DE4447617C2 - Vorrichtung zur Erfassung einer Referenzposition bei der Messung der Position eines bewegbaren Körpers zu einem vorgegebenen Objekt - Google Patents

Abstract

Um Signalmodulationscharakteristiken zu verbessern und eine Position mit höherer Präzision zu erfassen, tritt parallel ausgerichtetes Licht der Wellenlänge lambda mit einem Strahlradius D in eine feste Beugungsplatte 13 und eine bewegbare Beugungsplatte 14, die jeweils ein Gitter mit einem Gitterabstand "p" besitzen. Die Gitter haben Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen +- 1. Die Platten sind parallel zueinander im Abstand "g" im wesentlichen senkrecht zu einer optischen Achse des Strahls angeordnet. Der an den Beugungsplatten gebeugte Strahl verläuft parallel zu der optischen Achse des Strahls und wird mit einer Kondensorlinse 15 zur Begrenzung einer beabsichtigten Pupillengröße innerhalb von D-2glambda/p konzentriert. Eine von der Kodensorlinse konzentrierte Lichtmenge wird mit einem Fotosensor erfaßt. DOLLAR A Bei einem anderen Beispiel tritt ein parallel ausgerichteter Lichtstrahl nacheinander in eine erste feste Platte und einen Beugungsdrehteller, um gebeugtes Licht der Ordnungen +- 1 zu übertragen. Dann wird das übertragene Licht zu einem im Hinblick auf ein Rotationszentrum des Drehtellers symmetrischen Punkt gelenkt. Dann tritt der Strahl durch den Drehteller und eine zweite feste Platte hindurch, die nur gebeugtes Licht der Ordnungen +- 1 hindurchläßt. Dann wird der Strahl mit einem Sensor erfaßt. Selbst wenn der Drehteller eine Exzentrizität besitzt, sind Veränderungen der optischen Intensität des Strahls dann gering und ein Drehwinkel kann bestimmt werden, ohne daß ...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Referenz­ position bei der Messung der Position eines bewegbaren Körpers zu einem vorgegebenen Objekt.

Fig. 1 zeigt eine bekannte, optische Kodiereinrichtung zum Messen einer Position oder eines Winkels, wobei das Bezugszeichen 301 eine Lichtquelle bezeichnet, das Bezugszeichen 302 einen Drehteller, der eine A/B-Phasen-Signalregion besitzt, in der gleichmäßig beabstandete Schlitze oder ein Gitter 306 am Umfang angeordnet sind, und eine Z-Phasen-Signalregion enthält, bei der nur ein Schlitz 307 am Umfang angeordnet ist. Das Bezugszeichen 303 bezeichnet eine feste Platte mit einer A/B-Phasen-Signalregion, bei der Schlitze oder ein Gitter 308 mit dem selben Abstand wie auf dem Drehteller angeordnet ist bzw. sind, und einer Z-Phasen- Signalregion, wobei lediglich ein Schlitz 309 am Umfang vorgesehen ist. Das Bezugszeichen 304 bezeichnet einen Fotosensor zum Erfassen von Licht, welches durch den Drehteller 302 und die feste Platte 303 hindurchtritt. Beim Erfassen von Licht, das durch die A/B-Phasen-Signalregion des Drehtellers und der festen Platte hindurchtritt, wird ein Signal (A/B-Phasensignal) in Übereinstimmung mit einem Winkel des Drehtellers erfaßt, während beim Erfassen von Licht, das durch die Z- Phasen-Signalregionen hindurchtritt, ein Signal (Z-Phasensignal) erfaßt wird, welches einen Ursprung des Drehtellers anzeigt.

Es ist jedoch beim zuvor genannten, bekannten Verfahren ein Problem, daß der Grad der Modulation des A/B-Phasensignals gestört ist. Dieses Problem wird nachfolgend erklärt. Fig. 2 zeigt eine Basisstruktur einer bekannten, optischen Kodiereinrichtung, welche zum Messen einer Position oder eines Winkels von einem bewegten Körper benutzt wird (japanische Patent-Offenlegungsschrift 257419/1991). In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 11 eine Lichtquelle, die eine Laserdiode oder eine lichtemittierende Diode relativ hoher Kohärenz enthält; das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Kollimatorlinse zum parallelen Ausrichten von Licht, das von der Lichtquelle 11 emittiert wurde, das Bezugszeichen 13 eine feste Beugungsplatte, die ein Gitter mit einer Sektion mit rechteck-wellenähnlicher Gestalt besitzt und senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Lichtes bzw. kollimierten Lichtes angeordnet ist, welches von der Linse 12 emittiert wird, das Bezugszeichen 14 eine bewegliche Beugungsplatte mit einer Sektion von rechteck-wellenförmiger Gestalt, die senkrecht zu der optischen Achse angeordnet ist, wobei die bewegbare Beugungsplatte in der Lage ist, sich senkrecht zu bewegen (in der Zeichnung auf- und abwärts). Die Gitter der festen und drehbaren Beugungsplatten besitzen die selbe Periode.

Darüber hinaus hat eine Schrittdifferenz "d" bezüglich der Höhe zwischen Oberkanten und Unterkanten der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 die folgende Beziehung zur Wellenlänge λ der Lichtquelle 11:

|n - n₀| × d = (λ/2) × (1 + 2 m) (Gleichung 1),

wobei m = 0, ±1, ±2, . . ., n einen Brechungsindex des Materials der festen und drehbaren Beugungsplatten 13, 14 bezeichnen und n₀ einen Brechungsindex eines Mediums zwischen den Platten 13 und 14 bezeichnet. Weiterhin bezeichnet in Fig. 2 das Bezugszeichen 105 eine Kondensorlinse zum Konzentrieren von Licht, das durch die bewegbare Beugungsplatte 14 hindurchtritt, während das Bezugszeichen 105 einen Fotosensor bezeichnet, der ein gebeugtes Bild, welches von der Linse 105 konzentriert wurde, in ein elektrisches Signal umwandelt. Die bewegbare Beugungsplatte 14 ist beispielsweise an einer sich drehenden Rotationseinrichtung befestigt, während die feste Beugungsplatte 13 stationär befestigt ist. Eine Rotationsgröße oder ähnliches der Rotationseinrichtung kann durch Herbeiführung eines Versatzes der bewegbaren Beugungsplatte 14 gegen die feste Beugungsplatte 13 aus einem Ausgangssignal des Fotosensors 16 erzielt werden.

Nachfolgend wird eine Arbeitsweise der bekannten, optischen Kodiereinrichtung beschrieben, welche die zuvor beschriebene Struktur besitzt. Zunächst wird von einer optischen Quelle 11 ausgesandtes Licht durch eine Kollimatorlinse 12 parallel ausgerichtet bzw. kollimiert. Dann tritt das Licht im wesentlichen senkrecht auf die feste Beugungsplatte. Die Differenz "d" bezüglich der Höhe zwischen Ober- und Unterkante der festen Beugungsplatte 13 wird so gestaltet, daß sich die Beziehung gemäß Gleichung 1, wie zuvor beschrieben, ergibt. Für diesen Fall ist bekannt, daß die Komponenten des gebeugten Lichtes der Ordnung mit geraden Nummern - einschließlich 0 - zu 0 werden und daß ein Maximum an Energie an gebeugtem Licht bei Ordnungen ±1 (ungefähr jeweils 40%) konzentriert ist. Deshalb wird das in die feste Beugungsplatte 13 eintretende Licht von der Platte 13 gebeugt und tritt als gebeugtes Licht 110 der Ordnung +1 und als gebeugtes Licht 111 der Ordnung -1 aus. Dieses gebeugte Licht 110, 111 tritt in die beweg­ bare Beugungsplatte 14 ein und tritt als gebeugtes Licht aus. Analog zu dem von der festen Beugungsplatte 13 gebeugten Licht hat das gebeugte Licht der bewegbaren Beugungsplatte 14 0-Komponenten von gebeugtem Licht der Ordnungen mit geraden Nummern einschließlich 0, und ein Maximum an Energie ist auf gebrochenes Licht der Ordnungen ±1 (ungefähr jeweils 40%) konzentriert.

Gebrochenes Licht, welches von der bewegbaren Beugungsplatte 14 austritt, wird ausgedrückt als (n, m), wobei n eine Beugungsordnung der festen Beugungsplatte 13 und m eine Beugungsordnung der bewegbaren Beugungsplatte 14 bezeichnet. Anschließend tritt gebeugtes Licht durch die bewegbare Beugungsplatte 14 parallel zur optischen Achse einschließlich gebeugtem Licht 121 mit (+1, -1), gebeugtem Licht 122 mit (-1, +1), gebeugtem Licht mit (-3, +3), gebeugtem Licht mit (+3, -3) usw. hindurch. Gebeugtes Licht der Ordnungen 3 oder mehr ist in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet. Wenn die bewegbare Beugungsplatte 14 mit konstanter Geschwindigkeit senkrecht zu der optischen Achse bewegt wird, verändert sich die Phase des gebeugten Lichtes mit Ordnungen von mehr als 3 relativ zu dem der Ordnung 0. Es ist bekannt, daß eine optische Intensität eines Lichtes durch Interferenz von gebeugtem Licht (+k, -k) mit dem von (-k, +k) mit einer Sinuswelle einer Frequenz von k/p erzielt werden kann (oder einer Frequenz, die ein k-faches der Basisfrequenz 1/k beträgt), wobei p einen Gitterabstand eines Gitters bezeichnet, welches in der bewegbaren Beu­ gungsplatte 14 angeordnet ist. Deshalb interferiert das gebeugte Licht mit (+1, -1) und (-1, +1) miteinander, welches einen wesentlichen Teil der Lichtmenge ausmacht, und ein Ausgangssignal in Form einer Sinuswelle wird erzielt, die eine Frequenz besitzt, die dem zweifachen der Basisfrequenz der festen und beweg­ baren Beugungsplatten 13 und 14 entspricht. Deshalb ermöglichen es im Stand der Technik bekannte Verfahren, eine Position durch die Benutzung der Komponen­ ten der doppelten Frequenz präzise zu erfassen.

Im Stand der Technik gibt es jedoch ein Problem, das darin besteht, daß der Modulationsgrad gestört ist. Das gebrochene Licht von (+1, -1) und (-1, +1) wird von der Kondensorlinse 105 konzentriert, um das Licht, wie zuvor beschrieben, effizient zu nutzen. Dann wird eine minimale, optische Intensität, welche von dem Fotosensor 16 erfaßt wird, nicht 0, oder der Modulationsgrad ist gestört.

Dies wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 erklärt, in der λ die Wellenlänge des Lichtes der Lichtquelle 11, D die Strahlgröße, p den Gitterabstand der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 und das Bezugszeichen 105 eine Fourier- Transformationslinse mit einer Brennweite f bezeichnet. Darüber hinaus bezeichnet Δx eine Versatzmenge der bewegbaren Beugungsplatte 14 und α einen Differen­ zwinkel λ/p von gebrochenem Licht der Ordnung 1. Da α hinreichend klein ist, gilt sinα = tanα = α. Eine Gestalt eines Abschnittes des Gitters der festen und bewegbaren Beugungsplatten 13, 14 wird aus Gründen der Einfachheit mit einer komplexen Amplitude ausgedrückt als

cos(kαx) = {exp(ikαx) + exp(-ikαx)}/2,

und das gebrochene Licht der Ordnungen ±1 wird als parallel ausgerichtetes Licht approximiert. Anschließend wird eine komplexe Amplitude von gebrochenem Licht der Ordnung +1 bei der bewegbaren Beugungsplatte 14 ausgedrückt als Aϕexp(-ikαx), während das der Ordnung -1 ausgedrückt wird als Aϕexp(+ikαx), wobei ϕ = exp(-ikgcosα) und A eine Amplitude eines auftreffenden Strahls bezeichnet. Eine komplexe Amplitude f1 von gebrochenem Licht der Ordnung +1 an der bewegbaren Beugungsplatte 14 wird wie folgt ausgedrückt:

f1(x) = Aϕ/2{_e -ikαΔx + e - ikα(2x - Δx) (Gleichung 2).

Auf entsprechende Weise wird eine komplexe Amplitude f2 von gebeugtem Licht in der Ordnung +1 an der bewegbaren Beugungsplatte 14 wie folgt ausgedrückt:

f2(x) = AΘ/2{_eikα(2x - Δx) + _eikαΔx} (Gleichung 3).

Dann wird eine Divergenz des gebeugten Lichtes mit +1 an der bewegbaren Beugungsplatte 14: (-D/2 - gα, D/2 - gα). Falls Gleichung 2 in diesem Bereich Fourier-transformiert wird, wird deshalb eine folgende Gleichung 4 erzielt, bei der ω = 2πx(fλ) ist.

Da eine Divergenz des gebeugten Lichtes von -1 an der bewegbaren Beugungs­ platte 14 (-D/2 + gα, D/2 + gα) wird, wird auf entsprechende Weise, wenn Gleichung 3 in diesem Bereich Fourier-transformiert wird, eine folgende Gleichung 5 erzielt. Deshalb entspricht eine komplexe Amplitude, die von dem Fotosensor 16 erfaßt wird, der Gleichung 6.

In Gleichung 6 bezieht sich der erste Ausdruck auf gebeugtes Licht von (+1, -1) und (-1, +1); der zweite Ausdruck bezieht sich auf gebeugtes Licht mit (+1, +1), und der dritte Ausdruck bezieht sich auf gebeugtes Licht mit (-1, -1).

Als nächstes wird ein Effekt um die optische Achse vom zweiten und dritten Ausdruck erklärt. In Gleichung 6 wird, falls ω = Δx = 0 gilt, die Amplitude des ersten Terms AX. Auf der anderen Seite wären die Amplituden vom zweiten und dritten Ausdruck

A|sin(kαD)|/(2kα) ≦ A/(2kα) = Ap/(4π).

Falls D = 0,5 mm und p = 10 µm ist, sind (der erste Ausdruck/der zweite Ausdruck) und (der dritte Ausdruck/der zweite Ausdruck) 0,0016 oder weniger.

Deshalb sind der zweite und der dritte Ausdruck hinreichend klein und in der Nähe der optischen Achse vernachlässigbar, und nur der erste Ausdruck wird von dem Fotosensor 16 erfaßt. Dann wird nur der erste Ausdruck in Gleichung 6 nachfol­ gend in Betracht gezogen.

Fig. 4 zeigt eine Amplitudenverteilung am Fotosensor 14, wenn eine Versatz­ menge Δx der bewegbaren Beugungsplatte 14 0 beträgt oder die Ausgangs­ signal-Intensität maximal ist. Es wurde in Fig. 4 gefunden, daß die Amplitude an der optischen Achse maximal ist. Bei der Berechnung wird angenommen, daß λ = 633 nm, g = 2 mm, f = 5 mm, p = 10 µm und D = 0,5 mm beträgt. Auf der anderen Seite zeigt Fig. 5 eine Amplitudenverteilung, wenn die Intensität minimal ist (kaΔx = π/2 oder Δx = p/4), wobei die Amplitude mit der maximalen Amplitude in Fig. 4 normalisiert ist. In diesem Fall wird der erste Ausdruck in Gleichung 6 zu Gleichung 7:

Fig. 5 und Gleichung 7 zeigen, daß Licht außerhalb der optischen Achse existiert. Wenn solch ein Licht existiert, wird der Modulationsgrad gestört. Fig. 6 zeigt den Modulationsgrad, wenn die oben erwähnten Werte benutzt werden und die Größe des Fotosensors 55 0 µm beträgt. Der Modulationsgrad ist definiert als (Ausgangs­ signal-Intensität - minimale Intensität)/(maximale Intensität - minimale Intensität).

Um solch einen Effekt zu vermeiden, kann ein Stiftloch oder ähnliches vorgesehen werden, um Licht außerhalb der optischen Achse abzuschatten. Eine Strahlgröße, die eine wesentliche Menge des Lichtes in Fig. 5 enthält, ist jedoch lediglich 12 µm klein, und es ist somit notwendig, das Stiftloch so klein zu gestalten, daß es einige µm kleiner als die Strahlgröße ist. In diesem Fall jedoch wird auch Licht erfaßt und der Modulationsgrad beeinträchtigt. Darüber hinaus ist die Positionie­ rung des Stiftloches relativ zu der optischen Achse schwierig. Weiterhin, falls solch ein kleines Stiftloch benutzt wird, ist der Verlust an Lichtmenge groß und ein von dem Fotosensor erzieltes Signal schwach, und der Apparat ist anfällig, von Rauschen beeinträchtigt zu werden.

Nachfolgend wird ein anderes Problem von bekannten Verfahren erklärt. Falls eine geometrische Mitte des Drehtellers von seinem Rotationszentrum abweicht, werden Fehler der A/B-Phasensignale akkumuliert. Dieses Problem wird durch Benutzung eines Modells, welches in Fig. 7 dargestellt ist, erklärt, wobei das Bezugszeichen 51 eine Lichtquelle bezeichnet, das Bezugszeichen 52 eine Kollima­ torlinse zur parallelen Ausrichtung von Licht, welches von der Lichtquelle ausgesandt wurde, Bezugszeichen 53 einen Drehteller mit gleichmäßig be­ abstandeten Schlitzen am Umfang, das Bezugszeichen 54 eine feste Platte mit Schlitzen, die den selben Abstand wie die Schlitze des Drehtellers haben, und das Bezugszeichen 55 bezeichnet einen Fotosensor zur Erfassung von Licht, welches durch den Drehteller 53 und die feste Platte 54 hindurchtritt.

Wenn der Drehteller 53 gedreht wird, verändern sich die Positionen der Schlitzöff­ nungen des Drehtellers 53 relativ zu denen der festen Platte 54, so daß sich eine von dem Fotosensor empfangene Lichtmenge gemäß der Veränderung der relativen Positionen verändert. Die Fig. 8A und 8B zeigen eine Veränderung des Ausgangssignals des Fotosensors 55 für diesen Fall. Falls der Spaltabstand groß genug ist, keine Beugung zu verursachen, verändert sich das Ausgangssignal wie in Fig. 8A dargestellt ist. Falls der Spaltabstand in bezug auf die Entfernung zwischen dem Drehteller 53 und der festen Platte 54 klein ist, wird eine Wellenform eines Ausgangssignals des Fotosensors 55 von der Beugung an den Schlitzen beeinflußt und die Flanken der Wellenform werden gerundet, um wie eine Sinuswelle verändert zu werden, wie in Fig. 8B dargestellt ist.

Gleichung 8 zeigt das Ausgangssignal des Fotosensors 55, wenn die Signalwellenform als Sinuswelle approximiert wird.

y = Asin(NΘ) + B (Gleichung 8),

wobei A eine Signalamplitude, B eine dc-Komponente des Signals, N eine Anzahl der Schlitze, die in dem Drehteller 43 ausgebildet sind, und Θ einen Rota­ tionswinkel bezeichnet.

Die oben erwähnten, aufgelaufenen Fehler, welche durch die Exzentrizität des Drehtellers 53 hervorgerufen wurden, werden unter Bezugnahme auf Fig. 9 erklärt, die eine Bestrahlungsposition eines Strahls und die Spur des Strahls auf dem Drehteller 53 illustriert. Falls eine Exzentrizitätsgröße zwischen einem Rotationszentrum 60 und einem Zentrum 61 des Drehtellers 53 existiert, ist ein Rotationswinkel eines bestimmten Punktes 62 oder eines Winkels Θ relativ zum Rotationszentrum 60 verschieden von einem Winkel Θ_a relativ zum Zentrum 61 des Drehtellers 53. Falls r eine Distanz zwischen dem Rotationswinkel 60 und dem Fotosensor 55 bezeichnet, gilt δ = Θ - Θ_a = (∈/r)cosΘ. Da das Ausgangssignal des Fotosensors 55 vom Winkel Θ_a vom Zentrum des Drehtellers 61 abhängt, wird das Ausgangssignal gemäß Gleichung 9 ausgedrückt:

y = Asin(NΘ_a) + B
= Asin{N(Θ + (∈/r)cosΘ)} + B (Gleichung 9).

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

N(Θ + (∈/r)cosΘ)/(2π) (Gleichung 10).

Anschließend, wenn ein Rotationswinkel von α auf β verändert wird, wird die Anzahl an Impulsen des Fotosensors 55 wie folgt ausgedrückt:

N(β - α + (∈/r)(cosβ - cosα))/(2π) (Gleichung 11).

Deshalb wird eine Differenz bezüglich der Anzahl an Impulsen relativ zu einer wahren Impulsanzahl N(β - α) oder ein aufgelaufener Fehler der Signale wie folgt ausgedrückt:

N(∈/r)(cosβ - cosα)/(2π)
= {N∈/(πr)}sin{(β + α)/2}sin{β - α)/2} (Gleichung 12).

Ein maximaler, aufgelaufener Fehler tritt dann auf, wenn α = 0 und β = π ist, und er beträgt N∈/(πr) Impulse. Beträgt beispielsweise die Anzahl an Impulsen pro Umdrehung 10.000, beträgt die Position r des Fotosensors vom Rotationszentrum 20 mm und beträgt die Exzentrizitätsgröße ∈ 10 µm, so belaufen sich die aufgelaufenen Fehler auf 1,6 Impulse. Dies ist zu viel für eine Kodiereinrichtung von 10.000 Impulsen, und die Kodiereinrichtung kann praktisch nicht verwendet werden.

Die aufgelaufenen Fehler können herabgesetzt werden, falls r erhöht wird oder die Exzentrizitätsgröße ∈ vermindert wird. Um jedoch die aufgelaufenen Fehler auf 0,1 Impulse oder weniger herabzusetzen, muß r mehr als 320 mm betragen, und die Größe der Kodiervorrichtung wird sehr groß. Falls die Exzentrizitätsgröße ∈ vermindert wird, muß sie auf einen Wert von weniger als 0,6 µm vermindert werden, und dies macht den Aufbau des Drehtellers 53 sehr schwierig.

Deshalb werden bei Verfahren im Stand der Technik für die Realisierung einer hochauflösenden Kodiervorrichtung zwei Fotosensoren an zwei symmetrischen Punkten in bezug auf das Rotationszentrum des Drehtellers 53 angeordnet und ein arithmetisches Mittel der optischen Intensitäten benutzt, die von den Fotosensoren erfaßt werden, um die aufgelaufenen Fehler zu vermeiden. Das Prinzip dieses Ver­ fahrens wird nachfolgend erklärt.

Wenn die Exzentrizität des Drehtellers auftritt, werden die Ausgangssignale der beiden Fotosensoren gemäß Gleichungen 13 und 14 unter Benutzung von Gleichung 9 ausgedrückt.

y1 = A1sin{N(Θ + (∈/r)cosΘ)} + B1 (Gleichung 13).

y2 = A2sin{N(Θ - π + (∈/r)cos(Θ - π))} + B2
= A2sin{N(Θ - (∈/r)cosΘ)} + B2 (Gleichung 14).

Falls der Einfachheit halber angenommen wird, daß A1 = A2 = A und B1 = B2= B gilt, wird ein arithmetisches Mittel dieser zwei Ausgangssignale gemäß Gleichung 15 erzielt.

y = y1 + y2
= 2Asin(NΘ)cos{(N∈/r)cosΘ} + 2B (Gleichung 15).

Gleichung 15 zeigt, daß Fehler nicht auf aufgelaufenen Fehlern beruhen, da der Effekt der Exzentrizität in dem Ausdruck bezüglich der Periode der Impulssignale verschwindet.

Gleichung 15 zeigt jedoch deutlich, daß eine Amplitude des erzielten Signals mit cos{(N∈/r)cosΘ} multipliziert wird, und dies bedeutet, daß die Signalamplitude sich mit dem Umdrehungswinkel verändert, wenn eine Exzentrizität ∈ existiert. Wenn |N∈/r| < π gilt, existiert ein Teil, bei dem die Signalamplitude bei einer Drehung des Drehtellers 0 wird. Deshalb ist es zur Benutzung in einer Kodiereinrichtung erforderlich, daß |N∈/r| < π gilt. Zum Beispiel, falls N = 10.000 und r = 20 mm gilt, ist es notwendig, daß ∈ 6,3 µm oder weniger beträgt. Anschließend, um eine kompakte Kodiereinrichtung mit hoher Auflösung zu erzeugen, muß der Drehteller sehr präzise aufgebaut werden, wodurch die Kosten erhöht werden. Da die Exzen­ trizität oder die Achse aufgrund einer Last gleichfalls vermindert werden muß, wird die Achse darüber hinaus groß, um ihr Gewicht zu erhöhen, und die Einsatzbereiche für die zu benutzende Kodiereinrichtung sind begrenzt.

Ein weiteres Problem bei bekannten Verfahren wird nachfolgend beschrieben; es besteht darin, daß die Präzision der Positionserfassung des Ursprungs der Kodiereinrichtung entsprechend der Veränderung der Intensität der Lichtquelle beeinträchtigt wird. Dieses Problem wird nachfolgend erklärt. Es ist bekannt, eine Position eines Bauteils ohne physikalischen Kontakt zu erfassen. Zum Beispiel wird, wie in der japanischen Offenlegungsschrift 44,202/1990 offenbart, ein Körper mit einem Licht beleuchtet, um sein Bild mit einer Videokamera abzubilden, und es wird eine Position durch Binärisierung des Ausgangssignals eines linearen Array-Sensors erfaßt. Darüber hinaus, um eine Referenzposition eines bewegten Körpers zu erfassen, ist ein Schlitz in dem bewegten Körper vorgesehen, und der Körper wird beleuchtet. Ein den Schlitz durchquerendes Licht wird von Fotosenso­ ren empfangen und ihre Ausgangssignale binärisiert.

Ein Beispiel einer bekannten Positionsbestimmung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11A, 11B erklärt. Fig. 10 ist eine Ansicht eines bekannten Positionsbestimmungsapparates, wobei das Bezugszeichen 251 eine Lichtquelle und das Bezugszeichen 252 einen bewegten Körper bezeichnet. Ein Schlitz 253 ist in dem bewegten Körper 252 vorgesehen. Das Bezugszeichen 254 bezeichnet einen Fotosensor. Der bewegte Körper 252 ist zwischen der Lichtquelle 251 und dem Fotosensor 254 angeordnet und er bewegt sich senkrecht zu einer Achse zwischen der Lichtquelle 251 und dem Fotosensor 254.

Eine Betriebsweise dieses Apparates wird nachfolgend beschrieben. Fig. 11A zeigt einen Lichtstrahl 255, der durch den Schlitz 253 in dem bewegten Körper 252 hindurch zum Fotosensor 254 reicht. Es wird angenommen, daß der bewegte Körper sich entlang einer x-Achse von links nach rechts bewegt. Deshalb überstreicht der Lichtstrahl 255 den Fotosensor 254 gemäß der Bewegung des bewegten Körpers 252. Dann besitzt das Ausgangssignal des Fotosensors 254 eine Wellenform, wie in Fig. 11B dargestellt ist. Um dem Einfluß von in den Fotosensor 254 eintretendem Streulicht oder ähnlichem zu begegnen, wird ein geeigneter Schwellwert für die Umsetzung des Ausgangssignals in ein Binärsignal gesetzt. Auf diese Weise kann ein Referenzpositionssignal des bewegten Körpers erzielt werden.

Es existiert jedoch das folgende Problem: Wenn die Intensität des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes fluktuiert, tritt schließlich ein Einfluß auf, der der Fluktuation des Schwellwertes entspricht, und die Impulsbreite des Referenzposi­ tionssignals und die Position der Signalflanken werden verändert. Deshalb wird die Präzision der Positionserfassung beeinträchtigt. Darüber hinaus wird mit verminderter Strahlgröße beim Fotosensor 254 eine Veränderung des Ausgangs­ signals des Fotosensors 254 mit einer Veränderung des bewegten Körpers 252 groß. Deshalb nimmt die Beeinträchtigung der Präzision der Positionserfassung aufgrund von Rauschen von Streulicht und elektrischem Rauschen ab. Falls die Größe des Schlitzes 253 jedoch zu stark verkleinert wird, um die Strahlgröße zu verkleinern, findet eine Beugung statt, und die Strahlgröße beim Fotosensor 254 nimmt gegenläufig zu. Wenn die Schlitzgröße vermindert wird, nimmt darüber hinaus eine von dem Fotosensor 254 empfangene Lichtmenge ab, und Fehler aufgrund von Rauschen nehmen zu. Ein Spalt zwischen dem Schlitz 253 und dem Fotosensor 254 kann verkleinert werden, um die Beugungseffekte zu vermeiden. Wenn der Spalt verkleinert wird, gibt es jedoch die Möglichkeit, daß der bewegte Körper den Fotosensor berührt und ihn beschädigt. Um einen Impuls von zuvor beschriebener, schmaler Breite zu erzeugen, müssen weiterhin die Breite des Fotosensors 254 und die Strahlgröße vermindert werden. Die zuvor genannten Probleme des Kontaktes zwischen dem bewegten Körper 252 und dem Fotosensor 254 und der Beeinträchtigung der Präzision der Positionsbestimmung aufgrund von Rauschen findet auch in diesem Fall statt.

Die DE 26 17 797 A1 offenbart in den Fig. 1 und 5 Vorrichtungen zur optischen Messung der Position und der Bewegung eines Objekts. Aufgrund der Blendengröße und der geometrischen Abmessungen der Fotodetektoren sind diese Vorrichtungen für eine hochgenaue Messung einer Referenzposition nicht geeignet. Die Vorrichtungen sind vielmehr dazu geeignet, die Position innerhalb eines kleinen Weges aus dem Verhältnis der Differenz zur Summe der von den zwei Fotodioden abgegebenen Fotoströme zu bestimmen.

Die DD 276 012 A3 betrifft eine Einrichtung zur Referenzpunktgewinnung während mechanischer Bewegungsvorgänge, insbesondere für inkrementale Meßsysteme im Präzisionsmaschinen- bzw. im Präzisionsgerätebau. Als fotoelektrischer Empfänger kommt eine Doppeldiode zum Einsatz. Bei der bekannten Einrichtung rührt das über die Fotosensoren bewegte Licht von einem Spalt her, der von der Optik auf dem bewegten Schlitten auf die Fotosensoren abgebildet wird. Die bekannte Einrichtung weist eine Anordnung einer Optik an dem bewegten Objekt auf, das einen Lichtfleck über zwei benachbarte Fotosenso­ ren lenkt, wobei die Referenzposition dann erreicht ist, wenn der Lichtfleck die Fotosensoren symmetrisch bestrahlt. Diese Referenzposition wird aus dem Differenzsignal der Fotosensoren hergeleitet. Die Einrichtung zur Referenzpunkt­ gewinnung findet bei einem inkrementellen Meßsystem Anwendung. An dem bewegten Objekt ist eine fokussierte Optik angeordnet, die einen Lichtstrahl zur Bestimmung einer Referenzposition über eine Differentialdiode lenkt.

Die DE 27 51 757 B2 offenbart eine fotoelektrische Einrichtung zur Festlegung einer Nullstellung. Bei dieser bekannten Einrichtung handelt es sich um einen Apparat zur Erfassung einer Bezugsposition eines bewegbaren Körpers zu einem vorgegebenen Objekt, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausgerichteten Lichtbündels bzw. kohärenten, kollimierten Lichtstrahls, einem bewegbaren Körper, der durch einen optischen Pfad des parallel ausgerich­ teten Strahls senkrecht zu dem parallel ausgerichteten Strahl hindurchtreten kann, einer ersten Zylinderlinse, die an dem beweglichen Körper befestigt ist, das den parallel ausgerichteten Strahl konzentriert, einer Differentialfotodiode an dem vorgegebenen Objekt zur Erfassung einer Lichtmenge nur desjenigen Strahls, der von der Zylinderlinse konzentriert wurde, wobei die Differentialfotodiode einen Trennsteg aufweist, der kleiner als ein Durchmesser des konzentrierten Strahls in Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers ist, und die Differentialfotodiode eine Breite bestitzt, die größer als der Durchmesser des konzentrierten Strahls ist, und eine Auswerteschaltung zur Erzeugung eines Differenzsignals zwischen Ausgangs­ signalen der Differentialfotodiode, wobei eine Position des bewegbaren Körpers gemäß dem Differenzsignal bestimmt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die ein Signal einer Referenzposition mit einer vorbestimmten Impulsbreite erzeugt, das von Veränderungen einer Lichtintensität eines von einer Lichtquelle emittierten Lichtes unbeeinträchtigt ist und eine Präzision bestitzt, die von Signalrauschen nicht so sehr beeinträchtigt wird.

Erfindungsgemäß trifft ein kohärenter, parallel ausgerichteter Strahl auf einen bewegten Körper, welcher durch einen optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls sich senkrecht zu dem parallel ausgerichteten Strahl bewegt. In diesem Fall konzentriert ein erstes Kondensormittel bzw. fokussierendes, optisches Element, wie beispielsweise eine Kondensorlinse, die an dem bewegbaren Körper befestigt ist, den parallel ausgerichteten Strahl. Erste und zweite Fotosensoren erfassen nur eine Lichtmenge des Strahls, die von dem ersten Kondensormittel konzentriert ist. Die ersten und zweiten Fotosensoren haben einen Abstand voneinander, der kleiner ist, als ein Durchmesser des parallel ausgerichteten Strahls in einer Bewe­ gungsrichtung des bewegbaren Körpers, während sie eine Breite besitzen, die größer als der Durchmesser des parallel ausgerichteten Strahls ist. Ein Signalver­ arbeitungsmittel erzeugt ein Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Fotosensoren, und eine Position des bewegbaren Körpers kann gemäß dem Differenzsignal bestimmt werden. Auf diese Weise kann ein Referenz­ punkt zur Erfassung der Position eines bewegten Körpers präzise bestimmt werden. Bevorzugt wird ein zweites Kondensormittel darüber hinaus an dem bewegbaren Körper befestigt, und dritte und vierte Fotosensormittel bzw. Fotosensoren erfassen eine Lichtmenge nur desjenigen Strahls, welcher von dem zweiten Kondensormittel entsprechend parallel ausgerichtet ist. Dann wird ein zweites Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen von den dritten und vierten Fotosensoren erzielt, und eine Position des bewegbaren Körpers kann gemäß einer Lichtquelle zur Erzeugung von Impulssignalen aus den ersten und zweiten Differenzsignalen bestimmt werden.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine Position eines bewegten Körpers optisch erfaßt werden kann, ohne von Intensitätsveränderungen des von einer Lichtquelle ausgesandten Lichtes beeinflußt zu werden.

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen deutlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung einer bekannten, optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 2 eine Darstellung einer bekannten, optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 3 eine Darstellung eines Modells der optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 4 einen Graph einer Amplitudenverteilung eines in dem Modell benutzten Fotosensors;

Fig. 5 einen Graph einer Amplitudenverteilung eines in dem Modell benutzten Fotosensors;

Fig. 6 einen Graph des Modulationsgrades in dem Modell;

Fig. 7 eine Darstellung einer bekannten, optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 8A und 8B Graphen von Signalwellenformen einer bekannten, optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 9 eine Darstellung der Exzentrizität eines Drehtellers der optischen Kodiereinrichtung;

Fig. 10 eine Ansicht eines bekannten Positionsbestimmungsapparates;

Fig. 11A und 11B Darstellungen des Apparates und eines Graphs seiner Ausgangs­ signale;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines Positionsmeßapparates einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 ein Blockdiagramm eines Signalverarbeitungsmittels dieser Aus­ führungsform;

Fig. 14 eine Darstellung von Wellenformen jedes Teils des Signalver­ arbeitungsmittels dieser Ausführungsform;

Fig. 15 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 eine Darstellung eines Fotosensors dieser Ausführungsform;

Fig. 17 eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 18 eine Darstellung eines Fotosensors dieser Ausführungsform;

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht einer vierten Ausführungsform, und

Fig. 20 eine Darstellung eines Fotosensors dieser Ausführungsform;

Fig. 21 einen optischen Pfad von der Lichtquelle 1 zum Spiegel 5 aus Fig. 19, und

Fig. 22 einen optischen Pfad vom Spiegel 6 zu den Fotosensoren 8 aus Fig. 19.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche oder entsprechende Teile in verschiedenen Darstellungen und Ausführungsformen der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, wird nachfolgend erklärt.

Erste Ausführungsform

Eine erste Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Fig. 12 bis 14 erklärt. Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht des Apparates gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine Laserlichtquelle 201 ist an einer Position angeordnet, die sich im Brennpunkt vor einer Kollimatorlinse 202 zum parallelen Ausrichten eines von der Lichtquelle 201 emittierten Lichtes befindet. Die z-Achse wird übereinstimmend mit einer optischen Achse der Kollimatorlinse 202 angenommen. Ein bewegbarer Körper 203 bewegt sich senkrecht zu der optischen Achse durch das emittierte Licht. Die x-Achse wird als eine Richtung angenom­ men, entlang der sich der bewegbare Körper 203 bewegt.

Eine erste Kondensorlinse 216 und eine zweite Kondensorlinse 217 werden an dem bewegbaren Körper 203 in y-Richtung senkrecht zu der optischen Achse angeordnet und lassen Licht von der Kollimatorlinse 202 hindurchtreten. Eine Abschattungssektion 223 ist am bewegbaren Körper 203 vorgesehen und schattet das von der Kollimatorlinse 202 außerhalb der Eingangspupille der Kondensorlinsen 216 und 217 auftreffende Licht ab, um zu verhindern, daß Licht von der Kollima­ torlinse 202 auf Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in einem Bereich auftrifft, in dem sich der bewegbare Körper 203 bewegt.

Der erste Fotosensor 218 und der zweite Fotosensor 219 sind auf einem Pfad eines Brennpunktes der ersten Kondensorlinse 216 außerhalb eines Pfades eines Brennpunktes der zweiten Kondensorlinse 217 angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Fotosensor 218 und 219 in x-Richtung des bewegbaren Körpers 203 ist kleiner als die Größe des von der Kondensorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 konzentrierten Strahls. Der dritte Fotosensor 220 und der vierte Fotosensor 221 sind auf einem Pfad eines Brennpunktes der zweiten Kondensorlinse 217 außerhalb eines Pfades eines Brennpunktes der ersten Kondensorlinse 216 angeordnet. Der Abstand zwischen dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 in x-Richtung des bewegbaren Körpers 203 ist kleiner als eine Größe des von der Kondensorlinse 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls.

Wie zuvor erwähnt, ist der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in der Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 kleiner als die Größe des von der Kondensorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 konzentrierten Strahls, und der Abstand zwischen den dritten und vierten Fotosensoren 220 und 221 in Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 ist kleiner als die Größe des von der Kondensorlinse 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls. Darüber hinaus nimmt eine Distanz zwischen einer Position, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 219 entlang der Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 einander ent­ sprechen, und einer Position, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung des bewegbaren Körpers 203 einander entsprechen, einen Wert an, der von einem vorbestimmten Wert ver­ schieden ist, der einer Distanz zwischen einem Mittelpunkt der ersten Kon­ densorlinse 216 und dem der zweiten Kondensorlinse 217 entspricht. Wenn sich ein Teil des von der ersten Kondensorlinse 216 parallel ausgerichteten Strahl am ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 befindet, befindet sich deshalb ein Teil des von der zweiten Kondensorlinse 217 parallel ausgerichteten Strahls am dritten oder vierten Fotosensor 220, 221.

Das Bezugszeichen 222 bezeichnet ein Signalverarbeitungsmittel, welches Ausgangssignale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfassungssignal ausgibt. Fig. 13 ist ein Blockdiagramm einer Struktur des Signalverarbeitungsmittels 222. Ein Summensignalgeneratorkreis 224 erzeugt ein Summensignal C1 eines Ausgangssignals A1 des Fotosensors 218 und eines Ausgangssignals B1 des Fotosensors 219, während ein Differenzsignalgenerator­ kreis 225 ein Differenzsignal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Ein Binärisa­ tionskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Weiterhin empfängt ein Binärisationskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisation unter Benutzung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F1 auszugeben. Ein Summensi­ gnalgeneratorkreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 aus einem Ausgangssignal A2 des Fotosensors 220 und einem Ausgangssignal B2 des Fotosensors 221, während ein Differenzsignalgeneratorkreis 229 ein Differenzsignal D2 aus den Signalen A2 und B2 erzeugt. Ein Binärisationskreis 230 gibt ein Binärsignal E2 des Signals C2 aus. Darüber hinaus empfängt ein Binärisationskreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisation unter Benutzung einer Hysterese-Charakteristik zur Erzeugung eines Signales F2 durch. Ein exklusives Oder-Gatter 223 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J. Ein Und-Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

Eine Arbeitsweise des zuvor beschriebenen Apparates wird nun erklärt. Wie in Fig. 12 zu sehen ist, trifft Licht auf einen Brennpunkt der Kondensorlinse, wenn Licht aus der Kollimatorlinse 202 austritt und in die Eingangspupille der Kon­ densorlinsen 216, 217 eintritt, wenn sich der bewegbare Körper 203 bewegt. Der Brennpunkt liegt auf einer Achse, die parallel zu dem aus der Kollimatorlinse 202 austretenden Licht verläuft und durch ein Zentrum von ihr hindurchreicht. Deshalb entspricht eine Versatzgröße des bewegbaren Körpers 203 in Richtung der x- Achse einer Versatzgröße der Brennpunkte der Kondensorlinsen 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 liegen auf einer Spur des Brennpunktes der Kon­ densorlinse 217. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn sich der bewegbare Körper 203 bewegt.

Im folgenden wird die Erzeugung eines Referenzpositionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 14 erklärt, die Wellenformen des Signalprozessors 222 zeigt, wenn der bewegbare Körper 203 sich in positiver Richtung bewegt. Es werden Signale A1 und B1 durch die Fotosensoren 218 und 219 erzeugt, wenn der von der Kondensorlinse 216 erzeugte, konzentrierte Strahl sich von dem Fotosensor 218 zu dem Fotosensor 219 bewegt. Dann ändert sich das Differenzsignal D1 von einem negativen Wert in einen positiven Wert. Wenn die Binärisation mit einer Hysterese-Charakteristik durchgeführt wird, um in dem Signal D1 enthaltenes Rauschen zu verhindern, wird ein Signal F1 erzeugt. Analog werden Signale A1 und B1 von den Fotosensoren 220 und 221 erzeugt, wenn der von der Kondensorlinse 217 erzeugte, konzentrierte Strahl sich von dem Fotosensor 220 zum Fotosensor 221 bewegt. Es wird dann ein Signal F2 durch Binärisierung des Signals D2 erzeugt. Eine Bewegungsentfernung des Körpers 203 von einer Anstiegsflanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer An­ stiegsflanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position des bewegten Körpers 203, in der die Ausgangssignale des ersten und zweiten Fotosensors 218 und 219 einander in einer Bewegungsrichtung des Körpers 203 entsprechen, zu einer Position des bewegten Körpers 203, in der die Ausgangssignale von dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum eines von der ersten Kondensorlinse 216 konzentrierten Strahls und dem des von der zweiten Kondensorlinse 217 konzentrierten Strahls. Falls sich der von der ersten Kondensorlinse 216 und der zweiten Kondensorlinse 217 konzentrierte Strahl am Fotosensor befindet, kann deshalb ein Signal J vorbestimmter Breite als ein Referenzpositionssignal des bewegbaren Körpers 203 durch Benutzung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Summensignal C1 aus den Signalen A1 und B1 und ein Summensignal C2 aus den Signalen A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Aus den Signalen E1 und E2 wird ermittelt, daß sich der konzentrierte Strahl an den Fotosensoren befindet. Dann wird durch Benutzung einer Und- Operation mit dem Signal J ein Positionserfassungsignal K des bewegbaren Körpers 203 erzielt. Da eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle der Differenz­ signale D1 und D2 erzeugt wird, wird es durch Intensitätsveränderungen der Lichtquelle 201 nicht beeinträchtigt. Weil das Signal D1 ein Differenzsignal der Signale A1 und B1 und das Signal D2 ein Differenzsignal der Signale A2 und B2 ist, löschen sich darüber hinaus Gleichtaktstörungen in den Signalen - wie beispielsweise Signalrauschen aufgrund von Streulicht an den Fotosensoren - einander aus. Eine Signalveränderungsrate an einer Nullstelle der Signale D1, D2 in bezug auf einen Versatz des bewegbaren Körpers 203 in Richtung der x-Achse wird ungefähr zweimal so groß, wie die der Signale A1, B1, A2 oder B2 allein. Deshalb kann ein Fehler des Referenzpositionssignals aufgrund von Signalrauschen reduziert werden. Das Signal K wird somit als ein korrektes Referenzsignal mit vorbestimmter Breite verwendet.

Wie zuvor beschrieben, werden die ersten und zweiten konzentrierten Strahlen bei dieser Ausführungsform aus dem von der Lichtquelle emittierten Licht mit zwei Linsen erzeugt, die an dem bewegbaren Körper angeordnet sind und sie werden von den ersten und zweiten Fotosensoren bzw. von den dritten und vierten Fotosensoren ermittelt. Es wird dann ein Impulssignal entsprechend einem Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Fotosen­ sors und das der Ausgangssignale des dritten und vierten Fotosensors erzeugt. Es kann deshalb ein Signal einer Referenzposition mit einer vorbestimmten Impuls­ breite erzielt werden, ohne durch Veränderungen der Lichtintensität des von der Lichtquelle emittierten Lichtes beeinträchtigt zu werden, wobei das Signal eine Präszision besitzt, die von Signalrauschen nicht so sehr beeinträchtigt wird.

Eine Fresnel-Zonenplatte des Amplitudentyps oder Phasentyps kann anstelle der Kondensorlinsen 216, 217 benutzt werden. Ein Abschattungselement 223 wird in der Ausführungsform verwendet, um zu verhindern, daß Licht von der Kollimatorlinse 202 außerhalb der Eingangspupille der Kondensorlinse zu den Fotosensoren gelangt. Eine Linse mit einem Brennpunkt außerhalb der optischen Achse kann jedoch als Kondensorlinse 216, 217 verwendet werden, um den Brennpunkt außerhalb des optischen Pfades zu erzeugen oder um sicherzustellen, daß von der Kollimatorlinse emittiertes Licht nicht die Fotosensoren direkt beleuchtet. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind an einem Brennpunkt an der Rückseite der Kondensorlinse 216, 217 in dieser Ausführungsform angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls herabzusetzen. Sie können jedoch auch außerhalb des Brennpunktes angeordnet werden. Weil ein Zentrum des von der Kondensorlinse 216, 217 konzentrierten Strahls auf einer Linie angeordnet ist, welche parallel zu dem von der Kollimatorlinse 202 ausgesandten Licht verläuft und durch die Zentren der Kondensorlinse 216, 217 hindurchtritt, entspricht eine Versatzgröße des bewegbaren Körpers 203 in x-Richtung derjenigen des Zentrums des konzentrierten Strahls. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer Ebene angeordnet, die senkrecht zur z-Achse in dem zuvor erwähnten Beispiel angeordnet ist. Sie können jedoch auch in einer Ebene angeordnet werden, welche in bezug auf die z-Achse geneigt ist. Obwohl die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in derselben Ebene bei dem zuvor erwähnten Beispiel angeordnet sind, können sie jedoch auch in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Die Lichtquelle 201 kann eine Licht emittierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtquelle sein.

Zweite Ausführungsform

Fig. 15 zeigt eine Basisstruktur einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 16 zeigt eine Struktur einer optischen Erfassungssektion. Zunächst wird eine Struktur einer A/B-Phasensignalausgangssektion erklärt. In Fig. 15 enthält eine Lichtquelle 11 eine Laserdiode oder eine Licht emittierende Diode mit einer relativ hohen Kohärenz. Eine Kollimatorlinse 12 richtet Licht, welches von einer Lichtquelle 11 emittiert wird, parallel aus. Eine feste Beugungsplatte 313 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Lichtes angeordnet. Eine bewegbare Beugungsplatte 314 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist in x-Richtung senkrecht zu der optischen Achse bewegbar. Das Gitter der festen Beugungsplatte 313 besitzt dieselbe Periode, wie die der bewegbaren Beugungsplatte 314. Eine Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkanten der festen und bewegbaren Beugungsplatten 313 und 314 erfüllt Gleichung 1, wie zuvor erklärt. Eine Kondensorlinse 15 richtet Licht, das durch die bewegbare Beugungsplatte 314 hindurchtritt, parallel aus. Die Eingangs­ pupille der Linse 15 ist auf einen Bereich innerhalb von D - 2gλ/p begrenzt, wobei "D" die Größe des Strahls bezeichnet, der von der Kollimatorlinse 12 parallel ausgerichtet wurde, "g" eine Distanz zwischen der festen Beugungsplatte 313 und der bewegbaren Beugungsplatte 314, λ die Wellenlänge des Lichtes und "p" einen Gitterabstand der in den Beugungsplatten angeordneten Gitter. Die Entfernung zwischen den Beugungsplatten 313 und 314 wird so eingestellt, daß g < pD/(2λ) gilt.

Eine optische Erfassungssektion 316, die in Fig. 16 im Detail dargestellt ist, enthält Fotosensoren 16, 218, 219, 220 und 221. Im Unterschied zu der optischen Erfassungssektion, die in Fig. 12 dargestellt ist, ist der Fotosensor 16 enthalten, der ein von der Linse 15 konzentriertes, gebeugtes Bild in ein elek­ trisches Signal umwandelt.

Als nächstes wird eine Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Der erste Fotosensor 218 und der zweite Fotosensor 219 sind nicht auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 angeordnet. Der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 ist kleiner als eine Größe des Strahls, der von den Kondensorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 konzentriert wurde. Der dritte Fotosensor 220 und der vierte Fotosensor 221 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 außerhalb einer Spur eines Brenn­ punktes einer Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet. Der Abstand zwischen dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 in Bewegungsrichtung der beweg­ baren Beugungsplatte 314 ist kleiner als eine Größe des Strahls, der von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren konzentriert ist.

Die Breite der Fotosensoren 218 und 219 in x-Achsenrichtung ist größer als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 216 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls, während eine Breite der Fotosensoren 220 und 221 in x-Achsenrichtung größer ist als eine Größe des von den Fresnel-Zonenplatten 217 auf die Fotosenso­ ren konzentrierten Strahls.

Wie zuvor erklärt, ist der Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 220 in x-Achsenrichtung kleiner als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls wenigstens auf den Fotosensoren, während der Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 220 geringer als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls ist. Darüber hinaus wird eine Entfernung zwi­ schen einer Position, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 einander entsprechen und einer Position, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der beweg­ baren Beugungsplatte 314 einander entsprechen, verschieden von einem vorbestimmten Wert einer Entfernung zwischen einem Zentrum der ersten Fresnel- Zonenplatte 216 und dem der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217. Wenn ein Teil des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls auf den ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 trifft, trifft ein Teil des von der zweiten Fresnel- Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls auf den dritten oder vierten Fotosensor 220, 221.

Das Bezugszeichen 222 bezeichnet einen Signalprozessor, der Ausgangssignale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfas­ sungssignal erzeugt. Eine Abschattungssektion 223 ist an der bewegbaren Beugungsplatte 314 vorgesehen und schattet Licht, das von der Kollimatorlinse 12 austritt, außerhalb der Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatte 216 und 217 ab, um zu verhindern, daß das von der Kollimatorlinse 12 austretende Licht die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in einer Region befeuchtet, in der sich die bewegbare Beugungsplatte 314 bewegt.

Der Signalprozessor 222 ist in Fig. 13 gezeigt und wurde bereits beschrieben. Der Summensignalgeneratorkreis 224 erzeugt ein Summensignal C1 aus einem Ausgangssignal A1 des Fotosensors 218 und einem Ausgangssignal B1 des Fotosensors 219, während der Differenzsignalgeneratorkreis 225 ein Differenzsi­ gnal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Der Binärisierungskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Darüber hinaus empfängt der Binärisierungskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisierung durch Benutzung einer Hysterese- Charakteristik durch, um das Signal F1 auszugeben. Der Summensignalgenerator­ kreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 eines Ausgangssignals A2 des Fotosen­ sors 220 und ein Ausgangssignal B2 des Fotosensors 221, während der Differenzsignalgeneratorkreis 229 ein Differenzsignal D2 der Signale A2 und B2 erzeugt. Der Binärisierungskreis 230 gibt ein Binärsignal E2 des Signals C2 aus. Weiterhin empfängt der Binärisierungskreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisierung durch Benutzung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F2 zu erzeugen. Das exklusive Oder-Gatter 232 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J.

Ein Und-Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

Unter Bezugnahme auf den zuvor beschriebenen Apparat wird zuerst eine Arbeitsweise der A/B-Phasensignalausgangssektion erklärt. Ein von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht wird von der Linse 12 parallel ausgerichtet und trifft im wesentlichen senkrecht auf die feste Beugungsplatte 313. Da die Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkanten der festen Beugungs­ platte 13 die Beziehung gemäß Gleichung 1, wie zuvor beschrieben, besitzt, wird ein Maximum an Energie in gebeugtem Licht der Ordnungen ±1 konzentriert. Deshalb wird das in die feste Beugungsplatte 313 eintretende Licht gebeugt und tritt als gebeugtes Licht aus. Das gebeugte Licht tritt in die bewegbare Beugungs­ platte 314 ein und tritt als gebeugtes Licht aus. Analog zu der festen Beugungs­ platte 313 wird ein Maximum an Energie des gebeugten Lichtes, welches aus der bewegbaren Beugungsplatte 314 austritt, in gebeugtem Licht der Ordnungen ±1 konzentriert. Die Eingangspupille der Linse 15 ist auf einen Bereich innerhalb von D - 2gλ/p begrenzt, wie zuvor beschrieben wurde.

Die auf den Bereich D - 2gλ/p begrenzte Region wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 erklärt. Ein Beugungswinkel von gebeugtem Licht 110 der Ordnung +1 beträgt λ/p. Falls λ/p hinreichend klein ist, wird gebeugtes Licht der Ordnung + 1 nur um gλ/p an einem Punkt gebeugt, der um eine Entfernung "g" entfernt ist. Analog wird gebeugtes Licht 111 der Ordnung -1 auch um gλ/p gebeugt. In der Zeichnung bezeichnet eine durch durchgezogene Linien begrenzte Region eine Region mit gebeugtem Licht in der Ordnung +1, während eine Region, die von einer gestrichtelten Linie eingeschlossen ist, eine Region mit gebeugtem Licht der Ordnung -1 bezeichnet. Deshalb bezeichnet eine Region, die mit D - 2gλ/p abgebildet wird, eine Region, in der gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 miteinander interferiert. In dieser Region wird von der bewegbaren Beugungsplatte 314 gebeugtes Licht parallel zu der optischen Achse von der Linse 15 konzentriert. Das von der Linse 15 konzentrierte Licht wird von einem Fotosensor 16 erfaßt.

Bei dem vorbeschriebenen Apparat wird ein Ausgangssignal mit einer im Vergleich zum Stand der Technik doppelten Frequenz erzielt. Darüber hinaus kann der Modulationsgrad stark verbessert werden, wie anhand der ersten Ausführungsform erklärt wurde. Fig. 13 zeigt eine Modulationscharakteristik für diesen Fall. Der Modulationsgrad beträgt in diesem Fall 1.00. Deshalb kann die Position präzise bestimmt werden.

Obwohl die Öffnung durch die Eingangspupille der Linse 15 in dieser Aus­ führungsform begrenzt ist, ist klar, daß entsprechende Vorteile durch die Verwendung einer Begrenzung mit einem Stiftloch oder ähnlichem derselben Größe erzielt werden können.

Als nächstes wird die Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Wie in Fig. 12 dargestellt ist, trifft Licht, wenn es von der Kollimatorlinse 202 auf die Eingangs­ pupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 eintrifft, wenn die bewegbare Beugungsplatte 314 sich bewegt, auf die Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten. Der Brennpunkt befindet sich auf einer Achse, welche parallel zu dem aus der Kollimatorlinse austretenden Licht angeordnet ist und reicht durch ein Zentrum der Fresnel-Zonenplatte. Deshalb entspricht eine Versatzgröße der bewegbaren Beugungsplatte 314 in x-Achsen-Richtung einer Versatzgröße der Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 sind auf einer Spur des Brennpunkts der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet, während die Fotosensoren 220 und 221 auf einer Spur des Brennpunktes der Fresnel- Zonenplatte 217 angeordnet sind. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn die bewegbare Beugungsplatte 314 sich bewegt.

Als nächstes wird die Erzeugung eines Referenzpositionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 22 erklärt, die Wellenformen des Signalverarbeitungsmittels 222 zeigt, wenn der bewegbare Körper 203 sich in positiver Richtung bewegt. Wenn der von der Fresnel-Zonenplatte 216 erzeugte konzentrierte Strahl sich von dem Fotosensor 218 zu dem Fotosensor 219 bewegt, werden Signale A1 und A2 durch die Fotosensoren 218 und 219 erzeugt. Das Differenzsignal D1 verändert sich dann von einem negativen Wert in einen positiven Wert. Falls die Binärisation mit einer Hysterese-Charakteristik durch­ geführt wird, um in dem Signal D1 enthaltenes Signalrauschen zu vermeiden, wird ein Signal F1 erzielt. Analog werden Signale A1 und B2 von den Fotosensoren 220 und 221 erzielt, wenn der von der Fresnel-Zonenplatte 217 erzeugte und konzentrierte Strahl sich vom Fotosensor 220 zum Fotosensor 221 bewegt. Dann wird ein Signal F2 durch Binärisation des Signals D2 erzielt.

Eine Bewegungsentfernung der bewegbaren Beugungsplatte 314 von einer An­ stiegsflanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer Anstiegsflanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als eine Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position der bewegbaren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren einander in Bewegungs­ richtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 entsprechen, zu einer Position der bewegbaren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls zu dem des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls. Wenn der von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet, kann deshalb ein Signal F mit zuvor beschriebener Breite als ein Referenzpositionssignal durch Durch­ führung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Summensignal C1 aus den Signalen A1 und B1 und ein Summensignal C2 aus den Signalen A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Aus den Signalen E1 und E2 wird ermittelt, daß der konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet. Durch die Benutzung einer logischen Produktoperation mit dem Signal J wird dann ein Positionserfassungssignal K der bewegbaren Beugungsplatte 314 erzielt. Da eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle der Differenzsignale D1 und D2 erzielt wird, wird es darüberhinaus durch Intensitätsveränderungen der Lichtquelle 201 nicht beeinflußt. Da das Signal D1 ein Differenzsignal aus den Signalen A1 und B1 und das Signal D2 ein Differenzsi­ gnal aus den Signalen A2 und B2 ist, löschen sich Signalrauschen derselben Phase in den Signalen, wie beispielsweise Rauschen aufgrund von Streulicht an den Fotosensoren, gegenseitig aus. Eine Signalveränderungrate an den Nullstellen der Signale D1, D2 gegen einen Versatz der bewegbaren Beugungsplatte 314 in x- Achsen-Richtung wird ungefähr doppelt so groß, wie das der einzelnen Signale A1, B1, A2 oder B2. Deshalb kann ein Fehler des Referenzpositionssignals aufgrund von Rauschen reduziert werden. Deshalb wird das Signal K als ein korrektes Referenzsignal mit zuvor beschriebener Breite verwandt.

Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 werden an einem rückseitigen Brenn­ punkt der Fresnel-Zonenplatten 216, 217 in dieser Ausführungsform angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls zu verkleinern. Sie können jedoch auch außerhalb des Brennpunktes angeordnet werden. Die Ursache hierfür besteht darin, daß ein Zentrum des konzentrierten Strahls der fokussierenden Linsen 216, 217 sich auf einer Geraden befindet, welche parallel zu dem Licht verläuft, welches aus der Kollimatorlinse 202 austritt und durch die Zentren der Fresnel- Zonenplatten 216, 217 hindurchtritt, wobei eine Versatzgröße der bewegbaren Beugungsplatten 314 in x-Richtung derjenigen des Zentrums des konzentrierten Strahls entspricht. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer Ebene angeordnet, welche senkrecht zur z-Achse beim zuvor genannten Beispiel verläuft. Sie können jedoch auch in einer in bezug auf die z-Achse geneigten Ebene angeordnet werden. Obwohl die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 bei dem zuvor genannten Beispiel in derselben Ebene angeordnet sind, können sie auch in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Die Lichtquelle 1 kann eine Licht-emittierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtquelle sein.

In dieser Ausführungsform ist der Modulationsgrad gut, und ein Winkelsignal wird präzise erzielt, weil die Eingangspupille der Kondensorlinse 15 begrenzt ist auf den Bereich D - 2gλ/p. Wie zuvor beschrieben, werden die ersten und zweiten konzentrierten Strahlen aus dem von der Lichtquelle 11 gebildeten Licht mit zwei Fresnel-Zonenplatten 216, 217 erzeugt, die am bewegbaren Körper 314 angeord­ net sind und sie werden von dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 bzw. dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 erfaßt. Dann wird ein Impulssignal gemäß dem Differenzsignal zwischen den Ausgangssignalen des ersten und zweiten Fotosensors 218 und 219 und dem der Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren 220 und 221 erzeugt. Deshalb kann ein Signal einer Referenzposition mit vorbestimmter Impulsbreite erzielt werden, ohne durch Veränderungen der Intensität von Licht, welches von einer Lichtquelle 11 emittiert wurde, und mit einer Präzision, die von Rauschen nicht so sehr beeinträchtigt wird, erzielt werden. Weil die Beugungsplatte 314 und die Fresnel-Zonenplatten 216, 217 gleichzeitig mit einem Stanzer hergestellt werden kann, ist darüberhinaus die Produktivität hoch und die Kosten niedrig.

Dritte Ausführungsform

Fig. 17 zeigt eine Basisstruktur einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 18 zeigt eine Struktur einer optischen Erfassungssektion 217. Zunächst wird eine Struktur einer A/B-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt, die der der dritten Ausführungsform entspricht, die in Fig. 15 dargestellt ist. Eine Lichtquelle 11 emittiert ein kohärentes Licht, und eine Kollimatorlinse 12 richtet das Licht parallel aus. Eine feste Beugungsplatte 313 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist senkrecht zu einer optischen Achse des parallel ausgerichteten Lichtes angeordnet. Eine bewegbare Beugungsplatte 314 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt und ist in x-Richtung senkrecht zu der optischen Achse bewegbar. Das Gitter der festen Beugungsplatte 313 besitzt eine Periode, die identisch mit der der bewegbaren Beugungsplatte 314 ist.

Eine Schrittdifferenz "d" in bezug auf die Höhe zwischen Ober- und Unterkanten der festen und bewegbaren Beugungsplatten 313, 314 hat eine Beziehung gemäß Gleichung 1, wie zuvor erklärt.

Die optische Erfassungssektion 317, die in Fig. 18 dargestellt ist, enthält Fotosensoren 106, 218, 219, 220 und 221. Der Fotosensor 106 wird mit einem Abstand von pD/(2λ) - g oder mehr von einer bewegbaren Beugungsplatte 314 angeordnet, wobei D eine Größe eines von der Kollimatorlinse 12 parallel ausgerichteten Strahls, g eine Entfernung zwischen einer festen Beugungsplatte 313 und der bewegbaren Beugungsplatte 314, λ die Wellenlänge des Lichtes und p einen Gitterabstand der Beugungsplatten bezeichnet. Der Fotosensor 106 empfängt Licht, welches in der Breite begrenzt ist auf D - 2gλ/p. Diese Aus­ führungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform in dem Punkt, daß diese Ausführungsform keine Kondensorlinse 15 benutzt, die in der zweiten Ausführungsform verwendet wird.

Als nächstes wird eine Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Ein erster Fotosensor 218 und ein zweiter Fotosensor 219 sind nicht auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 angeordnet. Eine Entfernung zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 ist kleiner, als eine Größe des von der Kon­ densorlinse 216 auf die Fotosensoren 218 und 219 konzentrierten Strahls. Ein dritter Fotosensor 220 und ein vierter Fotosensor 221 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 außerhalb einer Spur eines Brenn­ punktes der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet. Eine Entfernung zwischen dem dritten und vierten Fotosensor 220 und 221 in Bewegungsrichtung der beweg­ baren Beugungsplatte 314 ist kleiner, als eine Größe des von der Fresnel- Zonenplatte 217 auf den Fotosensoren konzentrierten Strahls. Die Breite der Fotosensoren 218 und 219 in x-Achsen-Richtung ist jeweils größer, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 216 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls, während die Breite der Fotosensoren 220 und 221 in der x-Achsen-Richtung jeweils größer ist, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls.

Wie zuvor erklärt, ist der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Fotosensor 218 und 220 in x-Achsen-Richtung kleiner, als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 216 wenigstens auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls, während der Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218 und 220 kleiner ist, als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren konzentrierten Strahls. Weiterhin ist eine Entfernung zwischen einer Position, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 einander gleich werden, und einer Position, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren entlang einer Bewegungsrichtung der beweg­ baren Beugungsplatte 314 einander gleich werden, um einen vorbestimmten Wert von einer Entfernung zwischen einem Zentrum der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und dem der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 verschieden. Wenn ein Teil des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls sich beim ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 befindet, befindet sich ein Teil des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls auf dem dritten oder vierten Fotosensor 220, 221. Das Bezugszeichen 222 bezeichnet einen Signalprozessor, der Ausgangssignale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfassungssignal ausgibt. Eine Abschattungssektion 223 ist an der bewegbaren Beugungsplatte 314 angeordnet und schattet Licht, das von der Kollimatorlinse 12 ausgesandt wurde und außerhalb der Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 auftrifft, ab, um zu verhindern, daß von der Kollimatorlinse 12 ausgesandtes Licht die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in einer Region beleuchtet, in der sich die bewegbaren Beugungsplatten 314 bewegen.

Der Signalprozessor 222 ist in Fig. 13 dargestellt und wurde bereits erklärt. Der Summensignal-Generatorkreis 224 erzeugt ein Summensignal C1 eines Ausgangs­ signals A1 des Fotosensors 218 und eines Ausgangssignals B1 des Fotosensors 219, während der Differenzsignal-Generatorkreis 225 ein Differenzsignal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Der Binärisationskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Weiterhin empfängt der Binärisationskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisation unter Verwendung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F1 auszugeben. Die Hysterese wird so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer ist, als eine maximale Amplitude des im Signal G1 enthaltenen Rauschens. Der Summensignal-Generatorkreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 eines Ausgangssignals A2 des Fotosensors 220 und eines Ausgangssignals B2 des Fotosensors 221, während der Differenzsignal-Generatorkreis 229 ein Differenzsignal D2 der Signale A2 und B2 erzeugt. Der Binärisationskreis 230 erzeugt ein Binärsignal E2 des Signals C2. Weiterhin empfängt der Binärisations­ kreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisation unter Verwendung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F2 auszugeben. Die Hysterese wird so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer als eine maximale Amplitude des in dem Signal D2 enthaltenden Rauschens ist. Das exklusive Oder-Gatter 232 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J. Ein Und- Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

In bezug auf den oben beschriebenen Apparat wird zunächst eine Arbeitsweise der A/B-Phasensignal-Ausgangssektion unter Bezugnahme auf Fig. 15 und Fig. 15 erklärt. Ein von der Lichtquelle 11 emittiertes Licht wird von der Linse 12 parallel ausgerichtet und trifft im wesentlichen vertikal auf die feste Beugungsplatte 313. Das auf die feste Beugungsplatte 313 auftreffende Licht wird gebeugt und tritt als gebeugtes Licht aus.

Das von der bewegbaren Beugungsplatte 314 austretende Licht wird ausgedrückt als (n, m), wobei n eine Ordnung der Beugung der festen Beugungsplatte 313 und m eine Ordnung der Beugung der bewegbaren Beugungsplatte 314 bezeichnet. Ein mit "a" gekennzeichnetes Gebiet zeigt ein Gebiet mit (-1, +1) und (+ 1, -1); ein Gebiet, das mit "b" bezeichnet ist, zeigt ein Gebiet mit (-1, +1), und ein mit "c" gekennzeichnetes Gebiet zeigt ein Gebiet mit (+1, -1); ein mit "d" bezeichnetes Gebiet zeigt ein Gebiet mit (-1, -1), und ein Gebiet, das mit "e" bezeichnet ist, zeigt ein Gebiet mit (+1, +1). Gebeugtes Licht der Ordnung 3 oder mehr ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 15 nicht dargestellt. Eine Licht-empfangende Ebene eines Fotosensors 106 ist so gewählt, daß eine Entfernung von der Beu­ gungsplatte 314 pD/(2λ) - g oder mehr beträgt und das Licht auf eine Region innerhalb von D - 2gλ/p begrenzt. Deshalb erfaßt der Fotosensor 106 das Licht nur in dem Gebiet "a".

Als nächstes wird die Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Wie in Fig. 12 dargestellt ist, trifft Licht, das von der Kollimatorlinse 202 in die Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 eintritt, wenn sich die bewegbare Beugungsplatte 314 bewegt, auf die Brennpunkte der Fresnel-Zonenplatten. Der Brennpunkt befindet sich auf einer Achse, die parallel zu dem von der Kollimator­ linse abgestrahlten Licht verläuft und durch ein Zentrum der Fresnel-Zonenplatte hindurchreicht. Deshalb entspricht eine Versatzgröße der bewegbaren Beugungs­ platte 314 in x-Achsen-Richtung einer Versatzgröße der Brennpunkte der Fresnel- Zonenplatten 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 sind auf einer Spur des Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet, während die Fotosensoren 220 und 221 auf einer Spur der Brennpunkte der Fresnel-Zonen­ platte 217 angeordnet sind. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn sich die bewegbare Beugungsplatte 314 bewegt.

Als nächstes wird die Erzeugung eines Referenz-Positionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 14 erklärt, die Wellenformen im Signalverarbeitungsmittel 222 zeigt, wenn der bewegbare Körper 203 sich in positiver Richtung bewegt. Wenn sich der von der Fresnel-Zonenplatte 216 erzeugte, konzentrierte Strahl von dem Fotosensor 218 zum Fotosensor 219 bewegt, werden Signale A1 und B1 von den Fotosensoren 218 und 219 erzielt. Dann verändert sich das Differenzsignal D1 von einem negativen Wert in einen positiven Wert. Wenn die Binärisation mit einer Hysterese-Charakteristik durchgeführt wird, um ein in dem Signal D1 enthaltenes Rauschen zu vermeiden, wird ein Signal F1 erzielt. Analog werden Signale A2 und B2 von den Fotosenso­ ren 220 und 221 erzielt, wenn sich der von den Fresnel-Zonenplatten 217 erzeugte Strahl von dem Fotosensor 220 zum Fotosensor 221 bewegt. Dann wird ein Signal F2 durch Binärisierung des Signals D2 erzielt.

Eine Bewegungsentfernung der bewegbaren Beugungsplatte 314 von einer Anstiegsflanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer Anstiegsflanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als eine Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position der bewegbaren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren in eine Bewegungsrichtung der bewegbaren Beugungsplatte 314 einander entsprechen, zu einer Position der bewegbaren Beugungsplatte 314, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls und dem des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls. Wenn der von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet, kann deshalb ein Signal F mit einer zuvor genannten Breite als ein Referenzpositionssignal durch Verwendung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Summensignal C1 der Signale A1 und B1 und ein Summensignal C2 der Signale A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Es wird aus den Signalen E1 und E2 ermittelt, daß sich der konzentrierte Strahl an den Fotosensoren befindet. Dann wird durch Ausführung einer Und- Operation mit dem Signal J ein Positionserfassungssignal K der bewegbaren Beugungsplatte 314 erzielt. Weil eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle der Differenzsignale D1 und D2 erzielt wird, wird es nicht von Intensitätsveränderun­ gen der Lichtquelle 201 beeinflußt. Weil das Signal D1 ein Differenzsignal der Signale A1 und B1 ist und das Signal D2 ein Differenzsignal der Signale A2 und B2 ist, löschen sich darüber hinaus in den Signalen enthaltenes Signalrauschen der selben Phase, wie beispielsweise Rauschen aufgrund von Streulicht an den Fotosensoren, einander aus. Eine Signalveränderungsrate der Signale D1, D2 an einer Nullstelle gegen einen Versatz der bewegbaren Beugungsplatte 314 in x- Achsen-Richtung wird ungefähr doppelt so groß, wie das der Signale A1, B1, A2 oder B2 allein. Deshalb kann ein Fehler des Referenz-Positionssignals aufgrund von Rauschen reduziert werden. Deshalb wird das Signal K als ein korrektes Referenzsignal mit vorbestimmter Breite benutzt.

Bei dieser Ausführungsform wird der Modulationsgrad dadurch verbessert, daß nur das Gebiet benutzt wird, in dem gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 miteinander interferieren. Weil eine Kondensorlinse nicht gebraucht wird, wird die Anzahl der Komponenten vermindert, und das Gewicht der Kodiereinrichtung kann her­ abgesetzt werden. Darüber hinaus ist, da die Beugungsplatten und die Fresnel- Zonenplatten gleichzeitig mit einem Stanzer hergestellt werden können, die Produktivität hoch und die Kosten gering.

Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 werden an einem Brennpunkt an der Rückseite der Fresnel-Zonenplatten 216, 217 in dieser Ausführungsform angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls zu vermindern. Sie können jedoch auch außerhalb des Brennpunktes angeordnet werden. Die Ursache hierfür liegt darin, daß ein Zentrum des von den fokussierenden Linsen 216 und 217 parallel ausgerichteten Strahls sich auf einer Geraden befindet, welche parallel zu dem von der Kollimatorlinse 202 ausgesandten Licht verläuft und durch das Zentrum der Fresnel-Zonenplatten 216, 217 hindurchreicht, wobei eine Versatz­ größe der bewegbaren Beugungsplatten 314 in x-Richtung derjenigen des Zentrums des konzentrierten Strahls entspricht. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer senkrecht zur z-Achse in dem zuvor genannten Beispiel verlaufenden Ebene angeordnet. Sie können jedoch auch in einer in bezug auf die z-Achse geneigten Ebene angeordnet sein. Obwohl die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in der selben Ebene bei dem zuvor genannten Beispiel angeordnet sind, können sie auch darüber hinaus in verschiedenen Ebenen angeordnet sein. Die Lichtquelle 11 kann eine Licht emit­ tierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtquelle sein.

Vierte Ausführungsform

Fig. 19 zeigt eine Basis-Struktur einer vierten Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 20 zeigt eine Struktur eines Fotosensors. Zuerst wird eine Struktur einer A/B- Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Eine Kollimatorlinse 2 richtet Licht, das von einer kohärenten Lichtquelle 1 mit einer Wellenlänge λ emittiert wird, parallel aus. Eine erste, feste Platte 3 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt, das gebeugtes Licht nur der Ordnungen ±1 hindurchläßt, und ein Drehteller 324 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt, der gebeugtes Licht nur der Ordnungen ±1 desselben Beugungswinkels hindurchläßt, wie das der ersten festen Platte 3. Der Drehteller 324 besitzt Spalte in radialen Richtungen am Umfang und enthält erste und zweite Fresnel-Zonenplatten 216 und 217. Spiegel 5, 6 lenken Licht, das von dem Drehteller 324 austritt, zu einer in bezug auf das Drehzentrum symmetrischen Position. Eine zweite feste Platte 7 besitzt ein Gitter mit einem rechteckigen Wellenabschnitt, der gebeugtes Licht nur der Ordnungen ±1 mit demselben Beugungswinkel hindurchläßt, wie dem der ersten, festen Platte 3. Eine optische Erfassungssektion 318 enthält Fotosensoren 8, 218, 219, 220 und 221, wie in Fig. 20 im Detail erkennbar ist.

Nachfolgend wird eine Z-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. Der erste Fotosensor 218 und der zweite Fotosensor 219 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 216 und nicht auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217 angeordnet. Ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 219 in Bewegungsrichtung des Drehtellers 324 ist kleiner, als eine Größe des von der Kondensorlinse 216 auf die Fotosenso­ ren 218 und 219 parallel ausgerichteten Strahls. Der dritte Fotosensor 220 und der vierte Fotosensor 221 sind auf einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel- Zonenplatte 217 außerhalb einer Spur eines Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 216 angeordnet. Ein Abstand zwischen den dritten und vierten Fotosensoren 220 und 221 in Bewegungsrichtung des Drehtellers 324 ist kleiner, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls. Eine Breite der Fotosensoren 218 und 219 in x-Achsen-Richtung ist größer, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 216 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls, während eine Breite der Fotosensoren 220 und 221 in x-Achsen-Richtung größer ist, als eine Größe des von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls. Ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Fotosensor 218 und 220 in x-Achsen-Richtung ist kleiner, als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 216 wenigstens auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls, während ein Abstand zwischen den ersten und zweiten Fotosensoren 218, 220 kleiner ist, als ein Durchmesser eines von der Fresnel-Zonenplatte 217 auf die Fotosensoren parallel ausgerichteten Strahls. Eine Entfernung zwischen einer Position, in der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren 218, 219 entlang einer Drehrichtung des Drehtellers 324 einander entsprechen und einer Position, in der die Ausgangs­ signale der dritten und vierten Fotosensoren 220, 221 entlang einer Drehrichtung des Drehtellers 324 einander entsprechen, ist um einen vorbestimmten Wert von einer Entfernung zwischen einem Zentrum der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 und dem der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 verschieden. Wenn ein Teil des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 parallel ausgerichteten Strahls sich auf dem ersten oder zweiten Fotosensor 218, 219 befindet, befindet sich ein Teil des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 parallel ausgerichteten Strahls auf dem dritten oder vierten Fotosensor 220, 221.

Das Bezugszeichen 222 bezeichnet einen Signalprozessor, der Ausgangssignale der Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 empfängt und ein Positionserfassungs­ signal ausgibt. Eine Abschattungssektion 223 ist auf dem Drehteller 324 vorgesehen und beschattet das Licht, das die Kollimatorlinse 12 verläßt, außerhalb der Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 ab, um zu verhindern, daß das Licht, das von der Kollimatorlinse 12 ausgesandt wird, die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in einer Region belichtet, in der sich der Drehteller 324 bewegt.

Der Signalprozessor 222 ist in Fig. 13 dargestellt und wurde bereits erklärt. Der Summensignalgeneratorkreis 224 erzeugt ein Summensignal C1 eines Ausgangs­ signals A1 des Fotosensors 218 und eines Ausgangssignals B1 des Fotosensors 219, während der Differenzsignal-Generatorkreis 225 ein Differenzsignal D1 der Signale A1 und B1 erzeugt. Der Binärisationskreis 226 erzeugt ein Binärsignal E1 des Signals C1. Darüber hinaus empfängt der Binärisationskreis 227 das Signal D1 und führt eine Binärisation durch Verwendung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F1 auszugeben. Die Hysterese ist so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer als eine maximale Amplitude des im Signal D 1 enthaltenen Rauschens ist. Der Summensignalgeneratorkreis 228 erzeugt ein Summensignal C2 eines Ausgangssignals A2 des Fotosensors 220 und eines Ausgangssignals B2 des Fotosensors 221, während der Differenzsignalgeneratorkreis 229 ein Differenzsignal D2 der Signale A2 und B2 erzeugt. Ein Binärisationskreis 230 erzeugt ein Binärsignal E2 des Signals C2. Darüber hinaus empfängt der Binärisationskreis 231 das Signal D2 und führt eine Binärisation unter Benutzung einer Hysterese-Charakteristik durch, um ein Signal F2 auszugeben. Die Hysterese ist so gewählt, daß sie einen Wert besitzt, der größer als eine maximale Amplitude des im Signal D2 enthaltenen Signalrauschens ist. Das exklusive Oder-Gatter 232 empfängt die Signale F1 und F2 und erzeugt ein exklusives Oder-Signal J. Ein Und- Gatter 233 empfängt Signale E1 und E2 und erzeugt ein Und-Signal K.

In bezug auf die Ausführungsform, die wie zuvor erklärt hergestellt wurde, wird nachfolgend zunächst eine Arbeitsweise der A/B-Phasensignal-Ausgangssektion erklärt. In Fig. 19 entspricht ein optischer Pfad von der Lichtquelle 1 zum Spiegel 5 auf eine x-y-Ebene von einer positiven x-Richtung dem in Fig. 21. Nachfolgend wird die Arbeitsweise unter Verwendung von Fig. 21 erklärt. Das von der Lichtquelle 1 ausgesandte Licht wird von der Kollimatorlinse 2 parallel ausgerichtet und trifft auf die erste, feste Platte 3. Das Licht wird von der ersten, festen Platte 3 in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert. Das gebeugte Licht der Ordnungen ±1, das die erste, feste Platte 3 verläßt, trifft auf den Drehteller 324 und wird in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert. Da die Beugungswinkel von gebeugtem Licht der Ordnung ±1 an der ersten, festen Platte 3 und dem Drehteller 324 identisch sind, ist ein Lichtstrom 31 parallel zu einem Lichtstrom 32. Der Lichtstrom 31 bezeichnet einen Lichtstrom, welcher von der ersten, festen Platte 3 in positiver x-Richtung gebeugt ist und weiter in negativer x-Richtung von dem Drehteller 324 gebeugt ist, während der Li 13397 00070 552 001000280000000200012000285911328600040 0002004447617 00004 13278chtstrom 32 einen Lichtstrom bezeichnet, welcher von der ersten, festen Platte 3 in negativer y-Richtung gebeugt ist und weiter in positiver y-Richtung von dem Drehteller 324 gebeugt ist.

Es ist bekannt, daß, wenn ein Gitter sich relativ zu einem eintreffenden Licht bewegt, die Phase des gebeugten Lichtes der Ordnungen ±1 sich erhöht oder erniedrigt. Das bedeutet, daß die Phase von gebeugtem Licht der Ordnung +1, welches entlang einer Bewegungsrichtung des Gitters in bezug auf eine optische Achse des eintreffenden Lichtes gebeugt wird, um 2πx(λp) beschleunigt wird, wobei p einen Gitterabstand des Gitters und λ die Wellenlänge des Lichtes bezeichnet. Auf der anderen Seite verlangsamt sich die Phase von gebeugtem Licht der Ordnung +1, welches entlang einer der Bewegungsrichtung des Gitters in bezug auf eine optische Achse des eintreffenden Lichtes entgegengesetzten Richtung gebeugt wird um 2πx(λp). Deshalb werden komplexe Amplituden optischer Ströme 31 und 32 ausgedrückt, wie in Gleichung 19, wobei θ einen Drehwinkel des Drehtellers 324 bezeichnet, wobei eine Bewegungsrichtung des Gitters des Drehtellers 324 als eine positive Richtung des Rotationswinkels θ in Fig. 21 angenommen wird, N eine Teilerzahl des Gitters in dem Drehteller 324 bezeichnet und r eine Entfernung von einem Zentrum des Drehtellers 324 zu einem Punkt bezeichnet, an dem ein Strahl auf den Drehteller 324 auftrifft. Die Ströme 31 und 32 werden einer Phasenmodulation durch den Drehteller 324 ausgesetzt und von dem Spiegel 5 in eine in bezug auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 symmetrische Position gelenkt.

Fig. 22 bezieht sich auf einen optischen Pfad vom Spiegel 6 zu dem Fotosensor 8 auf eine x-z Ebene aus einer positiven y-Richtung in Fig. 19. Deshalb wird diese Ausführungsform unter Bezugnahme von Fig. 22 erklärt. Die Lichtströme 31 und 32, die von dem Spiegel 6 ausgehen, sind parallel und werden von der zweiten festen Platte 7 in gebeugtes Licht der Ordnungen ±1 separiert. Der Strom 31 wird von der zweiten, festen Platte 7 in eine negative x-Richtung und weiter von dem Drehteller 324 in eine positive x-Richtung gebeugt, um einen Strom 33 zu erzielen. Der Strom 32 wird von dem zweiten, festen Gitter 7 in eine positive x-Richtung und weiter von dem Drehteller 324 in eine negative x-Richtung gebeugt, um einen Strom 34 zu erzielen. Die Ströme 33 und 34 sind parallel zueinander und über­ lagert, um Interferenzen zu erzeugen. Wenn der Drehteller 324 sich in eine positive Richtung dreht, werden komplexe Amplituden der Ströme 33 und 34 gemäß Gleichung (20) ausgedrückt, weil die Bewegungsrichtung des Drehtellers 324 eine negative x-Richtung in Fig. 7 besitzt. Darüber hinaus wird eine Interferenz- Lichtamplitude der Ströme 31 und 32 gemäß Gleichung (21) berechnet. Der Fotosensor 8 erfaßt eine optische Intensität, die in Gleichung (21) ausgedrückt ist, aus der sich ergibt, daß 4N Impulse pro Umdrehung erfaßt werden können oder ein Vierfaches der Teilerzahl des Gitters in dem Drehteller erzielt werden kann.

Als nächstes werden aufgelaufene Fehler erklärt, wenn eine Exzentrizitätsgröße ∈ des Drehtellers 324 auftritt. Falls der Drehteller 324 eine Exzentrizität besitzt, weicht ein Drehwinkel θ von einem Drehwinkel θ_a im Hinblick auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 ab. Der Rotationswinkel θ_a wird ausgedrückt als θ_a = θ + (∈/r)cosθ, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Deshalb werden die komplexen Am­ plituden der Ströme 31 und 32 wie in Gleichung (22) ausgedrückt. In bezug auf den zu einem bestimmten Punkt symmetrischen Punkt im Hinblick auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 gilt:
θ_a = θ - (∈/r)cosθ. Deshalb werden die komplexen Amplituden der Ströme 33 und 34 wie in Gleichung (23) ausgedrückt. Eine Interferenz-Intensität der Ströme 33 und 34 oder eine von dem Fotosensor 8 empfangene, optische Intensität ist in Gleichung (24) ausgedrückt. Da Gleichung (24) keinen Ausdruck besitzt, der eine Exzentrizitätsgröße ∈ enthält, wurde gefunden, daß keine akkumulierten Fehler aufgrund einer Exzentrizität auftreten, und es wurde auch gefunden, daß es keine Intensitätsveränderungen gibt.

Als nächstes wird die Z-Phasensignal-Ausgangssektion unter Bezugnahme auf Fig. 12 erklärt. Wie in Fig. 12 dargestellt ist, erreicht das Licht einen Brennpunkt der Fresnel-Zonenplatte, wenn von der Kollimatorlinse 202 austretendes Licht auf die Eingangspupille der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217 trifft, wenn sich der Drehteller 324 dreht. Der Brennpunkt befindet sich auf einer Achse, welche parallel zu dem aus der Kollimatorlinse austretenden Licht verläuft und durch ein Zentrum der Fresnel-Zonenplatte hindurchläuft. Deshalb entspricht eine Versatz­ größe des Drehtellers 324 in x-Achsen-Richtung einer Versatzgröße der Brenn­ punkte der Fresnel-Zonenplatten 216 und 217. Die Fotosensoren 218 und 219 befinden sich auf einem Pfad des Brennpunktes der Fresnel-Zonenplatte 217. Dann überstreicht der konzentrierte Strahl die Fotosensoren, wenn sich der Drehteller 324 dreht.

Als nächstes wird die Erzeugung eines Referenz-Positionssignals aus den Signalen A1, A2, B1 und B2 unter Bezugnahme auf Fig. 14 erklärt, die Wellenformen des Signalverarbeitungsmittels 222 zeigt, wenn sich der Drehteller 324 in die positive Richtung bewegt. Wenn der konzentrierte Strahl, der von der Fresnel-Zonenplatte 216 erzeugt wurde, von dem Fotosensor 218 sich zu dem Fotosensor 219 bewegt, werden Signale A1 und B1 von den Fotosensoren 218 und 219 erzeugt. Dann verändert sich das Differenzsignal D1 von einem negativen in einen positiven Wert. Falls die Binärisation mit einer Hysterese-Charakteristik durchgeführt wird, um in dem Signal D1 enthaltenes Signalrauschen zu vermeiden, wird ein Signal F1 erzielt. Analog werden Signale A2 und B2 von den Fotosensoren 220 und 221 erzielt, wenn sich der von der Fresnel-Zonenplatte 217 erzeugte, konzentrierte Strahl von dem Fotosensor 220 zu dem Fotosensor 221 bewegt. Dann wird ein Signal F2 durch Binärisierung des Signals D2 erzielt.

Eine Bewegungsentfernung des Drehtellers 324 von einer Anstiegsflanke des Signals F1 zu der des Signals F2 oder von einer Anstiegsflanke des Signals F2 zu der des Signals F1 ist gegeben als eine Differenz zwischen einer Entfernung von einer Position des Drehtellers 324, bei der die Ausgangssignale der ersten und zweiten Fotosensoren sich in einer Bewegungsrichtung des Drehtellers 324 ent­ sprechen, zu einer Position des Körpers, in der die Ausgangssignale der dritten und vierten Fotosensoren einander entsprechen, und einer Entfernung von einem Zentrum des von der ersten Fresnel-Zonenplatte 216 konzentrierten Strahls und dem des von der zweiten Fresnel-Zonenplatte 217 konzentrierten Strahls. Falls der von der ersten und der zweiten Fresnel-Zonenplatte 216 und 217 konzentrierte Strahl sich an den Fotosensoren befindet, kann deshalb ein Signal F einer vorbestimmten Breite als ein Referenz-Positionssignal des Drehtellers 324 durch Benutzung einer exklusiven Oder-Operation der Signale F1 und F2 erzielt werden.

Als nächstes werden ein Oder-Signal C1 der Signale A1 und B1 und ein Oder- Signal C2 der Signal A2 und B2 binärisiert, um Signale E1 und E2 zu erzielen. Aus den Signalen E1 und E2 wird ermittelt, daß der konzentrierte Strahl sich bei den Fotosensoren befindet. Durch Benutzung einer Und-Operation mit dem Signal J wird dann ein Positionserfassungssignal K des Drehtellers 324 erzielt. Weil eine Flanke des Signals K an einer Nullstelle des Differenzsignals D1 und D2 erzielt wird, wird es darüber hinaus nicht von Intensitätsveränderungen der Lichtquelle 201 beeinflußt. Da das Signal D1 ein Differenzsignal zwischen den Signalen A1 und B1 und das Signal D2 ein Differenzsignal zwischen den Signalen A2 und B2 ist, löschen sich Gleichtaktstörungen in den Signalen, wie beispielsweise Rauschen aufgrund von Streulicht bei den Fotosensoren, gegenseitig aus. Eine Signalver­ änderungsrate an einer Nullstelle der Signale D1 und D2 gegen einen Versatz des Drehtellers 324 in x-Achsenrichtung wird ungefähr zweimal so groß, wie die der Signale A1, B1, A2 oder B2 allein. Deshalb kann ein Fehler des Referenzpositions­ signals aufgrund von Rauschen reduziert werden. Das Signal K wird deshalb als ein korrektes Referenzsignal mit vorbestimmter Breite benutzt.

Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 werden an einem Brennpunkt an der Rückseite der Fresnel-Zonenplatte 216, 217 angeordnet, um die Größe des konzentrierten Strahls zu verkleinern. Sie können jedoch auch außerhalb des Brennpunktes angeordnet werden. Dem liegt zugrunde, daß ein Zentrum des konzentrierten Strahls der Fresnel-Zonenplatte 216, 217 sich auf einer Geraden befindet, welche parallel zu dem aus der Kollimatorlinse 202 austretenden Licht verläuft und durch das Zentrum der Fresnel-Zonenplatte 216, 217 hindurchläuft, wobei eine Versatzgröße des Drehtellers 324 in x-Richtung der des Zentrums des konzentrierten Strahls entspricht. Die Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 sind in einer Ebene angeordnet, welche senkrecht zur z-Achse in dem zuvor erwähnten Beispiel verläuft. Sie können jedoch auch in einer Ebene angeordnet sein, welche in Bezug auf die z-Achse geneigt ist. Darüber hinaus, obwohl Fotosensoren 218, 219, 220 und 221 in derselben Ebene in dem zuvor genannten Beispiel angeordnet sind, können sie auch in verschiedenen Ebenen angeordnet werden. Die Lichtquelle kann eine Licht emittierende Diode oder ähnliches anstelle der Laserlichtquelle sein.

Eine Entfernung zwischen der ersten festen Platte 3 und dem Drehteller 324 wird erhöht, um gebrochenes Licht der Ordnungen ±1 auf dem Drehteller 324 vollständig zu separieren und sie wird auf eine Entfernung zwischen der ersten festen Platte 3 und dem Drehteller 324 eingestellt, um nur Ströme 334 von dem Fotosensor 8 zu empfangen, so daß Signale mit einem höheren Modulationsgrad erzielt werden können.

Wie zuvor erklärt, wird in dieser Ausführungsform das gebeugte Licht der Ordnungen ±1, welches aufgrund der ersten, festen Platte 3 und dem Drehteller 324 mit Gittern parallel zueinander verläuft, einer Phasenmodulation ausgesetzt. Als nächstes wird es weiter einer Phasenmodulation an im Hinblick auf das Drehzentrum des Drehtellers 324 symmetrischen Positionen ausgesetzt. Dann wird es an der zweiten, festen Platte interferiert. Selbst wenn der Drehteller 324 eine Exzentrizität besitzt, kann deshalb ein Winkel präzise erfaßt werden, ohne von den Veränderungen der optischen Intensität sehr beeinflußt zu werden und ohne akkumulierte Fehler. Da ein präziser Aufbau und eine präzise Einstellung des Drehtellers nicht erforderlich sind, können deshalb die Kosten reduziert werden, eine Kodiereinrichtung mit kompakten Außenabmessungen hergestellt werden und die Auflösung verbessert werden. Darüber hinaus ist eine Kodiereinrichtung von einer Exzentrizität einer Achse aufgrund einer Last nicht so stark beeinflußt, und es kann eine kompakte Achse hergestellt werden. Da die Beugungsplatte 324 und die Fresnel-Zonenplatten 216, 217 gleichzeitig mit einem Stanzer hergestellt werden können, ist darüber hinaus die Produktivität hoch und die Kosten gering. Bei den Ausführungsformen 2-4 werden Fresnel-Zonenplatten benutzt, um einen konzentrierten Strahl zu erzeugen. Anstelle der Fresnel-Zonenplatte kann jedoch auch eine Kondensorlinse benutzt werden. Andererseits kann eine Fresnel- Zonenplatte in den zuvor erwähnten Ausführungsformen, in denen eine Kon­ densorlinse verwendet wird, anstelle einer Kondensorlinse zur Erzeugung eines konzentrierten Strahls verwendet werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Erfassung einer Referenzposition bei der Messung der Position eines bewegbaren Körpers zu einem vorgegebenen Objekt, mit
einer Lichtquelle (201) zur Erzeugung eines kohärenten, parallel ausgerichteten Strahls;
einem bewegbaren Körper (203; 314; 324), der sich senkrecht zu dem parallel ausgerichteten Strahl in einer bestimmten Richtung hindurchbewegt;
einem ersten Kondensor (216), der an dem bewegten Körper (203; 314; 324) angeordnet ist und den parallel ausgerichteten Strahl fokussiert;
einem ersten und zweiten in Bewegungsrichtung nebeneinander an dem vorgegebenen Objekt angeordneten Fotosensor (218; 219) zur Erfassung nur desjenigen Lichts, das von dem ersten Kondensor fokussiert wird, wobei die ersten und zweiten Fotosensoren (218; 219) einen Abstand voneinander besitzen, der kleiner als der Durchmesser des fokussierten Strahls in Bewegungsrichtung des bewegten Körpers (203; 314; 324) ist, und die ersten und zweiten Fotosensoren (218; 219) eine Breite besitzen, die größer als der Durchmesser des fokussierten Strahls ist; und
einer ersten Signalverarbeitung zur Erzeugung eines ersten Differenzsignals aus den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Fotosensors, aus dem ein erstes Positionssignal für den bewegten Körper bestimmt wird;
gekennzeichnet durch
einen zweiten Kondensor (217), der an dem bewegten Körper (203; 314; 324) angeordnet ist und den parallel ausgerichteten Strahl fokussiert;
einen dritten und einen vierten in Bewegungsrichtung nebeneinander an dem vorgegebenen Objekt angeordneten Fotosensor (220, 221) zur Erfassung nur desjenigen Lichts, das von dem zweiten Kondensor fokussiert wurde, wobei die dritten und vierten Fotosensoren (220; 221) einen Abstand voneinander besitzen, der kleiner als der Durchmesser des fokussierten Strahls in Bewegungsrichtung des bewegten Körpers (203; 314; 324) ist, und die dritten und vierten Fotosensoren (220; 221) eine Breite besitzen, die größer als der Durchmesser des fokussierten Strahls ist;
einer zweiten Signalverarbeitung (222) zur Erzeugung eines zweiten Differenz­ signals aus den Ausgangssignalen des dritten und des vierten Fotosensors (220; 221), aus dem ein zweites Positionssignal für den bewegten Körper bestimmt wird, sowie eines Impulssignals aus dem ersten und zweiten Differenzsignal und eines Positionssignals als Referenzposition für den bewegten Körper (203; 314; 324) gemäß dem Impulssignal.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Kondensoren (216; 217) eine Kondensorlinse enthält.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Kondensoren (216; 217) eine Fresnel-Zonen-Platte besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
eine feste Beugungsplatte (3; 313) vorgesehen ist und der bewegbare Körper (203; 314, 324) eine bewegbare Beugungsplatte enthält, die je ein Gitter mit einem Gitterabstand ("p") mit Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthalten, die parallel zueinander in einem Abstand ("g") in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet sind, so dass der parallel ausgerichtete Strahl nacheinander von den Gittern in der festen und der bewegbaren Beugungsplatte (313; 314) gebeugt wird; und dass weiterhin
ein optisches Erfassungsmittel (316; 318) zur Erfassung einer Lichtmenge vorgesehen ist, die im Wesentlichen durch Interferenz der Beugungskomponenten der Ordnungen ±1 hervorgerufen wurde, wobei die Beugungskomponenten durch aufeinanderfolgende Beugung an der ersten (3; 313) und der zweiten Beugungsplatte erzeugt wurden;
wobei der erste und der zweite Kondensor (216; 217) an der bewegbaren Beugungsplatte befestigt ist und der kohärente, parallel ausgerichtete Strahl eine Wellenlänge (λ) und einen Durchmesser ("D") besitzt; und
ein Versatz der bewegbaren Beugungsplatte aus der erfaßten Lichtmenge bestimmt werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungsmittel (316; 318) eine Kondensorlinse (15) mit einer Eingangspupillengröße innerhalb eines Bereiches von D - 2gλ/p enthält, wobei die Kondensorlinse (15) das durch die festen und bewegbaren Beugungsplatten hindurchtretende Licht konzentriert, und dass das optische Erfassungsmittel (316) einen Fotosensor (16) zur Erfassung von Licht enthält, das von der Kondensorlinse (15) konzentriert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Erfassungsmittel (316; 318) einen Fotosensor (16) enthält, der an einer Position im Abstand von der festen und bewegbaren Beugungsplatte von D/2λ - g oder mehr in einem Bereich innerhalb von D - 2gλ/p um die optische Achse angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
eine erste feste Beugungsplatte (313) vorgesehen ist, die ein erstes Gitter mit Hauptbeugungskomponenten der Ordnung ±1 enthält;
der bewegbare Körper (202; 314; 324) einen Drehteller enthält, der sich um ein Rotationszentrum drehen kann, wobei die bewegbare Beugungsplatte ein zweites Gitter mit ringförmiger Gestalt enthält, das symmetrisch in Bezug auf das Rotationszentrum angeordnet ist, wobei das zweite Gitter denselben Gitterabstand wie das des ersten Gitters besitzt, das Hauptbeugungskomponenten der Ordnungen ±1 enthält, wobei die erste feste Beugungsplatte (3; 313) und der Drehteller parallel zueinander in einem optischen Pfad des parallel ausgerichteten Strahls senkrecht zu der optischen Achse des parallel ausgerichteten Strahls angeordnet ist, so dass der parallel ausgerichtete Strahl nacheinander an dem ersten und zweiten Gitter gebeugt wird;
ein optisches Lenkmittel (5, 6) zum Lenken eines Lichtes vorgesehen ist, das durch das erste und das zweite Gitter zu einer zweiten festen Beugungsplatte (7) an einer Position hindurchtritt, die symmetrisch in Bezug auf das Rotationszentrum des Drehtellers liegt; und
die zweite feste Beugungsplatte (7) mit einem dritten Gitter versehen ist, die parallel zum Drehteller angeordnet ist, wobei das dritte Gitter Hauptbeugungs­ komponenten der Ordnung ±1 und einen Beugungswinkel besitzt, der dem der Beugungskomponenten der ersten festen Beugungsplatte (3; 313) entspricht, das dritte Gitter denselben Gitterabstand wie das der ersten festen Beugungsplatte (3; 313) besitzt und die zweite feste Beugungsplatte (7) in einem optischen Pfad des optischen Lenkmittels (5, 6) senkrecht zu der optischen Achse angeordnet ist, so dass von dem optischen Lenkmittel (5, 6) gelenktes Licht nacheinander von dem zweiten und dem dritten Gitter gebeugt wird;
ein optisches Erfassungsmittel (316; 318) zur Erfassung einer Lichtmenge vorgesehen ist, die im Wesentlichen durch Interferenz von Beugungskomponenten der Ordnungen ±1 erzeugt wurde, wobei Beugungskomponenten durch aufeinanderfolgende Beugung an dem ersten, zweiten und dritten Gitter erzeugt wurden; und
der erste und der zweite Kondensor (204; 216; 217) an dem Drehteller in einem optischen Pfad des optischen Lenkmittels zu dem optischen Erfassungsmittel (316; 318) befestigt ist.