DE3414590A1 - OPTICAL SENSOR SENSOR AND THE SENSOR THEREFORE - Google Patents
OPTICAL SENSOR SENSOR AND THE SENSOR THEREFOREInfo
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Description
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Beschreibung:Description:
Die Erfindung betrifft mit Beugungsgittern versehene Wegmeßsensoren und Weggeber.The invention relates to displacement sensors and displacement sensors provided with diffraction gratings.
Ein bekanntes Beugungsgitter besitzt ein lichtdurchlässiges Substrat, beispielsweise aus Glas, mit einem Satz von lichtundurchlässigen Strichen, die in einem vorherbestimmten Abstand voneinander parallel angeordnet sind. Diese bekannten Beugungsgitter werden für verschiedene Zwecke verwendet. Wenn zwei zu einem Paar zusammengefasste Beugungsgitter mit einem Lichtstrahlbündel ausgeleuchtet werden, bilden sie einen Wegmeßsensor, weil durch eine Relativbewegung der beiden Beugungsgitter das durch sie hindurchtretende Lichtstrahlenbündel intensitätsmoduliert wird. Das von einem Detektor eines Weggebers gemessene Ausmaß dieser Modulation ist ein Maß des Weges. Es können jedoch Veränderungen der Eigenschaften der Beugungsgitter oder des zum Ausleuchten derselben dienenden Lichtstrahlenbündels auftreten, beispielsweise in-,folge von Schwankungen der an den Detektor und die Lichtquelle angelegten elektrischen Spannung,oder infolge einer Alterung der Bauelemente. Derartige Veränderungen führen zu Fehlern bei der Wegmessung.A known diffraction grating has a transparent substrate, for example made of glass, with a Set of opaque strokes all in one predetermined distance from each other are arranged in parallel. These known diffraction gratings are used for used for different purposes. When two diffraction gratings combined into a pair with a light beam are illuminated, they form a displacement sensor, because by a relative movement of the two Diffraction grating the light beam passing through it is intensity-modulated. That from The extent of this modulation measured by a detector of a displacement encoder is a measure of the displacement. It can, however Changes in the properties of the diffraction grating or of the one used to illuminate the same Light beam occur, for example in, follow fluctuations in the electrical voltage applied to the detector and the light source, or as a result of aging of the components. Such changes lead to errors in the distance measurement.
Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Wegmeßsensors und Weggebers, bei dem die vorstehend angegebenen Nachteile vermieden oder vermindert sind.The object of the invention is to create an improved position measuring sensor and encoder in which the disadvantages indicated above are avoided or reduced.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Wegmeßsensor mit einem ersten und einem zweiten Beugungsgitter, von denen das erste gegenüber dem zweiten bewegbar ist, so daß die Intensität eines durch die Beugungsgitter hindurchtretenden Meßstrahls moduliert wird, wobei jedes der Beugungsgitter eine geordnete Anordnung von ersten und zweiten Sätzen von Streifen besitzt, wobei in der Anordnung jeweils ein Streifen des ersten und ein Streifen des zweiten Satzes aufeinander folgen und die Streifen des ersten und des zweiten Beugungsgitters zueinander parallel sind, gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß das zweite der beiden Beugungsgitter zu dem ersten Satz gehörende Streifen besitzt, die eine optische Eigenschaft haben, die bewirkt, daß die Strahlungsdurchlässigkeit oder das Reflexionsvermögen dieser Streifen von der Wellenlänge der darauffallenden Strahlung im wesentlichen unabhängig ist, und die Streifen des zweiten Satzes eine entsprechende optische Eigenschaft (Strahlungsdurchlässigkeit oder Reflexionsvermögen) haben, die von der Wellenlänge von darauffallender Strahlung derart abhängig ist, daß für Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich die Streifen des zweiten Satzes dieselbe Durchlässigkeit oder dasselbe Reflexionsvermögen haben wie die Streifen des ersten Satzes und für Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich die Streifen des zweiten Satzes eine andere Strahlungsdurchlässigkeit oder ein anderes Reflexionsvermögen haben als die Streifen des ersten Satzes.To solve this problem, a displacement sensor with a first and a second diffraction grating is provided by which the first is movable with respect to the second, so that the intensity of one through the diffraction grating The measuring beam passing through is modulated, each of the diffraction gratings being an ordered arrangement of first and second sets of strips, one strip of each of the first and a strip of the second set and the strips of the first and second diffraction gratings follow one another are parallel to each other, designed according to the invention so that the second of the two diffraction grating has strips belonging to the first set which have an optical property which causes the radiation transmittance or reflectivity of these strips from the wavelength of those falling on them Radiation is essentially independent, and the strips of the second set have a corresponding one optical property (radiation transmittance or reflectivity) that depend on the wavelength is so dependent on incident radiation that for radiation in a first wavelength range the strips of the second set have the same transmittance or reflectivity have like the strips of the first set and for radiation in a second wavelength range the Strips of the second set have a different radiolucency or reflectivity have as the stripes of the first sentence.
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In einer Ausführungsform dieses einen Beugungsgitters werden die Streifen des ersten und des zweiten Satzes der Anordnung von einem strahlungsdurchlässigen Substrat getragen und bestehen die Streifen des zweiten Satzes aus einem an dem Substrat anhaftenden überzug aus einem Material, das ein Interferenz-Sperrfilter bildet, während die Streifen des ersten Satzes von überzugsfreien Teilen des Substrats gebildet werden.In one embodiment this one diffraction grating the strips of the first and second sets of the assembly are supported by a radiation transmissive substrate and the strips of the second set consist of a coating adhered to the substrate of a material that forms an interference rejection filter, while the strips of the first set of Coating-free parts of the substrate are formed.
In einer anderen Ausführungsform besitzt das eine Beugungsgitterein Substrat aus einem Material, das ein Interferenz-Sperrfilter bildet, und bestehen die Streifen des ersten Satzes aus einem an dem Substrat anhaftenden überzug mit hohem Reflexionsvermögen, während die Streifen des zweiten Satzes von überzugsfreien Teilen des Substrats gebildet werden.In another embodiment, the one has a diffraction grating Substrate made of a material that forms an interference rejection filter, and consist of the Strips of the first set of a high reflectivity coating adhered to the substrate, during forming the strips of the second set of uncoated portions of the substrate.
In einer weiteren Ausführungsform besitzt das eine Beugungsgitter ein Substrat aus einem Material, das ein Absorptionsfilter bildet und ist dieses Substrat mit einer an ihn anhaftenden Schicht mit hohem Reflexionsvermögen versehen, wobei die Streifen des ersten Satzes von einem an dem Substrat anhaftenden überzug auf der anderen Seite des Substrats mit hohem Reflexionsvermögen und die Streifen des zweiten Satzes von überzugsfreien Teilen des Substrats gebildet werden. In a further embodiment, one has Diffraction grating is a substrate made of a material that forms an absorption filter and is this substrate provided with a high reflectivity layer adhered to it, the stripes of the first set of a coating adhered to the substrate on the other side of the substrate with high Reflectivity and the stripes of the second set are formed by coating-free parts of the substrate.
Gemäß der Erfindung ausgebildete Sensoren finden in Weggebern Verwendung, die einen Lichtsender zum Aussenden eines ersten Lichtstrahlenbündels mit einer Wellenlänge in dem ersten Wellenlängenbereich zu dem Sensor und zum Aussenden eines zweiten Lichtstrahlenbündels mit einer Wellenlänge in dem zweiten Wellenlängenbereich zu dem Sensor besitzen, ferner einen Lichtempfänger zum Empfang des ersten und des zweiten Lichtstrahlenbündels von dem Sensor und eine am Ausgang des Lichtempfängers vorgesehene Detektoranordnung zum Messen des Verhältnisses der Intensitäten des ersten und des zweiten Lichtstrahlenbündels am Ausgang des Lichtempfängers.Sensors designed according to the invention are used in displacement sensors that use a light transmitter for emitting a first light beam with a wavelength in the first wavelength range to the Sensor and for emitting a second light beam with a wavelength in the second wavelength range to the sensor, further a light receiver for receiving the first and second Light beam from the sensor and a detector arrangement provided at the output of the light receiver for measuring the ratio of the intensities of the first and second light beams am Light receiver output.
Ein mit dem Beugungsgitter gemäß der Erfindung versehener Wegmeßsensor kann für Durchlicht- und Auflichtmessungen verwendet werden.A displacement sensor provided with the diffraction grating according to the invention can be used for transmitted light and incident light measurements be used.
Wenn das eine Beugungsgitter des Sensors bewegt wird, bewirkt der Sensor in jedem Fall eine Intensitätsmodulation des einen der beiden Lichtstrahlenbündel, während das andere Lichtstrahlenbündel trotz der Bewegung des Beugungsgitters keiner Intensitätsmodulation oder nur einer sehr geringfügigen Intensitätsmodulation unterworfen wird und daher als Bezugs-Lichtstrahlenbündel dienen kann. Falls die Bewegung des Beugungsgitters zu einer geringfügigen Intensitätsmodulation des Bezugs-Lichtstrahlenbündels führt, kann diese Intensitätsmodulation durch eine geeignete Eichung elektronisch ausgeglichen werden. Es wird also jede Intensitätsveränderung, die auf eine Alterung oder auf eine Veränderung von Eigenschaften der Bau-If the one diffraction grating of the sensor is moved, the sensor causes an intensity modulation in each case one of the two light beams, while the other light beam despite the movement of the diffraction grating no intensity modulation or only a very slight intensity modulation is subjected and can therefore serve as a reference light beam. If the movement of the diffraction grating to a slight intensity modulation of the reference light beam leads this intensity modulation by a suitable Calibration can be electronically balanced. So there will be every change in intensity that indicates aging or to a change in the properties of the building
elemente des Weggebers zurückzuführen ist, von dem Detektor erfaßt und erkannt. Da dessen Ausgangssignal ein Intensitätsverhältnis angibt, ist die den Weg angebende Meßgröße von den Eigenschaften der Bauelemente des Weggebers unabhängig. 5elements of the transducer is due, detected and recognized by the detector. Since its output signal indicates an intensity ratio , the measured variable indicating the path is independent of the properties of the components of the path sensor. 5
Der Lichtsender kann eine einzige Lichtquelle besitzen, die Licht in einem breiten Wellenlängenbereich aussendet, wobei nach Maßgabe der Grenzwellenlänge zwischen dem Wellenlängenbereich, in welchem die Durchlässigkeit oder das Reflexionsvermögen der Streifen des zweiten Satzes des Beugungsgitters gemäß der Erindung unabhängig von der Wellenlänge ist, und dem anderen WeIlenlängenberetCh, wo sie von der Wellenlänge abhängig ist, das Licht mit Wellenlängen in einem ersten Teil des genannten Bereiches das erste Lichtstrahlenbündel und das Licht mit Wellenlängen in einem zweiten Teil des genannten Bereiches das zweite Lichtstrahlenbündel bildet. Der Lichtsender kann aber auch eine erste Lichtquelle zum Aussenden nur des ersten Licht-Strahlenbündels und eine zweite Lichtquelle zum Aussenden nur des zweiten Lichtstrahlenbündels besitzen.The light transmitter can have a single light source that emits light in a wide range of wavelengths, according to the cut-off wavelength between the wavelength range in which the transmittance or the reflectivity of the fringes of the second set of diffraction gratings according to the invention is independent of the wavelength, and the other wavelength range, where it depends on the wavelength is, the light with wavelengths in a first part of said range is the first light beam and the light having wavelengths in a second part of said range is the second light beam forms. However, the light transmitter can also be a first light source for emitting only the first light beam and a second light source for emitting only the second light beam.
Wenn nur eine Lichtquelle mit einem breiten Wellenlängenbereich verwendet wird, muß die Grenzwellenlänge so scharf bestimmt sein, daß eine Überschneidung des ersten und des zweiten Lichtstrahlenbündels verhindert wird. Bei Verwendung von zwei getrennten Lichtquellen ist eine so scharfe Grenzwellenlänge nicht kritisch. Vorzugsweise liegen die Wellenlängen des ersten und zweiten LichtstrahlenbündelsIf only a light source having a wide range of wavelengths is used, the cutoff wavelength must be used be determined so sharply that an intersection of the first and second light beams is prevented. When using two separate light sources there is such a sharp cut-off wavelength not critical. The wavelengths of the first and second light beams are preferably located
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so nahe beieinander, daß der Einfluß von Streueffekten, beispielsweise der Rayleigh-Streuung, möglichst klein gehalten wird.so close together that the influence of scattering effects, for example Rayleigh scattering, is as small as possible is held.
Der Lichtempfänger kann einen Strahlenteiler besitzen, der das erste und das zweite Lichtstrahlenbündel voneinander getrennt der Detektoranordnung zuführt. In diesem Fall besitzt die Detektoranordnung voneinander getrennte Detektoren zum Bestimmen der Intensität des ersten bzw. zweiten Lichtstrahlenbündels. Man kann aber auch nur einen einzigen Detektor verwenden und den Weggeber so ausbilden, daß das erste und das zweite Lichtstrahlenbündel zeitlich voneinander getrennt werden. In einer derartigen Anordnung kann die Detektoranordnung einen Datenspeicher besitzen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Wegmessung durch eine Verschlechterung oder sonstige Veränderung der Eigenschaften des einzigen Detektors (z.B. durch Alterung) nicht beeinträchtigt wird.The light receiver can have a beam splitter, which feeds the first and second light beams separately from one another to the detector arrangement. In In this case, the detector arrangement has separate detectors for determining the intensity of the first and second light beam. But you can also use only a single detector and train the transducer so that the first and the second light beam are separated from each other in time will. In such an arrangement, the detector arrangement can have a data memory. These Arrangement has the advantage that the path measurement by a deterioration or other change in the Properties of the single detector (e.g. due to aging) is not impaired.
Die Detektoranordnung kann irgendeine bekannte Einrichtung zum Bestimmen des gewünschten Intensitätsverhältnisses, beispielsweise einen Spannungsteiler, besitzen. Die vorstehend erwähnte Lichtquelle bzw. die vorstehend erwähnten Lichtquellen können LaserdiotJen sein; in diesem Fall kann man die Ausgangsintensität der Lichtquelle oder Lichtquellen mit Hilfe von Rückkopplungssystemen stabilisieren. Die Lichtquelle kann aber auch aus einer Leuchtdiode bestehen;The detector arrangement can be any known means for determining the desired intensity ratio, for example a voltage divider, own. The above-mentioned light source or the above-mentioned light sources can be laser diodes be; in this case one can adjust the output intensity of the light source or light sources using stabilize feedback systems. The light source can also consist of a light emitting diode;
In diesem Fall wird der Detektoranordnung ein die Ausgangsintensität der Leuchtdiode darstellendes Signal direkt zugeführt und wird die Pulsfrequenz der Leuchtdiode derart gewählt, daß die Detektoranordnung die Signale von dem Sensor und direkt von der Leuchtdiode voneinander getrennt empfängt; das Intensitätsverhältnis dieser Signale ist unabhängig von Schwankungen der Lichtstärke der Leuchtdiode.In this case the detector array becomes the output intensity The signal representing the light emitting diode is supplied directly and becomes the pulse frequency of the light emitting diode chosen such that the detector arrangement receives the signals from the sensor and directly from the light emitting diode receives separately from each other; the intensity ratio of these signals is independent of fluctuations the light intensity of the light emitting diode.
Der Lichtsender und der Lichtempfänger besitzen vorzugsweise Lichtleitfasern, damit der Weggeber auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen verwendet werden kann.The light transmitter and the light receiver preferably have Optical fibers so that the transducer can also be used under difficult environmental conditions can.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigtEmbodiments of the invention are shown below described with reference to the accompanying schematic drawings. In these shows
Figur 1 ein Beugungsgitter; die Figuren 2 bis 5 zeigen je eine AusführungsFIG. 1 a diffraction grating; Figures 2 to 5 each show an embodiment
form von Wegmeßsensoren gemäß der Erfindung, und dieform of displacement sensors according to the invention, and the
Figuren 6 bis 8 zeigen je eine Ausführungsform von Weggebern gemäß der Erfindung.Figures 6 to 8 each show an embodiment of displacement transducers according to the invention.
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Das in Figur 1 gezeigte Beugungsgitter 10 besteht aus einem Glassubstrat 11, auf dessen Vorderfläche 11A ein Satz von Strichen 12 angeordnet ist, die zueinander parallel und durch Streifen 13 voneinander getrennt sind. Die Streifen 13 werden von überzugsfreien Bereichen des Substrats gebildet und haben daher dieselben Lichtdurchlaßeigenschaften wie das Substrat, dessen Lichtdurchlässigkeit von der Wellenlänge der auftreffenden Strahlung unabhängig ist. Jeder Strich 12 wird von einem an der Vorderfläche 11A anhaftenden Überzug aus einem Material gebildet, das selektiv, nämlich in einem Teil des Wellenlängenbereichs der auftreffenden Strahlung durchlässig ist. Beispielsweise können die Striche 12 von einem überzug gebildet werden, der aus mehreren Schichten besteht, die ein Interferenzfilter bilden, das für Licht unter einer vorherbestimmten Wellenlänge (der Grenzwellenlänge) durchlässig und für Licht über der vorherbestimmten Wellenlänge undurchlässig ist.The diffraction grating 10 shown in Figure 1 consists of a glass substrate 11, on the front surface 11A a set of bars 12 is arranged, which are parallel to one another and separated from one another by stripes 13 are. The strips 13 are formed by coating-free areas of the substrate and therefore have the same Light transmission properties such as the substrate, whose light transmission depends on the wavelength of the incident radiation is independent. Each stroke 12 is adhered to by one on the front surface 11A Coating formed from a material which selectively, namely in a part of the wavelength range of incident radiation is transparent. For example, the lines 12 can be formed by a coating which consists of several layers that form an interference filter for light under a The predetermined wavelength (the cut-off wavelength) is transparent to light above the predetermined one Wavelength is opaque.
Der in Figur 2 dargestellte Sensor 50 besitzt zwei Beugungsgitter 10 der anhand der Figur 1 beschriebenen Art und arbeitet mit Durchlicht, d.h. daß auf den Sensor fallendes Licht durch den Sensor 50 hindurchtritt und dabei entweder intensitätsmoduliert wird oder unmoduliert bleibt, je nachdem, ob die Wellenlänge des Lichtes über oder unter der vorherbestimmten Grenzwellenlänge der Striche 12 liegt.The sensor 50 shown in FIG. 2 has two diffraction gratings 10 of the type described with reference to FIG Art and works with transmitted light, i.e. light incident on the sensor passes through the sensor 50 and is either intensity-modulated or remains unmodulated, depending on whether the wavelength of the light is above or below the predetermined limit wavelength of the lines 12.
In dem Sensor 50 sind die Striche 12 der Beugungsgitter 10 für Wellenlängen unter der Grenzwellenlänge durchlässig und für Wellenlängen über der Grenzwellenlänge undurchlässig. Man könnte diese Beziehung aber auch umkehren und Striche 12 verwenden, die für Wellenlängen unter der Grenzwellenlänge undurchlässig und für Wellenlängen über der Grenzwellenlänge durchlässig sind. In beiden Fällen dient jenes auffallende Lichtstrahlenbündel, für dessen Wellenlänge die Striche 12 durchlässig sind, als Bezugs-Lichtstrahlenbündel. Daher müssen die Durchlaßeigenschaften der Striche 12 und des mit Strichen 12 versehenen Teils des Substrats 11 mit den Durchlaßeigenschaften der Streifen 13 übereinstimmen. Jenes auffallende Lichtstrahlenbündel aber, welches die Wellenlängen enthält, für welche die Striche undurchlässig sind, dient als Signal-Lichtstrahlenbündel, das infolge der Bewegung des einen Beugungsgitters 10 gegenüber dem anderen Beugungsgitter 10 des Sensors 50 intensitätsmoduliert wird.In the sensor 50, the lines 12 of the diffraction gratings 10 are permeable to wavelengths below the threshold wavelength and impermeable to wavelengths above the threshold wavelength. However, one could also reverse this relationship and use lines 12 which are opaque for wavelengths below the cutoff wavelength and transparent for wavelengths above the cutoff wavelength. In both cases that incident light beam, for whose wavelength the lines 12 are transparent, serves as a reference light beam. Therefore, the transmission properties of the lines 12 and the portion of the substrate 11 provided with lines 12 must match the transmission properties of the strips 13. However, that incident light beam, which contains the wavelengths for which the lines are opaque, serves as a signal light beam, which is intensity-modulated as a result of the movement of one diffraction grating 10 in relation to the other diffraction grating 10 of the sensor 50.
Der in der Figur 3 gezeigte Sensor 54 besitzt ein Beugungsgitter 55 aus einem Glassubstrat 56, auf dem lichtundurchlässige Striche 57 vorgesehen sind, die entweder spiegelnd oder einfach nur lichtundurchlässig ausgeführt sein können und für jede Wellenlänge der auffallenden Strahlung undurchlässig sind. Dieses Beugungsgitter 55 ist somit ein normales, bekanntes Beugungsgitter.The sensor 54 shown in Figure 3 has a diffraction grating 55 made of a glass substrate 56 on which opaque lines 57 are provided, which are either reflective or simply opaque can be designed and are opaque for every wavelength of the incident radiation. This Diffraction grating 55 is thus a normal, known diffraction grating.
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Der Sensor besitzt ferner ein Beugungsgitter 10 der anhand der Figur 1 beschriebenen Art. Dieser Sensor arbeitet mit Durchlicht. Dabei treten sowohl das Signal- als auch das Bezugs-Lichtstrahlenbündel durch den Sensor 54, wobei in diesem Fall jedoch das Bezugs-Lichtstrahlenbündel durch das Vorhandensein der Striche 57 eine Schwächung seiner Intensität erfährt (die in der Größenordnung von 50 % liegt).The sensor also has a diffraction grating 10 of the type described with reference to FIG. 1. This sensor works with transmitted light. Both the signal and the reference light beam pass through the sensor 54, but in this case the reference light beam experiences a weakening of its intensity (which is of the order of 50 % ) due to the presence of the lines 57.
Der in der Figur 4 dargestellte Sensor 60 besitzt ein Beugungsgitter 61 bekannter Art mit einem Glassubstrat 62 und auf diesem vorgesehenen lichtundurchlässigen Strichen 63. Das zweite Beugungsgitter 66 des Sensors 60 besitzt ein Substrat 64 aus einem ein Interferenzfilter bildenden Material und auf diesem Substrat vorgesehenen, spiegelnden Strichen 65. Daher arbeitet der Sensor 60 mit Auflicht und das Bezugs-Lichtstrahlenbündel wird wegen des Vorhandenseins der lichtundurchlässigen Striche 63 in seiner Intensität geschwächt, wenn das Substrat lichtundurchlässig und nicht reflektierend ist. In ensprechender Weise wird das Signal-Lichtstrahlenbündel in seiner Intensität nicht nur moduliert, sondern auch geschwächt, soweit das Substrat 64 für das Signal-Lichtstrahlenbündel durchlässig ist.The sensor 60 shown in FIG. 4 has a diffraction grating 61 of a known type with a glass substrate 62 and on this provided opaque lines 63. The second diffraction grating 66 of the Sensor 60 has a substrate 64 made of an interference filter forming material and reflective lines 65 provided on this substrate. Hence the sensor 60 works with incident light and the reference light beam is because of the presence of the opaque lines 63 weakened in its intensity when the substrate is opaque and is not reflective. The intensity of the signal light beam increases in a corresponding manner not only modulated, but also weakened, as far as the substrate 64 for the signal light beam is permeable.
Der in der Figur 5 gezeigte Sensor 70 besitzt ein Beugungsgitter 71 normaler, bekannter Art mit einem Glassubstrat 73, das mit lichtundurchlässigen Strichen versehen ist. Das zweite Beugungsgitter 76 besteht aus einem Substrat 77 aus einem Absorptionsfiltermaterial, welchem auf der einen Seite ein überzug 78 mit hohem Reflexionsvermögen anhaftet und welches auf seiner anderen Seite Striche 75The sensor 70 shown in FIG. 5 has a diffraction grating 71 of a normal, known type with a glass substrate 73, which is provided with opaque lines. The second diffraction grating 76 consists of a substrate 77 made of an absorption filter material, which on one side has a coating 78 with high Reflectivity clings and which one on its other Page dashes 75
mit hohem Reflexionsvermögen (spiegelnde Striche) trägt. Daher arbeitet der Sensor 70 mit Auflicht,und wenn auch das Bezugs-Lichtstrahlenbündel beim Durchgang durch das Substrat 77 geschwächt wird, wirkt das zweite Gitter 76 in jenem Wellenlängenbereich, für den es vollständig durchlässig ist, in seiner ganzen Ausdehnung einfach als Spiegel.with high reflectivity (specular lines). Therefore, the sensor 70 works with incident light, and if the reference light beam is also weakened as it passes through the substrate 77, this is effective second grating 76 in the wavelength range for which it is completely permeable, simply as a mirror in its entire extent.
Aus dem Licht, für welches das Substrat 77 lichtundurchlässig ist oder welches von dem Substrat 77 absorbiert wird, wird durch Reflexion an den Strichen 75 das Signal-Lichtstrahlenbündel gebildet.From the light to which the substrate 77 is opaque or which is absorbed by the substrate 77 is, the signal light beam is formed by reflection at the lines 75.
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen von Weggebern beschrieben, in denen der in Figur 2 gezeigte,mit Durchlicht arbeitende Sensor verwendet wird. Es versteht sich jedoch, daß der Sensor 50 durch jeden der anderen vorstehend beschriebenen Sensoren 54, 60, 70 ersetzt werden kann, sofern bei Verwendung eines solchen Auf 1ichtsensors der Lichtempfänger so angeordnet wird, daß er die aus dem Sensor austretenden Lichtstrahlenbündel empfängt.Various embodiments of Described displacement transducers, in which the sensor shown in Figure 2, working with transmitted light is used. It will be understood, however, that the sensor 50 can be controlled by any of the other sensors 54, 60, 70 can be replaced, provided that the light receiver is arranged in this way when using such an upright sensor is that it receives the light beam emerging from the sensor.
In dem in der Figur 6 gezeigten Weggeber wird der Sensor 50 über eine Lichtleitfaser 22 mit Meßlicht beleuchtet und wird das durch den Sensor 50 getretene Licht von einer Lichtleitfaser 23 aufgefangen. Die Lichtleitfasern 22 und 23 bilden zusammen ein Zweiweg-Lichtleitkabel. Die Faser 22 erhält Licht über eine selbstfokussierende Linse 24 von einer Breitband-Lichtquelle 25, die in diesem Auführungsbeispiel vonIn the displacement transducer shown in FIG. 6, the sensor 50 is illuminated with measuring light via an optical fiber 22 and the light that has passed through the sensor 50 is intercepted by an optical fiber 23. the Optical fibers 22 and 23 together form a two-way optical cable. The fiber 22 receives light via a self-focusing lens 24 from a broadband light source 25, which in this embodiment of
einer Leuchtdiode mit einer Mittenwellenlänge von 820 nm gebildet wird. Die Grenzfrequenz der Striche 12 jedes Beugungsgitters 10 des Sensors 50 beträgt 830 nm, sodaß die Lichtquelle 25 gleichzeitig das erste Lichtstrahlenbündel mit Wellenlängen unter 830 nm und das zweite Lichtstrahlenbündel mit Wellenlängen über 830 nm erzeugt. Die Lichtleitfaser 23 leitet die von ihr aufgefangenen Lichtstrahlenbündel zu einer selbstfokussierenden Linse 26, die das Licht auf einen Strahlenteiler 27 wirft, der das Licht mit den Frequenzen des ersten Lichtstrahlenbündels durchläßt und auf eine erste Photodiode 28 wirft und der das Licht mit den Frequenzen des zweiten Lichtstrahlenbündels auf eine zweite Photodiode 29 reflektiert. Jede der Photodioden 28 und 29 mißt die Intensität des auf Sie fallenden Lichtstrahlenbündels. Die elektrischen Ausgangssignale der Photodioden 28 und 29 werden an einen Spannungsteiler 30 abgegeben, an dessen Ausgang 31 ein Signal erscheint, das das Intensitätsverhältnis darstellt. Der Strahlenteiler 27 muß in seinen optischen Eigenschaften natürlich an die optischen Eigenschaften der Striche 12 der Beugungsgitter insofern angepaßt sein, als der Strahlenteiler 27 das erste Lichtstrahlenbündel im wesentlichen verlustfrei durchläßt und das zweite Lichtstrahlenbündel im wesentlichen verlustfrei reflektiert.a light emitting diode with a center wavelength of 820 nm is formed. The cutoff frequency of the strokes 12 each diffraction grating 10 of the sensor 50 is 830 nm, so that the light source 25 simultaneously emits the first light beam with wavelengths below 830 nm and the second light beam with wavelengths above 830 nm generated. The optical fiber 23 guides the captured by it Light beam to a self-focusing lens 26, which the light on a beam splitter 27 throws, which transmits the light with the frequencies of the first light beam and on a first Photodiode 28 throws and the light with the frequencies of the second light beam is reflected onto a second photodiode 29. Each of the photodiodes 28 and 29 measure the intensity of the light beam falling on you. The electrical output signals of the photodiodes 28 and 29 are delivered to a voltage divider 30, at whose output 31 a Signal appears that represents the intensity ratio. The beam splitter 27 must be in its optical Properties of course adapted to the optical properties of the lines 12 of the diffraction grating be when the beam splitter 27 allows the first light beam to pass through essentially without loss and the second light beam is reflected essentially without loss.
In dem in Figur 7 gezeigten, zweiten Weggeber besitzt die Lichtquelle 25 eine erste Laserdiode 35 mit einer schmalen Bandbreite um 840 nm herum, eine zweiter Laser· diode 36 mit einer schmalen Bandbreite um 904 um herumIn the second displacement sensor shown in FIG. 7, the light source 25 has a first laser diode 35 with a narrow bandwidth around 840 nm, a second laser diode 36 with a narrow bandwidth around 904 around
und einen Strahlenteiler 37, der für das Lichtstrahlenbündel von der Laserdiode 35 durchlässig ist und das Lichtstrahlenbündel von der Laserdiode 36 reflektiert. Dabei reflektiert der Strahlenteiler 37 einen kleinen Prozentsatz des von der Diode 35 kommenden Lichtes und läßt er denselben kleinen Prozentsatz des von der Laserdiode 36 kommenden Lichtes durch. Diese Lichtanteile werden von einer Photodiode 38 erfaßt, deren Ausgangssignal als Rückkopplungssignal der Impulsschaltung und Stromversorgung 39 zugeführt wird, durch die die Dioden 35, 36 abwechselnd angesteuert werden, so daß die von ihnen abgegebenen Lichtstrahlenbündel abwechselnd auftreten.and a beam splitter 37 which is transparent to the light beam from the laser diode 35 and that Light beam reflected from the laser diode 36. The beam splitter 37 reflects a small one Percentage of the light coming from the diode 35 and it leaves the same small percentage of that of the Laser diode 36 light coming through. These light components are detected by a photodiode 38, the output signal of which is supplied as a feedback signal to the pulse circuit and power supply 39 through which the diodes 35, 36 are driven alternately, so that the light beams emitted by them alternately appear.
Die Lichtleitfaser 23 leitet die beiden alternierenden Lichtstrahlenbündel an eine einzige Photodiode 41 weiter, deren elektrisches Ausgangssignal einer Auswerteschaltung 42 zugeführt wird, zu der ein Datenspeicher und eine Verhältnismeßeinrichtung gehören.The optical fiber 23 guides the two alternating ones Light beam to a single photodiode 41 on, the electrical output signal of an evaluation circuit 42, which includes a data memory and a ratio measuring device.
In dem zweiten Weggeber haben die Striche 12 der Beugungsgitter 10 eine Grenzfrequenz von 870 nm. In der Ausführungsform gemäß der Figur 7 könnten die beiden Laserdioden 35 und 36 natürlich auch durch Leuchtdioden in Kombination mit Schmalbandfiltern ersetzt werden, beispielsweise durch eine Leuchtdiode mit einer Mittenwellenlänge von 820 nm in Kombination mit einem Ealing-Schmalbandfilter mit einer Mittenwellenlänge 820 nm bzw. durch eine Leuchtdiode mit einer Mittenwellenlänge von 900 nm in Kombination mit einem Ealing-Schmalbandf i lter mit einer Mittenwellenlänge von 900 nm.In the second encoder, the lines 12 of the diffraction grating 10 have a cutoff frequency of 870 nm In the embodiment according to FIG. 7, the two laser diodes 35 and 36 could of course also be light-emitting diodes be replaced in combination with narrow band filters, for example by a light emitting diode with a Center wavelength of 820 nm in combination with an Ealing narrow band filter with a center wavelength 820 nm or by a light-emitting diode with a center wavelength of 900 nm in combination with an Ealing narrow band i lter with a center wavelength of 900 nm.
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Ferner könnte der zum Vereinigen der beiden Lichtstrahlenbündel dienende Strahlenteiler 37 durch einen optischen Vierpunktkoppler ersetzt werden.Furthermore, the beam splitter 37, which is used to combine the two light beams, could be provided by a optical four-point coupler are replaced.
In dem in der Figur 8 gezeigten Weggeber werden Intensitätsschwankungen der von den beiden Lichtquellen 35 und 36 ausgesandten Lichtstrahlenbündel dadurch erfaßt, daß von dem von den Lichtquellen 35, 36 ausgesandten Licht Stichproben genommen und das dabei erfaßte Licht über Strahlenteiler 45, 46 auf die Photodiode 41 geworfen wird.In the displacement transducer shown in FIG. 8, intensity fluctuations are observed the light beam emitted by the two light sources 35 and 36 is detected by that random samples are taken of the light emitted by the light sources 35, 36 and that at the same time detected light is thrown onto the photodiode 41 via beam splitters 45, 46.
Die in Figur 1 gezeigten Beugungsgitter 10 können beispielsweise durch Photolithographie hergestellt werden. Dabei wird das Glassubstrat zunächst mit dem Material für die Striche überzogen. Auf dieses Material wird dann eine Photolackschicht aufgetragen, die durch ein Ur-Beugungsgitter hindurch einer Ultraviolettstrahlung ausgesetzt wird. Dann wird der Photolack entwickelt und auf geeignete Weise, beispielsweise mit Siliziumdioxid, geätzt.The diffraction gratings 10 shown in FIG. 1 can be produced, for example, by photolithography will. The glass substrate is first coated with the material for the lines. On this material Then a photoresist layer is applied, which passes through a primary diffraction grating of an ultraviolet radiation is exposed. Then the photoresist is developed and in a suitable manner, for example with Silicon dioxide, etched.
Die Weggeber wurden dahingehend beschrieben, daß sie jeweils mit zwei getrennten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereichen und somit im Einzelbetrieb arbeiten? es ist jedoch auch möglich mit mehreren Paaren von Lichtwellenlängen zu arbeiten und die erfindungsgemäßen Weggeber in einem System mit passiver Mehrfachausnutzung einzusetzen.The displacement transducers were described in such a way that they each have two separate wavelengths or wavelength ranges and thus work in individual operation? however, it is also possible with several pairs of To work light wavelengths and the invention To use position transducers in a system with passive multiple utilization.
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Ferner können das Signal- und das Bezugs-Lichtstrahlen· bündel gleichzeitig an dem Detektor ankommen, wenn die Lichtstrahlenbündel von zwei getrennten Quellen erzeugt werden, jedes Lichtstrahlenbündel frequenzmoduliert wird und die Lichtstrahlenbündel an dem Detektor durch Demodulation voneinander getrennt werden. In einer derartigen Anordnung brauchen keine Daten in der vorstehend besprochenen Weise gespeichert zu werden.Furthermore, the signal and reference light beams can arrive at the detector at the same time, if the light beams are generated by two separate sources, each light beam is frequency-modulated and the light beams are separated from one another by demodulation at the detector will. In such an arrangement, no data need be stored in the manner discussed above to become.
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