieser Ausführungsform;

Fig. 28 eine perspektivische Darstellung einer Struktur, welche eine Fokuslinse außerhalb einer Achse bei dieser Aus führungsform benutzt;

Fig. 29 eine perspektivische Ansicht eines Positionsmeßapparates einer achten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 30 ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungsmittels dieser Ausführungsform;

Fig. 31 eine Darstellung von Wellenformen jedes Teils des Si gnalverarbeitungsmittels dieser Ausführungsform;

Fig. 32 eine Darstellung einer neunten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 33 eine Darstellung eines Fotosensors dieser Ausführungs form;

Fig. 34 eine Darstellung einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 35 eine Darstellung eines Fotosensors dieser Ausführungs form;

Fig. 36 eine perspektivische Ansicht einer elften Ausführungs form; und

Fig. 37 eine Darstellung eines Fotosensors dieser Ausführungs form.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche oder ent sprechende Teile in verschiedenen Darstellungen und Ausführungs formen der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, wird nachfolgend erklärt.

Erste Ausführungsform

In den ersten drei Ausführungsformen erfaßt ein Fotosensor Licht nur in einem Interferenzbereich, in dem gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 miteinander interferiert. Anschließend wird der Modulationsgrad verbessert.

Fig. 12 zeigt eine Basisstruktur eines Apparates gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine Lichtquelle 111 enthält eine Laserdiode oder eine Licht-emittierende Diode mit einer relativ hohen Kohärenz und eine Kollimatorlinse 12, die von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht parallel ausrichtet. Eine feste Beugungsplatte 13 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Lichtes angeordnet, das von der Linse 12 erzeugt wird. Eine beweg bare Beugungsplatte 14 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist in einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung bewegbar. Das Gitter der festen Beugungsplatte 13 hat einen Gitterabstand, der dem der bewegbaren Beugungsplatte 14 entspricht. Die Beugungsplatten 13 und 14 können einem Rotationstyp entsprechen, der in Fig. 1 dargestellt ist, anstelle dem eines Translationstyp, der in Fig. 12 dargestellt ist. Weiterhin besitzt eine Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen den Ober- und Unterkanten der Gitter der festen und der bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 die folgende Relation zur Wellenlänge λ des Lichtes der Lichtquelle 11, um die Gleichung 1 zu erfüllen.

|n-n₀| × d = (λ/2) × (1+2m) (Gleichung 1),

wobei m = 0, ±1, +±2, . . ., n einen Brechungsindex eines Materials der festen und drehbaren Beugungsplatten 13, 14 bezeichnen und n₀ einen Brechnungsindex eines Mediums zwischen den Platten 13 und 14 be zeichnet.

Eine Kondensorlinse 15 richtet ein durch die bewegbare Beugungs platte 14 hindurchtretendes Licht parallel aus. Ein Fotosensor 16 wandelt ein gebeugtes Bild, welches von der Linse 15 konzentriert ist, in ein elektrisches Signal. Die bewegbare Beugungsplatte 14 ist normalerweise an einem auszumessenden Körper (nicht eingezeichnet) befestigt und bewegt sich in der selben Weise wie der zu messende Körper. Deshalb kann die Geschwindigkeit, die Position oder ähn liches durch die Erfassung der Geschwindigkeit, dem relativen Versatz der bewegbaren Beugungsplatte 14 relativ zu der festen Beugungsplatte 13 erfaßt werden.

Es ist ein Merkmal des Gerätes, daß die Eingangspupille der Kon densorlinse 15 beschränkt ist auf einen Bereich innerhalb D-2gλ/p, wobei "D" eine Größe des Strahls bezeichnet, welcher von der Kolli matorlinse 12 parallel ausgerichtet ist, "g" eine Entfernung zwi schen der festen Beugungsplatte 13 und der bewegbaren Beugungsplatte 14 bezeichnet, λ die Wellenlänge des Lichtes und "p" den Gitter abstand der Gitter in den Beugungsplatten bezeichnet. Die Entfernung "g" zwischen den Beugungsplatten wird so gesetzt, daß gilt: g < pD/(2λ). Die Kondensorlinse 15 ist so angeordnet, so daß ihr Zentrum auf der optischen Achse liegt.

Eine Arbeitsweise des Apparates, der wie zuvor hergestellt wurde, wird nachfolgend erklärt. Ein von der Lichtquelle 11 ausgesandtes Licht wird von der Linse 12 parallel ausgerichtet und tritt im wesentlichen senkrecht auf die feste Beugungsplatte 13. Da die Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkanten der festen Beugungsplatte 13 die folgende Relation zur Wellenlänge λ der Lichtquelle 11 besitzt, um der Gleichung 1 zu genügen, wird die meiste Energie im gebeugten Licht der Ordnungen ±1 konzentriert. Deshalb tritt das Licht, das in die feste Beugungs platte eintritt, als gebeugtes Licht aus. Analog zu der festen Beugungsplatte 13 wird die meiste Energie an gebeugtem Licht, welches von der bewegbaren Beugungsplatte 14 ausgesandt wird, in gebeugtem Licht der Ordnungen ±1 konzentriert.

Wie zuvor erwähnt, ist die Eingangspupille der Linse 15 innerhalb eines Bereiches von D-2gλ/p begrenzt. Der Bereich wird unter Bezugnahme auf Fig. 11A und 11B erklärt. Ein Beugungswinkel eines gebeugten Lichtes 110 der Ordnung +1 beträgt λ/p (Winkel im Bogen maß). Falls λ/p hinreichend klein ist, wird das gebeugte Licht der Ordnung +1 nur an einem Punkt, welcher einen Abstand "g" besitzt, um gλ/p gebeugt. Analog wird gebeugtes Licht 111 der Ordnung -1 auch um gλ/p gebeugt. Ein durch durchgezogene Linien in Fig. 12 begrenzter Bereich bezeichnet einen Bereich mit gebeugtem Licht der Ordnung +1, während ein Bereich, welcher durch gestrichelte Linien begrenzt wird, einen Bereich mit gebeugtem Licht der Ordnung -1 bezeichnet.

Deshalb bezeichnet ein Bereich, welcher mit D-2gλ/p abgebildet wird, einen Bereich, in dem gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 mitein ander interferieren. In diesem Bereich wird gebeugtes Licht von der bewegbaren Beugungsplatte 14 parallel zur optischen Achse von der Linse 15 parallel ausgerichtet und das von der Linse 15 parallel ausgerichtete Licht wird von dem Fotosensor 16 erfaßt.

Bei dem wie zuvor hergestellten Apparat wird ein Ausgangssignal mit - verglichen mit bekannten Verfahren - doppelter Frequenz erzielt. Darüber hinaus kann der Modulationsgrad stark verbessert werden. Der Grund für dieses Merkmal dieser Ausführungsform wird durch Benutzung des zuvor beschriebenen Modelles erklärt. Da die Eingangspupille der Kondensorlinse 15 auf den Bereich innerhalb D - 2gλ/p beschränkt ist, wird der Integrationsbereich in den Gleichungen 2 und 3 zu (-D/2 + gα, D/2 - gα) und eine komplexe Amplitude F′1 des gebeugten Lichtes der Ordnung +1 am Fotosensor 16 wird in Gleichung 16 ausge drückt. Analog hierzu wird eine komplexe Amplitude F′2 von gebroche nem Licht der Ordnung -1 in Gleichung 17 ausgedrückt.

Deshalb wird eine komplexe Amplitude F′, welche anhand des Fotosen sors 16 erfaßt wurde, gemäß Gleichung 18 beschrieben.

In Gleichung 18 wird - wie in der zuvor erwähnten Beschreibung des Standes der Technik - nur der erste Ausdruck in Betracht gezogen. Wenn eine Amplitude an einem Punkt auf der optischen Achse (ω = 0) (kαΔx = π/2 oder Δx = p/4) Null wird, wird der erste Ausdruck Null. Das bedeutet, daß kein Licht um die optische Achse herum existiert. In anderen Worten, wenn eine Versatzmenge der bewegbaren Beugungs platte aus elektrischen Signalen des Fotosensors erzielt wurde, kann der Modulationsgrad des elektrischen Signals dadurch verbessert werden, daß nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 in den Fotosensor eintritt. Deswegen kann die Position präzise erfaßt werden.

Fig. 13 zeigt eine Modulationscharakteristik für diesen Fall. Der Modulationsgrad in diesem Fall ist 1.00. Fig. 14 ist ein Graph des Modulationsgrades, welcher gegen die Eingangspupille der Linse 15 für den Fall abgetragen ist, in dem der Abstand p 10 µm beträgt, die Wellenlänge λ 633 nm beträgt, die Größe D des eintreffenden Strahls 0,5 mm und der Spalt g 2 mm oder D - 2gλ/p = 0,25 mm beträgt. Deshalb zeigen die Daten, daß, wenn die Eingangspupille die Un gleichungsbedingung erfüllt, sich der Modulationsgrad auf 1.0 erhöht. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß der Modulations grad gut und die Position präzise erfaßt werden kann, weil der von den Ablenkplatten parallel zu der optischen Achse des Strahls gebeugte Strahl mit einer Kondensorlinse konzentriert wird, welche eine Eingangspupillengröße besitzt, die begrenzt ist auf einen Bereich von D - 2gλ/p.

Obwohl die Öffnung durch die Eingangspupille der Linse 15 bei dieser Ausführungsform begrenzt ist, ist selbstverständlich, daß analoge Vorteile durch die Benutzung einer Begrenzung mit einem Stiftloch oder ähnlichem der selben Größe erzielt werden können. In dem zuvor genannten Modell wird eine Fourier-Transformationslinse als Kon densorlinse 15 zu Zwecken der Analyse benutzt. Eine gewöhnliche Linse kann jedoch auch benutzt werden. Die bewegbare Beugungsplatte 14 und der Fotosensor 16 kann an anderen Positionen als der Fokus ebene positioniert werden.

Zweite Ausführungsform

Fig. 15 zeigt eine Basisstruktur eines Positions-Meßapparates gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Eine Lichtquelle 11 enthält eine Laserdiode oder eine Licht emittierende Diode mit einer relativ hohen Kohärenz. Eine Kollimatorlinse 12 richtet von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht parallel aus. Eine feste Beugungs platte 13 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichte ten Lichtes angeordnet, welches durch die Linse 12 erzeugt wird. Eine bewegbare Beugungsplatte 14 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist in einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung bewegbar. Das Gitter der festen Beugungsplatte 13 hat einen Gitterabstand, der dem der bewegbaren Beugungsplatte 14 entspricht. Die Beugungsplatten 13 und 14 können vom Rotationstyp gemäß Fig. 1 oder vom linearen Bewegungstyp sein. Darüber hinaus besitzt eine Schrittdifferenz "d" bezüglich der Höhe zwischen den Ober- und Unterkanten der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 eine folgende Relation zur Wellenlänge λ der Lichtquelle 11, um Gleichung 1 zu erfüllen. Darüber hinaus erfaßt ein Fotosensor 106 durch die Platten 13, 14 hindurchtretendes Licht.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungs form, welche in Fig. 12 dargestellt ist, in dem Punkt, daß die Kondensorlinse 15 nicht benutzt wird. Ein Merkmal dieser Ausfüh rungsform besteht darin, daß der Fotosensor 106 von der bewegbaren Beugungsplatte 14 in einem Abstand von pD/(2λ) - g oder mehr an geordnet ist und Licht mit einer Breite von D - 2gλ/p empfängt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Der Fotosensor 106 ist auf der optischen Achse oder an einer Position im Bereich "a" angeordnet, in dem gebeugtes Licht der Ordnungen ± miteinander interferieren. Bei den zuvor erwähnten Relationen bezeichnet D eine Größe des Strahls, welcher von der Kollimatorlinse 2 parallel ausgerichtet ist, g bezeichnet eine Entfernung zwischen der festen Beugungsplatte 13 und der bewegbaren Beugungsplatte 14, λ bezeichnet die Wellenlänge des von der Lichtquelle 11 ausgesandten Lichtes und p bezeichnet einen Abstand der Beugungsplatten.

Eine Arbeitsweise des Apparates, der wie zuvor beschrieben herge stellt wurde, wird nachfolgend erklärt. Ein kohärentes, von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht wird von der Linse 12 parallel ausgerichtet und trifft im wesentlichen senkrecht auf die feste Beugungsplatte 13. Durch die feste Beugungsplatte 13 hindurchtreten des Licht tritt auf die bewegbare Beugungsplatte und wird als gebeugtes Licht emittiert, das als (n, m) ausgedrückt wird, wobei n eine Ordnung der Beugung an der festen Beugungsplatte 13 und m eine Ordnung der Beugung an der bewegbaren Beugungsplatte 14 bezeichnet. Dann zeigt ein Bereich, der als "a" gekennzeichnet ist, einen Bereich mit (-1, +1) und (+1, -1), ein als "b" bezeichneter Bereich zeigt einen Bereich mit (-1, +1), und ein Bereich, der als "c" bezeichnet ist, zeigt einen Bereich mit (+1, -1), ein als "d" bezeichneter Bereich zeigt einen Bereich mit (-1, -1) und ein als "e" bezeichneter Bereich zeigt einen Bereich mit (+1, +1). Aus Darstellungsgründen ist jedoch gebeugtes Licht der Ordnungen 3 oder mehr in Fig. 15 nicht dargestellt. Weil eine Licht empfangende Platte des Fotosensors 106 so gesetzt ist, daß eine Entfernung von der bewegbaren Beugungsplatte 14 pD/(2λ) - g oder mehr beträgt, und das Licht in einem Bereich innerhalb von D - 2gλ/p begrenzt ist, erfaßt der Fotosensor 106 das Licht nur im Bereich "a".

In dieser Ausführungsform kann, weil der Fotosensor nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 empfängt, der Modulationsgrad wie in der ersten Ausführungsform verbessert werden. Weil ein Fotosensor Licht in einer Breite von D - 2gλ/p empfängt und in einer Entfernung von pD/(2λ) - g oder mehr von der festen oder bewegbaren Beugungsplatte angeordnet ist, wird eine Kondensorlinse nicht benötigt. Die Anzahl an Komponenten kann dann reduziert werden und der Apparat kann ein leichteres Gewicht und kompaktere Abmessungen besitzen und kann mit geringeren Herstellungskosten hergestellt werden.

Dritte Ausführungsform

Fig. 16 zeigt eine Basisstruktur einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Eine Lichtquelle 11 enthält eine Laserdiode oder eine Licht emittierende Diode mit einer relativ hohen Kohärenz. Eine Kollimatorlinse richtet von der Lichtquelle 11 ausgesandtes Licht parallel aus. Ein dreieckiges Prisma 103 bricht das parallel ausge richtete Licht. Eine bewegbare Beugungsplatte 14 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist in einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung bewegbar. Die Beugungsplatte 14 kann vom Rotationstyp sein, welcher in Fig. 1 dargestellt ist, oder vom linearen Bewegungstyp sein. Darüber hinaus besitzt eine Schritt differenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkante der bewegbaren Beugungsplatte 14 eine folgende Relation in bezug auf die Wellenlänge λ der Lichtquelle 11, um die Gleichung 1 zu erfül len. Weiterhin bezeichnet das Bezugszeichen 105 eine Fourier-Trans formationslinse mit einer Brennweite f und Bezugszeichen 16 bezeich net einen Fotosensor.

Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Punkt, daß sie das dreieckige Prisma 103 anstelle der festen Beugungsplatte gemäß der ersten Ausführungsform benutzt. Der Ablenkungswinkel des Lichtes, welches aus dem dreiecki gen Prisma 103 austritt, ist identisch mit einem Beugungswinkel λ/p der Ordnungen ±1 der bewegbaren Beugungsplatte 14 gewählt, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes bezeichnet und p den Gitterabstand des Gitters der bewegbaren Beugungsplatte 14 bezeichnet.

Eine Betriebsweise des Apparates, welcher wie zuvor beschrieben hergestellt wurde, wird nachfolgend beschrieben. Zuerst wird von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht durch die Linse 12 parallel ausge richtet und tritt in das dreieckige Prisma 103 im wesentlichen senkrecht zum Prisma 103 ein. Wie zuvor beschrieben ist die Anord nung so konstruiert, daß der Ablenkungswinkel des Lichtes, welches aus dem dreieckigen Prisma 103 austritt, identisch mit dem Beugungs winkel λ/p der Ordnungen ±1 der bewegbaren Beugungsplatte 14 ist. Deshalb tritt das gebeugte Licht - wie im Stand der Technik in Fig. 2 - mit dem selben Winkel auf die bewegbare Beugungsplatte 14 wie das gebeugte Licht 110 der Ordnung +1 und wie das mit 111 bezeichne te Licht der Ordnung -1.

Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von Stand der Technik und von der ersten Ausführungsform in dem Punkt, daß das dreieckige Prisma 103 anstelle der festen Beugungsplatte 13 benutzt wird und daß im wesentlichen kein gebeugtes Licht der Ordnungen ±3 oder höher, das von der festen Beugungsplatte 13 erzeugt wird, erzeugt wird. Das aus dem dreieckigen Prisma 103 austretende Licht tritt in die bewegbare Beugungsplatte 14 ein und tritt als gebeugtes Licht aus. Anschließend wird es von der Linse 105 am Fotosensor 16 konzentriert. Wenn die bewegbare Beugungsplatte 14 mit einer kon stanten Geschwindigkeit senkrecht zu der optischen Achse bewegt wird, wird eine doppelte Frequenz im Vergleich zum Stand der Technik und der ersten Ausführungsform erzielt. Die Lichtquelle 11, die Kollimatorlinse 12 und das Prisma 103 stellen ein Beispiel für ein Mittel zur Erzeugung eines Strahls mit einer Wellenlänge λ und einem Winkel R in bezug zu einer Normalen der bewegbaren Beugungsplatte 14 dar, um eine Beziehung sin(R) = ±λ/p zu erfüllen. Darüber hinaus kann der Effekt von gebeugtem Licht höherer Ordnungen eliminiert werden, weil ein dreieckiges Prisma so angeordnet wird, daß ein Ablenkungswinkel erzeugt wird, der den Beugungswinkeln von gebeugtem Licht der Ordnungen +1 der bewegbaren Beugungsplatte entspricht. Weiterhin kann ein optischer Verlust aufgrund der festen Beugungs platte 13 vermieden werden und eine Effizienz des benutzten Lichtes kann verbessert werden. Auf diese Weise kann die Erhitzung der Lichtquelle und eine thermische Beanspruchung reduziert werden. Weiterhin kann eine Position mit größerer Präzision gemessen werden.

Obwohl die Kondensorlinse 105 in der vorliegenden Ausführungsform benutzt wird, ist klar, daß ein entsprechender Vorteil realisiert werden kann, wenn der Fotosensor an einer Position angeordnet wird, an der kein unnötigerweise gebeugtes Licht empfangen wird, ohne eine Kondensorlinse gemäß der zweiten Ausführungsform zu benutzen oder er so angeordnet ist, daß eine Distanz zur bewegbaren Beugungsplatte 14 pD/(2λ) - g oder mehr beträgt und das Licht begrenzt ist auf einen Bereich innerhalb von D - 2gλ/p. Analog zu der ersten Ausführungs form kann der Modulationsgrad weiter durch die Benutzung eines Interferenzbereiches von gebeugtem Licht der Ordnungen ±1 oder durch Benutzung einer Kondensorlinse verbessert werden, welche eine Eingangspupillengröße besitzt, die auf einen Bereich von D - 2gλ/p beschränkt ist. Weiterhin kann die Effizienz des benutzten Lichtes weiter verbessert werden, wenn die Entfernung zwischen dem dreiecki gen Prisma 103 und der bewegbaren Beugungsplatte 14 so gesteuert ist, daß das gesamte gebeugte Licht in solch einem Bereich existiert oder falls das eintreffende Licht eine ringförmige Öffnung besitzt.

Vierte Ausführungsform

Fig. 17 zeigt eine Basisstruktur eines Positions-Meßapparates gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Eine kohärente Licht quelle 1 sendet Licht aus und eine Kollimatorlinse 2 richtet das Licht parallel aus. Eine erste feste Platte 3 besitzt ein Gitter, welches nur gebeugtes Licht mit Ordnungen ±1 hindurchtreten läßt und ein Drehteller 4 hat ein Gitter am Umfang und ist nur für gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 des selben Beugungswinkels wie der der ersten festen Platte 3 durchlässig, wobei Schlitze des Gitters in radialen Richtungen angeordnet sind. Spiegel 5, 6 lenken das Licht, welches von dem Drehteller 4 austritt, auf einen Ort, welcher symmetrisch zum Drehzentrum angeordnet ist, das Bezugszeichen 7 bezeichnet eine zweite feste Platte mit einem Gitter, welches nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 des selben Beugungswinkels hindurchläßt, wie die erste feste Platte 3, und das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Fotosensor zum Empfangen von Licht, welches aus dem Drehteller 4 austritt.

Nachfolgend wird eine Arbeitsweise des Apparates erklärt. Fig. 18 zeigt einen optischen Pfad von der Lichtquelle 1 zu dem Spiegel 5 in einer x-y-Ebene aus einer positiven x-Richtung. Das von der Licht quelle 1 emittierte Licht wird von der Kollimatorlinse 2 parallel ausgerichtet und tritt in die erste feste Platte 3 ein. Das Licht wird von der ersten festen Platte in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 unterteilt. Das gebeugte Licht der Ordnungen ±1, welches aus der ersten festen Platte 3 austritt, trifft auf den Drehteller 4 und wird in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 unterteilt. Weil die Beugungswinkel von gebeugtem Licht der Ordnungen ±1 an der ersten festen Platte 3 und an dem Drehteller 4 identisch sind, ist ein Lichtstrom 31 parallel zu einem Lichtstrom 32. Der Lichtstrom 31 bezeichnet einen Lichtstrom, welcher von der ersten festen Platte 3 in eine positive x-Richtung gebeugt ist und von dem Drehteller 4 in eine negative x-Richtung weiter gebeugt wird, während der Lichtstrom 32 einen Lichtstrom bezeichnet, der von der ersten Platte 3 in eine negative y-Richtung gebeugt wird und von dem Drehteller 4 weiter in eine positiven y-Richtung gebeugt wird.

Es ist bekannt, daß bei der Bewegung eines Gitters relativ zum eintreffenden Licht die Phase des gebeugten Lichtes der Ordnungen +1 schnell oder langsam wird. D.h., die Phase von solchem Licht, das entlang einer Bewegungsrichtung des Gitters in bezug auf eine opti sche Achse des eintreffenden Lichtes mit 2πx (λp) gebeugt wird, beschleunigt wird, wobei p einen Gitterabstand des Gitters und λ die Wellenlänge des Lichtes bezeichnet. Auf der anderen Seite verzögert die Phase desjenigen Lichtes mit 2πx (λp), das entlang einer ent gegengesetzten Richtung der Bewegungsrichtung des Gitters in bezug auf die optische Achse des eintreffenenden Lichtes gebeugt wird. Deswegen werden komplexe Amplituden von optischen Strömen 31 und 32 wie in Gleichung (19) ausgedrückt, wobei R einen Rotationswinkel des Drehtellers 4 bezeichnet, eine Bewegungsrichtung des Gitters von dem Drehteller 4 als eine positive Richtung des Rotationswinkels R in Fig. 18 betrachtet wird, N eine Teilungsnummer des Gitters in dem Drehteller 4 und r eine Entfernung vom Zentrum des Drehtellers 4 zu einem Strahlbeleuchtungspunkt auf dem Drehteller 4 bezeichnet.

y1 = A1exp{-NR + α1}i
y2 = A2exp{NR + α2}i (Gleichung 19),

wobei i eine Einheit aus komplexen Zahlen (√, A1 und A2 Lichtamplituden, α1 und α2 Konstanten in initialen Phasen bezeich nen. Die Ströme 31 und 32 werden einer Phasenmodulation durch den Drehteller 4 ausgesetzt und von dem Spiegel 5 zu einer Position geleitet, welche in bezug auf das Rotationszentrum des Drehtellers 4 symmetrisch ist.

Fig. 7 zeigt einen optischen Pfad von dem Spiegel 6 zu dem Foto sensor 8 in x-z-Ebene von einer positiven y-Richtung. Die Licht ströme 31 und 32, die von dem Spiegel 6 ausgesandt werden, sind parallel zueinander und durch die zweite feste Platte 7 in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert. Der Strom 31 ist von dem zweiten festen Gitter 7 in negativer x-Richtung gebeugt und weiter von dem Drehteller 4 in positiver x-Richtung gebeugt, um in einem Strom 33 zu resultieren. Der Strom 32 wird von dem zweiten festen Gitter 7 in positiver x-Richtung und weiter von dem Drehteller 4 in negativer x-Richtung gebeugt, um in einem Strom 34 zu resultieren. Die Flüsse 33 und 34 sind zueinander parallel und sind überlagert, um eine Interferenz zu verursachen. Wenn der Drehteller 4 in eine positive Richtung dreht, sind die komplexen Amplituden der Ströme 33 und 34 wie in Gleichung 20 ausgedrückt, weil die Bewegungsrichtung des Drehtellers 4 eine negative x-Richtung in Fig. 7 besitzt.

y3 = y1xA3exp{NR + α3}i
y4 = y2xA4exp{NR + α4}i (Gleichung 20)

Eine Interferenzlichtamplitude der Ströme 31 und 32 wird gemäß Gleichung 21 berechnet.

|y3 + y4|² = (A1A2)² + (A3A4)² + 2cos(4NR + (α1 + α3 - α2 - α4)) (Gleichung 21)

Der Fotosensor 8 erfaßt eine optische Intensität, welche in Glei chung 21 ausgedrückt ist, die zeigt, daß 4N Impulse pro Umdrehung erfaßt werden können oder das Vierfache der Teilungsnummer des Gitters in dem Drehteller erzielt werden kann.

Nachfolgend werden aufgelaufene Fehler erklärt, wenn eine Exzen trizitätsgröße ε des Drehtellers 4 auftritt. Wenn der Drehteller 4 eine Exzentrizität besitzt, welche im Stand der Technik in Fig. 9 gezeigt ist, weicht ein Rotationswinkel R eines bestimmten Punktes (z. B. 62 in Fig. 9) von einem Rotationswinkel R_a im Hinblick auf das Zentrum des Drehtellers 4 ab. Der Rotationswinkel R_a wird ausgedrückt als R_a = R + (ε/r)cosR, wie aus der Zeichnung hervor geht. Deshalb werden die komplexen Amplituden der Ströme 31 und 32 wie folgt ausgedrückt:

y1 = A1exp{-N(R + (ε/r)cosR) + α1}i
y2 = A2exp{N(R + (ε/r)cosR) + α2}i (Gleichung 22)

In bezug auf den symmetrischen Punkt des bestimmten Punktes be züglich des Rotationszentrums des Drehtellers 4 gilt R_a = (R -)cosR. Deshalb werden die komplexen Amplituden der Ströme 33 und 34 wie folgt ausgedrückt:

y3 = y1xA3exp{-N(R - (ε/r)cosR) + α3}i
y4 = y2xA4exp{N(R - (ε/r)cosR) + α4}i (Gleichung 23)

Eine Interferenzintensität der Ströme 33 und 34 oder eine optische Intensität, die von dem Fotosensor 8 empfangen wird, ist in Glei chung 24 dargestellt.

|y3 + y4|² = (A1A2)² + (A3A4)² + 2cos(4NR + (α1 + α3 - α2 - α4)) (Gleichung 24)

Da Gleichung 24 keinen Ausdruck besitzt, welche eine Exzentrizitäts menge ε enthält, ist bewiesen, daß keine aufgelaufenen Fehler aufgrund von einer Exzentrizität existieren und es ist auch bewie sen, daß es keine Intensitätsfluktuationen gibt.

Wie zuvor erklärt wurde, wird gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 parallel ausgerichtet und einer Phasenmodulation durch die erste feste Platte und den Drehteller mit Gittern ausgesetzt, und wird erneut an dem in bezug auf das Rotationszentrum des Drehtellers einer Phasenmodulation ausgesetzt und von der zweiten festen Platte überlagert. Selbst wenn eine Exzentrizität auftritt, ist die Fluk tuation der Lichtintensität gering und ein Winkel kann ohne aufge laufene Fehler erfaßt werden. Es ist deswegen nicht erforderlich, den Drehteller mit einer hohen Präzision zu installieren und die Kosten der Kodiereinrichtung wird hierdurch reduziert. Darüber hinaus kann eine Kodiereinrichtung mit kompakten Abmessungen und einer besseren Auflösung hergestellt werden. Falls die vorliegende Ausführungsform für eine Rotationstypstruktur, wie in Fig. 1 darge stellt, verwendet wird, ist eine Kodiereinrichtung nicht anfällig, von einer Exzentrizität einer Achse aufgrund einer an der Rotations achse anliegenden Last beeinflußt zu werden. Ein Wellenlager kann dann in einer kleineren Größe mit einem leichteren Gewicht herge stellt werden.

Eine Distanz zwischen der ersten festen Platte 3 und dem Drehteller 4 wird erhöht, um gebeugtes Licht der Ordnungen von ± an dem Dreh teller 4 vollständig zu separieren und sie wird so gewählt, daß sie einer Entfernung zwischen der ersten festen Platte 3 und dem Dreh teller 4 entspricht, um nur Ströme 33 und 34 durch den Fotosensor 8 zu empfangen, so daß Signale höheren Modulationsgrades erzieht werden können.

Obwohl Spiegel 5 und 6 als Mittel zum optischen reflektieren von Licht benutzt werden, können Prismen ebenso für ein solch ein Mittel verwendet werden. Obwohl die erste feste Platte 3, der Drehteller 4, der Spiegel 5, der Spiegel 6, die zweite feste Platte 7 und der Drehteller 8 in dieser Weise in einem optischen Pfad der Lichtquelle 1 in der vorliegenden Ausführungsform angeordnet sind, können sie auch in einer Ordnung bestehend aus Drehteller 4, der ersten Platte 3, dem Spiegel 5, dem Spiegel 6, dem Drehteller 4 und der zweiten festen Platte 7 angeordnet werden.

Fünfte Ausführungsform

Fig. 20 zeigt eine Basisstruktur einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Eine Lichtquelle 1 emittiert ein kohärentes Licht und eine Kollimatorlinse 2 richtet das Licht, welches von der Licht quelle 1 ausgesandt wird, parallel aus. Das Licht trifft auf eine feste Platte 3 mit einem Gitter, das nur gebeugtes Licht ±1 hin durchläßt, und einen Drehteller 4 mit einem Gitter, welches am Umfang angeordnet ist und nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 desselben Beugungswinkels hindurchläßt, wie den der ersten Platte 3. Die Spalte des Gitters des Drehtellers 4 sind in radialer Richtung ausgerichtet. Spiegel 5, 6 lenken das Licht, welches von dem Dreh teller 4 austritt, auf eine in bezug auf das Drehzentrum symmetri sche Position. Ein dreieckiges Prisma 9 bricht ein Licht, welches vom Spiegel 6 einfällt. Ein Fotosensor 8 empfängt Licht vom Drehtel ler 4. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform in dem Punkt, daß das dreieckige Prisma 9 anstelle der zweiten Beugungsplatte 7 mit einem Gitter verwendet wird, welches in der vierten Ausführungsform benutzt wird. Der Ablenkungs winkel des Lichtes, welches aus dem dreieckigen Prisma 9 austritt, ist so gewählt, daß er dem Beugungswinkel λ/p des gebeugten Lichtes der Ordnungen ±1 der ersten festen Platte 3 entspricht. Deshalb besitzt der von dem Prisma 9 ausgehende Strahl einen Winkel R in bezug zu einer Normalen des Drehtellers 4, wobei die Gleichung sin(R) = ±λ/p erfüllt ist.

Eine Arbeitsweise des Apparates, welcher wie zuvor beschrieben hergestellt wurde, wird unter Bezugnahme auf Fig. 21 beschrieben. Eine Arbeitsweise des Apparates von der Lichtquelle 1 bis zum Spiegel 6 ist identisch mit der der vierten Ausführungsform. Ströme 31 und 32 werden von den Platten 3, 4 gebeugt, im Spiegel selbst reflektiert und treten in das dreieckige Prisma 9. Der Strom 31 wird von dem dreieckigen Prisma 9 weiter in eine negative x-Richtung gebrochen, während der Strom 32 durch das dreieckige Prisma 9 in eine positive x-Richtung gebrochen wird. Wie zuvor beschrieben, ist der Ablenkungswinkel des Lichtes, welches aus dem dreieckigen Prisma 103 austritt, so ausgelegt, daß es mit dem Beugungswinkel des gebeugten Lichtes der Ordnungen ±1 an der ersten festen Platte 3 identisch ist. Deshalb werden die Ströme 33 und 34 einer Phasenmodu lation analog zu der vierten Ausführungsform ausgesetzt und parallel ausgerichtet und es findet eine Interferenz statt.

Wie in Gleichung 24 ausgedrückt ist, verändern sich der Grad der Interferenz der Ströme 33 und 34 und es werden Impulse erzielt, die dem vierfachen einer Teilungsnummer des Gitters des Drehtellers 4 entsprechen. Selbst wenn eine Exzentrizität des Drehtellers 4 auftritt, fluktuiert die optische Intensität nicht soviel und es kann ein Winkel ohne von aufgelaufenen Fehlern beeinflußt zu werden wie in der vierten Ausführungsform bestimmt werden. Obwohl ein gebeugtes Licht, welches nicht zu der Interferenz der Ströme 33 und 34 beiträgt, in der vierten Ausführungsform durch die Benutzung einer zweiten festen Platte erzeugt wurde, kann solch unnötiges gebeugtes Licht reduziert werden und eine Effizienz bezüglich der Benutzung des Lichtes würde erhöht. Dann wird verhindert, daß sich die Lichtquelle erhitzt und sie besitzt eine höhere Lebensdauer.

Obwohl die Spiegel 5 und 6 als ein Mittel zum optischen Reflektieren von Licht benutzt werden, können auch Prismen als solche Mittel ver wendet werden. Obwohl das dreieckige Prisma 9 in dieser Ausführungs form benutzt wird, kann ein Prisma irgendeiner anderen Form benutzt werden, solange der Ablenkungswinkel derselbe ist. Obwohl die erste feste Platte 3, der Drehteller 4, der Spiegel 5, der Spiegel 6, das dreieckige Prisma 7 und der Drehteller 4 in dieser Weise in einem optischen Pfad von der Lichtquelle 1 angeordnet sind, können sie in einer Ordnung angeordnet werden mit dem Drehteller 4, der ersten festen Platte 3, dem Spiegel 5, dem Spiegel 6, dem Drehteller 4 und dem dreieckigen Prisma 9.

Sechste Ausführungsform

Fig. 22 zeigt eine Basisstruktur einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Eine Lichtquelle 1 emittiert kohärentes Licht und eine Kollimatorlinse 2 richtet das Licht, welches von der Lichtquelle 1 emittiert wurde, parallel aus. Eine erste feste Platte 3′ besitzt ein Gitter, welches nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 hindurch läßt. Eine zweite feste Platte 7′ besitzt ein Gitter, welches nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 des selben Beugungswinkels, wie die erste feste Platte 3′ hindurchläßt. Die zweite feste Platte 7′ ist in einem sich drehenden Körper 10 angeordnet, die an einem Zylinder ein Gitter besitzt. Das Gitter läßt nur gebeugtes Licht der Ord nungen ±1 mit einem Beugungswinkel hindurch, der dem des Gitters der ersten festen Platte 3′ (Körper) entspricht. Das Rotationszentrum des rotierenden Körpers 10 ist an einer optischen Achse der Licht quelle 1 angeordnet. Ein Fotosensor 8 empfängt Licht. Diese Aus führungsform unterscheidet sich von der vierten und fünften Aus führungsform in dem Punkt, daß der rotierende Körper 10 ein Gitter besitzt, welches nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 hindurchläßt, ohne ein optisches Reflexionsmittel zu benutzen, wobei die vierte und fünfte Ausführungsform einen Drehteller mit einem Gitter am Umfang benutzt, welches nur gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 hin durchläßt.

Eine Betriebsweise des Apparates, der wie zuvor beschrieben herge stellt wurde, wird unter Bezugnahme auf Fig. 23 erklärt. Von der Lichtquelle 1 erzeugtes Licht wird von der Kollimatorlinse 2 par allel ausgerichtet und trifft auf die erste feste Platte 3′. Das emittierte Licht wird von der ersten festen Platte 3′ in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert um in den rotierenden Körper 10 einzutreten. In dieser Ausführungsform wird, wenn ein Fehler zwi schen einem geometrischen Zentrum und einem Rotationszentrum vorhanden ist, ein Rotationswinkel R_a des rotierenden Körpers - analog zu dem des Drehtellers 4, der in der vierten und fünften Ausführungsform benutzt wurde - als R_a = R + (ε/r)cosR ausgedrückt. Der Beugungswinkel des an den Gittern im Zylinder des rotierenden Körpers 10 gebeugten Lichtes der Ordnungen ±1 entspricht dem der ersten festen Platte 3′. Ein Lichtstrom 41 bezeichnet einen Licht strom, der von der ersten festen Platte 3′ in eine positive x-Rich tung und weiter von dem drehenden Körper 10 in eine negative x-Rich tung gebeugt wird, während ein Lichtstrom 32 einen Lichtstrom bezeichnet, welcher von der ersten festen Platte 3′ in eine negative y-Richtung und von dem Drehteller 4 in eine positive y-Richtung gebeugt wird. Deshalb sind die Ströme 41 und 42 parallel zuein ander - wie in der vierten Ausführungsform - und sie werden gemäß der Drehung des rotierenden Körpers 10 einer Phasenmodulation ausgesetzt.

Der Strom 41 wird an der zweiten festen Platte 7′ in eine negative x-Richtung gebeugt und an dem rotierenden Körper 10 in eine positive x-Richtung weiter gebeugt, um zu einem Strom 43 zu werden. Der Strom 42 wird an der zweiten festen Platte 7′ in eine positive x-Richtung und weiter an dem rotierenden Körper 10 in eine negative x-Richtung gebeugt, um zu einem Strom 44 zu werden. Weil das Rotationszentrum des rotierenden Körpers 10 auf der optischen Achse der Lichtquelle 1 angeordnet ist, werden die Ströme 33 und 34 einer Phasenmodulation durch den rotierenden Körper 10 ausgesetzt und der Grad der Inter ferenz verändert sich, wie in Gleichung 24 ausgedrückt ist. Deshalb fluktuiert die optische Intensität selbst dann nicht so stark, wenn eine Exzentrizität des rotierenden Körpers 10 auftritt und es kann analog zu der vierten und fünften Ausführungsform ein Winkel erfaßt werden, ohne von aufgelaufenen Fehlern beeinträchtigt zu werden.

Weiterhin, da die Lichtquelle 1 und der Fotosensor entlang einer Geraden angeordnet werden können, ist der Aufbau und die Einstellung einer Kodiereinrichtung einfach. Da ein optisches Reflexionsmittel nicht erforderlich ist, kann eine Kodiereinrichtung mit kompakten Abmessungen und einem leichteren Gewicht hergestellt werden. Obwohl die erste und zweite feste Platte 3 und 7 eine flache Platte gemäß Fig. 22 und 23 in dieser Ausführungsform enthalten, können sie auch Teile eines Zylinders sein. Obwohl das Gitter an der äußeren Oberfläche des rotierenden Körpers in Fig. 23 angeordnet ist, kann es auch an der inneren Oberfläche von ihm angeordnet sein.

Siebente Ausführungsform

Eine siebente Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Fig. 24-28 erklärt. Fig. 24 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Struktur dieser Ausführungsform. Eine Laserlichtquelle 201 ist im Brennpunkt einer Kollimatorlinse 202 zur parallelen Ausrichtung eines von der Lichtquelle 201 erzeugten Lichtes positioniert. Die z-Achse wird in Übereinstimmung mit einer optischen Achse der Kollimatorlinse 202 angenommen. Eine Kondensorlinse 204 ist an einem bewegbaren Körper 203 angeordnet, der sich senkrecht zu der opti schen Achse durch das emittierte Licht bewegt. Die x-Achse wird also in einer Richtung angenommen, entlang der sich der bewegbare Körper 203 bewegt. Erste und zweite Fotosensoren 205 und 206 sind am Umfang des Brennpunktes der Kondensorlinse 204 angeordnet. Ein Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Fotosensor 205 und 206 ist schmaler, als die Größe des konzentrierten Strahls an den Fotosen soren 205 und 206 in einer Bewegungsrichtung oder x-Richtung des bewegbaren Körpers 203, während die Breite des ersten und zweiten Fotosensors 205 und 206 jeweils größer ist, als die Größe des konzentrierten Strahls an den Fotosensoren 205 und 206 in x-Achsen- Richtung. Ein Abschattungselement 207 ist an dem bewegbaren Körper 203 zum Abschatten des Lichtes vorgesehen, welches von der Kollima torlinse 202 austritt, um einen Bereich außerhalb der Eingangs pupille der Kondensorlinse 204 zu beleuchten. Dann verhindert das Abschattungselement 207, daß von der Kollimatorlinse 202 austreten des Licht die Fotosensoren 205 und 206 in einem Bereich beleuchtet, in dem sich der bewegbare Körper 203 bewegt. Ein Signalprozessor 208 empfängt Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206 und sendet ein Referenzpositionssignal des bewegbaren Körpers 203.

Fig. 13 bzw. Fig. 25 ist ein Blockdiagramm des Signalprozessors 208. Ein Summensignal-Generatorkreis 209 erzeugt ein Summensignal C eines Ausgangssignals A des ersten Fotosensors 205 und eines Aus gangssignals B des zweiten Fotosensors 206, während ein Differenzsi gnal-Generatorkreis 210 ein Differenzsignal D der Signale A und B erzeugt. Ein Binärisierungskreis 211 erzeugt ein Binärsignal E aus dem Signal C. Dies bedeutet, falls ein Eingangssignal schwächer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, daß ein Signal niedriger Stufe ausgegeben wird, während ein Signal hoher Stufe ausgegeben wird, wenn ein Eingangssignal stärker als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Auf der anderen Seite empfängt ein Binärisierungskreis 212 das Signal D und führt eine Binärisierung durch die Benutzung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F auszugeben. D.h., daß die Binärisierung mit einem Schwellwert V_c1 an der Anstiegs flanke eines Eingangsignals und mit einem Schwellwert -V_c1an der hinteren Flanke eines Eingangssignals durchgeführt wird. Der Schwellwert -V_c1 wird gesetzt, um einen Wert zu erzielen, der größer als eine maximale Rauschamplitude ist, welche in dem Signal D enthalten ist. Eine monostabile Kippschaltung 213 zum Triggern einer nachlaufenden Flanke erzeugt ein Impulssignal G mit einer vorbe stimmten Breite an einer hinteren Flanke eines Signals E in einer Periode, wenn das Signal F sich auf einer hohen Stufe befindet, während eine monostabile Kippschaltung 214 zum Triggern einer Anstiegsflanke ein Pulssignal H mit einer vorbestimmten Breite an einer Anstiegsflanke des Signals E in einer Periode erzeugt, wenn sich das Signal F auf einer hohen Stufe befindet. Ein logisches Summenelement 215 gibt ein logisches Summensignal I der Signale G und H aus.

Eine Arbeitsweise der Ausführungsform, welche wie zuvor beschrieben hergestellt wurde, wird nachfolgend erklärt. Fig. 14 bzw. Fig. 26 zeigt Wellenformen eines Signalverarbeitungsmittels, wenn der bewegbare Körper 203 sich in eine positive Richtung bewegt. Wenn der bewegbare Körper 203 sich bewegt, tritt Licht von der Kollimatorlin se 202 in die Eingangspupille der Kondensorlinse 204 ein und das Licht wird im Brennpunkt der Kondensorlinse 204 konzentriert. Der Brennpunkt liegt auf einer Achse, die parallel zu dem Licht ver läuft, welches von der Kollimatorlinse 202 zum Zentrum der Kon densorlinse 204 verläuft. Deshalb ist eine Versatzgröße des beweg baren Körpers 203 in Richtung der x-Achse identisch mit der des Brennpunktes der Kondensorlinse 204. Die ersten und zweiten Fotosen soren 205 und 206 sind entlang einer Spur des Brennpunktes der Kondensorlinse 204 angeordnet. Deshalb überstreicht der konzen trierte Strahl die Fotosensoren 205 und 206, wenn sich der bewegbare Körper 203 bewegt.

Als nächstes wird die Erzeugung eines Referenz-Positionssignals aus den Ausgangssignalen A und B der ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206 erklärt. Wenn sich der konzentrierte Strahl von dem ersten Fotosensor 205 zu dem zweiten Fotosensor 206 bewegt, verändert sich das Differenzsignal D von einem negativen Wert in einen positiven Wert, während das Differ 78425 00070 552 001000280000000200012000285917831400040 0002004420276 00004 78306enzsignal D, wenn sich der konzentrierte Strahl von dem zweiten Fotosensor 206 zu dem ersten Fotosensor 205 bewegt, sich von einem positiven Wert zu einem negativen Wert verändert. Wenn das Differenzsignal D Null wird, entspricht die von dem ersten Fotosensor 205 empfangene Lichtmenge derjenigen, die von dem zweiten Fotosensor 206 empfangen wurde. Deshalb wird das Signal D nur an einem Punkt Null, wenn der konzentrierte Strahl auf den Fotosensoren 205 und 206 ist. Deshalb wird eine Referenzposition von einer Position abgeleitet, bei der der konzentrierte Strahl auf den Fotosensoren ist und das Differenzsignal Null wird.

Wenn sich die Intensität des konzentrierten Strahls mit der Intensi tätsveränderung der Lichtquelle verändert, verändern sich die Ausgangssignale der Fotosensoren 205 und 206. Ein Quotient aus ihnen ist jedoch konstant. Deshalb verändert sich die Position, bei der das Signal D Null wird oder die Position des bewegbaren Körpers 203 nicht. Weiterhin, da das Signal D eine Differenz zwischen den Signalen A und B ist, löschen Gleichtaktstörungen der Signale A und B, wie beispielsweise Rauschen aufgrund von Streulicht an den ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206, einander aus. Eine Signalver änderungsrate an einer Nullstelle des Signals D in bezug auf einen Versatz des beweglichen Körpers 203 wird ungefähr zweimal so groß, wie die von nur dem ersten oder zweiten Fotosensor 205 oder 206. Deshalb kann ein Fehler eines Referenz-Positionssignals aufgrund von Rauschen, das in dem Signal D enthalten ist, reduziert werden.

Um einen Punkt zu erfassen, an dem das Signal D Null wird, wird ein Signal f von dem Binärisierungskreis 212 erzeugt. Eine Anstiegs flanke des Signals F bedeutet, daß der bewegbare Körper 203 sich von einer negativen x-Richtung zu einer positiven x-Richtung bewegt und die Referenzposition erreicht, während eine hintere Flanke des Signals bedeutet, daß der bewegbare Körper 203 sich von einer positiven x-Richtung in eine negative x-Richtung bewegt und die Referenzposition erreicht. Das Summensignal C der ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206 zeigt eine Summe der Lichtmengen, die von den Fotosensoren 205 und 206 empfangen wurde. Da der Abstand zwi schen den ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206 kleiner als die Größe des konzentrierten Strahls auf dem Fotosensor ist, wenn der konzentrierte Strahl auf den Fotosensor auftrifft, besitzt das Signal C einen größeren Wert als Null und wird anderenfalls Null. Wenn die Lichtmengen, die von den ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206 empfangen werden, einander entsprechen, besitzt das Signal C einen minimalen Wert. Durch Setzen eines Schwellwertes zwischen Null und S bei Beachtung von Rauschen, das im Signal C enthalten ist, wird das Signal E erzielt. Durch Verwendung des Signals E kann erfaßt werden, daß der konzentrierte Strahl auf den Fotosensoren 205 und 206 lokalisiert ist. Deshalb kann die Referenz position des bewegten Körpers 203 durch Benutzung der Signale E und F oder eine Flanke des Signals E, wenn das Signal F sich auf einer hohen Stufe befindet, repräsentiert werden. Weiterhin, falls das Signal E eine Anstiegsflanke besitzt, hat sich gezeigt, daß der bewegbare Körper die Referenzposition in positiver Richtung pas siert, während für den Fall, daß das Signal E eine hintere Flanke besitzt, gefunden wurde, daß der bewegbare Körper 203 die Referenz position in negativer Richtung passiert.

Nachfolgend wird die Erzeugung von Impulssignalen unter Bezugnahme auf die Fig. 27A und 27B erklärt, wenn der bewegbare Körper 203 die Referenzposition in positiver und negativer Richtung passiert. Das Signal F wird zu den monostabilen Kippschaltungen 213, 214 zum Triggern der hinteren Flanke und zum Triggern der Anstiegsflanke geleitet. Ein Impuls von vorbestimmter Breite wird erzeugt, wenn eine Flanke auftritt, während das Signal E sich auf einer hohen Stufe befindet. Wie in Fig. 27A zu sehen ist, besitzt das Signal F eine Anstiegsflanke, wenn der bewegbare Körper 203 die Referenzposi tion in positiver Richtung passiert und die monostabile Kippschal tung 214 erzeugt einen Impuls H. Auf der anderen Seite, wie in Fig. 27B zu sehen ist, besitzt das Signal F eine hintere Flanke, wenn der bewegbare Körper 203 die Referenzposition in negativer Richtung passiert und die monostabile Kippschaltung 213 erzeugt dann einen Impuls G. Deswegen wird erfaßt, falls ein logisches Summensignal I aus den Signalen H und G erzeugt wird, daß der bewegbare Körper 203 die Referenzposition gemäß der Anstiegsflanke des Signals I er reicht.

Wie zuvor erklärt, wird das von der Lichtquelle 201 ausgesandte Licht in dieser Ausführungsform mit der Kondensorlinse 204 an dem bewegbaren Körper 203 konzentriert und ein Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206 erzeugt. Deshalb kann die Referenzposition bestimmt werden, ohne von Fluktuationen der Intensität des Lichtes beeinträchtigt zu werden, das von der Lichtquelle 201 ausgesandt wird, und mit einer Präzision erzielt werden, die vom Rauschen nicht so sehr beeinträchtigt wird.

Das Abschattungselement 207 ist in der Ausführungsform zur Ver meidung von Licht vorgesehen, das von der Kollimatorlinse 202 außerhalb der Eingangspupille der Kondensorlinse austritt und von den Fotosensoren erfaßt wird. Fig. 28 zeigt jedoch, daß eine Linse 204′ mit einem Brennpunkt außerhalb der optischen Achse als Kon densorlinse 204 benutzt wird. Dann wird ein Brennpunkt außerhalb des optischen Pfades bereitgestellt oder das von der Kollimatorlinse austretende Licht beleuchtet nicht die Fotosensoren 205′, 206′ direkt.

Die Fotosensoren 205 und 206 werden in der Nähe eines Brennpunktes an der Rückseite der Kollimatorlinse 204′ in dem oben erwähnten Bei spiel angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls zu redu zieren. Sie dürfen jedoch nicht im Brennpunkt angeordnet werden. Da ein Zentrum des konzentrierten Strahls der Kondensorlinse 204 auf einer Linie existiert, welche parallel zu dem Licht verläuft, das aus der Kollimatorlinse 202 austritt und durch das Zentrum der Kondensorlinse 204 hindurch verläuft, ist eine Versatzgröße des bewegbaren Körpers 203 in x-Richtung identisch mit der des Zentrums des konzentrierten Strahls.

Die ersten und zweiten Fotosensoren 205 und 206 sind in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur x-Achse im oben beschriebenen Beispiel angeordnet ist. Sie können jedoch auch in einer Ebene angeordnet sein, welche schräg in bezug auf die z-Achse verläuft. Weiterhin, obwohl die Fotosensoren 205 und 206 in dem oben erwähnten Beispiel in der selben Ebene angeordnet sind, können sie auch in verschiede nen Ebenen angeordnet sein. Eine Fresnel-Zonenplatte eines Amplitu dentyps oder Phasentyps kann anstelle der Kondensorlinse 204 ver wendet werden. Die Lichtquelle 201 kann eine Licht-emittierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtdiode sein.

Achte Ausführungsform

Eine achte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Fig. 29 bis 31 erklärt. Fig. 29 ist eine perspektivische Ansicht des Apparates gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung. Eine Laserlichtquelle 201 ist an einer Position angeordnet, die sich im Brennpunkt vor einer Kollimatorlinse 202 zum parallelen Ausrichten eines von der Lichtquelle 201 emittierten Lichtes befindet. Die z- Achse wird übereinstimmend mit einer optischen Achse der Kollimator linse 202 angenommen. Ein bewegbarer Körper 203 bewegt sich senk recht zu der optischen Achse durch das emittierte Licht. Die x-Achse wird als eine Richtung angenommen, entlang der sich der bewegbare Körper 203 bewegt.

Eine erste Kondensorlinse 216 und eine zweite Kondensorlinse 217 werden an dem bewegbaren Körper 203 in y-Richtung senkrecht zu der optischen Achse angeordnet und lassen Licht von der Kollimatorlinse 202 hindurchtreten. Eine Abschattungssektion 223 ist am bewegbaren Körper 203 vorgesehen und schattet das von der Kollimatorlinse 202 außerhalb der Eingangspupille der Kondensorlinsen 216 und 217 auftreffende Licht ab, um zu verhindern, daß Licht von der Kollima torlinse 202 auf Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in einem Bereich auftrifft, in dem sich der bewegbare Körper 203 bewegt.

Der erste Fotosensor 218 und der zweite Fotosensor 219 sind auf einem Pfad eines Brennpunktes der ersten Kondensorlinse 216 au ßerhalb eines Pfades eines Brennpunktes der zweiten Kondensorlinse 217 angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Fotosensor 218 und 219 in x-Richtung des bewegbaren Körpers 203 ist kleiner als die Größe des von der Kondensorlinse 216 auf die Foto sensoren 218 und 219 konzentrierten Strahls. Der dritte Fotosensor 220 und der vierte Fotosensor 221 sind auf einem Pfad eines Brenn punktes der zweiten Kondensorlinse 217 außerhalb eines Pfades eines Brennpunktes der ersten Kondensorlinse 216 angeordnet. Der Abstand zwischen dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 in x-Rich tung des bewegbaren Körpers 203 ist kleiner als eine Größe des von der Kondensorlinse 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls.

Wie zuvor erwähnt, ist der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in der Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 kleiner als die Größe des von der Kondensorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 konzentrierten Strahls und der Abstand zwischen den dritten und vierten Fotosensoren 220 und 221 in Bewe gungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 ist kleiner als die Größe des von der Kondensorlinse 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls. Darüber hinaus nimmt eine Distanz zwischen einer Position, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 219 entlang der Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 - einander entsprechen, und einer Position, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 einander entsprechen, einen Wert an, der von einem vorbestimmten Wert verschieden ist, der einer Distanz zwischen einem Mittelpunkt der ersten Kondensorlinse 216 und dem der zweiten Kondensorlinse 217 entspricht. Wenn sich ein Teil des von der ersten Kondensorlinse 216 parallel ausgerichteten Strahl am ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 befindet, befindet sich deshalb ein Teil des von der zweiten Kondensorlinse 217 parallel ausgerichteten Strahls am dritten oder vierten Fotosensor 220, 221.

Das Bezugszeichen 222 bezeichnet ein Signalverarbeitungsmittel, welches Ausgangssignale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfassungssignal ausgibt. Fig. 30 ist ein Blockdiagramm einer Struktur des Signalverarbeitungsmittels 222. Ein Summensignalgeneratorkreis 224 erzeugt ein Summensignal C1 eines Ausgangssignals A1 des Fotosensors 218 und eines Ausgangssignals B1 des Fotosensors 219, während ein Differenzsignalgeneratorkreis 225 ein Differenzsignal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Ein Binärisa tionskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Weiterhin empfängt ein Binärisationskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisation unter Benutzung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F1 auszugeben. Ein Summensignalgeneratorkreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 aus einem Ausgangssignal A2 des Foto sensors 220 und einem Ausgangssignal B2 des Fotosensors 221, während ein Differenzsignalgeneratorkreis 229 ein Differenzsignal D2 aus den Signalen A2 und B2 erzeugt. Ein Binärisationskreis 230 gibt ein Binärsignal E2 des Signals C2 aus. Darüber hinaus empfängt ein Binärisationskreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisation unter Benutzung einer Hysterese-Charakteristik zur Erzeugung eines Signales F2 durch. Ein exklusives Oder-Gatter 223 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J. Ein Und- Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

Eine Arbeitsweise des zuvor beschriebenen Apparates wird nun er klärt. Wie in Fig. 29 zu sehen ist, trifft Licht auf einen Brenn punkt der Kondensorlinse, wenn Licht aus der Kollimatorlinse 202 austritt und in die Eingangspupille der Kondensorlinsen 216, 217 eintritt, wenn sich der bewegbare Körper 203 bewegt. Der Brennpunkt liegt auf einer Achse, die parallel zu dem aus der Kollimatorlinse 202 austretendem Licht verläuft und durch ein Zentrum von ihr hindurchreicht. Deshalb entspricht eine Versatzgröße des bewegbaren Körpers 203 in Richtung der x-Achse einer Versatzgröße der Brenn punkte der Kondensorlinsen 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 liegen auf einer Spur des Brennpunktes der Kondensorlinse 217. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn sich der bewegbare Körper 203 bewegt.

Im folgenden wird die Erzeugung eines Referenzpositionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 31 er klärt, die Wellenformen des Signalprozessors 222 zeigt, wenn der bewegbare Körper 203 sich in positiver Richtung bewegt. Es werden Signale A1 und B1 durch die Fotosensoren 218 und 219 erzeugt, wenn der von der Kondensorlinse 216 erzeugte konzentrierte Strahl sich von dem Fotosensor 218 zu dem Fotosensor 219 bewegt. Dann ändert sich das Differenzsignal D1 von einem negativen Wert in einen positiven Wert. Wenn die Binärisation mit einer Hysterese-Charakte ristik durchgeführt wird, um in dem Signal D1 enthaltenes Rauschen zu verhindern, wird ein Signal F1 erzeugt. Analog werden Signale A1 und B1 von den Fotosensoren 220 und 221 erzeugt, wenn der von der Kondensorlinse 217 erzeugte konzentrierte Strahl sich von dem Fotosensor 220 zum Fotosensor 221 bewegt. Es wird dann ein Signal F2 durch Binärisierung des Signals D2 erzeugt. Eine Bewegungsentfernung des Körpers 203 von einer Anstiegsflanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer Anstiegsflanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position des bewegten Körpers 203, in der die Ausgangssignale des ersten und zweiten Fotosensors 218 und 219 einander in einer Bewegungsrichtung des Körpers 203 entsprechen, zu einer Position des bewegten Körpers 203, in der die Ausgangssignale von dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum eines von der ersten Kondensorlinse 216 konzentrierten Strahls und dem des von der zweiten Kondensorlinse 217 konzentrierten Strahls. Falls sich der von der ersten Kondensor linse 216 und der zweiten Kondensorlinse 217 konzentrierte Strahl am Fotosensor befindet, kann deshalb ein Signal J vorbestimmter Breite als ein Referenzpositionssignal des bewegbaren Körpers 203 durch Benutzung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Summensignal C1 aus den Signalen A1 und B1 und ein Summensignal C2 aus den Signalen A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Aus den Signalen E1 und E2 wird ermittelt, daß sich der konzentrierte Strahl an den Fotosensoren befindet. Dann wird durch Benutzung einer Und-Operation mit dem Signal J ein Positionserfassungssignal K des bewegbaren Körpers 203 erzielt. Da eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle der Differenzsignale D1 und D2 erzeugt wird, wird es durch Intensitäts veränderungen der Lichtquelle 201 nicht beeinträchtigt. Weil das Signal D1 ein Differenzsignal der Signale A1 und B1 und das Signal D2 ein Differenzsignal der Signale A2 und B2 ist, löschen sich darüber hinaus Gleichtaktstörungen in den Signalen - wie beispiels weise Signalrauschen aufgrund von Streulicht an den Fotosensoren - einander aus. Eine Signalveränderungsrate an einer Nullstelle der Signale D1, D2 in bezug auf einen Versatz des bewegbaren Körpers 203 in Richtung der x-Achse wird ungefähr zweimal so groß, wie die der Signale A1, B1, A2 oder B2 allein. Deshalb kann ein Fehler des Referenzpositionssignals aufgrund von Signalrauschen reduziert werden. Das Signal K wird somit als ein korrektes Referenzsignal mit vorbestimmter Breite verwendet.

Wie zuvor beschrieben, werden die ersten und zweiten konzentrierten Strahlen bei dieser Ausführungsform aus dem von der Lichtquelle emittierten Licht mit zwei Linsen erzeugt, die an dem bewegbaren Körper angeordnet sind und sie werden von den ersten und zweiten Fotosensoren bzw. von den dritten und vierten Fotosensoren ermit telt. Es wird dann ein Impulssignal entsprechend einem Differenzsi gnal zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Fotosen sors und das der Ausgangssignale des dritten und vierten Fotosensors erzeugt. Es kann deshalb ein Signal einer Referenzposition mit einer vorbestimmten Impulsbreite erzielt werden, ohne durch Veränderungen der Lichtintensität des von der Lichtquelle emittierten Lichtes beeinträchtigt zu werden, wobei das Signal eine Präzision besitzt, die von Signalrauschen nicht so sehr beeinträchtigt wird.

Eine Fresnel-Zonenplatte des Amplitudentyps oder Phasentyps kann anstelle der Kondensorlinsen 216, 217 benutzt werden. Ein Abschat tungselement 223 wird in der Ausführungsform verwendet, um zu verhindern, daß Licht von der Kollimatorlinse 202 außerhalb der Eingangspupille der Kondensorlinse zu den Fotosensoren gelangt. Eine Linse mit einem Brennpunkt außerhalb der optischen Achse kann jedoch als Kondensorlinse 216, 217 verwendet werden, um den Brennpunkt außerhalb des optischen Pfades zu erzeugen oder um sicherzustellen, daß von der Kollimatorlinse emittiertes Licht nicht die Fotosensoren direkt beleuchtet. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind an einem Brennpunkt an der Rückseite der Kondensorlinse 216, 217 in dieser Ausführungsform angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls herabzusetzen. Sie können jedoch auch außerhalb des Brenn punktes angeordnet werden. Weil ein Zentrum des von der Kondensor linse 216, 217 konzentrierten Strahls auf einer Linie angeordnet ist, welche parallel zu dem von der Kollimatorlinse 202 ausgesandten Lichtes verläuft und durch die Zentren der Kondensorlinse 216, 217 hindurchtritt, entspricht eine Versatzgröße des bewegbaren Körpers 203 in x-Richtung derjenigen des Zentrums des konzentrierten Strahls. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur z-Achse in dem zuvor erwähnten Bei spiel angeordnet ist. Sie können jedoch auch in einer Ebene angeord net werden, welche in bezug auf die z-Achse geneigt ist. Obwohl die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in derselben Ebene bei dem zuvor erwähnten Beispiel angeordnet sind, können sie jedoch auch in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Die Lichtquelle 201 kann eine Licht emittierende Diode oder ähnliches anstelle der Laser lichtquelle sein.

Neunte Ausführungsform

Fig. 32 zeigt eine Basisstruktur einer neunten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 33 zeigt eine Struktur einer optischen Erfas sungssektion. Zunächst wird eine Struktur einer A/B-Phasensignal ausgangssektion erklärt. In Fig. 32 enthält eine Lichtquelle 11 eine Laserdiode oder eine Licht-emittierende Diode mit einer relativ hohen Kohärenz. Eine Kollimatorlinse 12 richtet Licht, welches von einer Lichtquelle 11 emittiert wird, parallel aus. Eine feste Beu gungsplatte 313 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellen abschnitt und ist senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Lichtes angeordnet. Eine bewegbare Beugungsplatte 314 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist in x-Richtung senkrecht zu der optischen Achse bewegbar. Das Gitter der festen Beugungsplatte 313 besitzt dieselbe Periode, wie die der bewegbaren Beugungsplatte 314. Eine Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkanten der festen und beweg baren Beugungsplatten 313 und 314 erfüllt Gleichung 1, wie zuvor erklärt. Eine Kondensorlinse 15 richtet Licht, das durch die beweg bare Beugungsplatte 314 hindurchtritt, parallel aus. Die Eingangs pupille der Linse 15 ist auf einen Bereich innerhalb von D - 2gλ/p begrenzt, wobei "D" die Größe des Strahls bezeichnet, der von der Kollimatorlinse 12 parallel ausgerichtet wurde, "g" eine Distanz zwischen der festen Beugungsplatte 313 und der bewegbaren Beugungs platte 314, λ die Wellenlänge des Lichtes und "p" einen Gitter abstand der in den Beugungsplatten angeordneten Gitter. Die Entfer nung zwischen den Beugungsplatten 313 und 314 wird so eingestellt, daß g < pD/(2λ) gilt.

Eine optische Erfassungssektion 316, die in Fig. 33 im Detail dargestellt ist, enthält Fotosensoren 16, 218, 219, 220 und 221. Im Unterschied zu der optischen Erfassungssektion, die in Fig. 29 dargestellt ist, ist der Fotosensor 16 enthalten, der ein von der Linse 15 konzentriertes gebeugtes Bild in ein elektrisches Signal umwandelt.

Als nächstes wird eine Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Der erste Fotosensor 218 und der zweite Fotosensor 219 sind nicht auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 angeord net. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 ist kleiner als eine Größe des Strahls, der von den Kondensorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 konzentriert wurde. Der dritte Fotosensor 220 und der vierte Fotosensor 221 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 außerhalb einer Spur eines Brennpunktes einer Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet. Der Abstand zwischen dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 in Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 ist kleiner als eine Größe des Strahls, der von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren konzentriert ist.

Die Breite der Fotosensoren 218 und 219 in x-Achsenrichtung ist größer als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 216 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls, während eine Breite der Foto sensoren 220 und 221 in x-Achsenrichtung größer ist als eine Größe des von den Fresnel-Zonenplatten 217 auf die Fotosensoren konzen trierten Strahls.

Wie zuvor erklärt, ist der Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 220 in x-Achsenrichtung kleiner als ein Durch messer eines von der Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls wenigstens auf den Fotosensoren, während der Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 220 geringer als ein Durch messer eines von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls ist. Darüber hinaus wird eine Entfernung zwi schen einer Position, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 einander entsprechen und einer Position, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 einander entsprechen, verschieden von einem vorbestimmten Wert einer Entfer nung zwischen einem Zentrum der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und dem der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217. Wenn ein Teil des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls auf den ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 trifft, trifft ein Teil des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls auf den dritten oder vierten Fotosensor 220, 221.

Das Bezugszeichen 222 bezeichnet einen Signalprozessor, der Aus gangssignale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfassungssignal erzeugt. Eine Abschattungssektion 223 ist an der bewegbaren Beugungsplatte 314 vorgesehen und schattet Licht, das von der Kollimatorlinse 12 austritt, außerhalb der Eingangs pupille der Fresnel-Zonenplatte 216 und 217 ab, um zu verhindern, daß das von der Kollimatorlinse 12 austretende Licht die Fotosenso ren 218, 219, 220 und 221 in einer Region beleuchtet, in der sich die bewegbare Beugungsplatte 314 bewegt.

Der Signalprozessor 222 ist in Fig. 30 gezeigt und wurde bereits beschrieben. Der Summensignalgeneratorkreis 224 erzeugt ein Summen signal C1 aus einem Ausgangssignal A1 des Fotosensors 218 und einem Ausgangssignal B1 des Fotosensors 219, während der Differenzsignal generatorkreis 225 ein Differenzsignal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Der Binärisierungskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Darüber hinaus empfängt der Binärisierungskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisierung durch Benutzung einer Hyste rese-Charakteristik durch, um das Signal F1 auszugeben. Der Summen signalgeneratorkreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 eines Ausgangs signals A2 des Fotosensors 220 und ein Ausgangssignal B2 des Fot osensors 221, während der Differenzsignalgeneratorkreis 229 ein Differenzsignal D2 der Signale A2 und B2 erzeugt. Der Binärisie rungskreis 230 gibt ein Binärsignal E2 des Signals C2 aus. Weiterhin empfängt der Binärisierungskreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisierung durch Benutzung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F2 zu erzeugen. Das exklusive Oder-Gatter 232 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J. Ein Und-Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

Unter Bezugnahme auf den zuvor beschriebenen Apparat wird zuerst eine Arbeitsweise der A/B-Phasensignalausgangssektion erklärt. Ein von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht wird von der Linse 12 parallel ausgerichtet und trifft im wesentlichen senkrecht auf die feste Beugungsplatte 313. Da die Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkanten der festen Beugungsplatte 13 die Beziehung gemäß Gleichung 1 wie zuvor beschrieben besitzt, wird ein Maximum an Energie in gebeugtem Licht der Ordnungen ±1 konzen triert. Deshalb wird das in die feste Beugungsplatte 313 eintretende Licht gebeugt und tritt als gebeugtes Licht aus. Das gebeugte Licht tritt in die bewegbare Beugungsplatte 314 ein und tritt als gebeug tes Licht aus. Analog zu der festen Beugungsplatte 313 wird ein Maximum an Energie des gebeugten Lichtes, welches aus der bewegbaren Beugungsplatte 314 austritt, in gebeugtem Licht der Ordnungen ±1 konzentriert. Die Eingangspupille der Linse 15 ist auf einen Bereich innerhalb von D - 2gλ/p begrenzt, wie zuvor beschrieben wurde.

Die auf den Bereich D - 2gλ/p begrenzte Region wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 erklärt. Ein Beugungswinkel von gebeugtem Licht 110 der Ordnung +1 beträgt λ/p. Falls λ/p hinreichend klein ist, wird gebeugtes Licht der Ordnung +1 nur um gλ/p an einem Punkt gebeugt, der um eine Entfernung "g" entfernt ist. Analog wird gebeugtes Licht 111 der Ordnung -1 auch um gλ/p gebeugt. In der Zeichnung bezeich net eine durch durchgezogene Linien begrenzte Region eine Region mit gebeugtem Licht in der Ordnung +1, während eine Region, die von einer gestrichelten Linie eingeschlossen ist, eine Region mit gebeugtem Licht der Ordnung -1 bezeichnet. Deshalb bezeichnet eine Region, die mit D - 2gλ/p abgebildet wird, eine Region, in der gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 miteinander interferiert. In dieser Region wird von der bewegbaren Beugungsplatte 314 gebeugtes Licht parallel zu der optischen Achse von der Linse 15 konzentriert. Das von der Linse 15 konzentrierte Licht wird von einem Fotosensor 16 erfaßt.

Bei dem vorbeschriebenen Apparat wird ein Ausgangssignal mit einer im Vergleich zum Stand der Technik doppelten Frequenz erzielt. Darüber hinaus kann der Modulationsgrad stark verbessert werden, wie anhand der ersten Ausführungsform erklärt wurde. Fig. 13 zeigt eine Modulationscharakteristik für diesen Fall. Der Modulationsgrad beträgt in diesem Fall 1.00. Deshalb kann die Position präzise bestimmt werden.

Obwohl die Öffnung durch die Eingangspupille der Linse 15 in dieser Ausführungsform begrenzt ist, ist klar, daß entsprechende Vorteile durch die Verwendung einer Begrenzung mit einem Stiftloch oder ähnlichem derselben Größe erzielt werden können.

Als nächstes wird die Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Wie in Fig. 29 dargestellt ist, trifft Licht, wenn es von der Kollimator linse 202 auf die Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 eintrifft, wenn die bewegbare Beugungsplatte 314 sich bewegt, auf die Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten. Der Brennpunkt befin det sich auf einer Achse, welche parallel zu dem aus der Kollimator linse austretendem Licht angeordnet ist und reicht durch ein Zentrum der Fresnel-Zonenplatte. Deshalb entspricht eine Versatzgröße der bewegbaren Beugungsplatte 314 in x-Achsen-Richtung einer Versatz größe der Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 sind auf einer Spur des Brennpunkts der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet, während die Fotosensoren 220 und 221 auf einer Spur des Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 angeordnet sind. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn die bewegbare Beugungsplatte 314 sich bewegt.

Als nächstes wird die Erzeugung eines Referenzpositionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 19 er klärt, die Wellenformen des Signalverarbeitungsmittels 222 zeigt, wenn der bewegbare Körper 203 sich in positiver Richtung bewegt. Wenn der von der Fresnel-Zonenplatte 216 erzeugte konzentrierte Strahl sich von dem Fotosensor 218 zu dem Fotosensor 219 bewegt, werden Signale A1 und A2 durch die Fotosensoren 218 und 219 erzeugt. Das Differenzsignal D1 verändert sich dann von einem negativen Wert in einen positiven Wert. Falls die Binärisation mit einer Hysterese- Charakteristik durchgeführt wird, um in dem Signal D1 enthaltenes Signalrausches zu vermeiden, wird ein Signal F1 erzielt. Analog werden Signale A1 und B2 von den Fotosensoren 220 und 221 erzielt, wenn der von der Fresnel-Zonenplatte 217 erzeugte und konzentrierte Strahl sich vom Fotosensor 220 zum Fotosensor 221 bewegt. Dann wird ein Signal F2 durch Binärisation des Signals D2 erzielt.

Eine Bewegungsentfernung der bewegbaren Beugungsplatte 314 von einer Anstiegsflanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer Anstiegsflanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als eine Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position der bewegbaren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren einander in Bewegungsrichtung der beweg baren Beugungsplatte 314 entsprechen, zu einer Position der beweg baren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzen trierten Strahls zu dem des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls. Wenn der von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet, kann deshalb ein Signal F mit zuvor beschriebener Breite als ein Referenzpositionssignal durch Durchführung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Summensignal C1 aus den Signalen A1 und B1 und ein Summensignal C2 aus den Signalen A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Aus den Signalen E1 und E2 wird ermittelt, daß der konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet. Durch die Benutzung einer logischen Produktoperation mit dem Signal J wird dann ein Positionserfassungssignal K der beweg baren Beugungsplatte 314 erzielt. Da eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle der Differenzsignale D1 und D2 erzielt wird, wird es darüberhinaus durch Intensitätsveränderungen der Lichtquelle 201 nicht beeinflußt. Da das Signal D1 ein Differenzsignal aus den Signalen A1 und B1 und das Signal D2 ein Differenzsignal aus den Signalen A2 und B2 ist, löschen sich Signalrauschen derselben Phase in den Signalen, wie beispielsweise Rauschen aufgrund von Streulicht an den Fotosensoren, gegenseitig aus. Eine Signalveränderungsrate an den Nullstellen der Signale D1, D2 gegen einen Versatz der beweg baren Beugungsplatte 314 in x-Achsen-Richtung wird ungefähr doppelt so groß, wie das der einzelnen Signale A1, B1, A2 oder B2. Deshalb kann ein Fehler des Referenzpositionssignals aufgrund von Rauschen reduziert werden. Deshalb wird das Signal K als ein korrektes Referenzsignal mit zuvor beschriebener Breite verwandt.

Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 werden an einem rückseitigen Brennpunkt der Fresnel-Zonenplatten 216, 217 in dieser Ausführungs form angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls zu ver kleinern. Sie können jedoch auch außerhalb des Brennpunktes angeord net werden. Die Ursache hierfür besteht darin, daß ein Zentrum des konzentrierten Strahl der fokussierenden Linsen 216, 217 sich auf einer Geraden befindet, welche parallel zu dem Licht verläuft, welches aus der Kollimatorlinse 202 austritt und durch die Zentren der Fresnel-Zonenplatten 216, 217 hindurchtritt, wobei eine Versatz größe der bewegbaren Beugungsplatten 314 in x-Richtung derjenigen des Zentrums des konzentrierten Strahls entspricht. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer Ebene angeordnet, welche senk recht zur z-Achse beim zuvor genannten Beispiel verläuft. Sie können jedoch auch in einer in bezug auf die z-Achse geneigten Ebene angeordnet werden. Obwohl die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 bei dem zuvor genannten Beispiel in derselben Ebene angeordnet sind, können sie auch in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Die Lichtquelle 1 kann eine Licht-emittierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtquelle sein.

In dieser Ausführungsform ist der Modulationsgrad gut und ein Winkelsignal wird präzise erzielt, weil die Eingangspupille der Kondensorlinse 15 begrenzt ist auf den Bereich D - 2gλ/p. Wie zuvor beschrieben, werden die ersten und zweiten konzentrierten Strahlen aus dem von der Lichtquelle 11 gebildeten Licht mit zwei Fresnel- Zonenplatten 216, 217 erzeugt, die am bewegbaren Körper 314 angeord net sind und sie werden von dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 bzw. dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 erfaßt. Dann wird ein Impulssignal gemäß dem Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Fotosensors 218 und 219 und dem der Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren 220 und 221 erzeugt. Deshalb kann ein Signal einer Referenzposition mit vor bestimmter Impulsbreite erzielt werden, ohne durch Veränderungen der Intensität von Licht, welches von einer Lichtquelle 11 emittiert wurde, und mit einer Präzision, die von Rauschen nicht so sehr beeinträchtigt wird, erzielt werden. Weil die Beugungsplatte 314 und die Fresnel-Zonenplatten 216, 217 gleichzeitig mit einem Stanzer hergestellt werden kann, ist darüberhinaus die Produktivität hoch und die Kosten niedrig.

Zehnte Ausführungsform

Fig. 34 zeigt eine Basisstruktur einer zehnten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 35 zeigt eine Struktur einer optischen Erfas sungssektion 217. Zunächst wird eine Struktur einer A/B-Phasensi gnal-Ausgangssektion erklärt, die der der 9. Ausführungsform ent spricht, die in Fig. 32 dargestellt ist. Eine Lichtquelle 11 emit tiert ein kohärentes Licht und eine Kollimatorlinse 12 richtet das Licht parallel aus. Eine feste Beugungsplatte 313 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Lichtes angeordnet. Eine bewegbare Beugungsplatte 314 besitzt ein Gitter mit einem recht eckigen Wellenabschnitt und ist in x-Richtung senkrecht zu der optischen Achse bewegbar. Das Gitter der festen Beugungsplatte 313 besitzt eine Periode, die identisch mit der der bewegbaren Beugungs platte 314 ist. Eine Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkanten der festen und bewegbaren Beugungs platten 313, 314 hat eine Beziehung gemäß Gleichung 1, wie zuvor erklärt.

Die optische Erfassungssektion 317, die in Fig. 35 dargestellt ist, enthält Fotosensoren 106, 218, 219, 220 und 221. Der Fotosensor 106 wird mit einem Abstand von pD/(2λ) - g oder mehr von einer beweg baren Beugungsplatte 314 angeordnet, wobei D eine Größe eines von der Kollimatorlinse 12 parallel ausgerichteten Strahls, g eine Entfernung zwischen einer festen Beugungsplatte 313 und der beweg baren Beugungsplatte 314, λ die Wellenlänge des Lichtes und p einen Gitterabstand der Beugungsplatten bezeichnet. Der Fotosensor 106 empfängt Licht, welches in der Breite begrenzt ist auf D - 2gλ/p. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der neunten Ausfüh rungsform in dem Punkt, daß diese Ausführungsform keine Kondensor linse 15 benutzt, die in der neunten Ausführungsform verwendet wird.

Als nächstes wird eine Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Ein erster Fotosensor 218 und ein zweiter Fotosensor 219 sind nicht auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 angeord net. Eine Entfernung zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 ist kleiner, als eine Größe des von der Kondensorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 konzentrierten Strahls. Ein dritter Foto sensor 220 und ein vierter Fotosensor 221 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 außerhalb einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet. Eine Entfernung zwischen dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 in Bewe gungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 ist kleiner, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf den Fotosensoren konzentrierten Strahls. Die Breite der Fotosensoren 218 und 219 in x-Achsen-Richtung ist jeweils größer, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 216 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls, während die Breite der Fotosensoren 220 und 221 in der x-Achsen- Richtung jeweils größer ist, als eine Größe des von der Fresnel- Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls.

Wie zuvor erklärt, ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Fotosensor 218 und 220 in x-Achsen-Richtung kleiner, als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 216 wenigstens auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls, während der Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 220 kleiner ist, als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosenso ren konzentrierten Strahls. Weiterhin ist eine Entfernung zwischen einer Position, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der bewegbaren Beu gungsplatte 314 einander gleich werden, und einer Position, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 einander gleich werden, um einen vorbestimmten Wert von einer Entfernung zwischen einem Zentrum der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und dem der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 verschieden. Wenn ein Teil des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls sich beim ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 befindet, befindet sich ein Teil des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls auf dem dritten oder vierten Fotosensor 220, 221. Das Bezugszeichen 222 bezeichnet einen Signalprozessor, der Ausgangs signale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfassungssignal ausgibt. Eine Abschattungssektion 223 ist an der bewegbaren Beugungsplatte 314 angeordnet und schattet Licht, das von der Kollimatorlinse 12 ausgesandt wurde und außerhalb der Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 auftrifft, ab, um zu verhindern, daß von der Kollimatorlinse 12 ausgesandtes Licht die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in einer Region beleuchtet, in der sich die bewegbaren Beugungsplatten 314 bewegen.

Der Signalprozessor 222 ist in Fig. 30 dargestellt und wurde bereits erklärt. Der Summensignal-Generatorkreis 224 erzeugt ein Summensignal C1 eines Ausgangssignals A1 des Fotosensors 218 und eines Ausgangssignals B1 des Fotosensors 219, während der Differenz signal-Generatorkreis 225 ein Differenzsignal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Der Binärisationskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Weiterhin empfängt der Binärisationskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisation unter Verwendung einer Hyste rese-Charakteristik durch, um ein Signal F1 auszugeben. Die Hyste rese wird so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer ist, als eine maximale Amplitude des im Signal G1 enthaltenen Rauschens. Der Summensignal-Generatorkreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 eines Ausgangssignals A2 des Fotosensors 220 und eines Ausgangs signals B2 des Fotosensors 221, während der Differenzsignal-Genera torkreis 229 ein Differenzsignal D2 der Signale A2 und B2 erzeugt. Der Binärisationskreis 230 erzeugt ein Binärsignal E2 des Signals C2. Weiterhin empfängt der Binärisationskreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisation unter Verwendung einer Hysterese-Charak teristik durch, um ein Signal F2 auszugeben. Die Hysterese wird so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer als eine maximale Amplitude des in dem Signal D2 enthaltenden Rauschens ist. Das exklusive Oder-Gatter 232 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J. Ein Und-Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

In bezug auf den oben beschriebenen Apparat wird zunächst eine Arbeitsweise der A/B-Phasensignal-Ausgangssektion unter Bezugnahme auf Fig. 15 und Fig. 32 erklärt. Ein von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht wird von der Linse 12 parallel ausgerichtet und trifft im wesentlichen vertikal auf die feste Beugungsplatte 313. Das auf die feste Beugungsplatte 313 auftreffende Licht wird gebeugt und tritt als gebeugtes Licht aus.

Das von der bewegbaren Beugungsplatte 314 austretende Licht wird ausgedrückt als (n, m), wobei n eine Ordnung der Beugung der festen Beugungsplatte 313 und in eine Ordnung der Beugung der bewegbaren Beugungsplatte 314 bezeichnet. Ein mit "a" gekennzeichnetes Gebiet zeigt ein Gebiet mit (-1, +1) und (+1, -1), ein Gebiet, das mit "b" bezeichnet ist, zeigt eine Gebiet mit (-1, +1) und ein mit "c" gekennzeichnetes Gebiet zeigt ein Gebiet mit (+1, -1), ein mit "d" bezeichnetes Gebiet zeigt ein Gebiet mit (-1, -1) und ein Gebiet, das mit "e" bezeichnet ist, zeigt ein Gebiet mit (+1, +1). Gebeugtes Licht der Ordnung 3 oder mehr ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 15 nicht dargestellt. Eine Licht-empfangende Ebene eines Fotosensors 106 ist so gewählt, daß eine Entfernung von der Beu gungsplatte 314 pD/(2λ) - g oder mehr beträgt und das Licht auf eine Region innerhalb von D - 2gλ/p begrenzt. Deshalb erfaßt der Fotosen sor 106 das Licht nur in dem Gebiet "a".

Als nächstes wird die Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Wie in Fig. 29 dargestellt ist, trifft Licht, das von der Kollimatorlinse 202 in die Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 eintritt, wenn sich die bewegbare Beugungsplatte 314 bewegt, auf die Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten. Der Brennpunkt befindet sich auf einer Achse, die parallel zu dem von der Kollimatorlinse abge strahlten Licht verläuft und durch ein Zentrum der Fresnel-Zonen platte hindurchreicht. Deshalb entspricht eine Versatzgröße der bewegbaren Beugungsplatte 314 in x-Achsen-Richtung einer Versatz größe der Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 sind auf einer Spur des Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet, während die Fotosensoren 220 und 221 auf einer Spur der Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatte 217 angeordnet sind. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn sich die bewegbare Beugungsplatte 314 bewegt.

Als nächstes wird die Erzeugung eines Referenz-Positionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 31 er klärt, die Wellenformen im Signalverarbeitungsmittel 222 zeigt, wenn der bewegbare Körper 203 sich in positiver Richtung bewegt. Wenn sich der von der Fresnel-Zonenplatte 216 erzeugte konzentrierte Strahl von dem Fotosensor 218 zum Fotosensor 219 bewegt, werden Signale A1 und B1 von den Fotosensoren 218 und 219 erzielt. Dann verändert sich das Differenzsignal D1 von einem negativen Wert in einen positiven Wert. Wenn die Binärisation mit einer Hysterese- Charakteristik durchgeführt wird, um ein in dem Signal D1 enthalte nes Rauschen zu vermeiden, wird ein Signal F1 erzielt. Analog werden Signale A2 und B2 von den Fotosensoren 220 und 221 erzielt, wenn sich der von den Fresnel-Zonenplatten 217 erzeugte Strahl von dem Fotosensor 220 zum Fotosensor 221 bewegt. Dann wird ein Signal F2 durch Binärisierung des Signals D2 erzielt.

Eine Bewegungsentfernung der bewegbaren Beugungsplatte 314 von einer Anstiegsflanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer Anstiegsflanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als eine Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position der bewegbaren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren in eine Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 einander entsprechen, zu einer Position der bewegbaren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls und dem des von der zweiten Fresnel- Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls. Wenn der von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet, kann deshalb ein Signal F mit einer zuvor genannten Breite als ein Referenzposi tionssignal durch Verwendung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Summensignal C1 der Signale A1 und B1 und ein Summensignal C2 der Signale A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Es wird aus den Signalen E1 und E2 ermittelt, daß sich der konzentrierte Strahl an den Fotosensoren befindet. Dann wird durch Ausführung einer Und-Operation mit dem Signal J ein Positionserfassungssignal K der bewegbaren Beugungsplatte 314 erzielt. Weil eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle der Differenzsignale D1 und D2 erzielt wird, wird es nicht von Intensi tätsveränderungen der Lichtquelle 201 beeinflußt. Weil das Signal D1 ein Differenzsignal der Signale A1 und B1 ist und das Signal D2 ein Differenzsignal der Signale A2 und B2 ist, löschen sich darüber hinaus in den Signalen enthaltenes Signalrauschen der selben Phase, wie beispielsweise Rauschen aufgrund von Streulicht an den Fotosen soren, einander aus. Eine Signalveränderungsrate der Signale D1, D2 an einer Nullstelle gegen einen Versatz der bewegbaren Beugungs platte 314 in x-Achsen-Richtung wird ungefähr doppelt so groß, wie das der Signale A1, B1, A2 oder B2 allein. Deshalb kann ein Fehler des Referenz-Positionssignals aufgrund von Rauschen reduziert werden. Deshalb wird das Signal K als ein korrektes Referenzsignal mit vorbestimmter Breite benutzt.

Bei dieser Ausführungsform wird der Modulationsgrad dadurch verbes sert, daß nur das Gebiet benutzt wird, in dem gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 miteinander interferieren. Weil eine Kondensorlinse nicht gebraucht wird, wird die Anzahl der Komponenten vermindert und das Gewicht der Kodiereinrichtung kann herabgesetzt werden. Darüber hinaus ist, da die Beugungsplatten und die Fresnel-Zonenplatten gleichzeitig mit einem Stanzer hergestellt werden können, die Produktivität hoch und die Kosten gering.

Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 werden an einem Brennpunkt an der Rückseite der Fresnel-Zonenplatten 216, 217 in dieser Ausfüh rungsform angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls zu vermindern. Sie können jedoch auch außerhalb des Brennpunktes angeordnet werden. Die Ursache hierfür liegt darin, daß ein Zentrum des von den fokussierenden Linsen 216 und 217 parallel ausgerichte ten Strahls sich auf einer Geraden befindet, welche parallel zu dem von der Kollimatorlinse 202 ausgesandten Lichtes verläuft und durch das Zentrum der Fresnel-Zonenplatten 216, 217 hindurchreicht, wobei eine Versatzgröße der bewegbaren Beugungsplatten 314 in x-Richtung derjenigen des Zentrums des konzentrierten Strahls entspricht. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer senkrecht zur z-Achse in dem zuvor genannten Beispiel verlaufenden Ebene angeord net. Sie können jedoch auch in einer in bezug auf die z-Achse geneigten Ebene angeordnet sein. Obwohl die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in der selben Ebene bei dem zuvor genannten Beispiel angeordnet sind, können sie auch darüber hinaus in verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Die Lichtquelle 11 kann eine Licht emit tierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtquelle sein.

Elfte Ausführungsform

Fig. 36 zeigt eine Basis-Struktur einer elften Ausführungsform der Erfindung und Fig. 37 zeigt eine Struktur eines Fotosensors. Zuerst wird eine Struktur einer A/B-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Eine Kollimatorlinse 2 richtet Licht, das von einer kohärenten Lichtquelle 1 mit einer Wellenlänge λ emittiert wird, parallel aus. Eine erste feste Platte 3 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt, das gebeugtes Licht nur der Ordnungen ±1 hindurch läßt, und ein Drehteller 324 besitzt ein Gitter mit einem recht eckigen Wellenabschnitt, der gebeugtes Licht nur der Ordnungen ±1 desselben Beugungswinkels hindurchläßt, wie das der ersten festen Platte 3. Der Drehteller 324 besitzt Spalte in radialen Richtungen am Umfang und enthält erste und zweite Fresnel-Zonenplatten 216 und 217. Spiegel 5, 6 lenken Licht, das von dem Drehteller 324 austritt, zu einer in bezug auf das Drehzentrum symmetrischen Position. Eine zweite feste Platte 7 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt, der gebeugtes Licht nur der Ordnungen ±1 mit demselben Beugungswinkel hindurchläßt, wie dem der ersten festen Platte 3. Eine optische Erfassungssektion 318 enthält Fotosensoren 8, 218, 219, 220 und 221, wie in Fig. 37 im Detail erkennbar ist.

Nachfolgend wird eine Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Der erste Fotosensor 218 und der zweite Fotosensor 219 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 216 und nicht auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 angeord net. Ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in Bewegungsrichtung des Drehtellers 324 ist kleiner, als eine Größe des von der Kondensorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 parallel ausgerichteten Strahls. Der dritte Fotosensor 220 und der vierte Fotosensor 221 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 außerhalb einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet. Ein Abstand zwischen den dritten und vierten Fotosensoren 220 und 221 in Bewegungsrichtung des Drehtellers 324 ist kleiner, als eine Größe des von der Fresnel- Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls. Eine Breite der Fotosensoren 218 und 219 in x-Achsen- Richtung ist größer, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 216 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls, während eine Breite der Fotosensoren 220 und 221 in x-Achsen-Richtung größer ist, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls. Ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 220 in x-Achsen-Richtung ist kleiner, als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 216 wenigstens auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls, während ein Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218, 220 kleiner ist, als ein Durchmesser eines von der Fresnel- Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls. Eine Entfernung zwischen einer Position, in der die Aus gangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren 218, 219 entlang einer Drehrichtung des Drehtellers 324 einander entsprechen und einer Position, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren 220, 221 entlang einer Drehrichtung des Drehtellers 324 einander entsprechen, ist um einen vorbestimmten Wert von einer Entfernung zwischen einem Zentrum der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und dem der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 verschieden. Wenn ein Teil des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 parallel ausgerich teten Strahls sich auf dem ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 befindet, befindet sich ein Teil des von der zweiten Fresnel-Zonen platte 217 parallel ausgerichteten Strahls auf dem dritten oder vierten Fotosensor 220, 221.

Das Bezugszeichen 222 bezeichnet einen Signalprozessor, der Aus gangssignale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfassungssignal ausgibt. Eine Abschattungssektion 223 ist auf dem Drehteller 324 vorgesehen und beschattet das Licht, das die Kollimatorlinse 12 verläßt, außerhalb der Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 ab, um zu verhindern, daß das Licht, das von der Kollimatorlinse 12 ausgesandt wird, die Fotosen soren 218, 219, 220 und 221 in einer Region belichtet, in der sich der Drehteller 324 bewegt.

Der Signalprozessor 222 ist in Fig. 30 dargestellt und wurde bereits erklärt. Der Summensignalgeneratorkreis 224 erzeugt ein Summensignal C1 eines Ausgangssignals A1 des Fotosensors 218 und eines Ausgangssignals B1 des Fotosensors 219, während der Differenz signal-Generatorkreis 225 ein Differenzsignal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Der Binärisationskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Darüber hinaus empfängt der Binärisationskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisation durch Verwendung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F1 auszugeben. Die Hysterese ist so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer als eine maximale Amplitude des im Signal D1 enthaltenen Rauschens ist. Der Summensignalgeneratorkreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 eines Ausgangssignals A2 des Fotosensors 220 und eines Ausgangssignals B2 des Fotosensors 221, während der Differenzsignalgeneratorkreis 229 ein Differenzsignal D2 der Signale A2 und B2 erzeugt. Ein Binärisa tionskreis 230 erzeugt ein Binärsignal E2 des Signals C2. Darüber hinaus empfängt der Binärisationskreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisation unter Benutzung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F2 auszugeben. Die Hysterese ist so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer als eine maximale Amplitude des im Signal D2 enthaltenen Signalrauschens ist. Das exklusive Oder-Gatter 232 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J. Ein Und-Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

In bezug auf die Ausführungsform, die wie zuvor erklärt hergestellt wurde, wird nachfolgend zunächst eine Arbeitsweise der A/B-Phasensi gnal-Ausgangssektion erklärt. In Fig. 36 entspricht ein optischer Pfad von der Lichtquelle 1 zum Spiegel 5 auf eine x-y-Ebene von einer positiven x-Richtung dem in Fig. 18. Nachfolgend wird die Arbeitsweise unter Verwendung von Fig. 18 erklärt. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht wird von der Kollimatorlinse 2 parallel ausgerichtet und trifft auf die erste feste Platte 3. Das Licht wird von der ersten festen Platte 3 in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert. Das gebeugte Licht der Ordnungen ±1, das die erste feste Platte 3 verläßt, trifft auf den Drehteller 324 und wird in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert. Da die Beugungswinkel von gebeugtem Licht der Ordnung ±1 an der ersten festen Platte 3 und dem Drehteller 324 identisch sind, ist ein Lichtstrom 31 parallel zu einem Lichtstrom 32. Der Lichtstrom 31 bezeichnet einen Lichtstrom, welcher von der ersten festen Platte 3 in positiver x-Richtung gebeugt ist und weiter in negativer x-Richtung von dem Drehteller 324 gebeugt ist, während der Lichtstrom 32 einen Lichtstrom bezeich net, welcher von der ersten festen Platte 3 in negativer y-Richtung gebeugt ist und weiter in positiver y-Richtung von dem Drehteller 324 gebeugt ist.

Es ist bekannt, daß, wenn ein Gitter sich relativ zu einem ein treffenden Licht bewegt, die Phase des gebeugten Lichtes der Ord nungen ±1 sich erhöht oder erniedrigt. Das bedeutet, daß die Phase von gebeugtem Licht der Ordnung +1, welches entlang einer Bewegungs richtung des Gitters in bezug auf eine optische Achse des eintref fenden Lichtes gebeugt wird, um 2πx/(λp) beschleunigt wird, wobei p einen Gitterabstand des Gitters und λ die Wellenlänge des Lichtes bezeichnet. Auf der anderen Seite verlangsamt sich die Phase von gebeugtem Licht der Ordnung +1, welches entlang einer der Bewegungs richtung des Gitters in bezug auf eine optische Achse des eintref fenden Lichtes entgegengesetzten Richtung gebeugt wird um 2πx(λp). Deshalb werden komplexe Amplituden optischer Ströme 31 und 32 ausgedrückt, wie in Gleichung 19, wobei R einen Drehwinkel des Drehtellers 324 bezeichnet, wobei eine Bewegungsrichtung des Gitters des Drehtellers 324 als eine positive Richtung des Rotationswinkels 8 in Fig. 18 angenommen wird, N eine Teilerzahl des Gitters in dem Drehteller 324 bezeichnet und r eine Entfernung von einem Zentrum des Drehtellers 324 zu einem Punkt bezeichnet, an dem ein Strahl auf den Drehteller 324 auftrifft. Die Ströme 31 und 32 werden einer Phasenmodulation durch den Drehteller 324 ausgesetzt und von dem Spiegel 5 in eine in bezug auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 symmetrische Position gelenkt.

Fig. 19 bezieht sich auf einen optischen Pfad vom Spiegel 6 zu dem Fotosensor 8 auf eine x-z-Ebene aus einer positiven y-Richtung in Fig. 36. Deshalb wird diese Ausführungsform unter Bezugnahme von Fig. 19 erklärt. Die Lichtströme 31 und 32, die von dem Spiegel 6 ausgehen, sind parallel und werden von der zweiten festen Platte 7 in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert. Der Strom 31 wird von der zweiten festen Platte 7 in eine negative x-Richtung und weiter von dem Drehteller 324 in eine positive x-Richtung gebeugt, um einen Strom 33 zu erzielen. Der Strom 32 wird von dem zweiten festen Gitter 7 in eine positive x-Richtung und weiter von dem Drehteller 324 in eine negative x-Richtung gebeugt, um einen Strom 34 zu erzielen. Die Ströme 33 und 34 sind parallel zueinander und über lagert, um Interferenzen zu erzeugen. Wenn der Drehteller 324 sich in eine positive Richtung dreht, werden komplexe Amplituden der Ströme 33 und 34 gemäß Gleichung (20) ausgedrückt, weil die Bewe gungsrichtung des Drehtellers 324 eine negative x-Richtung in Fig. 7 besitzt. Darüber hinaus wird eine Interferenz-Lichtamplitude der Ströme 31 und 32 gemäß Gleichung (21) berechnet. Der Fotosensor 8 erfaßt eine optische Intensität, die in Gleichung (21) ausgedrückt ist, aus der sich ergibt, daß 4N Impulse pro Umdrehung erfaßt werden können oder ein Vierfaches der Teilerzahl des Gitters in dem Dreh teller erzielt werden kann.

Als nächstes werden aufgelaufene Fehler erklärt, wenn eine Exzen trizitätsgröße ε des Drehtellers 324 auftritt. Falls der Drehteller 324 eine Exzentrizität besitzt, weicht ein Drehwinkel R von einem Drehwinkel R_a im Hinblick auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 ab. Der Rotationswinkel R_a wird ausgedrückt als R_a = R + (ε/r)cosR, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Deshalb werden die komplexen Am plituden der Ströme 31 und 32 wie in Gleichung (22) ausgedrückt. In bezug auf den zu einem bestimmten Punkt symmetrischen Punkt im Hinblick auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 gilt: R_a = R -(ε/r)cosR. Deshalb werden die komplexen Amplituden der Ströme 33 und 34 wie in Gleichung (23) ausgedrückt. Eine Inter ferenz-Intensität der Ströme 33 und 34 oder eine von dem Fotosensor 8 empfangene optische Intensität ist in Gleichung (24) ausgedrückt. Da Gleichung (24) keinen Ausdruck besitzt, der eine Exzentrizitäts größe ε enthält, wurde gefunden, daß keine akkumulierten Fehler aufgrund einer Exzentrizität auftreten und es wurde auch gefunden, daß es keine Intensitätsveränderungen gibt.

Als nächstes wird die Z-Phasensignal-Ausgangssektion unter Bezugnah me auf Fig. 29 erklärt. Wie in Fig. 29 dargestellt ist, erreicht das Licht einen Brennpunkt der Fresnel-Zonenplatte, wenn von der Kollimatorlinse 202 austretendes Licht auf die Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 trifft, wenn sich der Drehteller 324 dreht. Der Brennpunkt befindet sich auf einer Achse, welche parallel zu dem aus der Kollimatorlinse austretenden Licht verläuft und durch ein Zentrum der Fresnel-Zonenplatte hindurchläuft. Deshalb entspricht eine Versatzgröße des Drehtellers 324 in x-Achsen-Rich tung einer Versatzgröße der Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 befinden sich auf einem Pfad des Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn sich der Drehteller 324 dreht.

Als nächstes wird die Erzeugung eines Referenz-Positionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 31 er klärt, die Wellenformen des Signalverarbeitungsmittels 222 zeigt, wenn sich der Drehteller 324 in die positive Richtung bewegt. Wenn der konzentrierte Strahl, der von der Fresnel-Zonenplatte 216 erzeugt wurde, von dem Fotosensor 218 sich zu dem Fotosensor 219 bewegt, werden Signale A1 und B1 von den Fotosensoren 218 und 219 erzeugt. Dann verändert sich das Differenzsignal D1 von einem negativen in einen positiven Wert. Falls die Binärisation mit einer Hysterese-Charakteristik durchgeführt wird, um in dem Signal D1 enthaltenes Signalrauschen zu vermeiden, wird ein Signal F1 erzielt.

Analog werden Signale A2 und B2 von den Fotosensoren 220 und 221 erzielt, wenn sich der von der Fresnel-Zonenplatte 217 erzeugte konzentrierte Strahl von dem Fotosensor 220 zu dem Fotosensor 221 bewegt. Dann wird ein Signal F2 durch Binärisierung des Signals D2 erzielt.

Eine Bewegungsentfernung des Drehtellers 324 von einer Anstiegs flanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer Anstiegs flanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als eine Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position des Drehtel lers 324, bei der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Foto sensoren sich in einer Bewegungsrichtung des Drehtellers 324 ent sprechen, zu einer Position des Körpers, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls und dem des von der zweiten Fresnel-Zo nenplatte 217 konzentrierten Strahls. Falls der von der ersten und der zweiten Fresnel-Zonenplatte 216 und 217 konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet, kann deshalb ein Signal F einer vorbestimmten Breite als ein Referenz-Positionssignal des Drehtel lers 324 durch Benutzung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Oder-Signal C1 der Signale A1 und B1 und ein Oder-Signal C2 der Signal A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Aus den Signalen E1 und E2 wird ermittelt, daß der konzentrierte Strahl sich bei den Fotosensoren befindet. Durch Benutzung einer Und-Operation mit dem Signal J wird dann ein Posi tionserfassungssignal K des Drehtellers 324 erzielt. Weil eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle des Differenzsignals D1 und D2 erzielt wird, wird es darüber hinaus nicht von Intensitätsver änderungen der Lichtquelle 201 beeinflußt. Da das Signal D1 ein Differenzsignal zwischen den Signalen A1 und B1 und das Signal D2 ein Differenzsignal zwischen den Signalen A2 und B2 ist, löschen sich Gleichtaktstörungen in den Signalen, wie beispielsweise Rau schen aufgrund von Streulicht bei den Fotosensoren, gegenseitig aus. Eine Signalveränderungsrate an einer Nullstelle der Signale D1 und D2 gegen einen Versatz des Drehtellers 324 in x-Achsenrichtung wird ungefähr zweimal so groß, wie die der Signale A1, B1, A2 oder B2 allein. Deshalb kann ein Fehler des Referenzpositionssignals auf grund von Rauschen reduziert werden. Das Signal K wird deshalb als ein korrektes Referenzsignal mit vorbestimmter Breite benutzt.

Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 werden an einem Brennpunkt an der Rückseite der Fresnel-Zonenplatte 216, 217 angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls zu verkleinern. Sie können jedoch auch außerhalb des Brennpunktes angeordnet werden. Dem liegt zugrun de, daß ein Zentrum des konzentrierten Strahls der Fresnel-Zonen platte 216, 217 sich auf einer Geraden befindet, welche parallel zu dem aus der Kollimatorlinse 202 austretenden Licht verläuft und durch das Zentrum der Fresnel-Zonenplatte 216, 217 hindurchläuft, wobei eine Versatzgröße des Drehtellers 324 in x-Richtung der des Zentrums des konzentrierten Strahls entspricht. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer Ebene angeordnet, welche senk recht zur z-Achse in dem zuvor erwähnten Beispiel verläuft. Sie können jedoch auch in einer Ebene angeordnet sein, welche in Bezug auf die z-Achse geneigt ist. Darüber hinaus, obwohl Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in derselben Ebene in dem zuvor genannten Beispiel angeordnet sind, können sie auch in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Die Lichtquelle kann eine Licht-emittierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtquelle sein.

Eine Entfernung zwischen der ersten festen Platte 3 und dem Drehtel ler 324 wird erhöht, um gebrochenes Licht der Ordnungen ±1 auf dem Drehteller 324 vollständig zu separieren und sie wird auf eine Entfernung zwischen der ersten festen Platte 3 und dem Drehteller 324 eingestellt, um nur Ströme 334 von dem Fotosensor 8 zu empfan gen, so daß Signale mit einem höheren Modulationsgrad erzielt werden können.

Wie zuvor erklärt, wird in dieser Ausführungsform das gebeugte Licht der Ordnungen ±1, welches aufgrund der ersten festen Platte 3 und dem Drehteller 324 mit Gittern parallel zueinander verläuft, einer Phasenmodulation ausgesetzt. Als nächstes wird es weiter einer Phasenmodulation an im Hinblick auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 symmetrischen Positionen ausgesetzt. Dann wird es an der zweiten festen Platte interferiert. Selbst wenn der Drehteller 324 eine Exzentrizität besitzt, kann deshalb ein Winkel präzise erfaßt werden, ohne von den Veränderungen der optischen Intensität sehr beeinflußt zu werden und ohne akkumulierte Fehler. Da ein präziser Aufbau und eine präzise Einstellung des Drehtellers nicht erforder lich sind, können deshalb die Kosten reduziert werden, eine Kodier einrichtung mit kompakten Außenabmessungen hergestellt werden und die Auflösung verbessert werden. Darüber hinaus ist eine Kodier einrichtung von einer Exzentrizität einer Achse aufgrund einer Last nicht so stark beeinflußt und es kann eine kompakte Achse herge stellt werden. Da die Beugungsplatte 324 und die Fresnel-Zonen platten 216, 217 gleichzeitig mit einem Stanzer hergestellt werden können, ist darüber hinaus die Produktivität hoch und die Kosten gering. Bei den Ausführungsformen 9-11 werden Fresnel-Zonenplatten benutzt, um einen konzentrierten Strahl zu erzeugen. Anstelle der Fresnel-Zonenplatte kann jedoch auch eine Kondensorlinse benutzt werden. Andererseits kann eine Fresnel-Zonenplatte in den zuvor erwähnten Ausführungsformen, in denen eine Kondensorlinse verwendet wird, anstelle einer Kondensorlinse zur Erzeugung eines konzen trierten Strahls verwendet werden.

Claims

1. Apparat zur Versatzmessung eines bewegten Körpers, mit:
einer Lichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausge richteten Strahls mit einer Wellenlänge λ und einem Durchmesser "D"; einer festen Beugungsplatte und einer bewegbaren Beugungsplatte, die jeweils ein Gitter mit einem Gitterabstand "p" und Hauptbeugungskom ponenten der Ordnungen ±1 besitzen, wobei die feste und die beweg bare Beugungsplatte in einem optischen Pfad des parallel ausgerich teten Strahls parallel zueinander mit einem Abstand "g" und senk recht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet sind, so daß der parallel ausgerichtete Strahl an den Gittern in der festen und in der bewegbaren Beugungsplatte nachein ander gebeugt wird; und
einem optischen Erfassungsmittel zur Erfassung einer Lichtmenge, die im wesentlichen durch Interferenz der Beugungskomponenten der Ord nungen ±1 erzeugt wurde, wobei die Beugungskomponenten durch die aufeinanderfolgende Beugung an der ersten und der zweiten Beugungs platte erzeugt wurden;
wobei ein Versatz der bewegbaren Beugungsplatte aus der erfaßten Lichtmenge bestimmt werden kann.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte eine Platte ist, welche sich senkrecht zur optischen Achse linear bewegt.

3. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte eine Platte ist, welche um eine parallel zu der optischen Achse verlaufende Rotationsachse drehbar ist.

4. Apparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel eine Kon densorlinse mit einer Eingangspupillengröße innerhalb von D - 2gλ/p enthält, wobei die Kondensorlinse das durch die feste und bewegbare Beugungsplatte hindurchtretende Licht konzentriert, und daß das op tische Erfassungsmittel einen Fotosensor zur Erfassung von Licht enthält, das von der Kondensorlinse konzentriert ist.

5. Apparat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel einen Fo tosensor enthält, welcher an einer Position im Abstand von D/2λ - g oder mehr von der festen und bewegbaren Beugungsplatte und in einem Bereich innerhalb von D - 2gλ/p um die optische Achse angeordnet ist.

6. Apparat zur Versatz- oder Lageänderungsmessung eines bewegten Körpers, mit einer bewegbaren Beugungsplatte mit einem Gitter, das einen Gitterabstand p und Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 besitzt;
einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Strahls der Wellenlänge λ, der einen Winkel R zu einer Normalen der bewegbaren Beugungsplatte besitzt, so daß sin(R) = ±λ/p gilt;
einer Linse zum konzentrieren von Licht, das von der bewegbaren Beugungsplatte gebeugt ist; und
einem Fotosensormittel zum Erfassen des von der Linse konzentrierten Lichtes.

7. Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein dreieckiges Prisma enthält, welches einen senkrecht in das Prisma eintretenden kohären ten Strahl bricht und das einen Ablenkungswinkel besitzt, der einem Beugungswinkel der bewegbaren Beugungsplatte entspricht.

8. Apparat nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte eine Platte ist, die senkrecht zu der optischen Achse translatierbar ist.

9. Apparat nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte eine Platte ist, welche um eine par allel zu der optischen Achse verlaufende Rotationsachse drehbar ist.

10. Apparat zur Versatz- oder Lageänderungsmessung eines bewegten Körpers, mit
einer Lichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausge richteten Strahls mit einer Wellenlänge λ;
einem Drehteller, der um eine Rotationsachse drehbar ist und ein Gitter mit einem Gitterabstand p besitzt, welches eine ringförmige Gestalt besitzt, in bezug auf die Rotationsachse symmetrisch an geordnet ist und Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 besitzt;
einem ersten optischen Element, durch das der kohärente parallel ausgerichtete Strahl hindurchtritt, um einen Strahl zu dem Drehtel ler zu erzeugen, der einen Winkel R zur Normalen zu dem Drehteller einschließt, so daß sin(R) = ±λ/p gilt;
einem optischen Lenkmittel zum Lenken eines durch das erste optische Element und durch das Gitter des Drehtellers zu einer zweiten optischen Platte hindurchtretenden Strahls, die sich an einer in bezug auf die Rotationsachse des Drehtellers symmetrischen Position befindet; und
einem zweiten optischen Element, durch das der von dem optischen Lenkmittel gelenkte Strahl zu dem Drehteller hindurchtritt, wobei der auf den Drehteller gerichtete Strahl einen Winkel R zur Normalen zu dem Drehteller einschließt, so daß sin(R) = ±λ/p gilt; und
einem optischen Erfassungsmittel zur Erfassung einer Lichtmenge, welches nacheinander durch das zweite optische Element und den Drehteller hindurchtritt, um eine Interferenz der Beugungskomponen ten der Ordnungen ±1 zu erzeugen;
wobei ein Versatz oder eine Lageänderung des Drehtellers aus der erfaßten Lichtmenge bestimmt werden kann.

11. Apparat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element eine erste feste Platte mit einem zweiten Gitter ist, das Hauptbeugungskom ponenten der Ordnungen ±1 aufweist und den selben Gitterabstand besitzt wie das Gitter des Drehtellers, wobei die erste feste Platte und der Drehteller in einem optischen Pfad des parallel ausgerichte ten Strahls parallel zueinander und senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet sind, so daß der parallel ausgerichtete Strahl nacheinander von der ersten feste Platte und dem Drehteller gebeugt wird.

12. Apparat nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element eine erste feste Platte mit einem zweiten Gitter ist, welches Hauptbeugungskom ponenten der Ordnungen ±1 besitzt und den selben Gitterabstand wie das Gitter des Drehtellers aufweist, wobei die erste feste Platte und der Drehteller in einem optischen Pfad des parallel ausgerichte ten Lichtes parallel zueinander und senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet sind, so daß der parallel ausgerichtete Strahl nacheinander von der ersten festen Platte und dem Drehteller gebeugt wird.

13. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element ein dreiecki ges Prisma ist, welches einen in das Prisma senkrecht eintretenden Strahl bricht und einen Ablenkungswinkel besitzt, der einem Beu gungswinkel des Drehtellers entspricht.

14. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element ein dreiec kiges Prisma ist, welches einen senkrecht in das Prisma eintretenden Strahl bricht und einen Ablenkungswinkel besitzt, der dem Beugungs winkel des Drehtellers entspricht.

15. Apparat zur Versatzmessung eines bewegten Körpers, mit:
einer Lichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausge richteten Strahls;
einer ersten festen Beugungsplatte mit einem ersten Gitter, das Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthält; und
einem Drehteller, der um ein Rotationszentrum senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls drehbar ist, wobei die bewegbare Beugungsplatte ein zweites Gitter mit einer ringförmigen Gestalt besitzt, welches in Bezug auf das Rotationszen trum symmetrisch angeordnet ist, das zweite Gitter denselben Gitter abstand wie das des ersten Gitters aufweist und Hauptbeugungskom ponenten der Ordnung ±1 besitzt;
einer zweiten festen Beugungsplatte, die ein drittes Gitter enthält, die parallel zu der ersten festen Beugungsplatte angeordnet ist, wobei das dritte Gitter Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 und einen Beugungswinkel besitzt, der dem der Hauptbeugungskomponen ten der ersten festen Platte entspricht, das dritte Gitter denselben Gitterabstand wie das der ersten festen Beugungsplatte besitzt, und die zweite feste Beugungsplatte in dem Drehteller angeordnet ist, so daß das parallel ausgerichtete Licht nacheinander von dem ersten Gitter, dem zweiten Gitter, dem dritten Gitter und dem zweiten Gitter gebeugt wird; und
einem optischen Erfassungsmittel zur Erfassung einer Lichtmenge, die im wesentlichen durch Interferenz der Beugungskomponenten der Ord nungen ±1 erzeugt wird, wobei die Beugungskomponenten durch aufein anderfolgende Beugung an dem ersten, zweiten und dritten Gitter er zeugt wurde;
wobei ein Versatz des Drehtellers aus der erfaßten Lichtmenge be stimmt werden kann.

16. Apparat zur Versatzmessung eines bewegten Körpers, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausge richteten Strahls;
einem bewegbaren Körper, der durch einen optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls senkrecht zu dem parallel ausgerichteten Strahl hindurchtreten kann;
einem ersten Kondensormittel, das an dem bewegbaren Körper befestigt ist, das den parallel ausgerichteten Strahl konzentriert;
erste und zweite Fotosensormittel zur Erfassung einer Lichtmenge nur desjenigen Strahls, der von dem ersten Kondensormittel konzentriert wurde, wobei die ersten und zweiten Fotosensoren einen Abstand voneinander besitzen, der kleiner als ein Durchmesser des parallel ausgerichteten Strahls in Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers ist, und die ersten und zweiten Fotosensoren eine Breite besitzen, die größer als der Durchmesser des parallel ausgerichteten Strahls ist; und
einem Signalverarbeitungsmittel zur Erzeugung eines Differenzsignals zwischen Ausgangssignalen des ersten und zweiten Fotosensors, wobei eine Position des bewegbaren Körpers gemäß dem Differenzsignal be stimmt werden kann.

17. Apparat nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein zweites Kondensormittel, das an dem beweg baren Körper angeordnet ist und den parallel ausgerichteten Strahl konzentriert;
dritte und vierte Fotosensormittel zur Erfassung einer Lichtmenge nur desjenigen Strahls, der von dem zweiten Kondensormittel konzen triert wurde, wobei die dritten und vierten Fotosensoren einen Abstand voneinander besitzen, der kleiner als ein Durchmesser des parallel ausgerichteten Strahls in Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers ist, und die dritten und vierten Fotosensoren eine Breite besitzen, die größer als der Durchmesser des parallel ausgerichteten Strahls ist;
wobei das Signalverarbeitungsmittel darüber hinaus ein zweites Dif ferenzsignal zwischen den Ausgangssignalen der dritten und vierten Fotosensoren und ein Impulssignal aus dem ersten und zweiten Diffe renzsignal erzeugt, und ein Positionssignal des bewegbaren Körpers gemäß dem Impulssignal erzeugt werden kann.

18. Apparat nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eins der ersten und zweiten Kondensormittel eine Kondensorlinse enthält.

19. Apparat nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der ersten und zweiten Kondensormittel eine Fresnel-Zonen-Platte besitzt.

20. Apparat nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der dritten und vierten Kondensormittel eine Kondensorlinse enthalten.

21. Apparat nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der dritten und vierten Kondensormittel eine Fresnel-Zonen-Platte enthalten.

22. Apparat nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch:
eine feste Beugungsplatte und eine bewegbare Beugungsplatte, die je ein Gitter mit einem Gitterabstand "p" mit Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthalten, die parallel zueinander in einem Abstand "g" in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet sind, so daß der parallel ausgerichtete Strahl nachein ander von den Gittern in der festen und der bewegbaren Beugungs platte gebeugt wird; und
ein optisches Erfassungsmittel zur Erfassung einer Lichtmenge, die im wesentlichen durch Interferenz der Beugungskomponenten der Ord nungen ±1 hervorgerufen wurde, wobei die Beugungskomponenten durch aufeinanderfolgende Beugung an der ersten und der zweiten Beugungs platte erzeugt wurden;
wobei das erste und zweite Kondensormittel an der bewegbaren Beu gungsplatte befestigt ist und der kohärente, parallel ausgerichtete Strahl eine Wellenlänge λ und einen Durchmesser "D" besitzt; und
ein Versatz der bewegbaren Beugungsplatte aus der erfaßten Licht menge bestimmt werden kann.

23. Apparat nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel eine Kon densorlinse mit einer Eingangspupillengröße innerhalb eines Berei ches von D - 2gλ/p enthält, wobei die Kondensorlinse das durch die festen und bewegbaren Beugungsplatten hindurchtretende Licht konzen triert, und daß das optische Erfassungsmittel einen Fotosensor zur Erfassung von Licht enthält, das von der Kondensorlinse konzentriert wird.

24. Apparat nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel einen Fo tosensor enthält, der an einer Position im Abstand von der festen und bewegbaren Beugungsplatte von D/2λ - g oder mehr in einem Be reich innerhalb von D - 2gλ/p um die optische Achse angeordnet ist.

25. Apparat nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch:
eine erste feste Beugungsplatte, die ein erstes Gitter enthält, das Hauptbeugungskomponenten der Ordnung ±1 enthält;
einen Drehteller, der sich um ein Rotationszentrum drehen kann, wo bei die bewegbare Beugungsplatte ein zweites Gitter mit ringförmiger Gestalt enthält, das symmetrisch in Bezug auf das Rotationszentrum angeordnet ist, wobei das zweite Gitter denselben Gitterabstand wie das des ersten Gitters besitzt, das Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthält, wobei die erste feste Platte und der Drehtel ler parallel zueinander in einem optischen Pfad des parallel ausge richteten Strahls senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet ist, so daß der parallel ausge richtete Strahl nacheinander an dem ersten und zweiten Gitter gebeugt wird; und
ein optisches Lenkmittel zum Lenken eines Lichtes, das durch das erste und das zweite Gitter zu einer zweiten festen Platte an einer Position hindurchtritt, die symmetrisch in Bezug auf das Rotations zentrum des Drehtellers liegt; und
eine zweite feste Beugungsplatte mit einem dritten Gitter, die parallel zum Drehteller angeordnet ist, wobei das dritte Gitter Hauptbeugungskomponenten der Ordnung ±1 und einen Beugungswinkel besitzt, der dem der Beugungskomponenten der ersten festen Platte entspricht, wobei das dritte Gitter denselben Gitterabstand wie das der ersten festen Beugungsplatte besitzt, wobei die zweite feste Beugungsplatte in einem optischen Pfad des optischen Lenkmittels senkrecht zu der optischen Achse angeordnet ist, so daß von dem optischen Lenkmittel gelenktes Licht nacheinander von dem zweiten und dem dritten Gitter gebeugt wird;
einem optischen Erfassungsmittel zur Erfassung einer Lichtmenge, die im wesentlichen durch Interferenz von Beugungskomponenten der Ord nungen ±1 erzeugt wurde, wobei Beugungskomponenten durch aufeinand erfolgende Beugung an dem ersten, zweiten und dritten Gitter erzeugt wurden;
wobei das erste und zweite Kondensormittel an dem Drehteller in ei nem optischen Pfad des optischen Lenkmittels zu dem optischen Erfas sungsmittel befestigt ist.