DE112006001970T5 - Optischer Kodierer mit geneigten optischen Detektorelementen zur Unterdrückung von Harmonischen - Google Patents

Optischer Kodierer mit geneigten optischen Detektorelementen zur Unterdrückung von Harmonischen Download PDF

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Donald K. Wayland Mitchell
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Abstract

Ein optischer Kodierer, bestehend aus:
Einer Quelle eines Lichtstrahls;
Einem optischen Gitter, das für eine Bewegung relativ zum Lichtstrahl bereitgestellt wird, wobei das optische Gitter in Verbindung mit dem Lichtstrahl betrieben wird, um ein räumliches Muster von Interferenzstreifen an einem Detektorort zu produzieren, wobei das Interferenzstreifenmuster eine unerwünschte harmonische Komponente umfasst; und
Einem optischen Detektor am Detektorort, wobei der optische Detektor eine Vielzahl von länglichen Detektorelementen umfasst, die zur Abtastung des Interferenzstreifenmusters an räumlich getrennten Orten entlang der Richtung der relativen Bewegung des optischen Gitters fungieren, wobei jedes Detektorelement ein oder mehrere Segmente umfasst, wobei jedes von ihnen über das Interferenzstreifenmuster um ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der unerwünschten harmonischen Komponente geneigt ist, um die unerwünschte harmonische Komponente in einer Weise räumlich zu integrieren, so dass ihr Beitrag zu einer positionsabhängigen Ausgabe des optischen Detektors im Wesentlichen unterdrückt wird.

Description

  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Positionskodierer, und insbesondere auf optische Positionskodierer, die Verfahren zur Unterdrückung von unerwünschten harmonischen Komponenten, die in einem periodischen optischen Interferenzmuster innerhalb des Kodierers erscheinen, verwenden.
  • Ein allgemeiner Typ des optischen Positionskodierers verwendet eine Quelle für kohärentes Licht, ein hinsichtlich der Quelle bewegliches Diffraktionsgitter und einen Detektor, der zur Abtastung eines Musters von Interferenzstreifen (interference fringe), das vom durch das Diffraktionsgitter gebeugte Licht aus der Lichtquelle erzeugt wird. Während sich das Gitter mit dem Objekt bewegt, dessen Position gemessen wird, weist das Muster der Interferenzstreifen eine offensichtliche Bewegung um einen verhältnismäßigen Betrag auf. Der Detektor tastet das Muster an einer ausreichenden Anzahl von Stellen ab, um eine Schätzung der räumlichen Phase der Interferenzstreifen zu erstellen, die sich leicht in eine Schätzung der Position des Objekts umrechnen lässt.
  • In einer allgemeinen Konfiguration verwendet der optische Kodierer eine sogenannte „four bin" Abtastungs- und Verarbeitungsmethode. Es wird angenommen, dass die Komponente des Streifenmusters in der Bewegungsrichtung im Wesentlichen sinusförmig ist, was zumindest bis zu einer ersten Annäherung korrekt ist. Der Detektor umfasst eine oder mehrere Gruppen von vier diskreten Elementen, und die Elemente einer jeden Gruppe sind um 90 Grad versetzt von einander angeordnet. Die Ausgaben von zwei der Elemente, die um 180 Grad getrennt sind, werden kombiniert, um einen Wert abzuleiten, der als der „Sinus" des Phasenwinkels des Streifenmusters bezeichnet wird. Ebenso werden die Ausgaben der anderen beiden Elemente kombiniert, um einen Wert abzuleiten, der als der „Kosinus" des Phasenwinkels bezeichnet wird. Der Positionsschätzwert wird dann als ein Wert, der proportional zum Arcustangens des Verhältnisses der Sinus- und Kosinuswerte ist, abgeleitet. Es gibt zahlreiche Variationen, die verwendet werden können, einschließlich solche, die andere Abtastungsanordnungen wie zum Beispiel Drei-Bin- oder Sechs-Bin-Abtastung verwenden.
  • Bei diffraktiven optischen Kodierern wird bevorzugt, dass das Streifenmuster so sinusförmig wie möglich ist, um Fehler in der Positionsschätzung zu vermeiden, die notwendigerweise auftreten, wenn diese Annahme nicht gültig ist. Es kann viele Störquellen oder andere Signalkomponenten geben, die das Streifenmuster von einer idealen sinusförmigen Ausprägung verzerren. Ein solches Problem ist das der harmonischen Verzerrung, d. h. des Vorliegens von periodischen Komponenten, deren Frequenzen ein ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz des Streifenmusters sind. Merkmale des Gitters und/oder der anderen optischen Komponenten im Kodierer können eine unerwünschte harmonische Verzerrung hervorrufen, die zu Fehlern bei den Postitionsschätzwerten führen können. Zum Beispiel können Kodierer, die den sogenannten Talbot-Effekt verwenden, viele Diffraktionsordnungen haben, die zu Interferenzen am Detektor führen und komplexe Streifenmuster mit mehreren harmonischen Komponenten entstehen lassen.
  • In vielen Fällen wird jegliche harmonische Verzerrung, die im Interferenzstreifenmuster erscheint, innerhalb eines Signalprozessors, der die Detektorausgaben empfängt, gefiltert. Während dieser Ansatz zwar in manchen Anwendungen geeignet sein kann, kann er jedoch in anderen schwierig oder unmöglich sein. Neben anderen Schwierigkeiten kann eine solche Filterung eine ungewöhnlich große Menge von Verarbeitungsressourcen erfordern, was zu erhöhten Kosten und anderen Nachteilen führen kann.
  • Die Verwendung von speziell entwickelten Detektoren, die dazu neigen, gegenüber bestimmten harmonischen Komponenten des Interferenzstreifenmusters weniger empfindlich zu sein, ist bekannt. Zum Beispiel zeigt die Veröffentlichung der US Patentanmeldung 2003/0047673 A1 von Thorburn et al. einen Harmonische unterdrückenden optischen Detektor auf, bei dem die Formen, Größen und Lage der einzelnen Elemente des optischen Detektors so gewählt sind, dass die Stufen bestimmter Harmonischer, wie zum Beispiel die Harmonische dritter Ordnung, reduziert sind. Insbesondere gibt die Veröffentlichung der Patentanmeldung von Thorburn et al. Detektoren zur Unterdrückung von Harmonischen dritter Ordnung, bei denen die Breiten von rechteckförmigen Detektorelementen gleich der räumlichen Periode T/3 der Harmonischen dritter Ordnung sind, bekannt. Demzufolge sind die Detektorelemente unempfindlich gegenüber dieser speziellen Komponente des Interferenzmusters und daher ist die Größe dieser Komponente im Detektorausgabesignal sehr gering im Vergleich zur Größe der Grundkomponente. Die Detektorelemente sind so angeordnet, dass die Vier-Bin-Verarbeitung ausgeführt werden kann.
  • Das US-Patent 6,018,881 zeigt ein magnetisches Positionsmesssystem auf, das eine schräge Anordnung von magneto-resistiven (MR) Detektorelementen verwendet, durch die eine dritte Harmonische gefiltert wird. Die Filterung reduziert Verzerrung, die durch die stark nichtlineare Reaktion der MR-Elemente verursacht wird, was in erster Linie durch den Betrieb in sogenannten „Sättigungsbereichen" bedingt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Kodierer, die Harmonische unterdrückende Fotodetektor-Anordnungen verwenden, wie zum Beispiel in der Veröffentlichung der Patentanmeldung von Thorburn et al. gezeigt, können zwar eine gute Unterdrückung unerwünschter harmonischer Komponenten erzielen, aber sie sind möglicherweise nicht für alle Anwendungen geeignet. In vielen Fällen ist die harmonische Komponente der dritten Ordnung von größtem Interesse, weil ihre Größe wesentlich größer sein kann als die von ungeraden Harmonischen höherer Ordnung, wie z. B. die 4., 7. etc. Jedoch ist die Notwendigkeit von Detektorelementen mit einer Breite von T/3 in gewissem Maße unvereinbar mit einem Vier-Bin-Abtastverfahren. Es ist nicht möglich, vier Detektorelemente neben einander auszulegen, die in eine Periode des Streifenmusters passen und jeweils eine Breite von T/3 haben. In der Veröffentlichung der Patentanmeldung von Thorburn et al. werden alternative Anordnungen verwendet, die im Allgemeinen die Verteilung der Detektorelemente einer Gruppe über mehrere Zyklen des Streifenmusters beinhalten, und zwar mit geeignetem Phasenversätzen. In alternativen bekannten Schemata sind die Elemente einer jeden Gruppe in der orthogonalen Richtung zur Bewegungsrichtung der Skala getrennt, so dass zum Beispiel nur zwei Elemente mit der Breite T/3 neben einander angeordnet sind. Während diese Anordnungen die Verwendung von relativ breiten Detektorelementen im Kontext der Vier-Bin-Abtastung ermöglichen, haben sie jedoch möglicherweise andere Nachteile, die ihrer Verwendung in einem spezifischen Kodierer entgegen stehen können.
  • In der vorliegenden Patentoffenlegung werden optische Detektoren aufgezeigt, die Unterdrückung von Harmonischen unabhängig von ihren Breiten aufweisen. Die offengelegten optischen Detektoren verwenden eine geneigte Orientierung im Hinblick auf die Interferenzstreifen, die zur räumlichen Integration einer unerwünschten harmonischen Komponente dient und daher deren Beitrag zur Ausgabe des Detektors unterdrückt. Demzufolge können die Detektoren in flexiblerer Weise angeordnet werden, zum Beispiel um leicht ein Vier-Bin-Abtastschema zu ermöglichen.
  • Insbesondere umfassen die offengelegten optischen Kodierer im Allgemeinen eine Quelle eines Lichtstrahls und ein optisches Gitter, das für eine Bewegung relativ zum Lichtstrahl vorgesehen ist. Das optische Gitter wird in Verbindung mit dem Lichtstrahl betrieben, um ein räumliches Muster von Interferenzstreifen an einem Detektorort zu erzeugen, wobei das Interferenzstreifenmuster eine unerwünschte harmonische Komponente umfasst. Der Kodierer umfasst weiterhin einen optischen Detektor am Detektorort, der eine Reihe von im Allgemeinen länglichen Detektorelementen umfasst, die dazu dienen, das Interferenzstreifenmuster an räumlich getrennten Stellen entlang der Bewegungsrichtung des optischen Gitters abzutasten. Jedes Detektorelement besteht im wesentlichen aus einem oder mehreren geneigten Segmenten, und jedes geneigte Segment ist entlang der Bewegungsrichtung des optischen Gitters um ein ganzzahliges Mehrfaches der Periode der unerwünschten harmonischen Komponente geneigt, um die unerwünschte harmonische Komponente räumlich zu integrieren und dadurch ihren Beitrag zu einer Ausgabe des optischen Detektors im Wesentlichen zu unterdrücken.
  • In spezifischeren Ausführungsformen verwenden die optischen Kodierer eine Vielzahl von länglichen rechteckigen Detektorelementen, die im Wesentlichen parallel zu einander verlaufen. Untertypen dieser Kodierer umfassen Detektoren, in denen die Detektorelemente in einem Rechteck-Array angeordnet sind, wobei das gesamte Rechteck-Array im Hinblick auf die Bewegungsrichtung des optischen Gitters gedreht wird, um so den Detektorelementen die Neigung zu verleihen. Andere Untertypen umfassen Detektoren, bei denen die Detektorelemente neben einander entlang der Bewegungsrichtung des optischen Gitters angeordnet sind, um so ein nicht-rechteckiges Parallelogramm zu bilden.
  • In anderen Ausführungsformen umfassen die offengelegten optischen Kodierer Detektoren, in denen jedes Detektorelement selbst mehrere längliche rechteckige Segmente umfasst. In einer Unterklasse sind die Segmente parallel zu einander angeordnet, und zwar auf eine Weise, die grob einer Stange mit rot-weißer Spirale (Ladenzeichen der Friseure) ähnelt. In einer anderen Unterklasse sind die Segmente in zwei nicht-parallelen Gruppen angeordnet. Die beiden Gruppen können weiterhin in einer alternativen Weise angeordnet werden, um jedem Detektorelement eine Zickzack- oder Fischgräten (Chevron)-Form zu verleihen.
  • Es können ebenfalls Detektoren verwendet werden, die sowohl das Neigungsmerkmal (zur Reduktion einer Harmonischen) als auch ein Breitenmerkmal zur Reduktion entweder der gleichen Harmonischen oder einer anderen Harmonischen, in der Regel eine Harmonische höherer Frequenz, umfassen. Somit könnte zum Beispiel ein Detektorelement durch einen Betrag geneigt sein, der T/3 entspricht, d.h. der Periode der dritten Harmonischen, und zugleich eine Breite von T/5 zur Unterdrückung der fünften Harmonischen aufweisen.
  • Zu den anderen Vorteilen, die durch den offengelegten optischen Kodierer realisiert werden, gehören auch eine verbesserte Ausrichtungstoleranz und eine größere Toleranz von Kontamination während des Betriebs. Diese Vorteile ergeben sich zum Teil aus einer „Zickzack"- oder wiederholten „Fischgräten" (Chevron)-Form der optischen Detektoren, die sich über mehrere Zyklen erstreckt. Das Muster sorgt für eine effektive Filterung von Harmonischen über einen relativ großen Bereich von Dreh-Fehlausrichtungen um die Detektorachse. Wegen der natürlichen Redundanz der wiederholten Form können die Detektoren selbst in Gegenwart von geringen Mengen von Kontamination, die einige Elemente blockieren können, effektiv betrieben werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorstehenden und anderen Objekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, spezifischeren Beschreibungen von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung deutlich, die in den begleitenden Zeichnungen illustriert werden, wobei gleiche Referenzzeichen sich auf die gleichen Teile in allen verschiedenen Ansichten beziehen. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; die Betonung liegt stattdessen auf der Illustration der Ausführungsformen, Grundsätze und Konzepte der Erfindung.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines optischen Kodierers gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Wellenformdiagramm von optischen Signalen, die in optischen Kodierern erscheinen, wie es im Stand der Technik bekannt ist; und
  • 3-10 sind Diagramme, die alternative Ausführungsformen eines optischen Detektors im optischen Kodierer von 1 darstellen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In 1 ist eine Sensorvorrichtung 10 als Teil eines reflektierenden, diffraktiven optischen Kodierers installiert. Eine Lichtquelle 12 beleuchtet eine Skala 14, auf der ein periodisches, reflektierendes Diffraktionsgitter 16 erstellt wurde. Licht von der Lichtquelle 12 wird reflektierend von der Skala 14 zur Sensorvorrichtung 10, die in der abgebildeten Ausführungsform einen optischen Detektor 18 umfasst, hin gebeugt. Das Diffraktionsgitter 16 erzeugt gebeugtes Licht von mehreren Ordnungen, die mit einander interferieren und so auf dem Detektor 18 ein optisches Streifenmuster bilden (nicht abgebildet). Die Samples vom Detektor 18 werden an einen elektronischen Prozessor 20 geschickt, der für jedes Sample eine Streifenphase berechnet.
  • Das Streifenmuster ist idealerweise eine Sinuskurve, die durch eine Periode P gekennzeichnet ist. Dem Konzept nach gilt, dass, wenn sich die Skala 14 seitlich relativ zum Detektor 18 entlang der durch die Linie 22 angezeigten Richtung bewegt, verrückt das Streifenmuster um eine proportionale Entfernung auf der Vorderseite des Detektors 18. Eine genaue Messung der Änderungen in der Phase des Streifenmusters ist eine proportionale Messung der Bewegung der Skala 14. Wie oben besprochen, können sich aus vielen Gründen Messfehler ergeben, darunter auch das Vorliegen von unerwünschten harmonischen Komponenten im Streifenmuster. Wie unten in näheren Einzelheiten beschrieben, ist der Detektor 18 auf eine Weise konfiguriert, die hilft, den Beitrag dieser unerwünschten harmonischen Komponenten in den Detektorausgaben, die an den Prozessor 20 bereitgestellt werden, zu unterdrücken.
  • Zur leichteren Referenz ist ein Satz von Koordinatenachsen 24 abgebildet, um die Richtungen von Interesse anzuzeigen. Die Bewegungsrichtung 22 liegt entlang der X-Achse. Die Skala 14 liegt in einer Ebene, die sich in die X- und Y-Richtungen erstreckt, wobei sich die einzelnen Elemente des Gitters 16 in die Y-Richtung erstrecken. Die Skala 14 und die Sensorvorrichtung sind in der Z-Richtung getrennt. Dabei ist darauf aufmerksam zu machen, dass das Interferenzstreifenmuster, das auf den Detektor 18 einfällt, sich sowohl in die X- als auch in die Y-Richtung erstreckt, wobei die vom Gitter erzeugten Intensitätsvariationen in der X-Achse auftreten.
  • 2 illustriert das Problem, das durch das vorliegend offengelegte Verfahren zur Unterdrückung von Harmonischen angesprochen wird, in einer etwas übertriebenen Form. 2(a) zeigt ein Beispiel einer Intensitätskurve eines Teils eines Interferenzstreifenmusters. Das Muster hat eine bestimmte Periode T, wie erwartet, aber es weist auch eine beträchtliche harmonische Verzerrung auf. Die 2(b) und 2(c) zeigen jeweils die Grundharmonische und die Harmonische dritter Ordnung dieser Wellenform, wobei die Periode der Harmonischen dritter Ordnung als T/3 bezeichnet ist. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung werden die anderen Harmonischen außer Acht gelassen. Es wird jedoch angemerkt, dass Harmonische von gerader Ordnung inhärent in einer Vierphasen-Abtastanordnung, wie nachstehend beschrieben, sowie in anderen Abtastschemata unterdrückt werden. Daher ist es häufig der Fall, dass die Unterdrückung von Harmonischen ungerader Ordnung ein Problem ist, das im Design von optischen Kodierern noch anzusprechen ist. Die hier offengelegten Verfahren sind anwendbar auf andere Harmonische ungerader Ordnung wie auch, falls notwendig, Harmonische gerader Ordnung. Die hier offengelegten Verfahren können auf Wunsch auch mit anderen Verfahren zur Unterdrückung von Harmonischen kombiniert werden, um mehrere harmonische Komponenten zu unterdrücken.
  • 3 zeigt einen ersten Detektor 18-1, der die Unterdrückung einer harmonischen Komponente dritter Ordnung in einem einfallenden Interferenzstreifenmuster erzielt. Der Detektor 18-1 umfasst eine Vielzahl von länglichen rechteckigen fotosensitiven Detektorelementen 26 (zum Beispiel Fotodioden), die neben einander angeordnet sind. Die gesamte Anordnung hat eine rechteckige Form und wird so gedreht, dass die Detektorelemente 26 in einem Winkel in Bezug auf eine Linie 28, die den mittleren Teil des Interferenzstreifenmusters in der X-Richtung darstellt, geneigt sind. Der Detektor 18-1 ist im Allgemeinen auf der Linie 28 in der Y-Richtung zentriert. Das Ausmaß der Drehung ist derart, dass jedes Element 26 in der X-Richtung um die Periode der zu unterdrückenden Harmonischen, in diesem Beispiel T/3, geneigt ist. Somit wird das Ausmaß der Drehung zum Teil durch die Länge der Detektorelemente 26 bestimmt. Wenn die Detektorelemente 26 relativ lang sind, wird relativ wenig Rotation benötigt, um die gewünschte Neigung in X-Richtung von T/3 zu erhalten. Mehr Drehung ist erforderlich, wenn die Detektorelemente 26 relativ kurz sind. Es ist darauf aufmerksam zu machen, dass der Detektor 18-1 wie gezeigt auf einer Sensorvorrichtung ausgerichtet ist, die eine normale, nicht gedrehte Orientierung um die Z-Achse aufweist. Das heißt, in einer solchen Ausführungsform liegt eine imaginäre Linie zwischen der Lichtquelle 12 (1) und dem Mittelpunkt des Detektors 18-1 entlang der Richtung der X-Achse, und die Anordnung der Detektorelemente 26 wird in Bezug auf diese Linie gedreht. Alternativ können die Detektorelemente 26 parallel zu einer solchen Linie sein, jedoch ist diese Linie selbst hinsichtlich der Y-Achse geneigt, d. h. die gesamte Sensorvorrichtung 10 wird leicht um die Z-Achse gedreht.
  • In 3 sind die Detektorelemente 26 in einer undifferenzierten Weise abgebildet. Es ist jedoch im Stand der Technik bekannt, dass die Detektorelemente 26 in einer Reihe von Gruppen organisiert sein können, die das Streifenmuster in verschiedenen Phasen innerhalb von einem oder mehreren Zyklen abtasten. Zum Beispiel wird häufig eine Vier-Phasen-Abtastung verwendet, die ein Detektorelement an jeweils 0, 90, 180 und 270 Grad in einem oder mehreren Zyklen des Streifenmusters erfordert. Entsprechende Detektoren aus aufeinander folgenden Gruppen werden zur räumlichen Mittelung elektrisch gekoppelt und um ein Ausgabesignal von höherer Stärke zu erhalten. Diese Details wurden in 3 (ebenso wie in den restlichen Abbildungen) im Interesse der Klarheit nicht berücksichtigt.
  • Die Detektorelemente 26 werden so betrieben, dass sie eine im wesentlichen lineare Reaktionscharakteristik haben, d. h. ihre jeweiligen elektrischen Ausgaben sind linear auf die einfallende optische Intensität bezogen. Man wird daher verstehen können, dass die Reaktionscharaktistik der Elemente 26 selbst nicht wesentlich zum Vorhandensein von unerwünschten harmonischen Komponenten in den Detektorausgabesignalen beiträgt.
  • 4 zeigt einen alternativen Detektor 18-2. Die Detektorelemente 30 sind wie im Detektor 18-1 in 3 geneigt, aber sie sind neben einander entlang der Linie 28 angeordnet, um eine nicht rechteckige Parallelogramm-Form zu bilden. Im Detektor 18-2 ist die Neigung oder Drehung auf die einzelnen Detektorelemente 30 anstatt die gesamte Anordnung wie in Detektor 18-1 angewandt. Dementsprechend befinden sich die Elemente 30 alle im mittleren Teil des Interferenzstreifenmusters, was eine insgesamt höhere Signalstärke produziert. Der Detektor 18-2 kann in einer herkömmlichen Konfiguration verwendet werden, in der sich die Linie, die die Lichtquelle 12 mit dem Mittelpunkt des Detektors 18-2 verbindet, parallel zur Y-Achse erstreckt. Eine Variante kann eine Hybridform haben, bei der die Neigung der Elemente 30 zum Teil durch die Rotation der gesamten Anordnung (d. h. Rotation des Sensors 10) und zum Teil durch Neigung der einzelnen Detektorelemente auf dem Sensor 10 erzielt wird.
  • 5 zeigt einen dritten alternativen Detektor 18-3, in dem jedes Detektorelement 32 mehrere disjunkte Segmente 34 (34-1 und 34-2, wie gezeigt) umfasst, die über und unter der Mittellinie 28 angeordnet sind. Für eine gegebene Harmonische von Interesse können die kürzeren Segmente 34 mit einer größeren Schrägstellung oder Neigung als die aus einem Segment bestehenden Elemente 26 und 30 in 3 und 4 versehen werden. Damit kann die Toleranz des Detektors 18-3 gegenüber Fehlausrichtung verbessert werden. Man wird verstehen können, dass die Segmente 34-1 und 34-2 jedes Detektorelements 32 elektrisch gekoppelt werden oder dass ihre Ausgaben anderweitig summiert werden, um eine Ausgabe für das jeweilige Element 32 zu bilden.
  • 6 illustriert das allgemeine Prinzip, nach dem die hier offengelegten Detektoren (wie zum Beispiel die oben beschriebenen Detektoren 18-1, 18-2 und 18-3) fungieren, um den Beitrag einer harmonischen Komponente, die im Interferenzstreifenmuster erscheint, zu unterdrücken. In 6 sind ein Detektorelement 26 und Kurven abgebildet, die eine dritte harmonische Komponente eines Interferenzstreifenmusters in zwei beliebigen Phasen darstellen. Wie aus der Abbildung hervorgeht, ist das Muster der Lichtintensität in der X-Richtung im Wesentlichen sinusförmig. In der Y-Richtung ist die Lichtintensität im Wesentlichen gleichmäßig. Ein Detektorelement wie zum Beispiel ein Element 26 kann so betrachtet werden, als dass es das Muster der einfallenden Lichtintensität über seinen Oberflächenbereich hinweg räumlich integriert. In Bezug auf die Grund- und anderen Komponenten des einfallenden Lichtmusters produziert diese räumliche Integration einen Wert, der variiert, während die relative Bewegung zwischen der Skala 12 und der Sensorvorrichtung 10 während des Betriebs erfolgt. In Bezug auf die harmonische Komponente dritter Ordnung bleibt die Ausgabe des Detektorelements jedoch konstant, ungeachtet der Phasenänderung dieser Komponente, während sich die Skala 12 bewegt. Zwei beliebige Phasen dieser Komponente sind in 6 gezeigt. Unabhängig von der Phase ist das Integral eines Zyklus der dritten Harmonischen eine Konstante, die gleich dem durchschnittlichen Wert ist. Weil das Detektorelement sich genau auf einen Zyklus der dritten Harmonischen in der X-Richtung erstreckt, ist seine Ausgabe für die dritte harmonische Komponente des Lichtintensitätsmusters im Wesentlichen konstant, unabhängig von der Phase des Lichtmusters, und kann daher durch die entsprechende Verarbeitung im Prozessor 20 herausgefiltert werden.
  • 7 zeigt einen Teil einer alternativen Ausführungsform, in der ein Detektorelement 36 aus mehreren disjunkten geneigten Segmenten, wie zum Beispiel Segment 38-1 und 38-2, besteht, die innerhalb eines gegebenen Zyklus der Harmonischen von Interesse angeordnet ist. In der abgebildeten Ausführungsform erstreckt sich das Segment 38-2 über ca. 2/3 des Zyklus der Harmonischen, und das Segment 38-1 erstreckt sich über das restliche 1/3 des Zyklus. Man wird verstehen können, dass die Segmente 38 elektrisch gekoppelt sind oder anderweitig summiert werden, und dass ihre summierten Ausgaben das räumliche Integral der Harmonischen in einer Weise reflektiert, die mit dem des einzigen geneigten Elements 26 äquivalent ist.
  • 8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform, in der ein Detektorelement 40 aus geneigten Segmenten 42-1 und 42-2 besteht, die den Segmenten 38-1 und 38-2 in 7 ähnlich sind, außer dass die Segmente 42-1 und 42-2 sich in verschiedenen Zyklen der Harmonischen von Interesse befinden. Wenn die beiden Segmente 42-1 und 42-2 sich in einem Bereich befinden, der durch das Licht aus der Lichtquelle 12 (1) gleichmäßig beleuchtet wird, dann funktioniert das Detektorelement 40 ebenfalls auf eine Weise, die im Wesentlichen der des Elements 26 in 6 entspricht.
  • 9 zeigt einen vierten alternativen Detektor 18-4. Jedes Element 44 des Detektors 18-4 umfasst alternierende Segmente 46-1 und 46-2, die in entgegengesetzte Richtungen geneigt sind, wodurch eine mehrfache „Zickzack"- oder „Fischgräte" (Chevron)-Form geschaffen wird. Jedes Segment 46/1 ist in der X-Richtung zu einer Seite um die Periode der Harmonischen von Interesse, zum Beispiel T/3, wie gezeigt, geneigt, während jedes Segment 46-2 um den gleichen Betrag in die entgegengesetzte X-Richtung geneigt ist. Man wird verstehen können, dass jedes Segment 46 die räumliche Integration und daher Unterdrückung der dritten Harmonischen erzielt wie die oben beschriebenen Elemente 26, 30, 32, 36 und 42. Außerdem bietet die mehrzyklische Fischgräte (Chevron)-Form des Elements 44 mindestens einen Vorteil gegenüber der Form dieser anderen Detektoren. Wenn zum Beispiel ein Detektor wie z. B. 18-1, 18-2 oder 18-3 verwendet wird, ist die Signalstärke der Grundkomponente aufgrund einer Reduktion der Signalmodulation, die durch die Neigung der Elemente weg von der Richtung der Y-Achse verursacht wird, verringert. Diese Signalstärke kann verbessert werden, wenn der Detektor um die Z-Achse gedreht wird, so dass die Elemente mehr mit der Y-Achse ausgerichtet sind. Diese Drehung würde dazu neigen, die Funktion der Unterdrückung der Harmonischen dieser Detektoren zu annullieren, und wäre daher aus dieser Sicht nicht wünschenswert. Nichtsdestoweniger ist es während der Montage und Einstellung eines Kodierers, der sich solcher Detektoren bedient, möglich, dass ein unerfahrener Monteur eine solche Drehung bewirkt, weil er glaubt, dass eine größere Signalstärke vorteilhaft ist, und er sich aber nicht bewusst ist, dass die Präsenz der dritten Harmonischen, zum Beispiel, eine Verschlechterung der Signalqualität verursacht.
  • Dieses Problem wird mit dem Detektor 18-4 vermieden, weil er eine maximale Signalstärke und eine maximale Unterdrückung der Harmonischen in der gleichen Ausrichtung aufgrund der alternierenden Richtungen der Segmente 46-1 und 46-2 erzielt. Eine Steigerung der Signalstärke von den Segmenten 46-1, die sich aus einer Drehung in eine Richtung ergeben würde, würde durch eine entsprechende Verringerung von den Segmenten 46-2 und umgekehrt aufgehoben werden. Diese Empfindlichkeit gegenüber einer Z-Achsendrehung weg von dieser optimalen Orientierung kann tatsächlich als Hilfsmittel bei der Ausrichtung der Sensorvorrichtung 10 während der Montage und Einstellung des Kodierers verwendet werden.
  • 10 zeigt einen alternativen Detektor 18-5, der ebenfalls die Fischgräte (Chevron)-förmigen Elemente 48 verwendet. Die Y-Achsen-Steigung (pitch) der alternierenden Segmente 50-1 und 50-2 ist größer als für die Segmente 46-1 und 46-2 des Detektors 18-4. Im Allgemeinen hat ein Detektor mit größerer Steigung, wie zum Beispiel Detektor 18-5, den Vorteil der Mittelung vieler kleinerer Segmente und ist daher weniger empfindlich gegenüber Unregelmäßigkeiten in der Strahlbeleuchtung. Ein Detektor mit größerer Steigung kann auch Vorteile im Hinblick auf die Ausrichtung des Kodierers haben. Jedoch können auch Probleme auftreten, die praktische Einschränkungen auferlegen. Diese umfassen die relativ scharfen „Ecken", an denen zwei Segmente 50-1 und 50-2 zusammentreffen, deren präzise Erstellung sich im Herstellungsprozess des Detektors als schwierig gestalten kann. Außerdem kann ein Detektor mit größerer Steigung eine größere oder geringere Empfindlichkeit gegenüber Variationen in der Y-Achsen-Komponente des einfallenden Lichtmusters aufweisen. Diese Aspekte der Fischgräte (Chevron)-Form kann die Auswahl eines Wertes für die Steigung in einer bestimmten Ausführungsform beeinflussen.
  • Bei den oben beschriebenen Detektoren weist die Breite der Detektorelemente keine notwendige Beziehung zur Periode der harmonischen Komponente, die unterdrückt wird, oder der einer anderen harmonischen Komponente auf. In der Tat kann diese Unabhängigkeit von der Elementbreite sehr vorteilhaft sein, indem sie das Design von relativ kleinen Detektoren mit dicht aneinanderliegenden Elementen, die ein wünschenswertes Ausmaß der Unterdrückung der Harmonischen erzielen, ermöglichen. Es kann jedoch möglich sein, eine spezifische Breite für die Detektorelemente 26 zu verwenden, um zusätzliche Unterdrückung der Harmonischen zu erzielen. Insbesondere könnte es vorteilhaft sein, Detektorelemente zu verwenden, deren Betrag der X-Achsen-Neigung auf die Periode einer Harmonischen bezogen ist, und deren X-Achsenbreite auf die Periode einer Harmonischen höherer Ordnung bezogen ist. Zum Beispiel kann bei den Detektoren 18-1 bis 18-5, die eine Neigung von T/3 haben, deren jeweilige Breite auf T/5 oder T/7 eingestellt werden, um die Harmonische fünfter Ordnung bzw. siebten Ordnung zu unterdrücken. In einer derartigen Konfiguration kann es trotzdem noch möglich sein, vier Detektorelemente in einer einzigen Periode der Grundkomponente unterzubringen, was zu einer wünschenswerten Kompaktheit des Detektorlayouts führt. In einer alternativen Ausführungsform kann es wünschenswert sein, die Breite jedes Elements gleich oder größer als das Ausmaß der Neigung zu machen, zum Beispiel die Breite jedes Elements in Detektor 18-1 gleich eines Vielfachen von T/3 zu machen.
  • Obwohl die vorstehende Beschreibung die eines diffraktiven, reflektierenden Kodierers ist, wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass die offengelegten Verfahren bei vielen anderen optischen Kodierertypen angewandt werden können. Die offengelegten Verfahren können im Allgemeinen in allen Arten von optischen Kodierern, einschließlich den folgenden, angewandt werden: diffraktive und geometrische Kodierer sowie moiré-basierte Kodierer, Kodierer mit zusätzlicher Optik (z. B. Kollimatoren, Blenden, diffraktive Strahlregler, Prismen, Linsen, polarisierende Optik, etc.) sowie Kodierer ohne solche zusätzliche Optik (z. B. Talbot-Kodierer), Dreh- und lineare Kodierer; Kodierer, die sekundäre oder Zwischenmasken verwenden; und Kodierer, die LED-Lichtquellen anstatt Laserquellen verwenden. Außerdem ist es nicht notwendig, dass die verschiedenen Segmente eines jeden Elements des Detektors von der gleichen Länge oder parallel zueinander sind. Das wichtige Merkmal ist, dass die Neigung der Detektorelemente gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Periode der Harmonischen von Interesse ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Ein optischer Kodierer umfasst eine Quelle eines Lichtstrahls, ein optisches Gitter, das ein räumliches Muster von Interferenzstreifen erzeugt, und einen optischen Detektor, der im allgemeinen längliche Detektorelemente umfasst, die das Interferenzstreifenmuster an räumlich getrennten Orten entlang der Bewegungsrichtung des Gitters abtasten. Jeder Detektor hat ein oder mehrere Segmente, die in der Bewegungsrichtung des Gitters um ein ganzzahliges Vielfaches der Periode einer unerwünschten harmonischen Komponente des Streifenmusters geneigt sind, um auf diese Weise die harmonische Komponente räumlich zu integrieren und ihren Beitrag zu einer Ausgabe eines Detektors zu unterdrücken. Ein spezifischer Detektortyp umfasst parallele längliche rechteckige Elemente in einer rechteckigen Anordnung, die leicht um eine Z-Achse gedreht ist; ein weiterer Typ umfasst Detektorelemente, die so angeordnet sind, dass sie ein nicht rechteckiges Parallelogramm bilden. Ein anderer Detektortyp umfasst Detektorelemente, die jeweils mehrere längliche rechteckige Segmente aufweisen, die in zwei nicht parallelen Gruppen angeordnet sein können. Die beiden Gruppen können weiterhin in einer alternativen Weise angeordnet werden, um jedem Detektorelement eine Zickzack- oder Fischgräten (Chevron)-Form zu verleihen.

Claims (22)

  1. Ein optischer Kodierer, bestehend aus: Einer Quelle eines Lichtstrahls; Einem optischen Gitter, das für eine Bewegung relativ zum Lichtstrahl bereitgestellt wird, wobei das optische Gitter in Verbindung mit dem Lichtstrahl betrieben wird, um ein räumliches Muster von Interferenzstreifen an einem Detektorort zu produzieren, wobei das Interferenzstreifenmuster eine unerwünschte harmonische Komponente umfasst; und Einem optischen Detektor am Detektorort, wobei der optische Detektor eine Vielzahl von länglichen Detektorelementen umfasst, die zur Abtastung des Interferenzstreifenmusters an räumlich getrennten Orten entlang der Richtung der relativen Bewegung des optischen Gitters fungieren, wobei jedes Detektorelement ein oder mehrere Segmente umfasst, wobei jedes von ihnen über das Interferenzstreifenmuster um ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der unerwünschten harmonischen Komponente geneigt ist, um die unerwünschte harmonische Komponente in einer Weise räumlich zu integrieren, so dass ihr Beitrag zu einer positionsabhängigen Ausgabe des optischen Detektors im Wesentlichen unterdrückt wird.
  2. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei jedes Detektorelement ein längliches Segment umfasst, und wobei die entsprechenden Segmente der Detektorelemente im Wesentlichen parallel zu einander sind.
  3. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 2, wobei die Segmente der Detektorelemente in einem rechteckigen Array angeordnet sind, wobei das gesamte rechteckige Array im Hinblick auf die Bewegungsrichtung des optischen Gitters gedreht wird, um so den Segmenten der Detektorelemente die Neigung zu verleihen.
  4. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 2, wobei die Segmente der Detektorelemente neben einander angeordnet sind, um ein nicht rechteckiges Parallelogramm zu bilden.
  5. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 4, wobei das Parallelogramm in Bezug auf die Bewegungsrichtung des optischen Gitters nicht gedreht wird.
  6. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 4, wobei das Parallelogramm in Bezug auf die Bewegungsrichtung des optischen Gitters gedreht wird.
  7. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei jedes Detektorelement mehrere längliche Segmente umfasst.
  8. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 7, wobei die länglichen Segmente jedes Detektorelements parallel zu einander sind.
  9. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 7, wobei die länglichen Segmente jedes Detektorelements eine Vielzahl von Segmenten enthalten, die nicht parallel zu einander sind.
  10. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 9, wobei die länglichen Segmente jedes Detektorelements in zwei nicht parallelen Gruppen angeordnet sind.
  11. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 9, wobei die länglichen Segmente eines jeden Detektorelements in alternierender Weise angeordnet sind, um so jedem der Detektorelemente eine mehrzyklische Zickzackform zu verleihen.
  12. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 11, wobei die länglichen Segmente jedes Detektorelements in zwei nicht parallelen Gruppen angeordnet sind.
  13. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei jedes längliche Detektorelement eine wesentlich geringere Breite aufweist als den Betrag, um den die Detektorelemente geneigt sind.
  14. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei die unerwünschte harmonische Komponente eine erste unerwünschte harmonische Komponente ist, das Interferenzstreifenmuster eine zweite unerwünschte harmonische Komponente umfasst und jedes längliche Detektorelement eine Breite hat, die im Wesentlichen gleich eines ganzzahligen Vielfachen der Periode der zweiten unerwünschten harmonischen Komponente ist.
  15. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 14, wobei die zweite unerwünschte harmonische Komponente von einer höheren Frequenz ist als die erste unerwünschte harmonische Komponente.
  16. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 1, wobei jedes längliche Detektorelement eine größere Breite als der Betrag, um den die Detektorelemente geneigt sind, aufweist.
  17. Ein optischer Kodierer, bestehend aus: Einer Quelle eines Lichtstrahls; Einem optischen Gitter, das für eine Bewegung relativ zum Lichtstrahl bereitgestellt wird, wobei das optische Gitter in Verbindung mit dem Lichtstrahl betrieben wird, um ein räumliches Muster von Interferenzstreifen an einem Detektorort zu produzieren, wobei das Interferenzstreifenmuster eine unerwünschte harmonische Komponente umfasst; und Einem optischem Detektor am Detektorort, wobei der optische Detektor eine Vielzahl von länglichen Detektorelementen umfasst, die zur Abtastung des Interferenzstreifenmusters an räumlich getrennten Orten entlang der Richtung der relativen Bewegung des optischen Gitters fungieren, wobei jedes Detektorelement eine Vielzahl von geneigten, nicht angrenzenden Segmenten umfasst, die kollektiv über das Interferenzstreifenmuster um ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der unerwünschten harmonischen Komponente geneigt sind, um die unerwünschte harmonische Komponente in einer Weise räumlich zu integrieren, so dass ihr Beitrag zu einer positionsabhängigen Ausgabe des optischen Detektors im Wesentlichen unterdrückt wird.
  18. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 17, wobei sich die Segmente jedes Detektorelements in einem entsprechenden einzelnen Zyklus des Interferenzstreifenmusters befinden.
  19. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 17, wobei sich die Segmente jedes Detektorelements in entsprechenden anderen Zyklen des Interferenzstreifenmusters befinden.
  20. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 17, wobei die Segmente jedes Detektorelements parallel sind.
  21. Ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 17, wobei die Segmente jedes Detektorelements nicht parallel sind.
  22. Ein optischer Kodierer, bestehend aus: Einer Quelle eines Lichtstrahls; Einem optischen Gitter, das für eine Bewegung relativ zum Lichtstrahl bereitgestellt wird, wobei das optische Gitter in Verbindung mit dem Lichtstrahl betrieben wird, um ein räumliches Muster von Interferenzstreifen an einem Detektorort zu produzieren, wobei das Interferenzstreifenmuster eine unerwünschte harmonische Komponente umfasst; und Einem optischen Detektor am Detektorort, wobei der optische Detektor eine Vielzahl von länglichen Detektorelementen umfasst, die zur Abtastung des Interferenzstreifenmusters an räumlich getrennten Orten entlang der Richtung der relativen Bewegung des optischen Gitters fungieren, wobei jedes Detektorelement mehrere längliche Segmente umfasst, die in zwei nicht parallelen Gruppen in alternierender Weise angeordnet sind, um so jedem der Detektorelemente eine mehrzyklische Zickzackform zu verleihen, wobei jedes Segment jedes Detektorelements über das Interferenzstreifenmuster um ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der unerwünschten harmonischen Komponente geneigt ist, um die unerwünschte harmonische Komponente in einer Weise räumlich zu integrieren, dass ihr Beitrag zu einer positionsabhängigen Ausgabe des optischen Detektors im Wesentlichen unterdrückt wird.
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