CN108362317A - 位置测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种位置测量装置。量具连接第一物体并包括设计为透射光栅并有第一周期性的周期性标尺光栅。扫描单元连接第二对象并包括光源、具有第二频率的周期性扫描光栅和检测器组件,其由检测平面中周期地以第三周期性布置的辐射敏感的检测器区域构成。从光源发出的光首先施加到标尺光栅上然后穿过扫描光栅,其中以及从射束与标尺光栅和扫描光栅的交互作用在检测平面中得出有第三周期性的周期性条纹图案,由检测器组件对其的扫描能产生多个相互相移的增量信号。扫描光栅布置在一个第一和第二透明板状的承载件上且折射率n>1.3的材料填充扫描光栅与检测器区域之间的空间。标尺光栅与第一承载件相邻界面之间的距离在10与200μm之间的范围内选择。

Description

位置测量装置
技术领域
本发明涉及一种位置测量装置,该位置测量装置适于高精度地确定两个物体的相对位置,将所述两个物体沿至少一个测量方向相对于彼此可移动地布置。
背景技术
从R.Pettigrew的题为“分析光栅成像及其对于位移测量的应用”的出版物(SPIE卷36,第一届欧洲应用于度量学的光学会议(1977年),第325-332页)中公开了一种位置测量装置,其基于光学3光栅扫描原理。借助于这种位置测量装置,可以产生相关于两个物体的相对运动的相移增量信号,这两个物体可以相对于彼此沿至少一个测量方向相对运动。在这种情况下,两个物体之一与沿着测量方向延伸并且包括至少一个标尺光栅的量具连接。在透射光的情况下,标尺光栅由周期性地以第一周期性d1沿着测量方向布置的标尺光栅区域组成,这些标尺光栅区域具有不同的光学透射性。扫描单元与另外的物体连接,该扫描单元包括定位测量装置的扫描侧的组件。对此包括至少一个光源、扫描光栅以及检测器装置。扫描光栅由周期性地以周期性d2沿着测量方向布置的扫描光栅区域构成,这些扫描光栅区域具有不同的光学特性。检测器装置包括多个辐射敏感的检测器区域,这些区域在检测平面中周期性地以第三周期性d3沿着测量方向布置。由光源发射的射束首先施加到标尺光栅上并且然后穿过扫描光栅。由射束与标尺光栅和扫描光栅的相互作用在检测器装置的检测平面中得出具有第三周期性d3的周期性的条纹图案。然后,从利用检测器装置或周期性布置的检测器区域对条纹图案进行的扫描中能够产生多个相移的增量信号。
这样的位置测量装置例如用于需要在机器中高精度地检测可移动机器部件相比于固定机器部件的位置,以便通过机器控制来将这些机器部件精确地相对定位。如果这些机器例如是机床,则对于光学位置测量装置产生可能会损害其功能的使用条件。因此,例如冷却润滑剂或油雾等污染物可能沉积在位置测量装置的光学部件上,例如在扫描光栅上。在极端情况下,这会导致位置测量装置的故障。
在DE 32 10 614 C2中,为了保护光学位置测量装置的类似扫描结构中的扫描光栅而提出,将承载件的扫描光栅布置在其上的那一侧背离量具地布置。此外,扫描光栅还覆盖有光可穿透的保护元件。由于在该位置测量装置中,量具表现为第二被施加的光栅,量具保护层的污染和量具与第三光栅之间的空间中的污染可能导致对信号的特别不利影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于3光栅光学扫描原理的位置测量装置,该装置确保对扫描光栅的尽可能可靠的保护,以防止可能的污染,同时确保所产生的信号的高质量。
该目的通过具有根据本发明的位置测量装置来实现。
根据本发明的位置测量装置的有利实施例由以下内容得出。
根据本发明的位置测量装置用于确定与第二物体面对的第一物体的位置,该第二物体沿着至少一个测量方向相对于第一物体移动,该位置测量装置包括沿着测量方向延伸的量具以及扫描单元,其中该量具与第一物体连接,该扫描单元与第二物体连接。在量具的侧面上布置有至少一个周期性的标尺光栅,该标尺光栅设计成透射光栅并且具有第一周期性d1。扫描单元具有至少一个光源、至少一个周期性的扫描光栅以及检测器装置,其中该扫描光栅具有第二周期性d2,该检测器装置由在检测平面中周期性地以第三周期性d3沿着测量方向布置的辐射敏感的检测器区域构成。由光源发出的光束首先施加到标尺光栅上,然后穿过扫描光栅,其中,由光束与标尺光栅和扫描光栅的交互作用在检测平面上得出具有第三周期性d3的周期性条纹图案,由借助于检测器装置对条纹图案进行的扫描中能够产生相对于彼此相移的多个增量信号。扫描光栅布置在至少一个透明板状的第一承载件与至少一个透明板状的第二承载件之间,并且在扫描光栅与检测器区域之间的空间完全被折射率n>1.3的材料填充。在标尺光栅与第一承载件的相邻界面之间的距离在10μm与200μm之间的范围内选择。
如果在20μm与50μm之间的范围内选择标尺光栅和第一承载件的相邻界面之间的距离,则证明是特别有利的。
板状承载件可以由玻璃构成。
可选地,也可以提出,板状的第一元承载件由玻璃构成的并且板状的第二承载件由透明塑料构成。
此外有利的是,这些板状的承载件具有至少0.1mm的厚度。
当这些板状的承载件具有5mm的最大厚度时也被证明是有利的。
在一个可能的实施例中,扫描光栅可以布置在两个承载件的两个相互面对的界面之一上。
在此,扫描光栅可以设计为振幅光栅并具有带有不同光透射能力的扫描光栅区域。
对此可替换的是,扫描光栅构成为相位光栅并且具有带有不同光学相位摆动的扫描光栅区域。
此外,以下关系式适用于标尺光栅的第一周期性和在检测平面中得出的条纹图案的第三周期性,
d1=d2·((u1+u2/nu2)+v/nv)/(v/nv)
d3=d2·((u1+u2/nu2)+v/nv)/(u1+u2/nu2)
其中,d1:=标尺光栅的第一周期性
d2:=扫描光栅的有效的第二周期性
d3:=在检测平面中得出的条纹图案的第三周期性
u1:=在标尺光栅与第一承载件的相邻界面之间的距离
u2:=放置在标尺光栅与扫描光栅之间的第一承载件的厚度
v:=放置在扫描光栅与检测平面之间的第二承载件的厚度
nu2:=第一承载件的折射率
nv:=第二承载件的折射率。
通过根据本发明的措施,现在确保了对位置测量装置中的扫描光栅免受污染的可靠保护。在这里,一方面扫描光栅的表面被保护免受流体的污染;另一方面,也可以可靠地保护在扫描光栅与检测平面之间的间隙免受这种污染。由此显着降低了光学扫描对扫描光栅有可能的污染的灵敏度。即使在不利的条件下,也得出光学位置测量装置的更高可用性。
此外,根据本发明的措施使得能够实现量具与扫描单元的相对置的界面之间的非常小的距离。可能位于量具表面上的液滴由于距离小而变平,并且不再对光学扫描和信号产生造成不利影响。
附图说明
根据以下结合附图对根据本发明的设备的实施例的描述来阐述本发明的其它细节和优点。
图中示出:
图1是根据本发明的位置测量装置的实施例的示意性截面图;
图2a是图2中的实施例的量具的俯视图;
图2b是图2中的实施例的扫描板的俯视图;
图2c是图2中的实施例的检测器装置的俯视图;
图3是根据本发明的包括各种系统参数的位置测量装置中的射束路径的示意图;
图4是图1中的实施例的扫描单元的局部放大图;
图5a、5b各自是根据本发明的位置测量装置的不同变体中的扫描单元的局部视图。
具体实施方式
下面将根据图1、2a-2c和3来阐述根据本发明的光学位置测量装置的实施例。图1示出了示意性截面图,图2a-2c示出了量具、扫描板和检测器装置的俯视图,图3示出了用于信号产生包括各种系统参数的原则性射束路径的视图,以及图4示出了扫描单元的放大局部视图。
在这些图中所示的光学位置测量装置一方面包括沿测量方向x延伸并具有带有第一周期性d1的第一周期性标尺光栅13的量具10。另一方面,面对量具10布置有沿测量方向x相对移动的扫描单元20。扫描单元20具有至少一个光源21,具有第二周期性d2的周期性扫描光栅24以及检测器装置26。在本实施例中,测量方向x是线性定向的,量具10和扫描单元20可相对于彼此线性移动。检测器装置26由辐射敏感的检测器区域26.1至26.n组成,其周期性地以第三周期性d3在检测平面中沿着测量方向x布置。另外,在本实施例中,光源21布置在准直光学元件22的上游,在从光源发出的光入射到标尺光栅上之前,通过准直光学元件将从光源21射出的光准直;然而,这种准直光学元件不一定是本发明所必需的。
根据本发明的光学位置测量装置的量具10和扫描单元20通常与可沿测量方向x相对于彼此移动的机器部件形式的物体连接。由借助根据本发明的位置测量装置产生的移相增量信号可以在(未示出的)机器控制单元中确定扫描单元20面对量具10沿着测量方向x的相对位置,进而确定相互可移动的物体的相对位置,并且用于控制可移动的机器部件。
根据本发明的光学位置测量装置在示出的实施例中设计为透射光系统。布置在量具载体11、例如玻璃薄片上的透射光栅作为周期性的标尺光栅13起作用,在图2a中示出该周期性标尺光栅的局部俯视图。标尺光栅13具有沿着测量方向x以第一周期性d1交替布置的、具有不同透射特性的标尺光栅区域13a、13b,即,标尺光栅13设计为振幅光栅。在当前情况下,图2a中黑色所示的标尺光栅区域13b是不可透射的,而浅色所示的标尺光栅区域13a是可透射的。
为了产生位移相关的增量信号,在根据本发明的光学位置测量装置中使用三光栅扫描原理,如由开头提及的R.Pettigrew的题为“分析光栅成像及其对于位移测量的应用”的出版物(SPIE卷36,第一届欧洲应用于度量学的光学会议(1977年),第325-332页)已知的那样,并且其原则性扫描射束路径在图3中绘出。在此,周期性的标尺光栅13表示扫描光束路径中的第一光栅,其由光源21的光栅发射的光束照亮。标尺光栅13具有第一周期性d1,如图2a所示,其表示在测量方向x上连续布置的可透射区域13a和不可透射区域13b的宽度的总和。扫描单元20中的扫描光栅24用作扫描光束路径中的第二加载光栅,扫描单元20以根据前述的公开文献的已知的构造与标尺光栅13在光束传播方向上间隔开法向距离u地布置。当前设计为振幅光栅的扫描光栅24具有第二周期性d2,其根据图2b给出在测量方向x上在扫描光栅24中连续布置的可透射区域24a和不可透射区域24b的宽度的总和。扫描光束路径中的第三个并且最后一个光栅最终代表检测器装置26,检测器装置26设计为结构化的检测器,并由检测平面中的多个矩形辐射敏感的检测器区域26.1-26.n组成,这如图2c中所示。在检测平面中,n个检测器区域26.1-26n周期性地以第三周期性d3沿着测量方向x布置;在当前实施例中,周期性d3相应于沿着测量方向x连续布置的4个检测器区域26.1-26.n的宽度;借助检测器装置26因此产生四个增量信号,增量信号各自相对于彼此相移90°。如图3示意性所示,检测器装置26的检测平面在光束传播方向中以根据前述的出版物已知的结构与扫描光栅24隔开法向距离v地布置。
在这种扫描时,在检测平面中或在检测器装置26上,从由光源21发射的光束与标尺光栅13和扫描光栅24的相互作用中,产生周期性的条纹图案,其中条纹图案具有周期性d3。由上面提及的出版物基于该扫描原理,已知在下列等式1)和2)中列出的位置测量装置中的条纹图案的周期性d3或标尺光栅13的周期性与其它几何系统参数之间的关系;这些关系适用于具有大约90°相位摆动的振幅光栅或相位光栅形式的所使用的采样光栅14的情况:
其中,
d2:=在量具上的标尺光栅的周期性
d2:=扫描光栅的有效的周期性
d3:=在检测器装置的检测平面中的条纹图案的周期性
v:=在扫描光栅与检测平面之间的法向距离
u:=在标尺光栅与扫描光栅之间的法向距离。
如果采用具有180°相位摆动的相位光栅形式的扫描光栅14,则在这些等式中,周期d2表示由d2=2·d2P得出的有效分度周期,其中d2P表示相位光栅的实际周期性。
在量具10和扫描单元20相对运动并且进而标尺光栅13相对于扫描光栅14和检测器装置26的相对运动的情况下,检测平面中产生的条纹图案沿着测量方向x经由检测器装置26行进。借助于多个检测器区域26.1-26.n,检测器组件26能够以已知的方式和方法如此产生多个彼此移相的正弦增量信号,例如三个彼此相移120°的增量信号或四个各自彼此相移90°的增量信号,然后例如通过机器控制装置对它们进一步处理。
现在由前述出版物已知的结构在根据本发明的位置测量装置中被修改,特别用于避免扫描光栅24的污染进而损害信号质量。如从图1中可以看到的那样,扫描光栅24为此布置在透明板状的第一与第二承载件25.1、25.2之间。作为承载件25.1、25.2,例如,可以使用具有合适厚度和合适折射率n的玻璃板。优选地,板状承载件25.1、25.2的厚度选择在0.1mm与5mm之间的范围内。进一步提出,在扫描光栅24与检测器区域26.1-26.n之间的空间被折射率n>1.3的材料完全填充。在当前实施例中,该空间填充有第二承载件25.2,如图1所示。
在图4中示出图1中的扫描单元20的局部放大图,在该图中示出根据本发明的位置测量装置的重要的几何参数,接下来还要对其详尽描述。如可从图4中看出,基于扫描单元20修改后的构造,在上述等式1)和2)中在标尺光栅13与扫描光栅24之间的法向距离u由表达式u1+u2/nu2替代并且扫在扫描光栅24与检测平面之间的法向距离v必须用表达式v/nv代替。在此,nu2和nv表示两个承载件25.1、25.2的折射率,现在必须将其考虑在内。然后,给出相对于上述等式1)和2)修改的等式1.1)或2.1),用于标尺光栅的第一周期性d1和在检测平面中得到的条纹图案的第三个周期性d3
d1=d2·((u1+u2/nu2)+v/nv)/(v/nv) (等式1.1)
d3=d2·((u1+u2/nu2)+v/nv)/(u1+u2/nu2) (等式2.1)
其中,
d1:=标尺光栅的第一周期性
d2:=扫描光栅的有效的第二周期性
d3:=在检测平面中得出的条纹图案的第三周期性
u1:=在标尺光栅与第一承载件的相邻界面之间的距离
u2:=放置在标尺光栅与扫描光栅之间的第一承载件的厚度
v:=放置在扫描光栅与检测平面之间的第二承载件的厚度
nu2:=第一承载件的折射率
nv:=第二承载件的折射率。
通过将布置在载体元件25.1、25.2的两个相互面对的界面G2、G3中的一个上扫描光栅24,该扫描光栅可靠地保护免受可能的污染,这是因为例如流体不能到达扫描光栅24。由此可以避免由于污染而不期望地影响所产生的增量信号的质量。
此外,通过用第二承载件25.2完全填充在扫描光栅24与检测器装置26之间的空间,确保该区域不被流体污染并且因此妨碍扫描。另外,通过第二承载件25.2的厚度可以非常精确并且可重复地设定在扫描光栅24与检测平面之间所需的距离v。
在这种情况下,扫描光栅24或者可以安装或布置在沿光束传播方向首先穿过的第一承载件25.1上或者第二承载件25.2上,即在承载件25.1、25.2的两个相互面对的界面G2或者G3上。然后将相应的另一个承载件25.2或25.1与其上布置有扫描光栅24的承载件25.1、25.2连接在一起。然后可以将具有得出的厚度v+u2的两个粘合的承载件25.1、25.2和位于内部扫描光栅24构成的相应堆叠粘贴到检测器装置26上。然后能以至标尺光栅13的希望的间距u1装配由检测器装置26和具有扫描光栅24的承载件-堆叠构成的当前单元。
在等式1.1)和2.1)中,在这种情况下当然还要相应地考虑承载件25.1、25.2之间或者界面G2与G3之间的粘合层以及在承载件25.2与检测器装置26之间或者在界面G4与检测器装置26之间的粘合层的厚度和折射率。
此外证明是有利的是,在根据本发明的位置测量装置中,在10μm与200μm之间的范围内、尤其是在20μm与50μm的范围内选择在标尺光栅13与在射束走向中的第一加载的承载件25.1的相邻截面G1之间的距离u1。如此选择的较小距离u1具有的优点是,可能位于量具10表面上的液滴变平进而无法再影响光学扫描。只可能在这样的扫描原理在u2=0使用上面讨论的关系式1)和2)的情况下选择这样小的距离u1,以降低的信号质量为代价,如果没有提出扫描光栅24的至少两个承载件25.1、25.2的具有u2>0根据本发明的布置。
在根据本发明的位置测量装置的具体实施例中,如下选择各种几何系统参数:
d1=20μm
d2=16μm
d3=80μm
λ=850nm(所使用的光源的波长)
u1=0.003mm
u2=0.514mm;nu2=1.5
v=2.256mm;nv=1.5。
最后,参考图5a和5b阐述根据本发明的位置测量装置的变体,附图各种示出彼此粘合的两个承载件的细节图,在这些承载件之间布置有不同设计的扫描光栅。
在图5a中,在此示出了与前述实施例原则上相同的结构,其中设计为振幅光栅的扫描栅格124布置在用作承载件125.1、125.2的两个玻璃板之间;其由沿着测量方向x交替布置的、具有不同的光学透射能力的扫描栅格区域124.a,124.b组成。附图标记124.a表示可透射的扫描光栅区域;124.b表示不可透射的扫描光栅区域,其例如设计为薄的铬层。扫描光栅124的周期d2再次相应于沿着测量方向x具有不同透射特性的两个扫描光栅区域124.a、124.b的宽度之和。从图5a中还可以看出,扫描光栅124在此布置在第二承载件125.2的界面G3上,该界面面向第一承载件125.1。此外,在该图中还能识别出,在两个承载件125.1、125.2之间具有厚度dK的粘合层129,两个承载件125.1、125.2通过所述粘合层相互连接。
图5b示出了对于根据本发明的位置测量装置中一个可能的构造再次进行了修改的变型。在两个承载件225.1、225.2之间的扫描光栅224在这里设计为相位光栅,并且由交替地沿着测量方向x布置的扫描光栅区域224.a、224.b构成,这些扫描光栅区域具有不同的光学相位摆动进而具有不同的相移效应。为此,在扫描光栅区域224.b中,在第二承载件225.2的界面G3上布置了由优选高折射率材料如Ta2O5构成的相桥(Phasenstege),其具有桥高t,扫描光栅区域224.a由相应的间隙构成,而没有相桥。通过厚度为dK的粘合层229,两个承载件225.1、225.2互相连接。在此,粘合层229的厚度dK必须选择为大于相桥或者扫描光栅224.b的桥高t。此外,对选择相桥材料来说决定性的是,其折射率尽可能明显大于两个承载件225.1、225.2之间的粘合层229的折射率。当然,在选择相桥的桥高时,必须考虑粘合层229的折射率,以实现扫描光栅所需的光学相位摆动。扫描光栅224的周期d2再次相应于沿着测量方向x具有不同相移效应的两个扫描光栅区域224a、224b的宽度之和。根据本发明将设计为相位光栅的扫描光栅224布置在两个承载件225.1、225.2之间证明是特别有利的;因此可以确保没有流体积聚在没有相桥的扫描光栅区域224.a中,并且在此不利地影响扫描光栅224的光学效果。
除了具体描述的实施例之外,在本发明的范围内当然还有进一步的设计可能性。
因此,例如可以使用具有合适折射率的合适的透明塑料或玻璃陶瓷代替玻璃作为承载件的材料。在这种情况下也可以是由玻璃制成的、面向量具的第一承载件和由塑料制成的第二承载件的组合。在此,由玻璃制成的第一承载件确保良好的保护,防止金属屑造成的可能的刮擦和/或冷却润滑剂的化学侵蚀。由塑料制成的第二承载件可以非常便宜地制造,并且受保护地位于由玻璃制成的第一承载件与检测器装置之间。此外,由塑料制成的第二承载件的外边缘可以通过合适的铸造来进行保护,以防止化学侵蚀。
此外,如果需要的话,也可以提出具有多于仅两个堆叠形状布置的承载件的结构。
此外,当然不仅可以根据本发明设计用于检测线性相对运动的位置测量装置,而且在旋转位置测量装置中,可以设置相应设计的扫描单元等。

Claims (10)

1.一种位置测量装置,用于确定与第二物体面对的第一物体的位置,所述第二物体沿着至少一个测量方向(x)相对于所述第一物体移动,所述位置测量装置具有:
沿着测量方向(x)延伸的量具(10),所述量具(10)与所述第一物体连接并且包括至少一个周期性的标尺光栅(13),所述标尺光栅设计成透射光栅并且具有第一周期性(d1),以及
扫描单元(20),所述扫描单元与第二物体连接并具有:
至少一个光源(21),
至少一个周期性的扫描光栅(24;124;224),所述扫描光栅具有第二周期性(d2),以及
检测器装置(26),所述检测器装置由在检测平面中周期性地以第三周期性(d3)沿着所述测量方向(x)布置的辐射敏感的检测器区域(26.1-26.n)构成,以及
其中,由所述光源(21)发出的光束首先施加到所述标尺光栅(13)上,然后穿过所述扫描光栅(24;124;224),并且由所述光束与所述标尺光栅(13)和所述扫描光栅(24;124;224)的交互作用在所述检测平面中得出具有所述第三周期性(d3)的周期性条纹图案,由借助于所述检测器装置(26)对所述条纹图案进行的扫描中能够产生相对于彼此相移的多个增量信号,并且
-其中,所述扫描光栅(24;124;224)布置在至少一个透明板状的第一承载件(25.1;125.1;225.1)与至少一个透明板状的第二承载件(25.2;125.2;225.2)之间,并且所述扫描光栅(24;124;224)与所述检测器区域(26.1-26.n)之间的空间完全被折射率n>1.3的材料填充,以及
-其中在所述标尺光栅(13)与所述第一承载件的相邻界面(G1)之间的距离(u1)在10μm与200μm之间的范围内选择。
2.根据权利要求1所述的位置测量装置,其特征在于,所述标尺光栅(13)与所述第一承载件的所述相邻界面(G1)之间的所述距离(u1)在20μm与50μm之间的范围内选择。
3.根据权利要求1所述的位置测量装置,其中,板状的所述第一承载件(25.1;125.1;225.1)和所述第二承载件(25.2;125.2;225.2)由玻璃构成。
4.根据权利要求1所述的位置测量装置,其中板状的所述第一承载件由玻璃构成并且板状的所述第二承载件由透明塑料构成。
5.根据权利要求1所述的位置测量装置,其中,板状的所述第一承载件(25.1;125.1;225.1)和所述第二承载件(25.2;125.2;225.2)具有至少0.1mm的厚度。
6.根据权利要求1所述的位置测量装置,其中,板状的所述第一承载件(25.1;125.1;225.1)和所述第二承载件(25.2;125.2;225.2)具有最大5mm的厚度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的位置测量装置,其中,所述扫描光栅(24;124;224)布置在所述第一承载件(25.1;125.1;225.1)和所述第二承载件(25.2;125.2;225.2)的两个相互面对的界面(G2、G3)之一上。
8.根据权利要求7所述的位置测量装置,其中,所述扫描光栅设计为振幅光栅并具有带有不同光透射能力的扫描光栅区域(24a、24b;124.a、124.b)。
9.根据权利要求7所述的位置测量装置,其中,所述扫描光栅设计为相位光栅并且具有带有不同光学相位摆动的扫描光栅区域(224.a、224.b)。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的位置测量装置,其中以下关系式适用于所述标尺光栅(13)的所述第一周期性(d1)和在所述检测平面中得出的所述条纹图案的所述第三周期性(d3)
d1=d2·((u1+u2/nu2)+v/nv)/(v/nv)
d3=d2·((u1+u2/nu2)+v/nv)/(u1+u2/nu2)
其中,d1:=所述标尺光栅的第一周期性
d2:=所述扫描光栅的有效的第二周期性
d3:=在所述检测平面中得出的所述条纹图案的第三周期性
u1:=在标尺光栅与所述第一承载件的相邻界面之间的距离
u2:=放置在标尺光栅与扫描光栅之间的所述第一承载件的厚度
v:=放置在扫描光栅与检测平面之间的所述第二承载件的厚度
nu2:=所述第一承载件的折射率
nv:=所述第二承载件的折射率。
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ES (1) ES2755835T3 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110285761A (zh) * 2019-07-03 2019-09-27 哈尔滨工业大学 一种结构紧凑的衍射光栅三维位移测量装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020209276A1 (de) * 2020-07-23 2022-01-27 Dr. Johannes Heidenhain Gesellschaft Mit Beschränkter Haftung Optische Positionsmesseinrichtung

Citations (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3427463A (en) * 1965-05-28 1969-02-11 Zeiss Stiftung Displacement measuring device using gratings having slits at specified spacings and at specified angle to eliminate harmonics
US5107357A (en) * 1991-01-18 1992-04-21 General Electric Company Low insertion loss optical beam steerer
DE4212281A1 (de) * 1991-07-11 1993-10-14 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Interferentielle Positionsmeßvorrichtung
EP0590163A1 (de) * 1992-09-21 1994-04-06 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Längen- oder Winkelmesseinrichtung
JPH0933284A (ja) * 1995-07-21 1997-02-07 Mitsutoyo Corp 光学式エンコーダ
DE10150099A1 (de) * 2001-10-11 2003-04-17 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes, sowie derart hergestellter Maßstab und eine Positionsmesseinrichtung
DE102005036180A1 (de) * 2005-08-02 2007-02-08 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung
CN101071059A (zh) * 2006-05-09 2007-11-14 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 光学位置测量装置
CN101144730A (zh) * 2006-09-12 2008-03-19 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 位置测量装置
DE102007023300A1 (de) * 2007-05-16 2008-11-20 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung und Anordnung derselben
CN101464638A (zh) * 2008-12-30 2009-06-24 上海微电子装备有限公司 光栅测试系统及方法
CN101504925A (zh) * 2009-03-06 2009-08-12 上海微电子装备有限公司 光学位置测量装置和方法
CN101592757A (zh) * 2009-06-25 2009-12-02 清华大学 级联长周期光纤光栅装置及其制造方法及湿敏传感系统
CN102788553A (zh) * 2011-05-18 2012-11-21 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 光学位置测量装置
DE102011111900A1 (de) * 2011-08-30 2013-02-28 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung
WO2013158148A1 (en) * 2012-04-20 2013-10-24 Zygo Corporation Non-harmonic cyclic error compensation in interferometric encoder systems
CN103837177A (zh) * 2012-11-26 2014-06-04 约翰内斯·海德汉博士有限公司 光学位置测量设备
CN103968862A (zh) * 2013-02-06 2014-08-06 约翰内斯﹒海德汉博士有限公司 光学位置测量装置
DE102013221898A1 (de) * 2013-10-29 2015-04-30 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Vorrichtung zur Positionsbestimmung
CN204359326U (zh) * 2014-12-30 2015-05-27 吉林大学珠海学院 一种直线光栅尺
CN104748774A (zh) * 2013-12-25 2015-07-01 株式会社三丰 光学编码器
DE102014104523A1 (de) * 2014-03-31 2015-10-01 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Messmarkensystem zur Kalibrierung einer Maschine
EP2946176A1 (en) * 2013-01-15 2015-11-25 Renishaw PLC Measurement scale
EP2963391A1 (de) * 2014-06-26 2016-01-06 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Positionsmesseinrichtung
CN105444790A (zh) * 2014-12-17 2016-03-30 大连华宇冶金设备有限公司 直线长距离绝对值位置光学编码器
CN105783713A (zh) * 2015-01-13 2016-07-20 约翰内斯﹒海德汉博士有限公司 光学位置测量装置
CN105806372A (zh) * 2015-01-21 2016-07-27 株式会社三丰 编码器

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5697713U (zh) * 1979-12-26 1981-08-03
JPS57157118A (en) 1981-03-24 1982-09-28 Mitsutoyo Mfg Co Ltd Photoelectric type displacement detecting device
DE3416864C2 (de) * 1984-05-08 1986-04-10 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut Photoelektrische Meßeinrichtung
US4912322A (en) 1986-08-15 1990-03-27 Mitutoyo Mfg. Co., Ltd. Optical type displacement detecting device
DE3823314A1 (de) 1988-07-09 1990-01-11 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Lichtelektrische positionsmesseinrichtung
EP0541827B1 (de) * 1991-11-04 1995-04-12 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Vorrichtung zur Erzeugung oberwellenfreier periodischer Signale
JPH08327321A (ja) * 1995-05-30 1996-12-13 Canon Inc 変位情報検出装置
DE19854733A1 (de) 1998-11-27 2000-05-31 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Abtasteinheit einer Positionsmeßeinrichtung
DE102005006247A1 (de) * 2005-02-11 2006-08-17 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung
JP4803641B2 (ja) 2005-05-12 2011-10-26 オリンパス株式会社 光学式エンコーダ
JP2007183296A (ja) * 2007-04-09 2007-07-19 Seiko Epson Corp 光学式スケール
DE102007053137A1 (de) * 2007-11-08 2009-05-14 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Abtasteinheit einer optischen Positionsmesseinrichtung und Positionsmesseinrichtung mit dieser Abtasteinheit
WO2010023442A2 (en) * 2008-08-26 2010-03-04 The University Court Of The University Of Glasgow Uses of electromagnetic interference patterns
JP5223599B2 (ja) 2008-10-31 2013-06-26 ぺんてる株式会社 金型装置
US9018578B2 (en) * 2011-12-23 2015-04-28 Mitutoyo Corporation Adaptable resolution optical encoder having structured illumination and spatial filtering
JP5697713B2 (ja) 2013-05-16 2015-04-08 三菱電機株式会社 電力変換装置およびその制御方法
JP6359254B2 (ja) * 2013-09-03 2018-07-18 株式会社ミツトヨ 光電式エンコーダ
JP6276074B2 (ja) * 2014-03-10 2018-02-07 Dmg森精機株式会社 位置検出装置
DE102015203188A1 (de) * 2015-02-23 2016-08-25 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung

Patent Citations (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3427463A (en) * 1965-05-28 1969-02-11 Zeiss Stiftung Displacement measuring device using gratings having slits at specified spacings and at specified angle to eliminate harmonics
US5107357A (en) * 1991-01-18 1992-04-21 General Electric Company Low insertion loss optical beam steerer
DE4212281A1 (de) * 1991-07-11 1993-10-14 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Interferentielle Positionsmeßvorrichtung
EP0590163A1 (de) * 1992-09-21 1994-04-06 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Längen- oder Winkelmesseinrichtung
JPH0933284A (ja) * 1995-07-21 1997-02-07 Mitsutoyo Corp 光学式エンコーダ
DE10150099A1 (de) * 2001-10-11 2003-04-17 Heidenhain Gmbh Dr Johannes Verfahren zur Herstellung eines Maßstabes, sowie derart hergestellter Maßstab und eine Positionsmesseinrichtung
DE102005036180A1 (de) * 2005-08-02 2007-02-08 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung
CN101071059A (zh) * 2006-05-09 2007-11-14 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 光学位置测量装置
CN101144730A (zh) * 2006-09-12 2008-03-19 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 位置测量装置
DE102007023300A1 (de) * 2007-05-16 2008-11-20 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung und Anordnung derselben
CN101688795A (zh) * 2007-05-16 2010-03-31 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 光学位置测量装置
CN101464638A (zh) * 2008-12-30 2009-06-24 上海微电子装备有限公司 光栅测试系统及方法
CN101504925A (zh) * 2009-03-06 2009-08-12 上海微电子装备有限公司 光学位置测量装置和方法
CN101592757A (zh) * 2009-06-25 2009-12-02 清华大学 级联长周期光纤光栅装置及其制造方法及湿敏传感系统
CN102788553A (zh) * 2011-05-18 2012-11-21 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 光学位置测量装置
DE102011111900A1 (de) * 2011-08-30 2013-02-28 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Vorrichtung zur interferometrischen Abstandsbestimmung
WO2013158148A1 (en) * 2012-04-20 2013-10-24 Zygo Corporation Non-harmonic cyclic error compensation in interferometric encoder systems
CN103837177A (zh) * 2012-11-26 2014-06-04 约翰内斯·海德汉博士有限公司 光学位置测量设备
EP2946176A1 (en) * 2013-01-15 2015-11-25 Renishaw PLC Measurement scale
CN103968862A (zh) * 2013-02-06 2014-08-06 约翰内斯﹒海德汉博士有限公司 光学位置测量装置
DE102013221898A1 (de) * 2013-10-29 2015-04-30 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Vorrichtung zur Positionsbestimmung
CN104748774A (zh) * 2013-12-25 2015-07-01 株式会社三丰 光学编码器
DE102014104523A1 (de) * 2014-03-31 2015-10-01 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Messmarkensystem zur Kalibrierung einer Maschine
EP2963391A1 (de) * 2014-06-26 2016-01-06 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Positionsmesseinrichtung
CN105444790A (zh) * 2014-12-17 2016-03-30 大连华宇冶金设备有限公司 直线长距离绝对值位置光学编码器
CN204359326U (zh) * 2014-12-30 2015-05-27 吉林大学珠海学院 一种直线光栅尺
CN105783713A (zh) * 2015-01-13 2016-07-20 约翰内斯﹒海德汉博士有限公司 光学位置测量装置
CN105806372A (zh) * 2015-01-21 2016-07-27 株式会社三丰 编码器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
佚名: "位置传感器", 《道客巴巴》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110285761A (zh) * 2019-07-03 2019-09-27 哈尔滨工业大学 一种结构紧凑的衍射光栅三维位移测量装置
CN110285761B (zh) * 2019-07-03 2021-02-23 哈尔滨工业大学 一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102017201257A1 (de) 2018-07-26
EP3355034B1 (de) 2019-08-14
ES2755835T3 (es) 2020-04-23
CN108362317B (zh) 2021-11-23
JP2018141776A (ja) 2018-09-13
JP7152159B2 (ja) 2022-10-12
US20180209821A1 (en) 2018-07-26
EP3355034A1 (de) 2018-08-01
US10571310B2 (en) 2020-02-25

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