DE102008013164A1 - Material measure for optical position measuring unit, which operates with light of central wavelength, comprises substrate with two areas, which code position information, which is selected with light of wavelength - Google Patents

Material measure for optical position measuring unit, which operates with light of central wavelength, comprises substrate with two areas, which code position information, which is selected with light of wavelength Download PDF

Info

Publication number
DE102008013164A1
DE102008013164A1 DE200810013164 DE102008013164A DE102008013164A1 DE 102008013164 A1 DE102008013164 A1 DE 102008013164A1 DE 200810013164 DE200810013164 DE 200810013164 DE 102008013164 A DE102008013164 A DE 102008013164A DE 102008013164 A1 DE102008013164 A1 DE 102008013164A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
light
wavelength
material measure
grating
areas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE200810013164
Other languages
German (de)
Inventor
Walter Dipl.-Ing. Huber (Fh)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Johannes Heidenhain GmbH filed Critical Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority to DE200810013164 priority Critical patent/DE102008013164A1/en
Publication of DE102008013164A1 publication Critical patent/DE102008013164A1/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36Forming the light into pulses
    • G01D5/38Forming the light into pulses by diffraction gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34746Linear encoders

Abstract

The material measure (4,5) comprises a substrate (9) with two areas. The two areas code a position information, which is selected with the light of a wavelength. The area of a lattice structure (7) comprises a period, which affects the optical characteristics of the material measure. The period of the lattice structure is smaller than the wavelength. An independent claim is included for an optical position measuring unit has a light source for linear polarized light of a central wavelength.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maßverkörperung für ein optisches Positionsmessgerät. Eine solche Maßverkörperung weist Strukturen auf, die mit optischen Mitteln ausgelesen werden können und eine Positionsinformation enthalten. Weiter betrifft die Erfindung ein optisches Positionsmessgerät, das an die erfindungsgemäße Maßverkörperung angepasst ist. Solche Positionsmessgeräte dienen dem Ermitteln der Position von beweglichen Elementen in Maschinen verschiedenster Art.The The invention relates to a material measure for an optical position measuring device. Such a material measure has structures that are read out by optical means can and contain position information. Further the invention relates to an optical position measuring device, that of the material measure according to the invention is adjusted. Such position measuring devices are used to determine the Position of moving elements in machines of various kinds Art.

Ein einfacher Maßstab in einem optischen Positionsmessgerät trägt helle und dunkle Bereiche, deren Überlagerung mit hellen und dunklen Bereichen auf einer gegenüber dem Maßstab beweglichen Abtastplatte detektiert werden. Hierzu fällt Licht einer Lichtquelle auf einen Sensor, wenn es auf seinem Weg zum Sensor jeweils helle Bereiche von Maßstab und Abtastplatte passiert. Fällt es jedoch auf dunkle Bereiche, so gelangt das Licht nicht zum Sensor. Durch eine Relativbewegung zwischen der Abtastplatte und dem Maßstab entstehen am Sensor modulierte Signale. Der Sensor kann zum Beispiel ein Photodiode sein.One simple scale in an optical position measuring device wears light and dark areas, their superimposition with light and dark areas on one opposite the Scale movable scanning can be detected. For this Light from a light source falls on a sensor when it is on his way to the sensor each bright areas of scale and Scanning plate happens. However, if it falls on dark areas, so the light does not reach the sensor. By a relative movement between the scanning plate and the scale arise on Sensor modulated signals. The sensor can be a photodiode, for example be.

Maßstab und Abtastplatte werden auch als Maßverkörperung bezeichnet. In einem Längenmessgerät unterscheiden sie sich üblicherweise nur durch ihre Ausdehnung in Messrichtung. Verwendet man einen strukturierten Photodetektor, so kann auf eine Abtastplatte verzichtet werden, da der Detektor dann selbst wie eine Abtastplatte wirkt. Die hellen und dunklen Bereiche werden dann direkt auf dessen Detektorfelder abgebildet.scale and scanning are also used as a measuring standard designated. Distinguish in a length measuring device They usually only by their extent in the direction of measurement. If one uses a structured photodetector, so can on a Scanning plate are omitted, since the detector then like itself a scanning plate acts. The light and dark areas become then imaged directly on its detector fields.

Bei den Mustern aus hellen und dunklen Bereichen kann es sich um eine Inkrementalspur handeln, die zu periodischen Sensorsignalen führt, aus denen eine Relativbewegung zwischen Maßverkörperung und Abtastplatte berechnet werden kann. Die hellen und dunklen Bereiche können aber auch absolute Positionen codieren. Eine Referenzmarke erzeugt in einer bestimmten Stellung einen Referenzimpuls am Sensor. Eine Codespur mit einem Pseudo Random Code (PRC) liefert dagegen in jeder Relativstellung eine Information über die Absolutposition, wenn jeweils eine gewisse Anzahl von Bits ausgewertet werden. Eine absolute Position kann auch aus mehreren nebeneinander liegenden Inkrementalspuren unterschiedlicher Teilungsperiode berechnet werden.at the patterns of light and dark areas may be one Incremental track that leads to periodic sensor signals, from which a relative movement between material measure and scanning can be calculated. The light and dark areas but can also encode absolute positions. A reference mark generates a reference pulse at the sensor in a certain position. A code track with a pseudo random code (PRC) supplies against it in each relative position information about the absolute position, if each a certain number of bits are evaluated. An absolute Position can also consist of several adjacent incremental tracks different graduation period are calculated.

Maßverkörperungen für Längenmessgeräte werden auch als Maßstäbe und Maßverkörperungen für Winkelmessgeräte auch als Teilscheiben bezeichnet.material measures for linear encoders are also called Scales and measuring standards for Angle encoders also known as part discs.

In der EP 1081457 A2 ist ein Positionsmessgerät beschrieben, das auf einer Maßverkörperung mit einer Inkrementalspur und einer Referenzmarke beruht. In der 1C dieser Schrift sind die hellen und dunklen Bereiche des hier als Auflichtmaßstab mit reflektierenden (hellen) und nicht reflektierenden (dunklen) Bereichen ausgebildeten Maßstabes dargestellt. Ebenso üblich sind Durchlichtmaßstäbe, bei denen sich transparente (helle) Bereiche mit opaken (dunklen) Bereichen abwechseln.In the EP 1081457 A2 a position measuring device is described, which is based on a material measure with an incremental track and a reference mark. In the 1C This document illustrates the light and dark areas of the scale formed here as a reflection scale with reflective (light) and non-reflective (dark) areas. Also common are transmitted light scales, where transparent (light) areas alternate with opaque (dark) areas.

Maßverkörperungen mit hellen und dunklen Bereichen lassen sich beispielsweise herstellen, indem ein Glassubstrat mit Chrom oder einem ande ren Metall beschichtet wird. Diese Schicht wird dann partiell entfernt, wodurch der Glasmaßstab an diesen Stellen transparent wird. Das verbleibende Metall wirkt reflektierend (also hell) im Auflichtbetrieb, bzw. den Lichtweg blockierend (also dunkel) im Durchlichtbetrieb.material measures with light and dark areas, for example, by coating a glass substrate with chromium or another metal becomes. This layer is then partially removed, reducing the glass scale becomes transparent at these points. The remaining metal acts reflective (ie bright) in reflected light mode, or the light path blocking (ie dark) in transmitted light mode.

Andere Ansätze zur Herstellung von hellen und dunklen Bereichen auf Maßverkörperungen sind ebenfalls bekannt. So lassen sich Kunststoffteilscheiben mit schrägen, totalreflektierenden Strukturen (z. B. V-Strukturen) versehen, die einfallendes Licht blockieren und damit im Durchlichtbetrieb als dunkle Bereiche wirken. Die US 4820918 zeigt ein Positionsmessgerät, bei dem sowohl der Maßstab mit Inkrementalspur und Referenzmarke als auch eine passende Abtastplatte mit solchen Strukturen realisiert sind. Solche Maßverkörperungen lassen sich günstig herstellen.Other approaches to making light and dark areas on gauge scales are also known. For example, plastic part disks can be provided with oblique, totally reflecting structures (eg V structures) which block incident light and thus act as dark areas in transmitted-light mode. The US 4820918 shows a position measuring device, in which both the scale incremental track and reference mark and a suitable scanning are realized with such structures. Such material measures can be produced cheaply.

Eine weitere Methode zur Herstellung von hellen und dunklen Bereichen auf einer Kunststoffteilscheibe zeigt die EP 1801546 A1 , von der diese Anmeldung ausgeht. Wegen einer ganzflächigen metallischen Beschichtung ist die Teilscheibe zunächst undurchsichtig. In einigen Bereichen ist die Teilscheibe aber mit periodischen Strukturen versehen, die so auf die Wellenlänge des einfallenden Lichtes abgestimmt sind, dass es zur Anregung von Plasmonenmoden in der Metallschicht kommt. Dadurch wird die Teilscheibe in diesen Bereichen transparent. Nachteilig ist, dass für solche Teilscheiben eine Metallbeschichtung zwingend erforderlich ist, die die Herstellungskosten deutlich erhöht.Another method for producing light and dark areas on a plastic disk shows the EP 1801546 A1 from which this application originates. Because of a full-surface metallic coating, the indexing disk is initially opaque. In some areas, however, the disc is provided with periodic structures that are tuned to the wavelength of the incident light to excite plasmon modes in the metal layer. As a result, the dividing disk becomes transparent in these areas. The disadvantage is that for such part discs a metal coating is absolutely necessary, which significantly increases the production cost.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herstellbare Maßverkörperung sowie ein auf dieser Maßverkörperung beruhendes optisches Positionsmessgerät anzugeben.task The invention is an economically producible material measure as well as based on this material measure specify optical position measuring device.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Maßstab gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein optisches Positionsmessgerät gemäß Anspruch 12. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Merkmalen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.These Task is solved by a scale according to claim 1 or by an optical position measuring device according to claim 12. Advantageous embodiments will be apparent from the Features listed in the dependent claims.

Es wird eine Maßverkörperung für ein optisches Positionsmessgerät sowie ein optisches Positionsmessgerät beschrieben, das mit Licht einer zentralen Wellenlänge arbeitet, wobei die Maßverkörperung ein für Licht dieser Wellenlänge transparentes Substrat mit ersten und zweiten Bereichen aufweist, die Anordnung der ersten und zweiten Bereiche eine Positionsinformation so kodiert, dass sie mit dem Licht auslesbar ist und wenigstens die ersten Bereiche eine Gitterstruktur mit einer Periode aufweisen, die die optischen Eigenschaften der Maßverkörperung an dieser Stelle beeinflusst. Dabei ist die Periode der Gitterstruktur kleiner als die zentrale Wellenlänge und so dimensioniert, dass in Richtung der Gitterstriche linear (TE-) polarisiertes Licht der zentralen Wellenlänge von den strukturierten ersten Bereichen nahezu vollständig in 0. Beugungsordnung reflektiert und damit in Transmission ausgelöscht wird.It becomes a material measure for an optical Position measuring device as well as an optical position measuring device described with light of a central wavelength works, with the material measure a for Light of this wavelength transparent substrate with first and second areas, the arrangement of the first and second Areas of position information are coded to match the light is readable and at least the first areas a grid structure having a period that satisfies the optical properties of Measuring standard influenced at this point. The period of the lattice structure is smaller than the central one Wavelength and dimensioned so that in the direction of Grid lines linear (TE) polarized light of central wavelength from the structured first areas almost completely reflected in 0. diffraction order and thus extinguished in transmission becomes.

Der Grundgedanke der Erfindung ist also der, dass sich die optischen Eigenschaften eines eigentlich transparenten Substrats bzw. einer darauf aufgebrachten transparenten, dünnen Schicht durch eine Strukturierung der Oberfläche mit periodischen Gitterstrukturen, deren Periode kleiner ist als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, so verändern lassen, dass linear polarisiertes Licht in derart strukturierten Bereichen nahezu vollständig reflektiert wird. Die strukturierten Bereiche verhalten sich dabei annähernd wie ein Spiegel, Beugungsordnungen treten nicht auf. Im Durchlichtbetrieb sind solche Bereiche dunkel, im Auflichtbetrieb hell. Da dies aber nur für linear polarisiertes Licht gilt, muss ein Positionsmessgerät mit einer solchen Maßverkörperung eine Lichtquelle für polarisiertes Licht aufweisen. Dabei muss der E-Vektor des linear polarisierten Lichts parallel zu den periodischen Gitterstrukturen stehen.Of the The basic idea of the invention is therefore that of the optical Properties of an actually transparent substrate or a on a transparent, thin layer applied through a Structuring the surface with periodic lattice structures, whose period is smaller than the wavelength of the irradiated Light, so change that linearly polarized Light in such structured areas almost completely is reflected. The structured areas behave in this case almost like a mirror, diffraction orders do not occur on. In transmitted light mode, such areas are dark, in incident light mode bright. But since this applies only to linearly polarized light, must have a position measuring device with such a material measure have a light source for polarized light. there the E vector of the linearly polarized light must be parallel to the periodic lattice structures.

Polarisiertes Licht erhält man, wenn z. B. eine übliche Beleuchtungseinheit, bestehend aus einer Infrarot-LED und einer Kollimationslinse um eine einfache Polarisationsfolie ergänzt wird. Ein Polarisationsverhältnis von etwa 1:50 ist in den meisten Fällen ausreichend um einen guten Modulationsgrad in den Abtastsignalen zu erreichen. Alternativ kann eine Lichtquelle verwendet werden, die bereits polarisiertes Licht aussendet, wie z. B. ein Laser.polarized Light is obtained when z. B. a conventional lighting unit, consisting of an infrared LED and a collimating lens around a simple polarizing film is added. A polarization ratio of about 1:50 is sufficient in most cases to achieve a good degree of modulation in the scanning signals. Alternatively, a light source may be used that is already polarized Emits light, such as B. a laser.

Die Periode der Gitterstrukturen liegt etwa zwischen der halben Lichtwellenlänge und der Lichtwellenlänge selbst, vorzugsweise knapp unterhalb der Lichtwellenlänge, zwischen 90% und 95% der Lichtwellenlänge.The Period of the grating structures is approximately between half the wavelength of light and the light wavelength itself, preferably just below the Light wavelength, between 90% and 95% of the light wavelength.

Für die strukturierten Bereiche eines Durchlichtsystems wird eine Transmission von weniger als 5% des eingestrahlten Lichtes angestrebt. Eine Transmission bis 10% kann aber je nach Anwendungsfall noch akzeptabel sein.For the structured areas of a transmitted light system become a transmission aimed at less than 5% of the incident light. A transmission but up to 10% may still be acceptable depending on the application.

Die Gitterstruktur kann entweder im Substrat selbst eingebracht sein, oder in einer auf dem Substrat abgeschiedenen dünnen Schicht.The Lattice structure can either be incorporated in the substrate itself, or in a thin layer deposited on the substrate.

Als Substrat oder Schicht eignen sich verschiedene Materialien, die vorzugsweise für das Licht der Lichtquelle transparent sind. Dabei sind Substrate bzw. Schichten mit möglichst hohen Brechungsindizes von Vorteil. Die periodischen Gitterstrukturen, mit denen das Substrat bzw. die Schicht versehen werden muss, um optimale Ergebnisse zu erzielen (z. B. im Sinne einer möglichst geringen Resttransmission oder einer möglichst hohen Reflexion), hängen stark vom Brechungsindex des strukturierten Materials ab. Eine Optimierung der Gitterstrukturen hinsichtlich des Brechungsindex, der Lichtwellenlänge, der Gitterperiode, der Stufenhöhe des Gitters sowie des Steg-Lücke-Verhältnisses des Gitters kann nur mittels exakter Gittertheorie, wie sie in einigen Softwarepaketen zur Gittersimulation (wie z. B. PC-Grate, GSolver, DiffractMOD) implementiert ist, durchgeführt werden, denn die Grenzen der skalaren Gittertheorie liegen bei Strukturgrößen im Bereich der 5-fachen Lichtwellenlänge. Sinnvolle Ausgangspunkte und nützliche Hinweise für solche Simulationen werden im Folgenden gegeben.When Substrate or layer are various materials that preferably transparent to the light of the light source are. Here are substrates or layers as possible high refractive indices of advantage. The periodic lattice structures, with which the substrate or the layer must be provided to To achieve optimal results (eg in the sense of a possible low residual transmission or the highest possible reflection), strongly depend on the refractive index of the structured material from. An optimization of the grating structures with regard to the refractive index, the wavelength of light, the grating period, the step height of the Grid and the web-gap ratio of the grid can only by means of exact lattice theory, as in some software packages for grid simulation (such as PC-ridges, GSolver, DiffractMOD) is implemented, because the limits the scalar lattice theory are at structure sizes in the range of 5 times the wavelength of light. Meaningful starting points and useful hints for such simulations are given below.

Eine erste Kategorie von Maßverkörperungen weist ein mit Gitterstrukturen versehenes Substrat ohne zusätzliche Schichten auf. Das Substrat muss dabei in jedem Fall einen Brechungsindex von mehr als 1,6 aufweisen, also n > 1,6. Substrate aus Kunststoff mit etwas höherem Brechungsindex von etwa n = 1.8 erhält man beispielsweise, indem herkömmlichem Kunststoff Nanopartikel zugemischt werden. Um die Transmission in ersten Bereichen des Substrats zu unterdrücken, bzw. um die Reflexion zu maximieren muss so ein Substrat mit einem Phasengitter versehen werden, bei dem im allge meinen Fall Teilungsperiode, Stufenhöhe und Stegbreite beim konkret vorliegenden Brechungsindex zu optimieren sind. Solche Phasengitter auf Kunststoffsubstraten können durch Präge- oder Spritzgießverfahren kostengünstig hergestellt werden.A the first category of measuring standards has one provided with grid structures substrate without additional Layers on. The substrate must always have a refractive index of more than 1.6, that is n> 1.6. Plastic substrates with something higher refractive index of about n = 1.8 For example, by using conventional plastic nanoparticles be mixed. To the transmission in first areas of the substrate to suppress or to maximize the reflection must such a substrate can be provided with a phase grating in which in general my case graduation period, step height and web width at concrete refractive index to be optimized. Such phase gratings on plastic substrates can by embossing or Injection molding process produced inexpensively become.

Eine zweite Kategorie von Maßverkörperungen weist ein Substrat mit einer zusätzlichen, in einem Dünnschrichtverfahren wie Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebrachten dünnen Schicht mit hohem Brechungsindex auf. Diese Schicht wird zu Gitterstrukturen zurückgeätzt. Geeignete Materialien für diese dünne Schicht sind beispielsweise Ta2O5 (n = 2.12), TiO2 (n = 2,4), Fe2O3 (n = 3) oder Silizium (n = 3.8). Eine geringe Absorption dieser Materialien bei der verwendeten Lichtwellenlänge ist von untergeordneter Bedeutung für die Transmission, da die Schichtdicken höchstens einige Zehntel Mikrometer betragen. Der Brechungsindex des Substrats (z. B. aus Glas. oder Quarz) ist in diesem Fall von untergeordneter Bedeutung, es muss lediglich transparent sein.A second category of measuring scales comprises a substrate with an additional thin layer of high refractive index applied by a thin-layer method such as vapor deposition or sputtering. This layer is etched back to grid structures. Suitable materials for this thin layer are, for example, Ta 2 O 5 (n = 2.12), TiO 2 (n = 2.4), Fe 2 O 3 (n = 3) or silicon (n = 3.8). A low absorption of these materials at the wavelength of light used is of minor importance for the transmission, since the layer thicknesses are at most a few tenths of a micrometer. The refractive index of the substrate (eg made of glass or quartz) is of secondary importance in this case, it merely has to be transparent be.

Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass durch solche Schichtmaterialien je nach Anwendungsfall sehr unterschiedliche Brechungsindizes auf einem einfachen Glassubstrat realisiert werden können.Of the Advantage of this arrangement is that such layer materials depending on the application, very different refractive indices a simple glass substrate can be realized.

Im allgemeinen Fall müssen auch hier in Abhängigkeit vom konkret vorliegenden Brechungsindex die Gitterparameter Periode, Stufenhöhe und Stufenbreite optimiert werden, um eine Auslöschung des transmittierten Lichts zu erreichen.in the general case must also be dependent here from the actual refractive index, the lattice parameter period, Step height and step width are optimized to extinguish the to reach transmitted light.

In Spezialfällen, in denen beispielsweise das zugrundeliegende Abtastverfahren in bestimmten Abtastabständen (den sogenannten Talbot-Ebenen) arbeitet, ist eine Phasenhöhe von 90° oder 180° vorteilhaft. Diese Phasenhöhen entsprechen bei einer Lichtwellenlänge L Stufenhöhen von h(90°) = L/(4·(n – 1))bzw. h(180°) = L/(2·(n – 1)). In special cases where, for example, the underlying scanning method operates at specific scanning distances (the so-called Talbot levels), a phase height of 90 ° or 180 ° is advantageous. These phase heights correspond to step heights of a light wavelength L h (90 °) = L / (4 * (n-1)) respectively. h (180 °) = L / (2 * (n-1)).

Fertigt man die Subwellenlängen-Gitterstrukturen in dieser Weise, so lassen sich auf der Maßverkörperung auch ganz gewöhnliche Phasengitter im gleichen Fertigungsschritt und mit einheitlicher Ätztiefe herstellen. Solche gewöhnlichen Phasengitter mit einer Periode deutlich größer als die Lichtwellenlänge dienen beispielsweise als Inkrementalspur zum genauen Messen einer Positionsverschiebung. Eine zur Bestimmung der Absolutposition zusätzlich nötige PRC-Spur codiert mit ihren hellen und dunklen Bereichen eine Absolutposition. Die dunklen Bereiche werden nun nicht wie im Stand der Technik mit zusätzlichen absorbierenden Schichten erzeugt, sondern durch die mit Sub-Wellenlängen-Gitterstrukturen versehenen Bereiche.manufactures one the subwavelength grating structures in this way, so can be on the material measure also completely ordinary phase gratings in the same production step and produce with uniform etch depth. Such ordinary Phase grating with a period significantly larger as the wavelength of light, for example, serve as an incremental track to accurate measurement of a positional shift. One for determination the absolute position additionally required PRC track encodes an absolute position with its light and dark areas. The dark areas are not now as in the prior art with additional generated by absorbing layers, but by having sub-wavelength grating structures provided areas.

Die gewünschte optische Wirkung (also die Auslöschung des transmittierten Lichts) erreicht man bei einer Phasenhöhe von 180° erst mit Brechungsindizes von n > 2 und bei einer Phasenhöhe von 90° für n > 2.4.The desired optical effect (ie the extinction of the transmitted light) is achieved at a phase height of 180 ° only with refractive indices of n> 2 and at a phase height of 90 ° for n> 2.4.

Strukturierte Substrate oder Schichten mit besonders hohen Brechungsindizes sind wenig verschmutzungsempfindlich, da typische Verschmutzungen einen deutlich niedrigeren Brechungsindex aufweisen. Verschmutzung mit Wasser (n = 1,3) oder Öl (n = 1,6) beeinträchtigen die optische Wirkung und damit das Positionsmessgerät weniger, denn der Brechungsindexunterschied ist trotzdem ausreichend, um die Funktionssicherheit zu gewährleisten. Damit sind solche Strukturen besonders für außen liegende, Umwelteinflüssen ausgesetzte Bereiche von Maßverkörperungen geeignet.Structured Substrates or layers with particularly high refractive indices are less sensitive to soiling, as typical soiling have significantly lower refractive index. Pollution with Water (n = 1.3) or oil (n = 1.6) the optical effect and thus the position measuring device less, because the refractive index difference is still sufficient to to ensure the functional safety. There are such Structures especially for external, environmental influences exposed areas of Maßverkörperungen suitable.

Mit den geschilderten Maßnahmen erhält man durch Strukturierung eines transparenten Substrats oder einer auf dem Substrat abgeschiedenen Schicht Bereiche, in denen die Maßverkörperung eine Transmission von beinahe Null und eine beinahe vollständige Reflexion gleich einem Spiegel aufweist. Das Abscheiden und Strukturieren von zusätzlichen absorbierenden Schichten ist damit nicht mehr nötig. Inkrementalspuren, Referenzmarken und Absolutspuren zum Feststellen einer absoluten Position unmittelbar beim Einschalten des Positionsmessgerätes können so genauso erzeugt werden wie Beschriftungen oder Aperturen, die als Blenden fungieren.With The described measures are obtained by structuring a transparent substrate or a layer deposited on the substrate Areas in which the material measure a transmission almost zero and almost complete reflection equal to a mirror. The deposition and structuring of additional absorbent layers is not more necessary. Incremental tracks, reference marks and absolute tracks for detecting an absolute position immediately at power-up of the position measuring device can be generated in the same way be like labels or apertures that act as apertures.

Auch das Herstellen eines Phasengitters für den Auflichtbetrieb ist mit einem eigentlich transparenten Substrat möglich, wenn die Gitterstruktur des Phasengitters (mit einer Gitterperiode größer als die Lichtwellenlänge) unterstrukturiert wird (mit einer Gitterperiode kleiner als die Lichtwellenlänge). Dadurch wird das Phasengitter in allen Bereichen reflektierend, die Phasenhöhe wird über die Stufenhöhe h eingestellt.Also the production of a phase grating for the reflected light mode is possible with an actually transparent substrate, if the lattice structure of the phase grating (with a grating period greater than the wavelength of light) becomes (with a grating period less than the light wavelength). This makes the phase grating reflective in all areas, the phase height is above the step height h set.

Gemischte Amplituden- und Phasengitter (MAP-Gitter), wie sie in der oben erwähnten EP 1081457 A2 ausführlich erklärt sind, lassen sich ebenfalls besonders kostengünstig herstellen, da sich mit einem einzigen Herstellungsschritt sowohl Phasen- als auch Amplitudenstrukturen erzeugen lassen.Mixed amplitude and phase gratings (MAP grids), as in the above-mentioned EP 1081457 A2 are explained in detail, can also be produced particularly cost-effective, since both phase and amplitude structures can be produced with a single manufacturing step.

Weicht man mit den Gitterstrukturen, deren Periode kleiner ist als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, von den idealen Bedingungen wie etwa der Ausrichtung der Gitterstrukturen relativ zum E-Vektor des eingestrahlten, linear polarisierten Lichts oder der Gitterperiode ab und verändert diese in Messrichtung lokal, so lassen sich gezielt unterschiedliche Transmissions- oder Reflexionsgrade einstellen. So lassen sich kontinuierliche Übergänge zwischen den Bereichen und damit auch beliebige Intensitätswerte einstellen.differs one with the lattice structures whose period is smaller than that Wavelength of the incident light, from the ideal Conditions such as the orientation of the grating structures relative to the E-vector of irradiated, linearly polarized light or the grating period and changes them in the direction of measurement locally, this allows different transmission or Set reflection levels. This allows continuous transitions between the areas and thus also any intensity values to adjust.

Weiterhin sind auch Maßverkörperungen möglich, die eine Positionserfassung in zwei Richtungen erlauben, wie beispielsweise Kreuzgitter oder schachbrettartige Strukturen.Farther are also material measures possible which allow position detection in two directions, such as Cross lattice or checkered structures.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Figuren. Dabei zeigtFurther Advantages and details of the present invention will become apparent from the following description of preferred embodiments based on the figures. It shows

1 ein optisches Positionsmessgerät, 1 an optical position measuring device,

2 einen Ausschnitt einer Maßverkörperung, 2 a section of a material measure,

3 ein Ausführungsbeispiel für einen Maßstab, 3 an embodiment of a scale,

4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Maßstab, 4 another embodiment of a scale,

5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Maßstab, 5 another embodiment of a scale,

6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Maßstab, 6 another embodiment of a scale,

7 ein periodisches Abtastsignal, 7 a periodic sampling signal,

8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Maßstab, 8th another embodiment of a scale,

9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Maßstab. 9 another embodiment of a scale.

1 zeigt ein optisches Positionsmessgerät mit einer Lichtquelle 1. Als Lichtquelle 1 eignet sich beispielsweise eine LED mit einer zentralen Wellenlänge L von 855 nm. Das Licht dieser Lichtquelle 1 wird von einer Kollimatorlinse 2 kollimiert, so dass paralleles Licht auf die nachfolgende optische Anordnung gestrahlt wird. Ein Polarisator 3 lässt vom Licht der Lichtquelle 1 nur linear polarisiertes Licht passieren. An den Polarisator 3 werden keine hohen Ansprüche gestellt, eine einfache, kostengünstige Polarisationsfolie kann genügen. 1 shows an optical position measuring device with a light source 1 , As a light source 1 For example, an LED with a central wavelength L of 855 nm is suitable. The light of this light source 1 is from a collimator lens 2 collimated, so that parallel light is irradiated to the subsequent optical arrangement. A polarizer 3 lets go of the light of the light source 1 just pass linearly polarized light. To the polarizer 3 no high demands are made, a simple, inexpensive polarizing film can suffice.

Das Licht der Lichtquelle 1 fällt senkrecht auf eine erste Maßverkörperung in Form einer Abtastplatte 4 und senkrecht auf eine zweite Maßverkörperung in Form eines Maßstabes 5. Die Reihenfolge von Abtastplatte 4 und Maßstab 5 kann vertauscht werden. Die Länge des Maßstabes 5 in Messrichtung X bestimmt die Messlänge. Die beiden Maßverkörperungen 4, 5 sind relativ zueinander in Messrichtung X beweglich.The light of the light source 1 falls perpendicular to a first measuring scale in the form of a scanning 4 and perpendicular to a second measuring scale in the form of a scale 5 , The order of scanning plate 4 and scale 5 can be reversed. The length of the scale 5 in measuring direction X determines the measuring length. The two measuring standards 4 . 5 are movable relative to each other in the measuring direction X.

Zuletzt fällt das Licht der Lichtquelle 1 auf einen Photodetektor 6, der das einfallende Licht in ein elektrisches Signal umwandelt, von dem in bekannter Weise Positionsinformationen abgeleitet werden können. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle 1, die Kollimatorlinse 2, der Polarisator 3, die Abtastplatte 4 und der Photodetektor 6 zueinander fest in einem nicht dargestellten Abtastkopf angeordnet. Dieser Abtastkopf ist als Ganzes gegenüber dem Maßstab 5 in Messrichtung X beweglich gelagert.Finally, the light falls from the light source 1 on a photodetector 6 which converts the incident light into an electrical signal from which position information can be derived in a known manner. In this embodiment, the light source 1 , the collimator lens 2 , the polarizer 3 , the scanning plate 4 and the photodetector 6 arranged firmly to one another in a scanning head, not shown. This scanning head as a whole is opposite to the scale 5 movably mounted in measuring direction X.

Die für das Licht der Lichtquelle 1 eigentlich transparenten Maßverkörperungen weisen erste Bereiche mit Gitterstrukturen 7 auf, deren Periode P kleiner ist als die Wellenlänge L des verwendeten Lichts, und die die optischen Eigenschaften der Maßverkörperung an dieser Stelle so beeinflussen, dass das parallel zu den Gitterstrichen polarisierte Licht in diesen Bereichen in Transmission nahezu vollständig ausgelöscht wird. Zweite Bereiche ohne Gitterstruktur sind dagegen transparent.For the light of the light source 1 actually transparent material measures have first areas with lattice structures 7 whose period P is smaller than the wavelength L of the light used and which influence the optical properties of the material measure at this point in such a way that the light polarized in parallel to the grating lines is almost completely extinguished in these regions in transmission. Second areas without lattice structure, however, are transparent.

Nur wenn Licht der Lichtquelle 1 weder auf der Abtastplatte 4 noch auf dem Maßstab 5 auf Bereiche mit Gitterstrukturen 7 trifft, gelangt es auf den Photodetektor 6. Bewegt sich der Maßstab 5 relativ zur Abtastplatte 4, so wird die Lichtmenge auf dem Photodetektor 6 und damit das Detektorsignal moduliert.Only when light from the light source 1 neither on the scanning plate 4 still on the scale 5 on areas with lattice structures 7 it hits the photodetector 6 , Is the scale moving? 5 relative to the scanning plate 4 , so the amount of light on the photodetector 6 and thus modulate the detector signal.

In einer alternativen Ausführungsform kommt ein strukturierter Photodetektor zum Einsatz, dessen Anordnung von Detektorfeldern in etwa der Anordnung der ersten und zweiten Bereiche der Abtastplatte 4 entspricht. Auf die Abtastplatte 4 kann dann verzichtet werden, da der Detektor dann selbst wie eine Abtastplatte wirkt. Die hellen und dunklen Bereiche werden direkt auf dessen Detektorfelder abgebildet.In an alternative embodiment, a structured photodetector is used whose arrangement of detector fields in approximately the arrangement of the first and second regions of the scanning 4 equivalent. On the scanning plate 4 can then be dispensed with, since the detector then acts as a scanning itself. The light and dark areas are imaged directly on its detector fields.

2 zeigt einen Ausschnitt einer Maßverkörperung 4, 5 mit einer Gitterstruktur 7. Für maximale Reflexion bzw. minimale Transmission der strukturierten Bereiche 7 muss der elektrische Feldvektor E des eingestrahlten Lichts parallel zu den Gitterstrichen der Gitterstrukturen 7 ausgerichtet sein. Dieser Beleuchtungsfall wird als TE-Polarisation bezeichnet. 2 shows a section of a material measure 4 . 5 with a grid structure 7 , For maximum reflection or minimal transmission of the structured areas 7 the electric field vector E of the incident light must be parallel to the grating lines of the grating structures 7 be aligned. This illumination case is called TE polarization.

3 zeigt einen Ausschnitt eines Maßstabes 5 im Querschnitt. Die Abtastplatte 4 kann hier und in allen weiteren Ausführungsbeispielen genau wie der Maßstab 5 aufgebaut sein. Der Maßstab 5 besteht aus einem Substrat 9, das für das Licht der Lichtquelle 1 durchlässig ist. Erste Bereiche des Maßstabes 5 sind mit den Gitterstrukturen 7 versehen, deren Periode P kleiner als die Lichtwellenlänge L ist. Ein Substrat 9 aus Kunststoff ist sehr einfach z. B. mit einem Spritzguss- oder Prägeverfahren strukturierbar. Die Höhe h der Gitterstrukturen 7 für die Gussform bzw. für den Prägestempel muss dabei durch Simulation oder Versuche ja nach Anwendungsfall auf eine möglichst geringe Resttransmission oder eine möglichst hohe Reflexion optimiert werden. Ein einfaches Positionsmessgerät im Auflichtbetrieb kann schon mit einem Maßstab 5 aufgebaut werden, der in den ersten Bereichen mit Gitterstrukturen 7 eine Reflexion beispielsweise 70% und in den Bereichen ohne Gitterstruktur 7 eine Reflexion von weniger als 10% aufweist. 3 shows a section of a scale 5 in cross section. The scanning plate 4 can here and in all other embodiments just like the scale 5 be constructed. The scale 5 consists of a substrate 9 that is for the light of the light source 1 is permeable. First ranges of the scale 5 are with the grid structures 7 provided whose period P is smaller than the light wavelength L. A substrate 9 made of plastic is very simple z. B. structurable with an injection molding or embossing process. The height h of the lattice structures 7 for the casting mold or for the die, it must be optimized by simulations or tests, yes depending on the application, to the lowest possible residual transmission or the highest possible reflection. A simple position measuring device in reflected light mode can already be used with a scale 5 built in the first areas with lattice structures 7 a reflection for example 70% and in the areas without lattice structure 7 has a reflection of less than 10%.

In diesem und in den folgenden Ausführungsbeispielen bestehen die Gitterstrukturen 7 aus Stegen der Breite b bzw. Gräben der Breite P–b mit rechteckigem Querschnitt. Es sind aber auch andere Strukturen wie z. B. Sinusgitter mit wellenförmigem Querschnitt oder Gitter mit V-förmigem Querschnitt möglich. Von Vorteil ist, dass das Verhältnis von b zu P in der Nähe von 0,5 liegen kann. Dies ist ein für Herstellungsprozesse relativ günstiger Wert, da die Dimensionen der Strukturelemente (Striche, Lücken) nicht stark voneinander abweichen.In this and the following embodiments, the grating structures exist 7 of webs of width b or trenches of width P-b with rectangular cross-section. But there are also other structures such. B. sine grid with wavy cross section or grid with V-shaped cross-section possible. The advantage is that the ratio of b to P can be near 0.5. This is a relatively favorable value for manufacturing processes, since the dimensions of the structural elements (lines, gaps) do not differ greatly from one another.

Als konkretes Ausführungsbeispiel in Verbindung mit 3 (entsprechend der oben erwähnten ersten Kategorie) sei ein Substrat 9 aus einem mit Nanopartikeln angereicherten Kunststoff mit einem Brechungsindex von n = 1.8 angegeben. Bei einer Beleuchtung mit polarisiertem Licht der Wellenlänge L = 855 nm ergibt die Optimierung der Gitterparameter eine Gitterperiode P von 820 nm, eine Stegbreite b = 330 nm und eine Steghöhe h = 415 nm. Die theoretische Transmission ist dann nahezu Null.As a concrete embodiment in connection with 3 (corresponding to the first category mentioned above) is a substrate 9 of nanoparticle-enriched plastic with a refractive index of n = 1.8. When illuminated with polarized light of wavelength L = 855 nm, the optimization of the lattice parameters gives a grating period P of 820 nm, a ridge width b = 330 nm and a ridge height h = 415 nm. The theoretical transmission is then almost zero.

Gemäß einem weiteren, in der 4 (entsprechend der oben erwähnten zweiten Kategorie) dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine dünne Schicht 8 auf einem Substrat 9 aus Glas abgeschieden. Diese Ausführungsform bietet sich vor allem für höherbrechende Materialien mit einem Brechungsindex n oberhalb von zwei (n > 2) an, da Glassubstrate mit solch hohen Brechungsindizes aus Kostengründen nicht in Betracht kommen.According to another, in the 4 (according to the above-mentioned second category) embodiment is a thin layer 8th on a substrate 9 separated from glass. This embodiment is particularly suitable for higher refractive index materials having a refractive index n above two (n> 2), since glass substrates with such high refractive indices are not considered for cost reasons.

Als konkretes Ausführungsbeispiel gemäß 4 sei ein Glassubstrat 9 mit einer Ta2O5-Schicht der Dicke 382 nm mit einem Brechungsindex von n = 2.12 angegeben. Die Gitterperiode liegt bei P = 800 nm und die Stegbreite bei b = 400 nm. Bei einer zentralen Lichtwellenlänge L von 855 nm entspricht die Schichtdicke bzw. die Höhe h = 382 nm gerade einer Phasenstufe von 180° in einem Durchlichtsystem.As a concrete embodiment according to 4 be a glass substrate 9 indicated with a Ta 2 O 5 layer of thickness 382 nm with a refractive index of n = 2.12. The grating period is at P = 800 nm and the ridge width at b = 400 nm. At a central light wavelength L of 855 nm, the layer thickness or the height h = 382 nm corresponds to a phase step of 180 ° in a transmitted light system.

Als weiteres Zahlenbeispiel sei zur 4 ein Subwellenlängengitter 7 angegeben, bei dem auf einem Glassubstrat 9 die Schicht 8 aus Silizium mit n = 3.8 mit einer Dicke von 76 nm besteht. Dies entspricht einem Phasengitter mit 90° Phasenhöhe in einem Durchlichtsystem, das mit Licht der Wellenlänge L = 855 nm arbeitet. Mit einer Gitterperiode P von 495 nm und Stegbreiten b zwischen 130 nm und 260 nm kann eine Transmission von beinahe Null erreicht werden.Another numerical example is the 4 a sub-wavelength grating 7 indicated in which on a glass substrate 9 the layer 8th made of silicon with n = 3.8 with a thickness of 76 nm. This corresponds to a phase grating with 90 ° phase height in a transmitted light system which operates with light of wavelength L = 855 nm. With a grating period P of 495 nm and ridge widths b between 130 nm and 260 nm, a transmission of almost zero can be achieved.

Der besondere Vorteil der beiden letzten Ausführungsbeispiele gemäß 4 liegt darin, dass sowohl herkömmliche 180°- oder 90°-Phasengitter für eine Inkrementalabtastung als auch Subwellenlängengitter zur Erzeugung von Hell-/Dunkelstrukturen z. B. für PRC-Spuren zur Absolutwertbildung oder sonstige Aperturen in einem einzigen Herstellungsschritt erzeugt werden können, da eine einheitliche Ätztiefe verwendet werden kann.The particular advantage of the last two embodiments according to 4 is that both conventional 180 ° or 90 ° phase gratings for an incremental scan as well as subwavelength gratings for generating light / dark structures z. B. for PRC tracks for absolute value or other apertures can be produced in a single manufacturing step, since a uniform etch depth can be used.

Für ein Durchlichtsystem muss das Substrat 9 bzw. die Schicht 8 der Ausführungsbeispiele gemäß der 3 bzw. 4 für Licht der Lichtquelle 1 transparent sein. Die reflektierenden Bereiche mit einer Gitterstruktur 7 sind dann für den Photodetektor 6 dunkel. Für ein Auflichtsystem kann das Substrat 9 auch lichtundurchlässig oder schwach lichtdurchlässig sein. Die reflektierenden Bereiche mit einer Gitterstruktur 7 sind dann für den Photodetektor 6 hell. Der Photodetektor ist in einem Auflichtsystem auf der selben Seite des Maßstabes 5 angeordnet wie die Lichtquelle 1.For a transmitted light system, the substrate must be 9 or the layer 8th the embodiments according to the 3 respectively. 4 for light of the light source 1 be transparent. The reflective areas with a grid structure 7 are then for the photodetector 6 dark. For a reflected light system, the substrate 9 also opaque or slightly translucent. The reflective areas with a grid structure 7 are then for the photodetector 6 bright. The photodetector is in a reflected light system on the same side of the scale 5 arranged like the light source 1 ,

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem kostengünstig auf einem Substrat 9 ein reflektierendes Phasengitter mit Phasenstufen 10 hergestellt ist. Als Reflexschicht dient hier nicht wie üblich eine Metallschicht. Vielmehr ist das Phasengitter auf einem eigentlich transparenten Substrat 9 durch Prägen oder ähnliche kostengünstige Verfahren hergestellt. Die Reflexionseigenschaften ergeben sich erst durch die ganzflächige Unterstrukturierung des Substrats 9 bzw. einer aufgebrachten Schicht 8 mit den Gitterstrukturen 7 mit einer Periode P kleiner der Lichtwellenlänge L. Die Periode Λ des reflektierenden Phasengitters hängt vom verwendeten Messprinzip ab und liegt in den meisten Anwendungsfällen zwischen 2 und 100 Mikrometern. 5 shows an embodiment in which cost on a substrate 9 a reflective phase grating with phase steps 10 is made. As a reflective layer is not used as usual a metal layer. Rather, the phase grating is on an actually transparent substrate 9 produced by embossing or similar inexpensive methods. The reflection properties only result from the whole-surface under-structuring of the substrate 9 or an applied layer 8th with the grid structures 7 with a period P smaller than the wavelength of light L. The period Λ of the reflective phase grating depends on the measuring principle used and is in most applications between 2 and 100 micrometers.

In 6 ist schließlich ein Beispiel für ein oben bereits erwähntes MAP-Gitter gezeigt, dessen Phasen- und Amplitudenstrukturen mit einem einzigen Ätzschritt erzeugt werden können. Die Gitterstrukturen 7 haben nicht wie in der bereits zitierten EP 1081457 A2 eine ablenkende Wirkung (wie die Gitterstrukturen der 4a, b und 5a, b dieser Schrift), sondern tatsächlich eine reflektierende Wirkung. Damit wird die Lichttransmission in diesen Bereichen auf nahezu Null herabgesetzt, was für die Funktion dieses MAP-Gitters von entscheidender Bedeutung ist und bisher nur mit zusätzlichen Beschichtungs- und Strukturierungsschritten von Schichten z. B. aus Chrom erreicht werden konnte. Die Gitterstrukturen 7 wirken damit als Dunkelbereiche, die unstrukturierten Bereiche bilden ein Phasengitter, so dass ein gemischtes Amplituden- und Phasengitter entsteht.In 6 Finally, an example of a MAP grid already mentioned above is shown, whose phase and amplitude structures can be generated with a single etching step. The grid structures 7 do not have like in the already quoted EP 1081457 A2 a distracting effect (as the lattice structures of 4a , Federation 5a , b of this document), but in fact a reflective effect. Thus, the light transmission in these areas is reduced to almost zero, which is for the function of this MAP grid is of crucial importance and so far only with additional coating and structuring steps of layers z. B. could be achieved from chrome. The grid structures 7 thus act as dark areas, the unstructured areas form a phase grating, so that a mixed amplitude and phase grating arises.

Auch hier kommt der besondere Vorteil der Tatsache zum Tragen, dass sowohl ein herkömmliches Phasengitter als auch ein Subwellenlängengitter zur Erzeugung von Licht blockierenden Bereichen in einem einzigen Herstellungsschritt erzeugt werden können.Also Here comes the particular advantage of the fact that both a conventional phase grating as well as a sub-wavelength grating for generating light blocking areas in a single Manufacturing step can be generated.

7 zeigt exemplarisch den Verlauf eines Detektorsignals I, wie er mit einem Positionsmessgerät gemäß der 1 erhalten werden kann. Durch Zählen der Perioden dieses Detektorsignals und durch Unterteilung (Interpolation) einer solchen Periode kann die Verschiebung zwischen Abtastkopf und Maßstab 5 eines solchen Positionsmessgerätes bestimmt werden. 7 shows by way of example the course of a detector signal I, as it is with a position measuring device according to the 1 can be obtained. By counting the periods of this detector signal and dividing (interpolating) such a period, the displacement between the scanning head and the scale 5 of such a position measuring device can be determined.

Die 8 und 9 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Maßverkörperungen bzw. Maßstäbe 5. Diese sind so gestaltet, dass auf eine Abtastplatte verzichtet werden kann. Trotzdem kann eine Abtastplatte zwecks strukturierter Beleuchtung des Maßstabs 5 eingesetzt werden. Man macht sich zu Nutze, dass Transmission und Reflexion linear polarisierten Lichtes einer bestimmten Wellenlänge L und Polarisationsrichtung E steuerbar ist durch die Variation von Parametern der Gitterstrukturen 7 auf dem jeweiligen Maßstab 5.The 8th and 9 show further embodiments of the invention measure scales or scales 5 , These are designed so that it is possible to dispense with a scanning plate. Nevertheless, a scanning plate can be used for structured illumination of the scale 5 be used. One makes use of the fact that transmission and reflection of linearly polarized light of a specific wavelength L and polarization direction E can be controlled by the variation of parameters of the grating structures 7 on the scale 5 ,

So ist gemäß 8 der vollständige Maßstab mit Gitterstrukturen 7 versehen, deren Periode P periodisch schwankt. So ist die Periode P nur in eini gen Bereichen so auf das einfallende Licht abgestimmt, dass dieses beinahe vollständig reflektiert wird und praktisch kein Licht den Photodetektor 6 erreicht. Dies ist durch ein Minimum im Detektorsignal I in der darüberliegenden 7 angedeutet. Beidseits eines solchen Bereiches ist die Periode P der Gitterstruktur 7 größer (evtl. sogar größer als die Lichtwellenlänge L) oder kleiner, der Maßstab 5 wird an diesen Stellen transparent und das Detektorsignal entsprechend deutlich höher, bis hin zur vollständigen Transmission im Bereich der Maxima des Detektorsignal I.So is according to 8th the full scale with lattice structures 7 whose period P fluctuates periodically. Thus, the period P is tuned to the incident light only in some areas so that it is almost completely reflected and virtually no light is reflected by the photodetector 6 reached. This is due to a minimum in the detector signal I in the overlying 7 indicated. On both sides of such a region, the period P of the lattice structure 7 larger (possibly even larger than the light wavelength L) or smaller, the scale 5 becomes transparent at these points and the detector signal correspondingly higher, up to complete transmission in the region of the maxima of the detector signal I.

Der gleiche Effekt lässt sich auch erzielen, wenn nicht wie in 8 die Periode P, sondern wie in 9 die Ausrichtung der Gitterstrukturen 7 kontinuierlich oder diskret variiert wird. Nur wenn die Gitterstriche parallel zur Polarisationsrichtung E stehen, wird einfallendes Licht vom Maßstab 5 stark reflektiert und das Detektorsignal im Durchlichtfall minimal. Liegen die Gitterstrukturen 7 senkrecht zur Polarisationsrichtung E gelangt einfallendes Licht nahezu vollständig zum Photodetektor 6, das Detektorsignal I wird maximal.The same effect can be achieved, if not as in 8th the period P, but as in 9 the orientation of the lattice structures 7 is varied continuously or discreetly. Only if the grating lines are parallel to the polarization direction E, incident light is the scale 5 strongly reflected and the detector signal in the transmitted light case minimal. Lying the lattice structures 7 perpendicular to the polarization direction E incident light passes almost completely to the photodetector 6 , the detector signal I is maximum.

Mit solchen Variationen von Parametern der Gitterstrukturen lassen sich nicht nur zwei Zustände (hell/dunkel) kodieren, sondern mehrere, bis hin zu kontinuierlich variierenden Detektorsignalen, die einer Position direkt proportional sind. Somit sind auch andere Maßverkörperungen zu realisieren als übliche Inkrementalspuren oder binär kodierte Absolutspuren.With such variations of parameters of the grating structures can be not just two states (light / dark), but several, up to continuously varying detector signals, which are directly proportional to a position. So there are others To realize dimensional standards as usual Incremental tracks or binary coded absolute tracks.

Für alle hier geschilderten Ausführungsbeispiele gilt, dass das polarisierte Licht senkrecht oder nahezu senkrecht auf die Maßverkörperung einfallen muss. Es hängt von den jeweiligen konkreten Umständen (vor allem Lichtwellenlänge L und Periode P) ab, wie groß die Abweichung von der Senkrechten werden kann, um noch eine ausreichende Auslöschung der Transmission oder eine ausreichende Reflexion in 0. Beugungsordnung zu erhalten. Die Abweichung von der Senkrechten kann dabei durchaus in der Größenordnung von 10° liegen.For all embodiments described here is that the polarized light perpendicular or nearly perpendicular to the measuring scale must come up. It depends on the specific circumstances (especially light wavelength L and period P) from how big the Deviation from the vertical can be to get a sufficient Extinguishing the transmission or sufficient reflection to get in 0. diffraction order. The deviation from the vertical can be quite in the order of 10 °.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 1081457 A2 [0006, 0029, 0058] - EP 1081457 A2 [0006, 0029, 0058]
  • - US 4820918 [0008] - US 4820918 [0008]
  • - EP 1801546 A1 [0009] EP 1801546 A1 [0009]

Claims (12)

Maßverkörperung für ein optisches Positionsmessgerät, das mit Licht einer zentralen Wellenlänge (L) arbeitet, wobei – die Maßverkörperung (4, 5) ein Substrat (9) mit ersten und zweiten Bereichen aufweist, – die Anordnung der ersten und zweiten Bereiche eine Positionsinformation so kodiert, dass sie mit dem Licht der Wellenlänge (L) auslesbar ist, – wenigstens die ersten Bereiche eine Gitterstruktur (7) mit einer Periode (P) aufweisen, die die optischen Eigenschaften der Maßverkörperung (4, 5) beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass – die Periode (P) der Gitterstruktur (7) kleiner als die Wellenlänge (L) ist, – in Richtung (E) der Gitterstruktur (7) linear polarisiertes Licht der Wellenlänge (L) von den strukturierten ersten Bereichen nahezu vollständig in 0. Beugungsordnung reflektiert wird.Measuring standard for an optical position measuring device that works with light of a central wavelength (L), wherein - the material measure ( 4 . 5 ) a substrate ( 9 ) having first and second regions, - the arrangement of the first and second regions encodes position information such that it can be read out with the light of the wavelength (L), - at least the first regions have a lattice structure ( 7 ) having a period (P) which determines the optical properties of the material measure ( 4 . 5 ), characterized in that - the period (P) of the lattice structure ( 7 ) is smaller than the wavelength (L), - in the direction (E) of the lattice structure ( 7 ) linearly polarized light of wavelength (L) is almost completely reflected by the structured first regions in the order of diffraction. Maßverkörperung nach Anspruch 1, bei der die zweiten Bereiche nicht strukturiert sind und damit einfallendes Licht größtenteils transmittiert oder auch teilweise absorbiert wird.Measuring standard according to claim 1, in which the second areas are not structured and thus incidental Light mostly transmitted or partially is absorbed. Maßverkörperung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) auf seiner strukturierten Oberfläche die ersten und zweiten Bereiche aufweist.Measuring standard according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate ( 9 ) has on its structured surface the first and second regions. Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n) des Substrats (9) größer als 1.6 ist.Measurement standard according to one of the preceding claims, characterized in that the refractive index (n) of the substrate ( 9 ) is greater than 1.6. Maßverkörperung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine strukturierte dünne Schicht (8) auf dem Substrat (9) angeordnet ist, die die ersten und zweiten Bereiche aufweist.Measurement standard according to claim 1 or 2, characterized in that a structured thin layer ( 8th ) on the substrate ( 9 ) having the first and second regions. Maßverkörperung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n) der Schicht (8) größer als zwei ist.Measurement standard according to one of claims 1, 2 or 5, characterized in that the refractive index (n) of the layer ( 8th ) is greater than two. Maßverkörperung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur (7) als Phasengitter mit einer Stufenhöhe (h) von h(180°) = L/(2·(n – 1)) ausgebildet ist.Measuring standard according to claim 5 or 6, characterized in that the lattice structure ( 7 ) is formed as a phase grating having a step height (h) of h (180 °) = L / (2 * (n-1)). Maßverkörperung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex (n) der mit der Gitterstruktur (7) versehenen Schicht (8) größer als 2.4 ist, und dass die Gitterstruktur (7) als Phasengitter mit einer Stufenhöhe (h) von h(180°) = L/(2·(n – 1)) oder von h(90°) = L/(4·(n – 1)) ausgebildet ist.Measurement standard according to claim 5 or 6, characterized in that the refractive index (n) of the with the lattice structure ( 7 ) layer ( 8th ) is greater than 2.4, and that the grid structure ( 7 ) is formed as a phase grating having a step height (h) of h (180 °) = L / (2 * (n-1)) or h (90 °) = L / (4 * (n-1)). Maßverkörperung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Maßverkörperung (4, 5) sowohl ein Phasengitter mit einer Stufenhöhe (h) und einer Gitterperiode (Λ) größer als die Lichtwellenlänge (L) angeordnet ist, als auch ein Amplitudengitter, dessen helle oder dunkle Bereiche durch die Gitterstrukturen (7) mit der Stufenhöhe (h) und der Periode (P) kleiner als die Wellenlänge (L) gebildet sind.Measuring standard according to one of the preceding claims, characterized in that on the material measure ( 4 . 5 ) both a phase grating with a step height (h) and a grating period (Λ) greater than the wavelength of light (L) is arranged, as well as an amplitude grating whose light or dark areas through the grating structures ( 7 ) having the step height (h) and the period (P) smaller than the wavelength (L) are formed. Maßverkörperung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (4, 5) ein MAP-Gitter trägt.Measuring standard according to claim 9, characterized in that the material measure ( 4 . 5 ) carries a MAP grid. Maßverkörperung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (4, 5) das Phasengitter mit der Gitterperiode (Λ) größer als die Lichtwellenlänge (L) als Inkrementalspur zum Messen von Positionsverschiebungen trägt, und dass die Maßverkörperung (4, 5) die Gitterstrukturen (7) mit der Periode (P) kleiner als die Wellenlänge (L) als Referenzmarke oder Absolutspur zum Feststellen einer absoluten Position trägt.Measuring standard according to claim 9, characterized in that the material measure ( 4 . 5 ) carries the phase grating with the grating period (Λ) greater than the wavelength of light (L) as an incremental track for measuring positional shifts, and that the material measure ( 4 . 5 ) the lattice structures ( 7 ) having the period (P) smaller than the wavelength (L) as a reference mark or absolute track for detecting an absolute position. Optisches Positionsmessgerät mit einer Lichtquelle (1, 2, 3) für linear polarisiertes Licht einer zentralen Wellenlänge (L), einer Maßverkörperung (4, 5) und einem Photodetektor (6), dadurch gekennzeichnet, dass das linear polarisierte Licht mit einer Polarisationsrichtung (E) parallel zu Gitterstrukturen (7) der Maßverkörperung (4, 5) fällt, wobei die Maßverkörperung (4, 5) eine Maßverkörperung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ist.Optical position measuring device with a light source ( 1 . 2 . 3 ) for linearly polarized light of a central wavelength (L), a material measure ( 4 . 5 ) and a photodetector ( 6 ), characterized in that the linearly polarized light with a polarization direction (E) parallel to grating structures ( 7 ) of the material measure ( 4 . 5 ), whereby the material measure ( 4 . 5 ) is a material measure according to one of the preceding claims.
DE200810013164 2008-03-07 2008-03-07 Material measure for optical position measuring unit, which operates with light of central wavelength, comprises substrate with two areas, which code position information, which is selected with light of wavelength Ceased DE102008013164A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810013164 DE102008013164A1 (en) 2008-03-07 2008-03-07 Material measure for optical position measuring unit, which operates with light of central wavelength, comprises substrate with two areas, which code position information, which is selected with light of wavelength

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200810013164 DE102008013164A1 (en) 2008-03-07 2008-03-07 Material measure for optical position measuring unit, which operates with light of central wavelength, comprises substrate with two areas, which code position information, which is selected with light of wavelength

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102008013164A1 true DE102008013164A1 (en) 2009-09-10

Family

ID=40936338

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200810013164 Ceased DE102008013164A1 (en) 2008-03-07 2008-03-07 Material measure for optical position measuring unit, which operates with light of central wavelength, comprises substrate with two areas, which code position information, which is selected with light of wavelength

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102008013164A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4820918A (en) 1985-06-28 1989-04-11 Canon Kabushiki Kaisha Optical encoder including transparent substrates having formed indicators therein
EP1081457A2 (en) 1999-08-31 2001-03-07 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Optical position measuring device
EP1801546A1 (en) 2005-12-23 2007-06-27 SICK STEGMANN GmbH Information carrier in an encoder

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4820918A (en) 1985-06-28 1989-04-11 Canon Kabushiki Kaisha Optical encoder including transparent substrates having formed indicators therein
EP1081457A2 (en) 1999-08-31 2001-03-07 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Optical position measuring device
EP1801546A1 (en) 2005-12-23 2007-06-27 SICK STEGMANN GmbH Information carrier in an encoder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0742455B1 (en) Scale, method of fabricating a scale and a position measuring device
EP2394143B1 (en) Optoelectronic position measurement device and optoelectronic position measurement method
DE102008007319A1 (en) Optical position measuring device
EP1801546B1 (en) Information carrier in an encoder
EP1081457A2 (en) Optical position measuring device
DE112011104918T5 (en) Optical encoder
EP0978708B1 (en) Rotary encoder
EP3136057B1 (en) Optical position sensor system
EP3196598B1 (en) Optical positioning device
DE4338680C1 (en) Length-measuring or angle-measuring device
EP3150970A1 (en) Optical layer system
DE102020003758B4 (en) MESH PART AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF
EP1436647A2 (en) Method for producing a scale, scale produced according to said method and a position measuring device
DE102013220190B4 (en) Measuring graduation and photoelectric position measuring device with this measuring graduation
DE102008013164A1 (en) Material measure for optical position measuring unit, which operates with light of central wavelength, comprises substrate with two areas, which code position information, which is selected with light of wavelength
DE19937023A1 (en) Reflection material measure and method for producing a reflection material measure
EP1417519A1 (en) Optical determination of a position or length
EP2963391A1 (en) Position measuring device
DE19621188A1 (en) Optical sensor for determining the angle of rotation of an axis of rotation
DE10328873B4 (en) Encoder of the projection type
DE102008025870A1 (en) Optical position measuring device
DE102004002683A1 (en) Optical sensor element e.g. for position or length determination at rotating or linear moving machine parts, uses alternating code bars formed by hologram structure or diffractive optical element
DE102017201257A1 (en) Position measuring device
DE10025410A1 (en) Interferometric position measuring equipment has material measure with transmissive phase grid that functions as diffraction grating
DE10063899B4 (en) Optical angle measuring system

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20141120

R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final