DE102019214895A1

DE102019214895A1 - Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration zum Liefern von Verschiebungssignalen

Info

Publication number: DE102019214895A1
Application number: DE102019214895.6A
Authority: DE
Inventors: Joseph Daniel Tobiason
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2020-04-02
Also published as: CN110967047A; JP2020056786A; CN110967047B

Abstract

Eine optische Geberkonfiguration umfasst eine zylindrische oder planare Drehskala mit gegierten Gitterstäben, eine Beleuchtungsquelle, eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung (SIGA) und eine Detektoranordnung mit einem Photodetektor. Die SIGA ist dazu ausgelegt, Quellenlicht in einen ersten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala einzugeben, der Licht zu einer Strahlablenkungskonfiguration beugt, die das gebeugte Licht in einer Form durchlässt, die ein bestimmtes Streifenmuster in der Nähe eines zweiten Beleuchtungsbereichs auf der Skala liefert. Die Skala filtert dieses Licht und gibt es aus, um ein Detektorstreifenmuster aus Intensitätsbändern zu bilden, die entlang der Drehmessrichtung lang und entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung (DFMD) quer zu der Drehmessrichtung relativ schmal und periodisch sind. Der Photodetektor ist dazu ausgelegt, eine Position der Intensitätsbänder als eine Funktion der Drehskalenverschiebung zu detektieren und entsprechende Verschiebungs- oder Positionssignale zu liefern.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung ist eine „Continuation-in-part“ der US-Patentanmeldung mit der Ifd. Nr. 16/146,617 unter dem Titel „"CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS", eingereicht am 28. September 2018, die eine „Continuation-in-part“ der US-Patentanmeldung mit der Ifd. Nr. 15/942,135 unter dem Titel „CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS", eingereicht am 30. März 2018, ist, die eine „Continuation-in-part“ der US-Patentanmeldung mit der Ifd. Nr. 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 „Continuation-in-part“ der US-Patentanmeldung mit der Ifd. Nr. 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 „Continuation-in-part“ der US-Patentanmeldung mit der Ifd. Nr. 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.
Hintergrund
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Instrumente zur präzisen Positions- oder Verschiebungsmessung und insbesondere eine Geberkonfiguration mit Signalverarbeitung, die fehlerbeständig ist und mit einem verschmutzten oder defekten Abschnitt einer Skala verknüpft sein kann.
Beschreibung des Stands der Technik
Optische Positionsgeber bestimmen die Verschiebung eines Lesekopfs relativ zu einer Skala, die ein Muster aufweist, 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 sich aus dieser Skalenspur ergeben, 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 zu bieten.
Optische Geber können Skalenstrukturen mit inkrementalen oder absoluten Positionen verwenden. Eine Skalenstruktur mit inkrementalen Positionen ermöglicht es, die Verschiebung eines Lesekopfs relativ zu einer Skala zu bestimmen, indem inkrementale Verschiebungseinheiten beginnend mit einem Anfangspunkt entlang der Skala kumuliert werden. Derartige Geber sind für gewisse Anwendungen, insbesondere solche, bei denen Netzstrom verfügbar ist, geeignet. Bei Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme (z. B. batteriebetriebenen Messgeräten oder dergleichen) ist es eher wünschenswert, Skalenstrukturen mit absoluten Positionen zu verwenden. Skalenstrukturen mit absoluten Positionen liefern ein einzigartiges Ausgabesignal oder Kombination von Signalen an jeder Position entlang einer Skala 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 Geberkonfigurationen und/oder Signalverarbeitungstechniken, die für Absolut-Positionsgeber relevant sind, und werden hiermit durch Bezugnahme vollständig übernommen.
Einige Geberkonfigurationen bieten gewisse Vorteile, indem sie ein Lichtbeugungsgitter der Beleuchtungsquelle in einem Beleuchtungsabschnitt der Geberkonfiguration verwenden. Die US-Patente Nr. 8,941,052 ; 9,018,578 ; 9,029,757 und 9,080,899 , die jeweils hier durch Bezugnahme vollständig übernommen werden, offenbaren derartige Geberkonfigurationen. Einige der Konfigurationen, die in diesen Patenten offenbart werden, können auch dadurch gekennzeichnet sein, dass sie eine superauflösende Moire-Abbildung verwenden.
Bei diversen Anwendungen können Skalenherstellungsdefekte oder Verschmutzungen wie etwa Staub oder Öle auf einer Skalenspur das Muster stören, das durch den Lesekopf detektiert wird, wodurch Fehler in den sich ergebenden Positions- oder Verschiebungsmessungen erzeugt werden. Im Allgemeinen kann die Größe von Fehlern, die auf einen Defekt oder eine Verschmutzung zurückzuführen sind, von Faktoren wie etwa der Größe des Defekts oder der Verschmutzung, 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 Geber zu reagieren. Fast alle diese Verfahren basieren darauf, die Gebersignale zu deaktivieren oder ein „Fehlersignal“ zu liefern, um den Anwender zu warnen, oder die Intensität einer Lichtquelle anzupassen, um schwache Signale zu verstärken, oder dergleichen. Derartige Verfahren bieten jedoch kein Mittel, um trotz der anormalen Signale, die aus gewissen Arten von Defekten und Verschmutzungen der Skala entstehen, genaue Messvorgänge fortzusetzen. Daher ist die Nützlichkeit dieser Verfahren begrenzt. Ein bekanntes Verfahren, das die Wirkungen von Skalenverschmutzungen oder -defekten auf die Messgenauigkeit tatsächlich mindert, wird in der japanischen Patentanmeldung JP2003-065803 (Anmeldung '803) offenbart. Die Anmeldung '803 lehrt ein Verfahren, bei dem zwei oder mehrere Photodetektoren periodische Signale ausgeben, welche die gleiche Phase aufweisen und jeweils in jeweilige Mittel zum Beurteilen der Signalstabilität eingegeben werden. Die Mittel zum Beurteilen der Signalstabilität geben nur Signale aus, die als „normal“ beurteilt werden, und „normale“ Signale werden als Basis für die Positionsmessung kombiniert. Signale, die „anormal“ sind, werden aus den Positionsmessberechnungen ausgeschlossen. Die Verfahren zum Beurteilen von „normalen“ und „anormalen“ Signalen, die in der Anmeldung '803 offenbart sind, weisen jedoch gewisse Nachteile auf, welche die Nützlichkeit der Lehren der Anmeldung '803 einschränken.
Das US-Patent Nr. 8,493,572 (Patent '572) offenbart eine verschmutzungs- und defektbeständige optische Geberkonfiguration, die ein Mittel bereitstellt, um Signale aus Photodetektorelementen auszuwählen, die keiner Verschmutzung unterworfen sind. Das Patent '572 beruht jedoch auf einer aufwendigen Signalverarbeitung, die bei einigen Anwendungen weniger wünschenswert sein kann.
Verbesserte Verfahren zum Bereitstellen von genauen Messvorgängen, die aus gewissen Arten von Defekten oder Verschmutzungen der Skala entstehende anormale Signale vermeiden oder mindern, ohne eine aufwendige Signalverarbeitung zu benötigen, wären wünschenswert.
Kurzzusammenfassung
Eine verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration zum Liefern von Verschiebungssignalen umfasst mindestens einen ersten Messkanal, der eine Drehskala, eine Beleuchtungsquelle, eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung und eine Detektoranordnung umfasst. In einigen Implementierungen kann die optische Drehgeberkonfiguration dazu ausgelegt sein, eine Drehskala zu verwenden, die eine zylindrische Skala ist. In einigen Implementierungen kann die optische Drehgeberkonfiguration dazu ausgelegt sein, eine Drehskala zu verwenden, die eine planare (z. B. kreisförmige) Skala ist.
In jedem Fall erstreckt sich die Drehskala entlang einer Drehmessrichtung um eine Drehachse, die senkrecht zu einer Drehebene ist. Die Drehskala umfasst ein Drehskalengitter mit Skalengitterstäben, die auf einer Drehfläche angeordnet sind, die sich entlang der Drehmessrichtung erstreckt. Die Skalengitterstäbe sind entlang der Drehmessrichtung schmal und entlang einer Drehskalengitterstabsrichtung quer zu der Drehmessrichtung länglich und sind periodisch mit einer nominellen Skalenteilung P_SF entlang der Drehmessrichtung angeordnet. Die Beleuchtungsquelle umfasst eine Lichtquelle, die Quellenlicht an eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung ausgibt, wobei die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung einen ersten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala, eine Strahlablenkerkonfiguration, die mindestens ein erstes und ein zweites Ablenkerelement umfasst, und einen zweiten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala umfasst, wobei die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung dazu ausgelegt ist, das Quellenlicht in den ersten Beleuchtungsbereich einzugeben, der das Quellenlicht beugt und als strukturiertes Beleuchtungslicht an die Strahlablenkerkonfiguration ausgibt, die dazu ausgelegt ist, zu verursachen, dass sich gebeugte Strahlen des strukturierten Beleuchtungslichts überkreuzen, und das resultierende strukturierte Beleuchtungslicht zu transmittieren, so dass es den zweiten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala überlappt und ein Beleuchtungsstreifenmuster in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs bildet, das auf den Detektor einfällt, wobei das Beleuchtungsstreifenmuster Streifen umfasst, die entlang der Drehmessrichtung schmal und entlang einer quer zur Drehmessrichtung ausgerichteten Beleuchtungsstreifenrichtung länglich sind.
Es sollte beachtet werden, dass sich der Begriff „strukturiertes Beleuchtungslicht“, wie er hier verwendet wird, auf Lichtstrahlen oder Strahlen beziehen kann, die interferieren, um Interferenzstreifen oder strukturierte Beleuchtung irgendwo entlang ihres optischen Weges zu bilden. An einigen Stellen entlang ihres optischen Weges können solche Lichtstrahlen oder Strahlen getrennt und nicht interferierend sein und/oder möglicherweise keine aktive „strukturierte Beleuchtung“ bereitstellen. Selbst an solchen Stellen können solche Lichtstrahlen oder Strahlen jedoch weiterhin als „strukturiertes Beleuchtungslicht“ bezeichnet werden, weil dies ihr wichtiger Zweck oder ihre wichtige Funktion während des Betriebs der hier offenbarten Konfigurationen ist.
Es sollte beachtet werden, dass der Begriff „Überkreuzung“, wie er hier in Bezug auf gebeugte Strahlen oder Ordnungen von gebeugtem Licht verwendet wird, sich auf jede Strahlengangkonfigurationen für solche Strahlen bezieht, die zu Gitterbeugungen in dem ersten und dem zweiten Beleuchtungsbereich führt. wodurch verstärkende oder additive Raumphasenänderungen in einem Detektorstreifenmuster verursacht werden, das in dem Skalenlicht aus dem zweiten Beleuchtungsbereich ausgegeben wird, wie es weiter unten beschrieben ist. Der Begriff „Überkreuzung“ wird für solche Strahlengangkonfigurationen verwendet, da verschiedene Strahlablenkerkonfigurationen diese Anforderung für den ersten und zweiten Beleuchtungsbereich auf gegenüberliegenden Seiten einer Drehskala erfüllen, indem sie zwei divergierende Strahlen gebeugten Lichts so ablenken, dass sie konvergieren und einander „überkreuzen“ (z. B. in der Nähe der Drehachse und/oder der Mitte ihrer optischen Wege), bevor zusätzliche Ablenkungen erzeugt werden, die bewirken, dass diese beiden Strahlen in dem zweiten Beleuchtungsbereich konvergieren und überlappen.
Die Detektoranordnung umfasst eine Photodetektorkonfiguration, die einen Satz von N Raumphasendetektoren umfasst, die periodisch mit einem Detektorabstand PD entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet sind, die quer zu der Drehmessrichtung verläuft, wobei jeder Detektoranordnung dazu ausgelegt ist, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern, und zumindest ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren erstreckt sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung und sind entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zur Drehmessrichtung relativ schmal, und der Satz von N Raumphasendetektoren ist in einer Raumphasenfolge entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet. In verschiedenen Implementierungen des verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgebers können die vorgenannten Elemente wie folgt konfiguriert sein:

Die Drehskala kann so ausgebildet sein, dass die Drehskalen-Gitterstabrichtung unter einem von null verschiedenen Gierwinkel ψ relativ zu einer Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung und entlang der Drehfläche ausgerichtet ist. Die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung kann so ausgebildet sein, dass die Beleuchtungsstreifenrichtung des Beleuchtungsstreifenmusters in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs auf der Drehskala in einem nominellen Streifenrichtungs-Gierwinkel ausgerichtet ist, der um einen von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA relativ zu der Skalengitterstabrichtung in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs auf der Drehskala gedreht ist. Das Drehskalengitter kann dazu ausgelegt sein, das Beleuchtungsstreifenmuster in den zweiten Beleuchtungsbereich einzugeben und Skalenlicht auszugeben, das ein periodisches Skalenlichtmuster mit einem Detektorstreifenmuster in der Photodetektorkonfiguration bildet, wobei das Detektorstreifenmuster periodische Bänder hoher und niedriger Intensität umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang einer Richtung parallel zu der Drehmessrichtung erstrecken und relativ schmal und periodisch mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung sind. Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung können quer zu der Drehmessrichtung sein und hängen zumindest teilweise von dem von null verschiedenen Gierwinkel ψ ab. Die Bänder hoher und niedriger Intensität bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung, wenn sich das Skalengitter um die Drehachse dreht. Die Photodetektorkonfiguration ist dazu ausgelegt, eine Verschiebung der Bänder hoher und niedriger Intensität entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, die die Drehskalenverschiebung angeben.

In verschiedenen oben dargelegten Implementierungen beträgt der von null verschiedene Gierdifferenzwinkel YDA nominell -2ψ. In verschiedenen Implementierungen umfasst jeder der N Raumphasendetektoren eine gerade Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen. In verschiedenen Implementierungen kann die detektierte Streifenperiode PDF mindestens 40 Mikrometer betragen. In verschiedenen Implementierungen kann die Strahlablenkerkonfiguration einen transparenten optischen Block umfassen und die Ablenkerelemente der Strahlablenkerkonfiguration können Oberflächen des transparenten optischen Blocks oder Elemente, die auf Oberflächen des transparenten optischen Blocks ausgebildet oder an diesen angebracht sind, umfassen.
Wie bereits erwähnt ist in einigen Implementierungen die Konfiguration des optischen Drehgebers ein „zylindrischer Drehgeber“, der dazu ausgelegt ist, eine Skalendrehskala vom Zylindertyp zu verwenden. Die Skalendrehskala vom Zylindertyp weist eine nominell zylindrische Drehfläche mit darauf angeordneten Skalengitterstäben auf. In solchen Implementierungen können der erste und der zweite Beleuchtungsbereich in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers der zylindrischen Drehskala angeordnet sein, und die Beleuchtungsquelle ist dazu ausgelegt, das Quellenlicht an den ersten Beleuchtungsbereich entlang einer Linie auszugeben, die den ersten und den zweiten Beleuchtungsbereich schneidet.
Bei einigen derartigen zylindrischen Drehgeberimplementierungen ist die Strahlablenkerkonfiguration in einem Volumen angeordnet, das durch einen Vorsprung der zylindrischen Drehfläche entlang der Richtung der Drehachse begrenzt ist.
In einigen derartigen zylindrischen Drehgeberimplementierungen ist die Strahlablenkerkonfiguration dazu ausgelegt, jeweilige divergierende Strahlen des gebeugten Quellenlichts, das von dem ersten Beleuchtungsbereich ausgegeben wird, zu empfangen und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse so kreuzen, dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge fortsetzen, und diese jeweiligen Strahlen zu empfangen und so abzulenken, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge fortsetzen, um in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs zu überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster zu bilden. In einigen derartigen Implementierungen umfasst die Strahlablenkerkonfiguration erste und zweite parallele planare Spiegel oder Gitter, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse befinden und die jeweilige Oberflächenebenen aufweisen, die sich parallel zu einem Durchmesser der zylindrischen Drehskala erstrecken, die den ersten und zweiten Beleuchtungsbereich schneidet, und die jeweils so ausgerichtet sind, dass sie jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts empfangen, das von dem ersten Beleuchtungsbereich ausgegeben wird, wobei der erste und der zweite parallele planare Spiegel oder das Gitter ferner dazu ausgelegt sind, die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts empfangen, das von dem ersten Beleuchtungsbereich ausgegeben wird, und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen und sich entlang divergierender Strahlengänge fortsetzen, und diese jeweiligen Strahlen zu empfangen und so abzulenken, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge fortsetzen, um sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs zu überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster zu bilden. Bei anderen derartigen Implementierungen sind die Beleuchtungsquelle und/oder die Strahlablenkerkonfiguration so ausgelegt, dass die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts nahe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse fokussiert werden, und/oder die Strahlablenkerkonfiguration und die Detektoranordnung so ausgelegt, dass das ausgegebene reflektierte Skalenlicht, das das periodische Skalenlichtmuster bildet, das das Detektorstreifenmuster umfasst, nominell an der Photodetektorkonfiguration kollimiert wird.
In einigen solchen zylindrischen Drehgeberimplementierungen umfasst die verschmutzungs- und defektbeständige optische Geberkonfiguration ferner mindestens einen zweiten Messkanal, der der beanspruchten Konfiguration des ersten Messkanals entspricht, wobei eine Kombination der jeweiligen Raumphasenverschiebungssignale des ersten und des zweiten Messkanals oder daraus abgeleitete Messungen mögliche Fehlausrichtungsfehler, die ansonsten in ihren einzelnen Raumphasenverschiebungssignalen oder daraus abgeleiteten Messungen auftreten können, mildern oder kompensieren. In einigen derartigen Implementierungen umfasst der erste Messkanal die Skalengitterstäbe, die mit dem Gierwinkel ψ entlang einer ersten Skalenspur auf der Drehskala angeordnet sind, der zweite Messkanal umfasst die Skalengitterstäbe, die mit einem Gierwinkel -ψ entlang einer zweiten Skalenspur, die entlang der Richtung der Drehachse von der ersten Skalenspur beabstandet ist, auf der Drehskala angeordnet sind; und eine einzelne Strahlablenkerkonfiguration, die von dem ersten und dem zweiten Messkanal gemeinsam genutzt wird.
Wie bereits erwähnt, ist in einigen Implementierungen die optische Drehgeberkonfiguration ein „planarer Drehgeber“, der dazu ausgelegt ist, eine planare (z. B. kreisförmige) Drehskala zu nutzen.
Verschiedene derartige planare Drehgeber können eine durchlässige oder reflektierende planare Drehgeberimplementierung verwenden, wobei die planare kreisförmige Drehskala eine planare Drehfläche mit Skalengitterstäben, die in einem konstanten Winkelabstand APSF darauf angeordnet sind, umfasst. Bei reflektierenden planaren Drehgeberimplementierungen sind die Beleuchtungsquelle, die Strahlablenkerkonfiguration und die Detektoranordnung des ersten Messkanals alle auf derselben Seite der Drehskala angeordnet. Der erste und der zweite Beleuchtungsbereich befinden sich in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers der Drehskala und die Beleuchtungsquelle ist dazu ausgelegt, das Quellenlicht an den ersten Beleuchtungsbereich entlang einer Ebene, die den ersten und den zweiten Beleuchtungsbereich schneidet, und unter einem Einfallswinkel relativ zu der planaren Drehfläche in dieser Ebene auszugeben. Die Strahlablenkerkonfiguration ist dazu ausgelegt, jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts, das von dem ersten Beleuchtungsbereich reflektiert und ausgegeben wird, zu empfangen und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen, abzulenken und diese jeweiligen Strahlen in der Nähe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse so zu reflektieren, so dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge fortsetzen, und diese jeweiligen Strahlen zu empfangen und so abzulenken, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge fortsetzen, um sich nahe dem zweiten Beleuchtungsbereich zu überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster zu bilden, und der zweite Beleuchtungsbereich dazu ausgelegt ist, das Beleuchtungsstreifenmuster einzugeben und reflektiertes Skalenlicht in einem Einfallswinkel relativ zur planaren Drehfläche auszugeben, um das periodische Skalenlichtmuster, das das Detektorstreifenmuster umfasst, in der Photodetektorkonfiguration zu bilden.
In einigen derartigen reflektierenden planaren Drehgeberimplementierungen sind die Beleuchtungsquelle und/oder die Strahlablenkerkonfiguration derart ausgelegt, dass die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts in der Nähe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse fokussiert werden, und die Strahlablenkerkonfiguration und/oder die Detektoranordnung sind derart ausgelegt, dass das reflektierte Skalenlicht, das das periodische Skalenlichtmuster bildet, das das Detektorstreifenmuster umfasst, nominell in der Photodetektorkonfiguration kollimiert wird.
In einigen derartigen reflektierenden planaren Drehgeberimplementierungen befinden sich der erste und der zweite Beleuchtungsbereich in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers durch die Drehachse der Drehskala und die Beleuchtungsquelle ist dazu ausgelegt, das Quellenlicht an den ersten Beleuchtungsbereich entlang einer nominellen Beleuchtungsebene auszugeben, die zur planaren Drehfläche normal und nominell parallel zu diesem Durchmesser ist und von diesem Durchmesser um eine nominellen Beleuchtungsebenenversatz versetzt ist. Der erste und der zweite Beleuchtungsbereich sind jeweils um den nominellen Beleuchtungsebenenversatz von diesem Durchmesser versetzt und der nominelle Beleuchtungsebenenversatz ist dazu ausgelegt, die nominelle Beleuchtungsebene parallel zu der nominellen oder durchschnittlichen Ausrichtung der Skalengitterstäbe in dem zweiten Beleuchtungsbereich, die den von null verschiedenen Gierwinkel ψ relativ zu der Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung und entlang der Drehfläche haben, auszurichten, was dazu führt, dass der Gierwinkel der nominellen Streifenrichtung um den von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA relativ zu der nominellen Beleuchtungsebene in dem zweiten Beleuchtungsbereich gedreht ist. In einigen solchen Implementierungen ist der von null verschiedene Gierdifferenzwinkel YDA vorteilhafterweise so ausgelegt, dass er das Zweifache des von null verschiedenen Gierwinkels ψ beträgt.
In einigen solchen reflektierenden planaren Drehgeberimplementierungen umfasst die Strahlablenkerkonfiguration ein erstes und ein zweites Paar von durchlässigen Gittern und einen Überkreuzungsbereichsreflektor. Das erste Paar von durchlässigen Gittern ist auf einer planaren Oberfläche angeordnet, die nominell parallel zu der Drehebene ist, und die jeweiligen Gitter dieses Paares sind angeordnet, um jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts zu empfangen, das von dem ersten Beleuchtungsbereich reflektiert und ausgegeben wird, und die jeweiligen Gitter dieses Paares umfassen jeweils Gitterstäbe, die dazu ausgelegt sind, ihre jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen. Der Überkreuzungsbereichsreflektor befindet sich in der Nähe der Stelle, an der sich die konvergierenden Strahlengänge in der Nähe der Drehachse kreuzen, und ist dazu ausgelegt, diese jeweiligen Strahlen so zu reflektieren, dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge aus dem Überkreuzungsbereichsreflektor fortsetzen. Das zweite Paar von durchlässigen Gittern ist auf einer planaren Oberfläche angeordnet, die nominell parallel zu der Drehebene ist, und die jeweiligen Gitter dieses Paares sind so angeordnet, dass sie jeweilige Strahlen entlang der divergierenden Strahlengänge empfangen, und die jeweiligen Gitter dieses Paares umfassen jeweils Gitterstäbe, die dazu ausgelegt sind, diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge so abzulenken, dass sie sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster bilden. In einigen derartigen Implementierungen sind in dem ersten Paar von durchlässigen Gittern die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils dazu ausgelegt, kollimiertes Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu empfangen, und umfassen gekrümmte Gitterstäbe, die dazu ausgelegt sind, ihre jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen, abzulenken und die jeweiligen Strahlen in der Nähe der Drehachse zu fokussieren. In dem zweiten Paar von durchlässigen Gittern sind die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils dazu ausgelegt, divergierendes Licht in ihren jeweiligen Strahlen empfangen, und umfassen gekrümmte Gitterstäbe, die dazu ausgelegt sind, das Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu kollimieren und abzulenken, um entlang konvergierender Strahlengänge kollimierte Lichtstrahlen so bereitzustellen, dass sie in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster bilden. In einigen derartigen Implementierungen umfasst der Überkreuzungsbereichsreflektor eine gekrümmte Oberfläche.
Figurenliste
Die vorstehenden Aspekte und zahlreiche der dazugehörigen Vorteile werden einfacher ersichtlich, wenn sie mit Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.

1 ist ein teilweise schematisches auseinandergezogenes Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration zum Liefern von Verschiebungssignalen.
2 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration zum Liefern von Verschiebungssignalen.
3 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer Photodetektorkonfiguration einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration.
4A ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Photodetektorkonfiguration einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration.
4B ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Photodetektorkonfiguration einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration.
5 ein teilweise schematisches Diagramm einer zusätzlichen Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration zum Liefern von Verschiebungssignalen, wobei sich ein Detektorstreifenmuster während der Verschiebung des optischen Gebers quer zur Messachsenrichtung bewegt.
6A ist ein schematisches Diagramm, das eine erste Ansicht der Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden, die Raumphasendetektoren umfasst, die ungefähr entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zu der Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind.
6B ist ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden, die Raumphasendetektoren umfasst, die ungefähr entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zur Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind.
7 ist eine Graph von Eigenschaften eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Gebers ähnlich dem optischen Geber, der in 5 und 6 dargestellt ist, der eine detektierte Streifenperiode aufgetragen über einem Gierwinkel der Beleuchtungsstreifen enthält.
8 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Photodetektorkonfiguration, die in einem verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geber ähnlich dem optischen Geber, der in 5 und 6 dargestellt ist, verwendbar ist, wobei die Photodetektorkonfiguration Raumphasendetektoren umfasst, die ungefähr entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zu der Messachsenrichtung periodisch angeordnet sind.
9A ist ein detailliertes schematisches Diagramm eines Abschnitts einer weiteren beispielhaften Photodetektorkonfiguration eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Gebers, die ähnlich der Photodetektorkonfiguration ist, die in 8 gezeigt ist.
9B ist ein detailliertes schematisches Diagramm eines Abschnitts einer weiteren beispielhaften Photodetektorkonfiguration eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Gebers, die ähnlich der Photodetektorkonfiguration ist, die in 8 gezeigt ist.
10 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer zusätzlichen Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfigu ration.
11A ist ein schematisches Diagramm eines ersten Beleuchtungsquellen-Beugungsgitters.
11B ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Beleuchtungsquellen-Beugungsgitters.
12 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer zusätzlichen Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfigu ration.
13A ist ein schematisches Diagramm, das eine erste Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden.
13B ist ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden.
13C ist ein schematisches Diagramm, das eine dritte Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden.
13D ist ein schematisches Diagramm, das eine vierte Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Detektorstreifenmuster in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden.
14 ist eine teilweise schematische isometrische Ansicht einer ersten Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration, die eine zylindrische Drehskala zum Liefern von Verschiebungssignalen verwendet.
14A ist ein Diagramm eines Abschnitts des Drehskalengitters von 14, das zusätzliche Einzelheiten in einem Beleuchtungsbereich auf seiner Drehskala zeigt.
15 ist ein teilweise schematisches Diagramm, das entlang der Drehachsenrichtung betrachtet ist, das bestimmte Aspekte einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration darstellt, die der ersten Implementierung einer in 14 gezeigten optischen Drehgeberkonfiguration in einigen Implementierungen ähnlich oder identisch sein kann, und das eine Darstellung bestimmter alternativer Elemente enthält.
16 ist ein teilweise schematisches Diagramm, das entlang der Drehachsenrichtung betrachtet ist, das bestimmte Aspekte einer zweiten Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration darstellt, die eine zylindrische Drehskala zum Liefern von Verschiebungssignalen verwendet, und das eine Darstellung bestimmter alternativer Elemente enthält.
17 ist eine teilweise schematische isometrische Ansicht einer dritten Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration, die eine planare Drehskala zum Liefern von Verschiebungssignalen verwendet.
17A ist ein Diagramm von Abschnitten des Drehskalengitters von 17, das zusätzliche Einzelheiten in dem ersten und zweiten Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 auf dieser Drehskala zeigt.
18 ist ein Diagramm, das schematisch Gittermuster darstellt, die in einer Implementierung einer Strahlablenkerkonfiguration verwendbar sind, die in der in 17 gezeigten optischen Drehgeberkonfiguration verwendbar ist.

Genaue Beschreibung
1 ist ein teilweise schematisches auseinandergezogenes Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 100 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Die Geberkonfiguration 100 umfasst ein Skalengitter 110, einen Beleuchtungsabschnitt 120 und eine Photodetektorkonfiguration 160.
1 zeigt die X-, Y- und Z-Richtung, die zueinander orthogonal sind, gemäß einer hier verwendeten Konvention. Die X- und Y-Richtung 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.
Bei der in 1 gezeigten Implementierung 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) senkrecht ist, länglich sind, und die entlang der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind.
Der Beleuchtungsabschnitt 120 umfasst eine Beleuchtungsquelle 130, ein erstes Beleuchtungsgitter 140 und ein zweites Beleuchtungsgitter 150. Die Beleuchtungsquelle 130 umfasst eine Lichtquelle 131 und eine Kollimationslinse 132. Die Lichtquelle 131 ist dazu ausgelegt, Quellenlicht 134 an die Kollimationslinse 132 auszugeben. Die Kollimationslinse 132 ist dazu ausgelegt, 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 Quellenstrahlengang SOLP. Das Skalengitter 110 gibt das Quellenlicht 134' entlang dem Quellenstrahlengang SOLP ein und gibt Skalenlicht, das ein periodisches Skalenlichtmuster 135 umfasst, entlang einem Skalenstrahlengang SCLP an die Photodetektorkonfiguration 160 aus. Die Photodetektorkonfiguration 160 empfängt das periodische Skalenlichtmuster 135 von dem Skalengitter 110 entlang dem Skalenstrahlengang SCLP. Das periodische Skalenlichtmuster 135 schiebt sich an der Photodetektorkonfiguration 160 vorbei, was einer relativen Verschiebung zwischen dem Skalengitter 110 und der Photodetektorkonfiguration 160 entlang der Messachsenrichtung MA entspricht. Ein Beispiel einer Photodetektorkonfiguration ähnlich der Photodetektorkonfiguration 160 ist in 3 im Einzelnen gezeigt. Die Photodetektorkonfiguration 160 umfasst einen Satz von N Raumphasendetektoren, die in einer Raumphasenfolge entlang einer Richtung quer zu der Messachsenrichtung MA (d. h. der Y-Richtung) angeordnet sind, wobei N eine ganze Zahl ist, die mindestens gleich 6 ist, und die Raumphasenfolge zwei äußere Raumphasendetektoren am Anfang und am Ende der Folge entlang der Richtung quer zu der Messachse und eine innere Gruppe von Raumphasendetektoren, die sich zwischen den beiden äußeren Raumphasendetektoren befinden, umfasst. Bei der in 1 gezeigten Implementierung umfasst der Satz von N Raumphasenphotodetektoren 3 Teilsätze von Raumphasendetektoren S₁ , S₂ und S₃ , welche die gleiche Teilsatz-Raumphasenfolge aufweisen.
Mindestens ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren ist entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zu der Messachsenrichtung MA (d. h. der Y-Richtung) senkrecht ist, relativ schmal und umfasst Skalenlichtempfangsbereiche, die entlang der Messachsenrichtung MA räumlich periodisch sind und einer jeweiligen Raumphase dieses Raumphasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind, und ist dazu ausgelegt, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern. Jeder Raumphasendetektor in der inneren Gruppe hat in der Raumphasenfolge Vorgänger und Nachfolger in Raumphasendetektoren, die jeweilige Raumphasen aufweisen, in denen sie sich von dem Raumphasendetektor und voneinander unterscheiden.
Bei diversen Anwendungen können die Photodetektorkonfiguration 160 und der Beleuchtungsabschnitt 120 in einer festen Beziehung zueinander montiert sein, z. B. in einem Lesekopf oder einem Messgerätgehäuse (nicht gezeigt), und werden entlang der Messachsenrichtung MA relativ zu dem Skalengitter 110 durch ein Lagersystem gemäß bekannten Techniken geführt. Das Skalengitter 110 kann bei diversen Anwendungen an einer beweglichen Platte oder einer Messgerätspindel oder dergleichen angebracht sein.
Es versteht sich, dass die verschmutzungs- und defektbeständige optische Geberkonfiguration 100 nur ein Beispiel einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration gemäß den hier offenbarten Grundsätzen ist. Bei alternativen Implementierungen können diverse optische Komponenten wie etwa ein telezentrisches Bildgebungssystem, einschränkende Aperturen und dergleichen verwendet werden. Bei alternativen Implementierungen kann ein Beleuchtungsabschnitt nur ein einziges Beleuchtungsgitter umfassen.
2 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 200 zum Liefern von Verschiebungssignalen. Die optische Geberkonfiguration 200 ist der Geberkonfiguration 100 ähnlich. Ähnliche Bezugszeichen 2XX in 2 und 1XX in 1 können sich auf ähnliche Elemente beziehen, soweit es nicht durch den Zusammenhang oder die Beschreibung anderweitig angegeben ist. Die in 2 gezeigte Geberkonfiguration 200 ist eine reflektierende Konfiguration. Die Skala 210 ist ein reflektierendes Skalengitter.
3 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer Photodetektorkonfiguration 360 einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 300. Die verschmutzungs- und defektbeständige optische Geberkonfiguration 300 kann der verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 100 oder der verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 200 ähnlich sein. Die Photodetektorkonfiguration 360 umfasst einen Satz von N Raumphasendetektoren, die in einer Raumphasenfolge entlang einer Richtung quer zu der Messachsenrichtung MA angeordnet sind, wobei N eine ganze Zahl ist, die mindestens gleich 6 ist, und die Raumphasenfolge zwei äußere Raumphasendetektoren am Anfang und am Ende der Folge entlang der Richtung quer zu der Messachse und eine innere Gruppe von Raumphasendetektoren, die sich zwischen den beiden äußeren Raumphasendetektoren befinden, umfasst. Mindestens ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren ist entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zu der Messachsenrichtung MA senkrecht ist, relativ schmal und umfasst Skalenlichtempfangsbereiche, die entlang der Messachsenrichtung MA räumlich periodisch sind und einer jeweiligen Raumphase dieses Raumphasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind, und ist dazu ausgelegt, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern. Jeder Raumphasendetektor in der inneren Gruppe hat in der Raumphasenfolge Vorgänger und Nachfolger in Raumphasendetektoren, die jeweilige Raumphasen aufweisen, in denen sie sich von dem Raumphasendetektor und voneinander unterscheiden.
Bei einigen Implementierungen kann der Satz von N Raumphasenphotodetektoren mindestens M Teilsätze von Raumphasendetektoren umfassen, wobei M eine ganze Zahl ist, die mindestens gleich 2 ist, und wobei jede der M Teilsätze Raumphasendetektoren umfasst, die jede der jeweiligen Raumphasen bereitstellen, die in dem Satz von N Raumphasenphotodetektoren enthalten sind. Bei einigen Implementierungen kann M mindestens gleich 3 sein. Bei einigen Implementierungen kann M mindestens gleich 6 sein. Bei einigen Implementierungen kann jeder der M Teilsätze von Raumphasendetektoren Raumphasendetektoren umfassen, die die gleichen jeweiligen Raumphasen liefern, die in dem gleichen Raumphasenfolgen-Teilsatz angeordnet sind. 3 zeigt eine Implementierung mit M Teilsätzen von Raumphasendetektoren, die mit S₁ bis S_M angegeben sind. Der Teilsatz S₁ umfasst die Raumphasendetektoren SPD_1A SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D . Der Teilsatz S₂ umfasst die Raumphasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D . Der Teilsatz SM umfasst die Raumphasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD . Jeder der Raumphasendetektoren in 3 wird mit K Skalenlichtempfangsbereichen gezeigt. Als Beispiel der Skalenlichtempfangsbereiche ist der Raumphasendetektor SPD_MD mit den Skalenlichtempfangsbereichen SLRA_M1 und SLRA_MK bezeichnet. Bei einigen Implementierungen kann K ein geradzahliger Wert sein.
Bei der in 3 gezeigten Implementierung ist die Raumphasenfolge durch Raumphasendetektoren angegeben, welche die tiefgestellten Indexe A, B, C und D aufweisen (z. B. die Raumphasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D ). Die Raumphasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen A und D sind die beiden äußeren Raumphasendetektoren am Anfang und am Ende jeder Instanz der Raumphasenfolge. Die Raumphasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen B und C sind die inneren Gruppen.
Die Raumphasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D geben jeweilige Raumphasendetektorsignale A₁ , B₁ , C₁ und D₁ aus. Die Raumphasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D geben jeweilige Raumphasendetektorsignale A₂ , B₂ , C₂ und D₂ aus. Die Raumphasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD geben jeweilige Raumphasendetektorsignale A_M , B_M , C_M und D_M aus.
Ein verschmutzungs- und defektbeständiger optischer Geber, der gemäß den hier offenbarten Grundsätzen konfiguriert ist, bietet einen einfachen Entwurf, der für Verschmutzungen (z. B. Verschmutzung durch Drahtbonden), die bis zu 100 Mikrometern groß sind, und für Skalendefekte, die bis zu 300 Mikrometern groß sind, tolerant sein kann. Verschmutzungen oder Defekte auf einer Skala erzeugen typischerweise eine Gleichtakt-Fehlerkomponente bei benachbarten Raumphasendetektoren, die in der Signalverarbeitung (z. B. Quadraturverarbeitung) aufgehoben werden kann. Raumphasendetektoren, die entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zur Messachsenrichtung MA senkrecht ist, relativ schmal sind, bieten eine bessere Beständigkeit gegen Verschmutzung und Defekte. Die Signalpegel können sich langsamer ändern, indem die Frequenz der Struktur der Raumphasendetektoren entlang der Messachsenrichtung MA verringert wird. Ferner erfordert ein derartiger Geber keine komplexe Signalverarbeitung, um Toleranz gegen Verschmutzung und Defekte zu bieten. Signale, die durch den Satz von N Raumphasendetektoren bereitgestellt werden, können gemäß standardmäßigen Techniken verarbeitet werden, die Fachleuten bekannt sind.
Bei einigen Implementierungen, wie etwa der in 3 gezeigten Implementierung, ist N mindestens gleich 8, und jeder Teilsatz von Raumphasendetektoren kann vier Raumphasendetektoren aufweisen, die jeweilige Raumphasen aufweisen, die um 90 Grad getrennt sind. Bei alternativen Implementierungen kann jeder Teilsatz von Raumphasendetektoren drei Raumphasendetektoren umfassen, die jeweilige Raumphasen aufweisen, die um 120 Grad getrennt sind.
Bei der in 3 gezeigten Implementierung umfasst die Photodetektorkonfiguration 360 Verbindungen, die dazu ausgelegt sind, Raumphasendetektorsignale zu kombinieren, die der gleichen jeweiligen Raumphase entsprechen, und um jede derartige Kombination als ein jeweiliges Raumphasenpositionssignal auszugeben. Die Photodetektorkonfiguration 360 ist dazu ausgelegt, vier Raumphasenpositionssignale auszugeben, die Raumphasen entsprechen, die um 90 Grad getrennt sind. Raumphasensignale mit der gleichen Buchstabenbezeichnung (z. B. A₁ , A₂ und A_M ) werden kombiniert (z. B. summiert), um die Raumphasensignale ΣA, ΣB, ΣC und ΣD bereitzustellen. Bei alternativen Implementierungen kann eine Photodetektorkonfiguration dazu ausgelegt sein, drei Raumphasenpositionssignale auszugeben, die Raumphasen entsprechen, die um 120 Grad getrennt sind. In beiden Fällen können die Raumphasenpositionssignale ferner verwendet werden, um Verschiebungssignale zu bestimmen, z. B. durch Quadratur- oder dreiphasige Signalverarbeitung.
Bei einigen Implementierungen kann jeder der jeweiligen Raumphasendetektoren entlang der Messachsenrichtung MA relativ länglich und entlang der Richtung, die zu der Messachsenrichtung MA senkrecht ist, relativ schmal sein und kann Skalenlichtempfangsbereiche umfassen, die entlang der Messachsenrichtung MA räumlich periodisch sind und einer jeweiligen Raumphase dieses Raumphasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind, und kann dazu ausgelegt sein, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern.
Bei einigen Implementierungen kann eine Abmessung YSLRA der Skalenlichtempfangsbereiche jedes der N Raumphasendetektoren entlang der Y-Richtung höchstens 250 Mikrometer betragen. Bei einigen Implementierungen kann YSLRA mindestens 5 Mikrometer betragen.
Bei einigen Implementierungen kann ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes benachbarten Paars der N Raumphasendetektoren entlang der Y-Richtung höchstens 25 Mikrometer betragen.
Bei einigen Implementierungen kann eine Abmessung YSLRA der Skalenlichtempfangsbereiche jedes der N Raumphasendetektoren entlang der Y-Richtung gleich sein. Bei einigen Implementierungen kann ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes benachbarten Paars der N Raumphasendetektoren entlang der Y-Richtung gleich sein.
Es versteht sich, dass es, obwohl ein großer Wert von N eine größere Robustheit gegen Verschmutzung bereitstellt, insofern ein Kompromiss vorliegt, als ein großer Wert von N kleinere Signalpegel innerhalb jedes einzelnen Raumphasendetektors liefern kann.
4A ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Photodetektorkonfiguration 460A einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 400A. Der Einfachheit halber zeigt 4A nur einen Teilsatz von Raumphasendetektoren S₁ mit zwei Raumphasendetektoren SPD_1A und SPD_1B . Es versteht sich, dass die Photodetektorkonfiguration 460A mindestens sechs Raumphasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfasst, jedoch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der in 4A gezeigten Implementierung umfasst jeder der N Raumphasendetektoren (z. B. der Raumphasendetektoren SPD_1A und SPD_1B ) einen Photodetektor (z. B. die Photodetektoren PD_1A und PD_1B , die gestrichelt angegeben sind), der durch eine Raumphasenmaske (z. B. die Phasenmasken PM_1A und PM_1B ) abgedeckt ist, die verhindert, dass der Photodetektor das periodische Skalenlichtmuster empfängt, außer durch die Öffnungen hindurch, die in der Raumphasenmaske enthalten sind. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche Bereiche der Photodetektoren (z. B. der Photodetektoren PD_1A und PD_1B ), die durch die Öffnungen in den jeweiligen Raumphasenmasken (z. B. den Raumphasenmasken PM_1A und PM_1B ) hindurch freigelegt sind. Bei der in 4A gezeigten Implementierung sind die Skalenlichtempfangsbereiche (d. h. die Öffnungen) der Phasenmaske PM_1B mit Bezug auf die Skalenlichtempfangsbereiche der Phasenmaske PM_1A entlang der Messachsenrichtung MA um 90 Grad versetzt. Es versteht sich, dass, obwohl die Raumphasenmasken PM_1A und PM_1B in 4A schematisch als getrennte Abschnitte abgebildet sind, sie bei einigen Implementierungen praktischerweise aus demselben Material in dem gleichen Prozess hergestellt werden können, um eventuelle Positionierungsfehler zu eliminieren.
4B ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts einer Photodetektorkonfiguration 460B einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 400B. Der Einfachheit halber zeigt 4B nur einen Teilsatz von Raumphasendetektoren S₁ ' mit zwei Raumphasendetektoren SPD_1A ' und SPD_1B '. Es versteht sich, dass die Photodetektorkonfiguration 460B mindestens sechs Raumphasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfasst, doch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der in 4B gezeigten Implementierung umfasst jeder der N Raumphasendetektoren (z. B. der Raumphasendetektoren SPD_1A ' und SPD_1B ') eine periodische Anordnung von elektrisch zusammengeschalteten Photodetektorbereichen, die das periodische Skalenlichtmuster empfangen. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche die Photodetektorbereiche der periodischen Anordnung von Photodetektoren. Bei der in 4B gezeigten Implementierung sind die Photodetektorbereiche des Raumphasendetektors SPD_1B ' mit Bezug auf die Photodetektorbereiche des Raumphasendetektors SPD_1A ' entlang der Messachsenrichtung MA um 90 Grad versetzt.
5 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer zusätzlichen Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 500 zum Bereitstellen von Verschiebungssignalen. Bei der Geberkonfiguration 500 umfasst das periodische Skalenlichtmuster 535, das detektiert wird, ein Detektorstreifenmuster 535, das Bänder enthält, die so orientiert sind, dass sie sich entlang der Messachsenrichtung MA über eine relativ längere Abmessung erstrecken, und die sich während der Verschiebung des optischen Gebers quer zu der Messachsenrichtung entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen.
Die Geberkonfiguration 500 umfasst eine Skala 510, eine Beleuchtungsquelle 520 und eine Photodetektorkonfiguration 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 zu der Messachsenrichtung MA länglich sind und mit einer Skalenteilung P_SF entlang der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind. Die Beleuchtungsquelle 520 umfasst eine Lichtquelle 530, die Licht 534' ausgibt, und einen Abschnitt zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung 533, der dazu ausgelegt ist, das Licht 534' einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung 534" an einen Beleuchtungsbereich IR an der Skalenebene SP auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung 534" ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst, das Streifen enthält, die entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung IFD, die zu der Messachsenrichtung MA in einem von null verschiedenen Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ 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' zu liefern. Der von null verschiedene Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ kann bei diversen Implementierungen erzielt werden, indem ein oder mehrere Elemente des Abschnitts zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung 533 (z. B. eines der Gitterelemente 540 und/oder 550) um die Z-Achse herum bis auf einen gewünschten Winkel mit Bezug auf die Y-Achse gedreht wird. Bei einigen Ausführungsformen kann der von null verschiedene Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ auch erreicht oder erweitert werden, indem die Gitterstabrichtung GBD um die Z-Achse herum bis auf einen gewünschten Winkel mit Bezug auf die Y-Achse gedreht wird.
Die Photodetektorkonfiguration 560 umfasst einen Satz von N Raumphasendetektoren, die in einem Detektorabstand PD (in 6A und 6B gezeigt) entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind, wobei jeder Raumphasendetektor dazu ausgelegt ist, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern, sich mindestens ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachse relativ schmal ist, und der Satz von N Raumphasendetektoren in einer Raumphasenfolge entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD angeordnet ist, wie es nachstehend mit Bezug auf 8, 9A und 9B ausführlicher beschrieben wird.
Die Skala 510 ist dazu ausgelegt, das Beleuchtungsstreifenmuster an der Beleuchtungsregion IR einzugeben und die Skalenlichtkomponenten entlang einem Skalenstrahlengang SCLP auszugeben, um das Detektorstreifenmuster 535 an der Photodetektorkonfiguration 560 zu bilden. Das Detektorstreifenmuster 535 umfasst periodische Bänder hoher und niedriger Intensität, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstrecken und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA relativ schmal sind und mit einer detektierten Streifenperiode PDF periodisch sind, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird. In einer Möglichkeit der Beschreibung ihrer Orientierung erstrecken sich die Bänder über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA, doch bei diversen Implementierungen bedeutet dies nicht, dass sie entlang der Messachsenrichtung ausgerichtet sein müssen. Bei diversen beispielhaften Implementierungen können die Bänder in einem mittleren oder kleinen Winkel mit Bezug auf Messachsenrichtung ausgerichtet sein, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 erklärt wird.
Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA sind mindestens teilweise von dem von null verschiedenen Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ abhängig, wie es nachstehend mit Bezug auf 7 dargelegt wird. Die Bänder hoher und niedriger Intensität bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA, wenn sich die Skala 510 entlang der Messachsenrichtung MA verschiebt. Die Photodetektorkonfiguration 560 ist dazu ausgelegt, eine Verschiebung der Bänder hoher und niedriger Intensität entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, welche die Skalenverschiebung angeben.
Bei der in 5 gezeigten Implementierung umfasst der Abschnitt zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung 533 ein erstes Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter 540 und ein zweites Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter 550. Bei einigen Implementierungen können das erste Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter 540 und das zweite Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter 550 Phasengitter sein. Phasengitter bieten eine bessere Leistungseffizienz, indem sie Lichtverluste reduzieren.
Ein verschmutzungs- und defektbeständiger optischer Geber, der gemäß den Grundsätzen, die mit Bezug auf 5 bis 9B beschrieben werden, ausgebildet ist, bietet einen einfachen Entwurf, der für Verschmutzungen (z. B. Verschmutzung durch Drahtbonden), die bis zu 100 Mikrometern groß sind, und für Skalendefekte, die bis zu 300 Mikrometern groß sind, tolerant sein kann. Verschmutzungen oder Defekte auf einer Skala, die ähnlich groß oder größer als die Detektionsstreifenperiode sind, erzeugen typischerweise eine Gleichtakt-Fehlerkomponente an benachbarten Raumphasendetektoren, die bei der Signalverarbeitung (z. B. der Quadraturverarbeitung) aufgehoben werden kann. D. h., der Effekt der Verschmutzung, die sich entlang der Messachsenrichtung bewegt, wird tendenziell von den benachbarten Raumphasendetektoren geteilt und bewegt sich entlang der Messachsenrichtung an diesen benachbarten Raumphasendetektoren, wenn sich die Skala oder die Lesekopfkonfiguration entlang der Messachsenrichtung bewegt. Da der Verschmutzungseffekt ein Gleichtakteffekt über benachbarte Raumphasendetektoren hinweg ist und da die Raumphasendetektoren entlang der Messachsenrichtung über eine Abmessung relativ länglich sind, die die Größe des Schmutzeffekts erheblich überschreiten kann, kann der Effekt der Kontamination auf die Genauigkeit des Verschiebungssignals wesentlich gemindert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich für den Fall eines eventuellen Nicht-Gleichtakt-Restfehlers, während sich die Photodetektorkonfiguration 560 mit Bezug auf die Skala 510 verschiebt, Abschnitte des Detektorstreifenmusters 535, die einem Defekt entsprechen, viel langsamer von einem Raumphasendetektor zum anderen bewegen, was einen effektiveren Ausgleich der Raumphasenverschiebungssignale ermöglicht. Ein derartiger Geber benötigt keine aufwendige Signalverarbeitung, um Toleranz für Verschmutzung und Defekte zu bieten. Die Raumphasenverschiebungssignale, die durch den Satz von N Raumphasendetektoren geliefert werden, können gemäß standardmäßigen Techniken verarbeitet werden, die Fachleuten bekannt sind.
6A ist ein Diagramm, das schematisch eine erste Ansicht der Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 darstellt, die ein Detektorstreifenmuster 635 bilden, das ähnlich wie das oder identisch mit dem Detektorstreifenmuster 535 ist und das in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration 660 gezeigt ist, die der Photodetektorkonfiguration 560 in 5 ähnlich ist. Das Detektorstreifenmuster 635 kann durch einen optischen Geber geliefert werden, der der optischen Geberkonfiguration 500 ähnlich ist, die mit Bezug auf 5 dargelegt wird. 6A zeigt einen Querschnitt des Skalenlichts, das das Detektorstreifenmuster 635 in einer Ebene bildet, die durch eine Messachsenrichtung MA und einen Skalenstrahlengang SCLP definiert ist, wie es zuvor mit Bezug auf 5 gezeigt ist. Wie es in 6A gezeigt ist, umfassen die Skalenlichtkomponenten eine erste Skalenlichtkomponente SL1 und eine zweite Skalenlichtkomponente SL2 (durch gestrichelte Linien angegeben, die Bänder hoher Intensität darstellen), die jeweils parallele Strahlen umfassen, wobei die parallelen Strahlen der ersten Skalenlichtkomponente SL1 entlang einer Richtung mit einer in Bezug auf den Skalenstrahlengang SCLP entgegengesetzten 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 Erzeugen von strukturierter Beleuchtung gebildet sein. Das Detektorstreifenmuster 635 umfasst dunkle bzw. niederintensive Interferenzbänder 635D, die durch fette Linien angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 635L, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind.
6B ist ein Diagramm, das schematisch eine zweite Ansicht der Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 darstellt, die das Streifenmuster 635 bilden. 6A zeigt einen Querschnitt des Detektorstreifenmusters 635 in einer Ebene, die wie zuvor mit Bezug auf 5 gezeigt durch eine Messachsenrichtung MA und eine Y-Richtung definiert ist und nahe an der Photodetektorkonfiguration 660 liegt. Das Detektorstreifenmuster 635 umfasst dunkle bzw. niederintensive Interferenzbänder 635D, die durch fette Linien angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 635L, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind, die mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD periodisch sind, wie es in 6B gezeigt ist. Die detektierte Streifenbewegungsrichtung ist im Allgemeinen quer zu der Richtung der Interferenzbänder 635D und 635L, mit einer geringen Drehung gleich dem von null verschiedenen Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ mit Bezug auf die Y-Richtung.
7 ist ein Graph 700 der Eigenschaften eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Gebers ähnlich der optischen Geberkonfiguration 500, die in 5 und 6 dargestellt ist, der eine detektierte Streifenperiode PDF aufgetragen über einem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ enthält. Der Graph 700 zeigt Daten für einen verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geber, der einen Abschnitt zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung mit einem ersten Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter, das eine Gitterteilung P1 aufweist, einem zweiten Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter, das eine Teilung P2 aufweist, und eine Skala, die eine Skalenteilung PSF aufweist, die folgenden Ausdruck erfüllt, umfasst: $\frac{1}{P_{2}} - \frac{1}{P_{1}} = \frac{1}{P_{S F}}$
Die detektierte Streifenperiode PDF hängt dann mit dem Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ durch folgenden Ausdruck zusammen: $P D F = \frac{P_{S F}}{4 sin (\frac{ψ}{2})}$
Es ist im Allgemeinen wünschenswert, dass ein verschmutzungs- und defektbeständiger optischer Geber derart ausgelegt ist, dass die detektierte Streifenperiode PDF groß ist (z. B. größer als 7 Mikrometer oder bei einigen Implementierungen 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 bietet eine bessere Toleranz für Messfehler durch Fehlausrichtung zwischen einer Skala, einer Photodetektorkonfiguration und einer Beleuchtungsquelle. Fehler, die aus Neigen und Rollen einer Skala mit Bezug auf eine Beleuchtungsquelle und/oder eine Photodetektorkonfiguration entstehen, sind umgekehrt proportional zu der detektierten Streifenperiode PDF. Daher bietet eine größere detektierte Streifenperiode PDF eine bessere Robustheit gegen Messfehler, die durch Skalenwelligkeit verursacht werden.
8 ist ein schematisches Diagramm 800 einer beispielhaften Photodetektorkonfiguration 860, die in einem verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geber verwendbar ist, der ähnlich wie die optische Geberkonfiguration 500 ist, die in 5 und 6 dargestellt ist, wobei die Photodetektorkonfiguration Raumphasendetektoren umfasst, die ungefähr oder grob entlang der Messachsenrichtung länglich sind und quer zu der 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 nichts anderes angegeben ist.
Die Photodetektorkonfiguration 860 umfasst einen Satz von N Raumphasendetektoren, die in einer Raumphasenfolge entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD angeordnet sind, wobei N eine ganze Zahl ist, die mindestens gleich 6 ist, und die Raumphasenfolge zwei äußere Raumphasendetektoren am Anfang und am Ende der Folge entlang der Richtung quer zu der Messachsenrichtung MA und ein innere Gruppe von Raumphasendetektoren, die sich zwischen den beiden äußeren Raumphasendetektoren befinden, umfasst. Jeder Raumphasendetektor in der inneren Gruppe hat in der Raumphasenfolge Vorgänger und Nachfolger in Raumphasendetektoren, die jeweilige Raumphasen aufweisen, in denen sie sich von dem Raumphasendetektor und voneinander unterscheiden. Jeder Raumphasendetektor umfasst Skalenlichtempfangsbereiche, die entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD räumlich periodisch und einer jeweiligen Raumphase dieses Raumphasendetektors mit Bezug auf das periodische Skalenlichtmuster entsprechend positioniert sind. Jeder Raumphasendetektor in der inneren Gruppe hat in der Raumphasenfolge Vorgänger und Nachfolger in Raumphasendetektoren, die jeweilige Raumphasen aufweisen, in denen sie sich von dem Raumphasendetektor und voneinander unterscheiden.
Bei einigen Implementierungen kann der Satz von N Raumphasenphotodetektoren mindestens M Teilsätze von Raumphasendetektoren umfassen, wobei M eine ganze Zahl ist, die mindestens gleich 2 ist, und wobei jeder der M Teilsätze Raumphasendetektoren umfasst, die jede der jeweiligen Raumphasen bereitstellen, die in dem Satz von N Raumphasenphotodetektoren enthalten sind. Bei einigen Implementierungen kann M mindestens gleich 4 sein. Bei einigen Implementierungen kann M mindestens gleich 6 sein. Bei einigen Implementierungen kann jeder der M Teilsätze von Raumphasendetektoren Raumphasendetektoren umfassen, die die gleichen jeweiligen Raumphasen bereitstellen, die in dem gleichen Raumphasenfolgen-Teilsatz angeordnet sind. 8 zeigt eine Implementierung mit M Teilsätzen von Raumphasendetektoren, die mit S₁ bis S_M angegeben sind. Der Teilsatz S₁ umfasst die Raumphasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D . Der Teilsatz S₂ umfasst die Raumphasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D . Der Teilsatz S_M umfasst die Raumphasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD .
Bei der in 8 gezeigten Implementierung ist die Raumphasenfolge durch die Raumphasendetektoren, welche die tiefgestellten Indexe A, B, C und D aufweisen (z. B. die Raumphasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D ), angegeben. Die Raumphasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen A und D sind die beiden äußeren Raumphasendetektoren am Anfang und am Ende jeder Instanz der Raumphasenfolge. Die Raumphasendetektoren mit den tiefgestellten Indexen B und C sind die inneren Gruppen.
Die Raumphasendetektoren SPD_1A , SPD_1B , SPD_1C und SPD_1D geben jeweilige Raumphasendetektorsignale A₁ , B₁ , C₁ und D₁ aus. Die Raumphasendetektoren SPD_2A , SPD_2B , SPD_2C und SPD_2D geben jeweilige Raumphasendetektorsignale A₂ , B₂ , C₂ und D₂ aus. Die Raumphasendetektoren SPD_MA , SPD_MB , SPD_MC und SPD_MD geben jeweilige Raumphasendetektorsignale A_M , B_M , CM und D_M aus.
Bei einigen Implementierungen wie etwa der in 8 gezeigten Implementierung ist N mindestens gleich 8 und jeder Teilsatz von Raumphasendetektoren kann vier Raumphasendetektoren umfassen, die jeweilige Raumphasen aufweisen, die um 90 Grad getrennt sind. Bei alternativen Implementierungen kann jeder Teilsatz von Raumphasendetektoren drei Raumphasendetektoren umfassen, die jeweilige Raumphasen aufweisen, die um 120 Grad getrennt sind.
Bei der in 8 gezeigten Implementierung umfasst die Photodetektorkonfiguration 860 Verbindungen, die dazu ausgelegt sind, Raumphasendetektorsignale zu kombinieren, die der gleichen jeweiligen Raumphase entsprechen, und jede derartige Kombination als ein jeweiliges Raumphasenpositionssignal auszugeben. Die Photodetektorkonfiguration 860 ist dazu ausgelegt, vier Raumphasenpositionssignale auszugeben, die Raumphasen entsprechen, die um 90 Grad getrennt sind. Raumphasensignale mit der gleichen Buchstabenbezeichnung (z. B. A₁ , A₂ und A_M ) werden kombiniert (z. B. summiert), um Raumphasensignale ΣA, ΣB, ZC und ΣD bereitzustellen. Bei alternativen Implementierungen kann eine Photodetektorkonfiguration dazu ausgelegt sein, drei Raumphasenpositionssignale auszugeben, die Raumphasen entsprechen, die um 120 Grad getrennt sind. In jedem Fall können Raumphasenpositionssignale weiter verwendet werden, um Verschiebungssignale zu bestimmen, z. B. durch Quadratur- oder dreiphasige Signalverarbeitung.
Bei einigen Implementierungen kann ein Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes benachbarten Paars der N Raumphasendetektoren entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD höchstens 25 Mikrometer betragen. Bei einigen Implementierungen ist der Trennabstand YSEP zwischen den Skalenlichtempfangsbereichen jedes benachbarten Paars der N Raumphasendetektoren entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD gleich.
8 zeigt zusätzlich eine Detektorachse DA mit Bezug auf die Messachsenrichtung MA. Die Detektorachse ist eine Richtung parallel zu der spezifischen Längsrichtung der Raumphasendetektoren. 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 Implementierungen die Detektorachse in Bezug auf die Messachsenrichtung MA um einen Winkel α gedreht sein, insbesondere falls die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD zu der Messachsenrichtung MA nicht senkrecht ist. Da es wünschenswert ist, einen kleinen Beleuchtungsstreifen-Gierwinkel ψ zu verwenden (wie es mit Bezug auf 7 beschrieben ist), kann der Winkel α recht klein sein, und in manchen Fällen kann es bei einem sehr kleinen Wert des Beleuchtungsstreifen-Gierwinkels ψ gar nicht nötig sein, die Detektorachse D in Bezug auf die Messachsenrichtung MA zu drehen.
9A ist ein detailliertes schematisches Diagramm eines Abschnitts einer weiteren beispielhaften Photodetektorkonfiguration 960A eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Gebers 900A, die der in 8 gezeigten Photodetektorkonfiguration ähnlich ist. Der Einfachheit halber zeigt 9A nur einen Teilsatz von Raumphasendetektoren S₁ mit zwei Raumphasendetektoren SPD_1A und SPD_1B . Es versteht sich, dass die Photodetektorkonfiguration 960A weitere Raumphasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfassen kann, doch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der in 9A gezeigten Implementierung umfasst jeder der N Raumphasendetektoren (z. B. Raumphasendetektoren SPD_1A und SPD_1B ) einen Photodetektor (z. B. die Photodetektoren PD_1A und PD_1B , die gestrichelt angegeben sind), der mit einer Raumphasenmaske (z. B. den Phasenmasken PM_1A und PM_1B ) abgedeckt ist, die verhindert, dass der Photodetektor das periodische Skalenlichtmuster empfängt, außer durch Öffnungen hindurch, die in der Raumphasenmaske enthalten sind. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche Bereiche des Photodetektors (z. B. der Photodetektoren PD_1A und PD_1B ), die durch die Öffnungen in den jeweiligen Raumphasenmasken (z. B. den Raumphasenmasken PM_1A und PM_1B ) hindurch freigelegt sind. Bei der in 9A gezeigten Implementierung sind die Skalenlichtempfangsbereiche (d.h. die Öffnungen) der Phasenmaske PM_1B mit Bezug auf die Skalenlichtempfangsbereiche der Phasenmaske PM_1A entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD um 90 Grad versetzt. Es versteht sich, dass sie, obwohl die Raumphasenmasken PM_1A und PM_1B in 9A schematisch als getrennte Abschnitte abgebildet sind, bei einigen Implementierungen praktischerweise aus dem gleichen Material in dem gleichen Prozess hergestellt sein können, um eventuelle Positionierungsfehler zu eliminieren.
9B ist ein detailliertes schematisches Diagramm eines Abschnitts einer weiteren beispielhaften Photodetektorkonfiguration 960B eines verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Gebers 900B, die der in 8 gezeigten Photodetektorkonfiguration 860 ähnlich ist. Der Einfachheit halber zeigt 9B nur einen Teilsatz von Raumphasendetektoren S₁ ' mit zwei Raumphasendetektoren SPD_1A ' und SPD_1B '. Es versteht sich, dass die Photodetektorkonfiguration 960B weitere Raumphasendetektoren gemäß den hier offenbarten Grundsätzen umfassen kann, doch der Einfachheit halber nur zwei gezeigt sind. Bei der in 9B gezeigten Implementierung umfasst jeder der N Raumphasendetektoren (z. B. der Raumphasendetektoren SPD_1A ' und SPD_1B ') eine periodische Anordnung von elektrisch zusammengeschalteten Photodetektorbereichen, die das periodische Skalenlichtmuster empfangen. In diesem Fall umfassen die Skalenlichtempfangsbereiche die Photodetektorbereiche der periodischen Anordnung von Photodetektoren. Bei der in 9B gezeigten Implementierung sind die Photodetektorbereichen des Raumphasendetektors SPD_1B ' mit Bezug auf die Photodetektorbereiche des Raumphasendetektors SPD_1A ' entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD um eine Raumphasenverschiebung von 90 Grad versetzt.
Bei einigen Implementierungen der Photodetektoren, die den Photodetektorkonfigurationen 960A oder 960B ähnlich sind, ist es vorteilhaft, dass jeder der N Raumphasendetektoren 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 eine geradzahlige Anzahl der Skalenlichtempfangsbereiche vorliegt, diese Variation aus.
10 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer zusätzlichen Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 1000 zum Liefern von Verschiebungssignalen. Bei der Geberkonfiguration 1000 umfasst das periodische Skalenlichtmuster 1035, das detektiert wird, ein Detektorstreifenmuster 1035, das Bänder umfasst, die so orientiert sind, dass sie sich entlang einer Messachsenrichtung MA über eine relativ längere Abmessung erstrecken, und die sich während der Verschiebung des optischen Gebers quer zu der Messachsenrichtung entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen.
Die optische Geberkonfiguration 1000 umfasst eine Skala 1010, eine Beleuchtungsquelle 1020 und eine Photodetektorkonfiguration 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 nominell parallel zu der Messachsenrichtung MA ist. Die Skalengitterstäbe GB sind entlang der Messachsenrichtung MA schmal und entlang einer Skalengitterstabrichtung SGBD quer zu der Messachsenrichtung MA länglich und sind mit einer Skalenteilung PSF periodisch entlang der Messachsenrichtung MA angeordnet. Die Beleuchtungsquelle 1020 umfasst eine Lichtquelle 1030, die Licht 1034' ausgibt, und einen Abschnitt zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung 1033, der dazu ausgelegt ist, das Licht 1034' einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung 1034" entlang einem Quellenstrahlengang SOLP an einen Beleuchtungsbereich IR an der Skalenebene SP auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung 1034" ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst, das Streifen enthält, die entlang der Messachsenrichtung MA schmal sind und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung IFD, die quer zu der 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.
Die Photodetektorkonfiguration 1060 umfasst einen Satz von N Raumphasendetektoren, die periodisch in einem Detektorabstand PD (wie detailliert in 6A und 6B gezeigt) entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA angeordnet sind, wobei jeder Raumphasendetektor dazu ausgelegt ist, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern, und sich mindestens ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachse relativ schmal ist, und der Satz von N Raumphasendetektoren in einer Raumphasenfolge entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD angeordnet ist, wie es zuvor mit Bezug auf 8, 9A und 9B ausführlicher beschrieben ist.
Ähnlich wie bei der Geberkonfiguration 500 ist die Skala 1010 dazu ausgelegt, das Beleuchtungsstreifenmuster an dem Beleuchtungsbereich IR einzugeben und Skalenlichtkomponenten entlang einem Skalenstrahlengang SCLP auszugeben, um das Detektorstreifenmuster 1035 an der Photodetektorkonfiguration 1060 zu bilden. Das Detektorstreifenmuster 1035 umfasst periodische Bänder hoher und niedriger Intensität, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstrecken und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA relativ schmal sind und mit einer detektierten Streifenperiode PDF periodisch sind, wie es zuvor mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben ist.
Die Skalengitterstabrichtung SGBD ist in einem von null verschiedenen Gierwinkel ψ_SC mit Bezug auf eine Lesekopfebene RHP, die durch den Quellenstrahlengang SOLP und einen Skalenstrahlengang SCLP definiert ist, orientiert.
Der Abschnitt zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung 1033 umfasst ein erstes Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 040 und ein zweites Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 1050, die in 11A und 11B ausführlicher gezeigt sind. Bei einigen Implementierungen können das erste Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 1040 und das zweite Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 1050 Phasengitter sein.
Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA sind mindestens teilweise von dem von null verschiedenen Gierwinkel ψ_SC abhängig, wie es zuvor mit Bezug auf 7 dargelegt ist. Die Bänder hoher und niedriger Intensität bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA, während sich die Skala 1010 entlang der Messachsenrichtung MA verschiebt. Die Photodetektorkonfiguration 1060 ist dazu ausgelegt, eine Verschiebung der Bänder hoher und niedriger Intensität entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, welche die Skalenverschiebung angeben.
11A ist ein schematisches Diagramm des ersten Beleuchtungsquellen-Beugungsgitters 1040. 11B ist ein schematisches Diagramm des zweiten Beleuchtungsquellen-Beugungsgitters 1050. Bei diversen Implementierungen ist es wünschenswert, die optische Geberkonfiguration 1000 dazu auszulegen, Fehler in Verschiebungssignalen zu minimieren, die aus Spaltvariationen zwischen der Skala 1010, der Beleuchtungsquelle 1020 und der Photodetektorkonfiguration 1060 entstehen.
Wie es in 11A gezeigt ist, umfasst das erste Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 1040 erste Indexgitterstäbe, die mit einer ersten Indexteilung P₁ in einer ersten Indexebene periodisch angeordnet sind, wobei die ersten Indexgitterstäbe entlang der Messachsenrichtung schmal und entlang einer ersten Gitterstabrichtung, die quer zu der Messachsenrichtung liegt und in Bezug auf die Lesekopfebene RHP um einen Winkel ψ₁ gedreht ist, länglich sind. Wie in 11B gezeigt umfasst das zweite Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 1050 zweite Beleuchtungsquellengitterstäbe, 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 und entlang einer zweiten Indexgitterstabrichtung, die quer zu der Messachsenrichtung liegt und in Bezug auf die Lesekopfebene RHP um einen Winkel ψ₂ gedreht ist, länglich sind.
Bei diversen optischen Gebern wie etwa der optischen Geberkonfiguration 500 können dynamische Spaltfehler aus Skalenwelligkeit entstehen, die eine Entfernung zwischen dem Beleuchtungsabschnitt 520 und der Skala 510 entlang des Quellenstrahlengangs SOLP ändert. Eine Änderung der Länge des Lichtwegs entlang des Skalenstrahlengangs SCLP verursacht Änderungen der relativen Phasen von interferierenden Strahlen, die zu dem Detektorstreifenmuster 1035 beitragen. Bei diversen Anwendungen können ψ₁ und ψ₂ derart ausgewählt werden, dass sie einen dynamischen Spaltfehler ergeben, der die gleiche Größe und ein umgekehrtes Vorzeichen aufweist. Die Phasen von zwei interferierenden Strahlen, die zu dem Detektorstreifenmuster 1035 beitragen, können durch Φ₊ und Φ_- ausgedrückt werden. Das Licht, das durch die Lichtquelle 1030 ausgegeben wird, weist eine Wellenlänge λ auf. Ein dynamischer Spaltfehler DGE hängt mit einer Spaltvariation Δg entlang einer Richtung, die zu der Messachsenrichtung MA und zu der Skalengitterstabrichtung SGBD senkrecht ist, (d.h. der Z-Richtung) durch den folgenden Ausdruck zusammen: $D G E = \frac{P_{S F}}{4 π} \frac{\partial (Φ_{+} - Φ_{-})}{\partial Δ g}$
Genauer gesagt ist der Differenzterm durch folgenden Ausdruck gegeben: $\frac{\partial (Φ_{+} - Φ_{-})}{\partial Δ g} = Ω [\frac{- λ}{P_{1}} s i n (ψ_{1}) + \frac{λ}{P_{2}} s i n (ψ_{2})] - \frac{4 π}{P_{S F}} s i n (ψ_{S C}) tan (V)$
wobei ein Faktor Ω durch folgenden Ausdruck definiert ist: $Ω = \frac{4 π λ}{P_{S F}^{2}} sin (V) ({({cos}^{2} (V) - \frac{λ^{2}}{P^{2}_{S F}})}^{- 3 / 2} - {cos}^{- 3} (V)) + \frac{8 π}{λ} tan (V)$
In Gleichung 4 ist der erste Term $Ω [\frac{- λ}{P_{1}} s i n (ψ_{1}) + \frac{λ}{P_{2}} s i n (ψ_{2})]$
eine Fehlerkomponente, die sich aus dem Gieren jeweils des ersten Beleuchtungsquellen-Beugungsgitters 1040 und des zweiten Beleuchtungsquellen-Beugungsgitters 1050 ergibt. Der zweite Term $\frac{4 π}{P_{S F}} s i n (ψ_{S C}) tan (V)$
ist eine Fehlerkomponente, die sich aus dem Gierwinkel ψ_SC ergibt. Durch absichtliches Einführen von Fehlerkomponenten mit dem Winkel ψ₁ und dem Winkel ψ₂ ist es möglich, Fehlerkomponenten aus dem zweiten Term auszugleichen.
Bei einigen Implementierungen umfasst die Skala 1010 ein Skalengitter, das ein reflektierendes Gitter ist. Wie es in 10 gezeigt ist, kann der Quellenstrahlengang SOLP im Verhältnis zu einer Richtung, die zu der Skalenebene senkrecht ist, in einem Winkel V orientiert sein. Um die gewünschte detektierte Streifenperiode PDF bereitzustellen, kann der Gierwinkel ψ_SC den folgenden Ausdruck erfüllen: $ψ_{S C} = {sin}^{- 1} [P_{S F} (\frac{1}{2 P D F} - \frac{sin (ψ_{1})}{P_{1}} + \frac{sin (ψ_{2})}{P_{2}})] .$
Um den dynamischen Spaltfehler DGE aufzuheben, wie es in Gleichung 3 gezeigt ist, können der Winkel ψ₁ und der Winkel ψ₂ den folgenden Ausdruck erfüllen: $\frac{- sin (ψ_{1})}{d_{1}} + \frac{sin (ψ_{2})}{d_{2}} = \frac{2 π tan (V) cos (V)}{P D F (Ω λ - 4 π tan V)}$
Bei einem typischen Beispiel eines optischen Gebers, der ähnlich wie die optische Geberkonfiguration 500 mit einem P_SF-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 ausgebildet ist, kann ψ_SC dann einen Wert von 0,48 Grad aufweisen. Dies kann einen dynamischen Spaltfehler von 4,8 Nanometern eines Positionsmessfehlers pro Mikrometer der Spaltvariation Δg ergeben. Bei einem typischen Beispiel eines optischen Gebers, der ähnlich wie die optische Geberkonfiguration 1000 mit den gleichen Parametern wie zuvor ausgebildet ist, kann ψ_SC 0,94 Grad sein, ψ₁ kann -0,46 Grad sein, und ψ₂ kann 0,0 Grad sein. Der Gierwinkel ψ₁ kann eine dynamische Spaltfehlerkomponente von -9,4 Nanometern eines Positionsmessfehlers pro Mikrometer einer Spaltvariation Δg beitragen und der Gierwinkel ψ₂ kann eine dynamische Spaltfehlerkomponente von 9,4 Nanometern eines Positionsmessfehlers pro Mikrometer einer Spaltvariation Δg beitragen. Die beiden dynamischen Spaltfehler gleichen sich aus, um einen dynamischen Nettospaltfehler von null zu liefern.
12 ist ein teilweise schematisches Diagramm einer zusätzlichen Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Geberkonfiguration 1200 zum Liefern von Verschiebungssignalen. Bei der Geberkonfiguration 1200 umfasst das periodische Skalenlichtmuster 1235, das detektiert wird, ein Detektorstreifenmuster, das Bänder umfasst, die so orientiert sind, dass sie sich über eine relativ längere Abmessung entlang einer Messachsenrichtung MA erstrecken, und die sich während der Verschiebung des optischen Gebers quer zu der Messachsenrichtung MA entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen. Das Skalenlichtmuster 1235 kann durch einen optischen Geber, der ähnlich wie bei der optischen Geberkonfiguration 1000 ist, die mit Bezug auf 10 dargelegt ist, bereitgestellt werden.
Die optische Geberkonfiguration 1200 umfasst eine Skala 1210, eine Beleuchtungsquelle 1220 und eine Photodetektorkonfiguration 1260. Die Skala 1210 erstreckt sich entlang einer Messachsenrichtung MA und umfasst ein Skalengitter, das Gitterstäbe GB umfasst, die in einer Skalenebene SP angeordnet sind, die zu der Messachsenrichtung MA nominell parallel ist. Die Skalengitterstäbe GB sind entlang der Messachsenrichtung MA schmal und entlang einer Skalengitterstabrichtung SGBD quer zu der Messachsenrichtung MA länglich und in einer Skalenteilung PSF entlang der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet. Die Beleuchtungsquelle 1220 umfasst eine Lichtquelle 1230, die Licht 1234' ausgibt, und einen Abschnitt zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung 1233, der dazu ausgelegt ist, das Licht 1234' einzugeben und eine strukturierte Beleuchtung 1234" entlang einem Quellenstrahlengang SOLP an einen Beleuchtungsbereich IR an der Skalenebene SP auszugeben, wobei die strukturierte Beleuchtung 1234" ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst, das Streifen umfasst, die entlang der Messachsenrichtung MA schmal und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung IFD, die quer zu der 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' zu liefern.
Die Photodetektorkonfiguration 1260 umfasst einen Satz von N Raumphasendetektoren, die in einem Detektorabstand PD (ähnlich wie bei der Photodetektorkonfiguration 860, wie sie ausführlich in 8 gezeigt ist) entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA periodisch angeordnet sind, wobei jeder Raumphasendetektor dazu ausgelegt ist, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern, und sich mindestens ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA relativ schmal ist, und der Satz von N Raumphasendetektoren in einer Raumphasensequenz entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD angeordnet ist, wie es zuvor mit Bezug auf 8, 9A und 9B ausführlicher beschrieben ist.
Ähnlich wie bei der Geberkonfiguration 500 ist die Skala 1210 dazu ausgelegt, das Beleuchtungsstreifenmuster an dem Beleuchtungsbereich IR einzugeben und Skalenlichtkomponenten entlang einem Skalenstrahlengang SCLP auszugeben, um das Skalenlichtmuster 1235 an der Photodetektorkonfiguration 1260 zu bilden. Das Skalenlichtmuster 1235 umfasst periodische Bänder hoher und niedriger Intensität, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Messachsenrichtung MA erstrecken und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA relativ schmal und mit einer detektierten Streifenperiode PDF periodisch sind, wie es zuvor mit Bezug auf 6A und 6B ausführlicher beschrieben wird.
Die Skalengitterstabrichtung SGBD ist in einem von null verschiedenen Gierwinkel ψ_SC mit Bezug auf eine Lesekopfebene RHP, die durch den Quellenstrahlengang SOLP und einen Skalenstrahlengang SCLP definiert ist, orientiert.
Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA sind mindestens teilweise von dem von null verschiedenen Gierwinkel ψ_SC abhängig, wie es zuvor mit Bezug auf 7 dargelegt ist. Die Bänder hoher und niedriger Intensität bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA, während sich die Skala 1210 entlang der Messachsenrichtung MA verschiebt. Die Photodetektorkonfiguration 1260 ist dazu ausgelegt, eine Verschiebung der Bänder hoher und niedriger Intensität entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, die die Skalenverschiebung angeben.
Eine Normale RHPN der Lesekopfebene RHP ist mit einem von null verschiedenen Neigungswinkel Φ mit Bezug auf die Messachsenrichtung MA orientiert.
13A ist ein schematisches Diagramm, das eine erste Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich zu der Photodetektorkonfiguration 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 definiert ist und nahe an der Photodetektorkonfiguration 1260 liegt. Der Abschnitt SIG des Skalenlichtmusters 1235 ist ein Satz von Streifen, die durch die Überlappung der Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 gebildet werden, was mit Bezug auf 6B zu verstehen ist. Der Abschnitt SIG des Skalenlichtmusters 1235 umfasst dunkle bzw. niederintensive Interferenzbänder 1235SIGD, die durch fette Linien 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 Raumphasenverschiebungssignalen führt, die die Skalenverschiebung angeben. Genauer gesagt ist die Photodetektorkonfiguration 1260 dazu ausgelegt, eine Verschiebung der Interferenzbänder 1235SIGD und 1235SIGL entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Messachsenrichtung MA zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, die die Skalenverschiebung angeben.
Bei diversen Implementierungen kann das Detektorstreifenmuster 635 zusätzlich Licht nullter Ordnung umfassen, das Variationen der Intensität der hochintensiven Interferenzbänder 635L verursacht. Genauer gesagt führt die Interferenz zwischen dem Skalenlicht nullter Ordnung und den Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 zu Streifen von nieder- und hochintensiven Interferenzbändern, die zu den niederintensiven Interferenzbändern 635D und den hochintensiven Interferenzbändern 635L parallel sind. Dies führt zu Streifen in dem Detektorstreifenmuster 635, die ein Variationsmuster in abwechselnden Streifen aufweisen, was zu Kurzstreckenfehlern in Raumphasenverschiebungssignalen führt. Die verschmutzungs- und defektbeständige optische Geberkonfiguration 1200 ist dazu ausgelegt, diese Fehler wie nachstehend beschrieben zu unterdrücken. Genauer gesagt führt die Interferenz zwischen dem Skalenlicht nullter Ordnung und dem Licht, das den in 6B gezeigten Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 entsprechen würde, zu Streifen von dunklen und hellen Intensitätsbändern, die parallel zu dem Licht sind, das den Skalenlichtkomponenten SL1 und SL2 entsprechen würde, und die sich während der Verschiebung des optischen Gebers entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen.
Es ist zu beachten, dass 13A bis D einen Abschnitt des Skalenlichtmusters 1235 in einem Bezugssystem zeigen, das auf die Photodetektorkonfiguration 1260 ausgerichtet ist. Im Allgemeinen sollte eine Photodetektorkonfiguration wie die Photodetektorkonfiguration 1260 derart orientiert sein, dass die Raumphasendetektoren auf das Streifenmuster ausgerichtet sind, das durch die nieder- und hochintensiven Interferenzbänder 1235SIGD und 1235SIGL entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD, die quer zu der Messachsenrichtung MA liegt, definiert ist, jedoch nicht genau auf die Y-Richtung ausgerichtet sein.
13B ist ein schematisches Diagramm, das eine zweite Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich zu der Photodetektorkonfiguration 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 und nahe an der Photodetektorkonfiguration 1260 liegt. Der Abschnitt PZ des Skalenlichtmusters 1235 ist ein Satz von Streifen, der durch die Überlappung einer Skalenlichtkomponente nullter Ordnung und der Skalenlichtkomponente SL1 gebildet wird. Der Abschnitt PZ des Skalenlichtmusters 1235 umfasst dunkle bzw. niederintensive Interferenzbänder 1235PZD, die durch fette Linien angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 1235PZL, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind.
Da der Neigungswinkel Φ ungleich null ist, sind die Interferenzbänder 1235PZD und 1235PZL derart orientiert, dass sie nicht entlang der detektierten Bewegungsstreifenrichtung DMFD ausgerichtet sind, und somit sind sie nicht auf die Interferenzbänder 1235SIGD und die Interferenzbänder 1235SIGL ausgerichtet.
13C ist ein schematisches Diagramm, das eine dritte Ansicht von Skalenlichtkomponenten darstellt, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich zu der Photodetektorkonfiguration 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 und die nahe an der Photodetektorkonfiguration 1260 liegt. 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. niederintensive Interferenzbänder 1235MZD, die durch fette Linien angegeben sind, und helle bzw. hochintensive Interferenzbänder 1235MZL, die durch gestrichelte Umrisse angegeben sind.
Da der Neigungswinkel Φ ungleich null ist, 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 die Interferenzbänder 1235SIGL ausgerichtet.
13D ist ein schematisches Diagramm, das eine vierte Ansicht von Skalenlichtkomponenten abbildet, die ein Skalenlichtmuster 1235 in der Nähe einer Photodetektorkonfiguration bilden, die ähnlich zu der Photodetektorkonfiguration 1260 in 12 ist. Genauer gesagt zeigt 13D einen Querschnitt von jedem 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, doch wären sie stattdessen parallel zu den Interferenzbändern 1235SIGD und 1235SIGL, was zu einer Variation der Intensität zwischen abwechselnden hohen Interferenzbändern 1235SIGL des Abschnitts SIG führen würde, was Kurzstreckenfehler bei Raumphasenverschiebungssignalen verursachen würde. Wie es jedoch in 13D gezeigt ist, überlappen sich für den Fall eines Neigungswinkels Φ ungleich null die niederintensiven Interferenzbänder 1235PZD und 1235MZD der Abschnitte PZ und MZ mit den niederintensiven Bereichen LO und die hochintensiven Interferenzbänder 1235PZL und 1235MZL überlappen sich mit den hochintensiven Bereichen Hl. Die Bereiche LO und HI sind entlang einer Richtung quer zur detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD ausgerichtet. Die Intensität der 1235 in den Bereichen LO und HI mittelt ich entlang der Richtung quer zur detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD, wodurch die Variation der Intensität zwischen abwechselnden Streifen innerhalb des Skalenlichts 1235 entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD unterdrückt wird. Dieses Herausmitteln reduziert Kurzstreckenfehler in Raumphasenverschiebungssignalen, die durch Skalenlicht nullter Ordnung, das mit dem Abschnitt SIG des Skalenlichts 1235 interferiert, verursacht werden.
Bei einigen Implementierungen des verschmutzungsbeständigen optischen Gebers 1200 kann Φ größer als 0,3 Grad und kleiner als 2,0 Grad sein.
Bei einigen Implementierungen des verschmutzungsbeständigen optischen Gebers 1200 kann jeder der N Raumphasendetektoren eine geradzahlige Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen umfassen.
Bei einigen Implementierungen des verschmutzungsbeständigen optischen Gebers 1200 kann der Abschnitt zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung 1233 ein erstes Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter (z. B. das erste Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 1040) und ein zweites Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter (z. B. das zweite Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 1050) umfassen. Das erste Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter 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 zu der Messachsenrichtung liegt und in Bezug auf die Lesekopfebene RHP um einen Winkel ψ₁ gedreht ist, länglich sind. Das zweite Beleuchtungsquellen-Beugungsgitter kann zweite Beleuchtungsquellengitterstäbe umfassen, 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 und entlang einer zweiten Indexgitterstabrichtung, die quer zu der Messachsenrichtung liegt und um einen Winkel ψ₂ in Bezug auf die Lesekopfebene RHP gedreht ist, länglich sind. Bei einigen Implementierungen (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 in einem Winkel V im Verhältnis zu einer Richtung, die zu der Skalenebene SP senkrecht ist, orientiert sein, und der Gierwinkel ψ_SC kann die Gleichung (6) erfüllen. Bei einigen Implementierungen kann das Licht, das durch die 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 Implementierungen können das erste Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter und das zweite Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitter Phasengitter sein. Bei einigen Implementierungen kann die detektierte Streifenperiode PDF mindestens 40 Mikrometer betragen.
14 ist eine teilweise schematische isometrische Ansicht einer ersten Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration 1400, die eine zylindrische Drehskala 1410 zum Liefern von Verschiebungssignalen verwendet. Die Geberkonfiguration 1400 umfasst die Drehskala 1410, eine Beleuchtungsquelle 1420, eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA und eine Detektoranordnung 1465 mit einer Photodetektorkonfiguration 1460. Bei der in 14 gezeigten Implementierung umfasst die Drehskala 1410 ein durchlässiges Gitter. 14A ist ein Diagramm eines Abschnitts des Drehskalengitters 1410 von 14, das zusätzliche Einzelheiten in einem zweiten Beleuchtungsbereich IR2 auf der Drehskala 1410 zeigt. Es ist zu beachten, dass der Abstand und der Winkel verschiedener Gitterstäbe und Interferenzstreifen, die in 14 und 14A gezeigt sind, zum Zwecke der Veranschaulichung möglicherweise nicht maßstabsgetreu dargestellt sind und im Lichte der zugehörigen Beschreibung interpretiert werden sollten.
In gewisser Hinsicht kann davon ausgegangen werden, dass die optische Drehgeberkonfiguration 1400 auf der Basis bestimmter Konzepte zur Interferenzstreifenerzeugung und -detektion arbeitet, die zu den zuvor unter Bezugnahme auf die 10-13D skizzierten Konzepten analog sind. Aufgrund der Verwendung von analogen Konzepten umfasst bei der Geberkonfiguration 1400 das detektierte periodische Skalenlichtmuster 1435 ein Detektorstreifenmuster 1435', das Bänder (oder Streifen) umfasst, die so ausgerichtet sind, dass sie sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessachsenrichtung MA erstrecken, und die sich während der Verschiebung der Drehskala 1410 quer zu der Drehmessachsenrichtung entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen. Somit kann der Betrieb der optischen Drehgeberkonfiguration 1400 weitgehend durch Analogie zur vorherigen Beschreibung verstanden werden und im Folgenden werden nur bestimmte Aspekte ausführlich beschrieben.
Wie es in 14 und/oder 14A gezeigt ist, erstreckt sich die Drehskala 1410 entlang (oder um) eine(r) Drehmessrichtung θ um eine Drehachse RA und dreht sich parallel zu einer Drehebene, die senkrecht zu der Drehachse RA ist. Die Drehskala 1410 umfasst ein Drehskalengitter mit Skalengitterstäben GB, die entlang der Drehmessrichtung θ in oder auf einer zylindrischen Drehfläche angeordnet sind, wobei die Skalengitterstäbe GB entlang der Drehmessrichtung schmal und entlang einer Drehskalengitterstabrichtung RSGBD quer zu der Drehmessrichtung θ länglich sind und periodisch mit einem nominellen Skalenabstand PSF entlang der Drehmessrichtung θ angeordnet sind. Die Beleuchtungsquelle 1420 umfasst eine Lichtquelle, die das Quellenlicht 1434 an eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA ausgibt. In verschiedenen hierin offenbarten Drehgeberkonfigurationen umfasst die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA einen ersten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala, eine Strahlablenkerkonfiguration, die mindestens ein erstes und ein zweites Ablenkerelement umfasst, und einen zweiten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala. Bei der in 14 dargestellten speziellen Implementierung ist die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA dazu ausgelegt, das Quellenlicht 1434 in den ersten Beleuchtungsbereich IR1 auf der Drehskala 1410 einzugeben, der das Quelllicht beugt und strukturiertes Beleuchtungslicht 1434', das gebeugte Strahlen umfasst (wie es durch zwei Linien mit unterschiedlichen Strichstilen in 14 dargestellt ist), entlang eines Strahlengangs LP zu einer Strahlablenkerkonfiguration BDC, die einen ersten Spiegel 1471 und einen zweiten Spiegel 1472 umfasst, ausgibt. Die Strahlablenkerkonfiguration BDC ist dazu ausgelegt, zu bewirken, dass sich gebeugte Strahlen des strukturierten Beleuchtungslichts 1434' überkreuzen, und das resultierende strukturierte Beleuchtungslicht (d. h. die gebeugten Strahlen) so zu transmittieren, dass sie sich in einem zweiten Beleuchtungsbereich IR2 auf der Drehskala 1410 überlappen. In dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2 interferieren die gebeugten Lichtstrahlen des strukturierten Beleuchtungslichts 1434' und bilden ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2, so dass das strukturierte Beleuchtungslicht 1434' das Beleuchtungsstreifenmuster IFP in dem zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 umfasst. Das Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst Streifen, die entlang der Drehmessrichtung θ schmal sind und entlang einer quer zu der Drehmessrichtung θ ausgerichteten Beleuchtungsstreifenrichtung IFD länglich sind. Die Winkeldifferenz zwischen der Beleuchtungsstreifenrichtung IFD und einer Drehskalengitterstabrichtung RSGBD (in 14A gezeigt) ist dazu ausgelegt, das periodische Skalenlichtmuster 1435 bereitzustellen, das das Detektorstreifenmuster 1435 umfasst, das Streifen umfasst, die eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessachsenrichtung MA aufweisen und die sich während der Verschiebung der Drehskala 1410 entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen, wie es in 14 gezeigt ist.
Wie es in 14 gezeigt ist, reflektieren der erste Spiegel 1471 und der zweite Spiegel 1472 die gebeugten Strahlen des strukturierten Beleuchtungslichts 1434' entlang der allgemeinen Richtung des Strahlengangs LP zu dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2. In der in 14 dargestellten speziellen Implementierung sind der erste Spiegel 1471 und der zweite Spiegel 1472 der Strahlablenkerkonfiguration BDC dazu ausgelegt, jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts, das von dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 ausgegeben wird, zu empfangen und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse RA kreuzen, so dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge fortsetzen, und diese jeweiligen Strahlengänge zu empfangen und so abzulenken, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge so fortsetzen, dass sie sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster IFP bilden. In einigen Implementierungen verläuft das strukturierte Beleuchtungslicht 1434' im freien Raum zwischen dem ersten Spiegel 1471 und dem zweiten Spiegel 1472. In anderen Implementierungen können sich der erste Spiegel 1471 und der zweite Spiegel 1472 an den Oberflächen eines monolithischen optischen Materials befinden, wobei das strukturierte Beleuchtungslicht 1434' durch interne Reflexionen innerhalb des monolithischen optischen Materials reflektiert wird. In einigen Implementierungen werden das Quellenlicht 1434 und die gebeugten Strahlen nominell kollimiert (z. B. durch Integrieren einer Kollimationslinse in die Beleuchtungsquelle 1420). In anderen Implementierungen ist jedoch die Beleuchtungsquelle 1420 und/oder die Strahlablenkerkonfiguration BDC so ausgelegt, dass die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts aus dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 nahe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse RA fokussiert werden. In solchen Implementierungen können bestimmte Fehler aufgrund kleiner Komponentenfehlausrichtungen gemindert oder beseitigt werden. In einigen derartigen Implementierungen kann eine in der Beleuchtungsquelle 1420 enthaltene Linse ein konvergierendes Quellenlicht 1434 liefern, das nahe der Drehachse RA fokussiert ist. In einigen derartigen Implementierungen ist mindestens eine der Strahlablenkerkonfiguration BDC und/oder der Detektoranordnung 1465 derart ausgelegt, dass das Skalenlicht aus dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2, das das periodische Skalenlichtmuster 1435 bildet, das das Detektorstreifenmuster 1435 bildet, nominell an der Photodetektoranordnung 1460 kollimiert wird. Beispielsweise kann bei einer solchen Implementierung die Detektoranordnung 1465 eine Linse mit Eigenschaften umfassen, die zu der Linse komplementär sind, die das Quellenlicht 1434 in der Nähe der Drehachse RA fokussiert, um das in dem periodischen Skalenlichtmuster 1435 enthaltene Licht zu kollimieren, bevor er den Photodetektor 1460 erreicht. Es ist zu beachten, dass in der in 14 gezeigten Implementierung die Strahlablenkerkonfiguration BDC einen ersten und einen zweiten parallelen planaren Spiegel 1471 und 1472 umfasst, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse RA befinden und jeweilige Oberflächenebenen aufweisen, die sich etwa parallel zu einem Durchmesser der zylindrischen Drehskala 1410, die den ersten und den zweiten Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 schneidet, erstrecken. Der erste und der zweite Spiegel 1471 und 1472 sind jeweils so ausgerichtet, dass sie jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts empfangen, das von dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 ausgegeben wird. Es ist zu beachten, dass ihre Oberflächenebenen so dargestellt sind, dass sie um die als Strahlengang LP dargestellte Linie gedreht sind, wobei diese Drehung den gewünschten Winkel oder die gewünschte Richtung der Beleuchtungsstreifenrichtung IFD gemäß zuvor dargelegten Prinzipien erzeugt. Es versteht sich, dass die durch die Spiegel 1471 und 1472 bereitgestellte Ablenkung in einigen Implementierungen alternativ durch verschiedene Gitteranordnungen anstelle von Spiegeln bereitgestellt werden könnte.
Wie zuvor dargelegt ist die Drehskala 1410 dazu ausgelegt, das Beleuchtungsstreifenmuster IFP in den zweiten Beleuchtungsbereich IR2 einzugeben und das Skalenlicht in Form eines periodischen Skalenlichtmusters 1435, das ein Detektorstreifenmuster 1435' umfasst, an der Photodetektorkonfiguration 1460 der Detektoranordnung 1465 auszugeben. Das Detektorstreifenmuster 1435 umfasst periodische Bänder hoher und niedriger Intensität, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung erstrecken und quer (z. B. orthogonal) zu der Drehmessrichtung θ relativ schmal und mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD periodisch sind.
Wie es im Einzelnen in 14A gezeigt ist, ist die Drehskalengitterstabrichtung RSGBD der Gitterstäbe GB in einem von null verschiedenen Gierwinkel ψ₁ relativ zu einer Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung MA und entlang der Drehfläche der Drehskala 1410 ausgerichtet. Allgemein gesagt ist die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA so ausgelegt, dass die Beleuchtungsstreifenrichtung IFD des Streifenmusters 1435' in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 auf der Drehskala 1410 unter einem nominellen Streifenrichtungs-Gierwinkel ψ₂ ausgerichtet ist, der um einen von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA relativ zu der Drehskalengitterstabrichtung RSGBD in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 auf der Drehskala 1410 gedreht ist. Gemäß der in 14A gezeigten Notation ist YDA=(ψ1-ψ2), wobei ψ₂ von einer Referenz entgegen dem Uhrzeigersinn gemessen wird und daher als negativer Winkel betrachtet wird.
Die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD verlaufen quer zu der Drehmessrichtung θ und hängen in analoger Weise zumindest teilweise von dem von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA ab (z. B. vom von null verschiedenen Gierwinkel ψ₁ , in analoger Weise zu der mit Bezug auf 7 beschriebenen). Die Bänder hoher und niedriger Intensität bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung θ, wenn sich die Drehskala 1410 um die Drehachse RA dreht. Die Detektoranordnung 1465 ist dazu ausgelegt, eine Verschiebung der Bänder hoher und niedriger Intensität entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung θ zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, die die Drehskalenverschiebung angeben. In einer Implementierung ist die Photodetektorkonfiguration 1460 in der Detektoranordnung 1465 ähnlich zu dem Photodetektor 560 und kann unter Bezugnahme auf 6A und 6B verstanden werden. Die Photodetektorkonfiguration 1460 kann einen Satz von N Raumphasendetektoren umfassen, die periodisch in einem Detektorabstand PD (in 6A und 6B gezeigt) entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung angeordnet sind. Jeder Raumphasendetektoren kann dazu ausgelegt sein, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern, und zumindest ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren kann sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung erstrecken und kann entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung relativ schmal sein, und der Satz von N Raumphasendetektoren kann in einer Raumphasenfolge gemäß zuvor offenbarten Prinzipien entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet sein. In einigen Implementierungen kann es Vorteile in Bezug auf Leistung und/oder Wirtschaftlichkeit haben, wenn die detektierte Streifenperiode PDF mindestens 40 Mikrometer beträgt. In einigen Implementierungen kann es Vorteile in Bezug auf Leistung und/oder Wirtschaftlichkeit geben, wenn jeder der N Raumphasendetektoren eine gerade Anzahl von skalierten Lichtempfangsbereichen umfasst.
In einigen Implementierungen kann GLEICHUNG 6 an eine optische Drehgeberkonfiguration wie etwa die optische Drehgeberkonfiguration 1400 angepasst sein. In einem solchen Fall stellt die Drehskala 1410 das Äquivalent des ersten und zweiten Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitters 540 und 550 bereit, wobei P₁ und P₂ jetzt gleich der Skalenteilung P_SF sind. In einigen Implementierungen kann es vorteilhaft sein, wenn ψ₂ gleich -ψ1 ist. Da das Licht in dem Quellenlicht 1434 und dem strukturierten Beleuchtungslicht 1434' nur noch zwei Gitter durchläuft, vereinfacht sich Gleichung 6 für die optische Geberkonfiguration 1400, um eine Gleichung zu liefern, um den Gierwinkel ψ1 mit der detektierten Streifenperiode PDF in Beziehung zu setzen: $ψ 1 = {sin}^{- 1} (\frac{P_{S F}}{4 * P D F})$
Das Bereitstellen von Licht in dem Quellenlicht 1434 und dem strukturierten Beleuchtungslicht 1434', das zweimal auf die Drehskala 1410 einfällt (d. h. in dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 und dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2), ermöglicht Verschiebungsmessungen mit höherer Auflösung (d. h. die Auflösung wird „verdoppelt“, indem eine Strahlüberkreuzung wie zuvor beschrieben in Kombination mit zwei Beugungen an gegenüberliegenden Seiten der Drehskala 1410 bereitgestellt wird) sowie eine Korrektur des Drehversatzes senkrecht zu einer Linie, die durch den ersten Beleuchtungsbereich IR1 und den zweiten Beleuchtungsbereich IR2 verläuft.
15 ist ein teilweise schematisches Diagramm entlang der Drehachsenrichtung betrachtet, das bestimmte Aspekte einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration 1500 darstellt, die in einigen Implementierungen ähnlich oder identisch zu der ersten Implementierung einer in 14 gezeigten optischen Drehgeberkonfiguration 1400 sein kann, wobei eine Darstellung bestimmter alternativer Elemente enthalten ist. Ähnliche Zahlen in 15 und 14 bezeichnen nach Verständnis, sofern nicht anders angegeben, ähnliche oder analoge Elemente. Daher werden hier nur bestimmte unterschiedliche oder alternative Aspekte von 15 beschrieben. 15 zeigt zwei verschiedene alternative Implementierungen der Strahlablenkerkonfiguration BDC. Insbesondere stellen der erste und der zweite Spiegel 1471 und 1472 eine Implementierung eines ersten und zweiten Ablenkerelements in der Strahlablenkerkonfiguration BDC bereit und das erste und das zweite Ablenkerelement können Spiegel (1471 und 1472) oder Gitter umfassen, die zum Ablenken der gebeugten Strahlen (gezeigt durch zwei Linien mit unterschiedlichen Strichstilen) ungefähr wie dargestellt ausgelegt sind, wie es zuvor unter Bezugnahme auf 14 dargelegt ist. Alternativ zu dem ersten und dem zweiten Spiegel 1471 und 1472 stellen das erste und das zweite Gitter 1473 und 1474 eine unterschiedliche Implementierung eines ersten und eines zweiten Ablenkerelements in der Strahlablenkerkonfiguration BDC bereit. In einer Implementierung kann das erste Gitter 1473 eine erste durchlässige Gitterkonfiguration umfassen und das zweite Gitter 1474 kann eine zweite durchlässige Gitterkonfiguration umfassen, die jeweils die jeweiligen gebeugten Strahlen (durch zwei Linien mit unterschiedlichen Strichstilen gezeigt) nach bekannten Gitterablenkprinzipien ungefähr wie dargestellt ablenken. In verschiedenen Implementierungen können die Gitter fokussierte und abgelenkte Strahlen oder kollimierte und abgelenkte Strahlen gemäß zuvor dargelegten Prinzipien liefern. In jedem Fall können geeignete Gitter durch Entwurf, Simulation und/oder Experiment auf der Basis von im Handel erhältlichen optischen Entwurfsprogrammen und/oder bekannten Gitterentwurfsprinzipien bestimmt werden. Es versteht sich, dass in einigen Implementierungen bei dem Gitter 1473 (1474) die Bereiche 1473A (1474A) und 1473B (1474B) möglicherweise nicht identisch oder kontinuierlich sind. Beispielsweise können die Bereiche 1473A (1474A) und 1473B (1474B) in einigen Implementierungen eine Spiegelsymmetrie oder dergleichen (z. B. relativ zu dem Strahlengang LP) aufweisen, um die gewünschte Ablenkung für ihre jeweiligen Strahlen bereitzustellen.
16 ist ein teilweise schematisches Diagramm betrachtet entlang der Drehachsenrichtung, das bestimmte Aspekte einer zweiten Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration 1600 darstellt, die eine zylindrische Drehskala 1610 verwendet, die ein reflektierendes Gitter anstelle eines durchlässigen Gitters zum Liefern von Verschiebungssignalen umfasst, wobei eine Darstellung bestimmter alternativer Elemente enthalten ist. Die Geberkonfiguration 1600 ist analog zu der in 15 gezeigten Geberkonfiguration 1500, mit Ausnahme der leicht verständlichen Abweichungen aufgrund der Verwendung des reflektierenden Gitters auf der Drehskala 1610. Ähnliche Nummern in 16 und 15 (z. B. 16XX und 15XX mit ähnlichen Suffixen) können, sofern nicht anders angegeben, ähnliche oder analoge Elemente bezeichnen. Es versteht sich, dass die in 16 gezeigte Implementierung ermöglicht, dass die Beleuchtungsquelle 1620, die Strahlablenkerkonfiguration BDC und die Detektoranordnung 1665 alle auf einer einzelnen Anordnung befinden, die sich im Inneren der Drehskala 1610 befindet.
Es ist zu beachten, dass für verschiedene oben offenbarte Geberkonfigurationen die Drehskala eine zylindrische Skala mit einer nominell zylindrischen Drehfläche mit darauf angeordneten Skalengitterstäben gemäß zuvor dargelegten Prinzipien ist. Der erste und der zweite Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 befinden sich in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers der zylindrischen Drehskala 1410, 1610 und die Beleuchtungsquelle 1420, 1620 ist dazu ausgelegt, das Quellenlicht 1434, 1634 an den ersten Beleuchtungsbereich IR1 entlang einer Linie, die den ersten und den zweiten Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 schneidet, auszugeben, und die Strahlablenkerkonfiguration BDC ist in einem Volumen angeordnet, das durch einen Vorsprung der zylindrischen Drehfläche der Drehskala 1410, 1610 entlang der Richtung der Drehachse RA begrenzt ist.
In verschiedenen Geberkonfigurationen wie etwa den oben offenbarten, bei denen die Drehskala eine zylindrische Skala ist, können die dargestellte Spur von Skalengitterstäben GB um die Drehskala zusammen mit den zugehörigen optischen Komponenten, die zum Erzeugen von Positionssignalen aus dieser Spur verwendet werden, als erster Messkanal betrachtet werden. Es versteht sich, dass es in solchen Konfigurationen mit „zylindrischer Skala“ besonders einfach ist, einen zweiten Messkanal hinzuzufügen, der dem ersten Messkanal ähnlich oder identisch ist, falls dies gewünscht wird. Beispielsweise kann eine zweite Spur von Skalengitterstäben GB auf einer Drehskala bereitgestellt werden, die entlang der Richtung der Drehachse RA von der ersten Skalenspur beabstandet ist. Einige oder alle der Beleuchtungsquelle, der Strahlablenkerkonfiguration und der Detektoranordnung können für den zweiten Messkanal dupliziert oder unter den beiden Messkanälen gemeinsam genutzt werden. Der Vorteil einer solchen Konfiguration besteht darin, dass eine Kombination der jeweiligen Raumphasenverschiebungssignale des ersten und des zweiten Messkanals oder von diesen abgeleitete Messungen verwendet werden können, um mögliche Fehlausrichtungsfehler, die ansonsten in den einzelnen Raumphasenverschiebungssignalen oder Messungen, die von einem einzelnen Messkanal abgeleitet sind, auftreten könnten, zu mildern oder zu kompensieren. In einer solchen besonders vorteilhaften Implementierung umfasst der erste Messkanal die mit dem Gierwinkel ψ1 entlang einer ersten Skalenspur auf der Drehskala angeordneten Skalengitterstäbe GB und der zweite Messkanal umfasst die mit dem entgegengesetzten Gierwinkel -ψ1 entlang einer zweiten Skalenspur auf der Drehskala, die entlang der Richtung der Drehachse von der ersten Skalenspur beabstandet ist, angeordneten Skalengitterstäbe BG. In einigen Implementierungen können der erste und der zweite Messkanal unterschiedliche Skalenabstände aufweisen und die Raumphasendifferenz zwischen ihren Signalen kann verwendet werden, um eine absolute Positionsmessung entlang der Messachse gemäß bekannter Verfahren anzugeben. In einigen Implementierungen kann eine einzelne Strahlablenkerkonfiguration (z. B. zwei parallele Spiegel) vorteilhafterweise von dem ersten und dem zweiten Messkanal gemeinsam genutzt werden. In anderen Implementierungen können der erste und der zweite Messkanal ungefähr orthogonale Strahlengänge aufweisen und eine Kombination ihrer Signale kann verwendet werden, um bestimmte Fehlausrichtungsfehler (z. B. Versatz sowohl in X als auch Y oder Exzentrizitätsfehler) zu kompensieren.
17 ist eine teilweise schematische isometrische Ansicht einer dritten Implementierung einer verschmutzungs- und defektbeständigen optischen Drehgeberkonfiguration 1700, die eine planare Drehskala 1710 zum Liefern von Verschiebungssignalen verwendet. Die Geberkonfiguration 1700 umfasst die Drehskala 1710, eine Beleuchtungsquelle 1720, eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA und eine Detektoranordnung 1765 mit einer Photodetektorkonfiguration 1760. Bei der in 17 gezeigten Implementierung umfasst die Drehskala 1710 ein reflektierendes Gitter. 17A ist ein Diagramm von Abschnitten der Drehskala (Gitter) 1710 von 17, das zusätzliche Einzelheiten in dem ersten und zweiten Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 auf der Drehskala 1710 zeigt. Es versteht sich, dass der Abstand und der Winkel von verschiedenen Gitterstäben und Interferenzstreifen, die in 17 und 17A gezeigt sind, zum Zwecke der Veranschaulichung nicht maßstabsgetreu dargestellt sein können und im Lichte der zugehörigen Beschreibung interpretiert werden sollten.
In gewisser Hinsicht kann davon ausgegangen werden, dass die optischen Drehgeberkonfiguration 1700 auf der Basis bestimmter Konzepte zur Interferenzstreifenerzeugung und -detektion arbeitet, die zu den zuvor unter Bezugnahme auf 10-14A skizzierten Konzepten analog sind. Aufgrund der Verwendung von analogen Konzepten umfasst bei der Geberkonfiguration 1700 das detektierte periodische Skalenlichtmuster 1735 ein Detektorstreifenmuster 1735', das Bänder (oder Streifen) umfasst, die so ausgerichtet sind, dass sie sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessachsenrichtung MA erstrecken, und die sich während der Verschiebung der Drehskala 1710 quer zu der Drehmessachsenrichtung entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen. Somit kann trotz der Verwendung einer Drehskala vom planaren Typ 1710 anstelle der in 14 gezeigten Drehskala vom zylindrischen Typ der Betrieb der optischen Drehgeberkonfiguration 1700 weitgehend durch Analogie zu der vorhergehenden Beschreibung (insbesondere in Bezug auf 14 und 14A) verstanden werden und nur bestimmte Aspekte werden nachstehend ausführlich beschrieben.
Wie es in 17 und/oder 17A gezeigt ist, kann die planare Drehskala 1710 kreisförmig sein und sich entlang (oder um) eine(r) Drehmessrichtung θ um eine Drehachse RA erstrecken und parallel zu einer Drehebene drehen, die senkrecht zu der Drehachse RA ist. Die Drehskala 1710 umfasst ein Drehskalengitter mit reflektierenden Skalengitterstäben GB, die entlang der Drehmessrichtung θ in oder auf einer planaren Drehfläche angeordnet sind, wobei die Skalengitterstäbe GB entlang der Drehmessrichtung θ schmal sind und entlang einer Drehskalengitterstabrichtung RSGBD quer zu der Drehmessrichtung θ länglich sind und periodisch in einem nominellen Winkelabstand AP_SF entlang der Drehmessrichtung θ angeordnet sind. Die Beleuchtungsquelle 1720, eine Strahlablenkerkonfiguration BDC der Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA und die Detektoranordnung 1765 mit einer Photodetektorkonfiguration 1760 sind alle auf der gleichen Seite der Drehskala 1710 angeordnet. Es versteht sich, dass die nominelle Winkelteilung APSF in eine „lineare Teilung“, die funktional mit der Skalenteilung P_SF vergleichbar ist, die oben unter Bezugnahme auf 14 und 14A dargelegt ist (z. B. in Bezug auf verschiedene hier offenbarte Gleichungen und Beziehungen) durch Multiplizieren des Winkelabstands AP_SF (im Bogenmaß) mit dem nominellen oder durchschnittlichen Radius von der Drehachse RA zu der Mitte der Beleuchtungsbereiche IR1 und/oder IR2 umgewandelt werden kann.
Die Beleuchtungsquelle 1720 umfasst eine Lichtquelle, die Quellenlicht 1734 an eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA ausgibt. Die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA umfasst einen ersten Beleuchtungsbereich IR1 auf der Drehskala, die Strahlablenkerkonfiguration BDC, die ein erstes und zweites Ablenkerelement 1773 und 1774 umfasst, und einen zweiten Beleuchtungsbereich IR2 auf der Drehskala 1710. Bei der in 17 dargestellten Implementierung befinden sich der erste und der zweite Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers der Drehskala 1710 (obwohl sie nicht perfekt auf diesen Durchmesser ausgerichtet sind). Die Beleuchtungsquelle 1720 ist dazu ausgelegt, das Quellenlicht 1734 an den ersten Beleuchtungsbereich IR1 entlang einer Ebene NIP, die den ersten und den zweiten Beleuchtungsbereich schneidet, und unter einem Einfallswinkel relativ zu der planaren Drehfläche in dieser Ebene auszugeben. Die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA ist dazu ausgelegt, das Quellenlicht 1734 in den ersten Beleuchtungsbereich IR1 auf der Drehskala 1710 einzugeben, der das Quellenlicht 1734 reflektiert und beugt und strukturiertes Beleuchtungslicht 1734' ausgibt, das gebeugte Strahlen (wie durch zwei Linien mit verschiedenen Strichstilen in 17 dargestellt) entlang eines Strahlengangs zu einer Strahlablenkerkonfiguration BDC mit einem ersten und einem zweiten Ablenkerelement 1773 und 1774 und einem Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 umfasst. Die Strahlablenkerkonfiguration BDC ist dazu ausgelegt, zu bewirken, dass gebeugte Strahlen des strukturierten Beleuchtungslichts 1734' einander kreuzen, und das resultierende strukturierte Beleuchtungslicht (das heißt die gebeugten Strahlen) so zu transmittieren, dass sie sich in einem zweiten Beleuchtungsbereich IR2 auf der Drehskala 1710 überlappen. Bei der in 17 gezeigten Implementierung ist das erste Ablenkerelement 1773 der Strahlablenkerkonfiguration BDC dazu ausgelegt, jeweilige Strahlen des Quellenlichts, das gebeugt wird und von dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 ausgegeben wird, zu empfangen und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich an dem Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 in der Nähe der Drehachse RA kreuzen. Der Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 reflektiert die jeweiligen Strahlen in der Nähe ihrer Überkreuzung in der Nähe der Drehachse RA derart, dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge zu dem zweiten Ablenkerelement 1774 der Strahlablenkerkonfiguration BDC fortsetzen. Das zweite Ablenkerelement 1774 empfängt diese jeweiligen Strahlen und lenkt sie so ab, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge fortsetzen, um in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 zu überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster IFP auszubilden.
Der zweite Beleuchtungsbereich IR2 ist dazu ausgelegt, das Beleuchtungsstreifenmuster IFP einzugeben und reflektiertes Skalenlicht unter einem Einfallswinkel relativ zur planaren Drehfläche der Drehskala 1710 auszugeben, um das periodische Skalenlichtmuster 1735, das das Detektorstreifenmuster 1735 umfasst, an der Photodetektoranordnung 1760 der Detektoranordnung 1765 zu bilden. Insbesondere interferieren in dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2 die gebeugten Lichtstrahlen des strukturierten Beleuchtungslichts 1734'^und bilden ein Beleuchtungsstreifenmuster IFP in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2, so dass das strukturierte Beleuchtungslicht 1734' das Beleuchtungsstreifenmuster IFP in dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2 umfasst. Das Beleuchtungsstreifenmuster IFP umfasst Streifen, die entlang der Drehmessrichtung θ schmal sind und entlang einer quer zur Drehmessrichtung θ ausgerichteten Beleuchtungsstreifenrichtung IFD länglich sind. Die Winkeldifferenz zwischen der Beleuchtungsstreifenrichtung IFD und einer Drehskalengitterstabrichtung RSGBD (in 17A gezeigt) ist dazu ausgelegt, das periodische Skalenlichtmuster 1735, das das Detektorstreifenmuster 1735 enthält, das Streifen umfasst, die eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessachsenrichtung MA aufweisen und die sich während der Verschiebung der Drehskala 1710 entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD bewegen, wie es in 17 gezeigt ist, zu liefern.
Bei der in 17 dargestellten speziellen Implementierung umfassen das erste und das zweite Ablenkerelement 1773 und 1774 jeweils ein erstes und ein zweites Paar von durchlässigen Gittern 1773A und 1773B sowie 1774A und 1774B, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden. Das erste Paar von durchlässigen Gittern 1773A und 1773B ist auf einer planaren Oberfläche (z. B. eines optischen Blocks 1770) angeordnet, die nominell parallel zu der Drehebene ist, und die jeweiligen Gitter dieses Paares sind so angeordnet, dass sie jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts 1734 (auch als strukturiertes Beleuchtungslicht 1734 bezeichnet) empfangen, das von dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 reflektiert und ausgegeben wird. Es versteht sich, dass die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils Gitterstäbe umfassen, die dazu ausgelegt sind (z. B. wie nachstehend ausführlicher beschrieben), ihre jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse RA kreuzen, wie es oben ausgeführt ist. Der Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 befindet sich in der Nähe der Stelle, an der sich die konvergierenden Strahlengänge in der Nähe der Drehachse RA kreuzen, und ist dazu ausgelegt, diese jeweiligen Strahlen so zu reflektieren, dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge aus dem Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 fortsetzen. Das zweite Paar durchlässiger Gitter 1774A und 1774B ist auch auf einer planaren Oberfläche angeordnet, die nominell parallel zu der Drehebene ist (z. B. komplanar mit dem ersten Paar durchlässiger Gitter 1773A und 1773B), und die jeweiligen Gitter dieses Paares sind so angeordnet, dass sie die jeweiligen Strahlen entlang der divergierenden Strahlengänge aus dem Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 empfangen. Die jeweiligen Gitter dieses Paares umfassen jeweils Gitterstäbe, die dazu ausgelegt sind (z. B. wie nachstehend ausführlicher beschrieben), diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge so abzulenken, dass sie in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster IFP bilden, was dann wie oben beschrieben funktioniert.
In einigen Implementierungen kann der Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 ein planarer Spiegel sein. In anderen Implementierungen umfasst der Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 eine gekrümmte Oberfläche (z. B. eine gekrümmte Oberfläche mit einem Krümmungsradius in der Größenordnung ihres Trennungsabstands entlang der Drehachse RA von der planaren Oberfläche der Drehskala 1710, die in einigen Implementierungen die Gitterstäbe GB umfasst). In einigen Implementierungen werden das Quellenlicht 1734 und die gebeugten Strahlen nominell kollimiert (z. B. durch Aufnehmen einer Kollimationslinse in die Beleuchtungsquelle 1720). In anderen Implementierungen ist jedoch die Beleuchtungsquelle 1720 und/oder die Strahlablenkerkonfiguration BDC so ausgelegt, dass die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts aus dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 in der Nähe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse RA, und am bevorzugtesten an dem Überkreuzungsbereichsreflektor 1780, fokussiert werden. In solchen „Strahlfokussierungsimplementierungen“ können bestimmte Fehler aufgrund kleiner Komponentenfehlausrichtungen gemildert oder beseitigt werden.
In einer solchen „Strahlfokussierungsimplementierung“ der in 17 gezeigten Konfiguration können bei dem ersten Paar von durchlässigen Gittern 1773A und 1773B die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils dazu ausgelegt sein, kollimiertes Licht in ihren jeweiligen Strahlen empfangen, und gekrümmte Gitterstäbe aufweisen, die dazu ausgelegt sind, ihre jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen, und diese jeweiligen Strahlen in der Nähe der Drehachse und am bevorzugtesten an dem Überkreuzungsbereichsreflektor 1780 zu fokussieren. In dem zweiten Paar von durchlässigen Gittern 1774A und 1774B können die jeweiligen Gitter dieses Paares dazu ausgelegt sein, divergierendes Licht in ihren jeweiligen Strahlen empfangen, und sie können gekrümmte Gitterstäbe aufweisen, die dazu ausgelegt sind, das Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu kollimieren und abzulenken, um kollimierte Lichtstrahlen entlang konvergierender Strahlengänge so bereitzustellen, dass sie sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster IFP bilden. Eine Implementierung derartiger Gitterpaare wird nachstehend unter Bezugnahme auf 18 gezeigt und beschrieben. In einer anderen derartigen „Strahlfokussierungsimplementierung“ kann eine in der Beleuchtungsquelle 1720 enthaltene Linse ein konvergierendes Quellenlicht 1734 liefern, das nahe der Drehachse RA fokussiert ist. In einigen derartigen Implementierungen ist die Strahlablenkerkonfiguration BDC und/oder die Detektoranordnung 1765 so ausgelegt, dass das Skalenlicht aus dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2, das das periodische Skalenlichtmuster 1735 bildet, das das Detektorstreifenmuster 1735' umfasst, nominell an der Photodetektorkonfiguration 1760 kollimiert wird. Beispielsweise kann bei einer solchen Implementierung die Detektoranordnung 1765 eine Linse mit Eigenschaften, die zu der Linse komplementär sind, die das Quellenlicht 1734 in der Nähe der Drehachse RA fokussiert, umfassen, um das in dem periodischen Skalenlichtmuster 1735 enthaltene Licht zu kollimieren, bevor es den Photodetektor 1760 erreicht.
Wie zuvor dargelegt ist die Drehskala 1710 dazu ausgelegt, das Beleuchtungsstreifenmuster IFP in den zweiten Beleuchtungsbereich IR2 einzugeben und das Skalenlicht in Form eines periodischen Skalenlichtmusters 1735, das ein Detektorstreifenmuster 1735' umfasst, an der Photodetektorkonfiguration 1760 der Detektoranordnung 1765 auszugeben. Das Detektorstreifenmuster 1735 umfasst periodische Bänder hoher und niedriger Intensität, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung θ erstrecken und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung θ relativ schmal sind und mit einer detektierten Streifenperiode PDF periodisch sind.
Wie es in 17A im Einzelnen gezeigt ist, ist die Drehskalengitterstabrichtung RSGBD der Gitterstäbe GB in einem von null verschiedenen Gierwinkel ψ1 relativ zu einer Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung MA und entlang der Drehfläche der Drehskala 1710 ausgerichtet. In 17A ist die Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung MA an der Stelle jedes Gitterstabs GB durch eine radiale Linie RadLine dargestellt, die so definiert ist, dass sie sich radial aus der Drehachse RA erstreckt. Allgemein gesagt ist die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung SIGA so ausgelegt, dass die Beleuchtungsstreifenrichtung IFD des Streifenmusters 1735' in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 auf der Drehskala 1710 in einem nominellen Streifenrichtungs-Gierwinkel ausgerichtet ist, der um einen von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA relativ zu der nominellen oder durchschnittlichen Drehskalengitterstabrichtung RSGBD in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 auf der Drehskala 1710 gedreht ist. In der speziellen in 17 und 17A gezeigten Implementierung befinden sich der erste und der zweite Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers durch die Drehachse RA der Drehskala und die Beleuchtungsquelle 1720 ist dazu ausgelegt, das Quellenlicht 1734 an den ersten Beleuchtungsbereich IR1 entlang einer nominellen Beleuchtungsebene NIP auszugeben, die nominell normal zu der planaren Drehfläche und nominell parallel zu diesem Durchmesser ist und die von diesem Durchmesser um einen nominellen Beleuchtungsebenenversatz IPOff versetzt ist. Der erste und der zweite Beleuchtungsbereich IR1 und IR2 sind jeweils um den nominellen Beleuchtungsebenenversatz IPOff von diesem Durchmesser versetzt. Der nominelle Beleuchtungsebenenversatz IPOff ist dazu ausgelegt, die nominelle Beleuchtungsebene NIP parallel zu der nominellen oder durchschnittlichen Ausrichtung der Skalengitterstäbe GB in dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 auszurichten. Die Skalengitterstäbe GB haben überall auf der Drehskala 1710, auch im zweiten Beleuchtungsbereich IR2, den von Null verschiedenen Gierwinkel ψ1 relativ zu der Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung MA. Die vorstehenden Konstruktionsprinzipien führen dazu, dass die Beleuchtungsstreifenrichtung IFD um den von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA relativ zu der nominellen oder durchschnittlichen Drehskalengitterstabrichtung RSGBD in dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2 gedreht ist. Gemäß der in 17A gezeigten Notation ist YDA=(ψ1-ψ2), wobei ψ2 entgegen dem Uhrzeigersinn von einer Referenz aus gemessen wird und daher als negativer Winkel betrachtet wird. In einigen derartigen Implementierungen ist der von null verschiedene Gierdifferenzwinkel YDA vorteilhafterweise so ausgelegt, dass es das Zweifache des von null verschiedenen Gierwinkels ψ1 beträgt.
In jedem Fall sind die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung θ und hängen zumindest teilweise von dem von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA ab (z. B. von dem von null verschiedenen Gierwinkel ψ1, analog zu der mit Bezug auf 7 beschriebenen Weise). Die Bänder hoher und niedriger Intensität bewegen sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung θ, wenn sich die Drehskala 1710 um die Drehachse RA dreht. Die Detektoranordnung 1765 ist dazu ausgelegt, eine Verschiebung der Bänder hoher und niedriger Intensität entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung θ zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, die die Drehskalenverschiebung angeben. Bei einer Implementierung ist die Photodetektorkonfiguration 1760 in der Detektoranordnung 1765 ähnlich zu dem Photodetektor 560 und kann unter Bezugnahme auf 6A und 6B verstanden werden. Die Photodetektorkonfiguration 1760 kann einen Satz von N Raumphasendetektoren umfassen, die periodisch in einem Detektorabstand PD (in 6A und 6B gezeigt) entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung DFMD quer zu der Drehmessrichtung angeordnet sind. Jeder Raumphasendetektor kann dazu ausgelegt sein, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern, und zumindest ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren kann sich entlang der Drehmessrichtung über eine relativ längere Abmessung erstrecken und kann entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung relativ schmal sein, und der Satz von N Raumphasendetektoren kann in einer Raumphasenfolge entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung gemäß zuvor offenbarten Prinzipien angeordnet sein. In einigen Implementierungen kann es Vorteile in Bezug auf Leistung und/oder Wirtschaftlichkeit haben, wenn die detektierte Streifenperiode PDF mindestens 40 Mikrometer beträgt. In einigen Implementierungen kann es Vorteile in Bezug auf Leistung und/oder Wirtschaftlichkeit haben, wenn jeder der N Raumphasendetektoren eine gerade Anzahl von skalierten Lichtempfangsbereichen umfasst.
In einigen Implementierungen kann GLEICHUNG 6 an eine optische Drehgeberkonfiguration wie die optische Drehgeberkonfiguration 1700 angepasst sein. In einem solchen Fall stellt die Drehskala 1710 das Äquivalent des ersten und zweiten Beleuchtungsquellen-Lichtbeugungsgitters 540 und 550. wobei P₁ und P₂ nun gleich der effektiven Skalenteilung P_SF sind, die als Winkelteilung AP_SF (im Bogenmaß) multipliziert mit dem nominellen oder durchschnittlichen Radius von der Drehachse RA zu der Mitte der Beleuchtungsbereiche IR1 und/oder oder IR2 genommen werden kann, wie es zuvor beschrieben ist. Da das Licht in dem Quellenlicht 1734 und dem strukturierten Beleuchtungslicht 1734' nun zwei Gitter durchläuft, ähnlich wie bei der optischen Geberkonfiguration 1400, vereinfacht sich für die optische Geberkonfiguration 1700 Gleichung 6 zu der zuvor erläuterten Gleichung 8, um den Gierwinkel ψ1 mit der detektierten Streifenperiode PDF in Beziehung zu setzen.
Das Bereitstellen von Licht in dem Quellenlicht 1734 und dem strukturierten Beleuchtungslicht 1734', das zweimal auf die Drehskala 1710 einfällt (d. h. in dem ersten Beleuchtungsbereich IR1 und dem zweiten Beleuchtungsbereich IR2), ermöglicht eine Verschiebungsmessung mit höherer Auflösung sowie eine Korrektur von verschiedenen möglichen Fehlausrichtungen in der Drehgeberkonfiguration 1700.
18 ist ein Diagramm, das schematisch oder qualitativ Gittermuster darstellt, die als erstes und zweites Paar von durchlässigen Gittern 1773A und 1773B bzw. 1774A und 1774B verwendbar sind, die zuvor unter Bezugnahme auf 17 beschrieben wurden. In der speziellen in 18 gezeigten Implementierung sind bei dem Paar durchlässiger Gitter 1773A und 1773B die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils dazu ausgelegt, kollimiertes Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu empfangen, und umfassen gekrümmte Gitterstäbe, die dazu ausgelegt sind, ihre jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse RA kreuzen, und die jeweiligen Strahlen in der Nähe der Drehachse RA zu fokussieren, wie es in 17 gezeigt ist. In dem zweiten Paar von durchlässigen Gittern 1774A und 1774B sind die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils dazu ausgelegt, divergierendes Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu empfangen, und umfassen gekrümmte Gitterstäbe, die dazu ausgelegt sind, das Licht in ihrem jeweiligen Strahl zu kollimieren und abzulenken, um kollimierte Lichtstrahlen entlang konvergierender Strahlengänge so bereitzustellen, dass sie in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs IR2 überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster IFP bilden, wie es in 17 gezeigt ist. Allgemeiner gesagt können in verschiedenen Implementierungen alternative Gitter dazu ausgelegt sein, kollimierte und abgelenkte Strahlen durchgehend gemäß zuvor dargelegten Prinzipien bereitzustellen. In jedem Fall können geeignete Gitter durch Entwurf, Simulation und/oder Experiment auf der Grundlage von im Handel erhältlichen optischen Entwurfsprogrammen und/oder bekannten Gitterentwurfsprinzipien bestimmt werden.
Obwohl bevorzugte Implementierungen der vorliegenden Offenbarung abgebildet und beschrieben wurden, werden basierend auf der vorliegenden Offenbarung für Fachleute zahlreiche Variationen der abgebildeten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Betriebssequenzen ersichtlich sein. Diverse alternative Formen können verwendet werden, um die hierin offenbarten Prinzipien zu implementieren. Zudem können die zuvor beschriebenen diversen Implementierungen kombiniert werden, um weitere Implementierungen bereitzustellen. Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, werden hiermit durch Bezugnahme vollständig übernommen. Aspekte der Implementierungen können bei Bedarf geändert werden, um die Konzepte der diversen Patente und Anmeldungen zu verwenden, um noch weitere Implementierungen bereitzustellen.
Diese und andere Änderungen können an den Implementierungen angesichts der zuvor aufgeführten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollen in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe ausgelegt werden, um die Ansprüche auf die spezifischen Implementierungen einzuschränken, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Implementierungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, zu umfassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3882482 [0004]
US 5965879 [0004]
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US 9080899 [0005]
JP 2003065803 [0006]
US 8493572 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„“CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 28. September 2018 [0001]
„CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 30. März 2018 [0001]
„CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 29. Dezember 2017 [0001]
„CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 12. September 2017 [0001]
„CONTAMINATION AND DEFECT RESISTANT OPTICAL ENCODER CONFIGURATION FOR PROVIDING DISPLACEMENT SIGNALS“, eingereicht am 29. Juni 2017 [0001]

Claims

Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration zum Liefern von Verschiebungssignalen mit einem ersten Messkanal, die Folgendes umfasst: eine Drehskala, die sich entlang einer Drehmessrichtung um eine Drehachse, die senkrecht zu einer Drehebene ist, erstreckt, wobei die Drehskala umfasst: ein Drehskalengitter mit Skalengitterstäben, die auf einer Drehfläche angeordnet sind, die sich entlang der Drehmessrichtung erstreckt, wobei die Skalengitterstäbe entlang der Drehmessrichtung schmal sind und entlang einer Drehskalengitterstabsrichtung quer zu der Drehmessrichtung länglich sind und periodisch mit einer nominellen Skalenteilung P_SF entlang der Drehmessrichtung angeordnet sind; eine Beleuchtungsquelle, die eine Lichtquelle umfasst, die Quellenlicht an eine Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung ausgibt, wobei die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung einen ersten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala, eine Strahlablenkerkonfiguration, die mindestens ein erstes und ein zweites Ablenkerelement umfasst, und einen zweiten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala umfasst, wobei die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung dazu ausgelegt ist, das Quellenlicht in den ersten Beleuchtungsbereich einzugeben, der das Quellenlicht beugt und als strukturiertes Beleuchtungslicht an die Strahlablenkerkonfiguration ausgibt, die dazu ausgelegt ist, zu bewirken, dass sich gebeugte Strahlen des strukturierten Beleuchtungslichts überkreuzen, und das resultierende strukturierte Beleuchtungslicht in den zweiten Beleuchtungsbereich auf der Drehskala zu transmittieren und ein Beleuchtungsstreifenmuster in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs zu bilden, wobei das Beleuchtungsstreifenmuster Streifen umfasst, die entlang der Drehmessrichtung schmal und entlang einer Beleuchtungsstreifenrichtung quer zu der Drehmessrichtung länglich sind; und eine Detektoranordnung, die eine Photodetektorkonfiguration aufweist, die einen Satz von N Raumphasendetektoren umfasst, die periodisch mit einem Detektorabstand PD entlang einer detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet sind, die quer zu der Drehmessrichtung ist, wobei jeder Raumphasendetektor dazu ausgelegt ist, ein jeweiliges Raumphasendetektorsignal zu liefern, und zumindest ein Großteil der jeweiligen Raumphasendetektoren sich über eine relativ längere Abmessung entlang der Drehmessrichtung erstreckt und entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung relativ schmal ist und der Satz von N Raumphasendetektoren in einer Raumphasenfolge entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung angeordnet ist; wobei die Drehskalengitterstabrichtung in einem von null verschiedenen Gierwinkel ψ relativ zu einer Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung und entlang der Drehfläche ausgerichtet ist; die Anordnung zum Erzeugen von strukturierter Beleuchtung so ausgebildet ist, dass die Beleuchtungsstreifenrichtung des Beleuchtungsstreifenmusters in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs auf der Drehskala in einem nominellen Streifenrichtungs-Gierwinkel ausgerichtet ist, der um einen von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA relativ zu der Skalengitterstabrichtung in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs auf der Drehskala gedreht ist; das Drehskalengitter dazu ausgelegt ist, das Beleuchtungsstreifenmuster an dem zweiten Beleuchtungsbereich einzugeben und Skalenlicht auszugeben, das ein periodisches Skalenlichtmuster mit einem Detektorstreifenmuster in der Photodetektorkonfiguration bildet, wobei das Detektorstreifenmuster periodische Bänder hoher und niedriger Intensität umfasst, die sich über eine relativ längere Abmessung entlang einer Richtung parallel zu der Drehmessrichtung erstrecken und relativ schmal und periodisch mit einer detektierten Streifenperiode PDF entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung sind; die detektierte Streifenperiode PDF und die detektierte Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung sind und zumindest teilweise von dem von null verschiedenen Gierwinkel ψ abhängen; die Bänder hoher und niedriger Intensität sich entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung bewegen, während sich das Skalengitter um die Drehachse dreht; und die Photodetektorkonfiguration dazu ausgelegt ist, eine Verschiebung der Bänder hoher und niedriger Intensität entlang der detektierten Streifenbewegungsrichtung quer zu der Drehmessrichtung zu detektieren und jeweilige Raumphasenverschiebungssignale zu liefern, die die Drehskalenverschiebung angeben.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei der von null verschiedene Gierdifferenzwinkel YDA nominell -2ψ beträgt.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei jeder der N Raumphasendetektoren eine gerade Anzahl von Skalenlichtempfangsbereichen umfasst.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die detektierte Streifenperiode PDF mindestens 40 Mikrometer beträgt.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei der Gierwinkel ψ die folgende Beziehung erfüllt: $ψ = {sin}^{- 1} (\frac{P_{S F}}{4 * P D F}) .$
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei: die Drehskala eine Drehskala vom Zylindertyp ist, die eine nominell zylindrische Drehfläche mit darauf angeordneten Skalengitterstäben aufweist; und der erste und der zweite Beleuchtungsbereich in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers der zylindrischen Drehskala angeordnet sind und die Beleuchtungsquelle dazu ausgelegt ist, das Quellenlicht an den ersten Beleuchtungsbereich entlang einer Linie auszugeben, die den ersten und den zweiten Beleuchtungsbereich schneidet und die Strahlablenkerkonfiguration in einem Volumen angeordnet ist, das durch einen Vorsprung der zylindrischen Drehfläche entlang der Richtung der Drehachse begrenzt ist.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 6, wobei: die Strahlablenkerkonfiguration dazu ausgelegt ist, jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts, das von dem ersten Beleuchtungsbereich ausgegeben wird, zu empfangen und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse so kreuzen, dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge fortsetzen, und diese jeweiligen Strahlen zu empfangen und so abzulenken, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge so fortsetzen, dass sie in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster bilden.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 7, wobei: die Beleuchtungsquelle und/oder die Strahlablenkerkonfiguration so ausgelegt sind, dass die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts in der Nähe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse fokussiert werden; und die Strahlablenkerkonfiguration und/oder die Detektoranordnung so ausgelegt sind, dass das ausgegebene reflektierte Skalenlicht, das das periodische Skalenlichtmuster bildet, das das Detektorstreifenmuster umfasst, bei der Photodetektorkonfiguration nominell kollimiert wird.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 7, wobei: die Strahlablenkerkonfiguration einen ersten und zweiten parallelen planaren Spiegel oder ein erstes und ein zweites paralleles planares Gitter umfasst, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse befinden und jeweilige Oberflächenebenen aufweisen, die sich parallel zu einem Durchmesser der zylindrischen Drehskala erstrecken, die den ersten und zweiten Beleuchtungsbereich schneidet, und die jeweils so ausgerichtet sind, dass sie jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts empfangen, das von dem ersten Beleuchtungsbereich ausgegeben wird; und der erste und zweite parallele planare Spiegel oder das erste und zweite parallele planare Gitter ferner dazu ausgelegt sind, die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts, das von dem ersten Beleuchtungsbereich ausgegeben wird, zu empfangen und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen und sich entlang divergierender Strahlengänge fortsetzen, und diese jeweiligen Strahlen zu empfangen und so abzulenken, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge so fortsetzen, dass sie sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster bilden.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 7, die ferner mindestens einen zweiten Messkanal umfasst, der der beanspruchten Konfiguration des ersten Messkanals entspricht, wobei eine Kombination der jeweiligen Raumphasenverschiebungssignale des ersten und des zweiten Messkanals oder daraus abgeleitete Messungen mögliche Fehlausrichtungsfehler, die ansonsten in ihren einzelnen Raumphasenverschiebungssignalen oder daraus abgeleiteten Messungen auftreten können, mildern oder kompensieren.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 10, wobei: der erste Messkanal die Skalengitterstäbe umfasst, die mit dem Gierwinkel ψ entlang einer ersten Skalenspur auf der Drehskala angeordnet sind; der zweite Messkanal die Skalengitterstäbe umfasst, die mit einem Gierwinkel -ψ entlang einer zweiten Skalenspur, die entlang der Richtung der Drehachse von der ersten Skalenspur beabstandet ist, auf der Drehskala angeordnet sind; und eine einzelne Strahlablenkerkonfiguration von dem ersten und dem zweiten Messkanal gemeinsam genutzt wird.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei: die Drehskala eine Drehskala vom planaren kreisförmigen Typ ist, die eine planare Drehfläche, auf der reflektierende Skalengitterstäbe in einem konstanten Winkelabstand AP_SF angeordnet sind, aufweist; die Beleuchtungsquelle, die Strahlablenkerkonfiguration und die Detektoranordnung des ersten Messkanals alle auf derselben Seite der Drehskala angeordnet sind; der erste und der zweite Beleuchtungsbereich sich in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers der Drehskala befinden und die Beleuchtungsquelle dazu ausgelegt ist, das Quellenlicht an den ersten Beleuchtungsbereich entlang einer Ebene, die den ersten und den zweiten Beleuchtungsbereich schneidet, und unter einem Einfallswinkel relativ zu der planaren Drehfläche in dieser Ebene auszugeben; die Strahlablenkerkonfiguration dazu ausgelegt ist, jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts, das von dem ersten Beleuchtungsbereich reflektiert und ausgegeben wird, zu empfangen und diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen, abzulenken und diese jeweiligen Strahlen in der Nähe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse so zu reflektieren, dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge fortsetzen, und diese jeweiligen Strahlen zu empfangen und so abzulenken, dass sie sich entlang konvergierender Strahlengänge so fortsetzen, dass sie sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster bilden; und der zweite Beleuchtungsbereich dazu ausgelegt ist, das Beleuchtungsstreifenmuster einzugeben und reflektiertes Skalenlicht in einem Einfallswinkel relativ zu der planaren Drehfläche auszugeben, um das periodische Skalenlichtmuster, das das Detektorstreifenmuster umfasst, in der Photodetektorkonfiguration zu bilden.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 12, wobei: die Beleuchtungsquelle und/oder die Strahlablenkerkonfiguration so ausgelegt sind, dass die jeweiligen Strahlen des gebeugten Quellenlichts in der Nähe ihrer Überkreuzung nahe der Drehachse fokussiert werden; und die Strahlablenkerkonfiguration und/oder die Detektoranordnung so ausgelegt sind, dass das reflektierte Skalenlicht, das das periodische Skalenlichtmuster bildet, das das Detektorstreifenmuster umfasst, nominell in der Photodetektorkonfiguration kollimiert wird.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 12, wobei: die Strahlablenkerkonfiguration ein erstes und ein zweites Paar von durchlässigen Gittern und einen Überkreuzungsbereichsreflektor umfasst; das erste Paar von durchlässigen Gittern auf einer planaren Oberfläche angeordnet ist, die nominell parallel zu der Drehebene ist, und die jeweiligen Gitter dieses Paares angeordnet sind, um jeweilige Strahlen des gebeugten Quellenlichts zu empfangen, das von dem ersten Beleuchtungsbereich reflektiert und ausgegeben wird, und die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils Gitterstäbe umfassen, die dazu ausgelegt sind, ihre jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge abzulenken, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen; der Überkreuzungsbereichsreflektor sich in der Nähe der Stelle befindet, an der sich die konvergierenden Strahlengänge in der Nähe der Drehachse kreuzen, und dazu ausgelegt ist, diese jeweiligen Strahlen so zu reflektieren, dass sie sich entlang divergierender Strahlengänge aus dem Überkreuzungsbereichsreflektor fortsetzen; und das zweite Paar von durchlässigen Gittern auf einer planaren Oberfläche angeordnet ist, die nominell parallel zu der Drehebene ist, und die jeweiligen Gitter dieses Paares so angeordnet sind, dass sie jeweilige Strahlen entlang der divergierenden Strahlengänge empfangen, und die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils Gitterstäbe umfassen, die dazu ausgelegt sind, diese jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge so abzulenken, dass sie sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster bilden.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 14, wobei: in dem ersten Paar von durchlässigen Gittern die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils dazu ausgelegt sind, kollimiertes Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu empfangen, und gekrümmte Gitterstäbe umfassen, die dazu ausgelegt sind, ihre jeweiligen Strahlen entlang konvergierender Strahlengänge, die sich in der Nähe der Drehachse kreuzen, abzulenken und diese jeweiligen Strahlen in der Nähe der Drehachse zu fokussieren; und in dem zweiten Paar von durchlässigen Gittern die jeweiligen Gitter dieses Paares jeweils dazu ausgelegt sind, divergierendes Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu empfangen, und gekrümmte Gitterstäbe umfassen, die dazu ausgelegt sind, das Licht in ihren jeweiligen Strahlen zu kollimieren und abzulenken, um entlang konvergierender Strahlengänge kollimierte Lichtstrahlen so bereitzustellen, dass sie sich in der Nähe des zweiten Beleuchtungsbereichs überlappen und das Beleuchtungsstreifenmuster bilden.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 14, wobei der Überkreuzungsbereichsreflektor eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 12, wobei: der erste und der zweite Beleuchtungsbereich in der Nähe gegenüberliegender Enden eines Durchmessers durch die Drehachse der Drehskala angeordnet sind und die Beleuchtungsquelle dazu ausgelegt ist, das Quellenlicht an den ersten Beleuchtungsbereich entlang einer nominellen Beleuchtungsebene auszugeben, die zu der planaren Drehfläche normal und nominell parallel zu diesem Durchmesser ist und von diesem Durchmesser um einen nominellen Beleuchtungsebenenversatz versetzt ist; der erste und der zweite Beleuchtungsbereich jeweils um den nominellen Beleuchtungsebenenversatz von diesem Durchmesser versetzt sind; und der nominelle Beleuchtungsebenenversatz dazu ausgelegt ist, die nominelle Beleuchtungsebene parallel zu der nominellen oder durchschnittlichen Ausrichtung der Skalengitterstäbe in dem zweiten Beleuchtungsbereich, die den von null verschiedenen Gierwinkel ψ relativ zu der Richtung senkrecht zu der Messachsenrichtung und entlang der Drehfläche haben, auszurichten, was dazu führt, dass der Gierwinkel der nominellen Streifenrichtung um den von null verschiedenen Gierdifferenzwinkel YDA relativ zu der nominellen Beleuchtungsebene in dem zweiten Beleuchtungsbereich gedreht ist.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 17, wobei der von null verschiedene Gierdifferenzwinkel YDA so ausgelegt ist, dass er das Zweifache des von null verschiedenen Gierwinkels ψ beträgt.
Verschmutzungs- und defektbeständige optische Drehgeberkonfiguration nach Anspruch 1, wobei die Strahlablenkerkonfiguration einen transparenten optischen Block umfasst und die Ablenkerelemente der Strahlablenkerkonfiguration Oberflächen des transparenten optischen Blocks oder Elemente, die auf Oberflächen des transparenten optischen Blocks ausgebildet oder an diesen angebracht sind, umfassen.