DE4420276C2 - Apparat zur Versatzmessung von bewegten Körpern - Google Patents

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 257419/1991). 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 die selbe 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 sinα = tanα = 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 50 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(Nθ) + 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 θ 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 θ relativ zum Rotationszentrum 60 verschieden von einem Winkel θ_a relativ zum Zentrum 61 des Drehtellers 53. Falls r eine Distanz zwischen dem Rotationswinkel 60 und dem Fotosensor 55 bezeichnet, gilt δ = θ - θ_a = (ε/r)cosθ. Da das Ausgangssignal des Fotosensors 55 vom Winkel θ_a vom Zentrum des Drehtellers 61 abhängt, wird das Ausgangs­ signal gemäß Gleichung 9 ausgedrückt:

y = Asin(Nθ_a) + B = Asin{N(θ + (ε/r)cosθ)} + B (Gleichung 9)

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

N(θ + (ε/r)cosθ)/(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)(cosß - 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(θ + (ε/r)cosθ)} + B1 (Gleichung 13)

y2 = A2sin{N(θ - π + (ε/r)cos(θ - π))} + B2 = A2sin{N(θ - (ε/r)cosθ)} + 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(Nθ)cos{(Nε/r)cosθ} + 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)cosθ} 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.

Die Erfindung geht also aus von einem Stand der Technik, wie er in der bereits angegebenen japanischen Patentoffenlegungsschrift 25 74 19/1991 bekannt ist. Aus dieser Druckschrift ist eine optische Codiereinrichtung zum Messen einer Position oder eines Winkels eines bewegten Körpers bekannt. Parallel ausgerichte­ tes Licht trifft zunächst auf eine feste Beugungsplatte und anschließend - als gebeugtes Licht - auf eine bewegbare Beugungsplatte. Das aus der bewegbaren Beugungsplatte austretende Licht wird von einer Kondensorlinse konzentriert und seine optische Intensität von einem Fotosensor erfasst. Die Nachteile dieser be­ kannten Vorrichtung bestehen - wie bereits vorstehend ausgeführt - darin, dass entweder die minimale optische Intensität nicht Null wird, oder aber der Modula­ tionsgrad gestört ist. Hierdurch existiert Licht außerhalb der optischen Achse, wodurch der Modulationsgrad beeinträchtigt wird.

Aus der DE PS 38 07 011 wiederum ist es bei interferometrischen Längenmessvor­ richtungen mit Beugungsgittern bekannt, die Gitter als Phasengitter auszubilden und in einen positiven Beugungsstrahl erster Ordnung unter einem positiven Beu­ gungswinkel und einen negativen Beugungsstrahl erster Ordnung unter einem negativen Beugungswinkel zur optischen Achse des Strahlengangs aufzuspalten. Es werden jedoch keinerlei Hinweise gegeben, in welcher Weise die verschiedenen Größen λ, D, p und g zueinander in Bezug gesetzt werden sollen, um zu einer präzisen Positionserfassung zu gelangen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Apparat zur Versatzmessung eines bewegten Körpers vorzuschlagen, mit dem eine Position oder ein Winkel mit einem guten Modulationsgrad gemessen werden kann, um eine hohe Präzision bei der Positionsbestimmung zu ermöglichen. Hierbei soll gleichzeitig erreicht werden, dass nur geringe Beeinträchtigungen der Genauigkeit der Posi­ tionserfassung aufgrund von Intensitätsveränderungen des von einer Lichtquelle imitierten Lichtes oder durch Rauschen hervorgerufen werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Apparate nach den unabhängi­ gen Ansprüchen 1 oder 4 gelöst.

Die Aufgabe wird gleichzeitig gelöst durch die Apparate nach den Ansprüchen 7 oder 12.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entneh­ men. Hierbei ist berücksichtigt, dass die Verwendung von Prismen anstelle von Gittern an sich bekannt ist.

Gemäß einem ersten Aspekt 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.

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 zeigen:

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; und

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

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 herzu 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 ±1 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 θ in bezug zu einer Normalen der bewegbaren Beugungsplatte 14 dar, um eine Beziehung sin(θ) = ±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 θ einen Rotationswinkel des Drehtellers 4 bezeichnet, eine Bewegungsrichtung des Gitters von dem Drehteller 4 als eine positive Richtung des Rotationswinkels θ 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{-Nθ + α1}i

y2 = A2exp{Nθ + α2}i (Gleichung 19),

wobei i eine Einheit aus komplexen Zahlen (√(-1)), 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-Fbene 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{Nθ + α3}i

y4 = y2xA4exp{Nθ + α4}i (Gleichung 20)

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

|y3 + y4|² = (A1A2)² + (A3A4)² + 2cos(4Nθ + (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 E des Drehtellers 4 auftritt. Wenn der Drehteller 4 eine Exzentrizität besitzt, welche im Stand der Technik in Fig. 9 gezeigt ist, weicht ein Rotationswinkel θ eines bestimmten Punktes (z. B. 62 in Fig. 9) von einem Rotationswinkel θ_a im Hinblick auf das Zentrum des Drehtellers 4 ab. Der Rotationswinkel θ_a wird ausgedrückt als θ_a = θ + (ε/r)cosθ, wie aus der Zeichnung hervor­ geht. Deshalb werden die komplexen Amplituden der Ströme 31 und 32 wie folgt ausgedrückt:

y1 = A1exp{-N(θ + (ε/r)cosθ) +α1}i

y2 = A2exp{N(θ + (ε/r)cosθ) + α2}i (Gleichung 22)

In bezug auf den symmetrischen Punkt des bestimmten Punktes be­ züglich des Rotationszentrums des Drehtellers 4 gilt θ_a = θ - (ε/r)cosθ. Deshalb werden die komplexen Amplituden der Ströme 33 und 34 wie folgt ausgedrückt:

y3 = y1xA3exp{-N(θ - (ε/r)cosθ) + α3}i

y4 = y2xA4exp{N(θ - (ε/r)cosθ) + 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(4Nθ + (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 Spielgel 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 8 in bezug zu einer Normalen des Drehtellers 4, wobei die Gleichung sin(θ) = ±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 Benutzungs 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 Baisstruktur 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 θ_a des rotierenden Körpers - analog zu dem des Drehtellers 4, der in der vierten und fünften Ausführungsform benutzt wurde - als θ_a = θ + (ε/r)cosθ 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 Reflektionsmittel 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.

Claims (12)

1. Apparat zur Versatzmessung eines bewegten Körpers, mit:
einer Lichtquelle (11) zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausgerichteten Strahls mit einer Wellenlänge λ und einem Durchmesser "D";
einer festen Beugungsplatte (13) und einer bewegbaren Beugungsplatte (14) an dem bewegten Körper, die jeweils ein Gitter mit einem Gitterabstand "p" besitzen, wobei die feste und die bewegbare Beugungsplatte (13, 14) in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls parallel zueinander mit einem Abstand "g" und senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeord­ net sind, so daß der parallel ausgerichtete Strahl an den Gittern in der festen und in der bewegbaren Beugungsplatte (13, 14) nacheinander gebeugt wird, wobei die Gitter der festen Beugungsplatte (13) und der bewegbaren Beugungsplatte (14) Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthalten; und
einem optischen Erfassungsmittel (15, 16) zur Erfassung einer Lichtmenge, die im wesentlichen durch Interferenz der Beugungskomponenten der Ordnungen ±1 erzeugt wurde, wobei die Beugungskomponenten durch die aufeinanderfolgende Beugung an der festen und der bewegbaren Beugungsplatte erzeugt wurden;
dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel eine Kondensorlinse (15) mit einer Eingangspupillengröße innerhalb von D - 2gλ/p enthält, wobei die Kondensorlinse (15) das durch die feste und bewegbare Beugungsplatte (13, 14) hindurchtretende Licht konzentriert.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte (14) eine Platte ist, welche senkrecht zur optischen Achse linear bewegbar ist.

3. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte (14) eine Platte ist, welche um eine parallel zu der optischen Achse verlaufende Rotationsachse dreh­ bar ist.

4. Apparat zur Versatzmessung eines bewegten Körpers, mit:
einer Lichtquelle (11) zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausgerichteten Strahls mit einer Wellenlänge A und einem Durchmesser "D";
einer festen Beugungsplatte (13) und einer bewegbaren Beugungsplatte (14) an dem bewegten Körper, die jeweils ein Gitter mit einem Gitterabstand "p" besitzen, wobei die feste und die bewegbare Beugungsplatte (13, 14) in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls parallel zueinander mit einem Abstand "g" und senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeord­ net sind, so daß der parallel ausgerichtete Strahl an den Gittern in der festen und in der bewegbaren Beugungsplatte (13, 14) nacheinander gebeugt wird, wobei die Gitter der festen Beugungsplatte (13) und der bewegbaren Beugungsplatte (14) Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthalten; und
einem optischen Erfassungsmittel (15, 16) zur Erfassung einer Lichtmenge, die im wesentlichen durch Interferenz der Beugungskomponenten der Ordnungen ±1 erzeugt wurde, wobei die Beugungskomponenten durch die aufeinanderfolgende Beugung an der festen und der bewegbaren Beugungsplatte erzeugt wurden;
dadurch gekennzeichnet, daß das optische Erfassungsmittel einen Fotosensor (16) zur Erfassung von Licht enthält, der an einer Position im Abstand von D/2λ - g oder mehr von der festen und bewegbaren Beugungsplatte (13, 14) und in einem Bereich innerhalb von D - 2gλ/p um die optische Achse angeordnet ist.

5. Apparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte (14) eine Platte ist, welche senkrecht zur optischen Achse linear bewegbar ist.

6. Apparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Beugungsplatte (14) eine Platte ist, welche um eine parallel zu der optischen Achse verlaufende Rotationsachse dreh­ bar ist.

7. Apparat zur Versatz- oder Lageänderungsmessung eines bewegten Körpers, mit:
einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausgerichteten Strahls mit einer Wellenlänge λ;
einem Drehteller (4), 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 angeordnet ist und Hauptbeugungskomponen­ ten der Ordnungen ±1 besitzt;
einem optischen Lenkmittel (5, 6) zum Lenken eines durch ein erstes optisches Element und durch das Gitter des Drehtellers (4) zu einer zweiten optischen Platte hindurchtretenden Strahls, die sich an einer in bezug auf die Rotationsachse des Drehtellers symmetrischen Position befindet;
einem zweiten optischen Element (7), durch das der von dem optischen Lenkmittel gelenkte Strahl zu dem Drehteller (4) hindurchtritt; und
einem optischen Erfassungsmittel zur Erfassung einer Lichtmenge, welches nach­ einander durch das zweite optische Element und den Drehteller hindurchtritt, um eine Interferenz der Beugungskomponenten der Ordnungen ±1 zu erzeugen;
dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter als Phasengitter ausgebildet ist;
daß der kohärente parallel ausgerichtete Strahl durch das erste optische Element (3) hindurchtritt, um einen Strahl zu dem Drehteller (4) zu erzeugen, der einen Winkel θ zur Normalen zu dem Drehteller (4) einschließt, so daß sin(θ) = ±λ/p gilt; und
daß der von dem zweiten optischen Element (7) auf den Drehteller (4) gerichtete Strahl einen Winkel θ zur Normalen zu dem Drehteller (4) einschließt, so daß sin(θ) = ±λ/p gilt.

8. Apparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element (3) eine erste feste Platte mit einem zweiten Gitter ist, das Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 aufweist und den selben Gitterabstand besitzt wie das Gitter des Drehtellers (4), wobei die erste feste Platte und der Drehteller in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls parallel zueinander und senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet sind, so daß der parallel ausge­ richtete Strahl nacheinander von der ersten festen Platte und dem Drehteller (4) ge­ beugt wird.

9. Apparat nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element (7) eine erste feste Platte mit einem zweiten Gitter ist, welches Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 besitzt und den selben Gitterabstand wie das Gitter des Drehtellers (4) aufweist, wobei die erste feste Platte und der Drehteller (4) in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten 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 (4) gebeugt wird.

10. Apparat nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische Element (3) ein dreieckiges Prisma ist, welches einen in das Prisma senkrecht eintretenden Strahl bricht und einen Ablenkungswinkel besitzt, der einem Beugungswinkel des Drehtellers (4) ent­ spricht.

11. Apparat nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische Element (7) ein dreieckiges Prisma ist, welches einen senkrecht in das Prisma eintretenden Strahl bricht und einen Ablenkungswinkel besitzt, der dem Beugungswinkel des Drehtellers (4) ent­ spricht.

12. Apparat zur Versatzmessung eines bewegten Körpers, mit:
einer Lichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausgerichteten Strahls;
einer ersten festen Beugungsplatte (3') mit einem ersten Gitter;
einem Drehteller (10), der um ein Rotationszentrum senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls drehbar ist und eine bewegbare Beu­ gungsplatte mit einem zweiten Gitter mit ringförmiger Gestalt besitzt, welches in Bezug auf das Rotationszentrum symmetrisch angeordnet ist;
einer zweiten festen Beugungsplatte (7'), die ein drittes Gitter enthält, in dem Drehteller (10) und parallel zu der ersten festen Beugungsplatte (3') angeordnet ist; und
einem optischen Erfassungsmittel (8) zur Erfassung einer Lichtmenge, die im wesentlichen durch Interferenz der Beugungskomponenten der Ordnungen ±1 erzeugt wird, wobei die Beugungskomponenten durch aufeinanderfolgende Beu­ gung an dem ersten, zweiten und dritten Gitter erzeugt wurde;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gitter als Phasengitter ausgebildet sind;
daß das erste Gitter, das zweite Gitter und das dritte Gitter Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthält, das zweite Gitter und das dritte Gitter denselben Gitterabstand wie das des ersten Gitters aufweist und das dritte Gitter einen Beugungswinkel besitzt, der dem der Hauptbeugungskom­ ponenten der ersten festen Beugungsplatte (3') entspricht, und die erste und zweite feste Beugungsplatte (3', 7') und der Drehteller (10) so angeordnet sind,
daß das parallel ausgerichtete Licht nacheinander von dem ersten Gitter, dem zweiten Gitter, dem dritten Gitter und dem zweiten Gitter gebeugt wird.