ES2307959T3 - Dispositivo optico de medicion de la posicion. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo óptico de medición de la posición con una unidad de exploración (2), que contiene una fuente de luz (4), un plano de representación (9) y una óptica de lentes (8) para la generación de una imagen de una estructura de red periódica (10) en el plano de representación (9) caracterizado porque la óptica de lentes (8) se compone de una serie de lentes periódica (80) con el periodo de red o la separación mutua entre lentes adyacentes (81, 82) (Ver fórmula) con A G (r) el periodo de red de la serie de lentes, t (r) el periodo de la estructura de red periódica (10), |Beta(r)| la magnitud absoluta de la escala de representación Beta de la serie de lentes (80), psi un salto de fase predeterminable, definido, r el radio de la disposición de red, donde para una red lineal r = infinito y A G, t y |Beta| son constantes, i, k, n epsilon N, es decir, son números naturales incluyendo el cero.
Description
Dispositivo óptico de medición de la
posición.
La invención se refiere a un dispositivo óptico
de medición de la posición de acuerdo con el preámbulo de la
reivindicación 1.
Los dispositivos ópticos de medición de la
posición contienen una unidad de exploración y una escala móvil con
respecto a la unidad de exploración en el sentido de la medición,
sobre la que se dispone o disponen un red de líneas o varias redes
de líneas con una estructura de red periódica para una medición
incremental o absoluta del movimiento relativo entre la escala y la
unidad de exploración. La unidad de exploración comprende una parte
en el lado de emisión con una fuente de luz dispuesta sobre una
platina, preferiblemente un diodo emisor de luz y una óptica de
colimador asignada a la fuente de luz. En la parte del lado de
recepción de la unidad de exploración, sobre la platina se
proporciona un detector fotoeléctrico o fotosensor con diferentes
zonas de detector activas, sensibles a radia-
ción.
ción.
La precisión y la calidad de la medición, la
insensibilidad con respecto a contaminaciones y modificaciones
mecánicas de la escala, el tamaño constructivo así como los costes
de producción de un dispositivo óptico de medición de la posición
del tipo que se ha mencionado anteriormente dependen en gran medida
del tipo y la calidad de la óptica de lentes usada en la unidad de
exploración, que genera una representación de la red de la escala
sobre las zonas del detector periódicas sensibles a radiación. Sobre
todo el tamaño de construcción de la unidad de exploración
determina el tamaño del dispositivo óptico de medición de la
posición. Los costes de producción se determinan en una parte
considerable por los costes del detector fotoeléctrico, que se puede
producir de forma económica cuando se puede utilizar para
diferentes procesos de medición.
Como método de medición para la medición óptica
de la posición se utiliza por un lado el denominado "método de
medición a trasluz", en el que la fuente de luz, la óptica de
lente y la placa de exploración se disponen sobre uno de los lados
y el detector fotoeléctrico sobre el otro lado de la escala y, por
otro lado, el denominado "método de medición por luz
incidente", en el que la fuente de luz, la óptica de lente, la
placa de exploración y el detector fotoeléctrico se disponen sobre
un lado de la escala. La provisión de un detector fotoeléctrico
adecuado para ambos métodos de medición posibilitaría la producción
de grandes números de piezas y, por tanto, bajos costes de
producción. Sin embargo, esto requiere un manejo especial de la
trayectoria del haz de exploración, ya que a diferencia del método
de medición a trasluz, en el que el detector fotoeléctrico se puede
disponer directamente al lado de la escala para la detección de la
estructura de red periódica, el detector fotoeléctrico, en el
método de medición por luz incidente, está más separado de la
escala, de tal forma que para la generación de una imagen nítida de
la red de la escala sobre las zonas del detector periódicas,
sensibles a radiación, se requiere una óptica de representación
especial para representar la red de escala periódica con una escala
de representación definida sobre el detector fotoeléctrico.
La óptica de representación requerida se puede
realizar, a modo de ejemplo, por una única lente, que, sin embargo,
debido al gran campo de imagen requerido, tiene un tamaño
correspondientemente grande y no se considera para una unidad de
exploración lo más compacta posible.
A partir del documento GB 2 056 660 se conoce
una óptica de representación en la unidad de exploración de un
dispositivo óptico de medición de la posición, que está configurada
como una serie de lentes. La unidad de exploración óptica contiene
un diodo emisor de luz dispuesto en una primera cámara, por el que,
por una lente condensadora, se emiten haces de luz a la escala y se
reflejan por la misma por la óptica de lente configurada también
como lente condensadora sobre un sensor de luz provisto en una
segunda cámara dispuesta al lado de la primera cámara. Básicamente,
mediante una óptica de representación configurada como serie de
lentes se puede configurar un sistema total de menor tamaño.
El documento GB 2056 660, sin embargo, no
contiene indicaciones de cómo se tiene que configurar de forma
concreta una serie de lentes de este tipo como óptica de
representación en la trayectoria del haz de exploración de un
dispositivo óptico de medición de la posición, particularmente
cuando está predeterminada una escala de representación determinada
con la que se tiene que representar, por ejemplo, una red de escala
periódica sobre un dispositivo detector periódico.
El documento US 6 172 753 también describe un
dispositivo de medición de la posición que contiene series de
lentes.
La presente invención tiene el objetivo de
indicar una directriz que se pueda usar en la medida de lo posible
de manera universal para la configuración de una serie de lentes
construida de forma compacta, que represente con la trayectoria del
haz de exploración de un dispositivo óptico de medición de la
posición una red periódica con una escala de representación
predeterminada sobre un plano de representación.
Este objetivo se resuelve de acuerdo con la
invención mediante las características de la reivindicación 1.
La solución de acuerdo con la invención
proporciona una directriz que se puede aplicar de forma universal a
la configuración de una serie de lentes de construcción compacta,
que con la trayectoria del haz de exploración de un dispositivo
óptico de medición de la posición representa una red periódica con
una escala de representación predeterminada sobre un plano de
representación.
La solución de acuerdo con la invención parte
del conocimiento de que las series de lentes y particularmente la
disposición lineal, periódica de lentes idénticas en una retícula
determinada presenta la ventaja de distancias focales pequeñas y
altura de construcción pequeña con, al mismo tiempo, superficies
grandes iluminadas durante la representación óptica con respecto a
lentes individuales.
La óptica de lentes conocida a partir del
documento GB 2 056 660 A, con una disposición de varios diodos
emisores de luz y sensores fotosensibles con las lentes
condensadoras asignadas, se puede considerar una serie de lentes,
sin embargo, en una serie de lentes de este tipo, debido a la falta
de asignación geométrica de la óptica de lentes a la periodicidad
de la estructura de red de la escala y a la escala de representación
no se puede deducir, cómo se debe realizar una representación de
alta precisión requerida para una medición precisa de la red de
escala sobre el plano de representación o sobre un detector
fotoeléctrico.
Durante la representación de estructuras de red
mediante series de lentes aparece el problema de que cada lente o
microlente genera una imagen local, de tal forma que en los límites
de la imagen en la transición a la lente adyacente se pueden
presentar desplazamientos de fase entre las representaciones de las
estructuras de red. Teniendo en cuenta la escala de representación
requerida, por lo tanto, se tiene que determinar una periodicidad
de la serie de lentes optimizada al periodo de red de la red que se
tiene que representar, para garantizar que la representación de la
red produzca de nuevo una red continua, es decir, para que esté
asegurado un solapamiento equifásico o una coincidencia de barras
de la red y huecos de la red representada por una de las lentes con
las barras de la red y los huecos de la red adyacente.
Si un solapamiento equifásico de este tipo está
garantizado por una regularidad correspondiente durante la fijación
de la separación optimizada entre lentes adyacentes y, por tanto,
una periodicidad óptima de la disposición de lentes teniendo en
cuenta condiciones límite geométricas predeterminadas, también está
asegurado que el detector fotoeléctrico que explora la red, sin
perturbaciones, representada en el plano de la imagen o un sistema
óptico complementario genere señales de posición o movimiento
exactas.
De forma correspondiente, la solución de acuerdo
con la invención se compone de la combinación de una óptica de
lentes formada por una serie de lentes periódica y la indicación de
una separación mutua óptima entre lentes adyacentes o un periodo de
red óptimo de la serie de lentes periódica.
La red de dimensionado para la periodicidad
A_{G} (r) de la serie de lentes es, de forma más general, tanto
para dispositivos de medición de la posición lineales como
radiales:
con
- A_{G} (r)
- el periodo de red de la serie de lentes,
- t(r)
- el periodo de la estructura de red periódica,
- |\beta(r)|
- el número absoluto de la escala de representación \beta de la serie de lentes (80),
- \psi
- un salto de fase predeterminable, definido,
- r
- el radio de la disposición de red, donde para el caso de una red lineal r = \infty y A_{G}, t y |\beta| son constantes,
- i, k, n
- \in N, es decir, números naturales incluyendo el cero.
Esta regla de dimensionado para la separación
mutua A_{G} (r) de lentes adyacentes también tiene en cuenta la
posibilidad de generar en las imágenes generadas de lentes
adyacentes saltos de fase definidos \psi, de tal forma que la
regla de dimensionado representa el caso más general de la
determinación del periodo de red A_{G} (r) de una serie de lentes
lineal o radial periódica teniendo en cuenta condiciones límite
geométricas predeterminadas.
Por un salto de fase \psi ajustable de forma
dirigida en las zonas de representación de lentes adyacentes entre
sí de la serie de lentes se puede determinar la posición de fase de
señales que generan, a modo de ejemplo, los detectores
fotoeléctricos dispuestos en el plano de representación. De este
modo se pueden generar, entre otras cosas, señales desplazadas
eléctricamente entre sí 90º para la evaluación de una medición de
posición.
Adicionalmente, por un salto de fase \psi en
la zona de solapamiento de las imágenes de lentes adyacentes de la
serie de lentes se puede ajustar una relación dirigida entre las
anchuras de las zonas claras y oscuras, por lo que se puede influir
de forma dirigida en la cantidad de ondas armónicas de las señales
obtenidas a partir de las anchuras de las zonas claras y oscuras de
un detector fotoeléctrico.
Ya que con ayuda de placas de exploración
estructuradas a menudo se ajustan las relaciones de fase entre las
señales de exploración registradas de los respectivos detectores
asignados, con una serie de lentes diseñada de este modo incluso se
puede omitir una placa de exploración estructurada en la trayectoria
del haz de exploración de un dispositivo óptico de medición de la
posición.
En un dispositivo de medición de la posición
lineal, la regla de dimensionado que se ha indicado anteriormente
para la periodicidad A_{G} de la serie de lentes se convierte
en
con
- A_{G}
- el periodo de red de la serie de lentes,
- t
- el periodo de la estructura de red periódica,
- |\beta|
- el número absoluto de la escala de representación \beta de la serie de lentes (80),
- \psi
- un salto de fase predeterminable, definido,
- i, k, n
- \in N, es decir, números naturales incluyendo el cero.
Preferiblemente, el salto de fase comprende una
fracción o un múltiplo del periodo de la estructura de red
periódica representada en el plano de la imagen.
En el caso de la representación de una
estructura de red periódica sin saltos de fase resultantes entre las
imágenes de lentes adyacentes, se tiene que determinar el periodo
de red a partir de la siguiente regla de dimensionado
con
- A_{G}(r)
- el periodo de red de la serie de lentes,
- t(r)
- el periodo de la estructura de red periódica,
- |\beta(r)|
- el número absoluto de la escala de representación \beta de la serie de lentes (80),
- r
- el radio de la disposición de red, donde para una red lineal r = \infty y A_{G}, t y |\beta| son constantes,
- i, k, n
- \in N, es decir, números naturales incluyendo el cero.
También esta regla de dimensionado para el
diseño de una serie de lentes se puede utilizar tanto en
dispositivos de medición de la posición lineales como radiales.
Para la representación de la estructura de red periódica sin saltos
de fase resultantes entre las representaciones de lentes adyacentes,
el periodo de red para un dispositivo de medición de la posición
lineal comprende
con
- A_{G}
- el periodo de red de la serie de lentes,
- t
- el periodo de la red de la escala (10),
- |\beta|
- el número absoluto de la escala de representación \beta de la serie de lentes (80),
- i, k, n
- \in N, es decir, números naturales incluyendo el cero.
Para tener en cuenta durante la determinación de
una separación óptima entre lentes o microlentes adyacentes
condiciones límite físicas y/o técnicas como una abertura numérica
así como limitaciones tecnológicas, la anchura de las lentes de la
serie de lentes se puede determinar a partir de la relación
con
- B_{L} (r)
- de la anchura de la lente,
- t(r)
- el periodo de la estructura de red periódica,
- |\beta(r)|
- el número absoluto de la escala de representación \beta de la serie de lentes (8),
- r
- el radio del dispositivo de red, que caracteriza para r = \infty una red lineal, para la que B_{L}, \beta y t son constantes.
- m
- \in N.
Esta regla de dimensionado produce una anchura
mínima de lente durante la determinación de una periodicidad óptima
de la red de representación de una serie de lentes lineal o
radial.
Para la determinación de una separación óptima
entre lentes o microlentes adyacentes de un dispositivo de medición
de la posición lineal teniendo en cuenta condiciones límite físicas
y/o técnicas así como limitaciones tecnológicas se determina la
anchura de las lentes a partir de la relación
\vskip1.000000\baselineskip
La solución de acuerdo con la invención se puede
utilizar tanto para la representación directa de una red de escala
periódica así como en la trayectoria del haz de exploración de un
sistema óptico de medición de la posición, en el que, por ejemplo,
en un plano de imagen intermedia, por interacción de varias
graduaciones de red exploradas anteriormente, se genera un patrón
de franjas "virtual" y se requiere una representación de un
patrón de franjas virtual de este tipo con una escala de
representación determinada en un plano de representación.
En el plano de representación de la serie de
lentes provista de una estructura de red representada con una
periodicidad óptima se puede disponer opcionalmente incluso un
detector fotoeléctrico o el plano de representación se puede
asignar a un sistema óptico complementario.
El uso de una serie de lentes periódica, cuyo
periodo de red se determina de acuerdo con la regla de dimensionado
de acuerdo con la invención, crea la condición para el uso de
sistemas detectores del mismo tipo o con la misma construcción o
sistemas ópticos complementarios para dispositivos ópticos de
medición de la posición, que trabajan de acuerdo con el método de
medición por luz incidente o de acuerdo con el método de medición a
trasluz y, por tanto, la producción económica de dispositivos
ópticos de medición correspondientes. De este modo se obtiene
también la posibilidad de que las series de lentes lineales y
periódicas configuradas de acuerdo con la invención se puedan
utilizar en un dispositivo óptico de medición de la posición para
una exploración fotoeléctrica de acuerdo con el método de medición
por luz incidente y el plano de representación y la fuente de luz
se puedan disponer sobre una placa de circuitos impresos común.
Para generar un patrón de franjas "virtual"
de este tipo, a modo de ejemplo, un denominado patrón de franjas de
Vernier, en un plano de imagen intermedia de la trayectoria del haz
de exploración, en la trayectoria del haz de exploración en el lado
de la unidad de exploración se puede disponer de una placa de
exploración con una estructura de red que presente una constante de
red que se desvíe ligeramente de las constantes de la red de la
escala, de tal forma que, de manera conocida, a partir de la
interacción de ambas estructuras de red se genera el patrón de
franjas virtual en un plano de imagen intermedia, que se representa
a su vez por la óptica de lentes.
Un perfeccionamiento ventajoso de la solución de
acuerdo con la invención se caracteriza por que la placa de
circuitos impresos se dispone angulada con respecto al plano de la
escala o la red de la escala de tal forma que los haces de luz que
parten de la fuente de luz se reflejan en una superficie de
reflexión dispuesta verticalmente con respecto a la escala, se
proyectan por una lente condensadora hacia la red de escala, se
reflejan en la misma y, por la placa de exploración y mediante la
serie de lentes dispuesta esencialmente paralela con respecto a la
placa de circuitos impresos, representan la red de escala con la
escala de representación del plano de representación.
Mediante ejemplos de realización representados
en el dibujo se explicará con más detalle el concepto en el que se
basa la invención. Se muestra:
En la Figura 1 - una representación esquemática
de una escala y una unidad de exploración de un dispositivo óptico
de medición de la posición que trabaja de acuerdo con el método de
medición por luz incidente;
En la Figura 2 - una representación esquemática
de dos lentes adyacentes de una serie de lentes lineal, periódica
para la generación de una imagen de una estructura de red
periódica,
En la Figura 3 - una representación esquemática
de la imagen de una estructura de red periódica con una serie de
lentes lineal con periodicidad determinada de acuerdo con la regla
de dimensionado de acuerdo con la invención,
En la Figura 4 - una representación esquemática
de la imagen de una estructura de red periódica con una serie de
lentes lineal con periodicidad no correspondiente a la regla de
dimensionado de acuerdo con la invención y
En la Figura 5 - una representación esquemática
de la imagen de una estructura de red periódica radial con una
serie de lentes radial.
La Figura 1 muestra en una representación
esquemática como partes de un dispositivo óptico de medición de la
posición que trabaja de acuerdo con el método de medición por luz
incidente, una escala 1 con una red de escala 10 con un recorrido
transversal con respecto al sentido de exploración y una unidad de
exploración 2 que se puede mover con respecto a la escala 1. La red
de escala 10 se compone de una red de rayas lineal, periódica, que
se representa en el ejemplo de realización de acuerdo con la Figura
1 como pista incremental de un sistema de medición de la posición
lineal. Alternativamente, la red de rayas dispuesta sobre la escala
1 se puede componer de una red de rayas incremental y una red de
rayas que presenta un periodo de graduación predeterminado y que
suministra valores de posición absolutos.
La unidad de exploración 2 contiene una placa de
circuitos impresos 3, que se dispone con un ángulo predeterminado
con respecto al plano de la escala 1 en una cubierta de exploración.
Sobre la placa de circuitos impresos 3 se disponen una fuente de
luz 4 en forma de un diodo emisor de luz así como con separación con
respecto a la fuente de luz 4, un detector fotoeléctrico 9, que
presenta de forma alterna zonas sensibles a radiación y huecos
insensibles a radiación, cuya orientación se adapta a la orientación
de la red de escala 10. El detector fotoeléctrico 9 puede estar
configurado, a modo de ejemplo, de forma correspondiente al
fotodetector optoelectrónico estructurado conocido a partir del
documento DE 100 22 619 A1.
La pared lateral orientada hacia la fuente de
luz 4 de la cubierta de la unidad de exploración 2 está configurada
como superficie de reflexión 5 reflectante y refleja los rayos que
parten de la fuente de luz 4 por una lente condensadora 6 y una
placa de vidrio 7 dispuesta paralela con respecto a la escala 1, que
forma la superficie del fondo de la cubierta de exploración, sobre
la red de escala 10.
La placa de vidrio 7 puede comprender una red de
exploración con una estructura de red, que se desvía ligeramente de
las constantes de red de la red de escala, de tal forma que a partir
de la interacción de ambas estructuras de red se genera un patrón
de franjas virtual, a modo de ejemplo, un denominado patrón de
franjas de Vernier, en un plano de imagen intermedia, que a su vez
se representa por la óptica de lentes.
Desde la red de escala 10, los rayos de luz
alcanzan una óptica de lentes 8, que se compone de acuerdo con la
invención de una serie de lentes 80 lineal, periódica. La serie de
lentes forma con una escala de representación predeterminada
\beta la red de escala 10 sobre el plano de representación 9 de la
placa de circuitos impresos 3, sobre la que en el ejemplo de
realización se dispone un detector fotoeléctrico 90 y transforma las
modulaciones claro-oscuro durante el movimiento
relativo entre la unidad de exploración 2 y la escala 1 en señales
eléctricas correspondientes.
Las lentes individuales usadas en la óptica de
lentes 8 o la serie de lentes 80 pueden estar configuradas como
elementos ópticos refractivos o difractivos.
Como alternativa al detector fotoeléctrico 90
representado en la Figura 1, en el plano de representación 9
también se puede proporcionar un elemento óptico o un plano de
representación de un sistema óptico complementario.
Para que esté garantizada la estructura de red
periódica de la red de escala 10 como red periódica, continua por
la serie de lentes 80 en el plano de representación 9 con
solapamiento equifásico, es decir, coincidencia de barras de red y
huecos de la parte representada por una de las lentes de la serie de
lentes 80 de la red de escala con las barras de red y los huecos de
la parte representada por la lente adyacente de la red de la escala
10, teniendo en cuenta la escala de representación \beta y el
periodo de red eficaz de la red de escala 10, la serie de lentes 80
tiene que presentar una determinada periodicidad. La regla de
dimensionado para la determinación de una periodicidad óptima de la
serie de lentes 80 se determina a continuación por cálculo mediante
la representación esquemática en la Figura 2, en la que se
representan dos lentes adyacentes 81, 82 de una serie de lentes
lineal 80 para la representación de una red de escala 10 en un plano
de representación 9.
La Figura 2 muestra en una sección de la serie
de lentes lineal 80 dos lentes 81, 82 adyacentes, dispuestas con
una separación de lentes A_{G} entre sí de la serie de lentes 80,
que representan la red de escala 10 aplicada sobre una escala, que
presenta un periodo de red t, con la escala de representación
\beta en una red del periodo T=\beta*t en el plano de
representación 9, en el que se dispone, a modo de ejemplo, un
detector fotoeléctrico 90 de acuerdo con la Figura 1 o que se
asigna a un sistema óptico complementario.
La parte asignada a las lentes 81, 82 de la
serie de lentes 80 de la red de escala 10 se compone de las alturas
g_{1}, g_{2} y la distancia A_{G} de las lentes adyacentes 81,
82 y se compone de múltiplos del periodo de red t y "magnitudes
restantes" \phi_{1} a \phi_{6}, que son menores que el
periodo de red t. La lente izquierda 81 de la serie de lentes 80
transfiere la secuencia de red con la altura g_{1} de la red de
escala 10 a una secuencia de representaciones con la altura b_{1}
en el plano de representación 9 y la lente derecha 82 de la serie
de lentes 80, la secuencia de red con la altura g_{2} a la
secuencia de representaciones con la altura b_{2} en el plano de
representación 9, donde la imagen de la red de escala 10 en el plano
de representación 9 se compone de las alturas b_{1} y b_{2} y
se compone de múltiplos del periodo de red T y "magnitudes
restantes" \Phi_{1} a \Phi_{4} que son menores que el
periodo de red T.
Para que las redes representadas en el plano de
representación 9 por las lentes 81, 82 de la serie de lentes 80 se
complementen o solapen de forma equifásica hasta una red continua,
se aplican las siguientes condiciones:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
donde n, i y k son números
naturales incluyendo el
cero.
\newpage
A partir de igualar las ecuaciones (1) y (4) se
obtiene, teniendo en cuenta las ecuaciones (2), (3) y (7):
\vskip1.000000\baselineskip
Si se añade a la ecuación (9) la suma
(\phi_{2} + \phi_{5}), se obtiene con las ecuaciones (5) y
(6):
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Si se añade a la ecuación (4) (\phi_{2} +
\phi_{5}), se obtiene
\vskip1.000000\baselineskip
Con las ecuaciones (5) y (6) se deduce:
\vskip1.000000\baselineskip
Con la ecuación (10) es:
\vskip1.000000\baselineskip
A partir de esto se obtiene finalmente como
solución para el periodo de red o la separación mutua de las lentes
adyacentes 81, 82 de la serie de lentes lineal, periódica 80 para la
representación de una red continua, que se compone de subredes de
representación que se solapan entre sí de forma equifásica:
o
con
- A_{G}
- el periodo de red de la serie de lentes 80,
- t
- el periodo de la red de la escala 10,
- |\beta|
- la magnitud absoluta de la escala de representación \beta de la serie de lentes 80 y
- i, k, n
- números naturales incluyendo el cero.
Para representar una red de escala con el
periodo t con la escala de representación \beta mediante la serie
de lentes 80 de forma óptica de tal forma que se obtenga una red con
el periodo T=|\beta|*t que no presente saltos de fase,
huecos, etc., como consecuencia, las lentes adyacentes 81, 82 de la
serie de lentes 80 tendrían que presentar una separación A_{G} de
forma correspondiente a la anterior relación (11).
Por un salto de fase \Psi predeterminable de
forma dirigida en el espacio de la imagen entre las representaciones
de dos lentes adyacentes 81, 82 de la serie de lentes 80 se pueden
ajustar para la evaluación de la red representada en el plano de
representación 9 efectos deseados. De este modo, por un salto de
fase \Psi ajustable de forma dirigida en el plano de
representación 9 se puede determinar la posición de fase de señales,
que genera un detector fotoeléctrico 90 dispuesto en el plano de
representación 9 de acuerdo con la Figura 1, a modo de ejemplo, un
detector de varios campos, a modo de ejemplo, en 90º. Además, en la
zona de solapamiento de las representaciones de red de las lentes
adyacentes 81, 82 se puede ajustar una relación dirigida entre las
anchuras de las zonas claras y oscuras, por lo que se puede influir
de forma dirigida en el contenido de ondas armónicas de las señales
obtenidas a partir de lo mismo del detector 90.
Para la inclusión de un salto deseado \Psi
solamente se modifica la ecuación (1) que se ha indicado
anteriormente hasta:
con
\Psi=|\beta|*\psi.
A partir de esto se obtiene la forma aplicable
de manera general para el periodo de red o la distancia mutua de
las lentes adyacentes 81, 82 de la serie de lentes 80 lineal,
periódica para la representación de una red continua que se compone
de subredes de representación que se solapan entre sí de forma
equifásica hasta:
con
- A_{G}
- el periodo de red de la serie de lentes 80,
- t
- el periodo de la red de escala 10
- |\beta|
- la magnitud absoluta de la escala de representación \beta de la serie de lentes 80,
- \Psi
- un salto de fase predeterminable, definido,
- i, k, n
- números naturales incluyendo la cifra cero.
Por lo tanto, si se desea generar un salto de
fase dirigido \Psi de, a modo de ejemplo, un cuarto del periodo T
de la red representada por la serie de lentes 80, se tiene que
determinar, teniendo en cuenta la escala de representación \beta
de la serie de lentes 80 y el periodo de red t de la red de escala
10, la distancia entre lentes A_{G} de lentes adyacentes 81, 82 o
la periodicidad de la serie de lentes 80 de acuerdo con la fórmula
de cálculo anterior (12).
En la Figura 3 se representan de forma
esquemática dos periodos de red calculados con las fórmulas de
cálculo que se han indicado anteriormente o distancias mutuas de
lentes adyacentes de una serie de lentes lineal, periódica.
El planteamiento de objetivos en el que se basa
la representación de acuerdo con la Figura 3 consiste en representar
una red de escala de 20 \mum 10, es decir, una red de escala con
el periodo de red t=20 \mum, por una imagen óptica mediante una
serie de (micro)lentes en una red con la escala de
representación \beta = -2, es decir, un periodo de red de t' = 40
\mum. Por tanto, se debe producir una imagen equipada con el doble
periodo de red t de la red de escala original 10 sin saltos de fase
adicionales. El cálculo de la periodicidad de la serie de lentes se
debe seguir basando por motivos de la abertura numérica y por
motivos de limitaciones tecnológicas en una anchura de lente mínima
de 120 \mum.
Para la determinación de la periodicidad o de la
separación A_{G} entre lentes adyacentes de la serie de lentes 80
se parte de la anterior fórmula de cálculo (11), según la que
Si se resuelve esta ecuación por los números
naturales i, k, n contenidos en la ecuación se obtiene
Ya que i, k y n son números naturales, la
expresión m también tiene que ser un número natural m, es decir,
La resolución de la ecuación 14 según la
distancia A_{G} de lentes adyacentes da
En esta ecuación se predeterminan t y \beta,
de tal forma que con una predeterminación de una anchura de lentes
mínima determinada para la separación A_{G} de lentes adyacentes,
el número natural m se tiene que seleccionar de tal forma que la
distancia A_{G} de lentes adyacentes alcance el valor deseado de
la anchura mínima de lentes. La magnitud del número natural m se
obtiene a partir de la relación
Como buen valor de aproximación para la suma de
n + i sirve el valor k/|\beta|. Se deduce de esto que:
La resolución de esta ecuación por k da:
con k un número natural como se ha
indicado anteriormente. Con los valores indicados anteriormente para
A_{G} = 120 \mum, \beta = -2 y t = 20 \mum se
obtiene:
de esto se
deduce:
de lo que se obtiene k = 6 y n + i
=
3.
Ya que la condición de que i, k y n son números
naturales se cumple por la ecuación (20), por lo tanto, una serie
de lentes con un periodo o una separación entre las lentes
adyacentes de la serie de lentes A_{G} = 120 \mum cumple los
requisitos de una representación de red equifásica. La Figura 3
ilustra que una serie de lentes 80a con un periodo de A_{G} = 120
\mum, cuyas lentes adyacentes presentan los ejes ópticos X_{1}
a X_{4}, produce una imagen de red G_{a} con una representación
sin perturbaciones de la red de escala 10.
Si se selecciona para una serie de lentes 80b en
vez de esto una separación entre lentes adyacentes o un periodo de
A_{G} = 140 \mum, lo que cumpliría la condición de una anchura
mínima de lentes de 120 \mum, se obtiene a partir de la anterior
ecuación (12)
donde i, k y n tienen que ser
números
naturales.
A partir de esto se obtiene para el
desplazamiento de fase \psi:
Con los valores seleccionados o supuestos para
la separación entre lentes A_{G} = 140 \mum, la escala de
representación \beta = -2, el periodo de red de la red de escala t
= 20 \mum y los números naturales k = 6 y n + i = 3 se obtiene
para el desplazamiento de fase \psi a partir de la anterior
ecuación
Como se puede deducir de la imagen de red
G_{b} representada en la Figura 4 de la serie de lentes 80b con
una distancia mutua de los ejes ópticos Y_{1} a Y_{4} de lentes
adyacentes o un periodo A_{G} = 140 \mum, las zonas de la
imagen entre las lentes adyacentes se solapan de tal forma que se
produce una zona extendida sin red de escala representada.
La Figura 5 muestra de forma esquemática una
estructura de red radial 10 que se representa mediante una serie de
lentes radial 80c en una imagen de red radial G_{br}.
La serie de lentes radial 80c se compone de
microlentes individuales que, a diferencia de una serie de lentes
lineal, no tienen una separación constante A_{G} a lo largo de su
extensión longitudinal radial, sino una separación
A_{G}(r) que se modifica en dirección radial, que depende
del respectivo radio r.
Para representar la estructura de red radial que
se tiene que representar del periodo t(r) con la escala de
representación \beta(r) mediante la serie de lentes radial
80c de forma óptica de tal manera que se produzca una red con el
periodo
T(r)= |\beta(r)|*t(r), que no presenta saltos, huecos, etc., de fases, las lentes adyacentes de la serie de lentes radial 80c tienen que presentar una separación
T(r)= |\beta(r)|*t(r), que no presenta saltos, huecos, etc., de fases, las lentes adyacentes de la serie de lentes radial 80c tienen que presentar una separación
con
- A_{G} (r)
- el periodo de red de la serie de lentes,
- t (r)
- el periodo de la estructura de red periódica,
- |\beta(r)|
- la magnitud absoluta de la escala de representación \beta de la serie de lentes (80),
- r
- el radio de la disposición de red,
- i, k, n
- \in N, es decir, números naturales incluyendo el cero.
La Figura 5 muestra dos separaciones diferentes
A_{G} (r1) y A_{G} (r2), determinadas de acuerdo con la regla
de dimensionado anterior entre microlentes situadas sobre el mismo
radio de dos disposiciones de microlentes adyacentes en sentido
periférico, que parten en forma de haces desde un centro común. Una
serie de lentes radial de este tipo se puede usar para
codificadores rotatorios y aparatos de medición angular de equipos
de medición de la posición radiales.
Claims (12)
1. Un dispositivo óptico de medición de la
posición con una unidad de exploración (2), que contiene una fuente
de luz (4), un plano de representación (9) y una óptica de lentes
(8) para la generación de una imagen de una estructura de red
periódica (10) en el plano de representación (9)
caracterizado porque
la óptica de lentes (8) se compone de una serie
de lentes periódica (80) con el periodo de red o la separación
mutua entre lentes adyacentes (81, 82)
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
con
- A_{G} (r)
- el periodo de red de la serie de lentes,
- t (r)
- el periodo de la estructura de red periódica (10),
- |\beta(r)|
- la magnitud absoluta de la escala de representación \beta de la serie de lentes (80),
- \psi
- un salto de fase predeterminable, definido,
- r
- el radio de la disposición de red, donde para una red lineal r = \infty y A_{G}, t y |\beta| son constantes,
- i, k, n
- \in N, es decir, son números naturales incluyendo el cero.
2. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado
porque el salto de fase (\psi) es una fracción o un múltiplo del
periodo (T) de la estructura de red (10) periódica representada en
el plano de representación (9).
3. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado
por un periodo de red sin salto de fase (\psi = 0)
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
con
- A_{G} (r)
- el periodo de red de la serie de lentes,
- t (r)
- el periodo de la estructura de red periódica,
- |\beta (r)|
- la magnitud absoluta de la escala de representación \beta de la serie de lentes (80),
- r
- el radio de la disposición de red, donde para una red lineal r = \infty y A_{G}, t y \beta son constantes
- i, k, n
- \in N, es decir, son números enteros incluyendo el cero.
4. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado por una anchura
de las lentes (81, 82) de la serie
de lentes (80),
con
- B_{L} (r)
- la anchura de lente,
- t (r)
- el periodo de la estructura de red periódica (10),
- |\beta(r)|
- la magnitud absoluta de la escala de representación \beta de la serie de lentes (8),
- r
- el radio de la disposición de red con r = \infty con una red lineal,
- m
- \in N.
5. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque se dispone un detector
fotoeléctrico (90) en el plano de representación (9).
6. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
precedentes 1 a 4, caracterizado porque el plano de
representación (9) se asigna a un sistema óptico complementario.
7. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado porque las lentes individuales
usadas en la óptica de lente (8) o la serie de lentes (80) están
configuradas como elementos ópticos refractivos.
8. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
precedentes 1 a 6, caracterizado porque las lentes
individuales usadas en la óptica de lente (8) o la serie de lentes
(80) están configuradas como elementos ópticos difractivos.
9. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado por una escala (1), que comprende
al menos una red de rayas (10) con estructura de red periódica y
con una unidad de exploración (2) móvil con respecto a la escala (1)
y que explora la red de escala (10), que contiene una fuente de luz
(4), un plano de representación (9) y una óptica de lentes (8)
dispuesta en la trayectoria del haz entre la escala (1) y el plano
de representación (9) para la generación de una imagen de la
estructura de red periódica de la red de escala (10) en el plano de
representación (9).
10. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado
porque en la trayectoria del haz entre la escala (1) y la serie de
lentes (80) y/o la escala (1) y la fuente de luz (4) se dispone una
placa de exploración (7) con una estructura de red que presenta una
constante de red que se desvía ligeramente de la constante de red
de la escala (1), de tal forma que en un plano de imagen intermedia
se produce un patrón de franjas virtual.
11. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones
precedentes para una exploración fotoeléctrica de acuerdo con el
método de medición por luz incidente, caracterizado porque el
plano de representación (9) y la fuente de luz (4) se disponen sobre
una placa de circuitos impresos (3) común.
12. El dispositivo óptico de medición de la
posición de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado
porque la placa de circuitos impresos (3) se dispone angulada con
respecto al plano de la escala (1) o la red de escala (10) de tal
forma que los rayos de luz que parten de la fuente de luz (4) se
reflejan en una superficie de reflexión (5) dispuesta verticalmente
con respecto a la escala (1), se proyectan por una lente
condensadora (6) hacia la red de escala (10), se reflejan en la
misma y, mediante la serie de lentes (80) dispuesta esencialmente
de forma paralela con respecto a la placa de circuitos impresos (3),
representan la red de escala (10) con la escala de representación
(\beta) en el plano de representación.
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