DE3703327A1 - Verfahren und einrichtung zur optischen positionsmessung - Google Patents
Verfahren und einrichtung zur optischen positionsmessungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur optischen Positionsmessung, bei welchem ein photosensitives
Element mit einer Vielzahl von in gleichen
gegenseitigen Abständen angeordneten, ein Strichgitter
bildenden Photodioden und ein ein vorbestimmtes Strichgitter
aufweisender, bezüglich dem photosensitiven
Element bewegbarer optischer Massstab vorgesehen werden
und der Massstab auf das photosensitive Element projiziert
wird, wobei die projizierte Strichdichte des
Massstabes verschieden ist vom Strichgitter des photosensitiven
Elementes und dabei die Phasenlage des
entstehenden Interferenzmusters erfasst wird, um die
relative Position der beiden Strichgitter zueinander
festzustellen.
Es sind bereits verschiedene Verfahren zur
optischen Positionsmessung bekannt, bei welchen eine
hohe Auflösung erzielt werden kann. Die bei solchen
Verfahren möglichen Messlängen sind allerdings relativ
beschränkt. Aus diesem Grund wurden optische Positionsmessverfahren
der obengenannten Art bisher hauptsächlich
bei Winkelmessgeräten, wie beispielsweise bei modernen
Theodoliten angewendet.
So ist beispielsweise aus der DE-OS 31 50 349
ein hochauflösender Winkelsensor für die Anwendung
in einem Theodoliten beschrieben. Dabei handelt es
sich hauptsächlich um das Prinzip der Feinauflösung
mittels Strichgitter und Photodioden-Array, d. h. um
das Prinzip der Positionserfassung mittels optischer
Interferenz von Strichgittern verschiedener Strichdichte,
bzw. Strichgitter und Photodioden-Array.
Bei dieser bekannten Einrichtung werden die
Ausgänge des Photodioden-Arrays analog bearbeitet,
beispielsweise unter Verwendung von handelsüblichen
CCD's.
Falls neben der Feinauflösung auch eine Absolutwertmessung
erfolgen soll, werden zwei separate Dioden-
Arrays vorgeschlagen, wobei diese derart angeordnet
werden, dass das projizierte Strichgitter im zweiten
Array gegenüber dem ersten um 90° phasenverschoben
ist, um dabei den absoluten Drehwinkel inkremental
zu erfassen.
Als weitere Möglichkeit zur Absolutwerterfassung
wird eine separate optische Spur mit binärem Gray-Code
vorgeschlagen.
Auch die europäische Patentanmeldung Nr.
8 31 09 286.1 beschreibt in ausführlicher Weise die
Möglichkeit der Feinauflösung mittels Strichgitter
und Photodioden-Array zum Messen und Erfassen einer
linearen oder krummlinigen Bewegung eines Massstabes.
Allerdings fehlt bei dieser Druckschrift eine genaue
Erläuterung darüber, wie die grosse Anzahl von Photodioden-
Anschlüssen auf einen Signalprozessor überführt
und dort verarbeitet werden soll. Zudem wird in sehr
allgemeiner Weise daraufhingewiesen, dass das Prinzip
nicht nur auf optischer, sondern auch auf elektrostatischer
(kapazitiv) oder magnetischer Basis realisiert
werden kann.
Das Verfahren und die Einrichtung eignet sich
wohl lediglich zum Erfassen von sehr kleinen, bzw.
geringen Bewegungen.
Auch in den europäischen Patentanmeldungen
8 41 00 465.8 und 8 41 00 697.6 werden Messeinrichtungen
beschrieben, welche auf dem bereits angeführten Prinzip
beruhen. Dabei sind neben der regelmässigen Strichgitter-
Spur für die inkrementale Feinauflösung separate Referenzmarken
angebracht, um eine Absolutwerterfassung zu
ermöglichen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ein
Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, welche
einerseits durch Verfolgen der Phasenlage des entstehenden
Interferenzmusters die Verschiebung des optischen
Massstabes inkremental verfolgen und bestimmen kann,
wobei die Auflösung über sehr grosse Messlängen (z. B.
einige Meter) weniger als 1 µm betragen kann. Das
Verfahren soll dabei durch eine besonders einfache
und in kompakter Form zu realisierende Signalverarbeitung
unterstützt werden.
Zu diesem Zweck zeichnet sich das Verfahren
zur optischen Positionsmessung der eingangs definierten
Art erfindungsgemäss dadurch aus, dass als photosensitives
Element ein Photodioden-Array mit jeder Photodiode
zugeordneten digitalen Schaltelementen für die Signalverarbeitung
verwendet wird, wobei Photodioden und Schaltelemente
auf demselben Substrat integriert sind und paarweise
die Intensitäten benachbarter Dioden vergleichen.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht
nicht nur eine neuartige und besonders vorteilhafte
Signalverarbeitung im Zusammenhang mit der Erfassung
der Feinauflösung mittels Strichgitter und Photodioden-
Array, sondern eignet sich darüberhinaus ganz speziell
zur absoluten Positionsmessung. Für diese besondere
Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens,
d. h. zum Einsatz des Verfahrens zur absoluten Positionsmessung
muss lediglich das Strichgitter des optischen
Massstabes zusätzlich codiert werden.
Die Codierung des Strichgitters des optischen
Massstabes kann beispielsweise durch abschnittweises
Vertauschen von Hell- und Dunkelstellen nach vorbestimmtem
Muster, z. B. gemäss einer binären Maximallängensequenz
erfolgen. Dies bedeutet, dass das bisher regelmässige
Hell/Dunkel-Muster entsprechend einer binären Pseudo-
Zufallsfolge stellenweise invertiert werden muss,
d. h. Hell- und Dunkelbereiche müssen vertauscht werden.
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die genannte
Pseudo-Zufallsfolge eine zwar zufällig erscheinende,
jedoch deterministisch erzeugte Sequenz von 0-en und
1-en der Länge 2 n -1 Bits darstellt. Ein wesentliches
Merkmal an einer solchen Binärsequenz ist die Tatsache,
dass aus der Kenntnis von n aufeinanderfolgenden Bits
die exakte Lage dieser n-Bits langen Teilsequenz innerhalb
der ganzen Sequenz von 2 n -1 Bits ermittelt werden
kann.
In ähnlicher Weise kann die Codierung des
Strichgitters mittels einer binären Pulsbreitemodulation
erfolgen, d. h. durch Vertauschen über ein kürzeres
Intervall für den Binärwert 0 und vertauschen über
ein längeres Intervall für den Binärwert 1.
Dank dieser besonderen Ausführungsform des
erfindungsgemässen Verfahrens ist somit eine absolute
Positionsmessung möglich, ohne dass zusätzliche Codierungsspuren
oder zusätzliche Markierungen erforderlich
werden. Das für die Feinauflösung benötigte Strichgitter
braucht lediglich in geeigneter Form selbst codiert
zu werden.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung
zur Durchführung des Verfahrens, welche eine Lichtquelle,
ein photosensitives Element in Form einer Vielzahl
von in gleichen gegenseitigen Abständen angeordneten,
ein Strichgitter bildenden Photodioden und einen bezüglich
diesen Photodioden bewegbar angeordneten optischen
Massstab aufweist, dessen Strichgitter mittels der
Lichtquelle auf die Photodioden projizierbar ist,
wobei sich diese Einrichtung erfindungsgemäss dadurch
auszeichnet, dass jeder Photodiode des Photodioden-Arrays
digitale Schaltelemente zugeordnet und auf demselben
Substrat integriert sind.
Vorzugsweise ist eine Optik zur Uebertragung
des Strichgitters auf das photosensitive Element vorgesehen.
Der optische Vergrösserungsfaktor k wird dabei
so gewählt, dass sich der Photodioden-Abstand um einen
bestimmten Wert vom Abstand der projizierten Hell/Dunkel-
Stellen unterscheidet. Die Lichtintensitäten, welche
von den einzelnen Dioden aufgefangen werden, nehmen
dann linear zu und ab und erzeugen ein Interferenzmuster
einer vorbestimmten Periode.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Einrichtung sind Lichtquelle und photosensitives
Element in einem transparenten Glas- oder Kunststoffkörper
untergebracht, welch letzterer gleichzeitig die
Optik für die Uebertragung des bewegbar am Körper
angeordneten Strichgitters des Massstabes auf das
photosensitive Element bildet.
Die Erfindung wird nachstehend in allgemeiner
Form und anhand von Ausführungsbeispielen, welche
durch die Zeichnung veranschaulicht werden, noch etwas
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Prinzipschema für die Positionserfassung
mittels optischer Interferenz;
Fig. 2a eine mögliche Schaltungsanordnung
einer einzelnen Photodiode;
Fig. 2b den prinzipiellen Aufbau eines linearen
Photodioden-Arrays mit intergrierter digitaler Signalauswertung;
Fig. 3 ein Prinzipschema der Codierung des
optischen Gitters für Absolutwertmessung, mit codierten
Ausgangssignalen, und
Fig. 4a und 4b eine rein schematische Darstellung,
von oben bzw. von der Seite, einer Einrichtung zur
optischen Positionsmessung (ohne den Prozessor).
Nachstehend wird das erfindunsgemässe Verfahren
zur optischen Positionsmessung, insbesondere die bevorzugte
Absolutwertmessung mittels diesem Verfahren, mit
einer Auflösung von weniger als 1 µm über sehr grosse
Messlängen, z. B. bis zu mehreren Metern, näher beschrieben
und erläutert.
Das Verfahren und selbstverständlich die Einrichtung
zu seiner Durchführung benötigt einen hochpräzisen
optischen Massstab mit einem speziell codierten Strichgitter
(der Massstab kann transparent oder reflektierend
sein), ferner eine Lichtquelle und ein vollständig
integriertes, intelligentes photosensitives Element
in Form eines Photodioden-Arrays mit Signalverarbeitung,
das in gängiger NMOS- oder CMOS-Technologie hergestellt
werden kann.
Um das Strichgitter des Massstabes auf den
Photodioden-Array zu projizieren wird vorzugsweise
eine einfache Optik eingesetzt. Die Lichtquelle kann
beliebig gewählt werden, d. h. sie muss nicht gezwungenermassen
kohärent sein. Im vorliegenden Fall wird eine
einfache und kostengünstige nicht kohärente Lichtquelle
eingesetzt.
Zur grundsätzlichen Erläuterung der Funktionsweise
wird von einem transparenten Glasmassstab mit einem
regelmässigen hell/dunkel-Strichgitter der Periode
Pm (z. B. PM = 20 µm, d. h. jeweils 10 µm transparent
abwechselnd mit 10 µm maskiert) ausgegangen. Aus Fig. 1
der Zeichnung geht hervor, wie mittels einer nicht
kohärenten Lichtquelle L auf einer Seite das optische
Bild des Massstabes 1 mit einem regelmässigen Strichgitter
1′ der Periode Pm (z. B. 20 µm) über eine Optik,
d. h. eine Linse 2, auf ein photosensitives Element
3, beim gezeigten Beispiel ein Silizium-Chip von beispielsweise
7 mm Länge, projiziert wird.
Das photosensitive Element 3 besteht aus einem
linearen Array von Photodioden 4, 4′, 4″ etc., die in
gleichen, d. h. regelmässigen Abständen Ps (z. B. Ps = 24 µm,
wovon jeweils 12 µm sensitiver Bereich und
12 µm Zwischenraum) auf einem Silizium-Chip aufgebracht
sind.
Der optische Vergrösserungsfaktor k (z. B.
k = 1,15) wird so gewählt, dass sich der Photodioden-
Abstand Ps um einen bestimmten Wert vom Abstand der
projizierten Hell/Dunkel-Stellen unterscheidet.
Die Lichtintensitäten, welche von den einzelnen
Dioden 4 aufgefangen werden, nehmen dann linear zu
und ab und erzeugen ein Interferenzmuster der Periode
Pi:
Pi = (Ps · Pm · k)/(Ps-Pm · k) (1)
Mit den aufgeführten Zahlenbeispielen, nämlich:
Pm = 20 µm, Ps = 24 µm, k = 1,15 würde ein Interferenzmuster
der Periode Pi = 552 µm resultieren.
Bewegt sich nun der Massstab in einer der
Pfeilrichtungen A oder B bezüglich des feststehenden
Systems von Lichtquelle L, Optik 2 und Sensorelement
3 um die Länge d 1, so wird sich das Interferenzmuster
auf dem Chip 3 um dL verschieben:
dL = d 1 · Ps/(Ps/k-Pm) (2)
mit dem gewählten Zahlenbeispiel, nämlich:
Pm = 20 µm, Ps = 24 µm, k = 1,15, d 1 = 1 µm/k ergibt
dies dL = 24 µm.
Photodioden-Arrays dieser Art mit analogem
Signalausgang sind auf dem Markt erhältlich (CCD =
Charge Coupled Devices). Die Tatsache jedoch, dass
in der hier beschriebenen Anwendung die Lichtintensität
von Diode zu Diode um einen praktisch konstanten Betrag
zu- oder abnimmt, erlaubt eine relativ einfache Signalauswertung,
welche in unmittelbarer Nähe der Photodioden
4 mitintegriert werden kann. Für die Auswertung muss
lediglich festgestellt werden, welche von zwei benachbarten
Dioden stärker belichtet ist. Die Intensitätswerte
können direkt binär digitalisiert werden, indem eine
logische 0 erzeugt wird, wenn die Diode links stärker
belichtet wird als die benachbarte Diode rechts und
im umgekehrten Fall eine logische 1. Die derart erzeugte
Sequenz von logischen Zuständen 0 und 1 ergibt eine
Rechteckfunktion, deren Phasenlage identisch mit derjenigen
des vorhin beschriebenen Interferenzmusters
ist. Dies geht ebenfalls aus dem Schema nach Fig. 1
hervor.
Im verwendeten Zahlenbeispiel bedeutet das,
dass bei einer Bewegung des Massstabes um etwas weniger
als 1 µm die binäre Sequenz um ein Bit (entsprechend
24 µm) verschoben wird. Bei der nachfolgenden softwaremässigen
Auswertung dieser digitalen Information kann
durch sorgfältige Korrelation mit einer Referenz-
Sequenz die relative Position im konkreten Fall auf
0.2 µm genau ermittelt werden.
Fig. 2a der Zeichnung illustriert den relativ
einfachen Schaltungsaufwand, der für jede einzelne
Photodiode vorgesehen werden muss, um den beschriebenen
Verarbeitungsprozess durchführen zu können. Die dargestellte
Schaltung ist für CMOS-Technologie ausgelegt,
andere Technologien (z. B. NMOS) könnten ebenfalls
verwendet werden. Die Transistoren, die im wesentlichen
ein NAND-Gatter mit zwei Eingängen darstellen, werden
in unmittelbarer Nähe der Photodiode auf dem Chip
plaziert. Dadurch ergeben sich sehr kurze Verbindungen
(einige µm) für die kritischen Analogsignale von der
Photodiode zur Auswertung und Digitalisierung. Die
CMOS- (wie auch die NMOS-) Technologie erlaubt es,
die notwendigen Schaltelemente auf kleiner Fläche
unterzubringen, deren Breite dem Abstand der Photodioden
entspricht.
Zu Beginn der Messung wird der Anodenanschluss
der Photodiode mit einem "reset"-Signal über einen
Transistor kurzzeitig an die Minus-Leitung gelegt.
Während des Messvorgangs wird sich die sperrpolarisierte
Diode, die eine Kapazität darstellt, infolge des durch
die Belichtung beeinflussten Sperrstromes entladen
und zudem zu einem bestimmten Zeitpunkt die Ausgangsspannung
"out" vom ursprünglich positiven Wert (logisch
1) nach Null (logisch 0) schalten. Der Vorgang kann
vorzeitig unterbrochen werden, wenn der zweite Gattereingang
"inhibit" von anfänglich logisch 1 auf logisch
0 schaltet, was zur Folge hat, dass das Ausgangssignal
wiederum auf logisch 1 zurückgeht.
Fig. 2b zeigt, wie die Elemente zu einem Array zusammengeschaltet
werden. Die NAND-Gatter werden kreuzweise
gekoppelt, wodurch sich eine "Flip-Flop"-Schaltung
ergibt, die binär entscheidet, welche der beiden angeschlossenen
Dioden stärker belichtet wird. Die gemeinsame
"ready"-Leitung ("wired-or"-Verknüpfung) zeigt an,
wenn die Entscheidung über den ganzen Array abgeschlossen
ist und die binäre Information über ein Schieberegister
(D-Flip-Flops) ausgelesen werden kann.
Mit der bisher beschriebenen Anordnung ist
es möglich, durch Verfolgung der Phasenlage des Interferenzmusters
die Verschiebung des optischen Massstabs
inkremental zu verfolgen. Um eine absolute Positionsmessung
zu ermöglichen, kann das Strichmuster des
Massstabes zusätzlich codiert werden. Dazu wird das
bisher regelmässige Hell/Dunkel-Muster entsprechend
einer binären Pseudo-Zufallsfolge stellenweise invertiert,
d. h. Hell- und Dunkelbereiche werden vertauscht.
Diese Pseudo-Zufallsfolge ist eine zwar zufällig
erscheinende, jedoch deterministisch erzeugte Sequenz
von 0-en und 1-en der Länge 2 n -1 Bits. Ein wesentliches
Merkmal einer solchen Binärsequenz ist die Tatsache,
dass aus der Kenntnis von n aufeinanderfolgenden Bits
die exakte Lage dieser n-Bits langen Teilsequenz innerhalb
der ganzen Sequenz von 2 n -1 Bits ermittelt werden
kann.
In einem konkreten Zahlenbeispiel bedeutet
das folgendes:
Strichgitter-PeriodePm = 20 µm
Bitlänge der Codierungs-
SequenzLb = 18 · Pm = 360 µm Abstand der PhotodiodenPs = 24µm Anzahl der Photodioden
im Arraym = 256 optischer
Vergrösserungsfaktork = 1.15
SequenzLb = 18 · Pm = 360 µm Abstand der PhotodiodenPs = 24µm Anzahl der Photodioden
im Arraym = 256 optischer
Vergrösserungsfaktork = 1.15
Daraus folgt:
Array-Länge
(= Chip-Länge)La = M · PS = 6144 µm projizierte Bitlänge der
Codierungs-Sequenz auf
ChipAnzahl projizierte
Bitlängen auf ChipAnzahl mit Sicherheit
erfassbarer projizierter
Bitlängen auf Chipmaximale MassstablängeDas Zahlenbeispiel beschreibt eine realisierbare Konfiguration. Daraus ist ersichtlich, dass mit einem relativ kleinen Sensor-Chip (ca. 7 mm Länge) eine absolute Positionserfassung mit einer Auflösung von weniger als 1 µm über eine Länge von mehreren Metern möglich ist. Der Messbereich wird vor allem durch die realisierbare Länge des Strichgitter-Massstabs beschränkt. Das Prinzip der Codierung des optischen Gitters wird in Fig. 3 erläutert. Aus Gründen der Uebersichtlichkeit werden andere Zahlenverhältnisse als im vorstehenden Zahlenbeispiel verwendet. Die Kurven a und b zeigen in Form einer binären Funktion die Lage der Photodioden bzw. das darauf projizierte Hell/Dunkel-Muster des Strichmassstabs. Kurve c zeigt das resultierende Interferenzmuster, d. h. die auf die Dioden auftreffende Lichtintensität (kontinuierlich gezeichnet). Die Codierung des Strichmusters ist in den Kurven d, e und f dargestellt. Kurve d zeigt den Ausschnitt aus der binären Pseudo-Zufallsfolge, welcher vom Dioden-Array erfasst wird. Die Binär-Sequenz wird so umcodiert ("transient" coding, Kurve e), das bei jeder logischen 1 das Hell/Dunkel-Muster auf dem Strichgitter invertiert wird, d. h. Hell-Dunkelstellen vertauscht werden (Kurve f). Daraus resultiert jeweils eine Phasenumkehr von 180° im Interferenzmuster (Kurve g). Durch diese Codierung wird an der Tatsache, dass die Intensitätskurve stets mit konstanter Steilheit zu- oder abnimmt, nichts verändert. Die binäre Digitalisierung der Intensitätsverteilung durch Vergleich der Ströme benachbarter Dioden erzeugt eine Binär-Sequenz (Kurve h), welche sowohl die Phasenlage des Interferenzmusters, als auch die durch die Codierung erzeugten Phasenwechsel wiedergibt. Die Weiterverarbeitung dieser Binär-Sequenz erfolgt zweckmässigerweise mit Softwaremitteln und wird hier nicht weiter erläutert. Durch Korrelation mit einem Referenz-Interferenzmuster kann dessen Phasenlage ermittelt werden (Feinauflösung). Dadurch wird ebenfalls die codierte Binär-Sequenz ersichtlich. Deren Phasenlage sowie die erkannte Bitfolge ermöglichen es auf einfache Weise, die absolute Position auf dem Strichmassstab (unter Berücksichtigung des optischen Vergrösserungsfaktors k) auf einen Diodenabstand Ps genau zu ermitteln (absolute Grobmessung). Zusammen mit dem Resultat der Feinauflösung lässt sich die exakte Position errechnen. Zusammenfassend sei nochmals gesagt, dass es möglich ist, ausgehend von einem optischen Strichgitter- Massstab, dessen Herstellung mit der geforderten Präzision technologisch beherrscht wird, mit wenigen Zusatzelementen, nämlich einer Lichtquelle (z. B. unkohärent), gegenbenfalls einer Linse (z. B. einer zylindrischen Linse, da diese nur in Array-Richtung fokussieren muss) und einem integrierten Sensorelement (in gängiger NMOS- oder CMOS-Technologie herstellbar), eine universell verwendbare Einrichtung zur Messung der absoluten Position mit einer Genauigkeit von weniger als 1 µm über Messlängen von mehreren Metern zu realisieren, Bei geeigneter Anpassung kann eine solche Anordnung auch zur Winkelmessung dienen. Das Schaltkonzept auf dem Sensor-Chip ist grundsätzlich digital, demzufolge weitgehend unkritisch und störunempfindlich. Das Ausgangssignal kann direkt auf einen Prozessor geführt werden. Es wäre zudem denkbar, einen Teil der digitalen Weiterverarbeitung direkt auf dem Chip zu implementieren. Gegenüber den gängigen Inkremental-Messfühlern hat die beschriebene Absolutwert-Messung den Vorteil, dass beim Einschalten des Geräts oder nach Unterbruch der Stromversorgung sofort der korrekte Positionswert geliefert wird, d. h. ein Ansteuern von besonderen Markierungen erübrigt sich. Einen praktikablen und einfach herstellbaren Aufbau eines solchen Messgebers zeigt Fig. 4a und 4b. Die Anordnung besteht aus einem transparenten Kunststoff- oder Glaskörper 5 mit seitlichen Abdeckungen 6 bzw. 7, der gleichzeitig die Fokussier-Optik 8 (zylindrische Linse) bildet und als Träger für ein Sensorelement 9 (Chip) und die Lichtquelle 10 (z. B. LED) dient. Die Abdeckungen 6, 7 sind in der Seitenansicht nach Fig. 4b weggelassen. Der Strichgitter-Massstab 11 ist in dieser Lösung reflektierend und ist entlang der Frontseite des Körpers 5 verschiebbar angeordnet. Das Licht gelangt durch den transparenten Spiegel 12 über die Optik 8 auf den Strichgitter-Massstab 11, wird reflektiert, fokussiert und über den Spiegel 12 auf den Sensor-Chip 9 geworfen. Dieser ist an einen nicht dargestellten Prozessor angeschlossen.
(= Chip-Länge)La = M · PS = 6144 µm projizierte Bitlänge der
Codierungs-Sequenz auf
ChipAnzahl projizierte
Bitlängen auf ChipAnzahl mit Sicherheit
erfassbarer projizierter
Bitlängen auf Chipmaximale MassstablängeDas Zahlenbeispiel beschreibt eine realisierbare Konfiguration. Daraus ist ersichtlich, dass mit einem relativ kleinen Sensor-Chip (ca. 7 mm Länge) eine absolute Positionserfassung mit einer Auflösung von weniger als 1 µm über eine Länge von mehreren Metern möglich ist. Der Messbereich wird vor allem durch die realisierbare Länge des Strichgitter-Massstabs beschränkt. Das Prinzip der Codierung des optischen Gitters wird in Fig. 3 erläutert. Aus Gründen der Uebersichtlichkeit werden andere Zahlenverhältnisse als im vorstehenden Zahlenbeispiel verwendet. Die Kurven a und b zeigen in Form einer binären Funktion die Lage der Photodioden bzw. das darauf projizierte Hell/Dunkel-Muster des Strichmassstabs. Kurve c zeigt das resultierende Interferenzmuster, d. h. die auf die Dioden auftreffende Lichtintensität (kontinuierlich gezeichnet). Die Codierung des Strichmusters ist in den Kurven d, e und f dargestellt. Kurve d zeigt den Ausschnitt aus der binären Pseudo-Zufallsfolge, welcher vom Dioden-Array erfasst wird. Die Binär-Sequenz wird so umcodiert ("transient" coding, Kurve e), das bei jeder logischen 1 das Hell/Dunkel-Muster auf dem Strichgitter invertiert wird, d. h. Hell-Dunkelstellen vertauscht werden (Kurve f). Daraus resultiert jeweils eine Phasenumkehr von 180° im Interferenzmuster (Kurve g). Durch diese Codierung wird an der Tatsache, dass die Intensitätskurve stets mit konstanter Steilheit zu- oder abnimmt, nichts verändert. Die binäre Digitalisierung der Intensitätsverteilung durch Vergleich der Ströme benachbarter Dioden erzeugt eine Binär-Sequenz (Kurve h), welche sowohl die Phasenlage des Interferenzmusters, als auch die durch die Codierung erzeugten Phasenwechsel wiedergibt. Die Weiterverarbeitung dieser Binär-Sequenz erfolgt zweckmässigerweise mit Softwaremitteln und wird hier nicht weiter erläutert. Durch Korrelation mit einem Referenz-Interferenzmuster kann dessen Phasenlage ermittelt werden (Feinauflösung). Dadurch wird ebenfalls die codierte Binär-Sequenz ersichtlich. Deren Phasenlage sowie die erkannte Bitfolge ermöglichen es auf einfache Weise, die absolute Position auf dem Strichmassstab (unter Berücksichtigung des optischen Vergrösserungsfaktors k) auf einen Diodenabstand Ps genau zu ermitteln (absolute Grobmessung). Zusammen mit dem Resultat der Feinauflösung lässt sich die exakte Position errechnen. Zusammenfassend sei nochmals gesagt, dass es möglich ist, ausgehend von einem optischen Strichgitter- Massstab, dessen Herstellung mit der geforderten Präzision technologisch beherrscht wird, mit wenigen Zusatzelementen, nämlich einer Lichtquelle (z. B. unkohärent), gegenbenfalls einer Linse (z. B. einer zylindrischen Linse, da diese nur in Array-Richtung fokussieren muss) und einem integrierten Sensorelement (in gängiger NMOS- oder CMOS-Technologie herstellbar), eine universell verwendbare Einrichtung zur Messung der absoluten Position mit einer Genauigkeit von weniger als 1 µm über Messlängen von mehreren Metern zu realisieren, Bei geeigneter Anpassung kann eine solche Anordnung auch zur Winkelmessung dienen. Das Schaltkonzept auf dem Sensor-Chip ist grundsätzlich digital, demzufolge weitgehend unkritisch und störunempfindlich. Das Ausgangssignal kann direkt auf einen Prozessor geführt werden. Es wäre zudem denkbar, einen Teil der digitalen Weiterverarbeitung direkt auf dem Chip zu implementieren. Gegenüber den gängigen Inkremental-Messfühlern hat die beschriebene Absolutwert-Messung den Vorteil, dass beim Einschalten des Geräts oder nach Unterbruch der Stromversorgung sofort der korrekte Positionswert geliefert wird, d. h. ein Ansteuern von besonderen Markierungen erübrigt sich. Einen praktikablen und einfach herstellbaren Aufbau eines solchen Messgebers zeigt Fig. 4a und 4b. Die Anordnung besteht aus einem transparenten Kunststoff- oder Glaskörper 5 mit seitlichen Abdeckungen 6 bzw. 7, der gleichzeitig die Fokussier-Optik 8 (zylindrische Linse) bildet und als Träger für ein Sensorelement 9 (Chip) und die Lichtquelle 10 (z. B. LED) dient. Die Abdeckungen 6, 7 sind in der Seitenansicht nach Fig. 4b weggelassen. Der Strichgitter-Massstab 11 ist in dieser Lösung reflektierend und ist entlang der Frontseite des Körpers 5 verschiebbar angeordnet. Das Licht gelangt durch den transparenten Spiegel 12 über die Optik 8 auf den Strichgitter-Massstab 11, wird reflektiert, fokussiert und über den Spiegel 12 auf den Sensor-Chip 9 geworfen. Dieser ist an einen nicht dargestellten Prozessor angeschlossen.
Claims (7)
1. Verfahren zur optischen Positionsmessung,
bei welchem ein photosensitives Element mit einer
Vielzahl von in gleichen gegenseitigen Abständen angeordneten,
ein Strichgitter bildenden Photodioden und
ein ein vorbestimmtes Strichgitter aufweisender, bezüglich
dem photosensitiven Element bewegbarer optischer
Massstab vorgesehen werden und der Massstab auf das
photosensitive Element projiziert wird, wobei die
projizierte Strichdichte des Massstabes verschieden
ist vom Strichgitter des photosensitiven Elementes
und dabei die Phasenlage des entstehenden Interferenzmusters
erfasst wird, um die relative Position der
beiden Strichgitter zueinander festzustellen, dadurch
gekennzeichnet, dass als photosensitives Element ein
Photodioden-Array mit jeder Photodiode zugeordneten
digitalen Schaltelementen für die Signalverarbeitung
verwendet wird, wobei Photodioden und Schaltelemente
auf demselben Substrat integriert sind und paarweise
die Intensitäten benachbarter Dioden vergleichen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass das Strichgitter des optischen Massstabes
zur absoluten Positionsmessung zusätzlich codiert
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Codierung des Strichgitters durch
abschnittweises Vertauschen von Hell- und Dunkelstellen
nach vorbestimmtem Muster erfolgt, z. B. gemäss einer
binären Maximallängensequenz, wobei für den Binärwert
1 eine Vertauschung und für den Binärwert 0 keine
Vertauschung stattfindet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Codierung des Strichgitters
mittels einer binären Pulsbreitemodulation, d. h. durch
Vertauschen über ein kürzeres Intervall für den Binärwert
0 und Vertauschen über ein längeres Intervall für
den Binärwert 1 erfolgt.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1-4, mit einer Lichtquelle,
einem photosensitiven Element in Form einer Vielzahl
von in gleichen gegenseitigen Abständen angeordneten,
ein Strichgitter bildenden Photodioden und einem bezüglich
diesen Photodioden bewegbar angeordneten optischen
Massstab, dessen Strichgitter mittels der Lichtquelle
auf die Photodioden projizierbar ist, dadurch gekennzeichnet,
das jeder Photodiode des Photodioden-Arrays
digitale Schaltelemente zugeordnet und auf demselben
Substrat integriert sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet
durch eine Optik zur Uebertragung des Strichgitters
des Massstabes auf das photosensitive Element.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, dass Lichtquelle und photosensitives
Element in einem transparenten Glas- oder Kunststoffkörper
untergebracht sind, welcher gleichzeitig die Optik
für die Uebertragung des bewegbar am Körper angeordneten
Massstabstrichgitters auf das photosensitive Element
bildet.
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Owner name: METTLER-TOLEDO AG, GREIFENSEE, CH |
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