DE19936909C1 - Optische Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Objektes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Objektes (0) bezüglich einer Empfangseinheit (3) mit einem mit dem Objekt (0) orstfest verbundenen und beleuchteten Maßstab (2.1), einer mit der Empfangseinheit (3) ortsfest verbundenen Fotoempfängereinheit (3.3) und einer zwischen dem Maßstab (2.1) und der Fotoempfängereinheit (3.3) angeordneten optischen Abbildungseinrichtung. Einflüsse der Meßgenauigkeit durch Überlagerung unerwünschter Bewegungen werden dadurch unterdrückt, dass die Abbildungseinrichtung als telezentrisches Abbildungssystem mit mindestens einem ortsfest bezüglich des Objektes (0) angeordneten, einen parallelen Strahlengang bildenden optischen Element (2.2, LO) und mindestens einem ortsfest bezüglich der Fotoempfängereinheit (3.3) angeordneten, den parallelen Strahlengang aufnehmenden und eine Abbildung auf der Fotoempfängereinheit (3.3) bewirkenden weiteren optischen Element (3.1, LB) ausgebildet ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Objektes bezüglich einer Empfangseinheit mit einem mit dem Objekt ortsfest verbundenen und beleuchteten Maßstab, einer mit der Emp­ fangseinheit ortsfest verbundenen Fotoempfängereinheit und einer zwischen dem Maßstab und der Fotoempfängereinheit angeordneten optischen Abbil­ dungseinrichtung.

Eine derartige optische Vorrichtung ist bekannt und geht beispielsweise aus A. Ernst, Digitale Längen- und Winkelmeßtechnik, Positionsmeßsysteme für den Maschinen- und Gerätebau, Verlag Moderne Industrie, 4. Aufl. 1995, Seiten 4 bis 11 hervor. Zum Erfassen einer Translations- oder Rotationsbewegung des Objektes ist dieses mit einem ortsfesten Maßstab versehen, der beispielsweise mehrere codierte Strich-Spuren aufweisen kann und sich relativ zu der mit der Empfangseinheit verbundenen Fotoempfängereinheit bewegt. Zur optischen Abbildung der codierten Spuren auf die Fotoempfängereinheit ist zwischen dem Maßstab und der Fotoempfängereinheit eine Abbildungsoptik angeordnet.

Die DE 37 38 977 C1 zeigt eine lichtelektrische Positionsmesseinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, bei der eine inkrementale Teilung mit einer Abtasteinrichtung abgetastet wird, die aus einer beweglichen und einer stationären Abtasteinheit besteht. Die bewegliche Abtasteinheit ist mit dem beweglichen Objekt verbunden, die stationäre Abtasteinheit und der Teilungsträger sind am stationären Objekt befestigt. Zwischen der beweglichen Abtasteinheit und der stationären Abtasteinheit besteht eine optische Wirkverbindung über zwei Strahlengänge.

In der DE 86 21 057 U1 ist eine optische Winkelmesseinrichtung angegeben, bei der eine Welle mit einer aus einem optisch transparenten Körper bestehenden Drehscheibe versehen ist, die eine lichtelektrisch abzutastende inkrementale Teilung trägt. Die äußere Mantelfläche der Drehscheibe ist konvex gekrümmt, so dass der auf diese Fläche gerichtete Lichtstrahl als paralleler Lichtstrahl durch die die inkrementale Teilung tragende Fläche der Drehscheibe geführt zu einer Photo­ empfängereinheit geführt wird.

Ein inhärentes Problem bei berührungslosen Gebern ist die Querempfindlichkeit bezüglich unerwünschter Bewegungen: der Maßstab und die Empfangseinheit ha­ ben als starre Körper sechs mögliche Freiheitsgrade, nämlich drei der Translation und drei der Rotation, von denen einer die Meßgröße ist, während die übrigen fünf das Meßsignal verfälschen können. Beispielsweise können bei einem berührungs­ losen Winkelgeber neben der eigentlich zu messenden Winkelposition z. B. aufgrund von Schwingungen Kippungen um zwei Achsen und Translationen in drei Raumrichtungen auftreten, wobei insbesondere die tangentiale Translations­ komponente am Maßstab kritisch ist, die nahezu kollinear zur Meßgröße ist und Scheinsignale erzeugen kann. Dieses Problem besteht z. B. bei Hohlwellengebern, bei denen zwischen Maßstab und Empfänger eine lange, mechanisch veränderliche Übertragungskette besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Vorrichtung der eingangs angegebenen Art bereit zu stellen, mit der die erwünschte Bewegungskomponente genauer erfaßbar ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Hiernach ist vorgesehen, dass die Abbildungseinrichtung als telezentrisches Abbildungs­ system mit mindestens einem ortsfest bezüglich des Objektes angeordneten, einen parallelen Strahlengang bildenden optischen Element und mindestens einem ortsfest bezüglich der Fotoempfängereinheit angeordneten, den parallelen Strahlengang aufnehmenden und eine Abbildung auf der Fotoempfängereinheit bewirkenden weiteren optischen Element ausgebildet ist.

Wie anhand von Fig. 2 ersichtlich, führen diese Maßnahmen insbesondere zu verminderter Empfindlichkeit hinsichtlich unerwünschter Querbewegungen und auch axial gerichteter Bewegungen. Der an dem Objekt O angebrachte Maßstab wird unabhängig von der Translationsbewegung des bezüglich des Objektes O ortsfesten optischen Elementes LO und des bezüglich der Fotoempfängereinheit ortsfest angeordneten weiteren optischen Elementes um Δx, Δy oder Δz an der gleichen Position der Fotoempfängereinheit bzw. des Bildes B abgebildet. Zwi­ schen dem optischen Element, d. h. vorliegend der objektseitigen Sammellinse LO und dem weiteren optischen Element, d. h. vorliegend der bildseitigen Sammellinse LB, die sich um die Brennweite f von dem Objekt O bzw. dem Bild B entfernt befinden, wird ein kollimiertes (paralleles) Strahlenbündel erzeugt.

Eine für einen kompakten Aufbau günstige Anordnung besteht darin, dass der Maßstab und das mindestens eine optische Element an einer mit dem Objekt verbundenen oder verbindbaren gemeinsamen Trägereinheit vorgesehen sind. Für die einfache und kompakte Ausbildung tragen dabei weiterhin die Maßnahmen bei, dass die Trägereinheit ein einstückig geformter oder aus mehreren einstückig geformten Teilen zusammengesetzter Körper ist, auf oder in dem der Maßstab und das mindestens eine optische Element vorgesehen ist.

Um eine Rotationsbewegung zu erfassen, besteht eine vorteilhafte Ausführung darin, dass die Vorrichtung als Winkelgeber ausgebildet ist und dass das op­ tische Element torusförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

Für die Herstellung und Kompensation von Abbildungsfehlern sind weiterhin die Maßnahmen von Vorteil, dass die Empfangseinheit einen dem Körper der Träger­ einheit mit dem daran vorgesehenen optischen Element zumindest teilweise ent­ sprechenden Formkörper mit dem daran vorgesehenen weiteren optischen Ele­ ment aufweist.

Verschiedene Ausführungsmöglichkeiten bestehen darin, dass das mindestens eine optische Element und/oder das mindestens eine weitere optische Element brechend, reflektierend oder als diffraktive Struktur ausgebildet ist.

Die störungsfreie Abbildung auf der Fotoempfängereinheit wird dadurch begün­ stigt, dass im Strahlengang zwischen dem weiteren optischen Element und der Fotoempfängereinheit eine Blende angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Drehgebers in seitlicher Ansicht,

Fig. 2a) bis c) verschiedene Darstellungen zur Erläuterung der Unabhängigkeit von einer Translationsbewegung bei telemetrischer Abbildung und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Drehgebers in seit­ licher Ansicht.

Die Fig. 1 zeigt eine optische Vorrichtung 1 zum Erfassen einer Drehbewegung eines in dieser Figur nicht gezeigten Objektes relativ zu einer Empfangseinheit 3. Die Vorrichtung 1 ist vorliegend als Winkelgeber ausgebildet und weist eine mit dem Objekt starr verbundene und mit diesem um dessen Drehachse drehbare ro­ tationssymmetrische Trägereinheit 2 auf, an dessen Oberseite ein Maßstab 2.1 in Form einer oder mehrerer Codespuren und an dessen Unterseite ein optisches Element in Form einer rotationssymmetrischen torischen Fläche angeordnet sind. Das optische Element 2.2 ist damit starr mit dem Maßstab 2.1 über die Träger­ einheit 2 verbunden. Die Empfangseinheit 3 weist eine Fotoempfängereinheit 3.3 und ein mit dieser im Abstand der Brennweite f starr verbundenes weiteres optisches Element 3.1' in Form einer Sammellinse auf. Der Maßstab 2.1 wird mittels einer schematisch dargestellten Beleuchtungseinheit 4 beleuchtet. Der Strahlengang verläuft von dem Maßstab 2.1 über das reflektierende optische Element 2.2 und das weitere optische Element 3.1' zu der Fotoempfängereinheit 3.3. Der Maßstab 2.1 befindet sich im Abstand der Brennweite von dem opti­ schen Element 2.2, das damit zwischen diesem und dem weiteren optischen Ele­ ment 3.1' ein kollimiertes (paralleles) Strahlenbündel bildet.

Mit dem beschriebenen Aufbau wird der Winkelgeber unabhängig von uner­ wünschten Translationsbewegungen des Objektes relativ zu der Empfangseinheit 3. Die Wirkungsweise dieses telezentrischen Aufbaus wird aus den bereits in der Beschreibungseinleitung erwähnten Fig. 2a) bis c) deutlich. Das Objekt O mit dem Maßstab 2.1 befindet sich im Abstand der Brennweite f von dem optischen Element 2.2 in Form der objektseitigen, mit dem Objekt O starr verbundenen Sammellinse LO, während sich das Bild B bzw. die Fotoempfängereinheit 3.3 im Abstand der zugehörigen Brennweite f von dem weiteren optischen Element 3.1' in Form der bildseitigen Sammellinse LB befindet, die ihrerseits ortsfest mit dem Bild B bzw. der Fotoempfängereinheit 3.3 verbunden ist. Ausgehend von der Darstellung a) zeigt sich, dass eine axiale translatorische Verschiebung um Δz zwischen dem Objekt O mit dem daran starr gekoppelten optischen Element 2.2 bzw. LO relativ zu der Empfangseinheit 3 mit dem Bild B bzw. der Fotoemp­ fängereinheit 3.3 und dem damit starr verbundenen weiteren optischen Element LB bzw. 3.1' wegen der in der angegebenen Weise zugeordneten optischen Ele­ mente und dem dazwischen ausgebildeten parallelen Strahlengang keine Auswir­ kung auf die Abbildung des Maßstabes 2.1 auf die Fotoempfängereinheit 3.3 ergibt, wie aus dem Teilbild b) ersichtlich. Entsprechend ergibt auch eine Translationsbewegung Δx und Δy in den beiden seitlichen Richtungen keinen Einfluss auf die Abbildung des Maßstabes 2.1, wie aus dem Teilbild c) ersichtlich. Damit werden die Einflüsse dieser Translationsbewegungen minimiert und die zu erfassende Rotationsbewegung um die Objektachse zuverlässig erfaßbar.

Der Maßstab 2.1 des Winkelgebers ist allgemein auf einer rotationssymmetri­ schen Fläche in Form eines Ringes, Zylinders oder Kegels zu der Drehachse des Objektes angeordnet. Die aus mindestens einem optischen Element 2.2, LO be­ stehende maßstabsseitige Optik ist torisch, konisch oder zylindrisch ausgebildet und zumindest über den Meßbereich rotationssymmetrisch zur Drehachse des Objektes O. Der Begriff "torisch" wird in dem Sinne verwendet, dass die opti­ schen Funktionsflächen unterschiedliche Hauptkrümmungen in unterschiedlichen Raumrichtungen aufweisen können. Beispiele für torische Flächen sind Zylinder­ mantel, Kegelmantel, Ausschnitte aus Torusoberflächen und dgl. oder aber Nä­ herungen an solche Flächentypen.

Der auf dem beschriebenen Prinzip beruhende Winkelgeber besteht im Wesent­ lichen aus dem mit der Drehachse des Objektes O verbundenen bzw. verbind­ baren Maßstab 2.1 mit den Teilkomponenten, Maßverkörperungen in Form der Codespur(en), d. h. der zu detektierenden Maßstabs-Markierungen, welche beispielsweise, aber nicht notwendigerweise auf einer ebenen Grenzfläche des Maßstabes 2.1 angebracht sind, einem oder mehreren mit dem Maßstab 2.1 ortsfest verbundenen optischen Elementen in Form optischer Funktionsflächen, die brechend, reflektierend oder als diffraktive Strukturen ausgebildet sind, vorliegend beispielsweise durch einen torischen Spiegel dargestellt, einer Beleuchtungseinheit 4, mindestens einer optischen Empfangseinheit 3, bestehend aus Detektoren der Fotoempfängereinheit 3.3, beispielsweise mit Foto­ dioden, sowie mindestens einem weiteren optischen Element 3.1', LB in Form weiterer optischer Funktionsflächen. Die Abbildungsoptik ist so ausgelegt, dass eine zumindest eindimensionale optische Abbildung des Maßstabes 2.1 auf die Fotoempfängereinheit 3.3 stattfindet, nämlich zumindest in der Richtung, in der die Maßstabsmarkierungen variieren, d. h. in Meßrichtung. Es kann, muss aber nicht, vorteilhaft sein, senkrecht zur Meßrichtung eine definiert astigmatische, also imperfekte Abbildung vorzusehen. Weiterhin ist die Abbildungsoptik so aus­ gelegt, dass die Empfangseinheit 3 im Wesentlichen kollimiert ist, d. h. Aus­ trittspupille des Maßstabes 2.1 und Eintrittspupille der Empfangseinheit 3 liegen im Unendlichen bzw. zumindest weit entfernt von den optisch wirksamen Teilen. Die Strahlen im Bündel sind parallel.

Eine vorteilhafte Ausführung der Trägereinheit 2 besteht darin, dass diese als integrierte Einheit den Maßstab 2.1 und die optischen Funktionsflächen trägt. Der Körper der Trägereinheit kann dabei beispielsweise auch aus zwei Hälften zusammengesetzt sein, um ihn problemlos beispielsweise an einer Lenksäule an­ bringen zu können, um einen Lenkrad-Drehgeber aufzubauen.

Vorteilhaft ist die Ausführung der Trägereinheit 2 und auch eines Trägers der Empfangseinheit 3 als kostengünstige Kunststoff-Spritzgußteile. Die Fotoemp­ fängereinheit 3.3 kann ein Opto-ASIC beinhalten, d. h. auf einem CMOS-Chip integrierte Fotoempfänger und gegebenenfalls eine Auswerteelektronik aufwei­ sen. Außerdem können die Codespuren in kostengünstiger Prägetechnik herge­ stellt werden.

Durch Faltung des Strahlenganges mittels Mehrfachreflexion in der Trägereinheit 2 bzw. dem Träger der Empfangseinheit 3 an mehreren ebenen oder gekrümm­ ten Grenzflächen kann der Bauraum minimiert werden. Hierzu sind unterschied­ liche optische Anordnungen denkbar.

Einflüsse von Kippungen können durch den vorstehend beschriebenen Aufbau ebenfalls vermindert werden, da sie ebenfalls Komponenten in seitlicher Rich­ tung beinhalten. Um die Kippung der Abbildungsebene gegenüber der optischen Achse beispielsweise gemäß Fig. 1 zu kompensieren, kann die Empfängerebene der Fotoempfängereinheit 3.3 entsprechend gekippt werden, um die sogenannte Scheimpflugbedingung einzuhalten. Zu demselben Zweck kann der Maßstab 2.1 auf einer entsprechend gestalteten torischen Fläche aufgebracht sein.

Bei der Anordnung des Winkelgebers gem. Fig. 1 sind die Abbildungsmaßstäbe entsprechend den unterschiedlichen Weglängen in beiden Achsenrichtungen un­ terschiedlich (anamorphotische Abbildung). Die unterschiedlichen Abbildungs­ maßstäbe können durch eine Anordnung gem. Fig. 3 behoben werden. Bei die­ ser Anordnung bestehen das maßstabsseitige optische Element 2.2 und das empfängerseitige weitere optische Element 3.1 aus identischen reflektierenden torischen optischen Funktionsflächen. Bei dieser Ausführungsform ist der Träger der Empfangseinheit entsprechend der objektseitigen Trägereinheit 2 geformt, so dass sich Vorteile für die Fertigung und auch die Wirkungsweise durch Kompen­ sation evtl. Abbildungsfehler ergeben. Zur Abschirmung störender Lichteinflüsse kann vor der Fotoempfängereinheit 3.3 eine Blende 3.2 angeordnet sein. Bei einer nicht gezeigten weiteren Ausführungsform kann der Beleuchtungs­ strahlengang in der Empfangseinheit 3 ausgebildet sein.

Die Verteilung der optischen Wirkung auf mehrere reflektierende und/oder brechende Flächen kann zur Korrektur von Aberrationen, die Verteilung der erforderlichen Brechkräfte sowie Strahlablenkungen auf mehrere Flächen zur Optimierung der Toleranzen herangezogen werden. Geeignete Kombinationen von brechenden und diffraktiven Flächen können zur Korrektion von Farbfehlern bei Verwendung einer breitbandigen Beleuchtungsquelle eingesetzt werden.

Claims (8)

1. Optische Vorrichtung zum Erfassen einer Bewegung eines Objektes (O) bezüglich einer Empfangseinheit (3) mit einem mit dem Objekt (O) ortsfest verbundenen und beleuchteten Maßstab (2.1), einer mit der Empfangsein­ heit (3) ortsfest verbundenen Fotoempfängereinheit (3.3) und einer zwi­ schen dem Maßstab (2.1) und der Fotoempfängereinheit (3.3) angeordne­ ten optischen Abbildungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungseinrichtung als telezentrisches Abbildungssystem mit mindestens einem ortsfest bezüglich des Objektes (O) angeordneten, einen parallelen Strahlengang bildenden optischen Element (2.2, LO) und mindestens einem ortsfest bezüglich der Fotoempfängereinheit (3.3) angeordneten, den parallelen Strahlengang aufnehmenden und eine Abbildung auf der Fotoempfängereinheit (3.3) bewirkenden weiteren optischen Element (3.1, LB) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (2.1) und das mindestens eine optische Element (2.2, LO) an einer mit dem Objekt (O) verbundenen oder verbindbaren gemein­ samen Trägereinheit (2) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit (2) ein einstückig geformter oder aus mehreren einstückig geformten Teilen zusammengesetzter Körper ist, auf oder in dem der Maßstab (2.1) und das mindestens eine optische Element (2.2, LO) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Winkelgeber ausgebildet ist und dass das optische Element (2.2) torusförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (3) einen dem Körper der Trägereinheit (2) mit dem daran vorgesehenen optischen Element (2.2) zumindest teilweise entsprechenden Formkörper mit dem daran vorgesehenen weiteren op­ tischen Element (3.1) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element (2.2, LO) und/oder das mindestens eine weitere optische Element (3.1, 3.1', LB) brechend, reflektierend oder als diffraktive Struktur ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem weiteren optischen Element (3.1, 3.1', LB) und der Fotoempfängereinheit (3.3) eine Blende (3.2) an­ geordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang in der Trägereinheit (2) und/oder der Empfangseinheit (3) einfach oder mehrfach gefaltet wird.