DE102018210749A1 - Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen - Google Patents

Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen Download PDF

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Joseph Daniel Tobiason
Akihide Kimura
Shu Hirata
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Mitutoyo Corp
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Abstract

Eine optische Codiererkonfiguration umfasst einen Beleuchtungsabschnitt, eine Skala und eine Fotodetektorkonfiguration. Der Beleuchtungsabschnitt sendet Quellenlicht an eine Skala, die ein periodisches Skalenlichtmuster an die Fotodetektorkonfiguration ausgibt. Die Fotodetektorkonfiguration umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die in einer räumlichen Phasensequenz entlang einer Richtung quer zur Messachse angeordnet sind und zwei äußere räumliche Phasendetektoren am Anfang und am Ende der Sequenz entlang der Richtung quer zur Messachse umfassen. Mindestens ein Großteil der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren ist entlang der Messachsenrichtung relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung rechtwinklig ist, relativ schmal und umfasst periodische Skalenlichtempfangsbereiche, die entsprechend einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster positioniert sind, und ist konfiguriert, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal bereitzustellen.

Description

  • 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 einen Beleuchtungsabschnitt, eine Skala und eine Fotodetektorkonfiguration. Der Beleuchtungsabschnitt sendet Quellenlicht an die Skala entlang einem Ursprungsstrahlengang. Die Skala erstreckt sich entlang einer Messachsenrichtung und umfasst ein periodisches Muster, das Stäbe umfasst, die entlang der Messachsenrichtung schmal und entlang einer Y-Richtung, die zur Messachsenrichtung rechtwinklig ist, länglich sind und die entlang der Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind. Die Skala gibt das Quellenlicht entlang dem Ursprungsstrahlengang ein und gibt das Skalenlicht entlang einem Skalenstrahlengang aus. Die Fotodetektorkonfiguration empfängt ein periodisches Skalenlichtmuster von der Skala entlang einem Skalenstrahlengang. Das periodische Skalenlichtmuster verschiebt sich an der Fotodetektorkonfiguration vorbei, was einer relativen Verschiebung zwischen der Skala und der Fotodetektorkonfiguration entlang der Messachsenrichtung entspricht. Die Fotodetektorkonfiguration umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die in einer räumlichen Phasensequenz entlang einer Richtung quer zur Messachse 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 relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung rechtwinklig ist, relativ schmal und umfasst Skalenlichtempfangsbereiche, die entlang der Messachsenrichtung räumlich periodisch sind und entsprechend einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenmuster positioniert sind und konfiguriert sind, 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.
  • 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.
  • 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 orthogonale X-, Y- und Z-Richtungen gemäß einer hier verwendeten Konvention. Die X- und Y-Richtungen sind parallel zur Ebene des Skalengitters 110, wobei die X-Richtung parallel zu einer Messachsenrichtung MA ist (z.B. rechtwinklig zu den 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 und entlang einer Richtung, die zu der Messachsenrichtung MA rechtwinklig ist (d.h. der Y-Richtung), 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 SM angegeben sind. Die Teilmenge S1 umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD1A , SPD1B , SPD1C und SPD1D . Die Teilmenge S2 umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPD2A , SPD2B , SPD2C und SPD2D . Die Teilmenge SM umfasst die räumlichen Phasendetektoren SPDMA , SPDMB , SPDMC und SPDMD . Jeder der räumlichen Phasendetektoren in 3 wird gezeigt, wie er K Skalenlichtempfangsbereiche aufweist. Als Beispiel der Skalenlichtempfangsbereiche ist der räumliche Phasendetektor SPDMD mit den Skalenlichtempfangsbereichen SLRAM1 und SLRAMK 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 SPD1A , SPD1B , SPD1C und SPD1D ). 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 SPD1A , SPD1B , SPD1C und SPD1D geben jeweilige räumliche Phasendetektorsignale A1 , B1 , C1 und D1 aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPD2A , SPD2B , SPD2C und SPD2D geben jeweilige räumliche Phasendetektorsignale A2 , B2 , C2 und D2 aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPDMA , SPDMB , SPDMC und SPDMD geben jeweilige räumliche Phasendetektorsignale AM , BM , CM und DM 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 AM ) werden kombiniert (z.B. summiert), um die räumlichen 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. 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 entsprechend einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster 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 SPD1A und SPD1B . Es versteht sich, dass der Fotodetektor 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 SPD1A und SPD1B ) einen Fotodetektor (z.B. die Fotodetektoren PD1A und PD1B , die gestrichelt angegeben sind), der durch eine räumliche Phasenmaske abgedeckt ist (z.B. die Phasenmasken PM1A und PM1B ), 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 PD1A und PD1B ), die durch die Öffnungen in den jeweiligen räumlichen Phasenmasken (z.B. den räumlichen Phasenmasken PM1A und PM1B ) hindurch freigelegt sind. Bei der in 4A gezeigten Umsetzung sind die Skalenlichtempfangsbereiche (d.h. die Öffnungen) der Phasenmaske PM1B mit Bezug auf die Skalenlichtempfangsbereiche der Phasenmaske PM1A entlang der Messachsenrichtung MA um 90 Grad versetzt. Es versteht sich, dass obwohl die räumlichen Phasenmasken PM1A und PM1B 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 SPD1A' und SPD1B'. Es versteht sich, dass der Fotodetektor 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 SPD1A' und SPD1B') 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 SPD1B' mit Bezug auf die Fotodetektorbereiche des räumlichen Phasendetektors SPD1A' entlang der Messachsenrichtung MA um 90 Grad versetzt.
  • 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.
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Claims (10)

  1. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen, umfassend: einen Beleuchtungsabschnitt, der Quellenlicht an eine Skala entlang einem Ursprungsstrahlengang sendet; eine Skala, die sich entlang einer Messachsenrichtung erstreckt, wobei die Skala ein periodisches Muster umfasst, das Stäbe umfasst, die entlang der Messachsenrichtung schmal und entlang einer Y-Richtung, die zur Messachsenrichtung rechtwinklig ist, länglich sind und die entlang der Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind, wobei die Skala das Quellenlicht entlang dem Ursprungsstrahlengang eingibt und das Skalenlicht entlang einem Skalenstrahlengang ausgibt; und eine Fotodetektorkonfiguration, die ein periodisches Skalenlichtmuster von der Skala entlang einem Skalenstrahlengang empfängt, wobei sich das periodische Skalenlichtmuster an der Fotodetektorkonfiguration vorbei verschiebt, was einer relativen Verschiebung zwischen der Skala und der Fotodetektorkonfiguration entlang der Messachsenrichtung entspricht, wobei: die Fotodetektorkonfiguration einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren umfasst, die in einer räumlichen Phasensequenz entlang einer Richtung quer zur Messachse 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 entlang der Messachsenrichtung relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung rechtwinklig, relativ schmal ist und Skalenlichtempfangsbereiche umfasst, die entlang der Messachsenrichtung räumlich periodisch sind und entsprechend einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster positioniert sind, und konfiguriert ist, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal auszugeben; 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 der räumliche Phasendetektor und voneinander verschieden sind.
  2. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei der Satz von N räumlichen Phasenphotodetektoren mindestens M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren umfasst, wobei M eine Ganzzahl ist, die mindestens gleich 2 ist, und wobei jeder der M Teilmengen räumliche Phasendetektoren umfasst, die jeweils jede der jeweiligen räumlichen Phasen bereitstellen, die in dem Satz von N räumlichen Phasendetektoren enthalten sind.
  3. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 2, wobei jede der M Teilmengen von räumlichen Phasendetektoren räumliche Phasendetektoren umfasst, welche die gleichen jeweiligen räumlichen Phasen bereitstellen, die in der gleichen Teilmenge einer räumlichen Phasensequenz bereitgestellt werden.
  4. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 3, wobei N mindestens gleich 8 ist und jede Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren 4 räumliche Phasendetektoren umfasst, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die um 90 Grad getrennt sind.
  5. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die Fotodetektorkonfiguration Verbindungen umfasst, die konfiguriert sind, um räumliche Phasendetektorsignale zu kombinieren, die der gleichen jeweiligen räumlichen Phase entsprechen, und um jede derartige Kombination als jeweiliges räumliches Phasenpositionssignal auszugeben.
  6. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei jeder der jeweiligen räumlichen Phasendetektoren entlang der Messachsenrichtung relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung rechtwinklig ist, relativ schmal ist und Skalenlichtempfangsbereiche umfasst, die entlang der Messachsenrichtung räumlich periodisch sind und entsprechend einer jeweiligen räumlichen Phase dieses räumlichen Phasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster positioniert sind, und konfiguriert ist, um ein jeweiliges räumliches Phasendetektorsignal auszugeben.
  7. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 6, wobei eine Abmessung YSLRA der Skalenlichtempfangsbereiche jedes der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung höchstens 250 Mikrometer beträgt, und ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes angrenzenden Paars der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung höchstens 25 Mikrometer beträgt.
  8. verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei eine Abmessung YSLRA der Skalenlichtempfangsbereiche jedes der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung gleich ist, und ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes angrenzenden Paars der N räumlichen Phasendetektoren entlang der Y-Richtung gleich ist.
  9. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei jeder der N räumlichen Phasendetektoren eines umfasst von: a) einem Fotodetektor, der mit einer räumlichen Phasenmaske abgedeckt ist, die verhindert, dass der Fotodetektor das periodische Skalenlichtmuster empfängt, außer durch die Öffnungen hindurch, die in der räumlichen Phasenmaske enthalten sind, wobei die Skalenlichtempfangsbereiche des Fotodetektors durch die Öffnungen in der räumlichen Phasenmaske hindurch freigelegt sind, oder b) einem periodischen Raster von elektrisch zusammengeschalteten Fotodetektorbereichen, die das periodische Skalenlichtmuster empfangen, wobei die Skalenlichtempfangsbereiche die Fotodetektorbereiche des periodischen Rasters von Fotodetektoren umfassen.
  10. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei jeder der N räumlichen Phasendetektoren eine geradzahlige Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen umfasst.
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