DE102018251727A1 - Contaminant and defect resistant optical rotary position encoder configuration for providing displacement signals - Google Patents

Contaminant and defect resistant optical rotary position encoder configuration for providing displacement signals Download PDF

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    • G01D5/3473Circular or rotary encoders

Abstract

Eine optische Codiererkonfiguration umfasst eine Drehskala, eine Beleuchtungsquelle und eine Fotodetektorkonfiguration. Die Beleuchtungsquelle ist konfiguriert, um kollimiertes Licht auf die Skala an einer ersten Beleuchtungsregion auszugeben, das dann an die Skala an einer zweiten Beleuchtungsregion ausgegeben wird, von der aus die Skala Skalenlicht ausgibt, das ein Detektorstreifenmuster bildet, das hoch- und niedrigintensive periodische Bänder umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung erstrecken und relativ schmal sind und entlang einer detektierte Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung periodisch sind. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung, wenn sich das Skalengitter entlang der Drehmessrichtung verschiebt. Die Fotodetektorkonfiguration ist konfiguriert, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Drehskalenverschiebung angeben.An optical encoder configuration includes a rotation scale, a lighting source, and a photodetector configuration. The illumination source is configured to output collimated light to the scale at a first illumination region, which is then output to the scale at a second illumination region from which the scale outputs a scale light forming a detector strip pattern comprising high and low intensity periodic bands which extend over a relatively longer dimension along the rotational direction and are relatively narrow and periodic along a detected strip movement direction transverse to the direction of rotation. The high and low intensity bands move along the detected strip motion direction as the scale grid shifts along the rotational direction. The photodetector configuration is configured to detect a shift of the high and low intensity bands and provide respective spatial phase shift signals indicative of the rotational scale shift.

Description

KREUZVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Die vorliegende Anmeldung ist eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/942,135 unter dem Titel „CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 30. März 2018, die eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/858,218 unter dem Titel „CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 29. Dezember 2017, ist; die eine Teilfortsetzung der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/702,520 unter dem Titel „CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 12. September 2017, ist; die 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 Offenbarungen hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen werden.The present application is a continuation part of U.S. Patent Application Serial No. 15 / 942,135 titled "CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS", filed March 30, 2018, which is a continuation subseq U.S. Patent Application Serial No. 15 / 858,218 entitled "CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS", filed December 29, 2017; a partial continuation of the U.S. Patent Application Serial No. 15 / 702,520 entitled "CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS", filed September 12, 2017; a partial continuation of the U.S. Patent Application Serial No. 15 / 637,750 entitled "CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS", filed Jun. 29, 2017, the disclosures of which are hereby incorporated by reference in their entirety.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Technisches GebietTechnical area

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.The invention generally relates to instruments for precise position or displacement measurement, and more particularly to a coder configuration with signal processing that is error resistant and can be associated with a soiled or defective portion of a scale.

Beschreibung der verwandten TechnikDescription of the Related Art

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.Optical position sensors determine the displacement of a read head with respect to a scale comprising a pattern detected by the read head. Typically, position encoders use a scale that includes at least one scale track that has a periodic pattern, and the signals that originate from that scale track are periodic as a function of the displacement or position of the read head along the scale track. Absolute encoders can use multiple scale tracks to provide a unique combination of signals in any position along an absolute scale.

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.Optical encoders can use scale structures with incremental or absolute positions. A scale structure with incremental positions makes it possible to determine the displacement of a read head with respect to a scale by cumulating incremental displacement units starting at a starting point along the scale. Such encoders are suitable for certain applications, especially those where mains power is available. For low power applications (eg, battery powered gauges or the like), it is more desirable to use absolute position scale structures. Absolute position scale structures provide a unique output signal or a combination of signals at each position along a scale, thus enabling various energy saving measures. The U.S. Patent Nos. 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 ; and 5,010,655 disclose various encoder configurations and / or signal processing techniques relevant to absolute position encoders and are hereby fully incorporated by reference.

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.Some encoder configurations offer certain advantages by using a light diffraction grating of the illumination source in a lighting section of the encoder configuration. The U.S. Patents No. 8,941,052 ; 9,018,578 ; 9,029,757 ; and 9,080,899 , which are all incorporated herein by reference, disclose such encoder configurations. Some of the configurations disclosed in these patents may also be characterized as using super-resolution moiré imaging.

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.In various applications, scale manufacturing defects or contaminants, such as dust or oils, on a scale track can interfere with the pattern detected by the read head and produce errors in the resulting position or displacement measurements. In general, the size of defects due to a defect or contaminant may depend on factors such as the size of the defect or contaminant, the wavelength of the periodic pattern on the scale, the size of the readhead detector region, the relationship between these quantities, and depend on the like. Various methods are known for responding to abnormal signals in an encoder. Almost all of these procedures are based on deactivating the encoder signals or providing an "error signal" to alert the user, or to adjust the intensity of a light source to amplify weak signals, or the like. However, such methods do not provide a means to continue accurate measurements, despite the abnormal signals resulting from certain types of scale defects and contaminants. Therefore, the usefulness of these methods is limited. A well-known method that actually reduces the effects of scale contaminants or defects on the measurement accuracy is disclosed in Japanese Patent Application JP2003-065803 (Application '803). The '803 application teaches a method in which two or more photodetectors output periodic signals having the same phase and each input to respective signal stability judging means. The signal stability judging means outputs only signals judged to be "normal", and "normal" signals are combined as a basis for the position measurement. Signals that are "abnormal" are excluded from the position measurement calculations. However, the methods of judging "normal" and "abnormal" signals disclosed in the '803 application have certain disadvantages that limit the usefulness of the teachings of the' 803 application.

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.The U.S. Patent No. 8,493,572 ('572 patent) discloses a stain and defect resistant optical encoder configuration that provides a means to select signals from photodetector elements that are not subject to fouling. However, the '572 patent relies on elaborate signal processing, which may be less desirable in some applications.

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.Improved methods of providing accurate measurements that avoid or mitigate abnormal signals resulting from certain types of scale defects or fouling without the need for elaborate signal processing would be desirable.

KURZDARSTELLUNGSUMMARY

Eine verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehpositionsgeberkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen umfasst eine Drehskala, eine Beleuchtungsquelle und eine Fotodetektorkonfiguration. Die Drehskala erstreckt sich entlang einer Drehmessrichtung um eine Drehachse herum. Die Drehskala umfasst ein Drehskalengitter, das Skalengitterstäbe umfasst, die auf einer Drehfläche entlang der Drehmessrichtung angeordnet sind. Die Skalengitterstäbe sind entlang der Drehmessrichtung schmal sind und entlang einer Richtung der Drehskalengitterstäbe quer zur Drehmessrichtung länglich und sind mit einer Skalenteilung PSF entlang der Drehmessrichtung periodisch angeordnet. Die Beleuchtungsquelle umfasst eine Lichtquelle, die kollimiertes Licht an eine erste Beleuchtungsregion auf der Drehskala ausgibt, die konfiguriert ist, um das Licht einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung entlang einem Strahlengangs LP an eine zweite Beleuchtungsregion auf der Drehskala auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung ein Beleuchtungsstreifenmuster umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Drehmessrichtung schmal sind und entlang einer Beleuchtungsmusterrichtung, die quer zur Drehmessrichtung orientiert ist, 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 Drehmessrichtung erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung relativ schmal ist, und der Satz von N räumlichen Phasendetektoren in einer räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet ist. Das Drehskalengitter ist konfiguriert, um das Beleuchtungsstreifenmuster an der zweiten Beleuchtungsregion einzugeben und Skalenlicht, das ein Streifenmuster bildet, an der Fotodetektorkonfiguration auszugeben, wobei das Streifenmuster hoch- und niedrigintensive periodische Bänder umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung erstrecken und relativ schmal und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung periodisch sind. Die Richtung der Drehskalengitterstäbe ist mit Bezug auf die Drehachse in einem Gierwinkel ψ ungleich null orientiert. Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung liegen quer zur Drehmessrichtung und sind mindestens teilweise von dem Gierwinkel ψ ungleich null abhängig. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung, wenn sich das Skalengitter um die Drehachse herum dreht. Die Fotodetektorkonfiguration ist konfiguriert, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Drehskalenverschiebung angeben.A fouling and defect resistant optical rotary position encoder configuration for providing displacement signals includes a rotation scale, a lighting source, and a photodetector configuration. The rotary scale extends along a rotational direction about an axis of rotation. The rotary scale includes a rotary scale grille comprising scale grid bars disposed on a rotating surface along the rotational direction. The scale grid bars are narrow along the rotational direction and elongated along a direction of the rotary scale bars transverse to the rotational direction, and are graduated in scale P SF arranged periodically along the rotational direction. The illumination source includes a light source that outputs collimated light to a first illumination region on the rotation scale that is configured to input the light and structured illumination along an optical path LP to output to a second illumination region on the rotation scale, wherein the structured illumination comprises an illumination strip pattern comprising strips which are narrow along the rotational direction and are elongated along an illumination pattern direction which is oriented transversely to the rotational direction. The photodetector configuration includes a set of N spatial phase detectors with a detector spacing PD along a detected strip movement direction transverse to the measuring axis direction, each spatial phase detector configured to provide a respective spatial phase detector signal, and at least a majority of the respective spatial phase detectors extend over a relatively longer dimension along the rotation direction and along the detected strip movement direction across The rotation direction is relatively narrow, and the set of N spatial phase detectors in a spatial phase sequence along the detected strip movement direction is arranged. The rotary lattice grating is configured to input the illumination strip pattern at the second illumination region and to output scale light forming a fringe pattern to the photodetector configuration, the fringe pattern comprising high and low intensity periodic bands extending over a relatively longer dimension along the rotational direction and relative narrow and periodic with a detected fringe period PDF along the detected strip movement direction transverse to the direction of rotation. The direction of the rotary lattice bars is oriented with respect to the axis of rotation at a yaw angle ψ not equal to zero. The detected strip period PDF and the detected strip movement direction are transverse to the direction of rotation and are at least partially dependent on the yaw angle ψ not equal to zero. The high and low intensity bands move along the detected strip movement direction transverse to the direction of rotation as the scale grid rotates about the axis of rotation. The photodetector configuration is configured to detect displacement of the high and low intensity bands along the detected strip movement direction transverse to the direction of rotation and to provide respective spatial phase shift signals indicative of the rotation scale offset.

Figurenliste list of figures

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 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.
  • 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 in 5 und 6 dargestellte optische Codierer, der eine detektierte Streifenperiode statt eines Beleuchtungsstreifen-Gierwinkels umfasst.
  • 8 ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Fotodetektorkonfiguration, die in einem verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierer ähnlich wie der in 5 und 6 dargestellte optische Codierer 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 in 8 gezeigte Fotodetektorkonfiguration ist.
  • 9B ein ausführliches schematisches Diagramm eines Teilabschnitts einer anderen beispielhaften Fotodetektorkonfiguration eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierers, die ähnlich wie die in 8 gezeigte Fotodetektorkonfiguration ist.
  • 10 ein unvollständiges schematisches Diagramm einer zusätzlichen Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration.
  • 11A ein schematisches Diagramm eines ersten Beugungsgitters einer Beleuchtungsquelle.
  • 11B ein schematisches Diagramm eines zweiten Beugungsgitters einer Beleuchtungsquelle.
  • 12 ein unvollständiges schematisches Diagramm einer zusätzlichen Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration.
  • 13A ein schematisches Diagramm, das eine erste Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden.
  • 13B ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden.
  • 13C ein schematisches Diagramm, das eine dritte Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden.
  • 13D ein schematisches Diagramm, das eine vierte Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden.
  • 14 ein unvollständiges schematisches Diagramm einer ersten Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehpositionsgeberkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen.
  • 15 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts des Drehskalengitters aus 14, das zusätzliche Einzelheiten zeigt.
  • 16 ein unvollständiges schematisches Diagramm einer zweiten Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehpositionsgeberkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen.
The foregoing aspects and many of the attendant advantages will be more readily appreciated as the same becomes better understood by reference to the following detailed description when considered in conjunction with the accompanying drawings. Show it:
  • 1 an incomplete schematic exploded diagram of a contamination and defect resistant optical encoder configuration for providing displacement signals.
  • 2 an incomplete schematic diagram of a contamination and defect resistant optical encoder configuration for providing displacement signals.
  • 3 an incomplete schematic diagram of a photodetector configuration of a contamination and defect resistant optical encoder configuration.
  • 4A a schematic diagram of a portion of a photodetector configuration of a contamination and defect-resistant optical encoder configuration.
  • 4B a schematic diagram of a portion of a photodetector configuration of a contamination and defect-resistant optical encoder configuration.
  • 5 an incomplete schematic diagram of an additional implementation of a pollution and defect resistant optical encoder configuration for providing displacement signals, wherein a detector strip pattern moves during the displacement of the optical encoder transversely to the measuring axis direction.
  • 6A 12 is a schematic diagram illustrating a first view of scale light components that form a detector strip pattern in the vicinity of a photodetector configuration that includes spatial phase detectors that are elongated approximately along the measurement axis direction and periodically disposed transverse to the measurement axis direction.
  • 6B 12 is a schematic diagram illustrating a second view of scale light components forming a detector strip pattern in the vicinity of a photodetector configuration that includes spatial phase detectors that are elongated approximately along the measurement axis direction and periodically disposed transverse to the measurement axis direction.
  • 7 a graph of the properties of a pollution- and defect-resistant optical encoder similar to that in 5 and 6 illustrated optical encoder comprising a detected stripe period instead of a lighting stripe yaw angle.
  • 8th 12 is a schematic diagram of an exemplary photodetector configuration used in a fouling and defect resistant optical encoder similar to that in FIG 5 and 6 illustrated optical encoder, wherein the photodetector configuration comprises spatial phase detectors which are elongated approximately along the measuring axis direction and periodically arranged transversely to the measuring axis direction.
  • 9A 12 is a detailed schematic diagram of a portion of another exemplary photodetector configuration of a contamination and defect resistant optical encoder similar to that of FIG 8th is shown photodetector configuration.
  • 9B 12 is a detailed schematic diagram of a portion of another exemplary photodetector configuration of a contamination and defect resistant optical encoder similar to that of FIG 8th is shown photodetector configuration.
  • 10 an incomplete schematic diagram of an additional implementation of a pollution and defect resistant optical encoder configuration.
  • 11A a schematic diagram of a first diffraction grating of a lighting source.
  • 11B a schematic diagram of a second diffraction grating of a lighting source.
  • 12 an incomplete schematic diagram of an additional implementation of a pollution and defect resistant optical encoder configuration.
  • 13A 12 is a schematic diagram illustrating a first view of scale light components forming a detector strip pattern in the vicinity of a photodetector configuration.
  • 13B 12 is a schematic diagram illustrating a second view of scale light components forming a detector strip pattern in the vicinity of a photodetector configuration.
  • 13C 12 is a schematic diagram illustrating a third view of scale light components forming a detector strip pattern in the vicinity of a photodetector configuration.
  • 13D 12 is a schematic diagram illustrating a fourth view of scale light components that form a detector strip pattern in the vicinity of a photodetector configuration.
  • 14 an incomplete schematic diagram of a first implementation of a pollution and defect resistant optical rotary position encoder configuration for providing displacement signals.
  • 15 a schematic diagram of a portion of the rotary scale grating 14 showing additional details.
  • 16 an incomplete schematic diagram of a second implementation of a contamination and defect-resistant optical rotary position encoder configuration for providing displacement signals.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

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 Figure 4 is an incomplete schematic exploded diagram of a contamination and defect resistant optical encoder configuration 100 for providing displacement signals. The encoder configuration 100 includes a scale grid 110 , a lighting section 120 and a photodetector configuration 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 (z.B. rechtwinklig zu länglichen Musterelementen des Skalengitters 110) ist. Die Z-Richtung ist senkrecht zu der Ebene des Skalengitters 110. 1 shows the orthogonal X - Y - and Z Directions according to a convention used here. The X - and Y Directions are parallel to the plane of the scale grid 110 , where the X Direction parallel to a measuring axis direction MA (eg at right angles to elongated pattern elements of the scale grid 110 ). The Z Direction is perpendicular to the plane of the scale grid 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.At the in 1 The implementation shown is the scale grid 110 a permeable grid. The scale grid 110 extends along a measuring axis direction MA and includes a periodic pattern including bars along the measuring axis direction MA are narrow and along a direction leading to the measuring axis direction MA (ie the Y Direction) are rectangular, oblong, and along the measuring axis direction MA are arranged periodically.

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.The lighting section 120 includes a source of illumination 130 , a first lighting grid 140 and a second lighting grid 150 , The illumination source 130 includes a light source 131 and a collimation lens 132 , The light source 131 is configured to source light 134 to the collimating lens 132 issue. The collimation lens 132 is configured to source light 134 to receive and collimated source light 134 ' to the first lighting grid 140 issue. The first lighting grid 140 receives the source light 134 ' and bends the source light 134 ' towards the second lighting grid 150 , The second lighting grid 150 receives the source light 134 ' and bends the source light 134 ' continue towards the scale grid 110 along an original beam path SOLP , The scale grid 110 gives the source light 134 ' along the original beam path SOLP and gives scale light, which is a periodic scale light pattern 135 includes, along a Skalenstrahlengang SCLP to the photodetector configuration 160 out. The photodetector configuration 160 receives the periodic scale light pattern 135 from the scale grid 110 along the scale beam path SCLP , The periodic scale light pattern 135 shifts to the photodetector configuration 160 passing, indicating a relative shift between the scale grid 110 and the photodetector configuration 160 along the measuring axis direction MA equivalent. An example of a photodetector configuration similar to the photodetector configuration 160 is in 3 shown in detail. The photodetector configuration 160 includes a set of N spatial phase detectors operating in a spatial phase sequence along a direction transverse to the measuring axis direction MA (ie the Y Direction) are arranged, wherein N is an integer that is at least 6, and the spatial phase sequence comprises two outer spatial phase detectors at the beginning and end of the sequence along the direction transverse to the measurement axis and an inner group of spatial phase detectors located between the two outer spatial phase detectors , At the in 1 The implementation shown includes the sentence of N spatial phase photodetectors 3 Subsets of spatial phase detectors S 1 . S 2 and S 3 which have the same subset of the spatial phase sequence.

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 dieser räumliche Phasendetektor und voneinander verschieden sind.At least a majority of the respective spatial phase detectors are along the measuring axis direction MA relatively oblong and along the direction to the measuring axis direction MA (ie the Y Direction) is rectangular, relatively narrow, and includes scale light receiving areas along the measuring axis direction MA are spatially periodic and correspondingly positioned to a respective spatial phase of this spatial phase detector with respect to the periodic scale light pattern, and is configured to provide a respective spatial phase detector signal. Each spatial phase detector in the inner group is included in the spatial phase sequence by spatial phase detectors having respective spatial phases different from and different from each other in this spatial phase detector.

Bei diversen Anwendungen können die Fotodetektorkonfiguration 160 und der Beleuchtungsabschnitt 120 in einer festen Beziehung zueinander montiert sein, z.B. in einem Lesekopf- oder 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.In various applications, the photodetector configuration 160 and the lighting section 120 be mounted in a fixed relationship to each other, eg in a readhead or meter housing (not shown), and become along the measuring axis direction MA with reference to the scale grid 110 passed through a storage system according to known techniques. The scale grid 110 may be attached to a movable plate or a meter spindle or the like in various applications.

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.It is understood that the stain and defect resistant optical encoder configuration 100 is just one example of a stain and defect resistant optical encoder configuration according to the principles disclosed herein. In alternative implementations, various optical components may be used, such as a telecentric imaging system, restrictive apertures, and the like. In alternative implementations, a lighting section may comprise only a single lighting grid.

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. 2 FIG. 10 is an incomplete schematic diagram of a contamination and defect resistant optical encoder configuration. FIG 200 for providing displacement signals. The optical encoder configuration 200 is similar to the encoder configuration 100 , Similar reference numbers 2XX in 2 and 1 XX in 1 may refer to similar elements unless otherwise indicated by the context or description. In the 2 shown encoder configuration 200 is a reflective configuration. The scale 210 is a reflective scale grid.

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. 3 is an incomplete schematic diagram of a photodetector configuration 360 a contamination and defect resistant optical encoder configuration 300 , The stain and defect resistant optical encoder configuration 300 can be similar to the stain and defect resistant optical encoder configuration 100 or the stain and defect resistant optical encoder configuration 200 his. The photodetector configuration 360 includes a set of N spatial phase detectors operating in a spatial phase sequence along a direction transverse to the measuring axis direction MA are arranged, wherein N is an integer that is at least 6, and the spatial phase sequence comprises two outer spatial phase detectors at the beginning and end of the sequence along the direction transverse to the measurement axis and an inner group of spatial phase detectors located between the two outer spatial phase detectors , At least a majority of the respective spatial phase detectors are along the measuring axis direction MA relatively oblong and along the direction to the measuring axis direction MA is rectangular, relatively narrow, and includes scale light receiving areas along the measuring axis direction MA are spatially periodic and correspondingly positioned to a respective spatial phase of this spatial phase detector with respect to the periodic scale light pattern, and is configured to provide a respective spatial phase detector signal. Each spatial phase detector in the inner group is included in the spatial phase sequence by spatial phase detectors having respective spatial phases different from and different from each other in this spatial phase detector.

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.In some implementations, the sentence of N spatial phase photodetectors at least M Subsets of spatial phase detectors, wherein M is an integer that is at least equal to 2, and where each of the M Subsets comprise spatial phase detectors that provide each of the respective spatial phases included in the set of N spatial phase photodetectors are included. In some implementations can M at least equal to 3. In some implementations can M at least equal to 6. In some implementations, each of the M Subsets of spatial phase detectors comprise spatial phase detectors which provide the same respective spatial phases arranged in the same subset of the spatial phase sequence. 3 shows an implementation with M Subsets of spatial phase detectors using S 1 to S M are indicated. The subset S 1 includes the spatial phase detectors SPD 1A . SPD 1B . SPD 1C and SPD 1D , The subset S 2 includes the spatial phase detectors SPD 2A . SPD 2B . SPD 2C and SPD 2D , The subset S M includes the spatial phase detectors SPD MA . SPD MB . SPD MC and SPD MD , Each of the spatial phase detectors in 3 is shown as he K Has scale light receiving areas. As an example of the scale light receiving areas is the spatial phase detector SPD MD with the scale light receiving areas SLRA M1 and SLRA MK designated. In some implementations can K be an even value.

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 SPDID ). 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. At the in 3 As shown, the spatial phase sequence is indicated by spatial phase detectors, which are the subscripts A . B . C and D include (eg the spatial phase detectors SPD 1A . SPD 1B . SPD 1C and SPD ID ). The spatial phase detectors with subscripts A and D For example, the two outer spatial phase detectors are at the beginning and end of each instance of the spatial phase sequence. The spatial phase detectors with subscripts B and C are the inner groups.

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.The spatial phase detectors SPD 1A . SPD 1B . SPD 1C and SPD 1D give respective spatial phase detector signals A 1 . B 1 . C 1 and D 1 out. The spatial phase detectors SPD 2A . SPD 2B . SPD 2C and SPD 2D give respective spatial phase detector signals A 2 . B 2 . C 2 and D 2 out. The spatial phase detectors SPD MA . SPD MB . SPD MC and SPD MD give respective spatial phase detector signals A M . B M . C M and D M out.

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 Mikrometer groß sind, und für Skalendefekte, die bis zu 300 Mikrometer 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.A contamination and defect resistant optical encoder configured in accordance with the principles disclosed herein provides a simple design suitable for contaminants (eg wire bonding contamination) up to 100 micrometers in size and scale defects up to 300 micrometers are big, can be tolerant. Contaminants or defects on a scale typically create a common mode error component on adjacent spatial phase detectors that can be canceled in signal processing (eg, quadrature processing). Spatial phase detectors along the measuring axis direction MA relatively oblong and along the direction to the measuring axis direction MA rectangular, relatively narrow, provide better resistance to contamination and defects. The signal levels may change more slowly by the frequency of the structure of the spatial phase detectors along the measuring axis direction MA is reduced. Further, such an encoder does not require complex signal processing to provide tolerance to fouling and defects. Signals by the sentence of N spatial phase detectors can be processed according to standard techniques known to those skilled in the art.

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 drei räumliche Phasendetektoren umfassen, die jeweilige räumliche Phasen umfassen, die um 120 Grad getrennt sind.In some implementations, such as in 3 shown implementation is N at least equal to 8, and each subset of spatial phase detectors may comprise 4 spatial phase detectors having respective spatial phases separated by 90 degrees. In alternative implementations, each subset of spatial phase detectors may comprise three spatial phase detectors comprising respective spatial phases separated by 120 degrees.

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 vier räumliche Phasenpositionssignale auszugeben, die räumlichen Phasen entsprechen, die um 90 Grad getrennt sind. Die räumlichen 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 drei 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.At the in 3 The implementation shown includes the photodetector configuration 360 Compounds configured to combine spatial phase detector signals corresponding to the same respective spatial phase and to output each such combination as a respective spatial phase position signal. The photodetector configuration 360 is configured to output four spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 90 degrees. The spatial phase signals with the same letter designation (eg A 1 . A 2 and A M ) are combined (eg summed) to the spatial phase signals ΣA . .sigma..sub.B . ΣC and ΣD provide. In alternative implementations, a photodetector configuration may be configured to output three spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 120 degrees. In both cases, the spatial phase position signals may also be used to determine displacement signals, eg by quadrature or three-phase signal processing.

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.In some implementations, each of the respective spatial phase detectors may be along the measuring axis direction MA relatively oblong and along the direction to the measuring axis direction MA is rectangular, relatively narrow, and may include scale light receiving areas along the measuring axis direction MA are spatially periodic and correspondingly positioned to a respective spatial phase of this spatial phase detector with respect to the periodic scale light pattern, and may be configured to provide a respective spatial phase detector signal.

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.In some implementations, one dimension YSLRA the scale light receiving areas of each of the N spatial phase detectors along the Y Direction at most 250 microns. In some implementations can YSLRA at least 5 microns.

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.In some implementations, a separation distance YSEP between the scale light receiving areas of each adjacent pair of N spatial phase detectors along the Y Direction at most 25 microns.

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. In some implementations, one dimension YSLRA the scale light receiving areas of each of the N spatial phase detectors along the Y Direction be the same. In some implementations, a separation distance YSEP between the scale light receiving areas of each adjacent pair of N spatial phase detectors along the Y Direction be the same.

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.It is understood that it, although a great value of N provides a greater robustness against pollution, thereby compromising that it may be a great value of N provides smaller signal levels within each individual spatial phase detector.

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 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 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 in 4A schematisch als getrennte Abschnitte abgebildet sind, sie bei einigen Umsetzungen praktischerweise aus demselben Material in dem gleichen Prozess hergestellt werden können, um eventuelle Positionierungsfehler zu eliminieren. 4A Figure 12 is a schematic diagram of a portion of a photodetector configuration 460A a contamination and defect resistant optical encoder configuration 400A , For simplicity's sake 4A only a subset of spatial phase detectors S 1 with two spatial phase detectors SPD 1A and SPD 1B , It is understood that the photodetector configuration 460A at least six spatial phase detectors in accordance with the principles disclosed herein, but only two are shown for simplicity. At the in 4A Each implementation includes the implementation shown N spatial phase detectors (eg the spatial phase detectors SPD 1A and SPD 1B ) a photodetector (eg the photodetectors PD 1A and PD 1B , which are indicated by dashed lines), which is covered by a spatial phase mask (eg the phase masks PM 1A and PM 1B ), which prevents the photodetector from receiving the periodic scale light pattern except through the openings contained in the spatial phase mask. In this case, the scale light receiving areas include areas of the photodetectors (eg, the photodetectors PD 1A and PD 1B ) passing through the openings in the respective spatial phase masks (eg the spatial phase masks PM 1A and PM 1B ) are exposed through. At the in 4A The conversion shown are the scale light receiving areas (ie, the openings) of the phase mask PM 1B with respect to the scale light receiving areas of the phase mask PM 1A along the measuring axis direction MA offset by 90 degrees. It is understood that although the spatial phase masks PM 1A and PM 1B in 4A schematically depicted as separate sections, in some implementations, they may conveniently be made of the same material in the same process to eliminate any positioning errors.

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 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 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. 4B Figure 12 is a schematic diagram of a portion of a photodetector configuration 460B a contamination and defect resistant optical encoder configuration 400B , For simplicity's sake 4B only a subset of spatial phase detectors S 1 ' with two spatial phase detectors SPD 1A ' and SPD 1B ' , It is understood that the photodetector configuration 460B at least six spatial phase detectors in accordance with the principles disclosed herein, but for simplicity only two are shown. At the in 4B Each implementation includes the implementation shown N spatial phase detectors (eg the spatial phase detectors SPD 1A ' and SPD 1B ' ) a periodic grid of electrically interconnected photodetector areas that receive the periodic scale light pattern. In this case, the scale light receiving areas include the photodetector areas of the periodic grid of photodetectors. At the in 4B The implementation shown are the photodetector areas of the spatial phase detector SPD 1B ' with respect to the photodetector areas of the spatial phase detector SPD 1A 'along the measuring axis direction MA offset by 90 degrees.

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. 5 FIG. 10 is an incomplete schematic diagram of additional implementation of a stain and defect resistant optical encoder configuration. FIG 500 for providing displacement signals. In the encoder configuration 500 includes the periodic scale light pattern 535 which is detected, a detector strip pattern 535 comprising straps oriented to extend over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA and extending transversely to the measuring axis direction along a detected strip movement direction DFMD during the displacement of the optical encoder.

Die 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 PSF entlang der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind. Die Beleuchtungsquelle 520 umfasst eine Lichtquelle 530, die Licht 534' ausgibt, und einen Abschnitt 533 zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung, 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 Abschnitts 533 zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung (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 bzw. werden. 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.The encoder configuration 500 includes a scale 510 , a source of illumination 520 and a photodetector configuration 560 , The scale 510 extends along a measuring axis direction MA and includes a scale grid, the grid bars GB includes, in a scale plane SP are arranged, which are the Meßachsenrichtung MA nominally parallel, with the bars GB along the measuring axis direction MA are narrow and along a grid bar direction GBD transverse to the measuring axis direction MA are elongated, and with a graduation P SF along the measuring axis direction MA are arranged periodically. The illumination source 520 includes a light source 530 , the light 534 ' issues, and a section 533 to generate a structured lighting that is configured to light 534 ' to enter and a structured lighting 534 '' to a lighting region IR at the scale level SP spend the structured lighting 534 '' a lighting strip pattern IFP comprising strips along the measuring axis direction MA narrow and along a lighting strip direction IFD to the measuring axis direction MA in one Illuminating strip yaw angle ψ not equal to zero with respect to the grating bar direction GBD oriented transversely, are elongated. The light source 530 includes a point source 531 and a collimation lens 532 , The point source 531 spend light 534 to the collimating lens, then the light 534 collapsed to the light 534 ' provide. The illumination strip yaw angle ψ non-zero can be achieved in various implementations by adding one or more elements of the section 533 to generate a structured lighting (eg one of the elements 540 and or 550 ) to the Z -Axis around to a desired angle with respect to the Y -Axis is turned. In some embodiments, the non-zero illumination strip yaw angle auch may also be achieved or extended by adjusting the grating bar direction GBD to the Z -Axis around to a desired angle with respect to the Y -Axis is turned.

Die Fotodetektorkonfiguration 560 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die mit einem Detektorabstand PD (in 6A und 6B 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.The photodetector configuration 560 includes a set of N spatial phase detectors with a detector spacing PD (in 6A and 6B shown) along a detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are arranged periodically, wherein each spatial phase detector is configured to provide a respective spatial phase detector signal, and at least a majority of the respective spatial phase detectors over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA extends and along the detected strip movement direction DFMD is relatively narrow across the measuring axis, and the theorem of N spatial phase detectors in a spatial phase sequence along the detected strip motion direction DFMD is arranged as below with reference to 8th . 9A and 9B will be described in more detail.

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 die Messachsenrichtung ausgerichtet sein, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 erklärt wird.The scale 510 is configured to reflect the illumination strip pattern at the illumination region IR and input the scale light components along a scale beam path SCLP to output the detector strip pattern 535 at the photodetector configuration 560 to build. The detector strip pattern 535 includes periodic high and low intensity bands extending over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA extend and are relatively narrow and with a detected fringe period PDF along the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are periodic, as described below with reference to 6 will be described in more detail. As a way to describe their orientation, the bands extend over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA However, in various implementations, this does not mean that they must be aligned along the measuring axis direction. In various exemplary implementations, the bands may be oriented at a medium or small angle with respect to the measuring axis direction, as described below with reference to FIGS 6 is explained.

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.The detected stripe period PDF and the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are at least partially dependent on the illumination strip yaw angle ψ not equal to zero, as described below with reference to FIG 7 is addressed. The high and low intensity bands move along the detected strip motion direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA if the scale is 510 along the measuring axis direction MA shifts. The photodetector configuration 560 is configured to shift the high and low intensity bands along the detected strip motion direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA detect and provide respective spatial phase shift signals indicative of the scale shift.

Bei der in 5 gezeigten Umsetzung umfasst der Abschnitt 533 zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung 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.At the in 5 The implementation shown in the section covers 533 for generating a structured illumination, a first light diffraction grating 540 the illumination source and a second light diffraction grating 550 the illumination source. In some implementations, the first light diffraction grating 540 the illumination source and the second light diffraction grating 550 the illumination source be phase grating. Phase gratings provide better power efficiency by reducing light losses.

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 Mikrometer groß sind, und für Skalendefekte, die bis zu 300 Mikrometer groß sind, tolerant sein kann. Schmutzstoffe oder Defekte auf einer Skala, die ähnlich groß oder größer als die Detektionsstreifenperiode sind, 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 bewegt. Da der Verschmutzungseffekt ein Gleichtakteffekt über angrenzende räumliche Phasendetektoren ist, und weil die räumlichen Phasendetektoren über eine Abmessung entlang der Messachsenrichtung, welche die Größe des Schmutzeffekts erheblich überschreiten kann, relativ länglich sind, 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.A contamination and defect resistant optical encoder constructed according to the principles described with reference to 5 to 9B can be described, provides a simple design that can be tolerant to contaminants (eg wire bonding contamination) up to 100 microns in size and scale defects up to 300 microns in size. Contaminants or defects on a scale that are similar to or larger than the detection strip period typically produce a common mode error component on adjacent spatial phase detectors that may be canceled in signal processing (eg, quadrature processing). That is, the effect of contamination moving along the measuring axis direction tends to be shared with the adjacent spatial phase detectors and moves along the measuring axis direction at these adjacent spatial phase detectors as the scale or read head configuration moves along the measuring axis direction. Because the fouling effect is a common mode effect across adjacent spatial phase detectors, and because the spatial phase detectors have a dimension along the measuring axis direction which is the size of the Can significantly exceed the effect of contamination, are relatively elongated, the effect of contamination on the accuracy of the displacement signal can be significantly reduced. Another advantage is that, in the event of a possible non-common mode residual error, when the photodetector configuration becomes 560 with reference to the scale 510 shifts portions of the detector strip pattern 535 , which correspond to a defect, move much more slowly from one spatial phase detector to the other, allowing a more effective compensation of the spatial phase shift signals. Such an encoder does not require extensive signal processing to provide tolerance for fouling and defects. The spatial phase shift signals generated by the set of N spatial phase detectors can be processed according to standard techniques known to those skilled in the art.

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 Abschnitt zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung gebildet sein. Das Detektorstreifenmuster 635 umfasst dunkle bzw. niedrigintensive Interferenzbänder 635D, die durch fettgedruckte Linien angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 635L, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind. 6A Fig. 12 is a diagram schematically illustrating a first view of the scale light components SL1 and SL2 representing a detector strip pattern 635 similar to or identical to the detector strip pattern 535 is that near a photodetector configuration 660 shown is similar to the photodetector configuration 560 in 5 is. The detector strip pattern 635 can be provided by an optical encoder similar to the optical encoder configuration 500 is that with respect to 5 was addressed. 6A shows a cross section of the scale light, which the detector strip pattern 635 in a plane formed by a measuring axis direction MA and a scale beam path SCLP is defined as before with reference to 5 shown. As in 6A As shown, the scale light components include a first scale light component SL1 and a second scale light component SL2 (indicated by dashed lines representing high intensity bands) each comprising parallel beams, the parallel beams of the first scale light component SL1 along one direction with one in relation to the scale beam path SCLP lie opposite angle orientation. The first scale light component SL1 and the second scale light component SL2 overlap around the detector strip pattern 635 according to known principles. The first scale light component SL1 and the second scale light component SL2 may be formed of different diffraction orders from a section for generating a structured illumination. The detector strip pattern 635 includes dark or low intensity interference bands 635D , which are indicated by bold lines, and bright or high intensity interference bands 635L , which are indicated by dashed outlines.

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 fettgedruckte 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 ψ ungleich null mit Bezug auf die Y-Richtung. 6B Fig. 12 is a diagram schematically showing a second view of the scale light components SL1 and SL2 represents the striped pattern 635 form. 6A shows a cross section of the detector strip pattern 635 in a plane passing through a measuring axis direction MA and a Y Direction is defined as above with reference to 5 shown close to the photodetector configuration 660 lies. The detector strip pattern 635 includes dark or low intensity interference bands 635D , which are indicated by bold lines, and bright or high intensity interference bands 635L , which are indicated by dashed lines, with a detected stripe period PDF along the detected strip movement direction DFMD are periodic, as in 6B shown. The detected strip movement direction is generally transverse to the direction of the interference bands 635D and 635L with a small rotation equal to the illumination strip yaw angle ψ not equal to zero with respect to the Y direction.

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, der eine detektierte Streifenperiode PDF statt eines Beleuchtungsstreifen-Gierwinkels ψ umfasst. Die Grafik 700 zeigt Daten für einen verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codierer, der einen Abschnitt zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung mit einem ersten Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle, das eine Gitterteilung P1 aufweist, einem zweiten Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle, das eine Teilung P2 aufweist, und einer Skala, die eine Skalenteilung PSF aufweist, die folgenden Ausdruck erfüllt, umfasst: 1 P 2 1 P 1 = 1 P S F

Figure DE102018251727A1_0001
7 is a graphic 700 the properties of a stain and defect resistant optical encoder similar to the optical encoder configuration 500 , in the 5 and 6 showing a detected fringe period PDF instead of a lighting strip yaw angle ψ. The graphic 700 FIG. 12 shows data for a fouling and defect resistant optical encoder having a structured illumination generating portion with a first light diffraction grating of the illumination source, which has a grating pitch. FIG P 1 a second light diffraction grating of the illumination source having a pitch P 2 and a scale representing a scale graduation P SF which satisfies the following expression includes: 1 P 2 - 1 P 1 = 1 P S F
Figure DE102018251727A1_0001

Die detektierte Streifenperiode PDF hängt dann mit dem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ durch folgenden Ausdruck zusammen: P D F = P S F 4 s i n ( Ψ 2 )

Figure DE102018251727A1_0002
The detected stripe period PDF is then related to the illumination strip yaw angle ψ by the following expression: P D F = P S F 4 s i n ( Ψ 2 )
Figure DE102018251727A1_0002

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. It is generally desirable that a stain and defect resistant optical encoder be configured such that the detected fringe period PDF is large (eg, greater than 7 microns, or greater than 40 microns in some implementations), which requires a small value for the illumination stripe yaw angle ψ (eg, less than 7 degrees). A larger detected fringe period PDF Provides a better tolerance for measurement errors due to misalignment between a scale, a photodetector configuration, and a lighting source. Errors resulting from tilting and rolling of a scale with respect to a source of illumination and / or a photodetector configuration are inversely proportional to the detected fringe period PDF , Therefore, represents a larger detected fringe period PDF better robustness for measurement errors caused by scale ripple.

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. 8th is a schematic diagram 800 an exemplary photodetector configuration 860 usable in a stain and defect resistant optical encoder similar to the optical encoder configuration 500 is that in 5 and 6 wherein the photodetector configuration comprises spatial phase detectors which are approximately oblong or coarse along the measuring axis direction and periodically arranged transversely to the measuring axis direction. Similar reference numbers 8XX in 8th and 5 XX in 5 may refer to similar elements unless otherwise indicated by the context or the description.

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 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, umfasst. 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.The photodetector configuration 860 includes a set of N spatial phase detectors operating in a spatial phase sequence along the detected strip motion direction DFMD are arranged, wherein N is an integer that is at least 6, and the spatial phase sequence includes two outer spatial phase detectors at the beginning and end of the sequence along the direction transverse to the measuring axis direction MA and an inner set of spatial phase detectors located between the two outer spatial phase detectors. Each spatial phase detector in the inner group is included in the spatial phase sequence by spatial phase detectors having respective spatial phases other than this spatial phase detector and different from one another. Each spatial phase detector includes scale light receiving areas along the detected strip moving direction DFMD spatially periodically and a respective spatial phase of this spatial phase detector with respect to the periodic scale light pattern are positioned accordingly. Each spatial phase detector in the inner group is included in the spatial phase sequence by spatial phase detectors having respective spatial phases other than this spatial phase detector and different from one another.

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 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 .In some implementations, the sentence of N spatial phase photodetectors at least M Subsets of spatial phase detectors, wherein M is an integer that is at least equal to 2, and where each of the M Subsets comprise spatial phase detectors that provide each of the respective spatial phases included in the set of N spatial phase photodetectors are included. In some implementations can M at least equal to 4. In some implementations can M at least equal to 6. In some implementations, each of the M Subsets of spatial phase detectors comprise spatial phase detectors which provide the same respective spatial phases arranged in the same subset of the spatial phase sequence. 8th shows an implementation with M Subsets of spatial phase detectors using S 1 to S M are indicated. The subset S 1 includes the spatial phase detectors SPD 1A . SPD 1B . SPD 1C and SPD 1D , The subset S 2 includes the spatial phase detectors SPD 2A . SPD 2B . SPD 2C and SPD 2D , The subset S M includes the spatial phase detectors SPD MA . SPD MB . SPD MC and 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 SPD1A , SPD1B , SPD1C und SPD1D ), 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.At the in 8th The implementation shown is the spatial phase sequence by the spatial phase detectors, which are the subscripts A . B . C and D include (eg the spatial phase detectors SPD 1A . SPD 1B . SPD 1C and SPD 1D ). The spatial phase detectors with subscripts A and D For example, the two outer spatial phase detectors are at the beginning and end of each instance of the spatial phase sequence. The spatial phase detectors with subscripts B and C are the inner groups.

Die räumlichen Phasendetektoren SPD1A , SPD1B , SPD1C und SPD1D geben die jeweiligen räumlichen Phasendetektorsignale A1 , B1 , C1 und D1 aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPD2A , SPD2B , SPD2C und SPD2D geben die jeweiligen räumlichen Phasendetektorsignale A2 , B2 , C2 und D2 aus. Die räumlichen Phasendetektoren SPDMA , SPDMB , SPDMC und SPDMD geben die jeweiligen räumlichen Phasendetektorsignale AM , BM , CM und DM aus.The spatial phase detectors SPD 1A . SPD 1B . SPD 1C and SPD 1D give the respective spatial phase detector signals A 1 . B 1 . C 1 and D 1 out. The spatial phase detectors SPD 2A . SPD 2B . SPD 2C and SPD 2D give the respective spatial phase detector signals A 2 . B 2 . C 2 and D 2 out. The spatial phase detectors SPD MA . SPD MB . SPD MC and SPD MD give the respective spatial phase detector signals A M . B M . C M and D M out.

Bei einigen Umsetzungen, wie etwa der in 8 gezeigten Umsetzung, ist N mindestens gleich 8 und jede Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren kann vier räumliche Phasendetektoren umfassen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die um 90 Grad getrennt sind. Bei alternativen Umsetzungen kann jede Teilmenge von räumlichen Phasendetektoren drei räumliche Phasendetektoren umfassen, die jeweilige räumliche Phasen aufweisen, die um 120 Grad getrennt sind. In some implementations, such as in 8th shown implementation is N at least equal to 8 and each subset of spatial phase detectors may comprise four spatial phase detectors having respective spatial phases separated by 90 degrees. In alternative implementations, each subset of spatial phase detectors may comprise three spatial phase detectors having respective spatial phases separated by 120 degrees.

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 vier räumliche Phasenpositionssignale auszugeben, die räumlichen Phasen entsprechen, die um 90 Grad getrennt sind. Die räumlichen 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 drei räumliche Phasenpositionssignale auszugeben, die räumlichen Phasen entsprechen, die um 120 Grad getrennt sind. In beiden Fällen können die räumlichen Phasenpositionssignale weiter verwendet werden, um Verschiebungssignale, z.B. durch Quadratur- oder dreiphasige Signalverarbeitung, zu bestimmen.At the in 8th The implementation shown includes the photodetector configuration 860 Compounds configured to combine spatial phase detector signals corresponding to the same respective spatial phase and to output each such combination as a respective spatial phase position signal. The photodetector configuration 860 is configured to output four spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 90 degrees. The spatial phase signals with the same letter designation (eg A 1 . A 2 and A M ) are combined (eg summed) to the spatial phase signals ΣA . .sigma..sub.B . ΣC and ΣD provide. In alternative implementations, a photodetector configuration may be configured to output three spatial phase position signals corresponding to spatial phases separated by 120 degrees. In both cases, the spatial phase position signals may continue to be used to determine displacement signals, for example, by quadrature or three-phase signal processing.

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.In some implementations, a separation distance YSEP between the scale light receiving areas of each adjacent pair of N spatial phase detectors along the detected strip motion direction DFMD at most 25 microns. In some implementations, the separation distance is YSEP between the scale light receiving areas of each adjacent pair of N spatial phase detectors along the detected strip motion direction DFMD the same.

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 kann es mit einem sehr kleinen Wert des Beleuchtungsstreifen-Gierwinkels ψ sein, dass es gar nicht nötig ist, die Detektorachse D im Verhältnis zur Messachsenrichtung MA zu drehen. 8th additionally shows a detector axis THERE with respect to the measuring axis direction MA , The detector axis is a direction parallel to the specific longitudinal direction of the spatial phase detectors. In general, it is desirable that the detector axis THERE orthogonal (or nearly orthogonal) to the detected strip motion direction DFMD Although it is not necessary that this is exactly the case, on the condition that good displacement signals can be obtained. Therefore, in some implementations, the detector axis may be relative to the measuring axis direction MA at an angle α be rotated, in particular if the detected strip movement direction DFMD to the measuring axis direction MA is not right-angled. Since it is desirable to have a small illumination strip yaw angle ψ to use (as related to 7 described), the angle can be α can be quite small, and in some cases it can with a very small value of the illumination strip yaw angle ψ be that it is not necessary, the detector axis D in relation to the measuring axis direction MA to turn.

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 der räumlichen Phasendetektoren S1 mit zwei räumlichen Phasendetektoren SPD1A und SPD1B . 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 SPD1A und SPD1B ) einen Fotodetektor (z.B. die Fotodetektoren PD1A und PD1B , die gestrichelt angegeben sind), der mit einer räumlichen Phasenmaske (z.B. den Phasenmasken PM1A und PM1B ) 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 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 9A gezeigten Umsetzung sind die Skalenlichtempfangsbereiche (d.h. die Öffnungen) der Phasenmaske PM1B mit Bezug auf die Skalenlichtempfangsbereiche der Phasenmaske PM1A entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD um 90 Grad versetzt. Es versteht sich, dass sie, obwohl die räumlichen Phasenmasken PM1A und PM1B 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. 9A FIG. 12 is a detailed schematic diagram of a portion of another exemplary photodetector configuration. FIG 960A a contamination and defect resistant optical encoder 900A that are similar to those in 8th is shown photodetector configuration. For simplicity's sake 9A only a subset of the spatial phase detectors S 1 with two spatial phase detectors SPD 1A and SPD 1B , It is understood that the photodetector configuration 960A may comprise further spatial phase detectors according to the principles disclosed herein, but only two are shown for the sake of simplicity. At the 9A Each implementation includes the implementation shown N spatial phase detectors (eg the spatial phase detectors SPD 1A and SPD 1B ) a photodetector (eg the photodetectors PD 1A and PD 1B , which are indicated by dashed lines), with a spatial phase mask (eg the phase masks PM 1A and PM 1B ) which prevents the photodetector from receiving the periodic scale light pattern except through openings contained in the spatial phase mask. In this case, the scale light receiving areas include areas of the photodetectors (eg, the photodetectors PD 1A and PD 1B ) passing through the openings in the respective spatial phase masks (eg the spatial phase masks PM 1A and PM 1B ) are exposed through. At the in 9A The conversion shown are the scale light receiving areas (ie, the openings) of the phase mask PM 1B with respect to the scale light receiving areas of the phase mask PM 1A along the detected strip movement direction DFMD offset by 90 degrees. It is understood that they, although the spatial phase masks PM 1A and PM 1B in 9A schematically depicted as separate sections, in some implementations may conveniently be made of the same material in the same process to eliminate any positioning errors.

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 SPD1A' und SPD1B'. 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 SPD1A ' und SPD1B') 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 Fotodetektorbereiche des räumlichen Phasendetektors SPD1B' mit Bezug auf die Fotodetektorbereiche des räumlichen Phasendetektors SPD1A' entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD um eine räumliche Phasenverschiebung von 90 Grad versetzt. 9B FIG. 12 is a detailed schematic diagram of a portion of another exemplary photodetector configuration. FIG 960B a contamination and defect resistant optical encoder 900B that are similar to those in 8th shown photodetector configuration 860 is. For simplicity's sake 9B only a subset of spatial phase detectors S 1 ' with two spatial phase detectors SPD 1A ' and SPD 1B '. It is understood that the photodetector configuration 960B may comprise further spatial phase detectors according to the principles disclosed herein, but only two are shown for the sake of simplicity. At the in 9B Each implementation includes the implementation shown N spatial phase detectors (eg the spatial phase detectors SPD 1A ' and SPD 1B ' ) a periodic grid of electrically interconnected photodetector areas that receive the periodic scale light pattern. In this case, the scale light receiving areas include the photodetector areas of the periodic grid of photodetectors. At the in 9B The implementation shown are the photodetector areas of the spatial phase detector SPD 1B ' with respect to the photodetector areas of the spatial phase detector SPD 1A ' along the detected strip movement direction DFMD offset by a spatial phase shift of 90 degrees.

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.In some implementations of the photodetectors, similar to the photodetector configurations 960A or 960B are, it is beneficial that each of the N spatial phase detectors comprises an even number of scale light receiving areas. 0th-order scale light components may cause a variation in intensity between alternating stripes within the scale light. Therefore, the fact that one has an even number of the scale light receiving areas compensates for this variation.

10 ist ein unvollständiges schematisches Diagramm einer zusätzlichen Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 1000 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Bei der Codiererkonfiguration 1000 umfasst das periodische Skalenlichtmuster 1035, das detektiert wird, ein Detektorstreifenmuster 1035, das Bänder umfasst, die orientiert sind, um sich über eine relativ längere Abmessung entlang einer Messachsenrichtung MA zu erstrecken, und die sich quer zur Messachsenrichtung entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD während der Verschiebung des optischen Codierers bewegen. 10 FIG. 10 is an incomplete schematic diagram of additional implementation of a stain and defect resistant optical encoder configuration. FIG 1000 for providing displacement signals. In the encoder configuration 1000 includes the periodic scale light pattern 1035 which is detected, a detector strip pattern 1035 comprising straps oriented to extend over a relatively longer dimension along a measuring axis direction MA and extending transversely to the measuring axis direction along a detected strip movement direction DFMD during the displacement of the optical encoder.

Die optische Codiererkonfiguration 1000 umfasst eine Skala 1010, eine Beleuchtungsquelle 1020 und eine Fotodetektorkonfiguration 1060. Die Skala 1010 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. Die Skalengitterstäbe GB sind entlang der Messachsenrichtung MA schmal und entlang einer Skalengitterstabrichtung SGBD quer zur Messachsenrichtung MA länglich, und sind entlang der Messachsenrichtung MA mit einer Skalenteilung PSF periodisch angeordnet. Die Beleuchtungsquelle 1020 umfasst eine Lichtquelle 1030, die Licht 1034' ausgibt, und einen Abschnitt 1033 zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung, der konfiguriert ist, um das Licht 1034' einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung 1034'' entlang einem Quellenstrahlengang SOLP an eine Beleuchtungsregion IR an der Skalenebene SP auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung 1034'' ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung IFD, die quer zur Messachsenrichtung MA orientiert ist, länglich sind. Die Lichtquelle 1030 umfasst eine Punktquelle 1031 und eine Kollimationslinse 1032. Die Punktquelle 1031 gibt Licht 1034 an die Kollimationslinse aus, die dann das Licht 1034 kollimiert, um das Licht 1034' bereitzustellen.The optical encoder configuration 1000 includes a scale 1010 , a source of illumination 1020 and a photodetector configuration 1060 , The scale 1010 extends along a measuring axis direction MA and includes a scale grid, the grid bars GB includes, in a scale plane SP are arranged, which are the Meßachsenrichtung MA nominally parallel. The scale lattice bars GB are along the measuring axis direction MA narrow and along a scale grid bar direction DBMS transverse to the measuring axis direction MA oblong, and are along the measuring axis direction MA with a scale graduation P SF arranged periodically. The illumination source 1020 includes a light source 1030 , the light 1034 ' issues, and a section 1033 to generate a structured lighting that is configured to light 1034 ' to enter and a structured lighting 1034 '' along a source beam path SOLP to a lighting region IR at the scale level SP spend the structured lighting 1034 '' a lighting strip pattern IFP comprising strips along the measuring axis direction MA narrow and along a lighting strip direction IFD , which are transverse to the measuring axis direction MA is oriented, are elongated. The light source 1030 includes a point source 1031 and a collimation lens 1032 , The point source 1031 spend light 1034 to the collimating lens, then the light 1034 collapsed to the light 1034 ' provide.

Die Fotodetektorkonfiguration 1060 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die mit einem Detektorabstand PD (wie in 6A und 6B ausführlich 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 zuvor ausführlicher mit Bezug auf 8, 9A und 9B beschrieben.The photodetector configuration 1060 comprises a set of N spatial phase detectors with a detector spacing PD (as in 6A and 6B shown in detail) along a detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are arranged periodically, each spatial phase detector configured to provide a respective spatial phase detector signal and at least a majority of the respective spatial phase detectors over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA extends and along the detected strip movement direction DFMD is relatively narrow across the measuring axis, and the theorem of N spatial phase detectors in a spatial phase sequence along the detected strip motion direction DFMD is arranged as described in more detail with reference to 8th . 9A and 9B described.

Ähnlich wie die Codiererkonfiguration 500 ist die Skala 1010 konfiguriert, um das Beleuchtungsstreifenmuster an der Beleuchtungsregion IR einzugeben und Skalenlichtkomponenten entlang einem Skalenstrahlengang SCLP auszugeben, um das Detektorstreifenmuster 1035 an der Fotodetektorkonfiguration 1060 zu bilden. Das Detektorstreifenmuster 1035 umfasst periodische hoch- und niedrigintensive Bänder, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstrecken und relativ schmal und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA periodisch sind, wie zuvor ausführlicher mit Bezug auf 6 beschrieben.Similar to the encoder configuration 500 is the scale 1010 configured to illuminate the illumination strip pattern at the illumination region IR input and scale light components along a scale beam path SCLP to output the detector strip pattern 1035 at the photodetector configuration 1060 to build. The detector strip pattern 1035 includes periodic high and low intensity bands extending over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA extend and relatively narrow and with a detected fringe period PDF along the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are periodic, as previously described in more detail with reference to 6 described.

Die Skalengitterstabrichtung SGBD ist in einem Gierwinkel ψSC ungleich null mit Bezug auf eine Lesekopfebene RHP, die durch den Quellenstrahlengang SOLP und einen Skalenstrahlengang SCLP definiert ist, orientiert. The scale grid bar direction DBMS is in a yaw angle ψ SC nonzero with respect to a read head plane RHP passing through the source beam path SOLP and a scale beam path SCLP is defined, oriented.

Der Abschnitt 1033 zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung umfasst ein erstes Beugungsgitter 1040 der Beleuchtungsquelle und ein zweites Beugungsgitter 1050 der Beleuchtungsquelle, die in 11A und 11B ausführlicher gezeigt werden. Bei einigen Umsetzungen können das erste Beugungsgitter 1040 der Beleuchtungsquelle und das zweite Beugungsgitter 1050 der Beleuchtungsquelle Phasengitter sein.The section 1033 To generate a structured illumination comprises a first diffraction grating 1040 the illumination source and a second diffraction grating 1050 the illumination source used in 11A and 11B be shown in more detail. In some implementations, the first diffraction grating 1040 the illumination source and the second diffraction grating 1050 the illumination source be phase grating.

Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA sind mindestens teilweise von dem Gierwinkel ψSC ungleich null abhängig, wie zuvor mit Bezug auf 7 angesprochen. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA, wenn sich die Skala 1010 entlang der Messachsenrichtung MA verschiebt. Die Fotodetektorkonfiguration 1060 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.The detected stripe period PDF and the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are at least partially of the yaw angle ψ SC nonzero dependent as previously with respect to 7 addressed. The high and low intensity bands move along the detected strip motion direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA if the scale is 1010 along the measuring axis direction MA shifts. The photodetector configuration 1060 is configured to shift the high and low intensity bands along the detected strip motion direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA detect and provide respective spatial phase shift signals indicative of the scale shift.

11A ist ein schematisches Diagramm des ersten Beugungsgitters 1040 der Beleuchtungsquelle. 11B ist ein schematisches Diagramm des zweiten Beugungsgitters 1050 der Beleuchtungsquelle. Bei diversen Umsetzungen ist es wünschenswert, die optische Codiererkonfiguration 1000 zu konfigurieren, um Fehler bei den Verschiebungssignalen zu minimieren, die sich aus Lückenvariationen zwischen der Skala 1010, der Beleuchtungsquelle 1020 und der Fotodetektorkonfiguration 1060 ergeben. 11A is a schematic diagram of the first diffraction grating 1040 the illumination source. 11B is a schematic diagram of the second diffraction grating 1050 the illumination source. In various implementations, it is desirable to have the optical encoder configuration 1000 to minimize errors in the displacement signals resulting from gap variations between the scale 1010 , the lighting source 1020 and the photodetector configuration 1060 result.

Wie in 11A gezeigt, umfasst das erste Beugungsgitter 1040 der Beleuchtungsquelle erste Indexgitterstäbe, die mit einer ersten Indexteilung P1 in einer ersten Indexebene periodisch angeordnet sind, wobei die ersten Indexgitterstäbe entlang der Messachsenrichtung schmal sind und entlang einer ersten Gitterstabrichtung, die zur Messachsenrichtung quer liegt und im Verhältnis zu der Lesekopfebene RHP um einen Winkel ψ1 gedreht ist, länglich sind. Wie in 11B gezeigt, umfasst das zweite Beugungsgitter 1050 der Beleuchtungsquelle zweite Beleuchtungsquellengitterstäbe, die mit einer zweiten Indexteilung P2 in einer zweiten Indexebene, die parallel zu der ersten Indexebene ist, periodisch angeordnet sind, wobei die zweiten Indexgitterstäbe entlang der Messachsenrichtung schmal sind und entlang einer zweiten Indexgitterstabrichtung, die quer zur Messachsenrichtung liegt und im Verhältnis zur Lesekopfebene RHP um einen Winkel ψ2 gedreht ist, länglich sind.As in 11A shown includes the first diffraction grating 1040 the illumination source first index grid bars, which with a first index division P 1 are arranged periodically in a first index plane, the first index grid bars being narrow along the measuring axis direction and along a first grid bar direction transverse to the measuring axis direction and in relation to the reading head plane RHP at an angle ψ 1 is turned, are elongated. As in 11B shown includes the second diffraction grating 1050 the illumination source second illumination source lattice bars having a second index division P 2 are periodically arranged in a second index plane parallel to the first index plane, the second index gratings being narrow along the measuring axis direction and along an index grating second direction transverse to the measuring axis direction and an angle relative to the reading head plane RHP ψ 2 is turned, are elongated.

Bei diversen optischen Codierern, wie etwa der optischen Codiererkonfiguration 500, können dynamische Lückenfehler durch Skalenwelligkeit entstehen, was einen Abstand zwischen dem Beleuchtungsabschnitt 520 und der Skala 510 entlang dem Quellenstrahlengang SOLP ändert. Eine Änderung einer Lichtweglänge entlang dem Skalenstrahlengang SCLP bewirkt Änderungen der relativen Phasen von interferierenden Strahlenbündeln, die zu dem Detektorstreifenmuster 1035 beitragen. Bei diversen Anwendungen können ψ1 und ψ2 derart ausgewählt werden, dass sie einen dynamischen Lückenfehler ergeben, der die gleiche Größenordnung und das umgekehrte Vorzeichen aufweist. Die Phasen von zwei interferierenden Strahlen der interferierenden Strahlenbündel, die zu dem Detektorstreifenmuster 1035 beitragen, können durch Φ+ und Φ- ausgedrückt werden. Das Licht, das von der Lichtquelle 1030 ausgegeben wird, weist eine Wellenlänge λ auf. Ein dynamischer Lückenfehler DGE hängt mit einer Lückenvariation Δg entlang einer Richtung, die zu der Messachsenrichtung MA und der Skalengitterstabrichtung SGBD (d.h. der Z-Richtung) senkrecht ist, durch folgenden Ausdruck zusammen: D G E = P S F 4 π ( Φ + Φ ) Δ g

Figure DE102018251727A1_0003
In various optical encoders, such as the optical encoder configuration 500 , dynamic gap errors can arise due to scale ripple, which is a distance between the illumination section 520 and the scale 510 along the source beam path SOLP changes. A change in a light path length along the Skalenstrahlengang SCLP causes changes in the relative phases of interfering beams that are related to the detector strip pattern 1035 contribute. In various applications can ψ 1 and ψ 2 be selected such that they give a dynamic gap error having the same magnitude and the opposite sign. The phases of two interfering beams of the interfering beams leading to the detector strip pattern 1035 can contribute through Φ + and Φ - be expressed. The light coming from the light source 1030 is output, has a wavelength λ on. A dynamic gap error DGE depends on a gap variation Δg along a direction to the measuring axis direction MA and the scale grid bar direction DBMS (ie the Z Direction) is perpendicular, by the following expression: D G e = P S F 4 π ( Φ + - Φ - ) Δ G
Figure DE102018251727A1_0003

Genauer gesagt ist der Differenzterm durch den Ausdruck ( Φ + Φ ) Δ g = Ω [ λ P 1 s i n ( Ψ 1 ) + λ P 2 s i n ( Ψ 2 ) ] 4 π P S F s i n ( Ψ S C ) tan ( V )

Figure DE102018251727A1_0004
gegeben, wobei ein Faktor Ω definiert ist durch den Ausdruck: Ω = 4 π λ P S F 2 sin ( V ) ( ( cos 2 ( V ) λ 2 P S F 2 ) 3 / 2 cos 3 ( V ) ) + 8 π λ tan ( V )
Figure DE102018251727A1_0005
More precisely, the difference term is the expression ( Φ + - Φ - ) Δ G = Ω [ - λ P 1 s i n ( Ψ 1 ) + λ P 2 s i n ( Ψ 2 ) ] - 4 π P S F s i n ( Ψ S C ) tan ( V )
Figure DE102018251727A1_0004
given, being a factor Ω is defined by the expression: Ω = 4 π λ P S F 2 sin ( V ) ( ( cos 2 ( V ) - λ 2 P S F 2 ) - 3 / 2 - cos - 3 ( V ) ) + 8th π λ tan ( V )
Figure DE102018251727A1_0005

In der Gleichung 4 ist der erste Term Ω [ λ P 1 s i n ( Ψ 1 ) + λ P 2 s i n ( Ψ 2 ) ]

Figure DE102018251727A1_0006
eine Fehlerkomponente, die sich aus dem Gieren jedes von dem ersten Beugungsgitter 1040 der Beleuchtungsquelle und dem zweiten Beugungsgitter 1050 der Beleuchtungsquelle ergibt. Der zweite Term 4 π P S F s i n ( Ψ S C ) tan ( V )
Figure DE102018251727A1_0007
ist eine Fehlerkomponente, die sich aus dem Gierwinkel ψSC ergibt. Durch das absichtliche Einführen von Fehlerkomponenten mit dem Winkel ψ1 und dem Winkel ψ2 ist es möglich, die Fehlerkomponenten aus dem zweiten Term zu kompensieren.In Equation 4, the first term Ω [ - λ P 1 s i n ( Ψ 1 ) + λ P 2 s i n ( Ψ 2 ) ]
Figure DE102018251727A1_0006
an error component resulting from the yawing of each of the first diffraction gratings 1040 the illumination source and the second diffraction grating 1050 the illumination source results. The second term 4 π P S F s i n ( Ψ S C ) tan ( V )
Figure DE102018251727A1_0007
is an error component resulting from the yaw angle ψ SC results. By intentionally introducing error components with the angle ψ 1 and the angle ψ 2 it is possible to compensate for the error components from the second term.

Bei einigen Umsetzungen umfasst die Skala 1010 ein Skalengitter, das ein reflektierendes Gitter ist. Wie 10 gezeigt, kann der Quellenstrahlengang SOLP im Verhältnis zu einer Richtung, die zur Skalenebene senkrecht steht, in einem Winkel V orientiert sein. Um die gewünschte detektierte Streifenperiode PDF bereitzustellen, kann der Gierwinkel ψSC den folgenden Ausdruck erfüllen: Ψ S C = sin 1 [ P S F ( 1 2 P D F sin ( Ψ 2 ) P 1 + sin ( Ψ 2 ) P 2 ) ]

Figure DE102018251727A1_0008
In some implementations, the scale includes 1010 a scale grid, which is a reflective grid. As 10 shown, the source beam path SOLP in relation to a direction which is perpendicular to the scale plane, at an angle V be oriented. To the desired detected fringe period PDF can provide the yaw angle ψ SC fulfill the following expression: Ψ S C = sin - 1 [ P S F ( 1 2 P D F - sin ( Ψ 2 ) P 1 + sin ( Ψ 2 ) P 2 ) ]
Figure DE102018251727A1_0008

Um den dynamischen Lückenfehler DGE aufzuheben, wie in der Gleichung 3 gezeigt, können der Winkel ψ1 und der Winkel ψ2 den folgenden Ausdruck erfüllen: sin ( Ψ 1 ) d 1 + sin ( Ψ 2 ) d 2 = 2 π tan ( V ) cos ( V ) P D F ( Ω λ 4 π tan V )

Figure DE102018251727A1_0009
To the dynamic gap error DGE can cancel, as shown in equation 3, the angle ψ 1 and the angle ψ 2 fulfill the following expression: - sin ( Ψ 1 ) d 1 + sin ( Ψ 2 ) d 2 = 2 π tan ( V ) cos ( V ) P D F ( Ω λ - 4 π tan V )
Figure DE102018251727A1_0009

Bei einem typischen Beispiel eines optischen Codierers, der ähnlich wie die optische Codiererkonfiguration 500 mit einem PSF -Wert von 2 Mikrometern, einem P1 -Wert von 2 Mikrometern, einem P2 -Wert von 1 Mikrometer, einem V-Wert von 30 Grad, einem λ-Wert von 660 Nanometern und einem PDF-Wert von 120 Mikrometern konfiguriert ist, kann dann ψSC einen Wert von 0,48 Grad aufweisen. Dies kann einen dynamischen Lückenfehler von 4,8 Nanometern eines Positionsmessfehlers pro Mikrometer der Lückenvariation Δg ergeben. Bei einem typischen Beispiel eines optischen Codierers, der ähnlich wie die optische Codiererkonfiguration 100 mit den gleichen Parametern wie zuvor konfiguriert ist, kann ψSC gleich 0,94 Grad sein, ψ1 kann gleich -0,46 Grad sein, und ψ2 kann gleich 0,0 Grad sein. Der Gierwinkel ψ1 kann eine dynamische Lückenfehlerkomponente von -9,4 Nanometern des Positionsmessfehlers pro Mikrometer der Lückenvariation Δg beitragen, und der Gierwinkel ψ2 kann eine dynamische Lückenfehlerkomponente von 9,4 Nanometern des Positionsmessfehlers pro Mikrometer der Lückenvariation Δg beitragen. Die beiden dynamischen Lückenfehler gleichen sich aus, um einen dynamischen Nettolückenfehler von null bereitzustellen.In a typical example of an optical encoder, similar to the optical encoder configuration 500 with a P SF Value of 2 microns, one P 1 Value of 2 microns, one P 2 Value of 1 micron, a V value of 30 degrees, a λ value of 660 nanometers and a PDF value of 120 microns is configured then ψ SC have a value of 0.48 degrees. This can give a dynamic gap error of 4.8 nanometers of a position measurement error per micron of the gap variation Δg. In a typical example of an optical encoder, similar to the optical encoder configuration 100 with the same parameters as previously configured can ψ SC be equal to 0.94 degrees, ψ 1 can be equal to -0.46 degrees, and ψ 2 can be equal to 0.0 degrees. The yaw angle ψ 1 can have a dynamic gap error component of -9.4 nanometers of position measurement error per micrometer of gap variation Δg contribute, and the yaw angle ψ 2 may have a dynamic gap error component of 9.4 nanometers of position measurement error per micron of gap variation Δg contribute. The two dynamic gap errors balance each other out to provide a net dynamic gap error of zero.

12 ist ein unvollständiges schematisches Diagramm einer zusätzlichen Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Codiererkonfiguration 1200 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Bei der Codiererkonfiguration 1200 umfasst das periodische Skalenlichtmuster 1235, das detektiert wird, ein Detektorstreifenmuster, das Bänder umfasst, die orientiert sind, um sich über eine relativ längere Abmessung entlang einer Messachsenrichtung MA zu erstrecken, und die sich quer zur Messachsenrichtung MA entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD während der Verschiebung des optischen Codierers bewegen. Das Skalenlichtmuster 1235 kann durch einen ähnlichen optischen Codierer wie die optische Codiererkonfiguration 1000, die mit Bezug auf 10 angesprochen wurde, bereitgestellt werden. 12 FIG. 10 is an incomplete schematic diagram of additional implementation of a stain and defect resistant optical encoder configuration. FIG 1200 for providing displacement signals. In the encoder configuration 1200 includes the periodic scale light pattern 1235 , which is detected, a detector strip pattern comprising bands oriented to a relatively longer dimension along a measuring axis direction MA extend and transverse to the Meßachsenrichtung MA along a detected strip movement direction DFMD during the displacement of the optical encoder. The scale light pattern 1235 can by a similar optical encoder as the optical encoder configuration 1000 related to 10 was addressed.

Die optische Codiererkonfiguration 1200 umfasst eine Skala 1210, eine Beleuchtungsquelle 1220 und eine Fotodetektorkonfiguration 1260. Die Skala 1210 erstreckt sich entlang einer Messachsenrichtung MA und umfasst ein Skalengitter, das Gitterstäbe GB umfasst, die in einer Skalenebene SP, die zur Messachsenrichtung MA nominell parallel ist, angeordnet sind. Die Skalengitterstäbe GB sind entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Skalengitterstabrichtung SGBD quer zur Messachsenrichtung MA länglich, und sind mit einer Skalenteilung PSF entlang der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet. Die Beleuchtungsquelle 1220 umfasst eine Lichtquelle 1230, die Licht 1234' ausgibt, und einen Abschnitt 1233 zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung, der konfiguriert ist, um das Licht 1234' einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung 1234'' entlang einem Quellenstrahlengang SOLP an eine Beleuchtungsregion IR an der Skalenebene SP auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung 1234'' ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung IFD, die quer zur Messachsenrichtung MA orientiert ist, länglich sind. Die Lichtquelle 1230 umfasst eine Punktquelle 1231 und eine Kollimationslinse 1232. Die Punktquelle 1231 gibt Licht 1234 an die Kollimationslinse aus, die dann das Licht 1234 kollimiert, um das Licht 1234' bereitzustellen.The optical encoder configuration 1200 includes a scale 1210 , a source of illumination 1220 and a photodetector configuration 1260 , The scale 1210 extends along a measuring axis direction MA and includes a scale grid, the grid bars GB includes, in a scale plane SP to the measuring axis direction MA nominally parallel, are arranged. The scale lattice bars GB are along the measuring axis direction MA narrow and along a scale grid bar direction DBMS transverse to the measuring axis direction MA oblong, and are with a graduation P SF along the measuring axis direction MA arranged periodically. The illumination source 1220 includes a light source 1230 , the light 1234 ' issues, and a section 1233 to generate a structured lighting that is configured to light 1234 ' to enter and a structured lighting 1234 '' along a source beam path SOLP to a lighting region IR to spend at the scale level SP, with the structured lighting 1234 '' a lighting strip pattern IFP comprising strips along the measuring axis direction MA narrow and along a lighting strip direction IFD , which are transverse to the measuring axis direction MA is oriented, are elongated. The light source 1230 includes a point source 1231 and a collimation lens 1232 , The point source 1231 spend light 1234 to the collimating lens, then the light 1234 collapsed to the light 1234 ' provide.

Die Fotodetektorkonfiguration 1260 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die mit einem Detektorabstand PD (ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration 860, die in 8 ausführlich gezeigt ist) 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 Messachsenrichtung MA relativ schmal ist, und der Satz von N räumlichen Phasendetektoren in einer räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD angeordnet ist, wie zuvor mit Bezug auf 8, 9A und 9B ausführlicher beschrieben.The photodetector configuration 1260 comprises a set of N spatial phase detectors with a detector spacing PD (similar to the photodetector configuration 860 , in the 8th shown in detail) along a detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are arranged periodically, wherein each spatial phase detector is configured to provide a respective spatial phase detector signal, and at least a majority of the respective spatial phase detectors over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA extends and along the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA is relatively narrow, and the sentence of N spatial phase detectors in a spatial phase sequence along the detected strip motion direction DFMD is arranged as previously with reference to 8th . 9A and 9B described in more detail.

Ähnlich wie die Codiererkonfiguration 500 ist die Skala 1210 konfiguriert, um das Beleuchtungsstreifenmuster an der Beleuchtungsregion IR einzugeben und Skalenlichtkomponenten entlang einem Skalenstrahlengang SCLP auszugeben, um das Skalenlichtmuster 1235 an der Fotodetektorkonfiguration 1260 zu bilden. Das Skalenlichtmuster 1235 umfasst periodische hoch- und niedrigintensive Bänder, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstrecken und relativ schmal und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA periodisch sind, wie zuvor mit Bezug auf 6A und 6B ausführlicher beschrieben.Similar to the encoder configuration 500 is the scale 1210 configured to illuminate the illumination strip pattern at the illumination region IR input and scale light components along a scale beam path SCLP to output the scale light pattern 1235 at the photodetector configuration 1260 to build. The scale light pattern 1235 includes periodic high and low intensity bands extending over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA extend and relatively narrow and with a detected fringe period PDF along the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are periodic, as before with reference to 6A and 6B described in more detail.

Die Skalengitterstabrichtung SGBD ist mit Bezug auf eine Lesekopfebene RHP, die durch den Quellenstrahlengang SOLP und einen Skalenstrahlengang SCLP definiert ist, in einem Gierwinkel ψSC ungleich null orientiert.The scale grid bar direction DBMS is with respect to a read head level RHP passing through the source beam path SOLP and a scale beam path SCLP is defined, in a yaw angle ψ SC nonzero oriented.

Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA sind mindestens teilweise von dem Gierwinkel ψSC ungleich null abhängig, wie zuvor mit Bezug auf 7 angesprochen. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA, wenn sich die Skala 1210 entlang der Messachsenrichtung MA verschiebt. Die Fotodetektorkonfiguration 1260 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.The detected stripe period PDF and the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA are at least partially of the yaw angle ψ SC nonzero dependent as previously with respect to 7 addressed. The high and low intensity bands move along the detected strip motion direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA if the scale is 1210 along the measuring axis direction MA shifts. The photodetector configuration 1260 is configured to shift the high and low intensity bands along the detected strip motion direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA detect and provide respective spatial phase shift signals indicative of the scale shift.

Eine Senkrechte RHPN der Lesekopfebene RHP ist mit Bezug auf die Messachsenrichtung MA mit einem Neigungswinkel Winkel Φ ungleich null orientiert.A vertical RHPN the reading head level RHP is with respect to the measuring axis direction MA with a tilt angle Φ nonzero oriented.

13A ist ein schematisches Diagramm, das eine erste Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration 1260 in 12 ist. Genauer gesagt zeigt 13A einen Querschnitt eines Abschnitts SIG des Skalenlichtmusters 1235 in einer Ebene, die durch eine Messachsenrichtung MA und eine Y-Richtung, die sich in der Nähe der Fotodetektorkonfiguration 1260 befindet, definiert die. Der Abschnitt SIG des Skalenlichtmusters 1235 ist ein Satz von Streifen, die durch die Überlappung der Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 gebildet wird, was mit Bezug auf 6B zu verstehen ist. Der Abschnitt SIG des Skalenlichtmusters 1235 umfasst dunkle bzw. niedrigintensive Interferenzbänder 1235SIGD, die durch fettgedruckte Linie angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 1235SIGL, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind. Der Abschnitt SIG ist analog zu dem Detektorstreifenmuster 635, das den Abschnitt des Skalenlichtmusters 1235 bereitstellt, was zu räumlichen Phasenverschiebungssignalen führt, welche die Skalenverschiebung angeben. Genauer gesagt ist die Fotodetektorkonfiguration 1260 konfiguriert, um eine Verschiebung der Interferenzbänder 1235SIGD und 1235SIGL entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Messachsenrichtung MA zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Skalenverschiebung angeben. 13A FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a first view of scale light components that is a scale light pattern. FIG 1235 form a photodetector configuration similar to the photodetector configuration 1260 in 12 is. More specifically shows 13A a cross section of a portion SIG of the scale light pattern 1235 in a plane passing through a measuring axis direction MA and a Y Direction, which is close to the photodetector configuration 1260 located, defines the. The section SIG the scale light pattern 1235 is a set of stripes caused by the overlap of the scale light components SL1 and SL2 is formed with regard to 6B to understand. The section SIG the scale light pattern 1235 includes dark or low intensity interference bands 1235SIGD , which are indicated by bold line, and bright or high intensity interference bands 1235SIGL , which are indicated by dashed outlines. The section SIG is analogous to the detector strip pattern 635 The section of the scale light pattern 1235 which results in spatial phase shift signals indicating the scale shift. More specifically, the photodetector configuration is 1260 configured to shift the interference bands 1235SIGD and 1235SIGL along the detected strip movement direction DFMD transverse to the measuring axis direction MA detect and provide respective spatial phase shift signals indicative of the scale shift.

Bei diversen Umsetzungen kann das Detektorstreifenmuster 635 zusätzlich Licht nullter Ordnung umfassen, das Variationen der Intensität der hochintensiven Interferenzbänder 635L verursacht. Genauer gesagt führt die Interferenz zwischen Skalenlicht nullter Ordnung und den Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 zu Streifen von niedrig- und hochintensiven Interferenzbändern, die zu den niedrigintensiven Interferenzbändern 635D und den hochintensiven Interferenzbändern 635L parallel sind. Dies führt zu Streifen in dem Detektorstreifenmuster 635, die ein Muster einer Variation von abwechselnden Streifen aufweisen, was zu Nahbereichsfehlern in räumlichen Phasenverschiebungssignalen führt. Die verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration 1200 ist konfiguriert, um diese Fehler wie nachstehend beschrieben zu unterdrücken. Genauer gesagt führt die Interferenz zwischen Skalenlicht nullter Ordnung und Licht, das den in 6B gezeigten Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 entsprechen würde, zu Streifen von dunklen und hellen Intensitätsbändern, die zu Licht, das den Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 entsprechen würde, parallel sind und sich während der Verschiebung des optischen Codierers entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen würden. In various implementations, the detector strip pattern 635 In addition, zeroth-order light includes variations in the intensity of the high-intensity interference bands 635L caused. More specifically, the interference between the zero-order scale light and the scale light components SL1 and SL2 to bands of low and high intensity bands of interference leading to the low intensity bands of interference 635D and the high-intensity interference bands 635L are parallel. This results in streaks in the detector strip pattern 635 having a pattern of a variation of alternating stripes, resulting in near-field errors in spatial phase-shift signals. The stain and defect resistant optical encoder configuration 1200 is configured to suppress these errors as described below. Specifically, the interference between zero-order scale light and light, which results in the 6B shown scale light components SL1 and SL2 would correspond to stripes of dark and light intensity bands leading to light, the scale light components SL1 and SL2 would be parallel, and during the displacement of the optical encoder along the detected strip movement direction DFMD would move.

Es versteht sich, dass 13A bis D einen Abschnitt des Skalenlichtmusters 1235 in einem Referenzrahmen, der auf die Fotodetektorkonfiguration 1260 ausgerichtet ist, zeigen. Im Allgemeinen sollte eine Fotodetektorkonfiguration, wie etwa die Fotodetektorkonfiguration 1260, derart orientiert sein, dass die räumlichen Phasendetektoren auf das Streifenmuster, das durch die niedrig- und hochintensiven Interferenzbänder 1235SIGD und 1235SIGL definiert ist, entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD, die quer zur Messachsenrichtung MA liegt, ausgerichtet sind, jedoch nicht genau auf die Y-Richtung ausgerichtet sind.It is understood that 13A to D a section of the scale light pattern 1235 in a reference frame pointing to the photodetector configuration 1260 is aligned, show. In general, a photodetector configuration, such as the photodetector configuration, should be used 1260 , be oriented such that the spatial phase detectors respond to the fringe pattern produced by the low and high intensity interference fringes 1235SIGD and 1235SIGL is defined along the detected strip movement direction DFMD , which are transverse to the measuring axis direction MA is aligned, but not exactly on the Y Direction are aligned.

13B ist ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration 1260 in 12 ist. Genauer gesagt zeigt 13B einen Querschnitt eines Abschnitts PZ des Skalenlichtmusters 1235 in einer Ebene, die durch eine Messachsenrichtung MA und eine Y-Richtung definiert ist, die sich in der Nähe der Fotodetektorkonfiguration 1260 befindet. Der Abschnitt PZ des Skalenlichtmusters 1235 ist ein Satz von Streifen, die durch die Überlappung einer Skalenlichtkomponente nullter Ordnung und der Skalenlichtkomponente SL1 gebildet werden. Der Abschnitt PZ des Skalenlichtmusters 1235 umfasst dunkle bzw. niedrigintensive Interferenzbänder 1235PZD, die durch fettgedruckte Linien angegeben werden, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 1235PZL, die durch gestrichelte Umrisse angegeben werden. 13B FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a second view of scale light components that is a scale light pattern. FIG 1235 form a photodetector configuration similar to the photodetector configuration 1260 in 12 is. More specifically shows 13B a cross section of a section PZ the scale light pattern 1235 in a plane passing through a measuring axis direction MA and a Y Direction defined in the vicinity of the photodetector configuration 1260 located. The section PZ the scale light pattern 1235 is a set of stripes caused by the overlap of a zero-order scale light component and the scale light component SL1 be formed. The section PZ the scale light pattern 1235 includes dark or low intensity interference bands 1235PZD indicated by bold lines and bright or high intensity interference bands 1235PZL , which are indicated by dashed outlines.

Auf Grund des Neigungswinkels Φ ungleich null sind die Interferenzbänder 1235PZD und 1235PZL derart orientiert, dass sie nicht entlang der detektierten Bewegungsstreifenrichtung DMFD ausgerichtet sind und somit nicht auf die Interferenzbänder 1235SIGD und Interferenzbänder 1235SIGL ausgerichtet sind.Due to the inclination angle Φ non-zero are the interference bands 1235PZD and 1235PZL oriented such that it does not travel along the detected stripe direction DMFD are aligned and thus not on the interference bands 1235SIGD and interference bands 1235SIGL are aligned.

13C ist ein schematisches Diagramm, das eine dritte Ansicht der Skalenlichtkomponenten zeigt, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration 1260 in 12 ist. Genauer gesagt zeigt 13C einen Querschnitt eines Abschnitts MZ des Skalenlichtmusters 1235 in einer Ebene, die durch eine Messachsenrichtung MA und eine Y-Richtung definiert ist, die sich in der Nähe der Fotodetektorkonfiguration 1260 befindet. Der Abschnitt MZ des Skalenlichtmusters 1235 ist ein Satz von Streifen, die durch die Überlappung einer Skalenlichtkomponente nullter Ordnung und der Skalenlichtkomponente SL2 gebildet werden. Der Abschnitt MZ des Skalenlichtmusters 1235 umfasst dunkle bzw. niedrigintensive Interferenzbänder 1235MZD, die durch fettgedruckte Linien angegeben werden, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 1235MZL, die durch gestrichelte Umrisse angegeben werden. 13C FIG. 12 is a schematic diagram showing a third view of the scale light components that is a scale light pattern. FIG 1235 form a photodetector configuration similar to the photodetector configuration 1260 in 12 is. More specifically shows 13C a cross section of a section MZ the scale light pattern 1235 in a plane passing through a measuring axis direction MA and defining a Y-direction that is proximate to the photodetector configuration 1260 located. The section MZ the scale light pattern 1235 is a set of stripes caused by the overlap of a zero-order scale light component and the scale light component SL2 be formed. The section MZ the scale light pattern 1235 includes dark or low intensity interference bands 1235MZD indicated by bold lines and bright or high intensity interference bands 1235MZL , which are indicated by dashed outlines.

Auf Grund des Neigungswinkels Φ ungleich null sind die Interferenzbänder 1235MZD und 1235MZL derart orientiert, dass sie nicht entlang der detektierten Bewegungsstreifenrichtung DMFD ausgerichtet sind, und somit sind sie nicht auf die Interferenzbänder 1235SIGD und Interferenzbänder 1235SIGL ausgerichtet.Due to the inclination angle Φ non-zero are the interference bands 1235MZD and 1235MZL oriented such that it does not travel along the detected stripe direction DMFD aligned, and thus they are not on the interference bands 1235SIGD and interference bands 1235SIGL aligned.

13D ist ein schematisches Diagramm, das eine vierte Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Fotodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich wie die Fotodetektorkonfiguration 1260 in 12 ist. Genauer gesagt zeigt 13D einen Querschnitt jedes der Abschnitte PZ, MZ und SIG des Skalenlichts 1235. Wenn der Neigungswinkel Φ null wäre, wären die Interferenzbänder der Abschnitte PZ und MZ mit Bezug auf die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD winkelmäßig nicht anders orientiert, sondern wären stattdessen parallel zu den Interferenzbändern 1235SIGD und 1235SIGL, was zu einer Variation der Intensität zwischen abwechselnden Interferenzbändern der hohen Interferenzbänder 1235SIGL des Abschnitts SIG führen würde, was Nahbereichsfehler in den räumlichen Phasenverschiebungssignalen verursachen würde. Wie in 13D gezeigt, überlappen sich jedoch für den Fall eines Neigungswinkels Φ ungleich null die niedrigintensiven Interferenzbänder 1235PZD und 1235MZD der Abschnitte PZ und MZ in den niedrigintensiven Regionen LO, und die hochintensiven Interferenzbänder 1235PZL und 1235MZL überlappen sich in den hochintensiven Regionen HI. Die Regionen LO und HI sind entlang einer Richtung quer zur detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD ausgerichtet. Die Intensität der 1235 in den Regionen LO und HI gleicht sich entlang der Richtung quer zur detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD aus, wodurch eine Variation der Intensität zwischen abwechselnden Streifen innerhalb des Skalenlichts 1235 entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD unterdrückt wird. Diese Mittelung reduziert Nahbereichsfehler in räumlichen Phasenverschiebungssignalen, die durch Skalenlicht nullter Ordnung bewirkt werden, das mit dem Abschnitt SIG des Skalenlichts 1235 interferiert. 13D FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a fourth view of scale light components that is a scale light pattern. FIG 1235 form a photodetector configuration similar to the photodetector configuration 1260 in 12 is. More specifically shows 13D a cross section of each of the sections PZ . MZ and SIG of the scale light 1235 , When the angle of inclination Φ would be zero, would be the interference bands of the sections PZ and MZ with respect to the detected strip movement direction DFMD angularly not otherwise oriented, but instead would be parallel to the interference bands 1235SIGD and 1235SIGL , resulting in a variation of the intensity between alternating interference bands of the high interference bands 1235SIGL of the section SIG which would cause near field errors in the spatial phase shift signals. As in 13D shown overlap, however, for the case an inclination angle Φ nonzero, the low-intensity interference bands 1235PZD and 1235MZD the sections PZ and MZ in the low-intensity regions LO , and the high-intensity interference bands 1235PZL and 1235MZL overlap in the high-intensity regions HI , The regions LO and HI are along a direction transverse to the detected strip movement direction DFMD aligned. The intensity of 1235 in the regions LO and HI equals along the direction transverse to the detected strip movement direction DFMD resulting in a variation in intensity between alternating stripes within the scale light 1235 along the detected strip movement direction DFMD is suppressed. This averaging reduces short-range errors in spatial phase shift signals caused by zero-order scale light associated with the section SIG of the scale light 1235 interferes.

Bei einigen Umsetzungen des verschmutzungsbeständigen optischen Codierers 1200 kann Φ größer als 0,3 Grad und kleiner als 2,0 Grad sein.In some implementations of the stain resistant optical encoder 1200 can Φ greater than 0.3 degrees and less than 2.0 degrees.

Bei einigen Umsetzungen des verschmutzungsbeständigen optischen Codierers 1200 kann jeder der N räumlichen Phasendetektoren eine gerade Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen umfassen.In some implementations of the stain resistant optical encoder 1200 Anyone can do that N spatial phase detectors comprise an even number of scale light receiving areas.

Bei einigen Umsetzungen des verschmutzungsbeständigen optischen Codierers 1200 kann der Abschnitt 1233 zum Generieren einer strukturierten Beleuchtung ein erstes Beugungsgitter der Beleuchtungsquelle (z.B. das erste Beugungsgitter 1040 der Beleuchtungsquelle) und ein zweites Beugungsgitter der Beleuchtungsquelle (z.B. das zweite Beugungsgitter 1050 der Beleuchtungsquelle) umfassen. Das erste Beugungsgitter der Beleuchtungsquelle kann erste Beleuchtungsquellengitterstäbe umfassen, die mit einer ersten Indexteilung P1 in einer ersten Indexebene periodisch angeordnet sind, wobei die ersten Indexgitterstäbe entlang der Messachsenrichtung schmal sind und entlang einer ersten Gitterstabrichtung, die quer zur Messachsenrichtung liegt und im Verhältnis zur Lesekopfebene RHP um einen Winkel ψ1 gedreht ist, länglich sind. Das zweite Beugungsgitter der Beleuchtungsquelle kann zweite Beleuchtungsquellengitterstäbe umfassen, die mit einer zweiten Indexteilung P2 in einer zweiten Indexebene, die zu der ersten Indexebene parallel ist, periodisch angeordnet sind, wobei die zweiten Indexgitterstäbe entlang der Messachsenrichtung schmal sind und entlang einer zweiten Indexgitterstabrichtung, die quer zur Messachsenrichtung liegt und im Verhältnis zur Lesekopfebene RHP um einen Winkel ψ2 gedreht ist, länglich sind. Bei einigen Umsetzungen (z.B. wie zuvor mit Bezug auf 10 beschrieben) kann die Skala 1210 ein Skalengitter umfassen, das ein reflektierendes Gitter ist, der Quellenstrahlengang SOLP kann im Verhältnis zu einer Richtung, die zur Skalenebene SP senkrecht steht, in einem Winkel V orientiert sein, und der Gierwinkel ψSC kann die Gleichung (6) erfüllen. Bei einigen Umsetzungen kann das Licht, das von der Lichtquelle 1230 ausgegeben wird, eine Wellenlänge λ aufweisen, ein Faktor Ω kann durch die Gleichung (5) definiert sein, und der Winkel ψ1 und der Winkel ψ2 können die Gleichung (7) erfüllen. Bei einigen Umsetzungen können das erste Beugungsgitter des Beleuchtungsquellenlichts und das zweite Beugungsgitter des Beleuchtungsquellenlichts Phasengitter sein. Bei einigen Umsetzungen kann die detektierte Streifenperiode PDF mindestens 40 Mikrometer betragen.In some implementations of the stain resistant optical encoder 1200 can the section 1233 for generating a structured illumination, a first diffraction grating of the illumination source (eg, the first diffraction grating 1040 the illumination source) and a second diffraction grating of the illumination source (eg, the second diffraction grating 1050 the illumination source). The first diffraction grating of the illumination source may comprise first illumination source grating bars having a first index pitch P 1 are arranged periodically in a first index plane, wherein the first index grid bars along the measuring axis direction are narrow and along a first lattice rod direction, which is transverse to the measuring axis direction and in relation to the read head RHP by an angle ψ 1 is turned, are elongated. The second diffraction grating of the illumination source may comprise second illumination source grating bars having a second index pitch P 2 are periodically arranged in a second index plane parallel to the first index plane, the second index grid bars being narrow along the measuring axis direction and along a second index grid direction transverse to the measuring axis direction and relative to the reading head plane RHP at an angle ψ 2 is turned, are elongated. In some implementations (eg as previously with reference to 10 described) can the scale 1210 a scale grating which is a reflective grating, the source beam path SOLP can be relative to a direction leading to the scale plane SP is vertical, at an angle V be oriented, and the yaw angle ψ SC can satisfy the equation (6). In some implementations, the light emitted by the light source 1230 is output, a wavelength λ have a factor Ω can be defined by equation (5), and the angle ψ 1 and the angle ψ 2 can satisfy equation (7). In some implementations, the first diffraction grating of the illumination source light and the second diffraction grating of the illumination source light may be phase gratings. In some implementations, the detected stripe period PDF at least 40 microns.

14 ist ein unvollständiges schematisches Diagramm einer ersten Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehpositionsgeberkonfiguration 1400 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Die Codiererkonfiguration 1400 umfasst eine Drehskala 1410, eine Beleuchtungsquelle 1420 und eine Fotodetektorkonfiguration 1460. 15 ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts der Drehskala 1410 aus 14, das zusätzliche Einzelheiten zeigt. Bei der in 14 gezeigten Umsetzung umfasst die Drehskala 1410 ein durchlässiges Gitter. 14 FIG. 10 is an incomplete schematic diagram of a first implementation of a contamination and defect resistant optical rotary position encoder configuration. FIG 1400 for providing displacement signals. The encoder configuration 1400 includes a rotary scale 1410 , a source of illumination 1420 and a photodetector configuration 1460 , 15 is a schematic diagram of a section of the rotary scale 1410 out 14 showing additional details. At the in 14 The implementation shown includes the rotary scale 1410 a permeable grid.

Bei der Codiererkonfiguration 1400 umfasst das periodische Skalenlichtmuster 1435, das detektiert wird, ein Detektorstreifenmuster 1435, das Bänder umfasst, die orientiert sind, um sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA zu erstrecken, und die sich während der Verschiebung des optischen Codierers quer zur Drehmessrichtung entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen.In the encoder configuration 1400 includes the periodic scale light pattern 1435 which is detected, a detector strip pattern 1435 comprising straps oriented to extend over a relatively longer dimension along the measuring axis direction MA and during translation of the optical encoder transversely of the rotational direction of measurement, along a detected strip movement direction DFMD move.

Die Drehskala 1410 erstreckt sich entlang einer Drehmessrichtung θ um eine Drehachse RA herum. Die Drehskala 1410 umfasst ein Drehskalengitter, das Skalengitterstäbe GB umfasst, die in einer Drehfläche entlang der Drehmessrichtung θ angeordnet sind, wobei die Skalengitterstäbe GB entlang der Drehmessrichtung θ schmal sind und entlang einer Richtung der Drehskalengitterstäbe RSGBD quer zur Drehmessrichtung 9 länglich sind, und mit einer Skalenteilung PSF entlang der Drehmessrichtung θ periodisch angeordnet sind. Die Beleuchtungsquelle 1420 umfasst eine Lichtquelle, die kollimiertes Licht 1434 an eine erste Beleuchtungsregion IR1 auf der Drehskala 1410 ausgibt, die konfiguriert ist, um das Licht einzugeben 1434 und eine strukturierte Beleuchtung 1434' entlang einem Strahlengang LP an eine zweite Beleuchtungsregion IR2 auf der Drehskala 1410 auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung 1434' ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Drehmessrichtung 9 schmal sind und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung IFD, die quer zur Drehmessrichtung θ orientiert ist, länglich sind.The rotation scale 1410 extends along a rotational direction θ around a rotation axis RA around. The rotation scale 1410 includes a turnstile lattice, the scale lattice bars GB includes, in a rotating surface along the rotational direction θ are arranged, wherein the scale grid bars GB along the direction of rotation θ narrow and along a direction of the turnstile lattice bars RSGBD transverse to the direction of rotation 9 are elongated, and with a graduation P SF along the direction of rotation θ are arranged periodically. The illumination source 1420 includes a light source, the collimated light 1434 to a first illumination region IR1 on the rotary scale 1410 which is configured to input the light 1434 and a structured lighting 1434 ' along a ray path LP to a second illumination region IR2 on the rotary scale 1410 spend the structured lighting 1434 ' a lighting strip pattern IFP includes, comprising strips along the direction of rotation 9 narrow and along a lighting strip direction IFD , which are transverse to the direction of rotation θ is oriented, are elongated.

Die Codiererkonfiguration 1400 kann ferner entweder einen ersten Spiegel 1471 und einen zweiten Spiegel 1472, um die strukturierte Beleuchtung 1434' zu reflektieren, oder ein erstes Gitter 1473 und ein zweites Gitter 1474, um die strukturierte Beleuchtung 1434' auf die zweite Beleuchtungsregion IR2 zu richten, umfassen. Bei einigen Umsetzungen wird dann die strukturierte Beleuchtung 1434' in der Nähe der Drehachse RA nominell fokussiert. Bei einigen Umsetzungen geht die strukturierte Beleuchtung 1434' in den freien Raum zwischen dem ersten Spiegel 1471 und dem zweiten Spiegel 1472. Bei anderen Umsetzungen können der erste Spiegel 1471 und der zweite Spiegel 1472 ein monolithisches optische Material sein, in dem die strukturierte Beleuchtung 1434' durch interne Reflexionen im Innern des monolithischen optischen Materials reflektiert wird.The encoder configuration 1400 may also be either a first mirror 1471 and a second mirror 1472 to the structured lighting 1434 ' to reflect, or a first grid 1473 and a second grid 1474 to the structured lighting 1434 ' to the second lighting region IR2 to judge. In some implementations then the structured lighting 1434 ' near the axis of rotation RA nominally focused. In some implementations, the structured lighting goes 1434 ' in the free space between the first mirror 1471 and the second mirror 1472 , In other implementations, the first mirror 1471 and the second mirror 1472 be a monolithic optical material in which the structured lighting 1434 ' is reflected by internal reflections inside the monolithic optical material.

Die Fotodetektorkonfiguration 1460 ist ähnlich wie der Fotodetektor 560 und ist mit Bezug auf 6A und 6B zu verstehen. Der Fotodetektor 1460 umfasst einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren, die mit einem Detektorabstand PD (in 6A und 6B gezeigt) entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Drehmessrichtung periodisch angeordnet sind.The photodetector configuration 1460 is similar to the photodetector 560 and is related to 6A and 6B to understand. The photodetector 1460 includes a set of N spatial phase detectors with a detector spacing PD (in 6A and 6B shown) along a detected strip movement direction DFMD are arranged periodically transverse to the direction of rotation.

Die Drehskala 1410 ist konfiguriert, um das Beleuchtungsstreifenmuster IFP an der zweiten Beleuchtungsregion IR2 einzugeben und Skalenlicht auszugeben, das ein Streifenmuster an der Fotodetektorkonfiguration 1460 bildet, wobei das Streifenmuster hoch- und niedrigintensive periodische Bänder umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung 9 erstrecken und relativ schmal sind und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Drehmessrichtung θ periodisch sind.The rotation scale 1410 is configured to match the lighting strip pattern IFP at the second illumination region IR2 to input and output scale light, which is a stripe pattern at the photodetector configuration 1460 wherein the fringe pattern comprises high and low intensity periodic bands extending over a relatively longer dimension along the rotational direction 9 extend and are relatively narrow and with a detected fringe period PDF along the detected strip movement direction DFMD transverse to the direction of rotation θ are periodic.

Die Richtung RGBD der Drehskalengitterstäbe ist mit Bezug auf die Drehachse RA in einem Gierwinkel ψ ungleich null orientiert. Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD liegen quer zur Drehmessrichtung θ und sind mindestens teilweise von dem Gierwinkel ψ ungleich null abhängig, ähnlich wie mit Bezug auf 7 beschrieben. Die hoch- und niedrigintensiven Bänder bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Drehmessrichtung θ, wenn sich die Drehskala 1410 um die Drehachse RA herum dreht. Die Fotodetektorkonfiguration 1460 ist konfiguriert, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zur Drehmessrichtung θ zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Drehskalenverschiebung angeben.The direction RGBB the rotary lattice bars is with respect to the axis of rotation RA in a yaw angle ψ nonzero oriented. The detected stripe period PDF and the detected strip movement direction DFMD lie transverse to the direction of rotation θ and are at least partially of the yaw angle ψ non-zero dependent, similar as with respect to 7 described. The high and low intensity bands move along the detected strip motion direction DFMD transverse to the direction of rotation θ when the rotation scale 1410 around the axis of rotation RA turns around. The photodetector configuration 1460 is configured to shift the high and low intensity bands along the detected strip motion direction DFMD transverse to the direction of rotation θ detect and provide respective spatial phase shift signals indicative of the rotational scale shift.

Bei einigen Umsetzungen kann die Gleichung 6 an eine optische Drehpositionsgeberkonfiguration, wie etwa die optische Drehpositionsgeberkonfiguration 1400, angepasst werden. In diesem Fall stellt die Skala 1410 das Äquivalent der ersten und zweiten Beugungsgitter 540 und 550 des Beleuchtungsquellenlicht bereit, wobei P1 und P2 nun gleich der Skalenteilung PSF sind. Die Skalengitterstäbe GB sind mit Bezug auf das Licht 1434 und die strukturierte Beleuchtung 1434' an der jeweiligen ersten Beleuchtungsregion IR1 und der zweiten Beleuchtungsregion IR2 in gegenüberliegenden Winkeln orientiert. Mit anderen Worten ist ψ1 gleich 2 . Da das Licht 1434 und die strukturierte Beleuchtung 1434' nun nur durch die beiden Gitter gehen, vereinfacht sich für die optische Codiererkonfiguration 1400 die Gleichung 5, um eine Gleichung bereitzustellen, um den Gierwinkel ψ mit der detektierten Streifenteilung PDF in Verbindung zu bringen: Ψ = sin 1 ( P S F P D F )

Figure DE102018251727A1_0010
In some implementations, Equation 6 may be adapted to an optical rotary position encoder configuration, such as the optical rotary position encoder configuration 1400 , be adjusted. In this case, the scale represents 1410 the equivalent of the first and second diffraction gratings 540 and 550 the illumination source light, wherein P 1 and P 2 now equal to the graduation P SF are. The scale lattice bars GB are with respect to the light 1434 and the structured lighting 1434 ' at the respective first illumination region IR1 and the second illumination region IR2 oriented in opposite angles. In other words ψ 1 equal 2 , Because the light 1434 and the structured lighting 1434 ' Now only go through the two grids, simplified for the optical encoder configuration 1400 Equation 5, to provide an equation, the yaw angle ψ with the detected strip division PDF to connect: Ψ = sin - 1 ( P S F P D F )
Figure DE102018251727A1_0010

Das zweifache Bereitstellen der Beleuchtung 1434 und 1434', die auf die Drehskala 1410 einfällt (d.h. an der ersten Beleuchtungsregion IR1 und der zweiten Beleuchtungsregion IR2), ermöglicht eine höhere Auflösung von Verschiebungsmessungen sowie die Korrektur eines Drehversatzes, der zu einer Linie rechtwinklig ist, die durch die erste Beleuchtungsregion IR1 und die zweite Beleuchtungsregion IR2 geht.Double the lighting 1434 and 1434 ' pointing to the rotation scale 1410 is incident (ie at the first illumination region IR1 and the second illumination region IR2 ), allows higher resolution of displacement measurements as well as the correction of a rotational offset perpendicular to a line passing through the first illumination region IR1 and the second illumination region IR2 goes.

16 ist ein unvollständiges schematisches Diagramm einer ersten Umsetzung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehpositionsgeberkonfiguration 1600 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Die optische Drehpositionsgeberkonfiguration 1600 ist ähnlich wie die Codiererkonfiguration 1400. Ähnliche Bezugszeichen 14XX in 14 und 16XX in 16 können sich auf ähnliche Elemente beziehen, soweit durch den Zusammenhang oder die Beschreibung nicht anderweitig angegeben. Wie in 16 gezeigt, umfasst die optische Drehpositionsgeberkonfiguration 1600 eine Drehskala 1610, die ein reflektierendes Gitter umfasst. 16 FIG. 10 is an incomplete schematic diagram of a first implementation of a contamination and defect resistant optical rotary position encoder configuration. FIG 1600 for providing displacement signals. The optical rotary encoder configuration 1600 is similar to the encoder configuration 1400 , Similar reference numbers 14XX in 14 and 16 XX in 16 may refer to similar elements unless otherwise indicated by the context or the description. As in 16 includes the optical rotary position encoder configuration 1600 a rotary scale 1610 which includes a reflective grid.

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. While preferred implementations of the present disclosure have been illustrated and described, many variations of the illustrated and described arrangements of features and sequences will be apparent to those skilled in the art based on the present disclosure. Various alternative forms may be used to implement the principles disclosed herein. In addition, the various reactions described above can be combined to provide further reactions. All US patents and US patent applications referred to in the present specification are hereby incorporated by reference in their entirety. Aspects of the implementations may be changed as needed to use the concepts of the various patents and applications to provide further implementations.

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.These and other changes may be made to the implementations in light of the description previously given. In general, in the following claims, the terms used are not to be construed to limit the claims to the specific implementations disclosed in the specification and claims, but are intended to cover all possible implementations, along with the full scope of equivalents thereof these claims are entitled to include.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 5237391 [0004]US 5237391 [0004]
  • US 5442166 [0004]US 5442166 [0004]
  • US 4964727 [0004]US 4964727 [0004]
  • US 4414754 [0004]US 4414754 [0004]
  • US 4109389 [0004]US 4109389 [0004]
  • US 5773820 [0004]US 5773820 [0004]
  • US 5010655 [0004]US 5010655 [0004]
  • US 8941052 [0005]US 8941052 [0005]
  • US 9018578 [0005]US9018578 [0005]
  • US 9029757 [0005]US 9029757 [0005]
  • US 9080899 [0005]US9080899 [0005]
  • JP 2003065803 [0006]JP 2003065803 [0006]
  • US 8493572 [0007]US 8493572 [0007]

Claims (9)

Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehpositionsgeberkonfiguration zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen, umfassend: eine Drehskala, die sich entlang einer Drehmessrichtung um eine Drehachse herum erstreckt, wobei die Drehskala ein Drehskalengitter umfasst, das Skalengitterstäbe umfasst, die in einer Drehfläche entlang der Drehmessrichtung angeordnet sind, wobei die Skalengitterstäbe entlang der Drehmessrichtung schmal sind und entlang einer Richtung der Drehskalengitterstäbe quer zur Drehmessrichtung länglich sind und mit einer Skalenteilung PSF entlang der Drehmessrichtung periodisch angeordnet sind; eine Beleuchtungsquelle, die eine Lichtquelle umfasst, die kollimiertes Licht an eine erste Beleuchtungsregion an der Drehskala ausgibt, die konfiguriert ist, um das Licht einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung entlang einem Strahlengang LP an eine zweite Beleuchtungsregion auf der Drehskala auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung ein Beleuchtungsstreifenmuster umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Drehmessrichtung schmal sind und entlang einer Beleuchtungsmusterrichtung, die quer zur Drehmessrichtung orientiert ist, länglich sind; und eine Fotodetektorkonfiguration, die einen Satz von N räumlichen Phasendetektoren umfasst, die mit einem Detektorabstand PD entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung 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 Drehmessrichtung erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung relativ schmal ist, und der Satz von N räumlichen Phasendetektoren in einer räumlichen Phasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet ist; wobei: das Drehskalengitter konfiguriert ist, um das Beleuchtungsstreifenmuster an der zweiten Beleuchtungsregion einzugeben, und Skalenlicht, das ein Streifenmuster bildet, an der Fotodetektorkonfiguration auszugeben, wobei das Streifenmuster hoch- und niedrigintensive periodische Bänder umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung erstrecken und relativ schmal sind und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung periodisch sind; die Richtung der Drehskalengitterstäbe mit Bezug auf die Drehachse in einem Gierwinkel ψ ungleich null orientiert ist; die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung liegen und mindestens teilweise von dem Gierwinkel ψ ungleich null abhängig sind; sich die hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung bewegen, wenn sich das Skalengitter um die Drehachse herum dreht; und die Fotodetektorkonfiguration konfiguriert ist, um eine Verschiebung der hoch- und niedrigintensiven Bänder entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung zu detektieren und jeweilige räumliche Phasenverschiebungssignale bereitzustellen, welche die Drehskalenverschiebung angeben. A fouling and defect resistant optical rotary position encoder configuration for providing displacement signals, comprising: a rotary scale extending along a rotational direction about an axis of rotation, the rotary scale comprising a rotary scale grating comprising scale grid bars disposed in a rotary surface along the rotary measuring direction; Scale grating bars are narrow along the rotational direction and are elongated along a direction of the rotary grate bars transverse to the rotation measuring direction and are periodically arranged with a scale pitch P SF along the rotation measuring direction; an illumination source comprising a light source outputting collimated light to a first illumination region on the rotation scale configured to input the light and output structured illumination along a beam path LP to a second illumination region on the rotation scale, the structured illumination entering An illumination strip pattern comprising strips narrow along the rotational direction and elongate along a illumination pattern direction oriented transverse to the direction of rotation; and a photodetector configuration comprising a set of N spatial phase detectors periodically spaced at a detector spacing PD along a detected strip move direction transverse to the rotation direction, each spatial phase detector configured to provide a respective spatial phase detector signal, and at least a majority of the respective ones spatial phase detectors over a relatively longer dimension along the rotational direction and is relatively narrow along the detected strip movement direction transverse to the rotational direction, and the set of N spatial phase detectors is arranged in a spatial phase sequence along the detected strip movement direction; wherein: the rotation-scale grille is configured to input the illumination-stripe pattern at the second illumination region and output scale light forming a stripe pattern on the photodetector configuration, the stripe pattern comprising high and low intensity periodic bands extending over a relatively longer dimension along the rotational direction extend and are relatively narrow and periodic with a detected fringe period PDF along the detected strip movement direction transverse to the direction of rotation; the direction of the rotary lattice bars is oriented with respect to the axis of rotation at a yaw angle ψ not equal to zero; the detected strip period PDF and the detected strip movement direction are transverse to the direction of rotation and at least partially dependent on the yaw angle ψ not equal to zero; the high and low intensity bands move transversely to the direction of rotation of the scan along the detected strip movement direction as the scale grid rotates about the axis of rotation; and the photodetector configuration is configured to detect a shift of the high and low intensity bands along the detected strip movement direction transverse to the rotation direction and to provide respective spatial phase shift signals indicative of the rotation scale offset. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehpositionsgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei jeder der N räumlichen Phasendetektoren eine gerade Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen umfasst.Pollution and defect resistant optical rotary position encoder configuration Claim 1 wherein each of the N spatial phase detectors comprises an even number of scale light receiving areas. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die detektierte Streifenperiode PDF mindestens 40 Mikrometer beträgt.Pollution and defect resistant optical encoder configuration according to Claim 1 wherein the detected stripe period PDF is at least 40 microns. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei das Drehskalengitter ein durchlässiges Gitter ist.Pollution and defect resistant optical encoder configuration according to Claim 1 , wherein the rotary grate is a permeable grating. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei das Drehskalengitter ein reflektierendes Gitter ist.Pollution and defect resistant optical encoder configuration according to Claim 1 wherein the rotary grate is a reflective grating. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, wobei der Gierwinkel ψ die Beziehung: Ψ = sin 1 ( P S F P D F )
Figure DE102018251727A1_0011
erfüllt.
Pollution and defect resistant optical encoder configuration according to Claim 1 , where the yaw angle ψ the relationship: Ψ = sin - 1 ( P S F P D F )
Figure DE102018251727A1_0011
Fulfills.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, ferner umfassend einen ersten Spiegel und einen zweiten Spiegel, um die strukturierte Beleuchtung auf die zweite Beleuchtungsregion zu richten.Pollution and defect resistant optical encoder configuration according to Claim 1 further comprising a first mirror and a second mirror for directing the structured illumination to the second illumination region. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 7, wobei der erste Spiegel und der zweite Spiegel Oberflächen aus einem monolithischen optischen Material sind.Pollution and defect resistant optical encoder configuration according to Claim 7 wherein the first mirror and the second mirror are surfaces of a monolithic optical material. Verschmutzungs- und defektbeständige optische Codiererkonfiguration nach Anspruch 1, ferner umfassend ein erstes Gitter und ein zweites Gitter, um die strukturierte Beleuchtung auf die zweite Beleuchtungsregion zu richten.Pollution and defect resistant optical encoder configuration according to Claim 1 further comprising a first grid and a second grid for directing the structured illumination to the second illumination region.
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