DE69123899T2

DE69123899T2 - Optisches Gerät zum Detektieren der Position

Info

Publication number: DE69123899T2
Application number: DE69123899T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Katayama
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: US5194919A; EP0473124A1; DE69123899D1; EP0473124B1; JP2617237B2; JPH04109103A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Positionsdetektions-Gerät, welches die Position eines Körpers mit einem Lichtstrahl detektiert, der auf ein Lichtempfangselement auftrifft. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein optisches Positionsdetektions- Gerät, welches dafür verwendet wird, die Position einer Objektivlinse in einem optischen Kopf zu detektieren, der in einem Gerät für optische Disks wie einem Gerät für Compact Disks verwendet wird.
In einem optischen Kopf, der zur Durchführung einer Aufzeichnung oder einer Wiedergabe auf oder von einer optischen Disk verwendet wird, wird die Brennpunkteinstellung und die Spurführungseinstellung durch einen Aktuator durchgeführt, welcher eine Objektivlinse antreibt. Die Objektivlinse wird auf der Grundlage der Detektion der Positionsabweichungen einer Fokussierungsrichtung und einer Spurführungsrichtung eines auf die optische Disk gerichteten Lichtflecks angetrieben. Die Detektion der Positionsabweichungen geschieht dadurch, daß von der optischen Disk reflektiertes Licht auf ein Lichtempfangselement auftrifft.
Wenn sich die Objektivlinse während der Spurführungseinstellung in der Spurführungsrichtung verschiebt, bewegt sich ebenfalls die bestrahlte Stelle auf dem Lichtempfangselement, auf das das Licht auftrifft, da sich das von der optischen Disk reflektierte Licht ebenfalls verschiebt. Das von der optischen Disk reflektierte Licht verschiebt sich, da das Zentrum der Objektivlinse aus dem Zentrum des von der Lichtquelle emittierten Lichts verschoben wird. Als Resultat wird, auch wenn die Spurführungsposition des Lichtflecks korrekt ist, ein fehlerhaftes Spurführungsfehlersignal erzeugt.
Um dies zu vermeiden, offenbart die japanische Offenlegungspublikation Nr. 79943 (1989) ein optisches Positionsdetektions-Gerät, welches in dem optischen Kopf eingebaut ist. In diesem optischen Positionsdetektions-Gerät wird eine zweite Lichtquelle (zum Beispiel) an den Aktuator befestigt und ein zweites Lichtempfangselement wird an eine spezifizierte Position gesetzt. Die zweite Lichtquelle wird separat von der Lichtquelle angeordnet, welche für die Aufzeichnung und die Wiedergabe auf/von der optischen Disk verwendet wird, und das zweite Lichtempfangselement wird separat von dem Lichtempfangselement angeordnet, welches das von der optischen Disk reflektierte Licht detektiert. Ein von der zweiten Lichtquelle emittierter Lichtstrahl bildet einen Lichtfleck auf dem zweiten Lichtempfangselement und die Bewegung des Aktuators wird durch Detektieren der Verschiebung des Lichtflecks auf dem zweiten Lichtempfangselement detektiert. Die Verwendung eines derartigen optischen Positionsdetektions-Geräts bewirkt, daß das fehlerhafte Spurführungsfehlersignal, welches mit einer Verschiebung der Objektivlinse entlang der Spurführungsrichtung erzeugt wird, aufgehoben wird. Somit wird ein genaues Spurführungsfehlersignal erzielt.
Wie gezeigt in Fig. 14 kann zum Beispiel ein Kantenelement 5 in einem optischen Positionsdetektions-Gerät verwendet werden. Dabei wird ein Lichtstrahl 2 mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt von einer Lichtquelle 1 (wie einer Lichtemissionsdiode oder einem Laser) emittiert. Der Lichtstrahl 2 bildet einen Lichtfleck 4 (dargestellt durch Schraffur) auf einem Lichtempfangselement 3. Ein Teil des von der Lichtquelle 1 emittierten Lichtstrahls 2 wird durch das Kantenelement 5 unterbrochen. Wenn zum Beispiel die Lichtquelle 1 und das Lichtempfangselement 3 unbeweglich sind und das Kantenelement 5 entlang einer x-Achse verschoben wird, ändert sich die von dem Lichtfleck bedeckte Fläche, da sich die durch das Kantenelement 5 unterbrochene Lichtmenge ändert, wenn das Kantenelement entlang der x-Achse verschoben wird. Folglich wird die Änderung der Position des Kantenelements 5 als Änderung der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 3 detektiert.
Eine Verschiebung der Lichtquelle 1 entlang der x-Achse kann in ähnlicher Weise als Anderung der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 3 detektiert werden, indem das Kantenelement 5 und das Lichtempfangselement 3 unbeweglich gemacht werden.
Ferner ist, wie gezeigt in Fig. 18, ein konventionell verwendetes Lichtempfangselement 6 in vier lichtempfangende Sektionen 6a, 6b, 6c und 6d durch Trennungslinien 6e und 6f unterteilt, die jeweils zu einer x-Achse und einer y-Achse parallel sind. In diesem Fall wird das Lichtempfangselement 6 unbeweglich gemacht. Als Resultat, wenn eine Lichtquelle 1 entlang der x-Achse bewegt wird, steigen die Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6a und 6d an und die Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6b und 6c nehmen ab da sich ein durch einen Lichtstrahl 2 gebildeter Lichtfleck 7 (dargestellt durch Schraffur) entlang der x-Achse verschiebt. Somit kann eine Verschiebung der Lichtquelle 1 entlang der x-Achse durch Vergleichen der Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6a und 6d mit der Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6b und 6c detektiert werden. Wenn darüberhinaus die Lichtquelle sich entlang der y-Achse verschiebt, kann eine Verschiebung der Lichtquelle 1 entlang der y-Achse durch Vergleichen der Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6a und 6b mit der Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6c und 6d detektiert werden. Mit anderen Worten kann das in vier Lichtempfangssektionen 6a bis 6d unterteilte Lichtempfangselement 6 eine zweidimensionale Verschiebung detektieren.
In der in Fig. 14 dargestellten Konfiguration wird der Lichtfleck 4 halbkreisförmig, wenn eine Hälfte des Lichtstrahls 2 der Lichtquelle 1 von dem Kantenelement 5 unterbrochen wird. Eine in der Fig. 15 durch Schraffur dargestellte Region zeigt eine Verminderung in der Fläche des Lichtflecks 4 an, wenn das Kantenelement 5 in dem vorstehend beschriebenen Zustand um Δx entlang der x-Achse verschoben wird. Δx ist die Verschiebung einer Projektion auf dem Lichtempfangselement 3 des Kantenelements 5.
Eine in der Fig. 16 durch Schraffur dargestellte Region zeigt eine Verminderung in der Fläche des Lichtflecks 4 an, wenn das Kantenelement 5 um Δx entlang der x-Achse verschoben wird, wobei das Kantenelement 5 anfänglich in einem Zustand ist, in dem mehr als die Hälfte des Lichtstrahls 2 durch das Kantenelement 5 unterbrochen wird.
Wie aus den Figuren 15 und 16 ersichtlich ist, variiert die Stärke der Verminderung der Fläche des Lichtflecks 4 aufgrund einer gegebenen Verschiebung des Kantenelements 5 abhängig von der Position des Kantenelements 5, bevor die Verschiebung stattfindet. Da die Ausgangsgröße des Lichtempfangselements proportional zu der von dem Lichtfleck 4 bedeckten Fläche ist, unterscheidet sich die Änderung in dem Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 3 aufgrund einer gegebenen Verschiebung des Kantenelements 5 demgemäß in Abhängigkeit von der anfänglichen Position des Kantenelements 5. Dies liegt an der Tatsache, daß die Form des Fernfeldes der Lichtquelle 1 zirkular (oder elliptisch) ist.
Fig. 17 zeigt die Änderung in dem Ausgangssignal des Lichtempfangselements 3, wenn das Kantenelement 5 entlang der x-Achse verschoben wird, wobei die Lichtquelle 1 und das Lichtempfangselement 3 fixiert sind, so daß sie unbeweglich sind. Die vertikale Achse zeigt die Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 3. Die horizontale Achse zeigt die Position des Kantenelements 5. Die Position des Kantenelements 5 entspricht Null auf der horizontalen Achse, wenn die Kante des Kantenelements 5 durch das Zentrum des Lichtstrahls läuft. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, nimmt die Linearität zwischen der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 3 und der Position des Kantenelements 5 stark ab, wenn das Kantenelement 5 aus dem Zentrum des Lichtstrahls 2 verschoben wird. In der Figur ist r der Radius des Lichtstrahls 2 in einer Ebene, in der das Kantenelement 5 liegt.
Wenn ferner in der in der Fig. 18 dargestellten Konfiguration die Lichtquelle 1 entlang der x-Achse verschoben wird, wobei das Lichtempfangselement 6 fixiert ist, so daß es unbeweglich ist, wird eine Linearität zwischen der Position der Lichtquelle 1 entlang der x- Achse und einer differentiellen Ausgangsgröße des Lichtempfangselement 6 nicht erreicht ((Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6a und 6d) - (Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6b und 6c)), wie graphisch gezeigt in Fig. 19. Wenn die Lichtquelle 1 entlang der y-Achse verschoben wird, wobei das Lichtempfangselement 6 fixiert ist, so daß es unbeweglich ist, ähnelt das Verhältnis zwischen der Position der Lichtquelle 1 entlang der y-Achse und einer differentiellem Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 6 ((Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6a und 6b) - (Summe der Ausgangsgrößen der Lichtempfangssektionen 6c und 6d)) dem in Fig. 19 dargestellten, und die Linearität wird in ähnlicher Weise nicht erreicht.
Wie oben beschrieben, unterscheidet sich die Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselement 3 bei einem konventionellen optischen Positionsdetektions-Gerät auch dann, wenn die Größe der Verschiebung des Kantenelements 5 (s.Fig. 14) dieselbe ist. Als Resultat wird eine genaue Detektion der Größe der Verschiebung schwierig. Ebenso unterscheidet sich die Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 6 auch dann wenn die Größe der Verschiebung der Lichtquelle 1 (s.Fig. 18) dieselbe ist. In diesem Fall wird die Detektion der Größe der Verschiebung ebenfalls schwierig.
Ein Grad von Linearität zwischen der Position des Kantenelements 5 und der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 3 wird erreicht, wenn die Kante des Kantenelements 5 in der Umgebung des Zentrums des Lichtstrahls 2 liegt. Ferner wird ein Grad von Linearität zwischen der Position des Lichtflecks 7 und der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 6 erreicht, wenn der Lichtfleck 7 sich in der Umgebung des Zentrums des Lichtempfangselements 6 befindet. In diesem Fall verbleibt jedoch das Problem, daß der detektierbare Bereich der Größe der Verschiebung des Kantenelements 5 oder des Lichtflecks 7 eng werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Positionsdetektions-Gerät anzugeben, welches die Position eines Körpers genau detektieren kann.
Zur Lösung der obigen Aufgabe umfaßt ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 eine Lichtquelle und ein Lichtempfangselement zum Detektieren eines von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls, wobei das optische Positionsdetektions-Gerät dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Region, in der der Lichtstrahl auf ein Lichtempfangselement auftrifft, parallele Ränder aufweist, und diese Ränder sich in Richtungen erstrecken, die im wesentlichen den Richtungen der relativen Verschiebung der Region und des Lichtempfangselements entsprechen, und die relative Verschiebung während der Verschiebung eines Körpers auftritt.
Mit der vorstehenden Anordnung kann die relative Verschiebung durch Detektieren einer Änderung in der Fläche der Region detektiert werden. Die Größe der Verschiebung des Körpers verbleibt proportional einer Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements, da eine konstante Breite der Region entlang einer Richtung senkrecht in Bezug auf die Richtung der relativen Verschiebung beibehalten wird (unabhängig davon, von wo die Verschiebung des Körpers beginnt). Mit anderen Worten kann die Verschiebung des Körpers genau detektiert werden, da Linearität zwischen beiden erreicht wird.
Für ein besseres Verständnis der Natur und der Vorteile der Erfindung wird Bezug genommen auf die nun folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den angefügten Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 und 2 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 eine schematische Vorderansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig.2 eine schematische Vorderansicht einer Änderung der Fläche einer Region, die während der Verschiebung eines Lichtflecks auftritt.
Fig.3 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als schematische perspektivische Ansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig.4 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als schematische perspektivische Ansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig.5 und 6 eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig.5 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig.6 eine erläuternde Ansicht zur Darstellung eines Filterelements und seiner Transmissionsverteilung.
Fig.7 und 8 eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig.7 eine erläuternde Ansicht zur Darstellung der Verteilung der Lichtintensität über den Querschnitt eines Lichtstrahls.
Fig. 8 eine erläuternde Ansicht zur Darstellung eines Filterelements und seiner Transmissionsverteilung.
Fig.9 bis 11 eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig.9 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig. 10 eine schematische Vorderansicht zur Darstellung einer Lichtunterbrechungsplatte.
Fig. 11 eine schematische Vorderansicht zur Darstehung relativer Positionen einer Region und eines Lichtempfangselements.
Fig. 12 und 13 eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig. 13 eine schematische Vorderansicht zur Darstellung relativer Positionen einer Region und eines Lichtempfangselements.
Fig. 14 bis 17 ein konventionelles Beispiel.
Fig. 14 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig. 15 und 16 erläuternde Ansichten zur Darstellung der jeweiligen Änderungen der Fläche einer Region, auf die ein Lichtfleck auftrifft, wobei die Änderungen während der Verschiebungen eines Kantenelements auftreten.
Fig. 17 ein Graph zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Position des Kantenelements und der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements.
Fig. 18 und 19 ein anderes konventionelles Beispiel.
Fig. 18 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Positionsdetektions-Geräts.
Fig. 19 ein Graph zur Darstellung des Verhältnisses zwischen der Verschiebung einer Lichtquelle und der Ausgangsgröße eines Lichtempfangselements.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 beschrieben.
Wie dargestellt in Fig. 1, weist ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Ausführungsform eine Lichtquelle (nicht dargestellt) wie eine Lichtemissionsdiode oder eine Laserdiode und ein Lichtempfangselement 11 auf. Das Lichtempfangselement 11 ist trapezförmig und weist vier Seiten 11a, 11b, 11c und 11d auf. Die zwei gegenüberliegenden Seiten 11a und 11b sind zueinander parallel und erstrecken sich entlang der x-Achse.
Ein von einer Lichtquelle emittierter Lichtstrahl bildet einen im wesentlichen kreisförmigen Lichtfleck 12a in einer Ebene, die das Lichtempfangselement 11 enthält. Eine Region 13 des Lichtempfangselements 11, auf die der Lichtstrahl auftrifft, weist Ränder 13a und 13b auf. Die Ränder 13a und 13b sind zueinander parallel, da sie jeweils Teile der Seiten 11a und 11b sind.
Dieses optische Positionsdetektions-Gerät kann als ein eindimensionales Detektionsgerät zum Detektieren einer Verschiebung einer Lichtquelle entlang der x-Achse verwendet werden. Wie aus Fig.2 deutlich wird, ist aufgrund der Tatsache, daß die Breite der Region 13 entlang der y-Achse innerhalb eines Bereichs L (die Seiten 11a und 11b sind innerhalb des Bereichs L zueinander parallel) konstant ist, falls eine Verschiebung (angedeutet in Fig.2 durchΔx) des Lichtflecks 12a entlang der x-Achse, die während einer Verschiebung der Lichtquelle auftritt, konstant ist, eine Änderung der Fläche der Region 13 (dargestellt in Fig.2 durch Schraffur) konstant innerhalb des Bereichs L. Folglich wird Linearität zwischen der Größe der Verschiebung der Lichtquelle und einer Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 11 erzielt. Die Verschiebung der Lichtquelle kann somit genauer detektiert werden.
Das optische Positionsdetektions-Gerät kann zum Beispiel in einem optischen Kopf eines Geräts für optische Disks (nicht dargestellt) verwendet werden, um eine Größe der Verschiebung in einer Spurführungsrichtung (einer Richtung senkrecht zu einer Richtung der Aufzeichnungsspuren) eines Aktuators zu detektieren, wenn der Aktuator eine Objektivlinse in der Spurführungsrichtung antreibt. In diesem Fall kann zum Beispiel entweder die Lichtquelle oder das Lichtempfangselement 11 an den Aktuator befestigt werden, wobei das jeweils andere Element unbeweglich fixiert wird. Alternativ kann sowohl die Lichtquelle als auch das Lichtempfangselement 11 unbeweglich fixiert werden und ein reflektierender Spiegel kann an den Aktuator befestigt werden, wobei der reflektierende Spiegel den Lichtstrahl von der Lichtquelle zu dem Lichtempfangselement 11 reflektiert.
In jeder der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind die Anordnungen der Lichtquelle, des Lichtempfangselements etc. nicht beschrieben. Diese können wie in der ersten Ausführungsform angeordnet werden.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig.3 beschrieben.
Ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Ausführungsform umfaßt eine Lichtquelle 14, ein Lichtempfangselement 15 und eine Lichtünterbrechungsplatte 16, die als lichtunterbrechendes Element dient, welches zwischen der Lichtquelle 14 und dem Lichtempfangselement 15 angeordnet ist. Die Lichtunterbrechungsplatte 16 weist eine Öffnung 16a auf, die im wesentlichen rechteckförmig ist. Die Öffnung 16a weist zwei Seiten 16b und 16c auf, die zueinander parallel sind und sich entlang der x-Achse erstrecken.
Ein Lichtstrahl 12 mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt wird von einer Lichtquelle 14 emittiert. Ein Teil des Lichtstrahls 12 geht durch die Öffnung 16a hindurch und trifft auf dem Lichtempfangselement 15 auf. Eine Region 17 auf dem Lichtempfangselement 15, auf der der Teil des Lichtstrahls 12 auftrifft, weist Ränder 17a und 17b auf. Da die Ränder 17a und 17b Projektionen der Seiten 16b und 16c sind, sind sie zueinander parallel und erstrecken sich entlang der x-Achse. Dieses optische Positionsdetektions-Gerät kann als ein eindimensionales Detektionsgerät zum Detektieren einer Verschiebung der Lichtquelle entlang der x-Achse verwendet werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist auch die Breite entlang der y-Achse der Region 17 konstant. Folglich bleiben die Größe der Verschiebung des Lichtstrahls 12 entlang der x-Achse und die Änderung der Fläche der Region 17 einander proportional, solange die Verschiebung des Lichtstrahls 12 innerhalb der Öffnung geschieht. Als Resultat wird eine Linearität zwischen der Größe der Verschiebung der Lichtquelle 14 und der Änderung der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 15 erzielt.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig.4 beschrieben. Aus praktischen Gründen werden Elemente mit derselben Funktion wie in der vorangegangenen Ausführungsform mit derselben Ziffer bezeichnet und ihre Beschreibung wird weggelassen.
Wie dargestellt in Fig.4, weist ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Ausführungsform eine Lichtquelle 14, ein rechteckiges Lichtempfangselement 15 und eine Lichtunterbrechungsplatte 18 auf, welche als lichtunterbrechendes Element dient und zwischen der Lichtquelle 14 und dem Lichtempfangselement 15 angeordnet ist. Eine rechtekkige weggeschnittene Sektion 1 8a ist in die Lichtunterbrechungsplatte 18 geformt.
Ein Lichtstrahl 12 mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt wird von einer Lichtquelle 14 emittiert. Ein Teil des Lichtstrahls 12 geht durch die weggeschnittene Sektion 18a hindurch und trifft auf das Lichtempfangselement 15 auf. Eine Region 20 auf dem Lichtempfangselement 15, auf die der Teil des Lichtstrahls 12 auftrifft, weist Ränder 20a und 20b auf. Die Ränder 20a und 20b sind zueinander parallel und erstrecken sich entlang der x-Achse. Das liegt daran, daß der Rand 20a eine Projektion der Seite 18b (die sich entlang der x-Achse erstreckt) der weggeschnittenen Sektion 18a ist und der Rand 20b ein Teil einer Seite 15a (die sich entlang der x-Achse erstreckt) des Lichtempfangselements ist.
Dieses optische Positionsdetektions-Gerät kann als ein eindimensionales Detektionsgerät zum Detektieren einer Verschiebung der Lichtquelle 14 entlang der x-Achse verwendet werden. Wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform wird Linearität zwischen der Größe der Verschiebung der Lichtquelle 14 entlang der x-Achse und einer Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 15 erzielt.
Da ferner die Längen der Seiten 16b, 16c (s.Fig.3) und 18b einfach bestimmt und geändert werden können, kann ein gewünschter Bereich, innerhalb dem Linearität erzielt werden soll, frei bestimmt werden. Es ist ebenso möglich, bei spezifizierten Positionen eine Nichtlinearität zwischen der Größe der Verschiebung der entsprechenden Lichtquelle 14 entlang der x-Achse und der Änderung in der Ausgangsgröße des entsprechenden Lichtempfangselements 15 einzuführen, indem (im Fall der zweiten Ausführungsform) die Seiten 16b und 16c und (im Fall der dritten Ausführungsform) die Seite 18b teilweise nichtlinear gemacht werden.
Eine vierte Ausführungsform wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6 beschrieben. Aus praktischen Gründen werden Elemente mit derselben Funktion wie in der vorangegangenen Ausführungsform mit derselben Ziffer bezeichnet und ihre Beschreibung wird weggelassen.
Wie gezeigt in Fig.5, weist ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Ausführungsform eine Lichtquelle 14, ein Lichtempfangselement 15 und ein zwischen der Lichtquelle 14 und dem Lichtempfangselement 15 angeordnetes Filterelement 21 auf Übersetzung des Europäischen Patents Nr.0 473 124 - 11 -
Wie gezeigt in Fig.6, weist das Filterelement 21 eine im wesentlichen H-förmige erste Sektion 21a und zweite und dritte Sektionen 21b und 21c (dargestellt durch Schraffür in Fig.6) auf, die rechteckförmig sind. Die Durchlässigkeit oder Transmission ist hoch und konstant (wie dargestellt durch den Graph A in Fig.6) in der ersten Sektion 21a entlang der abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien I-I und V-V, die parallel zur y-Achse sind. Ferner ist die Transmission entlang der abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien II-II, III- III und IV-IV (ebenso parallel zur y-Achse) hoch in der ersten Sektion 21a und niedrig in der zweiten und dritten Sektion 21b und 21c (wie dargestellt durch den Graph B). Schließlich ist die Transmission hoch und konstant (wie dargestellt durch den Graph C) entlang einer abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linie VI-VI, die parallel zur x-Achse ist. Mit anderen Worten haben die zweiten und dritten Sektionen 21b und 21c (dargestellt durch Schraffur) des Filterelements 21 eine niedrigere Transmission verglichen zu der ersten Sektion 21a.
Ein Lichtstrahl 12 wird von der Lichtquelle 14 emittiert. Der Lichtstrahl 12 trifft auf das Filterelement 21 auf einen Teil ausschließlich der äußeren Enden auf, die die vertikalen Teile der im wesentlichen H-förmigen ersten Sektion 21a sind (entlang der abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linien I-I und V-V). Im Ergebnis nimmt der Lichtstrahl 12 an den zwei Enden entlang der x-Achse (d.h. entlang der abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linie VI-Vl) die Form eines Kreisbogens an, wenn ein Teil des Lichtstrahls 12 durch das Filterelement 21 transmittiert wird. Nachdem der Lichtstrahl 12 durch das Filterelement 21 transmittiert wurde, trifft er auf eine Ebene auf, die das Lichtempfangselement 15 enthält. Eine Region 22 auf dem Lichtempfangselement 15, auf die der Lichtstrahl 12 auftrifft, weist zwei Ränder 22a und 22b auf, wie durch die Schraffur in Fig.5 dargestellt ist. Die Ränder 22a und 22b sind zueinander parallel und erstrecken sich entlang der x-Achse. Sie sind deshalb zueinander parallel, da der Rand 22a eine Projektion der Randlinie zwischen der ersten Sektion 21a und der zweiten Sektion 21b ist, und der Rand 22b eine Projektion einer Randlinie zwischen der ersten Sektion 21a und der dritten Sektion 21c ist.
Dieses optische Positionsdetektions-Gerät kann als ein eindimensionales Detektionsgerät zum Detektieren einer Verschiebung der Lichtquelle 14 entlang der x-Achse verwendet werden. Somit wird eine Linearität zwischen einer Größe der Verschiebung der Lichtquelle 14 und einer Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 15 erreicht.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 7 und 8 beschrieben. Aus praktischen Gründen werden Elemente mit derselben Funktion wie in der vorangegangenen Ausführungsform mit derselben Ziffer bezeichnet und ihre Beschreibung wird weggelassen.
Ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Ausführungsform ist eine Variation des optischen Positionsdetektions-Gerät der vierten Ausführungsform. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird der Fall betrachtet, daß die Lichtintensität eines von einer Lichtquelle 14 emittierten Lichtstrahls 12 im Zentrum eines Querschnitts 12b hoch ist und bei Annäherung an dessen Peripherie zunehmend schwächer wird, wobei die Lichtintensität entlang einer abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linie VII-VII gemessen wird, die zu einer x-Achse parallel ist und durch das Zentrum des Querschnitts 12b verläuft. Die Lichtintensität ist also ebenfalls ungleichförmig entlang der x-Achse in einer Region 22 (s. Fig.5) auf einem Lichtempfangselement 15. Folglich hört die Linearität zwischen der Größe der Verschiebung der Lichtquelle 14 und einer Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 15 auf zu existieren.
In einem Fall, in dem der Querschnitt 12b des Lichtstrahls 12 eine derartige Verteilung der Lichtintensität entlang der x-Achse aufweist, wird dafür gesorgt, daß, wie in Fig.8 gezeigt, eine erste Sektion 21a eines Filterelements 21 eine Transmissionsverteilung aufweist, bei der die Transmission entlang einer abwechselnd lang und kurz gestrichelten Linie VIII- VIII (die parallel zur x-Achse ist) in einem zentralen Teil niedrig ist und bei Annäherung an die zwei vertikalen Enden der H-förmigen ersten Sektion 21a höher wird. Die Transmissionsverteilung sollte derart sein, daß ein Teil des Lichtstrahls 12, der durch das Filterelement 21 transmittiert wird, eine im wesentlichen gleichförmige Verteilung der Lichtintensität entlang der x-Achse annimmt. Dementsprechend wird zwischen der Größe der Verschiebung der Lichtquelle 14 und der Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselement 15 eine Linearität erzielt. In der vorliegenden Ausführungsform können das Filterelement 21 und die Lichtquelle 14 in Bezug auf das Lichtempfangselement 15 integral verschoben werden. Alternativ kann auch nur das Lichtempfangselement 15 verschoben werden.
Eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 9 bis 11 beschrieben. Aus praktischen Gründen werden Elemente mit derselben Funktion wie in der vorangegangenen Ausführungsform mit derselben Ziffer bezeichnet und ihre Beschreibung wird weggelassen.
Wie dargestellt in Fig.9, umfaßt ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Ausführungsform eine Lichtquelle 14, ein Lichtempfangselement 23, das in vier Lichtempfangssektionen 23a, 23b, 23c und 23d durch zwei Trennungslinien 23e und 23f unterteilt ist, die zu einer x-Achse und einer y-Achse parallel sind, und eine Lichtunterbrechungsplatte 24, die als ein lichtunterbrechendes Element dient und zwischen der Lichtquelle 14 und dem Lichtempfangselement 23 angeordnet ist.
Wie dargestellt in Fig. 10, ist in der Lichtunterbrechungsplatte 24 eine Öffhung 25 gebildet, die im wesentlichen wie ein Parallelogramm geformt ist. Die Öffnung 25 weist demgemäß zwei parallele Paare von Seiten 25a-25b und 25c-25d auf. Mit anderen Worten sind die Seiten 25a und 25b einander parallel und die Seiten 25c und 25d sind einander parallel. Die Seiten 25a und 25d können in Bezug auf die x-Achse wie auch in Bezug auf die y- Achse geneigt sein.
Ein Lichtstrahl 12 wird von einer Lichtquelle 14 emittiert. Ein Teil des Lichtstrahls 12 trifft auf das Lichtempfangselement 23 au{ nachdem er durch die Öffnung 25 der Lichtunterbrechungsplatte 24 hindurchgetreten ist. Wie durch die Schraffur in Fig.9 dargestellt, weist eine Region 26 auf dem Lichtempfangselement 23, auf der der Teil des Lichtstrahls 12 auftrifft, Ränder 26a, 26b, 26c und 26d auf. Ein Paar 26a-26b und ein Paar 26c-26d der Ränder sind parallele Paare, da die Ränder 26a bis 26d jeweils Projektionen der Seiten 25a bis 25d sind und die Paare der Seiten 25a-25b und 25c-25d parallele Paare sind.
Dieses optische Positionsdetektions-Gerät kann als ein zweidimensionales Detektionsgerät zum Detektieren einer Verschiebung der Lichtquelle 14 entlang der x-Achse und der y- Achse verwendet werden. Da zwischen der Größe der Verschiebung der Lichtquelle 14 und der Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 23 Linearität erzielt werden soll, ist es notwendig, daß die Ränder 26a und 26b der Region 26 die Trennungslinie 23f kreuzen und daß die Ränder 26c und 26d der Region 26 die Trennungslinie 23e kreuzen. Mit anderen Worten, wie dargestellt in Fig. 11, wird Linearität zwischen der Ausgangsgröße und der Verschiebung entlang der x-Achse erzielt, solange der Kreuzungspunkt der zwei Trennungslinien 23e und 23f innerhalb eines Bereichs hx liegt, in dem die Ränder 26a und 26b parallel sind. Ferner wird Linearität zwischen der Ausgangsgröße und der Verschiebung entlang der y-Achse erzielt, solange der Kreuzungspunkt der zwei Trennungslinien 23e und 23f innerhalb eines Bereichs hy liegt, in dem die Ränder 26c und 26d parallel sind.
In der vorliegenden Ausführungsform wird entweder nur die Lichtunterbrechungsplatte 24 verschoben oder die Lichtunterbrechungsplatte 24 und die Lichtquelle 14 werden integral verschoben.
Eine siebte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 12 bis 13 beschrieben. Aus praktischen Gründen werden Elemente mit derselben Funktion wie in der vorangegangenen Ausführungsform mit derselben Ziffer bezeichnet und ihre Beschreibung wird weggelassen.
Wie dargestellt in Fig. 12, umfaßt ein optisches Positionsdetektions-Gerät der vorliegenden Ausführungsform eine Lichtquelle 14, ein Lichtempfangselement 23, das in vier Lichtempfangssektionen 23a, 23b, 23c und 23d durch zwei Trennungslinien 23e und 23f unterteilt ist, die zu einer x-Achse und einer y-Achse parallel sind, und eine Lichtunterbrechungsplatte 27, die als ein lichtunterbrechendes Element dient und zwischen der Lichtquelle 14 und dem Lichtempfangselement 23 angeordnet ist. Eine rechteckige Öffnung 28 ist in der Lichtunterbrechungsplatte 27 geformt. Die Öffnung 28 weist ein paralleles Paar von Seiten 28a-28b auf, welches sich entlang der x-Achse erstreckt, und ein paralleles Paar von Seiten 28c-28d, welches sich entlang der y-Achse erstreckt.
Ein Lichtstrahl 12 wird von einer Lichtquelle 14 emittiert. Ein Teil des Lichtstrahls 12 fällt durch die Öffnung 28 der Lichtunterbrechungsplatte 27 und trifft auf das Lichtempfangselement 23 auf. Wie durch die Schraffür in Fig. 12 dargestellt, weist eine Region 29 auf dem Lichtempfangselement 23, auf die der Teil des Lichtstrahls 12 auftrifft, vier Ränder 29a, 29b, 29c und 29d auf. Jedes Paar der Ränder 29a-29b und 29c-29d ist zueinander parallel, da die Ränder 29a bis 29d jeweils Projektionen der Seiten 28a bis 28d sind und die Paare der Seiten 28a-28b und 28c-28d parallele Paare sind. Die Ränder 29a und 29b erstrecken sich entlang der x-Achse und die Ränder 29c und 29d erstrecken sich entlang der y-Achse. Da die Region 29 ein perfektes Rechteck ist (sie kann such ein Quadrat sein), wie dargestellt durch Fig. 13, wird zwischen der Größe der Verschiebung der Lichtquelle 14 und einer Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 15 eine Linearität erzielt, solange der Kreuzungspunkt der Trennungslinien 23e und 23f innerhalb eines Bereichs lx liegt, in dem die Ränder 29a und 29b zueinander parallel sind und solange der Kreuzungspunkt der Trennungslinien 23e und 23f innerhalb eines Bereichs ly liegt, in dem die Ränder 29c und 29d zueinander parallel sind (mit anderen Worten solange wie der Kreuzungspunkt in der Region 29 liegt).
Wie dargestellt in Fig. 13, wird angenommen, daß Δx die während einer Verschiebung der Lichtquelle 14 entlang der x-Achse auftretende Verschiebung entlang der x-Achse der Region 29 und daß Δ S eine entsprechende Änderung in der Fläche ist (dargestellt durch Schraffur in Fig.13). Dann ist Δ S = Δx ly. Da eine Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 23 proportional zu Δ S ist, bleibt die Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 23 proportional zu Δx solange wie ly konstant bleibt und solange wie der Kreuzungspunkt der Trennungslinien 23e und 23f innerhalb der Region 29 liegt. In Bezug auf eine Verschiebung (Δ y) entlang der y-Achse bleibt in ähnlicher Weise eine Änderung in der Ausgangsgröße des Lichtempfangselements 23 proportional zu Δ y solange wie lx konstant bleibt und solange wie der Kreuzungspunkt der Trennungslinien 23e und 23f innerhalb der Region 29 liegt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird entweder nur die Lichtunterbrechungsplatte 27 verschoben oder die Lichtquelle 14 und die Lichtunterbrechungsplatte 27 werden integral verschoben.

Claims

1. Optisches Positionsdetektions-Gerät zum Detektieren einer relativen Positionsänderung zwischen zwei zu detektierenden Objekten basierend auf einer Änderung in der Ausgangsgröße eines Lichtempfangselements (11; 15; 23) durch Anordnen einer Lichtquelle (14) und des Lichtempfangselements derart, daß eine Fläche eines auf dem Lichtempfangselements durch einen Lichtstrahl gebildeten bestrahlten Bereichs (13, 17, 20, 22, 26, 29) variiert, wenn sich die relativen Positionen der zwei Objekte ändern, dadurch gekennzeichnet, daß

der bestrahlte Bereich gebildet wird durch zwei parallele erste und zweite Seitenkanten (11a, 17a, 20a, 22a, 26a, 29a; 11b, 17b, 20b, 22b, 26b, 29b) und dritte und vierte Seitenkanten (11c, 26c, 29c; 11d, 26d, 29d), die eine beliebige Form aufweisen und jeweils die Endabschnitte der ersten Seitenkanten und die Endabschnitte der zweiten Seitenkanten miteinander verbinden, und

die Lichtquelle und das Lichtempfangselement derart angeordnet sind, daß sich die Längen der ersten und zweiten Seitenkanten simultan ändern und mindestens eine der dritten und vierten Seitenkanten sich entlang der ersten und zweiten Seitenkanten ohne Änderung seiner Form bewegt, wenn die Fläche des bestrahlten Bereichs durch die relative Positionsänderung zwischen den zwei Objekten variiert wird.

2. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die Seitenkanten des bestrahlten Bereichs durch Bereichseinstellungs-Mittel (16, 24, 27) definiert werden, welche den bestrahlten Bereich auf dem Lichtempfangselement, auf welches der Lichtstrahl auftrifft, begrenzen, wobei die Bereichseinstellungs-Mittel zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangselement im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet sind.

3. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 2, bei welchem die Bereichseinstellungs-Mittel aus einem Lichtunterbrechungselement bestehen, in dem Lichtunterbrechungselement eine Öffnung mit parallelen Seiten geformt ist, der Abstand zwischen den Seiten derart eingestellt ist, daß er kleiner ist als die Ausdehnung des Querschhitts des auf das Lichtunterbrechungselement auftreffenden Lichtstrahls bei dem Lichtunterbrechungselement.

4. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 2, bei welchem die Bereichseinstellungs-Mittel aus einem Filterelement (21) bestehen, welches zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangselement im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist,

das Filterelement einen ersten Abschnitt hoher Transmission für den Lichtstrahl und einen zweiten Abschnitt vergleichsweise niedriger Transmission für den Lichtstrahl aufweist,

der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt durch einander parallele Begrenzungslinien voneinander getrennt sind,

der Abstand zwischen den Begrenzungslinien kleiner ist als die Ausdehnung des Querschnitts des auf das Filterelement auftreffenden Lichtstrahls bei dem Filterelement.

5. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 4, bei welchem eine Transmissionsverteilung des ersten Abschnitts derart eingestellt ist, daß der durch den ersten Abschnitt transmittierte Lichtstrahl eine gleichförmige Verteilung der Lichtintensität entlang der Richtung der ersten und zweiten Seitenkanten aufweist.

6. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 1, bei welchem die ersten und zweiten Seitenkanten (20a; 20b) des bestrahlten Bereichs jeweils durch ein Lichtunterbrechungselement (18) und eine Kante (20b) eines Lichtempfangsabschnitts des Lichtempfangselements definiert werden, wobei der bestrahlte Bereich auf dem Lichtempfangselement, auf welches der Lichtstrahl auftrifft, begrenzt wird und wobei das Lichtunterbrechungselement zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangselement im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist, und das Lichtunterbrechungselement mit einem ausgeschnittenen Abschnitt versehen ist, welcher die erste Seitenkante (20a) des bestrahlten Bereichs definiert.

7. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 2, bei welchem das Lichtempfangselement zum Empfang von Licht, welches von der Lichtquelle emittiert wird, mit vier Lichtempfangsabschnitten (23a, 23b, 23c, 23d) versehen ist, welche durch zwei orthogonale Teilungslinien (23e, 23f) voneinander getrennt sind; und eine relative Verschiebung des bestrahlten Bereichs und des Lichtempfangselements durch Vergleichen der Ausgangsgrößen der Lichtempfangsabschnitte detektiert wird.

8. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 7, bei welchem

die Bereichseinstellungs-Mittel aus einem Lichtunterbrechungselement bestehen, welches zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangselement im Strahlengang des Lichtstrahls angeordnet ist,

eine Öffnung mit zwei parallelen Paaren von Seiten in dem Lichtunterbrechungselement geformt ist,

der Abstand zwischen den Seiten von jedem der parallelen Paare derart eingestellt ist, daß er kleiner ist als die Ausdehnung des Querschnitts des auf das Lichtunterbrechungselement auftreffenden Lichtstrahls bei dem Lichtunterbrechungselement ist.

9. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 8, bei welchem die zwei parallelen Paare von Seiten orthogonal sind und die zwei parallelen Paare von Seiten jeweils parallel zu den zwei Teilungslinien liegen.

10. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 7, bei welchem die Bereichseinstellungs-Mittel aus einem Filterelement bestehen, welches zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfangselement im Strahlengang des Lichtstrahl angeordnet ist,

der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt durch zwei parallele Paare von Begrenzungslinien voneinander getrennt sind, und

11. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 10, bei welchem die zwei parallelen Paare von Begrenzungslinien orthogonal sind und die zwei parallelen Paare von Begrenzungslinien jeweils parallel zu den zwei Teilungslinien liegen.

12. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 10, bei welchem die Transmissionsverteilung des ersten Abschnitts derart eingestellt ist, daß der durch den ersten Abschnitt transmittierte Lichtstrahl eine gleichförmige Verteilung der Lichtintensität entlang der Richtungen der relativen Verschiebung aufweist.

13. Optisches Positionsdetektions-Gerät nach Anspruch 12, bei welchem

die zwei parallelen Paare von Begrenzungslinien orthogonal sind und die zwei parallelen Paare von Begrenzungslinien jeweils parallel zu den zwei Teilungslinien liegen.