Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Messgeber, Längengeber, Winkelencoder und betrifft einen optischen, vorzugsweise absolut messenden Geber.
Absolut messende Messgeber, insbesondere Längenmessgeber, haben ihre eigene Problematik. Eine davon ist die Erzielung einer hohen Positionsauflösung bei grossen Baulängen. Grosse Baulängen bedeutet 1 Meter und grösser. Hohe Positionsauflösung bedeutet 100 Nanometer oder weniger.
Inkrementale Messgeber mit grossen Baulängen und hoher Positionsauflösung sind, verglichen mit absoluten Messgebern gleicher Anforderung, kostengünstig. Zur Absolutmessung muss in der Regel ein grosser Zusatzaufwand getrieben werden. Beispielsweise können zwei separate Systeme kombiniert werden, die beide eine eigene Beleuchtung und eigene Detektorbausteine haben und deren gegenseitige Justage recht aufwendig ist. Ein solcher Messgeber ist beispielsweise das Gerät "LCI" der Firma RSF. Andere Messgeber benötigen keine zwei separaten Systeme, sie sind aber sehr teuer und kosten bis zu 15 000.- DM pro halber Meter. Ein solcher Messgeber ist beispielsweise das Gerät "Spacer" der Firma E.M.S., der in der DE 3 909 856 beschrieben ist.
Dies bringt mit sich, dass absolute Messgeber ab einer gewissen Grösse aus hauptsächlich wirtschaftlichen Gründen nur noch eingeschränkt, also sehr gezielt einsetzbar sind. Das Ziel wäre jedoch, Präzisionsmaschinen aller Gattung, auch die kostengünstigen, mit anspruchsvollen Absolutmessgebern ausrüsten zu können, um damit auch weniger kapitalkräftigen Firmen, wie kleine und mittelgrosse Unternehmen, die Möglichkeit zu geben, auch dort zu konkurrieren, wo vorher der Markt verschlossen war.
Dieses Ziel wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 12 definierte Erfindung erreicht, mit welcher kostengünstige Absolut-Messgeber grosser Dimension und hoher Auflösung hergestellt und angeboten werden können.
Eine grundlegende Erkenntnis liegt unter anderem darin, die Präzision der integrierten Schaltungstechnik heranzuziehen und gezielt derart zu verwenden, dass einerseits Justageprobleme umgangen werden und andererseits die Interpolation extrem genutzt werden kann. Dazu weist der erfinderische Aufbau des Sensors einen optisch sensitiven Detektorbaustein, vorzugsweise einen photo-ASIC, auf, der auf einem Substrat angeordnet und elektrisch zusammengeschaltet eine inkrementalsensitive und eine absolutsensitive Messspur bzw. Detektorspur aufweist, welche das darauf abgebildete optische (Code-)Muster eines bspw. herkömmlichen Massstabes im Durchlicht oder spezielle Codemuster für Auflicht, also in Reflexion auswerten, wobei vorzugsweise zwischen optischem Muster und Detektorspuren eine Abbildungsoptik geschaltet ist.
Eine spezielle Ausgestaltung der Detektorspuren erlaubt eine extreme Interpolation zur Erzielung maximaler Auflösung. Durch die erfin dungsgemässe Ausgestaltung erreicht man unter anderem eine sehr markante Miniaturisierung, die für sich schon Vorteile bieten kann.
Der erfindungsgemässe Messgeber ist ein absolut messendes System, das im Falle eines Längengebers bei Messlängen von bis zu mehreren Metern eine Messauflösung besser als 100 nm erzielt. Als Massstab kann bspw. ein herkömmlicher Glasmassstab im Durchlicht eingesetzt werden, der eine konventionelle Inkrementalspur mit periodischer Gitterteilung parallel zu einer Absolutcode-Spur trägt. Als Absolutcode verwendet man bspw. einen seriellen Code, vorzugsweise eine m-Sequenz. Ein Bit des Absolutcodes entspricht bei einer Positionsänderung gleich einer Periode der Inkrementalspur. Der Massstab wird durch ein Abbildungssystem (Optik) auf einen Photodetektor vergrössert abgebildet. Ein solcher Längengeber weist drei spezifische Merkmale auf:
- Das Messsystem ist systemtechnisch integriert und miniaturisiert aufgebaut.
Beide Komponenten des Messsystems, das Absolutmesssystem mit geringer Auflösung und das Inkrementalmesssystem mit hoher Auflösung, haben eine gemeinsame Beleuchtung, mit andern Worten, sie teilen das Licht der gleichen Lichtquelle, haben eine gemeinsame optische Abbildung beider Codespuren und einen gemeinsamen lichtempfindlichen Detektor, vorzugsweise einen photo-ASIC. Dadurch sind beide Einzelmesssysteme zueinander automatisch justiert. Die Justage auf gutes Signal, die Fokussierung der Abbildung und die Verdrehung und Verkippung vom Detektor zum Massstab wirken gleichzeitig auf beide Messspuren. Auf diese Weise gibt es keine Winkelfehler zwischen den beiden Messsystemen.
- Im Messsystem kommt ein einfaches Abbildungssystem zum Einsatz, das grosse Toleranzen hinsichtlich des Anbaus und der Führung des Messkopfes zur Massstabsskala aufweist.
Dies wird erreicht durch objektseitige Telezentrie und einer geringen numerischen Apertur, die gerade so gross gewählt wird, dass das inkrementale Gitter und der Absolutcode aufgelöst werden können. Dadurch wird die Abbildung mit konstantem Abbildungsmassstab auch bei Defokussierung und maximaler Schärfentiefe erzielt. Das Abbildungssystem wird vorteilhaft als einlinsiges System im Spritzguss aus Kunststoff, bspw. PMMA, Polycarbonat, realisiert, mit speziellen Elementen zur Montage der Optik und rückseitig zentriert aufgebrachter Telezentrieblende, bspw. durch kostengünstige Farbdrucktechnik. Als abbildendes Element kann auch eine planare diffraktive Linse (bspw. eine Fresnel-Linse) zum Einsatz kommen.
- Im Messsystem wird ein spezieller photo-ASIC zur Detektion verwendet.
Dieser ASIC weist einen Zeilensensor zur Abtastung des Absolutcodes auf, sowie ein spezielles Array von vier Photodioden mit örtlich sinusförmig variierender Fläche, das bei aufprojizierter Gitterteilung ein Quadratursignal des Inkrementalsystems liefert. Die Sinusfunktionen der vier Photodioden weisen gegenseitige Phasenlagen von 90 DEG auf. Wird ein Liniengitter auf die sinusförmigen Dioden projiziert und über die vier Dioden bewegt, so resultiert durch die Differenz der Photoströme der Dioden ein Quadratursignal mit nahezu ideal sinusförmigen Einzelsignalen.
Diese Signalform ist unabhängig von dem Intensitätsprofil des Liniengitters, sowie einer eventuellen optischen Defokussierung, sofern die Periode des Liniengitters gleich der Periode des Sinus der Diodenflächen ist, weil damit eine fundamentale mathematische Eigenschaft der Fouriertransformation ausgenützt wird.
Wegen der hohen Präzision der Reproduktion geometrischer Formen, wie sie von der Herstellung integrierter Schaltungen und insbesondere der CMOS-Prozesse mit ihren immer kleiner werdenden Minimaldi mensionen erreicht wird, kann die Diodenfläche praktisch perfekt örtlich gleich einer Sinusfunktion gestaltet werden. Werden diese Photodioden so ausgebildet, dass sie mehrere Sinusperioden umfassen, so wird bei der Positionsmessung simultan ein ausgedehnter Teil der Massstabsskala ausgewertet, sodass das Messsystem weniger anfällig bspw. gegen Verschmutzung des Massstabes wird. Wegen der nahezu perfekt sinusförmig modulierten Quadratursignale kann durch eine sehr hohe Interpolation die Positionsauflösung extrem gesteigert werden. Diese spezielle Ausgestaltung der Inkrementalspur kann selbstverständlich auch für rein inkrementale Geber höchster Auflösung verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anschliessend mit Hilfe einiger unten aufgeführten Figuren mehr im Detail diskutiert.
Fig. 1 zeigt das Messprinzip mittels einer schematischen Anordnung einzelner Komponenten einer beispielsweisen Vorrichtung für den Betrieb im Durchlicht durch den Massstab.
Fig. 2 zeigt eine Detektorspur mit hoher Interpolationsmöglichkeit.
Fig. 3 zeigt eine beispielsweise Auswertungsmethode, hier die Korrelation der Absolut- und Inkrementalsignale.
Fig. 4 zeigt das Messprinzip von Fig. 1 für den Betrieb mit Auflicht und Auswertung des Reflexlichts vom Massstab.
Die wesentlichen Elemente eines Messsystems gemäss Erfindung sind in Fig. 1 abgebildet. Vorzugsweise ist es systemtechnisch als integriertes und miniaturisiertes System aufgebaut. Eine integrierte Schaltung 1 hat auf ihrem Substrat einen photoempfindlichen Inkrementalmessbereich 1A und eine photoempfindlichen Absolutmessbereich 1B, in der Folge Zusatzflächen, die beide durch einen Schaltkreis zur Verarbeitung und Verstärkung 1C zu einem Messsystem vereinigt sind.
Als bevorzugte Ausführungsform weisen beide Komponenten des Messsystems, das Absolutmesssystem mit geringer Auflösung und das hochauflösende Inkrementalmesssystem eine gemeinsame Beleuchtung auf, sie werden also durch die gleiche Lichtquelle 3 angestrahlt und haben eine gemeinsame optische Abbildung beider Codespuren, B für die absolute Position und A für die inkrementelle Verschiebung eines Massstabes 5 auf dem gemeinsamen lichtempfindlichen Detektor 1, der vorzugsweis ein photo-ASIC ist. Die optische Abbildung kann mittels eines optischen Systems, hier als Linse 2 gezeichnet, adäquat verändert, bspw. vergrössert werden. Durch die Beleuchtung mit einer gemeinsamen Lichtquelle und Abbildung mit einem gemeinsamen optischen System und Detektion mit einem gemeinsamen Detektor sind, wie schon erwähnt, beide Einzelmesssysteme zueinander automatisch justiert.
Die Justage auf gutes Signal, also die Fokussierung der Abbildung, wirkt gleichzeitig auf beide Messspuren. Fig. 1 zeigt noch, wie das Mess-Signal am Ausgang des Sensors auf einen SchnittstellenwandIer 7 zur Signalkonditionierung geführt wird, um es dort in die übliche 5V-Standardform zur Steuerung einer Werkzeugmaschine 8 zu wandeln. Man beachte, dass bei der Verwendung einer Abbildungsoptik links/rechts und unten/oben vertauschen.
Wird jedoch nur der Schattenwurf des beleuchteten Systems benutzt, ohne Linse bzw. abbildendes System, so liegt noch keine optische Abbildung des Massstabes auf den Detektor vor. Dann hätte man, bei gleicher Gitterperiode (von bspw. 20 mu m) auch die gleichen Abstandstoleranzen von Detektion, wie bei einem konventionellen Längengebersystem einzuhalten.
Lässt man die Zusatzflächen 1B und die Massverkörperung B, also den absolut messenden Teil, weg, hat man ein inkrementelles Messsystem mit extrem hoher Interpolationsgenauigkeit. Ebenso kann man durch Umschaltung lediglich die inkrementelle Information einer Dislokation auswerten, sodass man einen Inkrementalmessgeber wie auch einen Absolutmessgeber hat.
Wird im Messsystem ein zusätzliches optisches System verwendet, so wählt man vorzugsweise ein einfaches Abbildungssystem 2, das grosse Toleranzen hinsichtlich des Anbaus und der Führung des Messkopfes mit Leuchtquelle, Linse und photo-ASIC zur Massstabsskala aufweist. Dies wird erreicht durch objektseitige Telezentrierung 6 und durch eine geringe numerischen Apertur, die gerade so gross gewählt wird, dass das Inkremental-Gitter und der Absolutcode aufgelöst werden können. Dadurch wird die Abbildung mit konstantem Abbildungsmassstab auch bei Defokussierung und maximaler Schärfentiefe erzielt. Das Abbildungssystem 2 wird vorteilhaft als einlinsiges System im Spritzguss aus Kunststoff, bspw. PMMA, Polycarbonat, realisiert, mit speziellen Elementen zur Montage der Optik und rückseitig zentriert aufgebrachter Telezentrieblende, bspw. durch kostengünstige Farbdrucktechnik.
Als abbildendes Element kann auch eine planare diffraktive Linse zum Einsatz kommen.
Der erfindungsgemässe Sensor, hier ein ASIC, weist eine erste photosensitive Region auf, eine Art Zeilensensor zur Abtastung des Absolutcodes, sowie, wie in Fig. 2 gezeigt, eine zweite photosensitive Region in Form eines speziellen Arrays von vier, ineinander verschränkten Photodioden P1, P2, P3 und P4 mit örtlich sinusförmig variierender Fläche. Dieser Sinusarray liefert bei aufprojizierter Gitterteilung ein Quadratursignal des Inkrementalsystems. Die Sinusfunktionen der vier Photodioden weisen gegenseitige Phaselagen von 0 DEG , Diode 1; 180 DEG , Diode 2; 90 DEG , Diode 3; 270 DEG , Diode 4 auf.
Wird ein Liniengitter auf die sinusförmigen Dioden projiziert und über die vier Dioden bewegt und die Differenz der Photoströme I1-I2 der 0 DEG und 180 DEG Dioden und I3-I4 der 90 DEG und 270 DEG Dioden gebildet, so resultiert ein Quadratursignal mit nahezu ideal sinusförmigen Einzelsignalen, je ein Sinus- und ein Cosinus-Signal. Diese Signalform ist unabhängig von dem Intensitätsprofil des Liniergitters, sofern die Periode des Liniengitters gleich der Periode des Sinus der Diodenflächen gewählt wird, wodurch eine fundamentale mathematische Eigenschaft der Fouriertransformation geschickt ausgenützt wird.
Die Herstellung von integrierten Schaltungen ist eine ausgereifte Technik, die bezüglich Reproduktionen geometrischer Formen höchste Präzision erlaubt. Insbesondere mit der CMOS-Technik mit ihren immer kleiner werdenden Minimaldimensionen kann die Diodenfläche praktisch perfekt örtlich gleich einer Sinusfunktion auf das Substrat aufgebracht werden. Werden diese Photodioden so ausgebildet, dass sie mehrere Sinusperioden umfassen (wie Fig. 2 zeigt), so wird bei der Positionsmessung simultan ein ausgedehnter Teil der Massstabsskala ausgewertet, sodass das Messsystem weniger anfällig gegen Störungen wird bspw. wegen Verschmutzung des Massstabes. Doch der wesentlichste Vorteil liegt darin, dass wegen der nahezu perfekt sinusförmig modulierten Quadratursignale aus diesen heraus eine hohe, extrem genaue Interpolation zur Steigerung der Positionsauflösung möglich ist.
Interpolationen sind ja sehr oft Problemfälle, da bei Interpolationen stets immer ein Resultat herauskommt, nur dass man sich nicht immer darauf verlassen kann.
Für die Absolutspur B auf der Massverkörperung, dem Massstab 5 kann ein m-Code verwendet werden, bspw. ein 18-bit Wort. Für die Inkrementalspur wird ein äquidistantes Gitter verwendet, welches die gleiche Periodizität aufweist, wie das auf den Massstab zurückprojizierte, streng sinusförmige Muster der vier Diodenflächen im Sensor. Das Absolutsignal wird schliesslich mit dem Inkrementalsignal zum Signalwert der Absolutposition kombiniert.
Fig. 3 zeigt im oberen Teil 3.1 und 3.2 ein Beispiel für die Korrelation bzw. die Verknüpfung von Signalen der Inkremental- und Absolutspur.
Die Inkrementalspur in 3.1 besteht aus den geometrisch sinusförmigen Sensorspuren 1A, wovon zwei schematisch gezeichnet, um 90 DEG phasenverschobene Spuren, eine Cosinus-Spur COS und eine Sinus-Spur SIN mit dem darauf projizierten Gitter des Massstabes, mit der gleichen Periodizität nota bene, abgebildet ist. Die trigonometrischen Spuren sind sich über den ersten Spalt erstreckend angedeutet, in der Tat erstreckt sich dieses Muster über so viele Spalten, wie die sinusförmigen Elektroden sich über die Länge erstrecken. Man sieht hier die Phasenverschiebung um 90 DEG abgebildet.
Auf der Absolutspur in 3.2 erkennt man die Projektion des m-Code auf das Sensor-Gitter 1B. Mit PD1 ist der binäre Wert bezeichnet, der aus der Photodiode 1 gewonnen wird. Mit PD2 ist der binäre Wert bezeichnet, der aus der Photodiode 2 gewonnen wird. Dazu wird das Binärisierungsniveau so gelegt, dass es bei der Hälfte des Maximalsignals liegt. Im gezeigten Beispiel erhält PD1 auf diese Weise einen anderen binären Wert als PD2.
Darunter wird in den Fig. 3.3 bis 3.7 auf die einzelnen Signalfolgen und auf die Kombination (Konjunktion) zum gewünschten Absolutsignal eingegangen.
Die in 3.3 dargestellten Sinus- bzw. Cosinusfunktionen S und C, bzw. deren in 3.4 dargestellten Pulsfolgen z min = sign C und z = sign S, bilden zusammen mit der Phasenfunktion PHI die Information für die Inkrementalmessung. Die auf die oben beschriebene Weise gewonnenen binären Werte PD1 und PD2 in 3.6 bilden die Information für die Absolutmessung. Das entsprechende, die Absolutposition indizierende Bit b des Absolutcodes gemäss 3.7 errechnet sich dann durch die binäre Multiplikation von z . PD1 für die, Sinusfunktion und z min . PD2 für die Cosinusfunktion, wovon in einer disjunkten Weise entweder das eine oder das andere Bit indiziert ist, je nachdem die Positionen von 3.1 zu 3.2 sich ergeben haben.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die im Auflicht betrieben wird. Die Form des Sensors, der mit Durchlicht arbeitet, ist sehr stark von der Form des durchleuchteten Massstabs abhängig und umgekehrt. Einen solchen Sachzwang hat man bei der Ausführungsform im Auflicht nicht. Davon befreit eröffnen sich sehr interessante Aspekte. Einer davon ist der, dass zur Erhöhung der Messgenauigkeit gleich ein genuiner Bestandteil der Maschine als Massverkörperung bzw. Massstab benützt wird, mit andern Worten, das Muster, üblicherweise auf einem gesonderten Massstab, wird direkt auf den die gewünschte Bewegung durchführenden Teil der Maschine aufgeprägt und der oder die Auflicht-Sensor/en gegenüber stationär angeordnet.
Mit solch einer Ausgestaltung ist man bspw. frei von differierendem Temperaturverhalten von Massstab und Maschine, wodurch eine weitere Ungenauigkeit eliminiert wird.
Die von den sinusförmigen lichtsensitiven Flächen erzeugten Signale sind präzis periodisch sinusförmig, man gewinnt daraus die in Fig. 3.3 gezeigte Sinus- und Cosinus-Analogsignale. Im einfachsten Fall, wenn die Grundauflösung des Messsystems ausreicht, kann das Analogsignal durch einen Komparator in ein Rechtecksignal umgewandelt werden. Aus einer Periode entstehen so vier Zählschritte. Soll das Analogsignal interpoliert werden, so wird eine Unterteilung der Grundperiode in kleinere Einheiten vorgenommen. Dabei hängt die Genauigkeit der Interpolation von der Genauigkeit der Grundperiode und diese von der Gestalt des analogen Sinussignals. Ist letzteres ungenau, verzerrt, so entsteht ein entsprechend ungenauer "Interpolationsmassstab".
Durch die geometrisch präzise, die Präzision der Herstellung integrierter Schaltungen abbildenden Grundfunktion, die sinusförmigen lichtsensitiven Flächen, wird diese Präzision entsprechend auf den "Interpolationsmassstab" übertragen.
Die hier vorgestellte Erfindung erlaubt eine rigorose Miniaturisierung der optischen Teile eines Messgebers. Insbesondere bei der Ausführungsform nach Fig. 4, wenn die Massverkörperung im Auflicht abgetastet wird und diese zudem Teil der Maschine ist, an welcher der Messgeber arbeitet, ist es möglich, das Herzstück des Messgebers förmlich in die Maschine hineinzubauen, wodurch sie praktisch integrierter Teil dieser Maschine wird und auf sämtliche Umweltbedingungen in der gleichen Form reagiert, wie die Maschine selber.
The invention is in the field of encoders, length encoders, angle encoders and relates to an optical, preferably absolute encoder.
Absolutely measuring encoders, especially length encoders, have their own problems. One of them is the achievement of a high position resolution with large lengths. Large lengths mean 1 meter and larger. High position resolution means 100 nanometers or less.
Incremental encoders with large lengths and high position resolution are inexpensive compared to absolute encoders with the same requirement. As a rule, a great deal of additional effort must be made for the absolute measurement. For example, two separate systems can be combined, both of which have their own lighting and their own detector modules and whose mutual adjustment is quite complex. Such a sensor is, for example, the "LCI" device from RSF. Other encoders do not need two separate systems, but they are very expensive and cost up to DM 15,000 per half meter. Such a sensor is, for example, the "Spacer" device from E.M.S., which is described in DE 3 909 856.
This means that absolute encoders of a certain size are only of limited use, mainly for economic reasons, and can therefore be used in a very targeted manner. The goal, however, would be to be able to equip precision machines of all types, even the more cost-effective ones, with sophisticated absolute encoders, in order to give less capital-rich companies such as small and medium-sized companies the opportunity to compete where the market was previously closed.
This goal is achieved by the invention defined in claims 1 and 12, with which inexpensive absolute encoders of large dimensions and high resolution can be manufactured and offered.
One of the basic findings is to use the precision of the integrated circuit technology and to use it in a targeted manner in such a way that adjustment problems are avoided on the one hand and interpolation can be used extremely. For this purpose, the inventive design of the sensor has an optically sensitive detector module, preferably a photo-ASIC, which is arranged on a substrate and is electrically connected together and has an incrementally sensitive and an absolutely sensitive measuring track or detector track, which has the optical (code) pattern depicted thereon For example, to evaluate conventional scales in transmitted light or special code patterns for incident light, that is to say in reflection, an imaging optics preferably being connected between the optical pattern and the detector tracks.
A special design of the detector tracks allows extreme interpolation to achieve maximum resolution. The design according to the invention achieves, among other things, a very distinctive miniaturization, which in itself can offer advantages.
The encoder according to the invention is an absolutely measuring system which, in the case of a length encoder with measuring lengths of up to several meters, achieves a measuring resolution better than 100 nm. For example, a conventional glass scale in transmitted light can be used as a scale, which carries a conventional incremental track with periodic grating parallel to an absolute code track. A serial code, preferably an m-sequence, is used as the absolute code, for example. When the position changes, one bit of the absolute code corresponds to one period of the incremental track. The scale is imaged enlarged by an imaging system (optics) on a photodetector. Such a length encoder has three specific features:
- The measuring system is system-technically integrated and miniaturized.
Both components of the measuring system, the absolute measuring system with low resolution and the incremental measuring system with high resolution, have a common illumination, in other words, they share the light of the same light source, have a common optical image of both code tracks and a common light-sensitive detector, preferably a photo -ASIC. As a result, the two individual measuring systems are automatically adjusted to each other. The adjustment to a good signal, the focusing of the image and the rotation and tilting from the detector to the scale act simultaneously on both measurement tracks. In this way there are no angular errors between the two measuring systems.
- A simple imaging system is used in the measuring system, which has large tolerances with regard to the mounting and guiding of the measuring head to the scale.
This is achieved through object-side telecentricity and a small numerical aperture, which is chosen just large enough that the incremental grid and the absolute code can be resolved. As a result, imaging with a constant imaging scale is achieved even with defocusing and maximum depth of field. The imaging system is advantageously implemented as a single-lens system in injection molding made of plastic, for example PMMA, polycarbonate, with special elements for mounting the optics and a telecentric cover that is centered on the back, for example using cost-effective color printing technology. A planar diffractive lens (for example a Fresnel lens) can also be used as the imaging element.
- A special photo-ASIC is used for detection in the measuring system.
This ASIC has a line sensor for scanning the absolute code, as well as a special array of four photodiodes with a locally sinusoidally varying area, which supplies a quadrature signal from the incremental system when the grid division is projected onto the surface. The sine functions of the four photodiodes have mutual phase positions of 90 °. If a line grid is projected onto the sinusoidal diodes and moved over the four diodes, the difference in the photocurrents of the diodes results in a quadrature signal with almost ideal sinusoidal individual signals.
This signal form is independent of the intensity profile of the line grating and any optical defocusing, provided that the period of the line grating is equal to the period of the sine of the diode surfaces, because it exploits a fundamental mathematical property of the Fourier transformation.
Because of the high precision of the reproduction of geometric shapes, as is achieved by the manufacture of integrated circuits and in particular the CMOS processes with their ever-diminishing minimum dimensions, the diode surface can be designed practically perfectly in place, like a sine function. If these photodiodes are designed in such a way that they encompass several sine periods, an extensive part of the scale scale is evaluated simultaneously during the position measurement, so that the measuring system becomes less susceptible, for example, to contamination of the scale. Due to the almost perfectly sinusoidally modulated quadrature signals, the position resolution can be extremely increased by a very high interpolation. This special configuration of the incremental track can of course also be used for purely incremental encoders of the highest resolution.
A preferred embodiment of the invention is subsequently discussed in more detail with the aid of some of the figures listed below.
1 shows the measuring principle by means of a schematic arrangement of individual components of an exemplary device for operation in transmitted light through the scale.
2 shows a detector track with a high degree of interpolation.
3 shows an example of an evaluation method, here the correlation of the absolute and incremental signals.
FIG. 4 shows the measuring principle of FIG. 1 for operation with incident light and evaluation of the reflected light on a scale.
The essential elements of a measuring system according to the invention are shown in FIG. 1. In terms of system technology, it is preferably constructed as an integrated and miniaturized system. An integrated circuit 1 has on its substrate a photosensitive incremental measuring area 1A and a photosensitive absolute measuring area 1B, subsequently additional areas, both of which are combined to form a measuring system by a circuit for processing and amplification 1C.
As a preferred embodiment, both components of the measuring system, the absolute measuring system with low resolution and the high-resolution incremental measuring system, have a common illumination, i.e. they are illuminated by the same light source 3 and have a common optical image of both code tracks, B for the absolute position and A for the incremental displacement of a scale 5 on the common photosensitive detector 1, which is preferably a photo-ASIC. The optical image can be adequately changed, for example enlarged, by means of an optical system, here shown as lens 2. As already mentioned, the two individual measuring systems are automatically adjusted to one another by the illumination with a common light source and imaging with a common optical system and detection with a common detector.
The adjustment to a good signal, i.e. the focusing of the image, affects both measurement tracks at the same time. 1 also shows how the measurement signal at the output of the sensor is passed to an interface converter 7 for signal conditioning in order to convert it there into the usual 5 V standard form for controlling a machine tool 8. Note that when using imaging optics, left / right and bottom / top swap.
However, if only the shadow cast by the illuminated system is used, without a lens or imaging system, there is still no optical image of the scale on the detector. Then one would have to maintain the same distance tolerances for detection with the same grating period (for example 20 .mu.m) as with a conventional length encoder system.
If you omit the additional surfaces 1B and the measuring standard B, i.e. the absolutely measuring part, you have an incremental measuring system with extremely high interpolation accuracy. Likewise, you can only evaluate the incremental information of a dislocation by switching, so that you have an incremental encoder as well as an absolute encoder.
If an additional optical system is used in the measuring system, then a simple imaging system 2 is preferably selected, which has large tolerances with regard to the mounting and the guidance of the measuring head with light source, lens and photo-ASIC to the scale. This is achieved by telecentricity 6 on the object side and by a small numerical aperture which is chosen to be just large enough that the incremental grating and the absolute code can be resolved. As a result, imaging with a constant imaging scale is achieved even with defocusing and maximum depth of field. The imaging system 2 is advantageously implemented as a single-lens system in injection molding made of plastic, for example PMMA, polycarbonate, with special elements for mounting the optics and a telecentric cover that is centered on the back, for example using cost-effective color printing technology.
A planar diffractive lens can also be used as the imaging element.
The sensor according to the invention, here an ASIC, has a first photosensitive region, a type of line sensor for scanning the absolute code, and, as shown in FIG. 2, a second photosensitive region in the form of a special array of four interleaved photodiodes P1, P2 , P3 and P4 with a locally sinusoidally varying area. This sine array delivers a quadrature signal of the incremental system when the grating is projected on. The sine functions of the four photodiodes have mutual phase positions of 0 °, diode 1; 180 °, diode 2; 90 °, diode 3; 270 °, diode 4 on.
If a line grid is projected onto the sinusoidal diodes and moved over the four diodes and the difference between the photocurrents I1-I2 of the 0 DEG and 180 DEG diodes and I3-I4 of the 90 DEG and 270 DEG diodes is formed, a quadrature signal with an almost ideal sinusoidal result Individual signals, one sine and one cosine signal. This signal form is independent of the intensity profile of the line grating, provided that the period of the line grating is chosen to be equal to the period of the sine of the diode surfaces, whereby a fundamental mathematical property of the Fourier transformation is cleverly used.
The manufacture of integrated circuits is a sophisticated technology that allows the highest precision with regard to reproductions of geometric shapes. In particular with the CMOS technology with its ever smaller minimum dimensions, the diode area can be applied to the substrate practically perfectly locally, like a sine function. If these photodiodes are designed in such a way that they encompass several sine periods (as shown in FIG. 2), an extended part of the scale scale is evaluated simultaneously during the position measurement, so that the measuring system is less susceptible to interference, for example because of scale contamination. But the most important advantage is that because of the almost perfectly sinusoidally modulated quadrature signals, a high, extremely precise interpolation to increase the position resolution is possible.
Interpolations are very often problematic, because with interpolations there is always a result, only that you cannot always rely on it.
An m-code, for example an 18-bit word, can be used for the absolute track B on the measuring scale 5. An equidistant grid is used for the incremental track, which has the same periodicity as the strictly sinusoidal pattern of the four diode surfaces in the sensor projected back onto the scale. The absolute signal is finally combined with the incremental signal to form the signal value of the absolute position.
3 shows in the upper part 3.1 and 3.2 an example for the correlation or the linking of signals of the incremental and absolute track.
The incremental track in 3.1 consists of the geometrically sinusoidal sensor tracks 1A, two of which are shown schematically, phase-shifted by 90 °, a cosine track COS and a sine track SIN with the grating of the scale projected onto them, with the same periodicity nota bene is. The trigonometric traces are indicated to extend over the first slit, in fact this pattern extends over as many slits as the sinusoidal electrodes extend over the length. The phase shift by 90 ° can be seen here.
The absolute track in 3.2 shows the projection of the m code onto the sensor grid 1B. PD1 denotes the binary value that is obtained from the photodiode 1. PD2 denotes the binary value that is obtained from the photodiode 2. For this purpose, the binarization level is set so that it is half of the maximum signal. In the example shown, PD1 receives a different binary value than PD2.
Below this, the individual signal sequences and the combination (conjunction) to the desired absolute signal are dealt with in FIGS. 3.3 to 3.7.
The sine or cosine functions S and C shown in 3.3, or their pulse sequences z min = sign C and z = sign S shown in 3.4, together with the phase function PHI, form the information for the incremental measurement. The binary values PD1 and PD2 in 3.6 obtained in the manner described above form the information for the absolute measurement. The corresponding bit b of the absolute code according to 3.7, which indicates the absolute position, is then calculated by the binary multiplication of z. PD1 for the, sine function and z min. PD2 for the cosine function, of which either one or the other bit is indexed in a disjoint manner, depending on the positions from 3.1 to 3.2.
Fig. 4 shows an embodiment which is operated in incident light. The shape of the sensor, which works with transmitted light, is very dependent on the shape of the illuminated scale and vice versa. There is no such constraint in the embodiment in incident light. Freed from this, very interesting aspects open up. One of them is that in order to increase the measuring accuracy, a genuine component of the machine is used as a measuring standard or scale, in other words, the pattern, usually on a separate scale, is directly embossed on the part of the machine performing the desired movement and the reflected light sensor (s) are arranged opposite to one another.
With such a configuration, for example, one is free of differing temperature behavior of scale and machine, whereby a further inaccuracy is eliminated.
The signals generated by the sinusoidal light-sensitive surfaces are precisely periodically sinusoidal, and the sine and cosine analog signals shown in Fig. 3.3 are obtained therefrom. In the simplest case, if the basic resolution of the measuring system is sufficient, the analog signal can be converted into a square-wave signal by a comparator. Four counting steps result from one period. If the analog signal is to be interpolated, the basic period is subdivided into smaller units. The accuracy of the interpolation depends on the accuracy of the basic period and this on the shape of the analog sine signal. If the latter is inaccurate, distorted, a correspondingly inaccurate "interpolation scale" is created.
Due to the geometrically precise basic function that depicts the precision of the production of integrated circuits, the sinusoidal light-sensitive surfaces, this precision is correspondingly transferred to the "interpolation scale".
The invention presented here permits rigorous miniaturization of the optical parts of a measuring transducer. In particular, in the embodiment according to FIG. 4, if the material measure is scanned in incident light and this is also part of the machine on which the sensor is working, it is possible to literally build the heart of the sensor into the machine, thereby making it a practically integrated part of it The machine is reacted to all environmental conditions in the same way as the machine itself.