DE10063899A1 - Optisches Winkelmeßsystem - Google Patents

Optisches Winkelmeßsystem

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Abstract

Ein optisches Winkelmeßsystem (1) besteht aus einer Lichtquelle (20), einem photoelektrischen Abtaster (30) und einer relativ dazu beweglichen Maßverkörperung (10), wobei bei einer zentrischen Anordnung der Lichtquelle (20) und der Maßverkörperung (10) die optische Achse (50) des von der Lichtquelle (20) emittierten Lichtes (21) weitgehend mit der Drehachse (50) der die Codescheibe (10) tragenden Welle (40) zusammenfällt. Das zentrische optische Winkelmeßsystem (1) weist eine in die Maßverkörperung (10) integrierte Fresnel-Linse (102) auf zur Kollimation des auf die Maßverkörperung (10) emittierten Lichtes (21). Der lichtelektrische Abtast-Sensor (30) ist zentrisch axial vor dem die Maßverkörperung (10) tragenden Ende der Welle (40) positioniert. DOLLAR A Die in die Maßverkörperung (10) eingeformte Fresnel-Linse (102) kann etwa mittels Kunststoff-Spritzguss oder Heißprägung gefertigt werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung dann, wenn die Codierung der Maßverkörperung (10) durch ein mit derselben Technologie auf der zum Abtaster (30) gerichteten Seite der Maßverkörperung (10) eingeformtes mikrostrukturiertes Transmissions-Beugungsgitter als Codestruktur (101) realisiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft optische Drehwinkelmessgeräte. Winkelmeßsysteme werden in allgemeiner Sensor-Technologie in der deutschen Norm DIN 32 878 beschrieben.
Optische Drehwinkelmessgeräte weisen eine Maßverkörperung (10) auf, die durch eine Codescheibe mit auf dieser aufgebrachtem Maßstab gegeben ist. Die Maßverkörperung (10) ist mit einem codierten Gitter (101) versehen, welches Informationen über die inkrementale Winkeländerung Δϕ oder auch die absolute Winkelposition ϕabs liefert. Diese Information wird in der Regel auf mehreren konzentrisch parallel angeordneten Spuren auf der Maßverkörperung (10) realisiert. So ist es insbesondere möglich, auf einer Maßverkörperung (10) nebeneinander inkrementale und absolute Spuren aufzubringen, die gleichzeitig abgetastet werden können. Diese drehbare Maßverkörperung (10) wird von einem sogenannten Aufnehmer-Sensor (30) detektiert (abgetastet). Dieser Aufnehmer/Abtaster (30) weist eine Reihe von photoelektrischen Halbleitersensoren auf, die oftmals entsprechend der abzutastenden Codierung der Maßverkörperung (10) auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet sind. Die vom Abtaster (30) generierten Signale werden anschließend in einer elektronischen Decodiereinheit decodiert und anschließend interpoliert. Die gesamte elektronische Auswerteschaltung kann mitsamt des optoelektronischen Sensors etwa in CMOS-Technologie auf einem Halbleiterchip vereint werden.
Die Codierung der Maßverkörperung (10) ist durch lokale optische Gitter (101) auf einem transmissiven oder reflektiven Substrat realisiert. Im transmissiven Fall befindet sich das Gitter (101) in der Mitte zwischen einer Lichtquelle (20) und dem Abtaster (30), während im reflektiven Fall Lichtquelle (20) und Abtaster (30) auf derselben Seite der Maßverkörperung (10) angeordnet sind. Als Materialien für die Maßverkörperung (10) werden oftmals Glas oder transparente Kunststoffe eingesetzt.
Reflexionsgitter erhält man vorwiegend durch Strukturierung einer auf eine plane Fläche aufgedampften Aluminium- oder (im IR) Goldschicht. Sowohl im transmissiven sowie auch im reflektiven Fall sind Amplituden- und Phasengitter möglich. Die unterschiedlichen optischen Gitter (101) sind dadurch gegeben, dass die benachbarten Linienelemente unterschiedlich transparent bzw. reflektierend sind, d. h. sie beeinflussen die Wellenamplitude (Amplitudengitter), oder dadurch, dass sie die Wellenfront des Lichtes unterschiedlich verzögern, d. h. eine Phasenverschiebung erzeugen (Phasengitter). Da hierfür eine optische Weglängendifferenz maßgeblich ist, können Phasengitter durch eine lokal unterschiedliche Brechzahl des optischen Mediums oder durch eine unterschiedliche Schichtdicke bzw. Furchentiefe des Gitters wirksam werden.
An den Gitterstrukturen tritt Beugung des Lichtes auf. Je nach Strukturbreite der Gitter, d. h. der Größe der Gitterkonstanten, kann die Beugung vernachlässigt werden, während die Beugung bei kleinen Gitterkonstanten ausgenutzt wird.
In der Praxis werden zumeist mit Hell-/Dunkelfeldern codierte Transmissionsgitter (Amplitudengitter) (101) genutzt, welche die auftretenden Beugungseffekte (Seitenlicht-Streuung) durch eine geringe Distanz zwischen der Maßverkörperung (10) und dem Abtaster (30) zu vermeiden suchen. Die Transmissionsgitter (101) bestehen dabei in der Regel aus Glas oder Kunststoff als transparentem Träger, auf welchem strukturierte Chromschichten aufgebracht sind. Diese können entweder lokal aufgesputtert oder geätzt werden. Die Gitterkonstanten der feinsten Teilungen betragen hierbei etwa 20 bis 40 µm. Bei dieser Anordnung kann sich optional zwischen der Maßverkörperung (10) und dem Abtaster (30) eine strukturierte Blende befinden, die ihrerseits Hell-/Dunkelfelder aufweist. Eine Alternative zur Nutzung einer Blende ist die photosensible Strukturierung von Halbleiterschichten des photoelektrischen Empfängers (30).
Hochauflösende Maßverkörperungen (10) hingegen weisen geringere Gitterkonstanten im µm-Bereich oder sogar darunter auf und nutzen die entstehenden Beugungseffekte für die Messzwecke. Dabei weist die Anordnung etwa gemäß EP 741 282 ein zweites mit dem Abtaster (30) fest verbundenes Gitter auf, welches die Phasenmodulation des Lichtes der ±1. Ordnung in ein sinusförmig amplitudenmoduliertes Signal umwandelt.
Die (mikro-) strukturierten Phasengitter (101) können dabei etwa mittels Spritzguss- oder Heißprägeverfahren dupliziert werden.
Die eingesetzte Codierung kann ferner etwa eine Intensitäts- oder Phasenmodulation des emittierten Lichtes bewirken. Hierzu wird eine Codescheibe für die Winkelmessung als Maßverkörperung (10) verwendet, welche mit Hell-/ Dunkelfeldern versehen ist, die etwa aus strukturierten codierten Chromschichten bestehen, die auf Glas oder transparentem Kunststoff aufgebracht wurden. Hierdurch wird eine Intensitätsmodulation des auf den codierten Maßstab (10) gerichtet emittierten Lichtes (21) bewirkt.
Im Falle der Phasenmodulation besteht der codierte Maßstab (10) aus mikrostrukturierten und in der Regel linienförmigen Beugungsgittern (101), welche eine Interferenz des einfallenden Lichtes (21) verursachen. Wird ein einziges durchgehendes Gitter als Maßstab benutzt, so wird in der Regel ein zweites Beugungsgitter mit ähnlicher Gitterkonstante verwendet, um die bewegungsabhängige Phasenmodulation des Lichtes in eine detektierbare Intensitätsmodulation umzuwandeln.
Ebenso wie das Intensitäts-Messprinzip kann auch die interferentielle Phasenmodulation transmissiv oder reflektiv angeordnet sein. Weiterhin ist es auch möglich, mittels Interferenz ohne ein zweites Beugungsgitter eine direkte Intensitätsmodulation des Lichtes zu verursachen (vgl. hierzu DE 100 25 410). Dazu wird die Maßverkörperung (10) mit einem Codemuster versehen, wobei der Code durch eine Abfolge von strukturierten und unstrukturierten Flächenelementen gegeben ist, wobei die strukturierten Flächenelemente als mikrostrukturierte Beugungsgitter (101) ausgestaltet sind. Vorteilhafterweise weisen die Beugungsgitter (101) dabei jeweils die gleichen Gitterkonstanten auf. Im Falle der Winkelmessung sind die Gitterlinien resp. -Striche darüber hinaus vorteilhaft radial ausgerichtet.
In allen dargestellten Fällen wird gerichtetes Licht (21) verwendet, das weitgehend parallel auf die Maßverkörperung (10) fällt und die Codescheibe (10) desgleichen in den Außenbereichen gleichmäßig ausleuchtet. Im Falle der reflektiven Abtastung befindet sich die Lichtquelle (20) auf derselben Seite, wie die lichtempfindlichen elektronischen Halbleiter-Sensoren des Abtasters (30); im Falle der transmissiven Abtastung befindet sich der codierte Maßstab (10) mittig zwischen der Abtasteinheit (30) und der Lichtquelle (20).
Als Lichtquelle (20) können Glühbirnen, LEDs (light emitting diods) oder auch Laserdioden zum Einsatz kommen. Als emittierte Wellenlängen der LED bzw. Laserdioden hat sich neben sichtbarem Licht in der Praxis insbesondere auch Infrarotlicht etabliert. Aufgrund der geringen Bandbreite des emittierten Lichtes (21) der Laserdioden und LEDs ist dieses Licht weitgehend monochrom. In allen Fällen wird eine möglichst punktförmige Abstrahlung des emittierten Lichtes (21) angestrebt.
Bei nahezu allen Anwendungen wird das weitgehend punktförmig emittierte Licht (21) mittels einer Kollimatorlinse zu einem weitgehend parallelen Lichtbündel umgeformt und fällt dann auf den codierten Maßstab (10). Die Kollimatorainse weist als zumindest einseitig konvexe Linse (bikonvex, konvex-konkav, plankonvex) eine kurze Brennweite im Verhältnis zum Durchmesser auf, um den Bauraum möglichst klein zu halten. Somit liegt aufgrund der hohen Oberflächenkrümmung die Dicke der Linse in derselben Größenordnung wie der Durchmesser. Daher kommen bereits asphärische Linsen zum Einsatz, um seitliche Aberrationen (Streulicht) gering zu halten.
Um die Hell- Dunkelfelder der optischen Maßverkörperung (10) auf das Empfängerarray (30), bzw. die vor einem Sensor (30) liegenden Maske, ohne Verzerrung zu projizieren, wird zwischen der Lichtquelle (20), z. B. einer LED, und der Maßverkörperung (10) üblicherweise eine Kollimatorlinse angeordnet, um ein weitgehend paralleles Lichtbündel zu erhalten. Des weiteren kommen auch abbildende Systeme in Betracht, welche zwischen der Maßverkörperung (10) und dem Abtaster (30) eine weitere Linse zur Abbildung der Codestrukturen (101) bzw. der mittels der Beugungsgitter gebeugten Strahlungsbündel auf der Sensoroberfläche aufweisen.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, den bei der beschriebenen Anordnung auftretenden Bauraum weiter zu verkleinern, sowie die Aberrationen des auf den codierten Maßstab (10) emittierten Lichtes (21) im Vergleich zu dicken Linsen zu vermindern und den Justageaufwand der Linse bei der Fertigung zu minimieren. Diese Probleme werden sämtlich durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Fresnel-Linse (102) zu verwenden, die in die Maßverkörperung (10) auf der dem emittierten Licht (21) zugewandten Seite eingeformt ist. Im transmissiven Fall befindet sich die codierte Seite der Maßverkörperung (10) auf der gegenüberliegenden, dem Empfänger (30) zugewandten Seite.
Im reflektiven Fall wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Code sowie die Reflexionsschicht auf der Rückseite der Maßverkörperung (10) anzubringen, d. h. auf der dem Empfänger (30) sowie der Lichtquelle (20) abgewandten Seite. Hierzu ist eine Lichtquelle (20) zentrisch in den Abtaster (30) integriert. Die Lichtquelle kann dabei etwa eine LED oder Laserdiode sein, die auf demselben Halbleitersubstrat aufgebracht sein kann, wie die optoelektronischen lichtempfindlichen Sensoren des Abtasters. Alternativ hierzu kann die Lichtquelle (20) auch durch einen Lichtleiter, etwa ein Glasfaserkabel oder andere lichtführende Einrichtungen, wie etwa Prismen gegeben sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht der Maßstab (10) dabei aus Kunststoff, jedoch sind auch Einformungen von Fresnelstrukturen (102) sowie von Beugungsgittern (101) in anderen Materialien möglich, so etwa in Glas. Als Materialien für reflektive Systeme kommen etwa auch Stahl oder Zerodur in Betracht, eine Keramik mit sehr geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, der kleiner ist als 1/106 K.
Als mit der Erfindung erzielten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik ist insbesondere das Entfallen der separaten Linse sowie deren Justage und die kürzere Bauform zu nennen.
Dadurch entsteht eine kosten- und platzsparende Ausführung einer Baugruppe, bestehend aus einer optischen Maßverkörperung (10) und einer Kollimatorlinse als Baueinheit für ein optisches Winkelmeßsystem (1) mit zentrischer Codescheibenanordnung. Die Kollimatorlinse ist dabei als Mikrostruktur oder Kunststoffform in die Codescheibe (10) integriert.
Bei der zentrischen Abtastung, wie sie in der Patentschrift DE 197 50 474 C2 "Drehgeber" beschrieben ist, wird eine in der Welle (40) montierte und sich mit der Welle (40) und der Codescheibe (10) mitdrehende Kollimatorlinse verwendet, um das auf das Codemuster der Codescheibe fallende Licht (21) parallel auszurichten und somit die Hell-/Dunkelfelder ohne Verzerrung und ohne seitliche Verschiebung auf das Sensorarray (30) zu projizieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung obiger Erfindung besteht darin, statt der Kollimatorlinse nunmehr eine optische Maßverkörperung (Codescheibe) (10) zu verwenden, die auf der dem Sensor (30) zugewandten Seite die Codestruktur (101) trägt, und auf der gegenüberliegenden Seite als Linse ausgebildet ist, so dass Linse und Codescheibe (10) eine fest verbundene Einheit darstellen.
Dies ist insbesondere auch dann vorteilhaft, wenn die Dunkelfelder der Codescheibe (10) als mikrostrukturierte Transmissionsphasengitter (101) ausgeführt sind, wie in der Patentanmeldung DE 100 25 410 beschrieben.
Die Codescheibe (10) kann dann als Kunststoffspritz- oder Prägeteil gefertigt werden. Die der Codestruktur (101) gegenüberliegende Seite der Codescheibe (10) kann bei einer kunststoffspritztechnisch gefertigten Codescheibe (10) als konvexe Linse geformt sein. Besonders platzsparend ist die Anordnung dann, wenn statt einer konvexen Linse eine Fresnel-Linse (102) venwendet wird. Diese kann auf die gleiche Art und im gleichen Arbeitsgang gefertigt werden, wie das Transmissionsphasengitter der Codestruktur (101). Dabei ist die Fresnel-strukturierte Kollimatorlinse (102) auf der Maßverkörperung (10) der Lichtquelle (20) zugewandt. Weiterhin ist es vorteilhaft, lediglich den Teil der die Maßverkörperung tragenden Scheibe (10) zu strukturieren, der den codierten Bereichen (101) gegenüberliegt. Die mittels Hell-/ Dunkelfelder oder mit Beugungsgittern codierte Seite (101) der Maßverkörperung (10) ist in der transmissiven Anordnung dabei dem Empfänger (30) zugewandt.
Die Herstellung des codierten Maßstabes (10) mit der Fresnel-förmigen Mikrorelief- Oberfläche (102) kann dabei kostengünstig etwa mittels (CD-) Spritzguss- Technologien vorgenommen werden.
Weiterhin kommen auch andere Mikrostrukturierungen zur Fertigung des codierten Maßstabes (10) in Frage: So ist neben dem Spritzguss von Kunststoffen etwa auch eine Heißprägung möglich.
Im Falle der Aufbringung eines diffraktiven Beugungsgitter-Codes (101) auf der dem Empfänger (30) zugewandten Seite der Maßverkörperung (10) kann die refraktive Fresnel-Linsenstruktur (102) auf der gegenüberliegenden Seite in demselben Arbeitsgang eingeformt werden.
Im Falle von reflektiven Maßverkörperungen (10) liegen Empfänger (30) und Lichtquelle (20) auf derselben Seite der Maßverkörperung (10) und die Fresnel-Linse (102) ist auf ebendieser Seite angeformt, während die reflektive Schicht auf der Rückseite der Maßverkörperung (10) angebracht ist.
Möglich ist auch die Nutzung einer Fresnel-Zonenplatte (103), welche gegeben ist durch konzentrische Ringe unterschiedlicher Transparenz, die als Hologramm der punktförmigen Lichtquelle (20) im Brennpunkt aufgefasst werden kann. Nachteilig hierbei ist allerdings die im Vergleich zur Fresnel-Linse (102) verhältnismäßig hohe Absorption des eingestrahlten Lichtes (21).
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert:
Es zeigen
Fig. 1 einen seitlichen Querschnitt durch eine Fresnel-Linse (102),
Fig. 2 die prinzipielle Anordnung von Lichtquelle (20), Maßverkörperung (10) und Abtaster (30) eines Winkelmeßsystems (1) sowie die
Fig. 3 eine schräge Seitenansicht einer Fresnel-Zonenplatte(103).
In der Fig. 1 ist eine Fresnel-Linse (102) dargestellt, eine meist aus Kunststoff gespritzte oder geprägte dünne Platte, die relativ zum Durchmesser eine kurze Brennweite aufweist. Die Fresnel-Linse (102) weist kegelförmige Linsensegmente auf, die jeweils Stufen aufweisen und somit im wesentlichen wie eine zusammengeschobene dicke Linse (gestrichelte Linie) wirkt. Vorteilhafterweise sind die Krümmungen der Linsenkreissegmente derart berechnet, dass eine gute Bündelung von parallel eingestrahltem Licht entsteht, d. h. die Fresnellinse weist vorteilhaft eine asphärische Oberfläche auf. Da zum Beispiel LEDs keine idealen Punktstrahler darstellen, ist alternativ eine Berechnung der Flächenneigungen auf gute Parallelisierung des von einer LED emittierten Lichtes vorteilhaft. Eine weitere wesentliche Eigenschaft eines Emitters ist dabei sogenannte Emissionskeule, welche die Intensität des emittierten Lichtes in Abhängigkeit von der Richtung angibt.
In der Fig. 2 ist eine zentrische Anordnung einer Winkelmeßeinrichtung (1) gezeigt. Wir erkennen die Fresnellinse (102) als Bestandteil der Maßverkörperung (10) wieder. Die Fresnel-Linse (102) ist dabei der Lichtquelle (20) zugewandt. Die Maßverkörperung (10) weist auf der entgegengesetzten, dem Abtaster (30) zugewandten Seite eine Codierung (101) auf, die entweder durch Hell-/ Dunkelfelder oder durch eine Beugungsgitter-Anordnung gegeben sein kann. Die Maßverkörperung (10) ist dabei verdrehfest mit der Welle (40) des Drehwinkelmeßsystems (1) verbunden. Diese Welle (40) ist wiederum mit einer zu messenden Welle, etwa einer Antriebswelle, verdrehfest verbunden. Alternativ kann das Winkelmeßsystem (1) auch eigenlagerlos sein. In diesem Fall ist die Welle (40) bereits die Antriebswelle.
Die Lichtquelle (20) befindet sich vorteilhafterweise innerhalb der Welle (40) derart, dass die optische Achse mit der Drehachse (50) weitgehend zusammenfällt. Das von der Lichtquelle (20) emittierte Licht (21) wird via der Fresnel-Linse (102) parallel gebrochen und fällt dann auf die Codestruktur (101) der Maßverkörperung (10).
Alternativ zu einer aktiven Beleuchtungseinheit ist auch eine passive möglich, d. h. die Lichtquelle (20) kann außerhalb der Welle (40) liegen und das emittierte Licht (21) etwa über Lichtleiter geführt werden. Weiterhin ist es möglich, dass die Abtasteinrichtung (30) zentrisch über einen partiellen Lichtaustritt verfügt, welcher wiederum aktiv mittels einer auf dem Halbleitersubstrat integrierten LED oder passiv mittels Lichteinkopplung realisiert sein kann.
Alternativ zu einer Fresnel-Linse (102) mit strukturierten dispersiven Zonen aus transparentem Kunststoff ist eine in der Fig. 3 dargestellte Fresnel'sche Zonenplatte (103) einsetzbar. Diese stellt im Prinzip ein Transmissions- Beugungsgitter (101) dar und kann als Hologramm einer Punktlichtquelle aufgefasst werden und wirkt somit wie eine Linse. Zwar weist die Fresnel'sche Zonenplatte eine erhebliche chromatische Aberration auf, die jedoch bei Verwendung einer Lichtquelle (20) mit weitgehend monochrom emittierten Licht (21) vernachlässigt werden kann.
Alternativ ist es möglich, die Fresnel-Zonenplatte als Hologramm der eingesetzten Lichtquelle zu fertigen.
Bezugszeichenliste
1
Optische Winkelmesseinrichtung
10
Maßverkörperung/Codescheibe
20
Lichtquelle
21
von Lichtquelle (
20
) emittiertes Licht
30
Abtaster/Empfänger/Sensor/Aufnehmer
40
Welle
50
Optische Achse
51
Drehachse
101
Codegitter
102
Fresnel-Linsenstruktur
103
Fresnel'sche Zonenplatte

Claims (5)

1. Optisches Winkelmeßsystem (1) bestehend aus einer Maßverkörperung (10) sowie einer Lichtquelle (20), deren emittiertes Licht im wesentlichen rotationssymmetrisch zur Drehachse die Maßverkörperung (10) beleuchtet, weiterhin bestehend aus einem photoelektrischen Abtaster (30) und einer elektronischen Decodiereinheit, wobei die Maßverkörperung (10) relativ zum Abtaster (30) beweglich ist und codiert ist mittels einer Struktur aus optischen Gittern (101), welche auf einem transmissiven oder auf einem reflektiven Träger-Substrat aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Maßverkörperung (10) auf der dem Codegitter (101) gegenüberliegenden Seite als Linse (102) ausgebildet ist, so dass Linse (102) und Maßverkörperung (10) eine fest verbundene Einheit darstellen und dass die optische Achse (50) der in den Maßstab (10) eingeformten Linse (102) weitgehend mit der Drehachse (51) der Codescheibe (10) zusammenfällt und dass die in die Maßverkörperung (10) eingeformte Linse (102) auf der dem einfallenden Licht (21) zugewandten Seite der Maßverkörperung (10) angeordnet ist.
2. Optisches Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Maßverkörperung (10) angeformte Linse eine Fresnel-Linse (102) ist.
3. Optisches Winkelmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Maßverkörperung (10) angeformte Linse eine Fresnel'sche Zonenplatte (103) ist.
4. Optisches Winkelmeßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (10) aus Kunststoffmaterial besteht und die Fresnel-Linse (102) im Spritzguss- oder Heißprägeverfahren in die Maßverkörperung (10) eingeformt wird.
5. Optisches Winkelmeßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (10) mit einem mikrostrukturierten Transmissionsphasengitter (101) codiert ist, welches im gleichen Arbeitsgang und mit derselben Technik wie die Fresnel-Linse (102) in die Maßverkörperung (10) eingeprägt wird.
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