DE602004000155T2

DE602004000155T2 - Absoluter optischer Positionkodierer mit faseroptischem Sensorkopf und mindestens zwei Skalen

Info

Publication number: DE602004000155T2
Application number: DE602004000155T
Authority: DE
Inventors: Joseph D. Woodinville Tobiason; Kim W. Kirkland Atherton
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-04-29
Also published as: EP1473550A1; DE602004000155D1; JP4493985B2; US20040217268A1; US7053362B2; JP2004333471A; CN100365379C; CN1550753A; EP1473550B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen optische Codierer zur Erfassung einer Verschiebung und betrifft insbesondere einen optischen Absolutpositionscodierer, in dem Glasfasern als Empfangselemente verwendet sind, um ein sehr kompaktes Absolutpositioniersystem mit hoher Genauigkeit bereitzustellen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gegenwärtig sind diverse Bewegungs- oder Positioniercodierer für das Erfassen einer linearen Bewegung, einer Drehbewegung oder einer Winkelbewegung erhältlich. Dieser Codierer beruhen im Allgemeinen auf optischen Systemen, magnetischen Maßstäben, induktiven Wandlern oder kapazitiven Wandlern. Gewisse Codierer sind so gestaltet, dass diese Relativmessungen und keine Absolutmessungen ausführen. In derartigen Codierern für die relative Positionierung werden die Messungen typischerweise durch Erfassen der relativen Änderung in der Position der Maßstäbe in Bezug auf eine Referenzposition ausgeführt, wobei ein kontinuierliches Erfassen der Änderung des Maßstabsmusters erforderlich ist, um damit Wiederholungen des Musters zählen zu können. Relativmessungen erfordern, dass eine neue Referenz- oder Nullposition vor jeder Messung eingerichtet wird, wodurch diese Geräte relativ unbequem für die Handhabung sind.
Im Allgemeinen ist die Geschwindigkeit, mit der die Maßstabe von Relativmessungsgeräten in Bezug zueinander verschoben werden können, durch die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung begrenzt, die erreichbar ist. Wenn einerseits die Maßstäbe zu schnell verschoben werden, kann eine Fehlzählung auftreten. Andererseits zieht das Erhöhen der möglichen Maßstabsverschiebegeschwindigkeit die Anwendung von Hochfrequenzsignalen und die Nutzung anspruchsvoller Signalverarbeitungsschaltungen nach sich, wodurch die Kosten für die Messeinrichtung deutlich erhöht werden.
Für optische Codierer wurde eine Vielzahl relativer Positioniersysteme entwickelt. Ein neueres System, in dem weniger Bauteile als in den meisten vorhergehenden Systemen verwendet werden, ist in dem US-Patent 5,909,283, Eselun, offenbart. Das System, das in dem '283-Patent beschrieben ist, besitzt einen Gittermaßstab und einen Lesekopf mit einer Punktquelle (Laserdiode im Lesekopf), ein Ronchi-Gitter oder ein holographisches Element und ein Photodetektorarray. Wie dort beschrieben ist, ergibt die Punktquelle Interferenzringe, die einen Abstand gleich dem Abstand des Maßstabs aufweisen. Das Licht der Interferenzringe wird durch das Ronchi-Gitter oder das holographische Element zu dem Photodetektorarray geleitet. Das Photodetektorarray ist angeordnet, um vier Kanäle von Quadratursignalen aus dem durchgelassenen Licht der Interferenzringe zu bilden. Zu der Tatsache, dass dieses ein Relativpositioniersystem ist, ergibt sich noch ein weiterer Nachteil des Systems, das in dem '283-Patent beschrieben ist, d. h., dass der resultierende Codierer eine Größe aufweist, die relativ groß ist und damit für eine Vielzahl von Anwendungen nicht geeignet ist.
Eine weitere Art eines optischen Relativpositionscodierers ist in dem US-Patent 4,733,071, Tokunaga, beschrieben. Das in dem '071-Patent beschriebene System besitzt einen Codierungselementmaßstab und einen optischen Sensorkopf mit einem Lichtsender mit an einem Ende einer Glasfaser austretendem Licht und zwei Glasfaserendrezeptoren, die nahe entlang der Messachse des Codierungselements angeordnet sind. Der optische Sensorkopf wird gedreht (auseinandergefahren), um die Phasendifferenz zwischen den beiden Glasfaserendrezeptoren einzustellen. Jedoch ist die Genauigkeit des resultierenden Codierers relativ grob.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, einen Codierer bereitzustellen, der die vorhergehenden und weitere Nachteile vermeidet. Genauer gesagt, die vorliegende Erfindung richtet sich an einen optischen Absolutpositionscodierer, der eine geringe Größe aufweist, wobei eine sehr hohe Genauigkeit bereitgestellt wird und wobei eine weitere Reihe von anderen wünschenswerten Merkmalen verwirklicht sind.
Es ist ein Glasfasercodierungslesekopf mit mehreren Lesekopfbereichen zum Erfassen der absoluten Verschiebung eines Maßstabs mit mehreren Maßstabsgitterspuren offenbart.
Jeder Lesekopfbereich entspricht einer zugeordneten Maßstabsgitterspur des Maßstabs bzw. der Skala. Die Lesekopfbereiche enthalten eine Lichtquelle zum Aussenden von Licht zu den Maßstabsgitterspuren des Maßstabs, und Detektorkanäle innerhalb jedes der Lesekopfbereiche zum Empfangen von Licht von der zugeordneten entsprechenden Maßstabsgitterspur des Maßstabs. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Detektorkanäle des Codiererlesekopfs Glasfaserdetektorkanäle.
Zusätzlich zu der Tatsache, dass das früher offenbarte '283-Patent lediglich ein Relativanstelle eines Absolutpositionssystems beschreibt, weisen die elektronischen Lesekopfempfänger (Photodetektoren), wie sie in dem '283-Patent offenbart sind, Einschränkungen bei der Umwandlung der Hochfrequenzdetektorsignale, die mit einer Hochgeschwindigkeitsbewegung des Maßstabs verknüpft sind, und beim Senden dieser Signale über lange Kabel, ohne dass ein deutlicher Signalverlust oder eine Störung auftritt, auf. Des weiteren tragen elektronische Photodetektoren und damit verknüpfte Schaltungen dazu bei, dass Leseköpfe für viele mögliche Codiereranwendungen zu groß sind, insbesondere, wenn mehrere Lesekopfbereiche in einem einzelnen Lesekopf verwendet werden. Es soll betont werden, dass die Glasfaserdetektorkanäle der vorliegenden Erfindung diese Einschränkungen vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfasst der Absolutpositionsglasfasercodiererlesekopf die Positionen der mehreren Maßstabsgitterspuren eines Maßstabs unter Verwendung der entsprechenden zugeordneten Lesekopfbereiche, wovon jeder mehrere Glasfaserdetektorkanäle aufweist, die jeweils entsprechende Phasengittermasken besitzen. Zusätzlich zu der Tatsache, dass das zuvor erläuterte '071-Patent sich lediglich auf ein Relativ- anstatt auf ein Absolutpositionssystem bezieht, besitzen die Glasfaserendrezeptoren, wie sie in dem '071-Patent offenbart sind, eine ungenügende räumliche Auflösung für eine feine Phasensignalunterscheidung, wenn sie einen großen Durchmesser aufweisen, und andererseits zu wenig Licht, um ein gutes Signal bereitzustellen, wenn sie einen kleinen Durchmesser aufweisen. Somit ist ihre Genauigkeit begrenzt. Es sollte beachtet werden, dass die Glasphaserdetektorkanäle der vorliegenden Erfindung diese und weitere Einschränkungen überwinden, um damit eine hohe Genauigkeit zu erzielen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Gitterspurenbilder, die von den mehreren Glasphaserdetektorkanälen der Lesekopfbereiche erfasst werden, Selbstabbildungen, die auch unter anderen Namen, etwa Talbot-Abbildungen bekannt sind, die relativ robuste Toleriertoleranzen und eine hohe Auflösung liefern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Absolutpositionsglasfasercodiererlesekopf entsprechend einer Entwurfsregel so aufgebaut, dass dieser auf einer Eingangsaperturgröße der Glasfaserdetektorkanäle beruht, um damit relativ starke Signale und eine verbesserte Genauigkeit sicherzustellen.
Gemäß einem separaten Aspekt der Erfindung sind die Glasfaserdetektorkanäle der Lesekopfbereiche als symmetrisches Paare ausgebildet, um damit eine erhöhte Genauigkeit bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden drei symmetrische Paare aus Glasfaserdetektorkanälen innerhalb jedes der Lesekopfbereiche so signalverarbeitet, dass eine verbesserte Genauigkeit erreicht wird.
Gemäß mit einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Licht für jeden der Lesekopfbereiche mittels einer Glasfaser bereitgestellt, um einen gesamtoptischen Lesekopf vorzusehen, der keinerlei Einschränkungen und Kosten aufweist, die mit elektronischen Anordnungen und elektronischen Signalen in einem Codiererlesekopf verknüpft sind.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die diversen Glasfasern des Absolutpositionsglasfasercodierers aus diversen Arten so ausgewählt, dass die Codierermessgenauigkeit durch das Biegen der Glasfaserlesekopfkabel relativ unbeeinflusst bleibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind diverse Ausführungsformen des Absolutpositionsglasfasercodiererlesekopfs in besonders ökonomischer, präziser und kompakter Weise aufgebaut.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung ist der Absolutpositionsglasfasercodiererlesekopf so aufgebaut, dass dieser in eine standardmäßige kommerziell erhältliche Glasfaserverbindungskonfiguration eingefügt werden kann. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Glasfaserlesekopf so aufgebaut, dass eine zusätzliche Vielzahl von Glas faserempfängerkanälen bereitgestellt wird, die binäre optische Signale transportieren, die aus einer oder mehreren Binärcodierungsspuren abgeleitet sind. Die Glasfaserempfängerkanäle, die die binären optischen Signale tragen, sind in dem Lesekopf mit den mehreren Glasfaserdetektorkanälen kombiniert, die das hohe Auflösungsvermögen bei Verschiebungen auf der Grundlage von Gitterspurselbstabbildungen bestimmen, um damit einen erweiterten Absolutmessbereich mit hoher Auflösung bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Lichtablenkelement bereitgestellt, um den Lesekopflichtweg zwischen den Basislesekopfelementen der Lesekopfbereiche und den entsprechenden Maßstabsspuren des Maßstabs abzulenken, so dass die funktionelle Montageorientierung des Lesekopfs relativ zu dem Maßstab geändert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird in einer Ausführungsform eine Fernschnittstelle verwendet, die geeignete elektronische Lichtquellen und Photodetektoren aufweist, die über die Glasfasern mit einem oder mehreren Glasfaserlesekopfbereichen gemäß dieser Erfindung verbunden sind, und die empfangenen optischen Signale in eine Form umwandelt, die für die weitere Signalverarbeitung und die Lesekopfpositionsbestimmung geeignet ist.
Somit vermeidet die Erfindung die Nachteile bekannter optischer Verschiebungserfassungseinrichtungen und stellt neue Anwendungsmöglichkeiten für eine Absolutpositionsmessung mit sehr kompakter, präziser und ökonomischer Konfiguration mit hoher Geschwindigkeit bereit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorhergehenden Aspekte und viele der damit verknüpften Vorteile dieser Erfindung gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen studiert wird, wobei:
1 eine isometrische Ansicht einer ersten allgemeinen Ausführungsform einer Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung ist;
2 eine isometrische Ansicht einer zweiten allgemeinen Ausführungsform einer Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung ist;
3 eine Teilaufrissansicht der zweiten allgemeinen Ausführungsform der Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung aus 2 ist;
4 eine Blockansicht zeigt, die eine entfernte elektronische Schnittstelleneinheit aufweist, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung verwendbar ist;
5 eine Teilaufrissansicht einer dritten allgemeinen Ausführungsform einer Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung ist;
6 eine Teilaufrissansicht der Faser- und Maskenanordnung eines der Lesekopfbereiche der Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung aus 5 ist;
7 eine isometrische Ansicht einer vierten allgemeinen Ausführungsform einer Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung ist;
8 eine Ansicht ist, die repräsentative Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse darstellt, die sich für verschiedene Aperturdurchmesser ergeben, wenn die Empfängerapertur eines Glasfaserdetektorkanals unter diversen Radien von dem Mittelpunkt eines Beleuchtungsfeldes angeordnet ist, wobei die Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse für eine Absolutpositionsglasfaserlesekopfbereichsanordnung repräsentativ sind, die in etwa den 1, 2, 3, 5, 6 und 7 entsprechen;
9 eine schematische Endansicht einer fünften allgemeinen Ausführungsform einer Abslutpositionsglasfaserlesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung ist, die einen binären Codierungsspurbereich aufweist; und
10 einen optischen Deflektor zeigt, der in Verbindung mit den diversen Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnungen gemäß dieser Erfindung verwendbar sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine erste allgemeine Ausführungsform einer Absolutpostionsglasfaserlesekopfanordnung 20 gemäß dieser Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung 20 eine Gabel 40, die eine Justierrille 45 und einen Justierkragen 50 aufweist, und die drei Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' umfasst. Die Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' können entsprechend der Lehre der US-Patentanmeldung 10/298,312 ausgebildet sein, die den Titel besitzt „Miniaturgittercodierungslesekopf mit hoher Genauigkeit unter Verwendung von Glasfaserempfängerkanälen", die am 15. November 2002 eingereicht wurde. Wie im Weiteren detailliert beschrieben ist, entspricht jeder der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' einer Maßstabs- bzw. Skalenspur 80, 80' und 80'', die auf einem Maßstab bzw. einer Skala 90 enthalten sind, die wiederum auf einem Substrat 95 ausgebildet ist. In einer Ausführungsform können als Teil des Absolutpositionssystems die drei Maßstabsspuren 80, 80' und 80'' mit entsprechenden Gitterabständen oder Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ hergestellt sein und können verwendet werden, um Messwerte mit feiner, mittlerer und grober Auflösung zu bestimmen, wie dies detaillierter in der Lehre des US-Patents 5,886,519 im Hinblick auf Absolutpositionssysteme beschrieben ist.
Wie nachfolgend detaillierter erläutert ist, ist jeder der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' mit einem Glasfaserkanalsatz 290 gekoppelt, der drei Empfängerglasfasern 130 und eine Beleuchtungsfaser 170 aufweist. Somit umfasst der Glasfaserkanalsatz 290 für den Lesekopfbereich 60 Glasfasern 130a, 130b und 130c, und eine Beleuchtungsfaser 170. Obwohl jeder der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' ähnliche Komponenten aufweist, werden für den Rest dieser Anmeldung die Komponenten für die Lesekopfbereiche 60' und 60'' nicht detaillierter beschrieben, da klar ist, dass mit Ausnahme für die Änderungen im Hinblick auf die Phasenmaskenabmessungen, die hierin beschrieben sind, die Komponenten für den Lesekopfbereich 60 auch für den Lesekopfbereich 60', mit Ausnahme eines Apostrophs am Bezugszeichen und auch für den Lesekopfbereich 60'' mit Ausnahme eines doppelten Apostrophzeichens im Bezugszeichen wiederholt werden. Als kurzes Beispiel für die Bezeichnungsweise sollte klar sein, dass eine Beschreibung, etwa wie oben für den Glasfaserkanalsatz 290 für den Lesekopfbereich 60, der die Empfängerglasfasern 130a, 130b und 130c aufweist, damit auch die Glasfaserkanalsätze 290' und 290'' für die Lesekopfbereiche 60' und 60'' bezeichnet sind, die Empfängerglasfasern 130a', 130b' und 130c' und Empfängerglasfasern 130a'', 130b'' und 130c'' aufweisen.
Wie nachfolgend detaillierter erläutert ist, umfasst der Lesekopfbereich 60 ferner Phasenmasken 120a, 120b und 120c, die über den optischen Empfangskanalöffnungen angeordnet sind, die an den Enden der Empfängerglasfasern 130a, 130b und 130c vorgesehen sind. In diversen beispielhaften Ausführungsformen sind die Phasenmasken der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' in geeigneter Weise coplanar angeordnet, wobei dies eine nominale Empfangsebene 160 definiert und/oder mit dieser zusammenfällt. In der Mitte des Lesekopfbereichs 60 ist eine Lichtquelle 280 angeordnet und emittiert Quellenlicht 250, im Wesentlichen entlang einer Quellenlichtachse 251. Das Quellenlicht 250 ist im Allgemeinen monochromatisch oder quasimonochromatisch und besitzt eine nominale Wellenlänge λ. Die Wellenlänge λ kann eine beliebige Wellenlänge sein, die zum Erzeugen funktionsfähiger Selbstabbildungen gemäß den Prinzipien dieser Erfindung geeignet ist. Das Quellenlicht 250 besitzt im Wesentlichen eine Divergenz mit einem halben Öffnungswinkel 252 für die Divergenz. Das Quellenlicht 250 breitet sich über eine Strecke aus und beleuchtet die Gitterstruktur der Maßstabsspur 80 mit einem Beleuchtungsfleck 253 und wird dann als Maßstabslicht 254 im Wesentlichen entlang einer Maßstabslichtachse 255 reflektiert. In der in 1 gezeigten Ausführungsform sind die Quellenlichtachse 251 und die Maßstabslichtachse 255 parallel zu der Z-Achse und stimmen miteinander überein. Das Maßstabslicht 254 breitet sich über eine gewisse Distanz zu einer Selbstabbildungsebene 265 aus, die mit der nominalen Empfangsebene 160 übereinstimmt. In einer Selbstabbildungsebene 265 liefert das Maßstabslicht 254 ein Beleuchtungsfeld 256, das eine Selbstabbildung der Maßstabsspur 80 enthält. Die Selbstabbildung ist räumlich durch die entsprechenden Phasenmasken 120 gefiltert, um die grundlegenden entsprechenden Positionsmesssignale des Lesekopfbereichs 60 bereitzustellen. Es sollte beachtet werden, dass der Beleuchtungsfleck 253 und das Beleuchtungsfeld 256 wesentlich kleiner sein können als eine typische Gabel bzw. Anschlusselement 40, die als Gehäuse für die Lesekopfanordnung verwendet werden kann. Dieses Merkmal ermöglicht es, dass die mehreren Lesekopfbereiche in einer einzelnen Gabel verwendet werden können. Beispielsweise besitzt in einer Ausführungsform eine Gabel mit der Größe, wie sie in der Standardtelekommunikationsinstallation verwendet ist, einen Durchmesser von ungefähr 2,5 mm. Das Beleuchtungsfeld 256 kann wesentlich kleiner als diese Abmessung gemacht werden, so dass die Verwendung mehrerer Lesekopfbereiche innerhalb der Gabel 40 möglich ist.
In einer Ausführungsform besitzen die Gittermuster für jede der Maßstabsspuren 80, 80', 80'' räumliche Wellenlänge, die auch als Abstände oder Gitterabstände im Weiteren bezeichnet sind, die von der gleichen Größenordnung sind. Im Allgemeinen wird in einer Ausführungsform, in der derartige Maßstabsspuren verwendet werden, die Maßstabsspur mit der kleinsten Wellenlänge für die mittlere Maßstabsspur verwendet, die in dieser Ausführungsform die Maßstabsspur 80' ist. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass eine andere Anordnung auch mit gewissen Fehljustierungen in einer Ausführungsform funktioniert, in der die Wellenlängen in der gleichen Größenordnung liegen. Die Maßstabsspuren 80, 80' und 80'' sind präzise angeordnet, d. h. vorzugsweise auf einem einzelnen Substrat 95, um damit in präziser Weise die Maßstabsspuren der unterschiedlichen Wellenlängen relativ zueinander festzulegen.
Wie detaillierter nachfolgend erläutert ist, können in diversen beispielhaften Ausführungsformen die Phasenmasken 120 der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' in einer einzelnen Maske enthalten sein. Anders ausgedrückt, die einzelne Maske umfasst die geeigneten Phasenmaskenelemente für die Lesekopfbereiche 60, 60' und 60''. Dies fixiert die Positionen der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' relativ zueinander in bekannter präziser Weise, so dass die Ausgangssignale bei der Signalverarbeitung korrigiert und miteinander verglichen werden können, um damit eine Absolutmessung bzw. einen Absolutmesswert mit ähnlichen Kalibrationskonstanten für die diverse Absolutcodierungssysteme zu erhalten.
Die Rille 45 und der Kragen 50 der Gabel 40 sind vorgesehen, um die Backe und die Z-Komponenten der Lesekopfjustierung in geeigneter Weise relativ zu dem Maßstab 90 während der Montage der Gabel 40 in einer geeigneten Montagehalterung zu fixieren. Es sollte beachtet werden, dass alternative Ausführungsformen für die Gabel möglich sind. Beispielsweise ist in diversen beispielhaften Ausführungsformen der Bereich der Gabel, der den Rand des einzelnen Maskenelements umgibt, weggelassen oder durch eine schützende Ringröhre ersetzt, die später hinzugefügt wird, so dass die Empfängerglasfasern 130a, 130b und 130c und dergleichen bequem bündig zu dem Ende der Gabel 40 vor dem Einbauen des einzelnen Maskenelements in die Gabel 40 geschliffen werden kann. In diversen anderen Ausführungsformen kann die Gabel ein quadratisches oder rechteckförmiges äußeres Profil aufweisen, und die Seiten der Gabel können dann eine geeignete Oberfläche für das Fixieren der Backen-Komponente der Lesekopfjustierung relativ zu dem Maßstab 90 während der Montage bereitstellen, und die Z-Komponente der Lesekopfjustierung kann alternativ von einer Vorderseite des Lesekopfes anstatt von dem Kragen 50 aus eingestellt werden. Eine beispielhafte Montagefixierungsanordnung ist in der zuvor zitierten '312-Anmeldung beschrieben. Wie später mit Bezug zu 10 detaillierter erläutert ist, kann ein Deflektor an dem Vorderende der Gabel 40 fixiert werden. Es sollte beachtet werden, dass bei einer größeren Gabel mehr Lesekopfbereiche und entsprechende Maßstabsspuren ausgenommen werden können, um damit die Absolutentfernung zu vergrößern, die gemessen werden kann, oder um damit die Robustheit oder die Genauigkeit des Lesekopfes zu verbessern. Diverse mögliche Konfigurationen, die unterschiedliche Anzahlen an Lesekopfbereichen und zusätzlichen Maßstabsspuren darstellen, sind nachfolgend mit Bezug zu den 7 und 9 beschrieben.
Hinsichtlich der Problematik zum Herstellen eines schmalen Maßstabs sollte angemerkt werden, dass jede der Maßstabsspuren 80, 80' und 80'' so dimensioniert und positioniert sein sollte, um nicht von hauptsächlich oder vorzugsweise nur einem entsprechenden Beleuchtungsfleck 253, 253' oder 253'' zu empfangen. In diversen beispielhaften Ausführungsformen ist die Quellenphase 170 so konfiguriert oder so ausgewählt, um einen Divergenz- bzw. Öffnungshalbwinkel 252 bereitzustellen, der eine Größe für den Beleuchtungsfleck 253 liefert, die ungefähr im Bereich von 200 bis 350 μm für den Durchmesser eines Gaußschen Beleuchtungsstrahles bei der Intensität des halben Maximums liefert, wobei dieser Durchmesser auch als der Durchmesser beim halben Maximum bezeichnet wird, wenn der Abstand zwischen den Maßstabsspuren 80, 80' und 80'' ein funktionales Beleuchtungsfeld 265, d. h. den nominalen Betriebsspalt in der Größenordnung von 1,0 mm liefert. Im Allgemeinen ist die Maßstabsspur 80 mit einer Spurbreite von mindestens gleich dem Durchmesser bei der halben maximalen Intensität des Beleuchtungsflecks und mit einem Mitte-zu-Mitte-Abstand zu benachbarten Maßstabsspuren von ungefähr größer als die Spurbreite vorgesehen. Somit kann in diversen beispielhaften Ausführungsformen die Breite der Maßstabspuren des Maßstabs 90 relativ klein sein, etwa 0,3 mm für einen Betriebsspalt in der Größenordnung von 1,0 mm. In diversen beispielhaften Ausführungsformen kann die Breite der Maßstabsspuren des Maßstabs 90 sein, ungefähr 0,6 mm für Betriebsspalte in der Größenordnung von 2,0 mm sein.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Mitte-zu-Mitte-Abstand benachbarter Maßstabsspuren im Allgemeinen von einem Mitte-zu-Mitte-Versatz zwischen den diversen Le sekopfbereichen 60, 60' und 60'' entlang einer Richtung senkrecht zur Messachse abhängt. In diversen beispielhaften Ausführungsformen kann dieser Versatz näherungsweise gleich sein zu dem Radius beim halben Intensitätsmaximum der nominalen Empfangsebene 160, der ungefähr gleich ist dem Durchmesser beim halben Intensitätsmaximum des Beleuchtungsfleckes in diversen beispielhaften Ausführungsformen. Jedoch ist in anderen diversen beispielhaften Ausführungsformen der Versatz mindestens zwei bis vier mal gleich dem Radius beim halben Intensitätsmaximum an der nominalen Empfangsebene 160, wie dies nachfolgend dargestellt ist. In diversen beispielhaften Ausführungsformen können die Maßstabsspuren so breit sein wie der Mitte-zu-Mitte-Abstand, der durch den Lesekopf bestimmt ist, es zulässt, wodurch die Montage und die Justierung einer Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung gemäß der Erfindung erleichtert wird.
Hinsichtlich der Problematik zum Herstellen eines kompakten Lesekopfes sollte erwähnt werden, dass in diversen beispielhaften Ausführungsformen jeder der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' so dimensioniert und positioniert ist, um nicht von hauptsächlich oder vorzugsweise nur einem einzelnen entsprechenden Beleuchtungsfeld 256, 256' oder 256'' zu empfangen. In diversen beispielhaften Ausführungsformen, in denen der nominale Betriebsspalt in der Größenordnung von 1,0 mm und die Größe des Beleuchtungsflecks 253 ungefähr im Bereich von 200 bis 350 μm für den Durchmesser beim halben Maximum eines Gaußschen-Beleuchtungsstrahls ist, liegt die Größe für das Beleuchtungsfeld 256 ungefähr im Bereich von 400 bis 700 μm für den Durchmesser beim halben Maximum eines Gaußschen-Beleuchtungsfeldes. Für eine derartige Größe des Beleuchtungsfeldes 256 besitzen in einer beispielhaften Ausführungsform die Empfängerglasfaser 130a, 130b und 130c einen Durchmesser von ungefähr 250 μm und sind mit ihren Mittelpunkten ungefähr 250 μm von dem Mittelpunkt des Beleuchtungsfelds 256 beabstandet. Anders ausgedrückt, in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen sind die Empfängerglasfasern 130a, 130b und 130c entsprechend der Lehre der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung und/oder so, wie mit Bezug zu 8 nachfolgend erläutert ist, dimensioniert und positioniert. In jedem Falle sind die Phasenmasken 130a, 130b und 130c über den optischen Empfängerkanalöffnungen, die an den Enden der Empfängerglasfasern 130a, 130b und 130c vorgesehen sind, angeordnet.
Wie zuvor erläutert ist, beträgt in diversen beispielhaften Ausführungsformen der Mitte-zu-Mitte-Abstand benachbarter Paare der Beleuchtungsfelder 256, 256' und 256'' mindestens etwas mehr als der funktionale Beleuchtungsfelddurchmesser. Somit beträgt beispielsweise in diversen beispielhaften Ausführungsformen, in denen der Durchmesser beim halben Maximum eines Gaußschen-Beleuchtungsfeldes 400 bis 700 μm beträgt, der Mitte-zu-Mitte-Abstand der Beleuchtungsfelder 256, 256' und 256'' mindestens ungefähr 450 bis 750 μm. In derartigen Ausführungsformen kann der Durchmesser des Lesekopfs 20 bequem bis zu 2,5 mm oder kleiner gemacht werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in diesem Entwurfsbereich Sorgfalt angewendet werden muss, da mit zunehmendem Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen den Lesekopfbereichen der Anteil des möglichen Selbstabbildungslichtes, das zwischen dem Lesekopfbereich als „Interferenz bzw. Störung" auftritt, ansteigt. Wenn gewünscht wird, die kleinstmögliche Lesekopfgröße zu erreichen, wobei gleichzeitig im Wesentlichen derartige Übersprech-Störungen unterdrückt werden sollen, um eine maximale Lesekopfsignalgenauigkeit beizubehalten, können in diversen beispielhaften Ausführungsformen solche Störungen durch ein Zeit-Multiplex-Verfahren, wie es nachfolgend erläutert ist, unterdrückt werden.
In diversen anderen Ausführungsformen ist es für eine verbesserte Signaltrennung für die diversen Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' unter einer Vielzahl von Betriebsbedingungen vorteilhaft, den Mitte-zu-Mitte-Abstand ungefähr zwei bis vier mal so groß wie den nominalen Durchmesser beim halben Maximum der Gaußschen-Beleuchtungsverteilung in den Beleuchtungsfeldern 256, 256' und 256'' zu wählen. Beispielsweise kann für den 400 bis 700 μm Größenbereich, der zuvor für ein Gaußschen-Beleuchtungsfeld 256 benannt wurde, in diversen beispielhaften Ausführungsformen der Mitte-zu-Mitte-Abstand benachbarter Paare der Beleuchtungsfelder 256, 256' und 256'' in der Größenordnung von ungefähr 1,4 bis 2,8 mm für relativ größere Beleuchtungsfelder und von 0,8 bis 1,6 mm für relativ kleinere Beleuchtungsfelder sein. In diversen beispielhaften Ausführungsformen, in denen der nominale Betriebsspalt in der Größenordnung von 2,0 mm liegt, kann der Größenbereich für ein Gaußschen-Beleuchtungsfeld 256 ungefähr 800 bis 1400 μm und der Mitte-zu-Mitte-Abstand benachbarter Paare der Beleuchtungsfelder 256, 256' und 256'' in der Größenordnung von ungefähr 2,6 bis 5,6 mm für relativ große Beleuchtungsfelder und bei 1,6 bis 3,2 mm für kleinere Beleuchtungsfelder liegen. Daher kann in diversen beispielhaften Ausführungsformen in Abhängigkeit von einer Reihe von Entwurfsfaktoren, wie sie zuvor dargelegt sind, der Gesamtdurchmesser des Lesekopfs 20 bequem so klein wie ungefähr 7 mm, 5 mm, 3 mm oder sogar kleiner gewählt werden.
Hinsichtlich anderer Aspekte bei der Herstellung eines kompakteren Lesekopfes ist es selbstverständlich wichtig, die x- und y-Positionen der Lesekopfbereiche relativ zu den entsprechenden Maßstabsspuren zu justieren. Je besser diese justiert sind, um so kleiner ist die Toleranz in der Größe der Maßstabsspur. Die Gabel 40 kann kinematisch in einer Weise positioniert sein, dass in einer Ausführungsform diese bis zu 10 μm oder weniger reproduzierbar ist. Derartige optische Gabeln bzw. Verbindungsstecker werden üblicherweise in der Telekommunikation für eine Mitte-zu-Mitte-Justierung im Bereich von weniger als 1 μm verwendet.
Es sollte beachtet werden, dass die vorhergehende Erläuterung hinsichtlich des kompakten Lesekopfes und der Maßstabsgröße voraussetzt, dass die Lichtquelle(n) jedes Lesekopfbereichs kontinuierlich arbeitet. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auf Grund der Möglichkeit für eine Lichtmodulation mit äußerst hoher Geschwindigkeit der vollständig optischen Lichtquellen und Empfängerkanäle es auch möglich ist, eine noch kompaktere Lesekopfkonfiguration als die zuvor beschriebene zu entwerten, wobei die diversen Beleuchtungsfelder die Empfänger mehrerer Lesekopfbereiche überlappen, aber die Quellen und Empfänger jedes entsprechenden Lesekopfbereiches individuell und zeitlich sequenziell betrieben werden, so dass die Signalstörung zwischen benachbarten Lesekopfbereichen vermieden wird. Es sollte auch beachtet werden, dass alternativ in diversen beispielhaften Ausführungsformen einzelne Lesekopfbereiche deutlich unterschiedliche Wellenlängen mit einem passenden schmalbandigen optischen Bandpassfilter verwenden können, der so positioniert ist, um andere Wellenlängen von übersprechenden Störlicht von den entsprechenden faseroptischen Empfangskanälen zu blockieren. In noch anderen beispielhaften Ausführungsformen können derartige angepasste schmalbandige optische Bandpassfilter außerhalb des Lesekopfes in einer geeigneten entfernt angebrachten Elektronik für die Signalverarbeitung des faseroptischen Lesekopfes angeordnet sein, wie dies etwa in 4 gezeigt ist, um die optischen Ausgangssignale aus den entsprechenden einzelnen Lesekopfbereichen zu filtern. In noch anderen beispielhaften Ausführungsformen sollte beachtet werden, dass entsprechende Photodetektoren mit geeignet ausgewähltem angepassten optischen Wellenlängenantwortverhalten in geeigneten entfernt angeordneten Elektroniken zur Signalbearbeitung des faseroptischen Lesekopfes wirksam erweitert und/oder durch entsprechende angepasste schmalbandige optische Bandpasswellenlängenfilter in diversen beispielhaften Ausführungsformen ersetzt werden können. In jedem Falle wirken die entsprechenden schmalbandigen optischen Bandpasswellenlängenfilter und/oder die entspre chenden Photodetektoren mit den geeignet ausgewählten passenden optischen Wellenlängenantwortverhalten so, dass diese im Wesentlichen Licht abblocken, das eine Wellenlänge unterschiedlich zu ihren entsprechenden angepassten Wellenlängen aufweist, so dass dieses nicht zu den entsprechenden elektronischen Signalen beitragen kann, die sich aus ihren entsprechenden zugeordneten Lesekopfbereichen ergeben. Es sollte auch beachtet werden, dass selbst wenn unterschiedliche Lichtwellenlängen in den unterschiedlichen Lesekopfbereichen verwendet werden, diese gleichen Techniken angewendet werden können, um die signalbeeinträchtigenden Auswirkungen von Umgebungslicht in einem Lesekopf gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu blockieren oder zu reduzieren.
In derartigen Zeit-Multiplex-Ausführungsformen und/oder optisch gefilterten Ausführungsformen sollte beachtet werden, dass die gesamte Lesekopfgestaltung so kompakt gemacht wird, wie dies durch die physikalischen Größen der diversen Lesekopfkomponenten möglich ist. Daher kann mit geeignet ausgewählten Fasergrößen in diversen beispielhaften Ausführungsformen der Gesamtlesekopfdurchmesser bequem so klein wie 2,5 mm, 1,8 mm, 1,25 mm oder sogar kleiner gemacht werden.
2 zeigt eine zweite allgemeine Ausführungsform einer Absolutpositionsglasfaserlesekopfanordnung 20a gemäß dieser Erfindung. Die Lesekopfanordnung aus 2 ist ähnlich zu jener aus 1 mit der Ausnahme, dass die Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' in einer kompakteren Konfiguration in der Ausführungsform aus 2 angeordnet sind. Genauer gesagt, in der Ausführungsform aus 2 sind die Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' in einer dreieckigen Formation angeordnet, im Gegensatz zu der linearen Anordnung der Ausführungsform aus 1. Die Ausführungsform aus 2 zeigt somit eine Lesekopfkonfiguration, die sogar noch in einer kleineren Gabel 40a angeordnet werden kann, wodurch ein noch kompakterer Lesekopf bereitgestellt wird. Ansonsten sind ähnlich bezeichnete Elemente der Lesekopfanordnungen 20 und 20a in ihrem Aufbau und ihrer Funktion ähnlich zueinander.
3 ist eine Teilaufrissansicht der Lesekopfanordnung aus 2. Wein 3 gezeigt ist, entspricht in der Lesekopfanordnung 20a der Lesekopfbereich 60 den drei faseroptischen Empfängerkanälen 190a, 190b und 190c. Der faseroptische Empfängerkanal 190a umfasst eine Empfängerkanalöffnung 110a, eine Phasenmaske 120a und eine Empfängerglasfaser 130a. Die Empfängerkanalöffnung 110a ist hinter der Phasenmaske 120a angeordnet. In ähnlicher Weise umfasst der faseroptische Empfängerkanal 190b eine Empfängerkanalöffnung 110b, eine Phasenmaske 120b und eine Empfängerglasfaser 130b. In ähnlicher Weise umfasst der faseroptische Empfängerkanal 190c eine Empfängerkanalöffnung 110c, eine Phasenmaske 120c und eine Empfängerglasfaser 130c.
Für jeden faseroptischen Empfängerkanal 190 enthält die Phasenmaske 120 ein Gitter, das die Empfängerkanalöffnung 110 vollständig abdeckt, und damit als ein räumlicher Filter für die eintreffende Belichtung dient. Die Empfängerglasfaser 130 ist zu der Empfängerkanalöffnung 110 so ausgerichtet, dass nominal das gesamte Licht, das von der Empfängerkanalöffnung 110 aufgenommen wird, in die Glasfaser 130 gebündelt wird, um ein optisches Signal 191 bereitzustellen. In diversen beispielhaften Ausführungsformen ist die Empfängerkanalöffnung 110 einfach ein flaches Ende der Empfängerglasfaser 130. In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Empfängerkanalöffnung 110 als ein geformtes Ende der Empfängerglasfaser 130 vorgesehen. In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die Empfängerkanalöffnung 110 eine kompakte brechende oder beugende Linse, die das durch die Phasenmaske 120 eintreffende Licht sammelt, dieses Licht konzentriert und es zu dem Ende der Empfängerglasfaser 130 lenkt, die justiert ist, um das Licht effizient aufzunehmen. Aus Gründen, die in der mit eingeschlossenen '312 Anmeldung beschrieben sind, überspannt in diversen beispielhaften Ausführungsformen jede Empfängerkanalöffnung 110 mindestens eine volle Periode oder einen Abstand der zugeordneten Phasenmaske 120, wodurch die Phase des optischen Signals, das in die Empfängerkanalöffnung eindringt, zumindest nur wenig sensitiv für die Positionierung des Lichtsammelbereiches der Empfängerkanalöffnung 110 in Bezug auf die lichtblockierenden Elemente der Phasenmaske 120 ist. In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen überspannt jede Empfängerkanalöffnung 110 zumindest drei volle Perioden der zugeordneten Phasenmaske 120, wodurch die Phase des optischen Signals, das in die Empfängerkanalöffnung 110 eindringt, noch weniger sensitiv auf die Positionierung des Lichtsammelbereichs der Lichtempfängeröffnung 110 gemacht wird. Allgemeiner ausgedrückt, je mehr Perioden der Phasenmaske 120 von der Empfängerkanalöffnung 110 überspannt werden, um so weniger empfindlich ist die Phase des optischen Signals, das in die Empfängerkanalöffnung 110 eindringt, in Bezug auf die Positionierung. Die Empfängerkanalöffnung 110, die Phasenmaske 120 und das Ende der Empfängerglasfaser 130 jedes faseroptischen Empfängerkanals 190 sind in einer fixierten Weise zueinander mittels Klebstoff oder anderen geeigneten Verfahren befestigt.
Die Position der Empfängerkanalöffnungen 110 ist geeignet mit Bezug zu einem Kanalanordnungsmittel 157 der faseroptischen Empfängerkanalanordnung beschreibbar. In diversen Glasfaserlesekopfausführungsformen mit hoher Präzision gemäß dieser Erfindung ist der Kanalanordnungsmittelpunkt 157 so positioniert, dass dieser mit dem nominalen Mittelpunkt eines Beleuchtungsfeldes übereinstimmt, das durch die faseroptische Empfängerkanalanordnung gebildet wird. Der effektive Mittelpunkt jeder entsprechenden Empfängerkanalöffnung 110a–110c ist am Ort eines entsprechenden Radius in Bezug auf den Kanalanordnungsmittelpunkt 157 positioniert. Der Empfängeröffnungsradius ist hiermit allgemein als R_AL bezeichnet. Für die Zwecke dieser Erfindung kann in diversen Ausführungsformen, in denen eine Empfängerkanalöffnung 110 keinen offensichtlichen geometrischen Mittelpunkt aufweist, der effektive Mittelpunkt als Zentrum der Öffnungsfläche genommen werden.
Geeignete Empfängeröffnungspositionsradien und Öffnungsflächen können gemäß den Prinzipien dieser Erfindung so bestimmt werden, wie dies detailliert mit Bezugnahme zu den 5, 6 und 8 im Folgenden erläutert ist. In diversen beispielhaften Ausführungsformen sind für jeden Lesekopfbereich 60 die Empfängerkanalöffnungen 110 identisch und ihre entsprechenden Ortsradien sind ebenso identisch. Im Allgemeinen erlaubt die Verwendung identischer faseroptischer Empfängerkanäle 190 in einem faseroptischen Lesekopf gemäß dieser Erfindung einen einfacheren Aufbau, eine einfachere Signalverarbeitung und eine relativ höhere Messgenauigkeit. Jedoch müssen allgemeiner betrachtet, die Empfängerkanalöffnungen 110 und/oder ihre entsprechenden Ortsradien nicht notwendigerweise gemäß diverser beispielhafter Ausführungsformen dieser Erfindung identisch sein.
Die faseroptischen Empfängerkanäle 190 sind im Allgemeinen in einer fixierten Weise zueinander angeordnet. Insbesondere sind für jeden Lesekopfbereich 60 die Gitter der Phasenmasken 120 jedes faseroptischen Empfängerkanals 190 nominal coplanar zueinander und sind in einer speziellen räumlichen Phasenbeziehung in der Empfangsebene 160 zueinander positioniert (siehe 1). In diversen beispielhaften Ausführungsformen sind die Phasenmasken 120 in einer speziellen räumlichen Phasenbeziehung fixiert, indem diese auf einem einzelnen Maskensubstrat hergestellt sind.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl die 1 bis 3 jeweils die Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' so zeigen, dass die in einer einzelnen Gabel 40 unter Verwendung eines ein zelnen Maskensubstrats montiert sind, in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung jeder der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' als separates Element hergestellt sein kann, wie dies etwa in der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung beschrieben ist. Z. B. kann jeder der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' in einer Untereinheit der Gabel unter Anwendung eines separaten Maskensubstrats gefertigt werden, und nachfolgend können diese in einer Gesamtgabel oder einer Steckerverbindung, ähnlich zu der Gabel 40, gemäß den Prinzipien dieser Erfindung zusammengefügt werden. In derartigen Ausführungsformen sollte beachtet werden, dass für jeden der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' die Empfangsebene 160 so angeordnet ist, dass diese nominal mit der Selbstabbildungsebene 265 übereinstimmt, wie dies zuvor mit Bezug zu 1 beschrieben ist. Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, dass diese Ebenen so gestaltet und zusammengefügt sind, dass sie für alle einzelnen Lesekopfbereiche die gleiche Ebene darstellen, vorausgesetzt, dass jede Ebene individuell so gestaltet und aufgebaut ist, dass diese mit einem eventuellen nominalen Betriebsspalt kompatibel ist, wie dies nachfolgend dargestellt ist, und dass der Betriebsspalt ausreichend gut während des eigentlichen Montagevorgangs und während des Betriebs steuerbar ist.
In jedem Falle ist, wie zuvor dargelegt ist, jeder der Lesekopfbereiche 60 angeordnet, eine Selbstabbildung der Gitterstruktur der entsprechenden Maßstabsspur 80 bereitzustellen. Das grundlegende Prinzip von Selbstabbildungen, die auch als Talbot-Bilder bzw. Abbildungen bekannt sind, ist gut bekannt und wird hierin nicht detailliert beschrieben. Eine klassische Analyse ist in dem Dokument von Cowley, J. M., und Moodie, Af. F., 1957, Proc. Phys. Soc. B., 70, 486, beschrieben, das hierhin durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist. Wie in 3 gezeigt ist, umfasst die Selbstabbildungsanordnung eine Lichtquelle 280 und die Maßstabsspur 80, die durch einen Quellenspalt getrennt sind. Die Abmessung des Quellenspalts ist im Wesentlichen als z_s oder, wenn der Quellenspalt und ein Bildspalt gleich sind, hierin als z bezeichnet. Die Maßstabsspur 80 ist entlang einer Messachse 82 ausgerichtet und umfasst Gitterelemente oder Stäbe, die sich senkrecht zu der Messachse 82 erstrecken, wie dies durch vertikale Linien in einem Beleuchtungsfleck 253 gezeigt ist. Die Gitterelemente oder Stäbe sind periodisch entlang der Messachse 82 entsprechend einer Gitterperiode, die hierin im Allgemeinen als die Wellenlänge, Gitterperiode, Abstand oder Gitterabstand P_g bezeichnet ist, angeordnet. Selbstverständlich besitzen die Maßstabsspuren 80' und 80'' ebenfalls entsprechende Gitterperioden P_g' und P_g'' (nicht gezeigt).
Die in 3 gezeigten X-, Y- und Z-Achsen können in Bezug auf die Ebene der Maßstabsspur 80 definiert werden. Die X-Achse ist parallel zu der Ebene der Maßstabsspur 80 und der Messachse 82. Die X-Y-Ebene ist parallel zu der Maßstabsspur 80 und die Z-Achse ist senkrecht zu dieser Ebene.
Das Beleuchtungsfeld 256 besitzt einen Beleuchtungsfeldmittelpunkt 257 und einen nominalen Beleuchtungsfeldradius 258. Die Selbstabbildung ist ein Bild, das aus hellen und dunklen Streifen besteht, die sich senkrecht zu der Messachse 82 erstrecken. Die hellen und dunklen Streifen sind periodisch in der Richtung parallel zu der Messachse 82 gemäß einer Selbstabbildungsperiode, die im Allgemeinen hierin als Selbstabbildungsperiode oder Selbstabbildungsabstand P_si bezeichnet ist.
In der Selbstabbildungsanordnung ist die Selbstabbildungsebene parallel zu der Ebene der Maßstabsspur 80. Es sollte beachtet werden, dass Selbstabbildungen im Raum in einer speziellen Menge von Selbstabbildungsebenen angeordnet sind. Wenn die Lichtquelle 280 tatsächlich eine Punktlichtquelle ist, und die Anordnung ungefähr so ist, wie dies in 3 gezeigt ist, dann sind die Selbstabbildungsbedingungen für die nutzbaren Selbstabbildungsebenen, wobei sowohl „in Phase" Abbildungen und „invertierte" Abbildungen enthalten sind:
und für die Vergrößerung des Abbildungsabstands P_si relativ zu dem Gitterabstand P_g ergibt sich:
wobei:

ν: = 0, 1, 2, ...
z_s: der Quellenspalt;
z: der Abbildungsspalt; und
λ: die Wellenlänge des Quellenlichts ist.

Somit sind für die in 3 gezeigte Konfiguration mit z = z_s nutzbare Selbstabbildungsebenen an ganzzahligen Vielfachen von 2P_g ²/λ angeordnet, und der Abbildungsabstand P_si ist gleich dem Zweifachen des Gitterabstands P_g.
Es sollte beachtet werden, dass es auch andere Abbildungen gibt, die im Allgemeinen als Fresnel-Abbildungen bekannt sind, die an Ebenen zwischen den Selbstabbildungsebenen angeordnet sind. Solange der Abstand der Phasenmasken 120 so eingestellt ist, dass dieser gleich dem Abstand einer ausgewählten Fresnel-Abbildung ist, können Fresnel-Abbildungen als Selbstabbildungen gemäß den Prinzipien dieser Erfindung verwendet werden und sollen in dem Begriff „Selbstabbildung", wie er hierin verwendet ist, mit eingeschlossen sein. Die Eigenschaften von Fresnel-Abbildungen können verstanden und angewendet werden, wenn Bezug genommen wird auf den Artikel von Krzysztof Patorski „Das Selbstabbildungsphänomen und seine Anwendungen", Progress in Optics, ed., E. Wolf, 27, 2-108, Nord-Holland, Amsterdam, 1989.
In diversen anderen Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ist die Maßstabsspur 80 ein reflektierender Phasengittermaßstab, der speziell so aufgebaut ist, dass die Reflektion 0-ter Ordnung an dem Maßstab unterdrückt wird. Obwohl Selbstabbildungen eines Phasengitters für einen Codierer nicht nutzbar sind, sind andere nutzbare Abbildungen verfügbar, die ein stärkeres Signal ergeben, als es mit einem Amplitudengitter verfügbar ist, etwa wie es in der obigen Analyse verwendet ist. Es sollte beachtet werden, dass sich für derartige Ausführungsformen die Lage der nutzbaren Abbildungen von der Position der Selbstabbildungen in der obigen Analyse unterscheidet. Der Abstand zwischen den besten nutzbaren Abbildungsebenen bleibt der gleiche, wie dies zuvor erläutert ist mit der Ausnahme, dass es einen gewissen zusätzlichen Versatz in dem Spalt zwischen dem Maßstab und der ersten nutzbaren Abbildungsebene gibt, der gleich der Hälfte des Abstands zwischen den nutzbaren Abbildungsebenen ist. Beispielsweise besitzt ein Phasengitter mit 20 μm Periode mit einer Wellenlänge von 780 nm in einer reflektierenden Konfiguration mit z = z_s nutzbare Abbildungsebenen (mit jeweils aufeinanderfolgend umgekehrten Phasen) bei nominalen Spalten mit z = 0.513 + ν*1.026 m, ν = 1, 2, 3, ..., wobei mögliche Abweichungen in der Dicke des Maskensubstrats und des Maßstabssubstrats vernachlässigt sind. Der Versatz, der für das Einstellen des Spaltes für die bestmögliche Funktionsweise erforderlich ist, kann einfach experimentell durch Beobachten der faseroptischen Empfängersignale bei diversen variierenden Betriebsspalten bestimmt werden. Alternativ kann eine geeignete Analyse oder Simulation angewendet werden, um den zusätzlichen Versatz zu bestimmen.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ist eine besonders einfache und effektive Ausführungsform der Lichtquelle 280 das Ende einer einzelnen Glasfaser, die kohärentes Licht überträgt, das von einer entfernten Laserdiode oder einer anderen geeigneten Lichtquelle abgegeben wird, wie dies beispielhaft durch die Beleuchtungsfaser 170 gezeigt ist. In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen umfasst die Lichtquelle 280 zwei oder mehrere derartige Quellen, die unter einem präzisen Abstand angeordnet sind. In noch anderen diversen beispielhaften Ausführungsformen ist die Lichtquelle 280 als ein periodisches Array aus Quellengitteröffnungen ausgebildet, die an dem Ende einer oder mehrerer Glasfasern angeordnet sind, die Licht von einer entfernten LD oder LED oder einer anderen geeigneten Lichtquelle übertragen. Die Quellengitteröffnungen besitzen eine vorgeschriebene Breite und eine vorgeschriebene Periode. In noch anderen beispielhaften Ausführungsformen wird die Lichtquelle 280 durch ein Miniaturfestkörperlaserelement, durch ein Array derartiger Elemente oder durch ein Quellengitter und ein Miniatur LED-Element, das in dem faseroptischen Lesekopf enthalten ist, repräsentiert. In derartigen Fällen sollte beachtet werden, dass der Lesekopfaufbau komplexer und teuerer werden kann, und dass einige der Vorteile des gesamtoptischen Lesekopfes verloren gehen. Jedoch können selbst in diesen Fällen zumindest einige der Vorteile eines Lesekopfes mit einer gesamtoptischen Empfängerkanalanordnung gemäß dieser Erfindung erreicht werden und es können auch andere Vorteile auftreten.
Wie in 3 gezeigt ist, sendet die Lichtquelle 280 das Quellenlicht 250 im Wesentlichen entlang einer Quellenlichtachse 251 aus. Das Quellenlicht 250 läuft über eine Strecke z, die gleich einem Quellenspalt bzw. Quellenabstand ist, und beleuchtet die Maßstabsspur 80 mit einem Beleuchtungsfleck 253. Der Beleuchtungsfleck 253 reflektiert Licht als Maßstabslicht 254 im Wesentlichen entlang der Maßstabslichtachse 255. In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind die Quellenlichtachse 251 und die Maßstabslichtachse 255 parallel zu der z-Achse und fallen zusammen. Das Maßstabslicht 254 läuft über eine Strecke z, die gleich dem Abbildungsspalt bzw. Abstand ist, zu einer Selbstabbildungsebene 265 (siehe 1). In der Selbstabbildungsebene 265 liefert das Maßstabslicht 254 ein Beleuchtungsfeld 256 mit der Selbstabbildung 266, die aus hellen und dunklen Streifen mit dem Selbstabbildungsabstand P_si besteht, wie dies zuvor beschrieben ist.
Die Empfangsebene 160, die zuvor mit Bezug zu 1 beschrieben ist, ist so angeordnet, dass diese im Wesentlichen mit der Selbstabbildungsebene 265 übereinstimmt. Es sollte beachtet werden, dass die Selbstabbildung eigentlich in „weniger focussierten" Ebenen benachbart zu den zuvor beschriebenen „perfekten" Selbstabbildungsebenen existiert. In einigen beispielhaften Ausführungsformen ist der Empfänger absichtlich so angeordnet, dass er im Wesentlichen mit derartigen "weniger focussierten" Selbstabbildungsebenen übereinstimmt, und eine geeignete oder gewünschte Abbildung wird dennoch gemäß den Prinzipien dieser Erfindung erfasst. Beispielsweise können derartige „weniger focussierte" Selbstabbildungsebenen absichtlich ausgewählt werden, um unerwünschte Anteile räumlicher Harmonischer höherer Ordnung in der Selbstabbildung 266 zu unterdrücken. Der Kanalanordnungsmittelpunkt 157 ist ebenso nominal zu dem Beleuchtungsfeldmittelpunkt 257 justiert. Es sollte beachtet werden, dass in dieser Ausführungsform der faseroptischen Lesekopfanordnung die Quelle 280 ebenso im Wesentlichen zu dem Beleuchtungsfeldmittelpunkt 257 justiert ist. Die Justierung aller Komponenten wird in diversen beispielhaften Ausführungsformen einfach dadurch erreicht, dass ein Justierlochsatz 304 in Justierbereichen 305 verwendet wird, die im Wesentlichen in der Nähe von und ausgerichtet zu den Phasenmasken 120a–120c angeordnet sind und die erforderliche Anzahl an Empfängerfaserlöchern und Quellenfaserlöchern, falls dies erforderlich ist, aufweisen. Der Justierlochsatz 304 kann in einer Platte vorgesehen sein, die in die Gabel 40a eingefügt wird, oder alternativ können Löcher direkt in der Gabel 40a vorgesehen sein. In jedem Falle können die diversen Faserenden in die geeigneten Löcher eingeführt und fixiert werden, um damit die erforderliche Justierung vorzunehmen. In diversen beispielhaften Ausführungsformen sind die Empfängerglasfasern 130a, 130b und 130c mit den Enden des Elements, das den Justierlochsatz 304 enthält, vor dem Zusammenfügen des Elements, das die Phasenmasken 120 enthält, bündig poliert. In derartigen Ausführungsformen kann, wenn der Justierlochsatz 304 direkt in der Gabel 40a vorgesehen ist, der Bereich der Gabel, der das die Phasenmasken 120 tragende Element umgibt, weggelassen werden oder durch eine schützende Ringröhre ersetzt werden, die später hinzugefügt wird. 3 zeigt den Justierlochsatz 304 mit den Justierbereichen 305. Der Justierlochsatz 304 ist in der Nähe der Phasenmasken 120 angeordnet, wobei dies in der „Aufriss-" Position nicht gezeigt ist. Die Justierberei che 305 besitzen Empfängerfaserlöcher 306 und ein Quellenfaserloch 307, wenn dies in den diversen Ausführungsformen erforderlich ist.
In der im Wesentlichen justierten Empfangsebene 160 und der Selbstabbildungsebene 265 filtert für jeden entsprechenden faseroptischen Empfängerkanal 190 die entsprechende Phasenmaske 120 räumlich das eintreffende Selbstabbildungslicht bzw. Beleuchtung. In der in 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform besitzen die entsprechenden Phasenmasken 120a, 120b und 120c jeweils einen Maskenabstand P_ni der gleich dem Selbstabbildungsabstand P_si ist, und diese sind an entsprechenden räumlichen Phasenpositionen von 0 Grad, 120 Grad und 240 Grad hinsichtlich der Selbstabbildung 266 angeordnet. Somit empfangen die faseroptischen Empfängerkanäle 190a, 190b und 190c eine Beleuchtung ähnlich zu der räumlich gefilterten Beleuchtung, mit Ausnahme einer räumlichen Phasendifferenz. Es sollte beachtet werden, dass, wenn sich die Maßstabspur 80 um eine inkrementale Strecke P_g entlang der Messachse bewegt, die Selbstabbildung sich um eine inkrementale Strecke P_si relativ zu den Phasenmasken 120 bewegt. Somit zeigen die optischen Signale 191a, 191b und 191c, die den optischen Empfängerkanälen 190a, 190b und 190c entsprechen, näherungsweise identische sinusförmige Intensitätsänderungen, wenn sich die Maßstabsspur 80 entlang der Messachse bewegt, wobei jedoch relative Phasenverschiebungen von 120 Grad vorhanden sind. Es sind bekannte Verfahren verfügbar, um die Verschiebung der Maßstabsspur 80 relativ zu den Phasenmasken 120a, 120b und 120c auf der Grundlage derartiger „dreiphasiger" Verschiebungssignale zu bestimmen. Ein beispielhaftes Verfahren ist in der zuvor mit eingeschlossen '312-Anmeldung beschrieben. Insbesondere können in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die optischen Signale 191a, 191b und 191c des Lesekopfbereichs 60 durch das beispielhafte Verfahren bearbeitet werden, wie es in der '312-Anmeldung beschrieben ist, um zwei abgeleitete Quadratursignalwerte Q₁ und Q₂ zu erhalten. Allgemeiner ausgedrückt, jedes der drei optischen Signale von jedem der Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' kann in ähnlicher Weise bearbeitet werden, um entsprechende abgeleitete Quadratursignalwerte Q_1i und Q_2i zu erhalten, wobei i ein Index ist, der der speziellen Maßstabspur entspricht, die zu analysieren ist. In der folgenden Erläuterung sei beispielsweise i = 1 für die Maßstabsspur 80 und i = 3 für die Maßstabsspur 80''. In jedem Falle können die beiden abgeleiteten Quadratursignalwerte Q_1i und Q_2i bearbeitet werden, um eine aktuelle Phasenposition ϕ_i innerhalb einer Wellenlänge oder Periode der entsprechenden Maßstabsspur 80, 80' oder 80'' zu bestimmen, wobei eine Arcustangensfunktion mit zwei Argumenten verwendet wird, die Werte modulo 2π ergibt. ϕi = atan2(Q1i,Q2i) (Gleichung 3)
Die "atan2" Funktion mit zwei Argumenten, die in 3 gezeigt ist, ist aus einer Reihe öffentlich verfügbarer mathematischer Programme entnehmbar und ist dort auch beschrieben. Das Ergebnis der Funktion ist der Arcustangenswert von Q₁/Q₂ in Radian. Jedoch ermöglicht die Anwendung zweier Argumente das Bestimmen des Quadranten des resultierenden Winkels, so dass das Ergebnis zwischen –π und +π anstatt zwischen –π/2 und +π/2 liegt.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist eine funktionsfähige Kombination von Wellenlängen, die gemäß den Prinzipien dieser Erfindung anwendbar ist, wie folgt:
die Maßstabsspur 80' besitzt eine Wellenlänge λ₁ = 8,000 μm, die Maßstabsspur 80 besitzt eine Wellenlänge λ₂ = 8,020 μm und die Maßstabsspur 80'' besitzt eine Wellenlänge λ₃ = 8,40 μm. Mit einer reflektierenden Maßstabskonfiguration liefern alle diese Wellenlängen eine funktionelle Selbstabbildung mit einem nominalen Betriebsspalt zwischen ungefähr 2,00 und 2,03 mm für eine Beleuchtungswellenlänge von 635 nm. Die Maßstabsspur 80' und der Lesekopfbereich 60' können verwendet werden, um einen Feinlängenmesswert innerhalb einer Wellenlänge oder Periode durch Multiplizieren der Wellenlänge λ₁ mit der aktuellen Phasenposition ϕ₁ bereitzustellen. Hinsichtlich der Messwerte mit gröberer Auflösung, wie sie nachfolgend beschrieben ist, können entweder die aktuelle Phasenposition ϕ₁ und/oder der Feinwellenlängenmesswert als Messwert mit relativ feinerer Positionsauflösung beschrieben werden oder als ein Positionsmesswert mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung. Ähnlich kann in Bezug auf Messwerte mit gröberer Auflösung, die nachfolgend beschrieben sind, für die Maßstabsspur 80 und die Wellenlänge λ₂ oder die Maßstabspur 80'' und die Wellenlänge λ₃ eine ähnliche aktuelle Phasenposition ϕ_n und/oder der entsprechende Feinwellenlängenmesswert ebenso als ein Positionsmesswert mit relativ feinerer Auflösung oder als ein Positionsmesswert mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung beschrieben werden.
Die Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ sind ähnlich zueinander. Somit durchläuft die räumliche Phasendifferenz zwischen Paaren dieser Wellenlängen einen vollen 360 Grad Zyklus über eine räumliche Länge, die wesentlich größer als jede der einzelnen Wellenlängen λ₁, λ₂ oder λ₃ ist. Somit kann Positionsinformation, die von zwei Lesekopfbereichen mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgegeben wird, etwa von zwei der Lesekopfbereiche, 60, 60' und 60'', für Messungen mit langer Reichweite kombiniert werden.
Die kombinierte Positionsinformation liefert eine Absolutpositionsinformation auf der Grundlage einer räumlichen „Phasenbeziehung"-Berechnung über eine „mittlere Wellenlänge" oder „eine grobe Wellenlänge". Diese „mittlere" oder „grobe" Wellenlänge entspricht 360 Grad einer relativen räumlichen Phasenverschiebung und wird aus den räumlichen Wellenlängen zweier der Maßstabsspuren gewonnen. Diese „mittlere" oder „grobe" Wellenlänge ist wesentlich größer als der Bereich der Absolutmessung, der durch einen der Lesekopfbereiche alleine gewonnen werden könnte. Da die „mittlere" Wellenlänge und die „grobe Wellenlänge" auf einer räumlichen Phasenbeziehungsberechnung beruhen, können derartige Wellenlängen als „Beziehungs- bzw. Bezugs-" Wellenlängen bezeichnen werden.
Da die räumlichen Wellenlängen zweier Wandler zunehmend ähnlich werden, durchläuft die Phasendifferenz aus Signalen, die von den beiden Wandlern gewonnen werden, eine volle 360 Grad Periode über eine zunehmend größere Phasenbeziehungs-Welllänge. Dies entspricht einem größeren Absolutmessbereich.
Die zulässige praktikable Beziehung zwischen den Wellenlängen der Lesekopfbereiche und den Maßstabsspuren und somit der Gesamtabsolutmessbereiche der Vorrichtung hängt von der Messgenauigkeit für jeden der drei Wellenlängen/Lesekopfbereiche ab. Eine hohe Messgenauigkeit für einen einzelnen Lesekopfbereich zeigt an, dass Positionen präzise mit einer Auflösung bestimmt werden können, die ein kleiner Teil der Maßstabspurwellenlänge ist.
Ein „Interpolationsverhältnis" beschreibt den Grad, bis zu welchem eine Subwellenlängenauflösung oder Genauigkeit erreicht werden kann. D. h. dies ist das Verhältnis der Wellenlänge zu den ausgewählten Inkrement der Positionsauflösung. Dieser Begriff kann auf die Wellenlänge einer einzelnen Maßstabsspur und auf einen entsprechenden Lesekopfbereich angewendet werden, oder auf die effektiven „mittleren" und „groben" Wellenlängen, wie sie zuvor und nachfolgend beschrieben sind.
In der in 3 gezeigten Lesekopfanordnung 20a kann eine konservative „Fehlertoleranz" für die relativen Phasenberechnungen für viele Anwendungen vorteilhaft sein. D. h., unter den ungünstigsten Voraussetzungen muss die „mittlere" oder „grobe" relative Phasenberechnung die Position der sich relativ bewegenden Wandlerelemente entsprechend einer speziellen individuellen Wellenlänge des „nächst feineren" Messmodus des Absolutmesssystems erkennen. Ansonsten wird ein Fehler, der mindestens einer Wellenlänge des „nächst feineren" Messmodus entspricht, in der Gesamtabsolutpositionsberechnung erzeugt. Ein „Wellenlängenverhältnis" bezeichnet das Verhältnis der relativ gröberen effektiven Wellenlänge zu der „nächst feineren" effektiven Wellenlänge, beispielsweise das Verhältnis von grob/mittel oder mittel/fein.
Für die in 3 gezeigte Lesekopfanordnung 20a wird eine konservative Fehlertoleranz erreicht, indem ein Wellenlängenverhältnis angewendet wird, das im Vergleich zu einem zuverlässigen Interpolationsverhältnis für die einzelnen Lesekopfbereiche klein ist. Die Wellenlängenbereiche, die in der folgenden beispielhaften Ausführungsform eines Absolutpositionslesekopfes dieser Erfindung verwendet sind, sind ungefähr 21/1 für mittel/fein und 19/1 für grob/mittel. Diese Wellenlängenverhältnisse liefem eine geeignete oder konservative Fehlertoleranz im Vergleich zur nominalen Genauigkeit und/oder einem Interpolationsverhältnis in der Größenordnung von 32/1, 64/1 oder so groß wie 128/1 oder größer, das für die einzelnen Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' in den diversen beispielhaften Ausführungsformen erreichbar ist. Relevante Entwurfsaspekte, die mit einem zuverlässigen Erreichen eines S/N-Verhältnises in Beziehung stehen, das ein derartiges Interpolationsverhältnis liefert, wobei faseroptische Lesekopfelemente verwendet sind, sind in der mit eingeschlossen '312-Anmeldung beschrieben, und sind auch mit Bezugnahme zu 8 nachfolgend erläutert. Die Wellenlängenverhältnisse können in Abhängigkeit von Systementwurfstoleranzen und zulässigen Herstellungskosten vergrößert werden. Jedoch müssen derartige Vergrößerungen des Wellenlängenverhältnisses sorgfältig im Lichte einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Messfehlern betrachtet werden, die nicht korrekte Absolutmesswerte ergeben können.
Die Phasendifferenz zwischen den Wellenlängen λ₁ und λ₃ liefert eine effektive Grobwellenlänge λ_C von ungefähr 3,208 mm, die auch den Gesamtabsolutmessbereich dieser beispielhaften Ausführungsform repräsentiert. Es sollte beachtet werden, dass selbst dieser relativ kleine Absolutmessbereich in vielen Anwendungen in Verbindung mit der Feinpositionsauflösung im Nanometerbereich, die mit diversen beispielhaften Lesekopf- und Maßstabsausführungsformen gemäß den Prinzipien dieser Erfindung erreicht ist, vorteilhaft ist.
Die Phasendifferenz zwischen der Wellenlänge λ₁ und der Wellenlänge λ₂ liefert eine effektive mittlere Wellenlänge λ_m von ungefähr 0,168 mm. Somit beträgt das Grob/Mittel-Verhältnis λ_C/λ_M = 3,208/0,168 oder ungefähr 19. Das Mittel/Fein-Verhältnis ist λ_M/λ₁ = 0,168/0,008 oder ungefähr 21 und es ergibt sich als Folge davon das gesamte Grob/Fein-Verhältnis von ungefähr 400. Die folgende quantitative Beschreibung fasst die Entwurfsberechnungen entsprechend dem feinen, dem mittleren und den groben Betriebsmodus in einem faseroptischen Absolutpositionswandler gemäß dieser Erfindung zusammen.
Insbesondere werden für drei entsprechende Maßstabsspurenwellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ und die räumlichen Phasenpositionen ϕ₁, ϕ₂ und ϕ₃ jedes des zugeordneten Lesekopfbereichs die Wellenlänge λ₁ als die Feinmodus-Wellenlänge λ_F angenommen. Die Wellenlänge λ₂ wird als die Wellenlänge angenommen, die eine größere Differenz im Vergleich zu λ_F aufweist und die Wellenlänge λ₃ wird als die Wellenlänge angenommen, die zu λ_F am ähnlichsten ist. Die Wellenlänge λ_M für den mittleren Modus wird bestimmt als:
Somit beträgt für die zuvor erläuterte beispielhafte Ausführungsform die Wellenlänge λ_M für den mittleren Modus 0,168 mm. Die Wellenlänge λ_C für den groben Modus wird bestimmt durch:
Somit beträgt für die zuvor erläuterte beispielhafte Ausführungsform die Wellenlänge λ_C für den groben Modus 3,208 mm. Wie zuvor ausgeführt ist, besitzen die vorhergehenden Wellenlängenverhältnisse und damit zugeordneten Absolutmessbereiche eine konservative Fehlertoleranz. In diversen beispielhaften Ausführungsformen können unter Anwendung eines geeignet gestalteten faseroptischen Lesekopfes gemäß den Prinzipien dieser Erfindung ein oder jedes der Wellenlängenverhältnisse um einen Faktor von ungefähr 2 oder 3 vergrößert werden, um damit den Absolutmessbereich im Vergleich zu der vorhergehenden Erläuterung zu vergrößern.
Die Phasenposition für die grobe Wellenlänge λ_C beträgt ϕ₁ – ϕ₃. Die Phasenposition für die mittlere Wellenlänge λ_M beträgt ϕ₂ – ϕ₃, oder für die mittlere Wellenlänge λ_M ϕ₂ – ϕ₁. Die Phasenposition für die feine Wellenlänge λ_F beträgt ϕ₁, wie dies durch Gleichung 3 definiert ist.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen kann eine grobe Position P_C des Lesekopfs im Vergleich zu dem Maßstab wie folgt bestimmt werden: PC = λC·(ϕ3 – ϕ1)/2π (Gleichung 6)wobei:
ϕ₁ und ϕ₃ die aus Gleichung 3 bestimmten räumlichen Phasen sind und λ_C die grobe Wellenlänge ist. Eine mittlere Position P_M innerhalb der lokalen mittleren Wellenlänge λ_M des Lesekopfes relativ zu dem Maßstab kann wie folgt bestimmt werden: PM = λM·(ϕ2 – ϕ1)/2π Gleichung 7wobei:
ϕ₁ und ϕ₂ die räumlichen Phasen, die nach Gleichung 3 bestimmt sind, und λ_M die mittlere Wellenlänge ist.
Eine Feinmodusposition P_F innerhalb der lokalen feinen Wellenlänge λ₁ des Lesekopfs relativ zu dem Maßstab kann wie folgt bestimmt werden: PF = ϕ1·(λ1/2π) (Gleichung 8)
Der feine, der mittlere und der grobe Positionsmesswert können kombiniert werden, um eine präzise Gesamtabsolutposition des Lesekopfes im Vergleich zu dem Maßstab zu bestimmen. Entsprechend den hierin dargestellten Verfahren ist es vernünftig anzunehmen, dass der Grobmodus-Positionsmesswert eine gröbere Auflösung aufweist und weniger genau ist als sowohl der feine als auch der mittlere Moduspositionsmesswert. Somit kann im Vergleich sowohl zu den Positionsmesswerten des feinen als auch des mittleren Modus der Positionsmesswert des groben Modus als ein Positionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung bezeichnet werden. Es sollte beachtet werden, dass der Positionsmesswert des groben Modus innerhalb einer vorgegeben groben Wellenlänge entsprechend den hierin dargestellten Prinzipien ein Absolutwert ist. In ähnlicher Weise ist es vernünftig anzunehmen, dass der Positionsmesswert des mittleren Modus eine gröbere Auflösung aufweist und weniger genau ist als ein Positionsmesswert des feinen Modus. Somit kann im Vergleich zu einem Positionsmesswert des feinen Modus dieser als ein Positionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung bezeichnet werden. Es sollte beachtet werden, dass ein Positionsmesswert bzw. eine Positionsmessung im mittleren Modus innerhalb einer vorgegebenen mittleren Wellenlänge gemäß den hierin beschriebenen Prinzipien absolut ist.
Der Grobpositionswert P_C ist die erste Abschätzung für die Absolutposition. Der Grobpositionswert P_C wird dann analysiert, um zu bestimmen, zu welcher der mehreren mittleren Wellenlängen (die „nte" mittlere Wellenlänge) der Grobwert P_C gehört. Im Allgemeinen ist (P_C/λ_M) gleich (nλ_M) + R_M, wobei R_M der mittlere Rest ist.
Der Mittelpositionswert P_M ist die Position innerhalb der lokalen mittleren Wellenlänge. Im Prinzip sollte der mittlere Positionswert P_M gleich R_M sein. Jedoch ist die Berechnung im mittleren Modus mit einer kleineren Wellenlänge verknüpft. Somit kann dieser als genauer als der Grobwellenlängenberechnungsvorgang angenommen werden. Somit kann eine verbesserte Abschätzung der Absolutposition zu P_M + (n·λ_M) abgeschätzt werden. Es sollte beachtet werden, dass gemäß dieser Vorgehensweise das Bestimmen des Grobpositions wertes P_C lediglich genauer sein muss als ungefähr +/- der Hälfte der mittleren Wellenlänge, um Fehler in der Absolutpositionsmessung zu vermeiden.
Der Wert P_M + (n·λ_M) wird dann analysiert, um zu bestimmen, welche der mehreren feinen Wellenlängen (die „nte° feine Wellenlänge) dem Wert „P_M + (n·λ_M)" entspricht. Im Allgemeinen ist P_M + (n·λ_M) gleich (N·λ_F) + R_F, wobei R_F der feine Rest ist. Der feine Feinpositionswert P_F ist die Position innerhalb der lokalen feinen Wellenlänge. Im Prinzip sollte dieser feine Positionswert P_F gleich R_F sein. Jedoch wird die Messung im feinen Modus und die Berechnung mittels eines einzelnen Lesekopfbereiches und einer Maßstabsspur hergeleitet, im Gegensatz zu einer Beziehung zwischen den Lesekopfbereichen und den Maßstabsspuren, und beruht auf einer kleineren Wellenlänge. Somit kann diese als genauer als die mittlere Wellenlängenmessung und Berechnung angenommen werden. Daher wird eine bessere endgültige Abschätzung der Absolutposition (N·λ_F) + P_F bestimmt, um damit die Maßstabsspuren relativ zu dem Lesekopf ermitteln. Dies entspricht der Absolutposition der Absolutpositionsleseköpfe 20 oder 20a beispielsweise relativ zu dem Maßstab 90. Es sollte beachtet werden, dass gemäß dieser Vorgehensweise das Bestimmen des Grobpositionswertes P_C lediglich mit einer Genauigkeit von besser als ungefähr +/- der Hälfte der mittleren Wellenlänge erfordert, um Fehler in der Absolutpositionsmessung zu vermeiden.
In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen kann zur Vergrößerung des Absolutbereiches die Genauigkeit der Interpolationsschaltungen und die Genauigkeit bei der Herstellung der Maßstabsspuren 80, 80' und 80'' verbessert werden. Dies ermöglicht größere Verhältnisse (grob/mittel, mittel/fein) und die Verwendung eines intensiveren Grades an Interpolation. Jedoch erfordert in der Regel ein beliebiges Vergrößern der Genauigkeit der Maßstabsspuren und Schaltungen im Allgemeinen ein deutliches Heraufsetzen der ökonomischen Beschränkungen. Alternativ wird in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen eine funktionsfähige Kombination längerer Wellenlängen bestimmt, um damit den Absolutbereich entsprechend auszuweiten. Im Vergleich zu den vorhergehenden beispielhaften Ausführungsformen von Wellenlängen, wie sie zuvor beschrieben sind, kann dies den Absolutbereich um einen Faktor im Bereich von ungefähr 2 bis 3 vergrößern.
Somit liefert die beispielhafte absolutpositionsfaseroptische Lesekopfanordnung 20a, die in 3 gezeigt ist, ein Verschiebungsmesssystem, das in einer Vielzahl von faseroptischen Leseköpfen gemäß dieser Erfindung verwendbar ist. Es sollte vom Fachmann auch gewürdigt werden, dass die in 3 gezeigte faseroptische Lesekopfanordnung auch eine entsprechende lichtdurchlässige faseroptische Lesekopfanordnung besitzt. In einem derartigen Falle ist die Lichtquelle 280 entlang der Z-Achse zu dem gleichen Abstand auf der gegenüberliegenden Seite eines lichtdurchlässigen Maßstabs mit einem ähnlichen Quellenspalt zwischen der Lichtquelle 280 und den Maßstabsspuren auf dem Maßstab angeordnet.
Die beispielhafte faseroptische Absolutpositionslesekopfanordnung 20a stellt ein dreiphasiges Messsystem bereit. Es sollte jedoch beachtet werden, dass alternative Ausführungsformen der Phasenmasken 120 zusammen mit entsprechenden alternativen Anordnungen der optischen Empfängerkanäle 190 in der allgemeinen faseroptischen Lesekopfanordnung verwendbar sind, wie sie in der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung beschrieben sind.
4 zeigt eine Blockansicht mit einer allgemeinen elektronischen Fernschnittstelleneinheit 405, die in Verbindung mit einem faseroptischen Lesekopf gemäß dieser Erfindung verwendbar ist, der allgemein als ein faseroptischer Absolutpositionslesekopf 400 dargestellt ist. Die elektronische Fernschnittstelleneinheit 405 umfasst eine Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 493, eine Lichtquelle 477, die eine optionale Linse enthalten kann, und eine ausführungsformspezifische Vielzahl an Photosensoren/Verstärkern 492a bis 492n, 492a' bis 492n' und 492a'' bis 492n''. Die Lichtquelle 477 kann weitere optische Elemente, etwa optische Trennelemente oder dergleichen aufweisen. Die Lichtquelle/Linse 477 und die Photosensoren/Verstärker 492a bis 492n sind mit dem Lesekopfbereich 60 des faseroptischen Lesekopf 400 mittels Lichtquellenglasfasern 470 und Empfängerglasfasern 430a bis 430n verbunden. In ähnlicher Weise sind die Lichtquelle (Linse 477) und die Photosensoren/Verstärker 492a' bis 492n' mit dem Lesekopfbereich 60' des faseroptischen Lesekopfs 400 über die Lichtquellenglasfaser 470' und die Empfängerglasfasern 430a' bis 430n' verbunden und die Lichtquelle/Linse 477 und die Photosensoren/Verstärker 492a'' bis 492n'' sind mit dem Lesekopfbereich 60'' des faseroptischen Lesekopfs 400 über die Lichtquelleglasfaser 470'' und die Empfängerglasfasern 430a'' bis 430n'' verbunden. Obwohl die Lichtquelle/Linse 477 als eine einzelne Einheit dargestellt ist, können in diversen Ausführungsformen mehrere separate Lichtquellen/Linsen vorgesehen sein. Insbesondere ist in diversen Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, in denen unterschiedliche Lesekopfbereiche unterschiedliche zugeordnete Beleuchtungswellenlängen aufweisen, eine separate Lichtquelle/Linse für jede unterschiedliche Wellenlänge vorgesehen. In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen kann die Lichtquelle/Linse 477 eine oder mehrere einzelne Lichtquellenkomponenten oder ein Lichtquellenarray, d. h. eine Quelle pro Lichtquellenfaser, oder eine einzelne Lichtquelle aufweisen, die in einzelne Fasern direkt aufgeteilt wird oder nachdem diese anfänglich in eine einzelne Faser eingekoppelt wird, die dann „aufgeteilte" Fasern einspeist. In diversen beispielhaften Ausführungsformen sind zumindest die Lichtquellenglasfasern 740, die Licht zu den „Selbstabbildungs-" Lesekopfbereichen führen, als Einzelmodenglasfasern vorgesehen, die eine verbesserte Stabilität bei der Lichtverteilung trotz der möglichen Biegung und Bewegung des Lesekopfkabels bieten.
Die Glasfasern können innerhalb eines Lesekopfkabels (nicht gezeigt) geführt sein, das die Glasfasern zwischen dem faseroptischen Lesekopf 400 und der elektronischen Fernschnittstelleneinheit 405 aufnimmt und schützt. Es kann ein einzelnes Lesekopfkabel oder mehrere Lesekopfkabel verwendet werden. In diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung kann das Lesekopfkabel mehrere Meter lang sein oder auch länger. Die Empfängerglasfasern 430a bis 430n transportieren die optischen Signale 491a bis 491n. Die optischen Signale 491a bis 491n sind Phasensignale, die so vorgesehen sind, wie dies zuvor und im Weiteren beschrieben ist. In ähnlicher Weise führen die Empfängerglasfasern 430a' bis 430n' die optischen Signale 491a' bis 491n' und die Empfängerglasfasern 430a'' bis 430n'' führen die optischen Signale 491a'' bis 491n''.
Die Lichtquelle/Linse 477 empfängt Energie und kann Verstärkungssteuerungssignale von der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 493 erhalten. Wie zuvor beschrieben ist, sendet die Lichtquelle/Linse 477 Licht durch die Quellenglasfasern 470, 470' und 470'' zu dem faseroptischen Lesekopf 400 und auf die Maßstabsgitterspuren des Maßstabs 90. Die faseroptischen Detektorkanäle des faseroptischen Lesekopfs 400, etwa die faseroptischen Empfängerkanäle 190a bis 190c, die zuvor beschrieben sind, oder dergleichen, erhalten Licht von den Maßstabsgitterspuren des Maßstabs 90 und liefern die Signale 491a bis 491n, die den Photosensoren/Verstärkern 492a bis 492n eingespeist werden. Die Photosensoren/Verstärker 492a bis 492n liefern verstärkte elektronische Ausgangssignale 491 ax bis 491nx zu der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 493. In ähnlicher Weise liefern die Photosensoren/Verstärker 492a' bis 492n' verstärkte elektronische Ausgangssignale 491ax' bis 491nx' zu der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 493 und auch die Photosensoren/Verstärker 492a'' bis 491n'' liefern verstärkte elektronische Ausgangssignale 491a'' bis 491nx'' zu der Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 493. In diversen beispielhaften Aus führungsformen bestimmt sodann die Signalverarbeitungs- und Steuereinheit 493 eine Absolutposition gemäß den Gleichungen und den Verfahren, wie sie zuvor beschrieben sind.
Es sollte beachtet werden, dass in diversen beispielhaften Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben sind, ein Glasfaserlesekopf gemäß dieser Erfindung mehrere Glasfaserempfängerkanäle bereitstellen kann, die optische Signale tragen, die aufsummiert sind. Für derartige Ausführungsformen können Fasern, die aufsummierte optische Signale transportieren, eine Verbindung zu dem gleichen Photosensor/Verstärker 492 herstellen, um das gewünschte Summensignal bereitzustellen, oder kann eine Verbindung zu unterschiedlichen Photosensoren/Verstärkern 492 herstellen, in denen die Signale während einer zusätzlichen Signalverarbeitung elektronisch summiert werden. Es soll beachtet werden, dass in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen, die nachfolgend beschrieben sind, der Glasfaserlesekopf gemäß dieser Erfindung zusätzlich mehrere Glasfaserempfängerverstärker aufweisen kann, die binäre optische Signale tragen, die von einer oder mehreren Binärcodierungsspuren gewonnen werden. Für derartige Ausführungsformen können die zusätzlichen Fasern, die die binären optischen Signale transportieren, eine Verbindung zu zusätzlichen ähnlichen Verbindungen zu einer Lichtquelle/Linse 477 und zu ähnlichen Photosensoren/Verstärkern 492 bereitstellen, um die gewünschten binären Signale für die Signalverarbeitung bereitzustellen. Diese in 4 gezeigte Konfiguration ist als lediglich anschaulich und nicht als beschränkend gedacht.
5 und 6 zeigen eine dritte beispielhafte Ausführungsform einer faseroptischen Lesekopfanordnung 20b gemäß dieser Erfindung. Die faseroptische Lesekopfanordnung 20b funktioniert im Wesentlichen ähnlich zu der allgemeinen faseroptischen Lesekopfanordnung 20a, die zuvor mit Bezug zu 3 beschrieben ist, und weist auch ähnliche Komponenten auf. Auf Grund dieser Ähnlichkeiten im Aufbau und in der Funktionsweise werden nachfolgend nur gewisse Aspekte der faseroptischen Lesekopfanordnung 20b beschrieben, die eine zusätzliche Erläuterung erfordern.
Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, umfasst die faseroptische Lesekopfanordnung 20b Lesekopfbereiche 560, 560' und 560''. Wie man am besten in 6 erkennen kann, umfasst der Lesekopfbereich 560 einen ersten Satz aus drei faseroptischen Empfängerkanälen 590a bis 590c, die in ähnlicher Weise funktionieren wie die zuvor beschriebenen faseroptischen Empfängerkanäle 190. Es sollte beachtet werden, dass die faseroptische Lesekopf anordnung 20b ein erstes Beispiel eines faseroptischen Lesekopfes „mit angepassten bzw. symmetrischen Paaren" gemäß dieser Erfindung bereitstellt. Um einen faseroptischen Lesekopf mit symmetrischen Paaren gemäß dieser Erfindung bereitzustellen, umfasst die faseroptische Lesekopfanordnung 20b einen zweiten Satz aus drei entsprechenden symmetrischen faseroptischen Empfängerkanälen 590ax bis 590cx auf, die entsprechend in "symmetrischen Paaren" auf gegenüberliegenden Seiten des Beleuchtungsfeldzentrums 257 von den entsprechenden faseroptischen Empfängerkanälen 590a bis 590c, wie sie gezeigt sind, angeordnet sind. Die Paare mit den Nr. 1-1, 2-2 und 3-3, die auf den Glasfaserempfängeröffnungen 510 gezeigt sind, sind kennzeichnend für die symmetrischen Paare.
Wie in 5 gezeigt ist, weist ein Lesekopfgehäuse 500 eine zylindrische Gabel bzw. ein Verbindungselement 540 mit einer Justierrille 545 auf. Der Innendurchmesser der Gabel beinhaltet drei Löcher 541, die mit leichtem Spiel über die engliegenden peripheren optischen Empfängerfasern 530 und über die zentrale optische Quellenfaser 570 jedes der drei entsprechenden Lesekopfbereiche 560 passen. In einem beispielhaften Montageverfahren werden die Fasern mit vorbereiteten flachen Enden ausgerichtet und in die Gabel 540 von der Rückseite her eingeführt und solange eingeschoben, bis diese leicht über eine Montageoberfläche 542 hinausragen. Danach werden die entsprechenden Phasenmaskensätze 520, 520' und 520'', die auf dem Phasenmaskenelement 561 vorhanden sind, zu den Faserendbereichen unter einem Mikroskop ausgerichtet, gegen die Faserenden gedrückt, um diese coplanar zu der Montageoberfläche 542 zu machen und werden dann mit der Montageoberfläche 543 fest verbunden. Die Fasern werden dann mit der Gabel und miteinander verbunden. Alternativ wird die Montageoberfläche 542 bündig zu dem Ende der Gabel 540 gemacht und die Fasern, die die vorbereiteten flachen Enden aufweisen, werden ausgerichtet und von der Rückseite in die Gabel 540 eingeschoben und solange eingeführt, bis sie leicht über die Montageoberfläche 542 hinausragen. Danach wird ein Klebstoff um das Ende der Fasern herum angeordnet, um die Fasern zu halten und mit der Gabel 540 fest zu verbinden. Danach werden die Fasern und der Klebstoff fein geschliffen und/oder poliert, so dass sie bündig oder nahezu bündig zu der Montageoberfläche 542 sind. Anschließend werden die entsprechenden Phasenmaskensätze 520, 520' und 520'', die von dem Phasenmaskenelement 561 getragen werden, unter einem Mikroskop zu den Faserenden ausgerichtet, gegen die Faserenden gedrückt und fest mit der Montageoberfläche 542 verbunden.
In einer beispielhaften Ausführungsform werden die Phasenmaskensätze 520 auf der „Innenseite" des Phasenmaskenelements 561 möglichst nahe an den Phasenenden hergestellt. Eine Lichtquelle 580 wird an dem Ende einer Quellenfaser 570 vorgesehen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Quellenfaser 570 eine Einzelmodenfaser, die als eine Punktquelle zum Aussenden von Licht mit einer Quellenwellenlänge von 635 nm verwendet wird, und weist eine Artikelnummer FS-SN-3224 für Glasfasern auf, die von 3M Corporation hergestellt wird, wobei diese einen Außendurchmesser von D_SF = 250 μm aufweist. Die Empfängerglasfasern 530 sind alle kommerziell erhältliche Mehrmodenfasern, d. h. eine Silikafaser mit Durchmessern des Kerns/der Hülle/des Mantels D_RA/D_RC/D_RF von 200/220/250 μm. Somit besitzen alle Quellen- und Empfängerfasern in der faseroptischen Lesekopfanordnung 20b den gleichen Außendurchmesser von 250 μm und können daher in einer vorteilhaften dichten Packungsanordnung gemäß dieser Erfindung angeordnet werden, die sowohl eine sehr genaue als auch eine ökonomische Präzisionsjustierung und Montage ermöglicht. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist die vorteilhafte dichteste Montageanordnung eine Anordnung mit hexagonal dichtester Packung.
Jede der Empfängerglasfasern 530 und der Quellenfaser 570 besitzt eine Hülle und einen Kern. Die Hülle ist durch die äußeren Kreise repräsentiert, und der Kern ist durch die inneren Kreise dargestellt. Man kann erkennen, dass in der in 6 gezeigten Ausführungsform die Quellenfaser 570 einen relativ kleinen Kern im Vergleich zu dem Außendurchmesser ihrer Hülle aufweist. Im Gegensatz dazu besitzen die Empfängerglasfasern, wie sie durch die Faser 530a repräsentiert ist, einen relativ großen Kern im Vergleich zu dem Außendurchmesser ihrer Hüllen.
Es sollte beachtet werden, dass im Vergleich zu der Dreifaser-Empfängeranordnung, die in der faseroptischen Lesekopfanordnung 20a aus 3 verwendet ist, die angepasste 6-Faserempfängeranordnung dieser Ausführungsform 20b zwei mal soviel Empfangslicht liefert und daher die zweifache mögliche Signalstärke liefert. Des weiteren vermeidet die Anordnung mit symmetrischen Paaren der Empfängeröffnungen 510 gewisse Fehler auf Grund von Lesekopffehljustierungen, um damit die Messgenauigkeit noch weiter zu verbessern, wie dies in der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung beschrieben ist.
Es sollte beachtet werden, dass eine Anordnung, etwa die faseroptische Lesekopfanordnung 20b einen gesamtoptischen Codiererlesekopf mit hoher Auflösung bereitstellt, wobei jeder Lesekopfbereiche 560 einen Durchmesser von 1,0 mm oder weniger aufweist. Ferner sollte beachtet werden, dass die Anordnung eine preisgünstige jedoch hochgenaue „Selbstmontage" ermöglicht. Es sollte des weiteren beachtet werden, dass die Quellenfaser 570 lediglich für diese Montagezwecke absichtlich „überdimensioniert" ist. Die faseroptische Lesekopfanordnung 20b bietet ferner ein S-N-Verhältnis mit großem Wert gemäß den Entwurfsprinzipien, die nachfolgend mit Bezug zu 8 erläutert werden.
Beispielsweise wurde in einer speziellen beispielhaften Ausführungsform für ein flaches Ende der beispielhaften Glasfaser mit der Bauteilnummer FS-SN-3224, die von 3M-Corporation hergestellt wird, wie dies zuvor beschrieben ist, ein Divergenzhalbwinkel für den Radius des Strahls beim „halben Maximum" zu annäherungsweise 4,5 Grad bestimmt. Somit beträgt in einer beispielhaften Ausführungsform der faseroptischen Lesekopfanordnung 20b für Maßstabsgitterspuren 80 mit einem reflektierenden Maßstab und einem Selbstabbildungsspalt von ungefähr 1,6 mm der Radius R_W des Beleuchtungsfeldes 256 näherungsweise tan (4,5)·2·1,6 mm = 253 μm. Für die beispielhaften Eigenschaften der Glasfasern und der zuvor beschriebenen Abmessungen und einer dicht gepackten Ausführungsform der faseroptischen Lesekopfanordnung 20b beträgt der Ortsradius R_AL der Empfängeröffnungen 510 ungefähr 250 μm. Somit ist R_W näherungsweise gleich R_AL und ist nicht weit weg von dem Wert 0,83·R_AL, wie dies detaillierter nachfolgend mit Bezugnahme zu 8 beschrieben ist. Des weiteren beträgt der Durchmesser der Empfängeröffnung D_RA der Empfängeröffnungen 510 D_RA = 200 μm, was näherungsweise gleich 4/5·R_AL ist. Gemäß der Informationen, die nachfolgend mit Bezugnahme zu 8 erläutert werden, sollte mit derartigen Entwurfsbedingungen jeder Glasfaserempfängerkanal ein relatives S/N-Verhältnis aufweisen, das nahe bei dem maximal erreichbaren Wert liegt. Experimentell hat der Erfinder stabile Positionsmesswerte mit einer vergleichbaren Lesekopfanordnung dieser Art bei einer Auflösung von 1 nm unter Verwendung eines Maßstabs mit einem 8 μm Gitterabstand gezeigt. Es sollte beachtet werden, dass diese beispielhafte Ausführungsform lediglich anschaulicher Natur ist und die Erfindung nicht beschränken soll. Allgemeiner gesagt, es können Quellenfasern hergestellt oder ausgewählt werden, um damit einen Divergenzhalbwinkel für den Strahlradius beim halben Maximum" in einem Bereich von ungefähr 2 bis 10 Grad oder mehr bereitzustellen, und die Gestaltung entsprechender Leseköpfe kann gemäß den Prinzipien dieser Erfindung ausgewählt werden und auch so wie dies in der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung beschrieben ist.
Es sollte beachtet werden, dass die für die vorhergehende beispielhafte Ausführungsform beschriebenen Abmessungen zu einer faseroptischen Lesekopfanordnung führen, in der im Wesentlichen die gesamte Beleuchtungsenergie in jedem Beleuchtungsfeld 256 innerhalb eines Kreises mit einem Radius (von ungefähr 2,55·R_W) angeordnet ist, der deutlich kleiner als die Abmessung mindestens eines funktionellen Selbstabbildungsspaltes ist. Es sollte beachtet werden, dass die für die vorhergehende beispielhafte Ausführungsform beschriebenen Abmessungen eine faseroptische Lesekopfanordnung ermöglichen, in der jede Empfängerfaseröffnung 510 von dem Mittelpunkt eines entsprechenden Beleuchtungsfeldes 256 (der Mittelpunkt, der mit einer Maßstabslichtachse 256 zusammenfällt) um einen Ortsradius R_AL bestandet ist, der deutlich kleiner als die Abmessung mindestens eines funktionalen Selbstabbildungsspalts ist. Derartige Entwurfskriterien betonen die kompakte Größe, die für den Selbstabbildungslesekopfbereich mit hoher Auflösung gemäß der vorliegenden Erfindung erreichbar ist, wodurch die Breite und die Höhe oder der Durchmesser einer absoluten faseroptischen Lesekopfanordnung mit hoher Auflösung gemäß dieser Erfindung ermöglicht, um damit annäherungsweise das Mehrfache der Funktionsspaltabmessung oder weniger zu erreichen. Derartige kompakte Abmessungen ermöglichen eine Lesekopfanordnung gemäß der Erfindung, die einen Bewegungs- und Funktionsraum in einem Betriebsvolumen aufweist, das ein Teil des zum Bewegen und Betreiben erforderlichen Volumens ist, das für vormals bekannte Leseköpfe mit vergleichbaren Verhalten hinsichtlich der Leistung und der Robustheit erforderlich war. Derartige zuvor bekannte Leseköpfe besitzen typischerweise eine Breite und eine Höhe, die ein Vielfaches ihrer Betriebsspaltabmessung beträgt, wodurch deren Anwendungsmöglichkeit, Wirtschaftlichkeit und Komfort in der Handhabung in vielen Anwendungen begrenzt ist.
Wie in 6 gezeigt ist, umfasst für jeden Lesekopfbereich 560 das Phasenmaskenelement 561 einen Phasenmaskensatz 520, der die Phasenmasken 520a bis 520c und 520ax bis 520cx aufweist. Jede der Phasenmasken 520a bis 520c und 520ax bis 520cx umfasst Gitterstäbe 521, die für ein Lesekopfquellenlicht undurchlässig sind. Die Gitterstäbe 521 sind auf der Oberfläche 562 eines Substrats 565 als Array aufgebracht, wobei das Substrat für das Lesekopfquellenlicht durchlässig ist. Chrom, Kupfer und Oxide davon sind übliche Materialien, die zur Strukturierung der Gitterstäbe 521 verwendet werden können. Glas und Quarz sind übliche Substratmaterialien, die für das Substrat 565 verwendet werden können. Der aktive Maskenbereich jeder der Phasenmasken 520a bis 520c und 520ax bis 520cx ist der Bereich, der die Gitterstäbe 521 enthält. Dieser aktive Maskenbereich sollte eine aus reichende Größe aufweisen, um den durchlässigen Öffnungsbereich der entsprechenden Empfängeröffnungen 510 mit einer zusätzlichen Toleranz für Schwankungen bei der Montagepositionierung abzudecken. In der Mitte des Maskenelements 561 ist ein Justierring 563 gezeigt, der eine freie Öffnung 564 für das Quellenlicht aus der Glasfaser 570 aufweist, wie dies zuvor erläutert ist. Die Größe der freien Öffnung ist beispielsweise 7 mal größer als der Kerndurchmesser der Einzelmodenfaser, der in der Größenordnung von D_AS = 4 μm liegt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Phasenmaskenelement 561 aus Soda-Lehmglas hergestellt, und besitzt eine Dicke von 0,25 mm und einen Durchmesser, der an den Innendurchmesser der Gabel 540 angepasst ist (siehe 5).
Die Maskengitterstäbe 521 können periodisch entlang der x-Achsenrichtung gemäß einer Periode angeordnet sein, die mit jener der Gitterabbildung in der funktionsbereiten Selbstabbildungsebene übereinstimmt, wie dies zuvor beschrieben ist. Das gezeigte beispielhafte Phasenmaskenelement 561 besitzt 6 Phasenmasken in jedem Phasenmaskensatz 520 zur Verwendung mit 6 faseroptischen Empfängerkanälen in einer symmetrischen Konfiguration, in der diametral gegenüberliegende faseroptische Empfängeröffnungen die gleiche Phase der Lichtsignalmodulation bei einer Bewegung in x-Richtung des Lesekopfes relativ zu dem Maßstab empfangen. Die Phasenmasken besitzen räumliche Phasen von 0 Grad (520a und 520ax), 120 Grad (520b und 520bx) und 240 Grad (520c und 520cx). Die Grenze zwischen den diversen Phasenmasken 520 ist leicht unter einem Mikroskop für ein Phasenmaskenelement erkennbar, das mit Gitterstäben 521 aufgebaut ist, die in einem Selbstabbildungscodierer verwendbar sind. Diese können verwendet werden, um das Phasenmaskenelement 561 relativ zu den Empfängerfasern zu justieren. Der Erfinder hat herausgefunden, dass Justierungen mit Toleranzen von weniger als 20 μm und selbst mit weniger als 10 μm unter Verwendung eines Mikroskops und einer XYZ-Mikrometerhalterung leicht erreichbar sind, um das Phasenmaskenelement 561 relativ zu den Empfängerfasern zu justieren.
7 zeigt eine vierte allgemeine Ausführungsform einer faseroptischen Absolutpositionslesekopfanordnung 20c. Die Lesekopfanordnung 20c umfasst 5 Lesekopfbereiche 760, 760', 760'', 760''' und 760'''', die den fünf Maßstabsgitterspuren 780, 780', 780'', 780''' und 780'''' entsprechen. Jeder der Lesekopfbereiche 760 funktioniert im Wesentlichen ähnlich und weist auch Komponenten auf, die ähnlich sind zu jenen der Lesekopfbereiche 60 und der Maßstabsgitterspuren 80 aus den 1 bis 3. Auf Grund der Ähnlichkeiten der Kompo nenten und der Funktionsweise werden lediglich gewisse Aspekte der faseroptischen Lesekopfanordnung 20c im Weiteren beschrieben, die einer zusätzlichen Erläuterung bedürfen. Wie in 7 gezeigt ist, besitzen die ersten drei Lesekopfbereiche 760, 760' und 760'' einen ähnlichen Aufbau wie die Lesekopfbereiche 60, 60' und 60'' aus 1 in der Hinsicht, dass sie in einer linearen Anordnung vorliegen. Auf Grund der kreisförmigen Ausbildung der Gabel 750 ist zusätzlicher Platz für das Anordnen der zusätzlichen Lesekopfbereiche 760''' und 760'''' verfügbar. Die Gabel 470 umfasst ferner eine Justierrille 745 und einen Kragen 750. Jeder der Lesekopfbereiche 760 besitzt entsprechende Maßstabsgitterspuren 780 und Empfängerkanäle 790.
In einer Ausführungsform können die Maßstabsgitterspuren 780 mit unterschiedlichen Wellenlängen ausgebildet sein, wobei die gröberen Auflösungen weiter weg von der Mitte angeordnet sind. Beispielsweise können in einer Ausführungsform, in der fünf Wellenlängen von Maßstabsgitterspuren verwendet werden, diese so angeordnet sein, dass die Maßstabsspur 780' eine Wellenlänge λ₁ aufweist, die gleich 8,000 μm ist, die Maßstabspur 780 eine Wellenlänge λ₂ aufweisen, die gleich 8,020 μm ist, und die Maßstabsspur 780'' eine Wellenlänge λ₃ aufweisen, die gleich 8,40 μm ähnlich zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist. Die Maßstabsspur 780''' kann mit einer Wellenlänge λ₄ von gleich 12,600 μm und die Maßstabsspur 780'''' kann mit einer Wellenlänge λ₅ von 12,620 μm vorgesehen sein, um damit die grobe Wellenlänge im Vergleich zu jener, die von den Wellenlängen λ₁ und λ₃, wie sie zuvor dargestellt sind, mehr als zu verdoppeln. Selbstverständlich sollte beachtet werden, dass wenn deutlich unterschiedliche Maßstabsspurgitterabstände verwendet werden, die Wellenlängen unabhängig gewählt werden müssen und der Lesekopf 2010 ungefähr an einem selbstabbildenden Spalt angeordnet werden muss, der so funktioniert, um eine ausreichende Sichtbarkeit der Selbstabbildung für beide Maßstabsspurengitterabstände bereitzustellen, wie dies auch gemäß den Entwurfsfaktoren und Aspekten der Fall ist, wie sie zuvor in der in Bezug auf Gleichung 1 dargelegten Erläuterung aufgeführt sind. Als eine nützliche Richtlinie kann die Funktionstiefe eines Feldes einer Selbstabbildungsebene als ungefähr von der Größenordnung von 1/6 des Abstandes zwischen zugeordneten Selbstabbildungsebenen angenommen werden. Alternativ kann die Funktionstiefe eines Feldes und/oder einer Ebene, die funktionsmäßig verwendbar ist, um eine ausreichende Selbstabbildungssichtbarkeit für alle Maßstabsspurengitterabstände bereitzustellen, experimentell bestimmt werden. Es sollte beachtet werden, dass in diversen beispielhaften Ausführungsformen einzelne Lesekopfbereiche mit deutlich unterschiedlichen Lichtwellenlän gen angewendet werden können, um ein höheres Maß an Entwurfsfreiheit zum Erreichen im Wesentlichen ähnlicher oder identischer Selbstabbildungsebenen für deutlich unterschiedliche Maßstabsspurengitterabstände zu erreichen.
Mit einer verbesserten Robustheit im Hinblick auf Fehljustierungen anstelle eines erweiterten Absolutbereiches, wobei insbesondere eine Fehljustierung der Backen mit eingeschlossen ist, können die Maßstabsgitterspuren 780 und die entsprechenden Lesekopfbereiche 760 als symmetrische Paare angeordnet sein. Beispielsweise können sie in einer Ausführungsform, in der lediglich drei Wellenlängen verwendet werden, so angeordnet sein, dass die Maßstabspur 780' eine Wellenlänge λ₁ gleich 8,000 μm, die Maßstabsspuren 780 und 780'' eine Wellenlänge von λ₂ gleich 8,020 μm und die Maßstabsspuren 780''' und 780'''' eine Wellenlänge λ₃ von 8,40 μm ähnlich zu einer zuvor dargestellten Ausführungsform aufweisen. Es sollte beachtet werden, dass, wenn der Lesekopf 20c eine Fehljustierung der Backen relativ zu dem Maßstab 790 aufweist, die symmetrische Anordnung der Lesekopfbereiche 760 und 760'' Signale liefert, die sich entsprechend einer näherungsweise gleichen und entgegengesetzten räumlichen Phasenverschiebung auf Grund der Backenfehljustierung unterscheiden. Wenn damit geeignete Signale von jedem der Lesekopfbereiche 760 und 760'' aufsummiert werden, löschen sich die gleiche und die entgegengesetzte räumliche Phase idealerweise gegeneinander aus, wodurch die Auswirkungen der Backenfehljustierung auf die Absolutpositionswertbestimmung aufgehoben werden. Die symmetrische Anordnung der Lesekopfbereiche 760''' und 760'''' liefert einen ähnlichen Vorteil. Somit kann eine Konfiguration mit symmetrischen Paaren verwendet zu werden, um Backenfehljustierungen zu kompensieren, die auftreten können, wenn der Lesekopf 20c relativ zu dem Maßstab 790 montiert wird.
Die folgende Erläuterung ist für die Ergebnisse relevant die mit Bezug zu der 8 im Folgenden beschrieben werden. Es sollte beachtet werden, dass Glasfaserleseköpfe gemäß der vorliegenden Erfindung Ultra-Miniaturleseköpfe sein können. Es sollte ferner beachtet werden, dass im Gegensatz zu den relativ groben Glasfasercodiererleseköpfen, die für Selbstabbildung verwendet werden und/oder die dafür ausgelegt sind, um eine hohe Auflösung, hochgenaue Positionsmesssignale und große Interpolationsverhältnisse bereitzustellen, es wünschenswert ist, die Größe zu minimieren und das inhärente Signal-zu-Rauschen-Verhältnis derartiger Glasfasercodierleseköpfe in vielen beispielhaften Ausführungsformen zu maximieren. Entwurfsvorgaben, wie sie gewünscht werden, oder eine öko nomische Fasergröße, praktikable Beleuchtungsfeldgrößen, die direkt von Glasfaserquellen mit spezifischen selbstabbildenden Spalten erhalten werden, und praktikable Montagepositionieranforderungen sind alle samt wichtige Entwurfsaspekte. Insbesondere sollte beachtet werden, dass der kleine Empfangsöffnungsdurchmesser, der in vielen in dieser Erfindung verwendbaren Glasfasern vorgesehen ist, wesentlich kleiner sein kann als in den meisten oder allen elektronischen Detektoren, die in konventionellen Leseköpfen verwendet werden, so dass derartige kleine Empfangsöffnungsdurchmesser wesentlich die verfügbare Signalenergie und das resultierende Signal-zu-Rauschen-Verhältnis beschränken.
Aus all diesen Gründen ist es wichtig, gewisse Entwurfsabhängigkeiten zu beachten, die mit dem Vorsehen eines geeigneten Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses angesichts dieser markanten Entwurfsvorgaben im Zusammenhang stehen. Derartige Entwurfsabhängigkeiten kennzeichnen nicht nur die Entwurfsbedingungen, die mit einem optimalen Leistungsverhalten in Beziehung stehen, sondern kennzeichnen auch einen Bereich, in welchem Entwurfskompromisse im Hinblick auf die Fertigungstechniken, Komponentenkosten oder anderer Gründe gemacht werden, während dennoch Entwurfsmerkmale beibehalten werden, die eine Auflösung und eine Genauigkeit im Bereich von Mikrometer oder im Bereich von sogar unter 1 Mikrometer ermöglichen. Wie detaillierter nachfolgend erläutert wird, können gewisse Entwurfsfaktoren für Glasfasercodiererlesköpfe als Richtlinien verwendet werden, um eine Lesekopfgestaltung bereitzustellen, die ein wunschgemäßes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis in diversen beispielhaften Glasfasercodierlesekopfausführungsformen gemäß dieser Erfindung bieten.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen ist eine Lichtquelle, die gemäß dieser Erfindung verwendbar ist, eine faseroptische Lichtquelle ohne eine separate Linse oder einen Kollirnator. In diversen beispielhaften Ausführungsformen gibt eine derartige faseroptische Lichtquelle einen divergierenden Quellenlichtstrahl an ihrem Ende aus, wobei der divergierende Lichtstrahl typischerweise einen Divergenzhalbwinkel im Bereich von 4,5 bis 10 Grad aufweist. Es ist vernünftig, eine Gaußschen-Intensitätsverteilung in einem derartigen Quellenlichtstrahl anzunehmen. Die Eigenschaften von Gaußschen-Strahlverteilungen sind in Schriften für die Anwendung von Glasfasern ausführlich beschrieben. Dieses Gaußschen-Intensitätsprofil ist ein wichtiger Aspekt aus einer Reihe von Gründen in einer faseroptischen Lesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung. Es sollte beachtet werden, dass die Beleuchtung in einem derartigen Strahl, d. h. der nutzbare Fluss pro Einheit der Quer schnittsfläche, nicht proportional entlang der Strahlachse konzentriert ist. D. h. eine Empfängeröffnung, die von Strahlachse weg angeordnet ist, erleidet einen „zusätzlichen" Signalverlust (im Vergleich zur Annahme „eines gleichförmigen Strahles") auf Grund der Gaußschen-Verteilung. Des weiteren sollte beachtet werden, dass ebenso wie in einem gleichförmigen Strahl die mittlere Strahlintensität auf Grund des rein geometrischen Faktors abnimmt, wenn der Radius eines Strahlsflecks oder eines Beleuchtungsfeldes des Strahles auf Grund des „Divergenzverlusts" vergrößert wird. Es sollte auch beachtet werden, dass in einer „justierten" reflektierenden Konfiguration, wie sie in 3 gezeigt sind, bei einem Gaußschen-Strahl die höchste Intensität in dem Beleuchtungsfeld 265 in dem Beleuchtungsfeldmittelpunkt 257 und dessen Umgebung ist. Jedoch können mechanische Einwirkungen auf die Lichtquelle 280 und diverse andere Montageaspekte ein Anordnen der Empfängeröffnungen 110 in diesem Gebiet mit höchster Leuchtkraft verhindern.
Die folgende Gleichung 9 kennzeichnet beispielhafte Entwurfsaspekte für einen Lesekopf gemäß den Prinzipien dieser Erfindung und berücksichtigt die zuvor erläuterten Faktoren hinsichtlich der Variablen D. Des weiteren beinhaltet die Gleichung andere wichtige Faktoren, um eine nutzbare Analyse der Abhängigkeit des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses von diversen Entwurfsfaktoren in einer faseroptischen Lesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung zu erreichen: S ∼ PCg1g2DRdGd (Gleichung 9)
Die folgende Tabelle definiert die Bezeichnungen, die in Gleichung 9 verwendet sind, und enthält ferner typische Werte, die zum Bestimmen der Ergebnisse verwendet werden, wie sie in 8 gezeigt sind, in Fällen, in denen diese anwendbar sind. Tabelle 1
Ein Wert von 0,05 mV kann als ein typischer elektronischer Wert für das Systemrauschen in einer geeigneten entfernt angeordneten Elektronik der Signalverarbeitung für einen faseroptischen Lesekopf verwendet werden, wie dies in 4 gezeigt ist.
8 ist eine Ansicht, die repräsentative relative Signal-zu-Rauschen-Verhältnisse darstellt, die sich aus diversen Durchmessern D_RA für Empfängeröffnungen ergeben, wenn die Empfängeröffnung eines faseroptischen Detektorkanals an diversen Ortsradien R_AI für Empfängeröffnungen in Bezug auf einen Mittelpunkt eines Beleuchtungsfeldes angeordnet ist, wobei dies näherungsweise der allgemeinen faseroptischen Lesekopfanordnung entspricht, wie sie zuvor mit Bezug zu 3 beschrieben ist. Der Beleuchtungsfeldradius R_W, der in 8 auf der horizontalen Achse dargestellt ist, ist vergleichbar zu dem Radius eines Beleuchtungsfeldes, etwa dem zuvor beschriebenen Beleuchtungsfeld 256. Für ein Gaußschen-Strahlprofil ist der Rand des Strahles oder das resultierende Beleuchtungsfeld nicht gut definiert. In diesem Falle wird R_W als der Radius in den Beleuchtungsfeld definiert, an dem die lokale Strahlintensität die Hälfte der lokalen Intensität in dem Beleuchtungsfeld im Mittelpunkt beträgt. Gemäß dieser Definition liegt eine deutliche Intensität überhalb des Radius R_W, aber 99% der gesamten Strahlenergie liegen innerhalb eines Radius von ungefähr 2,55 R_W. Der Ortsradius R_AL der Empfängeröffnung, der auch in 8 auf der vertikalen Achse gezeigt ist, und der Durchmesser D_RA der Empfängeröffnung, der an diversen Orten in 8 gezeigt ist, sind zuvor mit Bezug zu den 5 und 6 definiert.
Es sollte beachtet werden, dass die Ergebnisse aus 8 von den Verhältnissen zwischen den diversen Abmessungen und nicht von den speziellen Abmessungen selbst abhängen. Daher ist die Längeneinheit, die auf den in der 8 gezeigten Achsen verwendet ist, willkürlich. Die Verhältnisse werden bei der Gestaltung bedeutsam, wenn ein Element des Verhältnisses ausgewählt oder auf eine spezielle Abmessung aus den verschiedenen Gründen festgelegt ist. Danach kann der spezielle Wert des komplementären Faktors geeignet ausgewählt werden. Die Linie 888 enthält Referenzmarkierungen und entsprechende Beschriftungen für diverse Durchmesserwerte D_RA der Empfängeröffnungen. Um die Allgemeinheit in 8 zu bewahren, sind die Durchmesserwerte D_RA für die Empfängeröffnungen proportional zu ihrem entsprechenden Ortsradius R_AL der Empfängeröffnungen gegeben.
Es sollte beachtet werden, dass, da die S/N-Verhältnisse, die in 8 gezeigt sind, relativ S/N-Verhältnisse sind, 8 verwendet werden kann, um das relativ S/N-Verhältnis in seinem Verhalten für einen einzelnen „idealen Detektorkanal" oder für ein optisch kombiniertes „symmetrisches oder angepasstes" Paar aus der Detektorkanälen, oder dergleichen verwendet werden kann. D. h., obwohl ein unterschiedlicher Satz an abgeschätzten Entwurfswerten und/oder Annahmen, etwa eine untere Laserleistung, ein höherer Rauschwert oder das optische Kombinieren zweier oder mehrerer Empfängerkanalsignale, die quantitativen Werte eines abgeschätzten S/N-Verhältnisses beeinflusst, so kann jeder Satz aus Annahmen jedes angenommene Signal in näherungsweise der gleichen Weise beeinflussen. Somit bleiben die qualitativen oder relativen S/N-Verhältnisse, die in 8 durchwegs an diversen Orten gezeigt sind, gültige Entwurfsleitwerte zum Durchführen vernünftiger relativer Entwurfsauswahlen und Kompromisse, selbst wenn die oben aufgeführten Entwurfswerte variiert werden. Es sollte ferner beachtet werden, dass die eigentlichen Positionsbestimmungsergebnisse aus einem Lesekopf gemäß dieser Erfindung ebenso durch eine Reihe anderer Faktoren, etwa die Symmetrie zwischen den diversen Phasensignalen, durch räumliche Harmonische in den Phasensignalen, durch eine Verschmutzung, Fehljustierung und dergleichen beeinträchtigt werden können. Ferner kann in einem Lesekopf mit mehreren Lesekopfbereichen gemäß den Prinzipien dieser Erfindung auf Grund praktischer und ökonomischer Entwurfsauswahlkriterien, wie sie zuvor beschrieben sind, eine einzelne Lichtquelle/Linse 477 für zwei oder mehr Lesekopfbereiche vorgesehen werden. Dies teilt die verfügbare Laserleistung (wie beispielsweise in Tabelle 1 gezeigt ist) unter den diversen Lesekopfbereichen auf, wodurch das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis herabgesetzt wird. Dennoch liefem die in 8 gezeigten relativen S/N-Verhältnisse sehr nützliche Entwurfsrichtlinien, insbesondere um das Potential des Relativverhaltens diverser Entwurfskompromisse in diversen vernünftigen und ähnlichen Gestaltungen zu bestimmen. Es sollte beachtet werden, dass der Fachmann geeignete Lesekopfexperimente ausführen kann, um ein quantitatives S/N-Verhältnis entsprechend einer speziellen Position in 8 zu verifizieren, um dann einen Maßstab zu wählen, der durch Verwendung der relativen S/N-Verhältnisse aus 8 zu näherungsweise abgeschätzten quantitativen Ergebnissen führt, die mit anderen „Entwurfsgebieten" in 8 verknüpft sind. Beispielsweise hat der Erfinder experimentell stabile Positionsmesswerte mit einer Auflösung von 1 nm unter Verwendung eines Maßstabs mit einem 8 μm Gitterabstand mit einer Anordnung mit symmetrischen Paaren der Empfängeröffnungen gezeigt, wobei der Durchmesser D_RA der Empfängeröffnung ungefähr gleich dem Ortsradius R_AL der Empfängeröffnung ist. Dies zeigt, das ein gemäß den Prinzipien dieser Erfindung gestalteter Lesekopf ein Signal-zu-Rauschen-Verhältnis erzeugen kann, das in diesem „Entwurfsgebiet" aus 8 zahlenmäßig sehr hoch ist. Äußerst wichtig in diesem Zusammenhang ist auch, dass auf der Grundlage derartiger experimenteller Ergebnisse und der 8 man das näherungsweise relative quantitative Verhalten diverser anderer ähnlicher Lesekopfgestaltungen gemäß dieser Erfindung abschätzen kann, wobei die Entwurfsfaktoren anderen Entwurfsgebieten in 8 entsprechen.
In 8 sind diverse relative S/N-Verhältnisse zusammen mit diversen relativen S/N-Verhältnis-„Isokurven" für diverse Kombinationen von Werten von R_W und R_AL dargestellt. Auf jeder relativen S/N-Isokurve gibt es einen „Spitzenwert", der dem Maximalwert für R_AL entspricht, der verwendbar ist, um das relative S/N-Verhältnis dieser relativen S/N-Isokurve zu erhalten. Jeder in 8 gezeigte relative S/N-Isokurvenspitzenwert, der dem „Maximalwert" für den Ortsradius R_AL der Empfängeröffnung entspricht, tritt an dem Beleuchtungsfeldradius R_W auf, der für den speziellen Wert von R_AL optimal ist. Die Linie 888 läuft durch alle derartige relative S/N-Isokurvenspitzenwerte. Es sollte beachtet werden, dass ein beliebiger spezieller Ortsradius R_AL für Empfängeröffnungen (in 8 eine horizontale Linie) einen entsprechenden Schnittpunkt mit der Linie 888 bildet. Eine Abweichung des Beleuchtungsfeldradius R_W (in 8 eine vertikale Linie), die dem gleichen Punkt auf der Linie 888 entspricht, erzeugt ein kleineres relatives S/N-Verhältnis und ein schlechteres Verhalten für den speziellen Ortsradius R_AL für Empfängeröffnungen.
Es sollte beachtet werden, dass zur Bereitstellung eines hohen Auflösungsvermögens und einer großen Genauigkeit auf der Grundlage sinusförmiger Signale, die von einem faseroptischen Lesekopf gemäß dieser Erfindung erzeugt werden, es wünschenswert ist, nicht nur die Anzahl der Wellenlängen oder der akkumulierten Maßstabsabstandseinheiten zu zählen, sondern dass es auch vorteilhaft ist, innerhalb der „anfänglichen" und „aktuellsten" Wellenlänge zu einem möglichst hohen Maße zu interpolieren. Beispielsweise entspricht im Allgemeinen ein höheres Maß an zulässiger Interpolation größeren zulässigen Verhältnissen zwischen den Wellenlängen im groben, mittleren und feinen Modus, wie dies zuvor beschrieben ist. Dies ist wünschenswert, um den Absolutmessbereich in Bezug auf eine vorgegebene Feinmodusauflösung und Genauigkeit zu erweitern. Generell kann für die faseroptischen Selbstabbildungsleseköpfe, die in der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung und hierin beschrieben sind, ein sinusförmiges Signal mit hoher Qualität bereitgestellt werden und der Interpolationsgrad entspricht im Wesentlichen dem S/N-Verhältnis. D. h. mit einem S/N-Verhältnis von 1000 kann beispielsweise ungefähr 1000stel des Spitze-zu-Spitze-Sinussignals potentiell unterschieden werden. Unter Berücksichtigung, dass der Erfinder experimentell stabile Positionsmesswerte mit einer Auflösung von 1 nm unter Verwendung eines Maßstabs mit einem 8 μm Gitterabstand experimentell gezeigt hat, selbst wenn bekannte Fehlerquellen berücksichtigt werden, die in den sinusförmigen Signalen mit praktisch angewendeten Selbstabbildungsleseköpfen entstehen, entspricht das zuvor beschriebene experimentelle Verhalten sinusförmigen Signaländerungen, die sich von einem idealen sinusförmigen Verhalten mit einem Verhältnis von höchstens 1/64 der Spitze-zu-Spitze-Änderung jener sinusförmigen Signale unterscheiden. Es sollte beachtet werden, dass für die hierin beschriebenen Leseköpfe ein derartiges Verhalten Entwurfskompromisse ermöglicht, die sich auf die Auswahl der Komponenten, auf eine Kostenverringerung oder auf die Fertigung und dergleichen beziehen, die gemäß 8 das S/N-Verhältnis reduzieren können, wobei dennoch effiziente Absolutmessleseköpfe hergestellt werden können. In derartigen Ausführungsformen können die sinusförmigen Signalverläufe sich von einem idealen sinusförmigen Verlauf durch ein Verhältnis von bis 1/32 oder selbst bis zu 1/16 der Spitze-zu-Spitze-Änderung jener sinusförmigen Signale unterscheiden und dennoch zu einem vor teilhaften miniaturisierten faseroptischen Absolutlesekopf gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung führen.
Die in 8 gezeigte relativen S/N-Verhältnisse, die auf den zuvor beschriebenen Annahmen und Entwurfswerten basieren, zeigen, dass unabhängig vom Durchmesser D_RA der Empfängeröffnungen für einen vorgegebenen Ortsradius R_AL für Empfängeröffnungen der beste „Halbmaxium"-Beleuchtungsfeldradius R_W ungefähr gleich 0,83·R_AL ist. 8 zeigt ferner, dass das Reduzieren des „Halbmaximum-" Beleuchtungsfeldradius R_W auf ungefähr 0,5·R_AL oder das Vergrößern des „Halbmaximum-" Beleuchtungsfeldradius R_W auf ungefähr 1,7·R_AL ein S/N-Verhältnis erzeugt, das ungefähr die Hälfte von jenem ist, dass durch 0,83·R_AL erzeugt wird, was eine merkliche und unerwünschte Verringerung des S/N-Verhältnisses in diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Somit wird in diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung der „Halbmaximum-" Beleuchtungsfeldradius R_W auf mindestens 0,5·R_AL und gleich höchstens 1,7·R_AL festgelegt. Da 99% der gesamten Strahlenergie innerhalb eines Radius von ungefähr 2,55 R_W liegen, wie dies zuvor dargestellt ist, kann alternativ die gleiche Entwurfsabhängigkeit wie folgt ausgedrückt werden: in diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung liegen 99% der gesamten Strahlenergie innerhalb eines Gesamtbeleuchtungsfeldradius in der funktionalen selbstabbildenden Ebene und/oder Phasenmaskenebene, wobei der Gesamtbeleuchtungsfeldradius gleich mindestens 0,5·R_AL·2,55, d. h. ungefähr 1,28·R_AL, und höchstens gleich 1,7·R_AL·2,55, d. h. ungefähr 4,34·R_AL ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen ein selbstabbildender faseroptischer Lesekopf dieser Erfindung diverse Vorteile erreicht, selbst wenn der Empfängerbeleuchtungsfeldradius R_W kleiner als 0,5·R_AL oder größer als 1,7·R_AL ist. Beispielsweise sind besonders vorteilhafte Fertigungsverfahren und eine kleine Größe möglich mit einem selbstabbildenden faseroptischen Lesekopf gemäß dieser Erfindung, wie er nachfolgend beschrieben ist.
Die in 8 gezeigten Ergebnisse zeigen ferner die Auswirkung des relativen S/N-Verhältnisses des Durchmessers D_RA der Empfängeröffnungen in Relation zu einem Ortsradius R_AL der Empfängeröffnungen. Es sollte beachtet werden, dass gemäß dieser Annahmen und Definitionen, wie sie hierin verwendet sind, ein Ortsradius R_AL für Empfängeröffnungen im Allgemeinen nicht kleiner als die Hälfte des D_RA ist. Ferner ist für eine dicht gepackte Anordnung, wobei eine Quellenfaser verwendet ist, die den gleichen Durchmesser wie die Empfangsfasern aufweist, wie dies in den 5 und 6 gezeigt ist, der Ortsradi us R_AL für die Empfängeröffnungen ungefähr dem Durchmesser D_RA. Wie entlang der Linie 888 gezeigt ist, ist ein relatives S/N-Verhältnis von mehr als 640 gezeigt, wobei der Durchmesser D_RA für Empfängeröffnungen sich einem Wert von ungefähr gleich dem Wert des Ortsradius R_AL für die Empfängeröffnungen annähert. Wie zuvor erläutert ist, hat der Erfinder experimentell stabile Positionsmessungen mit einer Auflösung von 1 nm unter Verwendung eines Maßstabs mit einem 8 μm Gitterabstand mit einer Lesekopfanordnung erreicht, in der der Durchmesser D_RA für die Empfängeröffnungen näherungsweise gleich dem Ortsradius R_AL für die Empfängeröffnungen ist.
Wie entlang der Linie 888 gezeigt ist, ist das Verhältnis des Durchmessers für die Empfängeröffnungen R_RA zu dem Ortsradius R_AL der Empfängeröffnungen auf ungefähr 1/3 reduziert, ein relatives SIN-Verhältnis von etwa mehr als 100 wird gemäß diesen Voraussetzungen erreicht, die zum Bestimmen der in 8 gezeigten Ergebnisse verwendet werden, d. h. das relative S/N-Verhältnis ist mindestens sechs mal schlechter als wenn der Durchmesser für die Empfängeröffnungen D_RA sich einem Wert von ungefähr gleich dem Wert des Ortsradius R_AL der Empfängeröffnungen annähert. In diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ist es nicht wünschenswert, schlechtere Pegel möglicher Signale und ein schlechteres resultierendes Leistungsverhalten zu akzeptieren. Somit sollte in diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ein Durchmesser für die Empfängeröffnungen D_RA größer gleich 1/3 des entsprechenden Ortsradius R_AL der Empfängeröffnung sein.
Wie entlang der Linie 888 gezeigt ist, fällt, wenn das Verhältnis des Durchmessers der Empfängeröffnung D_RA zu dem Ortsradius R_AL der Empfängeröffnung weiter auf ungefähr 115 abfällt, das relative S/N-Verhältnis um einen weiteren Faktor von ungefähr 2 ab. D. h., wenn das Verhältnis D_RA/R_AL von 1/3 auf 1/5 abfällt, fällt das mögliche Leistungsverhalten in einem faseroptischen Lesekopf gemäß der vorliegenden Erfindung um einen Faktor von ungefähr 2 ab. Jedoch kann das Festlegen des Verhältnisses D_RA/R_AL auf dieses Niveau eine erhöhte Entwurfsflexibilität und/oder ökonomische Vorteile bei den Komponenten oder bei der Montage bieten, obwohl dennoch eine Funktion im Bereich von unter 1 μm zusammen mit der miniaturisierten Größe und diversen anderen Vorteilen möglich ist, die mit einer selbstabbildenden faseroptischen Lesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung bereitgestellt werden. Daher sollte in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ein Durchmesser D_RA der Empfängeröffnung größer sein oder gleich 1/5 dem Wert des Ortsradius R_AL dieser Empfängeröffnung.
Wen das Verhältnis D_RA/R_AL weiter von 1/5 auf 1/8 abfällt, fällt das S/N-Verhältnis um einen weiteren Faktor von ungefähr 2 bis 3 ab. Jedoch kann das Absenken des Verhältnisses D_RA/R_AL auf dieses Niveau noch vorteilhaftere und besser anwendbare Entwurfs- und Montageflexibilität ergeben, wobei dennoch ein Funktionsverhalten auf Mikrometerebene zusammen mit der miniaturisierten Größe und diversen anderen Vorteilen erreicht werden kann, die durch einen selbstabbildenden faseroptischen Lesekopf gemäß dieser Erfindung bereitgestellt werden. Daher kann in diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ein Durchmesser der Empfängeröffnung D_RA größer oder gleich 1/8 im Vergleich zu dem Ortsradius dieser Empfängeröffnung R_AL sein.
Wenn der Durchmesser D_RA der Empfängeröffnung auf weniger als 1/8 des Ortsradius R_AL dieser Empfängeröffnung absinkt, ist das Leistungsverhalten eines selbstabbildenden faseroptischen Lesekopfs gemäß dieser Erfindung in einigen Punkten wenig bemerkenswert im Vergleich zu anderen wesentlich größeren kommerziell erhältlichen Codiererleseköpfen, jedoch bleibt seine Größe im Vergleich zu derartigen Codiererleseköpfen bemerkenswert. Ferner bleiben seine Größe und/oder seine Auflösung und Genauigkeit und/oder seine Robustheit während des Betriebes bemerkenswert im Vergleich zu bekannten Fasercodierern, in denen andere physikalische oder optische Prinzipien eingesetzt werden. Ferner sind besonders vorteilhafte Montageverfahren mit einem selbstabbildenden faseroptischen Lesekopf gemäß dieser Erfindung möglich, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Somit weist in diversen beispielhaften Ausführungsformen ein selbstabbildender faseroptischer Lesekopf gemäß dieser Erfindung diverse Vorteile auf, selbst wenn der Durchmesser D_RA der Empfängeröffnung unter 1/8 des Ortsradius R_AL dieser Empfängeröffnung abfällt.
Der Erfinder hat ferner festgestellt, dass relativ ideale Selbstabbildungen lediglich relativ nahe an dem Mittelpunkt eines Beleuchtungsfeldes vorhanden sind, das aus einer Lichtquelle entsteht, die eine Punktquelle in diversen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ist. In derartigen Fällen weist, wenn ein Ortsradius R_AL einer Empfängeröffnung vergrößert wird, die verfügbare Selbstabbildung gemäß dieser Erfindung zunehmend nicht ideale Änderungen in der Sichtbarkeit und in der räumlichen Phase mit zunehmenden Radius von dem Mittelpunkt des Beleuchtungsfeldes auf. In der Tat machen die bekanntesten Schriften über Selbstabbildungen die Annahme, dass ihre Gültigkeit für den Mittelpunkt eines Selbstabbildungsbeleuchtungsfeldes begrenzt ist. Ohne damit die Gültigkeit der zuvor aufgeführten Erläuterung hinsichtlich der S/N-Verhältnisse in einem selbstabbildenden faseroptischen Lesekopf gemäß dies Erfindung zu verneinen, wird in diversen beispielhaften Ausführungsformen der Ortsradius R_AL der Empfängeröffnung ebenso so klein wie möglich gemacht, wie dies andere Entwurfs-, Montage- und Kostenkompromisse ermöglichen.
Es sollte beachtet werden, dass für Konfigurationen mit relativ niedrigen Signal-zu-Rausch-Verhältnissen genaue Interpolationsgrade reduziert sind. Somit muss die Wellenlänge der Maßstabsgitterspuren, die die feine, die mittlere und die grobe Wellenlänge in der zuvor beschriebenen Weise bilden, so eingestellt werden, dass damit zuverlässige Absolutmessungsfehlergrenzen gemäß den mit den Gleichungen 3 bis 8 zuvor erläuterten Anmerkungen bereit gestellt werden. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass die entsprechenden Wellenlängen relativ stärker unterschiedlich zueinander gewählt werden müssen, woraus sich ein reduzierter absoluter Messbereich ergibt, was jedoch trotzdem in einer Reihe von Lesekopfanwendungen geeignet sein kann.
9 ist eine schematisch Endansicht einer fünften allgemeinen Ausführungsform einer faseroptischen Absolutpositionslesekopfanordnung gemäß dieser Erfindung, die eine Spuranordnung mit binärer Codierung einschließlich 11 einzelner Binärdetektorbereiche umfasst. Wie in 9 gezeigt ist, ist eine Lesekopfanordnung 20d mit einem kreisförmigen/zylindrischen Raum 951 versehen, der in eine Gabel bzw. Halterung analog zu der Gabel 540 passt. Der Aufbau der Lesekopfanordnung 20d umfasst drei Lesekopfbereiche 560, 560' und 560'', die im Aufbau und Funktion ähnlich zu den ähnlich bezeichneten Lesekopfbereichen sind, wie sie zuvor mit den 5 und 6 beschrieben sind, mit der Ausnahme, dass in der in 9 gezeigten beispielhaften Ausführungsform diese an unterschiedlichen relativen Positionen angeordnet sind. Es sollte beachtet werden, dass diverse Merkmale der Lesekopfbereiche 560, 560' und 560'', etwa die Phasenmasken, zuvor beschrieben sind und in 9 nicht gezeigt sind, so dass gewisse andere Merkmale der Lesekopfanordnung 20d deutlicher dargestellt sind. Die Lage des Lesekopfbereichs 560'' ist durch die Umrisse der Glasfaser 530''/570'' repräsentiert. Der Lesekopfbereich 560'' liefert einen Beleuchtungsfleck 253'', der auf der Maßstabsspur 80'' angeordnet ist und es wird Licht von der Maßstabsspur 20'' reflektiert, um ein Beleuchtungsfeld 256'' bereitzustellen, wie dies auch in zuvor beschriebenen Prinzipien für die Funktion dargestellt ist. Die Lesekopfbereiche 560' und 560 werden in ähnlicher Weise dargestellt und funktionieren ähnlich. Es sollte beachtet werden, dass die beispielhafte Ausgestaltung der Lesekopfbereiche 560, 560' und 560'', wie sie in 9 gezeigt sind, lediglich eine Ausprägung von vielen möglichen Konfigurationen repräsentieren, die in funktionsgerechter und kompakter Weise jene Lesekopfbereiche relativ zu den entsprechenden Maßstabsspuren repräsentieren. Es sind viele alternative Anordnungen möglich.
Die Gestaltung der Lesekopfanordnung 20d umfasst ferner 11 binäre Detektorbereiche 65a bis 65k, wovon jeder in Aufbau und Funktionsweise ähnlich zu den binären Detektorbereich 65k ist. Der binäre Detektorbereich 65k umfasst eine Quellenfaser 970, die identisch zu der Quellenfaser 570 sein kann, und umfasst die beiden Empfängerfasern 930a und 930b, die identisch zu den Empfängerfasern 530 sein können. Alternativ ist die Verteilung und das Sammeln von Licht für die 11 binären Detektorbereiche 65a bis 65k nicht so kritisch wie für die Lesekopfbereich 560, 560' und 560'', so dass diverse unterschiedliche Fasern für die Quellenfaser und die Empfängerfasern 970 bzw. 930a und 930b verwendet werden können. In jedem Falle sind die Quellenfasern 570 und die beiden Empfängerfaser 930a und 930b in geeigneter Weise in Löcher mit ähnlichem Durchmesser oder Schlitzen positioniert, die in einer Lesekopfhalterung bzw. Gabel durch Bohren, EDM und dergleichen hergestellt sind. Der binäre Detektorbereich 65k umfasst keine Masken. Die Quellenfasern 970 liefert einen Beleuchtungsfleck 953, der an der Grenze zwischen zwei binären Maßstabsheilspuren 85a und 85b einer binären Maßstabsspur 85 angeordnet ist, und es wird Licht von der binären Maßstabsspur 85 reflektiert, um ein Beleuchtungsfeld 956 zu bilden. In der Nähe der Empfängerfaser 930a enthält das Beleuchtungsfeld 956 im Wesentlichen Licht, das von der binären Maßstabsteilspur 85a reflektiert wird. In der Nähe der Empfängerfaser 930b weist das Beleuchtungsfeld 956 im Wesentlichen Licht auf, das von der binären Maßstabsteilspur 85b reflektiert wird.
Jede der Teilspuren 85a und 85b enthält relativ bessere reflektierende „helle" Elemente 86 und relativ weniger stark reflektierende „dunkle Elemente", die binäre optische Signale in den Empfängerfasern 930a und 930b liefem. In der in 9 gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind die binären Maßstabsteilspuren 85a und 85b redundante Maßstabsspuren, die die gleiche Sequenz an Codierungsbit gemäß bekannter 3-Bit-Pseudozufalls- (Ketten) Codierungstechniken oder dergleichen aufweisen. Die Sequenz der binären Maß stabsteilspuren 85a und 85b sind um eine halbe Bitlänge relativ zueinander verschoben. Mit einer derartigen Konfiguration ist, wenn das optische Signal an einer der Empfängerfasern eines binären Detektorbereichs undefiniert ist, etwa wie die Situation, die in 9 für die Empfängerfaser 930a des binären Detektorbereichs 65k gezeigt ist, das optische Signal an der anderen Empfängerfaser eines binären Detektorbereichs gut definiert, wie etwa in der Situation, die in 9 für die Empfängerfaser 930b des binären Detektorbereichs 65k gezeigt ist.
Es sollte beachtet werden, dass die binären Detektorbereiche 65a bis 65d und die binäre Maßstabsspur 85'' eine zusätzliche 4-Bit-Codierung gemäß der bekannten Pseudozufalls-„Ketten"-Codierungstechnik oder dergleichen vorsehen, wie dies auch für die binären Detektorbereiche 65e bis 65h und die binäre Maßstabsspur 85' der Fall ist. Somit kann insgesamt der „11-Bit" Binärcodierungsbereich 920 ungefähr 2048 einzigartige Codierungskombinationen bereitstellen. Die Bitlänge und der Abstand der binären Detektorbereiche 65a bis 65k entlang der Messachsenrichtung 82 sind so festgelegt, dass diese kleiner sind als die grobe Wellenlänge, die von den drei Lesekopfbereiche 560, 560' und 560'' bereitgestellt wird, wie dies mit Bezug zu den Gleichungen 3 bis 8 zuvor erläutert ist. Somit entspricht jeder Schritt auf der Gesamtbinärcodierung einer speziellen groben Wellenlänge, die den Absolutmessbereich auf eine Länge erweitert, die durch die physikalische Länge einer gesamten Binärungscodierungssequenz bestimmt ist. Sobald der Positionswert einer speziellen Wellenlänge auf der Grundlage der entsprechenden Gesamtbinärcodierung bestimmt ist, wird der Positionswert durch Bestimmen der Position innerhalb dieser groben Wellenlänge verfeinert, wie dies zuvor beschrieben ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform werden die Bitlänge und der Abstand der binären Detektorbereiche 65a bis 65k im Bereich von 0,8 bis 1,0 mm gewählt, was konservativ weniger als die grobe Wellenlänge ist, die von den zuvor beschriebenen beispielhaften Lesekopfbereichen bereitgestellt wird, die für die Lesekopfbereiche 560, 560' und 560'' verwendbar sind. In einem derartigen Falle kann ein Absolutmessbereich von ungefähr 2 m mit einem Gesamtlesekopfdurchmesser von ungefähr 5 mm für eine Lesekopfanordnung bereitgestellt werden, die ungefähr wie die Lesekopfanordnung 2d ist, die in 9 gezeigt ist. Gleichzeitig kann die Messauflösung in der Größenordnung von Nanometer sein, wie dies zuvor beschrieben ist.
Es sollte beachtet werden, dass zur zuverlässigen Anwendung eines derartigen groben und ökonomischen binären Codierungsspurbereichs zum Bereitstellen eines erweiterten Absolutmessbereichs es notwendig ist, eine relativ grobe Wellenlänge zu erreichen, die zuverlässig mindestens gleich oder größer als die binäre Bitlänge ist, wobei die Lesekopfbereich 560, 560' und 560'' verwendet werden, wobei in geeigneter Weise alle möglichen Fehlerquellen berücksichtigt werden. Wenn folglich eine hohe Messauflösung ebenso vorgesehen ist, ermöglichen die relativ kleinen Gitterabstände und die hochgenaue Interpolation, die durch die faseroptischen Lesekopfbereiche 560, 560' und 560'' gemäß den Prinzipien dieser Erfindung und gemäß der Lehre der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung geboten wird, einen faseroptischen Absolutlesekopf mit einer vorher nicht bekannten Kombination aus Größe, Bereich und Auflösung. Es sollte beachtet werden, dass die beispielhafte Ausgestaltung des binären Codierungsbereichs 920, der in 9 gezeigt ist, lediglich anschaulicher Natur ist und nicht einschränkend zu werten ist. Diese Anordnung ist eine von vielen möglichen Konfigurationen, die in funktionsgerechter und kompakter Weise funktionsgerechte binäre Detektorbereiche relativ zu den entsprechenden Maßstabsspuren positionieren. Es sind viele alternative Anordnungen möglich. Es sollte beachtet werden, dass auf Grund der Modulationsmöglichkeit mit äußerst hoher Geschwindigkeit der gesamtoptischen Lichtquellen und Empfängerkanal/Fasern es auch möglich ist, eine kompaktere Lesekopfkonfiguration als sie in 9 gezeigt ist, zu gestalten, wobei die diversen Beleuchtungsfelder die Empfänger der mehreren Lesekopfbereiche überlappen, wobei aber die Quellen und Empfänger jedes entsprechenden Lesekopfbereichs individuell und zeitlich aufeinanderfolgend betrieben werden, so dass die Signalstörung zwischen benachbarten Lesekopfbereichen vermieden wird. In derartigen Ausführungsformen mit Zeitmultiplexen sollte beachtet werden, dass die Lesekopfgestaltung so kompakt gemacht werden kann, wie dies durch die physikalischen Größen der diversen Lesekopfkomponenten möglich ist.
10 zeigt einen optischen Deflektor 100, der in Verbindung mit den diversen faseroptischen Leseköpfe gemäß dieser Erfindung verwendbar ist, wobei eine beispielhafte Orientierung relativ zu den Maßstabsgitterspuren 1180 gezeigt ist. Wie in 10 gezeigt ist, umfasst eine allgemeine beispielhafte Glasfaserlesekopfanordnung 1120 Lesekopfbereiche 1160, die ähnlich zu den Glasfaserlesekopfbereichen 60 sind, die zuvor mit Bezug zu 3 beschrieben sind. Die Lesekopfbereiche 1160 übertragen ein divergierendes Quellenlicht im Wesentlichen entlang eines Strahlweges 1101 zu dem optischen Deflektor 1100, wo das Licht entlang eines Strahlweges 1102 abgelenkt und durch einen Funktionsspalt 1103 in Richtung einer Maßstabsgitterspur 1180 gelenkt wird. In gleicher Weise wird Maßstabslicht, das reflektiert, divergent gemacht und von der Maßstabsgitterspur 1180 gebeugt wird, zu dem optischen Deflektor 1100 im Wesentlichen entlang dem Strahlweg 1102 zurückgeführt und in Richtung des Lesekopfbereichs 1160, der im Wesentlichen entlang dem nominalen Stahlweg 1101 angeordnet ist, zurück abgelenkt. Die Maßstabsgitterspur 1180 bewegt sich relativ zu der Glasfaserlesekopfanordnung 1120 und dem Deflektor 100 entlang der Messachsenrichtung 82. Das zurückgekehrte Maßstabslicht liefert eine Selbstabbildung der Maßstabsgitterspur 1180 in einer Selbstabbildungsebene in einem Beleuchtungsfeld, das im Wesentlichen in Bezug auf die faseroptische Empfängerkanalkonfiguration der beispielhaften Glasfaserlesekopfanordnung 1120 zentral angeordnet ist, wie sie zuvor mit Bezug zu den diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung beschrieben ist. Es sollte beachtet werden, dass die Gitterstäbe der Phasenmasken der beispielhaften Glasfaserlesekopfanordnung 1120 so orientiert sind, dass diese parallel zu den Gitterlinien in der Selbstabbildung der Maßstabsgitterspur 1180 sind. Es sollte ferner beachtet werden, dass je genauer der Deflektor 1100 den Strahlenweg 1101 im Vergleich zu einer nominalen Ablenkung von 90 Grad ablenkt, so dass dieser der Strahlenweg 1102 wird, und je genauer der Strahlenweg 1102 senkrecht zu der Oberfläche der Maßstabsgitterspur 1180 wird, desto genauer und robuster ist das resultierende Positionsmesssystem.
In diversen beispielhaften Ausführungsformen ist der Deflektor 1100 ein reflektierendes Prisma mit 90 Grad, ein Spiegel oder eine andere geeignete optische Komponente, die zuverlässig auf einem separaten Element in fixierter Beziehung relativ zu dem faseroptischen Lesekopf gemäß dieser Erfindung montiert ist. Um eine kurze Weglänge für das Durchführen einer Selbstabbildung beizubehalten und um einen praktikablen Betriebsspalt relativ zu den Maßstabsgitterspuren 1180 dennoch aufrecht zu erhalten, wird der Deflektor 1100 vorzugsweise so nahe wie möglich zu den Lesekopfbereichen 1160 montiert. Es sollte beachtet werden, dass in diversen beispielhaften Ausführungsformen der Deflektor 1100 einen größeren Gesamtselbstabbildungsabstand im Vergleich zu einer Lesekopfkonfiguration ohne einen Deflektor erfordern kann, wodurch ebenso die Gesamtdivergenz des Lichtes von der Lichtquelle und dem Maßstab vergrößert werden kann. Somit sollte in diesen Fällen Sorgfalt darauf verwendet werden, die diversen Lesekopfentwurfsparameter so einzustellen, dass die Entwurfsabhängigkeiten entsprechend den Prinzipien dieser Erfindung und wie sie in der '312-Anmeldung offenbart sind, beibehalten werden. In diversen beispielhaften Ausführungsformen ist der Deflektor 1100 in geeigneter Weise justiert und direkt an der Gabel 1140 befestigt. In diversen anderen beispielhaften Ausführungsformen kann der Deflektor 1100 als ein Substrat dienen, um ein Phasenmaskenelement gemäß dieser Erfindung bereitzustellen, wobei dieses Phasenmasken gemäß dieser Erfindung aufweist, die direkt auf der Oberfläche des Deflektors 1100 ausgebildet sind, der in Richtung der Gabel 1140 positioniert ist.
In der in 10 gezeigten Ausführungsform ist die Glasfaserlesekopfanordnung 1120 so orientiert, dass ihre Längsachse senkrecht zur Richtung der Messachse 82 der Maßstabsgitterspuren 1180 angeordnet ist. Entweder kann die Gabel 1140 oder es können die Maßstabsgitterspuren 1180 fixiert gehalten werden, wobei das jeweils andere Element bewegbar ist. Es sollte beachtet werden, dass in diversen Anwendungen es praktisch ist, einen Deflektor, etwa den beispielhaften Deflektor 1100, aufgrund der Ultraminiaturgröße eines faseroptischen Lesekopfes und eines Codierers gemäß dieser Erfindung zu verwenden. Es sollte ferner beachtet werden, dass in diversen Anwendungen ein Deflektor, etwa der beispielhafte Deflektor 1100, ferner die Verwendbarkeit eines faseroptischen Lesekopfes und Codierers gemäß dieser Erfindung verbessert, da der faseroptische Lesekopf in flexibler Weise relativ zu den Maßstabsgitterspuren 1180 und der Messachsenrichtung 82 orientiert werden kann, so dass die größte und die schmalste Abmessung des Lesekopfes in gewünschten Richtungen orientiert sind. Des weiteren ist anzumerken, dass die Verwendung eines Deflektors, etwa des beispielhaften Deflektors 1100 vorteilhaft ist für die Orientierung der Verlegung der Glasfasern und/oder Kabel der Lesekopfanordnung 1120 in gewünschten Richtungen.
Zum Beispiel kann das Lesekopfkabel senkrecht zu dem Maßstab gerichtet sein, wie dies in 10 gezeigt ist, oder das Kabel kann alternativ annähernd parallel zu den Maßstabsspuren ausgerichtet werden, wenn die Gabel in Bezug auf den Deflektor um 90 Grad um die Z-Achse gedreht wird, so dass die Stäbe der Phasenmasken parallel zu jenen in den Maßstabsspurselbstabbildungen bleiben.
Es sollte ferner beachtet werden, dass jede der hierin gezeigten, beschriebenen oder gelehrten Ausführungsformen auch ausgebildet werden kann, ein Absolutmesssystem analog zu einen beliebigen kreisförmigen oder zylindrischen Drehabsolutpositionslesekopf bereitzustellen, wie dies mit der mit eingeschlossenen '312-Anmeldung beschrieben ist. Eine kreisförmige Dreh-Ausführungsform kann verstanden werden, indem das Segment des in 10 gezeigten Maßstabes Maßstabsgitterspuren aufweist, die Segmente eines relativ ebenen Drehgittermaßstabs sind, der sich um eine Achse parallel zu der Y-Achse dreht. In einem derartigen Falle folgt die Messachse 82 einem relativ ebenen Kreisweg in der X-Y-Z-Ebene. Eine zylindrische Drehausführungsform kann so verstanden werden, dass das Segment des in 10 gezeigten Maßstabs Maßstabsgitterspuren trägt, die Segmente eines relativ zylindrischen Gittermaßstabs sind, der sich um eine Achse parallel zu der Z-Achse dreht. In einem derartigen Falle folgt die Messachse 82 einen relativ zylindrischen kreisförmigen Weg, der in der X-Y-Z-Ebene ein Kreis ist.
Obwohl diese Erfindung in Zusammenhang mit den zuvor dargestellten Ausführungsformen beschrieben ist, ist es klar, dass die Ausführungsformen und Entwurfsfaktoren, die zuvor beschrieben sind, kennzeichnend sind für weitere alternative Ausführungsformen, Modifizierungen und Variationen, wie sie sich für den Fachmann naheliegend ergeben. Daher sind die Ausführungsformen der Erfindung, wie sie zuvor dargelegt sind, als lediglich anschaulich und nicht einschränkend gedacht.

Claims

Absolutmessvorrichtung zum Messen der relativen Position zwischen zwei Elementen, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Maßstab (90) mit mindestens einem ersten und einem zweiten Maßstabsgitter (80, 80'), die entlang einer ersten und einer zweiten Spur längs einer Messachsenrichtung ausgebildet sind, wobei jedes Maßstabsgitter einen entsprechenden Gitterabstand aufweist; und einen Lesekopf mit mindestens einem ersten und einem zweiten Selbstabbildungslesekopfbereich (60, 60'), wobei dieser Bereich ausgebildet ist, eine funktionsfähige Selbstabbildung des entsprechenden Maßstabgitters bereitzustellen, wobei jeder entsprechende Selbstabbildungslesekopfbereich umfasst: einen Lichtquellenbereich (280) mit mindestens einem entsprechenden Lichtquellenelement; und mehrere faseroptische Empfängerkanäle (130), wobei jeder entsprechende faseroptische Empfängerkanal umfasst: einen empfängerkanalspezifischen räumlichen Phasenmaskenbereich (120) mit einer maskenbereichsspezifischen räumlichen Phase, wobei die Lichtabblockelemente unter einem Abstand angeordnet sind, der ein räumliches Filtern der funktionsfähigen Selbstabbildung eines entsprechenden der Maßstabsgitter (80, 80') ermöglicht, und der im Wesentlichen in einer entsprechenden räumlichen Phasenmaskenebene angeordnet ist, die zur räumlichen Filterung der funktionsfähigen Selbstabbildung des entsprechenden einen der Maßstabsgitter ausgebildet ist; und mindestens eine entsprechende Empfängerkanalglasfaser (130) mit einem Eingangsende, das Licht eines optischen Signals für den entsprechenden Empfängerkanal empfängt; wobei: für jeden entsprechenden Empfängerkanal das Licht des optischen Signals des entsprechenden Empfängerkanals, das von der mindestens einen entsprechenden Empfängerkanalglasfaser empfangen wird, optisches Signallicht aufweist, das durch den entsprechenden räumlichen Empfängerkanalphasenmaskenbereich (120) über einen entsprechenden Lichtsammelbereich mit einer Abmessung entlang der Messachsenrichtung, die mindestens eine volle Periode des entsprechenden räumlichen Empfängerkanalphasenmaskenbereichs ist, gesammelt wird; für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich (60, 60'): wenn der Lesekopf funktionsbereit relativ zu dem Maßstabsgitter (80, 80') positioniert ist, zumindest erste und zweite entsprechende Kanäle der mehreren faseroptischen Empfängerkanäle (130) dieses entsprechenden Abbildungslesekopfbereichs (60, 60') filtern räumlich ihre entsprechenden Bereiche der funktionsfähigen Selbstabbildung des entsprechenden einen der Maßstabsgitter (80, 80') in der entsprechenden räumlichen Phasenmaskenebene, um zumindest ein erstes und ein zweites entsprechendes optisches Empfängerkanalsignal, die mindestens eine erste und eine zweite optische Signalphase aufweisen, bereitzustellen; das mindestens erste und zweite entsprechende optische Empfängerkanalsignal mit den jeweiligen optischen Signalphasen entlang ihrer entsprechenden Glasfasern ausgegeben werden, um Messinformation über die relative Verschiebung in Form mehrerer entsprechender optischer Ausgangssignale bereitzustellen, wobei die entsprechenden optischen Ausgangssignale aus dem räumlich gefilterten Maßstabslicht hervorgehen, ohne dass ein elektronisches Photodetektorelement verwendet wird; und wobei das mindestens erste und zweite entsprechende optische Empfängerkanalsignal verwendet werden, um einen entsprechenden Messwert mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung für diesen entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich und das entsprechende Maßstabsgitter zu bestimmen; mindestens eine erste Abhängigkeit zwischen mindestens einem ersten Paar der Positionsmesswerte für die relativ feinere inkrementale Auflösung einen einzigartigen Wert hat an jeder Position entlang der Messachsenrichtung bezüglich einer ersten entsprechenden Zuordnungswellenlänge, die größer als die entsprechenden Gitterabstände, die dem ersten Paar an Positionsmesswerten mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung entsprechen, so dass zumindest ein erster Absolutpositionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung bezüglich der ersten Zuordnungswellenlänge auf der Grundlage des einzigartigen Werts an jeder Position entlang der Messachsenrichtung bestimmbar ist; und zumindest der erste Absolutpositionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung mit mindestens einem Positionsmesswert mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung kombiniert wird, um einen Absolutpositionsmesswert mit relativ feinerer Auflösung über zumindest einen Bereich der ersten Zuordnungswellenlänge bereitzustellen.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede entsprechende räumliche Phasenmaskenebene die gleiche nominale räumliche Phasenmaskenebene für den gesamten Lesekopf umfasst.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich mindestes jeder Lichtsammelbereich und jedes Eingangsende vollständig innerhalb eines entsprechenden Zylindervolumens positioniert ist, das eine Achse senkrecht zu der entsprechenden räumlichen Phasenmaskenebene aufweist und einen Zylinderradius besitzt, der höchstens 3 mm beträgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: jede entsprechende räumliche Phasenmaskenebene die gleiche nominale räumliche Phasenmaskenebene für den gesamten Lesekopf umfasst; der Lesekopf lichtdurchlässiges Maskensubstrat aufweist; und für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich gilt: jeder entsprechende räumliche Empfängerkanalphasenmaskenbereich ist auf einer Oberfläche des lichtdurchlässigen Maskensubstrats hergestellt, wobei dessen Lichtabblockelemente entlang der Messachsenrichtung in Bezug auf einen nominalen Selbstabbildungsabstand der funktionsfähigen Selbstabbildung des entsprechenden Maßstabgitters, und in Bezug auf die Lichtabblockelemente der anderen räumlichen Empfängerkanalphasenmaskenbereiche jenes Selbstabbildungslesekopfbereichs positioniert ist, in einer Weise, dass gewünschte Abhängigkeiten zwischen den entsprechenden räumlichen Maskenbereichsphasen der entsprechenden räumlichen Empfängerkanalphasenmaskenbereichen erhalten werden; und jeder entsprechende räumliche Empfängerkanalphasenmaskenbereich vollständig innerhalb des entsprechenden Zylindervolumens dieses Selbstabbildungslesekopfbereichs positioniert ist.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Eingangsende jeder entsprechenden Empfängerkanalglasfaser nominal gegenüber dem entsprechenden räumlichen Empfängerkanalphasenmaskenbereich auf der Oberfläche des lichtdurchlässigen Maskensubstrats positioniert ist.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Zylinderradius jedes entsprechenden Zylindervolumens, das zumindest den Lichtsammelbereich und das Eingangsende enthält, höchstens 2,0 mm beträgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Zylinderradius jedes entsprechenden Zylindervolumens, das zumindest den Lichtsammelbereich und das Eingangsende enthält, höchstens 1,0 mm beträgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich: für jeden entsprechenden Empfängerkanal die Abmessung des Lichtsammelbereichs entlang der Messachsenrichtung mindestens drei volle Perioden des entsprechenden räumlichen Empfängerkanalphasenmaskenbereichs beträgt; jedes Lichtquellenelement eine Quellenglasfaser mit einer Einzelmodeglasfaser aufweist, wobei Licht, das aus einer entfernten Lichtquelle stammt, von einem Kernbereich an einem Ausgangsende der Quellenglasfaser ausgesendet wird; das Ausgangsende jeder Quellenglasfaser vollständig innerhalb des entsprechenden Zylindervolumens dieses Selbstabbildungslesekopfbereichs angeordnet ist.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich: das mindestens eine entsprechende Lichtquellenelement eine einzelne Quellenglasfaser umfasst; und jede entsprechende Empfängerkanalglasfaser in einer dicht gepackten Anordnung um die Quellenglasfaser herum angeordnet ist.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 9, wobei für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich die mehreren faseroptischen Empfängerkanäle zumindest 2N entsprechende faseroptische Empfängerkanäle aufweisen, die in einer Anordnung aus N funktionsbereiten Paaren angeordnet sind, wobei N eine Ganzzahl und größer oder gleich zwei ist, und wobei jedes funktionsbereite Paar zwei entsprechende faseroptische Empfängerkanäle aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der Quellenglasfaser angeordnet sind, wobei die zwei entsprechenden räumlichen Phasenmaskenbereiche, die jenen zwei entsprechenden faseroptischen Empfängerkanälen entsprechen (a) die gleiche räumliche Phase, (b) räumliche Phasen besitzen, die sich nominal um 180 Grad unterscheiden.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Achsen der entsprechenden Zylindervolumina mindestens zweier Selbstabbildungslesekopfbereiche voneinander entlang der Messachsenrichtung versetzt sind und jene Achsen zueinander um weniger als die Summe der entsprechenden Zylinderradien entlang der Richtung senkrecht zur Messachsenrichtung versetzt sind.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Lesekopf mindestens drei Selbstabbildungslesekopfbereiche aufweist und die Achsen der entsprechenden Zylindervolumina mindestens zweier Selbstabbildungslesekopfbereiche nicht voneinander entlang der Messachsenrichtung versetzt sind und jene Achsen zueinander um mindestens die Summe ihrer entsprechenden Zylinderradien entlang der Richtung senkrecht zur Messachsenrichtung versetzt sind.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die entsprechenden Zylindervolumina aller Selbstabbildungslesekopfbereiche in ein Gesamtzylindervolumen passen, das eine Achse parallel zu den entsprechenden Zylindervolumina aufweist, wobei das Gesamtzylindervolumen einen Gesamtzylinderradius aufweist, der höchstens 9 mm beträgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Gesamtzylinderradius höchstens 5 mm beträgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Gesamtzylinderradius höchstens 2,5 mm beträgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Gesamtzylinderradius höchstens 1,25 mm beträgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei, wenn der Lesekopf funktionsbereit relativ zu dem Maßstabsgitter positioniert ist: für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich ein entsprechender Gesamtbeleuchtungskreis in der entsprechenden räumlichen Phasenmaskenebene so definiert werden kann, dass mindestens 95% der optischen Leistung aus dem Lichtquellenbereich jenes entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereichs in diesen Gesamtbeleuchtungskreis enthalten sind, wobei dieser Gesamtbeleuchtungskreis einen entsprechenden Gesamtbeleuchtungsradius aufweist; und die Achse des entsprechenden Zylindervolumens für jeden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereich von der Achse des am nächsten liegenden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereichs mit einem Abstand angeordnet ist, der zumindest so groß ist wie die Summe der entsprechenden Gesamtbeleuchtungsradien.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: für mindestens zwei entsprechende Selbstabbildungslesekopfbereiche jedes Lichtquellenelement eine Quellenglasfaser und Licht aufweist, das aus einer entsprechend steuerbaren entfernten Lichtquelle von einem Ausgangsende der Quellenglasfaser ausgegeben wird; und das Licht, das aus der entsprechend gesteuerten entfernten Lichtquelle stammt, so gesteuert wird, dass es zwischenzeitlich ein- und ausgeschaltet ist, so dass zumindest während eines Teils einer Zeitperiode, wenn einer der zwei entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche entsprechende optische Ausgangssignale aussendet, der andere der beiden entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche kein Licht aussendet.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Achsen der entsprechenden Zylindervolumina der mindestens zwei Selbstabbildungslesekopfbereiche voneinander um weniger als 2,0-fache der Summe ihrer entsprechenden Zylinderradien beabstandet sind.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 3, wobei für mindestens zwei entsprechende Selbstabbildungslesekopfbereiche: der Lichtquellenbereich eines ersten Selbstabbildungslesekopfbereichs eine erste entsprechende Wellenlänge an Licht bereitstellt; der Lichtquellenbereich eines zweiten der entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche eine zweite entsprechende Lichtwellenlänge bereitstellt, die sich von der ersten entsprechenden Lichtwellenlänge unterscheidet. der erste und der zweite entsprechende Selbstabbildungslesekopfbereich einen entsprechenden optischen Bandpasswellenlängenfilter enthalten, der seiner entsprechenden Lichtwellenlänge angepasst ist; jeder entsprechende Bandpassfilter relativ zu dem entsprechenden Lichtsammelbereich seines zugeordneten Lesekopfbereichs so angeordnet ist, dass Licht im Wesentlichen blockiert wird, das eine Wellenlänge aufweist, die sich von seiner entsprechenden Lichtwellenlänge unterscheidet, um damit ein Erreichen des entsprechenden Lichtsammelbereichs zu verhindern.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Achsen der entsprechenden Zylindervolumina der mindestens zwei Selbstabbildungslesekopfbereiche voneinander um mindestens das 2,0-fache der Summe ihrer entsprechenden Zylinderradien beabstandet sind.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei für mindestens zwei entsprechende Selbstabbildungslesekopfbereiche: der Lichtquellenbereich eines ersten der entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche eine erste entsprechende Lichtwellenlänge bereitstellt; die Lichtquellenbereiche eines zweiten der entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche eine zweite entsprechende Lichtwellenlänge bereitstellt, die sich von der entsprechenden ersten Lichtwellenlänge unterscheidet.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: jedes entsprechende Maßstabsgitter reflektierende Elemente aufweist; jeder entsprechende Lichtquellenbereich ein Quellenlicht entlang eines entsprechenden Quellenlichtweges aussendet, der eine zentrale Lichtquellenachse aufweist, die so orientiert ist, dass sie das entsprechende Maßstabsgitter entlang einer Richtung schneidet, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene des entsprechenden Maßstabsgitters an dem Schnittpunkt ist; ein entsprechendes Maßstabslicht, das von der entsprechenden Lichtquelle herkommt, entlang eines entsprechenden Maßstablichtweges mit einer zentralen Maßstabslichtachse reflektiert wird, die im Wesentlichen zu ihrer entsprechenden zentralen Lichtquellenachse ausgerichtet ist, wenn der Lesekopf relativ zu dem Maßstabsgitter justiert ist.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 23, die ferner eine reflektierende Oberfläche umfasst, wobei: die reflektierende Oberfläche angeordnet ist, um jede entsprechende zentrale Quellenlichtachse und jede entsprechende zentrale Maßstabslichtachse um ungefähr 90 Grad an einer Stelle entlang den Achsen zwischen dem Lesekopf und den Maßstabsgittern abzulenken; und der Lesekopf und die reflektierende Oberfläche bezüglich dem Maßstab so angeordnet sind, dass die entsprechenden räumlichen Phasenmaskenebenen und die funktionsfähigen Selbstabbildungen der Maßstabsgitter nominal senkrecht zu der Ebene der Maßstabsgitter angeordnet sind.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Maßstab ein relativ ebener kreisförmiger Maßstab ist und die Messachsenrichtung einem kreisförmigen Weg parallel zu der Ebene des Maßstabs folgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Maßstab ein relativ zylindrischer Maßstab ist und die Messachsenrichtung einem kreisförmigen Weg entlang des Umfangs des zylindrischen Maßstabs folgt.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der Maßstab mindestens ein drittes Maßstabsgitter aufweist, das entlang einer entsprechenden dritten Spur entlang der Messachsenrichtung ausgebildet, wobei das dritte Maßstabsgitter einen entsprechenden Gitterabstand aufweist, der gleich dem Gitterabstand des ersten Maßstabsgitter ist, und wobei das erste und das dritte Maßstabsgitter im Wesentlichen symmetrisch auf dem Maßstab an gegenüberliegenden Seiten des zweiten Maßstabsgitters positioniert sind; der Lesekopf mindestens einen dritten Selbstabbildungslesekopfbereich aufweist, wobei der dritte Selbstabbildungslesekopfbereich im Wesentlichen ähnlich zu dem ersten Selbstabbildungslesekopfbereich ist, und wobei der erste und der dritte Selbstabbildungslesekopfbereich näherungsweise symmetrisch in dem Lesekopf an gegenüberliegenden Seiten einer Linie angeordnet sind, die sich parallel zu der nominalen Messachsenrichtung und durch einen effektiven Mittelpunkt des zweiten Selbstabbildungslesekopfbereichs erstreckt, so dass das Mitteln der entsprechenden Positionsmesswerte mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung, die dem Paar der einander angepassten ersten und dritten Selbstabbildungslesekopfbereiche entsprechen, einen Positionsmesswert der relativ feineren inkrementalen Auflösung für das einander angepasste Paar liefert, der durch eine Backenfehljustierung des Lesekopfes im Wesentlichen im gleichen Ausmaße beeinflusst wird wie der entsprechende Positionsmesswert für die relativ feinere inkrementale Auflösung der zweiten Selbstabbildungslesekopfbereiche.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei, wenn es eine relative Versetzung zwischen dem Lesekopf und dem Maßstabsgitter entlang der Messachsenrichtung gibt, jedes entsprechende optische Ausgangssignal einen sinusförmigen Verlauf aufweist, der eine Funktion der relativen Verschiebung ist, und wobei jeder derartige sinusförmige Verlauf sich von einem idealen sinusförmigen Verlauf um höchstens 1/32 der Spitze-zu-Spitze-Änderung jedes derartigen sinusförmigen Verlaufs unterscheidet.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 28, wobei sich jeder artige sinusförmige Verlauf von einem idealen sinusförmigen Verlauf um höchstens 1/64 der Spitze-zu-Spitze-Änderung jedes derartigen sinusförmigen Verlaufs unterscheidet.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: der Maßstab mindestens ein drittes Maßstabsgitter aufweist, das entlang einer entsprechenden dritten Spur längs der Messachsenrichtung ausgebildet ist; der Lesekopf mindestens einen dritten Selbstabbildungslesekopfbereich aufweist; eine zweite Abhängigkeit zwischen einem zweiten Paar der Positionsmesswerte mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung einen einzigartigen Wert an jeder Position entlang der Messachsenrichtung über einer entsprechenden zweiten Zuordnungswellenlänge aufweist, die größer als mehrere der ersten Zuordnungswellenlängen ist, so dass ein zweiter Absolutpositionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung über der zweiten Zuordnungswellenlänge auf der Grundlage des einzigartigen Wertes an jeder Position längs der Messachsenrichtung bestimmbar ist; und der zweite Absolutpositionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung mit dem ersten Absolutpositionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung und mindestens einem Positionsmesswert mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung kombiniert wird, um einen Absolutpositionsmesswert mit relativ feinerer Auflösung über zumindest einen Teil der zweiten Zuordnungswellenlänge hinweg bereitzustellen, die größer ist als mehrere der ersten Zuordnungswellenlängen.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 30, wobei: der Maßstab ferner mindestens eine Spur mit Binärkodierung mit einer Sequenz aus einzigartigen Binärkodierungswörtern aufweist, die sich entlang der Messachsenrichtung erstreckt; der Lesekopf ferner einen Binärkodierungsbereich mit mehreren Binärdetektorbereichen aufweist, die verwendet werden, um das einzigartige Binärkodierungswort zu bestimmen, das auf einem funktionsbereit positionierten benachbarten Bereich der Spur mit binärer Kodierung enthalten ist, wobei jedes einzigartige Binärkodierungswort die Absolutposition des Lesekopfes relativ zu dem Maßstab mit einer Kodierungsspurauflösung über zumindest einen Bereich der Länge der Spur mit Binärkodierung kennzeichnet; die Spur mit Binärkodierung und der Binärkodierungsbereich so gestaltet sind, dass die Kodierungsspurauflösung ausreichend ist, um in einzigartiger Weise jede Periode der zweiten Zuordnungswellenlänge zu identifizieren; und ein bestimmtes einzigartiges Binärkodierungswort mit dem entsprechenden zweiten Absolutpositionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung, dem ersten Absolutpositionsmesswert mit relativ gröberer Auflösung und mindestens einem Positionsmesswert mit relativ feinerer inkrementaler Auflösung kombiniert wird, um einen Absolutpositionsmesswert mit relativ feinerer Auflösung über zumindest einen Bereich der Länge der Spur mit Binärkodierung bereitzustellen, die länger ist als mehrere der zweiten Zuordnungswellenlängen.
Absolutmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: für zumindest zwei entsprechende Selbstabbildungslesekopfbereiche: der Lichtquellenbereich eines ersten der entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche eine erste entsprechende Lichtwellenlänge bereitstellt; der Lichtquellenbereich eines zweiten der entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche eine zweite entsprechende Lichtwellenlänge bereitstellt, die sich von der ersten entsprechenden Lichtwellenlänge unterscheidet, und der erste und der zweite der entsprechenden Selbstabbildungslesekopfbereiche ihre entsprechenden optischen Ausgangssignale zuleiten zu (a) einem entsprechenden optischen Bandpasswellenlängenfilter, der ihren entsprechenden Lichtwellen angepasst ist und/oder (b) einer entsprechenden Photodetektoreinrichtung mit einer optischen Wellenlängenantwort, die effektiv mit ihren entsprechenden Lichtwellenlängen übereinstimmt, so dass das entsprechende optische Bandpasswellenfilter und/oder die entsprechende Photodetektoreinrichtung im Wesentlichen verhindert, dass Licht mit einer Wellenlänge, die sich von ihren entsprechenden Lichtwellenlängen unterscheidet, zu entsprechenden elektronischen Signalen beiträgt, die aus ihren entsprechenden optischen Ausgangssignalen entstehen.