DE3938935A1 - Optisches bewegungsmessverfahren und einrichtung zu dessen durchfuehrung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bewegungsmeßverfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung, und betrifft insbesondere ein optisches Bewegungsmeßverfahren, welches bei verschiedenen Codierern u. ä. zum Messen von Mikrobewegungen oder Mikroverschiebungen anwendbar ist, und betrifft insbesondere eine optische Bewegungsmeßeinrichtung, bei welcher dieses optische Bewegungsmeßverfahren angewendet wird.

Es ist bekannt, mit Licht, welches von einer Lichtquelle abgegeben wird, ein Objekt bzw. einen Gegenstand zu bestrahlen und eine Position oder Lage des Objekts mit Hilfe eines Photodetektors festzustellen, indem reflektiertes oder durchfallendes Licht von dem Objekt aus festgestellt wird.

Ein Verfahren, um optisch eine Bewegung eines Objekts zu messen, wurde in einer japanischen Patentanmeldung Nr. 63-47 616 vorgeschlagen. Bei diesem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Objekt mit einer periodischen Struktur mit einem divergenten Strahlenbündel, das von einer monochromatischen Punktlichtquelle abgegeben worden ist, beleuchtet, um ein Schattenbeugungsbild zu erzeugen, welches der periodischen Struktur des Objektes entspricht. Ein Photodetektor fühlt eine Bewegung des Objektes durch Feststellen einer Bewegung des Schattenbeugungsbildes, welches sich bewegt, wenn sich das Objekt in einer Richtung quer zu dem divergenten Strahlenbündel bewegt.

Bei diesem vorgeschlagenen Verfahren ergeben sich jedoch die folgenden Schwierigkeiten. Wie aus einer logischen Analyse, welche in der erwähnten japanischen Patentanmeldung Nr. 63-47 616 beschrieben ist, zu ersehen ist, muß eine vorherbestimmte Lagebeziehung zwischen der Punktlichtquelle, dem Objekt und dem Photodetektor verwirklicht sein, um das Schattenbeugungsbild zu erzeugen. Wenn sich diese Lagebeziehung ändert, ändert sich auch das erzeugte Schattenbeugungsbild. Dies bedeutet, daß sich das Schattenbeugungsbild ändert und ein Fehler in die gemessene Bewegung eingebracht wird, wenn sich die Lagebeziehung aus irgendeinem Grund oder einfach im Laufe der Zeit ändert.

Gemäß der Erfindung sollen daher ein optisches Bewegungsmeßverfahren und eine Einrichtung zu dessen Durchführung geschaffen werden, bei welchen die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten beseitigt sind. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem optischen Bewegungsmeßverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Verfahrensschritte im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Mikrobewegung oder eine Mikroverschiebung des Objekts mit einer extrem hohen Genauigkeit festgestellt werden. Ferner ist dies mit einer optischen Bewegungsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12 durch die Merkmale in dessen kennzeichnenden Teil erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 13 bis 22. Auch mit der erfindungsgemäßen Einrichtung können eine Mikrobewegung oder eine Mikroverschiebung des Gegenstands mit einer extrem hohen Genauigkeit bei einem einfachen Aufbau gemessen werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1A und 1B Diagramme zum Erläutern eines Schattenbeugungsbildes;

Fig. 2 ein Diagramm zum Erläutern der Erzeugung eines Schattenbeugungsbildes in der Nähe einer optischen Achse;

Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern der Erzeugung eines Schattenbeugungsbildes an einer von der optischen Achse entfernt liegenden Stelle;

Fig. 4 ein Diagramm zum Erläutern eines Winkelbereichs, in welchem ein Schattenbeugungsbild zu erhalten ist;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen Teils eines optischen Systems zum Erläutern einer ersten Ausführung eines optischen Bewegungsmeßsystems gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen Teils eines optischen Systems zum Erläutern einer zweiten Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 7 ein Diagramm eines wesentlichen Teils eines optischen Systems zum Erläutern einer dritten Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 8 bzw. 9 Diagramme zum Erläutern eines Mechanismus zum Erzeugen eines Schattenmusters;

Fig. 10 bzw. 11 Diagramme zum Erläutern einer Lichtintensitätsverteilung, wenn ein Abstand zwischen einer Lichtquelle und einem Beugungsgitter annähernd derselbe ist wie ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einem Schirm oder wenn ein Spaltabstand des Beugungsgitters klein ist;

Fig. 12A bis 12B Diagramme zum Erläutern der Voraussetzungen bei einer Lichtquelle, um Interferenzstreifen (ein Schattenbeugungsbild) zu erhalten;

Fig. 13A bis 13D jeweils Lichtintensitätsverteilungen, um Wirkungen der Charakteristik des Beugungsgitters an den Interferenzstreifen zu erläutern;

Fig. 14 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall wiedergibt, bei welchem γ<S/2 ist;

Fig. 15A bis 15E jeweils Beugungsbildpunkte, die in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter in Fig. 14 erzeugt sind;

Fig. 16 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall wiedergibt, bei welchem γ=S/2 ist;

Fig. 17A bis 17D jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter in Fig. 16 erzeugt sind;

Fig. 18 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall wiedergibt, bei welchem γ=S ist;

Fig. 19A bis 19D Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter in Fig. 18 erzeugt sind;

Fig. 20 ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall wiedergibt, bei welchem γ<S ist;

Fig. 21A bis 21D jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter in Fig. 20 erzeugt sind;

Fig. 22 ein System-Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform einer optischen Bewegungsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 23A bzw. 23B Diagramme zum Erläutern einer räumlichen Anordnung von zwei in Fig. 22 dargestellten feststehenden Gittern;

Fig. 24A bzw. 24B Signalwellenformen von Signalen, welche von in Fig. 22 dargestellten Verstärkern abgegeben worden sind;

Fig. 25A bzw. 25B Signalwellenformen von digitalen Signalen, welche von in Fig. 22 dargestellten Analog-Digital-Umsetzern abgegeben worden sind;

Fig. 26A bzw. 26B Beugungsbildpunkte und ein Frauenhofersches Bild, welche erzeugt werden, wenn Beugungsbildpunkte n-ter und m-ter Ordnung erzeugt werden;

Fig. 27A bzw. 27B Beugungsbildpunkte und ein Frauenhofersches Bild, welche erzeugt werden, wenn Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung erzeugt werden;

Fig. 28A bzw. 28B Beugungsbildpunkte und ein Frauenhofersches Bild, welche erzeugt werden, wenn nur Beugungsbildpunkte ±1ter Ordnung erzeugt werden;

Fig. 29A bzw. 29B Beugungsbildpunkte und ein Frauenhofersches Bild, welche erzeugt werden, wenn nur Beugungsbildpunkte ±n-ter Ordnung erzeugt werden;

Fig. 30 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen Teils eines optischen Systems zum Erläutern einer vierten Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 31 eine perspektivische Darstellung eines wesentlichen Teils eines optischen Systems zum Erläutern einer fünften Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 32 ein Diagramm, in welchem ein wesentlicher Teil eines optischen Systems wiedergegeben ist, um eine sechste Ausführungsform des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung zu erläutern;

Fig. 33 ein Diagramm zum Erläutern einer Reflexion an einer Umfangsfläche eines Zylinders, wenn sich Licht von der Lichtquelle zum Mittelpunkt des Zylinders hin ausbreitet;

Fig. 34 ein Diagramm zum Erläutern einer Reflexion an der Umfangsfläche des Zylinders, wenn das Licht von der Lichtquelle sich zu einem Punkt hin ausbreitet, der von dem Mittelpunkt des Zylinders entfernt liegt, und

Fig. 35 ein Diagramm zum Erläutern einer Reflexion an der Umfangsfläche des Zylinders, wenn das Beugungsgitter Streifen aus reflektierenden Teilen hat, welche parallel zu einer Erzeugenden auf dem Zylinder angeordnet sind.

Als erstes wird ein "Schattenbeugungsbild" bzw. ein "Schattenbeugungsmuster" (wobei im folgenden immer von "Schattenbeugungsbild" gesprochen wird) beschrieben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Der Begriff "Schattenbeugungsbild" kann in der vorstehend angeführten japanischen Patentanmeldung Nr. 63-47 616 gefunden werden, und bezieht sich auf ein periodisches Streifenmuster, in welchem sich helle und dunkle Muster abwechseln. Das Schattenbeugungsbild wird durch eine Beugung erzeugt. Die periodische Struktur des Schattenbeugungsbildes und die periodische Struktur des Objekts haben eine bestimmte Beziehung, aber das Schattenbeugungsbild ist kein Schattenbild dieser periodischen Struktur des Objekts.

In der vorliegenden Beschreibung wird das Schattenbeugungsbild, welches ein Schattenbild der periodischen Struktur des Objekts ist, als ein Schattenbild oder Interferenzstreifen bezeichnet. Außerdem wird eine Lichtquelle mit einer endlichen bzw. begrenzten Länge wird als ein begrenzter Linienstrahler bezeichnet. Beispielsweise kann ein rechteckiger lichtemittierender Teil einer Laserdiode entlang einer Längsrichtung als der begrenzte Linienstrahler verwendet werden.

Als nächstes wird ein Arbeitsprinzip des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung beschrieben. In Fig. 1A sind ein begrenzter Linienstrahler 10, ein Beugungsgitter 12 und ein Schirm 14 dargestellt. Der begrenzte Linienstrahler 10 hat eine Länge d, wie in Fig. 1B dargestellt ist, während Spalte des Beugungsgitters 12 mit einem Abstand ξ vorgesehen sind, und jeder Spalt eine Breite δ hat. Wie in Fig. 1A dargestellt, bilden der begrenzte Linienstrahler 10 und das Beugungsgitter 12 einen Abstand b1, während das Beugungsgitter 12 und der Schrim 14 einen Abstand b2 voneinander haben. Der Spalt des Beugungsgitters 12 entspricht einem lichtdurchlässigen Teil, und ein Teil des Beugungsgitters 12 zwischen zwei aufeinanderfolgende Spalten entspricht einem lichtblockierenden Teil.

Wenn eine Lichtintensitätsverteilung auf dem Schirm beobachtet wird, erscheint ein Muster aus starken und schwachen Lichtintensitäten auf dem Schirm, wie in Fig. 1A dargestellt ist. In der in Fig. 1A dargestellten Anordnung verläuft eine Längsrichtung des begrenzten Linienstrahlers 10 parallel zu einer Richtung, in welcher Spalte (Gitter) des Beugungsgitters 12 angeordnet sind. Diese Richtung, in welcher die Spalte des Beugungsgitters 12 angeordnet sind, ist ebenfalls parallel zu dem Schirm 12. Eine imaginäre senkrechte Linie ist von einem Mittelpunkt des begrenzten Linienstrahlers 10 entlang der Längsrichtung eingetragen, und diese senkrechte Linie wird als eine optische Achse AX bezeichnet.

Wenn Positionen von Scheitelwerten in der Lichtintensitätsverteilung auf dem Schirm 14 beobachtet werden, entsprechen diese Positionen, an welchen jeder Strahl, welcher durch einen Spalt des Beugungsgitters 12 hindurchgeht, auf den Schirm 14 auftrifft, wenn Licht, welches von dem mittleren Teil des begrenzten Linienstrahlers 10 entlang der Längsrichtung abgegeben wird, als Strahlen angesehen wird. Wenn folglich der begrenzte Linienstrahler 10 einfach als eine Lichtpunktquelle angesehen wird und eine Spaltverteilung des Beugungsgitters 12 auf den Schirm 14 als ein Schattenbild mit Hilfe der Punktlichtquelle projiziert wird, entspricht die vorstehend beschriebene Lichtintensitätsverteilung diesem Schattenbild der Spaltverteilung. Aus diesem Grund wird die Lichtintensitätsverteilung als das Schattenmuster bezeichnet. Jedoch wird dieses Schattenmuster als ein Ergebnis des Beugungsphänomens erhalten und ist natürlich nicht eine einfache Schattenerscheinung. Dies wird aufgrund der Tatsache offensichtlich, daß die Lichtintensität in der Lichtintensitätsverteilung in der Nähe der optischen Achse AX groß und an Stellen klein ist, welche von der optischen AX entfernt liegen.

Als nächstes werden die Kennzeichen des Schattenmusters beschrieben. Wenn der Wert d/ξ größer wird als 2, d. h. wenn die Länge d des begrenzten Linienstrahlers 10 größer als das Zweifache des Abstandes ξ der Spalte des Beugungsgitters 12 ist, ist es nicht möglich, ein Schattenmuster zu erhalten, welches einen ausreichenden Kontrast hat. Wenn dagegen der Wert d/ξ klein wird und sich 0 nähert, entspricht das Schattenmuster, welches erhalten wird, den Erzeugungsbedingungen zum Erzeugen eines Schattenbeugungsbildes, wie es in der japanischen Patentanmeldung Nr. 63-47 616 beschrieben ist. Mit anderen Worten, wenn der Wert d/ξ kleiner als 1/10 wird, wirkt der begrenzte Linienstrahler 10, wie wenn er eine Lichtpunktquelle wäre, und das Schattenmuster wird bezüglich Änderungen in den Abständen b1 und b2 empfindlich und instabil.

Wenn die Größe der Breite δ dem Abstand ξ vergleichbar ist, wie es der Fall ist, wenn die Breite δ in der Größenordnung von ξ/3 liegt, wird der Kontrast des Schattenmusters, und der Photodetektor kann den Kontrast nicht in zufriedenstellender Weise feststellen. Folglich deutet in der vorliegenden Beschreibung, wenn gesagt wird, daß die Breite δ ausreichend klein im Vergleich zu dem Abstand ξ der periodischen Struktur des Objekts ist, daß die Breite δ des lichtdurchlassenden Teils oder des lichtreflektierenden Teils so bemessen ist, daß das erzeugte Schattenmuster einen Kontrast hat, welcher mittels des Photodetektors in zufriedenstellender Weise meßbar ist.

In dem Schattenmuster selbst ist die Lichtintensität in der Nähe der optischen Achse AX groß und wird kleiner, wenn sich die Position von der optischen Achse AX weiter entfernt. Mit anderen Worten, die Lichtintensität ist in einem Winkelbereich ±α groß, wobei der Winkel α zwischen optischer Achse und einer geraden Linie gebildet ist, welche von dem Mittelpunktteil des begrenzten Lichtstrahlers 10 entlang der Längsrichtung ausgeht. Andererseits ist in einem Winkelbereich außerhalb des Winkelbereichs ±α die Lichtintensität stabilisiert, und der Kontrast des Schattenmusters ist hoch. Jedoch ist in dem Winkelbereich ±α die Lichtintensität selbst in dem Teil mit geringer Intensität groß, und der Kontrast des Schattenmusters ist nicht sehr hoch.

Nunmehr wird die Beziehung zwischen der Größe des Schattenmusters und des Abstandes ξ der Spalte des Beugungsgitters 12 beschrieben. Aus der entsprechenden Beziehung zwischen dem Schattenmuster und der periodischen Struktur des Beugungsgitters 12 ist klar zu ersehen, daß ein Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scheitelwerten in dem Schattenmuster ξ · (1+b2/b1) ist. Folglich wurde bei Versuchen, welche von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführt worden sind, herausgefunden, daß die Beziehung zwischen dem Abstand ξ und dem Abstand ξ · (1+b1/b2) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Scheitelwerten des Schattenmusters für einen beachtlich großen Wertebereich der Abstände b1 und b2 gilt. Die Erfinder waren außerstande, einen Umstand zu erreichen, bei welchem diese Beziehung nicht länger gilt. Aus den Versuchsergebnissen hat sich ergeben, daß das Schattenmuster äußerst stabil ist, und die Größe des Schattenmusters durch die Werte des Abstandes ξ und den Abstand ξ · (1+b1/b2) zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Scheitelwerten des Schattenmusters in einem beachtlich großen Bereich entsprechend eingestellt werden kann.

Das Schattenmuster wird nunmehr theoretisch analysiert. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird eine Anordnung zum Erzeugen des Schattenmusters in der Nähe der optischen Achse AX beschrieben. In Fig. 2 soll b1 b2 sein und eine Reihe von Beugungsbildpunkten soll auf dem Schirm 14 entsprechend der Anordnung der lichtdurchlässigen Teile des Beugungsgitters 12 erzeugt werden, wenn eine Punktlichtquelle an der Position des begrenzten Linienstrahlers 10 angeordnet ist. Unter diesen Voraussetzungen wird dann der begrenzte Linienstrahler 10 als eine lineare Anordnung von fortlaufenden (zusammenhängenden) Punktlichtquellen betrachtet. Wie in Fig. 2 dargestellt, sind ein oberes Ende, ein unteres Ende und eine Mitte des begrenzten Linienstrahlers 10 mit h, g bzw. O bezeichnet. In diesem Fall werden aus den Beugungsbildpunkten die durch die Anordnung der Punktlichtquelle auf einem Liniensegment Og erzeugt sind, die Beugungsbildpunkte, welche einem Spalt T₀ des Beugungsgitters 12 entsprechen, zwischen Punkten Po und Pog auf dem Schirm 14 erzeugt, und die Lichtintensitätsverteilung dieser Beugungsbildpunkte überdecken einander. Schließlich ist, wenn angenommen wird, daß die Lichtintensität des begrenzten Linienstrahlers 10 für die Länge d konstant ist, die Beleuchtungsstärke zwischen den Punkten Po und Pog auf dem Bildschirm 14 in Übereinstimmung mit dem Liniensegment Og im wesentlichen gleichförmig. Dementsprechend werden aus den Beugungsbildpunkten, welche durch die Anordnung der Punktlichtquelle auf dem Liniensegment Og erzeugt worden sind, die Beugungsbildpunkte, welche einem Spalt Tl des Beugungsgitters 12 entsprechen, zwischen Punkten Pl und Plg auf dem Schirm 14 erzeugt, und die Lichtintensitätsverteilungen dieser Beugungslichtpunkte überdecken einander. Folglich ist, wenn angenommen wird, daß die Lichtintensität des begrenzten Linienstrahlers 10 für die Länge d bekannt ist, die Beleuchtungsstärke zwischen den Punkten Pl und Plg auf dem Schirm 14 in Übereinstimmung mit dem Liniensegment Og im wesentlichen gleichförmig. Eine fortlaufende Beleuchtungsstärkeverteilung, bei welcher sich die Beugungsbildpunkte überlappen, wie vorstehend beschrieben ist, wird als Ausdehnung des Beugungsbildpunkts bezeichnet.

Ferner werden, wenn die Beugungsbildpunkte, welche durch die Anordnung der Punktlichtquelle auf einem Liniensegment Oh erzeugt worden sind, betrachtet werden, die Beugungsbildpunkte, welche dem Spalt Tl des Beugungsgitters 12 entsprechen, zwischen Punkten Pog und Pl auf dem Schirm 14 erzeugt, und die Lichtintensitätsverteilungen dieser Beugungsbildpunkte überdecken einander. Folglich ist, wenn angenommen wird, daß die Lichtintensität des begrenzten Linienstrahlers 10 für die Länge d konstant ist, die Beleuchtungsstärke zwischen den Punkten Pog und Pl auf dem Bildschirm 14 in Übereinstimmung mit dem Liniensegment Oh im wesentlichen gleichförmig. Bei Festlegen der Bedingungen, unter welchen das Schattenmuster erzeugt wird, muß berücksichtigt werden, wie die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte, welche durch das Liniensegment Og des begrenzten Linienstrahlers 10 erzeugt worden sind, und die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte, welche durch das Liniensegment Oh des begrenzten Linienstrahlers 10 erzeugt worden sind, einander überdecken.

Wenn der Abstand ξ etwas größer als die Länge d ist, kommt die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte in der Nähe der Punkte Po, Pog, Pl u. ä. in Fig. 2 vor. Folglich ist die Beleuchtungsstärke an Stellen in der Nähe der Punkte Po, Pog, Pl u. ä. groß. Es kann folglich berücksichtigt werden, daß es keine Ausdehnung des Beugungsbildpunktes an Teilen, wie zwischen den Punkten Po und Pog und zwischen den Punkten Pog und Pl gibt, an welchen die Beleuchtungsstärke die ursprüngliche Beleuchtungsstärke der Ausdehnung der Beugungsbildpunkte hat, und die Beleuchtungsstärke an dem Teil groß ist, an welchem die Ausdehnungen der Beugungsbildpunkte einander überdecken, und ferner daß die Lichtintensitätsverteilung, diejenige in dem in Fig. 1A dargestellten Winkelbereich ±α erhalten wird. Wie aus der vorstehend beschriebenen Theorie deutlich zu ersehen ist, sind die Ausdehnungen der Beugungsbildpunkte auf dem Bildschirm 14 gegenseitig voneinander getrennt, wenn der Abstand ξ größer als die Länge d ist, und es ist möglich, das Schattenmuster mit einem deutlichen oder hohen Kontrast zu erhalten. Wenn aber das Verhältnis d/ξ annähernd 1/10 oder kleiner wird, beginnt der begrenzte Linienstrahler 10 die Merkmale einer Punktlichtquelle zu zeigen, und es ist nicht mehr länger möglich, ein stabiles Schattenmuster für die verschiedenen Werte der Abstände b1 und b2 zu erhalten.

Wenn außerdem die Länge d größer als das Zweifache des Abstandes ξ wird, wird die Überdeckung der Ausdehnungen der Beugungsbildpunkte groß, und der Kontrast des Schattenmusters verschlechtert sich schnell. Wenn der Abstand ξ gleich der Länge d ist, sind die Ausdehnungen der Beugungsbildpunkte in der Belichtungsstärkeverteilung auf dem Schirm 14 kontinuierlich, und ein Schattenmuster mit einem zufriedenstellenden Kontrast kann entsprechend den vorstehenden Überlegungen nicht erhalten werden. Wenn jedoch die Beleuchtungsstärkeverteilung des begrenzten Linienstrahlers 10 so ist, daß die Beleuchtungsstärke in der Mitte groß und zu den beiden Enden hin kleiner ist, kann ein stabiles Schattenmuster erhalten werden, da die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte selbst infolge jedes Spaltes des Beugungsgitters 12 eine Beleuchtungsstärkeverteilung wird, welche der Beleuchtungsstärkeverteilung des begrenzten Linienstrahlers 10 entspricht. In diesem Fall entsprechen dann die bei den Versuchen erhaltenen Ergebnisse dieser Überlegung, wenn die wirksame Länge des begrenzten Linienstrahlers 10 als eine halbe Breite der Beleuchtungsstärkeverteilung angesehen wird.

Als nächstes wird anhand von Fig. 3 ein Schattenmuster beschrieben, welches an einem Teil erhalten wird, der von der optischen Achse AX entfernt ist. In Fig. 3 soll die Länge d größer sein als der Abstand ξ, und die Ausdehnung der Beugungsbildpunkte, welche auf dem Schirm 14 durch das Licht von dem Liniensegment Og des begrenzten Linienstrahlers 10 über einen Spalt Ti erzeugt worden sind, und die Ausdehnung der Beugungslichtpunkte, welche auf dem Schirm 14 durch das Licht von dem Liniensegment Oh des begrenzten Linienstrahlers 10 durch einen Spalt Ti+1 erzeugt worden sind, überdecken einander in einem Bereich P(i+1)hPig. Da das Licht, welches den Schirm 14 von der Mitte des begrenzten Linienstrahlers 10 aus erreicht, einen Winkel β mit der optischen Achse AX bildet, muß eine Phasendifferenz zwischen dem Licht von dem Endteil g und dem Licht von dem Endteil h des Linienstrahlers 10 in dem Bereich P(i+1)hPig infolge der Differenz in den Lichtwegen zwischen dem Bereich P(i+1)hPig und den zwei Endteilen g und h berücksichtigt werden.

Wenn angenommen wird, daß b1«b2 und b1»λ ist, wobei mit λ die Wellenlänge bezeichnet ist, kann eine Differenz Δ zwischen dem Liniensegment gTiPig und dem Liniensegment hTi+1P(i+1)h als Δ=d · sin β angenähert werden. Wenn die Differenz Δ als die Differenz in Lichtwegen betrachtet wird, kann eine Phasendifferenz Φ, welche durch diese Differenz in den Lichtwegen erzeugt wird, beschrieben werden durch Φ=2πΔ/λ. Wenn folglich die Phasendifferenz Φ etwas größer als π ist, ist die Phasendifferenz irgendwo in dem Bereich P(i+1)hPig auf dem Schirm 14 π und die Lichtintensität ist in einem derartigen Teil infolge der Interferenz klein. In diesem Fall wird, selbst wenn die Länge d annähernd zweimal der Abstand ξ ist, das Schattenmuster (Interferenzstreifen) von hellen und dunklen Teilen infolge der Interferenz erzeugt. Wenn eine Laserdiode mit der Länge d=3 µm und der Wellenlänge λ=0,78 µm als der begrenzte Linienstrahler 10 bezüglich des Beugungsgitters 12, welches Spalte mit dem Abstand ξ=1,8 µm hat, verwendet wird, wurde durch Versuche betätigt, daß der in Fig. 1A dargestellte Winkel α annähernd 10° und der Winkel R annähernd 5° ist. Das heißt, der Winkelbereich, in welchem ein Schattenmuster mit einem stabilen Kontrast erhalten wird, war annähernd 5°. Wenn der Winkel R größer als 5° wird, verschlechtert sich der Kontrast des Schattenmusters schnell.

Wenn die Länge d und die Wellenlänge λ der Laserdiode benutzt werden, um einen Winkel β1 zu berechnen, mit welchem die Phasendifferenz Φ gleich π wird, beträgt der Winkel β1=7,47°. Dementsprechend beträgt, wenn der Winkel β2, bei welchem die Phasendifferenz Φ gleich 2π wird, berechnet wird, der Winkel β2=15,07°. Es kann folglich berücksichtigt werden, daß die Winkel β1 und β2 in Fig. 3 dem in Fig. 1A dargestellten Winkel R entsprechen.

Wenn eine feine rechteckige Öffnung der Laserdiode entlang der Längsrichtung als der begrenzte Linienstrahler 10 betrachtet wird, ergibt sich eine Winkelöffnung γ=15,07° bei einer Beziehung sin γ=λ/d in Fig. 4. Folglich kann berücksichtigt werden, daß die Winkelöffnung γ den Winkelbereich, in welchem das Schattenmuster erhalten wird, auf ungefähr 15° begrenzt.

Wie oben beschrieben, wird das Schattenmuster infolge der Beugung erzeugt; das Schattenmuster ist ein Schattenbild des lichtdurchlassenden Teils des lichtreflektierenden Teils des Beugungsgitters, und das Schattenmuster hängt von der Bewegung des Beugungsgitters ab. Wenn aus diesem Grund die periodische Struktur des Objekts als das Beugungsgitter verwendet wird, und die Bewegung des erzeugten Schattenmusters als eine periodische Änderung in der Lichtmenge festgestellt wird, welche von dem Photodetektor empfangen wird, kann die Bewegung des Objekts aus der entsprechenden Beziehung zwischen dem Schattenmuster und der periodischen Struktur festgestellt werden.

Fig. 5 stellt einen wesentlichen Teil eines optischen Systems dar, anhand welchem eine erste Ausführung eines optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung erläutert wird. In dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem linearen Codierer angewendet. In Fig. 5 ist ein Halbleiterlaser als ein begrenzter Linienstrahler 1 verwendet, und ein Beugungsgitter 2 ist als ein linearer Codierer verwendet. Das Beugungsgitter 2 weist feine Spalte auf, welche mit einem konstanten Abstand ξ angeordnet sind. Ein Schattenmuster, welches durch die Anordnung der Spalte des Beugungsgitters 2 erzeugt wird, bewegt als das Beugungsgitter 2 in der Richtung eines Pfeils D1. Wenn folglich ein Photodetektor an festen Positionen angeordnet wird, um eine Bewegung des Schattenmusters als eine periodische Änderung in der empfangenen Lichtmenge festzustellen, kann die lineare Bewegung des Beugungsgitters 2 basierend auf einem Vergrößerungsverhältnis (einem vorstehend beschriebenen Verhältnis ξ · (1+b2/b1)) zwischen der Lichtquelle, dem Beugungsgitter 2 und dem Schattenmuster festgestellt werden.

In Fig. 6 ist ein wesentlicher Teil eines optischen Systems dargestellt, anhand welchem eine zweite Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung erläutert wird. In dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem rotierenden Codierer angewendet. In Fig. 6 sind die Teile, welche im wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Teile in Fig. 5 sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und werden nicht noch einmal beschrieben. In Fig. 6 wird ein Beugungsgitter 2A, welches eine Scheibenform hat, als ein rotierender Codierer verwendet, und es kann die Rotationsbewegung des Beugungsgitters 2A in einer Richtung D2 festgestellt werden.

Fig. 7 zeigt einen wesentlichen Teil eines optischen Systems, anhand welchem eine dritte Ausführungsform des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung erläutert wird. In dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem rotierenden Codierer angewendet. In Fig. 7 sind die Teile, welche im wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Teile in Fig. 5 sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal beschrieben. In Fig. 7 ist ein Beugungsgitter 2B, welches eine zylindrische Form hat, als ein rotierender Codierer verwendet, und es kann die Rotationsbewegung des Beugungsgitters 2B in einer Richtung D3 festgestellt werden.

In den drei Ausführungsformen ist ein Photodetektor 3 auf der optischen Achse AX vorgesehen, und Messungen werden so vorgenommen, daß 1/10d/ξ<2 gilt. Wenn jedoch der Photodetektor 3 in einer Position angeordnet ist, welche von der optischen Achse AX entfernt liegt, wie durch eine gestrichelte Linie in Fig. 5 bis 7 angezeigt ist, kann die Bewegung der Beugungsgitter 2, 2A und 2B in zufriedenstellender Weise mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden, selbst wenn ξ/d=2 ist.

Als nächstes wird im einzelnen die Anordnung zum Erzeugen des Schattenmusters beschrieben. Wenn ein Beugungsgitter mit einem parallelen Strahl bestrahlt wird, ist es aus der Frauenhoferschen Beugungserscheinung bekannt, daß eine Anzahl klarer Beugungsbildpunkte auf dem Schirm 14 ausgebildet werden, welcher ausreichend weit weg von dem Beugungsgitter angeordnet ist. Wie in Fig. 8 dargestellt, erscheinen Beugungsbildpunkte der 0ten, ±1ten, ±2ten, . . . Ordnung bei einem Winkel S um eine Position Go herum, an welcher die parallelen das Beugungsgitter 12 treffen. Dieser Beugungswinkel S kann durch die folgende Formel (1) beschrieben werden, da ξ · sin S=nλ ist, wobei λ die Wellenlänge des parallelen Strahls, mit ξ der Abstand der Spalte des Beugungsgitters bezeichnet sind und n eine beliebige ganze Zahl ist, welche eine Ordnung des gebeugten Lichts bezeichnet.

S = sin^-1 (nλ/ξ) (1)

Folglich breitet sich das gebeugte Licht nullter Ordnung in einer Richtung, welche identisch zu dem einfallenden parallelen Strahl ist, an dem Beugungsgitter 12 aus. Wenn das Beugungsgitter 12 um eine Strecke ΔB in seitlicher Richtung ohne eine Bewegung in der vertikalen Richtung bewegt wird, (was nachstehend der Einfachheit halber als seitliche Verschiebung bezeichnet wird), kann eine optische Wellenfunktion U_n des Beugungsbildpunktes n-ter Ordnung durch die folgende Formel (2) beschrieben werden, wobei A_n die Amplitude des gebeugten Lichts n-ter Ordnung und ϕ₀ eine Phase des Beugungsbildpunktes bezeichnet, bevor sich das Beugungsgitter 12 bewegt:

U_n = A_n exp [i(ϕ₀ - (2π/ξ) · n · ΔB)] (2)

Aus der Formel (2) kann ersehen werden, daß eine Intensität Ii eines Beugungsbildpunktes i-ter Ordnung sich nicht ändert, selbst wenn das Beugungsgitter 12 durch die seitliche Verschiebung um die Strecke ΔB bewegt wird, da |U_n|²=|A_n|² ist.

Als nächstes wird ein Fall untersucht, bei welchem sich das auf das Beugungsgitter 12 fallende Licht in ein divergentes Licht ändert, wie beispielsweise eine Kugelwelle aus dem parallelen Strahl. Wenn in diesem Fall ein Strahl, welcher von einer in Fig. 9 wiedergegebenen Position Q abgegeben worden ist, eine quasi-sphärische Welle mit einem Divergenzwinkel γ wird, überdecken sich der Beugungsbildpunkt 0ter und +1ter Ordnung, wenn die Bildpunkte größer werden, da das auf das Beugungsgitter 12 fallende Licht kein paralleles sondern ein divergentes Licht ist. Wenn das auf das Beugungsgitter 12 auftreffende Licht eine Kugelwelle von einer vollkommenen Punktlichtquelle ist, ist der Winkel γ=90°. Eine Lichtintensität I_OV in einem Überdeckungsbereich V_{n, n-1} in welchem die benachbarten Beugungsbildpunkte verschiedener Beugungsordnung einander überdecken, können durch die folgende Formel (3) beschrieben werden, wenn angenommen wird, daß A_n=A_n-1=A ist.

I_OV = |U_n + U_n-1|² = |A|² · |exp [i(ϕ₀ - (2π/ξ) · n · ΔB)]
+ exp [i(ϕ₀ - (2π/ξ) · (n - 1) · ΔB)]² = 4 · |A|² · cos² (ΔB/ ξ) · π (3)

Aus der Formel (1) ist zu ersehen, daß die Lichtintensität I_OV eine Periode der Helligkeitsänderung jedesmal dann durchmacht, wenn das Beugungsgitter 12 die seitliche Verschiebung über eine Strecke durchmacht, welche gleich dem Abstand ξ ist. Die Lichtintensität I_OV wird aus der Formel (3) unter den Voraussetzungen erhalten, daß der Beugungswinkel S, welcher durch die Formel (1) beschrieben ist, hinreichend klein ist, und daß der Abstand b2 zwischen dem Beugungsgitter 12 und dem Schirm 14 im Vergleich zu dem Abstand b1 zwischen der Lichtquelle (dem begrenzten Linienstrahler 10) und dem Beugungsgitter ausreichend groß ist.

Als nächstes wird ein Fall betrachtet, bei welchem die Abstände b1 und b2 annähernd dieselben sind oder der Abstand ξ klein ist. In diesem Fall wird die Lichtintensitätsverteilung so, wie in Fig. 10 dargestellt. In Fig. 10 entspricht die x-Achse der horizontalen Richtung auf dem Schirm 14 und die z-Achse entspricht der Richtung, in welcher die optische Achse AX verläuft. Der Einfachheit halber wird Bereich V_{0, +1} in Betracht gezogen, in welchem sich die Beugungsbildpunkte 0ter und +1ter Ordnung überdecken. Ein divergentes Licht, das von dem begrenzten Linienstrahler 10 abgegeben worden ist, welcher an einer Stelle Q₀ angeordnet ist, geht durch das Brechungsgitter 12 hindurch und wird in das gebeugte Licht 0ter Ordnung, welches sich entlang der optischen Achse AX ausbreitet, und in das gebeugte Licht +1ter Ordnung geformt, welches sich unter dem Winkel S (=sin^-1(λ/ξ)) zu der optischen Achse AX ausbreitet. Wie in Fig. 10 dargestellt, kann das gebeugte Licht +1ter Ordnung als ein divergentes Licht betrachtet werden, welches sich von einer imaginären Lichtquelle linear ausbreitet, welche an einer Stelle Q₊₁ angeordnet ist. Folglich muß eine Phasendifferenz zwischen dem Beugungsbildpunkt 0ter und +1ter Ordnung, welche sich in dem Bereich V_{0, +1} überdecken, zusätzlich zu der Formel (3) eine Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen berücksichtigen, welche infolge der Tatsache zu berücksichtigen ist, daß Licht, welches von den verschiedenen Positionen Q₀ und Q₊₁ abgegeben worden ist, quasi-sphärische Wellen sind. Diese Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen kann folgendermaßen berechnet werden.

Eine horizontale Verschiebung ΔL der Positionen Q₀ und Q₊₁ wird aus der folgenden Formel (4) durch Annäherung berechnet, wenn <Q₀G₀Q₊₁=<P₀G₀P₊₁=S und der Winkel S klein ist.

ΔL = b1 · S = b1 (λ/ξ) (4)

Wenn außerdem das gebeugte Licht 0ter bzw. +1ter Ordnung durch die sphärischen Wellen um die Positionen Q₀ und Q₊₁ herum angenähert werden, können die Lichtwege L₀ und L₊₁ des gebeugten Lichts 0ter und +1ter Ordnung durch den folgenden Satz Formeln (5) beschrieben werden, wenn die x- und die z-Achse um einen Winkel S/2 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden, um eine - und eine -Achse eines gedrehten Koordinatensystems einzusetzen, wie in Fig. 11 dargestellt ist, und ein Nullpunkt P₀ dieses gedrehten Koordinatensystems wird an einer Zwischenposition zwischen den Positionen Q₀ und Q₊₁ angeordnet, wobei gilt: a=b1+b2.

Folglich kann die Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen L₀ und L₊₁ durch die folgende Formel (6) beschrieben werden, wenn der Winkel S klein ist, da die Koordinate auf der -Achse angenähert werden kann durch =x · cos (S/2)≒x.

L₀ - L₁ = [a² + (x + ΔL/2)²]^1/2 - [a² + (x - ΔL/2)²]^1/2
≒ a [1 + (1/2) ((x + ΔL/2)/a)²] - a [1 + (1/2) ((x - ΔL/2)/a)²]
= (1/2a) [(x + ΔL/2)² - (x - ΔL/2)²]
= (ΔL/a) · x
= (b1/(b1 + b2)) · λ/ξ · x (6)

Daher ist eine Koordinate x₀ auf dem Bildschirm 14, wo ein heller Streifen in dem Bereich V_{0, +1} erzeugt wird, eine Position, an welcher die Differenz Δz(x) zwischen den Lichtwegen ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ ist. Dies bedeutet, daß die folgende Formel (7) gilt:

x₀ = n · (1 + b2/b1) · ξ (7)

In der Formel (7) zeigt der Term (1+b2/b1) die Vergrößerung des Schattenmusters an. Die Lichtintensität I_OV in dem Bereich V_{0, +1} kann somit aus der folgenden Formel (8) erhalten werden, welche auf den Formeln (2), (3) und (6) basiert.

I_OV = 4 · |A|² · cos² [(ΔB/ξ + (b1/(b1 + b2)) · x/ξ]) · π (8)

Wie die Formel (8) anzeigt, erscheinen Interferenzstreifen aus hellen und dunklen Teilen in dem Bereich V_{0, +1}, und die Interferenzstreifen haben eine Periode ξ′=(1+b2/b1) · ξ. Diese Periode ξ′ ist im Vergleich zu dem Abstand ξ der Spalte des Beugungsgitters 12 erweitert. Ferner kann hieraus ersehen werden, daß sich die Interferenzstreifen bewegen, wenn das Beugungsgitter 12 eine seitliche Verschiebung erfährt. Folglich kann durch Anordnen des Photodetektors 3 in dem Bereich V_{0, +1}, wie in Fig. 5 dargestellt ist, die Bewegung des Beugungsgitters 12 festgestellt werden.

Natürlich ist der Bereich, in welchem die Interferenzstreifen (ein Schattenbeugungsbild) erzeugt werden, nicht auf den Bereich V_{0, +1} beschränkt, in welchem die Beugungsbildpunkte 0ter und +1ter Ordnung einander überdecken. Die Interferenzstreifen werden ähnlich wie in dem Bereich V_{0, ±i} erzeugt, in welchem sich ein Beugungsbildpunkt i-ter Ordnung und ein Beugungsbildpunkt (i±1)-ter Ordnung überdecken.

Als nächstes werden die Voraussetzungen der Lichtquelle beschrieben, um die Interferenzstreifen (das Schattenbeugungsbild) zu erzeugen. Wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben, kann der Divergenzwinkel γ des divergierenden Lichts durch die folgende Formel (9) beschrieben werden.

sin γ = λ/d (9)

Punkt 14 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall zeigt, bei welchem γ<S/2 (d<2ξ) ist. Fig. 15A bis 15E zeigen Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 14 gebildet sind.

Fig. 16 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall zeigt, bei welchem γ=S/2 (d=2ξ) ist. Fig. 17A bis 17D zeigen jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 16 gebildet sind.

Fig. 18 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall zeigt, bei welchem γ=S (d=ξ) ist. Fig. 19A bis 19D zeigen jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 18 gebildet sind.

Fig. 20 ist ein Diagramm, welches gebeugtes Licht für einen Fall zeigt, bei welchem γ<S (d<ξ) ist. Fig. 21A bis 21D zeigen jeweils Beugungsbildpunkte, welche in verschiedenen Abständen von dem Beugungsgitter 12 in Fig. 20 gebildet sind.

Wie aus Fig. 12A, welche einen Fall darstellt, bei welchem γ<S/4 ist, und aus Fig. 12B ersehen werden kann, welche einen Fall wiedergibt, bei welchem γ<2S ist, nimmt der Durchmesser des Beugungsbildpunktes jeder Beugungsordnung zu, und nur benachbarte Beugungsbildpunkte verschiedener Beugungsordnungen überdecken einander, wenn der Divergenzwinkel γ einer Beziehung S/2γ2S genügt. Somit kann die folgende Beziehung (10) aus den Formeln (1) und (9) erhalten werden:

(1/4) sin^-1 (λ/ξ) sin^-1 (λ/d) (2S) sin^-1 (λ/ξ) (10)

Wenn dagegen sowohl γ als auch S klein sind, kann die Beziehung (10) durch die folgende Beziehung (11) angenähert werden.

1/2 d/ξ 4 (11)

Außerdem überdecken sich die Beugungsbildpunkte in einem Bereich, welcher eine maximale Fläche hat, wenn S=γ ist, d. h. wenn die folgende Gl. (12) gilt):

d = ξ (12)

Die Lichtquelle hat eine Größe, welche etwa gleich dem Abstand ξ der Spalte des Beugungsgitters ist, so daß die vorstehend beschriebene Quasi-Kugelwelle erzeugt wird. Das von einer derartigen Lichtquelle abgegebene Licht kann dann durch ein Licht, das von einer Laserdiode, welche eine rechteckige Öffnung hat, durch ein Licht, das durch einen Spalt abgegeben worden ist, welcher eine Öffnungsbreite hat, die etwa gleich dem Abstand ξ ist, oder durch ein Licht realisiert werden, das über einen Lichtleiter abgegeben worden ist, welcher einen Kerndurchmesser hat, der etwa gleich dem Abstand ξ ist.

Die Lichtquelle braucht nur eine Kohärenz zu haben, so daß eine Kohärenzlänge etwa dieselbe wie der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor oder dem Schirm ist. Bezüglich der Wellenlänge des von der Lichtquelle abgegebenen Lichts nimmt der Beugungswinkel S zu, wenn die Wellenlänge λ zunimmt, wenn der Abstand ξ konstant ist, wie aus der Formel (1) ersehen werden kann; der Divergenzwinkel γ nimmt jedoch ebenfalls zu, wenn die Länge d der Lichtquelle konstant ist, wie aus der Formel (9) zu ersehen ist. Folglich überdecken die zwei Beugungsbildpunkte einander in derselben Weise, und die Interferenzstreifen von hellen und dunklen Teilen werden unabhängig von der Wellenlänge λ der Lichtquelle an derselben Stelle erzeugt, wie aus der Formel (8) zu ersehen ist. Folglich können die Interferenzstreifen (das Schattenbeugungsbild) erhalten werden, welche einen hinreichend hohen Kontrast haben, selbst wenn die Lichtquelle kein monochromatisches Licht abgibt.

Als nächstes werden die Wirkungen der Eigenschaft des Beugungsgitters auf die Interferenzstreifen (das Schattenbeugungsbild) beschrieben. Wenn die Amplituden benachbarter Beugungsbildpunkte verschiedener Beugungsordnungen mit A_i und A_i-1 bezeichnet werden, kann der Kontrast Ic der Beugungstreifen aus der folgenden Gleichung (13) erhalten werden:

Ic = [2A_i · A_i-1/(A²_n + A²_n-1)] × 100 (13)

Folglich wird, wenn die beiden Amplituden A_i und A_i-1 gleich sind, der Kontrast Ic ein Maximalwert, welcher 100% ist.

Fig. 13A, 13B bzw. 13C zeigen Lichtintensitätsverteilungen von Frauenhoferschen Bildern, welche erhalten werden, wenn mit einem parallelen Strahl das Beugungsgitter mit den Spalten bestrahlt wird, welche in dem Abstand ξ vorgesehen sind, wobei jeder Spalt die Breite δ hat. Fig. 13A zeigt einen Fall, bei welchem δ/ξ=1/3 ist; Fig. 13B zeigt einen Fall, wo δ/ξ=1/2 ist und Fig. 13C zeigt einen Fall, wo δ/ξ=2/3 ist. Dagegen zeigt Fig. 13D eine Lichtintensitätsverteilung eines Frauenhoferschen Bildes, welches erhalten wird, wenn mit einem parallelen Strahl ein sinusförmiges Gitter bestrahlt wird. Der Beugungsbildpunkt wird für eine höhere Beugungsordnung erzeugt, wenn die Breite δ des Spaltes kleiner wird. Außerdem wird die Amplitude A₀ des gebeugten Lichts 0ter Ordnung gleich den Amplituden A₊₁ und A_-1 des gebeugten Lichts ±1ter Ordnung. Folglich wird der Kontrast des Streifens hoch, wie aus der Formel (13) ersehen werden kann. Im Falle des Beugungsgitters 12 mit den durchlässigen und nicht-durchlässigen Teilen können die Amplituden A₊₁ und A_-1 des gebeugten Lichts ±1ter Ordnung aus der folgenden Formel (14) erhalten werden, wenn die Amplitude A₀ des gebeugten Lichts 0ter Ordnung A₀=1 ist.

A_±1 = [sin ((δ/ξ) · π)]/(δ/ξ) (14)

Die folgende Tabelle zeigt den Kontrast Ic der Interferenzstreifen, welche für jede Art von Beugungsgitter erhalten werden:

Tabelle

Das sinusförmige Gitter ist dadurch gekennzeichnet, daß nur der Beugungsbildpunkt 0ter Ordnung und die Beugungsbildpunkte ±1ter Ordnung erzeugt werden, und daß die Amplituden der Beugungsbildpunkte ±1ter Ordnung die halben (1/2) Amplituden des Beugungsbildpunktes 0ter Ordnung sind. Da die Beugungsbildpunkte ±2ter Ordnung und höherer Ordnung nicht erzeugt werden, können die Bedingungen bezüglich der Länge d des begrenzten Linienstrahlers 10 gemildert werden, um ein Überdecken nur der Beugungsbildpunkte 0ter und +1ter Ordnung und der Beugungsbildpunkte 0ter und -1ter Ordnung zu bewirken. Mit anderen Worten, selbst wenn die Länge d 1/2 des Abstandes ξ oder weniger ist, können zufriedenstellende Interferenzstreifen erhalten werden. Außerdem ist die gesamte Lichtmenge, welche von der Lichtquelle 10 abgegeben worden ist, auf die Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung konzentriert, die Lichtintensität der Interferenzstreifen ist zwischen dem Beugungsbildpunkt 0ter Ordnung und dem Beugungsbildpunkten ±1ter Ordnung groß, und der Signalfühlwirkungsgrad des Photodetektors 3 ist verbessert.

Folglich ist es von dem Standpunkt her, zufriedenstellende Interferenzstreifen zu erhalten, wirksamer, die Bewegung des Beugungsgitters 12 festzustellen, wenn das Beugungsgitter 12 eine solche Öffnungscharakteristik hat, daß nur die Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung erzeugt werden, wenn mit parallelem Licht das Beugungsgitter 12 bestrahlt wird, und die Amplituden der Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung dieselben sind.

Als nächstes wird eine erste Ausführungsform einer optischen Bewegungsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung anhand von Fig. 22 beschrieben. Die optische Bewegungsmeßeinrichtung weist im allgemeinen die Lichtquelle 10, das Beugungsgitter 12, erste und zweite Photodetektorteile 50₁ und 50₂, Verstärker 51₁ und 51₂, Analog-Digital-(A/D-)Umsetzer 52₁ und 52₂, eine Operationsschaltung 53 und einen Zähler 54 auf, welche so, wie dargestellt, geschaltet sind. Der Photodetektorteil 50₁ weist ein festes Gitter G1 und einen Photodetektor D1 und der Photodetektorteil 50₂ weist ein festes Gitter G2 und einen Photodetektor D2 auf. Beispielsweise sind die Photodetektoren D1 und D2 Photodioden.

Die Photodetektoren D1 und D2 werden an Stellen P1 und P2 angeordnet, an welchen eine Linie von der Mitte der Lichtquelle 10 den Winkel γ mit der optischen Achse AX bildet. Es wird angenommen, daß γ=λb2/2ξ ist. In diesem Fall kann der Abstand ξ′ der Interferenzstreifen durch die folgende Formel (15) beschrieben werden.

ξ′ = (1 + b2/b1) · ξ (15)

Folglich wird durch Einstellen eines Abstands der Spalte der festen Beugungsgitter G1 und G2 auf ξ′ ein Helligkeitssignal von den Photodetektoren D1 und D2 jedesmal dann erhalten, wenn sich das Beugungsgitter 12 um einen Abstand ξ bewegt.

Die festen Beugungsgitter G1 und G2 sind räumlich angeordnet, wie in Fig. 23A und 23B dargestellt ist, d. h. so daß die Positionen der festen Beugungsgitter G1 und G2 um 1/4 des Abstandes ξ′ relativ zueinander verschoben sind. Folglich haben Detektionssignale, welche von den Photodetektoren D1 und D2 abgegeben werden, eine Phasenverschiebung von 90°, und es ist möglich, die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 12 aus den Detektionssignalen festzustellen.

Die Detektionssignale von den Photodetektoren D1 und D2 werden in den jeweiligen Verstärkern 51₁ und 51₂ in Signale S1 und S2 verstärkt, die in Fig. 24A und 24B dargestellt sind. Die Signale S1 und S2 werden den entsprechenden A/D-Umsetzern 52₁ und 52₂ zugeführt und in digitale Signale B1 und B2 umgesetzt, wie in Fig. 25A und 25B dargestellt ist. Wenn die Anzahl Bits der A/D-Umsetzer 52₁ und 52₂ zwei ist, ist die Anzahl Impulse, welche von den A/D-Umsetzern 52₁ und 52₂ abgegeben werden, die Anzahl von bewegten Streifen der Interferenzstreifen. Wenn die Anzahl Bits der A/D-Umsetzer 52₁ und 52₂ N ist, ist die Anzahl Impulse, welche von den A/D-Umsetzern 52₁ und 52₂ abgegeben worden sind, das N-fache der Anzahl bewegter Streifen der Interferenzstreifen.

Die Digitalsignale B1 und B2 werden der Operationsschaltung 53 zugeführt, welche eine entsprechende Operation durchführt und ein Impulssignal C1, welches die Bewegung des Beugungsgitters 12 anzeigt, und ein Richtungssignal C2 abgibt, welches die Bewegungsrichtung anzeigt. Die Signale C1 und C2 werden an den Zähler 54 abgegeben und dort gezählt. Somit kann die Bewegung des Beugungsgitters 12 aus dem Ausgangssignal des Zählers 54 genau festgestellt werden.

Im allgemeinen werden, wenn nur ein Beugungsbildpunkt m-ter Ordnung und ein Beugungsbildpunkt n-ter Ordnung erzeugt werden, die Interferenzstreifen um eine Mitte der zwei Beugungswinkel mit einer Periode ξ′=|1/(m-n)| · (1+b2/b1) · ξ (m≠n) erzeugt, und es findet eine Vergrößerung oder Verkleinerung um diese Mitte der zwei Beugungswinkel statt. Folglich sollten die Photodetektoren D1 und D2 jeweils in der Mitte der zwei Beugungswinkel angeordnet sein.

Fig. 26A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, bei welchem d=|1/(n-m)| · ξ ist, und Fig. 26B zeigt das Frauenhofersche Bild, das in dem in Fig. 26A dargestellten Fall erhalten wird. In diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen |1/(m-n)| · (1+b2/b1) · ξ.

Fig. 27A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, wo die Beugungsbildpunkte 0- und ±1ter Ordnung erzeugt werden und d=ξ ist, und Fig. 27B zeigt das Frauenhofersche Bild, das in dem in Fig. 27A dargestellten Fall erhalten worden ist. In diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen (1+b2/b1) · ξ, und ein Abstand zwischen den Vergrößerungsmittelpunkten ist λb2/ξ.

Fig. 28A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, bei welchem nur die Beugungsbildpunkte ±1ter Ordnung erzeugt und d=ξ/2 ist, und Fig. 28B zeigt das Frauenhofersche Bild, das in dem in Fig. 28A dargestellten Fall erhalten worden ist. In diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen (1/2) · (1+b2/b1) · ξ, und ein Abstand zwischen den Vergrößerungsmittelpunkten ist 2λb2/ξ.

Fig. 29A zeigt die Beugungsbildpunkte für einen Fall, bei welchem nur die Beugungsbildpunkte ±n-ter Ordnung erzeugt werden und d=ξ/2n ist, und Fig. 29B zeigt das Frauenhofersche Bild, welches in dem in Fig. 29A dargestellten Fall erhalten worden ist. In diesem Fall ist die Periode ξ′ der Interferenzstreifen auf (1/2n) · (1+b2/b1) · ξ, und ein Abstand zwischen den Vergrößerungsmittelpunkten ist 2nλb2/ξ.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen haben die Beugungsgitter 2, 2A, 2B und 12 die Spalte zum Durchlassen des Lichts, welches von den Lichtquellen 1 und 10 empfangen wird. Jedoch ist das Beugungsgitter nicht auf den durchlassenden Typ beschränkt, sondern es können auch reflektierende Beugungsgitter verwendet werden. Ein solches reflektierendes Beugungsgitter hat reflektierende Teile, welche in einem vorherbestimmten Abstand angeordnet sind.

Fig. 30 zeigt einen wesentlichen Teil eines optischen Systems, um eine vierte Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung zu erläutern. In dieser Ausführungsform wird die Erfindung bei einem Linearcodierer verwendet. In Fig. 30 sind die Teile, welche im wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Teile in Fig. 5 sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Eine Laserdiode wird als ein endlicher bzw. begrenzter Linienstrahler 1 verwendet, und ein Linearcodierer wird als ein Beugungsgitter 22 verwendet. Das Beugungsgitter 22 weist feine reflektierende Teile auf, welche in einem konstanten Abstand ξ′ angeordnet sind. Ein Schattenmuster, welches durch die Anordnung der reflektierenden Teile des Beugungsgitters 2 erzeugt wird, bewegt sich, wenn das Beugungsgitter 2 in der Richtung eines Pfeils D1 bewegt wird. Daher kann, wenn der Photodetektor 3 an fest vorgegebenen Positionen angeordnet ist, um eine Bewegung des Schattenmusters als eine periodische Änderung in der empfangenen Lichtmenge festzustellen, die Linearbewegung des Beugungsgitters 22 basierend auf einer Vergrößerungsbeziehung (auf einem vorstehend beschriebenen Verhältnis (1+b2/b1)) zwischen dem Beugungsgitter 22 und dem Schattenmuster genau festgestellt werden.

In Fig. 31 ist ein wesentlicher Teil eines optischen Systems dargestellt, um eine fünfte Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung zu erläutern. In dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem rotierenden Codierer angewendet. In Fig. 31 sind die Teile, welche im wesentlichen dieselben sind, wie die entsprechenden Teile in Fig. 6, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 31 wird ein rotierender Codierer, welcher eine Scheibenform hat, als ein Beugungsgitter 22A verwendet, und die Drehbewegung des Beugungsgitters 22A kann in einer Richtung D2 genau festgestellt werden.

In Fig. 32 ist ein wesentlicher Teil eines optischen Systems dargestellt, um eine sechste Ausführung des optischen Bewegungsmeßverfahrens gemäß der Erfindung festzustellen. In dieser Ausführungsform ist die Erfindung bei einem rotierenden Codierer angewendet. In Fig. 32 sind die Teile, welche im wesentlichen dieselben wie die entsprechenden Teile in Fig. 7 sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In Fig. 32 ist ein rotierender Codierer, welcher eine Zylinderform hat, als ein Beugungsgitter 22B verwendet, und die Drehbewegung des Beugungsgitters 22B in einer Richtung D2 kann genau festgestellt werden. Das Beugungsgitter kann auf der Umfangsfläche des Zylinders ausgebildet sein, indem eine magnetische Aufzeichnungsschicht auf der Umfangsfläche des Zylinders vorgesehen wird, ein magnetisches Muster auf die magnetische Aufzeichnungsschicht geschrieben wird und das magnetische Muster durch ein magnetisches Koloidfluid in das Beugungsmuster entwickelt wird. Das Verfahren, um das Beugungsgitter auf der Umfangsfläche des Zylinders herzustellen, ist beispielsweise in einer am 23. August 1989 eingereichten deutschen Patentanmeldung P 39 27 846.8 beschrieben.

Fig. 33 ist ein Diagramm, zum Erläutern einer Reflexion an einer Umfangsfläche des Zylinders, wenn sich das Licht von der Lichtquelle zu einer Mitte des Zylinders hin sich ausbreitet. In Fig. 33 fallen parallele Strahlen und auf eine zylindrische Spiegelfläche S. Der Strahl breitet sich auf einer ersten imaginären Linie aus, welche durch einen Mittelpunkt O des Zylinders hindurchgeht, während der Strahl parallel zu dem Strahl ist, sich aber auf einer zweiten imaginären Linie ausbreitet, welche etwas bezüglich der ersten imaginären Linie verschoben ist. Aufgrund des Reflexionsgesetzes ergibt der Strahl einen reflektierten Strahl an der zylindrischen Oberfläche S, da der Strahl auf der ersten imaginären Linie verläuft. Dagegen trifft der Strahl die zylindrische Oberfläche S mit einem Einfallswinkel α zu einer optischen Achse, welche eine Verlängerung einer Linie B′O ist, und wird als ein reflektierter Strahl reflektiert. Folglich sind die reflektierten Strahlen und so wie wenn diese Strahlen von einem Schnittpunkt C einer Verlängerung des reflektierten Strahls und einer Verlängerung des reflektierten Strahls ausgehen würden. Da ein Dreieck ΔDB′O ein gleichschenkliges Dreieck ist, ist der Schnittpunkt C auf einer senkrechten Winkelhalbierenden festgelegt, welche durch einen Punkt Co hindurchgeht, welcher einen Abstand r/2 von der Zylinderoberfläche S hat, wobei mit r der Zylinderradius bezeichnet ist. Wenn eine Breite δ der parallelen Strahlen und klein ist, fallen die Punkte C und Co im wesentlichen zusammen. Wenn daher die zylindrische Oberfläche S mit parallelen Strahlen bestrahlt wird, und diese reflektiert werden, divergieren die reflektierten Strahlen, so, wie wenn eine Punktlichtquelle in einem Abstand r/2 von der Zylinderoberfläche S angeordnet ist.

In Fig. 34 ist ein Diagramm dargestellt, anhand welchem eine Reflexion an der Umfangsfläche des Zylinders erläutert wird wenn das Licht von der Lichtquelle sich zu einem Punkt hin ausbreitet, welcher von der Mitte des Zylinders entfernt ist. In Fig. 34 sind dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 33 verwendet. In diesem Fall reagieren die reflektierten Strahlen A′A′′ und B′B′′ unter einem Winkel 2ΔR, wobei ΔR ein Mittelwinkel bezeichnet ist, welcher einen Bogen bezüglich einer Mittenachse O bildet. Wenn der Mittelwinkel ΔR extrem klein ist, kann der Bogen annähernd als eine Bogensehne betrachtet werden. Somit gilt die folgende Bewegung, wenn ein Abstand von einer virtuellen Lichtquelle zu dem Bogen mit X bezeichnet ist.

X · 2ΔR ≒ r · ΔR cos R

Wenn folglich ΔR→O ist, gilt die folgende Gleichung

X = (r/2) · cos R

Wenn die Breite δ der parallelen Strahlen und hinreichend klein ist, und die zylindrische Fläche S mit den parallelen Strahlen und bestrahlt wird und von dieser reflektiert werden, divergieren die reflektierten Strahlen so, wie wenn eine Punktlichtquelle in einem Abstand X von der zylindrischen Oberfläche S angeordnet ist.

In Fig. 35 ist ein Diagramm dargestellt, anhand welchem eine Reflexion an der Umfangsfläche des Zylinders erläutert wird, wenn das Beugungsgitter Streifen von reflektierenden Teilen hat, welche parallel zu einer Erzeugenden auf dem Zylinder angeordnet sind. In Fig. 35 sind dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 33 verwendet. In diesem Fall treffen die parallelen Strahlen und auf das Beugungsgitter 22B in Richtung der Mitte O und werden reflektiert, wie wenn die reflektierten Strahlen von dem Punkt Co reflektiert würden und das Beugungsgitter 22B das durchlässige Beugungsgitter wäre. Das Schattenmuster, welches in diesem Fall erzeugt wird, entspricht demjenigen, welches erzeugt wird, wenn ein durchlässiges Beugungsgitter mit Strahlen von einer Punktlichtquelle aus bestrahlt wird, welche an der Stelle Co angeordnet ist. Mit anderen Worten, die virtuelle Punktlichtquelle ist an dem Punkt Co angeordnet, welcher einen Abstand r/2 von dem Beugungsgitter 22B hat. In diesem Fall ist die Größe der virtuellen Punktlichtquelle kein perfekter Punkt. Das bedeutet, daß die Breite δ der parallelen Strahlen und hinreichend klein sein muß, um ein Schattenmuster mit einem hohen Kontrast zu erhalten, wenn die Breite des reflektierenden Streifens des Beugungsgitters 22B klein ist.

Entsprechend werden, wenn die parallelen Strahlen und an dem Beugungsgitter 22B zu einem Punkt hin auftreffen, welcher von der Mitte O verschoben ist, die Strahlen und so reflektiert, wie wenn die reflektierten Strahlen von dem Punkt aus divergieren würden, welcher den Abstand X von dem Beugungsgitter 22B hat, und das Beugungsgitter 22B ein durchlässiges Gitter wäre. Der Abstand X kann beschrieben werden durch X=(r/2) · cos R.

In den vierten bis sechsten Ausführungsformen ist der Photodetektor 3 auf der optischen Achse AX vorgesehen und mißt einen Wert, so daß 1/10d/ξ<2 ist. Wenn jedoch der Photodetektor 3 an einer Stelle angeordnet ist, welche von der optischen Achse AX entfernt liegt, wie durch eine gestrichelte Linie in Fig. 30 bis 32 angezeigt ist, kann die Bewegung der Beugungsgitter 22, 22A und 22B in zufriedenstellender Weise mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden, selbst wenn ξ/d≒2 ist.

In der ersten in Verbindung mit Fig. 22 beschriebenen Ausführungsform der optischen Bewegungsmeßeinrichtung ist die Erfindung bei einem linearen Codierer angewendet, und der Einfachheit halber ist ein durchlässiges Beugungsgitter verwendet. Selbstverständlich kann jedoch ohne weiteres auch die optische Bewegungsmeßeinrichtung gemäß der Erfindung bei einer der in Fig. 5, 6, 7, 30 bis 32 dargestellten Anordnungen zum Erzeugen und Feststellen des Schattenmusters oder von Interferenzstreifen verwendet werden. Außerdem können in jeder der beschriebenen Ausführungsformen das Schattenmuster oder Interferenzstreifen statt mit einem einzigen Photodetektor mit Hilfe einer Anzahl von Detektoren festgestellt werden.

Claims (22)

1. Optisches Bewegungsmeßverfahren zum Messen einer Bewegung eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß
mit Licht von einer Lichtquelle (1, 10) ein Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) bestrahlt wird, welches auf dem Objekt vorgesehen ist, um gebeugtes Licht verschiedener Beugungsordnung zu erzeugen, wobei das Beugungsgitter lichtdurchlassende und lichtabsperrende Teile aufweist, welche abwechselnd und periodisch angeordnet sind;
Interferenzstreifen festgestellt werden, welche durch ein Überdecken von Lichtpunkten aus gebeugtem Licht verschiedener Beugungsordnung erzeugt werden, und welche helle und dunkle Streifen aufweisen, welche abwechselnd auftreten, und
eine Bewegung des Objektes basierend auf einer gezählten Anzahl von Streifen der festgestellten Interferenzstreifen gemessen wird.

2. Optisches Bewegungsmeßverfahren zum Messen einer Bewegung eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß
mit Licht von einer Lichtquelle (1, 10) ein Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) bestrahlt wird, welches auf dem Objekt vorgesehen ist, um gebeugtes Licht verschiedener Beugungsordnung zu erzeugen, wobei das Beugungsgitter lichtreflektierende und nicht-reflektierende Teile aufweist, welche abwechselnd und periodisch angeordnet sind;
Interferenzstreifen festgestellt werden, welche durch ein Überdecken von Lichtpunkten aus gebeugtem Licht verschiedener Beugungsordnung erzeugt werden, und welche helle und dunkle Streifen aufweisen, welche abwechselnd auftreten, und
eine Bewegung des Objektes basierend auf einer gezählten Anzahl von Streifen der festgestellten Interferenzstreifen gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt, Bestrahlen mit Licht, ein divergentes Licht verwendet wird, welches von einem endlichen bzw. begrenzten Linienstrahler (1, 10) abgegeben wird, welcher eine Länge d hat, wobei das Gitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) lichtdurchlassende bzw. reflektierende Teile hat, welche in einem Abstand ξ angeordnet sind und eine Breite δ haben, welche klein im Vergleich zu dem Abstand ξ ist, und der Abstand ξ und die Breite δ entsprechend eingestellt sind, um einer Beziehung 1/10(d/ξ)4 zu genügen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen, sich überdeckende Lichtpunkte aus gebeugtem Licht der n-ten und m-ten Beugungsordnungen festgestellt werden, wobei die Länge d gleich |1/(n-m)| · ξ ist, und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich |1/(m-n)| · (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 ein Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Fühlposition bezeichnet sind, an welcher die sich überdeckenden Lichtpunkte aus gebeugtem Licht erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts der 0ten und der ±1ten Ordnung festgestellt werden, wobei die Länge d annähernd gleich ξ ist und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 ein Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Feststellposition bezeichnet sind, an welcher sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen, sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts ±1ter Ordnung festgestellt werden, wobei die Länge d annähernd gleich ξ/2 ist und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich (1/2) · (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 der Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Feststellposition bezeichnet sind, an welcher die sich überdeckenden Lichtpunkte gebeugten Lichts erzeugt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt, Feststellen der Interferenzstreifen, sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts ±n-ter Beugungsordnungen festgestellt werden, wobei die Länge d annähernd gleich ξ/2n ist und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich (1/2n) · (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 ein Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Feststellposition bezeichnet sind, an welcher die sich überdeckenden Lichtpunkte gebeugten Lichts erzeugt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2, 12, 22) linear auf dem Objekt angeordnet ist, und bei dem Schritt, Messen der Bewegung, eine lineare Bewegung des Objekts gemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2A, 2B, 22A, 22B) in einem kreisförmigen Muster auf dem Objekt angeordnet ist, und daß bei dem Schritt, Messen der Bewegung, eine Drehbewegung des Objekts gemessen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2A, 22A) in einem kreisförmigen Muster auf einer Oberfläche des Objekts angeordnet ist, welches eine Scheibe ist, daß bei dem Schritt, Messen der Bewegungen, eine Drehbewegung der Scheibe gemessen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2B, 22B) in einem kreisförmigen Muster auf einer Umfangsfläche des Objekts angeordnet ist, welches ein Zylinder ist, und daß bei dem Schritt, Messen der Bewegung, eine Drehbewegung des Zylinders gemessen wird.

12. Optische Bewegungsmeßeinrichtung zum Messen einer Bewegung eines Objekts, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (1, 10) zum Abgeben von Licht;
ein Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B), welches auf dem Objekt vorgesehen ist, um gebeugtes Licht verschiedener Beugungsordnung zu erzeugen, wenn das Objekt mit von der Lichtquelle abgegebenem Licht bestrahlt wird, wobei das Beugungsgitter lichtdurchlassende und lichtabsperrende Teile aufweist, welche anwechselnd und periodisch angeordnet sind;
eine Detektoreinrichtung (3, 50₁, 50₂) zum Feststellen von Interferenzstreifen, welche durch sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts verschiedener Beugungsordnung erzeugt werden, und welche helle und dunkle Streifen aufweisen, welche abwechselnd auftreten, und
eine Einrichtung (53, 54), welche auf ein Ausgangssignal von der Detektoreinrichtung anspricht, um eine Bewegung des Objektes basierend auf einer gezählten Anzahl von Streifen der festgestellten Interferenzstreifen zu messen.

13. Optische Bewegungsmeßeinrichtung zum Messen einer Bewegung eines Objekts, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (1, 10) zum Abgeben von Licht;
ein Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B), welches auf dem Objekt vorgesehen ist, um gebeugtes Licht verschiedener Beugungsordnung zu erzeugen, wenn das Objekt mit von der Lichtquelle abgegebenem Licht bestrahlt wird, wobei das Beugungsgitter lichtreflektierende und nicht-reflektierende Teile aufweist, welche abwechselnd und periodisch angeordnet sind;
eine Detektoreinrichtung (3, 50₁, 50₂) zum Feststellen von Interferenzstreifen, welche durch sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts verschiedener Beugungsordnung erzeugt werden, und welche helle und dunkle Streifen aufweisen, welche abwechselnd auftreten, und
eine Einrichtung (53, 54), welche auf ein Ausgangssignal von der Detektoreinrichtung anspricht, um eine Bewegung des Objektes basierend auf einer gezählten Anzahl von Streifen der festgestellten Interferenzstreifen zu messen.

14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1, 10) durch einen endlichen bzw. begrenzten Linienstrahler (1, 10) gebildet ist, welcher eine Länge d hat und ein divergentes Licht abgibt, daß das Gitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) lichtdurchlassende bzw. reflektierende Teile hat, welche in in einem Abstand ξ angeordnet sind und eine Breite δ haben, welche klein im Vergleich zu dem Abstand ξ ist, und der Abstand ξ und die Breite δ entsprechend eingestellt sind, um einer Beziehung 1/10(d/ξ)4 zu genügen.

15. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (3, 50₁, 50₂) sich überdeckende Lichtpunkte aus gebeugtem Licht der n-ten und m-ten Beugungsordnungen feststellt, wobei die Länge d gleich |1/(n-m)| · ξ ist, und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich |1/(m-n)| · (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 ein Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Fühlposition bezeichnet sind, an welcher die sich überdeckenden Lichtpunkte aus gebeugtem Licht erzeugt werden.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (3, 50₁, 50₂) sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts der 0ten und der ±1ten Ordnung feststellt, wobei die Länge d annähernd gleich ξ ist und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 ein Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Feststellposition bezeichnet sind, an welcher sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts erzeugt werden.

17. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (3, 50₁, 50₂) sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts ±1ter Ordnung feststellt, wobei die Länge d annähernd gleich ξ/2 ist und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich (1/2) · (1+b2/b1) · ξ ist, wobei mit b1 der Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Feststellposition bezeichnet sind, an welcher die sich überdeckenden Lichtpunkte gebeugten Lichts erzeugt werden.

18. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (3, 50₁, 50₂) sich überdeckende Lichtpunkte gebeugten Lichts ±n-ter Beugungsordnungen feststellt, wobei die Länge d annähernd gleich ξ/2n ist und die hellen Teile der Interferenzstreifen eine Periode ξ′ haben, welche gleich (1/2n) · (1+b2/b1) · ξ ist, wobei b1 ein Abstand zwischen der Lichtquelle (1, 10) und dem Beugungsgitter (2, 2A, 2B, 12, 22, 22A, 22B) und mit b2 ein Abstand zwischen dem Beugungsgitter und einer Feststellposition bezeichnet sind, an welcher die sich überdeckenden Lichtpunkte gebeugten Lichts erzeugt werden.

19. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2, 12, 22) linear auf dem Objekt angeordnet ist, und die Einrichtung zum Messen der Bewegung eine lineare Bewegung des Objekts mißt.

20. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2A, 2B, 22A, 22B) in einem kreisförmigen Muster auf dem Objekt angeordnet ist, und die Einrichtung zum Messen der Bewegung, eine Drehbewegung des Objekts mißt.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2A, 22A) in einem kreisförmigen Muster auf einer Oberfläche des Objekts angeordnet ist, welches eine Scheibe ist, und die Einrichtung zum Messen der Bewegungen eine Drehbewegung der Scheibe mißt.

22. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (2B, 22B) in einem kreisförmigen Muster auf einer Umfangsfläche des Objekts angeordnet ist, welches ein Zylinder ist, und die Einrichtung zum Messen der Bewegung eine Drehbewegung des Zylinders mißt.