DE102007007311B4 - Scanning unit for a position measuring device for the detection of optical measuring graduations and corresponding position measuring device - Google Patents
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Abstract
Abtasteinheit (1) zur Detektion von optischen Maßverkörperungen (100, 200), die eine optische Positionscodierung (110, 120, 210, 220) aufweisen, mit – einem Lichtsender (50), der die Maßverkörperung (100, 200) zumindest partiell beleuchtet, – einem Abtastempfänger (10), der lichtempfindliche Empfängerfelder (11, 12) aufweist, mit – einer Abtastblende (20), die Blendenöffnungen (21, 22) aufweist, wobei die Empfängerfelder (11, 12) und/oder die Blendenöffnungen (21, 22) der Abtastblende (20) entsprechend der Positionscodierung (110, 120, 210, 220) der Maßverkörperung (100, 200) ausgebildet sind, mit – einem Mikrolinsenarray (30), welches mindestens eine Mikrolinse (31, 33) zur Abbildung des durch die Positionscodierung (110, 120, 210, 220) modulierten Lichtes auf die Empfängerfelder (11, 12) des Abtastempfängers (10) trägt, und mit – einem Aperturblendenarray (40), das zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger angeordnet ist und welches jeweils eine Aperturblenden-Öffnung (41) in der optischen Achse (32) jeder Mikrolinse (31, 33) des Mikrolinsenarrays aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass...Scanning unit (1) for the detection of optical measuring standards (100, 200) which have an optical position coding (110, 120, 210, 220), with - a light transmitter (50) which at least partially illuminates the measuring standard (100, 200), - a scanning receiver (10) which has light-sensitive receiver fields (11, 12), with - a scanning diaphragm (20) which has diaphragm openings (21, 22), the receiver fields (11, 12) and / or the diaphragm openings (21, 22) of the scanning diaphragm (20) according to the position coding (110, 120, 210, 220) of the material measure (100, 200) are formed, with - a microlens array (30) which has at least one microlens (31, 33) for imaging the through the position coding (110, 120, 210, 220) of modulated light on the receiver fields (11, 12) of the scanning receiver (10) carries, and with - an aperture diaphragm array (40) which is arranged between the microlens array and the scanning receiver and which each have one Aperture diaphragm opening (41 ) in the optical axis (32) of each microlens (31, 33) of the microlens array, characterized in that ...
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft eine Abtasteinheit für eine Positionsmesseinrichtung zur Detektion von optischen Maßverkörperungen sowie eine entsprechende Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a scanning unit for a position measuring device for the detection of optical measuring standards and a corresponding position measuring device according to the preamble of the independent claims.
Eine derartige Positionsmesseinrichtung umfasst eine mit einer optisch auslesbaren Positionscodierung versehene Maßverkörperung, eine Lichtquelle zur Emission von Licht in Richtung auf die Maßverkörperung sowie eine Abtasteinheit, bestehend aus einem Abtastempfänger mit lichtempfindlichen strukturierten Flächen zum Empfangen des durch den Maßstab modulierten Lichtes und aus einer Linsenanordnung, die auf der Oberfläche des Abtastempfängers angeordnet ist und aus einer oder mehreren Mikrolinsen besteht und welche den durch die Lichtquelle beleuchteten Bereich der Maßverkörperung auf die strukturierten Empfängerflächen des Abtastempfängers abbilden.Such a position measuring device comprises a measuring standard provided with an optically readable position coding, a light source for emitting light in the direction of the measuring standard and a scanning unit consisting of a scanning receiver with photosensitive structured surfaces for receiving the light modulated by the scale and a lens arrangement which is arranged on the surface of the Abtastempfängers and consists of one or more microlenses and which image the illuminated by the light source portion of the measuring scale on the structured receiver surfaces of the Abtastempfängers.
Die Positionsmesseinrichtung kann dabei Anwendung finden zur Detektion von reflektiven oder auch transmissiven Maßstäben, die entsprechend im Auflicht- oder Durchlichtverfahren betrieben werden. Im erstgenannten Fall befinden sich Lichtsender und Empfänger auf derselben Seite des Maßstabes, das am Maßstab reflektierte und durch den Positionscode modulierte Licht wird anschließend vom Abtast-Empfänger detektiert. Bei transmissiven Maßstäben sind Lichtsender und Empfänger auf gegenüber liegenden Seiten des Maßstabes angeordnet und das vom Lichtsender emittierte und durch den zumindest partiell transparenten Maßstab hindurch tretende und modulierte Licht wird vom Abtastempfänger detektiert.The position measuring device can be used for the detection of reflective or transmissive scales that are operated in accordance with incident or transmitted light method. In the former case, the light emitter and receiver are on the same side of the scale, the light reflected on the scale and modulated by the position code is subsequently detected by the scanning receiver. At transmissive scales, the light emitter and receiver are located on opposite sides of the scale and the light emitted by the light emitter and passing through the at least partially transparent scale is modulated by the scanning receiver.
Die Maßverkörperung kann etwa zur Winkelmessung als Codescheibe mit kreisförmig angeordneten Codierungen oder zur Längenmessung als Lineal mit linear angeordneten Positionscodierungen ausgestaltet sein. Die Positionscodierung kann inkremental und bzw. oder absolut codierte Spuren aufweisen.The measuring graduation can be configured, for example, for angle measurement as a code disk with circularly arranged codes or for length measurement as a ruler with linearly arranged position codes. The position coding may comprise incremental and / or absolutely coded tracks.
Stand der TechnikState of the art
Optische Positionsmessgeräte nach dem Stand der Technik verwenden als Positionscodierung Codeflächen in Form von unterschiedlich stark transmittierenden oder reflektierenden Amplitudenobjekten, im Falle einer inkrementalen Codespur in Form eines Amplitudengitters, wobei die Messperiode der Gitterperiode entspricht. Bei einer projektiven Abtastung von transmissiven Maßstäben werden die Codeflächen mit weitgehend parallelem Licht beleuchtet und auf der entgegengesetzten Seite durch einen Abtastempfänger detektiert Aufgrund der Beleuchtung mit nicht ideal-parallel kollimiertem Licht und der Beugung an den Codefeldern muss der Abtast-Empfänger so nah wie möglich an dem Maßstab angeordnet werden, weshalb nur sehr geringe Abstands-Toleranzen von weniger als 50 Mikrometern zulässig sind. Ist der Abstand zu gering, kollidiert der Maßstab mit dem Abtast-Empfänger was die Zerstörung der Positionsmesseinrichtung zur Folge hat. Bei größer werdendem Abstand nehmen der Kontrast und die Interpolierbarkeit und damit die Auflösung der Positionssignale ab; ist der Abstand schließlich zu groß, so werden keine Positionssignale mehr generiert.State-of-the-art optical position measuring devices use code surfaces as position coding in the form of amplitude objects of differing degrees of transmission or reflection, in the case of an incremental code track in the form of an amplitude grating, the measuring period corresponding to the grating period. In a projective scan of transmissive scales, the code areas are illuminated with substantially parallel light and detected on the opposite side by a scan receiver. Due to illumination with non-ideal parallel collimated light and diffraction at the code fields, the scan receiver must be as close as possible be arranged to scale, which is why only very small distance tolerances of less than 50 microns are allowed. If the distance is too small, the scale collides with the scanning receiver resulting in the destruction of the position measuring device. As the distance increases, the contrast and the interpolability and thus the resolution of the position signals decrease; Finally, if the distance is too large, position signals will no longer be generated.
Ein Abtastempfänger nach dem Stand der Technik ist ein integrierter Schaltkreis (integrated circuit, iC), der in der Regel auf CMOS-Halbleiter-Prozessen basiert und der einzelne lichtempfindliche Empfängerfelder aufweist, welche jeweils positionsabhängige Signale generieren. Für inkrementale Maßverkörperungen sind dies in der Regel mindestens vier Felder, die jeweils um eine viertel Messperiode in Messrichtung zueinander versetzt angeordnet sind und entsprechend um 90 Grad phasenverschobene positionsabhängige Signale erzeugen. Eventuell sind weitere Empfängerfelder vorgesehen, die eine entsprechend codierte Referenzspur abtasten und ein Referenz- bzw. Nullsignal erzeugen. Die Empfängerfelder auf dem Abtast-Empfänger sind jeweils entweder als einzelne entsprechend der Codierung der Maßverkörperung strukturierte lichtempfindliche Flächen auf der Oberfläche des Empfänger-Chips vorgesehen, die gemeinsam ausgewertet werden, als sogenanntes „phased Array”, oder es werden zusammenhängende Flächen verwendet, wobei im letzteren Fall auf der Oberfläche des Empfänger-Chips eine Abtastblende positioniert ist. Die Abtastblende besteht aus einer Glasplatte mit einer einseitig aufgebrachten und entsprechend der Positionscodierung des Maßstabs lithographisch strukturierten Chromschicht, welche transparente Öffnungen oberhalb der lichtempfindlichen Abtastflächen des Abtast-Empfängers aufweist. Um die Abstände der Öffnungen der Abtastblende zur Maßverkörperung zu minimieren, befindet sich die Chromschicht auf der zur Maßverkörperung hin zugewandten Seite der Abtastblende.A prior art scanning receiver is an integrated circuit (iC) which is typically based on CMOS semiconductor processes and which has individual photosensitive receiver arrays which respectively generate position dependent signals. For incremental measuring graduations, these are generally at least four fields, which are each offset by a quarter of a measuring period in the measuring direction to each other and correspondingly generate position-shifted signals phase-shifted by 90 degrees. Eventually, additional receiver fields are provided which scan a corresponding coded reference track and generate a reference or zero signal. The receiver fields on the scanning receiver are each provided either as individual according to the coding of the material measure structured photosensitive surfaces on the surface of the receiver chip, which are evaluated together, as a so-called "phased array", or contiguous surfaces are used, wherein the latter case, a scanning aperture is positioned on the surface of the receiver chip. The scanning diaphragm consists of a glass plate with a chromium layer applied on one side and lithographically structured in accordance with the position coding of the scale, which has transparent openings above the photosensitive scanning surfaces of the scanning receiver. In order to minimize the distances between the openings of the scanning diaphragm for measuring scale, the chromium layer is located on the side of the scanning diaphragm facing towards the material measure.
Der Maßstab bzw. die Maßverkörperung trägt die Positionsinformation in Form von binären Codierungen. Bei inkrementalen Codierungen handelt es sich um abwechselnde Hell- und Dunkelfelder, die linienartig ausgebildet sind, wobei die Linienbreite zur Erzielung von hohen Auflösungen in Messrichtung deutlich schmaler ist als quer zur Messrichtung. Für absolute Codierungen ist es notwendig, mehrere ein- oder mehrspurige Codes gleichzeitig zu detektieren. Bekannte absolute Codierungen sind beispielsweise Pseudo-Random Codes, Binärcodes, BCD-Codes (binary coded decimals), Gray-Codes oder Nonius-Codes. Weiterhin ist es bekannt, Kombinationen von inkrementalen und absoluten Codierungen auf einer Maßverkörperung vorzusehen.The scale or the material measure carries the position information in the form of binary codes. Incremental codes are alternating light and dark fields, which are formed like a line, wherein the line width to achieve high resolutions in the measuring direction is significantly narrower than transverse to the measuring direction. For absolute encodings it is necessary to detect several single- or multi-track codes simultaneously. Known absolute encodings are, for example, pseudo-random codes, binary codes, binary coded decimals (BCD), gray codes or vernier Codes. Furthermore, it is known to provide combinations of incremental and absolute codes on a material measure.
Aus der
Aus der
Bei Verwendung von einem oder mehreren hintereinander angeordneten Mikrolinsenplatten existiert das Problem des Übersprechens, d. h. es existieren überlappende Objektfelder, was bedeutet, dass das Licht, das durch eine Linse des ersten Linsenarrays fällt, in eine seitlich angeordnete Linse des zweiten Mikrolinsenarrays bzw. in ein benachbartes Empfängerfeld des Abtast-Empfängers gelangt. Demgegenüber stehen bei GRIN-Linsen die vergleichsweise große Baulänge und die Einzelherstellung einem kompakten, einfachen und preiswerten Aufbau entgegen. Zudem müssen die verschiedenen Mikrolinsenplatten zueinander sowie zum Abtastempfänger aufwendig justiert werden.When using one or more microlens plates arranged one behind the other, the problem of crosstalk exists; H. There are overlapping object fields, which means that the light which passes through a lens of the first lens array, passes into a laterally disposed lens of the second microlens array or in an adjacent receiver field of the scan-receiver. In contrast, with GRIN lenses, the comparatively long overall length and the individual production oppose a compact, simple and inexpensive construction. In addition, the different microlens plates have to be adjusted to each other and the Abtastempfänger consuming.
Aus der
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Abtasteinheit sowie eine entsprechende Positionsmesseinrichtung anzugeben, die ein für rotative und lineare Maßverkörperungen mit unterschiedlichen inkrementalen Messperioden gleichermaßen universell verwendbares Linsenarray aufweist und welche einfach und zuverlässig montierbar ist und dabei insbesondere den Abstand zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastchip bei der Montage zuverlässig sicherstellt.It is the object of the invention to provide a scanning unit and a corresponding position-measuring device which has a lens array which is equally universally applicable for rotary and linear measuring graduations with different incremental measurement periods and which can be mounted easily and reliably and, in particular, the distance between the microlens array and the scanning chip Reliably ensures the assembly.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Abtasteinheit sowie eine entsprechende Positionsmesseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.This object is achieved by a scanning unit and a corresponding position measuring device according to the independent claims.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie andere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention as well as other advantageous features of the invention are indicated in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird eine Linsenplatte als abbildendes System verwendet, welche mindestens eine refraktive oder diffraktive Mikrolinse aufweist und im folgenden der Einfachheit halber als Mikrolinsenarray bezeichnet wird. Dieses wird auf dem Empfängerchip oberhalb der eventuell vorhandenen Abtastblende montiert. Das Mikrolinsenarray liegt in einer zur Maßverkörperung bzw. zur Oberfläche des Abtastempfängers parallelen Ebene. Die Mikrolinsen bilden die Positionscodierung der Maßverkörperung auf die Oberfläche der Abtastblenden-Öffnungen bzw. auf die Oberfläche der lichtempfindlichen Empfängerfelder des Abtastempfängers ab. Dabei liegen die Empfängerfelder jeweils weitgehend in der optischen Achse der betreffenden Mikrolinsen. Die Brennebene der Linsen liegt vorzugsweise in der ebenen Rückseite des Linsenarrays. Zwischen dem Mikrolinsenarray und der Abtastblende bzw. der Oberfläche des Abtast-Empfängers befindet sich eine Anordnung von Aperturblenden, welche im folgenden der Einfachheit halber als Aperturblendenarray bezeichnet wird. Dieses Aperturblendenarray ist in Form einer dünnen opaken Schicht realisiert und weist jeder der Mikrolinsen des Mikrolinsenarrays genau eine telezentrische Aperturblende im bildseitigen Brennpunkt zu. Die Aperturblenden sind dabei transparente Öffnungen innerhalb der opaken Schicht. Dadurch bildet jede Linse einen Teil der Maßverkörperung ohne ein Übersprechen zumindest auf einen Teil eines Empfängerfeldes ab. Es kann beispielsweise vorgesehen werden, dass die Bilder mehrerer Mikrolinsen auf ein einziges Empfängerfeld fallen oder dass das Bild jeder Mikrolinse des Mikrolinsenarrays genau auf ein Empfängerfeld des Abtast-Empfängers oder auf eine definierte Anzahl von mehreren Empfängerfeldern gelangt.According to the invention, a lens plate is used as the imaging system, which has at least one refractive or diffractive microlens and is referred to below as microlens array for the sake of simplicity. This is mounted on the receiver chip above the possibly existing scanning diaphragm. The microlens array lies in a plane parallel to the material measure or to the surface of the Abtastempfängers. The microlenses image the positional coding of the measuring scale on the surface of the scanning aperture openings or on the surface of the photosensitive receiver fields of the scanning receiver. The receiver fields are each largely in the optical axis of the respective microlenses. The focal plane of the lenses is preferably in the planar rear side of the lens array. Between the microlens array and the scanning diaphragm or the surface of the scanning receiver is an arrangement of aperture stops, which in the following will be referred to as an aperture diaphragm array for the sake of simplicity. This aperture diaphragm array is realized in the form of a thin opaque layer and assigns each of the microlenses of the microlens array exactly one telecentric aperture diaphragm in the image-side focal point. The aperture stops are transparent openings within the opaque layer. As a result, each lens forms part of the material measure without crosstalk at least on a part of a receiver field. For example, it may be provided that the images of a plurality of microlenses fall on a single receiver field or that the image of each microlens of the microlens array exactly to a receiver field of the scan-receiver or to a defined number of multiple receiver fields passes.
Vorzugsweise ist zur Beleuchtung von reflektiven Maßverkörperungen mindestens eine Kollimatorlinse zur Kollimation des vom Lichtsenders emittierten Lichtes auf die Maßverkörperung seitlich über den Abtastempfänger hinausragend in das Mikrolinsenarray integriert.Preferably, at least one collimator lens for collimating the light emitted by the light emitter is integrated laterally over the scanning receiver protruding into the microlens array for the purpose of illuminating reflective measuring graduations.
Durch den Einsatz eines Mikrolinsenarrays werden das Objektfeld sowie das Bildfeld aufgeteilt, wodurch sehr geringe Abstände zwischen dem Linsenarray und der Maßverkörperung einerseits sowie dem Linsenarray und dem Abtastempfänger andererseits erreicht werden. Weiterhin weist diese Anordnung bislang unerreichbar große Abstandstoleranzen zwischen dem Maßstab und dem Abtastempfänger auf.By using a microlens array, the object field and the image field are split, whereby very small distances between the lens array and the material measure on the one hand and the lens array and the Abtastempfänger on the other hand can be achieved. Furthermore, this arrangement has previously unattainable large distance tolerances between the scale and the Abtastempfänger.
Wegen des kleinen Durchmessers der Mikrolinsen können diese eine vergleichsweise kurze Brennweite aufweisen. Aufgrund der geringen Brennweite der einzelnen Mikrolinsen ergibt sich dann ein geringer Arbeitsabstand, wodurch sich neben der Intensität des Lichtes insbesondere auch der Kontrast erhöht, wodurch wiederum eine bessere Interpolierbarkeit der durch die lichtempfindlichen photoelektrischen Empfängerfelder des Abtastempfängers generierten Positionssignale erzielt wird.Because of the small diameter of the microlenses, they can have a comparatively short focal length. Due to the small focal length of the individual microlenses then results in a small working distance, which in addition to the intensity of the light in particular increases the contrast, which in turn a better interpolability of the generated by the photosensitive photoelectric receiver fields of the Abtastempfängers position signals is achieved.
Die Brennweite f der Mikrolinsen liegt bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2 mm, der Linsendurchmesser D beträgt vorzugsweise etwa 0,3 mm bis 2 mm. Die Blendenzahl k = f/D der Linsen ohne Berücksichtigung der Aperturblende liegt etwa zwischen k = 0,5 für asphärische Linsen und k = 4, die numerische Apertur AObj der Linsen beträgt für eine 1:1 Abbildung etwa AObj ≈
Aufgrund von weitgehend parallelem Licht sowie der binter jeder einzelnen Mikrolinse positionierten Aperturblende (Telezentrieblende) wird seitlich einfallendes Licht ausgeblendet, so dass insbesondere keine Überlappung der Bildfelder der Einzellinsen des Mikrolinsenarrays auf den unterschiedlichen Abtastfeldern der Abtastblende bzw. des Abtastchips auftritt. Im Stand der Technik sind zur Vermeidung einer Überlappung der einzelnen Bildfelder weitere Maßnahmen erforderlich, wie etwa opake Elemente zur Trennung der Strahlengänge der einzelnen Mikrolinsen, was jedoch eine Vereinzelung der Linsen notwendig macht. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ist es jedoch, mit lediglich einem einzigen Aperturblendenarray, das in der bildseitigen Brennebene der Mikrolinsen als zusammenhängendes Bauteil ausgebildet ist, sowie mit einem einzigen zusammenhängenden Mikrolinsenarray eine Überlappung der Bildfelder der Einzellinsen zuverlässig zu vermeiden bzw. auf einen hinreichend kleinen Bereich zu beschränken, ohne weitere Hilfsmittel zu benötigen.Due to largely parallel light as well as the aperture diaphragm (telecentric aperture) positioned laterally for each individual microlens, laterally incident light is masked out, so that in particular no overlapping of the image fields of the individual lenses of the microlens array occurs on the different scanning fields of the scanning diaphragm or the scanning chip. In the prior art further measures are required to avoid overlapping of the individual image fields, such as opaque elements for separating the beam paths of the individual microlenses, which, however, makes a separation of the lenses necessary. The advantage of the scanning unit according to the invention, however, with a single aperture diaphragm array, which is formed in the image-side focal plane of the microlenses as a continuous component, as well as with a single contiguous microlens array to avoid overlapping of the image fields of the individual lenses reliably or to a sufficiently small area restrict, without the need for additional resources.
Die Vorteile der telezentrischen Blenden in der gemeinsamen hinteren Brennebene der Mikrolinsen sind im Einzelnen:
- 1) Absorption der seitlich aus der Maßverkörperung austretenden Beugungsordnungen bei der Abtastung diffraktiv codierter Maßverkörperungen
- 2) größere Schärfentiefe und somit eine erhöhte Axialtoleranz zwischen dem Maßstab und der Abtasteinheit,
- 3) weitgehende Unabhängigkeit des Abbildungsmaßstabes von kleinen Abstands-Änderungen zwischen der Maßverkörperung und dem Mikrolinsenarray und daher weitgehende Konstanz des Abbildungsmaßstabes der Einzellinsen
- 4) enges Gesichtsfeld („field of view”) der Einzellinsen und daher keine Überlappung der Bilder unterschiedlicher, insbesondere benachbarter Mikrolinsen.
- 1) Absorption of diffraction orders emerging laterally from the measuring standard during the scanning of diffractively coded measuring graduations
- 2) greater depth of field and thus increased axial tolerance between the scale and the scanning unit,
- 3) extensive independence of the imaging scale of small distance changes between the material measure and the microlens array and therefore far-reaching consistency of the magnification of the individual lenses
- 4) narrow field of view of the individual lenses and therefore no overlapping of the images of different, in particular adjacent microlenses.
Darüber hinaus kann ein derartiger Abtastempfänger insbesondere gleichermaßen für Maßverkörperungen eingesetzt werden, die als Codierung reflektive oder transmissive Amplituden- bzw. Phasengitter aufweisen. Zur Abtastung von diffraktiven Maßverkörperungen ist der Durchmesser der Aperturblenden insbesondere dadurch bestimmt, dass die nicht zu detektierenden, seitlich aus der Maßverkörperung austretenden Beugungsordnungen ausgeblendet werden.In addition, such a scanning receiver can in particular be used equally for measuring scales which have reflective or transmissive amplitude or phase gratings as coding. For scanning diffractive measuring graduations, the diameter of the aperture diaphragms is determined, in particular, by the fact that the diffraction orders that are not to be detected and emerge laterally from the material measure are masked out.
Für unterschiedliche Anwendungsfälle, etwa zur Abtastung von Längen- oder Winkelmessgeräten, welche inkrementale oder absolute Codierungen mit unterschiedlichen Auflösungen aufweisen, müssen lediglich unterschiedliche Abtastblenden zur Verfügung stehen, während die Abtastflächen des Abtast-Empfängers unverändert bleiben können. Die Anordnung der Mikrolinsen auf dem Mikrolinsenarray ist daher lediglich an die Geometrie und die Anordnung der Abtastflächen des Abtast-Empfägers anzupassen und ist somit ebenfalls für verschiedene Codierungen universell verwendbar.For different applications, such as for scanning length or angle encoders, which have incremental or absolute encodings with different resolutions, only different scan aperture must be available, while the scanning surfaces of the scan-receiver can remain unchanged. The arrangement of the microlenses on the microlens array is therefore only to be adapted to the geometry and the arrangement of the scanning surfaces of the scanning receiver and is therefore also universally applicable for different codes.
Vorzugsweise besteht das Linsenarray aus einem Glas- oder Kunststoff-Substrat und weist an seiner der Maßverkörperung zugewandten Seite konvex gekrümmte Linsenflächen auf, die einteilig mit dem Substrat verbunden sind, und die in einer zur Oberfläche des Abtastempfängers parallelen Ebene nebeneinander angeordnet sind. Die dem Abtastempfänger zugewandte Seite des Linsenarrays ist vorzugsweise eben. Somit entstehen plankonvexe Mikrolinsen, deren Linsenprofil sphärisch oder bevorzugt auch asphärisch sein kann.Preferably, the lens array consists of a glass or plastic substrate and has on its scale side facing the convex curved lens surfaces which are integrally connected to the substrate, and which are arranged in a plane parallel to the surface of the Abtastempfängers level next to each other. The sample receiver facing side of the lens array is preferably flat. This results in plano-convex microlenses whose lens profile can be spherical or preferably also aspherical.
Neben einem Mikrolinsenarray mit plan-konvexen Mikrolinsen ist auch die Verwendung von bikonvexen oder konvex-konkaven Linsen denkbar. Neben plan-konvexen Linsen werden aufgrund der besseren Abbildungsleitung für 1:1 Abbildungen besonders bevorzugt Mikrolinsenarrays mit bi-asphärischen, symmetrischen bikonvexen Mikrolinsen eingesetzt, welche vorder- und rückseitig die gleichen Krümmungsradien aufweisen. In addition to a microlens array with plano-convex microlenses, the use of biconvex or convex-concave lenses is conceivable. In addition to plano-convex lenses, microlens arrays with bi-aspheric, symmetrical biconvex microlenses are particularly preferably used for 1: 1 imaging due to the better imaging line, which have the same radii of curvature on the front and rear sides.
Weiterhin ist es prinzipiell möglich, refraktive Mikrolinsen nach der Art von Fresnel-Linsen vorzusehen. Der Vorteil hierbei liegt insbesondere in der kleinen Linsenhöhe und der einfachen Fertigung mittels Prägetechniken in Kunststoffe oder Glas. Da die Beleuchtung mit weitgehend monochromatischem Licht erfolgt, wirkt sich die bei diffraktiven Linsen nachteilig auftretende Beugung nicht gravierend aus.Furthermore, it is in principle possible to provide refractive microlenses on the type of Fresnel lenses. The advantage here is in particular the small lens height and the simple production by embossing techniques in plastics or glass. Since the illumination takes place with largely monochromatic light, the diffraction that occurs disadvantageously with diffractive lenses does not have a serious effect.
Vorzugsweise sind die Linsenflächen auf der Oberfläche des Substrates in einer regelmäßigen rechteckigen oder hexagonalen Rasterung angeordnet. Besonders bevorzugt werden Mikrolinsenarrays mit lückenlos direkt aneinander angrenzenden Linsenfächen, d. h. mit einem Füllfaktor von 100% verwendet. Weiterhin sind prinzipiell auch unregelmäßige, nicht periodische Anordnungen möglich. Der Durchmesser sowie die Linsen-Krümmung und damit auch die Brennweite sind dabei für alle Einzellinsen identisch. Es sei noch darauf hingewiesen, dass das Linsen-„Array” auch insofern entartet sein kann, als dass es lediglich eine einzelne Linse oder eine einzelne Reihe oder Spalte von Linsen aufweisen kann; entsprechendes gilt für das Aperturblendenarray.Preferably, the lens surfaces are arranged on the surface of the substrate in a regular rectangular or hexagonal grid. Particularly preferred are microlens arrays with gapless directly adjacent Linsenfächen, d. H. used with a fill factor of 100%. Furthermore, in principle, irregular, non-periodic arrangements are possible. The diameter as well as the lens curvature and thus also the focal length are identical for all individual lenses. It should be noted that the lens "array" may also be degenerate in that it may comprise only a single lens or a single row or column of lenses; the same applies to the aperture diaphragm array.
Zur Herstellung des Mikrolinsenarrays können unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Es ist möglich, die Mikrolinsenarrays mittels Präge-, Spritzguss- oder Spritzpräge-Techniken aus Kunststoff herzustellen. Dabei können entweder jeweils ganze Wafer strukturiert werden, wobei die Mikrolinsenarrays anschließend vereinzelt werden oder die einzelnen Mikrolinsenarrays werden separat gefertigt.Different methods can be used to produce the microlens array. It is possible to manufacture the microlens arrays by means of embossing, injection molding or injection-compression molding techniques made of plastic. In this case, either entire wafers can be structured in each case, with the microlens arrays subsequently being singulated or the individual microlens arrays being produced separately.
Weiterhin sind Glasprägetechniken, wie etwa das Blankpressen von Linsen insbesondere in Glasarten mit niedriger Glasübergangstemperatur bekannt, die eine Negativform direkt in Glas abprägen. Diese Prägetechniken sind insbesondere in der Lage, ineinander verlaufende oder direkt aneinander angrenzende Linsenformen herzustellen. Insbesondere ist es möglich, asphärisch geformte Linsen herzustellen. Auch mit dieser Technik ist es möglich, Glaswafer zu prägen und die einzelnen Mikrolinsenarrays anschließend zu vereinzeln.Furthermore, glass embossing techniques, such as lens sizing, particularly in low glass transition temperature glass types, are known which impress a negative mold directly into glass. In particular, these embossing techniques are capable of producing lens molds extending into each other or directly adjacent one another. In particular, it is possible to produce aspherically shaped lenses. It is also possible with this technique to emboss glass wafers and then to separate the individual microlens arrays.
Ein anderes bekanntes Verfahren, was etwa von der Firma SÜSS MicroOptics SA in Neuchatel in der Schweiz verwendet wird, nutzt Photolithographie mit Reflow des entwickelten Lacks und anschließendem reaktivem Ionen Ätzen (reactive ion etching, RIE) in Glaswafer. Dieser Wafer wird anschließend in einzelne Linsenarrays vereinzelt oder wird zur Herstellung eines Stampers für eine Replikationstechnik, wie etwa UV- oder Heißprägung verwendet. Die durch das Reflowverfahren hergestellten Linsen haben dabei einen Mindestabstand von einigen Mikrometern.Another known method, which is used for example by the company SÜSS MicroOptics SA in Neuchatel in Switzerland, uses photolithography with reflow of the developed paint and subsequent reactive ion etching (RIE) in glass wafers. This wafer is then singulated into individual lens arrays or used to make a stamper for a replication technique, such as UV or hot stamping. The lenses produced by the reflow process have a minimum distance of a few micrometers.
Die Abtastblenden sowie die Aperturblenden werden bevorzugt in Form von Glaswafern mittels photolithographischer Strukturierung einer weitgehend lichtundurchlässigen Schicht hergestellt, die beispielsweise aus Chrom, Aluminium oder Titan oder Titanverbindungen besteht und aufgedampft oder gesputtert wird, etwa mittels eines Resist Lift-off Verfahrens.The scanning diaphragms and the aperture diaphragms are preferably produced in the form of glass wafers by means of photolithographic structuring of a largely light-impermeable layer which consists, for example, of chromium, aluminum or titanium or titanium compounds and is vapor-deposited or sputtered, for example by means of a resist lift-off method.
Zur Herstellung der Abtasteinheit werden entweder nacheinander die Abtastblende, das Aperturblendenarray und anschließend das Mikrolinsenarray auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers positioniert, oder es wird zunächst die Abtastblende sowie das Mikrolinsenarray mit dazwischen angeordnetem Aperturblendenarray zueinander positioniert und diese Baueinheit anschließend auf der Oberfläche des Abtast-Empfängers angeordnet. Weiterhin ist es im letzteren Fall möglich, die bereits vereinzelten Abtastblenden sowie Mikrolinsenarrays zueinander zu positionieren, oder aber die jeweiligen Wafer, welche die Mikrolinsen und die Aperturblenden bzw. die Abtastblenden tragen, zunächst zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend etwa mittels einer Wafersäge zu vereinzeln.In order to produce the scanning unit, either the scanning aperture, the aperture diaphragm array and then the microlens array are positioned on the surface of the scanning receiver one after the other, or the scanning aperture and the microlens array with the aperture diaphragm array arranged therebetween are initially positioned relative to one another and this component is then placed on the surface of the scanning aperture. Receiver arranged. Furthermore, in the latter case, it is possible to position the already separated scanning apertures and microlens arrays relative to one another, or to position the respective wafers which carry the microlenses and the aperture diaphragms or the scanning apertures initially to one another, to bond them and then to apply them by means of a wafer saw seperate.
Weiterhin ist es möglich, die Wafer der Mikrolinsenarrays, der Blenden sowie der Abtastempfänger-Chips zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend zu vereinzeln.Furthermore, it is possible to position the wafers of the microlens arrays, the diaphragms and the Abtastempfänger-chips to each other, to bond and then to separate.
Die Anordnung und der Durchmesser der Mikrolinsen werden an die Geometrie und Anordnung der Abtastfelder des Abtastempfängers angepasst. Die Linsendurchmesser und die Brennweite der Einzellinsen sind dabei bevorzugt kleiner als 2 mm. Die Brennweite bzw. der Krümmungsradius der Mikrolinsen wird bevorzugt derart festgelegt, dass in Abhängigkeit von der Dicke der Abtastblenden-Platte, der Aperturblende sowie des Mikrolinsenarrays sowie in Abhängigkeit von den entsprechenden Brechungsindizes und dem Abbildungsmaßstab der Abstand der Mikrolinsen zur Abtastblendenöffnung bzw. zur Oberfläche der Empfängerflächen des Abtast-Empfängers exakt der Bildweite entspricht. Alternativ wird der Abbildungsmaßstab anhand der Linsenbrennweite, der Brechungsindizes sowie der Abstände ermittelt und die Abtastblenden-Öffnungen werden entsprechend angepasst.The arrangement and the diameter of the microlenses are adapted to the geometry and arrangement of the scanning fields of the scanning receiver. The lens diameter and the focal length of the individual lenses are preferably less than 2 mm. The focal length or the radius of curvature of the microlenses is preferably determined such that, depending on the thickness of the scanning diaphragm plate, the aperture diaphragm and the microlens array and depending on the corresponding refractive indices and the magnification of the distance of the microlenses to the scanning aperture or to the surface of the Receiver surfaces of the scanning receiver corresponds exactly to the image size. Alternatively, the magnification is determined from the lens focal length, refractive indices, and distances, and the scan aperture is adjusted accordingly.
Die Abstände der Mikrolinsen zum Maßstab einerseits und zur Oberfläche des Abtastchips bzw. der Abtastblendenöffnungen andererseits sind durch die Abbildungsgleichung bestimmt und bestimmen den Abbildungsmaßstab. Wird ein Abbildungsmaßstab von 1:1 gewählt, so beträgt der Abstand von der objektseitigen Hauptebene der Linsen zur Maßstabsoberfläche ebenso die doppelte Brennweite, wie der Abstand von der bildseitigen Hauptebene der Linsen zur Oberfläche des Abtastempfängers bzw. der Öffnungen der Abtastblende, der sich jedoch jeweils um den Faktor der jeweiligen Brechungsindizes verlängert. Ohne Einschränkung sind durch Variation der Abstände jedoch auch vergrößernde oder verkleinernde reelle (d. h. nicht-virtuelle) Abbildungen möglich, d. h. Abbildungen im Maßstab größer oder kleiner als eins. Eine verkleinerte Abbildung hat den Vorteil, dass der Abbildungskontrast erhöht wird. The distances of the microlenses to the scale on the one hand and to the surface of the scanning chip or scanning aperture openings on the other hand are determined by the imaging equation and determine the magnification. When a magnification of 1: 1 is selected, the distance from the object-side major plane of the lenses to the scale surface is also twice the focal length as the distance from the image-side major plane of the lenses to the surface of the scan receiver or apertures of the scan aperture, respectively extended by the factor of the respective refractive indices. Without limitation, by varying the distances, however, magnifying or decreasing real (ie, non-virtual) mappings are also possible, ie mappings on a scale greater or less than one. A reduced image has the advantage that the image contrast is increased.
Vorzugsweise befindet sich in der Brennebene der Mikrolinsen ein Array von Aperturblenden, wobei in der optischen Achse jeder Einzellinse eine Blende angeordnet ist. Somit liegt ein objektseitig telezentrischer Strahlengang vor. Hierdurch bleibt bei einer geringfügigen Abstandsänderung zwischen der Maßverkörperung und dem Linsenarray der Abbildungsmaßstab nahezu unverändert, wodurch vergleichsweise große Abstandstoleranzen zwischen der Maßverkörperung und der Abtasteinheit zulässig sind. Wird zur Beleuchtung weitgehend paralleles Licht verwendet, so wird durch die telezentrischen Aperturblenden wenn überhaupt nur wenig Licht ausgeblendet.An array of aperture diaphragms is preferably located in the focal plane of the microlenses, wherein a diaphragm is arranged in the optical axis of each individual lens. Thus, there is an object-side telecentric beam path. As a result, with a slight change in distance between the material measure and the lens array, the image scale remains virtually unchanged, whereby comparatively large distance tolerances between the material measure and the scanning unit are permitted. If largely parallel light is used for illumination, then only a small amount of light is hidden by the telecentric aperture diaphragms.
Das Aperturblendenarray wird dabei durch eine zumindest weitgehend lichtundurchlässige Schicht realisiert, die auf einem Träger-Substrat aufgebracht und lediglich an den Stellen der Blendenöffnungen entfernt ist. Die Blendenöffnungen sind bevorzugt rund. Die Blendenplatte bzw. der Blendenträger besteht dabei aus einem transparenten Substrat, wie etwa Glas oder Kunststoff. Hierzu wird zunächst eine photosensitive Lackschicht auf die Substratoberfläche etwa durch Spinning aufgebracht, die durch eine strukturierte Maske hindurch belichtet und entwickelt wird, so dass die Lackschicht partiell entfernt wird. Anschließend wird die lichtundurchlässige Schicht aufgebracht und zuletzt die verbliebene Lackschicht entfernt, so dass an diesen Stellen die transparente Substratoberfläche unbeschichtet verbleibt. Die lichtundurchlässige Schicht besteht aus Aluminium oder (Schwarz-)Chrom, bevorzugt jedoch aus Titan oder Titanverbindungen, um Rückreflexionen zu verringern, und wird bevorzugt auf eine Glasoberfläche mittels Aufdampfen, CVD, PVD oder Sputtern aufgebracht und mittels Photolithographie strukturiert Die Oberfläche einer Aluminiumschicht als licht-absorbierende Blendenschicht kann darüber hinaus schwarz eloxiert sein, um Rückreflexionen des Lichts zu vermeiden. Diese aufgedampften oder gesputterten Schichten weisen in der Regel eine Dicke von lediglich etwa 20 nm bis 150 nm auf. Ohne Einschränkung sind jedoch auch andere opake metallische, dielektrische oder Kunststoff-Schichten einsetzbar. Eine eventuell vorhandene Feldblende, welche objektseitig auf dem Mikrolinsenarray vorgesehen sein kann, kann mittels einer entsprechenden Technik aufgebracht werden.The aperture diaphragm array is realized by an at least largely opaque layer, which is applied to a carrier substrate and removed only at the locations of the apertures. The apertures are preferably round. The diaphragm plate or the diaphragm support consists of a transparent substrate, such as glass or plastic. For this purpose, a photosensitive lacquer layer is first applied to the substrate surface, for example by spinning, which is exposed through a structured mask and developed, so that the lacquer layer is partially removed. Subsequently, the opaque layer is applied and finally the remaining lacquer layer is removed so that the transparent substrate surface remains uncoated at these points. The opaque layer is made of aluminum or (black) chromium, but preferably titanium or titanium compounds to reduce back reflections, and is preferably applied to a glass surface by vapor deposition, CVD, PVD or sputtering and patterned by photolithography. The surface of an aluminum layer is light Absorbent diaphragm layer can also be black anodized to avoid back reflections of the light. These deposited or sputtered layers typically have a thickness of only about 20 nm to 150 nm. Without limitation, however, other opaque metallic, dielectric or plastic layers can be used. Any existing field stop, which may be provided on the microlens array on the object side, can be applied by means of a corresponding technique.
Das Aperturblendenarray kann ein separates Bauteil sein. Vorzugsweise ist dieses Blendenarray jedoch auf bereits verwendeten Bauteilen, wie etwa dem Linsenarray oder der der Abtastblende angeordnet. Somit entfällt ein separates Bauteil mit entsprechendem Justageaufwand. Möglich ist jedoch prinzipiell auch die Verwendung etwa einer dünnen Metallfolie mit entsprechenden Öffnungen als Aperturblendenarray bzw. Abtastblendenarray.The aperture diaphragm array may be a separate component. Preferably, however, this aperture array is disposed on already used components, such as the lens array or the scanning aperture. This eliminates a separate component with a corresponding adjustment effort. However, in principle it is also possible to use, for example, a thin metal foil with corresponding openings as an aperture diaphragm array or scanning diaphragm array.
Bei einer ersten Ausgestaltung weist die Objektseite des Linsenarrays bevorzugt das Blendenarray auf, wobei in der optischen Achse jeder Einzellinse jeweils eine Aperturblende angeordnet ist. Die Dicke des Linsenarrays ist dabei derartig bemessen, dass die Brennebene der Einzellinsen in der planen Unterseite des Linsenarrays liegt. Hierdurch erhält man ein telezentrisches optisches System, wodurch eine geringfügige Abstandsänderung zwischen dem Maßstab und dem Linsenarray den Abbildungsmaßstab nicht wesentlich verändert, so dass das Gesamtmesssystem vergleichsweise abstandstolerabel im Hinblick auf den Abstand zwischen der Maßverkörperung und dem Abtastempfänger ist. Die Abstandstoleranz hängt von der Messperiode sowie von der Parallelität des beleuchtenden Lichtes ab und beträgt ca. 1 mm für eine Messperiodenlänge von 100 Mikrometern, etwa entsprechend 1024 Inkrementen auf einem Codescheiben-Durchmesser von 40 mm.In a first embodiment, the object side of the lens array preferably has the aperture array, wherein an aperture stop is arranged in each case in the optical axis of each individual lens. The thickness of the lens array is dimensioned such that the focal plane of the individual lenses lies in the flat bottom of the lens array. This results in a telecentric optical system, whereby a slight change in the distance between the scale and the lens array does not significantly alter the imaging scale, so that the overall measuring system is comparatively distance tolerable with respect to the distance between the material measure and the scanning receiver. The distance tolerance depends on the measurement period as well as on the parallelism of the illuminating light and is approximately 1 mm for a measuring period length of 100 micrometers, approximately corresponding to 1024 increments on a code disc diameter of 40 mm.
Demgegenüber weisen projektive optische Messverfahren ohne Verwendung abbildender Linsen gemäß dem Stand der Technik deutlich geringere Abstandstoleranzen von etwa 50 Mikrometer und weniger auf, je nach Breite des abzutastenden Messgitters.In contrast, projective optical measuring methods without the use of imaging lenses according to the prior art have significantly smaller distance tolerances of about 50 micrometers and less, depending on the width of the measurement grid to be scanned.
Alternativ kann bei Verwendung einer Abtastblende das Aperturblendenarray auch auf der dem Abtastchip abgewandten Seite der Abtastblendenplatte angeordnet sein. Die dem Abtastchip zugewandte Seite der Blendenplatte trägt dabei die Abtastblenden, während die gegenüber liegende Seite das Aperturblendenarray aufweist. Die Glasplatte weist somit beidseitig strukturierte partiell lichtundurchlässige Schichten auf, in der Regel photolithographisch strukturierte Chrom- oder Titanschichten. Prinzipiell kommen auch andere Metallisierungsschichten, wie etwa Aluminium oder dielektrische Schichten in Betracht. Die Abtastblende weist dabei Öffnungen entsprechend der Codierung der Maßverkörperung auf, wobei der Abbildungsmaßstab sowie eine Invertierung aufgrund der einstufigen Abbildung zu berücksichtigen sind. Die durch die einzelnen Mikrolinsen generierte Abbildungs-Invertierung sorgt für eine partielle Umkehrung der Codestellen sowie für eine Änderung der Krümmung der Codespur bei Winkelcodescheiben.Alternatively, when using a scanning diaphragm, the aperture diaphragm array can also be arranged on the side of the scanning diaphragm plate which faces away from the scanning chip. The scanning chip facing side of the aperture plate thereby carries the Abtastblenden, while the opposite side has the aperture diaphragm array. The glass plate thus has on both sides structured partially opaque layers, usually photolithographically structured chromium or titanium layers. In principle, other metallization layers, such as aluminum or dielectric layers come into consideration. The scanning diaphragm has openings corresponding to the coding of the Measuring scale, whereby the magnification and an inversion due to the single-stage mapping are taken into account. The image inversion generated by the individual microlenses provides for a partial inversion of the codes as well as a change in the curvature of the code track in the case of angular code slices.
Ferner ist es möglich, die Abtastblende direkt auf die Oberfläche des Abtastempfänger-Chips zu integrieren, etwa durch ein Aluminium-Layer, der in einem zusätzlichen Herstellungs-Prozessschritt auf die Chipoberfläche aufgebracht wird.Further, it is possible to integrate the scanning aperture directly on the surface of the scanning receiver chip, such as through an aluminum layer, which is applied to the chip surface in an additional manufacturing process step.
In diesem Fall, dass ein Abtastempfänger mit einem „phased Array”, d. h. mit entsprechend der Maßverkörperung codierten Empfängerfeldern verwendet wird und somit keine Abtastblende notwendig ist, wird entweder eine separate Aperturblendenplatte verwendet, auf welche das Mikrolinsenarray montiert wird und deren Aperturblenden-Öffnungen dem Mikrolinsenarray zugewandt sind, oder es wird das Aperturblendenarray auf der Rückseite des Mikrolinsenarrays vorgesehen und eine separate transparente Glasplatte als Abstandshalterung zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger angeordnet. Durch die Dicke dieser Glasplatte ist der Abstand zwischen dem Mikrolinsenarray und dem Abtastempfänger eingestellt und es entfällt im letzteren Fall eine separate Justage des Aperturblendenarrays relativ zum Mikrolinsenarray.In this case, a sample receiver with a "phased array", i. H. is used with corresponding to the material scale coded receiver fields and thus no scanning aperture is necessary, either a separate aperture diaphragm plate is used, on which the microlens array is mounted and the aperture apertures facing the microlens array, or it is the aperture diaphragm array on the back of the microlens array and provided a separate transparent glass plate is arranged as a spacer between the microlens array and the Abtastempfänger. Due to the thickness of this glass plate, the distance between the microlens array and the Abtastempfänger is set and it is omitted in the latter case, a separate adjustment of the aperture diaphragm array relative to the microlens array.
Das Mikrolinsenarray, das Aperturblendenarray sowie die eventuell benötigte Abtastblende werden vorzugsweise direkt auf der Oberfläche des Abtastempfänger-Chips, quasi als „lens an reticle an chip” bzw. als „lens an lass an chip” montiert und anschließend seitlich mittels lichtundurchlässiger Vergussmasse fixiert. Weiterhin ist es möglich, die Oberflächen der einzelnen Komponenten, bestehend aus Mikrolinsenarray und den einzelnen Blendenplatten miteinander zu verkleben, insbesondere mit optischem Kleber zu verkitten, um Lufteinschlüsse zu vermeiden.The microlens array, the aperture diaphragm array and the possibly required scanning diaphragm are preferably mounted directly on the surface of the scanning receiver chip, quasi as "lens on reticle on chip" or "lens on lass on chip" and then fixed laterally by means of opaque potting compound. Furthermore, it is possible to glue together the surfaces of the individual components, consisting of microlens array and the individual diaphragm plates, in particular cemented with optical adhesive in order to avoid air pockets.
Vorzugsweise wird die Brennweite der Linsen in Abhängigkeit von der Dicke sowie der Brechungsindizes der bevorzugt als Glas- oder Kunststoff-Platten ausgebildeten Mikrolinsenarrays, der Abtastblende sowie des dazwischen angeordneten Aperturblendenarrays festgelegt, so dass bei Übereinanderlegen der einzelnen Komponenten auf der Oberfläche des Abtastempfängers die Bildweite quasi von selbst exakt eingestellt wird, so dass in axialer Richtung parallel zur optischen Achse des Abbildungsstrahlenganges keine Abstandskalibrierung mehr erforderlich ist.The focal length of the lenses is preferably determined as a function of the thickness and the refractive indices of the microlens arrays, preferably the glass or plastic plates, the scanning diaphragm and the aperture diaphragm array arranged therebetween, so that when the individual components are superimposed on the surface of the scanning receiver the image width is quasi is set exactly by itself, so that in the axial direction parallel to the optical axis of the imaging beam path no distance calibration is required.
Eine weitere konstruktive Möglichkeit liegt darin, die Abtastblenden-Öffnungen neben der Maßverkörperung anzupassen an den Abbildungsmaßstab, der sich ergibt aus der Linsenbrennweite sowie der Bildweite, also dem Abstand des Mikrolinsenarrays von Abtastempfänger sowie der jeweiligen Brechungsindizes des Mikrolinsenarrays sowie der Blendenplatte. Der sich daraus ergebende Abstand zwischen der Maßverkörperung sowie dem Mikrolinsenarray (die Gegenstandsweite) wird entsprechend eingestellt.Another constructive possibility is to adapt the scanning aperture openings next to the material measure to the imaging scale, which results from the lens focal length and the image size, ie the distance of the microlens array of scanning receiver and the respective refractive indices of the microlens array and the aperture plate. The resulting distance between the measuring scale and the microlens array (the object width) is adjusted accordingly.
Da die Glasdicken des Mikrolinsenarrays und der Abtastblende nicht beliebig variierbar sind und die Bildebene in der Oberfläche der Abtastblenden-Öffnungen bzw. der lichtempfindlichen Flächen des Abtastempfängers liegen muss, kann es eventuell notwendig sein, die Brennebene um bis zu etwa 10–20% der Brennweite, entsprechend etwa maximal 100–200 Mikrometer oberhalb oder unterhalb der Aperturblenden-Öffnungen vorzusehen, d. h. die Aperturblenden befinden sich geringfügig im Off-Fokusbereich.Since the glass thicknesses of the microlens array and the scanning aperture are not arbitrarily variable and the image plane must lie in the surface of the scanning apertures or the photosensitive surfaces of the scanning receiver, it may be necessary to increase the focal plane by up to about 10-20% of the focal length to provide about 100-200 microns at most above or below the aperture apertures, d. H. the aperture stops are slightly off-focus.
In dem Falle, dass diffraktive Maßverkörperungen verwendet werden, welche die optische Interferenz und Beugung des Lichtes ausnutzen, so treten neben den zu detektierenden Beugungsordnungen auch weitere Haupt- oder Nebenordnungen auf, die nicht detektiert werden. Das Aperturblendenarray gewährleistet bei richtiger Dimensionierung zugleich die Ausblendung dieser nicht zu detektierenden Haupt- oder Nebenordnungen.In the event that diffractive material measures are used which exploit the optical interference and diffraction of the light, then, in addition to the diffraction orders to be detected, other main or secondary orders occur which are not detected. The aperture diaphragm array ensures the dimensioning at the same time the suppression of these not to be detected main or secondary orders.
Um zu vermeiden, dass Streulicht auf die lichtempfindlichen Flächen des Abtast-Empfängers gelangt, kann zusätzlich der objektseitige Bereich des Linsenarrays zwischen den Mikrolinsen mit einer lichtundurchlässigen Schicht als Feldblende versehen sein. Bei geeigneter Anordnung und Brennweite der Mikrolinsen kann diese Feldblende jedoch auch entfallen. Insbesondere dann, wenn das Mikrolinsenarray einen Füllfaktor von 100% aufweist.In order to prevent scattered light from reaching the photosensitive surfaces of the scanning receiver, in addition the object-side region of the lens array between the microlenses can be provided with an opaque layer as the field stop. With a suitable arrangement and focal length of the microlenses, however, this field stop can also be omitted. In particular, when the microlens array has a fill factor of 100%.
Das von der Lichtquelle emittierte Licht wird vorzugsweise mittels einer Sammellinse (Kondensorlinse) parallelisiert und somit der Maßstab beleuchtet. Es ist jedoch prinzipiell auch möglich, eine optische Positionsmesseinrichtung mit divergentem Licht zu betreiben.The light emitted by the light source is preferably parallelized by means of a converging lens (condenser lens) and thus illuminates the scale. However, it is also possible in principle to operate an optical position-measuring device with divergent light.
Als Lichtquelle werden gemäß dem Stand der Technik Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt, die im (nah-)infraroten (near IR) Spektrum emittieren. Allerdings ist auch die Verwendung von LEDs möglich, die im roten Spektrum oder im sichtbaren Spektrum emittieren. Die Halbwertsbreite beträgt dabei typischerweise etwa 20–50 nm. Weiterhin ist auch die Verwendung von Halbleiterlasern als Beleuchtungsquelle denkbar. Aus Kostengründen, aufgrund der geringeren Lebensdauer insbesondere bei hohen Temperaturen und der nachteilig hohen räumlichen und zeitlichen Kohärent haben sich Laser als Lichtquelle in der maßstabsgebundenen Positionsmessung bislang jedoch nicht durchgesetzt Während bei Amplitudengittermaßstäben der Beleuchtungsstrahlengang kollinear zum Abbildungsstrahlengang ist, kann er bei diffraktiven Codierungen beispielsweise gemäß der
Da eine lediglich einstufige optische Abbildung vorgesehen wird, muss die Invertierung der Abbildung berücksichtigt werden. Zum einen ist die Drehrichtung scheinbar entgegengesetzt, zum anderen muss die Invertierung der Codespurkrümmung im Falle von Winkelmessgeräten berücksichtigt werden. Hierzu werden die Blendenöffnungen auf der Abtastblende bzw. die Empfängerflächen im Falle eines Abtastempfängers mit auf die Chipoberfläche aufgebrachten „phased arrays” entsprechend angepasst.Since a single-stage optical image is provided, the inversion of the image must be taken into account. On the one hand, the direction of rotation is apparently opposite, on the other hand, the inversion of the code track curvature in the case of angle encoders must be considered. For this purpose, the apertures on the scanning or the receiver surfaces in the case of a Abtastempfängers with applied to the chip surface "phased arrays" are adjusted accordingly.
Im Falle von absoluten Codierungen empfiehlt es sich, jedes Codefeld mittels einer separaten Mikrolinse abzubilden. Ansonsten muss im Falle der Abbildung von mehreren Codefeldern mit einer Linse die Invertierung der Codefelder, die durch die einzelnen Linsen auf den Abtastempfänger abgebildet werden, entsprechend berücksichtigt werden.In the case of absolute codings, it is advisable to image each code field by means of a separate microlens. Otherwise, in the case of imaging multiple code fields with one lens, the inversion of the code fields mapped by the individual lenses onto the scanning receiver must be taken into account accordingly.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Abtasteinheit in Verbindung mit einer Nonius-codierten Maßverkörperung etwa gemäß der
Ausführungsbeispieleembodiments
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich gemacht.Further features and advantages of the invention will become apparent in the following description of exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
die
In der
Direkt auf der Chipoberfläche ist eine Abtastblende
Auf der Oberseite der Abtastblende
Vorzugsweise ist der Stapel auf der Oberfläche des Abtastempfängers
Die Maßverkörperung
Bei einer Abbildung im Abbildungsmaßstab 1:1 betragen die Entfernung zwischen dem Maßstab
Für eine Abbildung im Abbildungs-Maßstab 1:1 weist die Abtastblende
Die
In der
Neben Maßverkörperungen, die nicht-diffraktive Codierungen aufweisen, welche die Amplitude des einfallenden Lichtes modulieren, sind etwa aus der
Dasjenige Licht, welches schräg parallel einfällt und einen hinreichend großen Winkel α zur optischen Achse
Für den Beugungswinkel α–1 der minus ersten Ordnung gilt der Zusammenhang: sin(α–1) = λ/Λ, wobei λ die Wellenlänge des beleuchtenden Lichtes ist und Λ die Gitterkonstante des Beugungsgitters. Für λ = 740 nm und Λ = 1,25 μm erhält man beispielsweise einen Beugungswinkel von α–1 = 36,3°. Somit ergibt sich mit einer Dicke d des Mikrolinsenarrays
Die
Sei beispielsweise d = 1,5 mm, dann folgt aus der Bedingung mit einem Brechungsindex von n1 = 1,4524 für die Brennweite f der Mikrolinsen: f = 1,033 mm, woraus sich ein Krümmungsradius R der Mikrolinsen von R = 0,467 mm errechnet.For example, if d = 1.5 mm, then the condition with a refractive index of n 1 = 1.4524 for the focal length f of the microlenses follows: f = 1.033 mm, from which a radius of curvature R of the microlenses of R = 0.467 mm is calculated.
Für die Linsenhöhe s („lense sag”) gilt nach Pythagoras der folgende Zusammenhang: R = s/2 + D2/(8s). Mit einer Linsenhöhe von s = 50 μm und einem Linsendurchmesser von D = 0,42 mm ergibt sich beispielsweise ein Krümmungsradius der Linse von R = 0,466 mm.For the lens height s ("lense sag"), the following relationship applies according to Pythagoras: R = s / 2 + D 2 / (8s). With a lens height of s = 50 μm and a lens diameter of D = 0.42 mm, for example, a radius of curvature of the lens of R = 0.466 mm results.
Auf der dem Abtastempfänger
Wird für die Abtastblende eine Glasart mit einem unterschiedlichen Brechungsindex verwendet, so muss die Abtastblende eine unterschiedliche Dicke aufweisen, damit die Bildebene in der Oberfläche des Abtastempfängers bzw. der Abtast-Blendenöffnungen liegt. Da Glasplatten nicht in beliebigen Dicken verfügbar sind, kann es notwendig sein, das Aperturbiendenarray um bis zu etwa 10–20% der Brennweite in einer parallel versetzten Ebene außerhalb der Brennebene der Mikrolinsen
In der
In der
Das Mikrolinsenarray
In der
Die
Mit einer Kantenlänge k = 0,1 mm des licht-emittierenden Halbleiters und einer Brennweite F = 4 mm der Kondensorlinse ergibt sich beispielsweise ein halber Öffnungswinkel des beleuchtenden Lichtbündels von δ0 = 0,72°. Da die Maßverkörperung kein Selbststrahler ist, sondern von der Lichtquelle beleuchtet wird, muss die Beleuchtungsapertur ABel der Lichtquelle für das Auflösungsvermögen sowie für die Bestimmung der Apertur AObj der Mikrolinsen berücksichtigt werden. Der Abstand von Objektstrukturen an der Auflösungsgrenze beträgt dann: With an edge length k = 0.1 mm of the light-emitting semiconductor and a focal length F = 4 mm of the condenser lens, for example, a half opening angle of the illuminating light beam of δ 0 = 0.72 °. Since the material measure is not a self-radiator, but is illuminated by the light source, the illumination aperture A Bel of the light source for the resolution and for the determination of the aperture A Obj of the microlenses must be taken into account. The distance of object structures at the resolution limit is then:
In der
Der Durchmesser A der Öffnung der Aperturblende
Die
Je Abtastfeld sind hierbei zwei Mikrolinsen
Die Mikrolinsen
Durch die punktiert dargestellten Öffnungen
Neben der nacheinander erfolgenden Montage von Abtastblende und Mikrolinsenarray auf der Oberfläche des Abtastchips oberhalb der lichtempfindlichen Empfängerfelder ist es auch möglich, entsprechende Wafer, welche die Mikrolinsenarrays und die Abtastblenden tragen, zunächst zueinander zu positionieren, zu bonden und anschließend zu vereinzeln. In diesem Fall ist die Einheit, bestehend aus Mikrolinsenarray und Abtastblendenarray lediglich relativ zu den Empfängerfeldern des Abtastempfängers auszurichten. Weiterhin ist es möglich, die entsprechenden Mikrolinsen-, Abtastblenden sowie Abtastempfänger-Chip-Wafer zueinander auszurichten, zu bonden und anschließend zu vereinzeln.In addition to the successive assembly of scanning diaphragm and microlens array on the surface of the scanning chip above the photosensitive receiver fields, it is also possible to first position corresponding corresponding wafers, which carry the microlens arrays and the Abtastblenden, each other to bonding, and then to separate. In this case, the unit consisting of microlens array and scan aperture array is only to be aligned relative to the receiver fields of the scan receiver. Furthermore, it is possible to align the corresponding microlens, scanning and scanning receiver chip wafers to each other, to bond and then to separate.
Die unterschiedlichen, übereinander liegenden Glas- oder Kunststoff-Platten, welche das Mikrolinsenarray sowie die Abtastblende tragen, können miteinander sowie mit dem Abtastempfänger verkittet oder verklebt werden und anschließend seitlich mit einer vorteilhafterweise opaken Vergussmasse vergossen werden. Es ist darüber hinaus möglich, dass innerhalb dieser Vergussmasse insbesondere auch die Bonddrähte des Abtastchips liegen.The different, superimposed glass or plastic plates, which carry the microlens array and the scanning diaphragm can be cemented or glued together and then with the Abtastempfänger and then laterally potted with an advantageously opaque potting compound. It is also possible that, in particular, the bonding wires of the scanning chip lie within this casting compound.
In der
Das Auflösungsvermögen der Einzellinsen ist proportional zum Quotienten aus der Brennweite und dem Linsendurchmesser und ist daher auch bei kleiner Brennweite aufgrund des kleinen Linsendurchmessers ausreichend.The resolution of the individual lenses is proportional to the quotient of the focal length and the lens diameter and is therefore sufficient even with small focal length due to the small lens diameter.
Das Mikrolinsenarray weist seitliche Stege
Aufgrund der bikonvexen Linsengestaltung liegt hierbei der Brennpunkt nicht in der Rückseite des Linsenarrays
Die Abtastblende
Die
In der
In den
Daher wird das Licht der nullten Beugungsordnung durch die Aperturblenden ausgeblendet, d. h. die notwendige Verringerung der Linsenapertur wird durch die Aperturblenden erreicht, die einen hinreichend kleinen Öffnungs-Durchmesser aufweisen. Der maximale Durchmesser A der Aperturblenden ist somit bei der Detektion von diffraktiven Maßverkörperungen durch den Beugungswinkel α–1 der nullten Beugungsordnung bestimmt.Therefore, the light of the zeroth diffraction order is masked out by the aperture stops, ie the necessary reduction of the lens aperture is achieved by the aperture stops, which have a sufficiently small opening diameter. The maximum diameter A of the aperture diaphragms is thus determined in the detection of diffractive material measurements by the diffraction angle α -1 of the zeroth diffraction order.
Um das den Maßstab verlassende Licht mit einer ausreichenden Intensität zu detektieren und eine ausreichende Auflösung zu erzielen, sollte der Durchmesser der Aperturblenden jedoch auch nicht zu klein sein. Vorzugsweise ist der Beugungswinkel α–1 größer als der halbe Offnungswinkel des die Maßverkörperung
Bei der Detektion von diffraktiven Maßverkörperungen
Das Beugungsmaximum der detektierten minus ersten Beugungsordnung wird weiterhin umso schmaler, je mehr Liniengitter je Codefläche verwendet werden. Bei einer Gitterkonstanten Λ und einer Anzahl N von Gitterlinien je Codefeld
Beispielsweise erhält man für eine Wellenlänge λ = 850 nm, für N = 35 Gitterlinien je Codefeld und für eine Gitterkonstante Λ = 1250 nm einen vergleichsweise kleinen Öffnungswinkel von δ1 = 1,1°. For example, for a wavelength λ = 850 nm, for N = 35 grid lines per code field and for a grid constant Λ = 1250 nm, a comparatively small aperture angle of δ 1 = 1.1 ° is obtained.
Insgesamt erhält man mit dem Zusammenhang: δ = δ–1 + δ1 ≈ δ0 + δ1 eine vergleichsweise geringe Bündelaufweitung des Lichtes, das die Maßverkörperung
Die Aperturblenden-Öffnungen werden nunmehr soweit angepasst, dass die Linsen-Apertur AObj vorzugsweise größer ist als die Beleuchtungsapertur ABel, die nullte Ordnung mit dem Beugungswinkel α–1 jedoch ausgeblendet wird, was bedeutet, dass ABel < AObj < sin(2α–1) bzw. dass gilt:
Für eine hinreichend große Anzahl N von Beugungsgittern je Codefeld
Weiterhin ist durch eine geeignete Geometrie sicherzustellen, dass die nullte Beugungsordnung nicht durch benachbarte Aperturblenden-Öffnungen auf den Abtastempfänger gelangt. Dies wird durch eine geeignete Wahl der Brennweite f der Mikrolinsen sowie dem Durchmesser der Aperturblenden-Öffnungen sichergestellt.Furthermore, it must be ensured by a suitable geometry that the zeroth diffraction order does not pass through adjacent aperture apertures on the scanning receiver. This is ensured by a suitable choice of the focal length f of the microlenses and the diameter of the aperture apertures.
Für eine große Abstandstoleranz zwischen der Maßverkörperung
Hierdurch erhält man eine im Vergleich zum Sand der Technik deutlich höhere Abstandstoleranz zwischen der Maßverkörperung
Für eine hohe inkrementale Strichzahl, die insbesondere auf Codescheiben kleinen Durchmessers vorgesehen werden, werden die Codefelder entsprechend schmaler. Um auch kleine Codefelder
Andere Vorrichtungen, wie in der
Die
Um ein Übersprechen quer zur Messrichtung auszuschließen, werden benachbarte Codespuren auf der Maßverkörperung vorzugsweise mit einem ausreichenden Abstand vorgesehen.To preclude crosstalk across the measuring direction, adjacent code tracks on the material measure are preferably provided with a sufficient distance.
In der
Sei 2δ das Minimum aus dem Öffnungswinkel des Lichtes, welches die Maßverkörperung
Beträgt der Öffnungswinkel 2δ = 3,6° und die Brennweite der Mikrolinsen f = 1 mm, so ergibt sich bei einem Abbildungsmaßstab von M = 1:1 beispielsweise eine seitliche Ausweitung des halben Bildfeldes um B – D/2 = 63 Mikrometer. Würden die Mikrolinsen direkt aneinander angrenzen, so beträgt der Überlappungsbereich 63 Mikrometer. In diesem Bereich sind keine Abtastblenden-Offnungen vorzusehen.If the opening angle is 2δ = 3.6 ° and the focal length of the microlenses f = 1 mm, then, for a magnification of M = 1: 1, for example, a lateral expansion of half the field of view results B-D / 2 = 63 micrometers. If the microlenses were directly adjacent to each other, the overlap area would be 63 microns. In this area, no Abtastblenden- openings should be provided.
Beträgt der Abstand b der benachbarten Mikrolinsen beispielsweise b = B + D/2 = D + 63 μm, so beträgt der abtastbare halbe Bildfeldbereich B' = D/2, d. h. das abtastbare Bildfeld entspricht dem gesamten Linsendurchmesser D.If the distance b of the adjacent microlenses is, for example, b = B + D / 2 = D + 63 μm, then the scannable half image field region B '= D / 2, d. H. the scannable field corresponds to the total lens diameter D.
In der
Das Mikrolinsenarray
Dargestellt sind zwei beidseitig des Abtastempfängers
Die Unterseite des Mikrolinsenarrays
Die Vergussmasse
In der
Die
Da das Licht des Lichtsenders
Ebenso ist es jedoch möglich, wie in der
Die
Die Sender
Neben der Verwendung mehrerer Lichtsender
Der Abtastempfänger-Chip kann ebenso wie die Lichtsender-LED als SMD- oder ball-grid-array (BGA)-Bauteil gehäust oder als Chip-on-Board (COB) auf einem Träger, etwa einer Leiterplatte angeordnet sein. Weiterhin kann die LED von einer transparenten Vergussmasse umhüllt sein, wobei ein Bonddraht zur Kontaktierung ebenfalls in die Vergussmasse eingebettet sein kann.Like the light transmitter LED, the scanning receiver chip can be housed as an SMD or ball-grid-array (BGA) component or arranged as a chip-on-board (COB) on a carrier, for example a printed circuit board. Furthermore, the LED can be enveloped by a transparent potting compound, wherein a bonding wire for contacting can also be embedded in the potting compound.
Weiterhin können der Lichtsender sowie der Abtastempfänger beispielsweise als Multichip-Modul etwa auf Dünnfilm oder auf einer Leiterplatte montiert sein und beispielsweise auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Weiterhin ist es denkbar, den Lichtsender und den Abtastempfänger mittels flip-chip Technik miteinander und/oder mit einer Leiterplatte zu verbinden.Furthermore, the light emitter and the scanning receiver can be mounted, for example, as a multi-chip module, for example, on thin film or on a printed circuit board and, for example, also housed in a common housing. Furthermore, it is conceivable to connect the light transmitter and the scanning receiver by means of flip-chip technology with each other and / or with a printed circuit board.
Es ist auch möglich, eine LED als Lichtsender und den Abtastempfänger in einem einzigen Chip zu integrieren, wie in der
In der
Diese Phasenverschiebung muss für die Anordnung der Abtastblenden-Öffnungen vor bzw. auf den Empfängerfeldern des Abtastempfängers berücksichtigt werden und ist abhängig von dem Linsenpitch b in Messrichtung, dem Abbildungsmaßstab M sowie der Messperiode p der Maßverkörperung. Zwar existieren diskrete Werte für den Linsenpitch b, für den in Abhängigkeit vom Abbildungsmaßstab M sowie der Messperiode p diese Phasenverschiebung null ist, jedoch ist bei rotativen Maßverkörperungen (Codescheiben) aufgrund der radialen Aufweitung der Codefelder die Messperiode p in radialer Richtung nicht konstant, so dass eine Anpassung der Abtastblenden-Öffnungen in diesem Falle notwendig ist. Da ohnehin eine an die jeweilige Maßverkörperung angepasste Abtastblende notwendig ist, werden erfindungsgemäß für verschiedene Maßverkörperungen unterschiedliche, an die Maßverkörperung sowie das Mikrolinsenarray angepasste Abtastblenden sowie einheitliche Linsenarrays verwendet, wobei lediglich die Geometrie der Linsenarrays und der Empfängerflächen des Abtastempfängers aufeinander abzustimmen sind.This phase shift must be taken into account for the arrangement of the Abtastblenden openings in front of or on the receiver fields of the Abtastempfängers and is dependent on the lens pitch b in the measuring direction, the magnification M and the measuring period p of the material measure. Although there are discrete values for the lens pitch b for which this phase shift is zero as a function of the magnification M and the measurement period p, the measurement period p in the radial direction is not constant in the case of rotary measuring graduations (code disks) due to the radial widening of the code fields an adjustment of the Abtastblenden openings in this case is necessary. Since, in any case, a scanning diaphragm adapted to the respective measuring standard is necessary, different scanning graduations and uniform lens arrays are used according to the invention for different measuring graduations, wherein only the geometry of the lens arrays and the receiver surfaces of the scanning receiver are to be matched to one another.
Die
Die Mikrolinsen (
Zusätzlich zu dieser Phasenverschiebung kommt eine Phasenverschiebung von n
Die obige Phasenverschiebung resultiert für lineare Maßverkörperungen in einer Verschiebung benachbarter Abtastblenden-Öffnungen (
In der
In der
Für rotative Maßverkörperungen ist die inkrementale Periode p abhängig vom Radius r der Codespur vermittels: p = 2πr/I, wobei I die Anzahl der Code-Inkremente pro Umdrehung sei. Dieses resultiert in einer vom Radius r der Codespur abhängigen Verschiebung von: E(r) = b(M + 1) + nπ
Die Verschiebung von benachbarten Abtastblenden-Öffnungen (
Entsprechend gilt für Abtastblenden-Öffnungen (
In der
Da das Licht der nullten Beugungsordnung bzw. das Licht, welches auf unstrukturierte Flächen der Maßverkörperung fällt, um den Winkel α mit sin(α) = λ/Λ schräg auf die Mikrolinsen (
In der
Vorzugsweise fällt das Licht der nullten Beugungsordnung nicht in die vor dem Abtastempfänger (
Die mikrostrukturierte Seite der transmissiven bzw. der reflektiven Maßverkörperung (
Die Baulänge des Messsystems ist geringer, da der Abstand zwischen der Maßverkörperung und dem Abtastempfänger kleiner ist, da die Dicke der Codescheibe Teil der Gegenstandsweite ist.The microstructured side of the transmissive or reflective measuring standard (
The overall length of the measuring system is smaller because the distance between the measuring scale and the Abtastempfänger is smaller, since the thickness of the code disk is part of the object's width.
Die mikrostrukturierte Seite der Codescheibe, welche die Positionscodierung trägt, ist dabei mit einem reflektiven Medium, vorzugsweise einem Metall, wie etwa Gold, Aluminium oder Nickel beschichtet. Diese Beschichtung kann etwa mittels Sputtern, Bedampfen oder galvanisch aufgebracht werden. Daher ist diese Seite der Codescheibe vor äußeren Einflüssen geschützt, wie etwa Verschmutzung oder Betauung mit Wasserdampf. The microstructured side of the code disk, which carries the position coding, is coated with a reflective medium, preferably a metal, such as gold, aluminum or nickel. This coating can be applied by means of sputtering, vapor deposition or electroplating. Therefore, this side of the code disk is protected from external influences, such as soiling or condensation with water vapor.
Es tritt eine Defokussion von Schmutz bzw. Wasserdampf auf, welcher sich auf der zum Abtastempfänger hinweisenden Oberfläche der Codescheibe befindet; insbesondere dann, wenn der Abstand zwischen der zum Abtastempfänger hinweisenden Oberfläche der Codescheibe und dem Abtastempfänger kleiner oder gleich eine Brennweite f der Mikrolinsen beträgt.There is a defocussing of dirt or water vapor, which is located on the surface of the code disc indicative of the scanning receiver; in particular when the distance between the surface of the code disc facing the scanning receiver and the scanning receiver is less than or equal to a focal length f of the microlenses.
In der
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Abtasteinheitscanning
- 1010
- Abtastempfängerscanning receiver
- 11, 1211, 12
- Empfängerfelderrecipient fields
- 1515
- BonddrähteBond wires
- 1616
- Vergussmassepotting compound
- 1717
- Substratsubstratum
- 2020
- Abtastblendescan diaphragm
- 21, 2221, 22
- Abtastblenden-ÖffnungenAbtastblenden openings
- 2323
- licht-undurchlässige Schichtlight-impermeable layer
- 2424
- FeldblendenöffnungField aperture
- 3030
- MikrolinsenarrayMicrolens array
- 31, 3331, 33
- Mikrolinsemicrolens
- 33', 33''33 ', 33' '
-
Oberfläche der Mikrolinse
33 Surface of themicrolens 33 - 3232
- optische Achse einer Mikrolinseoptical axis of a microlens
- 3535
- Stegweb
- 38, 3938, 39
- Feldblendefield diaphragm
- 4040
- Aperturblendenarrayaperture diaphragm
- 4141
- Aperturblenden-ÖffnungAperture diaphragm opening
- 4444
- Feldblenden-ÖffnungField diaphragm opening
- 4545
- Glasplatteglass plate
- 5050
- Lichtsenderlight source
- 5151
- Trägercarrier
- 5252
- optische Achse der Sammellinseoptical axis of the converging lens
- 5555
- Sammellinse (Kondensorlinse, Kollimatorlinse)Condenser lens (condenser lens, collimator lens)
- 100, 200100, 200
- MaßverkörperungMeasuring standard
- 110, 210110, 210
- Dunkelfelddarkfield
- 120, 220 120, 220
- Hellfeldbrightfield
- RR
- Radius der MikrolinseRadius of the microlens
- ff
- Brennweite der MikrolinseFocal length of the microlens
- f'f '
- Abstanddistance
- HH
- objektseitige Hauptebene der LinseObject-side main plane of the lens
- H'H'
- bildseitige Hauptebene der Linsepictorial main plane of the lens
- DD
- LinsendurchmesserLens diameter
- n1 n 1
- Brechungsindexder MikrolinseRefractive index of the microlens
- n2 n 2
- Brechungsindex der AbtastblendeRefractive index of the scanning diaphragm
- dd
- Dicke des MikrolinsenarraysThickness of the microlens array
- ss
- Linsenhöhelens height
- AA
- Durchmesser der AperturblendenDiameter of the aperture stops
- a, ba, b
- Linsenraster (kartesisch), LinsenpitchLenticular grid (Cartesian), lens pitch
- αα
- Richtung des einfallendenLichtesDirection of the incident light
- α–1 α -1
- Winkel der minusersten BeugungsordnungAngle of minimum diffraction order
- ββ
- Brechungswinkel des einfallenden LichtesRefraction angle of the incident light
- 2δ0 2δ 0
- Öffnungswinkel des einfallenden LichtbündelsOpening angle of the incident light beam
- 2δ1 2δ 1
- Öffnungswinkel des Lichtes der minus ersten BeugungsordnungOpening angle of the light of the minus first diffraction order
- 2δ2δ
- Gesamtöffnungswinkel des den Maßstab verlassenden LichtesTotal opening angle of the light leaving the scale
- 2u 2u
- Öffnungswinkel der LinsenaperturOpening angle of the lens aperture
- kk
- Kantenlänge des LED-ChipsEdge length of the LED chip
- FF
- Brennweite derKollimatorlinseFocal length of the collimator lens
- xx
- laterale Ablenkungdes Lichtes der nullten Beugungsordnung in der bildseitigen Brennebeneder Mikrolinselateral deflection of the zeroth diffraction order light in the image side focal plane of the microlens
- cc
- Versatzoffset
- pp
- inkrementale Messperiodeincremental measurement period
- C1, ..., C4 C 1 , ..., C 4
- Positionscodesposition codes
- ABel A Bel
- Beleuchtungs-AperturLighting aperture
- AObj A obj
- Apertur der MikrolinseAperture of the microlens
- NN
-
Anzahl der Gitterlinien pro Codefeld
220 Number of grid lines percode field 220 - UU
- Unschärfekreis-DurchmesserBlur circle diameter
- TT
- Abstandstoleranzdistance tolerance
- MM
- Abbildungsmaßstabmagnification
- BB
- BildfeldbereichView area
- gG
- GegenstandsweiteObject distance
- kk
- Blendenzahlf-number
- L, L1, L2 L, L 1 , L 2
- lateraler Abstandlateral distance
- F', F''F ', F' '
- Brennpunkte der SammellinseFocal points of the condenser lens
- Ee
- Entfernungdistance
- vv
- Breite des LinsenarraysWidth of the lens array
- II
- Anzahl der Inkremente Radius der rotativen CodespurNumber of increments Radius of the rotary code track
- P1, P2, P'1, P'2 P 1 , P 2 , P ' 1 , P' 2
- Endpunkte der Abtastblenden-ÖffnungenEndpoints of the scan aperture
Claims (41)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102007007311A DE102007007311B4 (en) | 2006-02-12 | 2007-02-10 | Scanning unit for a position measuring device for the detection of optical measuring graduations and corresponding position measuring device |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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