DE19518714A1 - Optical sensor with measuring body - Google Patents

Abstract

The measuring system (M) has a micro (S,facet), which by means of a diffractively working optical units (DOE), is imaged on a light sensitive screen as a pattern in the receiver (R). The diffractive optical system (DOE) is integrated in the measuring system (M). The light source is a laser. The diffractive optical system (DOE) is arranged between the measuring system (M) and the light sensitive screen. The light source is a LED. The transmitter is designed as a rotary transmitter, and the measuring system (M) is a pulse disc with a microstructure (S), produced according to the method for compact discs.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Geber, insbesondere Dreh­ geber, und betrifft einen Geber gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is in the field of optical encoders, especially rotary encoder, and relates to an encoder according to the preamble of claim 1.

Das bisher verwendete Grundprinzip bei optischen Gebern besteht darin, daß auf einem Maßkörper, bei Drehgebern bspw. eine runde Scheibe, ein hoch­ präzises Strichgitter aufgebracht wird. Dieses Gitter kann sowohl streng peri­ odisch als auch aperiodisch codiert sein. Um die Positions- und Geschwindig­ keitsinformation aus diesem Gitter zu erkennen, wird dieses Gitter durch­ leuchtet und die Lichtschwankungen, die sich durch unterschiedliche Kodie­ rung oder bei periodischen Gittern durch die Bewegung ergeben, werden mit Hilfe von lichtempfindlichen Elementen gemessen. Dieses Prinzip hat sich sehr bewährt, da die Digitalisierung bereits auf dem Maßkörper realisiert wird. Allerdings ergeben sich daraus auch ernsthafte Einschränkungen. Be­ dingt durch die nicht zu vermeidende Divergenz, kann das Gitter nicht belie­ big klein/eng gemacht werden. Dies ist eine wesentliche Einschränkung bei der Realisierung sehr hoher Auflösungen oder bei der Herstellung von Dreh­ gebern mit sehr kleinen Scheibendurchmessern. Bis anhin versuchte man diese Grenze damit zu verschieben, indem man die entsprechenden Leseköpfen sehr nahe am Gitter positionierte oder indem man weitere Linsen und Blen­ den in den Strahlengang einbrachte.The basic principle used so far in optical sensors is that on a measuring body, with encoders, for example, a round disc, a high precise line grid is applied. This grid can be both strictly peri be coded odically as well as aperiodically. To the position and speed This grid is recognized by this grid lights up and the light fluctuations that are characterized by different codie tion or, in the case of periodic grids, caused by the movement, with Measured using photosensitive elements. This principle has changed very proven, since digitization is already realized on the measuring body becomes. However, this also results in serious restrictions. Be due to the unavoidable divergence, the grid cannot be used big be made small / tight. This is a major limitation in the realization of very high resolutions or in the production of filming encoders with very small disc diameters. So far, people have tried this Border to move by using the appropriate read heads  positioned very close to the grid or by adding more lenses and lenses which brought into the beam path.

Die kostenmäßig attraktivere Lösung, nämlich das Reduzieren des Abstandes des Lesekopfes, ist besonders dann hinderlich, wenn die Geber keine Eigen­ lagerung besitzen. Um diese an und für sich kostengünstige Bauweise einset­ zen zu können, müssen, um die gewünschte und auch mögliche Meßgenau­ igkeit zu erhalten, die Lagerungen der Maschine (Längengeber) bzw. des Motors (Drehgeber) wesentlich genauer und damit teurer ausgeführt werden, als es die Funktion der Maschine bzw. des Motors erfordern würde.The more cost-effective solution, namely reducing the distance of the reading head, is particularly a hindrance when the donors do not have their own own storage. To use this, in itself, inexpensive construction to be able to measure the desired and also possible accuracy to maintain the bearings of the machine (length encoder) or the Motors (encoders) are carried out much more precisely and therefore more expensive, than the function of the machine or motor would require.

Es besteht nun die Möglichkeit, anstatt ein Schattenwurfbild auf den licht­ empfindlichen Elementen zu erzeugen, eine echte Abbildung des Gitters auf die Photodioden zu projizieren. Dazu muß nun, nicht etwa wie zu erwarten wäre, eine Optik aus einzelnen Linsen- und Blendenelementen aufgebaut werden, sondern mit der hier nachfolgend vorgestellten Erfindung sind opti­ sche Funktionen als feine, beugende Gitterstrukturen in dem Kodierungsgitter und auf den lichtempfindlichen Elementen entsprechende Diodenmuster untergebracht. Dies wird erfindungsgemäß mit diffraktiven optischen Elemen­ ten, sogenannten DOEs realisiert.It is now possible to place a shadow image on the light instead sensitive elements to create a real image of the grid to project the photodiodes. This must now, not as expected would be to build an optic from individual lens and aperture elements be, but with the invention presented below are opti functions as fine, diffractive grating structures in the coding grating and corresponding diode patterns on the photosensitive elements housed. According to the invention, this is done with diffractive optical elements so-called DOEs.

Als erfindungswesentliche Elemente sind dabei die diffraktive Maßverkörp­ erung und der darauf abgestimmte Lesekopf mit dem lichtempfindlichem Array auf einem Chip (vorzugsweise ein Opto-ASIC) zu nennen. Die diffrakti­ ve Maßverkörperung beinhaltet außer dem Kodiergitter, bspw. dem periodi­ schen Inkrementalgitter, dem radialen oder tangentialen Absolutgitter und ähnlichen Gittertypen mit einer Auflösung von 10 µm-20 000 µm, zusätzlich noch ein beugendes Gitter mit einer Gitterkonstante im Submikronbereich, bspw. 0,6 µm. Das diffraktive Gitter hat optische Funktionen wie zum Beispiel das Bündeln des Lichtes und das Lenken des Lichtes in bestimmte Richtun­ gen bzw. Ordnungen der Beugung. Der Leseteil besteht aus einem (funktio­ nellen) Hybridteil, das die Lichtquelle, die lichtempfindliche Empfangseinheit (bspw. ein Chip mit Dioden-Array) und einen Strahlteiler mit integrierten diffraktiven optischen Elementen (DOE) beinhaltet.Diffractive measures are the essential elements of the invention and the matching read head with the light-sensitive To name an array on a chip (preferably an opto-ASIC). The diffract ve material measure includes, besides the coding grid, for example the periodi Incremental grating, the radial or tangential absolute grating and similar grating types with a resolution of 10 µm-20 000 µm, in addition another diffractive grating with a grating constant in the submicron range,  for example 0.6 µm. The diffractive grating has optical functions such as bundling the light and directing the light in certain directions conditions or orders of diffraction. The reading part consists of a (functio nellen) hybrid part, which is the light source, the light-sensitive receiving unit (e.g. a chip with a diode array) and a beam splitter with integrated diffractive optical elements (DOE).

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind folgende:The advantages of the solution according to the invention are as follows:

• - der Abstand des Leskopfes liegt bei 2 mm anstatt bei gemäß der be­ kannten Technik nötigen 60 µm; der Lichtstrahl des Senders muß keine besonders enge Divergenz haben, spezielle Vorkehrungen zur präzisen Lagerung sind nicht mehr nötig;- The distance of the reading head is 2 mm instead of according to the be known technology required 60 µm; the light beam from the transmitter must do not have a particularly narrow divergence, special precautions for precise storage is no longer necessary;
• - das diffraktive Gitter erlaubt optische Funktionen, die eine Reflexabta­ stung besonders günstig machen, wodurch eine einfachere Montage des Leseteils möglich ist und die Bauhöhe des Sensors praktisch halbiert wird;- The diffractive grating allows optical functions that reflect reflex stung make particularly cheap, which simplifies assembly of the Reading part is possible and the height of the sensor practically halved becomes;
• - das diffraktive Gitter läßt sich auf Quarz, Glas, Silizium, Polycarbonat, Nickel, Stahl, Aluminium oder andere geeignete Materialien in Ätz- oder Replikationstechnik aufbringen und ist damit besonders kosten­ günstig für die Herstellung großer Stückzahlen geeignet, dies insbeson­ dere dann, wenn bspw. Herstellungsmethoden wie für Compact-Disc verwendet werden können;- the diffractive grating can be placed on quartz, glass, silicon, polycarbonate, Nickel, steel, aluminum or other suitable materials in etching or replication technology and is therefore particularly expensive inexpensive for the production of large quantities, in particular This is the case if, for example, manufacturing methods such as for compact discs can be used;
• - ein Drehgeber oder Längengeber besteht im wesentlichen nur aus drei Montageteilen: die Maßverkörperung, der Lichtquelle/Leseteil und die diffraktive Zwischenoptik. Falls Laserlicht verwendet wird, kann man unter Benützung des fan-out Effektes auf eine Zwischenoptik verzich­ ten, die nur bei Verwendung einer kostengünstigen Lichtquelle, wie bspw. LEDs, nötig ist;- An encoder or length encoder consists essentially of only three Mounting parts: the measuring standard, the light source / reading part and the diffractive intermediate optics. If laser light is used, one can using the fan-out effect, do without an intermediate optic  ten only when using an inexpensive light source, such as e.g. LEDs, is necessary;
• - die Kompaktheit des Lesekopfes in Verbindung mit der diffraktiven Maßverkörperung erlaubt eine gemischte Kodierung einzusetzen, näm­ lich ein Inkremental- und ein Absolutgitter, wodurch die inhärente Systemsicherheit sehr erhöht wird;- The compactness of the read head in connection with the diffractive Measuring standards allow a mixed coding to be used, näm Lich an incremental and an absolute grid, whereby the inherent System security is very increased;
• - durch den großen Lesekopfabstand kann die im Motor bzw. der Ma­ schine vorhandene Lagerung "mitverwendet" werden;- Due to the large distance between the reading heads, that in the motor or the dimension existing storage may be "used";
• - auch bei sehr hoher Auflösung sind nun sehr kleine Scheibendurch­ messer für Drehgeber möglich;- Even with very high resolution, very small panes are now through knives for encoders possible;
• - die Montage auf einen Miniaturmotor wird durch die nun möglichen kleinen Abmessungen der (dreiteiligen, kompakten) Codiereinheit wesentlich erleichtert.- The assembly on a miniature motor is now possible small dimensions of the (three-part, compact) coding unit much easier.

Ein Geber mit diesen Vorteilen kann anhand von der in den Patentansprü­ chen angegebenen Erfindung realisiert werden. Mit Hilfe der anschließend aufgeführten Figuren wird nun die Erfindung im Detail diskutiert.A donor with these advantages can on the basis of the in the patent claims Chen specified invention can be realized. With the help of subsequently Figures listed the invention will now be discussed in detail.

Fig. 1 zeigt ein erstes Grundkonzept der Anordnung einer Lichtquelle, einer Impulsscheibe und eines lichtsensitiven Empfängers zur schrägen Beleuchtung der Impulsscheibe und schräger direkter Reflexion auf den Empfänger. Fig. 1 shows a first basic concept of the arrangement of a light source, a pulse disc and a light-sensitive receiver for oblique illumination of the pulse disc and the inclined direct reflection to the receiver.

Fig. 2 zeigt ein zweites Grundkonzept der Anordnung einer Lichtquelle, einer Impulsscheibe und eines lichtsensitiven Empfängers zur senkrechten Beleuchtung der Impulsscheibe mit Hilfe eines Strahlteilers und senkrechter direkter Reflexion auf den Empfän­ ger. Fig. 2 shows a second basic concept of the arrangement of a light source, a pulse disk and a light-sensitive receiver for the vertical illumination of the pulse disk with the aid of a beam splitter and perpendicular direct reflection on the receiver.

Fig. 3 zeigt ein drittes Grundkonzept der Anordnung einer Lichtquelle, einer Impulsscheibe und eines lichtsensitiven Empfängers zur schrägen Beleuchtung der Impulsscheibe und senkrechter direkter Reflexion auf den Empfänger. Fig. 3 shows a third basic concept of the arrangement of a light source, a pulse disc and a light-sensitive receiver for obliquely illuminating the pulse disc and perpendicular direct reflection on the receiver.

Fig. 4 zeigt diverse Gitterbeugungsordnungen bei (vier) ausgewählten spektralen Bandbreiten einer Lichtquelle. Fig. 4 shows various orders of diffraction grating in (four) selected spectral bandwidth of a light source.

Fig. 5a und b zeigen Varianten von diffraktiven Multifokuselementen und die FIGS. 5a and b show variants of diffractive multifocal elements, and

Fig. 6a und b zeigen, wie die "array-taugliche" Rückstrahlung aus vor­ beilaufenden, bewegten Facetten mit diffraktiven Multifokusele­ menten auf einer Maßverkörperung entsteht, bei welcher punkt­ förmige Lichtflecke auf dem lichtsensitiven Element verarbeitet werden. Fig. 6a and b show how the "array-compatible" retroreflection from front, moving facets with diffractive multifocus elements on a material measure, in which point-shaped light spots are processed on the light-sensitive element.

Fig. 7 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Drehgebers mit einer allgemeinen abbildenden Optik zwischen Impulsscheibe und Detektor, wobei auf dem Detektor schematisch ein Array von lichtsensitiven Dioden dargestellt ist und Fig. 7 shows a basic structure of a rotary encoder with a general imaging optical system between the pulse disc and the detector, schematically showing an array of light sensitive diodes is shown on the detector, and

Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drehgebers mit einer 3fachen diffraktiven Optik zwischen der Impulsscheibe und dem Detektor. Fig. 8 shows a preferred embodiment of an encoder according to the invention with a 3-fold diffractive optics between the pulse disc and the detector.

Fig. 9 zeigt im Zusammenhang mit der Kodierung eine beispielsweise Struktur auf einer Maßverkörperung, Impulsscheibe oder Län­ genmeßkörper. Fig. 9 shows in connection with the coding, for example, a structure on a material measure, pulse disk or Län genmeßkörper.

Fig. 10 a und b zeigen die Transferfunktionen für einen Geber mit der (höheren) Auflösung entsprechend einer Grundzahl und für einen Geber mit der (geringeren) Auflösung entsprechend mehrfachen Grundzahlen. Fig. 10 a and b show the transfer functions for an encoder with the (higher) resolution corresponding to a base number, and for an encoder with the (lower) resolution corresponding to multiple basic figures.

Die Detektion des durch die Maßverkörperung modulierten Lichtes erfolgt beim erfinderischen Geber nicht via Transmission, wie in anderen bekannten Systemen, sondern via Reflexion. Die Strahlungsquelle und der Detektor ist also auf der gleichen Seite der Maßverkörperung angeordnet, was prinzipiell die Baulänge des Gebers verringert. Die impulserzeugende Information der Maßverkörperung, bspw. die Hell/Dunkel-Verteilung, werden auf die Detek­ torsegmente (Pixel) bspw. eines Opto-ASIC übertragen. Dies geschieht entwe­ der durch eine abbildende Optik zwischen Maßverkörperung und Detektor oder durch eine Mikrostruktur auf der Maßverkörperung, welche die ge­ wünschte Helligkeitsverteilung in der Detektorebene, also auf dem Array, erzeugt.The light modulated by the material measure is detected in the inventive encoder not via transmission, as in other known ones Systems, but via reflection. The radiation source and the detector is So arranged on the same side of the material measure, which in principle the overall length of the encoder is reduced. The pulse generating information of the Measuring standards, for example the light / dark distribution, are applied to the detec Transfer gate segments (pixels), for example, an opto-ASIC. This happens either the one with an imaging optics between the measuring standard and the detector or by a microstructure on the material measure, which the ge desired brightness distribution in the detector level, i.e. on the array, generated.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen verschieden Bauarten von bspw. Drehgebern mit deren spezifischen Eigenheiten: Figs. 1 to 3 show different types of, for example rotary encoders with their specific characteristics.:

• 1. eine schräge Beleuchtung mit der Lichtquelle L auf die Impulsscheibe M und Auswertung der direkten Reflexion auf den Detektor R, hat den Nachteil, daß durch einen evtl. Höhenschlag der Scheibe eine Verschie­ bung der Abbildung entsteht, die bei einem Pixel-Array einen Fehler erzeugt. Zur Ausschaltung dieses Nachteils, 1. an oblique lighting with the light source L on the pulse disc M and evaluation of the direct reflection on the detector R, has the Disadvantage that a shift of the disc due to a possible pitch Exercise of the figure arises, which is an error with a pixel array generated. To eliminate this disadvantage,  
• 2. kann eine senkrechte Beleuchtung der Impulsscheibe M und Auswertung der direkten Reflexion mit Hilfe eines Strahlteilers B gewählt werden, was diesen zusätzlichen Bauteil B benötigt. Falls man den Strahlteiler umgehen will, kann2. vertical lighting of the pulse disc M and evaluation direct reflection can be selected using a beam splitter B, what this additional component B needs. If you have the beam splitter can handle, can
• 3. eine schräge Beleuchtung und die senkrechte Detektion von gestreutem statt direkt reflektiertem Licht gewählt werden, was beide Nachteile von den Bauarten gemäß Fig. 1 und 2 ausschaltet. Die Ablenkung von auf die Impulsscheibe M schräg eingestrahltem Licht in Normalrichtung wird durch eine von der Mikrostruktur erzeugten Indikatrix I auf der Impuls­ scheibe bewirkt, wobei auf dem Wege solcher Mikrostrukturen das ein­ fallende Licht stets bevorzugt in die Detektionsrichtung abgelenkt werden kann, wo immer man auch den Detektor anordnen will. Durch die Wahl der diffraktiven Ordnung wird auch die ausreichende Bestrahlungsstärke (mind. 1 mW/cm²) sicher gestellt. Die Indikatrix einer bspw. bestimmten Mikrostruktur ist im Strahlengang eingezeichnet und mit I bezeichnet.3. an oblique illumination and the vertical detection of scattered instead of directly reflected light are selected, which eliminates both disadvantages of the types according to FIGS. 1 and 2. The deflection of light that is radiated obliquely onto the pulse disk M in the normal direction is caused by an indicatrix I generated by the microstructure on the pulse disk, with such microstructures being able to deflect the incident light preferably in the direction of detection wherever one is want to place the detector. The choice of diffractive order also ensures the sufficient irradiance (at least 1 mW / cm²). The indicatrix of, for example, a determined microstructure is shown in the beam path and designated I.

Fig. 4 zeigt die relative Größe von Gitterbeugungsordnungen -6 . . . 0 . . . 6 auf der Abszisse bei vier ausgewählten spektralen Bandbreiten 0 bis +/- 100 nm einer Lichtquelle. Grundsätzlich ist es von Vorteil, daß die optische Funktion zur Erzeugung der in der Detektorebene erforderlichen Lichtverteilung direkt in die Struktur der Maßverkörperung integriert ist. Die attraktive Möglichkeit, mit diffraktiven Mikrostrukturen ein Laserstrahlenbündel in eine Vielzahl von Teilbündeln unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung aufzuteilen (fan-out ele­ ments) ist aus der Literatur bekannt. Im einfachsten Fall können die Beu­ gungsordnungen eines Gitters verwendet werden, wobei jedoch die Intensität mit zunehmender Beugungsordnung abnimmt. Bei einer Lichtquelle mit einer gewissen spektralen Bandbreite verschmieren die Beugungsordnungen und können auch überlappen, was schematisch in der eben diskutierten Fig. 4 auch dargestellt ist. Fig. 4 shows the relative size of grating diffraction orders -6. . . 0. . . 6 on the abscissa with four selected spectral bandwidths 0 to +/- 100 nm of a light source. In principle, it is advantageous that the optical function for generating the light distribution required in the detector plane is integrated directly into the structure of the material measure. The attractive possibility of using a diffractive microstructure to split a laser beam into a large number of sub-beams with different directions of propagation (fan-out elements) is known from the literature. In the simplest case, the diffraction orders of a grating can be used, but the intensity decreases with increasing diffraction order. In the case of a light source with a certain spectral bandwidth, the diffraction orders smear and can also overlap, which is also shown schematically in FIG. 4 just discussed.

Mit einer LED, deren spektrale Bandbreite kleiner als plus/minus 50 nm ist, wäre der chromatische Fehler toterierbar, sofern nicht mehr als 3-4 Beugungs­ ordnungen verwendet werden. Mit diffraktiven fan-out-Elementen kann man diese Bedingungen erfüllen, da sie aus einer Kombination unterschiedlicher Gitterstrukturen bestehen, von denen nur die jeweilige erste Beugungsord­ nung zum Tragen kommt. Durch geeignete Kombination dieser Grundgitter können diese Elemente so konzipiert werden, daß in allen Teilstrahlbündeln die gleiche Intensität vorliegt. Solche Elemente vom sogenannte Typ "Dam­ man-Gitter", die nur in Teilstrahlen aufspalten, benötigen allerdings noch eine zusätzliche Optik zur Fokussierung.With an LED whose spectral bandwidth is less than plus / minus 50 nm, the chromatic error could be killed, provided that no more than 3-4 diffractions regulations are used. With diffractive fan-out elements you can meet these conditions because they are a combination of different Lattice structures exist, of which only the respective first diffraction order comes into play. By a suitable combination of these basic grids these elements can be designed so that in all partial beams the same intensity is present. Such elements of the so-called "Dam man grids ", which only split into partial beams, require one more additional optics for focusing.

Grundsätzlich ist es möglich, die Fokussierfunktion in die diffraktive Struktur S zu integrieren, so daß direkt ein Punktraster in der Detektorebene D er­ zeugt würde. Hierbei gibt es zwei grundsätzliche Typen von Elementen, wie sie in den Fig. 5a/b gezeigt sind. Beim Typ von Fig. 5a umfaßt die Ele­ mentapertur mehrere Teilstrahlbündel, wogegen beim Typ in Fig. 5b jedem Teilstrahlbündel eine Teilapertur zugeordnet ist. Die numerische Apertur eines Teilstrahlbündels ist im Typ von Fig. 5a deutlich größer, wodurch der Lichtfleckdurchmesser in der Brennebene bzw. Detektorebene D kleiner sein kann, als bei dem in Fig. 5b gezeigten Typ. Die Strahlaufteilung gemäß Fig. 5a ist nur mit diffraktiven Strukturen machbar, wogegen eine Unterteilung in Teilaperturen, wie in Fig. 5b gezeigt, auch mit konventionellen optischen Elementen, wie z. B. einem Raster kleiner Hohlspiegel, möglich ist. Elemente vom Typ gemäß Fig. 5a sind für den Einsatz auf der Maßverkörperung weni­ ger geeignet als die gemäß Fig. 5b, das die Beleuchtungsstärke der Spots in der Detektorebene D sehr stark mit der Scheibendrehung oder der Maßstab­ verschiebung variieren würde. In principle, it is possible to integrate the focusing function into the diffractive structure S, so that a point grid in the detector plane D would be generated directly. There are two basic types of elements, as shown in FIGS. 5a / b. In the type of FIG. 5a, the element aperture comprises a plurality of partial beam bundles, whereas in the type in FIG. 5b each partial beam bundle is assigned a partial aperture. The numerical aperture of a partial beam is significantly larger in the type of FIG. 5a, as a result of which the light spot diameter in the focal plane or detector plane D can be smaller than in the type shown in FIG. 5b. The beam splitting in accordance with FIG. 5a is feasible only with diffractive structures, while a division into sub-apertures, as shown in Fig. 5b, with conventional optical elements, such. B. a grid of small concave mirrors is possible. Elements of the type according to FIG. 5a are less suitable for use on the material measure than that according to FIG. 5b, which would vary the illuminance of the spots in the detector plane D very strongly with the disk rotation or the scale shift.

Die Fig. 6a und 6b zeigen in Laufrichtung (dem Code zugehörige) Facet­ ten mit diffraktiven Multifokuselementen, die Struktur S, auf der Maßver­ körperung, wie sie den Lichtstrahl von der Lichtquelle her, bzw. den Licht­ fleck durchlaufen. Fig. 6a zeigt den Lichtfleck, wie er sich über die Ausdeh­ nung einer einzigen Facette und Fig. 6b denselben Lichtfleck, wie er sich hälftig über zwei benachbarte Facetten erstreckt. Die Spur auf der Maßver­ körperung sei eine Folge von Facetten, die jeweils diffraktive Multifokus- Elemente sind. Die Maßverkörperung ist in eine Position bewegt, in der die Facette N voll ausgeleuchtet wird, wobei in der Detektorebene mehrere gleich helle Spots erzeugt werden. Nach einer weiteren Bewegung der Maßverkör­ perung um die halbe Länge der Facette N ist diese und die benachbarte Fa­ cette N+1 jeweils zur Hälfte ausgeleuchtet. Die von einer jeden Facette gene­ rierten Lichtspots auf der Detektorebene D sind untereinander immer noch gleich hell, aber die Bestrahlungsstärke pro Spot ist nur noch die Hälfte, verglichen mit der Position, in der eine ganze Facette voll ausgeleuchtet war. Beim Weiterbewegen nimmt die Helligkeit der Spots von Facette N weiter ab und die der Spots von Facette N+1 weiter zu, bis die völlige Ausleuchtung der Facette N+1 erreicht ist und alle Spots (ständig gleich hell) wieder so stark strahlen, wie das auch bei der vollständigen Ausleuchtung der Facette N der Fall war. Eine solche Variation der Bestrahlungsstärke des Detektors sollte natürlich vermieden werden, bspw. dadurch, daß jedem Spot eine indi­ viduelle fokussierende Facette zugeordnet ist, welche als diffraktives Element oder als kleiner Hohlspiegel ausgebildet ist oder daß das Modulationsmuster der Maßverkörperung mit Hilfe eines optischen Elements in die Detektor­ ebene abgebildet wird. Figs. 6a and 6b show in the running direction (the code associated) Facet th diffractive multifocal elements, the structure S, körperung on the Maßver as they pass through the light beam from the light source here, and the light spot. Fig. 6a shows the light spot as it extends over the expansion of a single facet and Fig. 6b the same light spot as it extends in half over two adjacent facets. The track on the measuring scale is a sequence of facets, each of which is a diffractive multifocus element. The material measure is moved into a position in which the facet N is fully illuminated, with several equally bright spots being generated in the detector plane. After a further movement of the measuring standardization by half the length of the facet N, this and the neighboring facet N + 1 are each half illuminated. The light spots generated by each facet on the detector level D are still equally bright with one another, but the irradiance per spot is only half compared to the position in which an entire facet was fully illuminated. When moving on, the brightness of the spots of facet N continues to decrease and that of the spots of facet N + 1 continues until the full illumination of facet N + 1 is reached and all spots (always equally bright) shine again as strongly as that was also the case with full illumination of facet N. Such a variation in the irradiance of the detector should, of course, be avoided, for example by assigning an individual focusing facet to each spot, which is designed as a diffractive element or as a small concave mirror, or by modulating the measuring standard with the help of an optical element Detector level is mapped.

Es zeigt sich jedoch, daß eine optische Funktion zur Erzeugung der in der Detektorebene D benötigten Lichtfleckverteilung nur schwer in die Maßver­ körperung integriert werden kann, wenn kein Laser, sondern eine LED als Lichtquelle verwendet wird. Falls aus Kostengründen kein Laser zur Ausnüt­ zung des Fan-Out-Effekts sondern eine LED verwendet werden soll, was für die meisten Anwendungen zutreffen würde, dann müßte man die nachstehend beschriebene Ausführungsform mit der optischen Abbildung in die Detektor­ ebene bevorzugen.It turns out, however, that an optical function for generating the in the Detector level D requires light spot distribution only with difficulty in the dimension ver body can be integrated if an LED instead of a laser Light source is used. If no laser is available for cost reasons  the fan-out effect but an LED should be used, which is most of the applications would apply, you would have to do the following Embodiment described with the optical imaging in the detector prefer level.

Fig. 7 zeigt schematisch ein System mit einer allgemeinen abbildenden Optik O zwischen Maßverkörperung M und Detektor R. Die Maßverkörperung M wird von der Lichtquelle L schräg angestrahlt, wie dies schematisch in Fig. 3 schon gezeigt wurde. Die abbildende Optik O und deren Anordnung steht unter dem Sachzwang der Abmessung oder genauer gesagt der flächenmäßi­ gen Ausdehnung des Detektors R. Bei der Abtastung von drei Spuren auf der Maßverkörperung kann der Detektor, bzw. dessen lichtempfindliche Fläche, eine Form aufweisen, wie sie andeutungsweise (in Form eines T) in der Zeichnung dargestellt ist. Nach allen Berechnungen zeigt sich, daß die volle Breite von 3,5 mm aller Spuren der Maßverkörperung nicht mit einer Ein­ zellinse in die Detektionsebene abgebildet werden kann. Es müssen stattdes­ sen mehreren Teilfeldern jeweils eigene Linsen zugeordnet werden, was in Fig. 8, als eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt wird. FIG. 7 schematically shows a system with a general imaging optics O between the measuring standard M and the detector R. The measuring standard M is illuminated obliquely by the light source L, as has already been shown schematically in FIG. 3. The imaging optics O and their arrangement is subject to the dimensional constraint or, more precisely, the areal extension of the detector R. When scanning three tracks on the material measure, the detector, or its light-sensitive surface, can have a shape as indicated (in the form of a T) is shown in the drawing. All calculations show that the full width of 3.5 mm of all traces of the material measure cannot be imaged with a single cell lens in the detection plane. Instead, separate lenses must be assigned to several subfields, which is shown in FIG. 8 as a preferred embodiment.

Diese bevorzugte Ausführungsform verwendet einen Linsenraster DOE als diffraktives optisches Elemente zur Abbildung der Mikrostruktur der einzel­ nen Spuren auf dem lichtsensitiven Feld des Opto-ASIC R. Um ein Überspre­ chen zwischen den optischen Abbildungen von benachbarten Linsen zu ver­ hindern, müssen entsprechende, bspw. wabenähnliche Kanaltrenner C vor­ gesehen werden. Dies Maßnahme erfordert ein zusätzliches Bauteil, was zunächst als Nachteil erscheint, diese Bauteil kann aber zugleich als Halte­ rung für die zwischen der Maßverkörperung M und Detektor R eingesetzte Optik DOE ausgestaltet werden. Der Lichtfleck auf der Maßverkörperung wird auch hier gemäß Fig. 3 durch schräg einfallendes Licht aus der Licht­ quelle L erzeugt.This preferred embodiment uses a lenticular screen DOE as a diffractive optical element for imaging the microstructure of the individual tracks on the light-sensitive field of the Opto-ASIC R. In order to prevent crosstalk between the optical images of adjacent lenses, corresponding, for example honeycomb-like, must be used Channel separator C can be seen before. This measure requires an additional component, which initially appears to be a disadvantage, but this component can at the same time be designed as a holder for the optical element DOE used between the measuring standard M and the detector R. The light spot on the material measure is also generated here according to FIG. 3 by obliquely incident light from the light source L.

Fig. 9 zeigt nun ein Beispiel für die Kodierung als Mikrostrukturen einer Maßverkörperung. Die hier bspw. gezeigte Scheibe (es kann ebensogut ein Maßstab sein) enthält 7 Spuren: 2 Spuren für die Inkrementsignale A, B mit 1024 Stellungen (Auflösung); 2 Spuren für das N-Signal und 3 Spuren für den Absolutcode ABS mit 256 Stellungen. Das Prinzip der Absolutcodierung be­ ruht auf serieller Codierung. Die ersten zwei Spuren enthalten den Code, die dritte Spur dient dazu, um die mehr kontrastierende Zone auszuwählen. Die Abtastung ist differential, weshalb alle Spuren zweifach sind. Die entsprechen­ de Empfangszone eines Opto-ASICs enthält: 2 Abtastdioden für jede A, B Spur, also eine für das Signal A und eine für das Signal B; 2 Abtastdioden für die N Strecke, auch eine für jede Spur; 34 Abtastdioden für die Abtastung der ABS Strecke, nämlich für die Spuren 1 und 2 je 8 Paar Dioden (ein Paar pro Bit) und die für Spur 3 zwei Dioden pro Bit. Die Verdoppelung der Dio­ den-Anzahl dient der Vermeidung von Positionierungsproblemen, wie sie oben schon angesprochen wurden. Die Maximalfläche der Diodenpaare für die Abtastung der A, B und ABS Spuren darf die Fläche eines Codebits nicht überschreiten. Ein solcher ASIC müßte dann 40 Abtastdioden aufweisen. Ferner sind in Fig. 9 noch die ungefähren Abmessungen der Spuren angege­ ben, welche einige Hundert Mikrometer beträgt. Fig. 9 now shows an example for coding microstructures as a measuring standard. The disk shown here, for example (it may just as well be a scale), contains 7 tracks: 2 tracks for the increment signals A, B with 1024 positions (resolution); 2 tracks for the N signal and 3 tracks for the ABS absolute code with 256 positions. The principle of absolute coding is based on serial coding. The first two tracks contain the code, the third track is used to select the more contrasting zone. The scanning is differential, which is why all tracks are double. The corresponding receiving zone of an opto-ASIC contains: 2 scanning diodes for each A, B track, ie one for signal A and one for signal B; 2 scanning diodes for the N path, also one for each track; 34 scanning diodes for scanning the ABS line, namely for tracks 1 and 2 each 8 pairs of diodes (one pair per bit) and those for track 3 two diodes per bit. Doubling the number of diodes serves to avoid positioning problems, as have already been mentioned above. The maximum area of the diode pairs for scanning the A, B and ABS tracks must not exceed the area of a code bit. Such an ASIC would then have 40 scanning diodes. Furthermore, the approximate dimensions of the tracks are given in FIG. 9, which is a few hundred micrometers.

Alle Raster-Zahlen, die in einer Grundzahl aufgehen, bspw. 2^x = 1024, 512, 256, 128 . . . , können mit der gleichen Maßverkörperung (die die maximale Positionen-Anzahl enthält) rein elektrisch verarbeitet werden. Das einfachste Mittel, diese Lösung einzusetzen, ist die Verwendung eines Umwandlers Ab­ solutcode-in-Ausgangcode, z. B. ein ROM, für jede Auflösung (Absolutcodie­ rung) und von einem Frequenzteiler (Inkrementcodierung). Bei mehrfachen Grundzahlen erscheint das Problem der vielfachen Auflösung vor allem dann, wenn mehr als 2 Dioden seriell dieselbe Piste abtasten, wie es bei der Ab­ solutcodierung hier bspw. der Fall ist. Eine wenig aufwendige Lösung für dieses Problem besteht darin, daß man zu einem gegebenen Diodennetz im ASIC zusätzlich noch für jede Grundzahl einen Absolutcode-in-Ausgangscode- Wandler vorsieht. Beispiel: die Auflösung ist 720 Stellungen bzw. Positionen, die Maßverkörperung hat aber 1024 Stellungen bzw. Positionen; die über­ flüssigen Bits, es sind ungefähr 300, werden einzeln mit den anderen verbun­ den. Auf diese Weise entstehen ca. 300 Bit-Paare, wodurch die Genauigkeit nicht mehr durchgehend 1/2-LSB sondern zwischen einem halben und einem ganzen LSB liegt, was mit den Transferfunktionen, Abszisse=Position und Ordinate=Ausgangscode, in den Fig. 10a und 10b gezeigt ist.All raster numbers that add up to a basic number, e.g. 2 ^x = 1024, 512, 256, 128. . . , can be processed purely electrically with the same material measure (which contains the maximum number of positions). The simplest way to use this solution is to use a converter from solutcode-in-exit code, e.g. B. a ROM, for each resolution (Absolutcodie tion) and by a frequency divider (increment coding). In the case of multiple basic numbers, the problem of multiple resolution appears especially when more than 2 diodes scan the same slope in series, as is the case here with absolute coding, for example. A less complex solution to this problem is that an absolute code-in-output code converter is additionally provided for each basic number in addition to a given diode network in the ASIC. Example: the resolution is 720 positions or positions, but the measuring standard has 1024 positions or positions; the over-flowing bits, around 300, are individually connected to the others. In this way, approx. 300 bit pairs are created, whereby the accuracy is no longer continuous 1/2 LSB but between half and a whole LSB, which with the transfer functions, abscissa = position and ordinate = output code, in FIGS. 10a and 10b is shown.

Der begrenzende Kostenfaktor liegt heute noch in der sensitiven Fläche des Opto-ASIC. Je größer das Abtastfeld gewählt wird, desto teurer ist der ASIC. Je weniger Spuren man abtastet, desto kleiner kann man den ASIC vorsehen. Somit ist ein Inkrementalgeber ohne Absolutspurabtastung billiger also ein Absolutgeber, der zusätzliche Spuren aufweist. Man kann aber die "volle" In­ formation (Inkrement und Absolut) auf der Maßverkörperung vorsehen und mit einem "kleineren ASIC" nur einen Teil davon abtasten und auswerten. Der finanzielle Aufwand liegt dann nicht bei der Maßverkörperung sondern beim Baustein mit dem größeren lichtsensitiven Abtastfeld.The limiting cost factor still lies in the sensitive area of the Opto-ASIC. The larger the scanning field, the more expensive the ASIC. The fewer tracks you scan, the smaller the ASIC can be provided. An incremental encoder without absolute track scanning is therefore cheaper Absolute encoder that shows additional traces. But you can see the "full" in Provide formation (increment and absolute) on the measuring standard and scan and evaluate only a part of it with a "smaller ASIC". The financial effort is then not the material measure but for the module with the larger light-sensitive scanning field.

Claims (12)

1. Optischer Geber mit Maßverkörperung, Lichtsender und lichtemp­ findlichem Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtsender (L) und Empfänger (R) auf der gleichen Seite der Maßverkörperung (M) angeordnet sind (Reflexverfahren), daß der Empfänger (R) ein lichtsensitives gerastertes Empfangsfeld (D, pixel-array) zur Detek­ tion von Lichtpunkten (spots) aufweist und daß die Maßverkörp­ erung (M) eine Mikrostruktur (S, Facette) aufweist, die mittels diffrak­ tiv wirkenden optischen Mittel (DOE) auf den lichtsensitiven Raster im Empfänger (R) abgebildet werden.1. Optical encoder with material measure, light transmitter and light sensitive receiver, characterized in that light transmitter (L) and receiver (R) are arranged on the same side of the material measure (M) (reflex method), that the receiver (R) is a light-sensitive screened Receiving field (D, pixel array) for the detection of light points (spots) and that the measuring scale (M) has a microstructure (S, facet), which uses diffractive optical means (DOE) on the light-sensitive grid in the receiver (R) are shown. 2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das diffraktive optische Mittel (DOE) in die Maßverkörperung (M) integriert ist (Lichtquelle ist ein Laser).2. Encoder according to claim 1, characterized in that the diffractive optical means (DOE) is integrated into the material measure (M) (Light source is a laser). 3. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das diffraktive optische Mittel (DOE) zwischen die Maßverkörperung (M) und dem lichtsensitiven Raster angeordnet ist (Lichtquelle ist eine LED).3. Encoder according to claim 1, characterized in that the diffractive optical means (DOE) between the material measure (M) and the light-sensitive grid is arranged (light source is an LED). 4. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Drehge­ ber ausgebildet ist und die Maßverkörperung (M) eine Impulsscheibe mit einer Mikrostruktur (S, Facette), hergestellt nach dem Verfahren für Compact Disks, ist. 4. Encoder according to claim 1, characterized in that it as a rotary Is formed and the measuring standard (M) is a pulse disk with a microstructure (S, facet), produced by the process for compact discs.   5. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er als Längen­ meßgeber ausgebildet ist und die Maßverkörperung (M) mit einer Mikrostruktur (S, Facette) versehen ist, die nach dem Präge-Verfah­ ren wie für Compact Disks, hergestellt ist.5. Encoder according to claim 1, characterized in that it as lengths is designed and the measuring standard (M) with a Microstructure (S, facet) is provided, which after the embossing process ren as for compact disks. 6. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gerasterte Empfangsfeld (pixel array) im Detektor (R), welches Licht von der strukturierten Maßverkörperung (M) emp­ fängt, ein CCD-Array ist.6. Encoder according to one of claims 1 to 5, characterized in that the rasterized receiving field (pixel array) in the detector (R), what light from the structured material measure (M) emp catches is a CCD array. 7. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gerasterte Empfangsfeld (pixel array) im Detektor (R), welches Licht von der strukturierten Maßverkörperung (M) emp­ fängt, ein Opto-ASIC ist.7. Encoder according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the rasterized receiving field (pixel array) in the detector (R), what light from the structured material measure (M) emp catches is an opto-ASIC. 8. Geber nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für verschiedene Codespuren auf der Maßverkörperung (M) zugeordnete Pixelfelder im gerasterten Empfangsfeld vorgesehen sind.8. Encoder according to claim 6 or 7, characterized in that for different code tracks on the material measure (M) assigned Pixel fields are provided in the rasterized reception field. 9. Geber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zuord­ nung von Codespuren und Pixelfelder so viele diffraktive optische Mittel, bzw. Linsen (DOE) vorgesehen sind, wie Zuordnungen reali­ siert werden sollen und die gebildeten Strahlengänge durch entspre­ chend angeordnete Kanaltrenner (C) am Übersprechen gehindert werden. 9. Encoder according to claim 8, characterized in that for the assignment of code tracks and pixel fields so many diffractive optical Means or lenses (DOE) are provided, such as reali assignments should be settled and the beam paths formed by corre sponding accordingly arranged channel separator (C) prevented from crosstalk become.   10. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L) und der lichtsensitive Empfänger (R) auf demselben Substrat angeordnet sind und eine Baueinheit bilden.10. Encoder according to one of claims 1 to 10, characterized in that the light source (L) and the light-sensitive receiver (R) are arranged the same substrate and form a structural unit. 11. Geber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das gemein­ same Substrat für die Lichtquelle (L) und für den lichtsensitiven Empfänger (R) als Hybridschaltung in Halbleitertechnik ausgeführt ist.11. Encoder according to claim 10, characterized in that the common same substrate for the light source (L) and for the light sensitive Receiver (R) designed as a hybrid circuit in semiconductor technology is. 12. Geber nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanaltrenner (C) mit den zwischen Maßverkörperung (M) und lichtsensitiven Empfänger (R) angeordneten diffraktiven opti­ schen Mitteln (DOE) mit dem gemeinsamen Substrat verbunden ist und auf diese Weise eine Sender/Empfänger-Baueinheit darstellt, die zur Realisierung eines Gebers der Maßverkörperung (M) zugeordnet wird.12. Encoder according to one of claims 9 to 11, characterized in that that the duct separator (C) with the between measuring standard (M) and light-sensitive receiver (R) arranged diffractive opti means (DOE) is connected to the common substrate and in this way represents a transmitter / receiver assembly which assigned to the encoder of the material measure (M) becomes.