DE10303038B4

DE10303038B4 - Position measuring device

Info

Publication number: DE10303038B4
Application number: DE2003103038
Authority: DE
Inventors: Thomas Samland
Original assignee: Samland Thomas Dipl-Math
Current assignee: SENSOFAB GMBH, 78166 DONAUESCHINGEN, DE
Priority date: 2003-01-26
Filing date: 2003-01-26
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: DE10303038A1

Abstract

Positionsmesseinrichtung nach dem Transmissionsverfahren, bestehend aus einem transmissiven Maßstab (10), welcher relativ zu einem Lichtsender (8) und einem lichtempfindlichen Abtast-Empfänger (40) beweglich ist, wobei der Maßstab (10) unterteilt ist in flächige Segmente (11, 12), welche unterschiedliche diffraktive Phasenobjekte aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (100) des Lichtsenders (8) in einem derartigen Einfallswinkel ε auf den Maßstab (10) trifft, dass das an den diffraktiven Segmenten (11) gebeugte Licht (121) einer n-ten Beugungsordnung den Maßstab (10) senkrecht verlässt und dass der Abtast-Empfänger (40) senkrecht vor die beleuchtete Fläche des Maßstabes (10) platziert wird, so dass dieser zumindest das Licht (121) der n-ten Beugungsordnung detektiert, wobei die n-te Beugungsordnung nicht die nullte Ordnung ist.Position measuring device according to the transmission method, consisting of a transmissive scale (10) which is relative to a light emitter (8) and a photosensitive one Scanning receiver (40) is movable, wherein the scale (10) is divided into flat segments (11, 12), which have different diffractive phase objects, characterized in that the light (100) of the light emitter (8) meets the scale (10) in such an angle of incidence ε that the diffracted at the diffractive segments (11) light (121) of an n-th Diffraction order the scale (10) leaves vertically and that the scanning receiver (40) is placed vertically in front of the illuminated area of the scale (10), so that this at least the light (121) of the nth diffraction order detected, wherein the nth diffraction order is not the zeroth order is.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine maßstabsgebundene transmissive optische Positionsmesseinrichtung zur Messung von Winkeln bzw. Längen.object The invention is a scale bound Transmissive optical position measuring device for measuring angles or lengths.

Derartige Messeinrichtungen verwenden einen Maßstab, der eine inkrementale oder absolute Codierung oder eine Kombination aus beiden aufweist. Der Maßstab wird beleuchtet und das durch die Relativbewegung vom Maßstab relativ zur Abtasteinheit transmittierte und modulierte Licht wird mittels des Abtast-Empfängers, in der Regel ein lichtempfindlicher Halbleiter, empfangen und es werden positionsabhängige Signale generiert.such Measuring devices use a scale that is incremental or absolute coding or a combination of both. The scale is illuminated and the relatively relative movement of the scale transmitted to the scanning unit and modulated light is by means of the scan receiver, usually a photosensitive semiconductor, and receive it become position-dependent Signals generated.

Hierzu sind die lichtempfindlichen photoelektrischen Sensoren sowie die Signalverarbeitung vorzugsweise in einem halbleitenden Substrat als Mikrochip integriert. Wird als Lichtsender etwa eine im nah-infraroten Spektrum emittierende LED verwendet, so kann als Halbleitermaterial für den Abtast-Empfänger insbesondere Silizium verwendet werden, welches in diesem Wellenlängenbereich eine gute spektrale Empfindlichkeit aufweist.For this are the photosensitive photoelectric sensors and the Signal processing preferably in a semiconductive substrate integrated as a microchip. As a light transmitter is about one in the near-infrared Spectrum emitting LED used, so can be used as a semiconductor material for the Scanning receiver in particular silicon can be used which in this wavelength range a has good spectral sensitivity.

Weit verbreitet sind Positionsmessgeräte in Gestalt von Winkel- und Längenmessgeräten, welche als Maßstab vergleichsweise grobe Amplitudengitter verwenden. Die feinste Gitterteilung beträgt dabei vorzugsweise 20 bis 100 Mikrometer und der Abstand zwischen dem Maßstab und dem Abtaster beträgt etwa ein hundertstel Millimeter, um ein Auftreten von Beugungserscheinungen zu vermeiden. Ein Nachteil dieser Messgeräte ist daher die geringe Abstands-Toleranz zwischen dem Maßstab und dem Abtaster und daraus resultierend die aufwendige Justage während des Fertigungsprozesses. Weiterhin sind aus Gründen der Beugung keine feineren Gitterteilungen mehr einsetzbar, wodurch die Genauigkeit dieser Positionsmessgeräte beschränkt ist.Far widespread are position measuring devices in the form of angle and length measuring devices, which as a standard use comparatively coarse amplitude gratings. The finest grid pitch is preferably 20 to 100 microns and the distance between the scale and the scanner about a hundredth of a millimeter, to an occurrence of diffraction phenomena to avoid. A disadvantage of these measuring devices is therefore the small distance tolerance between the scale and the scanner and the resulting costly adjustment while of the manufacturing process. Furthermore, for reasons of diffraction no finer lattice pitches more usable, whereby the accuracy of these position measuring devices is limited.

Weitere Positionsmessgeräte verwenden als inkrementalen Maßstab ein durchgehendes Beugungsgitter mit Gitterperioden um 4 bis 8 Mikrometer. Hierzu ist zur Abtastung ein weiteres Beugungsgitter vor dem Abtaster vonnöten, welches eine Gitterperiode in derselben Größenordnung wie der Maßstab aufweist. Ein derartiges Messgerät ist etwa aus der DE 39 05 730 C2 bekannt und nutzt zur Detektion Lichtsignale von Beugungsordnungen ungleich der nullten Ordnung. Diese Messgeräte haben den Nachteil, dass aufgrund von Moiré-Effekten hierbei nur sehr geringe Toleranzen im Mikrometerbereich zwischen Maßstab und Abtaster zulässig sind.Other position measuring devices use a continuous diffraction grating with grating periods around 4 to 8 micrometers as an incremental scale. For this purpose, another diffraction grating in front of the scanner is required for scanning, which has a grating period of the same order of magnitude as the scale. Such a measuring device is approximately from the DE 39 05 730 C2 known and uses light signals of diffraction orders not equal to the zeroth order for detection. These meters have the disadvantage that only very small tolerances in the micrometer range between scale and scanner are permissible due to moiré effects.

Ein weiteres Messprinzip gemäß der Schrift DE 100 25 410 A1 sieht als Maßstab ein diffraktives optisches Element vor, welches einen binären Positionscode aufweist. Dieser gegeben ist durch unstrukturierte Code-Segmente und durch Code-Segmente, welche Beugungsgitter mit einem Füllfaktor von 1/2, d.h. ein Verhältnis der Gitterfurchen- zu den Gitterstufen von 1:1 aufweisen. Ferner ist die Höhe des binären Gitters derart bestimmt, dass die Phasenverschiebung der Teilstrahlen gleich π ist, so dass die nullten Beugungsordnungen der mit Beugungsgittern versehenen Segmente unterdrückt werden. Dieses Messprinzip hat den Nachteil, dass die nullte Beugungsordnung nicht vollständig ausgelöscht wird, so dass ein Signal-Offset der Dunkelfelder auftritt, wenn der Füllfaktor ungleich 1/2 ist oder die Gitterhöhe nicht exakt mit der Vorgabe übereinstimmt. In der Praxis ist die Herstellung von Maßstäben gemäß diesen Vorgaben nur mit großem Aufwand zu gewährleisten. Aus der DE 100 25 410 A1 ist es bekannt, eine optische Vorrichtung zur Abbildung der Lichtsignale auf den Abtaster zu verwenden.Another measuring principle according to the script DE 100 25 410 A1 provides as scale a diffractive optical element which has a binary position code. This is given by unstructured code segments and by code segments which have diffraction gratings with a fill factor of 1/2, ie a ratio of the grid-to-grid increments of 1: 1. Further, the height of the binary grating is determined such that the phase shift of the sub beams is equal to π, so that the zeroth diffraction orders of the diffraction grating segments are suppressed. This measuring principle has the disadvantage that the zeroth diffraction order is not completely extinguished, so that a signal offset of the dark fields occurs when the filling factor is not equal to 1/2 or the grid height does not match exactly with the default. In practice, the production of scales in accordance with these requirements can be ensured only with great effort. From the DE 100 25 410 A1 It is known to use an optical device for imaging the light signals on the scanner.

Die Nachteile der oben beschriebenen Vorrichtung liegen neben der relativ hohen Strukturhöhe in der geringen Toleranz der Strukturhöhe sowie auch des Füllfaktors und der damit verbundenen Schwierigkeit bei der Herstellung von entsprechenden Maßstäben.The Disadvantages of the device described above are in addition to the relative high structural height in the low tolerance of the structure height as well as the filling factor and the associated difficulty in the production of appropriate scales.

Während die Gitterperiode als laterale Struktur bei diesen Herstellungs-Prozessen, d.h. sowohl bei der Lithographie als auch bei der Abformung sehr genau eingehalten werden kann, ist sowohl der Füllfaktor als auch insbesondere die Höhe des Gitters bei der Herstellung mit vergleichsweise hohen Toleranzen behaftet.While the Grating period as a lateral structure in these manufacturing processes, i.e. both in lithography and in the impression very accurate can be met, is both the fill factor and in particular the height the grid in the production with relatively high tolerances afflicted.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionsmesseinrichtung anzugeben, welche relativ hohe Fertigungs-Toleranzen sowohl bei der Herstellung des Maßstabes als auch bei dem Aufbau des Messsystems zulässt und deren Maßstäbe einfach und vergleichsweise preiswert herstellbar sind.The The object of the present invention is a position-measuring device indicate which relatively high manufacturing tolerances both at the production of the scale as well as in the construction of the measuring system and their standards easy and are relatively inexpensive to produce.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1.These Task is solved by a position-measuring device with the features of the independent claim 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Merkmalen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.advantageous embodiments and further developments of the position measuring device according to the invention result from the features listed in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Positonsmesseinrichtung gestattet nunmehr die Verwendung von präzisen und dennoch preiswerten Maßstäben mit diffraktiven optischen Elementen, deren Maßhaltigkeit bei der Herstellung deutlich tolerabler ist. Weiterhin ist die Herstellung der Positionsmesseinrichtung aufgrund der höheren Einbautoleranzen des Maßstabes wesentlich vereinfacht. Somit ist ein einfacher Fügeprozess für den Maßstab ohne weitere Ausrichtung bei hinreichend maßhaltigen Teilen, wie der Welle und der Aufnahme für den Abtast-Empfänger am Flansch der Positions-Messeinrichtung möglich.The Positonsmesseinrichtung invention now allows the use of precise yet inexpensive scales with diffractive optical elements whose dimensional accuracy is significantly more tolerable in the production. Furthermore, the production of the position measuring device is considerably simplified due to the higher installation tolerances of the scale. Thus, a simple joining process for the scale without further alignment with sufficiently dimensionally stable parts, such as the shaft and the receptacle for the scanning receiver on the flange of the position measuring device possible.

Vorzugsweise wird als diffraktives optisches Element zur Mikrostrukturierung der Codesegmente (11, 12) ein Phasen-Liniengitter verwendet. Da die nullte Beugungsordnung auftreten kann, sind die Toleranzgrenzen für die Höhe der Gitterstufen sowie auch für den Füllfaktor vergleichsweise deutlich größer.Preferably, as a diffractive optical element for microstructuring the code segments ( 11 . 12 ) uses a phase line grid. Since the zeroth diffraction order can occur, the tolerance limits for the height of the grid steps as well as for the fill factor are comparatively much larger.

Neben der direkten lithographischen Herstellung derartiger Maßstäbe zur Positionsmessung werden die Maßstäbe vorzugsweise mittels Replikation durch Abformungs-Verfahren etwa mittels Mikrospritzguss oder mittels Heiß- oder UV-Prägeverfahren hergestellt. Der entsprechende Master zur Replikation wird dabei vorzugsweise durch optische UV- oder Elektronenstrahl-Lithographie und anschließendem Trockenätzverfahren erstellt, um ein Unterätzen der Kanten des Beugungsgitters zu vermeiden.Next the direct lithographic production of such scales for position measurement the scales are preferred by means of replication by means of molding processes, for example by means of micro injection molding or by means of hot or UV embossing process produced. The corresponding master for replication is included preferably by optical UV or electron beam lithography and then dry created an undercutting of the Avoid edges of the diffraction grating.

Vorzugsweise findet die Replikation der optisch diffraktiven Strukturen in einfach formbare transparente Materialien, wie etwa Kunststoffe statt. Da Kunststoffe in der Regel ein um etwa den Faktor 10 höheres thermisches Ausdehnungsverhalten aufweisen als Glas, wird namentlich bei Linearmaßstäben vergleichsweise großer Messlängen vorgeschlagen, eine dünne Kunststoffschicht auf Glas aufzubringen, wobei diese Kunststoffschicht die diffraktive Codestruktur des Maßstabes (10) aufweise.Preferably, the replication of the optically diffractive structures takes place in easily moldable transparent materials, such as plastics. Since plastics generally have a thermal expansion behavior that is about 10 times higher than that of glass, it is proposed, in particular for linear scales of comparatively long measuring lengths, to apply a thin plastic layer to glass, this plastic layer defining the diffractive code structure of the scale (FIG. 10 ).

Vorzugsweise beträgt die Dicke dieser Kunststoffschicht einige Mikrometer bis einige zehntel Millimeter. Durch diese Maßnahme wird das thermische Ausdehnungsverhalten des Maßstabes (10) durch das Glas bestimmt und liegt daher etwa in derselben Größenordnung wie dasjenige von Stahl, weshalb Glasmaßstäbe bevorzugt an Maschinen verwendet werden, während die diffraktiven Strukturen im Kunststoffmaterial demgegenüber die optischen Eigenschaften des Maßstabes bestimmen.The thickness of this plastic layer is preferably a few micrometers to a few tenths of a millimeter. By this measure, the thermal expansion behavior of the scale ( 10 ) and is therefore about the same order of magnitude as that of steel, which is why glass scales are preferably used on machines, while the diffractive structures in the plastic material, on the other hand, determine the optical properties of the scale.

Nachfolgend werden diverse Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert:following become diverse embodiments of the invention explained with reference to the drawings:

Es zeigen dieIt show the

1 der prinzipielle Aufbau der Messeinrichtung, die 1 the basic structure of the measuring device, the

2 eine Messeinrichtung in einer projektiven Anordnung, die 2 a measuring device in a projective arrangement, the

3 eine abbildende Anordnung mit einer Linse (20) sowie einer Aperturblende (30) und 3 an imaging arrangement with a lens ( 20 ) and an aperture diaphragm ( 30 ) and

die 4 zeigt einen abbildenden Aufbau einer Messeinrichtung mit zwei Linsen (20, 22) und dazwischen liegender Aperturblende (30).the 4 shows an imaging structure of a measuring device with two lenses ( 20 . 22 ) and intermediate aperture diaphragm ( 30 ).

Die 5 schließlich zeigt die Beleuchtung des Maßstabes (10) mit divergentem Licht (100).The 5 finally the illumination of the scale ( 10 ) with divergent light ( 100 ).

In der 1 erkennt man den Maßstab (10), welcher mit weitgehend parallelem Licht (100) unter dem Einfallswinkel ε beleuchtet wird. Trifft das Licht (100) dabei auf ein Beugungsgitter, so treten neben der nullten Beugungsordnung, welche wiederum um den Winkel ε zur Normalen gemessen propagiert, weitere n-te Beugungsordnungen auf, die um den Beugungswinkel α_n zur Normalen gemessen abgelenkt werden. Eine dieser Beugungsordnungen werde vom Abtast-Empfänger (40) detektiert. Bevorzugt ist dies eine negative Ordnung, da die positiven Beugungs-Ordnungen noch weiter von der optischen Achse weggebeugt werden als die nullte Ordnung.In the 1 do you recognize the scale ( 10 ), which with largely parallel light ( 100 ) is illuminated at the angle of incidence ε. Meets the light ( 100 ) on a diffraction grating, next to the zeroth diffraction order, which in turn propagates measured by the angle ε to the normal, further n-th diffraction orders occur, which are deflected by the diffraction angle α _n to the normal. One of these orders of diffraction is from the scanning receiver ( 40 ) detected. This is preferably a negative order, since the positive diffraction orders are bent further away from the optical axis than the zeroth order.

Das den Maßstab (10) beleuchtende Licht (100) muss jedoch nicht zwangsläufig parallel sein. Die Positionsmesseinrichtung funktioniert etwa auch bei Beleuchtung mit einem weitgehend punktförmigen Lichtemitter.That the scale ( 10 ) illuminating light ( 100 ) does not necessarily have to be parallel. The position measuring device works approximately even with lighting with a largely point-shaped light emitter.

Die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung weist einen Maßstab (10) auf, welcher eine binäre Positionscodierung in Form von zwei unterschiedlich mikrostrukturierten Codefeldern (11, 12) trägt. Diese Codefelder (11) weisen Phasengitter auf, die vorzugsweise als Liniengitter ausgestaltet sind. Die Strukturierung der Codefelder (12) differiert dabei von derjenigen der Codefelder (11). Die unterschiedliche Strukturierung der Codefelder (12) kann dabei etwa durch eine Drehung der Richtung der Gitterlinien oder durch eine unterschiedliche Gitterkonstante gegeben sein. Vorzugsweise sind die Codefelder (12) des Maßstabes (10) jedoch unstrukturiert, d.h. sie weisen eine ebene Oberfläche auf.The position measuring device according to the invention has a scale ( 10 ), which is a binary position coding in the form of two differently microstructured code fields ( 11 . 12 ) wearing. These code fields ( 11 ) have phase gratings, which are preferably designed as a line grid. The structuring of the code fields ( 12 ) differs from that of the code fields ( 11 ). The different structuring of the code fields ( 12 ) can be given by a rotation of the direction of the grid lines or by a different lattice constant. Preferably, the code fields ( 12 ) of the scale ( 10 ) but unstructured, ie they have a flat surface.

Vorzugsweise werde der Maßstab (10) mit hinreichend parallelem sowie hinreichend zeitlich und räumlich kohärentem Licht (100) der Wellenlänge λ unter einem Einfallswinkel ε beleuchtet. Der Einfallswinkel sowie auch die Beugungswinkel werden vereinbarungsgemäß zur Normalen auf die Oberfläche des Maßstabes (10) gemessen. Die Codefelder (11) des Maßstabes weisen nun eine n-te Beugungsordnung mit einer ganzen Zahl n ungleich null auf. Aus der Gittergleichung ergibt sich für den Beugungswinkel α_n der n-ten Beugungsordnung der folgende Zusammenhang:

Preferably the scale ( 10 ) with sufficiently parallel as well as sufficiently temporally and spatially coherent light ( 100 ) of the wavelength λ is illuminated at an incident angle ε. The angle of incidence as well as the diffraction angles are agreed to be normal to the surface of the scale ( 10 ). The code fields ( 11 ) of the scale now have an n-th diffraction order with an integer n not equal to zero. From the grid equation, the following relationship results for the diffraction angle α _{n of} the n-th diffraction order:

Erfindungsgemäß weisen die Codefelder (12) des Maßstabes (10) keine Beugungsordnung auf, welche in dieselbe Richtung wie die detektierte n-te Beugungsordnung der Codefelder (11) um den gleichen Winkel α_n abgelenkt werde. Insbesondere, wenn die Codefelder (12) unstrukturiert sind, tritt lediglich die nullte Beugungsordnung auf, welche in Richtung des Lichtes der geometrischen Optik um den Winkel ε abgelenkt aus dem Maßstab (10) austritt.According to the invention, the code fields ( 12 ) of the scale ( 10 ) no diffraction order, which in the same direction as the detected nth diffraction order of the code fields ( 11 ) are deflected by the same angle α _n . In particular, if the code fields ( 12 ) are unstructured, only the zeroth diffraction order occurs, which in the direction of the light of the geometric optics is deflected by the angle ε from the scale (FIG. 10 ) exit.

Die Phasengitter der Codefelder (11, 12) des Maßstabes (10) sind vorzugsweise Liniengitter. Dabei sind neben Stufen- oder Furchen mit nicht notwendigerweise senkrechten Flanken insbesondere auch Blaze-Gitter einsetzbar, welche die Intensität der detektierten n-ten Beugungsordnung im Vergleich zu den übrigen Beugungsordnungen erhöhen.The phase gratings of the code fields ( 11 . 12 ) of the scale ( 10 ) are preferably line grids. In addition to step or ridges with not necessarily vertical flanks, in particular also blaze gratings can be used which increase the intensity of the detected nth diffraction order in comparison to the other diffraction orders.

Alternativ könnten die Codefelder (12) mit einem Liniengitter versehen sein, deren Linien relativ zu den Linien des Liniengitters der Codefelder (11) beispielsweise um 90 Grad verdreht angeordnet sind. Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, eine redundante Messeinrichtung aufzubauen, indem jeweils mindestens ein Empfänger die Codefelder (11) und mindestens ein weiterer Empfänger die Codefelder (12) detektiert.Alternatively, the code fields ( 12 ) are provided with a line grid whose lines are relative to the lines of the line grid of the code fields ( 11 ) are arranged, for example, twisted by 90 degrees. This makes it possible to build a redundant measuring device by at least one receiver the code fields ( 11 ) and at least one other receiver the code fields ( 12 ) detected.

Verwendet man als diffraktive Strukturierung der Codefelder (11) des Maßstabes (10) etwa Liniengitter mit senkrecht zur Zeichenebene stehenden Gitterlinien, so ergibt sich die in denIf one uses as a diffractive structuring of the code fields ( 11 ) of the scale ( 10 ) Line grid with perpendicular to the plane of grid lines, the results in the

1 bis 5 dargestellte Situation, dass die Beugungsordnungen, d.h. die Hauptmaxima des gebeugten Lichtes, lediglich in der Zeichenebene liegen. 1 to 5 illustrated situation that the diffraction orders, ie the main maxima of the diffracted light, are only in the plane of the drawing.

Der Abtast-Empfänger (40) werde nun derart positioniert, dass dieser das an den Codefeldern (11) um den Winkel α_n gebeugte Licht detektiert.The scanning receiver ( 40 ) will now be positioned so that this at the code fields ( 11 ) detected by the angle α _n diffracted light.

Vorzugsweise werde nun der Einfallswinkel ε derart gewählt, dass das Licht der n-ten Beugungsordnung mit n kleiner als Null senkrecht den Maßstab (10) verlässt. In diesem Fall wird der Abtast-Empfänger (40) senkrecht vor die beleuchtete Fläche des Maßstabes (10) platziert.Preferably, the angle of incidence ε is now chosen such that the light of the n-th diffraction order with n smaller than zero is perpendicular to the scale (FIG. 10 ) leaves. In this case the scan receiver ( 40 ) perpendicular in front of the illuminated surface of the scale ( 10 ).

Aus der Gittergleichung folgt somit sin(α_n) = 0, woraus sich der Zusammenhang

ergibt. Dies hat den Vorteil, dass das Licht nicht noch weiter als das einfallende Licht (100) von der Normalen auf der Oberfläche des Maßstabes (10) weg abgelenkt, sondern quasi zurückgebeugt wird.From the grid equation follows sin (α _n ) = 0, from which the relation

results. This has the advantage that the light does not go further than the incident light ( 100 ) from the normal on the surface of the scale ( 10 ) distracted away, but is virtually bent back.

Ferner gilt unter der obigen Bedingung

so dass die (n – 1)-te und die (n + 1)-te Beugungsordnungen um denselben Winkel allerdings in verschiedenen Richtungen von der optischen Achse abgelenkt werden.Further, under the above condition

such that the (n-1) th and (n + 1) th diffraction orders are deflected by the same angle but in different directions from the optical axis.

Die 2 stellt eine projektive Anordnung der Positionsmesseinrichtung dar. Eine Lichtquelle (8) beleuchtet den Maßstab (10) mit parallelem Licht (100). Eine Feldblende (31) lässt nur die Beleuchtung eines eingeschränkten Bereiches der lateralen Ausdehnung a des Maßstabes (10) zu. Um lediglich die n-te senkrecht abstrahlende Beugungsordnung zu detektieren, wird der Abtast-Empfänger (40) mittig vor die beleuchtete Fläche des Maßstabes (10) positioniert. Damit nicht andere seitlich abstrahlende Beugungsordnungen auf den Abtaster (40) fallen, muss der Abstand zwischen dem Maßstab (10) und dem Abtaster (40) hinreichend groß sein. Weise der Abtaster (40) eine laterale Ausdehnung von D auf, so muss der obige Abstand größer sein als

Mit der Gleichung

folgt dann

Vorzugsweise wird a = D sein, so dass sich ergibt

The 2 represents a projective arrangement of the position measuring device. 8th ) illuminates the scale ( 10 ) with parallel light ( 100 ). A field stop ( 31 ) allows only the illumination of a restricted area of the lateral extent a of the scale ( 10 ) too. In order to detect only the n-th vertically radiating diffraction order, the scanning receiver ( 40 ) in the middle of the illuminated area of the scale ( 10 ). So that not other laterally radiating diffraction orders on the scanner ( 40 ), the distance between the scale ( 10 ) and the scanner ( 40 ) be sufficiently large. Way the scanner ( 40 ) has a lateral extent of D, the above distance must be greater than

With the equation

then follows

Preferably, a = D will be, so that results

Platziert man, wie in der 3 dargestellt, eine Linse (20) zwischen dem Maßstab (10) und dem Abtaster (40), sowie eine Aperturblende (30) hinter die Linse (20), so ist es möglich, die störenden Beugungsordnungen außer der n-ten Ordnung, welche die mittels der Beugungsgitter mikrostrukturierten diffraktiven Codesegmente (11) des Maßstabes (10) verlassen, auszublenden, indem die Aperturblende (30) vorzugsweise etwa in der Brennebene der Linse (20) angeordnet wird und einen hinreichend kleinen Durchmesser aufweist.Placed, as in the 3 represented a lens ( 20 ) between the scale ( 10 ) and the scanner ( 40 ), as well as an aperture diaphragm ( 30 ) behind the lens ( 20 ), it is possible, the disturbing diffraction orders except the n-th order, which the diffraction grids microstructured by means of the diffraction grating ( 11 ) of the scale ( 10 ), hide by the aperture ( 30 ) preferably approximately in the focal plane of the lens ( 20 ) is arranged and has a sufficiently small diameter.

Werden die (n – 1)-te und die (n + 1)-te Beugungsordnungen ausgeblendet, dann auch alle höheren Ordnungen. Da die um den Winkel α von der optischen Achse (5) abgelenkten parallelen Strahlen in der Brennebene der Linse (20) in einem Abstand von f tan(α) von der optischen Achse (5) entfernt fokussiert werden, wobei f die Brennweite der Linse (20) bezeichne, muss der Durchmesser der Blende kleiner sein als

If the (n-1) -th and the (n + 1) -th orders of diffraction are hidden, then all higher orders as well. Since the angles α from the optical axis ( 5 ) deflected parallel rays in the focal plane of the lens ( 20 ) at a distance of f tan (α) from the optical axis ( 5 ) are focussed away, where f is the focal length of the lens ( 20 ), the diameter of the aperture must be smaller than

Es tragen alle Beugungsordnungen außer der nullten Ordnung die binäre Positions-Information, da sie nur im Falle von Codefeldern (11) auftreten, die mit Phasengittern mikrostrukturiert sind. Fällt das Licht hingegen auf unstrukturierte Codefelder (12), so tritt an dieser Stelle keine Beugung auf. Plaziert man an die Stelle, an welcher die n-te Beugungsordnung projiziert oder abgebildet wird, einen lichtempfindlichen Empfänger (40), so wird die Positionsinformation durch die binären Codefelder (11, 12) auf dem Maßstab (10) durch das Vorhandensein oder das Fehlen des Lichtes der n-ten Beugungsordnung in Abhängigkeit von der Beleuchtung eines mikrostrukturierten Segmentes (11) oder eines unstrukturiertes Segmentes (12) des Maßstabes (10) in unterschiedliche Intensitäten umgewandelt und als Hell-/Dunkelfelder durch den Abtaster (40) detektiert.All diffraction orders except the zeroth order carry the binary position information, since they are only used in the case of code fields ( 11 ) which are microstructured with phase gratings. If the light falls on unstructured code fields ( 12 ), no diffraction occurs at this point. If one places at the position at which the n-th diffraction order is projected or imaged, a photosensitive receiver ( 40 ), the position information through the binary code fields ( 11 . 12 ) on the scale ( 10 ) by the presence or absence of the light of the nth diffraction order as a function of the illumination of a microstructured segment ( 11 ) or an unstructured segment ( 12 ) of the scale ( 10 ) converted into different intensities and as light / dark fields by the scanner ( 40 ) detected.

Vorzugsweise weist der Abtaster (40) verschiedene Empfängerfelder (41, 42) auf, welche die einzelnen Codefelder (11, 12) auf dem Maßstab (10) eventuell mehrfach detektieren. So werden etwa zur inkrementalen Positionsmessung vier Empfängerfelder um jeweils eine viertel inkrementale Periode versetzt angeordnet, welche phasenverschobene elektrische Signale generieren, die in bekannter Weise eine Offsetbereinigung, eine Richtungserkennung sowie auch eine Interpolation der Positionssignale erlauben. Alternativ ist eine Verwendung einer Blende möglich, welche Referenzgitter mit der Gitterkonstanten entsprechend der inkrementalen Periode trägt, welche um jeweils eine viertel inkrementale Periode zueinander versetzt angeordnet sind.Preferably, the scanner ( 40 ) different receiver fields ( 41 . 42 ), which contain the individual code fields ( 11 . 12 ) on the scale ( 10 ) may detect several times. For example, for incremental position measurement, four receiver arrays are arranged offset by one-quarter incremental period each, which generate phase-shifted electrical signals which permit offset correction, direction detection as well as interpolation of the position signals in a known manner. Alternatively, it is possible to use a diaphragm which carries reference gratings with the lattice constant corresponding to the incremental period, which are arranged offset from one another by a quarter incremental period in each case.

Für absolute Codierungen werden vorzugsweise strukturierte Empfängerfelder auf dem Abtaster (40) verwendet, welche der Codierung auf dem Maßstab (10) entsprechen.For absolute codings, it is preferable to use structured receiver fields on the scanner ( 40 ) which of the coding on the scale ( 10 ) correspond.

Die Gittergleichung gibt den Beugungswinkel α_n (gemessen gegenüber der Gitternormalen) für unter dem Winkel ε gegenüber der Gitternormalen einfallendes Licht der Wellenlänge λ und für ein Beugungsgitter der Gitterkonstanten Λ an und lautet:

wobei die ganze Zahl n die Beugungsordnung, d.h. das n-te Hauptmaximum der Beugung bezeichne.The grating equation gives the diffraction angle α _n (measured in relation to the grating normal) for light of the wavelength λ incident at an angle ε with respect to the grating normal and for a diffraction grating of the grating constant Λ and is:

where the integer n denotes the order of diffraction, ie the n-th principal maximum of the diffraction.

Aus obiger Gittergleichung folgt eine lineare Zunahme von sin(α_n) mit der Wellenlänge λ und somit eine Dissipation, i.e. eine Wellenlängenabhängigkeit des Beugungswinkels (α_n).From the above grid equation follows a linear increase of sin (α _n ) with the wavelength λ and thus a dissipation, ie a wavelength dependence of the diffraction angle (α _n ).

Für grosse Wellenlängen λ ist der Beugungswinkel entsprechend grösser, weshalb die Verwendung von infrarotem Licht gegenüber sichtbarem Licht den Vorteil größerer Beugungswinkel und damit einer kleineren Bauform des Positionsmessgerätes aufweist, bzw. bei gleichen Beugungswinkeln α_n eine benötigt das Beugungsgitter eine vergleichsweise größere Gitterkonstante Λ, welche einfacher herzustellen ist.For large wavelengths λ, the diffraction angle is correspondingly greater, which is why the use of infrared light over visible light has the advantage of larger diffraction angles and thus a smaller design of the position measuring device, or at the same diffraction angles α _n one, the diffraction grating requires a comparatively larger lattice constant Λ is easier to produce.

Da außerdem aufgrund der Dispersion jede Beugungsordnung außer der nullten ein Spektrum enthält und die verschiedenen Spektren sich bei einer Beleuchtung mit vergleichsweise breitbandigem Licht teilweise überlappen können, ist die Verwendung von relativ schmalbandigem Licht sinnvoll.There Furthermore due to the dispersion each diffraction order except the zeroth contains a spectrum and the different spectra at a lighting with comparatively partially overlap broadband light can, is the use of relatively narrow-band light makes sense.

Die Verwendung eines Lasers, etwa eines Diodenlasers, ist zwar möglich, jedoch nicht zwingend notwendig. Es genügt die Verwendung von Licht mit hinreichender zeitlicher und räumlicher Kohärenz, wie etwa einer LED. Die räumliche Kohärenz setzt eine nicht zu große räumliche Ausdehnung der Lichtquelle voraus. Genauer muss das Produkt aus der größten Abmessung des beugenden Objektes und der Beleuchtungs-Apertur hinreichend klein sein gegenüber der halben Licht-Wellenlänge λ. Verwendet man etwa einen LED-Chip der Kantenlänge k im Brennpunkt einer Kollimatorlinse (9) mit Brennweite F, so gilt für ein Beugungsgitter der Gitterperiode Λ etwa

Mit einer Kantenlänge des LED-Chips von k = 100 μm, einer Brennweite der Kollimatorlinse (9) von 4 mm, einer Gitterperiode von Λ = 1,5 μm und einer Wellenlänge λ = 0,88 μm ist diese Bedingung beispielsweise hinreichend erfüllt. Somit wird vorzugsweise ein LED-Chip verwendet, welcher eine hinreichend geringe Kantenlänge aufweist. Somit kann die LED als Flächenstrahler näherungsweise durch einen Punktstrahler beschrieben werden. Bemerkenswert ist hierbei, dass bereits eine LED über eine ausreichende räumliche Kohärenz verfügt, wie obiges Beispiel zeigt.The use of a laser, such as a diode laser, while possible, but not essential. It suffices to use light with sufficient temporal and spatial coherence, such as an LED. The spatial coherence requires a not too large spatial extent of the light source. Specifically, the product of the largest dimension of the diffractive object and the illumination aperture must be sufficiently small compared to half the light wavelength λ. If, for example, one uses an LED chip of the edge length k at the focal point of a collimator lens ( 9 ) with focal length F, then for a diffraction grating the grating period Λ is approximately

With an edge length of the LED chip of k = 100 μm, a focal length of the collimator lens ( 9 ) of 4 mm, a grating period of Λ = 1.5 microns and a wavelength λ = 0.88 microns, this condition is sufficiently met, for example. Thus, an LED chip is preferably used, which has a sufficiently small edge length. Thus, the LED can be described as a surface radiator approximately by a spotlight. It is noteworthy that already an LED has sufficient spatial coherence, as the example above shows.

Die zeitliche Kohärenz ist proportional zur Kohärenzlänge L des emittierten Lichtes, welche wiederum etwa umgekehrt proportional zur Frequenzbandbreite Δf des emittierten Lichtes ist.The temporal coherence is proportional to the coherence length L of the emitted light, which in turn approximately inversely proportional to the frequency bandwidth Δf of the emitted light.

Die Kohärenzbedingung liefert den Zusammenhang

wobei c die Lichtgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und Δλ die Bandbreite des beleuchtenden Lichtes ist. Verwendet man beispielsweise eine IR-LED der Wellenlänge λ = 880 nm bei einer Bandbreite von 50 nm, so ergibt sich eine ausreichende Kohärenzlänge von etwa L = 15,5 μm. Somit ist die Verwendung einer Lichtquelle mit hinreichend kleiner Bandbreite notwendig, um eine ausreichende Kohärenzlänge zu erhalten. Bemerkenswert ist hierbei, dass neben einem Laser bereits eine LED zur Beleuchtung ausreichend ist.The coherence condition provides the context

where c is the speed of light, λ is the wavelength and Δλ is the bandwidth of the illuminating light. If, for example, an IR LED of wavelength λ = 880 nm is used at a bandwidth of 50 nm, the result is a sufficient coherence length of approximately L = 15.5 μm. Thus, the use of a light source with a sufficiently small bandwidth is necessary to obtain a sufficient coherence length. It is worth noting that, in addition to a laser, one LED is sufficient for illumination.

Weiterhin ist es sinnvoll, die minus erste Beugungsordnung zu detektieren, da höhere Beugungsordnungen in der Regel lichtschwächer sind. Mit n = –1 folgt somit unter der obigen Bedingung, dass das Licht (121) der minus ersten Beugungsordnung den Maßstab (10) senkrecht verlässt, sin(ε) = λ/Λ.Furthermore, it makes sense to detect the minus first diffraction order, since higher diffraction orders are usually weaker in light. With n = -1 it follows under the above condition that the light ( 121 ) the minus first diffraction order the scale ( 10 ) leaves vertically, sin (ε) = λ / Λ.

In der 3 ist der Maßstab (10) gegeben durch ein diffraktives optisches Element, welches unterteilt ist in Segmente (11), die Phasengitter aufweisen und Segmente (12), die unstrukturiert sind. Das Gitter (11) sei derart gestaltet, dass die (–1.) Beugungsordnung hinreichend stark auftritt, etwa durch ein Stufengitter.In the 3 is the scale ( 10 ) given by a diffractive optical element which is subdivided into segments ( 11 ) which have phase gratings and segments ( 12 ), which are unstructured. The grid ( 11 ) is designed such that the (-1.) Diffraction order occurs sufficiently strong, such as a step grid.

Vorzugsweise werde schräg parallel einfallendes Licht (100) verwendet, wobei der Einfallswinkel ε des beleuchtenden Lichtes (100) derart gewählt ist, dass das Licht der minus ersten Beugungsordnung (121) parallel zur optischen Achse (5), d.h. senkrecht zur Oberfläche des Maßstabes (10) abgelenkt wird. Das heißt es gilt der Zusammenhang α_-1 = α = 0, was äquivalent ist mit sin(α) = 0, d.h. aus der Gittergleichung sin(α) = sin(ε) – λ/Λ folgt sin(ε) = λ/Λ.Preferably obliquely parallel incident light ( 100 ), wherein the angle of incidence ε of the illuminating light ( 100 ) is selected such that the light of the minus first diffraction order ( 121 ) parallel to the optical axis ( 5 ), ie perpendicular to the surface of the scale ( 10 ) is distracted. This means that the relation α _-1 = α = 0, which is equivalent to sin (α) = 0, ie from the grid equation sin (α) = sin (ε) - λ / Λ follows sin (ε) = λ / Λ.

Hinter dem Maßstab (10) ist eine Sammellinse (20) positioniert, welche das paarweise parallele Licht der unterschiedlichen Beugungsordnungen, welches von den einzelnen Codesegmenten (11) ausgeht sowie das ungebeugte Licht (110) und das Licht (120) der nullten Beugungsordnung in der Brennebene der Linse (20) bündelt. Vorzugsweise wird in der Brennebene der Linse (20), also zwischen der Linse (20) und dem Abtast-Empfänger (40) eine Aperturblende (30) positioniert, deren Blendenöffnung zentrisch zur optischen Achse (5) liege.Behind the scale ( 10 ) is a condenser lens ( 20 ) which positions the pairwise parallel light of the different orders of diffraction, which of the individual code segments ( 11 ) and the undiffracted light ( 110 ) and the light ( 120 ) of the zeroth diffraction order in the focal plane of the lens ( 20 ) bundles. Preferably, in the focal plane of the lens ( 20 ), ie between the lens ( 20 ) and the scanning receiver ( 40 ) an aperture diaphragm ( 30 ) whose aperture is centered to the optical axis ( 5 ) lie.

Durch die Verwendung der Apertur-Blende (30) mit einem hinreichend kleinem Blendendurchmesser von kleiner als 2f tan(ε) wird das an den unstrukturierten Flächen (12) ungebeugte Licht (110) ebenso wie das Licht der nullten Beugungsordnungen (120) ausgeblendet. Ferner wird das Licht der (–2.) Beugungsordnung (122) und aller anderen höheren Beugungsordnungen ausgeblendet, da der Beugungswinkel β = α_-2 der (–2.) Beugungsordnung gleich (–ε) beträgt.By using the aperture diaphragm ( 30 ) with a sufficiently small aperture diameter of less than 2f tan (ε), that at the unstructured surfaces ( 12 ) undiffracted light ( 110 ) as well as the light of the zeroth diffraction orders ( 120 ) hidden. Furthermore, the light of the (-2.) Diffraction order ( 122 ) and all other higher diffraction orders, since the diffraction angle β = α _{-2 of} the (-2.) diffraction order equals (-ε).

Aus der Gittergleichung folgt für den Winkel β der (–2.) Beugungsordnung:

woraus folgt: β = –ε. Das bedeutet, dass das Licht (122) der (–2.) Beugungsordnung genauso weit vom Normalenvektor auf der Oberfläche des Maßstabes (10) abgelenkt wird wie das Licht (120) der nullten Beugungsordnung.From the grid equation follows for the angle β of the (-2.) Diffraction order:

From this follows: β = -ε. That means the light ( 122 ) of the (-2.) diffraction order just as far from the normal vector on the surface of the scale ( 10 ) is deflected like the light ( 120 ) of the zeroth diffraction order.

Im Gegensatz zur DE 100 25 410 ist hierbei die Situation geradezu umgekehrt: Es fungieren die (–1.) Beugungsordnungen der mittels der DOE's mikrostrukturierten Codeflächen (11) als Hellfelder und die unstrukturierten Codeflächen (12) stellen demgegenüber die Dunkelfelder dar. Daher ist bei diesem Aufbau die Furchentiefe und der Füllfaktor des Beugungsgitters (11) vergleichsweise unkritisch.In contrast to DE 100 25 410 In this case, the situation is almost the opposite: The (-1.) diffraction orders of the code surfaces microstructured by means of the DOEs function ( 11 ) as bright fields and the unstructured code surfaces ( 12 ) represent contrast, the dark fields dar. Therefore, in this structure, the groove depth and the fill factor of the diffraction grating ( 11 ) relatively uncritical.

Das durch den transmissiven Maßstab (10) fallende Licht wird mittels einer Linse (20) abgebildet. In der Brennebene der Linse (20) wird eine Apertur-Blende (30) angeordnet, welche das schräg auf die Linse (20) einfallende Licht ausblendet, so dass lediglich das Licht (121) der (–1.) Beugungsordnung in den Abtast-Empfänger (40) gelangt. Insbesondere wird das an den unstrukturierten Segmenten (12) des Maßstabes (10) ungebeugte Licht (110) sowie das Licht der nullten Beugungsordnung (120) und der minus zweiten Beugungsordnung (122) der an den mikrostrukturierten Segmenten (11) des Maßstabes (10) gebeuten Lichtes ausgeblendet.That by the transmissive scale ( 10 ) falling light is by means of a lens ( 20 ). In the focal plane of the lens ( 20 ), an aperture diaphragm ( 30 ) arranged obliquely on the lens ( 20 ) fades out incident light so that only the light ( 121 ) of the (-1.) diffraction order in the scanning receiver ( 40 ). In particular, this is done on the unstructured segments ( 12 ) of the scale ( 10 ) undiffracted light ( 110 ) as well as the light of the zeroth diffraction order ( 120 ) and the minus second diffraction order ( 122 ) on the microstructured segments ( 11 ) of the scale ( 10 ) hidden light.

Im Falle der inkrementalen Positionsmessung weist der Abtaster-Empfänger (40) Abtastfelder (41, 42) auf, welche vorzugsweise entsprechend der Codefelder (11, 12) des Maßstabes (10) ausgestaltet sind. Diese Abtastfelder (41, 42) sind vorzugsweise auf einem einzigen Mikrochip integriert. Dieser Abtast-Chip (40) weist vorzugsweise neben den lichtempfindlichen photoelektrischen Flächen weitere Mittel zur analogen bzw. digitalen Signalverarbeitung, wie etwa Verstärker- und Interpolator-Schaltungen auf. Ferner ist es möglich, Mikrocontroller zu integrieren, die neben Speicherbereichen digitale Schaltungen zur Ermittlung von Absolutpositionen enthalten können.In the case of incremental position measurement, the pickup receiver ( 40 ) Scanning fields ( 41 . 42 ), which preferably correspond to the code fields ( 11 . 12 ) of the scale ( 10 ) are configured. These scanning fields ( 41 . 42 ) are preferably integrated on a single microchip. This sample chip ( 40 ) preferably has, in addition to the photosensitive photoelectric surfaces, further means for analogue or digital signal processing, such as amplifier and interpolator circuits. Furthermore, it is possible to integrate microcontrollers which, in addition to memory areas, can contain digital circuits for determining absolute positions.

Das Licht der n-ten Beugungsordnungen, welches aus den verschiedenen Codefeldern (11) des Maßstabes (10) austritt, ist jeweils zueinander parallel. Aufgrund dieses bündelweise parallel aus dem Maßstab (10) austretenden Lichtes ist der Abstand zwischen dem Maßstab (10) und der Linse (20) relativ tolerant. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand eine Brennweite (f) der Linse (20).The light of the nth diffraction orders, which consists of the different code fields ( 11 ) of the scale ( 10 ), is parallel to each other. Because of this bunchwise parallel from the scale ( 10 ) light is the distance between the scale ( 10 ) and the lens ( 20 ) relatively tolerant. Preferably, this distance is a focal length (f) of the lens ( 20 ).

Beträgt die Bildweite (b), i.e. der Abstand zwischen der Linse (20) und dem Abtaster (40), b > f, so beträgt der Abbildungsmaßstab der Codestrukturen auf dem Abtaster relativ zum Maßstab

so dass ein Abbildungsmaßstab von 1:1 mit b = 2f ergibt. Aus der Abbildungsgleichung

ergibt sich für die Gegenstandsweite (g), i.e. die Entfernung vom Maßstab (10) zur Linse (20), mit b = 2f somit g = 2f. Da in diesem Fall der Abstand zwischen der Gegenstandsebene und der Bildebene, d.h. der Abstand zwischen dem Maßstab (10) und dem Abtast-Empfänger (40), 4f beträgt, wird ein derartiges System der klassischen abbildenden Optik ein 4f-System genannt.Is the image width (b), ie the distance between the lens ( 20 ) and the scanner ( 40 ), b> f, the magnification of the code structures on the scanner is relative to the scale

so that a magnification of 1: 1 with b = 2f results. From the mapping equation

results for the object distance (g), ie the distance from the scale ( 10 ) to the lens ( 20 ), with b = 2f thus g = 2f. Since in this case the distance between the object plane and the image plane, ie the distance between the scale ( 10 ) and the scanning receiver ( 40 ), 4f, such a system of classical imaging optics is called a 4f system.

Wird jedoch parallel kollimiertes Licht zur Beleuchtung verwendet, so tritt nach dem Durchgang durch den Maßstab (10) jeweils parallel gebündeltes Licht auf: Dasjenige Licht, welches auf die unstrukturierten Codefelder (12) fällt, propagiert ungebeugt weiter parallel zum einfallenden Licht (100). Dasjenige Licht, welches auf die Codefelder (11) fällt, wird in verschiedene Beugungsordnungen gebeugt. Es bilden sich schräg-parallele Lichtbündel gleicher Beugungsordnungen verschiedener Codefelder (11). Auf den Abtast-Empfänger (40) fällt jedoch lediglich das Licht der n-ten, in der 3 der (–1). Beugungsordnung, welches die Codefelder (11) parallel zur optischen Achse, d.h. senkrecht zum Maßstab (10) verlässt.However, if parallel collimated light is used for illumination, then after passing through the scale ( 10 ) in each case in parallel collimated light: the light which is incident on the unstructured code fields ( 12 ) propagates unbowed further parallel to the incident light ( 100 ). The light which points to the code fields ( 11 ) is diffracted into different diffraction orders. Diagonally-parallel light bundles of the same diffraction orders of different code fields form ( 11 ). On the scanning receiver ( 40 ), however, only the light of the nth, in which 3 the (-1). Diffraction order which the code fields ( 11 ) parallel to the optical axis, ie perpendicular to the scale ( 10 ) leaves.

Daher kann insbesondere auch unter der Bedingung b = 2f abweichend von obiger Abbildungsgleichung aufgrund der parallelen Lichtbündel der Abstand (g) zwischen dem Maßstab (10) und der Linse (20) kleiner sein als 2f, wobei (f) die Brennweite der Linse (20) bezeichne. Vorzugsweise sei g = f. Damit wird der Maßstab (10) nach unendlich abgebildet.Therefore, even under the condition b = 2f, in contrast to the above imaging equation, due to the parallel light bundles, the distance (g) between the scale (FIG. 10 ) and the lens ( 20 ) is less than 2f, where (f) the focal length of the lens ( 20 ). Preferably, g = f. This is the scale ( 10 ) to infinity.

Wird die Einheit, bestehend aus dem Abtaster (40), der Blende (30) und der Linse (20), gemeinsam auf einer Leiterplatte konfektioniert, so erlaubt daher die Positionierung des Maßstabes (10) relativ zur obigen Einheit eine vergleichsweise große Abstandstoleranz, was die Fertigung des Positionsmessgerätes wesentlich vereinfacht und im Fertigungsprozess beispielsweise eine einfache Fügung der vorgefertigten Komponenten ohne weitere mechanische Justage erlaubt.Is the unit consisting of the scanner ( 40 ), the aperture ( 30 ) and the lens ( 20 ), assembled together on a circuit board, so allows the positioning of the scale ( 10 ) relative to the above unit, a comparatively large distance tolerance, which significantly simplifies the production of the position measuring device and in the manufacturing process, for example, allows a simple joining of the prefabricated components without further mechanical adjustment.

Wird zur Beleuchtung paralleles Licht verwendet, so ist auch der Abstand zwischen dem einfallenden Licht (100) und dem Maßstab (10) relativ tolerant.If parallel light is used for illumination, then the distance between the incident light ( 100 ) and the scale ( 10 ) relatively tolerant.

Wie in der 4 dargestellt, ist auch die Verwendung einer zweiten Sammellinse (22) zwischen der Blende (30) und dem Abtaster (40) möglich. Wird hierzu eine Linse (22) gleicher Brennweite (f) verwendet und betragen die Abstände zwischen der Blende und der zweiten Linse (22) sowie zwischen der zweiten Linse (22) und dem Abtaster (40) beispielsweise eine Brennweite (f), so beträgt der Abbildungsmaßstab 1:1. Allgemein beträgt der Abbildungsmaßstab f'/f, wobei (f) die Brennweite der Linse (20) und (f') die Brennweite der Linse (22) bezeichne.Like in the 4 The use of a second convergent lens ( 22 ) between the diaphragm ( 30 ) and the scanner ( 40 ) possible. Is this a lens ( 22 ) are used with the same focal length (f) and the distances between the diaphragm and the second lens ( 22 ) and between the second lens ( 22 ) and the scanner ( 40 ), for example, a focal length (f), the magnification is 1: 1. Generally, the magnification is f '/ f, where (f) is the focal length of the lens (FIG. 20 ) and (f ') the focal length of the lens ( 22 ).

Ferner ist auch eine Projektion der minus ersten Beugungsordnungen (121) der Codefelder (11) des Maßstabes (10) ohne Linsen (20, 22) und ohne Apertur-Blende (30) auf den Abtaster (40) möglich. Hierzu muss der Abstand zwischen dem Maßstab (10) und dem Abtaster (40) größer sein als (a + D)/(2tan(ε)), wobei a der Durchmesser der beleuchteten Fläche auf dem Maßstab (10) und D die größte laterale Ausdehnung des Abtasters (40) sei.Furthermore, a projection of the minus first diffraction orders ( 121 ) of the code fields ( 11 ) of the scale ( 10 ) without lenses ( 20 . 22 ) and without aperture ( 30 ) on the scanner ( 40 ) possible. For this, the distance between the scale ( 10 ) and the scanner ( 40 ) be greater than (a + D) / (2tan (ε)), where a is the diameter of the illuminated area on the scale ( 10 ) and D the largest lateral extent of the scanner ( 40 ) be.

Ist vorzugsweise a = D, so ergibt sich obiger Mindestabstand zwischen dem Maßstab (10) und dem Abtast-Empfänger (40) zu D/tan(ε). Auch bei dieser Anordnung ist die Abstandstoleranz zwischen dem Maßstab (10) und dem Abtast-Empfänger (40) vergleichsweise hoch, da das zu detektierende Licht vorzugsweise Parallel zur optischen Achse verläuft.If a = D, the above minimum distance between the scale ( 10 ) and the scanning receiver ( 40 ) to D / tan (ε). Also in this arrangement, the distance tolerance between the scale ( 10 ) and the scanning receiver ( 40 ) comparatively high, since the light to be detected is preferably parallel to the optical axis.

Wie in der 5 dargestellt, ist auch die Verwendung von divergentem Licht (101) zur Beleuchtung möglich. Dabei ist der Abstand (d) der Lichtquelle (8) zum Maßstab (10) nunmehr jedoch nicht belanglos. Geht man von einer idealisierten Punktlichtquelle aus, die etwa durch eine LED als Flächenstrahler mit einer sehr kleinen Kantenlänge des lichtemittierenden Halbleiterchips gegeben ist, dann trifft das Licht (101) aufgrund der Divergenz mit unterschiedlichen Winkeln γ auf den Maßstab (10) auf. Dabei ist

. Nach der Gittergleichung gilt

Je näher Punktlichtquelle (8) demnach am Maßstab (10) positioniert ist, desto weiter liegen die Beugungsmaxima auseinander und desto größer ist damit die Projektion des Maßstabes (10) auf den Abtast-Empfänger (40). Aufgrund der Divergenz des Lichtes spielt bei nicht-parallelem Licht (101) der Beleuchtung die Entfernung des Maßstabes (10) zum Abtast-Empfänger (40) ebenso eine Rolle. Mit zunehmender Entfernung wird die Projektion des Beugungsbildes zunehmend größer.Like in the 5 is also the use of divergent light ( 101 ) possible for lighting. The distance (d) of the light source ( 8th ) to scale ( 10 ) but now not trivial. Assuming an idealized point light source, which is given for example by an LED as a surface radiator with a very small edge length of the light-emitting semiconductor chip, then the light hits ( 101 ) due to the divergence with different angles γ on the scale ( 10 ) on. It is

, After the grid equation applies

The closer point light source ( 8th ) according to the scale ( 10 ), the farther the diffraction maxima are and the larger the projection of the scale ( 10 ) to the scanning receiver ( 40 ). Due to the divergence of the light plays in non-parallel light ( 101 ) of Be illumination the distance of the scale ( 10 ) to the scan receiver ( 40 ) as well as a role. As the distance increases, the projection of the diffraction image becomes progressively larger.

Vorzugsweise werden zur Beleuchtung relativ schmalbandig im nah-infraroten Spektrum emittierende LED verwendet. Damit Beugung mit hinreichend großen Beugungswinkeln auftritt, werden vorzugsweise Gitterkonstanten im Bereich von 1,5 bis 3 Mikrometer eingesetzt. Kleinere Gitterperioden sind technisch machbar, jedoch schwierig zu replizieren, größere Gitterkonstanten sorgen für relativ kleine Beugungswinkel und damit vergleichsweise große Abstände zwischen dem Maßstab (10) und dem Abtast-Empfänger (40).Preferably, LEDs emitting relatively narrow band in the near infrared spectrum are used for illumination. For diffraction to occur with sufficiently large diffraction angles, lattice constants in the range of 1.5 to 3 micrometers are preferably used. Smaller grating periods are technically feasible, but difficult to replicate, larger grating constants provide for relatively small diffraction angles and thus comparatively large distances between the scale (FIG. 10 ) and the scanning receiver ( 40 ).

Dennoch sind Gitterkonstanten anderer Größenordnung nicht prinzipiell von ihrer Nutzung ausgeschlossen. Wird beispielsweise sichtbares Licht mit einer kleineren Wellenlänge zur Beleuchtung eingesetzt, so sind die Beugungswinkel bei senkrechtem Lichteinfall aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit kleiner und somit ist auch der Einsatz von Beugungsgittern, die kleinere Gitterkonstanten aufweisen, sinnvoll und möglich.Yet are lattice constants of a different magnitude not excluded in principle from their use. For example visible light with a smaller wavelength used for illumination, so are the diffraction angles at normal incidence of light due the wavelength dependence smaller and thus is also the use of diffraction gratings, the have smaller lattice constants, useful and possible.

Das beschriebene Positionsmesssystem eignet sich gleichermaßen für Längen-, wie für Winkelmessungen, indem die binären Codierungen in Form von mikrostrukturierten Segmenten (11, 12) auf dem Maßstab (10) entsprechend linear oder kreisförmig angeordnet werden. Ebenso sind binär codierte absolute Messeinrichtungen ebenso realisierbar wie inkrementale Messeinrichtungen oder solche, die beide Codierungsarten auf einem Maßstab aufweisen.The position measuring system described is equally suitable for both length and angle measurements, in that the binary codings in the form of microstructured segments ( 11 . 12 ) on the scale ( 10 ) are arranged according to linear or circular. Likewise, binary coded absolute measuring devices are just as feasible as incremental measuring devices or those which have both types of coding on a scale.

Zeichenerklärung

LED: light emitting diode
IR: infrarot
UV: ultraviolett

Explanations

LED: light emitting diode
IR: infrared
UV: ultraviolet

Claims

Position measuring device according to the transmission method, consisting of a transmissive scale ( 10 ), which relative to a light emitter ( 8th ) and a photosensitive scanning receiver ( 40 ) is movable, the scale ( 10 ) is divided into areal segments ( 11 . 12 ), which have different diffractive phase objects, characterized in that the light ( 100 ) of the light transmitter ( 8th ) in such an angle of incidence ε on the scale ( 10 ) that at the diffractive segments ( 11 ) diffracted light ( 121 ) of a nth diffraction order the scale ( 10 ) leaves vertically and that the scanning receiver ( 40 ) perpendicular in front of the illuminated surface of the scale ( 10 ) is placed so that this at least the light ( 121 ) of the nth diffraction order, wherein the nth diffraction order is not the zeroth order.

Position measuring device according to claim 1, characterized in that the light of all other diffraction orders of the at the segments ( 11 ) diffracted light, in particular the light of the zeroth diffraction order not on the scanning receiver ( 40 ).

Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the diffractive phase objects of at least the segments ( 11 ) are line-shaped diffraction gratings with a grating period Λ, which are in the surface of the scale ( 10 ) are introduced, wherein for the angle of incidence ε of the light ( 100 ) essentially the context

where λ is the wavelength of the light ( 100 ) and n is less than zero.

Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the segments ( 12 ) are unstructured.

Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the scale ( 10 ) illuminating light ( 100 ) is largely parallel.

Position measuring device according to claim 3, characterized in that between the scale ( 10 ) and the scanner ( 40 ) a lens ( 20 ) is arranged with positive focal length (f), that further between the lens ( 20 ) and the scanning receiver ( 40 ) approximately in the focal plane of the lens ( 20 ) an aperture ( 30 ) is arranged, whose opening is smaller than

Position measuring device according to claim 6, characterized in that the distance between the scale ( 10 ) and the lens ( 20 ) twice the focal length ( 2f ) and that the distance between the lens ( 20 ) and the aperture ( 30 ) and the distance between the diaphragm ( 30 ) and the scanning receiver ( 40 ) each have a focal length (f) of the lens ( 20 ) amount.

Position measuring device according to claim 1, characterized in that the minus first diffraction order from the scanning receiver ( 40 ) is detected, that is, n = -1.

Position measuring device according to claim 6, characterized in that between the diaphragm ( 30 ) and the scanner ( 40 ) another lens ( 22 ) and that the distance between the further lens ( 22 ) and the aperture ( 30 ) a focal length (f) of the lens ( 22 ) is.

Position measuring device according to claim 9, characterized in that the focal length (f) of the lens ( 20 ) equal to the focal length (f) of the lens ( 22 ).

Position measuring device according to claim 3, characterized in that the distance between the scale ( 10 ) and the scanner at least

where D is the largest lateral extent of the scan fields on the scanner ( 40 ) and a is the diameter of the illuminated area on the scale ( 10 ) be.

Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the scanning receiver ( 40 ) is given by an array of photosensitive surfaces ( 41 . 42 ) and that by the relative movement of the scale ( 10 ) to the scan receiver ( 40 ) modulation of the light intensity of the different receiver fields ( 41 . 42 ) of the scanning receiver ( 40 ) falling light is converted into electrical signals which serve to form position signals.

Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the segments ( 11 . 12 ) of the scale ( 10 ) are arranged as binary incremental or absolute coding.

Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the scale ( 10 ) consists of plastic or glass with a thin plastic layer, the segments ( 11 . 12 ) of the scale ( 10 ) are introduced into the surface of the plastic.

Position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the scale ( 10 ) of the position measuring device is produced in an embossing or injection molding process by means of an impression tool, which has the corresponding microstructures on its surface.