Patent DE-102015209716-B4 (DE)
Title: Optischer Codierer mit anpassbarer Auflösung
Inventor: TOBIASON JOSEPH DANIEL
IPC: G01B11/02
Filed: 2015-05-27
Granted: 2023-04-20
Abstract: Vorrichtung zum Messen der relativen Verlagerung zwischen zwei Elementen, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
 ein Skalengitter (310, 1310, 2310, 2410, 2510), das sich entlang einer Messachsenrichtung (MA, X) erstreckt und eine Skalenteilung P SF  aufweist;
 eine Beleuchtungsquelle (360, 1360, 2460, 2560), die eine Lichtquelle (330, 1330) umfasst, die Licht ausgibt, das eine Wellenlänge λ aufweist, und einen eine strukturierte Beleuchtung generierenden Abschnitt (350, 1350, 2450, 2550), der das Licht eingibt und eine strukturierte Beleuchtung (331', 1331', 2431A', 2431B') an das Skalengitter ausgibt, wobei die strukturierte Beleuchtung ein Beleuchtungsstreifenmuster umfasst, das quer zur Messachsenrichtung orientiert ist und das eine Beleuchtungsstreifenteilung P MI  in der Messachsenrichtung auf einer Ebene aufweist, die mit dem Skalengitter zusammenfällt;
 einen Bildgebungsabschnitt (380, 1380, 2480, 2580), der positioniert ist, um räumlich moduliertes Bildlicht (332, 1332, 2432) zu empfangen, das von dem Skalengitter ausgegeben wird, und ein betriebsfähiges periodisches Bild (SI, IMG2) des räumlich modulierten Bildlichts auszugeben, wenn das Skalengitter von der strukturierten Beleuchtung aus der Beleuchtungsquelle beleuchtet wird; und
 einen Detektorabschnitt (325, 1320), der einen Satz von jeweiligen optischen Detektoren (DETINC2) umfasst, die positioniert sind, um jeweils verschiedene Phasen des betriebsfähigen periodischen Bildes zu empfangen, wobei der Satz von jeweiligen optischen Detektoren eine Detektorteilung P d  in der Messachsenrichtung aufweist, wobei die Detektorteilung P d  einer Teilung zwischen den Detektorelementen entspricht, die einer bestimmten Detektorsignalphase entsprechen,
 wobei:
 der Bildgebungsabschnitt Folgendes umfasst:
 eine erste Linse (381, 1381), die positioniert ist, um das räumlich modulierte Bildlicht zu empfangen, das von dem Skalengitter übertragen wird, wobei die erste Linse eine Brennweite F aufweist, die einen Brennpunkt definiert, der sich zwischen der ersten Linse und dem Detektorabschnitt befindet;
 eine Apertur (382, 1382, 2481), die ungefähr an der Brennweite F zwischen der ersten Linse und dem Detektorabschnitt positioniert ist; und
 eine zweite Linse (383, 1383), die eine Brennweite Fs aufweist, wobei die zweite Linse zwischen der Apertur und dem Detektorabschnitt an der Brennweite Fs von der Apertur und in dem Abstand Z von dem Detektorabschnitt positioniert ist und konfiguriert ist, um Licht von der Apertur zu empfangen und das betriebsfähige periodische Bild zu formen;
 das räumlich modulierte Bildlicht Streifen umfasst, die sich aus der Interferenz von zwei Beugungsordnungen bilden, die sich um eine Wert Δn unterscheiden;
 die Apertur mit einer Aperturbreite AW entlang der Messachsenrichtung derart konfiguriert ist, dass AW = Z*λ* (a* (Δn+1) / (P MI P SF / ((P MI -P SF )*M)), wobei M ein Vergrößerungswert des Bildgebungsabschnitts ist, und der Wert von a größer als 0,5 und kleiner als 4,0 ist;
 das Skalengitter die strukturierte Beleuchtung eingibt und das räumlich modulierte Bildlicht ausgibt, das die strukturierte Beleuchtung umfasst, die mit einer Intensitätsmodulationshüllkurve moduliert wird, die eine räumliche Wellenlänge P IMESF  aufweist, die von der Skalenteilung P SF  und der Beleuchtungsstreifenteilung P MI  abhängt, und P SF  und P MI  ausgewählt werden, um mit der Detektorteilung P d  derart zusammenzuwirken, dass ΔnP MI P sF / (ΔnP MI -P SF ) = P IMESF  = m*P d /k, wenn die Lichtquelle inkohärentes Licht ausgibt, und ΔnP MI P sF / (2ΔnP MI -P SF ) = P IMESF  = m*P d /k, wenn die Lichtquelle kohärentes Licht ausgibt, wobei m eine Anzahl von Phasensignalen ist, die von dem Detektorabschnitt ausgegeben werden, und k eine ungerade Ganzzahl ist, und wobei die räumliche Wellenlänge P IMESF  größer als die Skalenteilung P SF  ist; und
 das Skalengitter (2310) einen ersten Skalengitterabschnitt (2310A) und einen zweiten Skalengitterabschnitt (2310B) umfasst, die parallel in der Messachsenrichtung (MA) angeordnet sind, wobei der zweite Skalengitterabschnitt einen räumlichen Phasenversatz von 0,5*P SF  relativ zum ersten Skalengitterabschnitt in der Messachsenrichtung aufweist, und sowohl der erste Skalengitterabschnitt als auch der zweite Skalengitterabschnitt zu dem betriebsfähigen räumlich modulierten Bildlicht beitragen, das von dem Skalengitter und dem betriebsfähigen periodischen Bild ausgegeben wird.