ES2693902T3 - Dispositivo óptico de medición de posición - Google Patents
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Abstract
Dispositivo óptico de medición de posición para la determinación de posición absoluta con - una medida materializada (10), que se extiende a lo largo de una dirección de medición y comprende al menos una división incremental (13) y una codificación absoluta (14) y - una unidad de exploración (20), que está dispuesta de manera que puede moverse relativamente con respecto a la medida materializada a lo largo de la dirección de medición y una fuente de luz (21), una rejilla de exploración (24) para la exploración óptica de la división incremental así como un dispositivo detector (25), en donde - el dispositivo detector (25) comprende un detector incremental (27) para generar señales incrementales desde la exploración óptica de la división incremental, así como un detector absoluto (26) para generar señales absolutas desde la exploración óptica de la codificación absoluta y el detector incremental (27) y el detector absoluto (26) están dispuestos en un plano de detección común, caracterizado por que el plano de detección presenta una distancia normal definida (v) desde la rejilla de exploración y/o la periodicidad (d3) de un patrón de franjas sobre el detector incremental (27; 127; 227) está seleccionada de tal modo que en el caso de una suciedad dispersora en la zona de la medida materializada (10; 110; 210) y/o de la rejilla de exploración (24; 124; 224) las amplitudes de las señales incrementales como también las amplitudes de las señales absolutas refractan uniformemente.
Description
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DESCRIPCION
Dispositivo optico de medicion de posicion Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a un dispositivo optico de medicion de posicion segun el preambulo de la reivindicacion 1. Este es adecuado para la determinacion de posicion absoluta de alta precision.
Estado de la tecnica
Un dispositivo optico de medicion de posicion absoluto de tipo generico se conoce por ejemplo por el documento US 5,235,181. Este comprende una medida materializada, que se extiende a lo largo de una direccion de medicion y una division incremental, asf como presenta una codificacion absoluta. Una unidad de exploracion esta dispuesta de manera que puede moverse relativamente con respecto a la medida materializada a lo largo de la direccion de medicion. La unidad de exploracion presenta una fuente de luz, una rejilla de exploracion para la exploracion optica de la division incremental, asf como un dispositivo detector. El dispositivo detector comprende un detector incremental para generar senales incrementales desde la exploracion optica de la division incremental, asf como un detector absoluto para generar senales absolutas desde la exploracion optica de la codificacion absoluta. De la combinacion de las senales absolutas y senales incrementales puede determinarse la posicion absoluta exacta de la unidad de exploracion con respecto a la medida materializada.
El documento EP 1045571 A divulga otro dispositivo de medicion de posicion segun el estado de la tecnica.
Los dispositivos de medicion de posicion de este tipo se utilizan por ejemplo en aplicaciones en las que en una maquina debe registrarse con gran exactitud la posicion de una pieza de maquina movil con respecto a una pieza de maquina estacionara para llevar a cabo a traves de un control de maquina un posicionamiento relativo exacto de estas piezas de maquina. Si en el caso de estas maquinas se trata por ejemplo de maquinas-herramienta entonces para el dispositivo optico de medicion de posicion se producen condiciones de utilizacion que pueden perjudicar dado el caso la funcionabilidad del mismo. Asf es posible que se deposite suciedad como lubricantes refrigerantes o neblina de aceite en componentes opticos del dispositivo de medicion de posicion, en particular sobre la medida materializada configurada por ejemplo como regla graduada de vidrio. Esto puede tener como consecuencia en el caso extremo la avena del dispositivo de medicion de posicion. Para evitar tales avenas condicionadas por la suciedad se conocen diversas medidas de proteccion para dispositivos opticos de medicion de posicion, con el fin de minimizar la probabilidad de aparicion de tales suciedades. A ello pertenece por ejemplo el encapsulamiento de la medida materializada con ayuda un perfil circundante, el lavado del perfil por medio de aire comprimido, la disposicion de filtros en unidades de aire comprimido etc. Sin embargo no en todos los casos puede impedirse que se ensucien componentes opticos del dispositivo de medicion de posicion a traves de tales influencias y se llega a un deterioro de la funcionabilidad del dispositivo de medicion de posicion.
Resumen de la invencion
La presente invencion se basa en el objetivo de crear un dispositivo optico de medicion de posicion para la determinacion de posicion absoluta a traves del cual se haga posible una exploracion optica de una medida materializada lo mas sensible posible a la suciedad y que garantice tambien en el caso de una suciedad eventual de componentes opticos una generacion fiable de senales de posicion.
Este objetivo se resuelve segun la invencion mediante un dispositivo optico de medicion de posicion con las caractensticas de la reivindicacion 1.
Realizaciones ventajosas del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion resultan de las medidas que estan realizadas en las reivindicaciones dependientes.
El dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion para la determinacion de posicion absoluta comprende una medida materializada, que se extiende a lo largo de una direccion de medicion y presenta al menos un division incremental y una codificacion absoluta asf como una unidad de exploracion que esta dispuesta de manera que puede moverse relativamente con respecto a la medida materializada a lo largo de la direccion de medicion y que comprende una fuente de luz, una rejilla de exploracion para la exploracion optica de la division incremental asf como un dispositivo detector. El dispositivo detector presenta un detector incremental para generar senales incrementales desde la exploracion optica de la division incremental, asf como un detector absoluto para generar senales absolutas desde la exploracion optica de la codificacion absoluta. El detector incremental y el detector absoluto estan dispuestos en un plano de deteccion comun. El plano de deteccion presenta una distancia normal definida (v) desde la rejilla de exploracion y/o la periodicidad de un patron de franjas sobre el detector incremental esta seleccionada de tal modo que en el caso de una suciedad dispersora en la zona de la medida materializada y/o de la rejilla de exploracion las amplitudes de las senales incrementales como tambien las amplitudes de las senales absolutas refractan uniformemente.
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En una forma de realizacion posible la distancia normal (v) entre la rejilla de exploracion y el plano de deteccion o esta seleccionada o bien segun
v := distancia normal entre rejilla de exploracion y plano de deteccion u := distancia normal entre medida materializada y rejilla de exploracion di := periodo de division de la division incremental sobre la medida materializada d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental
dABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion.
En una forma de realizacion adicional la periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental puede seleccionarse segun
d3 = 2 • (Jabs ± 10%
con
d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental
dABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion
Como alternativa es tambien posible que la distancia normal (v) entre la rejilla de exploracion y el plano de deteccion este seleccionada segun
con
v := distancia normal entre rejilla de exploracion y plano de deteccion u := distancia normal entre medida materializada y rejilla de exploracion di := periodo de division de la division incremental sobre la medida materializada d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental
dABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion
Con ventaja la exploracion optica de la division incremental se basa en un principio de exploracion de tres rejillas, en donde la primera rejilla expuesta en la trayectoria de los rayos de exploracion es la division incremental, la segunda rejilla expuesta es la rejilla de exploracion y la tercera rejilla expuesta es el detector incremental que esta configurado como detector estructurado.
Puede estar previsto que la exploracion optica de la codificacion absoluta se base en un principio de proyeccion de sombras y en este sentido se realice una proyeccion de las estructuras de la codificacion absoluta sin elementos de reproduccion opticos intercalados en el plano de deteccion hacia el detector absoluto.
En este sentido la codificacion absoluta puede estar configurada como codigo pseudoaleatorio.
En una forma de realizacion posible la medida materializada esta configurada como medida materializada de luz transmitida, en donde la division incremental como tambien la codificacion absoluta presentan en cada caso zonas dispuestas de manera alterna con diferentes propiedades de transmision
Ha resultado ventajoso cuando la distancia entre los lados dirigidos unos hacia otros de la medida materializada y de la unidad de exploracion esta seleccionada menor igual a 50pm.
Preferiblemente la unidad de exploracion comprende una unica fuente de luz para iluminar la division incremental y la codificacion absoluta.
Es ademas posible que este prevista una unidad de regulacion que, dependiendo de las amplitudes de senal de las senales incrementales periodicas actue sobre la intensidad de radiacion de la fuente de luz que siempre da como resultado una amplitud de senal predeterminada de las senales incrementales periodicas.
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Ademas ha resultado ventajoso cuando el detector incremental y el detector absoluto estan dispuestos conjuntamente en un chip detector.
Puede preverse ademas que entre la rejilla de exploracion y el dispositivo detector este dispuesto al menos parcialmente un medio de llenado transparente con un mdice de refraccion n > 1.
Adicionalmente es posible que la rejilla de exploracion este dispuesta en el interior del medio de llenado.
Como ventaja determinante de la presente invencion resulta una exploracion optica de la medida materializada especialmente insensible a la suciedad. Mas alla de la insensibilidad a la suciedad garantizada mediante las medidas de proteccion mecanicas conocidas puede garantizarse una insensibilidad de nuevo amplia en particular frente a suciedad dispersora. Por suciedad dispersora ha de entenderse a este respecto suciedad de este tipo a traves de la cual la direccion de propagacion de la luz vana al menos localmente. La insensibilidad puede alcanzarse a este respecto con una optica de exploracion sencilla y asequible que no requiere ningun componente complicado die como por ejemplo lentes de reproduccion. Tambien en condiciones cnticas puede aumentarse notablemente por tanto la disponibilidad de dispositivos de medicion de posicion opticos.
En determinadas aplicaciones es posible a este respecto incluso renunciar a una parte de las medidas de proteccion mecanicas mencionadas al principio, por lo cual pueden producirse ventajas considerables en los costes del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion.
Otros detalles y ventajas de la presente invencion se explican mediante la siguiente descripcion de ejemplos de realizacion del dispositivo de acuerdo con la invencion relacionados con las figuras.
Breve descripcion de los dibujos
Muestra la figura 1
la figura 2a la figura 2b la figura 2c la figura 3
una vista seccionada esquematica de un primer ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion;
una vista en planta de la medida materializada del primer ejemplo de realizacion de la figura 1;
una vista en planta de la placa de exploracion del primer ejemplo de realizacion de la figura 1;
una vista en planta del dispositivo detector del primer ejemplo de realizacion de la figura 1;
una representacion esquematica de la trayectoria de los rayos para la generacion de senales incrementales en el primer ejemplo de realizacion incluyendo parametros de sistema relevantes;
la figura 4a la figura 4b
Descripcion de los ejemplos de realizacion
una vista seccionada esquematica de un segundo ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion;
una vista seccionada esquematica de un tercer ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion.
Un primer ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion va a explicarse a continuacion mediante las figuras 1, 2a - 2c y 3. A este respecto la figura 1 muestra una vista seccionada esquematica, las figuras 2a - 2c vistas en planta desde arriba de la medida materializada, la placa de exploracion y el dispositivo detector, y la figura 3 una representacion de la trayectoria de los rayos para la generacion de senales incrementales incluyendo diversos parametros de sistema.
El dispositivo optico de medicion de posicion representado en las figuras comprende una medida materializada 10, que se extiende a lo largo de una direccion de medicion x lineal y presenta una division incremental 13 asf como una codificacion absoluta 12. Con respecto a la medida materializada 10 una unidad de exploracion 20 esta prevista de manera que puede moverse relativamente a lo largo de la direccion de medicion x, que presenta al menos una fuente de luz 21, una rejilla de exploracion 24 dispuesta sobre una placa de exploracion 23 para la exploracion de la division incremental 13 asf como un dispositivo detector 25. A este respecto el dispositivo detector 25 comprende un detector incremental 27 para generar senales incrementales desde la exploracion optica de la division incremental 13, asf como un detector absoluto 26 para generar senales absolutas desde la exploracion optica de la codificacion absoluta 12. El detector incremental 27 y el detector absoluto 26 estan dispuestos en la unidad de exploracion 20 representado en un plano de deteccion comun y colocados conjuntamente en un chip detector 25.1. En el ejemplo de realizacion esta indicada ademas una unidad de regulacion 30 de manera esquematizada que actua en la fuente de luz 21 dependiendo de las amplitudes de senal de las senales incrementales. La actuacion se realiza a este respecto de tal modo que resulta siempre una amplitud de senal predeterminada de las senales incrementales; en el
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caso de una amplitud de senal reducida las senales incrementales a traves de la unidad de regulacion 30 por consiguiente se aumenta por ejemplo la intensidad de radiacion de las fuente de luz etc.. Preferiblemente la unidad de regulacion 30, esta configurada como circuito electronico, igualmente en la unidad de exploracion 20. La unica fuente de luz 21 en el dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion sirve a este respecto tanto para iluminar la division incremental 13 como tambien para iluminar la codificacion absoluta 12 sobre la medida materializada 10.
La medida materializada 10 y la unidad de exploracion 20 del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion estan unidas habitualmente con componentes de maquina que pueden moverse los unos hacia los otros a lo largo de la direccion de medicion x. A partir de las senales absolutas y senales incrementales generadas con ayuda del dispositivo optico de medicion de posicion puede determinarse la posicion absoluta de la unidad de exploracion 20 a lo largo de la direccion de medicion x con respecto a la medida materializada 10 y alimentarse a una unidad de control de maquina - no representada, que asume por tanto el control de movimiento de los componentes de maquina moviles. Como alternativa a la transmision de la informacion de posicion absoluta a la unidad de control de maquina, por ejemplo a traves de una interfaz de datos en serie adecuada, puede estar prevista naturalmente tambien la transmision de las senales absolutas y senales incrementales generadas a traves del dispositivo de medicion de posicion de acuerdo con la invencion a la unidad de control de maquina que combina entonces no antes las senales absolutas y senales incrementales transmitidas en un valor de posicion absoluto.
El dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion en el primer ejemplo de realizacion representado esta configurado como sistema de luz transmitida. Como medida materializada 10 funciona una medida materializada de luz transmitida, que se compone de un soporte de medida materializada 11, por ejemplo una lamina de cristal, que presenta sobre una superficie dos pistas paralelas, que se extienden a lo largo de la direccion de medicion x, y en las que esta dispuesta la division incremental 13 asf como la codificacion absoluta 12. La division incremental 13 y la codificacion absoluta 12 presentan en este sentido en cada caso zonas dispuestas de manera alterna 13a, 13b o 12a, 12b con diferentes propiedades de transmision, es decir la division incremental 13 y la codificacion absoluta 12 estan configuradas como rejilla de amplitud. En el presente caso las zonas representadas en negro 12b, 13b estan configuradas opacas y las zonas representadas en claro 12a, 13a transparentes.
La generacion de las senales absolutas se realiza en el ejemplo de realizacion mostrado a traves de la exploracion optica de la codificacion absoluta 12 mediante un principio de proyeccion de sombras. En este sentido la codificacion absoluta 12 configurada con zonas 12a, 12b transparentes y opacas dispuestas de forma aperiodica como codigo pseudoaleatorio (PRC) se ilumina en la medida materializada 10 con un haz de rayos colimado a traves de la lente 22 y proyecta las estructuras o zonas 12a, 12b de la codificacion absoluta 12 sin elementos de reproduccion opticos intercalados en el plano de deteccion del detector absoluto 26. Los haces de rayos correspondientes atraviesan tras el paso de la codificacion absoluta 12 sobre la medida materializada 10 una zona de ventana transparente 28 en la placa de exploracion 23, que esta prevista en la direccion y adyacente a la rejilla de exploracion 24 e inciden entonces en el plano de deteccion en el detector absoluto 26. El detector absoluto 26, tal como puede verse a partir de la figura 2c esta configurado como sensor de lmeas o matriz CCD, que se compone de un gran numero de elementos detectores 26.1 - 26.n individuales, rectangulares, electroopticos, que estan dispuestos en la direccion de medicion x los unos contiguos a los otros.
Para la generacion de las senales incrementales a partir de la division incremental 13 en el dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion se utiliza un principio de exploracion de tres rejillas, como se conoce por ejemplo por la publicacion de R. Pettigrew con el tftulo "Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology en SPIE Vol. 36, 1st European Congress on Optics applied to Metrology (1977), pag. 325 - 33. En este sentido la division incremental 13 periodica representa la primera rejilla en la trayectoria de los rayos de exploracion que se ilumina mediante el haz de rayos colimado a traves de la lente 22. La division incremental 13 posee el periodo de division d-i, que indica la suma de los anchos de zonas de division incremental 13a, 13b transparentes y opacas dispuestas de manera consecutiva en la direccion de medicion x. Como segunda rejilla expuesta en la trayectoria de los rayos de exploracion funciona la rejilla de exploracion 24 en la unidad de exploracion 20, que esta dispuesta distanciada de la division incremental 13en la distancia normal u en la direccion de propagacion de los rayos. La rejilla de exploracion 24 configurada en el presente ejemplo como rejilla de amplitud posee el periodo de division d2, que indica la suma de los anchos de zonas de rejilla de exploracion 24a, 24b dispuestas de manera consecutiva impermeables y transparentes en la rejilla de exploracion 24 en la direccion de medicion x. La tercera y la ultima rejilla en la trayectoria de los rayos de exploracion de senal incremental representa finalmente el detector incremental 27 que esta configurado como detector estructurado y se compone de un gran numero de elementos de detectores 27.1 - 27.n rectangulares, electroopticos en el plano de deteccion que estan dispuestos allf periodicamente a lo largo de la direccion de medicion x. El detector incremental 27 esta dispuesto a este respecto en la direccion de propagacion de los rayos en la distancia normal v distanciado de la rejilla de exploracion 24.
En el plano de deteccion o en el detector incremental 27 en esta exploracion, de la interaccion del haz de rayos emitido por la fuente de luz 21 con la division incremental 13 y la rejilla de exploracion 24 resulta un patron de franjas periodico, en donde el patron de franjas presenta la periodicidad d3. De la publicacion anteriormente citada se conocen a este respecto las relaciones explicadas en las siguientes ecuaciones 1) y 2) entre la periodicidad d3 del
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patron de franjas y los otros parametros de sistema geometricos del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion:
con:
di := periodo de division de la division incremental sobre la medida materializada d2 := periodo de division de la rejilla de exploracion d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental v := distancia normal entre rejilla de exploracion y plano de deteccion u := distancia normal entre medida materializada y rejilla de exploracion
En el caso de un movimiento relativo de medida materializada 10 y unidad de exploracion 20 a lo largo de la direccion de medicion x el patron de franjas generado se desplaza en el plano de deteccion a traves del detector incremental 27. Con ayuda del gran numero de elementos detectores 27.1 - 27.n del detector incremental 27 pueden generarse a este respecto de manera conocida varias senales incrementales sinusoidales desfasadas entre sf, por ejemplo tres senales incrementales 120° entre sf o tambien cuatro senales incrementales desfasadas en cada caso 90° entre sf
De la combinacion o facturacion de las senales incrementales de alta resolucion generadas de este modo con las senales absolutas de baja resolucion puede determinarse entonces de la manera habitual por ejemplo la posicion absoluta de la unidad de exploracion movil 20 a lo largo de la direccion de medicion x.
En el marco de la presente invencion se detecto ahora que en particular a traves de una suciedad dispersora de determinados componentes en la trayectoria de los rayos de exploracion se influye considerablemente en la sensibilidad de todo el sistema. A este respecto por una suciedad dispersora ha de entenderse una suciedad a traves de la cual la direccion de rayos de luz que inciden en la mismos vana al menos localmente de su direccion original. En este sentido es posible que una suciedad dispersora de este tipo aparezca por ejemplo solo en la medida materializada 10, solo en la rejilla de exploracion 24 o dado el caso tanto en la medida materializada 10 y rejilla de exploracion 24. A este respecto estan amenazadas de suciedad principalmente ambas superficies de la medida materializada 10, asf como el lado de la placa de exploracion 23 con la rejilla de exploracion 24, que esta orientado en la direccion de la medida materializada 10. Puede provocarse una suciedad dispersora en el funcionamiento por ejemplo mediante gotas de lfquido, que se acumulan sobre las superficies de los componentes mencionados, por ejemplo lubricantes refrigerantes condensados, neblina de aceite etc., tal como aparecen normalmente en las aplicaciones que se han mencionado con anterioridad.
La influencia negativa de la suciedad dispersora de este tipo en la exploracion puede minimizarse segun la invencion al cumplirse determinadas condiciones geometricas con respecto a parametros de sistema individuales en el dispositivo optico de medicion de posicion. A estas pertenece la seleccion de una distancia normal definida v entre el plano de deteccion y la rejilla de exploracion 24 y/o la seleccion de una periodicidad d3 definida del patron de franjas generado sobre el detector incremental 17. La distancia normal v y/o la periodicidad d3 se seleccionan a este respecto segun la invencion de tal modo que, en el caso de una suciedad dispersora en la zona de la medida materializada 10 y/o de la rejilla de exploracion 24, las amplitudes de las senales incrementales como tambien las amplitudes de las senales absolutas refractan uniformemente. Se pretende por consiguiente segun la invencion que la suciedad dispersora ejerza la misma influencia en la medida de lo posible en las senales incrementales como tambien en las senales absolutas. Para ello, segun la presente invencion es necesario que determinados parametros de sistema geometricos se seleccionen de otro modo de lo que requerina la teona correspondiente de las generacion de senales incrementales o generacion de senales absolutas.
En el caso de la utilizacion de una regulacion de fuente de luz la misma influencia de la suciedad dispersora en ambas senales tiene como consecuencia entonces que a traves de la unidad de regulacion 30 correspondiente pueden compensarse ambas senales con el mismo valor. Por lo tanto tambien en el caso de una suciedad dispersora se presentan senales incrementales y senales absolutas constantes; la disponibilidad del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion puede aumentarse con ello considerablemente.
A este respecto se ha demostrado que una seleccion de la distancia normal v entre la rejilla de exploracion 24 y el plano de deteccion segun una de ambas relaciones siguientes 3.1) o 3.2) ha resultado ventajosa con respecto a la suciedad dispersora en la medida materializada 10 y la insensibilidad a la suciedad de todo el sistema:
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v := distancia normal entre rejilla de exploracion y plano de deteccion u := distancia normal entre medida materializada y rejilla de exploracion di := periodo de division de la division incremental sobre la medida materializada d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental
dABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion
La tolerancia indicada de aproximadamente ± 10% con respecto a la distancia normal v ideal, teorica resulta de examenes experimentales. Estos han mostrado que la seleccion de acuerdo con la invencion de la distancia normal v dentro de un intervalo de tolerancia determinado en el valor ideal garantiza todavfa un comportamiento suficientemente bueno en el caso de suciedad dispersora.
En el ejemplo de realizacion concreto del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion con los parametros de sistema di = 20pm, d3 = 80pm, u = 0,376mm, dABs = 210pm y A = 850nm se producen las distancias normales optimizadas v = 1,203mm ± 10% segun la ecuacion 3.1) y v = 1,946mm ± 10% segun la ecuacion 3.2) para un sistema global notablemente mas insensible a la suciedad.
En el caso de una suciedad dispersora en la zona de la rejilla de exploracion 24 segun la invencion debe alcanzarse una insensibilidad a la suciedad considerablemente aumentada cuando la periodicidad d3 del patron de franjas sobre el detector incremental 27 esta seleccionada igual al doble de ancho dABs de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta 12 a lo largo de la direccion de medicion x adicionalmente a una tolerancia determinada, es decir
d3 = 2 • dABs ± 10 % (ecuacion 4)
con:
d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental
dABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion
En este caso el plano de deteccion puede colocarse mantenimiento la condicion anteriormente citada 4) en cada distancia normal v discrecional desde la rejilla de exploracion 24; la elevada insensibilidad a la contaminacion esta garantizada. Partiendo de la periodicidad d3 del patron de franjas periodico sobre el detector incremental 27 y los parametros de sistema u, d1 adicionales mediante la aplicacion de las ecuaciones 1) y 2) anteriormente citadas se determina la magnitud d2 y finalmente basandose en las ecuaciones 3.1) / 3.2) se fija la distancia normal v.
si ha de esperarse una suciedad dispersora tanto sobre la medida materializada 10 como en la zona de la rejilla de exploracion 24 entonces segun la invencion la distancia normal v se selecciona entre la rejilla de exploracion 24 y el plano de deteccion segun la siguiente ecuacion 5):
(ecuacion 5)
con:
v := distancia normal entre rejilla de exploracion y plano de deteccion u := distancia normal entre medida materializada y rejilla de exploracion d1 := periodo de division de la division incremental sobre la medida materializada d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incremental
dABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion
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En un ejemplo de realizacion concreto del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion con los parametros de sistema di = 20pm, d3 = 80pm, u = 0,376mm, dABs = 210pm y A = 850nm se produce la distancia normal v = 0,716mm ± 10% para un sistema global notablemente mas insensible a la suciedad.
En la practica la rejilla de exploracion 24 y/o el volumen entre rejilla de exploracion 24 y los detectores 26, 27 en general pueden encapsularse adecuadamente, es decir protegerse eficazmente frente a influencia del entorno. La medida materializada 10, en caso de sistemas de luz transmitida en particular su lado trasero, en cambio esta desprotegido, de modo que por ejemplo los lfquidos condensados en la misma en forma de gotitas representan una pelmula que se configura encima, que se dispersa intensamente. Para una forma de este tipo de una suciedad dispersora es ventajosa entonces por ejemplo una optimizacion del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion segun las ecuaciones 3.1) o 3.2) anteriormente mencionadas.
La contaminacion en el lado desprotegido de la placa de exploracion 23 y el lado de la medida materializada 10, que esta dirigido hacia la placa de exploracion 23 puede limitarse en la practica ademas mediante un intersticio de exploracion muy estrecho en el intervalo entre 10 - 100pm, preferiblemente mediante un intersticio de exploracion menor de 50pm. Por intersticio de exploracion ha de entenderse a este respecto el espacio entre los lados dirigidos unos hacia otros o superficies de delimitacion de la medida materializada 10, por un lado, y de la unidad de exploracion 20, por otro lado. Pueden formarse entonces unicamente gotitas muy pequenas en el intersticio de exploracion. En el lado delantero enfrentado de la medida materializada 10, que esta orientado opuesto a la unidad de exploracion 20 no existe esta delimitacion. Una optimizacion del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion segun las relaciones 3.1) o 3.2) es por lo tanto especialmente ventajosa. Por lo tanto el sistema global esta optimizado al mismo tiempo tambien con respecto a una suciedad del lado delantero de la medida materializada 10, de modo que como superficie que puede ensuciarse de manera unica con elevada sensibilidad queda la superficie orientada hacia fuera de la placa de exploracion 23.
Una vista seccionada de un segundo y tercer ejemplo de realizacion del dispositivo optico de medicion de posicion de acuerdo con la invencion se muestra en cada caso en las figuras 4a y 4b. A continuacion van a explicarse unicamente las diferencias determinantes con respecto al primer ejemplo de realizacion.
Asf en el segundo ejemplo de realizacion segun la figura 4a esta previsto disponer en el espacio entre la rejilla de exploracion 124 y el dispositivo detector 127 al menos parcialmente un medio de llenado transparente 129 que posee un mdice de refraccion n > 1. Como medio de llenado correspondiente 129 puede preverse por ejemplo vidrio o un material de plastico transparente que en este caso esta configurado en forma de placa, y esta dispuesto en la zona entre rejilla de exploracion 124 y dispositivo detector 127. El medio de llenado 129 puede comprender por lo demas tambien varios materiales, por ejemplo vidrio y una capa de adhesivo seleccionada de manera adecuada. En el ejemplo representado el medio de llenado 129 llena esta zona completamente. La rejilla de exploracion 124 esta dispuesta a este respecto en el lado del medio de llenado 129 que esta dispuesto en la direccion de la medida materializada 110. A traves del medio de llenado 129 la distancia normal v entre la rejilla de exploracion 124 y el dispositivo detector 127 puede regularse de manera muy exacta. Ademas con ello queda garantizado que no pueda penetrar lfquido de condensacion alguno en la zona entre rejilla de exploracion 124 y dispositivo detector 127 y de este modo se perturbe dado el caso la generacion de senales.
Si esta previsto un medio de llenado 129 de este tipo en la zona entre la rejilla de exploracion 124 y el dispositivo detector 127 o el plano de deteccion, entonces, en la aplicacion de las ecuaciones que se han aplicado anteriormente debe prestarse atencion a que la distancia normal v se corrige con respecto al mdice de refraccion n del medio de llenado 129, dado que los haces de rayos correspondientes recorren entonces longitudes de onda opticas modificadas. Esto significa que en las ecuaciones anteriormente citadas la distancia normal v ha de sustituirse en cada caso por la expresion v/n.
En el tercer ejemplo de realizacion segun la figura 4b se muestra una modificacion de la segunda variante anterior. De este modo en la unidad de exploracion 220 el espacio delante del dispositivo detector 227 esta configurado de nuevo lleno completamente con un medio de llenado transparente, en forma de placa que en el presente ejemplo de realizacion se compone de ambas placas de vidrio 229, 230; la rejilla de exploracion 224 configurada como rejilla de fases o rejilla de amplitud esta dispuesta ahora sin embargo en el interior del medio de llenado y protegida por ello frente a deterioro o contaminacion. Tales rejillas de amplitud o rejillas de fase pueden instalarse por ejemplo sobre la placa de vidrio 229 que funciona por ejemplo como cristal de soporte que se pega despues en la otra placa de vidrio 230. De este modo puede configurarse ademas una distancia especialmente pequena entre la division incremental 213 dispuesta sobre la medida materializada 210 y la superficie lfmite de la unidad de exploracion 220, a traves de la cual puede provocarse un aplanamiento de gotitas de lfquido sobre la superficie de la medida materializada 10.
Ademas de los ejemplos de realizacion descritos en concreto existen en el marco de la presente invencion naturalmente tambien otras posibilidades de configuracion adicionales.
De este modo por ejemplo tambien es posible que la division incremental y la codificacion absoluta no esten dispuestas como en el ejemplo de realizacion anterior en dos pistas separadas sobre la medida materializada, sino que esten integradas en una pista comun, que se ilumina por una unica fuente de luz.
Como alternativa a la configuracion como rejilla de amplitud o como rejilla de fase con una desviacion de fase de 90° la rejilla de exploracion puede estar configurada tambien como rejilla de fase con una desviacion de fase de 180°. En la publicacion mencionada anteriormente de R. Pettigrew sobre el principio de exploracion para la generacion de senales incrementales esto corresponde a la representacion en el denominado diagrama de difraccion. En este caso 5 en las relaciones 1) y 2) el periodo de division d2 debe sustituirse por 1/2 d2, las relaciones 3.1), 3.2), 4) y 5) siguen
siendo validas sin modificacion alguna.
Adicionalmente no es obligatorio que en la unidad de exploracion el espacio entre la rejilla de exploracion y el dispositivo detector este lleno completamente con un medio de llenado transparente con un mdice de refraccion n > 10 1; es concebible por lo tanto tambien que este espacio este lleno solo parcialmente con un medio de llenado
correspondiente. En este caso sin embargo ha resultado ventajoso cuando zonas en el espacio llenas de aire entre la rejilla de exploracion y el dispositivo detector se obturan adecuadamente para evitar suciedad en ese lugar.
Naturalmente pueden configurarse segun la invencion dispositivos de medicion de posicion opticos tanto lineales 15 como tambien rotatorios etc...
Claims (14)
- 510152025303540455055REIVINDICACIONES1. Dispositivo optico de medicion de posicion para la determinacion de posicion absoluta con- una medida materializada (10), que se extiende a lo largo de una direccion de medicion y comprende al menos una division incremental (13) y una codificacion absoluta (14) 5 y- una unidad de exploracion (20), que esta dispuesta de manera que puede moverse relativamente con respecto a la medida materializada a lo largo de la direccion de medicion y una fuente de luz (21), una rejilla de exploracion (24) para la exploracion optica de la division incremental asf como un dispositivo detector (25), en donde- el dispositivo detector (25) comprende un detector incremental (27) para generar senales incrementales desde la exploracion optica de la division incremental, asf como un detector absoluto (26) para generar senales absolutas desde la exploracion optica de la codificacion absoluta y el detector incremental (27) y el detector absoluto (26) estan dispuestos en un plano de deteccion comun,caracterizado por que el plano de deteccion presenta una distancia normal definida (v) desde la rejilla de exploracion y/o la periodicidad (d3) de un patron de franjas sobre el detector incremental (27; 127; 227) esta seleccionada de tal modo que en el caso de una suciedad dispersora en la zona de la medida materializada (10; 110; 210) y/o de la rejilla de exploracion (24; 124; 224) las amplitudes de las senales incrementales como tambien las amplitudes de las senales absolutas refractan uniformemente.
- 2. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la distancia normal (v) entre la rejilla de exploracion (24; 124; 224) y el plano de deteccion se selecciona o segun
imagen1 imagen2 conv := distancia normal entre rejilla de exploracion y plano de deteccion u := distancia normal entre medida materializada y rejilla de exploracion d1 := periodo de division de la division incremental sobre la medida materializada d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incrementaldABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion. - 3. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la periodicidad (d3) del patron de franjas sobre el detector incremental (27; 127; 227) esta seleccionada segun
imagen3 cond3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incrementaldABs:= ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion - 4. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la distancia normal (v) entre la rejilla de exploracion (24; 124; 224) y el plano de deteccion esta seleccionada segun
imagen4 conv := distancia normal entre rejilla de exploracion y plano de deteccion u := distancia normal entre medida materializada y rejilla de exploracion d1 := periodo de division de la division incremental sobre la medida materializada d3 := periodicidad del patron de franjas sobre el detector incrementaldABs := ancho de la estructura mas pequena de la codificacion absoluta en la direccion de medicion - 5. Dispositivo optico de medicion de posicion segun al menos una de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizado por510152025303540que la exploracion optica de la division incremental (13; 113; 213) se basa en un principio de exploracion de tres rejas, en donde la primera rejilla expuesta en la trayectoria de los rayos de exploracion es la division incremental (13; 113; 213), la segunda rejilla expuesta es la rejilla de exploracion (24; 124; 224) y la tercera rejilla expuesta es el detector incremental (27; 127; 227) que esta configurado como detector estructurado.
- 6. Dispositivo optico de medicion de posicion segun al menos una de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizado por que la exploracion optica de la codificacion absoluta (12; 112; 212) se basa en un principio de proyeccion de sombras y en este sentido se realiza una proyeccion de las estructuras de la codificacion absoluta (12; 112; 212) sin elementos de reproduccion opticos intercalados en el plano de deteccion sobre el detector absoluto (26; 126; 226).
- 7. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 6, caracterizado por que la codificacion absoluta (12; 112; 212) esta configurada como codigo pseudoaleatorio.
- 8. Dispositivo optico de medicion de posicion segun al menos una de las reivindicaciones 1 - 4, caracterizado por que la medida materializada (10; 110; 210) esta configurada como medida materializada de luz transmitida, en donde la division incremental (13; 113; 213) como tambien la codificacion absoluta (12; 112; 212) presentan en cada caso zonas dispuestas de manera alterna con diferentes propiedades de transmision
- 9. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el intersticio de exploracion entre los lados dirigidos unos hacia otros de la medida materializada (10; 110; 210) y de la unidad de exploracion (20; 120; 220) esta seleccionado menor igual a 50pm.
- 10. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la unidad de exploracion (20; 120; 220) comprende una unica fuente de luz (21; 121; 221) para iluminar la division incremental (13; 113; 213) y la codificacion absoluta (12; 112; 212).
- 11. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por una unidad de regulacion (30), que dependiendo de las amplitudes de senal de las senales incrementales periodicas actua de tal modo sobre la intensidad de radiacion de la fuente de luz (21; 121; 221) que siempre da como resultado una amplitud de senal predeterminada de las senales incrementales periodicas.
- 12. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el detector incremental (27; 127; 227) y el detector absoluto (26; 126; 226) estan dispuestos conjuntamente en un chip detector.
- 13. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que entre la rejilla de exploracion (24; 124; 224) y el dispositivo detector (25; 125; 225) esta dispuesto al menos parcialmente un medio de llenado transparente con un mdice de refraccion n > 1.
- 14. Dispositivo optico de medicion de posicion segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la rejilla de exploracion (24; 124; 224) esta dispuesta en el interior del medio de llenado.
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