DE102007007311A1

DE102007007311A1 - Abtasteinheit für eine Positionsmesseinrichtung zur Detektion von optischen Maßverkörperungen sowie entsprechende Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102007007311A1
Application number: DE102007007311A
Authority: DE
Inventors: Thomas Samland
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-12
Filing date: 2007-02-10
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2027-02-11
Also published as: DE102007007311B4; DE102006011540A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Abtasteinheit für eine optische Positionsmesseinrichtung zur Detektion von Maßverkörperungen mit einem Lichtsender, einem Abtastempfänger sowie einem Mikrolinsenarray, welches oberhalb der Abtastblende auf dem Abtastempfänger angeordnet ist und welches die Codefelder der Maßverkörperung auf die lichtempfindlichen Empfängerflächen des Abtastempfängers abbildet, wobei zwischen dem Mikrolinsenarray und der Abtastblende in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinsen ein Aperturblendenarray angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Abtasteinheit für eine Positionsmesseinrichtung zur Detektion von optischen Maßverkörperungen sowie eine entsprechende Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Eine derartige Positionsmesseinrichtung umfasst eine mit einer optisch auslesbaren Positionscodierung versehene Maßverkörperung, eine Lichtquelle zur Emission von Licht in Richtung auf die Maßverkörperung sowie eine Abtasteinheit, bestehend aus einem Abtastempfänger mit lichtempfindlichen strukturierten Flächen zum Empfangen des durch den Maßstab modulierten Lichtes und aus einer Linsenanordnung, die auf der Oberfläche des Abtastempfängers angeordnet ist und aus einer oder mehreren Mikrolinsen besteht und welche den durch die Lichtquelle beleuchteten Bereich der Maßverkörperung auf die strukturierten Empfängerflächen des Abtastempfängers abbilden.
Die Positionsmesseinrichtung kann dabei Anwendung finden zur Detektion von reflektiven oder auch transmissiven Maßstäben, die entsprechend im Auflicht- oder Durchlichtverfahren betrieben werden. Im erstgenannten Fall befinden sich Lichtsender und Empfänger auf derselben Seite des Maßstabes, das am Maßstab reflektierte und durch den Positionscode modulierte Licht wird anschließend vom Abtast-Empfänger detektiert. Bei transmissiven Maßstäben sind Lichtsender und Empfänger auf gegenüber liegenden Seiten des Maßstabes angeordnet und das vom Lichtsender emittierte und durch den zumindest partiell transparenten Maßstab hindurch tretende und modulierte Licht wird vom Abtastempfänger detektiert.
Die Maßverkörperung kann etwa zur Winkelmessung als Codescheibe mit kreisförmig angeordneten Codierungen oder zur Längenmessung als Lineal mit linear angeordneten Positionscodierungen ausgestaltet sein. Die Positionscodierung kann inkremental und bzw. oder absolut codierte Spuren aufweisen.

Stand der Technik

Optische Positionsmessgeräte nach dem Stand der Technik verwenden als Positionscodierung Codeflächen in Form von unterschiedlich stark transmittierenden oder reflektierenden Amplitudenobjekten, im Falle einer inkrementalen Codespur in Form eines Amplitudengitters, wobei die Messperiode der Gitterperiode entspricht. Bei einer projektiven Abtastung von transmissiven Maßstäben werden die Codeflächen mit weitgehend parallelem Licht beleuchtet und auf der entgegengesetzten Seite durch einen Abtastempfänger detektiert. Aufgrund der Beleuchtung mit nicht ideal-parallel kollimiertem Licht und der Beugung an den Codefeldern muss der Abtast-Empfänger so nah wie möglich an dem Maßstab angeordnet werden, weshalb nur sehr geringe Abstands-Toleranzen von weniger als 50 Mikrometern zulässig sind. Ist der Abstand zu gering, kollidiert der Maßstab mit dem Abtast-Empfänger was die Zerstörung der Positionsmesseinrichtung zur Folge hat. Bei größer werdendem Abstand nehmen der Kontrast und die Interpolierbarkeit und damit die Auflösung der Positionssignale ab; ist der Abstand schließlich zu groß, so werden keine Positionssignale mehr generiert.

Ein Abtastempfänger nach dem Stand der Technik ist ein integrierter Schaltkreis (integrated circuit, iC), der in der Regel auf CMOS-Halbleiter-Prozessen basiert und der einzelne lichtempfindliche Empfängerfelder aufweist, welche jeweils positionsabhängige Signale generieren. Für inkrementale Maßverkörperungen sind dies in der Regel mindestens vier Felder, die jeweils um eine viertel Messperiode in Messrichtung zueinander versetzt angeordnet sind und entsprechend um 90 Grad phasenverschobene positionsabhängige Signale erzeugen. Eventuell sind weitere Empfängerfelder vorgesehen, die eine entsprechend codierte Referenzspur abtasten und ein Referenz- bzw. Nullsignal erzeugen. Die Empfängerfelder auf dem Abtast-Empfänger sind jeweils entweder als einzelne entsprechend der Codierung der Maßverkörperung strukturierte lichtempfindliche Flächen auf der Oberfläche des Empfänger-Chips vorgesehen, die gemeinsam ausgewertet werden, als sogenanntes „phased array", oder es werden zusammenhängende Flächen verwendet, wobei im letzteren Fall auf der Oberfläche des Empfänger-Chips eine Abtastblende positioniert ist. Die Abtastblende besteht aus einer Glasplatte mit einer einseitig aufgebrachten und entsprechend der Positionscodierung des Maßstabs lithographisch strukturierten Chromschicht, welche transparente Öffnungen oberhalb der lichtempfindlichen Abtastflächen des Abtast-Empfängers aufweist. Um die Abstände der Öffnungen der Abtastblende zur Maßverkörperung zu minimieren, befindet sich die Chromschicht auf der zur Maßverkörperung hin zugewandten Seite der Abtastblende.

Der Maßstab bzw. die Maßverkörperung trägt die Positionsinformation in Form von binären Codierungen. Bei inkrementalen Codierungen handelt es sich um abwechselnde Hell- und Dunkelfelder, die linienartig ausgebildet sind, wobei die Linienbreite zur Erzielung von hohen Auflösungen in Messrichtung deutlich schmaler ist als quer zur Messrichtung. Für absolute Codierungen ist es notwendig, mehrere ein- oder mehrspurige Codes gleichzeitig zu detektieren. Bekannte absolute Codierungen sind beispielsweise Pseudo-Random Codes, Binärcodes, BCD-Codes (binary coded decimals), Gray-Codes oder Nonius-Codes. Weiterhin ist es bekannt, Kombinationen von inkrementalen und absoluten Codierungen auf einer Maßverkörperung vorzusehen.

Aus der DE 100 25 410 A1 oder der DE 103 03 038 A1 sind diffraktive Maßverkörperungen bekannt, welche eine binäre Positionscodierung in Form von abwechselnd unstrukturierten Codeflächen bzw. von mittels diffraktiven Phasengittern versehenen Codeflächen aufweisen, wobei in diesem Fall die Gitterkonstante des Phasengitters um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die Messperiode. Zur Detektion wird die Maßverkörperung mittels einer Linse auf den optischen Empfänger abgebildet. Dabei ergeben sich insbesondere bei der Detektion von absoluten Maßverkörperungen, bei denen eine große Fläche detektiert werden muss, Linsen großen Durchmessers und somit auch vergleichsweise große Abstände zwischen dem Maßstab und der Linse bzw. zwischen der Linse und dem optischen Empfänger. Weiterhin muss die Linse relativ zum optischen Empfänger justiert werden.

Aus der EP 0 470 420 A1 ist eine optoelektronische Abtasteinrichtung bekannt, bei der ein Codeträger mittels einer Lichtquelle beleuchtet und mit einem optoelektronischen Sensor detektiert wird. Hierzu ist zwischen der optisch abtastbaren Codespur auf dem Codeträger und dem optoelektronischen Sensor eine Optik in Form von mehren nebeneinander angeordneten Gradientenindex-Linsen (GRIN-Linsen) oder Mikrolinsenplatten angeordnet, welche die Codespur auf die lichtempfindliche Sensorfläche des optoelektronischen Sensors abbildet.

Bei Verwendung von einem oder mehreren hintereinander angeordneten Mikrolinsenplatten existiert das Problem des Übersprechens, d.h. es existieren überlappende Objektfelder, was bedeutet, dass das Licht, das durch eine Linse des ersten Linsenarrays fällt, in eine seitlich angeordnete Linse des zweiten Mikrolinsenarrays bzw. in ein benachbartes Empfängerfeld des Abtast-Empfängers gelangt. Demgegenüber stehen bei GRIN-Linsen die vergleichsweise große Baulänge und die Einzelherstellung einem kompakten, einfachen und preiswerten Aufbau entgegen. Zudem müssen die verschiedenen Mikrolinsenplatten zueinander sowie zum Abtastempfänger aufwendig justiert werden.

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Abtasteinheit bzw. eine entsprechende Positionsmesseinrichtung anzugeben, welches sehr einfach und zuverlässig montierbar ist und darüber hinaus das Problem des Übersprechens beseitigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abtasteinheit sowie eine entsprechende Positionsmesseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie andere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird eine Linsenplatte als abbildendes System verwendet, welche mindestens eine refraktive oder diffraktive Mikrolinse aufweist und im folgenden der Einfachheit halber als Mikrolinsenarray bezeichnet wird. Dieses wird auf dem Empfängerchip oberhalb der eventuell vorhandenen Abtastblende montiert. Das Mikrolinsenarray liegt in einer zur Maßverkörperung bzw. zur Oberfläche des Abtastempfängers parallelen Ebene. Die Mikrolinsen bilden die Positionscodierung der Maßverkörperung auf die Oberfläche der Abtastblenden-Öffnungen bzw. auf die Oberfläche der lichtempfindlichen Empfängerfelder des Abtastempfängers ab. Dabei liegen die Empfängerfelder jeweils weitgehend in der optischen Achse der betreffenden Mikrolinsen. Die Brennebene der Linsen liegt vorzugsweise in der ebenen Rückseite des Linsenarrays. Zwischen dem Mikrolinsenarray und der Abtastblende bzw. der Oberfläche des Abtast-Empfängers befindet sich eine Anordnung von Aperturblenden, welche im folgenden der Einfachheit halber als Aperturblendenarray bezeichnet wird. Dieses Aperturblendenarray ist in Form einer dünnen opaken Schicht realisiert und weist jeder der Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays genau eine telezentrische Aperturblende im bildseitigen Brennpunkt zu. Die Aperturblenden sind dabei transparente Öffnungen innerhalb der opaken Schicht. Dadurch bildet jede Linse einen Teil der Maßverkörperung ohne ein Übersprechen zumindest auf einen Teil eines Empfängerfeldes ab. Es kann beispielsweise vorgesehen werden, dass die Bilder mehrerer Mikrolinsen auf ein einziges Empfängerfeld fallen oder dass das Bild jeder Mikrolinse des Mikrolinsenarrays genau auf ein Empfängerfeld des Abtast-Empfängers oder auf eine definierte Anzahl von mehreren Empfängerfeldern gelangt.

Vorzugsweise ist zur Beleuchtung von reflektiven Maßverkörperungen mindestens eine Kollimatorlinse zur Kollimation des vom Lichtsenders emittierten Lichtes auf die Maßverkörperung seitlich über den Abtastempfänger hinausragend in das Mikrolinsenarray integriert.

Durch den Einsatz eines Mikrolinsenarrays werden das Objektfeld sowie das Bildfeld aufgeteilt, wodurch sehr geringe Abstände zwischen dem Linsenarray und der Maßverkörperung einerseits sowie dem Linsenarray und dem Abtastempfänger andererseits erreicht werden. Weiterhin weist diese Anordnung bislang unerreichbar große Abstandstoleranzen zwischen dem Maßstab und dem Abtastempfänger auf.

Wegen des kleinen Durchmessers der Mikrolinsen können diese eine vergleichsweise kurze Brennweite aufweisen. Aufgrund der geringen Brennweite der einzelnen Mikrolinsen ergibt sich dann ein geringer Arbeitsabstand, wodurch sich neben der Intensität des Lichtes insbesondere auch der Kontrast erhöht, wodurch wiederum eine bessere Interpolierbarkeit der durch die lichtempfindlichen photoelektrischen Empfängerfelder des Abtastempfängers generierten Positionssignale erzielt wird.

Die Brennweite f der Mikrolinsen liegt bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2 mm, der Linsendurchmesser D beträgt vorzugsweise etwa 0,3 mm bis 2 mm. Die Blendenzahl k = f/D der Linsen ohne Berücksichtigung der Aperturblende liegt etwa zwischen k = 0,5 für asphärische Linsen und k = 4, die numerische Apertur A_Obj der Linsen beträgt für eine 1:1 Abbildung etwa

und ist daher bevorzugt kleiner als 0,5.

Aufgrund von weitgehend parallelem Licht sowie der hinter jeder einzelnen Mikrolinse positionierten Aperturblende (Telezentrieblende) wird seitlich einfallendes Licht ausgeblendet, so dass insbesondere keine Überlappung der Bildfelder der Einzellinsen des Mikrolinsenarrays auf den unterschiedlichen Abtastfeldern der Abtastblende bzw. des Abtastchips auftritt. Im Stand der Technik sind zur Vermeidung einer Überlappung der einzelnen Bildfelder weitere Maßnahmen erforderlich, wie etwa opake Elemente zur Trennung der Strahlengänge der einzelnen Mikrolinsen, was jedoch eine Vereinzelung der Linsen notwendig macht. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ist es jedoch, mit lediglich einem einzigen Aperturblendenarray, das in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinsen als zusammenhängendes Bauteil ausgebildet ist, sowie mit einem einzigen zusammenhängenden Mikrolinsenarray eine Überlappung der Bildfelder der Einzellinsen zuverlässig zu vermeiden bzw. auf einen hinreichend kleinen Bereich zu beschränken, ohne weitere Hilfsmittel zu benötigen.

Die Vorteile der telezentrischen Blenden in der gemeinsamen hinteren Brennebene der Mikrolinsen sind im Einzelnen:

1) Absorption der seitlich aus der Maßverkörperung austretenden Beugungsordnungen bei der Abtastung diffraktiv codierter Maßverkörperungen
2) größere Schärfentiefe und somit eine erhöhte Axialtoleranz zwischen dem Maßstab und der Abtasteinheit,
3) weitgehende Unabhängigkeit des Abbildungsmaßstabes von kleinen Abstands-Änderungen zwischen der Maßverkörperung und dem Mikrolinsenarray und daher weitgehende Konstanz des Abbildungsmaßstabes der Einzellinsen
4) enges Gesichtsfeld („field of view") der Einzellinsen und daher keine Überlappung der Bilder unterschiedlicher, insbesondere benachbarter Mikrolinsen.

Darüber hinaus kann ein derartiger Abtastempfänger insbesondere gleichermaßen für Maßverkörperungen eingesetzt werden, die als Codierung reflektive oder transmissive Amplituden- bzw. Phasengitter aufweisen. Zur Abtastung von diffraktiven Maßverkörperungen ist der Durchmesser der Aperturblenden insbesondere dadurch bestimmt, dass die nicht zu detektierenden, seitlich aus der Maßverkörperung austretenden Beugungsordnungen ausgeblendet werden.

Für unterschiedliche Anwendungsfälle, etwa zur Abtastung von Längen- oder Winkelmessgeräten, welche inkrementale oder absolute Codierungen mit unterschiedlichen Auflösungen aufweisen, müssen lediglich unterschiedliche Abtastblenden zur Verfügung stehen, während die Abtastflächen des Abtast-Empfängers unverändert bleiben können. Die Anordnung der Mikrolinsen auf dem Mikrolinsenarray ist daher lediglich an die Geometrie und die Anordnung der Abtastflächen des Abtast-Empfängers anzupassen und ist somit ebenfalls für verschiedene Codierungen universell verwendbar.

Vorzugsweise besteht das Linsenarray aus einem Glas- oder Kunststoff-Substrat und weist an seiner der Maßverkörperung zugewandten Seite konvex gekrümmte Linsenflächen auf, die einteilig mit dem Substrat verbunden sind, und die in einer zur Oberfläche des Abtastempfängers parallelen Ebene nebeneinander angeordnet sind. Die dem Abtastempfänger zugewandte Seite des Linsenarrays ist vorzugsweise eben. Somit entstehen plankonvexe Mikrolinsen, deren Linsenprofil sphärisch oder bevorzugt auch asphärisch sein kann.

Neben einem Mikrolinsenarray mit plan-konvexen Mikrolinsen ist auch die Verwendung von bikonvexen oder konvex-konkaven Linsen denkbar. Neben plan-konvexen Linsen werden aufgrund der besseren Abbildungsleitung für 1:1 Abbildungen besonders bevorzugt Mikrolinsenarrays mit bi-asphärischen, symmetrischen bikonvexen Mikrolinsen eingesetzt, welche vorder- und rückseitig die gleichen Krümmungsradien aufweisen.

Weiterhin ist es prinzipiell möglich, refraktive Mikrolinsen nach der Art von Fresnel-Linsen vorzusehen. Der Vorteil hierbei liegt insbesondere in der kleinen Linsenhöhe und der einfachen Fertigung mittels Prägetechniken in Kunststoffe oder Glas. Da die Beleuchtung mit weitgehend monochromatischem Licht erfolgt, wirkt sich die bei diffraktiven Linsen nachteilig auftretende Beugung nicht gravierend aus.

Vorzugsweise sind die Linsenflächen auf der Oberfläche des Substrates in einer regelmäßigen rechteckigen oder hexagonalen Rasterung angeordnet. Besonders bevorzugt werden Mikrolinsenarrays mit lückenlos direkt aneinander angrenzenden Linsenfächen, d.h. mit einem Füllfaktor von 100 % verwendet. Weiterhin sind prinzipiell auch unregelmäßige, nicht-periodische Anordnungen möglich. Der Durchmesser sowie die Linsen-Krümmung und damit auch die Brennweite sind dabei für alle Einzellinsen identisch. Es sei noch darauf hingewiesen, dass das Linsen-„Array" auch insofern entartet sein kann, als dass es lediglich eine einzelne Linse oder eine einzelne Reihe oder Spalte von Linsen aufweisen kann; entsprechendes gilt für das Aperturblendenarray.

Zur Herstellung des Mikrolinsenarrays können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Es ist möglich, die Mikrolinsenarrays mittels Präge-, Spritzguss- oder Spritzpräge-Techniken aus Kunststoff herzustellen. Dabei können entweder jeweils ganze Wafer strukturiert werden, wobei die Mikrolinsenarrays anschließend vereinzelt werden oder die einzelnen Mikrolinsenarrays werden separat gefertigt.

Weiterhin sind Glasprägetechniken, wie etwa das Blankpressen von Linsen insbesondere in Glasarten mit niedriger Glasübergangstemperatur bekannt, die eine Negativform direkt in Glas abprägen. Diese Prägetechniken sind insbesondere in der Lage, ineinander verlaufende oder direkt aneinander angrenzende Linsenformen herzustellen. Insbesondere ist es möglich, asphärisch geformte Linsen herzustellen. Auch mit dieser Technik ist es möglich, Glaswafer zu prägen und die einzelnen Mikrolinsenarrays anschließend zu vereinzeln.

Ein anderes bekanntes Verfahren, was etwa von der Firma SÜSS MicroOptics SA in Neuchatel in der Schweiz verwendet wird, nutzt Photolithographie mit Reflow des entwickelten Lacks und anschließendem reaktivem Ionen Ätzen (reactive ion etching, RIE) in Glaswafer. Dieser Wafer wird anschließend in einzelne Linsenarrays vereinzelt oder wird zur Herstellung eines Stampers für eine Replikationstechnik, wie etwa UV- oder Heißprägung verwendet. Die durch das Reflowverfahren hergestellten Linsen haben dabei einen Mindestabstand von einigen Mikrometern.

Die Abtastblenden sowie die Aperturblenden werden bevorzugt in Form von Glaswafern mittels photolithographischer Strukturierung einer weitgehend lichtundurchlässigen Schicht hergestellt, die beispielsweise aus Chrom, Aluminium oder Titan oder Titanverbindungen besteht und aufgedampft oder gesputtert wird, etwa mittels eines Resist Lift-off Verfahrens.

Zur Herstellung der Abtasteinheit werden entweder nacheinander die Abtastblende, das Aperturblendenarray und anschließend das Mikrolinsenarray auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers positioniert, oder es wird zunächst die Abtastblende sowie das Mikrolinsenarray mit dazwischen angeordnetem Aperturblendenarray zueinander positioniert und diese Baueinheit anschließend auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers angeordnet. Weiterhin ist es im letzteren Fall möglich, die bereits vereinzelten Abtastblenden sowie Mikrolinsenarrays zueinander zu positionieren, oder aber die jeweiligen Wafer, welche die Mikrolinsen und die Aperturblenden bzw. die Abtastblenden tragen, zunächst zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend etwa mittels einer Wafersäge zu vereinzeln.

Weiterhin ist es möglich, die Wafer der Mikrolinsenarrays, der Blenden sowie der Abtastempfänger-Chips zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend zu vereinzeln.

Die Anordnung und der Durchmesser der Mikrolinsen werden an die Geometrie und Anordnung der Abtastfelder des Abtastempfängers angepasst. Die Linsendurchmesser und die Brennweite der Einzellinsen sind dabei bevorzugt kleiner als 2 mm. Die Brennweite bzw. der Krümmungsradius der Mikrolinsen wird bevorzugt derart festgelegt, dass in Abhängigkeit von der Dicke der Abtastblenden-Platte, der Aperturblende sowie des Mikrolinsenarrays sowie in Abhängigkeit von den entsprechenden Brechungsindizes und dem Abbildungsmaßstab der Abstand der Mikrolinsen zur Abtastblendenöffnung bzw. zur Oberfläche der Empfängerflächen des Abtast-Empfängers exakt der Bildweite entspricht. Alternativ wird der Abbildungsmaßstab anhand der Linsenbrennweite, der Brechungsindizes sowie der Abstände ermittelt und die Abtastblenden-Öffnungen werden entsprechend angepasst.

Die Abstände der Mikrolinsen zum Maßstab einerseits und zur Oberfläche des Abtastchips bzw. der Abtastblendenöffnungen andererseits sind durch die Abbildungsgleichung bestimmt und bestimmen den Abbildungsmaßstab. Wird ein Abbildungsmaßstab von 1:1 gewählt, so beträgt der Abstand von der objektseitigen Hauptebene der Linsen zur Maßstabsoberfläche ebenso die doppelte Brennweite, wie der Abstand von der bildseitigen Hauptebene der Linsen zur Oberfläche des Abtastempfängers bzw. der Öffnungen der Abtastblende, der sich jedoch jeweils um den Faktor der jeweiligen Brechungsindizes verlängert. Ohne Einschränkung sind durch Variation der Abstände jedoch auch vergrößernde oder verkleinernde reelle (d.h. nicht-virtuelle) Abbildungen möglich, d.h. Abbildungen im Maßstab größer oder kleiner als eins. Eine verkleinerte Abbildung hat den Vorteil, dass der Abbildungskontrast erhöht wird.

Vorzugsweise befindet sich in der Brennebene der Mikrolinsen ein Array von Aperturblenden, wobei in der optischen Achse jeder Einzellinse eine Blende angeordnet ist. Somit liegt ein objektseitig telezentrischer Strahlengang vor. Hierdurch bleibt bei einer geringfügigen Abstandsänderung zwischen der Maßverkörperung und dem Linsenarray der Abbildungsmaßstab nahezu unverändert, wodurch vergleichsweise große Abstandstoleranzen zwischen der Maßverkörperung und der Abtasteinheit zulässig sind. Wird zur Beleuchtung weitgehend paralleles Licht verwendet, so wird durch die telezentrischen Aperturblenden wenn überhaupt nur wenig Licht ausgeblendet.

Das Aperturblendenarray wird dabei durch eine zumindest weitgehend lichtundurchlässige Schicht realisiert, die auf einem Träger-Substrat aufgebracht und lediglich an den Stellen der Blendenöffnungen entfernt ist. Die Blendenöffnungen sind bevorzugt rund. Die Blendenplatte bzw. der Blendenträger besteht dabei aus einem transparenten Substrat, wie etwa Glas oder Kunststoff. Hierzu wird zunächst eine photosensitive Lackschicht auf die Substratoberfläche etwa durch Spinning aufgebracht, die durch eine strukturierte Maske hindurch belichtet und entwickelt wird, so dass die Lackschicht partiell entfernt wird. Anschließend wird die lichtundurchlässige Schicht aufgebracht und zuletzt die verbliebene Lackschicht entfernt, so dass an diesen Stellen die transparente Substratoberfläche unbeschichtet verbleibt. Die lichtundurchlässige Schicht besteht aus Aluminium oder (Schwarz-)Chrom, bevorzugt jedoch aus Titan oder Titanverbindungen, um Rückreflexionen zu verringern, und wird bevorzugt auf eine Glasoberfläche mittels Aufdampfen, CVD, PVD oder Sputtern aufgebracht und mittels Photolithographie strukturiert. Die Oberfläche einer Aluminiumschicht als licht-absorbierende Blendenschicht kann darüber hinaus schwarz eloxiert sein, um Rückreflexionen des Lichts zu vermeiden. Diese aufgedampften oder gesputterten Schichten weisen in der Regel eine Dicke von lediglich etwa 20 nm bis 150 nm auf. Ohne Einschränkung sind jedoch auch andere opake metallische, dielektrische oder Kunststoff-Schichten einsetzbar. Eine eventuell vorhandene Feldblende, welche objektseitig auf dem Mikrolinsenarray vorgesehen sein kann, kann mittels einer entsprechenden Technik aufgebracht werden.

Das Aperturblendenarray kann ein separates Bauteil sein. Vorzugsweise ist dieses Blendenarray jedoch auf bereits verwendeten Bauteilen, wie etwa dem Linsenarray oder der der Abtastblende angeordnet. Somit entfällt ein separates Bauteil mit entsprechendem Justageaufwand. Möglich ist jedoch prinzipiell auch die Verwendung etwa einer dünnen Metallfolie mit entsprechenden Öffnungen als Aperturblendenarray bzw. Abtastblendenarray.

Bei einer ersten Ausgestaltung weist die Objektseite des Linsenarrays bevorzugt das Blendenarray auf, wobei in der optischen Achse jeder Einzellinse jeweils eine Aperturblende angeordnet ist. Die Dicke des Linsenarrays ist dabei derartig bemessen, dass die Brennebene der Einzellinsen in der planen Unterseite des Linsenarrays liegt. Hierdurch erhält man ein telezentrisches optisches System, wodurch eine geringfügige Abstandsänderung zwischen dem Maßstab und dem Linsenarray den Abbildungsmaßstab nicht wesentlich verändert, so dass das Gesamtmesssystem vergleichsweise abstandstolerabel im Hinblick auf den Abstand zwischen der Maßverkörperung und dem Abtastempfänger ist. Die Abstandstoleranz hängt von der Messperiode sowie von der Parallelität des beleuchtenden Lichtes ab und beträgt ca. 1 mm für eine Messperiodenlänge von 100 Mikrometern, etwa entsprechend 1024 Inkrementen auf einem Codescheiben-Durchmesser von 40 mm.

Demgegenüber weisen projektive optische Messverfahren ohne Verwendung abbildender Linsen gemäß dem Stand der Technik deutlich geringere Abstandstoleranzen von etwa 50 Mikrometer und weniger auf, je nach Breite des abzutastenden Messgitters.

Alternativ kann bei Verwendung einer Abtastblende das Aperturblendenarray auch auf der dem Abtastchip abgewandten Seite der Abtastblendenplatte angeordnet sein. Die dem Abtastchip zugewandte Seite der Blendenplatte trägt dabei die Abtastblenden, während die gegenüber liegende Seite das Aperturblendenarray aufweist. Die Glasplatte weist somit beidseitig strukturierte partiell lichtundurchlässige Schichten auf, in der Regel photolithographisch strukturierte Chrom- oder Titanschichten. Prinzipiell kommen auch andere Metallisierungsschichten, wie etwa Aluminium oder dielektrische Schichten in Betracht. Die Abtastblende weist dabei Öffnungen entsprechend der Codierung der Maßverkörperung auf, wobei der Abbildungsmaßstab sowie eine Invertierung aufgrund der einstufigen Abbildung zu berücksichtigen sind. Die durch die einzelnen Mikrolinsen generierte Abbildungs-Invertierung sorgt für eine partielle Umkehrung der Codestellen sowie für eine Änderung der Krümmung der Codespur bei Winkelcodescheiben.

Ferner ist es möglich, die Abtastblende direkt auf die Oberfläche des Abtastempfänger-Chips zu integrieren, etwa durch ein Aluminium-Layer, der in einem zusätzlichen Herstellungs-Prozessschritt auf die Chipoberfläche aufgebracht wird.

In diesem Fall, dass ein Abtastempfänger mit einem „phased Array", d.h. mit entsprechend der Maßverkörperung codierten Empfängerfeldern verwendet wird und somit keine Abtastblende notwendig ist, wird entweder eine separate Aperturblendenplatte verwendet, auf welche das Mikrolinsenarray montiert wird und deren Aperturblenden-Öffnungen dem Mikrolinsenarray zugewandt sind, oder es wird das Aperturblendenarray auf der Rückseite des Mikrolinsenarrays vorgesehen und eine separate transparente Glasplatte als Abstandshalterung zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger angeordnet. Durch die Dicke dieser Glasplatte ist der Abstand zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger eingestellt und es entfällt im letzteren Fall eine separate Justage des Aperturblendenarrays relativ zum Mikrolinsenarray.

Das Mikrolinsenarray, das Aperturblendenarray sowie die eventuell benötigte Abtastblende werden vorzugsweise direkt auf der Oberfläche des Abtastempfänger-Chips, quasi als „lens on reticle on chip" bzw. als „lens on glass on chip" montiert und anschließend seitlich mittels lichtundurchlässiger Vergussmasse fixiert. Weiterhin ist es möglich, die Oberflächen der einzelnen Komponenten, bestehend aus Mikrolinsenarray und den einzelnen Blendenplatten miteinander zu verkleben, insbesondere mit optischem Kleber zu verkitten, um Lufteinschlüsse zu vermeiden.

Vorzugsweise wird die Brennweite der Linsen in Abhängigkeit von der Dicke sowie der Brechungsindizes der bevorzugt als Glas- oder Kunststoff-Platten ausgebildeten Mikrolinsenarrays, der Abtastblende sowie des dazwischen angeordneten Aperturblendenarrays festgelegt, so dass bei Übereinanderlegen der einzelnen Komponenten auf der Oberfläche des Abtastempfängers die Bildweite quasi von selbst exakt eingestellt wird, so dass in axialer Richtung parallel zur optischen Achse des Abbildungsstrahlenganges keine Abstandskalibrierung mehr erforderlich ist.

Eine weitere konstruktive Möglichkeit liegt darin, die Abtastblenden-Öffnungen neben der Maßverkörperung anzupassen an den Abbildungsmaßstab, der sich ergibt aus der Linsenbrennweite sowie der Bildweite, also dem Abstand des Mikrolinsenarrays von Abtastempfänger sowie der jeweiligen Brechungsindizes des Mikrolinsenarrays sowie der Blendenplatte. Der sich daraus ergebende Abstand zwischen der Maßverkörperung sowie dem Mikrolinsenarray (die Gegenstandsweite) wird entsprechend eingestellt.

Da die Glasdicken des Mikrolinsenarrays und der Abtastblende nicht beliebig variierbar sind und die Bildebene in der Oberfläche der Abtastblenden-Öffnungen bzw. der lichtempfindlichen Flächen des Abtastempfängers liegen muss, kann es eventuell notwendig sein, die Brennebene um bis zu etwa 10–20 % der Brennweite, entsprechend etwa maximal 100– 200 Mikrometer oberhalb oder unterhalb der Aperturblenden-Öffnungen vorzusehen, d.h. die Aperturblenden befinden sich geringfügig im Off-Fokusbereich.

In dem Falle, dass diffraktive Maßverkörperungen verwendet werden, welche die optische Interferenz und Beugung des Lichtes ausnutzen, so treten neben den zu detektierenden Beugungsordnungen auch weitere Haupt- oder Nebenordnungen auf, die nicht detektiert werden. Das Aperturblendenarray gewährleistet bei richtiger Dimensionierung zugleich die Ausblendung dieser nicht zu detektierenden Haupt- oder Nebenordnungen.

Um zu vermeiden, dass Streulicht auf die lichtempfindlichen Flächen des Abtast-Empfängers gelangt, kann zusätzlich der objektseitige Bereich des Linsenarrays zwischen den Mikrolinsen mit einer lichtundurchlässigen Schicht als Feldblende versehen sein. Bei geeigneter Anordnung und Brennweite der Mikrolinsen kann diese Feldblende jedoch auch entfallen. Insbesondere dann, wenn das Mikrolinsenarray einen Füllfaktor von 100 % aufweist.

Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird vorzugsweise mittels einer Sammellinse (Kondensorlinse) parallelisiert und somit der Maßstab beleuchtet. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, eine optische Positionsmesseinrichtung mit divergentem Licht zu betreiben.

Als Lichtquelle werden gemäß dem Stand der Technik Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt, die im (nah-)infraroten (near IR) Spektrum emittieren. Allerdings ist auch die Verwendung von LEDs möglich, die im roten Spektrum oder im sichtbaren Spektrum emittieren. Die Halbwertsbreite beträgt dabei typischerweise etwa 20–50 nm. Weiterhin ist auch die Verwendung von Halbleiterlasern als Beleuchtungsquelle denkbar. Aus Kostengründen, aufgrund der geringeren Lebensdauer insbesondere bei hohen Temperaturen und der nachteilig hohen räumlichen und zeitlichen Kohärenz haben sich Laser als Lichtquelle in der maßstabsgebundenen Positionsmessung bislang jedoch nicht durchgesetzt.

Während bei Amplitudengittermaßstäben der Beleuchtungsstrahlengang kollinear zum Abbildungsstrahlengang ist, kann er bei diffraktiven Codierungen beispielsweise gemäß der DE 103 03 038 A1 in einem Winkel zu diesem angeordnet sein. Dieser Winkel entspricht vorzugsweise dem Winkel der ersten Beugungsordnung des an der diffraktiven Codierung gebeugten Lichtes. Somit geht in beiden Fällen der Beleuchtungsstrahlengang in den Abbildungsstrahlengang über. Nebenordnungen werden durch Aperturblenden mit entsprechender Anordnung sowie hinreichend geringem Durchmesser ausgeblendet.

Da eine lediglich einstufige optische Abbildung vorgesehen wird, muss die Invertierung der Abbildung berücksichtigt werden. Zum einen ist die Drehrichtung scheinbar entgegengesetzt, zum anderen muss die Invertierung der Codespurkrümmung im Falle von Winkelmessgeräten berücksichtigt werden. Hierzu werden die Blendenöffnungen auf der Abtastblende bzw. die Empfängerflächen im Falle eines Abtastempfängers mit auf die Chipoberfläche aufgebrachten „phased arrays" entsprechend angepasst.

Im Falle von absoluten Codierungen empfiehlt es sich, jedes Codefeld mittels einer separaten Mikrolinse abzubilden. Ansonsten muss im Falle der Abbildung von mehreren Codefeldern mit einer Linse die Invertierung der Codefelder, die durch die einzelnen Linsen auf den Abtastempfänger abgebildet werden, entsprechend berücksichtigt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Abtasteinheit in Verbindung mit einer Nonius-codierten Maßverkörperung etwa gemäß der DE 103 32 413 B3 , da hierbei jede Codespur inkremental ist und man durch Berücksichtigung der Phasenlagen der unterschiedlichen Codespuren zueinander eine absolute Positionsinformation erhält.

Ausführungsbeispiele
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich gemacht.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstellung,
2 eine Aufsicht auf die Abtasteinheit gemäß der 1,
3 ein seitlichen Schnitt durch das Mikrolinsenarray gemäß des ersten Ausführungsbeispiels,
4 einen Ausschnitt aus einem seitlichen Schnitt durch ein Mikrolinsenarray gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels,
5 einen seitlichen Schnitt durch einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
6 eine perspektivische explodierte Darstellung eines Teiles der Positionsmesseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
7a und b zeigen die Aufsicht sowie die seitliche Gesamtansicht des Mikrolinsenarrays gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
8 zeigt die Divergenz des beleuchtenden Lichtes,
9 zeigt schematisch die Divergenz des aus der Maßverkörperung austretenden Lichtes sowie den Abbildungsstrahlengang,
10 stellt einen Ausschnitt aus der Aufsicht auf das Mikrolinsenarray mit darunter liegenden Abtastblenden-Öffnungen sowie Abtastempfänger-Flächen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dar,
11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Abtasteinheit,
die 12a–c zeigen schematisch die Abbildungs-Invertierung bei der Abbildung von rotativen Maßverkörperungen,
13 zeigt schematisch die Berücksichtigung der Invertierung der Codierung aufgrund der einstufigen Abbildung,
die 14a und b zeigen die Beleuchtungsanordnung von transmissiven und reflektiven diffraktiven Maßverkörperungen,
die 15 stellt eine vorzugsweise Anordnung der Mikrolinsen zur Abtastung von inkremental codierten Maßverkörperungen dar,
die 16 zeigt die Bildfeldüberlappung benachbarter Mikrolinsen,
die 17 stellt einen Abtastempfänger für eine reflektive Maßverkörperung dar,
die 18 zeigt das entsprechende Mikrolinsenarray gemäß der 17,
die 19 und 20 zeigen Ausschnitte aus dem Beleuchtungs-Strahlengang zur Beleuchtung einer reflektiven Maßverkörperung,
die 21 zeigt einen Abtastempfänger mit in das Mikrolinsenarray integrierten und schräg angeordneten Kollimatorlinsen,
die 22 zeigt einen Abtastempfänger mit integrierter Senderdiode,
die 23 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikrolinsenarrays mit darunter angeordneten Abtastblenden-Öffnungen,
die 24 zeigt den Verlauf eines schräg in eine Mikrolinse einfallenden Lichtbündels,
die 25 zeigt ein Mikrolinsenarray mit einem Linsen-Füllfaktor von 100%,
die 26 und 27 zeigen die Beleuchtung einer diffraktiven Maßverkörperung im transmissiven Fall (26) sowie im reflektiven Fall (27) und
die 28 zeigt die Abbildung einer inkrementalen Codierung durch benachbarte Mikrolinsen,
die 29 zeigt zwei Mikrolinsen mit dahinter angeordneten Abtastblenden-Öffnungen,
die 30 zeigt schematisch die Anordnung zweier benachbarter Abtastblenden-Öffnungen,
die 31 zeigt die hexagonale Anordnung der Mikrolinsen und
die 32 zeigt eine bevorzugte Anordnung von Maßverkörperung und Mikrolinsenarray.
In der 1 ist schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung dargestellt. Der Abtastempfänger 10 in Form eines Halbleiterchips, der etwa in einem CMOS-Prozess hergestellt wurde, ist auf einem Substrat 17 angeordnet, das etwa eine Leiterplatte oder ein Gehäuse sein kann. Bonddrähte 15 kontaktieren die Chipoberfläche mit Leiterbahnen (nicht zeichnerisch dargestellt) auf dem Substrat 17.
Direkt auf der Chipoberfläche ist eine Abtastblende 20 angeordnet, deren Blendenöffnungen auf der zum Chip zugewandeten Seite oberhalb der lichtempfindlichen Flächen des Abtastempfängers 10 positioniert sind. Die Abtastblende 20 besteht aus Glas oder Kunststoff und weise bei der Beleuchtungswellenlänge λ einen Brechungsindex n₂ auf.
Auf der Oberseite der Abtastblende 20 (objektseitig) ist ein Aperturblendenarray 40 angeordnet, worauf wiederum ein Mikrolinsenarray 30 angeordnet ist, derart, dass vorzugsweise in der Brennebene der Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 kreisförmige Aperturblenden-Öffnungen 41 vorgesehen sind. Dabei liegt in der optischen Achse 32 hinter jeder einzelnen Mikrolinse 31 genau eine Aperturblenden-Öffnung 41. Das Aperturblendenarray 40 ist vorzugsweise auf der Oberseite des Abtastblendenarrays 20 oder auf der planen Unterseite des Mikrolinsenarrays 30 angeordnet. Alternativ kann hierzu ein separates Bauteil vorgesehen werden. Die Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 sind als plankonvexe Linsenoberflächen auf der der Maßverkörperung 100 zugewandten Seite des Mikrolinsenarrays 30 angeordnet und bilden einen Teil der Codespuren der Maßverkörperung 100 auf die Oberfläche des Abtastempfängers 10 ab. Optional kann auf derjenigen Seite des Mikrolinsenarrays 30, welche der Maßverkörperung 100 zugewandt ist, der plane Bereich außerhalb der Öffnungen der Mikrolinsen 31 mit einer opaken Schicht 38 als Feldblende ausgebildet sein.
Vorzugsweise ist der Stapel auf der Oberfläche des Abtastempfängers 10, bestehend aus dem Mikrolinsenarray 30, der Abtastblende 20 und dem dazwischen angeordneten Aperturblendenarray 40, seitlich mit einer lichtundurchlässigen Vergussmasse 16 vergossen, welche auch die Bonddrähte 15 einschließt.
Die Maßverkörperung 100 trägt eine Positionscodierung, welche auf die Oberfläche des Abtastempfängers 10 abgebildet wird. Die Codierung kann dabei der Abtasteinheit 1 zu- oder auch abgewandt sein. In dem Fall, dass die Maßverkörperung 100 transmissiv ausgebildet ist, ist die codierte Seite der Maßverkörperung vorzugsweise der Abtasteinheit 1 zugewandt.
Bei einer Abbildung im Abbildungsmaßstab 1:1 betragen die Entfernung zwischen dem Maßstab 100 und dem Mikrolinsenarray 30 zweimal die Brennweite f der Mikrolinsen 31. Die Dicke d des Mikrolinsenarrays 30 ist derart bemessen, dass die Brennebene in etwa in der ebenen Rückseite des Mikrolinsenarrays 30 liegt.
Für eine Abbildung im Abbildungs-Maßstab 1:1 weist die Abtastblende 20 eine Dicke f' = n₂f auf, wobei f die Brennweite der Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 und n₂ den Brechungsindex der Abtastblende bezeichne.
Die 2 zeigt eine Aufsicht auf die Abtasteinheit 1 gemäß der 1. Zur besseren Erkennbarkeit sind die an sich durch die Aperturblende sowie die Abtastblende abgedeckten und daher nicht sichtbaren lichtempfindlichen Empfängerfelder 11 und 12 dargestellt, die auf der Oberfläche des Abtastempfängers 10 mit einem gewissen Abstand zueinander nebeneinander angeordnet sind. Es sind 6 Mikrolinsen 31 in einem regelmäßigen rechteckigen 2 × 3 Raster nebeneinander angeordnet, die teilweise aneinander angrenzen. Die Zwischenräume zwischen den Mikrolinsen, d.h. die verbleibende plane objektseitige Oberfläche des Mikrolinsenarrays 30 kann mit einer opaken Schicht 38 als Feldblende versehen sein. In der optischen Achse jeder Mikrolinse 31 befindet sich jeweils eine Aperturblende 41, durch welche das Licht auf die darunter angeordneten Empfängerfelder 11, 12 des Abtast-Empfängers abgebildet wird. Dabei fällt das Bild jeder Mikrolinse 31 jeweils auf genau zwei getrennte Empfängerfelder 11, 12 des Abtastempfängers 10.
In der 3 ist das Mikrolinsenarray 30 im seitlichen Schnitt nochmals dargestellt. Es sind drei nebeneinander angeordnete Mikrolinsen 31 erkennbar, welche jeweils von der Maßver körperung 100 ausgehendes, weitgehend paralleles Licht bündeln. Die Dicke d des Mikrolinsenarrays 30 korreliert insofern zur Brennweite f der Einzellinsen, als dass der Brennpunkt jeder Einzellinse in der bildseitigen Rückseite des Mikrolinsenarrays 30 liegt. Auf dieser Rückseite des Mikrolinsenarrays ist ein Array von Aperturblenden 40 in Form einer opaken Schicht angeordnet, welche Aperturblenden-Öffnungen 41 in den Brennpunkten der jeweiligen Mikrolinsen 31 aufweist.
Neben Maßverkörperungen, die nicht-diffraktive Codierungen aufweisen, welche die Amplitude des einfallenden Lichtes modulieren, sind etwa aus der DE 103 03 038 Maßverkörperungen bekannt, welche binäre Codefelder aufweisen, die unstrukturiert sind bzw. die mit diffraktiven optischen Elementen, wie etwa mit Liniengittern versehen sind. Dabei wird beispielsweise lediglich die minus erste Beugungsordnung detektiert, wozu die Maßverkörperung mit schräg parallel einfallendem Licht beleuchtet wird, wobei der Beleuchtungswinkel dem Winkel α_–1 der ersten Beugungsordnung entspricht. Dann verlässt die zu detektierende minus erste Beugungsordnung die Maßverkörperung weitgehend senkrecht, während die nullte Beugungsordnung die Maßverkörperung um den Winkel α_–1 (zur Flächennormalen gemessen) schräg verlässt. Insbesondere darf die nullte Beugungsordnung hierbei nicht detektiert werden, da diese sowohl in den strukturierten als auch den unstrukturierten Codefeldern auftritt.
Dasjenige Licht, welches schräg parallel einfällt und einen hinreichend großen Winkel α zur optischen Achse 32 einschließt, wird in der Brennebene außerhalb der Aperturblenden-Öffnungen 41 in einem Abstand x zur optischen Achse kollimiert und somit ausgeblendet. Zusätzlich ist sicherzustellen, dass der Abstand x zur optischen Achse nicht etwa ein Vielfaches des Linsendurchmessers D beträgt und somit durch eine Aperturblenden-Öffnung einer anderen Mikrolinse 31 transmittiert. Sei n₁ der Brechungsindex des Mikrolinsenarrays, dann ergibt sich der Abstand x zu: x = d tan(β) mit n₁ sin(β) = sin(α) gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz. Dies bedeutet, dass insbesondere gelten muss:
was sich für plankonvexe Linsen mit d = f n₁ ergibt aus der Ungleichung:
wobei sin(α_–1) = n₁ sin(β) und A der Durchmesser der Aperturblenden ist.
Für den Beugungswinkel sin(α_–1) der minus ersten Ordnung gilt der Zusammenhang: sin(α_–1) = λ/Λ, wobei λ die Wellenlänge des beleuchtenden Lichtes ist und Λ die Gitterkonstante des Beugungsgitters. Für λ = 740 nm und Λ = 1,25 μm erhält man beispielsweise einen Beugungswinkel von sin(α_–1) = 36,3°. Somit ergibt sich mit einer Dicke d des Mikrolinsenarrays 30 von d = 1,5 mm und einem Brechungsindex von n₁ = 1,4524 (für Quarzglas, SiO₂) ein Abstand x = 0,67 mm. Bei einem Linsendurchmesser D von beispielsweise D = 0,42 mm bedeutet das, dass das Licht der nullten Beugungsordnung ausgeblendet wird, solange für die Aperturblenden-Öffnung A gilt: A < 2 min{x,|D – x|,|2D – x|,...} = 2 min{nD – x|, n ∈ N ∪ {0}}, also etwa A = 0,3 mm, da das Licht auch nicht durch die Aperturblenden-Öffnungen benachbarter Mikrolinsen fallen darf.
Die 4 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist eine einzelne Linse 31 eines Mikrolinsenarrays 30, welches plankonvexe Mikrolinsen 31 aufweist, die voneinander beabstandet sind. Das Mikrolinsenarray weise einen Brechungsindex n₁ auf, dann gilt für die bildseitige Brennweite f der plankonvexen Mikrolinsen:
wobei R der Krümmungsradius der Mikrolinse 31 ist. Weiter gilt für die Entfernung der objektseitigen Hauptebene H zur bildseitigen Hauptebene H' der Zusammenhang:
Für einen Brechungsindex n₁ = 1,5 erhält man somit beispielsweise: HH' = d/3. Die rückseitige (bildseitige) Brennweite (BFL, back focal length) ist nun gegeben durch: BFL = f – d + HH' = R/(n₁ – 1) – d/n₁. Die rückseitige Brennweite ist also genau dann gleich Null, wenn gilt: d (n₁ – 1) = R n₁, was bedeutet, dass d = f n₁ bzw. dass HH' = R.
Sei beispielsweise d = 1,5 mm, dann folgt aus der Bedingung mit einem Brechungsindex von n₁ = 1,4524 für die Brennweite f der Mikrolinsen: f = 1,033 mm, woraus sich ein Krümmungsradius R der Mikrolinsen von R = 0,467 mm errechnet.
Für die Linsenhöhe s („lense sag") gilt nach Pythagoras der folgende Zusammenhang: R = s/2 + D²/(8s). Mit einer Linsenhöhe von s = 50 μm und einem Linsendurchmesser von D = 0,42 mm ergibt sich beispielsweise ein Krümmungsradius der Linse von R = 0,466 mm.
Auf der dem Abtastempfänger 10 zugewandeten Seite des Mikrolinsenarrays 30, d.h. bildseitig, ist das Aperturblendenarray 40 in Form einer opaken Schicht mit Blenden öffnungen 41 aufgebracht. Für eine Abbildung im Abbildungsmaßstab 1:1 muss die Dicke der Abtastblende dann f' = f n₂ betragen. Verwendet man beispielsweise die gleiche Glasart für die Abtastblende, so ist die Dicke f' der Abtastblende bei einem Abbildungsmaßstab von 1:1 identisch mit der Dicke d des Mikrolinsenarrays.
Wird für die Abtastblende eine Glasart mit einem unterschiedlichen Brechungsindex verwendet, so muss die Abtastblende eine unterschiedliche Dicke aufweisen, damit die Bildebene in der Oberfläche des Abtastempfängers bzw. der Abtast-Blendenöffnungen liegt. Da Glasplatten nicht in beliebigen Dicken verfügbar sind, kann es notwendig sein, das Aperturblendenarray um bis zu etwa 10–20 % der Brennweite in einer parallel versetzten Ebene außerhalb der Brennebene der Mikrolinsen 31 anzuordnen. Eine Abschirmung von schräg einfallendem Licht sowie eine Separierung der Abbildungsstrahlengänge der verschiedenen Mikrolinsen 31 sind somit noch gewährleistet. Vorzugsweise werden Mikrolinsen mit möglichst kurzer Brennweite von 2 mm oder weniger verwendet, um bei entsprechender Auslegung neben einem kleinen Aufbau der Abtasteinheit insbesondere auch kleine Abstände zur Maßverkörperung zu erreichen. Neben dem somit ergebenden kompakten Aufbau der Positionsmesseinrichtung ergibt sich der weitere Vorteil, dass das Licht, welches die Maßverkörperung 100 verlässt, nicht stark divergiert und sich neben einer hohen Lichtintensität insbesondere auch ein hoher Kontrast des auf den Abtastempfänger abgebildeten Lichtes einstellt, was zu hoch interpolierbaren Positionssignalen führt.
In der 5 ist ein seitlicher Ausschnitt der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt und zeigt den Abbildungsstrahlengang ausgehend von der mittels Hellfeldern 120 und Dunkelfeldern 110 codierten Oberfläche der Maßverkörperung 100. Das parallel zur optischen Achse 32 einer Mikrolinse 31 verlaufende Licht wird durch die Mikrolinse 31 in der bildseitigen Brennebene fokussiert, in welcher das Aperturblendenarray 40 angeordnet ist, durchläuft die Blendenöffnung 41 und wird auf die Rückseite der Abtastblende 20 abgebildet. Dort befinden sich in Korrespondenz zur Codierung der Maßverkörperung 100 Blendenöffnungen (nicht zeichnerisch dargestellt), durch welche das Licht auf die lichtempfindlichen Empfängerfelder des Abtastempfängers 10 gelangt. Aufgrund der Divergenz des Senderlichtes sowie aufgrund von Beugung des Lichtes an den Codeflächen weist das die Maßverkörperung 100 verlassende Lichtbündel einen Divergenzwinkel 2δ auf. Die Blendenöffnungen des Aperturblendenarrays sind vorzugsweise so groß, dass weitgehend das gesamte Licht, welches die Maßverkörperung 100 mit dem Divergenzwinkel 2δ in der optischen Achse 32 einer Mikrolinse 31 verlässt, die zugehörige Aperturblende nicht-abgeschattet durchläuft. Das bedeutet, dass in diesem Fall für den Durchmesser A der Aperturblenden 41, die in den Brennebenen der Mikrolinsen positioniert sind, der folgende Zusammenhang gilt:
In der 6 ist schematisch eine Explosionsdarstellung einer Maßverkörperung 100 mit Hellfeldern (120) und Dunkelfeldern (110), eines Mikrolinsenarrays 30 mit bildseitig aufgebrachtem Aperturblendenarray 40 sowie einer Abtastblende 20 mit bildseitig angeordneten Blendenöffnungen 21 dargestellt. Die Blendenöffnungen der Abtastblende sind in Gruppen angeordnet, wobei eine Anzahl von Blendenöffnungen oberhalb jeweils einer lichtempfindlichen Abtastfläche des Abtastempfängers 10 positioniert ist. Hier sind beispielhaft 6 × 2 Gruppen von Abtastflächen mit entsprechenden Abtastblendengruppen dargestellt, so dass je zwei Mikrolinsen 31 das von der Maßverkörperung 100 ausgehende Licht auf je eine Abtastblendengruppe abbildet. Die Abtastblendenöffnungen 21 sind zur Abtastung von inkrementalen Positions-Codierungen vorzugsweise nicht rund, sondern sinusbogenförmig begrenzt, um sinusförmige Positionssignale zu generieren.
Das Mikrolinsenarray 30 und das Abtastblendenarray 20 liegen nach der Montage der Abtasteinheit 1 direkt aufeinander sowie auf dem Abtastempfänger 10 auf und sind hier explodiert dargestellt, um den Blick auf das Aperturblendenarray 40 mit seinen Blendenöffnungen 41 freizugeben. Die Blendenöffnungen 41 liegen dabei jeweils in der optischen Achse jeder Einzellinse des Mikrolinsenarrays 30.
In der 7a ist die Aufsicht auf das Mikrolinsenarray 30 dargestellt, welches beispielhaft ein rechteckiges Raster (Array) von 4 × 6 Mikrolinsen 31 aufweist. In der 7b ist eine Seitenansicht desselben Mikrolinsenarrays 30 zeichnerisch dargestellt. Auf der bildseitigen Rückseite des Mikrolinsenarrays 30 ist das Aperturblendenarray 40 angeordnet, wobei hinter jeder Einzellinse 31 des Mikrolinsenarrays 30 eine Aperturblenden-Öffnung 41 vorgesehen ist. Auf der Objektseite des Mikrolinsenarrays kann eine Feldblende 38 vorgesehen werden, welche sich über den gesamten planen Bereich erstreckt, in welchem sich keine Linsenöffnungen befinden. Besonders bevorzugt werden Mikrolinsenarrays mit einem Füllfaktor von 100 % verwendet, wie in der 25 dargestellt ist.
Die 8 zeigt eine schematische Ansicht des Beleuchtungsstrahlenganges. Dabei wird das vom Lichtsender 50 emittierte Licht durch die Kondensorlinse 55 weitgehend parallel kollimiert, d.h. der Lichtsender 50 ist mittig zur optischen Achse in der hinteren Brennebene der Kondensorlinse 55 angeordnet. Somit wird die Lichtquelle ins Unendliche abgebildet. Als Lichtsender wird vorzugsweise eine LED (light emitting diode) verwendet. Das licht-emittierende Halbleiterplättchen weise eine Kantenlänge k auf. Mit der Brennweite F der Kondensorlinse 55 ergibt sich somit der halbe Öffnungswinkel δ₀ des emittierten Lichtes zu:
In dem Fall, dass die Linsenapertur der Beleuchtungsapertur entspricht, gilt:
so dass sich ergibt:
Mit einer Kantenlänge k = 0,1 mm des licht-emittierenden Halbleiters und einer Brennweite F = 4 mm der Kondensorlinse ergibt sich beispielsweise ein halber Öffnungswinkel des beleuchtenden Lichtbündels von δ₀ = 0,72°. Da die Maßverkörperung kein Selbststrahler ist, sondern von der Lichtquelle beleuchtet wird, muss die Beleuchtungsapertur A_Bel der Lichtquelle für das Auflösungsvermögen sowie für die Bestimmung der Apertur A_Obj der Mikrolinsen berücksichtigt werden. Der Abstand von Objektstrukturen an der Auflösungsgrenze beträgt dann:
In der 9 ist der Abbildungsstrahlengang für eine Abbildung der Codierung der Maßverkörperung im Maßstab 1:1 dargestellt. Dabei kann die Maßverkörperung etwa reflektiv oder transmissiv ausgebildet sein. Das die Maßverkörperung 100 verlassende Lichtbündel weist einen Öffnungswinkel 2δ auf und wird mittels der Mikrolinse 31 durch die Öffnung 41 der Aperturblende hindurch auf die Oberfläche der Abtastblende 20 bzw. des Abtastempfängers 10 abgebildet.
Der Durchmesser A der Öffnung der Aperturblende 41 ist höchstens so groß zu bemessen, dass bei Maßverkörperungen mit diffraktiven Beugungsgittern kein Licht der nicht zu detektierenden Beugungsordnungen durch die Aperturblenden-Öffnungen 41 gelangt, während das Lichtbündel des zu detektierenden Lichtes weitgehend ohne Ausblendung durch die Aperturblenden-Öffnung 41 hindurch auf den Abtastempfänger 10 gelangt. Wird die Blendenöffnung 41 zu weit geschlossen, so nimmt die Intensität des Lichtes, das auf den Abtastempfänger fällt, stark ab. Wird stark divergentes Licht zur Beleuchtung verwendet, etwa wenn keine Kondensorlinse zwischen dem Lichtsender 50 und der Maßverkörperung 100 vorgesehen wird, so führt eine weit geöffnete Aperturblende zu einer geringeren Abstandstoleranz zwischen der Maßverkörperung 100 und der Abtasteinheit 1. Weiterhin wird durch die telezentrische Anordnung der Aperturblende 40 in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinsen 31 erreicht, dass sich der Abbildungsmaßstab bei einer geringfügigen Abstandsänderung bzw. einer leichten Schrägstellung zwischen der Maßverkörperung 100 und den Mikrolinsen 31 nur sehr geringfügig ändert. Insgesamt ergibt sich aufgrund der Abbildung sowie der Bündelbegrenzung durch die Aperturblenden ein um mindestens den Faktor 10 erhöhte Abstandstoleranz zwischen der Maßverkörperung und der Abtasteinheit im Vergleich zu Positionsmessgeräten mit projektiv detektierten Maßverkörperungen nach dem Stand der Technik.
Die 10 zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Abtasteinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Aperturblenden, die Abtastblenden sowie eine eventuell vorhandene Feldblende transparent dargestellt, um die darunter liegenden Bauteile zu erkennen. Dargestellt sind zwei lichtempfindliche Empfängerfelder 11, 12 des Abtastempfängers 10 mit darüber angeordneter Abtastblende 20, welche sinusbogenförmig begrenzte Blendenöffnungen 21, 22 zur Detektion einer inkrementalen Codespur mit einer Messperiode p aufweist. Die einzelnen Blendenöffnungen, die hinter derselben Mikrolinse liegen und einem Empfängerfeld 11 bzw. 12 zugeordnet sind, sind bei einem vorausgesetzten Abbildungsmaßstab der Mikrolinsen von 1:1 jeweils um eine Länge p zueinander in Messrichtung versetzt angeordnet. Die maximale Breite der Blendenöffnungen in Messrichtung beträgt dabei p/2. Für einen allgemeinen Abbildungsmaßstab M weisen die Blendenöffnungen hinter derselben Linse daher in Messrichtung einen Versatz von Mp zueinander auf und stets eine maximale Breite von Mp/2. Demgegenüber weisen die Blendenöffnungen 21, 22 unterschiedlicher Empfängerfelder 11, 12, die senkrecht zur Messrichtung angeordnet sind, einen Versatz c in Messrichtung um eine viertel Messperiode (wie zeichnerisch dargestellt, im allgemeinen Fall entsprechend Mp/4), eine halbe oder eine dreiviertel Messperiode zueinander auf, um entsprechend um 90°, 180° und 270° phasenverschobene, sinusförmige Positionssignale zu generieren. Wie wir später noch sehen werden, kommt für benachbarte Abtastblenden-Öffnungen, die hinter unterschiedlichen Mikrolinsen angeordnet sind, noch eine zusätzliche Verschiebung bzw. ein Versatz hinzu (vgl. 23 und 28).
Je Abtastfeld sind hierbei zwei Mikrolinsen 31 vorgesehen, welche das von der Maßverkörperung modulierte Licht in die Ebene der Abtastblenden-Öffnungen 21, 22 abbildet. Da die strukturierte Seite der Abtastblende, welche die Blendenöffnungen trägt, vorzugsweise zur Oberfläche des Abtastempfängers 10 zugewandt ist, ist eine Abbildung in die Ebene der Blendenöffnung quasi gleichbedeutend mit einer Abbildung in die Ebene der lichtempfindlichen Empfängerfelder 11, 12. Wird die Abtastblende mit der Blendenöffnungs-Seite vom Abtastempfänger wegweisend montiert, so wäre ein weiteres separates Bauteil notwendig, welches den notwendigen Abstand zum Aperturblendenarray sicherstellt; weiterhin würde die Bauhöhe der Abtasteinheit dadurch unnötig vergrößert.
Die Mikrolinsen 31 sind in einer regelmäßigen rechteckigen Rasterung mit einem Versatz von b in Messrichtung sowie einem Versatz von a quer zur Messrichtung angeordnet, d.h. die optischen Achsen benachbarter Mikrolinsen weisen einen Abstand von b in Messrichtung und einen Abstand a quer zur Messrichtung auf. Vorzugsweise sind diese Abstände an die Position der Empfängerfelder 11, 12 auf der Oberfläche des Abtastempfängers angepasst. Vorzugsweise ist a = b. Möglich sind jedoch auch andere, etwa unregelmäßige oder hexagonale Anordnungen der Mikrolinsen. Eine hexagonale Anordnung von Mikrolinsen zeigt die 31. Dabei sind die Öffnungen der Abtastblenden an die Anordnung der Mikrolinsen 31 angepasst.
Durch die punktiert dargestellten Öffnungen 41 der Aperturblende, die sich zwischen dem Mikrolinsenarray und der Abtastblende befindet, kann man in der 10 einzelne Blendenöffnungen erkennen, was für die Montage von Nutzen sein kann. Insbesondere können auf der Oberfläche der Abtastblende oder des Abtastempfängers Montagemarkierungen angeordnet sein, welche die Montage des Mikrolinsenarrays oberhalb der Abtastblende vereinfachen.
Neben der nacheinander erfolgenden Montage von Abtastblende und Mikrolinsenarray auf der Oberfläche des Abtastchips oberhalb der lichtempfindlichen Empfängerfelder ist es auch möglich, entsprechende Wafer, welche die Mikrolinsenarrays und die Abtastblenden tragen, zunächst zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend zu vereinzeln. In diesem Fall ist die Einheit, bestehend aus Mikrolinsenarray und Abtastblendenarray lediglich relativ zu den Empfängerfeldern des Abtastempfängers auszurichten. Weiterhin ist es möglich, die entsprechenden Mikrolinsen-, Abtastblenden sowie Abtastempfänger-Chip-Wafer zueinander auszurichten, zu bonden und anschließend zu vereinzeln.
Die unterschiedlichen, übereinander liegenden Glas- oder Kunststoff-Platten, welche das Mikrolinsenarray sowie die Abtastblende tragen, können miteinander sowie mit dem Abtastempfänger verkittet oder verklebt werden und anschließend seitlich mit einer vorteilhafterweise opaken Vergussmasse vergossen werden. Es ist darüber hinaus möglich, dass innerhalb dieser Vergussmasse insbesondere auch die Bonddrähte des Abtastchips liegen.
In der 11 ist ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer seitlichen Schnittansicht dargestellt. Zuoberst ist ein Mikrolinsenarray 30 mit symmetrischen bikonvexen Mikrolinsen 33 positioniert. Der Krümmungsradius der objektseitigen Oberfläche 33' der Mikrolinse 33 ist dabei vorzugsweise identisch mit dem Krümmungsradius der bildseitig angeordneten Oberfläche 33'' der Linse 33. Hierdurch wird in Zusammenhang mit vorzugsweise asphärischen Krümmungen der Oberflächen der Mikrolinsen eine optimale Abbildungsqualität erzielt. Allerdings ist prinzipiell auch die Verwendung von Linsen mit unterschiedlichen Krümmungsradien, insbesondere auch von konvex-konkaven Linsenformen möglich.
Das Auflösungsvermögen der Einzellinsen ist proportional zum Quotienten aus der Brennweite und dem Linsendurchmesser und ist daher auch bei kleiner Brennweite aufgrund des kleinen Linsendurchmessers ausreichend.
Das Mikrolinsenarray weist seitliche Stege 35 auf, welche einteilig mit dem Mikrolinsenarray ausgestaltet sind und die Positionierung des Mikrolinsenarrays 30 auf der darunter liegenden Glasplatte 45 insbesondere dann vereinfachen, wenn das Mikrolinsenarray lediglich eine einzelne Reihe oder eine einzelne Spalte von nebeneinander angeordneten Mikrolinsen 33 oder nur eine einzelne Mikrolinse aufweist. Diese Stege 35 können bei zweidimensionalen Linsenarrays jedoch auch fehlen.
Aufgrund der bikonvexen Linsengestaltung liegt hierbei der Brennpunkt nicht in der Rückseite des Linsenarrays 30. Daher ist eine zusätzliche Glasplatte 45 notwendig, deren Dicke derart bemessen ist, dass der Brennpunkt der Mikrolinsen vorzugsweise auf der Bildseite der Glasplatte 45 liegen. Zwischen der Unterseite der Glasplatte 45 und der Oberseite der Abtastblende 20 ist das Aperturblendenarray 40 angeordnet, dessen Öffnungen 41 in der optischen Achse 32 jeder der Mikrolinsen 33 liegen. Vorzugsweise ist das Aperturblendenarray 40 auf der Rückseite der Glasplatte 45 oder der Vorderseite der Abtastblende 20 angeordnet. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung auf der Vorderseite der Abtastblende 20, da in diesem Fall eine zusätzliche Positionierung von Abtastblende 20 zur Glasplatte 45 zueinander während der Montage der Abtasteinheit 1 entfällt.
Die Abtastblende 20 weist auf ihrer Unterseite, d.h. zur Oberfläche der Abtastempfängers 10 zugewandt, Blendenöffnungen 21 auf, durch welche das die Maßverkörperung verlassende Licht mittels der Mikrolinsen 33 des Mikrolinsenarrays 30 auf die lichtempfindlichen Flächen des Abtastempfängers 10 abgebildet wird. Der Abtastempfänger 10 ist auf einer Leiterplatte 17 oder in einem Gehäuse montiert und mittels Bonddrähten 15 mit Leiterbahnen (nicht zeichnerisch dargestellt) elektrisch leitend verbunden. Die einzelnen Komponenten auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers, d.h. das Mikrolinsenarray 30, die Glasplatte 45 sowie die Abtastblende 20 sind miteinander verkittet bzw. verklebt und alternativ oder zusätzlich durch eine vorzugsweise opake Vergussmasse seitlich vergossen und somit arretiert. Dabei werden die Bonddrähte 15 bevorzugt ebenfalls durch die Vergussmasse umschlossen.
Die 12a–c zeigen schematisch die Abbildungsinvertierung und daraus folgend die notwendigen Anpassungen der Abtastblenden-Öffnungen im Falle einer gekrümmten Codespur einer Codescheibe für ein Winkelmessgerät. Die Krümmung der Codespur ist gestrichelt und übertrieben dargestellt. Aufgrund der Invertierung durch das einstufige optische Linsensystem dreht sich nicht nur scheinbar die Bewegungsrichtung der Maßverkörperung um, sondern darüber hinaus auch die Krümmung der Codespur, was durch die durchgezogene Linie in den 12a–c dargestellt ist. Diese Krümmungs-Invertierung ist beim Design der Abtastblenden bzw. der lichtempfindlichen Empfängerflächen des Abtastempfängers im Falle der Verwendung von „phased arrays" auf der Chipoberfläche zu berücksichtigen.
In der 13 ist ein Ausschnitt aus einer Positionscodierung einer Maßverkörperung 100 dargestellt, bestehend aus der Codesequenz C₁ bis C₄. Diese Codesequenz kann etwa bei einer einspurigen Positionscodierung parallel zur Messrichtung oder bei einer mehrspurigen Codierung quer zur Messrichtung angeordnet sein. Je zwei Codestellen werden dabei mittels einer Mikrolinse 31 auf den Abtastempfänger 10 abgebildet. Dabei invertiert sich für jede der Mikrolinsen 31 die Reihenfolge der Codestellen, was insbesondere bei einer absoluten Positionscodierung durch eine anschließende Signalverarbeitung berücksichtigt werden muss.
In den 14a und 14b sind transmissive und reflektive Maßverkörperungen 200 dargestellt, welche Codefelder 220 aufweisen, die mit diffraktiven Phasengitter-Strukturen etwa in Form von Liniengittern strukturiert sind und Codefelder 210, die unstrukturiert sind. Das beleuchtende Licht fällt um den Winkel α_–1 zur Flächennormalen gemessen ein, welcher dem Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung entspricht, so dass das transmittierte bzw. das reflektierte Licht der minus ersten Beugungsordnung die Maßverkörperung 200 senkrecht verlässt. Falls die nullte Beugungsordnung nicht detektiert wird, werden die Codefelder 210 als Dunkelfelder und die diffraktiven Codefelder 220 als Hellfelder detektiert. Dies setzt voraus, dass die Apertur A_Obj der Mikrolinse kleiner ist als sin(2α_–1), wobei sin(α_–1) = λ/Λ. Da die Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays eine kleine Brennweite aufweisen, und insbesondere für die Abtastung von absolut codierten Maßverkörperungen eine große Fläche abgetastet wird, lässt es sich unter Umständen nicht vermeiden, dass Licht der nullten Beugungsordnung zumindest in einem Teil der Mikrolinsen gelangt.
Daher wird das Licht der nullten Beugungsordnung durch die Aperturblenden ausgeblendet, d.h. die notwendige Verringerung der Linsenapertur wird durch die Aperturblenden erreicht, die einen hinreichend kleinen Öffnungs-Durchmesser aufweisen. Der maximale Durchmesser A der Aperturblenden ist somit bei der Detektion von diffraktiven Maßverkörperungen durch den Beugungswinkel α_–1 der nullten Beugungsordnung bestimmt.
Um das den Maßstab verlassende Licht mit einer ausreichenden Intensität zu detektieren und eine ausreichende Auflösung zu erzielen, sollte der Durchmesser der Aperturblenden jedoch auch nicht zu klein sein. Vorzugsweise ist der Beugungswinkel α_–1 größer als der halbe Öffnungswinkel des die Maßverkörperung 200 weitgehend senkrecht verlassenden Lichtes der minus ersten Beugungsordnung. Dies wird durch eine hinreichend parallele Beleuchtung sowie durch eine hinreichend kleine Gitterkonstante Λ erreicht. Typische Gitterkonstanten liegen in einem Bereich von Λ = 1 μm bis etwa zwei Mikrometer, insbesondere zwischen 1,2 und 1,5 μm.
Bei der Detektion von diffraktiven Maßverkörperungen 200 muss zusätzlich zu dem Öffnungswinkel 2δ₀ bzw. der Apertur A_Bel der Beleuchtungsoptik noch die Aufweitung des die Maßverkörperung 200 verlassenden Lichtes infolge der Beugung berücksichtigt werden. Hierzu fällt das beleuchtende Licht in einem Einfallswinkel α_–1 auf die Maßverkörperung 200, wobei α_–1 dem Winkel der ersten Beugungsordnung entspricht, dann gilt:
Sodann folgt mit m = –1 und einem Einfallswinkel (α_–1 + δ₀) für den Beugungswinkel δ_–1, der minus ersten Beugungsordnung: sin(δ–1) = sin(α–1 + δ0) – sin(α–1) ≤ sin(δ0).
Das Beugungsmaximum der detektierten minus ersten Beugungsordnung wird weiterhin umso schmaler, je mehr Liniengitter je Codefläche verwendet werden. Bei einer Gitterkonstanten Λ und einer Anzahl N von Gitterlinien je Codefeld 220 ergibt sich für den Winkel δ₁ zwischen der ersten Beugungsordnung und dem ersten Nebenminimum der Zusammenhang:
wobei λ die Wellenlänge des zur Beleuchtung verwendeten Lichtes ist.
Beispielsweise erhält man für eine Wellenlänge λ = 850 nm, für N = 35 Gitterlinien je Codefeld und für eine Gitterkonstante Λ = 1250 nm einen vergleichsweise kleinen Öffnungswinkel von δ₁ = 1,1°.
Insgesamt erhält man mit dem Zusammenhang: δ = δ_–1 + δ₁ ≈ δ₀ + δ₁ eine vergleichsweise geringe Bündelaufweitung des Lichtes, das die Maßverkörperung 200 an den diffraktiven Codefeldern 220 weitgehend senkrecht verlässt und von dem Abtastempfänger 10 empfangen wird. Es ergibt sich für das aus der Maßverkörperung 200 austretende Licht somit eine Gesamtbeleuchtungs-Apertur von: A_Bel = sin(2δ) mit
für kleine Winkel δ₀, δ₁.
Die Aperturblenden-Öffnungen werden nunmehr soweit angepasst, dass die Linsen-Apertur A_Obj vorzugsweise größer ist als die Beleuchtungsapertur A_Bel, die nullte Ordnung mit dem Beugungswinkel α_–1 jedoch ausgeblendet wird, was bedeutet, dass A_Bel < A_Obj < sin(2α_–1) bzw. dass gilt:
wobei u der halbe Öffnungswinkel der Mikrolinsen sei, dann gilt insbesondere:
Für eine hinreichend große Anzahl N von Beugungsgittern je Codefeld 220 ist diese Bedingung bei ausreichend parallel kollimiertem Licht erfüllbar. Aus der Bedingung
für den Durchmesser der einzelnen Aperturblenden-Öffnungen folgt insbesondere die rechte Seite der obigen Ungleichung.
Weiterhin ist durch eine geeignete Geometrie sicherzustellen, dass die nullte Beugungsordnung nicht durch benachbarte Aperturblenden-Öffnungen auf den Abtastempfänger gelangt. Dies wird durch eine geeignete Wahl der Brennweite f der Mikrolinsen sowie dem Durchmesser der Aperturblenden-Öffnungen sichergestellt.
Für eine große Abstandstoleranz zwischen der Maßverkörperung 200 und der Abtasteinheit 1 ist eine kleine Beleuchtungs- bzw. Linsen-Apertur von Vorteil. Die Abstandstoleranz T zwischen der Maßverkörperung 200 und der Abtasteinheit beträgt bei einer Abbildung im Abbildungsmaßstab 1:1 dann
bei einem erlaubten Unschärfekreis-Durchmesser U für kleine Öffnungswinkel 2δ. Dabei bezeichne N die Anzahl der Gitterlinien pro Codefeld 220.
Hierdurch erhält man eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich höhere Abstandstoleranz zwischen der Maßverkörperung 200 und dem Abtastempfänger 10 bei gleichzeitig hinreichend großem Auflösungsvermögen sowie bei gleichzeitiger Ausblendung der nullten Beugungsordnung für eine hinreichend kleine Gitterkonstante Λ des Beugungsgitters, mit welchem die diffraktiven Codefelder 220 versehen sind. Weiterhin kann die Höhe des Beugungsgitters derart gewählt werden, dass die nullte Beugungsordnung weitgehend unterdrückt wird, was den Vorteil hat, dass die Intensität der detektierten minus ersten Beugungsordnung zunimmt. Dies kann bei reflektiven Maßverkörperungen etwa durch eine Stufenhöhe des Beugungsgitters von einer viertel Wellenlänge bzw. allgemein einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/4 an Luft erfolgen. Durchläuft das beleuchtende Licht ein Medium mit Brechungsindex n, etwa die Maßverkörperung selber, falls diese transparent ist und das Gitter rückseitig angeordnet und verspiegelt ist, so beträgt die Stufenhöhe bei reflektiven Maßverkörperungen vorzugsweise einem ungeradzahligen Vielfachen von λ/(4n), um eine Auslöschung der nullten Beugungsordnung zu bewirken. Für eine Beleuchtungs-Wellenlänge von λ = 740 nm und einen Brechungsindex von n = 1,5 des Maßverkörperungs- Materials errechnet sich im letzteren Fall die kleinste Gitterhöhe, für welche eine Auslöschung der nullten Beugungsordnung auftritt, zu λ/(4n) = 123 nm.
Für eine hohe inkrementale Strichzahl, die insbesondere auf Codescheiben kleinen Durchmessers vorgesehen werden, werden die Codefelder entsprechend schmaler. Um auch kleine Codefelder 220 mit einer ausreichenden Anzahl N von Gitterlinien zu versehen, werden hierzu vorzugsweise vergleichsweise kleine Gitterkonstanten von etwa 2 Mikrometer und weniger verwendet. Wird beispielsweise eine Gitterkonstante von 1,25 Mikrometern verwendet und die Wellenlänge λ des beleuchtenden Lichtes beträgt 880 nm, so beträgt der Beugungswinkel der minus ersten Beugungsordnung α_–1 = 44,7°.
Andere Vorrichtungen, wie in der DE 100 25 410 beschrieben, beleuchten eine Maßverkörperung, die diffraktiv codierte und unstrukturierte Flächen aufweist, mit weitgehend zur optischen Achse parallelem Licht, wobei die diffraktiven Flächen eine Auslöschung der nullten Beugungsordnung bewirken. Hierbei wird bevorzugt lediglich das Licht der nullten Beugungsordnung detektiert und das Licht der plus ersten bzw. minus ersten sowie höherer Beugungsordnungen wird durch die Aperturblenden ausgeblendet.
Die 15 zeigt schematisch die Abtastung einer inkremental codierten Maßverkörperung 100 mit Messperiode p, welche abwechselnd angeordnete Hellfelder 120 und Dunkelfelder 110 gleicher Breite aufweist. In dem Fall, dass die optischen Achsen 32 benachbarter Mikrolinsen 31, 33 einen Abstand von
aufweisen, so bilden beide Linsen 31, 33 die Hell- und Dunkelfelder im Überlappungsbereich jeweils aufeinander ab, falls ein Übersprechen überhaupt auftritt. Dabei ist M der Abbildungsmaßstab der Mikrolinsen und m eine natürliche Zahl. Für M = 1:1 ergibt sich beispielsweise ein entsprechender Abstand benachbarter Mikrolinsen zu b = m p/2. Im Allgemeinen weisen die von unterschiedlichen Linsen abgebildeten Codefelder jedoch einen Phasenversatz zueinander auf, der durch die Abtastblenden-Öffnungen korrigiert werden muss. Dieser allgemeine Fall wird in der 28 dargestellt und weiter unten beschrieben.
Um ein Übersprechen quer zur Messrichtung auszuschließen, werden benachbarte Codespuren auf der Maßverkörperung vorzugsweise mit einem ausreichenden Abstand vorgesehen.
In der 16 ist der Überlappungsbereich benachbarter Mikrolinsen 31, 33 dargestellt. Ein Übersprechen auf dem Abtastempfänger lässt sich nunmehr durch unterschiedliche Maßnahmen ausschließen: Die Mikrolinsen weisen einen entsprechenden Abstand zueinander auf, so dass keine Überlappung der Bildfelder benachbarter Mikrolinsen auftritt bzw. die Abtastblenden bzw. die lichtempfindlichen Empfängerflächen des Abtastempfängers werden nur in dem überlappungsfreien Bildfeldbereich der Mikrolinsen vorgesehen.
Sei 2δ das Minimum aus dem Öffnungswinkel des Lichtes, welches die Maßverkörperung 100 verlässt, bzw. aus dem Öffnungswinkel der Linse, welcher durch die Aperturblende begrenzt wird und g die Gegenstandsweite, dann beträgt die Höhe B des halben Bildfeldes:
Weisen benachbarte Mikrolinsen einen Abstand b zueinander auf, mit b > D, dann werden die Abtastblenden-Öffnungen bzw. die lichtempfindlichen Empfängerflächen vorzugsweise auf einen Bildfeldbereich beschränkt, für dessen halbe Höhe B' gilt: B' = min{b – B,B}. Mit einer Verkleinerung (M<1) lässt sich ein Überlappungsbereich gänzlich vermeiden, wenn gilt: 2B < b.
Beträgt der Öffnungswinkel 2δ = 3,6° und die Brennweite der Mikrolinsen f = 1 mm, so ergibt sich bei einem Abbildungsmaßstab von M = 1:1 beispielsweise eine seitliche Ausweitung des halben Bildfeldes um B – D/2 = 63 Mikrometer. Würden die Mikrolinsen direkt aneinander angrenzen, so beträgt der Überlappungsbereich 63 Mikrometer. In diesem Bereich sind keine Abtastblenden-Öffnungen vorzusehen.
Beträgt der Abstand b der benachbarten Mikrolinsen beispielsweise b = B + D/2 = D + 63 μm, so beträgt der abtastbare halbe Bildfeldbereich B' = D/2, d.h. das abtastbare Bildfeld entspricht dem gesamten Linsendurchmesser D.
In der 17 ist eine Abtasteinheit zur Abtastung einer reflektiven Maßverkörperung 200 dargestellt. Die Maßverkörperung 200 weist unstrukturierte Bereiche 210 sowie mikrostrukturierte Bereiche 220 auf. Die Mikrostrukturierung kann beispielsweise durch Liniengitter mit zur Zeichenebene lotsenkrecht stehenden Linien gegeben sein. Das Licht fällt unter einem Winkel α ein, welcher vorzugsweise dem Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung entspricht. Dementsprechend wird das Licht der minus ersten Beugungsordnung an den mikrostrukturierten Codebereichen 220 senkrecht in Richtung des Abtastempfängers 10 gebeugt. Dieses Licht wird, wie zuvor beschrieben, vom Abtastempfänger detektiert, indem es durch die Mikrolinsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 fokussiert wird und durch die Blendenöffnungen des Aperturblendenarrays 40 sowie durch die Abtastblende 20 hindurch auf die lichtempfindlichen Empfängerflächen des Abtastempfängers 10 gelangt.
Das Mikrolinsenarray 30, welches oberhalb der Abtastblende 20 auf dem Abtastempfänger 10 positioniert ist, ragt hierbei seitlich über den Abtastempfänger 10 hinaus und weist oberhalb des auf der Platine angeordneten Lichtsenders 50 eine in das Mikrolinsenarray 30 integrierte Kollimatorlinse 55 zur Kollimation des Senderlichtes auf. Der Lichtsender 50 ist derart seitlich angeordnet und die Krümmung der Kollimatorlinse 55 ist derart ausgebildet, dass das Licht durch die Kollimatorlinse 55 seitlich in einem Winkel α parallel ausgerichtet wird.
Dargestellt sind zwei beidseitig des Abtastempfängers 10 angeordnete Lichtsender 50, etwa LED's, zur Beleuchtung der Maßverkörperung 200. Es ist jedoch auch möglich, lediglich einen einzigen Lichtsender 50 zur Beleuchtung vorzusehen und entsprechend eine einzige Kollimatorlinse 55 in das Mikrolinsenarray 30 zu integrieren. Die Kollimatorlinse 55 kann rekraktiv oder auch diffraktiv in Form einer Fresnellinse ausgebildet sein. Weiterhin ist es möglich, beide Seiten der Kollimatorlinsen 55 gekrümmt auszuführen, also insbesondere auch die zum Lichtsender 50 hin weisende Seite. Vorzugsweise sind die Kollimatorlinsen 55 asphärisch gekrümmt.
Die Unterseite des Mikrolinsenarrays 30 weist oberhalb der Abtastblende 20 ein Aperturblendenarry 40 auf. Die opake Schicht dieser Blende dient im Bereich außerhalb des Abtastempfängers 10 als Feldblende, um seitlich abgestrahltes Licht des Lichtsenders 50 auszublenden. Diese Feldblende weist oberhalb der Lichtsender 50 Öffnungen 44 auf, deren Form an das zu beleuchtende Feld auf der Maßverkörperung 200 angepasst werden kann, etwa durch eine rechteckige Feldblendenöffnung 44.
Die Vergussmasse 16 umschließt hierbei den Abtastempfänger 10 mitsamt den Bonddrähten 15 und die Abtastblende, und endet an der Unterseite des Abtastblendenarrays 30. Hierdurch wird eine seitliche Einstrahlung von Licht auf die lichtempfindlichen Empfängerflächen des Abtastempfängers 10 vermieden. Das Mikrolinsenarray 30 ist vorzugsweise auf der Oberfläche der Abtastblende 20 verklebt. Die Lichtsender 50 sind vorzugsweise durch eine transparente Vergussmasse (nicht zeichnerisch dargestellt) mitsamt der kontaktierenden Bonddrähte 15 vergossen.
In der 18 ist das Mikrolinsenarray 30 in einer Aufsichtsansicht dargestellt. Es sind in einem Mittenbereich oberhalb des Abtastempfängers 10 vier Mikrolinsen 31 zur Abbildung der Codierung der Maßverkörperung 200 auf die Abtaster-Oberfläche sowie seitlich je eine Kollimatorlinse 55 in das Mikrolinsenarray 30 eingeformt, die zur Kollimation des Lichtes dienen, welches durch die unterhalb des Mikrolinsenarrays 30 angeordneten Lichtsender 50 emittiert wird.
Die 19 und 20 zeigen jeweils einen Ausschnitt der Platine 17, welche den Lichtsender 50 trägt, sowie denjenigen Ausschnitt des Mikrolinsenarrays 30, welcher die Kollimatorlinse 55 zur Kollimation des vom Sender ausgesandten Lichtes aufweist. Auf der Unterseite des Mikrolinsenarrays 30 ist eine Feldblende mit einer Öffnung 44 angeordnet, wobei die Feldblende vorzugsweise Bestandteil des Aperturblendenarrays ist. Vorzugsweise liegt die Oberfläche des Lichtsenders 50 in der hinteren Brennebene der Kollimatorlinse 55, d.h. auf der Höhe des hinteren Brennpunktes F'', allerdings um einen lateralen Abstand L zur optischen Achse 52 der Kollimatorlinse 55 seitlich verschoben, um ein schräg paralleles Lichtbündel zur Beleuchtung der Maßverkörperung zu erzielen. Der Winkel α zum Lot gemessen beträgt dabei tan(α) = L/F, wobei F die (hintere) Brennweite der Kollimatorlinse 55 ist.
Da das Licht des Lichtsenders 50 lediglich einen seitlich der optischen Achse 52 gelegenen Teil der Kollimatorlinse 55 beleuchtet, ist lediglich ein Ausschnitt der Kollimatorlinse 55 in das Mikrolinsenarray 30 eingeformt und der Sender 50 ist eben auf der Leiterplatte 17 montiert.
Ebenso ist es jedoch möglich, wie in der 20 dargestellt, den Sender 50 schräg auf einem Träger 51 auf der Leiterplatte 17 zu montieren, wobei der Montagewinkel γ vorzugsweise zwischen null und α liegt, d.h. 0 ≤ γ ≤ α In diesem Fall kann die Kollimatorlinse 55 vollständig oder weitgehend vollständig in das Mikrolinsenarray 30 eingeformt sein. Die Feldblenden-Öffnung 44 ist unsymmetrisch zur optischen Achse 52 der Kollimatorlinse 55 auf der Unterseite des Mikrolinsenarrays 30 angeordnet.
Die 21 zeigt weitere Ausführungsbeispiele eines Abtastempfängers 10 zur Detektion einer reflektiven Maßverkörperung 200. Hierbei sind die Kollimatorlinsen 55 zur Kollimation des Lichtes der Senders 50 zwecks Beleuchtung der Maßverkörperung 200 schräg in das Mikrolinsenarray 30 eingeformt, wobei die optische Achse 52 der Kollimatorlinsen 55 bevorzugt um denjenigen Winkel α relativ zur optischen Achse 32 der Linsen 31 des Mikrolinsenarrays 30 versetzt sind, um den das Licht auf die Maßverkörperung 200 fallen soll. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für ein aus Kunststoff gefertigtes Mikrolinsenarray 30.
Die Sender 50 können plan auf einer Leiterplatte 17 montiert sein oder auch bevorzugt um den Winkel α geneigt auf einem geeigneten Träger 51 angeordnet sein. Die zum Lichtsender 50 weisende Seite der Kollimatorlinse 55 kann plan oder bevorzugt auch konkav ausgebildet sein.
Neben der Verwendung mehrerer Lichtsender 50 und Kollimatorlinsen 55, ist es ebenfalls möglich, lediglich einen Lichtsender sowie eine einzige Kollimatorlinse vorzusehen. Weiterhin können auf einer Seite des Abtastempfängers 10 eine oder auch mehrere Lichtsender bzw. Kollimatorlinsen angeordnet sein.
Der Abtastempfänger-Chip kann ebenso wie die Lichtsender-LED als SMD- oder ball-gridarray (BGA)-Bauteil gehäust oder als Chip-on-Board (COB) auf einem Träger, etwa einer Leiterplatte angeordnet sein. Weiterhin kann die LED von einer transparenten Vergussmasse umhüllt sein, wobei ein Bonddraht zur Kontaktierung ebenfalls in die Vergussmasse eingebettet sein kann.
Weiterhin können der Lichtsender sowie der Abtastempfänger beispielsweise als Multichip-Modul etwa auf Dünnfilm oder auf einer Leiterplatte montiert sein und beispielsweise auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Weiterhin ist es denkbar, den Lichtsender und den Abtastempfänger mittels flip-chip Technik miteinander und/oder mit einer Leiterplatte zu verbinden.
Es ist auch möglich, eine LED als Lichtsender und den Abtastempfänger in einem einzigen Chip zu integrieren, wie in der 22 dargestellt ist. Hierzu überdeckt die Abtastblende 20 vorzugsweise auch die LED und weist in diesem Bereich eine Feldblenden-Öffnung 24 auf, um die Emission des Lichtes in Richtung der Kollimatorlinse 55 zu ermöglichen, eine Einstrahlung des Lichtes auf die Empfängerfelder 11, 12 des Abtastempfängers 10 infolge von Reflexionen jedoch zu vermeiden. Die Oberseite der Abtastblende 20 oder die Unterseite des Mikrolinsenarrays 30 weist oberhalb der Empfängerflächen bzw, unterhalb der abbildenden Mikrolinsen 31 das Aperturblendenarray 40 auf, welches zwischen der Fläche des Senders 50 und der Kollimatorlinse 55 als weitere Feldblende mit einer Blendenöffnung 44 wirkt. Um Reflexionen an der Unterseite des Blendenarrays 40 zu vermeiden, ist dieses vorzugsweise lichtabsorbierend bzw. antireflektiv ausgebildet. Es ist allerdings auch möglich, die Abtastblende nicht über dem Lichtsender anzuordnen und satt dessen einen lichtundurchlässigen Wall zwischen dem Senderbereich 50 und den Empfängerbereichen 11, 12 des Abtastchips 10 vorzusehen. Das Mikrolinsenarray 30 weist im Beleuchtungs-Strahlengang die Kollimatorlinse 55 und im Abbildungs-Strahlengang die Mikrolinsen 31 auf.
In der 28 ist die allgemeine Situation zweier in Messrichtung benachbarter Mikrolinsen 31, 33 dargestellt. Der Linsenpitch, d.h. der Abstand der optischen Achsen 32 der benachbarten Linsen betrage in Messrichtung die Länge b. Die Maßverkörperung 100 weise abwechselnd Hellfelder 120 und Dunkelfelder 110 mit einer inkrementalen Messperioden-Teilung p auf. Diese können wie bereits erwähnt, auf unterschiedliche Art und Weise ausgebildet sein, insbesondere durch ein Amplitudengitter (Chrom auf Glas) oder ein Phasengitter (Beugungsgitter) oder eine Kombination aus beiden. Betrachtet man die Randstrahlen, die auf dem Abtastempfänger 10 bzw. der Ebene der Abtastblenden-Öffnungen zusammentreffen, so ergibt sich die folgende Gleichung:
wobei n eine natürliche Zahl einschließlich der Null ist und mit 0 ≤ p₀ < p. Hierdurch ergibt sich eine Phasenverschiebung von:
der durch benachbarte Mikrolinsen abgebildeten Codeteilung. Diese Phasenverschiebung φ₀ ist im allgemeinen ungleich Null.
Diese Phasenverschiebung muss für die Anordnung der Abtastblenden-Öffnungen vor bzw. auf den Empfängerfeldern des Abtastempfängers berücksichtigt werden und ist abhängig von dem Linsenpitch b in Messrichtung, dem Abbildungsmaßstab M sowie der Messperiode p der Maßverkörperung. Zwar existieren diskrete Werte für den Linsenpitch b, für den in Abhängigkeit vom Abbildungsmaßstab M sowie der Messperiode p diese Phasenverschiebung null ist, jedoch ist bei rotativen Maßverkörperungen (Codescheiben) aufgrund der radialen Aufweitung der Codefelder die Messperiode p in radialer Richtung nicht konstant, so dass eine Anpassung der Abtastblenden-Öffnungen in diesem Falle notwendig ist. Da ohnehin eine an die jeweilige Maßverkörperung angepasste Abtastblende notwendig ist, werden erfindungsgemäß für verschiedene Maßverkörperungen unterschiedliche, an die Maßverkörperung sowie das Mikrolinsenarray angepasste Abtastblenden sowie einheitliche Linsenarrays verwendet, wobei lediglich die Geometrie der Linsenarrays und der Empfängerflächen des Abtastempfängers aufeinander abzustimmen sind.
Die 23 zeigt ein Mikrolinsenarray (30), bestehend aus einer kartesischen Anordnung von 4 × 6 Mikrolinsen (31, 33), welche 3 inkrementale Codespuren detektieren. Dabei handelt es sich um eine lineare 3-fach Nonius-Codierung gemäß der DE 103 32 413 B3 . Durch drei inkrementale Codierungen mit unterschiedlichen Messperioden kann aufgrund der Ermittlung des Phasenversatzes der unterschiedlichen Spuren zueinander die Position absolut bestimmt werden.
Die Mikrolinsen (31, 33) sind schematisch dargestellt. Natürlich können auch Mikrolinsen mit einem Linsen-Füllfaktor von 100 % verwendet werden. Hinter jeder Mikrolinse sind jeweils drei Abtastblendenöffnungen angeordnet. Je zwei in Messrichtung (angedeutet durch Doppelpfeil) benachbarte Mikrolinsen liegen jeweils vor einem gemeinsamen Empfängerfeld. Aufgrund des Linsenpitches b in Messrichtung weisen benachbarte Abtastblenden-Öffnungen, die hinter verschiedenen, benachbarten Mikrolinsen desselben Empfängerfeldes liegen, eine Phasenverschiebung von
modulo 2π auf (vgl. hierzu 28), resultierend in einer Verschiebung um eine Länge Mp₀.
Zusätzlich zu dieser Phasenverschiebung kommt eine Phasenverschiebung von
für benachbarte Mikrolinsen (31, 33) hinzu, die vor unterschiedlichen Empfängerfeldern zur Generierung von zueinander phasenverschobenen, sinusförmigen Positionssignalen angeordnet sind, mit ganzer Zahl n. Somit ergibt sich für den allgemeinen Fall die Gesamt-Phasenverschiebung der benachbarten Blendenöffnungen zu:
Die obige Phasenverschiebung resultiert für lineare Maßverkörperungen in einer Verschiebung benachbarter Abtastblenden-Öffnungen (21, 22), die hinter aneinander angrenzenden, unterschiedlichen Mikrolinsen (31, 33) angeordnet sind, um eine Länge:
parallel zur Messrichtung. Dabei weisen die Abtastblenden-Öffnungen (21), die hinter derselben Mikrolinse (31) und vor demselben Abtast-Empfängerfeld angeordnet sind, jeweils einen Versatz von Mp zueinander auf sowie eine maximale Breite in Messrichtung von Mp/2.
In der 29 sind für den Fall einer rotativen Maßverkörperung zwei aneinander angrenzende Mikrolinsen (31, 33) dargestellt, welche einen Pitch b in Messrichtung aufweisen, sowie dahinter angeordnete Abtastblenden-Öffnungen (21, 22).
In der 30 sind zwei benachbarte Abtastblenden-Öffnungen (21, 22) schematisch dargestellt. Jede der Abtastblenden-Öffnungen weist eine senkrecht zur Messrichtung verlaufende Mittelachse auf, welche eine Gerade definiert, die durch die beiden Endpunkte P₁ und P₂ bzw. P'₁ und P'₂ der Abtastblende verläuft.
Für rotative Maßverkörperungen ist die inkrementale Periode p abhängig vom Radius r der Codespur vermittels: p = 2πr/I, wobei I die Anzahl der Code-Inkremente pro Umdrehung sei. Dieses resultiert in einer vom Radius r der Codespur abhängigen Verschiebung von:
parallel zur Messrichtung.
Die Verschiebung von benachbarten Abtastblenden-Öffnungen (21, 22), die hinter angrenzenden Mikrolinsen (31, 33) angeordnet sind ergibt sich für rotative Maßverkörperungen nunmehr wie folgt: Verläuft die senkrecht zur Messrichtung angeordnete Mittelachse einer ersten Abtastblenden-Öffnung (21), die hinter einer ersten Mikrolinse (31) angeordnet ist, durch die Gerade, die gegeben ist durch die Endpunkte P₁, P₂, wobei der erste Endpunkt P₁ einen Codespur-Radius r₁ (i.e. Abstand zum Mittelpunkt der Codescheibe) aufweist und der zweite Endpunkt P₂ einen Codespur-Radius r₂, so verläuft die senkrecht zur Messrichtung verlaufende Mittelachse der benachbarten Abtastblenden-Öffnung (22), die hinter einer zweiten, zur ersten Mikrolinse (31) benachbarten Mikrolinse (33) angeordnet ist, in guter Näherung durch eine Gerade, die definiert ist durch die Punkte P'₁ und P'₂, wobei der folgende Zusammenhang gilt: |P₁ – P'₁| = E(r₂) und entsprechend |P₂ – P'₂| = E(r₁) (man beachte die Indizierung!).
Entsprechend gilt für Abtastblenden-Öffnungen (21, 22), die hinter derselben Mikrolinse (31) angeordnet sind:
In der 24 ist eine einzelne Mikrolinse (31) mit Krümmungsradius R und Brennweite f dargestellt sowie Lichtbündel, die durch den Mittelpunkt der Linse laufen. Diese sammeln sich in den jeweiligen Brennpunkten. Man erkennt, dass das um einen vergleichsweise großen Winkel α schräg einfallende Licht in einem Brennpunkt kollimiert wird, der deutlich vor der eigentlichen Brennebene liegt. Weiterhin wird dasjenige schräg einfallende Licht, das im Bereich der optischen Achse der Linse auftrifft (nicht zeichnerisch dargestellt), noch stärker fokussiert, wodurch eine Koma als monochromatische sphärische Aberration entsteht.
Da das Licht der nullten Beugungsordnung bzw. das Licht, welches auf unstrukturierte Flächen der Maßverkörperung fällt, um den Winkel α mit sin(α) = λ/Λ schräg auf die Mikrolinsen (31, 33) auftrifft und ausgeblendet werden soll, wird das Aperturblendenarray vorzugsweise in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene angeordnet, die zwischen dem Brennpunkt des schräg einfallenden Lichtes der nullten Beugungsordnung und dem Brennpunkt des parallel zur optischen Achse einfallenden Lichtes der minus ersten Beugungsordnung liegt. Letzterer definiert die klassische Brennebene. Daher ist vorzugsweise das Aperturblendenarray höchstens um den Abstand f(1 – cosα) von der Brennebene beabstandet in Richtung zur Maßverkörperung (100, 200) hin angeordnet.
In der 25 ist eine Schnittdarstellung eines Mikrolinsenarrays (30) dargestellt. Die Mikrolinsen (31, 33) sind dabei kartesisch angeordnet. Ist b der Linsenpitch in Messrichtung und a der Linsenpitch senkrecht dazu, dann ist vorzugsweise:
wobei R der Krümmungsradius der Mikrolinsen sei, d.h. es wird ein Füllfaktor von 100% erzielt. Dabei gehen die gekrümmten Linsenoberflächen direkt ineinander über. Mit a = b ergibt sich somit: a ≤ √2R.
Vorzugsweise fällt das Licht der nullten Beugungsordnung nicht in die vor dem Abtastempfänger (10) angeordneten Mikrolinsen (31, 33). Dies ist in der 26 für den transmissiven Fall und in der 27 für den reflektiven Fall dargestellt. Das auf die Maßverkörperung (200) fallende Licht wird durch eine Feldblenden-Öffnung oder durch eine Blenden-Kante (39) derart begrenzt, dass die dem Mikrolinsenarray (30) gegenüber liegenden Codestrukturen zwar vollständig beleuchtet sind, das Licht der nullten sowie der minus zweiten Beugungsordnung jedoch nicht in das Mikrolinsenarray (30) gelangt. Die entsprechende geometrische Bedingung lautet: g tan(α) > v, wobei g die Gegenstandsweite, α der Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung und v die laterale Ausdehnung des Mikrolinsenarrays (30) in derjenigen Ebene ist, auf der die Codeliniengitter der Maßverkörperung (200) senkrecht stehen.
Die mikrostrukturierte Seite der transmissiven bzw. der reflektiven Maßverkörperung (200) kann dabei, wie in der 26 dargestellt, zum Mikrolinsenarray (30) hinweisen oder, wie in der 27 für den reflektiven Fall gezeigt, von ihm wegweisen. Vorzugsweise weist die codierte Seite der reflektiven Maßverkörperung (200) von dem Abtastempfänger (10) weg. Hierbei ist die codierte Seite mit einer reflektiven Schicht versehen, beispielsweise mit einer Metallisierung, die aus Aluminium, Gold oder Nickel besteht und welche aufgedampft oder Gesputtert wird. Die Maßverkörperung ist dabei nicht auf diffraktive Codierungen beschränkt, sie kann vielmehr Codierungen in Form von Amplituden- bzw. Phasengittern aufweisen. Die Vorteile einer reflektiven Anordnung sind dabei im Einzelnen:
Die Baulänge des Messsystems ist geringer, da der Abstand zwischen der Maßverkörperung und dem Abtastempfänger kleiner ist, da die Dicke der Codescheibe Teil der Gegenstandsweite ist.
Die mikrostrukturierte Seite der Codescheibe, welche die Positionscodierung trägt, ist dabei mit einem reflektiven Medium, vorzugsweise einem Metall, wie etwa Gold, Aluminium oder Nickel beschichtet. Diese Beschichtung kann etwa mittels Sputtern, Bedampfen oder galvanisch aufgebracht werden. Daher ist diese Seite der Codescheibe vor äußeren Einflüssen geschützt, wie etwa Verschmutzung oder Betauung mit Wasserdampf.
Es tritt eine Defokussion von Schmutz bzw. Wasserdampf auf, welcher sich auf der zum Abtastempfänger hinweisenden Oberfläche der Codescheibe befindet; insbesondere dann, wenn der Abstand zwischen der zum Abtastempfänger hinweisenden Oberfläche der Codescheibe und dem Abtastempfänger kleiner oder gleich eine Brennweite f der Mikrolinsen beträgt.
In der 32 ist eine Maßverkörperung (100) dargestellt, welche eine Positionscodierung (110, 120) auf der dem Abtastempfänger (nicht zeichnerisch dargestellt) bzw. dem Mikrolinsenarray entgegengesetzten Seite aufweist. Die der Mikrolinse (31) zugewandte Seite der Maßverkörperung (100) ist unstrukturiert und weise bevorzugt einen Abstand von kleiner oder gleich der Brennweite f der Mikrolinse (31) zu dieser auf. Dann werden evtl. vorhandene Schmutzpartikel oder Kratzer, die sich auf der dem Abtastempfänger zugewandeten Seite der Maßverkörperung (100) befinden, defokussiert.

1: Abtasteinheit
10: Abtastempfänger
11, 12: Empfängerfelder
15: Bonddrähte
16: Vergussmasse
17: Substrat
20: Abtastblende
21, 22: Abtastblenden-Öffnungen
23: licht-undurchlässige Schicht
24: Feldblendenöffnung
30: Mikrolinsenarray
31, 33: Mikrolinse
33', 33'': Oberfläche der Mikrolinse 33
32: optische Achse einer Mikrolinse
35: Steg
38, 39: Feldblende
40: Aperturblendenarray
41: Aperturblenden-Öffnung
44: Feldblenden-Öffnung
45: Glasplatte
50: Lichtsender
51: Träger
52: optische Achse der Sammellinse
55: Sammellinse (Kondensorlinse, Kollimatorlinse)
100, 200: Maßverkörperung
110, 210: Dunkelfeld
120, 220: Hellfeld
R: Radius der Mikrolinse
f: Brennweite der Mikrolinse
f': Abstand
H: objektseitige Hauptebene der Linse
H': bildseitige Hauptebene der Linse
D: Linsendurchmesser
n₁: Brechungsindex der Mikrolinse
n₂: Brechungsindex der Abtastblende
d: Dicke des Mikrolinsenarrays
s: Linsenhöhe
A: Durchmesser der Aperturblenden
a, b: Linsenraster (kartesisch), Linsenpitch
α: Richtung des einfallenden Lichtes
α_–1: Winkel der minus ersten Beugungsordnung
β: Brechungswinkel des einfallenden Lichtes
2δ₀: Öffnungswinkel des einfallenden Lichtbündels
2δ₁: Öffnungswinkel des Lichtes der minus ersten Beugungsordnung
2δ: Gesamtöffnungswinkel des den Maßstab verlassenden Lichtes
2u: Öffnungswinkel der Linsenapertur
k: Kantenlänge des LED-Chips
F: Brennweite der Kollimatorlinse
x: laterale Ablenkung des Lichtes der nullten Beugungsordnung in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinse
c: Versatz
p: inkrementale Messperiode
C₁, ..., C₄: Positionscodes
A_Bel: Beleuchtungs-Apertur
A_Obj: Apertur der Mikrolinse
N: Anzahl der Gitterlinien pro Codefeld 220
U: Unschärfekreis-Durchmesser
T: Abstandstoleranz
M: Abbildungsmaßstab
B: Bildfeldbereich
g: Gegenstandsweite
k: Blendenzahl
L, L₁, L₂: lateraler Abstand
F', F'': Brennpunkte der Sammellinse
E: Entfernung
v: Breite des Linsenarrays
I: Anzahl der Inkremente
r: Radius der rotativen Codespur
P₁, P₂, P'₁, P'₂: Endpunkte der Abtastblenden-Öffnungen

Claims

Abtasteinheit (1) zur Detektion von optischen Maßverkörperungen (100, 200), die eine optische Positionscodierung (110, 120, 210, 220) aufweisen, mit – einem Lichtsender (50), der die Maßverkörperung (100, 200) zumindest partiell beleuchtet, – einem Abtastempfänger (10), der lichtempfindliche Empfängerfelder (11, 12) aufweist, mit – einer optional zusätzlichen Abtastblende (20), wobei die Empfängerfelder (11, 12) und/oder die Blendenöffnungen (21, 22) der Abtastblende (20) entsprechend der Positionscodierung (110, 120, 210, 220) der Maßverkörperung (100, 200) ausgebildet sind, und mit – einem Mikrolinsenarray (30), welches mindestens eine Mikrolinse (31, 33) trägt und in einer zur Maßverkörperung (100, 200) parallelen Ebene zwischen der Maßverkörperung (100, 200) und dem Abtastempfänger (10) angeordnet ist, zur Abbildung des durch die Positionscodierung (110, 120, 210, 220) modulierten Lichtes auf die Empfängerfelder (11, 12) des Abtastempfängers (10), dadurch gekennzeichnet, dass ein Aperturblendenarray (40) zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger angeordnet ist, welches jeweils eine Aperturblenden-Öffnung (41) in der optischen Achse (32) jeder Mikrolinse (31, 33) des Mikrolinsenarrays (30) aufweist und dass auf dem Abtastempfänger (10) oberhalb der lichtempfindlichen Empfängerfelder (11, 12) die Abtastblende (20), das Aperturblendenarray (40) sowie das Mikrolinsenarray (30) in der angegebenen Reihenfolge aufeinander positioniert sind.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass alle Mikrolinsen (31, 33) dieselbe Brennweite (f) aufweisen.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturblenden-Öffnungen (41) bildseitig in einer Ebene liegen, die zur bildseitigen Brennebene des Mikrolinsenarrays (30) einen Abstand von höchstens f/5 aufweist.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aperturblendenarray (40) in der bildseitigen Brennebene des Mikrolinsenarrays (30) angeordnet ist, so dass sich jeweils eine Aperturblenden-Öffnung (41) im bildseitigen Brennpunkt jeder Mikrolinse (31, 33) des Mikrolinsenarrays (30) befindet.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (41) des Aperturblendenarrays (40) höchstens um die Länge f(1 – cos(α_–1)) von der bildseitigen Brennebene der Mikrolinsen (31, 33) in Richtung der Maßverkörperung (200) beabstandet angeordnet sind, wobei die Maßverkörperung (100, 200) diffraktive optische Elemente aufweist und (α_–1) dem Winkel der ersten Beugungsordnung entspreche.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastblende (20) als Aluminium-Layer oberhalb der lichtempfindlichen Empfängerfelder (11, 12) des Abtastempfängers (10) angeordnet ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnungen (21, 22) der Abtastblende (20) auf der dem Abtastempfänger (10) zugewandten Seite der Abtastblende angeordnet sind.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsenarray (30) aus mehreren Linsen (31, 33) besteht.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildseite des Mikrolinsenarrays (30), das Aperturblendenarray (40) sowie die Abtastblende (20) weitgehend eben ausgebildet sind und direkt aufeinander positioniert werden.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastblende (20) und das Mikrolinsenarray (30) jeweils aus einteiligen Glas- oder Kunststoff-Plättchen bestehen.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrolinsenarray (30), das Aperturblendenarray (40) sowie die Abtastblende (20) oberhalb der Empfängerflächen (11, 12) des Abtastempfängers (10) verkittet bzw. verklebt und/oder seitlich mit einer Vergussmasse (16) vergossen sind.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweite (f) der Mikrolinsen (31, 33) in Abhängigkeit vom Abbildungsmaßstab (M) und der jeweiligen Dicke sowie der Brechungsindizes (n₁, n₂) des Mikrolinsenarrays (30), des Aperturblendenarrays (40) sowie der Abtastblende (20) derart bestimmt ist, dass die Bildebene in der Oberfläche der Empfängerfelder (11, 12) des Abtastempfängers (10) bzw. der Blendenöffnungen (21, 22) der Abtastblende (20) liegt.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der objektseitigen Oberfläche des Mikrolinsenarrays (30) außerhalb der Öffnungen der Mikrolinsen (31, 33) eine opake Feldblende (38) angeordnet ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (31, 33) des Mikrolinsenarrays (30) relativ zu den Empfängerflächen (11, 12) des Abtastempfängers (10) derart angeordnet sind, dass das Bild jeder Einzellinse (31, 33) auf jeweils einen separaten Teilbereich eines Empfängerfeldes (11, 12) oder auf eine separate Anzahl von Empfängerfeldern fällt.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Überlappungsbereich der Bildfelder der Mikrolinsen (31, 33), falls vorhanden, keine Blendenöffnungen (21, 22) befinden.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blendenöffnungen (21, 22) der Abtastblende (20) derart angeordnet sind, dass sie weitgehend mittig im Bildfeld der Mikrolinsen (31, 33) liegen.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (31, 33) des Mikrolinsenarrays (30) refraktiv sind.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (31) plankonvex mit planer Bildseite ausgebildet sind und dass die Brennebene der Mikrolinsen (31) in der Bildseite des Mikrolinsenarrays (30) liegt.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aperturblendenarray (40) auf der Bildseite des Mikrolinsenarrays (30) oder auf der Objektseite der Abtastblende (20) angeordnet ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (33) symmetrisch bikonvex sind.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Bildseite des Mikrolinsenarrays (30) eine weitere Glasplatte (45) befindet und dass das Aperturblendenarray (40) auf der Bildseite der Glasplatte (45) oder der Objektseite der Abtastblende (20) angeordnet ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrolinsen (31, 33) asphärische Krümmungen aufweisen.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aperturblendenarray (40) einteilig aus einer dünnen und außerhalb der Blendenöffnungen (41) opaken Schicht besteht.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die opake Schicht aufgedampft oder gesputtert ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (200), Codefelder (220) aufweist, die diffraktive optische Elemente aufweisen, und weitere Codefelder (210), die unstrukturiert sind.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dasjenige Licht, welches die Maßverkörperung in einem Winkel (α_–1) verlässt, der dem Beugungswinkel einer ersten Beugungsordnung entspricht, durch die Aperturblenden (41) des Aperturblendenarrays (40) ausgeblendet wird.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser (A) der einzelnen Aperturblenden (41) des Aperturblendenarrays (40) die Relation gilt: A < 2f λ/Λ mit Brennweite (f) der Mikrolinsen (31, 33), Wellenlänge (λ) des Lichtsenders (50) und Gitterkonstante (Λ) des Beugungsgitters.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht des Lichtsenders (50), das die Maßverkörperung (100, 200) beleuchtet, weitgehend parallel kollimiert wird.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtsender (50) und Abtastempfänger (10) auf derselben Seite der Maßverkörperung (100, 200) angeordnet sind und dass mindestens eine Linse (55) zur Kollimation des Lichtes des Lichtsenders (50) in das Mikrolinsenarray (30) eingeformt ist, wobei derjenige Teil des Mikrolinsenarrays (30), der die Kollimatorlinse (55) trägt, seitlich neben den Empfängerfeldern (11, 12) des Abtastempfängers (10) positioniert ist bzw. seitlich über den Abtastempfänger (10) hinausragt.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (100, 200) reflektiv ausgebildet ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 29 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Unterseite des Mikrolinsenarrays (30) eine Feldblende angeordnet ist, die unterhalb jeder Kollimatorlinse (55) eine Öffnung (44) aufweist.
Abtasteinheit nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldblende Teil des Aperturblendenarrays (40) ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (50) in der hinteren Brennebene der Kollimatorlinse (55) positioniert ist.
Abtasteinheit nach Anspruch 25 sowie dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (50) um einen lateralen Abstand L von der optischen Achse 52 der Kollimatorlinse (55) entfernt positioniert ist, wobei tan(α_–1) = L/F mit Brennweite F der Kollimatorlinse (55).
Abtasteinheit nach Anspruch 25 und einem der vorangehenden Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (50) in der optischen Achse (52) der Kollimatorlinse (55) positioniert ist und dass die optische Achse (52) der Kollimatorlinse um einen Winkel α_–1 gegenüber der optischen Achse der Mikrolinsen (31) des Mikrolinsenarrays (30) verkippt ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 29 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (50) um einen Winkel γ schräg montiert ist.
Abtasteinheit nach den Ansprüchen 25 und 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Relation 0 ≤ γ ≤ α_–1 gilt.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 29 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (50) und der Abtastempfänger (10) in einem einzigen Gehäuse angeordnet sind.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche 29 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (50) und der Abtastempfänger (10) in einem Chip integriert sind.
Abtasteinheit nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (200) Code-Liniengitter aufweist und dass für die laterale Ausdehnung v des Mikrolinsenarrays (30) in derjenigen Ebene, auf welcher die Code-Liniengitter der Maßverkörperung (200) senkrecht stehen, gilt: v < g tan(α_–1), wobei g die Gegenstandsweite und α_–1 der Beugungswinkel der ersten Beugungsordnung ist.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seite der Maßverkörperung (100, 200), welche die Positionscodierung (110, 120, 210, 220) aufweist, vom Abtastempfänger (10) wegweist und dass der Abstand zwischen der zum Abtastempfänger (10) hinweisenden Oberfläche der Maßverkörperung (100, 200) und dem Mikrolinsenarray (30) kleiner oder gleich der Brennweite f der Mikrolinsen (31, 33) ist.
Abtasteinheit (1) zur Detektion von optischen Maßverkörperungen (100, 200), die eine optische Positionscodierung (110, 120, 210, 220) aufweisen, die zumindest eine inkrementale Codierung mit einer Periodenlänge (p) aufweist und mit – einem Lichtsender (50), der die Maßverkörperung (100, 200) zumindest partiell beleuchtet, – einem Abtastempfänger (10), der lichtempfindliche Empfängerfelder (11, 12) aufweist, mit – einer Abtastblende (20), welche eine Mehrzahl von Blendenöffnungen (21, 22) entsprechend der Positionscodierung (110, 120, 210, 220) der Maßverkörperung (100, 200) aufweist, und mit – einem Mikrolinsenarray (30), welches mindestens zwei Mikrolinsen (31, 33) aufweist, deren optische Achsen in Messrichtung einen Abstand b ungleich Null zueinander aufweisen und wobei die Abtastblende (20) zwischen dem Mikrolinsenarray (30) und dem Abtastempfänger (10) angeordnet ist und wobei das durch die Positionscodierung (110, 120, 210, 220) modulierte Licht durch die Mikrolinsen auf die Empfängerfelder (11, 12) des Abtastempfängers (10) bzw. auf die Abtastblende (20) mit einem Abbildungsmaßstab M abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aneinander angrenzende Abtastblenden-Öffnungen (21, 22), die hinter unterschiedlichen, benachbarten Mikrolinsen (31, 33) angeordnet sind, eine Phasenverschiebung φ von
zueinander aufweisen mit ganzer Zahl n.
Abtasteinheit nach dem Oberbegriff des vorangehenden Anspruches, dadurch gekennzeichnet, dass für lineare Maßverkörperungen (100, 200) aneinander angrenzende Abtastblenden-Öffnungen (21, 22), die hinter unterschiedlichen, benachbarten Mikrolinsen (31, 33) angeordnet sind, parallel zur Messrichtung verschoben sind um eine Länge
mit ganzer Zahl n.
Abtasteinheit nach dem Oberbegriff des Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass für rotative Maßverkörperungen (100, 200) für aneinander angrenzende Abtastblenden-Öffnungen (21, 22), die hinter unterschiedlichen, benachbarten Mikrolinsen (31, 33) angeordnet sind, gilt: |P₁ – P'₁| = E(r₂) und |P₂ – P'₂| = E(r_i), mit
für i = 1, 2, wobei die senkrecht zur Messrichtung verlaufende Mittelachse einer ersten Abtastblenden-Öffnung (21) Endpunkte P₁ und P₂ aufweist, wobei der erste Endpunkt P₁ einen Codespur-Radius r₁ aufweist und der zweite Endpunkt P₂ einen Codespur-Radius r₂ und wobei die senkrecht zur Messrichtung verlaufende Mittelachse der benachbarten Abtastblenden-Öffnung (22) durch eine Gerade verläuft, die definiert ist durch die Punkte P'₁ und P'₂.
Abtasteinheit nach einem der vorangehenden Ansprüchen 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass n durch 4 ganzzahlig teilbar ist, wenn die benachbarten Mikrolinsen vor derselben Abtastfläche liegen.
Positionsmesseinrichtung zur Abtastung einer optisch codierten Maßverkörperung (100, 200), die mindestens eine optisch abtastbare Codespur aufweist und mit einer Abtasteinheit (1) zur Abtastung der Maßverkörperung (100, 200) nach einem der vorangehenden Patentansprüche.