DE112004002777B4

DE112004002777B4 - Optischer Codierer

Info

Publication number: DE112004002777B4
Application number: DE112004002777T
Authority: DE
Inventors: Yoichi Ohmura; Toru Oka; Hajime Nakajima
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: TWI277725B; JP4427540B2; CN1926404A; US7470892B2; WO2005085767A1; TW200530561A; DE112004002777T5; KR20060116859A; CN100445698C; US20070187581A1; JPWO2005085767A1; KR100821441B1

Abstract

Ein optischer Codierer weist folgendes auf: eine Lichtquelle; ein erstes Gitter, das als Amplitudengitter mit einer ersten Gitterperiode P1 ausgebildet ist, und zwar für eine räumliche Amplitudenmodulation von Licht von der Lichtquelle; ein zweites Gitter, das als Phasengitter mit einer zweiten Gitterperiode P2 ausgebildet ist, und zwar für eine räumliche Phasenmodulation von Licht von dem ersten Gitter; ein drittes Gitter, das als Amplitudengitter mit einer dritten Gitterperiode P3 ausgebildet ist, und zwar für eine räumliche Amplitudenmodulation von Licht von dem zweiten Gitter; und ein Lichtempfangselement zum Empfangen von Licht von dem dritten Gitter, wobei der Codierer eine relative Verlagerung zwischen den jeweiligen Gittern detektiert, so daß die optische Übertragungsfunktion von der Lichtquelle zu dem Lichtempfangselement gesteigert wird und die Effizienz bei der Verwendung von Licht stark verbessert wird.

Description

Technisches Gebiete
Die Erfindung betrifft einen optischen Codierer, der eine relative Verlagerung zwischen Gittern optisch erfassen kann.
Hintergrund
In dem unten näher angegebenen Nicht-Patentliteratur-Dokument 1 ist eine Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) für einen optischen Codierer angegeben, der mit drei Gittern versehen ist. Gemäß dieser Theorie kann für den Fall der Verwendung einer räumlich inkohärenten Lichtquelle, wenn ein erstes Gitter, ein zweites Gitter und ein drittes Gitter in der Lichtausbreitungsrichtung unter einer speziellen Bedingung angeordnet sind, eine vorgegebene räumliche Frequenzkomponente, die in dem ersten Gitter enthalten ist, auf das dritte Gitter mit einer vorgegebenen optischen Übertragungsfunktion (OTF) abgebildet werden.
Die spezielle Bedingung kann mit verschiedenen Parametern definiert werden, beispielsweise der Gestalt des zweiten Gitters, dem Abstand von dem ersten Gitter zu dem zweiten Gitter, dem Abstand von dem zweiten Gitter zu dem dritten Gitter, etc. Diese Parameter können die optische Übertragungsfunktion der jeweiligen räumlichen Frequenzkomponenten definieren, die in dem ersten Gitter, dem zweiten Gitter und dem dritten Gitter vorhanden sind.
In der Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) haben die jeweiligen drei Gitter die nachstehenden Funktionen. 1.) Das erste Gitter: es definiert eine Verteilung der räumlichen Frequenz in der Einfallsebene; 2.) das zweite Gitter: die optische Übertragungsfunktion von jeder räumlichen Frequenz von dem ersten Gitter bis zum dritten Gitter wird definiert durch eine Form des zweiten Gitters zum Ausführen einer Durchlässigkeitsmodulation oder Phasenmodulation, einen Abstand von dem ersten Gitter zu dem zweiten Gitter, einen Abstand von dem zweiten Gitter zu dem dritten Gitter, usw. 3.) das dritte Gitter: es läßt nur eine gewünschte Komponente aus einer Verteilung der Bildintensität durch, d. h. es wirkt als Indexschlitz.
Ferner ist aus dem nachstehenden Patentdokument 1 ein optischer Codierer für Anwendungen der Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) bekannt. Dieser optische Codierer ist mit einem optisch durchlässigen Gitter als erstem Gitter ausgebildet, das Licht und ein dunkles Muster erzeugen kann, und zwar aufgrund einer optischen Interferenz, die durch eine Phasendifferenz des durch das Gitterelement hindurchgehenden Lichtes verursacht wird, so daß Licht reduziert wird, das von dem ersten Gitter ”abgeschnitten” wird. Infolgedessen kann mehr Licht zu einem Lichtempfangselement hindurchgelassen werden.
Patentdokument 1: JP-10-2761 (1998), A (3)
Nicht-Patentliteratur-Dokument 1: K. Hane und C. P. Grover, ”Imaging with Rectangular Transmission Gratings”, J. Opt. Soc. Am. A4 706–711, 1987.
Der optische Codierer gemäß dem Patentdokument 1 verwendet ein Gitter mit opaken Bereichen und transparenten Bereichen, die abwechselnd als zweites Gitter vorgesehen sind, so daß die optische Übertragungsfunktion verringert wird. Da weiterhin das erste transparente Gitter mit einer diffusen Lichtquelle bestrahlt wird, um das helle und dunkle Muster aufgrund der optischen Interferenz zu erzeugen, das durch die Phasendifferenz des Lichtes verursacht wird, so wird der Kontrast der Intensitätsverteilung, d. h. der Kontrast der räumlichen Frequenzkomponente, die in der Intensitätsverteilung in der Einfallsebene vorhanden ist, verringert.
Eine Vorrichtung der hier angesprochenen Art ist auch aus der DE 197 54 595 A1 bekannt.
Erläuterung der Erfindung
Zu lösendes Problem
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Codierer anzugeben, der die optische Übertragungsfunktion von einer Lichtquelle zu einem Lichtempfangselement steigern und die Effizienz bei der Verwendung des Lichtes stark verbessern kann.
Lösung des Problems
Ein optischer Codierer gemäß der Erfindung weist folgendes auf: eine Lichtquelle; ein erstes Gitter, das als Amplitudengitter mit einer ersten Gitterperiode für die räumliche Amplitudenmodulation von Licht von der Lichtquelle ausgebildet ist; ein zweites Gitter, das als Phasengitter mit einer zweiten Gitterperiode für die räumliche Phasenmodulation von Licht von dem ersten Gitter ausgebildet ist; ein drittes Gitter, das als Amplitudengitter mit einer dritten Gitterperiode für die räumliche Amplitudenmodulation von Licht von dem zweiten Gitter ausgebildet ist; und ein Lichtempfangselement zum Empfangen von Licht von dem dritten Gitter, wobei der Codierer eine relative Verlagerung zwischen den jeweiligen Gittern detektiert, wobei das erste Gitter, das zweite Gitter und das dritte Gitter die gleiche Periode P haben und sowohl ein erster Abstand zwischen dem ersten Gitter und dem zweiten Gitter als auch ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Gitter und dem dritten Gitter im wesentlichen als ungerade ganzzahlige Vielfache von P²/(4λ) vorgegeben sind, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Gemäß der Erfindung ist es bevorzugt, wenn das zweite Gitter als transparentes Phasengitter mit einer zahnförmigen Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% ausgebildet ist, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/2 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Weiterhin ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn das zweite Gitter als transparentes Phasengitter mit einer zahnförmigen Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% ausgebildet ist, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Ferner ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn das zweite Gitter als reflektierendes Phasengitter ausgebildet ist und wenn das erste Gitter und das dritte Gitter auf derselben Seite bezüglich des zweiten Gitters angeordnet sind.
Weiterhin ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn das zweite reflektierende Gitter eine zahnförmige Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% besitzt, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Weiterhin ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn das zweite reflektierende Gitter eine zahnförmige Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% besitzt, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/8 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Weiterhin ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn das zweite Gitter als Phasengitter ausgebildet ist, bei dem der optische Wegunterschied sinusförmig variiert.
Weiterhin ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn das erste Gitter, das zweite Gitter und das dritte Gitter Skalen vom drehbaren Typ aufweisen.
Weiterhin ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn das erste Gitter eine räumliche Durchlässigkeitsverteilung besitzt, die sich sinusförmig ändert.
Weiterhin ist es gemäß der Erfindung bevorzugt, wenn eine Vielzahl von Lichtempfangselementen diskret mit der Gitterperiode des dritten Gitters angeordnet ist und wenn das dritte Gitter und die Lichtempfangselemente miteinander integriert sind.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der Erfindung kann die Verwendung des zweiten Gitters, das als Phasengitter ausgelegt ist, die optische Übertragungsfunktion gemäß der Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) verbessern und dadurch die Wirksamkeit bei der Verwendung von Licht auch stark verbessern.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform 1 gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Draufsicht zur Erläuterung eines Beispiels eines Gittermusters eines ersten Gitters.
3 ist ein Teil-Querschnitt zur Erläuterung eines Beispiels eines Gittermusters eines zweiten Gitters.
4 ist ein Graph zur Erläuterung der Relation von einer optischen Übertragungsfunktion zu einem Abstand zwischen Gittern, und zwar für den Fall eines optischen Wegunterschieds von λ/2 auf dem zweiten Gitter für Z1 = Z2.
5A und 5B zeigen ein Beispiel für den Fall der Verwendung des zweiten Gitters, das als Phasengitter gebildet ist, wobei 5A ein Graph ist, der ein Beispiel eines Ausgangssignals von einem Lichtempfangselement zeigt, und 5B ein Graph ist, der eine Verzerrungskomponente des Ausgangssignals zeigt.
6A und 6B zeigen ein Vergleichsbeispiel für den Fall der Verwendung eines zweiten Gitters, das als Amplitudengitter ausgebildet ist, wobei 6A ein Graph ist, der ein Beispiel des Ausgangssignals von dem Lichtempfangselement zeigt, und 6B ein Graph ist, der eine Verzerrungskomponente des Ausgangssignals zeigt.
7A und 7B zeigen ein Beispiel für den Fall einer Änderung der optischen Abstände Z1 und Z2 bei einer Ausführungsform 2 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei 7A ein Graph ist, der ein Beispiel des Ausgangssignals von dem Lichtempfangselement zeigt, und 7B ein Graph ist, der eine Verzerrungskomponente des Ausgangssignals zeigt.
8 ist eine Teildraufsicht zur Erläuterung eines anderen Beispiels eines Gittermusters eines ersten Gitters bei einer Ausführungsform 3 gemäß der vorliegenden Erfindung.
9A und 9B zeigen ein Beispiel für den Fall der Verwendung des ersten Gitters gemäß 8, wobei 9A ein Graph ist, der ein Beispiel des Ausgangssignals von dem Lichtempfangselement 17 zeigt, und wobei 9B ein Graph ist, der eine Verzerrungskomponente des Ausgangssignals zeigt.
10 ist ein Graph, der ein Berechnungsergebnis einer optischen Übertragungsfunktion zeigt, und zwar für den Fall eines optischen Wegunterschiedes von λ/4 beim zweiten Gitter, wobei Z1 = Z2.
11 ist ein Graph, der ein Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion zeigt, und zwar für den Fall der Änderung des optischen Wegunterschiedes (Phasendifferenz θ) beim zweiten Gitter unter der Bedingung N = 2.
12 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform 7 gemäß der Erfindung.
13 ist ein Graph, der ein Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion zeigt, und zwar unter der Bedingung von N = 2 und einem optischen Wegunterschied von λ/2, und zwar für den Fall der Fixierung des Abstandes Z1 und eine Änderung des Abstandes Z2 in einem Bereich von 0 bis 2T.
14 ist ein Graph, der die Relation zwischen den Abständen Z1 und Z2 und Gitterperioden P1 und P3 im Abbildungszustand zeigt.
15 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform 8 gemäß der Erfindung.
16 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform 9 gemäß der Erfindung.
17 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform 10 gemäß der Erfindung.
18 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform 11 gemäß der Erfindung.
Bezugszeichenliste

11: Lichtquelle
12: erstes Gitter
13: Substrat
14: zweites Gitter
15: Substrat
16: drittes Gitter
17: Lichtempfangselement
21: transparenter (durchlässiger) Bereich
22: opaker (undurchlässiger) Bereich
71: transparenter (durchlässiger) Bereich
72: opaker (undurchlässiger) Bereich.

Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
Ausführungsform 1
1 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausführungsform 1 gemäß der Erfindung. Ein optischer Codierer weist als Komponenten, entlang einer Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf.
Die Lichtquelle 11, die aus einer räumlich inkohärenten Lichtquelle besteht, beispielsweise einer LED, emittiert räumlich inkohärentes Licht mit einer zentralen Wellenlänge λ.
Das erste Gitter 12, das durch Strukturieren einer Metalldünnschicht auf einem transparenten Substrat 13 gebildet ist, bildet ein Amplitudengitter mit einer Gitterperiode P1, um das Licht von der Lichtquelle 11 einer räumlichen Amplitudenmodulation zu unterziehen. Wie in der Draufsicht in 2 dargestellt, ist es bevorzugt, daß ein transparenter Bereich 21 und ein undurchlässiger oder opaker Bereich 22 abwechselnd in Intervallen der halben Gitterperiode P1, also mit P1/2 angeordnet sind, um ein Amplitudengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden.
Das zweite Gitter 14, das mit einem binären Pegel auf der Oberfläche eines transparenten Substrats 15 gebildet ist, bildet ein Phasengitter mit einer Gitterperiode P2, um das Licht von dem ersten Gitter 12 einer räumlichen Phasenmodulation zu unterziehen. Wie im Querschnitt in 3 dargestellt, ist es bevorzugt, daß seine Berge und Täler abwechselnd in Intervallen von der halben Gitterperiode P2 angeordnet sind, also mit P2/2, um ein Phasengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der optische Wegunterschied zwischen dem Berg und dem Tal so ausgelegt ist, daß er im wesentlichen λ/2 beträgt, also eine Phasendifferenz von π besitzt, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist. Somit kann die Phasendifferenz zwischen dem Licht, das durch den Berg hindurchgeht, und dem Licht, das durch das Tal hindurchgeht, bei π gehalten werden, mit der Folge, daß dadurch die optische Übertragungsfunktion in der Theorie der Gitterabbildung maximal wird (Triplet-Gitterverfahren).
Das dritte Gitter 16 bildet ein Amplitudengitter mit einer Gitterperiode P3, um das Licht von dem zweiten Gitter 14 einer räumlichen Amplitudenmodulation zu unterziehen. Wie beim ersten Gitter 12 gemäß 2 ist es bevorzugt, daß transparente Bereiche und opake Bereiche abwechselnd in Intervallen der halben Gitterperiode P3 angeordnet sind, also mit P3/2, um ein Amplitudengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden.
Das Lichtempfangselement 17, beispielsweise eine Fotodiode, wandelt das Licht, das durch das dritte Gitter 16 hindurchgeht, in ein elektrisches Signal um. Hierbei ist das dritte Gitter 16 in integrierter Weise auf einer Abtastoberfläche des Lichtempfangselementes 17 angeordnet.
Das erste Gitter 12 wird an einem Gehäuse oder dergleichen befestigt, und das dritte Gitter 16 wird an dem Lichtempfangselement 17 oder dergleichen befestigt, während das zweite Gitter 14 in X-Richtung quer zur Lichtausbreitungsrichtung beweglich gelagert ist.
Hierbei ist Z1 ein optischer Abstand von dem ersten Gitter 12 zu dem zweiten Gitter 14, und Z2 ist ein optischer Abstand zwischen dem zweiten Gitter 14 und dem dritten Gitter 16. In einem Beispielsfall, wobei P1, P2 und P3 alle gleich sind und Z1 gleich Z2 ist, um eine Bedingung zu erfüllen, bei der eine räumliche Frequenzkomponente in dem ersten Gitter 12 auf das dritte Gitter 16 abgebildet werden kann, und wenn das zweite Gitter 14 um ein halbes Intervall der Gitterperiode P2, also um P2/2 verlagert wird, so bewegt sich die Verteilung der Lichtintensität auf dem dritten Gitter 16 um ein Intervall.
Dann wird das durch das dritte Gitter 16 hindurchgehende Licht von dem Lichtempfangselement 17 in ein elektrisches Signal umgewandelt, woraufhin eine Messung der Änderung der Signalintensität erfolgt. Infolgedessen kann die relative Verlagerung des zweiten Gitters 14 detektiert werden.
Als nächstes folgt eine Beschreibung eines Verfahrens für die Konzeption der Bedingung, daß eine räumliche Frequenzkomponente in dem ersten Gitter 12 auf das dritte Gitter 16 abgebildet werden kann, und zwar auf der Basis der Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren).
Bei dem Beispiel gemäß 1 können die Frequenzeigenschaft und der Kontrast eines Bildes, das auf dem dritten Gitter 16 erzeugt wird, durch Berechnen einer optischen Übertragungsfunktion erhalten werden. Es ist bekannt, daß eine optische Übertragungsfunktion unter Verwendung einer Fourier-Transformation des Quadrates des Impulsansprechverhaltens h mit der folgenden Gleichung (1) ausgedrückt werden kann.
Gleichung 1

F(σ₃) – ∫|h(x₁, x₃)|²exp(–2πiσ₃x₃)dx₃ (1), wobei σ₃ (= 1/P3) eine räumliche Frequenz des Bildes am dritten Gitter 16 ist und x₁ und x₂ die X-Koordinaten des ersten Gitters 12 und des dritten Gitters 16 in 1 sind.

Wenn man diese optische Übertragungsfunktion für den Fall des zweiten Gitters 14 berechnet, das eine periodische binäre Form mit einem Tastverhältnis von 50% und einem optischen Wegunterschied von λ/2 (Phasendifferenz π) besitzt, wobei Z1 gleich Z2 ist, so wird ein Ergebnis erhalten, wie es in 4 dargestellt ist.
In 4 bezeichnet die vertikale Achse ein relatives Ausgangssignal, das mit der Gleichspannungskomponente normiert ist, und die horizontale Achse gibt den Abstand Z (= Z1 = Z2) an, der mit der Talbot-Position normiert ist, also (P2)²/λ, was mit der Wellenlänge λ und der Periode P2 des zweiten Gitters 14 definiert werden kann. Der Buchstabe N in 4 entspricht dem Parameter N in der Abbildungsbedingung, die mit der nachstehenden Gleichung (2) definiert ist.
Gleichung 2

(1 + Z2 / Z1) × σ3 × P2 = N (2).

Nur für den Fall, daß dieser Parameter N eine ganze Zahl ist, kann eine räumliche Frequenz in dem ersten Gitter mit einer vorgegebenen optischen Übertragungsfunktion auf das dritte Gitter 16 abgebildet werden. Beispielsweise kann in einem Fall von N = 2, wenn beide Abschnitte Z1 und Z2 ungerade ganzzahlige Vielfache von T/4 sind, eine Abbildung auf das dritte Gitter 16 mit einer Übertragungsfunktion von ungefähr 0,6 erfolgen. Diese optische Übertragungsfunktion ist vergleichbar mit dem Doppelten des Wertes der optischen Übertragungsfunktion, der in dem oben erwähnten Nicht-Patentliteraturdokument 1 angegeben ist, und zwar für den Fall der Verwendung eines Amplitudengitters als zweites Gitter 14.
Daher kann jede Kombination von Parametern, wie z. B. P1, P2, P3, Z1, Z2, λ usw. für die Konzeption ausgewählt werden, um eine Abbildungsbedingung zu erfüllen, die dem Parameter N in der obigen Gleichung (2) und der optischen Übertragungsfunktion in 4 entspricht.
Für ein spezielles Beispiel wird der Fall von N = 2 mit den Parametern P1 = P2 = P3 und Z1 = Z2 nachstehend erläutert. 5A zeigt ein Ausgangssignal des Lichtempfangselementes 17, wobei die Parameter folgende Werte haben: λ = 850 nm als Wellenlänge der Lichtquelle 11; P1 = 64,7 μm als Gitterperiode des ersten Gitters 12; P2 = 64,7 μm als Gitterperiode des zweiten Gitters 14; P3 = 64,7 μm als Gitterperiode des dritten Gitters 16; und Z1 = Z2 = 1230 μm. Das bedeutet N = 2.
Die vertikale Achse bezeichnet die Signalintensität (beliebige Einheit), und die horizontale Achse bezeichnet die Position des zweiten Gitters 14 (beliebige Einheit). Z1 = Z2 = 1230 μm sind Abstände von T/4, entsprechend der Position mit der maximalen optischen Übertragungsfunktion unter der Bedingung von N = 2 in 4. Dabei zeigt 5B einen Graph zur Erläuterung einer Verzerrungskomponente des Ausgangssignals, die ein Fehlerfaktor bei der Phasenabtastung sein kann.
Für ein Vergleichsbeispiel zeigt 6A ein Ausgangssignal des Lichtempfangselementes 17, und zwar unter den gleichen Bedingungen für das erste Gitter 12 und das dritte Gitter 16 und die optischen Abstände Z1 und Z2 sowie die Wellenlänge λ, ausgenommen die Verwendung eines Amplitudengitters für das zweite Gitter 14. Die vertikale Achse bezeichnet die Signalintensität (beliebige Einheit), und die horizontale Achse gibt die Position des zweiten Gitters 14 (beliebige Einheit) an.
Dieses Amplitudengitter hat einen transparenten Bereich und einen opaken Bereich, die abwechselnd in Intervallen von P2/2 angeordnet sind, wobei eine Gitterperiode von P2 den Wert 64,7 μm besitzt und das Tastverhältnis 50% ist. 6B zeigt einen Graphen zur Erläuterung einer Verzerrungskomponente des Ausgangssignals.
Vergleicht man 5A mit 6A, so kann ein Ausgangssignal mit einer Periode von 32,35 μm, also der halben Periode P2 des zweiten Gitters 14 in jedem Graphen gesehen werden. Jedoch beträgt der Kontrast des Signals 17% in 6A, hingegen 38% mit einer guten Wellenform in 5A.
Dabei gilt, daß der Kontrast der Intensitätsverteilung beim dritten Gitter 16, der auf der Basis des resultierenden Ausgangssignals des Lichtempfangselementes 17 berechnet werden kann, im Falle von 5A ungefähr 60% beträgt, weil das Tastverhältnis des dritten Gitters 16 einen Wert von 50% besitzt. Dies stimmt im allgemeinen mit dem Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion gemäß 4 überein.
Somit kann die Verwendung des zweiten Gitters, das als Phasengitter ausgebildet ist, die optische Übertragungsfunktion doppelt so gut verbessern wie ein Amplitudengitter und damit den Kontrast des Ausgangssignals von dem Lichtempfangselement steigern. Weiterhin kann ein solches Phasengitter die hindurchgehende Lichtmenge doppelt so stark steigern wie ein Amplitudengitter mit einer wiederholten Anordnung von transparenten Bereichen und opaken Bereichen mit einem Tastverhältnis von 50%, so daß dadurch die Effizienz bei der Verwendung des von der Lichtquelle emittierten Lichtes verbessert werden kann.
In dem oben beschriebenen Beispiel sind die optischen Abstände Z1 und Z2 mit T/4 = 1230 μm vorgegeben. Für den Fall, daß die drei Gitterperioden P1, P2 und P3 untereinander gleich sind, läßt sich aus dem Ergebnis gemäß 4 entnehmen, daß die optische Übertragungsfunktion maximal ist, wenn jeder der optischen Abstände Z1 und Z2 so konzipiert ist, daß er ein ungerades ganzzahliges Vielfaches von T/4 ist.
In dem oben beschriebenen Beispiel kann somit ein ähnliches Ergebnis erreicht werden, wenn jeder der optischen Abstände Z1 und Z2 so ausgelegt ist, daß er ein ungerades ganzzahliges Vielfaches von T/4 ist. Auch in dem anderen Fall, in welchem Z1 und Z2 keine ungeraden ganzzahligen Vielfachen von T/4 sind, kann die Effizienz des verwendeten Lichtes verbessert und der Kontrast gesteigert werden, wie sich aus 4 ergibt.
Ausführungsform 2
Bei dieser Ausführungsform weist ein optischer Codierer, entlang der Lichtausbreitungsrichtung gesehen, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf. Diese Ausführungsform ist ähnlich konfiguriert wie die Ausführungsform 1, aber die optischen Abstände Z1 und Z2 sind verschieden von denen in der Ausführungsform 1.
Genauer gesagt, bei der Ausführungsform 1 sind die optischen Abstände Z1 und Z2 mit 1,230 μm oder ungeraden ganzzahligen Vielfachen davon vorgegeben, und zwar für die Bedingung N = 2. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die optischen Abstände Z1 und Z2 mit 1050 μm jeweils vorgegeben, und zwar für die Bedingung von N = 2.
7A ist ein Graph, der ein Ausgangssignal von dem Lichtempfangselement bei dieser Ausführungsform zeigt, und 7B ist ein Graph, der eine Verzerrungskomponente des Ausgangssignals zeigt. Die jeweilige horizontale Achse gibt die Position des zweiten Gitters 14 (beliebige Einheit) an.
Die vertikale Achse in 7A gibt die Signalintensität (beliebige Einheit) an. Die vertikale Achse in 7B gibt die Verzerrungskomponente an, die einen Fehler zwischen dem Ausgangssignal und einer idealen sinusförmigen Wellenform bezeichnet, und ist ferner mit einem Wert von Spitze zu Spitze normiert.
Aus 7B ist ersichtlich, daß kleine Variationen eines Versatzes aufgrund von Änderungen bei der beobachteten Verteilung der Lichtintensität auftreten, aber die harmonische Komponente dritter Ordnung ist weiter reduziert im Vergleich mit der Verzerrungskomponente in denjenigen Fällen, in denen Phasengitter und Amplitudengitter gemäß 5B und 6B verwendet werden.
Außerdem zeigt der Kontrast des Signals einen Wert von 36% mit einer guten Wellenform in 7A, was etwa der gleiche Wert wie in 5A ist.
Der Grund, warum die harmonische Komponente dritter Ordnung reduziert ist, wird nachstehend erläutert. In dem oben beschriebenen Beispiel ist das erste Gitter 12 als Amplitudengitter mit einer rechteckigen Verteilung der Durchlässigkeit ausgebildet und besitzt eine Gitterperiode P1 und ein Tastverhältnis von 50%.
Wenn die Verteilung der Durchlässigkeit in einer räumlichen Frequenz unter Verwendung einer Fourier-Reihe entwickelt wird, kann sie als Summe aus einer Grundfrequenzkomponente und harmonischen Komponenten ungeradzahliger Ordnung ausgedrückt werden, also mit einer Grundfrequenzkomponente der Gitterperiode P1, einer harmonischen Komponente dritter Ordnung der dreifachen Frequenz, einer harmonischen Komponente fünfter Ordnung der fünffachen Frequenz usw.
Die Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) definiert die optische Übertragungsfunktion für jede räumliche Frequenz. Daher können die harmonischen Komponenten, die in dem ersten Gitter vorhanden sind, auf das dritte Gitter in Abhängigkeit von einer Abbildungsbedingung abgebildet werden.
Vergleicht man Ausführungsform 2 mit Ausführungsform 1, so ist insofern ein Unterschied vorhanden, als eine Änderung der optischen Abstände zwischen den Gittern die optische Übertragungsfunktion der harmonischen Komponenten ändert. Insbesondere ist die Ausführungsform 1 so eingestellt, daß die optische Übertragungsfunktion der Grundfrequenzkomponente maximiert wird, während die optische Übertragungsfunktion von harmonischen Komponenten nicht Null bleibt.
Hingegen ist die Ausführungsform 2 so konzipiert, daß die optische Übertragungsfunktion von harmonischen Komponenten sich Null so weit wie möglich nähern kann, um die Verzerrungskomponente des Signals zu unterdrücken, während die optische Übertragungsfunktion der Grundfrequenzkomponenten leicht verringert wird.
Wie oben erwähnt, kann die geeignete Einstellung der optischen Abstände Z1 und Z2 unter Verwendung der Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) die Verzerrungskomponente auf der Ausgangswellenform stark reduzieren, auch wenn als erstes Gitter ein Amplitudengitter mit rechteckiger Durchlässigkeitsverteilung verwendet wird, wie es in 2 dargestellt ist.
Bei dem oben beschriebenen Beispiel sind die optischen Abstände Z1 und Z2 mit 1050 μm vorgegeben. Aber auch eine andere Bedingung kann unnötige Frequenzkomponenten mit gleichem Ergebnis unterdrücken.
Ausführungsform 3
Bei dieser Ausführungsform weist ein optischer Codierer, längs der Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf. Diese Ausführungsform ist ähnlich wie die Ausführungsform 1 aufgebaut, aber die Durchlässigkeitsverteilung des ersten Gitters 12 unterscheidet sich von der bei der Ausführungsform 1.
Genauer gesagt, die Ausführungsformen 1 und 2 verwenden ein erstes Gitter 12, das als Amplitudengitter mit rechteckiger Durchlässigkeitsverteilung aufgebaut ist, eine Gitterperiode P1 und ein Tastverhältnis von 50% besitzt. Diese Ausführungsform hingegen verwendet als erstes Gitter 12 ein Amplitudengitter mit sinusförmiger Durchlässigkeitsverteilung mit einer Gitterperiode P1.
8 ist eine Teildraufsicht eines anderen Ausführungsbeispiels für das Gitter 12. Das erste Gitter 12 ist so aufgebaut, daß eine Vielzahl von Gittern, die jeweils eine sinusförmige räumliche Gestalt mit der Gitterperiode P1, somit eine räumliche Grundfrequenz haben, in einer Reihe angeordnet sind. Ein opaker Bereich 32 des Gitters ist zwischen zwei sinusförmigen Bereichen ausgebildet, die jeweils eine umgekehrte Phase besitzen, und die Öffnungsbreite des transparenten Bereiches 31 variiert sinusförmig längs der X-Richtung.
Wenn ein Lichtstrahl mit einem vorgegebenen Querschnittsbereich in das erste Gitter 12 eintritt, wird er räumlich sinusförmig hinsichtlich seiner Amplitude moduliert, um Licht mit einer sinusförmigen Intensitätsverteilung zu erzeugen.
Das zweite Gitter 14 ist, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, als Phasengitter ausgebildet mit einem Tastverhältnis von 50%, wobei seine Berge und Täler abwechselnd in Intervallen von der halben Gitterperiode P2 angeordnet sind, also in Intervallen von P2/2, um das Licht von dem ersten Gitter 12 räumlich einer Phasenmodulation zu unterziehen.
Das dritte Gitter 13 ist wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform als Amplitudengitter mit einem Tastverhältnis von 50% ausgebildet, wobei die transparenten Bereiche und opaken Bereiche abwechselnd in Intervallen der halben Gitterperiode P3 angeordnet sind, also Intervallen von P3/2, um das Licht von dem zweiten Gitter 14 einer räumlichen Amplitudenmodulation zu unterziehen.
Für ein spezielles Ausführungsbeispiel zeigt 9A ein Ausgangssignal des Lichtempfangselementes 17, wobei folgende Parameter gelten: Licht mit einer Längenwelle von λ = 850 nm; P1 = 64,7 μm als Gitterperiode des ersten Gitters 12; P2 = 64,7 μm als Gitterperiode des zweiten Gitters 14; P3 = 64,7 μm als Gitterperiode des dritten Gitters 16; und optische Abstände Z1 = Z2 = 1230 μm. Dies entspricht Positionen, bei denen die optische Übertragungsfunktion für N = 2 maximal ist.
Die vertikale Achse gibt dabei die Signalintensität (beliebige Einheit) an, während die horizontale Achse die Position des zweiten Gitters 14 in beliebigen Einheiten angibt. Dabei ist 9B ein Graph, der eine Verzerrungskomponente des Ausgangssignals angibt.
Wie aus diesen Graphen ersichtlich, hat das Signal einen Kontrast von 27%, der etwas geringer ist im Vergleich mit dem Fall der Verwendung des ersten Gitters 12 mit einer rechteckigen Öffnung, jedoch findet sich keine Verzerrungskomponente, wie z. B. eine harmonische Komponente dritter Ordnung.
Der Grund, warum keine Verzerrungskomponente auftritt, wenn die Durchlässigkeit des ersten Gitters 12 sich sinusförmig bei einer Grundfrequenz ändert, wird nachstehend erläutert. Gemäß der Theorie der Gitterbildung (Triplet-Gittermethode) kann der Kontrast einer räumlichen Frequenzkomponente beim dritten Gitter durch die jeweilige räumliche Frequenzkomponente beim ersten Gitter und die aus dem zweiten Gitter resultierende optische Übertragungsfunktion, die optischen Abstände Z1 und Z2 usw. definiert werden.
Mit anderen Worten, wenn ein Gitter, das keine Komponenten höherer Ordnung hat, d. h. dessen Durchlässigkeit sich sinusförmig bei einer räumlichen Grundfrequenz ändert, als erstes Gitter verwendet wird, das die Verteilung der räumlichen Frequenz in der Einfallsebene definieren kann, so wird immer nur die räumliche Grundfrequenz auf das dritte Gitter abgebildet, unabhängig davon, wie sich die optische Übertragungsfunktion von jeder harmonischen Komponente aufgrund von Fehlern oder Abweichungen der optischen Abstände Z1 und Z2 ändert.
Wenn daher ein Amplitudengitter mit sinusförmiger Durchlässigkeitsverteilung als erstes Gitter verwendet wird, so treten im Prinzip keine höheren harmonischen Komponenten auf. Auch wenn der Abstand zwischen den Gittern variiert, beispielsweise bei Z1 oder Z2, ändert sich der Kontrast des Signals leicht, wenn das Ausgangssignal keine höhere harmonischen Komponenten besitzt, d. h. Verzerrungskomponenten, aber die räumliche Grundfrequenz kann erhalten werden.
Dabei hat diese Ausführungsform drei sinusförmige Gitter, die als erstes Gitter 12 angeordnet sind, wie es 8 zeigt. Die Anzahl von Gittern, welche die transparenten Bereiche 31 bilden, kann Eins, Zwei, Vier oder mehr betragen.
Ausführungsform 4
Bei dieser Ausführungsform ist ein optischer Codierer vorgesehen, der, längs der Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 aufweist. Diese Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsform 1, aber die Höhe der binären Gestalt des zweiten Gitters 14 unterscheidet sich von der bei der Ausführungsform 1.
Genauer gesagt, bei der Ausführungsform 1 ist der optische Wegunterschied zwischen den Bergen und Tälern des zweiten Gitters 14 mit λ/2 konzipiert, was eine Phasendifferenz von π ergibt. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch der optische Wegunterschied zwischen den Bergen und Tälern des zweiten Gitters 14 mit λ/4 konzipiert, was eine Phasendifferenz von π/2 ergibt. In gleicher Weise sind die Berge und Täler abwechselnd in Intervallen der halben Gitterperiode P2, also mit Intervallen von P2/2 angeordnet, um ein Phasengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden.
10 ist ein Graph, der ein Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion für den Fall zeigt, daß die optische Wegdifferenz beim zweiten Gitter 14 einen Wert von λ/4 besitzt, wobei Z1 = Z2. In 10 gibt die vertikale Achse ein relatives Ausgangssignal an, das mit der Gleichspannungskomponente normiert ist, also die optische Übertragungsfunktion, und die horizontale Achse gibt den Abstand Z (= Z1 = Z2) an, der mit der Talbot-Position T normiert ist, also (P2)²/λ, was mit der Wellenlänge λ und der Periode P2 des zweiten Gitters 14 definiert werden kann.
Damit eine räumliche Frequenz in dem ersten Gitter 12 mit einer vorgegebenen optischen Übertragungsfunktion auf das dritte Gitter 16 abgebildet werden kann, so kann irgendeine Kombination gewählt werden, die sowohl das Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion in 10 als auch die oben beschriebene Abbildungsbedingung im Hinblick auf N erfüllt, so daß es möglich ist, irgendeine Kombination von der Periode jedes Gitters, dem Abstand Z usw. zu verwenden.
Für ein spezielles Beispiel in einem Falle von N = 1, wenn P3 doppelt so groß wie P2 ist und jeder der Abstände Z1 und Z2 ein ungerades ganzzahliges Vielfaches von T gemäß der Gleichung der Abbildungsbedingung ist, so kann ein Bild mit der optischen Übertragungsfunktion von ungefähr 0,6 beim dritten Gitter erzeugt werden. In diesem Falle ist P1 gleich P3. Die resultierende optische Übertragungsfunktion von ungefähr 0,6 ist äquivalent mit einer maximalen optischen Übertragungsfunktion gemäß 4.
Ausführungsform 5
Bei dieser Ausführungsform ist ein optischer Codierer vorgesehen, der, längs der Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 aufweist. Diese Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsform 1, aber die Höhe der binären Form des zweiten Gitters 14 unterscheidet sich von derjenigen in den Ausführungsformen 1 und 4.
Genauer gesagt, bei der Ausführungsform 1 ist der optische Wegunterschied zwischen den Bergen und Tälern des zweiten Gitters 14 mit λ/2 vorgegeben, also einer Phasendifferenz von π. Bei der Ausführungsform 4 ist der optische Wegunterschied zwischen den Bergen und Tälern des zweiten Gitters 14 mit λ/4 vorgegeben, also einer Phasendifferenz von π/2.
Bei dieser Ausführungsform hingegen ist der optische Wegunterschied zwischen den Bergen und Tälern des zweiten Gitters 14 mit einem anderen Wert als λ/2 (Phasendifferenz π) und λ/4 (Phasendifferenz von π/2) vorgegeben. In gleicher Weise sind die Berge und Täler abwechselnd bei Intervallen der halben Gitterperiode P2 angeordnet, d. h. mit Intervallen von P2/2, um ein Phasengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden.
11 ist ein Graph, der ein Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion für den Fall zeigt, daß sich der optische Wegunterschied (Phasendifferenz θ) beim zweiten Gitter 14 unter der Bedingung N = 2 ändert. In 11 gibt die vertikale Achse ein relatives Ausgangssignal an, das mit der Gleichspannungskomponente normiert ist, d. h. die optische Übertragungsfunktion, und die horizontale Achse gibt den Abstand Z (= Z1 = Z2) an, der mit der Talbot-Position T normiert ist, also (P2)²/ λ, was mit der Wellenlänge λ und der Periode P2 des zweiten Gitters 14 definiert werden kann.
Für den Fall, daß der optische Wegunterschied 3λ/8 beträgt (Phasendifferenz θ = 3π/4), so ist gemäß 11 die optische Übertragungsfunktion leicht verschlechtert, wenn man es mit dem Fall des optischen Wegunterschiedes von λ/2 (Phasendifferenz θ = π) vergleicht, aber sie übertrifft die optische Übertragungsfunktion (ungefähr 0,3) für den Fall, in welchem ein Amplitudengitter mit N = 2 verwendet wird.
Gemäß der Abbildungsbedingung N und dem Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion können eine Kombination der Periode, des Abstandes und des optischen Wegunterschiedes beim zweiten Gitter 14 die Lichtmenge doppelt so stark steigern wie das Amplitudengitter, wobei der Kontrast verbessert wird.
Ausführungsform 6
Bei dieser Ausführungsform weist ein optischer Codierer, längs der Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf. Diese Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsform 1, aber es wird ein Phasengitter mit einer periodischen binären Form mit einem Tastverhältnis (Verhältnis von Tal zu Gitterperiode P2) mit einem Wert von beispielsweise 40% oder 30% als zweites Gitter 14 verwendet, anstatt eines Wertes von 50% für das Tastverhältnis.
Weiterhin ist der optische Wegunterschied zwischen den Bergen und Tälern des zweiten Gitters 14 auch mit einem anderen Wert als λ/2 (Phasendifferenz π) und λ/4 (Phasendifferenz von π/2) vorgegeben ist.
In diesem Falle kann in Abhängigkeit von der Abbildungsbedingung von N und der optischen Übertragungsfunktion eine Kombination der Periode, des Abstandes, des Tastverhältnisses und des optischen Wegunterschiedes beim zweiten Gitter die Lichtmenge doppelt so stark steigern wie das Amplitudengitter, wobei der Kontrast verbessert wird.
Ausführungsform 7
12 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausführungsform 7 gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform weist ein optischer Codierer, längs der Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf.
Diese Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsform 1, aber sowohl der Abstand Z1 von dem ersten Gitter 12 zu dem zweiten Gitter 14 als auch der Abstand Z2 von dem zweiten Gitter 14 zu dem dritten Gitter 16 sind verschieden von denen bei der Ausführungsform 1.
13 ist ein Graph, der ein Berechnungsergebnis der optischen Übertragungsfunktion unter der Bedingung von N = 2 und einem optischen Wegunterschied von λ/2 zeigt, und zwar für den Fall, daß der Abstand Z1 mit den Werten von 0,8 × T/4, 0,9 × T/4, T/4, 1,4 × T/4, 2,3 × T/4 oder 3,0 × T/4 vorgegeben ist, wobei der Abstand Z2 in einem Bereich von 0 bis 2T verändert wird, wobei T die Talbot-Position ist, also (P2)²/λ, was mit der Wellenlänge λ und der Periode P2 des zweiten Gitters 14 definiert werden kann.
In der Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) kann das Bild des ersten Gitters vergrößert oder verkleinert werden, und zwar auf der Basis des Verhältnisses von Z2 zu Z2, wobei die nachstehende Gleichung (3) erfüllt wird.
Gleichung 3

Z2σ3 = Z1σ1 (3).

Beispielsweise können in einem Falle von Z1 = 0,9 × T/4, wie in 14 dargestellt, die räumlichen Frequenzen σ3 (= 1/P3) und σ1 (= 1/P1) in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Z1 zu Z2 variieren. Das bedeutet, die Gitterperiode P1 des ersten Gitters 12 und die Gitterperiode P3 des dritten Gitters 16 können in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Z1 zu Z2 variieren.
In einem speziellen Fall von λ = 850 nm, P2 = 64,7 μm und Z1 = 1,1 mm ist die optische Übertragungsfunktion ungefähr 0,6 bei einem Wert von Z2 = 2,2 mm, wenn man 13 berücksichtigt, wobei P3 = 97,2 μm und P1 = 48,6 μm in 14 sind. Daher wird das Bild des ersten Gitters 12, das eine Gitterperiode von 48,6 μm hat, zweifach auf das dritte Gitter 13 vergrößert.
Bei dieser Konfiguration kann das Bild beim dritten Gitter vergrößert werden, so daß der Kontrast und die Lichtmenge gesteigert werden, wobei in vorteilhafter Weise die Ausrichtung des dritten Gitters erleichtert wird.
Der oben beschriebene Fall gibt ein Beispiel für den optischen Wegunterschied von λ/2, aber auch irgendeine andere Kombination kann ein Vergrößerungssystem oder Verkleinerungssystem ergeben, sofern die Abbildungsbedingungen von der optischen Übertragungsfunktion und N erfüllt sind, und jede Bedingung der räumlichen Frequenz ist durch das Verhältnis von Z1 zu Z2 definiert.
Auch in einem anderen Fall des optischen Wegunterschiedes von beispielsweise λ/4, also einem anderen Wert als λ/2, kann eine geeignete Kombination ein Vergrößerungssystem oder Verkleinerungssystem bilden, sofern die Abbildungsbedingung von der optischen Übertragungsfunktion und N erfüllt ist, und jede Bedingung der räumlichen Frequenz ist definiert durch das Verhältnis von Z1 zu Z2.
Ausführungsform 8
15 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausführungsform 8 gemäß der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform weist ein optischer Codierer, längs der Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf. Diese Ausführungsform ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsform 1, aber es wird ein Phasengitter, bei dem die optische Wegdifferenz sich sinusförmig ändert, als zweites Gitter 14 verwendet.
In diesem Falle kann, wie oben erläutert, das Bild des ersten Gitters 12 auf dem dritten Gitter 16 erzeugt werden, indem man die Konstruktionsparameter, wie z. B. die Gitterperiode, die Abstände Z auf der Basis des Berechnungsergebnisses der optischen Übertragungsfunktion und der Abbildungsbedingungen kombiniert.
In einem Falle von N = 1 und einem optischen Wegunterschied zwischen der Oberkante des Berges und der Unterkante des Tales des zweiten Gitters 14 von λ/4 (Phasendifferenz π/2) die optische Übertragungsfunktion ungefähr 0,6 bei einer Position von Z1 = Z2 = T. Damit wird der Kontrast im Vergleich mit einem Amplitudengitter weiter verbessert und die Lichtmenge verdoppelt.
15 zeigt ein Beispiel des zweiten Gitters 14, das als Phasengitter aufgebaut ist, wobei sich der optische Wegunterschied sinusförmig ändert. Das zweite Gitter 14 kann aber auch als ein anderes Phasengitter mit einer periodischen Phasenverteilung ausgebildet sein, wie z. B. mit drei eckigen oder stufenförmigen Wellenformen, so daß dadurch die Lichtmenge im Vergleich mit einem Amplitudengitter verdoppelt wird und der Kontrast verbessert wird.
Ausführungsform 9
16 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausführungsform 9 gemäß der Erfindung. Zum leichteren Verständnis kann davon ausgegangen werden, daß jede der oben beschriebenen Ausführungsformen ein Beispiel eines linearen Codierers mit linear geformten Gittern bildet. Die Erfindung kann auch Anwendung finden bei einem rotierenden Codierer, der Gitter aufweist, die in radialer Richtung mit einer vorgegebenen Winkelperiode angeordnet sind.
Bei dieser Ausführungsform weist ein optischer Codierer, längs der Lichtausbreitungsrichtung, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf. Das zweite Gitter 14 ist winkelmäßig verlagerbar um eine zentrale Achse C drehbar gelagert.
Die Lichtquelle 11, die aus einer räumlich inkohärenten Lichtquelle, wie z. B. einer LED besteht, emittiert räumlich inkohärentes Licht mit einer zentralen Wellenlänge λ. Eine optische Achse Q der Lichtquelle 11 liegt parallel zu der zentralen Achse C und in einer Radiusposition Ra versetzt von der zentralen Achse C.
Das erste Gitter 12, das gebildet ist durch Strukturieren einer Metalldünnschicht auf einem transparenten Substrat 13, bildet eine drehbare Skala vom Typ eines Amplitudengitters mit einer Gitterperiode P1 in der Position quer zur optischen Achse Q, damit das Licht von der Lichtquelle 11 einer räumlichen Amplitudenmodulation unterzogen wird. Es ist bevorzugt, daß in der in 2 dargestellten Weise transparente Bereiche 21 und opake Bereiche 22 abwechselnd angeordnet sind, und zwar in Intervallen von der halben Gitterperiode P1, d. h. in Intervallen P1/2, um ein sektorförmiges Amplitudengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden.
Das zweite Gitter 14 ist mit einem periodischen binären Pegel auf der Oberfläche eines transparenten scheibenförmigen Substrats 15 gebildet, das um die zentrale Achse C drehbar ist. Das zweite Gitter 14 bildet eine drehbare Skala vom Typ eines Phasengitters mit einer Gitterperiode P2 in einer Position quer zur optischen Achse Q, um das Licht von dem ersten Gitter 12 einer räumlichen Phasenmodulation zu unterziehen.
Es ist bevorzugt, daß, wie im Querschnitt in 3 dargestellt, seine Berge und Täler abwechselnd in Intervallen der halben Gitterperiode P2 angeordnet sind, also in Intervallen von P2/2, um ein sektorförmiges Phasengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden. Weiterhin ist bevorzugt, daß der optische Wegunterschied zwischen den Bergen und Tälern so konzipiert ist, daß er im wesentlichen λ/2 beträgt, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Somit kann die Phasendifferenz zwischen dem Licht, das durch den Berg hindurchgeht, und dem Licht, das durch das Tal hindurchgeht, auf einem Wert von π gehalten werden, so daß die optische Übertragungsfunktion gemäß der Theorie der Gitterabbildung maximal wird (Triplet-Gitterverfahren).
Das dritte Gitter 16 bildet eine drehbare Skala vom Typ eines Amplitudengitters mit einer Gitterperiode P3 in einer Position quer zur optischen Achse Q, um das Licht von dem zweiten Gitter 14 einer räumlichen Amplitudenmodulation zu unterziehen.
Es ist bevorzugt, daß, wie bei dem ersten Gitter 12 gemäß 2, transparente Bereiche und opake Bereiche abwechselnd in Intervallen der halben Gitterperiode P3 vorgesehen sind, also in Intervallen von P3/2, um ein sektorförmiges Amplitudengitter mit einem Tastverhältnis von 50% zu bilden.
Das Lichtempfangselement 17, beispielsweise eine Fotodiode, wandelt das Licht, das durch das dritte Gitter 16 hindurchgeht, in ein elektrisches Signal um. Dabei ist das dritte Gitter 16 integriert auf der Abtastoberfläche des Lichtempfangselementes 17 angeordnet.
Das erste Gitter 12 ist an einem Gehäuse oder dergleichen befestigt, und das dritte Gitter 16 ist an dem Lichtempfangselement 17 oder dergleichen befestigt, während das zweite Gitter 14 so gelagert ist, daß es in Umfangsrichtung senkrecht zu der optischen Achse Q winkelmäßig verlagert werden kann.
Dabei ist Z1 der optische Abstand zwischen dem ersten Gitter 12 und dem zweiten Gitter 14, und Z2 ist der optische Abstand zwischen dem zweiten Gitter 14 und dem dritten Gitter 16. Die optische Übertragungsfunktion in dem drehbaren Codierer kann berechnet werden, indem man die Gitterperiode in der oben beschriebenen linearen Verlagerung ersetzt durch die Gitterperiode in der Position quer zur optischen Achse Q, worauf die oben erwähnte Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) angewendet werden kann.
Wenn in einem beispielhaften Fall, in welchem Z1 = Z2 und N = 2 gilt, um eine Bedingung zu erfüllen, daß eine räumliche Frequenzkomponente, die in dem ersten Gitter 12 vorhanden ist, auf das dritte Gitter 16 abgebildet werden kann, das zweite Gitter 14 um ein halbes Intervall der Gitterperiode P2 verlagert wird, also um P2/2, so bewegt sich die Verteilung der Lichtintensität beim dritten Gitter 16 um ein Intervall.
Dann wird das Licht, das durch das dritte Gitter 16 hindurchgeht, von dem Lichtempfangselement 17 in ein elektrisches Signal umgewandelt, woraufhin ein Erfassen der Änderung der Signalintensität erfolgt. Infolgedessen kann die relative Verlagerung des zweiten Gitters 14 gemessen werden.
Der oben beschriebene Fall ist ein Beispiel für den optischen Wegunterschied von λ/2, aber es kann auch eine andere Kombination einen drehbaren Codierer bilden, sofern die Abbildungsbedingung für die optische Übertragungsfunktion und N erfüllt ist. Ferner kann auch in einem anderen Fall des optischen Wegunterschiedes von beispielsweise λ/4, also einem anderen Wert als λ/2, eine geeignete Kombination einen drehbaren Codierer bilden, sofern die Abbildungsbedingung für die optische Übertragungsfunktion und N erfüllt sind.
Ausführungsform 10
17 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausführungsform 10 gemäß der Erfindung. Zum leichteren Verständnis ist davon auszugehen, daß jede der oben beschriebenen Ausführungsformen ein Beispiel eines transparenten Phasengitters für das zweite Gitter 14 bildet. Die Erfindung kann auch auf einen Fall Anwendung finden, bei dem ein reflektierendes Phasengitter für das zweite Gitter 14 verwendet wird.
Bei dieser Ausführungsform weist ein optischer Codierer, längs der Lichtausbreitungsrichtung gesehen, eine Lichtquelle 11, ein erstes Gitter 12, ein zweites Gitter 14, ein drittes Gitter 16 und ein Lichtempfangselement 17 auf, wobei die Schlitzrichtung von jedem der Gitter 12, 14 und 16 so konzipiert ist, daß sie senkrecht zu der Zeichnungsebene verläuft, und die Bewegungsrichtung des zweiten Gitters 14 ist so konzipiert, daß sie in Richtung von oben nach unten parallel zur Zeichnungsebene verläuft.
Das Licht von der Lichtquelle 11 geht schräg durch das erste Gitter 12 hindurch und wird dann schräg auf das zweite Gitter 14 reflektiert und geht dann schräg durch das dritte Gitter 16 hindurch, bis es dann das Lichtempfangselement 17 erreicht. Die Werte von Z1 und Z2 sind als Abstände in der Lichtausbreitungsrichtung definiert.
Die oben beschriebene Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) kann auch auf diesen Fall Anwendung finden, indem man die Stufe des zweiten Gitters 14 durch die halbe von der des transparenten Phasengitters ersetzt. Beispielsweise in einem Falle eines optischen Wegunterschiedes zwischen dem Berg und dem Tal des transparenten zweiten Gitters 14 von λ/2 (Phasendifferenz von π), beträgt der optische Wegunterschied zwischen dem Berg und dem Tag des reflektierenden zweiten Gitters 14 lediglich λ/4 (Phasendifferenz von π/2).
In einem anderen Fall des optischen Wegunterschiedes zwischen dem Berg und dem Tal des transparenten zweiten Gitters 14 von λ/4 (Phasendifferenz von π/2), beträgt der optische Wegunterschied zwischen dem Berg und dem Tal des reflektierenden zweiten Gitters 14 nur λ/8 (Phasendifferenz von π/4).
Somit können durch die Verwendung eines derartigen reflektierenden Phasengitters als zweites Gitter 14 eine Baugruppe aus der Lichtquelle 11 und dem ersten Gitter 12 und eine weitere Baugruppe aus dem dritten Gitter 16 und dem Lichtempfangselement 17 auf derselben Seite bezüglich des zweiten Gitters 14 angeordnet werden, so daß man insgesamt eine kompakte Konfiguration erreicht.
Ausführungsform 11
18 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausführungsform 11 gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform verwendet ein reflektierendes Phasengitter für das zweite Gitter 14, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform. Es ist jedoch die Schlitzrichtung von jedem der Gitter 12, 14 und 16 in einer Richtung von oben nach unten, parallel zur Zeichnungsebene konzipiert, und die Bewegungsrichtung des zweiten Gitters 14 ist so konzipiert, daß sie senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft.
Das Licht von der Lichtquelle 11 geht schräg durch das erste Gitter 12 hindurch und wird dann schräg auf dem zweiten Gitter 14 reflektiert, geht anschließend schräg durch das dritte Gitter 16 hindurch und erreicht schließlich das Lichtempfangselement 17. Die jeweiligen Abstände Z1 und Z2 sind als Abstände längs der Lichtausbreitungsrichtung definiert.
Die oben erwähnte Theorie der Gitterabbildung (Triplet-Gitterverfahren) kann auch auf diese Konfiguration Anwendung finden. Außerdem können eine Baugruppe aus der Lichtquelle 11 und dem ersten Gitter 12 sowie eine andere Baugruppe aus dem dritten Gitter 16 und dem Lichtempfangselement 17 auf derselben Seite bezüglich des zweiten Gitters 14 angeordnet werden, so daß dadurch insgesamt eine kompakte Konfiguration erreicht wird.
Bei jeder vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist beispielhaft ein Fall vorgesehen, wo das erste Gitter 12 und das dritte Gitter 16 fixiert sind und das zweite Gitter 14 beweglich ist; es kann aber auch das zweite Gitter 14 fixiert sein und das erste Gitter 12 und das dritte Gitter 16 bewegt werden. Ferner können auch ein System, bei dem das zweite Gitter 14 und das dritte Gitter 16 relativ zu dem ersten Gitter 12 bewegt werden, und ein anderes System, bei dem das erste Gitter 12 und das zweite Gitter 14 relativ zu dem dritten Gitter 16 bewegt werden, eingesetzt werden, um ein entsprechendes Signal zu erhalten.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist ein Fall vorgesehen, bei dem das erste Gitter 12 als Gitter ausgebildet ist, dessen Durchlässigkeit rechteckförmig oder sinusförmig variiert, aber die Verteilung der Lichtdurchlässigkeit des ersten Gitters 12 kann auch in geeigneter Weise so konzipiert sein, daß eine gewünschte Intensitätsverteilung (Verteilung der räumlichen Frequenz) in einer anschließenden Bildebene realisiert wird.
Bei jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen ist ein Fall vorgesehen, bei dem beispielsweise das dritte Gitter 16 ein Tastverhältnis von 50% besitzt, aber es kann auch ein anderer Wert als 50% sein, und die Verteilung der Lichtdurchlässigkeit des dritten Gitters 16 kann in geeigneter Weise konzipiert werden, um ein gewünschtes Ausgangssignal zu erhalten.
Bei jeder oben beschriebenen Ausführungsform ist beispielhaft ein Fall vorgesehen, bei dem das dritte Gitter 16 aus Licht-abschirmenden Schlitzen aufgebaut ist, aber es kann auch eine Vielzahl von Lichtempfangselementen, die einer Öffnungsform des dritten Gitters 16 entsprechen, diskret mit der Gitterperiode P3 vorgesehen sein, um dann die Ausgangssignale von den Lichtempfangselementen aufzusummieren. Dies ermöglicht eine Integration des dritten Gitters 16 und des Lichtempfangselementes 17, um den Montagevorgang zu vereinfachen und die Anzahl der Teile zu reduzieren.
Bei sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsformen können Antireflexions-Beschichtungen auf die jeweiligen Lichtdurchlaßebenen der Gitter 12, 14 und 16 aufgebracht sein, um Lichtverluste zu reduzieren. In diesem Falle wird die Dicke der jeweiligen Beschichtung für das optische Konzept insbesondere im Hinblick auf die Phasendifferenz berücksichtigt.
Bei sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsformen ist beispielhaft ein Fall vorgesehen, bei dem Licht von der Lichtquelle 11 direkt in das erste Gitter 12 eintritt, aber es kann auch eine Lichtstreuplatte mit einem vorgegebenen Diffusionswinkel zwischen der Lichtquelle 11 und dem ersten Gitter 12 dazwischengeschaltet sein, damit diffuses Licht in das erste Gitter 12 eintreten kann.
In diesem Falle kann die Einstellung des Diffusionswinkels der Lichtstreuplatte die Menge an Licht reduzieren, die aus dem Abtastbereich des Lichtempfangselementes 17 entweicht, um dadurch die Effizienz bei der Verwendung des Lichtes zu verbessern.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die optische Übertragungsfunktion von der Lichtquelle zu dem Lichtempfangselement gesteigert und die Effizienz bei der Verwendung von Licht erheblich verbessert werden. Dies führt zu einem optischen Codierer mit hoher Leistungsfähigkeit und kompakten Abmessungen.

Claims

Optischer Codierer, der folgendes aufweist: – eine inkohärente Lichtquelle (11); – ein erstes Gitter (12), das als Amplitudengitter mit einer ersten Gitterperiode für die räumliche Amplitudenmodulation von Licht von der Lichtquelle (11) ausgebildet ist; – ein zweites Gitter (14), das als Phasengitter mit einer zweiten Gitterperiode für die räumliche Phasenmodulation von Licht von dem ersten Gitter (12) ausgebildet ist; – ein drittes Gitter (16), das als Amplitudengitter mit einer dritten Gitterperiode für die räumliche Amplitudenmodulation von Licht von dem zweiten Gitter (14) ausgebildet ist; und – mindestens ein Lichtempfangselement (17), um das Licht von dem dritten Gitter (16) zu empfangen, wobei der Codierer eine relative Verlagerung zwischen den jeweiligen Gittern detektiert, wobei das erste Gitter (12), das zweite Gitter (14) und das dritte Gitter (16) die gleiche Gitterperiode (P) haben, und wobei ein erster Abstand (Z1) zwischen dem ersten Gitter (12) und dem zweiten Gitter (14) und ein zweiter Abstand (Z2) zwischen dem zweiten Gitter (14) und dem dritten Gitter (16) so konzipiert sind, dass sie im wesentlichen ungerade ganzzahlige Vielfache von P²/(4λ) sind, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Optischer Codierer nach Anspruch 1, wobei das zweite Gitter (14) als transparentes Phasengitter mit einer zahnförmigen Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% ausgebildet ist, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/2 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Optischer Codierer nach Anspruch 1, wobei das zweite Gitter (14) als transparentes Phasengitter mit einer zahnförmigen Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% ausgebildet ist, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Optischer Codierer nach Anspruch 1, wobei das zweite Gitter (14) als reflektierendes Phasengitter ausgebildet ist und wobei das erste Gitter (12) und das dritte Gitter (16) auf der selben Seite bezüglich des zweiten Gitters (14) angeordnet sind.
Optischer Codierer nach Anspruch 4, wobei das zweite Gitter (14) eine zahnförmige Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% besitzt, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/4 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Optischer Codierer nach Anspruch 4, wobei das zweite Gitter (14) eine zahnförmige Gestalt mit einem Tastverhältnis von im wesentlichen 50% besitzt, wobei der optische Wegunterschied zwischen seinen Bergen und Tälern im wesentlichen gleich λ/8 ist, wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist.
Optischer Codierer nach Anspruch 1, wobei das zweite Gitter (14) als Phasengitter ausgebildet ist, bei dem der optische Wegunterschied sich sinusförmig ändert.
Optischer Codierer nach Anspruch 1, wobei das erste Gitter (12), das zweite Gitter (14) und das dritte Gitter (16) Skalen vom drehbaren Typ sind.
Optischer Codierer nach Anspruch 1, wobei das erste Gitter (12) eine räumliche Verteilung der Durchlässigkeit besitzt, die sich sinusförmig ändert.
Optischer Codierer nach Anspruch 1, wobei eine Vielzahl von Lichtempfangselementen (17) diskret mit der dritten Gitterperiode angeordnet sind und wobei das dritte Gitter (16) und die Lichtempfangselemente (17) miteinander integriert sind.