DE69933050T2 - Positionssensor und schaltung fur optische kodiervorrichtung - Google Patents

Positionssensor und schaltung fur optische kodiervorrichtung Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung betrifft elektronische Schaltungen und insbesondere optoelektronische Schaltungen, die einen Teil der Sensor-Komponente in Linear- oder Rotationskodierern bilden, um Linear- beziehungsweise Winkelbewegungen zu messen.
  • Hintergrund
  • Normalerweise sind in solchen Kodierern eine oder mehrere feste Quellen elektromagnetischer Strahlung (EMR) angeordnet, um eine mit Markierungen versehene, planare oder zylindrische Fläche zu beleuchten. Die Markierungen auf der mit Markierungen versehenen Fläche beinhalten Gebiete mit hohem und geringem Reflexionsvermögen (oder alternativ, hohem und geringem Durchlassungsvermögen) hinsichtlich der EMR, und die reflektierte (oder durchgelassene) Komponente der EMR ist dazu ausgestaltet, um auf einen feststehenden optoelektronischen Sensor aufzutreffen, der das zeitabhängige oder räumlich verteilte Intensitätsmuster der einstrahlenden EMR erfasst und somit einen Messwert hinsichtlich der relativen Position der mit Markierungen versehenen Fläche zur Verfügung stellt. Sowohl "reflektierende" als auch "transmittierende" Kodierer-Versionen werden heutzutage üblicherweise in Industrie-Produkten und Konsumenten-Produkten verwendet, um Linear- oder Winkelbewegungen zu messen, obwohl die letztgenannte Anordnung häufiger verwendet wird.
  • Der optoelektronische Sensor, der in solchen Kodierern enthalten ist, verwendet normalerweise vier Photodioden, und ein "Quadratur-Interpolations"-Verfahren, das in der Technik allgemein bekannt ist, wird verwendet, um die Auflösung der Positionsmessung zu erhöhen, und zwar deutlich über die Teilung der Markierungen auf der jeweiligen mit Markierungen versehenen, planaren oder zylindrischen Fläche des Kodierers hinaus. In den U.S. Patenten 4,410,798 (Breslow) und 5,235,181 (Durana et al.) sind verschiedene Implementierungen beschrieben, bei denen die Auflösung der Messung auf ein Vielfaches der Teilung der Markierungen erhöht wird, was aber durch die Genauigkeit der Teilung der Markierungen, die Breite und die Kantenqualität, die Positionsgenauigkeit der Photodioden, die die Quadratur-Signale liefern, und das Signal/Rausch-Verhältnis dieser Photodioden begrenzt ist. Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, dass, um eine Messgenauigkeit in der Größenordnung von Mikrometer zu erreichen, qualitativ sehr hochwertige Komponenten, mechanische Toleranzen und Montage-Toleranzen mit "Mikrometer-Genauigkeit" und Markierungen mit hoher Qualität erforderlich sind. Zum Beispiel ist in den beiden obigen Patenten gemäß Stand der Technik der Phasenfehler der Quadratur-Signale gleich dem Positions-Fehler der diskreten Photodioden-Detektoren, zuzüglich dem Positions-Fehler der Markierungen, zuzüglich den Fehlern in Folge elektrischen und optischen Rauschens, Fehlanpassung der Detektoren und anderer Komponenten in dem Signalverarbeitungssystem.
  • Die elektronische Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung hat zur Aufgabe, einige dieser Nachteile zu überwinden, und zwar durch extensive Überabtastung der einfallenden EMR über einen optoelektronischen Sensor, der ein oder mehrere Arrays aus mehreren Photodioden-Detektoren aufweist, wobei jedes Array von Photodioden-Detektoren gleichzeitig mehrere Abstufungen des Musters der einfallenden EMR überspannt, die auf das Array auftrifft. In dieser Beschreibung ist die "Teilung" des Musters als der Abstand zwischen benachbarten Gebieten mit maximaler EMR-Intensität des Musters der einfallenden EMR definiert, die auf das Array aus Detektoren auftrifft, und bezieht sich direkt die Teilung der Markierungen auf der mit Markierungen versehenen Fläche oder Flächen, von denen die EMR reflektiert wird (für einen reflektierenden Kodierer) oder durch die das EMR durchgelassen wird (für einen transmittierenden Kodierer). Als ein Ergebnis ist die Messgenauigkeit höher als die Positionsgenauigkeit von einem einzelnen Sensor in dem Array und auch höher als die Positionsgenauigkeit von einer einzelnen Muster-Teilung. Die Positionsgenauigkeit der resultierenden Quadratur-Paar-Signale wird nicht durch mechanische Toleranzen oder Montage-Toleranzen bestimmt, sondern durch die Positionsgenauigkeit von dem "Größtintegration" (VLSI) Prozess, der für die Herstellung der Photodioden-Arrays verwendet wird, und kann mit heutigen Silicium-Herstellungsprozessen auf wirtschaftliche Weise eine Größenordnung von weniger als 0,1 μm erreichen. Gemäß der vorliegenden Erfindung basiert die optoelektronische Schaltung für die Sensor-Komponente des Kodierers nicht auf der Verwendung von teuren und sehr genauen Markierungsprozessen für die Herstellung des Kodierers und ist in der Lage, lokale Ungenauigkeiten in der mit Markierungen versehenen Fläche(n) des Kodierers zu tolerieren, und zwar auch dann, wenn Gebiete von Markierungen beschädigt sind oder vollständig fehlen.
  • Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine sehr genaue optoelektronische Schaltung zur relativen Positionsmessung zur Verfügung zu stellen, die weniger genaue (und somit preiswertere) Elemente enthält. Eine Sensor-Komponente von einem Kodierer, bei dem die optoelektronische Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, hat normalerweise eine mehr als hundert Mal höhere Auflösung als die Teilung der Markierungen auf der mit Markierungen versehenen Fläche, deren relative Position gemessen werden soll, eine mehr als zehn Mal höhere Auflösung als die Teilung von dem Array aus Photodioden-Detektoren, und eine mehr als zehn Mal höhere Messgenauigkeit als die Positionsgenauigkeit von irgendeinem der einzelnen Detektoren in dem Array.
  • Extensive Überabtastung des einstrahlenden EMR-Musters, das auf das Array auftrifft, und stark parallele gemeinsame Berechnung in der optoelektronischen Schaltung führen dazu, dass die relative Auflösung der Positionsmessung durch die Genauigkeit der Teilung des Detektor-Arrays bestimmt wird, statt durch die Genauigkeit der Teilung der Markierungen des Kodierers. Durch Messen einiger Teilungen des einstrahlenden EMR-Musters ist die Genauigkeit der Messung der relativen Position außerdem theoretisch
    Figure 00040001
    Mal höher als die Positionsgenauigkeit von einer einzelnen Teilung des einstrahlenden EMR-Musters, wobei np die Anzahl von Muster-Teilungen ist, die durch das Detektor-Array abgetastet werden. Der Vorteil dieses Lösungsansatzes besteht darin, dass kein teurer Markierungsprozess erforderlich ist, um bei der Messung der relativen Position eine Auflösung der Sensor-Komponente von "unter einem Mikrometer" zu erreichen. Außerdem wird, unter der Annahme, dass analoge Detektoren (zum Beispiel eine Photodiode) in dem Array verwendet werden, durch die Messtechnik eine Auflösung von unter einem Mikrometer erreicht, und es kann auf wirtschaftliche Weise eine Auflösung erreicht werden, die 10-100 Mal höher ist als die Teilung des Detektor-Arrays. Das Signal/Rausch-Verhältnis der relativen Positionsmessung ist normalerweise mehr alsVerhältnis der einzelne
    Figure 00050001
    Mal größer alstektoren, wobei
    Figure 00050002
    Signal/Rausch die Anzahl von Detektoren in dem Array ist. Dies ist ein deutlicher Vorteil, da bei Verwendung heutiger VLSI-Silicium-Fabrikationsprozesse, ein oder mehrere Arrays, die tausende von Detektoren aufweisen, auf ökonomische Weise auf einem einzelnen Chip implementiert werden können.
  • Die Berechnung, die für die relative Positionsmessung erforderlich ist, ist im Wesentlichen ein Vorgang, der innerhalb des Produkts stattfindet und der sehr effizient durch eine kapazitive Schaltung durchgeführt wird. Die kapazitiven Korrelator-Schaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung führen die erforderliche Berechnung in einem stark parallelen Einzelbetrieb durch, wodurch die höchstmögliche Verarbeitungsgeschwindigkeit und somit die minimale Verarbeitungszeit erreicht werden. Die Berechnungsgenauigkeit steht mit der Genauigkeit der Kondensatoren in den kapazitiven Korrelator-Schaltungen in Beziehung, was der am besten gesteuerte Parameter von VLSI-Schaltungen ist, wodurch die beste gebietseffiziente Auflösung für diesen Typ von Schaltungsarchitektur erreicht wird. Durch den stark parallelen analogen Berechnungsblock innerhalb des Produkts wird außerdem die Energie minimiert, die erforderlich ist, um die Berechnung durchzuführen, wobei nur etwa 0,1 % des Energieverbrauchs von entsprechenden digitalen Mikroprozessor-Lösungen benötigt werden.
  • Die elektronische Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist für relative Positionsmessung mit sehr hoher Auflösung über einen Bereich geeignet, der einer Teilung des einstrahlenden EMR-Musters entspricht. Um eine absolute Positionsmessung mit hoher Auflösung zu erhalten, die über diesem Bereich einer Teilung liegt, kann die Schaltung in Kombination mit einfachen, absoluten Strichcode-Messtechniken mit geringerer Auflösung verwendet werden. Beispielsweise können die Markierungen unter Verwendung von Markierungen mit variabler Breite verschlüsselt sein (z.B. eine binäre Dick/Dünn-Markierung), oder es kann alternativ eine separate Strichcode-Markierung auf der planaren oder zylindrischen Fläche des Kodierers vorgesehen sein. Allgemein werden bei Industrieprodukten und Konsumentenprodukten viele verschiedene Strichcode-Markierung-Verschlüsselungstechniken verwendet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung, die ein in Längsrichtung angeordnetes Array aus Detektoren für elektromagnetische Strahlung (EMR), zwei oder mehr Korrelator-Einheiten und eine Phasenwinkel-Berechnungseinheit aufweist, wobei die Schaltung die Messung der relativen Position von einem räumlich periodischen Intensitätsmuster von einstrahlender EMR ermöglicht, die auf das Array aus Detektoren auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung von dem Array aus EMR-Detektoren ausgestaltet ist, um kleiner zu sein als die Teilung des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR, dass jede Korrelator-Einheit ein Array aus Kondensatoren aufweist, die mit einem Puffer verbunden sind, dass jeder Detektor einen Ausgang hat, der von der einstrahlenden EMR abhängig ist, die auf diesen Detektor auftrifft, dass der Ausgang zu jeweils einem oder mehreren Kondensatoren in jeder der zwei oder mehr Korrelator-Einheiten kommuniziert wird, dass durch die Kapazitäten von dem einen oder den mehreren Kondensatoren ein Korrelator-Koeffizienten für diesen Detektor in Relation zu der jeweiligen Korrelator-Einheit bestimmt wird, dass die Höhe der Korrelator-Koeffizienten ausgestaltet ist, um periodisch in der Längsrichtung entlang der Länge des Arrays zu variieren, und zwar entsprechend einer vorbestimmten periodischen Gewichtungsfunktion, dass jede Korrelator-Einheit analog die gewichtete Summe der jeweiligen Detektor-Ausgänge entsprechend der jeweiligen vorbestimmten periodischen Gewichtungsfunktion für diese Korrelator-Einheit berechnet und eine analoge Darstellung von dieser gewichteten Summe an ihren zugehörigen Puffer ausgibt, dass die Gewichtungsfunktionen von den zwei oder mehr Korrelator-Einheiten gegenseitig um einen vorbestimmten Phasenwinkel versetzt sind, dass die Phasenwinkel-Berechnungseinheit mit den Puffern von jeder Korrelator-Einheit verbunden ist, und dass die Berechnung des relativen Phasenwinkels des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR und somit die relative Position davon ermöglicht wird, ausgerückt als der relative Phasenwinkel des Musters.
  • Es ist bevorzugt, dass jedes Array aus Kondensatoren von jeder Korrelator-Einheit ein erstes und ein zweites Kondensator-Sub-Array aufweist, wobei jedes der Kondensator-Sub-Arrays eine gemeinsame Platte und eine Vielzahl von oberen Platten aufweist, wobei die gemeinsame Platte des ersten Kondensator-Sub-Arrays mit dem positiven Eingang des Puffers der Korrelator-Einheit verbunden ist, die gemeinsame Platte des zweiten Kondensator-Sub-Arrays mit dem negativen Eingang des Puffers der Korrelator-Einheit verbunden ist, und jeder Detektor mit der oberen Platte des jeweiligen Kondensators des ersten Kondensator-Sub-Arrays der Korrelator-Einheit und mit der oberen Platte des jeweiligen Kondensators des zweiten Kondensator-Sub-Arrays der Korrelator-Einheit verbunden ist.
  • Es ist bevorzugt, dass der Ausgang von jedem Detektor eine Spannung ist, wobei der Detektor-Spannungsausgang als ein Eingang zu dem jeweiligen Kondensator von jedem von den ersten und zweiten Kondensator-Sub-Arrays von jeder der zwei oder mehr Korrelator-Einheiten über ein Array aus Schaltern zugeführt wird, wobei jeder Schalter zumindest zwei Zustände hat, einschließlich ein Kallibrierungszustand, in dem die oberen Platten der jeweiligen Kondensatoren mit einer Referenzspannung verbunden sind und der Puffer-Ausgang auf Null gesetzt ist, und ein Funktionszustand, in dem die oberen Platten der jeweiligen Kondensatoren mit der Detektor-Ausgangsspannung verbunden sind.
  • Es ist bevorzugt, dass der Eingang, der dem Kondensator des ersten Kondensator-Sub-Arrays zugeführt wird, gleich dem Eingang ist, der dem Kondensator des zweiten Kondensator-Arrays für jede Korrelator-Einheit zugeführt wird, wobei der Eingang einen Spannungsübergang von einer vordefinierten Referenzspannung zu der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung beinhaltet, und die Korrelator-Koeffizienten für jeden Detektor in Relation zu der jeweiligen Korrelator-Einheit daher die Differenz der Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren der ersten und zweiten Kondensator-Sub-Arrays ist.
  • Es ist alternativ bevorzugt, dass für jede Korrelator-Einheit ein positiver Korrelator-Koeffizient erzeugt wird, wenn der Eingang zu einem gegebenen Kondensator des ersten Kondensator-Sub-Arrays ein Spannungsübergang von einer vordefinierten Referenzspannung zu der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung ist und der Eingang zu dem jeweiligen Kondensator des zweiten Kondensator-Sub-Arrays ein Spannungsübergang von der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung zu der vordefinierten Referenzspannung ist, ein negativer Korrelator-Koeffizient erzeugt wird, wenn der Eingang zu einem gegebenen Kondensator des ersten Kondensator-Sub-Arrays ein Spannungsübergang von der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung zu der vordefinierten Referenzspannung ist und der Eingang zu dem jeweiligen Kondensator des zweiten Kondensator-Sub-Arrays ein Spannungsübergang von der vordefinierten Referenzspannung zu der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung ist, und der absolute Wert des Korrelator-Koeffizienten daher die Summe der Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren der ersten und zweiten Kondensator-Sub-Arrays ist.
  • Es ist bevorzugt, dass die elektronische Schaltung zwei Korrelator-Einheiten aufweist.
  • Es ist bevorzugt, dass die Korrelator-Koeffizienten sinusförmig entlang der Länge des Arrays variieren, eine Teilung haben, die gleich der Teilung des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR ist, die erste Korrelator-Einheit einen Phasenwinkel von null Grad hat und die sinus-gewichtete Summe der Detektor-Ausgänge berechnet, und die zweite Korrelator-Einheit einen Phasenwinkel von 90 Grad hat und die cosinus-gewichtete Summe der Detektor-Ausgänge berechnet.
  • Es ist bevorzugt, dass die oberen Platten der Kondensatoren eine gleiche Breite, und zwar gemessen in Längsrichtung des Arrays, und eine variierende Länge haben, gemessen senkrecht zu dieser Richtung.
  • Es ist alternativ bevorzugt, dass die oberen Platten der Kondensatoren die gleiche Länge und eine variierende Breite haben.
  • Es ist bevorzugt, dass die Teilung von dem Array aus Detektoren und die Gewichtungsfunktionen von jeder der Korrelator-Einheiten so ausgestaltet sind, dass jede der Gewichtungsfunktionen in der Mitte zwischen verschiedenen benachbarten Paaren von Detektoren des Arrays Null ist.
  • Es ist bevorzugt, dass die Teilung der Gewichtungsfunktionen von jeder der Korrelator-Einheiten ausgestaltet ist, um gleich der Teilung des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR zu sein.
  • Es ist bevorzugt, dass die elektronische Schaltung eine integrierte Schaltung ist.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der elektronischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung;
  • 3a ist eine Darstellung der Detektor-Ausgänge der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung;
  • 3b ist eine Darstellung der Korrelator-Koeffizienten der Sinus-Korrelator-Einheit der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung;
  • 3c ist eine Darstellung der Korrelator-Koeffizienten der Cosinus-Korrelator-Einheit der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung;
  • 4 ist eine grafische Darstellung von der Berechnung der relativen Position (oder relativen Phase α) der Sinus- und Cosinus-Korrelator-Einheiten der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung;
  • 5 ist eine schematische Schaltungsdarstellung von einer kapazitiven Korrelator-Einheit von dem Typ, wie er in der in 1 gezeigten elektronischen Schaltung verwendet wird;
  • 6 ist eine grafische Darstellung von zwei Abtast-Strategien für Gewichtungsfunktionen;
  • 7 ist eine grafische Darstellung der Abtast-Strategie für eine verbesserte Gewichtungsfunktion unter Verwendung von Fensterbildung;
  • 8 ist ein Beispiel von einem Bild, in dem eine Messauflösung von "unter ein Mikrometer" (normalerweise 0,01 μm) und Genauigkeit (normalerweise 0,1 μm) gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht wird, und zwar trotz der relativ schlechten Musterqualität der einstrahlenden EMR, die auf das Array aus Detektoren auftrifft, und einer niedrigen Positionsgenauigkeit (10 μm) der Kanten der einzelnen Markierungen auf der mit Markierungen versehenen Fläche des jeweiligen reflektierenden Kodierers.
  • Durchführung der Erfindung
  • Unter Bezugnahme auf 1 und 2 ist die elektronische Schaltung in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) gezeigt und weist ein Array 1 aus EMR-Detektoren, eine Sinus-Korrelator-Einheit 2, eine Cosinus-Korrelator-Einheit 3 und eine inverse Tangenten-Berechnungseinheit 4 auf. Das Array 1 beinhaltet eine Vielzahl von identischen EMR-sensitiven Photodioden-Detektoren 11, die jeweils einen analogen Spannungsausgang haben, der proportional zur Intensität der einstrahlenden EMR ist, die auf den jeweiligen Detektor auftrifft. Ein "Array-Index" 50 ist gezeigt, der bei "1" am linken Ende des Arrays 1 beginnt und auf "n" am rechten Ende des Arrays 1 ansteigt.
  • Die gleiche Array-Index-Konvention findet Anwendung bei dem Kondensator-Sub-Array 12 von positiven Kondensatoren und bei dem Kondensator-Sub-Array 13 von negativen Kondensatoren von sowohl der Sinus-Korrelator-Einheit 2 als auch der Cosinus-Korrelator-Einheit 3. Puffer 14 von jeder Korrelator-Einheit puffern den Ausgang der jeweiligen Kondensator-Sub-Arrays 12 und 13 mit einer einheitlichen Spannungsverstärkung. Das Kondensator-Sub-Array 12 von jeder Korrelator-Einheit beinhaltet eine positive gemeinsame Platte 20 und eine Vielzahl von positiven oberen Platten 16. Das Kondensator-Sub-Array 13 von jeder Korrelator-Einheit beinhaltet eine negative gemeinsame Platte 19 und eine Vielzahl von negativen oberen Platten 15. Die positive gemeinsame Platte 20 von jeder Korrelator-Einheit ist mit dem positiven Eingang des jeweiligen Puffers 14 verbunden, und die negative gemeinsame Platte 19 von jeder Korrelator-Einheit ist mit dem negativen Eingang des jeweiligen Puffers 14 verbunden. Jeder Detektor 11 ist mit jeweiligen positiven und negativen oberen Platten 16 und 15 der Sinus- und Cosinus-Korrelator-Einheiten 2 und 3 über ein Array von Schaltern 17 und direkten Verbindungen 18 verbunden. Somit kann der Ausgang von jedem Detektor 11 individuell auf vier obere Platten (d.h. zwei positive obere Platten 16 und zwei negative obere Platten 15) des gleichen Array-Index über einen einzigen Schalter geschaltet werden.
  • Die Kapazität von jeder oberen Platte ist proportional zu ihrer Fläche. Eine "periodische Gewichtungsfunktion" wird erhalten, indem die jeweiligen Flächen der oberen Platten als eine Funktion ihres Array-Index moduliert werden, wie in 2 gezeigt ist. Für die schematische Layout-Anordnung, die in 2 gezeigt ist, kann ein Korrelator-Koeffizient für jede Array-Index-Position für jede Korrelator-Einheit berechnet werden, der numerisch gleich der Differenz der entsprechenden Kapazitäten der positiven und negativen oberen Platten ist. Es ist bevorzugt, dass die Breite der oberen Platten 16 und 15 (gemessen in Längsrichtung des Arrays 1) gleich ist und lediglich deren Länge (gemessen senkrecht zu dieser Richtung) variiert, und zwar als eine Funktion des erforderlichen Korrelator-Koeffizienten. Diese differentielle Anordnung gewährleistet, dass unvorhersehbare Randkapazitäten beseitigt werden und dass für die Sinus-Korrelator-Einheit 2 und die Cosinus-Korrelator-Einheit 3 der entsprechende Korrelator-Koeffizient für jeden Detektor 11, und somit die gesamte periodische Gewichtungsfunktion für diese Korrelator-Einheit, genau durch die Variation hinsichtlich der Längendimension der entsprechenden positiven und negativen oberen Platten 16 und 15 gesteuert wird.
  • Das Prinzip der Funktion der elektronischen Schaltung wird nun unter Bezugnahme auf 3a-3c und 4 näher erläutert. Unter Bezugnahme auf 3a ist die Ausgangsspannung der Detektoren 11, ausgedrückt als eine Funktion des Array-Index, das Bild 31 des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR, die auf das Array 1 auftrifft. Der relative Phasenwinkel α von diesem Muster wird als ein Messwert seiner relativen Position berechnet. Die Teilung 35 des Array 1 ist ausgestaltet, um einige Male kleiner zu sein als die Teilung 34 des Bildes 31, wobei Letztere der Teilung des Musters der einstrahlenden EMR ist, die auf das Array 1 auftrifft. Es wird nun auf 3a, 3b, 3c Bezug genommen, wobei das Bild 31 des einstrahlenden EMR-Musters mit periodischen Gewichtungsfunktionen 32 und 33 korreliert, jeweils mit einer Teilung 37, die ausgestaltet ist, um gleich der Teilung 34 des Bildes 31 zu sein (und somit der Teilung des räumlich periodischen Intensitätsmusters des einstrahlenden EMR auf dem Array 1), aber mit verschiedenen Phasen. In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die periodischen Gewichtungsfunktionen 32 und 33 jeweils um 90 Grad voneinander versetzt, daher werden durch die Korrelation des Bildes 31 mit diesen periodischen Gewichtungsfunktionen auf effektive Weise orthogonale Vorsprünge des Bildes 31 erzeugt, die in 4 ausgedruckt sind. Die Sinus-Projektion durch eine ideale Sinus-Korrelator-Einheit ist das innere Produkt der Detektor-Ausgänge und der zugehörigen Korrelator-Koeffizienten und ist gegeben durch:
    Figure 00150001
    wobei
    • Vaus,Sinus
    der Ausgang der Sinus-Korrelator-Einheit ist,
    Vn
    der n-te Detektor-Ausgang ist, und
    Cn,Sinus
    der n-te Korrelator-Koeffizient der Sinus-Korrelator-Einheit ist.
  • Auf ähnliche Weise ist die Cosinus-Projektion gegeben durch:
    Figure 00160001
    wobei
    • Vaus,Cosinus
    der Ausgang der Cosinus-Korrelator-Einheit ist,
    Vn
    der n-te Detektor-Ausgang ist, und
    Cn,Cosinus
    der n-te Korrelator-Koeffizient der Cosinus-Korrelator-Einheit ist.
  • Der Muster-Phasenwinkel wird durch Berechnung der inversen Tangente von dem Verhältnis aus Sinus-Projektion und Cosinus-Projektion erhalten:
    Figure 00160002
  • Eine einfache kapazitive Korrelator-Einheit-Schaltung ist in 5 gezeigt und führt die folgenden Berechnung durch:
    Figure 00160003
    wobei
    • Vaus
    die Ausgangsspannung des jeweiligen Kondensator-Sub-Arrays an entweder dem positiven oder dem negativen Eingang des Puffers 14 ist,
    Vn
    der n-te Detektor-Ausgang ist,
    Cn
    die Kapazität von dem n-te Kondensator in dem jeweiligen Kondensator-Sub-Array ist,
    C0
    die parasitäre Kapazität an dem Additionsknoten ist, und
    CAlle
    die Summe von allen Kapazitäten für das Kondensator-Sub-Array ist.
  • Im Vergleich zu dem idealen Fall von Gleichung 1 finden wir hier ein proportionalen Term 1/CAlle. Der berechnete Phasenwinkel α wird nur dann korrigiert, wenn dieser proportionale Term für zwei Korrelator-Einheiten gleich ist. Wenn dies der Fall ist, dann wird dieser Term weggelassen, wenn das Verhältnis von Sinus-Projektion und Cosinus-Projektion berechnet wird, und wir erhalten das gleiche Ergebnis wie in Gleichung 3:
    Figure 00170001
  • Es wird nun auf 6a Bezug genommen, wobei es bevorzugt ist, dass die Korrelator-Koeffizienten erhalten werden, indem die Sinus- (oder Cosinus-) Gewichtungsfunktion 61 in einer solchen Weise abgetastet wird, dass der Nulldurchgang der Sinus-Gewichtungsfunktion genau in der Mitte zwischen zwei Abtastungen liegt. Auf diese Weise werden weder Null-Gewichtungen noch Gewichtungen erhalten, die gleich dem Maximum der Gewichtungsfunktion sind, und zwar durch Verwendung der Geometrie 62 der oberen Platten der Kondensatoren. Dadurch wird der erforderliche Dynamikbereich für Kondensatorgröße reduziert, Null-Gewichtung von Abtastungen vermieden, das Layout vereinfacht, das Verhältnis von praktischer Kapazität und gesamter Kapazität verbessert und daher das Signal/Rausch-Verhältnis der Korrelator-Einheiten erhöht.
  • Anhand von Erläuterung zeigt 6b den weniger bevorzugten Fall, bei dem die Sinus- (oder Cosinus-) Gewichtungsfunktion 63 so abgetastet wird, dass sowohl Null-Gewichtungen als auch Gewichtungen erhalten werden, die gleich dem Maximum der Gewichtungsfunktion sind, und zwar durch Verwendung der Geometrie 64 der oberen Platten der Kondensatoren.
  • 7 zeigt eine alternative Gewichtungsfunktion, wobei die ursprüngliche Sinus- (oder Cosinus-) Gewichtungsfunktion 71 mit einer Fenster-Funktion 72 multipliziert wird. Die resultierende Netto-Gewichtungsfunktion 73 hat in Richtung auf die Ränder abnehmende Elemente. Dies ist ein allgemein bekanntes Verfahren in der Signalverarbeitung, um unerwünschte Randeffekte zu vermindern. Solche Randeffekte gibt es beispielsweise dann, wenn die Markierungen (und somit Muster) nicht vollständig regelmäßig sind oder wenn die Markierungen (und somit Muster) in einer Weise moduliert sind – zum Beispiel dann, wenn eine Anordnung von Markierungen mit variierender Dicke (z.B. Dick/Dünn-Strichcode) verwendet wird, wie vorstehend beschrieben. In diesem Fall wurde gezeigt, dass mit Hilfe der Fenster-Technik der Phasenwinkel-Messfehler reduziert werden kann.
  • 8 zeigt ein Beispiel von einem Bild 83 eines räumlich periodischen Intensitätsmuster einstrahlender EMR, die auf ein Array aus Detektoren auftrifft, und zwar gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Bild liefert eine Auflösung von etwa 0,01 μm und eine Messgenauigkeit von 0,1 μm, und zwar trotz der relativ schlechten Bildqualität und der großen (etwa 10 μm) Positionsunsicherheiten der einzelnen Musterabschnitte, wie zum Beispiel Teilung 81 und Breite 82 der Regionen mit hoher Intensität der einstrahlenden EMR.
  • Die Quadratur-Interpolationstechnik, die unter Bezugnahme auf dieses Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, arbeitet mit zwei um 90 Grad versetzten Gewichtungsfunktionen: eine Sinus-Gewichtungsfunktion und eine Cosinus-Gewichtungsfunktion. Jedoch kann diese Technik auf mehr als zwei Gewichtungsfunktionen erweitert werden, was gewisse Vorteile haben kann. Erstens, die Messgenauigkeit wird statistisch erhöht, und zwar durch Redundanz, die durch Verwendung von mehr als zwei Gewichtungsfunktionen eingeführt wird. Zweitens, die Messgenauigkeit der Sinus/Cosinus-Technik ist bei 0, 90, 180, 270 Grad kleiner, da eine Korrelator-Einheit in der Nähe dieser Phasenwinkel einen sehr kleinen Ausgang erzeugt. Durch Verwendung von drei oder mehr Gewichtungsfunktionen mit versetzter Phase kann gewährleistet werden, dass es immer zumindest zwei Korrelator-Einheiten mit einem Ausgang ungleich Null gibt.

Claims (12)

  1. Elektronische Schaltung mit einem in Längsrichtung angeordneten Array aus Detektoren (1) für elektromagnetische Strahlung (EMR), zwei oder mehr Korrelator-Einheiten (2, 3) und einer Phasenwinkel-Berechnungseinheit (4), wobei die Schaltung die Messung der relativen Position eines räumlich periodischen Intensitätsmusters von einstrahlender EMR ermöglicht, die auf das Array aus Detektoren auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung (35) von dem Array aus EMR-Detektoren ausgestaltet ist, um kleiner zu sein als die Teilung (34) des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR, dass jede Korrelator-Einheit ein Array aus Kondensatoren (12, 13) aufweist, die mit einem Puffer (14) verbunden sind, dass jeder Detektor einen Ausgang hat, der von der einstrahlenden EMR abhängig ist, die auf diesen Detektor auftrifft, dass der Ausgang zu jeweils einem oder mehreren Kondensatoren in jeder der zwei oder mehr Korrelator-Einheiten kommuniziert wird, dass durch die Kapazitäten (15, 16) von dem einen oder den mehreren Kondensatoren ein Korrelator-Koeffizienten für diesen Detektor in Relation zu der jeweiligen Korrelator-Einheit bestimmt wird, dass die Höhe der Korrelator-Koeffizienten ausgestaltet ist, um periodisch in der Längsrichtung entlang der Länge des Arrays zu variieren, und zwar entsprechend einer vorbestimmten periodischen Gewichtungsfunktion, dass jede Korrelator-Einheit analog die gewichtete Summe der jeweiligen Detektor-Ausgänge entsprechend der jeweiligen vorbestimmten periodischen Gewichtungsfunktion für diese Korrelator-Einheit berechnet und eine analoge Darstellung von dieser gewichteten Summe an ihren zugehörigen Puffer ausgibt, dass die Gewichtungsfunktionen von den zwei oder mehr Korrelator-Einheiten gegenseitig um einen vorbestimmten Phasenwinkel versetzt sind, dass die Phasenwinkel-Berechnungseinheit mit den Puffern von jeder Korrelator-Einheit verbunden ist, und dass die Berechnung des relativen Phasenwinkels des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR und somit die relative Position davon ermöglicht wird, ausgedrückt als der relative Phasenwinkel des Musters.
  2. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der jedes Array aus Kondensatoren von jeder Korrelator-Einheit ein erstes (12) und ein zweites (13) Kondensator-Sub-Array aufweist, wobei jedes der Kondensator-Sub-Arrays eine gemeinsame Platte (20) und eine Vielzahl von oberen Platten (16) aufweist, wobei die gemeinsame Platte des ersten Kondensator-Sub-Arrays mit dem positiven Eingang des Puffers der Korrelator-Einheit verbunden ist, die gemeinsame Platte des zweiten Kondensator-Sub-Arrays mit dem negativen Eingang des Puffers der Korrelator-Einheit verbunden ist, und jeder Detektor mit der oberen Platte des jeweiligen Kondensators des ersten Kondensator-Sub-Arrays der Korrelator-Einheit und mit der oberen Platte des jeweiligen Kondensators des zweiten Kondensator-Sub-Arrays der Korrelator-Einheit verbunden ist.
  3. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, bei der der Ausgang von jedem Detektor eine Spannung ist, wobei der Detektor-Spannungsausgang als ein Eingang zu dem jeweiligen Kondensator von jedem von den ersten und zweiten Kondensator-Sub-Arrays von jeder der zwei oder mehr Korrelator-Einheiten über ein Array aus Schaltern (17) zugeführt wird, wobei jeder Schalter zumindest zwei Zustände hat, einschließlich ein Kallibrierungszustand, in dem die oberen Platten der jeweiligen Kondensatoren mit einer Referenzspannung verbunden sind und der Puffer-Ausgang auf Null gesetzt ist, und ein Funktionszustand, in dem die oberen Platten der jeweiligen Kondensatoren mit der Detektor-Ausgangsspannung verbunden sind.
  4. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, bei der der Eingang, der dem Kondensator des ersten Kondensator-Sub-Arrays zugeführt wird, gleich dem Eingang ist, der dem Kondensator des zweiten Kondensator-Sub-Arrays für jede Korrelator-Einheit zugeführt wird, wobei der Eingang einen Spannungsübergang von einer vordefinierten Referenzspannung zu der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung beinhaltet, und die Korrelator-Koeffizienten für jeden Detektor in Relation zu der jeweiligen Korrelator-Einheit daher die Differenz der Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren der ersten und zweiten Kondensator-Sub-Arrays ist.
  5. Elektronische Schaltung nach Anspruch 3, bei der für jede Korrelator-Einheit ein positiver Korrelator-Koeffizient erzeugt wird, wenn der Eingang zu einem gegebenen Kondensator des ersten Kondensator-Sub-Arrays ein Spannungsübergang von einer vordefinierten Referenzspannung zu der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung ist und der Eingang zu dem jeweiligen Kondensator des zweiten Kondensator-Sub-Arrays ein Spannungsübergang von der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung zu der vordefinierten Referenzspannung ist, ein negativer Korrelator-Koeffizient erzeugt wird, wenn der Eingang zu einem gegebenen Kondensator des ersten Kondensator-Sub- Arrays ein Spannungsübergang von der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung zu der vordefinierten Referenzspannung ist und der Eingang zu dem jeweiligen Kondensator des zweiten Kondensator-Sub-Arrays ein Spannungsübergang von der vordefinierten Referenzspannung zu der jeweiligen Detektor-Ausgangsspannung ist, und der absolute Wert des Korrelator-Koeffizienten daher die Summe der Kapazitäten der jeweiligen Kondensatoren der ersten und zweiten Kondensator-Sub-Arrays ist.
  6. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die elektronische Schaltung zwei Korrelator-Einheiten aufweist.
  7. Elektronische Schaltung nach Anspruch 6, bei der die Korrelator-Koeffizienten sinusförmig entlang der Länge des Arrays variieren, eine Teilung haben, die gleich der Teilung des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR ist, die erste Korrelator-Einheit einen Phasenwinkel von null Grad hat und die sinusgewichtete Summe der Detektor-Ausgänge berechnet, und die zweite Korrelator-Einheit einen Phasenwinkel von 90 Grad hat und die cosinus-gewichtete Summe der Detektor-Ausgänge berechnet.
  8. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, bei der die oberen Platten der Kondensatoren eine gleiche Breite, gemessen in Längsrichtung des Arrays, und eine variierende Länge hat, gemessen senkrecht zu dieser Richtung.
  9. Elektronische Schaltung nach Anspruch 2, bei der die oberen Platten der Kondensatoren die gleiche Länge und eine variierende Breite haben.
  10. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Teilung von dem Array aus Detektoren und die Gewichtungsfunktionen von jeder der Korrelator-Einheiten so ausgestaltet sind, dass jede der Gewichtungsfunktionen in der Mitte zwischen verschiedenen benachbarten Paaren von Detektoren des Arrays Null ist.
  11. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die Teilung der Gewichtungsfunktionen von jeder der Korrelator-Einheiten ausgestaltet ist, um gleich der Teilung des räumlich periodischen Intensitätsmusters der einstrahlenden EMR zu sein.
  12. Elektronische Schaltung nach Anspruch 1, bei der die elektronische Schaltung 1 eine integrierte Schaltung ist.
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