DE10025410A1 - Interferometric position measuring equipment has material measure with transmissive phase grid that functions as diffraction grating - Google Patents
Interferometric position measuring equipment has material measure with transmissive phase grid that functions as diffraction gratingInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung kann insbesondere als Längen- oder als Winkelmesseinrichtung gemäß DIN Norm 32 878 ausgestaltet sein.The present invention relates to an optical position measuring device according to the Preamble of claim 1. The invention can in particular as a length or as Angle measuring device according to DIN standard 32 878.
Bisherige optische Positionsmesseinrichtungen basieren auf dem Grundprinzip der optischen Abtastung eines Strichgitters mit Hell-/Dunkelfeldern mit einer Auflösung von etwa 40 µm bis einige tausend µm. Derartige Positionsmesseinrichtungen können insbesondere linear als Längenmesseinrichtung oder rotativ als Drehwinkelmeßsysteme ausgestaltet sein. In einer linearen Ausführung befindet sich das Strichgitter auf einem linearen Maßstab, während in der Winkelmessausführung das Strichgitter auf einer runden Codescheibe angebracht ist. Die Codestrukturen werden dabei in der Regel aus einer dünnen Chromschicht, welche auf Glas oder Kunststoff aufgebracht ist, herausgeätzt.Previous optical position measuring devices are based on the basic principle of optical Scanning a line grating with light / dark fields with a resolution of about 40 µm up to a few thousand µm. Such position measuring devices can in particular be linear Length measuring device or rotatively designed as a rotation angle measuring system. In a linear execution, the grating is on a linear scale, while in the angle measurement version, the line grating is attached to a round code disk. The Code structures are usually made of a thin chrome layer, which is on glass or plastic is applied, etched out.
Eine Verringerung der Breite des Strichgitters ist begrenzt durch die dann eintretenden Beugungserscheinungen infolge von Interferenz des Lichtes. Somit ist die Realisierung hoher Auflösungen oder die Herstellung von Drehgebern mit sehr kleinem Scheibendurchmesser aufgrund von wellenoptischen Effekten begrenzt. Um dennoch eine relativ hohe Auflösung auch bei kleinen Scheibendurchmessern zu gewährleisten, wird nach dem bisherigen Stand der Technik die Distanz zwischen der das Strichgitter tragenden Codescheibe und dem photoelektrischen Empfänger auf wenige zehntel Millimeter reduziert. Die sich aus dieser Konstruktion ergebenden Nachteile liegen neben dem hohen Positionieraufwand bei der Fertigung in der aufwendigen Lagerung, insbesondere bei eigenlagerlosen Positionsmesseinrichtungen resp. Drehgebern. Hier muss die Lagerung oftmals wesentlich genauer und damit teurer ausgeführt werden, als dies etwa die Funktion der (Motor-)Achse an sich erfordert hätte.A reduction in the width of the line grid is limited by those that then occur Diffraction phenomena due to light interference. The realization is therefore higher Resolutions or the production of encoders with a very small disc diameter limited due to wave-optical effects. To get a relatively high resolution nonetheless To guarantee even with small disc diameters, according to the current status the technology the distance between the code disc carrying the grating and the Photoelectric receiver reduced to a few tenths of a millimeter. The result of this In addition to the high positioning effort, the resulting disadvantages lie in the Manufacturing in the complex storage, especially in self-storage Position measuring devices resp. Encoders. Storage is often essential here be carried out more precisely and therefore more expensive than the function of the (motor) axis in itself would have required.
Bisherige Interferometrie-Verfahren zur Positionsmessung, wie etwa in der europäischen Patentanmeldung EP 0 849 567 A2 beschrieben, nutzen neben dem Maßstabsgitter ein weiteres, ruhendes Gitter vor dem Empfänger. Nachteilig hierbei ist die geringe Fertigungstoleranz der Gitterkonstanten, sowie die geringe Lagetoleranz bezüglich Kippen und Verdrehen bei der Relativführung beider Gitter zueinander aufgrund des Moiré-Effektes. Da diese Toleranzen im Bereich der Gitterkonstanten (g) liegt, also höchstens einigen µm, ist ein derartiges Verfahren nur mit sehr großem Aufwand bezüglich der Lagerung (bei Winkelmessung) bzw. der Führung (bei linearer Positionsmessung) und somit zu entsprechend hohen Kosten realisierbar.Previous interferometry methods for position measurement, such as in the European one Patent application EP 0 849 567 A2 described, use in addition to the scale grid another grid at rest in front of the receiver. The disadvantage here is the low Manufacturing tolerance of the lattice constants, as well as the low position tolerance with regard to tilting and twisting when the two gratings are guided relative to one another due to the moiré effect. Since these tolerances are in the range of the lattice constant (g), that is at most a few µm such a method only with very great effort in terms of storage (at Angle measurement) or the guide (for linear position measurement) and thus too correspondingly high costs can be realized.
Beschrieben wird ein optisches interferometrisches Verfahren, sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Messung von Positionen, i. e. Winkel oder Längen, welche inkremental oder absolut detektiert werden können und obige Nachteile bisheriger Beugungsgitteranordnungen, sowie der klassischen Strichgitter nicht aufweisen.An optical interferometric method and a corresponding one are described Position measuring device, i. e. Angles or lengths, which are incremental or can be absolutely detected and the above disadvantages of previous diffraction grating arrangements, as well as the classic line grid.
Insbesondere treten keine nachteiligen Moiré-Effekte auf, da nur ein Beugungsgitter benutzt wird. Die Auflösung kann dabei gegenüber den klassischen Strichgittern trotz hoher Toleranz bei um Größenordnungen länger realisierbarem Abstand zwischen Empfänger und Maßverkörperung erheblich gesteigert werden. Damit werden insbesondere kleine und preiswerte Drehwinkelmesseinrichtungen, sowie eigenlagerlose Drehwinkelmeßsysteme mit relativ hoher Fertigungs- und Lagertoleranz möglich. In particular, no adverse moiré effects occur since only one diffraction grating is used becomes. The resolution can be compared to the classic grids in spite of high tolerance if the distance between the receiver and Material measure can be increased significantly. In particular, small and inexpensive rotation angle measuring devices, as well as self-bearingless rotation angle measuring systems with relatively high manufacturing and storage tolerance possible.
Darüber hinaus ist es im Gegensatz zu herkömmlichen Maßverkörperungen (10) mit Hell-/ Dunkelfeldern möglich, dass der Abstand zwischen der Maßverkörperung (10) und dem photoelektrischen Empfänger (30) einige Millimeter betragen kann, wodurch auf eine hochpräzise Lagerung resp. Führung der Positionsmesseinrichtung verzichtet werden kann. Insbesondere sind eigenlagerlose Messanordnungen ohne spezielle Vorkehrungen zur präzisen Lagerung des zu messenden Antriebssystems realisierbar. Somit kann die vorhandene Lagerung des Motors bzw. des Antriebes mitverwendet werden.In addition, in contrast to conventional material measures ( 10 ) with light / dark fields, it is possible that the distance between the material measure ( 10 ) and the photoelectric receiver ( 30 ) can be a few millimeters, which means that a high-precision storage or. Management of the position measuring device can be dispensed with. In particular, self-bearing measuring arrangements can be implemented without special precautions for the precise mounting of the drive system to be measured. This means that the existing mounting of the motor or drive can also be used.
Ein weiterer Vorteil der Anwendung eines Beugungsgitterarrays liegt in der Miniaturisierung der Codesegmente. Damit lässt sich zum einen die Auflösung vergrößern und zum anderen die Maßverkörperung verkleinern. Somit werden nunmehr auch Anwendungen etwa von Codescheiben zur Winkelmessung auch in Miniaturmotoren ermöglicht.Another advantage of using a diffraction grating array is miniaturization of the code segments. On the one hand, this increases the resolution and, on the other hand reduce the material measure. Applications from Code disks for angle measurement also possible in miniature motors.
Es handelt sich erfindungsgemäß um ein Transmissionsverfahren, bei welchem als Maßverkörperung (10) eine Codescheibe aus transparentem Material, wie etwa Kunststoff oder Glas, räumlich zwischen einer Lichtquelle (20) und einem photoelektrischen Empfänger (30) angeordnet ist. Vermittels der Bewegung der Codescheibe werden optische Signale moduliert, welche in dem photoelektrischen Empfänger (30) in elektrische Signale umgewandelt und weiterverarbeitet werden. Hierzu weist die Codescheibe (10) an ihrer Oberfläche Codestrukturen auf, die aus Segmenten (2) bestehen, die unstrukturiert sind, sowie aus Segmenten (1), die mikrostrukturiert sind. Dabei bestehen die mikrostrukturierten Segmente (1) aus optisch transmissiven Phasengittern. Das bezeichnete optische Gitter fungiert als Beugungsgitter mit einer Gitterkonstante g und einer Stufenhöhe d, und ist dadurch gekennzeichnet, dass es bei Bestrahlung mit Licht der Wellenlänge λ in der nullten Ordnung eine Auslöschung aufweist.According to the invention, it is a transmission method in which a code disc made of transparent material, such as plastic or glass, is arranged as a material measure ( 10 ) spatially between a light source ( 20 ) and a photoelectric receiver ( 30 ). The movement of the code disk modulates optical signals, which are converted into electrical signals in the photoelectric receiver ( 30 ) and processed further. For this purpose, the code disc ( 10 ) has on its surface code structures that consist of segments ( 2 ) that are unstructured, as well as segments ( 1 ) that are microstructured. The microstructured segments ( 1 ) consist of optically transmissive phase gratings. The designated optical grating functions as a diffraction grating with a grating constant g and a step height d, and is characterized in that it exhibits an extinction when irradiated with light of the wavelength λ in the zero order.
Die mikrostrukturierten Teile (1) der Codescheibe (10) beugen das Licht zur Seite und stellen somit Dunkelfelder dar, während die unstrukturierten Stellen (2) der Scheibe (10) das Licht ungebeugt durchlassen und somit als Hellfelder fungieren. Im Gegensatz zu bisherigen interferometrischen Systemen werden die Dunkelfelder somit vermittels der Interferenzeffekte generiert.The microstructured parts ( 1 ) of the code disc ( 10 ) deflect the light to the side and thus represent dark fields, while the unstructured areas ( 2 ) of the disc ( 10 ) allow the light to pass through without diffraction and thus act as bright fields. In contrast to previous interferometric systems, the dark fields are thus generated by means of the interference effects.
Die einzelnen Segmente stellen etwa inkrementelle oder absolute Codierungen dar, wobei als inkrementelle Codierung in der Regel Hell- und Dunkelfelder derselben Größe periodisch abwechseln. Für eine absolute Codierung werden entweder mehrere Bahnen benötigt, welche gleichzeitig abgetastet werden oder es werden mehrere Codefelder hintereinander gleichzeitig empfängerseitig erfasst. Mögliche Codierungsarten sind etwa der Gray-Code oder der Binär- Code.The individual segments represent, for example, incremental or absolute codes, where as incremental coding usually light and dark fields of the same size periodically alternate. For an absolute coding either several tracks are required, which can be scanned at the same time or there are several code fields in succession at the same time recorded on the receiver side. Possible types of coding are, for example, the Gray code or the binary Code.
Vorteilhafterweise, jedoch nicht zwingend notwendig, ist ein abbildendes optisches System (40) räumlich vor der photoelektrischen Abtasteinheit (30) angeordnet.An imaging optical system ( 40 ) is advantageously, but not absolutely necessary, arranged spatially in front of the photoelectric scanning unit ( 30 ).
Anschließend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen en detail erläutert und weiter ausgeführt. Es zeigen dieThen the invention is explained in detail with reference to the accompanying drawings carried out further. They show
Fig. 1 das Phasengitter mit einfallendem parallelem Licht, Fig. 1, the phase grating with incident parallel light,
Fig. 2 unstrukturierte (2), sowie mikrostrukturierte (1) Bereiche auf der Codescheibe (10), Fig. Unstructured 2 (2), as well as micro-structured (1) regions on the code disk (10),
Fig. 3 die prinzipielle Anordnung der Positionsmeßeinrichtung, bestehend aus Lichtquelle (20), Maßverkörperung (10) und Empfänger (30), Fig. 3 shows the basic arrangement of the position measuring device, consisting of light source (20), the material measure (10) and receiver (30),
Fig. 4 eine Anordnung von Sender (20) und Empfänger (30) auf einem Substrat auf derselben Seite der Maßverkörperung (10) und Fig. 4 shows an arrangement of transmitter ( 20 ) and receiver ( 30 ) on a substrate on the same side of the material measure ( 10 ) and
Fig. 5 eine Anordnung eines Ausschnittes der Maßverkörperung (10), sowie des Empfängers (30) mit fünf photoelektrischen Feldern und den zugehörigen elektrischen Signalen S1 bis S5. Fig. 5 shows an arrangement of a section of the material measure ( 10 ) and the receiver ( 30 ) with five photoelectric fields and the associated electrical signals S1 to S5.
In der Fig. 1 ist die geometrische Struktur des Beugungsgitters (1) als mikrostrukturierter Part der Maßverkörperung (10), sowie ihre Wirkung auf ein einfallendes Lichtbündel (A), (B) gezeigt. Die Gitterkonstante (g) bezeichnet die Periodenlänge der periodischen Gitterstruktur. Als Phasengitter wird hierbei die unterschiedliche Schichtdicke bzw. Stufenhöhe (d) wirksam. Bei geeigneter Wahl der Stufenhöhe in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des Gitters, sowie der Wellenlänge des emittierten Lichtes, erzeugt das Phasengitter eine optische Weglängendifferenz der Teilstrahlen (A) und (B) von λ/2, wodurch sich eine Auslöschung der nullten Beugungsordnung ergibt. Dieser Zusammenhang wird anschließend erläutert:In FIG. 1, the geometric structure of the diffraction grating (1) is shown as a micro-structured part of the material measure (10), as well as their effect on an incident light beam (A), (B). The lattice constant (g) denotes the period length of the periodic lattice structure. The different layer thickness or step height (d) is effective as the phase grating. With a suitable choice of the step height depending on the refractive index of the grating and the wavelength of the emitted light, the phase grating produces an optical path length difference of the partial beams (A) and (B) of λ / 2, which results in an extinction of the zeroth diffraction order. This connection is explained below:
Ein Phasenversatz von λ/2 der transmittierten Lichtbündel führt zur Auslöschung der nullten Beugungs-Ordnung. Weist das Gittermaterial einen Brechungsindex n auf, so legen die Lichtbündel (A) und (B) die Strecke aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten in Luft und im Gitter in unterschiedlichen Zeiten tA und tB zurück. Es ist tA = d/c und tB = nd/c.A phase shift of λ / 2 of the transmitted light bundles leads to the cancellation of the zero diffraction order. If the grating material has a refractive index n, the light beams (A) and (B) cover the distance due to the different speeds in air and in the grating at different times t A and t B. It is t A = d / c and t B = nd / c.
Daraus resultiert eine optische Wegdifferenz der Strahlenbündel (A) und (B) von c (tB - tA) = d (n - 1) = n d - d. Entspricht diese Wegdifferenz einem Phasenversatz von λ/2, oder einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/2, so erreicht man eine Auslöschung der nullten Ordnung. Somit folgt als Bedingung für die Stufenhöhe d des Gitters bei einer Wegdifferenz von λ/2 : d = λ/(2(n-1)).This results in an optical path difference of the beams (A) and (B) of c (t B - t A ) = d (n - 1) = nd - d. If this path difference corresponds to a phase shift of λ / 2, or an odd multiple of λ / 2, then zero-order cancellation is achieved. Thus, as a condition for the step height d of the grating with a path difference of λ / 2: d = λ / (2 (n-1)).
Beträgt der Brechungsindex des Transmissions-Gitters beispielsweise n = 1,5, so erhält man für die Stufenhöhe d des Gitters die Bedingung d = λ. Die Stufenhöhe d entspricht in diesem Fall also genau der Wellenlänge λ des emittierten Lichtes.For example, if the refractive index of the transmission grating is n = 1.5, one obtains the condition d = λ for the step height d of the grating. The step height d corresponds to this So exactly the wavelength λ of the emitted light.
Das Aspektverhältnis A, welches den Quotienten aus der Strukturhöhe und den minimalen lateralen Strukturdetails der Maßverkörperung (10) bezeichnet, beträgt beispielsweise bei einer Dicke der Maßverkörperung (10) von 500 µm = 1/2 mm und mit einer Gitterkonstanten g = 2λ mit λ = 0,88 µm (IR-Licht) etwa A = 284.The aspect ratio A, which indicates the quotient of the structure height and the minimum lateral structural details of the measuring scale (10) is, for example, at a thickness of the material measure (10) of 500 micron = 1/2 mm and having a lattice constant g = 2λ with λ = 0.88 µm (IR light) about A = 284.
Die Fig. 2 zeigt schematisch ein auf die Maßverkörperung (10) einfallendes Lichtbündel (→). An den unstrukturierten Stellen (2) der Maßverkörperung (10) passiert das Licht die Maßverkörperung (10) ungebeugt, während es an den als Beugungsgitter mikrostrukturierten Stellen (1) aufgrund von Interferenz gebeugt wird. Die Gittergleichung lautet nun z λ = g (sinα - sinß), wobei die ganze Zahl z die Beugungsordnung angibt, g die Gitterkonstante, und α den Beugungswinkel sowie β den Einfallswinkel gemessen zum Lot bezeichnet. Fig. 2 shows schematically an incident on the measuring standard ( 10 ) light beam (→). At the unstructured points ( 2 ) of the material measure ( 10 ), the light passes the material measure ( 10 ) without diffraction, while it is diffracted at the microstructured points ( 1 ) as a diffraction grating due to interference. The grating equation is now z λ = g (sinα - sinß), where the integer z indicates the diffraction order, g the grating constant, and α denotes the diffraction angle and β the angle of incidence measured to the perpendicular.
Bei senkrechtem Einfall des Lichtes auf das optische Beugungsgitter (1) entsteht das Lichtmaximum der ersten Ordnung somit in einem Beugungswinkel α, welcher der Bedingung sin α = λ/g genügt. Beispielsweise ergibt sich mit g = 2λ ein Beugungswinkel von α = 30°. Die Gitterkonstante sollte hinreichend klein gewählt sein, sodass bereits die ± 1. When the light is incident perpendicularly on the optical diffraction grating ( 1 ), the light maximum of the first order thus arises at a diffraction angle α which satisfies the condition sin α = λ / g. For example, with g = 2λ there is a diffraction angle of α = 30 °. The lattice constant should be chosen to be sufficiently small that the ± 1.
Beugungsordnungen vom Empfänger nicht mehr detektiert werden. Bei g << λ tritt Streuung auf.Diffraction orders can no longer be detected by the receiver. Scattering occurs at g << λ on.
Da die Beugungswinkel abhängig sind von der Wellenlänge λ des verwendeten Lichtes, ist eine geringe Bandbreite des emittierten Lichtes von Vorteil, um eine Aufweitung der Beugungsordnungen aufgrund von Dispersion zu vermeiden. Ein weiterer Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass die Interferenz nur bei hinreichend kohärentem Licht auftritt. Für die Kohärenzlänge L gilt näherungsweise L ~ λ2/Δλ. Je kleiner also die Bandbreite Δλ des emittierten Lichtes, desto größer ist die Kohärenzlänge L. Bei einer Wellenlänge λ = 880 nm und einer Bandbreite Δλ = 50 nm erhält man eine ausreichende Kohärenzlänge von L = 15,5 µm.Since the diffraction angles are dependent on the wavelength λ of the light used, a small bandwidth of the emitted light is advantageous in order to avoid an expansion of the diffraction orders due to dispersion. Another reason for this lies in the fact that the interference only occurs with sufficiently coherent light. Approximately L ~ λ 2 / Δλ applies to the coherence length L. The smaller the bandwidth Δλ of the emitted light, the greater the coherence length L. With a wavelength λ = 880 nm and a bandwidth Δλ = 50 nm, a sufficient coherence length of L = 15.5 µm is obtained.
Die Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau der Positionsmesseinrichtung: Das Licht eines Lichtsenders (20) wird mittels einer Bikonvexlinse (22) zu einem parallelen Lichtbündel kollimiert. Diese Linse (22) kann jedoch auch fehlen, da auch divergentes Licht verwendet werden kann. Nach der Transmission des emittierten Lichtes durch die Maßverkörperung (10) erfährt das Licht an den mikrostrukturierten Gittern (1) Beugung, während es die nicht- strukturierten Stellen (2) die Maßverkörperung (10) ungehindert passiert. Während die gebeugten Strahlen erster und höherer Ordnung an dem Empfänger (30) vorbei geleitet werden, fallen die ungebeugten Strahlen auf den photoelektrischen Empfänger (30) und werden dort detektiert, indem sie aufgrund des lichtelektrischen Effektes in elektrische Signale transformiert werden. Figs. 3 shows the schematic structure of the position measuring device: The light of a light transmitter (20) is collimated into a parallel light beam by means of a bi-convex lens (22). However, this lens ( 22 ) can also be missing, since divergent light can also be used. After the transmission of the emitted light through the material measure ( 10 ), the light on the microstructured gratings ( 1 ) undergoes diffraction while it passes through the material measure ( 10 ) without hindrance through the unstructured areas ( 2 ). While the first and higher order diffracted beams are guided past the receiver ( 30 ), the undiffracted beams fall onto the photoelectric receiver ( 30 ) and are detected there by being transformed into electrical signals due to the photoelectric effect.
Optional kann ein abbildendes System (40) vor dem Empfänger (30) angeordnet werden, bestehend aus einer Linse (42), sowie einer die Linse (42) einfassende lichtundurchlässige Blende (43). Möglich ist jedoch auch die Verwendung einer Blende (43) allein, um das Seitenlicht abzuschatten. Ist die Blende hinreichend klein, so wirkt sie als camera obscura und hat somit bereits Abbildungseigenschaften.Optionally, an imaging system ( 40 ) can be arranged in front of the receiver ( 30 ), consisting of a lens ( 42 ) and an opaque screen ( 43 ) surrounding the lens ( 42 ). However, it is also possible to use an aperture ( 43 ) alone to shade the side light. If the aperture is sufficiently small, it acts as a camera obscura and thus already has imaging properties.
In der Regel sind Sender (20) und Empfänger (30) aufgrund der transmissiven Anordnung auf verschiedenen Seiten der Maßverkörperung (10) angeordnet. Die Fig. 4 zeigt jedoch eine alternative Anordnung von Sender (20) und Empfänger (30) auf derselben Seite der Maßverkörperung (10). Vorteilhafterweise können Sender (20) und Empfänger (30) dabei auf demselben Substrat, etwa einer Leiterplatte, montiert sein. Hierzu wird das vom Sender divergent abgestrahlte Licht zunächst mittels einer Kollimatorlinse (22) zu einem hinreichend parallelen Lichtbündel zusammengefasst, seitlich an der Maßverkörperung (10) vorbeigeführt oder an durchsichtigen Stellen der Maßverkörperung (10) durch dieselbe hindurchgeführt und mittels eines Prismas (25) oder verspiegelter Flächen hinter der Maßverkörperung (10) umgelenkt, sodaß das Licht durch die teilstrukturierten Bereiche der Maßverkörperung (10) hindurch auf den photoelektrischen Empfänger (30) fällt.As a rule, the transmitter ( 20 ) and receiver ( 30 ) are arranged on different sides of the material measure ( 10 ) due to the transmissive arrangement. However, Fig. 4 shows an alternative arrangement of the transmitter (20) and receiver (30) on the same side of the material measure (10). The transmitter ( 20 ) and receiver ( 30 ) can advantageously be mounted on the same substrate, for example a printed circuit board. For this purpose, the light emitted divergent by the transmitter is first combined by means of a collimator lens ( 22 ) to form a sufficiently parallel light bundle, guided laterally past the material measure ( 10 ) or guided through the same at transparent points of the material measure ( 10 ) and by means of a prism ( 25 ) or mirrored surfaces deflected behind the material measure ( 10 ), so that the light falls through the partially structured areas of the material measure ( 10 ) onto the photoelectric receiver ( 30 ).
In der Fig. 5 ist ein Ausschnitt einer Spur etwa einer inkremental codierten Maßverkörperung (10), sowie des photoelektrischen Empfängers (30) zu erkennen. Dabei sind den einzelnen Code-Segmenten (1) und (2) der Maßverkörperung (10) gerasterte Empfängersegmente seitens des optischen Chips zugeordnet, welche aufgrund der optischen Einstrahlung entsprechende elektrische Signale S1 bis S5 generieren. Um den Offset der Signale zu eliminieren, der zum Teil durch Streulicht, sowie aufgrund der nicht vollständigen Abschattung hervorgerufen wird, findet eine differentielle Weiterverarbeitung der elektrischen Signale der Hell- und Dunkelfelder statt. Bei einer Mehrfachabtastung etwa einer inkrementalen Codierung, wie in Fig. 5 dargestellt, kann das Signal einer Spurabtastung etwa mittels S1 - S2 + S3 - S4 gebildet werden. In FIG. 5, a section of a track as a coded incremental measuring scale (10), and the photoelectric receiver (30) can be seen. The individual code segments ( 1 ) and ( 2 ) of the material measure ( 10 ) are assigned rastered receiver segments on the part of the optical chip, which generate corresponding electrical signals S1 to S5 due to the optical radiation. In order to eliminate the offset of the signals, which is partly caused by scattered light and due to the incomplete shading, differential processing of the electrical signals of the light and dark fields takes place. In the case of a multiple scan, for example of an incremental coding, as shown in FIG. 5, the signal of a track scan can be formed, for example, using S1-S2 + S3-S4.
Die Maßverkörperung (10) besteht aus einem transparenten Grundkörper, welcher eine codierte Mikrostrukturierung in Form eines Arrays von Beugungsgittern enthält. Dabei setzt sich die Codierung aus zwei unterschiedlichen Codearten zusammen: Unstrukturierte Felder (2) fungieren dabei als Hellfelder, mikrostrukturierte Beugungsgitterfelder (1) als Dunkelfelder. Die Codierung in Hell- und Dunkelfelder geschieht mit einer Auflösung von etwa 10 µm bis 40 µm. Die Gitterstruktur innerhalb der Dunkelfelder liegt im Mikrometerbereich. Die Abtastung geschieht somit analog zur Abtastung im klassischen Fall der Nutzung von Codefeldern in der Hell-/Dunkelfeld-Technologie, welche auf der Teil- Abschattung durch geätzte Chromschichten basiert.The material measure ( 10 ) consists of a transparent base body which contains a coded microstructuring in the form of an array of diffraction gratings. Microstructured grating fields (1) Unstructured fields (2) act as Hellfelder as dark fields: Here, the coding is composed of two different types of code together. The coding in light and dark fields is done with a resolution of about 10 µm to 40 µm. The lattice structure within the dark fields is in the micrometer range. The scanning is thus analogous to the scanning in the classic case of using code fields in light / dark field technology, which is based on the partial shading by etched chrome layers.
Als mikrostrukturierbares Material für die Maßverkörperung bieten sich für die Beugungstechnologie neben Quarzglas, Cerodur und Silizium insbesondere auch Kunststoffmaterialien, insbesondere Thermoplaste an. So können neben Polycarbonat (PC) etwa auch PMMA, POM, PVDF und PSU eingesetzt werden. Mit diesen Materialien können obere Gebrauchstemperaturen bis 170°C erreicht werden. Als preiswerte Fertigungstechnologien auch von größeren Stückzahlen kommen hierbei insbesondere das Heißprägen und das Mikro-Spritzgießen in Betracht. Mit beiden Verfahren sind Aspektverhältnisse bis über 500 möglich.The microstructurable material for the material measure is suitable for Diffraction technology in addition to quartz glass, Cerodur and silicon in particular Plastic materials, especially thermoplastics. In addition to polycarbonate (PC) For example, PMMA, POM, PVDF and PSU can also be used. With these materials you can upper operating temperatures up to 170 ° C can be reached. As inexpensive Manufacturing technologies of larger quantities come here in particular Hot stamping and micro injection molding into consideration. With both procedures Aspect ratios up to over 500 possible.
Der photoelektrische Empfänger (30) weist ein Array von photoelektrisch sensiblen Schichten auf, wobei jedem abzutastenden Codefeld auf der Maßverkörperung (10) mindestens ein Empfängerfeld auf dem Empfänger (30) zugeordnet ist. Bei einer inkrementellen oder auch einer absoluten Codierung genügt in der Regel die Abtastung lediglich eines Teiles der Maßverkörperung (10). Im Falle einer Längenmessung ist die Maßverkörperung (10) linear. Im Falle einer Winkelmessung ist die Maßverkörperung (10) in der Regel kreisförmig auf einer Codescheibe angeordnet. Um etwa eine Exzentrizität der Codescheibe auszugleichen, kann es in diesem Fall von Vorteil sein, die gesamte Codescheibe abzutasten.The photoelectric receiver ( 30 ) has an array of photoelectrically sensitive layers, at least one receiver field on the receiver ( 30 ) being assigned to each code field to be scanned on the material measure ( 10 ). In the case of incremental or absolute coding, it is generally sufficient to scan only a part of the material measure ( 10 ). In the case of a length measurement, the measuring standard ( 10 ) is linear. In the case of an angle measurement, the measuring standard ( 10 ) is generally arranged in a circle on a code disk. In order to compensate for an eccentricity of the code disk, it may be advantageous in this case to scan the entire code disk.
Durch differentielle Abtastung der Hell- und Dunkelfelder wird der Offset, der verursacht wird durch nicht vollständige Abschattung in den Dunkelfeldern, kompensiert.The offset that is caused by differential scanning of the light and dark fields is compensated for by incomplete shadowing in the dark fields.
In der Signalverarbeitung schließlich werden die ermittelten Signale des Empfängers (30) verstärkt, decodiert, eventuell interpoliert und zur Übertragung über eine elektrische Schnittstelle, insbesondere via ein Bussystem, aufbereitet.Finally, in the signal processing, the signals determined by the receiver ( 30 ) are amplified, decoded, possibly interpolated and processed for transmission via an electrical interface, in particular via a bus system.
Ferner ist es möglich, sowohl eine inkrementale, als auch eine absolute Codierung auf der Maßverkörperung (10) vorzusehen. Zur Abtastung der Codes ist es denkbar, entweder einen einzigen Empfänger (30) vorzusehen, oder je einen Empfänger (30) zur Abtastung der inkrementalen und der absoluten Spur einzusetzen, wobei auch der Fall denkbar ist, dass in einer preiswerten Version eines inkrementalen Drehgebers nur der Abtaster für die inkrementale Spur montiert wird.It is also possible to provide both incremental and absolute coding on the material measure ( 10 ). To scan the codes, it is conceivable either to provide a single receiver ( 30 ) or to use one receiver ( 30 ) each to scan the incremental and the absolute track, whereby the case is also conceivable that in an inexpensive version of an incremental encoder only the scanner for the incremental track is mounted.
Die Erfindung kann dabei insbesondere bei Längen- und Winkelmeßsystemen Anwendung finden. The invention can be used in particular in length and angle measuring systems Find.
λ Wellenlänge des Lichtes
Δλ Bandbreite des emittierten Lichtes
n Brechungsindex der Codescheibe
g Gitterkonstante des Gitters
d Stufenhöhe des Gitters
z Beugungsordnung
a Beugungswinkel des Beugungsmaximums λ wavelength of light
Δλ bandwidth of the emitted light
n Refractive index of the code disk
g Grid constant of the grid
d Grid step height
z diffraction order
a Diffraction angle of the diffraction maximum
11
. Ordnung
β Einfallswinkel
A Aspektverhältnis = Strukturhöhe/minimale laterale Strukturdetails
, order
β angle of incidence
A Aspect ratio = structure height / minimal lateral structure details
11
Transmissions-Phasengitter als mikrostrukturiertes Segment der Codescheibe (Transmission phase grating as a micro-structured segment of the code disk (
1010th
)
)
22
transparentes, unstrukturiertes Segment der Codescheibe (transparent, unstructured segment of the code disc (
1010th
)
)
1010th
Maßverkörperung
Material measure
2020th
Lichtsender
Light transmitter
2222
Sender-Kollimatorlinse
Transmitter collimator lens
2525th
Prisma
prism
3030th
photoelektrischer Empfänger
photoelectric receiver
4040
abbildendes System
imaging system
4242
Empfänger-Kollimatorlinse
Receiver collimator lens
4343
Blende
cover
Claims (8)
der Lichtsender (20) Licht der Wellenlänge λ mit verhältnismäßig kleiner Bandbreite emittiert,
X der Empfänger (30) ein photoelektrisches, strukturiertes Raster zur Detektion von Licht aufweist,
die Maßverkörperung (10) codierte Segmente (1), (2) aufweist, wobei die Segmente (1) eine transmissive Phasengitterstruktur (1) zur Beugung des Lichtes tragen und die Segmente (2) unstrukturiert und transparent sind,
diese Phasengitter (1) bei Bestrahlung von Licht mit der Wellenlänge λ in der nullten Beugungsordnung eine Licht-Auslöschung aufweisen.1. Interferometric position measuring device for measuring the relative position of two mutually movable objects with a material measure, a light transmitter and a light-sensitive receiver according to the transmission method, the light emitted by the light transmitter ( 20 ) after transmission through the material measure ( 10 ) to the receiver ( 30 ) arrives, characterized in that
the light transmitter ( 20 ) emits light of the wavelength λ with a relatively small bandwidth,
X the receiver ( 30 ) has a photoelectric, structured grid for detecting light,
the material measure ( 10 ) has coded segments ( 1 ), ( 2 ), the segments ( 1 ) carrying a transmissive phase grating structure ( 1 ) for diffraction of the light and the segments ( 2 ) being unstructured and transparent,
these phase gratings ( 1 ) have a light extinction when irradiating light with the wavelength λ in the zeroth diffraction order.
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| DE2000125410 DE10025410A1 (en) | 2000-05-24 | 2000-05-24 | Interferometric position measuring equipment has material measure with transmissive phase grid that functions as diffraction grating |
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