DE102018210745A1

DE102018210745A1 - Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen

Info

Publication number: DE102018210745A1
Application number: DE102018210745.9A
Authority: DE
Inventors: Joseph Daniel Tobiason; Norman Laman; Akihide Kimura; Shu Hirata
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2017-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2019-01-03
Also published as: JP7079670B2; JP2019012065A; CN109211285A; US10295378B2; CN109211285B; US20190003859A1

Abstract

Eine optische Codiererkonfiguration umfasst eine Skala, eine Beleuchtungsquelle und eine Fotodetektorkonfiguration. Die Beleuchtungsquelle ist konfiguriert, um eine strukturierte Beleuchtung an die Skala auszugeben. Die Skala erstreckt sich entlang einer Messachsenrichtung und ist konfiguriert, um Skalenlicht auszugeben, das ein Detektorstreifenmuster bildet, das hoch- und niedrigintensive periodische Bänder umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung erstrecken und relativ schmal sind und entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung periodisch sind. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung, wenn sich das Skalengitter entlang der Messachsenrichtung verschiebt. Die Fotodetektorkonfiguration ist konfiguriert, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Skalenverschiebung angeben.

Description

KREUZVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/637,750 unter dem Titel „CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 29. Juni 2017, ist, deren Offenbarung hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird.
HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Instrumente zur präzisen Positions- oder Verschiebungsmessung, und genauer gesagt eine Codiererkonfiguration mit Signalverarbeitung, die fehlerbeständig ist und mit einem verschmutzten oder defekten Abschnitt einer Skala verknüpft sein kann.
Beschreibung der verwandten Technik
Optische Positionsgeber bestimmen die Verschiebung eines Lesekopfs mit Bezug auf eine Skala, die ein Muster umfasst, das durch den Lesekopf detektiert wird. Typischerweise verwenden Positionsgeber eine Skala, die mindestens eine Skalenspur umfasst, die ein periodisches Muster aufweist, und die Signale, die aus dieser Skalenspur entstehen, sind als Funktion der Verschiebung oder Position des Lesekopfs entlang der Skalenspur periodisch. Absolut-Positionsgeber können mehrere Skalenspuren verwenden, um eine einzigartige Kombination von Signalen in jeder Position entlang einer absoluten Skala bereitzustellen.
Optische Codierer können Skalenstrukturen mit inkrementalen oder absoluten Positionen verwenden. Eine Skalenstruktur mit inkrementalen Positionen ermöglicht es, die Verschiebung eines Lesekopfs mit Bezug auf eine Skala zu bestimmen, indem inkrementale Verschiebungseinheiten beginnend mit einem Anfangspunkt entlang der Skala kumuliert werden. Derartige Codierer sind für gewisse Anwendungen, insbesondere solche, bei denen Netzstrom verfügbar ist, geeignet. Bei Anwendungen mit geringem Energieverbrauch (z.B. batteriebetriebenen Messgeräten oder dergleichen), ist es eher wünschenswert, Skalenstrukturen mit absoluten Positionen zu verwenden. Skalenstrukturen mit absoluten Positionen stellen ein einzigartiges Ausgabesignal oder eine Kombination von Signalen an jeder Position entlang einer Skala bereit, und ermöglichen daher diverse Energiesparmaßnahmen. Die US-Patente Nr. 3,882,482 ; 5,965,879 ; 5,279,044 ; 5,886,519 ; 5,237,391 ; 5,442,166 ; 4,964,727 ; 4,414,754 ; 4,109,389 ; 5,773,820 ; und 5,010,655 offenbaren diverse Codiererkonfigurationen und/oder Signalverarbeitungstechniken, die für Absolut-Positionsgeber relevant sind, und werden hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen.
Einige Codiererkonfigurationen bieten gewisse Vorteile, indem sie ein Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle in einem Beleuchtungsabschnitt der Codiererkonfiguration verwenden. Die US-Patente Nr. 8,941,052 ; 9,018,578 ; 9,029,757 ; und 9,080,899 , die jeweils hier zur Bezugnahme vollständig übernommen werden, offenbaren derartige Codiererkonfigurationen. Einige der Konfigurationen, die in diesen Patenten offenbart werden, können auch als eine superauflösende Moire-Bildgebung verwendend gekennzeichnet sein.
Bei diversen Anwendungen können Skalenherstellungsdefekte oder Schmutzstoffe, wie etwa Staub oder Öle, auf einer Skalenspur das Muster stören, das durch den Lesekopf detektiert wird, und Fehler in den sich ergebenden Positions- oder Verschiebungsmessungen erzeugen. Im Allgemeinen kann die Größe von Fehlern, die auf einen Defekt oder Schmutzstoff zurückzuführen sind, von Faktoren, wie etwa der Größe des Defekts oder des Schmutzstoffs, der Wellenlänge des periodischen Musters auf der Skala, der Größe des Lesekopfdetektorbereichs, der Beziehung zwischen diesen Größen und dergleichen abhängen. Es sind diverse Verfahren bekannt, um auf anormale Signale in einem Codierer zu reagieren. Fast alle diese Verfahren basieren darauf, die Codierersignale zu deaktivieren oder ein „Fehlersignal“ bereitzustellen, um den Benutzer zu warnen, oder die Intensität einer Lichtquelle anzupassen, um schwache Signale zu verstärken, oder dergleichen. Derartige Verfahren stellen jedoch kein Mittel bereit, um trotz der anormalen Signale, die aus gewissen Arten von Defekten und Schmutzstoffen der Skala entstehen, genaue Messvorgänge fortzuführen. Daher ist die Nützlichkeit dieser Verfahren begrenzt. Ein bekanntes Verfahren, das die Effekte von Skalenschmutzstoffen oder Defekten auf die Messgenauigkeit in der Tat mindert, wird in der japanischen Patentanmeldung JP2003-065803 (Anmeldung '803) offenbart. Die Anmeldung '803 lehrt ein Verfahren, bei dem zwei oder mehrere Fotodetektoren periodische Signale ausgeben, welche die gleiche Phase aufweisen und jeweils in jeweilige Mittel zum Beurteilen der Signalstabilität eingegeben werden. Das Mittel zum Beurteilen der Signalstabilität gibt nur Signale aus, die als „normal“ beurteilt werden, und „normale“ Signale werden als Grundlage für die Positionsmessung kombiniert. Signale, die „anormal“ sind, werden aus den Positionsmessberechnungen ausgeschlossen. Die Verfahren des Beurteilens von „normalen“ und „anormalen“ Signalen, die in der Anmeldung '803 offenbart werden, weisen jedoch gewisse Nachteile auf, welche die Nützlichkeit der Lehren der Anwendung '803 einschränken.
Das US-Patent Nr. 8,493,572 (Patent '572) offenbart eine verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration, die ein Mittel bereitstellt, um Signale aus Fotodetektorelementen auszuwählen, die keiner Verschmutzung ausgesetzt sind. Das Patent '572 patent beruht jedoch auf einer aufwendigen Signalverarbeitung, die bei einigen Anwendungen weniger wünschenswert sein kann.
Verbesserte Verfahren zum Bereitstellen von genauen Messvorgängen, die anormale Signale vermeiden oder mindern, die aus gewissen Arten von Defekten oder Verschmutzung der Skala entstehen, ohne die Notwendigkeit einer aufwendigen Signalverarbeitung wären wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG
Es wird eine verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen offenbart. Die verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration umfasst eine Skala, eine Beleuchtungsquelle und eine Fotodetektorkonfiguration. Die Skala erstreckt sich entlang einer Messachsenrichtung und umfasst ein Skalengitter, das Gitterstäbe umfasst, die in einer Skalenebene angeordnet sind, die nominell parallel zur Messachsenrichtung ist, wobei die Gitterstäbe entlang der Messachsenrichtung schmal sind und entlang einer Gitterstabrichtung quer zur Messachsenrichtung länglich sind, und mit einer Skalenteilung P_SF entlang der Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind. Die Beleuchtungsquelle umfasst eine Lichtquelle, die Licht ausgibt, und einen strukturierten beleuchtungsgenerierenden Abschnitt, der konfiguriert ist, um das Licht einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung an eine Beleuchtungsregion an der Skalenebene auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung ein Beleuchtungsstreifenmuster umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Messachsenrichtung schmal und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung, die quer zur Messachsenrichtung orientiert ist, in einem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ungleich null mit Bezug auf die Gitterstabrichtung länglich sind. Die Fotodetektorkonfiguration umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die mit einem Detektorabstand PD entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind, wobei jeder räumliche Phasendetektor konfiguriert ist, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal bereitzustellen, und sich mindestens ein Großteil der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung relativ schmal ist, und der Satz von N räumlichen Phasendetektoren in einer räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet ist. Das Skalengitter ist konfiguriert, um das Beleuchtungsstreifenmuster an der Beleuchtungsregion einzugeben und Skalenlicht auszugeben, das ein Detektorstreifenmuster an der Fotodetektorkonfiguration bildet, wobei das Streifenmuster hoch- und niedrigintensive periodische Bänder umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung erstrecken und relativ schmal und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung periodisch sind. Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachse sind mindestens teilweise von dem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel Ψ_SC ungleich null abhängig. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung, wenn sich das Skalengitter entlang der Messachsenrichtung verschiebt. Die Fotodetektorkonfiguration ist konfiguriert, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung zu detektieren und um jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Skalenverschiebung angeben.
Figurenliste
Die vorstehenden Aspekte und zahlreiche der dazugehörigen Vorteile werden einfacher anerkannt werden, wenn sie mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gesehen wird. Es zeigen:

1 ein unvollständiges schematisches auseinandergezogenes Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen.
2 ein unvollständiges schematisches Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen.
3 ein unvollständiges schematisches Diagramm einer Fotodetektorkonfiguration einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration.
4A ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Fotodetektorkonfiguration einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration.
4B ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Fotodetektorkonfiguration einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration.
5 ein unvollständiges schematisches Diagramm einer zusätzlichen Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen, wobei sich ein Detektorstreifenmuster während der Verschiebung des optischen Codierers quer zur Messachsenrichtung bewegt.
6A ein schematisches Diagramm, das eine erste Ansicht der Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden, die räumliche Phasendetektoren umfasst, die ungefähr entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zur Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind.
6B ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden, die räumliche Phasendetektoren umfasst, die ungefähr entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zur Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind.
7 eine Grafik der Eigenschaften eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierers ähnlich wie der optische Codierer, der in 5 und 6 dargestellt ist, die eine detektierte Streifenperiode gegenüber einem Gierwinkel der Beleuchtungsstreifen umfasst.
8 ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Fotodetektorkonfiguration, die in einem verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierer ähnlich wie der optische Codierer, der in 5 und 6 dargestellt ist, verwendbar ist, wobei die Fotodetektorkonfiguration räumliche Phasendetektoren umfasst, die ungefähr entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zur Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind.
9A ein ausführliches schematisches Diagramm eines Teilabschnitts einer anderen beispielhaften Fotodetektorkonfiguration eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierers, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration ist, die in 8 gezeigt ist.
9B ein ausführliches schematisches Diagramm eines Teilabschnitts einer anderen beispielhaften Fotodetektorkonfiguration eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierers, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration ist, die in 8 gezeigt ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein unvollständiges schematisches auseinandergezogenes Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 100 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Die Codiererkonfiguration 100 umfasst ein Skalengitter 110, einen Beleuchtungsabschnitt 120 und eine Fotodetektorkonfiguration 160.
1 zeigt die orthogonalen X-, Y- und Z-Richtungen, gemäß einer hier verwendeten Konvention. Die X- und Y-Richtungen sind parallel zu der Ebene des Skalengitters 110, wobei die X-Richtung parallel zu einer Messachsenrichtung MA ist (z.B. rechtwinklig zu länglichen Musterelementen des Skalengitters 110). Die Z-Richtung ist senkrecht zu der Ebene des Skalengitters 110.
Bei der in 1 gezeigten Umsetzung ist das Skalengitter 110 ein durchlässiges Gitter. Das Skalengitter 110 erstreckt sich entlang einer Messachsenrichtung MA und umfasst ein periodisches Muster, das Stäbe umfasst, die entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Richtung, die zu der Messachsenrichtung MA (d.h. der Y-Richtung) rechtwinklig ist, länglich sind, und die entlang der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind.
Der Beleuchtungsabschnitt 120 umfasst eine Beleuchtungsquelle 130, ein erstes Beleuchtungsgitter 140 und ein zweites Beleuchtungsgitter 150. Die Beleuchtungsquelle 130 umfasst eine Lichtquelle 131 und eine Kollimationslinse 132. Die Lichtquelle 131 ist konfiguriert, um Quellenlicht 134 an die Kollimationslinse 132 auszugeben. Die Kollimationslinse 132 ist konfiguriert, um das Quellenlicht 134 zu empfangen und kollimiertes Quellenlicht 134' an das erste Beleuchtungsgitter 140 auszugeben. Das erste Beleuchtungsgitter 140 empfängt das Quellenlicht 134' und beugt das Quellenlicht 134' in Richtung auf das zweite Beleuchtungsgitter 150. Das zweite Beleuchtungsgitter 150 empfängt das Quellenlicht 134' und beugt das Quellenlicht 134' weiter in Richtung auf das Skalengitter 110 entlang einem Ursprungsstrahlengang SOLP. Das Skalengitter 110 gibt das Quellenlicht 134' entlang dem Ursprungsstrahlengang SOLP ein und gibt Skalenlicht, das ein periodisches Skalenlichtmuster 135 umfasst, entlang einem Skalenstrahlengang SCLP an die Fotodetektorkonfiguration 160 aus. Die Fotodetektorkonfiguration 160 empfängt das periodische Skalenlichtmuster 135 von dem Skalengitter 110 entlang dem Skalenstrahlengang SCLP. Das periodische Skalenlichtmuster 135 verschiebt sich an der Fotodetektorkonfiguration 160 vorbei, was einer relativen Verschiebung zwischen dem Skalengitter 110 und der Fotodetektorkonfiguration 160 entlang der Messachsenrichtung MA entspricht. Ein Beispiel einer Fotodetektorkonfiguration ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration 160 ist in 3 ausführlich gezeigt. Die Fotodetektorkonfiguration 160 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die in einer räumlichen Phasensequenz entlang einer Richtung quer zur Messachsenrichtung MA (d.h. der Y-Richtung) angeordnet sind, wobei N eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 6 ist, und die räumliche Phasensequenz zwei äußere räumliche Phasendetektoren am Anfang und am Ende der Sequenz entlang der Richtung quer zur Messachse und eine innere Gruppe von räumlichen Phasendetektoren, die sich zwischen den beiden äußeren räumlichen Phasendetektoren befinden, umfasst. Bei der in 1 gezeigten Umsetzung umfasst der Satz von N räumlichen Phasenfotodetektoren 3 Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren S₁ , S₂ und S₃ , welche die gleiche Teilmenge der räumlichen Phasensequenz aufweisen.
Mindestens ein Großteil der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren ist entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung MA (d.h. der Y-Richtung) rechtwinklig ist, relativ schmal und umfasst Skalenlichtempfangsbereiche, die entlang der Messachsenrichtung MA räumlich periodisch sind und einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind, und ist konfiguriert, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal bereitzustellen. Jeder räumliche Phasendetektor in der inneren Gruppe ist in der räumlichen Phasensequenz durch räumliche Phasendetektoren eingeschlossen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die anders als der räumliche Phasendetektor und voneinander verschieden sind.
Bei diversen Anwendungen können die Fotodetektorkonfiguration 160 und der Beleuchtungsabschnitt 120 in einer festen Beziehung zueinander montiert sein, z.B. in einem Lesekopf oder einem Messgerätgehäuse (nicht gezeigt), und werden entlang der Messachsenrichtung MA mit Bezug auf das Skalengitter 110 durch ein Lagersystem gemäß bekannten Techniken geführt. Das Skalengitter 110 kann bei diversen Anwendungen an einer beweglichen Platte oder einer Messgerätspindel oder dergleichen angebracht sein.
Es versteht sich, dass die verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration 100 nur ein Beispiel einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration gemäß den hier offenbarten Grundsätzen ist. Bei alternativen Umsetzungen können diverse optische Komponenten verwendet werden, wie etwa ein telezentrisches Bildgebungssystem, einschränkende Aperturen und dergleichen. Bei alternativen Umsetzungen kann ein Beleuchtungsabschnitt nur ein einziges Beleuchtungsgitter umfassen.
2 ist ein unvollständiges schematisches Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 200 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Die optische Codiererkonfiguration 200 ist ähnlich wie die Codiererkonfiguration 100. Ähnliche Bezugszeichen 2XX in 2 und 1XX in 1 können sich auf ähnliche Elemente beziehen, soweit nicht durch den Zusammenhang oder die Beschreibung anderweitig angegeben. Die in 2 gezeigte Codiererkonfiguration 200 ist eine reflektierende Konfiguration. Die Skala 210 ist ein reflektierendes Skalengitter.
3 ist ein unvollständiges schematisches Diagramm einer Fotodetektorkonfiguration 360 einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 300. Die verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration 300 kann ähnlich wie die verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration 100 oder die verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration 200 sein. Die Fotodetektorkonfiguration 360 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die in einer räumlichen Phasensequenz entlang einer Richtung quer zur Messachsenrichtung MA angeordnet sind, wobei N eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 6 ist, und die räumliche Phasensequenz zwei äußere räumliche Phasendetektoren am Anfang und am Ende der Sequenz entlang der Richtung quer zur Messachse und eine innere Gruppe von räumlichen Phasendetektoren, die sich zwischen den beiden äußeren räumlichen Phasendetektoren befinden, umfasst. Mindestens ein Großteil der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren ist entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung MA rechtwinklig ist, relativ schmal und umfasst Skalenlichtempfangsbereiche, die entlang der Messachsenrichtung MA räumlich periodisch sind und einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind, und ist konfiguriert, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal bereitzustellen. Jeder räumliche Phasendetektor in der inneren Gruppe ist in der räumlichen Phasensequenz durch räumliche Phasendetektoren eingeschlossen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die anders als dieser räumliche Phasendetektor und voneinander verschieden sind.
Bei einigen Umsetzungen kann der Satz von N räumlichen Phasenfotodetektoren mindestens M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren umfassen, wobei M eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 2 ist, und wobei jede der M Teilmengen räumliche Phasendetektoren umfasst, die jede der jeweiligen räumlichen Phasen bereitstellen, die in dem Satz von N räumlichen Phasenfotodetektoren enthalten sind. Bei einigen Umsetzungen kann M mindestens gleich 3 sein. Bei einigen Umsetzungen kann M mindestens gleich 6 sein. Bei einigen Umsetzungen kann jede der M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren räumliche Phasendetektoren umfassen, welche die gleichen jeweiligen räumlichen Phasen bereitstellen, die in der gleichen Teilmenge der räumlichen Phasensequenz angeordnet sind. 3 zeigt eine Umsetzung mit M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren, die mit S₁ bis S_M angegeben sind. Die Teilmenge S₁ umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD₁₀ . Die Teilmenge S₂ umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D . Die Teilmenge S_M umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD . Jeder der räumlichen Phasendetektoren in 3 wird gezeigt, wie er K Skalenlichtempfangsbereiche aufweist. Als Beispiel der Skalenlichtempfangsbereiche ist der räumliche Phasendetektor SPD_MD mit den Skalenlichtempfangsbereichen SLRA_M1 und SLRA_MK bezeichnet. Bei einigen Umsetzungen kann K ein geradzahliger Wert sein.
Bei der in 3 gezeigten Umsetzung ist die räumliche Phasensequenz durch räumliche Phasendetektoren angegeben, welche die tiefgestellten Indexe A, B, C und D umfassen (z.B. die räumlichen Phasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D ). Die räumlichen Phasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen A und D sind die beiden äußeren räumlichen Phasendetektoren am Anfang und am Ende jeder Instanz der räumlichen Phasensequenz. Die räumlichen Phasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen B und C sind die inneren Gruppen.
Die räumlichen Phasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D geben jeweilige räumliche Phasendetektorsignale A₁ , B₁ , C₁ und D₁ aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D geben jeweilige räumliche Phasendetektorsignale A₂ , B₂ , C₂ und D₂ aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD geben jeweilige räumliche Phasendetektorsignale A_M , B_M , C_M und D_M aus.
Ein verschmutzungs- und defektbeständiger optischer Codierer, der gemäß den hier offenbarten Grundsätzen konfiguriert ist, stellt eine einfache Bauform bereit, die für Schmutzstoffe (z.B. Verschmutzung durch Drahtbonden), die bis zu 100 Mikrometern groß sind, und für Skalendefekte, die bis zu 300 Mikrometern groß sind, tolerant sein kann. Schmutzstoffe oder Defekte auf einer Skala erzeugen typischerweise eine Gleichtakt-Fehlerkomponente bei angrenzenden räumlichen Phasendetektoren, die in der Signalverarbeitung (z.B. Quadraturverarbeitung) aufgehoben werden kann. Räumliche Phasendetektoren, die entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung MA rechtwinklig ist, relativ schmal sind, stellen eine bessere Beständigkeit gegen Verschmutzung und Defekte bereit. Die Signalpegel können sich langsamer ändern, indem die Frequenz der Struktur der räumlichen Phasendetektoren entlang der Messachsenrichtung MA verringert wird. Ferner erfordert ein derartiger Codierer keine komplexe Signalverarbeitung, um Toleranz gegen Verschmutzung und Defekte bereitzustellen. Signale, die durch den Satz von N räumlichen Phasendetektoren bereitgestellt werden, können gemäß standardmäßigen Techniken verarbeitet werden, die dem Fachmann bekannt sind.
Bei einigen Umsetzungen, wie etwa der in 3 gezeigten Umsetzung, ist N mindestens gleich 8, und jede Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren kann 4 räumliche Phasendetektoren umfassen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die um 90 Grad getrennt sind. Bei alternativen Umsetzungen kann jede Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren 3 räumliche Phasendetektoren umfassen, die jeweilige räumliche Phasen umfassen, die um 120 Grad getrennt sind.
Bei der in 3 gezeigten Umsetzung umfasst die Fotodetektorkonfiguration 360 Verbindungen, die konfiguriert sind, um räumliche Phasendetektorsignale zu kombinieren, die der gleichen jeweiligen räumlichen Phase entsprechen, und um jede derartige Kombination als ein jeweiliges räumliches Phasenpositionssignal auszugeben. Die Fotodetektorkonfiguration 360 ist konfiguriert, um 4 räumliche Phasenpositionssignale auszugeben, die räumlichen Phasen entsprechen, die um 90 Grad getrennt sind. Räumliche Phasensignale mit der gleichen Buchstabenbezeichnung (z.B. A₁ , A₂ und A_M ) werden kombiniert (z.B. summiert), um die räumlichen Phasensignale ΣA, ΣB, EC und ΣD bereitzustellen. Bei alternativen Umsetzungen kann eine Fotodetektorkonfiguration konfiguriert sein, um 3 räumliche Phasenpositionssignale auszugeben, die räumlichen Phasen entsprechen, die um 120 Grad getrennt sind. In beiden Fällen können die räumlichen Phasenpositionssignale ferner verwendet werden, um Verschiebungssignale zu bestimmen, z.B. durch Quadratur- oder dreiphasige Signalverarbeitung.
Bei einigen Umsetzungen kann jeder der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung MA rechtwinklig ist, relativ schmal sein und kann Skalenlichtempfangsbereiche umfassen, die entlang der Messachsenrichtung MA räumlich periodisch sind und einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind, und kann konfiguriert sein, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal bereitzustellen.
Bei einigen Umsetzungen kann eine Abmessung YSLRA der Skalenlichtempfangsbereiche jedes der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung höchstens 250 Mikrometer betragen. Bei einigen Umsetzungen kann YSLRA mindestens 5 Mikrometer betragen.
Bei einigen Umsetzungen kann ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes angrenzenden Paars der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung höchstens 25 Mikrometer betragen.
Bei einigen Umsetzungen kann eine Abmessung YSLRA der Skalenlichtempfangsbereiche jedes der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung gleich sein. Bei einigen Umsetzungen kann ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes angrenzenden Paars der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung gleich sein.
Es versteht sich, dass es, obwohl ein großer Wert von N eine größere Robustheit gegen Verschmutzung bereitstellt, dadurch einen Kompromiss gibt, dass es sein kann, dass ein großer Wert von N kleinere Signalpegel innerhalb jedes einzelnen räumlichen Phasendetektors bereitstellt.
4A ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Fotodetektorkonfiguration 460A einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 400A. Der Einfachheit halber zeigt 4A nur eine Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren S₁ mit zwei räumlichen Phasendetektoren SPD_1A und SPD_1B . Es versteht sich, dass die Fotodetektorkonfiguration 460A mindestens sechs räumliche Phasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfasst, jedoch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der in 4A gezeigten Umsetzung umfasst jeder der N räumlichen Phasendetektoren (z.B. der räumlichen Phasendetektoren SPD_1A und SPD_1B ) einen Fotodetektor (z.B. die Fotodetektoren PD_1A und PD_1B , die gestrichelt angegeben sind), der durch eine räumliche Phasenmaske abgedeckt ist (z.B. die Phasenmasken PM_1A und PM_1B ), die verhindert, dass der Fotodetektor das periodische Skalenlichtmuster empfängt, außer durch die Öffnungen hindurch, die in der räumlichen Phasenmaske enthalten sind. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche Bereiche der Fotodetektoren (z.B. der Fotodetektoren PD_1A und PD_1B ), die durch die Öffnungen in den jeweiligen räumlichen Phasenmasken (z.B. den räumlichen Phasenmasken PM_1A und PM_1B ) hindurch freigelegt sind. Bei der in 4A gezeigten Umsetzung sind die Skalenlichtempfangsbereiche (d.h. die Öffnungen) der Phasenmaske PM_1B mit Bezug auf die Skalenlichtempfangsbereiche der Phasenmaske PM_1A entlang der Messachsenrichtung MA um 90 Grad versetzt. Es versteht sich, dass obwohl die räumlichen Phasenmasken PM_1A und PM_1B schematisch als getrennte Abschnitte in 4A abgebildet sind, sie bei einigen Umsetzungen praktischerweise aus demselben Material in dem gleichen Prozess hergestellt werden können, um eventuelle Positionierungsfehler zu eliminieren.
4B ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Fotodetektorkonfiguration 460B einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 400B. Der Einfachheit halber zeigt 4B nur eine Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren S₁' mit zwei räumlichen Phasendetektoren SPD_1A' und SPD_1B'. Es versteht sich, dass die Fotodetektorkonfiguration 460B mindestens sechs räumliche Phasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfasst, doch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der in 4B gezeigten Umsetzung umfasst jeder der N räumlichen Phasendetektoren (z.B. der räumlichen Phasendetektoren SPD_1A' und SPD_1B') ein periodisches Raster aus elektrisch zusammengeschalteten Fotodetektorbereichen, die das periodische Skalenlichtmuster empfangen. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche die Fotodetektorbereiche des periodischen Rasters von Fotodetektoren. Bei der in 4B gezeigten Umsetzung sind die Fotodetektorbereiche des räumlichen Phasendetektors SPD_1B' mit Bezug auf die Fotodetektorbereiche des räumlichen Phasendetektors SPD_1A' entlang der Messachsenrichtung MA um 90 Grad versetzt.
5 ist ein unvollständiges schematisches Diagramm einer zusätzlichen Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 500 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Bei der Codiererkonfiguration 500 umfasst das periodische Skalenlichtmuster 535, das detektiert wird, ein Detektorstreifenmuster 535, das Bänder umfasst, die orientiert sind, um sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA zu erstrecken, und die sich quer zur Messachsenrichtung entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD während der Verschiebung des optischen Codierers bewegen.
Die optische Codiererkonfiguration 500 umfasst eine Skala 510, eine Beleuchtungsquelle 520 und eine Fotodetektorkonfiguration 560. Die Skala 510 erstreckt sich entlang einer Messachsenrichtung MA und umfasst ein Skalengitter, das Gitterstäbe GB umfasst, die in einer Skalenebene SP angeordnet sind, die zur Messachsenrichtung MA nominell parallel ist, wobei die Gitterstäbe GB entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Gitterstabrichtung GBD quer zur Messachsenrichtung MA länglich sind, und mit einer Skalenteilung P_SF entlang der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind. Die Beleuchtungsquelle 520 umfasst eine Lichtquelle 530, die Licht 534' ausgibt, und einen strukturierten beleuchtungsgenerierenden Abschnitt 533, der konfiguriert ist, um das Licht 534' einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung 534'' an eine Beleuchtungsregion IR an der Skalenebene SP auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung 534'' ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung IFD, die zur Messachsenrichtung MA in einem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ ungleich null mit Bezug die Gitterstabrichtung GBD quer orientiert ist, länglich sind. Die Lichtquelle 530 umfasst eine Punktquelle 531 und eine Kollimationslinse 532. Die Punktquelle 531 gibt Licht 534 an die Kollimationslinse aus, die dann das Licht 534 kollimiert, um das Licht 534' bereitzustellen. Der Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ ungleich null kann bei diversen Umsetzungen erreicht werden, indem ein oder mehrere Elemente des strukturierten beleuchtungsgenerierenden Abschnitts 533 (z.B. eines der Elemente 540 und/oder 550) um die Z-Achse herum bis auf einen gewünschten Winkel mit Bezug auf die Y-Achse gedreht wird. Bei einigen Ausführungsformen kann der Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ ungleich null auch erreicht oder erweitert werden, indem die Gitterstabrichtung GBD um die Z-Achse herum bis auf einen gewünschten Winkel mit Bezug auf die Y-Achse gedreht wird.
Die Fotodetektorkonfiguration 560 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die mit einem Detektorabstand PD (in 6 gezeigt) entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind, wobei jeder räumliche Phasendetektor konfiguriert ist, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal bereitzustellen, und sich mindestens ein Großteil der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachse relativ schmal ist, und der Satz von N räumlichen Phasendetektoren in einer räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD angeordnet ist, wie es nachstehend mit Bezug auf 8, 9A und 9B ausführlicher beschrieben wird.
Die Skala 510 ist konfiguriert, um das Beleuchtungsstreifenmuster an der Beleuchtungsregion IR einzugeben und die Skalenlichtkomponenten entlang einem Skalenstrahlengang SCLP auszugeben, um das Detektorstreifenmuster 535 an der Fotodetektorkonfiguration 560 zu bilden. Das Detektorstreifenmuster 535 umfasst periodische hoch- und niedrigintensive Bänder, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstrecken und relativ schmal sind und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA periodisch sind, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird. Als eine Möglichkeit, ihre Orientierung zu beschreiben, erstrecken sich die Bänder über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA, doch bei diversen Umsetzungen bedeutet dies nicht, dass sie entlang der Messachsenrichtung ausgerichtet sein müssen. Bei diversen beispielhaften Umsetzungen können die Bänder in einem mittleren oder kleinen Winkel mit Bezug auf Messachsenrichtung ausgerichtet sein, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 erklärt wird.
Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA sind mindestens teilweise von dem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ ungleich null abhängig, wie es nachstehend mit Bezug auf 7 angesprochen wird. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA, wenn sich die Skala 510 entlang der Messachsenrichtung MA verschiebt. Die Fotodetektorkonfiguration 560 ist konfiguriert, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Skalenverschiebung angeben.
Bei der in 5 gezeigten Umsetzung umfasst der strukturierte beleuchtungsgenerierende Abschnitt 533 ein erstes Lichtbeugungsgitter 540 der Beleuchtungsquelle und ein zweites Lichtbeugungsgitter 550 der Beleuchtungsquelle. Bei einigen Umsetzungen können das erste Lichtbeugungsgitter 540 der Beleuchtungsquelle und das zweite Lichtbeugungsgitter 550 der Beleuchtungsquelle Phasengitter sein. Phasengitter stellen eine bessere Leistungseffizienz bereit, indem sie Lichtverluste reduzieren.
Ein verschmutzungs- und defektbeständiger optischer Codierer, der gemäß den Grundsätzen, die mit Bezug auf 5 bis 9B beschrieben werden, konfiguriert ist, stellt eine einfache Bauform bereit, die für Schmutzstoffe (z.B. Verschmutzung durch Drahtbonden), die bis zu 100 Mikrometern groß sind, und für Skalendefekte, die bis zu 300 Mikrometern groß sind, tolerant sein kann. Schmutzstoffe oder Defekte auf einer Skala, die ähnlich groß oder größer als die Detektionsstreifenperiode ist, erzeugen typischerweise eine Gleichtakt-Fehlerkomponente an angrenzenden räumlichen Phasendetektoren, die bei der Signalverarbeitung (z.B. der Quadraturverarbeitung) aufgehoben werden kann. D.h. der Effekt der Verschmutzung, die sich entlang der Messachsenrichtung bewegt, neigt dazu, mit den angrenzenden räumlichen Phasendetektoren geteilt zu werden und bewegt sich entlang der Messachsenrichtung an diesen angrenzenden räumlichen Phasendetektoren, wenn sich die Skala oder die Lesekopfkonfiguration entlang der Messachsenrichtung bewegen. Da der Verschmutzungseffekt ein Gleichtakteffekt über angrenzende räumliche Phasendetektoren ist, und weil die räumlichen Phasendetektoren über eine Abmessung entlang der Messachsenrichtung relativ länglich sind, welche die Größe des Schmutzeffekts erheblich überschreiten kann, kann der Effekt der Kontamination auf die Genauigkeit des Verschiebungssignals wesentlich gemindert werden. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass sich für den Fall eines eventuellen Nicht-Gleichtakt-Restfehlers, wenn sich die Fotodetektorkonfiguration 560 mit Bezug auf die Skala 510 verschiebt, Abschnitte des Detektorstreifenmusters 535, die einem Defekt entsprechen, viel langsamer von einem räumlichen Phasendetektor zum anderen bewegen, was einen effektiveren Ausgleich der räumlichen Phasenverschiebungssignale ermöglicht. Ein derartiger Codierer benötigt keine aufwendige Signalverarbeitung, um Toleranz für Verschmutzung und Defekte bereitzustellen. Die räumlichen Phasenverschiebungssignale, die durch den Satz von N räumlichen Phasendetektoren bereitgestellt werden, können gemäß standardmäßigen Techniken verarbeitet werden, die dem Fachmann bekannt sind.
6A ist ein Diagramm, das schematisch eine erste Ansicht der Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 darstellt, die ein Detektorstreifenmuster 635 bilden, das ähnlich wie das oder identisch mit dem Detektorstreifenmuster 535 ist, das in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration 660 gezeigt ist, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration 560 in 5 ist. Das Detektorstreifenmuster 635 kann durch einen optischen Codierer bereitgestellt werden, der ähnlich wie die optische Codiererkonfiguration 500 ist, die mit Bezug auf 5 angesprochen wurde. 6A zeigt einen Querschnitt des Skalenlichts, welches das Detektorstreifenmuster 635 in einer Ebene bildet, die durch eine Messachsenrichtung MA und einen Skalenstrahlengang SCLP definiert ist, wie zuvor mit Bezug auf 5 gezeigt. Wie in 6A gezeigt, umfassen die Skalenlichtkomponenten eine erste Skalenlichtkomponente SL1 und eine zweite Skalenlichtkomponente SL2 (durch gestrichelte Linien angegeben, die Hochintensitätsbänder darstellen), die jeweils parallele Strahlen umfassen, wobei die parallelen Strahlen der ersten Skalenlichtkomponente SL1 entlang einer Richtung mit einer im Verhältnis zum Skalenstrahlengang SCLP gegenüberliegenden Winkelorientierung liegen. Die erste Skalenlichtkomponente SL1 und die zweite Skalenlichtkomponente SL2 überlappen sich, um das Detektorstreifenmuster 635 gemäß bekannten Grundsätzen zu bilden. Die erste Skalenlichtkomponente SL1 und die zweite Skalenlichtkomponente SL2 können aus verschiedenen Beugungsordnungen aus einem strukturierten beleuchtungsgenerierenden Abschnitt gebildet sein. Das Detektorstreifenmuster 635 umfasst dunkle bzw. niedrigintensive Interferenzbänder 635D, die durch fette Linien angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 635L, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind.
6B ist ein Diagramm, das schematisch eine zweite Ansicht der Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 darstellt, die das Streifenmuster 635 bilden. 6A zeigt einen Querschnitt des Detektorstreifenmusters 635 in einer Ebene, die durch eine Messachsenrichtung MA und eine Y-Richtung definiert ist, wie zuvor mit Bezug auf 5 gezeigt, die nahe an der Fotodetektorkonfiguration 660 liegt. Das Detektorstreifenmuster 635 umfasst dunkle bzw. niedrigintensive Interferenzbänder 635D, die durch fette Linien angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 635L, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind, die mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD periodisch sind, wie in 6B gezeigt. Die detektierte Streifenbewegungsrichtung ist im Allgemeinen quer zur Richtung der Interferenzbänder 635D und 635L, mit einer geringen Drehung gleich dem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel * ungleich null mit Bezug auf die Y-Richtung.
7 ist eine Grafik 700 der Eigenschaften eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierers ähnlich wie die optische Codiererkonfiguration 500, die in 5 und 6 dargestellt ist, die eine detektierte Streifenperiode PDF gegenüber einem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ umfasst. Die Grafik 700 zeigt Daten für einen verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierer, der einen strukturierten beleuchtungsgenerierenden Abschnitt mit einem ersten Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle, das eine Gitterteilung P₁ aufweist, einem zweiten Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle, das eine Teilung P₂ aufweist, und eine Skala, die eine Skalenteilung P_SF aufweist, die folgenden Ausdruck erfüllt, umfasst: $\frac{1}{P_{2}} - \frac{1}{P_{1}} = \frac{1}{P_{S F}}$
Die detektierte Streifenperiode PDF hängt dann mit dem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ durch folgenden Ausdruck zusammen: $P D F = \frac{P_{S F}}{4 sin (\frac{ψ}{2})}$
Es ist im Allgemeinen wünschenswert, dass ein verschmutzungs- und defektbeständiger optischer Codierer derart konfiguriert ist, dass die detektierte Streifenperiode PDF groß ist (z.B. größer als 7 Mikrometer oder bei einigen Umsetzungen größer als 40 Mikrometer), was einen kleinen Wert für den Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ erfordert (z.B. weniger als 7 Grad). Eine größere detektierte Streifenperiode PDF stellt eine bessere Toleranz für Messfehler durch Fehlausrichtung zwischen einer Skala, einer Fotodetektorkonfiguration und einer Beleuchtungsquelle bereit. Fehler, die aus Neigen und Rollen einer Skala mit Bezug auf eine Beleuchtungsquelle und/oder eine Fotodetektorkonfiguration entstehen, sind umgekehrt proportional zur detektierten Streifenperiode PDF. Daher stellt eine größere detektierte Streifenperiode PDF eine bessere Robustheit für Messfehler, die durch Skalenwelligkeit verursacht werden, bereit.
8 ist ein schematisches Diagramm 800 einer beispielhaften Fotodetektorkonfiguration 860, die in einem verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierer verwendbar ist, der ähnlich wie die optische Codiererkonfiguration 500 ist, die in 5 und 6 dargestellt ist, wobei die Fotodetektorkonfiguration räumliche Phasendetektoren umfasst, die ungefähr oder grob entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zur Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind. Ähnliche Bezugszeichen 8XX in 8 und 5XX in 5 können sich auf ähnliche Elemente beziehen, soweit durch den Zusammenhang oder die Beschreibung nicht anders angegeben.
Die Fotodetektorkonfiguration 860 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die in einer räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD angeordnet sind, wobei N eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 6 ist, und die räumliche Phasensequenz umfasst zwei äußere räumliche Phasendetektoren am Anfang und am Ende der Sequenz entlang der Richtung quer zur Messachsenrichtung MA und ein innere Gruppe von räumlichen Phasendetektoren, die sich zwischen den beiden äußeren räumlichen Phasendetektoren befinden. Jeder räumliche Phasendetektor in der inneren Gruppe ist in der räumlichen Phasensequenz durch räumliche Phasendetektoren eingeschlossen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die anders als dieser räumliche Phasendetektor sind und voneinander unterschiedlich sind. Jeder räumliche Phasendetektor umfasst Skalenlichtempfangsbereiche, die entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD räumlich periodisch und einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind. Jeder räumliche Phasendetektor in der inneren Gruppe ist in der räumlichen Phasensequenz durch räumliche Phasendetektoren eingeschlossen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die anders als dieser räumliche Phasendetektor sind und voneinander unterschiedlich sind.
Bei einigen Umsetzungen kann der Satz von N räumlichen Phasenfotodetektoren mindestens M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren umfassen, wobei M eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 2 ist, und wobei jede der M Teilmengen räumliche Phasendetektoren umfasst, die jede der jeweiligen räumlichen Phasen bereitstellen, die in dem Satz von N räumlichen Phasenfotodetektoren enthalten sind. Bei einigen Umsetzungen kann M mindestens gleich 4 sein. Bei einigen Umsetzungen kann M mindestens gleich 6 sein. Bei einigen Umsetzungen kann jede der M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren räumliche Phasendetektoren umfassen, welche die gleichen jeweiligen räumlichen Phasen bereitstellen, die in der gleichen Teilmenge der räumlichen Phasensequenz angeordnet sind. 8 zeigt eine Umsetzung mit M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren, die mit S₁ bis S_M angegeben sind. Die Teilmenge S₁ umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D . Die Teilmenge S₂ umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D . Die Teilmenge S_M umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD .
Bei der in 8 gezeigten Umsetzung ist die räumliche Phasensequenz durch die räumlichen Phasendetektoren, welche die tiefgestellten Indexe A, B, C und D umfassen (z.B. die räumlichen Phasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD₁₀ ), angegeben. Die räumlichen Phasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen A und D sind die beiden äußeren räumlichen Phasendetektoren am Anfang und am Ende jeder Instanz der räumlichen Phasensequenz. Die räumlichen Phasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen B und C sind die inneren Gruppen.
Die räumlichen Phasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D geben die jeweiligen räumlichen Phasendetektorsignale A₁ , B₁ , C₁ und D₁ aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D geben die jeweiligen räumlichen Phasendetektorsignale A₂ , B₂ , C₂ und D₂ aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD geben die jeweiligen räumlichen Phasendetektorsignale A_M , B_M , C_M und D_M aus.
Bei einigen Umsetzungen, wie etwa der in 8 gezeigten Umsetzung, ist N mindestens gleich 8 und jede Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren kann 4 räumliche Phasendetektoren umfassen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die um 90 Grad getrennt sind. Bei alternativen Umsetzungen kann jede Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren 3 räumliche Phasendetektoren umfassen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die um 120 Grad getrennt sind.
Bei der in 8 gezeigten Umsetzung umfasst die Fotodetektorkonfiguration 860 Verbindungen, die konfiguriert sind, um räumliche Phasendetektorsignale zu kombinieren, die der gleichen jeweiligen räumlichen Phase entsprechen, und um jede derartige Kombination als ein jeweiliges räumliches Phasenpositionssignal auszugeben. Die Fotodetektorkonfiguration 860 ist konfiguriert, um 4 räumliche Phasenpositionssignale auszugeben, die räumlichen Phasen entsprechen, die um 90 Grad getrennt sind. Räumliche Phasensignale mit der gleichen Buchstabenbezeichnung (z.B. A₁ , A₂ und A_M ) werden kombiniert (z.B. summiert), um räumliche Phasensignale ΣA, ΣB, ΣC und ΣD bereitzustellen. Bei alternativen Umsetzungen kann eine Fotodetektorkonfiguration konfiguriert sein, um 3 räumliche Phasenpositionssignale auszugeben, die räumlichen Phasen entsprechen, die um 120 Grad getrennt sind. Auf jeden Fall können räumliche Phasenpositionssignale weiter verwendet werden, um Verschiebungssignale zu bestimmen, z.B. durch Quadratur- oder dreiphasige Signalverarbeitung.
Bei einigen Umsetzungen kann ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes angrenzenden Paars der N räumlichen Phasendetektoren entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD höchstens 25 Mikrometer betragen. Bei einigen Umsetzungen ist der Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes angrenzenden Paars der N räumlichen Phasendetektoren entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD der gleiche.
8 zeigt zusätzlich eine Detektorachse DA mit Bezug auf die Messachsenrichtung MA. Die Detektorachse ist eine Richtung parallel zu der spezifischen Längsrichtung der räumlichen Phasendetektoren. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, dass die Detektorachse DA orthogonal (oder nahezu orthogonal) zu der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD ist, obwohl es nicht notwendig ist, dass dies genau so ist, unter der Bedingung, dass gute Verschiebungssignale erzielt werden können. Daher kann bei einigen Umsetzungen die Detektorachse im Verhältnis zur Messachsenrichtung MA um einen Winkel α gedreht sein, insbesondere falls die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD zur Messachsenrichtung MA nicht rechtwinklig ist. Da es wünschenswert ist, einen kleinen Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ zu verwenden (wie mit Bezug auf 7 beschrieben), kann der Winkel α recht klein sein, und in manchen Fällen mit einem sehr kleinen Wert des Beleuchtungsstreifen-Gierwinkels ψ, kann es sein, dass es gar nicht nötig ist, die Detektorachse D im Verhältnis zur Messachsenrichtung MA zu drehen.
9A ist ein ausführliches schematisches Diagramm eines Teilabschnitts einer anderen beispielhaften Fotodetektorkonfiguration 960A eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierers 900A, die ähnlich wie die in 8 gezeigte Fotodetektorkonfiguration ist. Der Einfachheit halber zeigt 9A nur eine Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren S₁ mit zwei räumlichen Phasendetektoren SPD_1A und SPD_1B . Es versteht sich, dass die Fotodetektorkonfiguration 960A weitere räumliche Phasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfassen kann, doch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der die 9A gezeigten Umsetzung umfasst jeder der N räumlichen Phasendetektoren (z.B. der räumlichen Phasendetektoren SPD_1A und SPD_1B ) einen Fotodetektor (z.B. die Fotodetektoren PD_1A und PD_1B , die gestrichelt angegeben sind), der mit einer räumlichen Phasenmaske (z.B. den Phasenmasken PM_1A und PM_1B ) abgedeckt ist, die verhindert, dass der Fotodetektor das periodische Skalenlichtmuster empfängt, außer durch Öffnungen hindurch, die in der räumlichen Phasenmaske enthalten sind. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche Bereiche des Fotodetektors (z.B. der Fotodetektoren PD_1A und PD_1B ), die durch die Öffnungen in den jeweiligen räumlichen Phasenmasken (z.B. den räumlichen Phasenmasken PM_1A und PM_1B ) hindurch freigelegt sind. Bei der in 9A gezeigten Umsetzung sind die Skalenlichtempfangsbereiche (d.h. die Öffnungen) der Phasenmaske PM_1B mit Bezug auf die Skalenlichtempfangsbereiche der Phasenmaske PM_1A entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD um 90 Grad versetzt. Es versteht sich, dass sie, obwohl die räumlichen Phasenmasken PM_1A und PM_1B in 9A schematisch als getrennte Abschnitte abgebildet sind, bei einigen Umsetzungen praktischerweise aus dem gleichen Material in dem gleichen Prozess hergestellt sein können, um eventuelle Positionierungsfehler zu eliminieren.
9B ist ein ausführliches schematisches Diagramm eines Teilabschnitts einer anderen beispielhaften Fotodetektorkonfiguration 960B eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierers 900B, die ähnlich wie die in 8 gezeigte Fotodetektorkonfiguration 860 ist. Der Einfachheit halber zeigt 9B nur eine Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren S₁' mit zwei räumlichen Phasendetektoren SPD_1A' und SPD_1B'. Es versteht sich, dass die Fotodetektorkonfiguration 960B weitere räumliche Phasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfassen kann, doch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der in 9B gezeigten Umsetzung umfasst jeder der N räumlichen Phasendetektoren (z.B. der räumlichen Phasendetektoren SPD_1A' und SPD_1B') ein periodisches Raster von elektrisch zusammengeschalteten Fotodetektorbereichen, die das periodische Skalenlichtmuster empfangen. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche die Fotodetektorbereiche des periodischen Rasters von Fotodetektoren. Bei der in 9B gezeigten Umsetzung sind die Fotodetektorbereichen des räumlichen Phasendetektors SPD_1B' mit Bezug auf die Fotodetektorbereiche des räumlichen Phasendetektors SPD_1A' entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD um eine räumliche Phasenverschiebung von 90 Grad versetzt.
Bei einigen Umsetzungen der Fotodetektoren, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfigurationen 960A oder 960B sind, ist es vorteilhaft, dass jeder der N räumlichen Phasendetektoren eine geradzahlige Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen umfasst. Skalenlichtkomponenten nullter Ordnung können eine Variation der Intensität zwischen abwechselnden Streifen innerhalb des Skalenlichts verursachen. Daher gleicht die Tatsache, dass man über eine geradzahlige Anzahl der Skalenlichtempfangsbereiche verfügt, diese Variation aus.
Obwohl bevorzugte Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung abgebildet und beschrieben wurden, werden basierend auf der vorliegenden Offenbarung für den Fachmann zahlreiche Variationen der abgebildeten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Arbeitssequenzen hervorgehen. Diverse alternative Formen können verwendet werden, um die hier offenbarten Grundsätze umzusetzen. Zudem können die zuvor beschriebenen diversen Umsetzungen kombiniert werden, um weitere Umsetzungen bereitzustellen. Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, werden hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen. Aspekte der Umsetzungen können bei Bedarf geändert werden, um die Konzepte der diversen Patente und Anmeldungen zu verwenden, um noch weitere Umsetzungen bereitzustellen.
Diese und andere Änderungen können an den Umsetzungen angesichts der zuvor aufgeführten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sind in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht auszulegen, um die Ansprüche auf die spezifischen Umsetzungen einzuschränken, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Umsetzungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, zu umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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Claims

Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen, umfassend: eine Skala, die sich entlang einer Messachsenrichtung erstreckt, wobei die Skala ein Skalengitter umfasst, das Gitterstäbe umfasst, die in einer Skalenebene angeordnet sind, die zur Messachsenrichtung ist nominell parallel, wobei die Gitterstäbe entlang der Messachsenrichtung schmal und entlang einer Gitterstabrichtung quer zur Messachsenrichtung länglich sind und mit einer Skalenteilung P_SF entlang der Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind; eine Beleuchtungsquelle, die eine Lichtquelle umfasst, die Licht ausgibt, und einen strukturierten beleuchtungsgenerierenden Abschnitt, der konfiguriert ist, um das Licht einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung an eine Beleuchtungsregion an der Skalenebene auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung ein Beleuchtungsstreifenmuster umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Messachsenrichtung schmal und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung, die quer zur Messachsenrichtung orientiert ist, in einem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ungleich null mit Bezug auf die Gitterstabrichtung länglich sind; und eine Fotodetektorkonfiguration, die einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren umfasst, die in einem Detektorabstand PD entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind, wobei jeder räumliche Phasendetektor konfiguriert ist, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal bereitzustellen und sich mindestens ein Großteil der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung relativ schmal ist, und der Satz von N räumlichen Phasendetektoren in einer räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet ist; wobei: das Skalengitter konfiguriert ist, um das Beleuchtungsstreifenmuster an der Beleuchtungsregion einzugeben und das Skalenlicht auszugeben, der ein Streifenmuster an der Fotodetektorkonfiguration bildet, wobei das Streifenmuster hoch- und niedrigintensive periodische Bänder umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung erstrecken und relativ schmal sind und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung periodisch sind; die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung mindestens teilweise von dem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel Ψ_SC ungleich null abhängen; sich die hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung bewegen, wenn sich das Skalengitter entlang der Messachsenrichtung verschiebt; und die Fotodetektorkonfiguration konfiguriert ist, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Skalenverschiebung angeben.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei der strukturierte beleuchtungsgenerierende Abschnitt umfasst: ein erstes Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle; und ein zweites Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 2, wobei: das erste Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle und das zweite Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle Phasengitter sind.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei N eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 6 ist.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei: die räumlichen Phasendetektoren in der räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet sind, wobei N eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 6 ist, und die räumliche Phasensequenz zwei äußere räumliche Phasendetektoren am Anfang und am Ende der räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Messachsenrichtung und eine innere Gruppe von räumlichen Phasendetektoren, die sich zwischen den beiden äußeren räumlichen Phasendetektoren befinden, umfasst; jeder räumliche Phasendetektor in der inneren Gruppe in der räumlichen Phasensequenz durch räumliche Phasendetektoren eingeschlossen ist, die jeweils räumliche Phasen aufweisen, die anders als dieser räumliche Phasendetektor und voneinander unterschiedlich sind; jeder räumliche Phasendetektor Skalenlichtempfangsbereiche umfasst, die entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung räumlich periodisch und einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf ein periodisches Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind; und jeder räumliche Phasendetektor in der inneren Gruppe in der räumlichen Phasensequenz durch räumliche Phasendetektoren eingeschlossen ist, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die anders als dieser räumliche Phasendetektor und voneinander unterschiedlich sind.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 5, wobei der Satz von N räumlichen Phasendetektoren mindestens M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren umfasst, wobei M eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 2 ist, und wobei jede der M Teilmengen räumliche Phasendetektoren umfasst, die jede der jeweiligen räumlichen Phasen bereitstellen, die in dem Satz von N räumlichen Phasendetektoren enthalten ist.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 5, wobei die Fotodetektorkonfiguration Verbindungen umfasst, die konfiguriert sind, um räumliche Phasendetektorsignale zu kombinieren, die der gleichen jeweiligen räumlichen Phase entsprechen, und um jeweils eines derartige Kombination als jeweiliges räumliches Phasenpositionssignal auszugeben.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 5, wobei jeder der N räumlichen Phasendetektoren einen Fotodetektor umfasst, der durch eine räumliche Phasenmaske abgedeckt ist, die verhindert, dass der Fotodetektor das periodische Skalenlichtmuster außer durch die Öffnungen, die in der räumlichen Phasenmaske enthalten sind, empfängt, wobei die Skalenlichtempfangsbereiche Bereiche des Fotodetektors umfassen, die durch die Öffnungen in der räumlichen Phasenmaske freigelegt sind.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 5, wobei jeder der N räumlichen Phasendetektoren ein periodisches Raster aus elektrisch zusammengeschalteten Fotodetektorbereichen, die das periodische Skalenlichtmuster empfangen, umfasst, wobei die Skalenlichtempfangsbereiche die Fotodetektorbereiche des periodischen Rasters von Fotodetektoren umfassen.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 5, wobei jeder der N räumlichen Phasendetektoren eine geradzahlige Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen umfasst.