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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Skalenlesevorrichtung,
die beispielsweise dazu verwendet wird, die Bewegungsgröße und -richtung
eines Bauteiles relativ zu einem anderen zu bestimmen. Eine derartige
Vorrichtung wird typischerweise an Koordinatenpositionierungsmaschinen,
wie beispielsweise Werkzeugmaschinen oder Koordinatenmeßmaschinen
verwendet.
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Es
ist aus dem
GB-Patent Nr. 1,504,691 bekannt,
eine reflektierende Skala zu schaffen, die durch einen Lesekopf,
der ein Indexgitter und ein Analysatorgitter aufweist, abgetastet
wird. Der Lesekopf beleuchtet die Skala über das Indexgitter, und als
ein Ergebnis wird ein periodisches Lichtmuster in der Form von Interferenzstreifen
an dem Analysatorgitter ausgebildet. Bei einer relativen Bewegung
der Skala und des Lesekopfes bewegen sich die Streifen über das
Analysatorgitter, wobei an einem gegebenen Punkt an dem Analysator
eine Lichtintensithtsmodulation erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform der
Vorrichtung kann das Analysatorgitter so positioniert sein, daß sich seine
Linien geringfügig
schräg zu
den Interferenzstreifen erstrecken; dies bewirkt die Erzeugung von
Moiré-Streifen. Vier Photodetektoren
hinter dem Analysatorgitter sind in bezug auf einen einzelnen Moiré-Streifen
so versetzt, daß vier phasenverschobene,
sich zyklisch ändernde
elektrische Signale erzeugt werden, aus denen die Größe und die
Richtung der relativen Bewegung bestimmt werden kann.
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Die
GB 1,231,029 schlägt als Ersatz
für das Analysatorgitter
eine Detektoranordnung vor, die eine Vielzahl von photoempfindlichen
Elementen umfaßt,
welche die Funktionen des Analysatorgitters und der Photodetektoren
kombinieren. Um phasenverschobene Detektionssignale zu schaffen,
sind zwei oder mehr derartige Detektoranordnungen erforderlich.
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Beide
obige Aufbauten leiden an einem Nachteil. Wenn als Folge einer Kontamination
der Skala oder des Lesekopfes mit Schmutz die Intensität des Lichtes,
das auf einen der Detektoren oder eine der Detektoranordnungen einfällt, beträchtlich von
der abweicht, die auf die anderen Detektoren oder Detektoranordnungen
einfällt,
werden die erzeugten phasenverschobenen Signale beträchtlich verändert sein.
Dieses Phänomen
ist als selektive Kontamination bekannt und beeinflußt die Genauigkeit
der Messung.
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Weitere
Dokumente, die Strukturdetektoranordnungen offenbaren, sind die
GB 1,311,275 , die
DE 40 06 789 , die
EP 250 711 , die
EP 143 525 und die
GB 2,094,974 .
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine optoelektronische Skalenlesevorrichtung
nach Anspruch 1.
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Es
werden nun Ausführungsformen
der Erfindung beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
Darstellung einer optoelektronischen Skalenlesevorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2a-c
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
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3 ein
Schnitt durch eine zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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4 eine
Draufsicht eines Teiles der Vorrichtung von 3 ist;
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5 eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist; und
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7 ein
Signaldiagramm ist.
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Wie
in
1 gezeigt ist, wirken eine Lichtquelle
10,
ein Indexgitter
12 und eine Skala
14 zusammen,
um ein periodisches Lichtmuster an einer Abbildungsebene zu erzeugen,
die durch einen Analysator
16 besetzt ist. Die Lichtquelle
10,
das Indexgitter
12 und der Analysator
16 sind
in einer einzelnen Einheit ausgeführt, die als ein Lesekopf bekannt ist,
der relativ zu der Skala
14 in einer Richtung x bewegbar
ist, welche die Richtung der Beabstandung der Linien
12A,
14A darstellt,
die das Indexgitter
12 bzw. die Skala
14 definieren.
Die Größe und die
Richtung der relativen Bewegung zwischen dem Lesekopf und der Skala
14 wird
dadurch bestimmt, daß eine
Bewegung des periodischen Lichtmusters über die Fläche des Analysators
16 detektiert
wird. Die genaue Gestaltung des Lesekopfes oder des optischen Mechanismus,
durch den an dem Analysator
16 das periodische Lichtmuster
erzeugt wird, ist bei diesem Beispiel nicht wichtig. Somit kann
der in der
EP 207 121 offenbarte
Mechanismus dazu verwendet werden, das periodische Lichtmuster zu
erzeugen; alternativ dazu könnte
der in der
GB 1,504,691 gezeigte Mechanismus
verwendet werden. In jedem Falle jedoch ist die Teilung des erzeugten
Lichtmusters gleich der oder kleiner als (beispielsweise 1/2 Teilung)
die Teilung der Skalenlinien. Typischerweise beträgt die Teilung
der Skalenlinien zwischen 20 und 40 Mikrometer.
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Die
Lichtintensitätsverteilung
in der Abbildungsebene ist in einem Graph in 2a veranschaulicht
und weist eine im wesentlichen sinusförmige Form auf, die durch Spitzen 18 gekennzeichnet ist,
die Positionen an dem Analysator entsprechen, an denen eine hohe
Lichtintensität
einfällt,
und durch Täler 20 gekennzeichnet
ist, die Positionen an dem Analysator entsprechen, an denen eine
niedrige Lichtintensität
einfällt.
Die Periode oder Teilung des periodischen Lichtmusters ist in 2 als der Abstand P bezeichnet.
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2b veranschaulicht
den Analysator 16 (zu der gleichen Skala wie der Graph).
Der Analysator 16 umfaßt
ein Halbleitersubstrat 22, das auf seiner Fläche eine
Anordnung von länglichen
photoempfindlichen Elementen 24 aufweist, die in der x-Richtung
beabstandet sind. Jedes der Elemente 24 ist von einem benachbarten
Element durch eine isolierende Schutzdiode 26 elektrisch
isoliert. Die Elemente 24 sind in drei Sätze A, B,
C unterteilt und sind über
die Anordnung in einem verschachtelten, sich wiederholenden Muster
A, B, C, A, B, C positioniert; die Elemente jedes Satzes sind elektrisch
verbunden. Die Beabstandung zwischen den Elementen 24 des
Satzes A von den Elementen 24 des Satzes B, und die Beabstandung
zwischen den Elementen 24 des Satzes B von den Elementen 24 des
Satzes C ist gleich zu 1 1/4 Teilungen P des periodischen Lichtmusters;
die Beabstandung zwischen den Elementen 24 des Satzes A
von den Elementen 24 des Satzes C ist gleich 1 1/2 Teilungen
P des periodischen Lichtmusters. Die Elemente 24 eines
gegebenen Satzes sind somit von benachbarten Elementen 24 dieses Satzes
durch 4 Teilungen P des periodischen Lichtmusters (d. h. 1 1/4 +
1 1/4 + 1 1/2) beabstandet.
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Wenn
sich der Lesekopf relativ zu der Skala
14 in der Richtung
x bewegt, bewegt sich das periodische Lichtmuster über die
Fläche
des Analysators
16. Da alle Elemente
24 eines
gegebenen Satzes voneinander durch ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung
P des periodischen Lichtmusters beabstandet sind, wird die gleiche
Lichtintensität
auf alle Elemente
24 des gegebenen Satzes zu irgendeinem
gegebenen Zeitpunkt einfallen. Ferner entspricht die Beabstandung
von 1 1/4 Teilungen P zwischen den Elementen
24 der Sätze A und
B, und den Elementen
24 der Sätze B und C einer Phasenverschiebung
von 360° +
90°. Deshalb
werden sich, wenn sich das Lichtmuster über die Fläche des Analysators
16 bewegt,
die elektrischen Ausgänge
der Sätze
A und B, und B und C zyklisch ändern
und eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen, wie in
2c veranschaulicht
ist. Die drei Ausgänge
der Sätze
A, B, C können
kombiniert werden, um Quadratursignale zu erzeugen, die dann dazu
verwendet werden können, um
die Größe und Richtung
der relativen Bewegung des Lesekopfes und der Skala zu interpolieren.
Ein Verfahren zum Kombinieren der drei Ausgänge
24A, B, C zum
Erzeugen von derartigen Quadratursignalen ist in unserer früher veröffentlichten
Patentanmeldung
WO 87/07944 offenbart.
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Bei
einer alternativen Beabstandung der Elemente 24 ist jedes
Element 24 von einem benachbarten Element 24 durch
1 1/3 Teilungen P beabstandet. Die Ausgänge der Sätze A, B, C sind bei dieser
Ausführungsform
um 120° phasenverschoben.
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Eine
Analysatoranordnung des oben erwähnten
Typs ist gegenüber
Vorrichtungen nach dem Stand der Technik aus einer Anzahl von Gründen vorteilhaft.
Der wichtigste Vorteil jedoch ist die Unempfindlichkeit der Vorrichtung
gegenüber
selektiver Kontamination von einzelnen Photodetektoren. Bei einer
3-Phasen-Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die drei einzelne
Photodetektoren umfaßt, deren
Ausgänge
mit der gleichen Frequenz und der gleichen Amplitude modulieren,
aber phasenverschoben sind, um die Erzeugung eines Quadratursignales
zu ermöglichen,
würde eine
Kontamination eines bestimmten Bereiches der Skala oder eines einzelnen
Photodetektors somit das Gleichgewicht zwischen den drei Ausgängen stören und
die Erzeugung eines mangelhaften Quadratursignales bewirken (das
seinerseits Ungenauigkeiten in den daraus abgeleiteten Abstandswerten
bewirken würde).
Bei der vorliegenden Erfindung sind die photoempfindlichen Elemente 24 gleichmäßig über den
gesamten photoempfindlichen Bereich des Analysators 16 verteilt.
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Eine
Kontamination irgendeines gegebenen Bereiches des Analysators wird
somit jeden Satz von Elementen A, B, C in annähernd dem gleichen Ausmaß beeinflussen,
wie auch irgendeine Kontamination eines gegebenen Bereiches der
Skala.
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Wie
oben erwähnt
ist, kann irgendein geeigneter optischer Mechanismus und irgendeine
geeignete Gestaltung des Lesekopfes zum Erzeugen des periodischen
Lichtmusters verwendet werden. Die Verwendung einer Analysatoranordnung
mit einem Lesekopf des Typs, der in der
GB 1,504,691 beschrieben ist, weist
jedoch in Verbindung damit die Schwierigkeit auf, daß es schwierig
ist, das Indexgitter und die Analysatoranordnung in ge genseitig
koplanaren Positionen anzuordnen. In den
3 und
4 ist
ein Aufbau eines Lesekopfes veranschaulicht, der diese Schwierigkeit
bewältigt.
Eine Skala
110 wird durch einen Lesekopf
112,
der durch eine Anordnung
114 von photoemittierenden Elementen vorgesehen
ist, und eine Analysatoranordnung
116 (die nicht weiter
beschrieben wird) gelesen. Die photoemittierende Anordnung
114 kombiniert
wirksam die Funktionen einer Lichtquelle und eines Indexgitters.
Die photoemittierende Anordnung
114 und der Analysator
116 sind
auf dem gleichen Halbleitersubstrat vorgesehen, das typischerweise
aus Galliumarsenid oder irgendeinem anderen geeigneten III/V-Halbleitermaterial
besteht.
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Die
photoemittierende Anordnung
114 umfaßt einen Bereich
118,
der eine lichtemittierende Diode (LED)
120 darstellt. Eine
der Elektroden für
die LED ist durch die gemeinsame Masseelektrode
122 an
der Rückseite
des Substrates vorgesehen. Die andere Elektrode für die LED
120 ist
eine Metallisierungsschicht
124 an der Vorderseite des
Substrates. Die Metallisierungsschicht
124 weist die Form
eines Rastermusters auf, das längliche Öffnungen
126 definiert.
Bei einer LED stammt der größte Teil
des emittierten Lichtes von Bereichen des Halbleitermaterials, das
benachbart der Elektrode liegt. Somit emittieren Bereiche der LED
120,
die in Ausrichtung mit den Öffnungen
126 liegen,
Licht auf eine Weise, die sehr ähnlich
zu dem Durchgang von Licht durch ein Indexgitter ist. Diese Ausführungsform
der Erfindung schafft eine automatische Koplanarität der photoemittierenden
Anordnung
114 und der Analysatoranordnung
116,
während
die Kosten der Vorrichtung dadurch verringert werden, daß der Bedarf
für eines oder
mehrere von optischen Gittern und Detektoren vermieden wird. Diese
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann insbesondere für eine Analog- oder Abtastsonde
nützlich
sein, die beispielsweise an ei ner Koordinatenmeßmaschine verwendet wird, wie
beispielsweise eine Sonde, die in der
WO 90/04149 beschrieben
ist.
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Wie
oben erwähnt
ist, werden die Ausgänge der
Sätze A,
B, C auf eine Anzahl von möglichen
Wegen kombiniert, um Quadratursignale zu erzeugen. Es kann notwendig
sein, die Amplitude der einzelnen Ausgänge A, B, C einzustellen. Bei
der Vorrichtung nach dem Stand der Technik wird dies durch elektrisches
Verstärken
oder Verkleinern der Amplitude der Ausgänge von den einzelnen Photodetektoren
erreicht. Dies ist nicht wünschenswert,
da zusätzliche Elektronik
benötigt
wird. Um dieses Problem zu bewältigen,
ermöglicht
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung den optischen Ausgleich der Ausgangsamplituden
der Signale von einzelnen Sätzen
an photoempfindlichen Elementen.
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Wie
in 5 gezeigt ist, weist ein Analysator 160 ein
Siliziumsubstrat 162 auf, das an seiner Fläche eine
Vielzahl von beabstandeten photoempfindlichen Elementen 164 aufweist,
von denen jedes von einem benachbarten Element 164 durch
eine isolierende Schutzdiode (nicht gezeigt) getrennt ist. Bei dieser
Ausführungsform
sind die Elemente 64 in 4 Sätze A, B, C, D unterteilt und
die Elemente 64 sind in einem sich wiederholenden Muster
A, B, C, D, A, B, C, D verschachtelt; Elemente eines gegebenen Satzes
sind miteinander verbunden. Die Anordnung 160 kann aus
Veranschaulichungszwecken in zwei Abschnitte 170, 172 unterteilt
werden. Der Abschnitt 170 der Anordnung enthält lichtempfindliche
Elemente 164, wobei sich die Elemente 164 der
Sätze A
und B längs
in einer Richtung erstrecken, die senkrecht zu der Richtung der
Beabstandung der Elemente liegt, wobei sich die Elemente des Satzes
A in der entgegengesetzten Richtung zu den Elementen des Satzes
B erstrecken. Die Elemente 164 der Sätze A und B in Abschnitt 170 der
Anordnung sind somit annähernd
10 bis 15 % länger
als die Elemente 164 der Sätze C und D. Blenden 174, 176 sind
jeweils zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position,
bei der ein Teil der Anordnung verdeckt ist, bewegbar; insbesondere
der Teil der Anordnung, auf dem die sich ausdehnenden Teile der
Elemente 164 der Sätze
A und B liegen. Durch Einstellen der Position der Blenden 174, 176,
um Licht von der Fläche der
Elemente der Sätze
A und B selektiv auszusperren, ist es möglich, die Größe des Signalausganges davon
einzustellen. Die Anzahl der Elemente 64 der Sätze A und
B, die sich in Längsrichtung
ausdehnen, und die Größe der Ausdehnung
hängt von
dem erforderlichen Bereich der Einstellung der Signalstärke ab.
Somit brauchen, wenn nur ein kleiner Bereich einer Signalstärkeeinstellung
erforderlich ist, nur einige der Elemente in den Sätzen A,
B ausgedehnt sein. Der Abschnitt 172 enthält, wie
auch der Abschnitt 170, vier Sätze an Elementen A, B, C, D,
die in einem sich wiederholenden Muster verschachtelt sind, und wobei
Elemente eines gegebenen Satzes miteinander verbunden sind (beide
miteinander und mit den Elementen des entsprechenden Satzes in Abschnitt 170 der
Anordnung). In Abschnitt 172 der Anordnung 160 erstrecken
sich die Elemente der Sätze
C, D in Längsrichtung
und es sind jeweils Blenden 178, 180 vorgesehen,
um eine Einstellung des Signalstärkeausgangs
von den Sätzen
der Elemente C, D zu ermöglichen.
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Durch
Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens der selektiven Ausblendung
ist es somit möglich,
die Amplitude des Signalausgangs von einem oder mehreren von Sätzen an
empfindlichen Elementen 64 zu regeln.
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Wie
oben erwähnt
ist, ist es wünschenswert, das
Elektronikschaltwerk zu vereinfachen, das dazu verwendet wird, die
Ausgangssignale von den verschiedenen Sätzen an Elementen zu verarbeiten. Somit
schafft die vorliegende Erfindung zusätzlich dazu, daß eine "optische" Einstellung der
Amplitude der Ausgänge
von den verschiedenen Sätzen
an Signalen geschaffen wird, auch eine optische Einstellung der
relativen Phase.
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Wie
in 6 gezeigt ist, umfaßt eine Analysatoranordnung 200 eine
Serie von länglichen
photoempfindlichen Elementen 202, die sich im wesentlichen
in der Y-Richtung erstrecken und in der X-Richtung beabstandet sind.
Die Elemente 202 sind in drei Sätze A, B, C unterteilt und
sind auf der Anordnung in einem sich wiederholenden Muster verschachtelt; die
Ausgänge
der Elemente eines gegebenen Satzes sind miteinander verbunden.
Wie in 6 gesehen werden kann, erstrecken sich die Elemente 202 der Sätze A und
C im wesentlichen parallel zueinander und zu der Y-Richtung. Die Elemente
des Satzes B erstrecken sich jedoch unter einem kleinen Winkel θ zu der
Y-Richtung. Eine Phasenblende 204 ist über den oberen Enden der Elemente 202 vorgesehen und
deckt einen Teil der Elemente 202 von dem periodischen
Lichtmuster ab. Die Beabstandung der Elemente 202 und der
Winkel, unter dem die Elemente von Satz B relativ zu den Elementen
der Sätze
A und C ausgerichtet sind, ist derart, daß, wenn die Versetzung der
Blende 204 an der Referenzversetzung R ist, das Zentrum
des Bereiches des freiliegenden Abschnittes der Elemente 202 der
Sätze A
und B durch den gleichen Abstand in der X-Richtung getrennt ist, wie
das Zentrum des Bereiches der freiliegenden Abschnitte der Elemente 202 der
Sätze B
und C. Die Beabstandung der Elemente 202 relativ zu der
Teilung P des periodischen Lichtmusters ist derart, daß bei der
Referenzversetzung R der Blende 204 die Zentren der Bereiche
der Elemente 202 der Sätze
A und B, und der Elemente 202 der Sätze B und C voneinander durch
einen Abstand beabstandet sind, der gleich 1 1/4 Teilungen P des
periodischen Lichtmusters ist, wobei dies einer Phasenverschiebung
von 360° +
90° entspricht.
Die Beabstandung zwischen den Elementen 202 der Sätze C und
A ist gleich 1 1/2 Teilungen P und entspricht somit einer Phasenverschiebung
von 360° +
180°.
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Wenn
sich das periodische Lichtmuster über die Fläche des Analysators 200 bewegt,
werden sich die Ausgänge
der drei Sätze
an Elementen A, B, C zyklisch ändern.
Diese sich zyklisch ändernden
Ausgänge
sind in dem Drehvektordiagramm von 7 veranschaulicht,
in dem jeder der Ausgänge
A, B, C durch einen Pfeil dargestellt ist, dessen Winkelverschiebung
der Phase des Ausgangs entspricht, und dessen Länge seiner Größe (d. h.
Amplitude) entspricht. Aus dem Diagramm kann gesehen werden, daß der Ausgang
der Elemente 202 des Satzes A dem Ausgang der Elemente 202 des
Satzes B um 90° voreilt; ähnlicherweise
eilt der Ausgang der Elemente 202 des Satzes B dem Ausgang
der Elemente 202 des Satzes C um 90° vor. (N.B. im allgemeinen sollte,
so daß sich
die Ausgänge
der Elemente 202 bei einer relativen Bewegung der Skala
und des Lesekopfes zyklisch ändern
können,
die Breite, über
die sich jedes Element in der X-Richtung erstreckt, ein Maximum
einer Hälfte
der Teilung des Lichtmusters sein.) Die Ausgänge der Sätze A, B, C können gemäß des Kombinationsschemas
(A-B), (B-C) kombiniert werden, um zwei Signale mit einer Quadraturbeziehung
zu erzeugen. Dies trifft jedoch nur zu, wenn vorausgesetzt wird,
daß die
Größe (d. h.
Amplitude) der Ausgänge
gleich ist, und daß die
Phasenverschiebung zwischen den Ausgängen exakt 90° beträgt. Sollte
sich entweder die Größe oder
die Phase von irgendeinem Satz an Elementen relativ zu der Größe oder
der Phase von irgendeinem der anderen Sätze an Elementen ändern, dann
werden die resultierenden Signale (A-B), (B-C) keine Quadraturbeziehung
aufweisen; somit werden Fehler bei der Messung der Position des
Lesekopfes relativ zu der Skala bewirkt.
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Eine
Amplitudeneinstellung wird, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform,
durch sich in Längsrichtung
erstreckende Elemente 102 des Satzes C (zum Beispiel) und
Vorsehen einer Blende 206 zum Einstellen des freiliegenden
Bereiches dieser Elemente vorgesehen.
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Die
relative Phase der Ausgänge
der Elemente des Satzes B wird durch eine Bewegung der Blende 204 in
der Y-Richtung eingestellt. Dies hat keine merkliche Wirkung auf
die relative Amplitude der Ausgangssignale von den Sätzen A,
B, C, da die Phasenblende im wesentlichen die gleichen Mengen von
jedem der Elemente 102 von allen Sätzen abdeckt. Jedoch verschiebt
sich, da sich die Elemente 202 des Satzes B unter einem
kleinen Winkel O relativ zu der Y-Richtung erstrecken, die Position
des Zentrums des Bereiches dieser Elemente in Übereinstimmung mit der Versetzung
der Phasenblende 204 in der X-Richtung. Somit wird, wenn
die Phasenblende 204 von der Referenzposition R zurückgezogen wird,
das Bereichszentrum der Elemente 202 des Satzes B in Richtung
der Elemente 202 des Satzes A verschoben und der Phasenwinkel
zwischen dem Ausgang der Elemente des Satzes B und den Ausgängen der
Elemente des Satzes A wird abnehmen. Umgekehrt wird sich dann, wenn
die Phasenblende 204 von der Referenzposition R vorragt,
das Bereichszentrum der Elemente des Satzes B in Richtung der Elemente
des Satzes C bewegen und der Phasenwinkel zwischen dem Ausgang dieser
beiden Sätze
an E lementen wird abnehmen. Typischerweise ist der Winkel θ ein kleiner
Winkel in der Größenordnung
von 10.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform,
die eine Phasenverschiebung schafft, sind die Elemente eines Satzes
so geformt, daß ein
Ende asymmetrisch verjüngt
ist, wodurch eine seitliche Verschiebung des Bereichszentrums dieser
Elemente geschaffen wird, wenn eine Phasenblende geeignet versetzt
wird.