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GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Präzisionsmessgeräte und ganz besonders optische Verschiebungsgeber.
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HINTERGRUND
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Verschiedene optische Verschiebungsgeber sind bekannt, die einen Lesekopf mit einer optischen Anordnung verwenden, die ein Skalenmuster auf eine Photodetektoranordnung in dem Lesekopf abbildet. Das Bild des Skalenmusters verschiebt sich zusammen mit dem Skalenelement und die Bewegung oder Position des verschobenen Skalenmusterbilds wird mit einer Photodetektoranordnung erkannt. Herkömmliche Abbildung, Selbstabbildung (auch Talbot-Abbildung genannt) und/oder Schattenabbildung können dazu verwendet werden, das Skalenmusterbild in verschiedenen Konfigurationen bereitzustellen.
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Ein Konfigurationstyp, der in einigen optischen Gebern genutzt wird, ist eine telezentrische Anordnung. Die
US-Patente Nr. 7,186,969 ;
7,307,789 und
7,435,945 , die jeweils hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen sind, offenbaren verschiedene Geberkonfigurationen, die entweder einzeln oder doppelt telezentrische Abbildungssysteme zum Abbilden des periodischen Lichtmusters und Erfassen einer Verschiebung der periodischen Skalenstruktur nutzen. Telezentrische Abbildungssysteme stellen bestimmte wünschenswerte Merkmale in derartigen optischen Gebern bereit.
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Ein Problem in Bezug auf das Design derartiger optischer Geber besteht darin, dass Benutzer im Allgemeinen bevorzugen, dass die Leseköpfe und Skalen der Geber so kompakt wie möglich sind. Ein kompakter Geber ist bequemer in einer Vielfalt von Anwendungen zu installieren. Für bestimmte Präzisionsmessanwendungen ist außerdem eine hohe Auflösung erforderlich. Verschiedene bekannte Geber schlagen jedoch dabei fehl, bestimmte Kombinationen von hoher Auflösung, Reichweite-Auflösungsverhältnis, Robustheit, großem Sichtfeld und Designmerkmalen bereitzustellen, die ermöglichen, eine Reihe von Geberauflösungen unter Verwendung von gemeinsam genutzten Herstellungstechniken und Komponenten bereitzustellen und die geringe Kosten, wie von Benutzern von Gebern gewünscht, unterstützen. Verbesserte Konfigurationen von Gebern, die derartige Kombinationen bereitstellen, wären wünschenswert.
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KURZDARSTELLUNG
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Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form einzuführen, die im Folgenden in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben sind. Diese Kurzdarstellung soll nicht Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren noch soll sie als Hilfestellung beim Bestimmen des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
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Ein optischer Geber zum Messen der relativen Verschiebung zwischen zwei Elementen wird offenbart. Der optische Geber umfasst ein Skalengitter, das sich entlang einer Messachsenrichtung erstreckt, wobei das Skalengitter einen Gitterabstand PSF aufweist, und eine Lesekopfkonfiguration, die sich bezüglich dem Skalengitter mit der relativen Verschiebung bewegt. Der Lesekopf umfasst eine Beleuchtungskonfiguration, die eine Beleuchtungsquelle, einen optischen Abschnitt, der entlang einer optischen Achse eingerichtet ist, ein Moiré-Gitter und einen Detektorabschnitt. Der optische Abschnitt kann dazu konfiguriert sein, in einigen Ausführungsformen als ein afokales optisches System zu arbeiten. Die Beleuchtungskonfiguration ist dazu eingerichtet, kollimiertes Quelllicht mit einer Wellenlänge λ zu dem Skalengitter hin auszugeben. Der optische Abschnitt umfasst eine erste Linse, die eine Brennweite f1 aufweist und in einer Entfernung von ungefähr f1 von dem Skalengitter positioniert ist, einen Aperturabschnitt, der in einer Entfernung von ungefähr f1 von der ersten Linse positioniert ist, und eine zweite Linse, die mit einer Brennweite f2 positioniert ist und in einer Entfernung von ungefähr f2 von der Apertur positioniert ist. Das Skalengitter ist dazu konfiguriert, das kollimierte Quelllicht zu empfangen und gebeugtes Skalenlicht an die erste Linse auszugeben. Die erste Linse ist dazu konfiguriert, das Skalenlicht zu empfangen und es zu dem Aperturabschnitt hin zu fokussieren. Der Aperturabschnitt ist dazu konfiguriert, das Skalenlicht zu empfangen, einen Großteil von Skalenlicht der nullten Ordnung zu blockieren und räumlich gefiltertes Skalenlicht, das vorwiegend Skalenlicht der Ordnungen +1 und –1 umfasst, zu der zweiten Linse hin zu übertragen. Die zweite Linse ist dazu konfiguriert, das räumlich gefilterte Skalenlicht zu empfangen und das räumlich gefilterte Skalenlicht zu dem Moiré-Gitter hin auszugeben, um ein primäres Interferenzstreifenmuster zu bilden, das Streifen aufweist, die sich entlang der Richtung der optischen Achse und ungefähr parallel zu Stäben des Moiré-Gitters erstrecken, wobei die Streifen einen primären Streifenabstand PPF aufweisen und sich mit einer Streifenverschiebung bewegen, die der relativen Verschiebung entspricht. Das Moiré-Gitter ist dazu konfiguriert, das primäre Interferenzstreifenmuster zu empfangen und ein periodisches, räumlich moduliertes Streifenmuster an den Detektorabschnitt zu übertragen, wobei das räumlich modulierte Streifenmuster eine Intensitätsmodulationsperiode oder einen Intensitätsmodulationsabstand PMFP entlang einer Richtung, die der Messachsenrichtung entspricht, auf einer Detektorebene des Detektorabschnitts aufweist. Der Detektorabschnitt umfasst mindestens N jeweilige Detektorelemente, die dazu positioniert sind, N jeweilige räumliche Phasen des periodischen, räumlich modulierten Streifenmusters zu erkennen, wobei N eine ganze Zahl ist, die mindestens drei ist, und jedes jeweilige Detektorelement eine Breitendimension DW, die mindestens so groß wie PPF ist, entlang einer Richtung der Streifenverschiebung aufweist. Die Modulationsperiode PMFP kann in verschiedenen Ausführungsformen wesentlich größer als der primäre Streifenabstand PPF und der Gitterabstand PSF sein, was die Verwendung von Detektorelementen ermöglicht, die im Vergleich zu dem Skalengitterabstand in einem großen Abstand beabstandet sind. Darüber hinaus kann ein einziges Detektorabschnittsdesign mit mehr als einem Skalengitterabstand zum Anpassen des Abstands des Moiré-Gitters verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1A ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform einer Konfiguration eines optischen Verschiebungsgebers.
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1B ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer Konfiguration eines optischen Verschiebungsgebers.
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1C ist ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform einer Konfiguration eines optischen Verschiebungsgebers.
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Die 2A–2D stellen verschiedene Gesichtspunkte in Bezug auf optische Signale der Konfiguration des optischen Verschiebungsgebers von 1 dar.
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3 ist ein Diagramm eines Aperturelements der Konfiguration des optischen Verschiebungsgebers von 1, das verschiedene Dimensionen zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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1A ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführungsform einer Konfiguration eines optischen Verschiebungsgebers 100A zum Messen der relativen Verschiebung zwischen zwei Elementen. Die Konfiguration des optischen Verschiebungsgebers umfasst ein Skalengitter 110, das sich entlang einer Messachsenrichtung MA erstreckt, und einen Gitterabstand PSF und eine Lesekopfkonfiguration aufweist, die sich bezüglich dem Skalengitter 110 mit der relativen Verschiebung bewegt. Die Lesekopfkonfiguration umfasst Folgendes: eine Beleuchtungskonfiguration 130A, einen optischen Abschnitt 180, der entlang einer optischen Achse OA eingerichtet ist, ein Moiré-Gitter 150 und einen Detektorabschnitt 120. Der optische Abschnitt 180 umfasst eine erste Linse 181, die auf einer ersten Linsenebene FLP positioniert ist, einen Aperturabschnitt 182, der auf einer Aperturebene AP positioniert ist, und eine zweite Linse 183, die auf einer zweiten Linsenebene SLP positioniert ist. Wenn hierin über die Positionierung einer Linse in einer Entfernung von einem anderen Objekt oder einer anderen Stelle gesprochen wird, ist im Allgemeinen die Positionierung der tatsächlichen Ebene der Linse (z. B. als ob sie eine sehr dünne Linse wäre), nicht die Position einer nächsten Oberfläche der Linse gemeint. Das Skalengitter 110 befindet sich auf einer Skalengitterebene SGP, das Moiré-Gitter 150 befindet sich auf einer Moiré-Gitterebene MGP und der Detektorabschnitt 120 befindet sich auf einer Detektorebene DP. Die Beleuchtungskonfiguration 130A umfasst eine Lichtquelle 133, die in dieser Ausführungsform nahe oder auf dem Aperturabschnitt 182 ungefähr auf der Aperturebene AP montiert sein kann, und die Linse 181. In dieser Ausführungsform stellt die Linse 181 mehr als eine Funktion bereit, einschließlich das Fungierens als ein Kollimator, der dazu konfiguriert ist, kollimiertes Quelllicht 131' an das Skalengitter 110 auszugeben. Das Lokalisieren der Lichtquelle 133 in dieser Position und das Verwenden der ersten Linse 181 als ein Kollimationselement ermöglichen einen kompakteren Geberlesekopf mit weniger Komponenten als ein typischer Lesekopf. Man wird zu schätzen wissen, dass in einer alternativen Ausführungsform ein Drehspiegel auf ähnliche Weise positioniert werden kann, um einen fokussierten Lichtstrahl von einer alternativ positionierten Lichtquelle zu der Linse 181 hin umzuleiten. Des Weiteren können auch andere alternative Anordnungen einer Beleuchtungsquelle gemäß den hierin offenbarten Prinzipien genutzt werden, z. B. wie in den 1B und 1C gezeigt.
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Die erste Linse weist eine Brennweite f1 auf und ist in einer Entfernung von ungefähr f1 von dem Skalengitter 110 positioniert. Der Aperturabschnitt 182 ist in einer Entfernung von ungefähr f1 von der ersten Linse 181 positioniert. Die zweite Linse 183 weist eine Brennweite f2 auf und ist in einer Entfernung von ungefähr f2 von dem Aperturabschnitt 182 positioniert. Das Moiré-Gitter ist in einer Entfernung von ungefähr f2 von der zweiten Linse 183 positioniert. In einigen Ausführungsformen können die Brennweiten f1 und f2 gleich sein, obwohl dies kein Erfordernis in allen Ausführungsformen ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann der optische Abschnitt 180 dahingehend arbeiten, ein afokales optisches System bereitzustellen, das ein telezentrisches optisches System ist, das ein Raumfilter umfasst.
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1A zeigt orthogonale X-, Y- und Z-Richtungen gemäß einer hierin verwendeten Konvention. Die X- und Y-Richtungen sind parallel zu der Ebene des Skalengitters 110, wobei die X-Richtung parallel zu der beabsichtigten Messachsenrichtung MA ist (z. B. senkrecht zu länglichen Musterelementen, die in das Skalengitter 110 eingebunden sein können). Die Z-Richtung ist lotrecht zu der Skalengitterebene SGP.
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Die Beleuchtungskonfiguration 130A ist dazu konfiguriert, im Betrieb kollimiertes Quelllicht 131' mit einer Wellenlänge λ zu dem Skalengitter 110 hin auszugeben. Insbesondere ist die erste Linse 181 dazu konfiguriert, Licht 131 von der Lichtquelle 133 zu empfangen und kollimiertes Quelllicht 131' an das Skalengitter 110 auszugeben. Das Skalengitter 110 ist dazu konfiguriert, das kollimierte Quelllicht 131' zu empfangen und (reflektiertes) gebeugtes Skalenlicht 132 an die erste Linse 181 auszugeben. Das gebeugte Skalenlicht 132 umfasst Skalenlicht der Ordnung +1, das durch beispielhafte Skalenlichtstrahlen 132p1 der Ordnung +1 dargestellt wird, und Skalenlicht der Ordnung –1, das durch beispielhafte Skalenlichtstrahlen 132m1 der Ordnung –1 dargestellt wird. Man sollte zu schätzen wissen, dass das gebeugte Skalenlicht 132 auch gebeugte Skalenlichtstrahlen der nullten Ordnung oder einer höheren Ordnung umfasst, die in 1 nicht gezeigt sind, da sie von der Konfiguration blockiert und/oder funktionslos gemacht werden. Die erste Linse 181 ist dazu konfiguriert, das Skalenlicht 132 zu empfangen und es zu dem Aperturabschnitt 182 hin zu fokussieren. Der Aperturabschnitt 182 ist dazu konfiguriert, das Skalenlicht 132 zu empfangen, einen Großteil von Skalenlicht der nullten Ordnung zu blockieren und räumlich gefiltertes Skalenlicht 132', das vorwiegend Skalenlicht der Ordnungen +1 und –1 umfasst, zu der zweiten Linse 183 hin zu übertragen. Die zweite Linse 183 ist dazu konfiguriert, das räumlich gefilterte Skalenlicht 132' zu empfangen und das räumlich gefilterte Skalenlicht 132' zu dem Moiré-Gitter 150 hin auszugeben, um ein primäres Streifenmuster PFP zu bilden, das „planare” Streifen aufweist, die sich entlang der Richtung der optischen Achse OA und ungefähr parallel zu Stäben des Moiré-Gitters 150 erstrecken. Die Streifen des primären Streifenmusters PFP weisen einen primären Streifenabstand PPF auf und bewegen sich mit einer Streifenverschiebung, die der relativen Verschiebung zwischen dem Skalengitter 110 und dem Lesekopf entlang der Messachse MA entspricht. Das Moiré-Gitter 150 ist dazu konfiguriert, das primäre Streifenmuster PFP zu empfangen und ein periodisches, räumlich moduliertes Streifenmuster MFP an den Detektorabschnitt 120 zu übertragen, wobei das räumlich modulierte Streifenmuster MPF eine Modulationsperiode PMFP entlang einer Richtung, die der Messachsenrichtung entspricht (z. B. in einigen Fällen parallel zu dieser ist), auf der Detektorebene DP des Detektorabschnitts 120 aufweist. Man wird zu schätzen wissen, dass das räumlich modulierte Streifenmuster MFP in 1A sich überall zwischen dem Moiré-Gitter 150 und der Detektorebene DP erstreckt, jedoch zum Zwecke der Erläuterung zusammen mit einer entsprechenden modulierten Intensitätshüllkurve MIE schematisch gezeigt ist. Die modulierte Intensitätshüllkurve MIE des räumlich modulierten Streifenmusters MFP stellt schematisch dar, wo höhere Intensitätsregionen und niedrigere Intensitätsregionen von ungefähr sinusförmig moduliertem (oder gefiltertem) Licht auf den Detektorabschnitt 120 fallen. Die modulierte Intensitätshüllkurve MIE des räumlich modulierten Streifenmusters MFP wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2C weiter beschrieben. Der Detektorabschnitt 120 umfasst mindestens N jeweilige Detektorelemente, die dazu positioniert sind, N jeweilige räumliche Phasen des periodischen, räumlich modulierten Streifenmusters MFP zu erkennen, wobei N eine ganze Zahl ist, die mindestens drei (z. B. für einen bekannten Typ eines 3-Phasentyps eines Verschiebungssignalverarbeitungsschemas) ist, und jedes jeweilige Detektorelement eine Breitendimension DW, die mindestens so groß wie das primäre Streifenmuster PPF ist, entlang einer Richtung der Streifenverschiebung aufweist. Eine Ausführungsform eines Detektorabschnitts, die für einen bekannten Typ eines Verschiebungssignalverarbeitungsschemas vom Quadraturtyp wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2D ausführlicher beschrieben.
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In der in 1A gezeigten Ausführungsform umfasst der Aperturabschnitt 182 einen inneren Blockierabschnitt 182B, offene Aperturabschnitte 182AP1 und 182AP2 und äußere Blockierabschnitte 182OB1 und 182OB2. Der innere Blockierabschnitt 182B und die äußeren Blockierabschnitte 182OB1 und 182OB2 sind aus einem lichtundurchlässigen Material konstruiert, das einen Teil des Skalenlichts 132 blockiert. Ganz besonders ist der innere Blockierabschnitt 182B ist dazu konfiguriert, einen Teil der Ordnung 0 des Skalenlichts 132 zu blockieren, und die äußeren Blockierabschnitte 182OB1 und 182OB2 sind dazu konfiguriert, Teile der Ordnung +2, der Ordnung –2 und einer höheren Ordnung des Skalenlichts 132 zu blockieren. Die offenen Aperturabschnitte 182AP1 und 182AP2 können entweder ein lichtdurchlässiges Material oder einen offenen Abschnitt des Materials des Aperturabschnitts 182 umfassen. Der innere Blockierabschnitt 182B und die offenen Aperturabschnitte 182AP1 und 182AP2 sind um die optische Achse OA zentriert.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Lichtquelle 133 eine Laserdiode oder eine kleine LED umfassen.
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In verschiedenen Anwendungen sind die Beleuchtungskonfiguration 130, der optische Abschnitt 180, das Moiré-Gitter 150 und der Detektorabschnitt 120 in einer festen Beziehung zueinander montiert, z. B. in einem Lesekopf- oder Messinstrumentengehäuse, und werden entlang der Messachse in Bezug auf das Skalengitter 110 durch ein Lagersystem gemäß bekannten Techniken geführt. Das Skalengitter 110 kann in verschiedenen Anwendungen an einem sich bewegenden Tisch oder einer Messspindel oder dergleichen angebracht sein.
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In der dargestellten Ausführungsform ist das Skalengitter
110 ein Inkrementalskalengitter, das in Verbindung mit mehreren Skalenspuren in einem Absolutgeber verwendet werden, der ein Absolutpositionssignal bereitstellt. Absolutpositionsskalenstrukturen stellen ein eindeutiges Ausgabesignal oder eine Kombination von Signalen an jeder Position entlang einer Skala bereit. Sie erfordern keine kontinuierliche Ansammlung von inkrementellen Verschiebungen, um eine Position zu identifizieren. Ein Beispiel eines Absolutgebers ist im
US-Patent mit der Nummer 8,309,906 offenbart, das hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen ist.
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1B ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführungsform einer Konfiguration eines optischen Verschiebungsgebers 100B. Man wird zu schätzen wissen, dass die in 1A gezeigte Konfiguration eine Konfiguration vom reflektierenden Skalentyp verwendet. Im Gegensatz dazu ist in 1B eine Konfiguration vom lichtdurchlässigen Skalentyp gezeigt, die ansonsten auf eine zu der in 1A gezeigten Ausführungsform analogen Weise arbeitet. Die Konfiguration des optischen Verschiebungsgebers 100B umfasst ein lichtdurchlässiges Skalengitter 110B und eine Beleuchtungskonfiguration 130B, die eine Lichtquelle 133 und einen Kollimator 134 umfasst. Das lichtdurchlässige Skalengitter 110B umfasst Lichtblockierabschnitte und Lichtübertragungsabschnitte (z. B. auf einem transparenten Substrat unter Verwendung bekannter Dünnschichtstrukturierungstechniken oder dergleichen hergestellt), die kollimiertes Quelllicht 131' von dem Kollimator 134 der Beleuchtungskonfiguration 130B empfangen. Das Skalengitter 110B gibt dann gebeugtes Skalenlicht 132 durch Übertragung an den optischen Abschnitt 180 aus. In diesem Fall befindet sich der Beleuchtungsabschnitt 130B auf der entgegengesetzten Seite des Skalengitters von dem optischen Abschnitt 180 und dem Detektorabschnitt 120.
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1C ist ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführungsform einer Konfiguration eines optischen Verschiebungsgebers 100C. Man wird zu schätzen wissen, dass die in 1A gezeigte Konfiguration eine Konfiguration vom reflektierenden Skalentyp verwendet, wobei die optische Achse lotrecht zu dem Skalengitter ist. Im Gegensatz dazu ist in 1C eine Konfiguration vom reflektierenden Skalentyp gezeigt, wobei die optische Achse von der Lotrechten in der YZ-Ebene abgewinkelt ist, die jedoch ansonsten auf eine zu der in 1A gezeigten Ausführungsform analogen Weise arbeitet. Die Konfiguration des optischen Verschiebungsgebers 100C umfasst ein reflektierendes Skalengitter 110C und eine Beleuchtungskonfiguration 130C, die eine Lichtquelle 133 und einen Kollimator 134 umfasst. Die Beleuchtungskonfiguration 130C ist dazu ausgerichtet, kollimiertes Quelllicht 131' in einem ersten Winkel (z. B. 45 Grad) in der YZ-Ebene zu dem Skalengitter 110C hin auszugeben. Das Skalengitter 110C gibt dann gebeugtes Skalenlicht 132 an den optischen Abschnitt 180 entlang seiner optischen Achse OA durch Reflexion entlang eines komplementären Reflexionswinkels in der YZ-Ebene aus. In diesem Fall befindet sich die Beleuchtungskonfiguration 130C auf derselben Seite des Skalengitters 110C wie der optische Abschnitt 180 und der Detektorabschnitt 120, was eine einfachere Lesekopf- und Montagekonfiguration für den optischen Geber ermöglicht.
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Die 2A–2D stellen verschiedene Gesichtspunkte in Bezug auf die optischen Signale dar, die dem Skalengitter 110 von 1 entsprechen. Spezifischer stellt 2A das Skalengitter 110 dar, das als einen Abstand PSF aufweisend gezeigt ist. 2B stellt das Moiré-Gitter 150 und eine schematisch dargestellte Intensität des primären Streifenmusters PFP des räumlich gefilterten Quelllichts 132' dar, das auf das Moiré-Gitter 150 überlagert ist. Das Moiré-Gitter 150 ist als einen Abstand PM aufweisend gezeigt und das räumlich gefilterte Quelllicht 132' ist ein primäres Interferenzstreifenmuster (auch als das primäre Streifenmuster bezeichnet) bildend gezeigt, das einen Abstand PPF aufweist, wie durch die in 2B gezeigte Intensitätskurve des primären Streifenmusters schematisch dargestellt.
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2C ist ein Graph eines gesamten sinusförmig modulierten Intensitätshüllkurvenmusters MIE, das dem periodischen, räumlich modulierten Streifenmuster MFP entspricht, das von dem Moiré-Gitter 150 ausgegeben wird (z. B. wie in 1A gezeigt). Wie in 2C gezeigt, gibt das Moiré-Gitter 150 ein Moiré-Muster (auch als Moiré-Streifen bezeichnet) aus, das die schematisch dargestellte räumlich modulierte Streifenmusterintensität aufweist. Das entsprechende gesamte sinusförmig modulierte Intensitätshüllkurvenmuster MIE weist eine modulierte Musterperiode oder einen modulierten Musterabstand PMFP auf, die bzw. der durch einen Schwebungsfrequenzeffekt bestimmt wird, wie für derartige Moiré-Effektmuster bekannt ist (z. B. PMFP in der Größenordnung von 10 Mikron oder 25 Mikron oder mehr in verschiedenen Ausführungsformen). Die räumlich modulierte Streifenmusterintensität kann Hochfrequenzsignalgehalt (in 2C schematisch als HFSC gezeigt) umfassen, der Raumfrequenzen umfassen kann, die beispielsweise so hoch wie das primäre Streifenmuster und/oder sein räumlicher Oberwellengehalt ist. Der Hochfrequenzsignalgehalt kann aus den Detektorverschiebungssignalen austariert oder eliminiert werden, indem breite Detektorelemente (z. B. breiter oder viel breiter als der primäre Streifenabstand PPF) und/oder Signale von mehreren Detektorelementen kombiniert werden, wie in Bezug auf 2D ausführlicher beschrieben.
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2D ist ein Diagramm des Detektorabschnitts 120, der zum Zwecke der Veranschaulichung die Schwebungsfrequenz oder das modulierte Intensitätshüllkurvenmuster MIE des räumlich modulierten Streifenmusters MFP aufweist (z. B. wie in 1A gezeigt), das schematisch darauf überlagert ist. Der Detektorabschnitt umfasst Detektorelemente 121A, 121B, 121A', 121B', 122A, 122B, 122A' und 122B'. Wie in 2D gezeigt, ist der Detektorabschnitt so konfiguriert, dass er Quadratursignale mit vier jeweiligen Detektorelementen (z. B. den Detektorelementen 121A, 121B, 121A' und 121B') ausgibt, die dazu positioniert sind, vier jeweilige räumliche Phasen des periodischen, räumlich modulierten Streifenmusters MFP innerhalb der Dimension PMFP einer Periode seines entsprechenden modulierten Intensitätshüllkurvenmusters MIE zu erkennen. Wie in 2D gezeigt, umfassen die Detektorelemente 121A, 121B, 121A', 121B', 122A, 122B, 122A' und 122B' einzelne Photodetektorelemente oder -bereiche, die dazu eingerichtet sind, ihre jeweiligen empfangenen Teile des modulierten Streifenmusters MFP räumlich zu filtern, um wünschenswerte Positionsanzeigesignale bereitzustellen, die unterschiedlichen räumlichen Phasen des modulierten Intensitätshüllkurvenmusters MIE entsprechen. In einigen Ausführungsformen können Detektorelemente mit einem ähnlichen Buchstaben und ähnlichen „Hauptendsilben” (z. B. 121A und 122A oder 121A' und 122A') um eine ganze Zahl von Perioden PMFP des modulierten Intensitätshüllkurvenmusters MIE beabstandet sein und mit Summensignalen mit der gleichen räumlichen Phase elektrisch gekoppelt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, dass jedes jeweilige Detektorelement eine Breitendimension DW aufweist, die mindestens so groß wie PPF (in den 2B und 2C gezeigt) entlang einer Richtung der Streifenverschiebung (z. B. in einigen Ausführungsformen der Richtung der Messachsenrichtung MA) ist. In einigen Ausführungsformen kann die Breitendimension DW mindestens so groß wie 2·PPF entlang der Richtung der Streifenverschiebung sein. In einigen Ausführungsformen kann die Breitendimension DW mindestens so groß wie 3·PPF entlang der Richtung der Streifenverschiebung oder mehr sein.
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In einigen Ausführungsformen kann das Filtern des Hochfrequenzsignalgehalts HFSC von einem Zwischenraum zwischen der Detektorebene DP und der Moiré-Gitterebene MGP abhängen. In einigen Ausführungsformen kann der Zwischenraum für eine optimale Leistung weniger als 1 mm betragen. Der Zwischenraum kann durch Analyse oder Versuch bestimmt werden.
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In einigen Ausführungsformen wird anstelle einzelner Photodetektorbereiche eine räumliche Filtermaske mit einzelnen Aperturen, die als Detektorelemente fungieren, die verhältnismäßig größere Photodetektorbereiche maskieren, dazu verwendet, Lichtempfangsbereiche bereitzustellen, die zu den einzelnen Photodetektorelementen analog sind, um einen ähnlichen Gesamtsignaleffekt gemäß bekannten Techniken bereitzustellen.
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In einigen Ausführungsformen kann die räumliche Periode PMFP dem Ausdruck PMFP = M·PPF genügen, wobei M ein Vergrößerungswert ist, der die Periode oder den Abstand PMFP des räumlich modulierten Streifenmusters MFP (oder dessen moduliertem Intensitätshüllkurvenmuster MIE) mit dem primären Streifenabstand PPF vergleicht. in verschiedenen Ausführungsformen kann das Moiré-Gitter einen Abstand PM umfassen, der derart bestimmt wird, dass die Modulationsperiode PMFP und der primäre Streifenabstand PPF der erforderlichen Vergrößerung M genügen. Es ist in verschiedenen Ausführungsformen wünschenswert, dass M einen verhältnismäßig hohen Wert aufweist (z. B. mindestens 5 oder in einigen Ausführungsformen 10 oder 20 oder mehr), um die Verwendung von verhältnismäßig groben und/oder kostengünstigen Detektoren zu ermöglichen und/oder Hochfrequenzsignalgehalt HFSC über die Detektorelemente 121A, 121B, 121A' und 121B' auszutarieren. In der in den 2A–2D gezeigten Ausführungsform weist M einen Wert von ungefähr 25 auf. Dies vermeidet das Erfordernis von zusätzlichen optischen Komponenten für ein räumliches Filtern des modulierten Streifenmusters MFP, da breite Detektorelemente ein effektives Filtern des Hochfrequensignalgehalts HFSC bereitstellen, so dass das modulierte Intensitätshüllkurvenmuster MIE Quadratursignale an die Detektorelemente 121A, 121B, 121A' und 121B' bereitstellt.
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Man sollte zu schätzen wissen, dass der Detektorabschnitt 120 Detektorelemente umfassend gezeigt ist, die dazu eingerichtet sind, vier jeweilige räumliche Phasen des periodischen, räumlich modulierten Streifenmusters zu erkennen. In alternativen Ausführungsformen kann ein Detektorabschnitt Detektorelemente umfassen, die dazu eingerichtet sind, drei räumliche Phasen oder mehr als vier räumliche Phasen zu erkennen.
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3 ist ein Diagramm des Aperturabschnitts von
1, das verschiedene Dimensionen zeigt. In der in
3 gezeigten Ausführungsform umfasst der Aperturabschnitt
182 einen inneren Blockierabschnitt
182B und offene Aperturabschnitten
182AP1 und
182AP2. An ihrem breitesten Punkt von einer optischen Achse OA des Aperturabschnitts
182 sind die offenen Aperturabschnitte
182AP1 und
182AP2 durch eine Aperturbreite AW getrennt. Um einen starken Signal-Rausch-Abstand bereitzustellen, ist es im Allgemeinen vorteilhaft, wenn die einschränkende Aperturbreite AW derart bestimmt wird, dass sie mindestens einen Großteil des Skalenlichts
132 der Ordnungen +1 und –1 überträgt. Für Quelllicht
131 mit einer Nennwellenlänge λ und ein Skalengittermuster
110 mit einem Skalengitterabstand P
SF hängt die Nenntrennung der Strahlenbündel, die Skalenlicht
132 der Ordnungen +1 und –1 umfassen, an der Aperturebene AP von Beugungswinkeln des Skalenlichts
132 der Ordnungen +1 und –1 und der Entfernung f zwischen der Quellgitterebene SGP und der ersten Linsenebene FLP ab. Die Beugungswinkel sind plus und minus arcsin[λ/P
SF]. In einigen Ausführungsformen kann die einschränkende Aperturbreite AW so bestimmt werden, dass:
wobei KMIN mindestens 2 ist. In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn KMIN mindestens 2,5 oder mindestens 3 ist, um einen wünschenswerten Umfang des Skalenlichts
132 der Ordnungen +1 und –1 zu übertragen (z. B. um einen wünschenswerten Umfang an Bildkontrast bereitzustellen). Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen die einschränkende Aperturbreite AW so bestimmt werden, dass:
wobei KMAX höchstens 5 ist. In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn KMAX höchstens 4 oder höchstens 3 ist oder anderweitig so ausgewählt ist, dass ein wünschenswerter Umfang an räumlichem Filtern von Strahlen bereitgestellt wird, die räumliche Oberwellen des Skalenabstands P
SF in dem resultierenden räumlich gefilterten Skalenlicht
132' produzieren. Wenn räumliche Oberwellen unterdrückt werden, ist die Bildintensitäten entlang der Messachsenrichtung MA in dem räumlich gefilterten Skalenlicht
132' optimaler sinusförmig, was im Allgemeinen Verschiebungsmessfehler verringert und/oder eine Signalverarbeitung in einem Gebersystem vereinfacht.
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Der innere Blockierabschnitt
182B weist eine Aperturblockierbreite ABW auf. Die Aperturblockierbreite ABW des inneren Blockierabschnitts
182B sollte ebenfalls dazu ausgewählt sein, mindestens einen Großteil des Skalenlichts
132 der Ordnungen +1 und –1 zu übertragen (z. B. um einen wünschenswerten Umfang an Bildkontrast bereitzustellen). In einigen Ausführungsformen kann die Aperturblockierbreite ABW so bestimmt werden, dass:
wobei BMAX höchstens 2 ist. In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn BMAX höchstens 1,5 oder höchstens 1 ist, um einen wünschenswerten Umfang des Skalenlichts
132 der Ordnungen +1 und –1 zu übertragen. Um den Großteil des Teils der Ordnung 0 oder den gesamten Teil der Ordnung 0 des Skalenlichts
132 zu blockieren, kann die Aperturblockierbreite ABW darüber hinaus so bestimmt werden, dass:
wobei BMIN in einigen Ausführungsformen mindestens 0,5 ist. In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn BMIN mindestens 75 oder mindestens 1 ist, um einen wünschenswerten Umfang des Skalenlichts
132 der Ordnung 0 zu blockieren.
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Man sollte zu schätzen wissen, dass das Design der hierin offenbarten Ausführungsformen des optischen Gebers für einen kleinen Skalengitterabstand PSF besonders geeignet ist. Der Skalengitterabstand PSF kann in einigen Ausführungsformen nur 1 μm oder sogar weniger klein sein. Ein kleinerer Skalengitterabstand PSF führt zu großen Beugungswinkeln, was einen breiteren Zwischenraum zwischen beugenden Ordnungen des Skalenlichts 132 ermöglicht, was folglich lockerere Herstellungstoleranzen des Aperturabschnitts 182 ermöglicht. Der Aperturabschnitt 182 ermöglicht außerdem ein Blockieren von Teilen der nullten Ordnung des Skalenlichts 132, was das Erfordernis von teuren oder komplexen Beleuchtungsquellen oder Skalengittern, die teurere lichtdurchlässige Phasengitter sind, eliminiert.
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Obwohl bevorzugte Implementierungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden, werden einem Fachmann zahlreiche Variationen in den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Sequenzen von Arbeitsabläufen auf der Basis dieser Offenbarung offensichtlich sein. Verschiedene alternative Formen können dazu verwendet werden, die hierin offenbarten Prinzipien zu implementieren. Darüber hinaus können die oben beschriebenen verschiedenen Implementierungen dazu kombiniert werden, weitere Implementierungen bereitzustellen. Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in dieser Spezifikation Bezug genommen wird, sind durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen. Gesichtspunkte der Implementierungen können gegebenenfalls modifiziert werden, um Konzepte der verschiedenen Patente und Anmeldungen einzusetzen, um noch weitere Implementierungen bereitzustellen.
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Diese und andere Änderungen können an den Implementierungen in Anbetracht der oben detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten die verwendeten Begriffe in den folgenden Ansprüchen nicht so aufgefasst werden, dass sie die Ansprüche auf die spezifischen Implementierungen, die in der Spezifikation und den Ansprüchen offenbart sind, beschränken, sondern sollten so aufgefasst werden, dass sie alle möglichen Implementierungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, auf die derartige Ansprüche Anspruch haben, umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7186969 [0003]
- US 7307789 [0003]
- US 7435945 [0003]
- US 8309906 [0019]
BMIN mindestens 0,5 ist.
KMAX höchstens 5 ist.