DE102011083018A1

DE102011083018A1 - Optical position measuring system for determining relative position of two objects, has material measuring scale comprising two planar components whose refraction indexes are interlinked at common boundary surface by prismatic structure

Info

Publication number: DE102011083018A1
Application number: DE201110083018
Authority: DE
Inventors: Walter Huber
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

The system has a material measuring scale (M) comprising two planar components (M1, M2), which exhibit respective refraction indexes (n1, n2) that are different from each other. The refraction indexes are interlinked at a common boundary surface (G) by a prismatic structure (S) such that a light beam (L1) of a light source (L) incident on one component is totally reflected at an edge (S1) of the prismatic structure and deflected into another light beam (L2). The latter light beam is passed into another component through another edge (S2) of the prismatic structure. The material measuring scale is formed as a two-component injection molded part.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Positionsmesssystem. Solche Positionsmesssysteme dienen der Bestimmung der Relativposition zweier Objekte. Licht einer Lichtquelle wird zu einem Hell-/Dunkelmuster umgewandelt, dessen Bewegung relativ zu einem Fotodetektor zu periodischen Signalen am Ausgang des Fotodetektors führt. Durch Zählen dieser Perioden kann auf die Verschiebung zwischen beiden Objekten geschlossen werden.The invention relates to an optical position measuring system. Such position measuring systems are used to determine the relative position of two objects. Light from a light source is converted to a light / dark pattern whose motion relative to a photodetector results in periodic signals at the output of the photodetector. By counting these periods, it is possible to deduce the displacement between both objects.

In vielen Bereichen der Technik ist eine Positionsbestimmung bzw. die Feststellung einer Verschiebung zwischen zwei Objekten notwendig. Oft kommt es dabei nicht auf höchste Genauigkeit an, vielmehr sind dann Lösungen gefragt, die sich möglichst einfach und kostengünstig herstellen lassen. Es wurde daher bereits überlegt, für gewisse Anwendungen auf hochwertige Maßverkörperungen auf Glassubstraten zu verzichten und stattdessen Maßverkörperungen aus Kunststoff einzusetzen. Solche Maßverkörperungen lassen sich als Spritzgussteile günstig und in großen Stückzahlen herstellen.In many fields of technology, a position determination or the determination of a displacement between two objects is necessary. Often it does not depend on highest accuracy, but then solutions are needed that can be produced as easily and inexpensively. It has therefore already considered, for certain applications to dispense with high-quality measuring standards on glass substrates and instead use plastic material embossing. Such material measures can be produced as injection molded parts cheap and in large quantities.

So ist aus der EP 1 293 758 A1 ein Positionsmessgerät auf der Basis einer Maßverkörperung aus Kunststoff bekannt. In das flächig ausgeführte Substrat sind prismatische Strukturen eingebracht, an denen das senkrecht auf die Maßverkörperung einfallende Licht totalreflektiert wird. Da im Bereich einer solchen prismatischen Struktur einfallendes Licht zurückgeworfen wird, in Bereichen ohne solche Strukturen das Licht die Maßverkörperung aber durchdringen kann, entsteht eine Hell-/Dunkelmodulation, die mittels eines Detektors erfasst werden kann. In einem Ausführungsbeispiel sind die prismatischen Strukturen durch eine zweite Komponente eingeebnet, um die Auswirkung von Verschmutzungen zu minimieren. So is out of the EP 1 293 758 A1 a position measuring device based on a material measure of plastic known. Prismatic structures in which the light incident perpendicular to the material measure is totally reflected are introduced into the flat substrate. Since incident light is reflected in the area of such a prismatic structure, but in areas without such structures the light can penetrate the material measure, a light / dark modulation is produced which can be detected by means of a detector. In one embodiment, the prismatic structures are flattened by a second component to minimize the effect of contaminants.

Eine solche Maßverkörperung kann jedoch nur im Durchlichtbetrieb verwendet werden, bei der Lichtquelle und Detektor auf verschiedenen Seiten der Maßverkörperung angeordnet sind. Dies bedeutet, dass Lichtquelle und Detektor durch ein die Maßverkörperung umgreifendes Bauelement verbunden werden müssen. Solche Lösungen verbrauchen viel Platz. Die 10 der EP 1 293 758 A1 zeigt daher eine Lösung mit einem zusätzlichen Umlenkelement, das den Strahlengang um 180 Grad umlenkt und so einen Auflichtbetrieb ermöglicht. Lichtquelle und Detektor sind hier auf einer Seite der Maßverkörperung angeordnet. Die als ein einziges Spritzgussteil ausgebildete Maßverkörperung bewirkt also neben der Erzeugung eines Hell-Dunkelmusters auch eine Umkehr der Lichtstrahlen, sowie einen seitlichen Versatz zwischen ein- und ausfallendem Licht, der dem Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Detektor in Messrichtung entspricht.However, such a material measure can only be used in transmitted light mode, are arranged at the light source and detector on different sides of the material measure. This means that the light source and detector must be connected by a device embracing the material measure. Such solutions consume a lot of space. The 10 of the EP 1 293 758 A1 Therefore, shows a solution with an additional deflecting element, which deflects the beam path by 180 degrees, thus enabling a reflected light operation. Light source and detector are arranged here on one side of the material measure. Thus, in addition to the generation of a light-dark pattern, the material measure embodied as a single injection-molded part also causes a reversal of the light rays, as well as a lateral offset between incoming and outgoing light, which corresponds to the distance between the light source and the detector in the direction of measurement.

Die in der 10 der EP 1 293 758 A1 gezeigte Maßverkörperung benötigt jedoch relativ viel Platz, da die zur Strahlumlenkung verwendeten Grenzflächen als Dachkantprisma über den eigentlichen, zur Hell-Dunkelmodulation verwendeten prismatischen Strukturen sitzen.The in the 10 of the EP 1 293 758 A1 However, the dimensional scale shown requires relatively much space, since the interfaces used for beam deflection sitting as a roof prism on the actual, used for light-color modulation prismatic structures.

Es ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt, wie in optischen Positionsmesssystemen aus positionsabhängigen Hell-/Dunkelmodulationen gegeneinander phasenverschobene, periodische Signale gewonnen werden können, aus denen dann letztlich eine Positionsinformation gebildet wird. Es sei hier beispielhaft die DE 10 2004 030 572 A1 genannt, in der strukturierte Fotodetektoren und die Gewinnung von periodischen Signalen näher beschrieben sind.It is well known in the art how, in optical position measuring systems, phase-shifted, phase-shifted signals can be obtained from position-dependent light / dark modulations, from which position information is ultimately formed. It is exemplary here the DE 10 2004 030 572 A1 in which structured photodetectors and the acquisition of periodic signals are described in more detail.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Positionsmesssystem anzugeben, bei dem die Maßverkörperung wie im Stand der Technik neben der Hell-Dunkelmodulation des Lichts auch eine Strahlumkehr und einen seitlichen Versatz des Lichtes bewirkt, bei dem aber die Baugröße im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert ist. Die Vorteile einer kostengünstigen Herstellbarkeit sollen dabei erhalten bleiben.The object of the invention is to provide a position measuring system in which the material measure as in the prior art in addition to the light-dark modulation of the light also causes a beam reversal and a lateral offset of the light, but in which significantly reduces the size compared to the prior art is. The advantages of cost-effective manufacturability should be preserved.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Positionsmesssystem mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The object is achieved by a position measuring system with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Indem die Maßverkörperung als Zweikomponenten-Spritzgussteil ausgeführt wird, bei der die Komponenten unterschiedliche Brechzahl haben, und indem die prismatischen Strukturen zur Erzeugung einer Hell-/Dunkelmodulation gleichzeitig zur seitlichen Ablenkung des einfallenden Lichtes verwendet werden, wird eine Maßverkörperung geschaffen, die trotz sehr flacher und damit platzsparender Bauweise alle genannten Anforderungen erfüllen kann.By carrying out the measuring standard as a two-component injection-molded part in which the components have different refractive indices and by simultaneously using the prismatic structures for generating light / dark modulation for the lateral deflection of the incident light, a material measure is produced which, despite its very flat and so that space-saving construction can meet all mentioned requirements.

Es wird im Folgenden ein optisches Positionsmesssystem mit einer Lichtquelle und einer Maßverkörperung beschrieben, wobei die Maßverkörperung erste und zweite flächige Komponenten mit jeweils unterschiedlicher Brechzahl aufweist, die an einer gemeinsamen Grenzfläche mittels prismatischer Strukturen miteinander verzahnt sind, so dass ein auf die erste Komponente der Maßverkörperung einfallendes erstes Lichtbündel an einer ersten Flanke der prismatischen Strukturen totalreflektiert wird. Das totalreflektierte Licht gelangt dann als zweites Lichtbündel über eine zweite Flanke der prismatischen Strukturen in die zweite Komponente.In the following, an optical position measuring system with a light source and a material measure will be described, wherein the material measure comprises first and second planar components, each with different refractive indices, which are interlinked at a common interface by means of prismatic structures, so that one on the first component of the material measure incident first beam is totally reflected on a first flank of the prismatic structures. The totally reflected light then passes as a second light beam via a second edge of the prismatic structures in the second component.

Bei geeigneter Wahl der Beleuchtung erhält man so ein zweites Lichtbündel, das sich von der ursprünglichen Einfallsrichtung deutlich abgelenkt ausbreitet, und von einer der Lichtquelle abgewandten Grenzfläche der zweiten Komponente als drittes Lichtbündel zurück zu den prismatischen Strukturen geworfen wird. Eine erneute Totalreflexion eines Teils des dort ankommenden Lichts lenkt dieses antiparallel und versetzt zum einfallenden ersten Lichtbündel, sowie mit einer Hell-/Dunkelmodulation versehen als viertes Lichtbündel aus der Maßverkörperung heraus. Es kann nun von einem neben der Lichtquelle angeordneten Fotodetektor erfasst werden.With a suitable choice of lighting you get a second bundle of light that differs from the propagated significantly deflected original incident direction, and is thrown by a light source remote from the interface of the second component as a third light beam back to the prismatic structures. A renewed total reflection of a part of the light arriving there deflects this antiparallel and offset to the incident first light bundle, and provided with a light / dark modulation as the fourth light beam out of the material measure. It can now be detected by a photodetector arranged next to the light source.

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 with reference to FIGS. It shows

1 ein erstes Ausführungsbeispiel, 1 a first embodiment,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel, 2 a second embodiment,

3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines optischen Positionsmesssystems. 3 A third embodiment of an optical position measuring system.

1 zeigt ein erstes, besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines optischen Positionsmesssystems. Das Licht einer Lichtquelle L fällt durch eine Kollimatorlinse K, so dass für eine punktförmige Lichtquelle L nach der Linse K ein annähernd paralleles Lichtbündel L1 vorliegt. Da reale Lichtquellen niemals punktförmig sind, hat das Lichtbündel L1 auch nach der Kollimatorlinse K eine kleine Divergenz. Wie später noch erklärt werden wird, ist dies sogar erwünscht und von Vorteil. 1 shows a first, particularly simple embodiment of an optical position measuring system. The light of a light source L falls through a collimator lens K, so that for a punctiform light source L after the lens K is an approximately parallel light beam L1. Since real light sources are never punctiform, the light beam L1 has a small divergence even after the collimator lens K. As will be explained later, this is even desirable and beneficial.

Das Lichtbündel L1 fällt auf eine Maßverkörperung M, die zwei flächige Komponenten M1 und M2 aufweist, die hier im Schnitt dargestellt sind. An ihrer gemeinsamen Grenzfläche G sind die beiden Komponenten M1, M2 mittels prismatischer Strukturen S miteinander verzahnt.The light beam L1 falls on a material measure M, which has two flat components M1 and M2, which are shown here in section. At their common interface G, the two components M1, M2 are interlinked by means of prismatic structures S.

Die flächigen bzw. prismatischen Formen der Maßverkörperung M und der Komponenten M1 und M2 erhält man, wenn deren Umrisse in dem in 1 gezeigten Schnitt senkrecht zur Zeichenebene verschoben werden. Die Grenzflächen der flächigen Komponenten M1, M2 stehen also senkrecht auf der Zeichenebene und sind parallel zueinander. Das erste Lichtbündel L1 fällt senkrecht auf die der Lichtquelle L zugewandte Grenzfläche M1G der ersten Komponente M1. The two-dimensional or prismatic forms of the material measure M and the components M1 and M2 are obtained if their outlines in the in 1 shown section are moved perpendicular to the drawing plane. The boundary surfaces of the planar components M1, M2 are therefore perpendicular to the plane of the drawing and are parallel to each other. The first light beam L1 falls perpendicular to the light source L facing the interface M1G of the first component M1.

Trifft das Lichtbündel L1 der Lichtquelle L auf die gemeinsame Grenzfläche G, so wird ein Teil des Lichts in ein zweites Lichtbündel L2, ein anderer Teil in das hier nicht weiter betrachtete Lichtbündel L2‘ abgelenkt.If the light beam L1 of the light source L strikes the common boundary surface G, part of the light is deflected into a second light beam L2, another part is deflected into the light beam L2 'not further considered here.

Das zweite Lichtbündel L2 läuft nun in der zweiten flächigen Komponente M2 zu dessen der Lichtquelle L abgewandten Grenzfläche M2G und wird dort reflektiert. Hierzu muss es entweder unter einem Winkel auftreffen, unter dem eine Totalreflexion erfolgt, oder die Grenzfläche M2G ist metallisch oder dielektrisch verspiegelt. Idealerweise kommen beide Maßnahmen zum Einsatz.The second light beam L2 now runs in the second planar component M2 to the light source L facing away from interface M2G and is reflected there. For this purpose, it must either hit at an angle under which a total reflection occurs, or the interface M2G is metallically or dielectrically mirrored. Ideally, both measures are used.

Nach der Reflexion an der Grenzfläche M2G fällt das Licht als drittes Lichtbündel L3 zurück auf die Grenzfläche G mit den prismatischen Strukturen S. Wie später noch genauer erklärt wird, verlässt dann ein viertes Lichtbündel L4 die Maßverkörperung M über die Grenzfläche M1G. Dieses Lichtbündel L4 weist eine Hell-/Dunkelmodulation auf. Von den Lichtbündeln L1, L2, und L3 sind nur die Randstrahlen gezeichnet. Die prismatische Struktur S wird jedoch vom dritten Lichtbündel L3 gleichmäßig ausgeleuchtet. Die Wechselwirkung mit der Grenzfläche G bzw. mit deren prismatischen Strukturen S ergibt dann die Hell-/Dunkelmodulation im Lichtbündel L4. Die dort schwarz gezeichneten Bereiche stellen die hellen Bereiche dieses strukturierten Lichtbündels L4 dar.After the reflection at the interface M2G, the light as the third light bundle L3 falls back onto the boundary surface G with the prismatic structures S. As will be explained in more detail later, then a fourth light bundle L4 leaves the material measure M via the interface M1G. This light beam L4 has a light / dark modulation. Of the light beams L1, L2, and L3, only the marginal rays are drawn. However, the prismatic structure S is uniformly illuminated by the third light beam L3. The interaction with the interface G or with its prismatic structures S then gives the light / dark modulation in the light beam L4. The areas drawn in black represent the bright areas of this structured light bundle L4.

Mit einem Fotodetektor D, wie er beispielsweise in der eingangs erwähnten DE 10 2004 030 572 A1 beschrieben ist, lässt sich diese Hell-/Dunkelmodulation bzw. eine Verschiebung derselben detektieren. Bei einer Relativbewegung zwischen der Maßverkörperung M und dem Detektor D parallel zur Messrichtung X lassen sich periodische Signale gewinnen. Durch Zählung der Perioden erhält man dann ein Maß für die relative Positionsänderung. In üblicher Weise können hierzu phasenverschobene, sinusförmige Signale verwendet werden, um auch die With a photodetector D, as he, for example, in the above-mentioned DE 10 2004 030 572 A1 is described, this light / dark modulation or a shift of the same can be detected. With a relative movement between the material measure M and the detector D parallel to the measuring direction X, periodic signals can be obtained. Counting the periods then gives you a measure of the relative change in position. In the usual way, this phase-shifted, sinusoidal signals can be used to the

Verschiebungsrichtung feststellen zu können. Durch eine Interpolation der periodischen Signale lässt sich außerdem die Auflösung des Positionsmesssystems erheblich steigern.Be able to determine displacement direction. Interpolation of the periodic signals can also significantly increase the resolution of the position measuring system.

Wie sich anhand der 1 gut erkennen lässt, erfährt das auf die Maßverkörperung M einfallende erste Lichtbündel L1 einerseits eine Richtungsumkehr um 180 Grad, und andererseits einen seitlichen Versatz V in Messrichtung X, bevor es als viertes Lichtbündel L4 die Maßverkörperung M wieder verlässt. Gleichzeitig erhält das Licht die für eine Positionsmessung nötige Hell-Dunkelmodulation. Somit eignet sich die Maßverkörperung M ideal für ein optisches Positionsmesssystem, bei dem Lichtquelle und Detektor nebeneinander auf einer Seite der Maßverkörperung angeordnet sind. Der Versatz V entspricht gerade dem Abstand zwischen der Lichtquelle L und dem Detektor D in Messrichtung X.As reflected by the 1 can be clearly seen, the incident on the material measure M first light beam L1 on the one hand undergoes a reversal of direction by 180 degrees, and on the other hand a lateral offset V in the measuring direction X before it leaves the material measure M as the fourth light beam L4 again. At the same time the light receives the necessary for a position measurement light-dark modulation. Thus, the material measure M is ideally suited for an optical position measuring system in which the light source and the detector are arranged side by side on one side of the material measure. The offset V just corresponds to the distance between the light source L and the detector D in the measuring direction X.

Anhand der 1 soll der erste Durchgang des Lichts durch die Grenzfläche G mit ihren prismatischen Strukturen S genauer betrachtet werden. Die prismatischen Strukturen S weisen erste und zweite Flanken S1 und S2 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel die Schenkel eines gleichschenkligen Dreiecks bilden. Die Flanken S1 und S2 bilden die Grenzfläche G zwischen der ersten und zweiten flächigen Komponente M1 und M2. An der Grenzfläche G wechselt der Brechungsindex n1 der ersten Komponente M1 auf den Brechungsindex n2 der zweiten Komponente M2. Damit ein Lichtstrahl, der auf eine der ersten Flanken S1 trifft, an dieser totalreflektiert wird, muss der Brechungsindex n1 der ersten Komponente M1 größer sein als der Brechungsindex der zweiten Komponente M2, also n1 > n2. Im Ausführungsbeispiel, in dem die beiden Komponenten aus verschiedenen Kunststoffen bestehen, wurde n1 = 1,8 und n2 = 1,57 gewählt. Ein so hoher Brechungsindex von n1 = 1.8 lässt sich durch die Beimischung von Nanopartikeln erzielen, hier etwa 30 Vol. % in einem Polycarbonat-Granulat, das ohne Beimischung den Brechungsindex 1,57 aufweist. Solche Kunststoffe eignen sich hervorragend für ein Zweikomponenten-Spritzgussverfahren, mit dem die Maßverkörperung günstig und in hohen Stückzahlen zu fertigen ist.Based on 1 Let the first passage of the light through the interface G with their prismatic structures S are considered in more detail. The prismatic structures S have first and second flanks S1 and S2, which in this embodiment form the legs of an isosceles triangle. The flanks S1 and S2 form the interface G between the first and second sheet components M1 and M2. At the interface G, the refractive index n1 of the first component M1 changes to the refractive index n2 of the second component M2. In order for a light beam which strikes one of the first flanks S1 to be totally reflected at it, the refractive index n1 of the first component M1 must be greater than the refractive index of the second component M2, ie n1> n2. In the embodiment in which the two components consist of different plastics, n1 = 1.8 and n2 = 1.57 was selected. Such a high refractive index of n1 = 1.8 can be achieved by adding nanoparticles, here about 30 vol.% In a polycarbonate granules having the refractive index of 1.57 without admixture. Such plastics are ideal for a two-component injection molding process, with which the material measure is cheap to manufacture and in large quantities.

Die Maßverkörperung M ist von Luft oder auch Vakuum umgeben, der Brechungsindex außerhalb der Maßverkörperung M kann vereinfachend mit n0 = 1 angenommen werden.The material measure M is surrounded by air or vacuum, the refractive index outside of the material measure M can be assumed simplifying with n0 = 1.

Trifft ein Lichtstrahl auf eine erste Flanke S1, so wird er an dieser totalreflektiert, durchläuft nochmals einen Bereich der ersten Komponente M1 und trifft dann auf eine zweite Flanke S2, diesmal unter einem Winkel, der nicht zu einer Totalreflexion führt. Vielmehr gelangt der Lichtstrahl nun in die zweite Komponente M2, und bildet dort zusammen mit allen anderen Lichtstrahlen, die zuerst auf erste Flanken S1 trafen, das zweite Lichtbündel L2. Erfolgt der Durchgang durch die zweite Flanke S2 nicht unter einem rechten Winkel, so wird der Lichtstrahl zudem noch gebrochen, also um einen bestimmten Winkel abgelenkt, der durch das Brechungsgesetz nach Snellius bestimmt ist. When a light beam strikes a first flank S1, it is totally reflected at the flank S1, again passes through a region of the first component M1 and then strikes a second flank S2, this time at an angle which does not lead to a total reflection. Rather, the light beam now passes into the second component M2, where it forms the second light beam L2 together with all other light beams which first hit first flanks S1. If the passage through the second flank S2 is not at a right angle, the light beam is additionally refracted, ie deflected by a certain angle, which is determined by the law of refraction according to Snellius.

In völlig symmetrischer Weise bilden solche Lichtstrahlen, die zuerst auf eine zweite Flanke S2 treffen, das Lichtbündel L2‘, das hier nicht näher betrachtet wird.In a completely symmetrical manner, such light rays which first strike a second flank S2 form the light bundle L2 ', which is not considered here in detail.

Diese Aufspaltung des ersten Lichtbündels L1 in die beiden Lichtbündel L2 und L2‘ ist in einer Ausschnittsvergrößerung innerhalb der 1 dargestellt. Es sind hier jeweils die Randstrahlen jener Lichtbündel gezeichnet, die durch Totalreflektion an einer der Flanken S1 oder S2 entstehen.This splitting of the first light bundle L1 into the two light bundles L2 and L2 'is in an enlarged detail within the 1 shown. In each case, the marginal rays of those light bundles are drawn, which are produced by total reflection at one of the flanks S1 or S2.

Der Auftreffwinkel des ersten Lichtbündels L1 auf die erste Flanke S1 liegt unter den genannten Bedingungen vorzugsweise in einem Bereich zwischen 55 und 75 Grad, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 60 und 70 Grad, wobei dieser Winkel wie in der Optik üblich zu einer auf der Flanke S1 senkrecht stehenden Flächennormalen gemessen wird. The angle of incidence of the first light beam L1 on the first flank S1 is preferably in a range between 55 and 75 degrees, particularly preferably in a range between 60 and 70 degrees, said angle being normal to one on the flank, as in optics S1 perpendicular surface normal is measured.

Das zweite Lichtbündel L2 wird wie gezeigt durch Reflexion an der der Lichtquelle L abgewandten Grenzfläche M2G der zweite Komponente M2 reflektiert und so zum dritten Lichtbündel L3.As shown, the second light bundle L2 is reflected by reflection at the boundary surface M2G of the second component M2 facing away from the light source L, and thus to the third light bundle L3.

Dieses dritte Lichtbündel L3 trifft erneut auf die Grenzfläche G mit ihren prismatischen Strukturen S. Durch den schrägen Einfall des dritten Lichtbündels L3 treffen alle Lichtstrahlen zunächst auf eine erste Flanke S1, welche sie unter einer vom Auftreffwinkel abhängigen Brechung passieren, um in den Bereich der ersten Komponente M1 zu gelangen. Ein Teil dieser Strahlen trifft dann auf eine zweite Flanke S2, und zwar unter einem Winkel, der eine erneute Totalreflexion am optisch weniger dichten Material der zweiten Komponente M2 bewirkt. Diese Strahlen verlassen nach der Totalreflexion an der zweiten Flanke S2 als viertes Lichtbündel L4 die Maßverkörperung. Da nicht alle, sondern nur ein Teil der Lichtstrahlen auf eine der zweiten Flanken S2 treffen, fehlt im vierten Lichtbündel L4 ein Teil des Lichtes. Das vierte Lichtbündel L4 weist dadurch eine Hell-Dunkelmodulation auf, die vom Detektor D erfasst werden kann.This third light beam L3 again strikes the interface G with its prismatic structures S. Due to the oblique incidence of the third light beam L3, all the light rays first strike a first flank S1 which they pass under an impingement-dependent refraction to reach the region of the first Component M1 to arrive. A portion of these rays then impinge on a second flank S2, at an angle which causes a total re-reflection on the optically less dense material of the second component M2. These rays leave the material measure after the total reflection on the second flank S2 as the fourth light bundle L4. Since not all but only some of the light rays strike one of the second flanks S2, part of the light is missing in the fourth light bundle L4. The fourth light beam L4 thereby has a light-dark modulation, which can be detected by the detector D.

Die Lichtstrahlen des dritten Lichtbündels L3, die nicht auf eine zweite Flanke S2 treffen, und damit nicht zum vierten Lichtbündel L4 beitragen, laufen als fünftes Lichtbündel L5 weiter. Die Maßverkörperung M sollte so ausgestaltet sein, dass dieses Licht im fünften Lichtbündel L5 möglichst nicht in den Detektor D gelangen kann. In 1 erkennt man, dass das fünfte Lichtbündel L5 an der der Lichtquelle L zugewandten Grenzfläche M1G der ersten Komponente M1 totalreflektiert wird, und dann die Grenzfläche G durchläuft, wo wegen der Auftreffwinkel an den Flanken S2 keine Totalreflexion, sondern Brechung in die Komponente M2 hinein stattfindet. An den Flanken S1 erfolgt dann trotz flachem Lichteinfall ebenfalls keine Totalreflexion, weil am optisch dichteren Medium der Komponente M1 reflektiert wird. Nach weiteren Brechungen innerhalb der Grenzfläche G bzw. nach weiteren Reflexionen im Inneren der Maßverkörperung M verlässt dieses unerwünschte Licht die Maßverkörperung M.The light beams of the third light bundle L3, which do not hit a second flank S2, and thus do not contribute to the fourth light bundle L4, continue to run as the fifth light bundle L5. The material measure M should be designed so that this light in the fifth light beam L5 as possible can not get into the detector D. In 1 it can be seen that the fifth light beam L5 is totally reflected at the light source L facing interface M1G of the first component M1, and then passes through the interface G, where due to the angle of incidence on the flanks S2 no total reflection, but refraction into the component M2 takes place inside. In spite of the flat incidence of light, no total reflection takes place on the flanks S1, since the optically denser medium of the component M1 is reflected. After further refractions within the interface G or after further reflections in the interior of the material measure M, this unwanted light leaves the material measure M.

Im Ausführungsbeispiel wird das erste Lichtbündel L1 an den prismatischen Strukturen S in das zweite Lichtbündel L2 und ein weiteres, hier nicht weiter benötigtes Lichtbündel L2‘ aufgespalten. Die Lichtintensität im Lichtbündel L2‘ fehlt im zweiten Lichtbündel L2. In the exemplary embodiment, the first light bundle L1 is split at the prismatic structures S into the second light bundle L2 and another light bundle L2 ', which is not further required here. The light intensity in the light beam L2 'is absent in the second light beam L2.

Wie man in der Ausschnittsvergrößerung erkennen kann, überlappen sich die von den einzelnen Flanken S1 bzw. S2 abgehenden Lichtbündel, so dass insbesondere das hier wichtige zweite Lichtbündel L2 eine inhomogene Intensitätsverteilung aufweist. Wenn die prismatischen Strukturen S andere Winkel aufweisen, können zwischen den einzelnen Teilstrahlenbündeln auch Lücken, also dunkle Bereiche im zweiten Lichtbündel entstehen. Da für den zweiten Durchgang des Lichts durch die Grenzfläche G für alle Geometrien der prismatischen Strukturen S im Winkelbereich von 55 bis 70 Grad eine möglichst homogene Ausleuchtung erwünscht ist, ist es von Vorteil, wenn das einfallende erste Lichtbündel eine gewisse Divergenz aufweist. Diese sollte so groß sein, dass sich gegebenenfalls die im zweiten Lichtbündel L2 und nach Reflexion an der Grenzfläche M2G auch im dritten Lichtbündel L3 vorhandenen Inhomogenitäten bzw. Hell- und Dunkelbereiche bis zum erneuten Erreichen der Grenzfläche G um wenigstens eine, vorzugsweise zwei bis drei Perioden so überlappen und vermischen, dass sich eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung innerhalb des dritten Lichtbündels L3 ergibt, bis dieses die Grenzfläche G erreicht. Um diese Divergenz zu erreichen kann es schon genügen, eine Lichtquelle L mit ausreichender Ausdehnung zu verwenden, denn dies führt in Kombination mit einer Kollimatorlinse K bereits zu einer gewissen Divergenz im ersten Lichtbündel L1. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel hat der Divergenzwinkel im Lichtbündel L1 einen Betrag von etwa einem Grad. As can be seen in the enlarged detail, the light bundles emerging from the individual flanks S1 and S2 overlap, so that in particular the second light bundle L2 important here has an inhomogeneous intensity distribution. If the prismatic structures S have different angles, gaps, ie dark areas in the second light bundle, can also be created between the individual partial beams. Since for the second passage of the light through the interface G for all geometries of the prismatic structures S in the angular range of 55 to 70 degrees as homogeneous as possible illumination is desired, it is advantageous if the incident first light beam has a certain divergence. This should be so great that, if appropriate, the inhomogeneities or light and dark regions present in the second light bundle L2 and after reflection at the interface M2G in the third light bundle L3 until reaching the boundary surface G again by at least one, preferably two to three periods so overlap and mix that results in the most uniform intensity distribution within the third light beam L3 until it reaches the interface G. In order to achieve this divergence, it may be sufficient to use a light source L with sufficient extension, since this already leads, in combination with a collimator lens K, to a certain divergence in the first light bundle L1. In the described embodiment, the divergence angle in the light beam L1 has an amount of about one degree.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mit einem recht einfach aufgebauten optischen Element wie der hier beschriebenen Maßverkörperung M sehr große Ablenkwinkel für einfallendes Licht erzeugt werden können. Die in optischen Positionsmesssystemen oft eingesetzten optischen Gitter, die eine Ablenkung mittels Beugung bewirken können, müssten für eine vergleichbare Ablenkwirkung mit erheblich kleineren Gitterkonstanten (1 μm und darunter) hergestellt werden als die ebenfalls gitterartigen, prismatischen Strukturen S, die eine Periode im Bereich von z.B. 60 μm aufweisen können, und die sich damit für einfache Herstellungsverfahren wie dem Spritzgussverfahren eignen.A particular advantage of the invention lies in the fact that very large deflection angles for incident light can be generated with a rather simply constructed optical element such as the material measure M described here. The optical gratings often used in optical position measuring systems, which can cause deflection by diffraction, would have to be made for a comparable deflection effect with significantly smaller lattice constants (1 μm and below) than the likewise latticed prismatic structures S having a period in the range of e.g. 60 microns, and thus suitable for simple manufacturing processes such as injection molding.

Ein Vorteil der großen Ablenkwinkel liegt darin, dass die gesamte Dicke der Maßverkörperung M nur im Bereich von 1–2 mm liegen muss. Dabei wird über die Dicke der zweiten Komponente M2 zusammen mit dem Ablenkwinkel an der Grenzfläche G der Versatz V festgelegt, wie sich anhand der 1 leicht erkennen lässt. Die erste Komponente M1 kann gegenüber der zweiten Komponente M2 erheblich dünner ausfallen.An advantage of the large deflection angle is that the entire thickness of the material measure M must be only in the range of 1-2 mm. In this case, the offset V is determined via the thickness of the second component M2 together with the deflection angle at the boundary surface G, as can be seen from FIG 1 easy to recognize. The first component M1 can be considerably thinner compared to the second component M2.

Ein weiterer Vorteil der Maßverkörperung M besteht darin, dass durch die Verzahnung der prismatischen Strukturen S alle Oberflächen bzw. Grenzflächen M1G, M2G zur Umgebung plan sind. Die Maßverkörperung M ist so besonders unempfindlich gegenüber Verschmutzung, da Schmutz nicht leicht anhaften kann.A further advantage of the material measure M is that all surfaces or interfaces M1G, M2G to the environment are flat due to the toothing of the prismatic structures S. The material measure M is so particularly insensitive to contamination, since dirt can not easily adhere.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel beruhen die prismatischen Strukturen auf gleichschenkligen Dreiecken, wodurch wie beschrieben zwei symmetrische Lichtbündel L2 und L2‘ entstehen. Das Licht im Lichtbündel L2‘ wird nicht verwendet und geht verloren. Bildet man die prismatischen Strukturen jedoch als Sägezahn-Struktur aus, bei der die zweite Flanke S2 parallel zum einfallenden Lichtbündel L1 liegt, so entsteht nur ein einziges zweites Lichtbündel L2, in dem fast die gesamte Intensität des einfallenden Lichtes gesammelt ist.In the exemplary embodiment shown, the prismatic structures are based on isosceles triangles, resulting in two symmetrical light beams L2 and L2 'as described. The light in the light beam L2 'is not used and is lost. If, however, the prismatic structures are formed as a sawtooth structure in which the second flank S2 is parallel to the incident light bundle L1, only a single second light bundle L2 is formed, in which almost the entire intensity of the incident light is collected.

Im bisher gezeigten Ausführungsbeispiel wird das von der Maßverkörperung M erzeugte Hell-/Dunkelmuster direkt von einem Detektor D abgetastet, der in bekannter Weise mehrere gegeneinander phasenverschobene, positionsabhängig periodische Signale erzeugt, aus denen sich Betrag und Richtung einer Bewegung ableiten lassen. Lichtquelle L und Detektor D bilden dabei eine Abtasteinheit, die sich relativ zur Maßverkörperung M bewegt. Der mögliche Messbereich wird im Wesentlichen durch die Ausdehnung der Maßverkörperung M in Messrichtung X bestimmt.In the exemplary embodiment shown so far, the light / dark pattern generated by the material measure M is scanned directly by a detector D, which produces a plurality of phase-shifted, position-dependent periodic signals in a known manner, from which the amount and direction of a movement can be derived. Light source L and detector D form a scanning unit, which moves relative to the material measure M. The possible measuring range is essentially determined by the extent of the material measure M in the measuring direction X.

Alternativ kann, wie es als zweites Ausführungsbeispiel in der 2 gezeigt wird, zwischen der Maßverkörperung M und dem Detektor D auch ein separater Maßstab MS mit einem optischen Gitter angeordnet sein, mit dem das Hell-/Dunkelmuster abgetastet wird.Alternatively, as can be seen as a second embodiment in the 2 is shown between the material measure M and the detector D, a separate scale MS be arranged with an optical grating, with which the light / dark pattern is scanned.

Die Maßverkörperung M, die Lichtquelle L und Detektor D können dann eine Einheit bilden, die sich relativ zum Maßstab MS bewegt. Damit das erste Lichtbündel L1 nicht vom zusätzlichen Maßstab MS abgeschattet wird, muss die Lichtquelle L1 aus der Zeichenebene gekippt werden, und zwar um eine Kippachse, die parallel zur Zeichenebene der 2 und in der Grenzfläche G liegt, damit eine räumliche Trennung senkrecht zur Zeichenebene der 2 zwischen Lichtquelle L und Beleuchtungsstrahlenbündel L1 einerseits und Detektor D andererseits erreicht wird.The measuring standard M, the light source L and detector D can then form a unit which moves relative to the scale MS. So that the first light beam L1 is not shaded by the additional scale MS, the light source L1 must be tilted out of the plane of the drawing, namely about a tilt axis parallel to the plane of the drawing 2 and in the interface G, so that a spatial separation perpendicular to the plane of the 2 between the light source L and the illumination beam L1 on the one hand and the detector D on the other hand is achieved.

In der 2 hat das Gitter des Maßstab MS eine Gitterperiode, die der Periode des Hell-/Dunkelmusters entspricht. In der gezeichneten Position des Maßstabes MS kann das Hell-Dunkelmuster des vierten Lichtbündels L4 den Maßstab MS ungehindert passieren. Verschiebt man den Maßstab MS jedoch um eine halbe Gitterperiode, so wird das Lichtbündel L4 vom Maßstab MS vollständig abgeblockt. Am Detektor D kommt dann kein Licht an.In the 2 the grid of the scale MS has a grating period that corresponds to the period of the light / dark pattern. In the drawn position of the scale MS, the light-dark pattern of the fourth light bundle L4 can pass the scale MS unhindered. However, if the scale MS is shifted by half a grating period, the light beam L4 is completely blocked by the scale MS. At the detector D then no light comes on.

Verwendet man einen Maßstab MS mit einer Gitterperiode, die von der des Hell-/Dunkelmusters geringfügig abweicht, so entsteht ein Schwebungsmuster mit deutlich größerer Periode, das bei einer Relativbewegung zwischen Maßverkörperung M und Maßstab MS über den Detektor D wandert. Mittels eines geeignet strukturierten Detektors D lässt sich dieses wieder in die gewünschten, phasenverschobenen Signale umwandeln. If one uses a scale MS with a grating period which deviates slightly from that of the light / dark pattern, a beating pattern with a significantly larger period is produced, which migrates over the detector D during a relative movement between material measure M and scale MS. By means of a suitably structured detector D, this can be converted back into the desired, phase-shifted signals.

Im Ausführungsbeispiel der 2 bilden die Lichtquelle L, die Maßverkörperung M und der Detektor D eine Abtasteinheit für den relativ zur Abtasteinheit in Messrichtung X beweglichen Maßstab MS. Dieser ist in Messrichtung X ausgedehnt und bestimmt damit den möglichen Messbereich, während die Maßverkörperung M im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel in Messrichtung X nicht besonders ausgedehnt sein muss.In the embodiment of 2 the light source L, the measuring standard M and the detector D form a scanning unit for the scale MS movable relative to the scanning unit in the measuring direction X. This is extended in the measuring direction X and thus determines the possible measuring range, while the material measure M, in contrast to the first embodiment in the measuring direction X need not be particularly extended.

Das in 2 gezeigte Positionsmesssystem, dessen Strukturen S eine Periode im Bereich von 60 μm aufweisen, stellt keine hohen Anforderungen an die Anbautoleranz. Wenn jedoch für genauere Positionswerte kleinere Perioden im Bereich von beispielsweise 20 μm und darunter gefordert sind, werden Verdrehungen zwischen der Maßverkörperung M und dem Maßstab MS um eine Drehachse wichtig, die in der Zeichenebene der 2 liegt und senkrecht auf die Messrichtung X steht. Eine solche Verdrehung führt dann zu ausgeprägten Moiré-Mustern am Detektor, die die Abtastung und Gewinnung periodischer Signale stören. Maßverkörperung M und Maßstab MS müssen dann strengere Anbautoleranzen einhalten.This in 2 shown position measuring system whose structures S have a period in the range of 60 microns, does not place high demands on the mounting tolerance. If, however, smaller periods in the range of, for example, 20 μm and below are required for more accurate position values, distortions between the measuring scale M and the scale MS about an axis of rotation which in the plane of the drawing are important 2 lies and is perpendicular to the measuring direction X. Such rotation then results in pronounced moiré patterns on the detector which interfere with the sampling and acquisition of periodic signals. Measuring standard M and scale MS must then comply with stricter cultivation tolerances.

In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, mit dem die Empfindlichkeit gegenüber solchen Verdrehungen verringert und dadurch die Anbautoleranz erhöht werden kann. Es ist nämlich bekannt, dass eine bei der Retroreflektion auftretende Strahlinversion das Auftreten von Moiré-Mustern deutlich verringern kann. Diese Strahlinversion wird gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass das Lichtbündel L2 auf einen Linie F fokussiert wird, die auf der der Lichtquelle L abgewandten Grenzfläche M2G der zweiten Komponente M2 der Maßverkörperung M liegt. Man erkennt leicht, dass durch diese Fokussierung der außen liegende Begrenzungsstrahl des zweiten Lichtbündels L2 auch im dritten Lichtbündel L3 außen liegt, während in den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen der zunächst außen liegende Begrenzungsstrahl nach der Reflexion innen lag. Dieser Effekt der Fokussierung auf eine Linie F ist hier als Strahlinversion bezeichnet.In the 3 a further embodiment is shown, with which the sensitivity to such twists can be reduced and thereby the cultivation tolerance can be increased. Namely, it is known that a beam inversion occurring in the retroreflection can significantly reduce the occurrence of moiré patterns. This beam inversion is achieved according to the third embodiment in that the light beam L2 is focused on a line F, which lies on the light source L remote from the interface M2G of the second component M2 of the material measure M. It can easily be seen that the outer limiting beam of the second light beam L2 is also outside in the third light bundle L3 as a result of this focusing, while in the two previous exemplary embodiments the limiting beam initially outside lay after the reflection. This effect of focusing on a line F is referred to herein as beam inversion.

Um die Fokussierung des zweiten Lichtbündels L2 auf die Linie F zu erreichen, weisen die Flankenwinkel der ersten Flanken S1 im Bereich des ersten Lichtbündels L1 einen Verlauf auf. Im Bereich des äußeren, linken Begrenzungsstrahls verläuft die Flanke S1 flacher und wird über den Bereich des ersten Lichtbündels L1 dann etwas steiler, so dass alle an den jeweiligen ersten Flanken S1 reflektierten Lichtstrahlen zum Linienfokus F hin abgelenkt werden. Die Flankenwinkel müssen dabei natürlich in einem Bereich bleiben, in dem eine Totalreflexion an der Flanke S1 gewährleistet ist. Auch der Auftreffwinkel an der Grenzfläche M2G muss im Bereich der Totalreflexion liegen, wenn diese Grenzfläche nicht als Spiegel ausgeführt ist.In order to achieve the focusing of the second light beam L2 on the line F, the flank angles of the first flanks S1 in the region of the first light bundle L1 have a course. In the area of the outer, left boundary beam, the flank S1 runs flatter and then becomes somewhat steeper over the area of the first light bundle L1, so that all the light beams reflected at the respective first flanks S1 are deflected towards the line focus F. Of course, the flank angles must remain in an area in which a total reflection on the flank S1 is ensured. Also, the angle of incidence at the interface M2G must be in the range of total reflection, if this interface is not designed as a mirror.

Die Flankenwinkel im Bereich des dritten Lichtbündels L3 verhalten sich spiegelsymmetrisch zu einer Spiegelebene, die senkrecht auf der Zeichenebene steht und den Linienfokus F enthält, um die Parallelität des Lichts im vierten Lichtbündel L4 wieder herzustellen. Die Abtastung des Hell-/Dunkelmusters erfolgt dann wie im zweiten Ausführungsbeispiel.The flank angles in the region of the third light bundle L3 behave mirror-symmetrically relative to a mirror plane which is perpendicular to the plane of the drawing and contains the line focus F in order to restore the parallelism of the light in the fourth light bundle L4. The scanning of the light / dark pattern then takes place as in the second embodiment.

Im Ausführungsbeispiel der 3 liegt der Linienfokus F auf der Grenzfläche M2G. Aufgrund der symmetrischen Strahlführung ist das vierte Lichtbündel L4 in Messrichtung X genauso breit wie das erste Lichtbündel L1. Der Linienfokus F kann aber auch vor bzw. nach der Grenzfläche M2G liegen. Dies führt dazu, dass das Lichtbündel L4 in Messrichtung breiter bzw. schmaler wird. Dies bestimmt, wie groß der vom Lichtbündel L4 abgetastete Bereich auf dem Maßstab MS ist. Liegt der Linienfokus vor der Grenzfläche M2G, also noch im zweiten Lichtbündel L2, so wirkt die Maßverkörperung M wie eine Kombination aus Strahlumlenkung und Aufweitungsoptik. Das vierte Lichtbündel L4 tastet dann einen größeren als den durch das Lichtbündel L1 definierten Bereich ab. Bei einer Verschmutzung des Maßstabes MS erhält man so stabilere Signale und damit genauere Positionswerte.In the embodiment of 3 the line focus F lies on the interface M2G. Due to the symmetrical beam guidance, the fourth light bundle L4 in the measuring direction X is as wide as the first light bundle L1. However, the line focus F can also lie before or after the interface M2G. As a result, the light bundle L4 widens or narrows in the measuring direction. This determines how large the area scanned by the light beam L4 is on the scale MS. If the line focus lies in front of the boundary surface M2G, ie still in the second light bundle L2, the material measure M acts as a combination of beam deflection and expansion optics. The fourth light beam L4 then scans a larger area than the area defined by the light beam L1. If the scale MS is soiled, one obtains more stable signals and thus more accurate position values.

Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele eignen sich für die Messung von Positionsänderungen in einer linearen Messrichtung X. Bei geeigneter Ausgestaltung können sie aber natürlich auch zur Winkelmessung verwendet werden.The embodiments described here are suitable for the measurement of position changes in a linear measuring direction X. With a suitable embodiment, but they can of course also be used for angle measurement.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1293758 A1 [0003, 0004, 0005]
DE 102004030572 A1 [0006, 0022]

Claims

Optical position measuring system with a light source (L), a material measure (M) and a detector (D), wherein the material measure (M) first and second planar components (M1, M2) each having different refractive index (n1, n2), the a common interface (G) by means of prismatic structures (S) are meshed with each other, so that an incident on the first component (M1) of the material measure (M) first light beam (L1) of the light source (L) at a first edge (S1) of prismatic structures (S) is totally reflected and deflected into a second light beam (L2), characterized in that the second light beam (L2) passes through a second flank (S2) of the prismatic structures (S) in the second component (M2).

Optical position measuring system according to claim 1, characterized in that an angle of incidence of the first light beam (L1) on the first edge (S1) between 55 and 75 degrees, preferably between 60 and 70 degrees.

Optical position measuring system according to claim 1 or 2, characterized in that the second light beam (L2) from one of the light source (L) facing away from the interface (M2G) of the second component (M2) and reflected as a third light beam (L3) on the common interface (G ) is thrown back.

Optical position measuring system according to claim 3, characterized in that the light source (L) facing away from the interface (M2G) of the second component (M2) is mirrored.

Optical position measuring system according to claim 3 or 4, characterized in that a part of the third light beam (L3) on the prismatic structures (S) of the common interface (G) is again totally reflected and the material measure (M) via one of the light source (L) facing Leaves boundary surface (M1G) of the first component (M1) as a fourth light beam (L4) with a light-dark modulation.

Optical position measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the incident first light beam (L1) undergoes a directional reversal of 180 degrees by the material measure (M).

Optical position measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the incident first light beam (L1) through the material measure (M) undergoes a lateral offset (V) perpendicular to the direction of the first light beam (L1).

Optical position measuring system according to one of claims 3-7, characterized in that the incident first light beam (L1) has a divergence, so that light-dark areas, which after the first passage of the first light beam (L1) through the common interface (G ) in the second and third light beams (L2, L3) until overlapping by at least one period until the common interface (G) is reached again.

Optical position measuring system according to one of the preceding claims, characterized in that the material measure (M) consists of a two-component injection molding.

Optical position measuring system according to claim 3, characterized in that the second or third light beam (L2, L3) is focused on a line (F).

Optical position measuring system according to claim 10, characterized in that the focusing is achieved by a variable in the region of the first light beam (L1) flank angle of the first flanks (S1).

Optical position measuring system according to claim 10 or 11, characterized in that the line (F) on the light source (L) facing away from the interface (M2G) of the second component (M2).

Optical position measuring system according to claim 10, 11 or 12, characterized in that in the course of the second or third light beam (L2, L3) a beam inversion occurs.