DE102018108347A1

DE102018108347A1 - Optischer Encoder und Verfahren zur Erfassung einer Relativbewegung

Info

Publication number: DE102018108347A1
Application number: DE102018108347.5A
Authority: DE
Inventors: Axel Kortschack; Cristian Tulea
Original assignee: Picofine GmbH
Current assignee: Picofine GmbH
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2038-04-10
Also published as: DE102018108347B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Gebiet der Erfassung von Verschiebungen zwei Objekten zueinander und insbesondere einen optischen Encoder für die Erfassung von linearen oder rotatorischen Verschiebungen zweier Objekte sowie ein entsprechendes Verfahren. Es wird ein optischer Encoder zur Erfassung einer linearen oder rotatorischen Relativbewegung zweier Objekte unter Verwendung von Licht einer Lichtquelle drei Gittern, wobei eines der Gitter mit einem der zwei Objekte gekoppelt oder koppelbar ist und die zwei anderen Gitter mit dem anderen der zwei Objekte gekoppelt oder koppelbar sind, einem Substrat, das für wenigstens einen Wellenlängenbereich des Lichts durchlässig ist, wobei wenigstens eines der drei Gitter an oder in dem Substrat vorgesehen ist, und einem Lichtleiter zur Führung des Lichtes von der Lichtquelle durch das Substrat hindurch vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Erfassung von Verschiebungen zweier Objekte zueinander und insbesondere einen optischen Encoder für die Erfassung von linearen oder rotatorischen Verschiebungen zweier Objekte sowie ein entsprechendes Verfahren.
Ein einen solchen optischen Encoder umfassendes Messsystem für die Erfassung von Verschiebungen zweier Objekte kann insbesondere als Wegmesssystem und/oder als Winkelmesssystem verwendet werden, wobei solche Systeme beispielsweise benötigt werden, um Objekte zu genau positionieren zu können.
Optische Encoder sind in der Lage, die Verschiebung zwischen zwei Objekten zu erfassen. Dabei kann es sich um lineare oder um rotatorische Verschiebungen handeln, in manchen Fällen sogar um die Kombination von linearen und rotatorischen Verschiebungen. In den meisten Fällen ist ein Encoder entweder für die Erfassung von rotatorischen oder für die Erfassung von linearen Verschiebungen ausgelegt.
Optische Encoder werden in einem großen Teil der Positionierer eingesetzt, unabhängig davon, ob es sich eher um kleine Positionierer, wie etwa für eine Nanopositionierung genutzt, oder um große Positionierer, wie z.B. für den Einsatz in Werkzeugmaschinen handelt.
Es gibt diverse, unterschiedliche prinzipielle Aufbauten von optischen Encodern.
Eine erste grundsätzliche Unterscheidung findet sich zwischen reflektiven Encoder einerseits und Durchlicht-Encoder andererseits, wobei die reflektiven Encoder im Grunde eine Abwandlung der Durchlicht-Encoder darstellen.
Eine weitere grundsätzliche Unterscheidung findet sich zwischen einerseits Encodern, die auf Interferenz basieren, und anderseits Encodern, die nach dem Prinzip des Schattenwurfs arbeiten.
Zumeist handelt es sich bei den optischen Encodern um Messvorrichtungen, die einen optischen Aufbau mit einer Lichtquelle aufweisen, in dem ein durch mehrere Gitter erzeugtes Lichtmuster durch Detektoren (z.B. Fotodetektoren) aufgenommen und ausgewertet wird. Dabei verschiebt sich das Lichtmuster mit der Bewegung eines Gitters, wobei dieses Gitter hier auch als „Skalengitter“ bezeichnet wird.
Das Abbildungsprinzip derartiger Encoder basiert im Wesentlichen auf dem Talbot-Effekt und ist beispielsweise im Fachartikel von Pettigrew beschrieben (R. M. Pettigrew, „Analysis Of Grating Imaging And Its Application To Displacement Metrology", Proc. SPIE 0136, Ist European Conf on Optics Applied to Metrology, (18 April 1977)). Das Prinzip wird anhand von 1 erläutert.
Die Talbot-Länge ist der Abstand, bei dem die Periode der Abbildung des Gitters P_T gleich der Periode P₁ ist.
Mit der Wellenlänge λ gilt für die Talbot-Länge z_T: $z_{T} = \frac{P_{1}^{2}}{λ} .$
Allgemein gilt für die Position des Selbstabbildes des ersten Gitters: $\frac{1}{N \cdot z_{T}} = \frac{1}{z_{0}} + \frac{1}{z_{1}} .$
N ist ganzzahlig, was ausdrückt, dass es bei Vielfachen der Talbot-Längen scharfe Abbildungen gibt.
Man beachte die Analogie zu einer Abbildung mit einer dünnen Linse: $\frac{1}{f} = \frac{1}{b} + \frac{1}{g},$
wobei die Brennweite f der „Gitterlinse“ mit zunehmender Gitterperiode ansteigt. In dieser Analogie ist die Bildweite b gleich z₀ und die Gegenstandsweite g entspricht Z₁ .
Für den Bildabstand folgt: $z_{1} = \frac{z_{0} \cdot z_{T}}{(z_{0} + z_{T})} = \frac{z_{0} P_{1}^{2}}{(λ z_{0} - P_{1}^{2})}$
wobei N = 1 ist.
Zur Messung der Verschiebung zweier Objekte zueinander werden Mehr-Gitter-Anordnungen verwendet, die den sogenannten generalisierten Talbot-Lau-Effekt ausnutzen, dessen Grundlage der oben erläuterte Talbot-Effekt ist. Eine Erklärung des Messprinzips erfolgt anhand 2.
Es wird ein zweites Gitter 2 mit der Periode P₂ eingebracht, um das erste Gitter 1 abzubilden. Dabei agiert das erste Gitter 1 wie eine Vielzahl an periodischen Punktlichtquellen, da das Licht eben nur in periodischen Abständen durch das erste Gitter 1 dringt. Dieses erzeugt ein Lichtmuster, welches das Gitter 2 durchleuchtet. Dieses Gitter erzeugt ein Bild im Abstand z₂ . Für eine endlich ausgedehnte Lichtquelle S gilt: $z_{2} = \frac{z_{1}}{(\frac{m P_{1}}{n P_{2}} - 1)}$
Für ebene Wellen kann mit m = n gerechnet werden, sonst hängen m und n von der Winkelausdehnung der Lichtquelle ab und sind ganzzahlig. Die Parameter m und n geben an, wie viele Gitterstriche beleuchtet werden.
Die Periode dieses Gitterbildes bei z₂ lässt sich bestimmen nach: $P_{I} = \frac{(z_{1} + z_{2}) \cdot P_{2}}{z_{1} \cdot N}$
Wird für N = m = n = 1, die nach Gleichung (2) in Gleichung (3) eingesetzt, ergibt sich nach Umformungen die Formel: $P_{I} = \frac{P_{1} P_{2}}{P_{1} - P_{2}}$
Damit z₂ und P_I positiv sein können, muss die Periode P₁ größer sein als die Periode P₂ . Im Falle einer Punktlichtquelle muss z₀ groß genug gewählt werden, dass ausreichend genügend Gitterstriche beleuchtet werden.
Ferner gibt es, eine Klasse von optischen Encodern, die nicht nur den Talbot-Lau-Effekt ausnutzen, sondern eine Drei-Gitter-Anordnung ausweisen, die einen weiteren Effekt nach Moire und Vernier ausnutzen, was im Folgenden anhand von 3 erläutert sei.
An der Position z₂ des Gitterbildes I, wird ein weiteres Gitter positioniert, dass im Folgenden Gitter A mit der Periode P_A genannt sei. Die beiden Perioden P_I und P_A überlagern zum Vernier-Effekt, sodass dahinter im Abstand z_VT ein Bild mit der Periode P_v entsteht.
Die zu wählende Periode P_A des Gitters A lässt sich als Funktion von P_I und der gewünschten Vernier-Periode darstellen.
Es gilt: $P_{A} = \frac{P_{I} P_{V}}{| P_{I} - P_{V} |}$
Eine zu der in 3 illustrierten Konstellation entsprechende Offenbarung findet sich beispielsweise in GB 1 504 691 A .
Wird anstatt eines Durchlicht-Encoders der Aufbau eines reflektiven Encoders gewählt, dann gilt, dass die Abstände z₁ und z₂ identisch sind, da das Licht vom Gitter 2 reflektiert wird, wie anhand Skizze in 4 nachvollzogen werden kann.
Somit gilt, wenn die erste Talbot-Abbildung (N=1) gewählt wird: P_I=P₁=2P₂.
Die in 4 dargestellte Drei-Gitter-Anordnung für einen reflektiven Encoder kann als typisch angesehen werden. 5 zeigt eine alternative Anordnung für einen ebenso funktionsfähigen reflektiven Encoder.
Verschiedene reflektive optische Encoder sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise:
EP 0 207 121 B1 offenbart einen typischen Drei-Gitter-Encoder, bei der das Licht einer Lichtquelle zunächst auf ein Gitter 1 trifft. Von dort wird es reflektiert und durchleuchtet zwei Gitter mit jeweils unterschiedlicher Periode P_I und P_A , so dass sich auf den Detektoren eine Abbildung mit der Periode Pv durch den Vernier-Effekt ergibt, was vorteilhaft für eine hohe Auflösung des Encoders ist. Das entspricht der Skizze aus der 5.
Dieser Aufbau hat den Nachteil, dass für den Aufbau eines refektiven Encoders das Licht schräg eingebracht wird, damit es von dem Skalengitter durch die zwei weiteren Gitter geführt wird, bevor es auf die Detektoren trifft. Damit baut dieser optische Encoder zwangsweise groß und wegen der notwendigen Ausrichtung kompliziert und damit teuer.
DE 199 57 777 A1 offenbart einen Drei-Gitter-Encoder, bei dem das Licht einer Lichtquelle zunächst ein Gitter 1 durchleuchtet, bevor es auf das Gitter 2 mit der Periode P₂ trifft, von wo es reflektiert wird, und anschließend ein Gitter A mit der Periode P_A durchleuchtet, so dass sich auf den Detektoren ein für die hochauflösende Messung notwenige Abbildung mit der Periode Pv ergibt. Das entspricht der 4.
Dieser Aufbau hat den Nachteil, dass für den Aufbau eines refektiven Encoders das Licht schräg eingebracht werden muss, damit es, nachdem es durch das erste Gitter geführt wurde, von dem Gitter 2 durch das Gitter A gelenkt werden kann, bevor es auf die Detektoren trifft. Damit baut dieser optische Encoder zwangsweise groß und kompliziert und damit teuer.
EP 0 804 716 B1 offenbart einen ein reflektiven Pseudo-Drei-Gitter-Encoder. Das Licht einer an einer Basis 1₆ befestigten Lichtquelle 2₆ durchleuchtet gemäß der Lehre von EP 0 804 716 B1 ein auf einem lichtdurchlässigen Substrat 3₆ befindliches, Gitter 1 mit der Periode P₁ und trifft dann auf ein Gitter 2 mit der Periode P₂ . Von Gitter 2 wird das Licht reflektiert und leuchtet wieder durch das erste Gitter bevor es auf Detektoren trifft. Bei dieser Anordnung gibt es kein drittes Gitter, da das erste Gitter nach der Reflektion auf dem zweiten Gitter ein weiteres Mal durchleuchtet wird. Diese beiden Gitter müssen hierbei zueinander verdreht sein, damit sich eine für die Abtastung notwenige Vernier-Abbildung mit der Periode Pv ergibt. Der Aufbau ist mit 6 illustriert.
Es wurde gefunden, dass die bekannten Encoder unter anderem folgende Nachteile aufweisen:
Es kann vorkommen, dass Licht durch Reflexionen an anderen als an dem Skalengitter zum Detektor gelangt, was zu einem Offset und einem Kontrastverlust führt. Der Kontrastverlust, mit anderen Worten ein Verschmieren des Gittterbildes I und damit auch des Vernierbildes, kommt dadurch zustande, dass Teile des Lichts die Gittersequenz nicht in der vorgesehenen Reihenfolge passieren.
Die Beleuchtung des Skalengitters erfolgt bei Drei-Gitter-Systemen unter einem Winkel größer 0°, mit entsprechenden Konsequenzen für Baugröße und Aufwand bei der Ausrichtung/Herstellung.
Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, wobei einen besonders einfachen Aufbau ermöglicht wird, ohne auf die Möglichkeit einer hohen Messauflösung eines typischen Drei-Gitter-Encoders zu verzichten.
Es ist daher gewünscht, eine Lösung vorzustellen, die das obige Ziel erreicht und die Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet oder zumindest vermindert.
Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt ein optischer Encoder vorgeschlagen, wie er in Anspruch 1 definiert ist, nämlich ein optischer Encoder zur Erfassung einer linearen oder rotatorischen Relativbewegung zweier Objekte unter Verwendung von Licht einer Lichtquelle, mit drei Gittern, wobei eines der Gitter mit einem der zwei Objekte gekoppelt oder koppelbar ist und die zwei anderen Gitter mit dem anderen der zwei Objekte gekoppelt oder koppelbar sind, einem Substrat, das für wenigstens einen Wellenlängenbereich des Lichts durchlässig ist, wobei wenigstens eines der drei Gitter an oder in dem Substrat vorgesehen ist, und einem Lichtleiter zur Führung des Lichtes von der Lichtquelle durch das Substrat hindurch.
Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Verfahren vorgeschlagen, wie es in Anspruch 10 definiert ist, nämlich ein Verfahren zur Erfassung einer linearen oder rotatorischen Relativbewegung zweier Objekte unter Verwendung von Licht einer Lichtquelle, mit den Schritten des Koppelns eines Gitters mit einem der Objekte, des Koppelns zwei weiterer Gitter mit dem anderen der Objekte, wobei wenigstens eines der drei Gitter an oder in einem Substrat vorgesehen ist, das für wenigstens einen Wellenlängenbereich des Lichts durchlässig ist, des (fortgesetzten) Einstrahlens des Lichts in zur Führung des Lichtes von der Lichtquelle durch das Substrat hindurch ausgestalteten Lichtleiter, des Erfassens eines Lichtmusters des durch den Lichtleiter geführten, an einem der Gitter reflektierten und durch die zwei anderen Gitter hingetretenen Lichts und des Erfassens der Relativbewegung aus einer Veränderung des erfassten Lichtmusters.
Es wurde gefunden, dass mit der vorliegenden Erfindung eine sehr einfache Strahlenführung möglich ist, wobei dann nur sehr wenige Komponenten zueinander ausgerichtet werden müssen, und dies mit groben Toleranzen. Die Erfindung kann damit vergleichsweise einfach und damit kostengünstig und einfach skalierbar implementiert werden, wobei eine sehr kompakte Bauweise möglich und kaum störende optische Interferenzen auftreten.
Hinsichtlich der oben diskutierten Einordnungen von optischen Encodern ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung der Klasse der reflektiven Encoder zuzuordnen, die besonders einfach in ein Positioniersystem integriert werden können. Zudem fällt der Gegenstand der vorliegenden Erfindung in die Klasse an Encodern, die auf Interferenz basieren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der oben diskutierte generalisierte Talbot-Lau-Effekt genutzt. Neben der Ausnutzung dieses Effekts sieht die vorliegende Erfindung eine Drei-Gitter-Anordnung vor, die den zusätzlichen Effekt nach Moire und Vernier ausnutzt.
Beim erfindungsgemäßen Encoder ist, anders als bei EP 0 804 716 B1 eine Verdrehung der Gitter zueinander nicht nötig, da der Strahlengang nicht zweimal durch ein Gitter mit identischer Periode geführt wird. Das ist von Vorteil und erlaubt zusätzlich eine größerer Freiheit bei der Auslegung des Encoders gegenüber der Lehre von EP 0 804 716 B1 . Darüber hinaus ist es bei der Lehre von EP 0 804 716 B1 von Nachteil, dass ein Teil des Lichts von der Lichtquelle direkt von dem ersten Gitter auf die Detektoren reflektiert wird, was einen ungewollten Offset bewirkt. Es kann davon ausgegangen werden, dass die vorliegende Erfindung erlaubt, einen nur wesentlich geringeren oder gar keinen ungewollt direkt reflektierten Lichtanteil zu realisieren.
Alle oben erläuterten Prinzipien lassen sich mit radialen Gitter für rotatorische Encoder nutzen.
Wird nur die Bewegung eines beweglichen Gitters (dem „Skalengitter“) erfasst, handelt es sich in der Regel um ein inkrementellen Encoder, mit dem relative Verschiebungen gemessen werden können. Sollen aber absolute Positionen erfasst werden, so bedarf es weiterer Informationen. Im einfachsten Fall kann das eine eindeutige Referenzmarke auf dem Skalengitter sein, die beim Abfahren des Skalengitters gefunden werden muss. Ist die Lage der Referenzmarke in absoluter Position bekannt, so kann der Sensor von dort an mit absoluten Größen die Position erfassen, solange sich der Sensor nicht verzählt. Eine solche Referenzmarke kann entweder neben der Gitterstruktur des Skalengitters angeordnet sein oder in besonderen Fällen sogar in der Gitterstruktur integriert sein („embedded“). Durch die Platzierung mehrerer Referenzmarken, deren Abstand zueinander die Information über die Absolutposition der Referenzmarken trägt, kann die Absolutposition schnell gefunden werden, indem lediglich zwei Referenzmarken gefunden werden müssen. Das ist insbesondere bei langen Skalen von Interesse, da so nur kurze Strecken abgefahren werden müssen, um die Absolutposition zu ermitteln.
In den oben geschilderten Beispielen wird das Skalengitter bewegt, um die Absolutposition über die Erfassung der Referenzmarke oder der Referenzmarken zu erfassen. Dies ist aber nicht immer möglich. Zur Lösung dieser Schwierigkeit ist bekannt, mehr als eine abzutastende Gitterstruktur auf dem beweglichen Objekt vorzusehen, so dass eine Erfassung der aktuellen Position möglich ist, ohne dass eine Referenzmarke gefunden werden muss, da die erfassten Messwerte zueinander auf eine eindeutige Absolutposition schließen lassen. In diesem Fall wird von Absolutencodern gesprochen. Es sei darauf hingewiesen, dass es sehr viele verschiedene Techniken für die Erfassung von Absolutpositionen gibt, die sich ohne weiteres auch für den erfinderischen Encoder und das entsprechende Verfahren nutzen lassen, wenn diese auch für andere Drei-Gitter-Encoder nutzbar sind.
Die konkrete Ausgestaltung der Gitter umfasst alle nach dem Stand der Technik bekannten Ausführungen und es können alle dem Stand der Technik bekannten Herstellprozesse verwendet werden.
Wie dem obigen Stand der Technik zu entnehmen ist, wird bei den dortigen reflektiven Drei-Gitter-Encodern eine Lichtquelle so angeordnet, dass das Licht der Lichtquelle in einem Winkel auf die ein reflektierendes Gitter trifft, und zwar entweder direkt oder nachdem es durch ein transmittierendes Gitter geführt wurde. Beim erfindungsgemäßen reflektiven Encoder wird eine derartige Anordnung gewählt, dass kein solcher Winkel nötig ist und trotzdem zwei Gitter durchleuchtet werden können.
Ein Beispiel der Erfindung kann in einem optischen Encoder gemäß eines Drei-Gitter-Encoder-Typus für die Erfassung der relativen, entweder linearen oder rotatorischen Bewegung zweiter Objekte relativ zueinander gefunden werden, der eine Lichtquelle, mindestens einem für die Wellenlänge der Lichtquelle transparenten Substrats, drei Gitter, wobei eines der Gitter beweglich zu den anderen beiden Gittern ist und dessen Bewegung erfasst werden soll, wobei mindestens auf einer Fläche des Substrates mindestens eines der drei Gitter ein- oder aufgebracht ist, Detektoren auf einer Basis und eine Auswerteeinheit zur Interpretation der Detektorsignale umfasst, um somit auf die Positionsverschiebung schließen zu können, wobei das Licht der Lichtquelle mit mindestens einem Lichtleiter durch das Substrat geführt wird.
Die Führung des Lichts kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Hierzu gehören u.a.:
In einer bevorzugten Variante wird das Licht mit einem Lichtleiter, gegebenenfalls sogar von mehreren Lichtleitern, durch das Substrat geführt. Ein Lichtleiter kann z.B. in ein Loch des Substarts eingebracht werden, wobei diverse Lichtleiter eingesetzt werden können. Bei dem Lichtleiter kann es sich z.B. um eine Multimode- oder Singlemode-Lichtleiter handein. Sinnvoll ist auch der Einsatz einer Hollow-Core-Faser. Denkbar ist auch der Einsatz eines Lichtleiterstabs. Möglich ist auch, dass der Lichtleiter genutzt wird, um den Stahl zu formen, was z.B. mit Stablinsen oder Grin-Linsen ohne weiteres möglich ist. Selbstverständlich sind auch andere optische Vorrichtungen zur Strahlformung denkbar, beispielsweise Vortex-Linsen oder andere diffraktive optische Elemente. Ein Lichtleiter kann auch mehrteilig aufgebaut sein.
Nach einer anderen bevorzugten Variante wird ein Lichtleiter direkt in das Substrat geschrieben. In diesem Fall ist es nicht nötig, in dem Substrat ein Loch vorzusehen, bzw. optische Komponenten in ein Loch des Substrats einzubringen. Bei Glas ist das z.B. möglich, indem ein Femtosekundenlaser einen Lichtleiter in das Substrat schreibt. Für den erfinderischen Zweck ist der Herstellungsprozess des Lichtleiters irrelevant. Im Falle von Silizium, was für infrarotes Licht transparent ist, kann ein Lichtleiter z.B. über die Elektronenstrahllithographie oder z.B. auch durch auch durch einen Deep Ultraviolet Laser-Lithographie (DUV) oder über Deep reactive ion etching (DRIE) erzeugt werden. Für den erfinderischen Zweck ist der Herstellungsprozess des Lichtleiters irrelevant.
Auch in Kunststoffen können Lichtleiter geschrieben werden. Für den erfinderischen Zweck ist der Herstellungsprozess des Lichtleiters irrelevant.
Dabei kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der in das Substrat geschriebene Lichtleiter so ausgestaltet wird, dass das Licht der Lichtquelle möglichst gut eingekoppelt wird. Selbstverständlich kann auch bei der Auskopplung auf den jeweiligen Bedarf Rücksicht genommen werden.
Im Falle der Nutzung von Lichtleitern ist es vorteilhaft, wenn ein möglichst großer Teil des Lichts der Lichtquelle in den Lichtleiter eingekoppelt wird, indem die Komponenten (Lichtquelle und Lichtleiter) gut zueinander ausgerichtet werden oder gegebenenfalls eine Optik zum Einkoppeln vorgesehen wird.
In einer alternativen Ausgestaltung kann das Substrat ein Loch aufweisen, durch welches das Licht auf das Skalengitter leuchtet, wobei es dann von Vorteil ist, wenn die Mantelfläche des Lochs so ausgeführt ist, dass das Licht nicht in das Substrat einstreut, was sich durch den Brechungsindexwechsel ergeben kann, indem tatsächlich eine Abschattung vorgesehen wird, indem die Mantelfläche beschichtet (z.B. verspiegelt) wird oder ein Röhrchen in die Bohrung gesetzt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die zwei anderen Gitter an oder in dem Substrat vorgesehen, während in einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung eines der zwei anderen Gitter an oder in dem Substrat vorgesehen ist und das andere der zwei anderen Gitter an oder in dem Lichtleiter vorgesehen ist.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist der Lichtleiter in einer Passage des Substrats vorgesehen oder wird von der Passage gebildet, wobei der Lichtleiter vorzugsweise einen Singlemode-Lichtleiter, einen Multimode-Lichtleiter, eine Hollow-Core-Faser und/oder einen Lichtleiterstab umfasst. In einer hierzu alternativen Ausgestaltung ist der Lichtleiter integral mit dem Substrat gebildet und in das Substrat geschrieben.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist der Lichtleiter für eine Strahlformung ausgestaltet.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst der optische Encoder eine Detektoreinheit zur Erfassung einer Lichtmusters, das sich bei einer Passage des Lichts durch die drei Gitter ergibt.
In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung umfasst der Encoder eine Auswerteeinheit, die mit der Detektoreinheit gekoppelt ist und dazu ausgestaltet ist, aus die Relativbewegung aus einer Änderung des erfassten Lichtmusters zu bestimmen.
Ein Kerngedanke der Erfindung wird bereits durch die Gitteranordnung mit Substrat und Lichtleiter verwirklicht, so dass die Detektoreinheit und die Auswerteeinheit zwar mit diesen Elementen zusammenwirken, für die Erfindung allerdings nicht essentiell sind (was davon zu unterscheiden ist, dass diese Elemente für eine tatsächliche Umsetzung und Nutzung vorgesehen sind).
Es wird davon ausgegangen, dass ein erfindungsgemäßer optischer Encoder im Grunde vollständig monolithisch aufgebaut werden kann, etwa wenn als Substrat Silizium gewählt wird, da sowohl die Elektronik (z.B. der Analogteil und der Digitalteil der Signalverarbeitung), als auch die Optik (Silizium-LED, Detektoren und in das Silizium geschriebene Lichtleiter) auf der Silizium-basierten Halbleitertechnik aufbauen können.
Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt

1 eine schematische Darstellung zur Illustration einer Talbot-Abbildung eines ersten Gitters,
2 eine schematische Darstellung zur Illustration einer Talbot-Lau-Abbildung über den Einsatz von zwei Gittern mit unterschiedlicher Periode,
3 eine schematische Darstellung zur Illustration einer Drei-Gitter-Anordnung für einen Durchlicht-Encoder gemäß dem Stand der Technik,
4 eine schematische Darstellung zur Illustration einer ersten Drei-Gitter-Anordnung für einen reflektiven Encoder gemäß dem Stand der Technik,
5 eine schematische Darstellung zur Illustration einer zweiten Drei-Gitter-Anordnung für einen reflektiven Encoder gemäß dem Stand der Technik,
6 eine schematische Darstellung zur Illustration des prinzipiellen Aufbaus eines Pseudo-3-Gitter-Encoders nach EP 0 804 716 B1 ,
7 eine schematische Darstellung zur Illustration eines optischen Encoders eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
8 eine schematische Darstellung zur Illustration eines optischen Encoders eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung und
9 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.
7 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines optischen Encoders eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
In dem erfinderischen optischen Encoder gemäß dieses Ausführungsbeispiels leuchtet die Lichtquelle 2₇ zunächst nahezu senkrecht auf das reflektierende Gitter 1 mit der Periode P₁ , welches als Skalengitter verwendet wird. Hierbei wird die Lichtquelle gegenüber dem Skalengitter angeordnet, so dass das Licht über einen durch das Substrat 3₇ führenden Lichtleiter 4₇ auf das Skalengitter geführt wird.
Hier sei darauf hingewiesen, dass der Lichtleiter muss nicht als separates Bauteil vorhanden sein muss. Neben klassischen Lichtleitern kann es sich bei dem Lichtleiter auch um ein Loch im Substrat handeln, es kann aber auch eine ins Substrat geschriebene Lichtleiterstruktur sein.
In der 7 ist eine Situation dargestellt, bei der ein Lichtleiter durch die Unterfläche des Substrats hinausragt, so dass zo kleiner ist als z₁ .Selbstverständlich kann der optische Encoder auch so gebaut werden, dass z₀ gleich z₁ ist, was bedeutet, dass der Lichtleiter in Flucht mit der Unterfläche des Substrats endet. Wenn z₀ größer ist als z₁ , dann tritt das Licht noch oberhalb der Unterfläche des Substrats aus, was z.B. der Fall ist, wenn der Lichtleiter noch vor der Unterkante des Substrats endet.
Von dem Skalengitterwird das Licht reflektiert. Das Licht weist eine gewisse Divergenz auf und es wird bei der Reflektion gebeugt und gestreut, so dass es nicht ausschließlich in die Lichtquelle zurückgeworfen wird.
Zwischen der Basis 1₇ und dem Skalengitter ist ein, für die gewählte Wellenlänge optisch transparentes (mindestens teil-transparentes), Substrat eingebracht, welches auf der Lichtquellen-zugewandten Seite ein Gitter A mit der Periode P_A aufweist. Ein zweites Gitter 2 mit der Periode P₂ ist auf der der Lichtquellen-abgewandten Seite des Substrats an- bzw. eingebracht.
Das Licht der Lichtquelle wird, bevor es auf das Skalengitter trifft durch das Substrat geführt, ohne dass es auf das Gitter 2 oder Gitter A trifft.
Das vom Skalengitter reflektierte Licht durchleuchtet nun das Gitter 2 mit der Periode P₂ , geht durch das Substrat, vorzugsweise mit der Substratdicke, die der Talbot-Länge, bzw. einem Vielfachen davon entspricht, bevor es das Gitter A mit der Periode P_A durchleuchtet, mit der Folge, dass eine Vernier-Abbildung mit der Periode Pv unmittelbar hinter dem Gitter A entsteht, die zur hochauflösenden Messung der Positionsverschiebung des Skalengitters genutzt wird. Der Abstand z_VT der Detektoren zur Ebene des Vernier-Bildes kann 0 betragen oder größer als 0 sein.
Die Anordnung und die Wahl des Typs für die Detektoren zur Detektion des Vernier-Bildes können gemäß dem Stand der Technik erfolgen.
Zur Berechnung der Verschiebung des Skalengitters aus den Detektorsignalen wird mindestens eine Auswerteeinheit eingesetzt, die nicht näher spezifiziert werden muss, da der Fachmann hiermit ausreichend vertraut ist.
Eine beispielhafte Auslegung der Komponenten ist:
Für die Lichtquelle eine ist Wellenlänge von 870 nm gewählt und es soll ein bewegliches Skalengitter mit einer Periode P₁ = 20 µm abgetastet werden, während das Substrat aus Glas mit beispielsweise dem Brechungsindex n=1,5 besteht und eine Dicke von z₂ = 306 µm aufweist. Wird P₂ = 10 µm, P_A = 21 µm und z₁= 460 µm gewählt, ergibt sich eine Vernier-Periode von Pv = 420 µm.
Selbstverständlich sind alle Größen Designparameter die vom Fachmann passend festgelegt werden können, was deutlich macht, dass der Encoder sehr einfach auf die jeweiligen Bedürfnisse zugeschnitten werden kann.
Bei geeigneten Wahl des Lichtleiters kann die Lichtquelle beliebig angeordnet werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines optischen Encoders eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Im Wesentlichen entspricht der Aufbau in 8 dem Aufbau aus 7. Jedoch wird auf der Austrittsfläche des Lichtleiters 4₈ ein Gitter 1 mit der Periode P₁ angeordnet, welches von dem Licht durchleuchtet wird.
Hiernach trifft das Licht auf das Gitter 2 mit der Periode P₂ , welches als Skalengitter eingesetzt wird.
In der ist die Situation dargestellt, bei der ein Lichtleiter durch die Unterfläche des Substrats hinausragt, so dass z₁ kleiner ist als z₂ .Selbstverständlich kann der optische Encoder so gebaut werden, dass z₁ gleich z₂ ist, was bedeutet, dass der Lichtleiter in Flucht mit der Unterfläche des Substrats endet. Wenn z₁ größer ist als z₂ , dann tritt das Licht noch oberhalb der Unterfläche des Substrats aus, was z.B. der Fall ist, wenn der Lichtleiter noch vor der Unterkante des Substrats endet.
Von dem Skalengitter wird das Licht reflektiert. Das Licht wird in der Regel eine gewisse Divergenz aufweisen und es wird bei der Reflektion gebeugt und gestreut, so dass es nicht ausschließlich in die Lichtquelle zurückgeworfen wird.
Zwischen der Basis 1₈ und dem Skalengitter ist ein, für die gewählte Wellenlänge optisch transparentes (mindestens teil-transparentes), Substrat eingebracht, welches auf einer Seite (oben oder unten) ein Gitter A mit der Periode P_A aufweist. Das Licht der Lichtquelle wird, bevor es auf das Gitter 1 trifft, durch den Lichtleiter geführt, ohne dass es auf das Gitter 2 oder Gitter A trifft.
Das kann durch oben genannte Techniken für die Lichtleitung erreicht werden.
Eine beispielhafte Auslegung der Komponenten ist:
Es wird eine Lichtquelle für eine Wellenlänge von 870 nm gewählt und es wird ein bewegliches Skalengitter mit einer Periode P₂= 20 µm abgetastet. Die Dicke des Glases (Substrats) ist bei dieser Ausführungsform nicht von Bedeutung, solange sie nicht größer als die Strecke z_VT ist. Wird P₁ = 40 µm, P_A = 44 µm und z₁= 460 µm ebenso wie z₂ = 460 µm gewählt, ergibt sich eine Vernier-Periode von Pv = 440 µm.
9 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Schritt 101 wird ein Skalengitter mit dem zu vermessenden Objekt gekoppelt, etwa durch eine geeignete Befestigung.
In Schritt 102 werden die weiteren Komponenten eines erfindungsgemäßen Encoders vorgesehen, bei denen die zwei weiteren Gitter mit einer Basis gekoppelt sind, gegenüber der die Bewegung des zu vermessenden Objekts bestimmt werden soll.
Hierbei sind die zwei Gitter, etwa wie es in 7 illustriert ist, an dem Substrat vorgesehen, das für das hier verwendete Licht durchlässig (vorzugsweise transparent oder zumindest teil-transparent) ist.
In Schritt 103 wird Licht von der Lichtquelle eingestrahlt.
In Schritt 104 läuft dieses von der Lichtquelle eingestrahlte Licht durch den Lichtleiter und gelangt von dort zu den Gittern.
In Schritt 105 passiert das Licht die Gitter bzw. wird an einem der Gitter reflektiert.
Aus der Interaktion des Lichts mit den Gittern ergibt sich ein Lichtmuster, das in Schritt 106 detektiert wird.
In Schritt 107 wird aus einer Änderung des Lichtmusters eine Relativbewegung der Gitter und damit der Objekte zueinander bestimmt.
Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
In Implementierungen der Erfindung können jeweils einzelne Komponenten, z.B. ein Prozessor, ganz oder teilweise die Funktionen verschiedener in den Ansprüchen genannter Elemente übernehmen. Abläufe oder Vorgänge wie beispielsweise eine Interpretation der Veränderungen des bzw. der Lichtmuster können als Programmmittel eines Computerprogramms und/oder als spezielle Hardwarekomponenten implementiert werden.
Bezugszeichenliste

1₆, 1₇, 1₈,: Basis
2₆, 2₇, 2₈,: Lichtquelle
3₆, 3₇, 3₈,: Substrat
4₇, 4₈: Lichtleiter
S: Ausdehnung der Lichtquelle
P₁: Periode des Gitters 1
P2: Periode des Gitters 2
P_A: Periode des Gitters A
P_I: Gitterbild
P_V: Vernier-Abbild
P_T: Periode der Gitterabbildung
Z₀, Z₁, Z₂, Z_VT: Abstände

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 1504691 A [0025]
EP 0207121 B1 [0030]
DE 19957777 A1 [0032]
EP 0804716 B1 [0034, 0044, 0066]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. M. Pettigrew, „Analysis Of Grating Imaging And Its Application To Displacement Metrology“, Proc. SPIE 0136, Ist European Conf on Optics Applied to Metrology, (18 April 1977) [0009]

Claims

Optischer Encoder zur Erfassung einer linearen oder rotatorischen Relativbewegung zweier Objekte unter Verwendung von Licht einer Lichtquelle, mit drei Gittern, wobei eines der Gitter mit einem der zwei Objekte gekoppelt oder koppelbar ist und die zwei anderen Gitter mit dem anderen der zwei Objekte gekoppelt oder koppelbar sind, und einem Substrat, das für wenigstens einen Wellenlängenbereich des Lichts durchlässig ist, wobei wenigstens eines der drei Gitter an oder in dem Substrat vorgesehen ist, gekennzeichnet durch einen Lichtleiter zur Führung des Lichtes von der Lichtquelle durch das Substrat hindurch.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, wobei die zwei anderen Gitter an oder in dem Substrat vorgesehen sind.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, wobei eines der zwei anderen Gitter an oder in dem Substrat vorgesehen ist und das andere der zwei anderen Gitter an oder in dem Lichtleiter vorgesehen ist.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter in einer Passage des Substrats vorgesehen ist oder von der Passage gebildet wird, wobei der Lichtleiter vorzugsweise einen Singlemode-Lichtleiter, einen Multimode-Lichtleiter, eine Hollow-Core-Faser und/oder einen Lichtleiterstab umfasst.
Optischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lichtleiter integral mit dem Substrat gebildet und in das Substrat geschrieben ist.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter für eine Strahlformung ausgestaltet ist.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit: der Lichtquelle, die zur Einkopplung des Lichts in den Lichtleiter vorgesehen ist.
Optischer Encoder nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit: einer Detektoreinheit zur Erfassung einer Lichtmusters, das sich bei einer Passage des Lichts durch die drei Gitter ergibt.
Optischer Encoder nach Anspruch 8, ferner mit: einer Auswerteeinheit, die mit der Detektoreinheit gekoppelt ist und dazu ausgestaltet ist, aus die Relativbewegung aus einer Änderung des erfassten Lichtmusters zu bestimmen.
Verfahren zur Erfassung einer linearen oder rotatorischen Relativbewegung zweier Objekte unter Verwendung von Licht einer Lichtquelle, mit der Schritten: Koppeln eines Gitters mit einem der Objekte, Koppeln zwei weiterer Gitter mit dem anderen der Objekte, wobei wenigstens eines der drei Gitter an oder in einem Substrat vorgesehen ist, das für wenigstens einen Wellenlängenbereich des Lichts durchlässig ist, Einstrahlen des Lichts in zur Führung des Lichtes von der Lichtquelle durch das Substrat hindurch ausgestalteten Lichtleiter, Erfassen eines Lichtmusters des durch den Lichtleiter geführten, an einem der Gitter reflektierten und durch die zwei anderen Gitter hingetretenen Lichts und Erfassen der Relativbewegung aus einer Veränderung des erfassten Lichtmusters.