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DE102022200195A1 - Optical position measuring device - Google Patents

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Publication number
DE102022200195A1
DE102022200195A1 DE102022200195.8A DE102022200195A DE102022200195A1 DE 102022200195 A1 DE102022200195 A1 DE 102022200195A1 DE 102022200195 A DE102022200195 A DE 102022200195A DE 102022200195 A1 DE102022200195 A1 DE 102022200195A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
lens array
graduation
measuring device
optical position
detector
Prior art date
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Pending
Application number
DE102022200195.8A
Other languages
German (de)
Inventor
Ulrich Benner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Johannes Heidenhain GmbH filed Critical Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority to DE102022200195.8A priority Critical patent/DE102022200195A1/en
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Pending legal-status Critical Current

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    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715Scale reading or illumination devices

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts, welches gegenüber einem zweiten Objekt entlang einer Messrichtung relativ beweglich ist. Mit dem ersten Objekt ist eine Maßverkörperung mit einer sich entlang der Messrichtung erstreckenden Messteilung verbunden. Mit dem zweiten Objekt ist eine Abtasteinheit verbunden, die mindestens eine Lichtquelle, einen Detektor, sowie ein Linsenarray zur Abbildung eines Messteilungsbereichs auf den Detektor umfasst. Das Linsenarray weist nur auf einer ersten Seite eine Vielzahl benachbart angeordneter Einzellinsen auf; auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite sind mindestens in Teilbereichen mehrere Reflektoren angeordnet. Über die Einzellinsen erfolgt eine Verkleinerungs-Abbildung des Messteilungsbereichs in ein Zwischenbild auf den Reflektoren; anschließend erfährt das Zwischenbild eine Vergrößerungsabbildung über die Einzellinsen in das Bild des Messteilungsbereichs auf dem Detektor.The present invention relates to an optical position measuring device for determining the position of a first object, which can be moved relative to a second object along a measuring direction. A material measure with a measuring scale extending along the measuring direction is connected to the first object. A scanning unit is connected to the second object, which includes at least one light source, a detector, and a lens array for imaging a measurement graduation region onto the detector. The lens array has a multiplicity of adjacently arranged individual lenses on only a first side; a plurality of reflectors are arranged at least in partial areas on an opposite, second side. The individual lenses produce a reduction image of the measurement graduation area in an intermediate image on the reflectors; the intermediate image is then magnified via the individual lenses into the image of the measurement graduation area on the detector.

Description

GEBIET DER TECHNIKFIELD OF TECHNOLOGY

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts, welches gegenüber einem zweiten Objekt entlang einer Messrichtung relativ beweglich ist.The present invention relates to an optical position measuring device for determining the position of a first object, which can be moved relative to a second object along a measuring direction.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Eine gattungsgemäße optische Positionsmesseinrichtung ist aus der DE 103 17 736 A1 bekannt. Diese umfasst eine mit einem ersten Objekt verbundene Maßverkörperung mit einer sich entlang der Messrichtung erstreckenden Messteilung. Ferner ist eine Abtasteinheit vorgesehen, die mit einem zweiten Objekt verbunden ist und mindestens eine Lichtquelle, einen Detektor, sowie ein Linsenarray zur Abbildung eines Messteilungsbereichs auf den Detektor aufweist. Das erste und zweite Objekt sind relativ zueinander entlang der Messrichtung beweglich angeordnet. Über das Linsenarray erfolgt die Übertragung bzw. Abbildung eines Teils der Messteilung, die als Pseudo Random Code ausgebildet ist, auf den Detektor; das Linsenarray ist hierbei als transmittives Zylinderlinsenarray ausgebildet. Es besteht i.w. aus einem transparenten, quaderförmigen Körper, der an zwei gegenüberliegenden Seiten eine Vielzahl von Einzellinsen aufweist; hierzu sind die entsprechenden Oberflächen des Körpers geeignet strukturiert. Über die an einer ersten Seite angeordneten Einzellinsen erfolgt zunächst eine verkleinernde Zwischenabbildung des Messteilungsbereichs innerhalb des Linsenarraykörpers. Das erzeugte Zwischenbild wird dann über die Einzellinsen auf der gegenüberliegenden Seite vergrößert auf den Detektor abgebildet. Der Gesamt-Abbildungsmaßstab der beiden Teil-Abbildungen ist vorzugsweise 1. Die Herstellung des Linsenarrays ist wegen der erforderlichen Strukturierung der beiden Körper-Oberflächen zur Ausbildung der erforderlichen Einzellinsen aufwändig, da auf beiden Oberflächen hierzu mehrere Lithographieschritte nötig sind. Außerdem ergeben sich durch die beschriebene Abbildung mit zwei Teil-Abbildungen und einem Zwischenbild innerhalb eines möglichst dünnen Linsenarraykörpers vergleichsweise große Objektweiten bei der ersten Teil-Abbildung; ebenso resultieren relativ große Bildweiten bei der zweiten Teil-Abbildung. Es ergibt sich somit ein vergleichsweise großer Platzbedarf für die entsprechende Abbildung.A generic optical position measuring device is from DE 103 17 736 A1 known. This comprises a material measure connected to a first object with a measuring graduation extending along the measuring direction. A scanning unit is also provided, which is connected to a second object and has at least one light source, a detector, and a lens array for imaging a measurement graduation area onto the detector. The first and second objects are arranged to be movable relative to each other along the measurement direction. The lens array is used to transfer or image part of the measurement graduation, which is in the form of a pseudo random code, onto the detector; the lens array is in this case designed as a transmittive cylindrical lens array. It essentially consists of a transparent, cuboid body that has a large number of individual lenses on two opposite sides; the corresponding surfaces of the body are suitably structured for this purpose. Via the individual lenses arranged on a first side, a reduced intermediate image of the measurement graduation area within the lens array body is initially produced. The intermediate image generated is then enlarged and projected onto the detector via the individual lenses on the opposite side. The overall image scale of the two partial images is preferably 1. The production of the lens array is complex because of the necessary structuring of the two body surfaces to form the required individual lenses, since this requires several lithography steps on both surfaces. In addition, the described imaging with two partial images and an intermediate image within a lens array body that is as thin as possible results in comparatively large object distances in the first partial image; likewise, relatively large image widths result in the second partial imaging. This results in a comparatively large space requirement for the corresponding image.

Eine ähnliche Positionsmesseinrichtung ist desweiteren aus der JP 2015-081794 A2 bekannt. Im Unterschied zur vorgenannten Lösung ist hier kein rein transmittives Linsenarray vorgesehen; im Inneren des Array-Körpers sind vielmehr zusätzliche Spiegelflächen angeordnet, über die eine Umlenkung der Strahlenbündel zwischen dem Durchlaufen der Einzellinsen auf den gegenüberliegenden Seiten resultiert. Das entsprechende Linsenarray kann somit etwas kompakter bauend ausgebildet werden, der fertigungstechnische Aufwand für die an zwei Oberflächen erforderlichen Einzellinsen ist aber auch bei dieser Lösung hoch.A similar position measuring device is also from JP 2015-081794 A2 known. In contrast to the above solution, no purely transmittive lens array is provided here; Rather, additional mirror surfaces are arranged inside the array body, via which the beam bundles are deflected between passing through the individual lenses on the opposite sides. The corresponding lens array can thus be designed to be somewhat more compact, but the manufacturing complexity for the individual lenses required on two surfaces is also high with this solution.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Positionsmesseinrichtung anzugeben, die zur Abbildung von Messteilungsbereichen auf einen Detektor ein möglichst kompakt bauendes und einfach zu fertigendes Linsenarray umfasst.The present invention is based on the object of specifying an optical position-measuring device which, for imaging measuring graduation areas on a detector, comprises a lens array which is as compact as possible and easy to manufacture.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.According to the invention, this object is achieved by an optical position measuring device having the features of claim 1 .

Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.Advantageous embodiments of the optical position measuring device according to the invention result from the measures that are listed in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße optische Positionsmesseinrichtung dient zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts, welches gegenüber einem zweiten Objekt entlang einer Messrichtung relativ beweglich ist. Sie umfasst eine mit dem ersten Objekt verbundene Maßverkörperung mit einer sich entlang der Messrichtung erstreckenden Messteilung. Desweiteren umfasst sie eine Abtasteinheit, welche mit dem zweiten Objekt verbunden ist, mit mindestens einer Lichtquelle, einem Detektor, sowie einem Linsenarray zur Abbildung eines Messteilungsbereichs auf den Detektor. Das Linsenarray weist nur auf einer ersten Seite eine Vielzahl benachbart angeordneter Einzellinsen auf; auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite sind mindestens in Teilbereichen mehrere Reflektoren angeordnet. Über die Einzellinsen erfolgt eine Verkleinerungs-Abbildung des Messteilungsbereichs in ein Zwischenbild auf den Reflektoren, anschließend erfährt das Zwischenbild eine Vergrößerungsabbildung über die Einzellinsen in ein Bild des Messteilungsbereichs auf dem Detektor.The optical position measuring device according to the invention is used to determine the position of a first object, which can be moved relative to a second object along a measuring direction. It includes a material measure connected to the first object with a measuring graduation extending along the measuring direction. Furthermore, it includes a scanning unit, which is connected to the second object, with at least one light source, a detector, and a lens array for imaging a measurement graduation area onto the detector. The lens array has a multiplicity of adjacently arranged individual lenses on only a first side; a plurality of reflectors are arranged at least in partial areas on an opposite, second side. The individual lenses produce a reduction image of the measurement graduation area in an intermediate image on the reflectors, and then the intermediate image experiences an enlargement image via the individual lenses in an image of the measurement graduation area on the detector.

Mit Vorteil erfolgt über das Linsenarray eine Abbildung des Messteilungsbereichs auf den Detektor mit dem Abbildungsmaßstab βges = 1.Advantageously, the lens array is used to image the measurement graduation range onto the detector with the imaging scale β tot =1.

Es kann vorgesehen sein, dass jeder Einzellinse auf der zweiten Seite des Linsenarrays mindestens ein Reflektor zugeordnet ist.It can be provided that at least one reflector is assigned to each individual lens on the second side of the lens array.

Dabei ist vorzugsweise jeder Reflektor auf der zweiten Seite im Verlauf des Abbildungsstrahlengangs zentriert zur Mitte der zugehörigen Einzellinse angeordnet und weist eine Fläche auf, die abhängig vom Teil-Abbildungsmaßstab β1 der Verkleinerungs-Abbildung ist.In this case, each reflector is preferably arranged on the second side in the course of the imaging beam path centered on the middle of the associated individual lens and has a surface that is dependent on the partial image scale β1 of the reduction image.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass auf der zweiten Seite des Linsenarrays die Bereiche zwischen den Teilbereichen mit den Reflektoren ebenfalls reflektierend ausgebildet sind, so dass dort ein durchgehender Reflektor angeordnet ist.Alternatively, it can also be provided that on the second side of the lens array the areas between the partial areas with the reflectors are also designed to be reflective, so that a continuous reflector is arranged there.

Es ist ferner möglich, dass im Abbildungsstrahlengang zwischen dem Linsenarray und dem Detektor ein Umlenkelement angeordnet ist, das die vom Linsenarray kommenden Abbildungs-Strahlenbündel in Richtung des Detektors umlenkt, wobei die erste Seite des Linsenarrays dem Umlenkelement zugewandt ist.It is also possible for a deflection element to be arranged in the imaging beam path between the lens array and the detector, which deflects the imaging beam bundles coming from the lens array in the direction of the detector, with the first side of the lens array facing the deflection element.

Dabei kann das Umlenkelement als Umlenkspiegel ausgebildet sein, dessen reflektierende Seite von den Abbildungs-Strahlenbündeln beaufschlagt wird.In this case, the deflection element can be designed as a deflection mirror, the reflecting side of which is acted upon by the imaging beams of rays.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Seite des Linsenarrays der reflektierenden Seite des Umlenkspiegels zugewandt ist.Provision can furthermore be made for the first side of the lens array to face the reflecting side of the deflection mirror.

Mit Vorteil ist das Umlenkelement mittig zwischen der Messteilungs-Ebene und der Detektions-Ebene angeordnet.The deflection element is advantageously arranged centrally between the measurement graduation plane and the detection plane.

Es kann auch vorgesehen sein, dass zwischen der Maßverkörperung und dem Linsenarray ein Umlenkelement angeordnet ist, das die von der Messteilung kommenden Strahlenbündel in Richtung des Linsenarrays umlenkt.Provision can also be made for a deflection element to be arranged between the scale and the lens array, which deflects the bundle of rays coming from the measuring graduation in the direction of the lens array.

Dabei ist möglich, dass

  • - das Umlenkelement als Umlenkspiegel ausgebildet ist, dessen reflektierende Seite von den von der Messteilung kommenden Strahlenbündeln beaufschlagt wird, und
  • - die erste Seite des Linsenarrays in Richtung des Detektors orientiert ist, und
  • - das Umlenkelement mittig zwischen der Messteilungs-Ebene und der Detektions-Ebene angeordnet ist.
It is possible that
  • - The deflection element is designed as a deflection mirror, the reflecting side of which is acted upon by the beams coming from the measuring graduation, and
  • - the first side of the lens array is oriented towards the detector, and
  • - the deflection element is arranged centrally between the measurement graduation plane and the detection plane.

Ferner kann die Messteilung als Reflexions-Messteilung ausgebildet sein, die entlang der Messrichtung alternierend angeordnete Teilungsbereiche mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften aufweist.Furthermore, the measuring graduation can be designed as a reflection measuring graduation, which has graduation areas with different reflection properties arranged alternately along the measuring direction.

Desweiteren ist möglich, dass die Messteilung als absolut-codierte Messteilung ausgebildet ist.Furthermore, it is possible for the measuring graduation to be in the form of an absolutely coded measuring graduation.

Als maßgeblicher Vorteil der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung ist anzuführen, dass das darin verwendete reflektive Linsenarray nunmehr besonders kostengünstig zu fertigen ist. Es muss lediglich eine einzige Seite bzw. Oberfläche strukturiert werden, um dort die erforderlichen Einzellinsen auszubilden. Desweiteren resultiert ein deutlich kompakterer Aufbau für die Umsetzung der Abbildung als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, so dass sich eine besonders klein bauende Abtasteinheit realisieren lässt.A decisive advantage of the optical position measuring device according to the invention is that the reflective lens array used therein can now be manufactured particularly inexpensively. Only a single side or surface has to be structured in order to form the required individual lenses there. Furthermore, the result is a significantly more compact structure for the implementation of the imaging than in the solutions known from the prior art, so that a scanning unit of particularly small construction can be implemented.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung seien anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit den Figuren erläutert.Further details and advantages of the present invention are explained using the following description of exemplary embodiments of the device according to the invention in conjunction with the figures.

Figurenlistecharacter list

Es zeigt

  • 1a eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Abtaststrahlengangs eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung;
  • 1b eine Draufsicht auf die Maßverkörperung der Positionsmesseinrichtung aus 1a;
  • 2a - 2c jeweils eine unterschiedliche Ansicht des Linsenarrays aus dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine Teil-Darstellung des entfalteten Abtaststrahlengangs zur näheren Erläuterung des Linsenarrays;
  • 4 eine alternative Darstellung zur Veranschaulichung verschiedener geometrischer Größen des ersten Ausführungsbeispiels;
  • 5 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung.
It shows
  • 1a a schematic representation to explain the scanning beam path of a first exemplary embodiment of the optical position measuring device according to the invention;
  • 1b a plan view of the material measure of the position measuring device 1a ;
  • 2a - 2c each a different view of the lens array from the first embodiment;
  • 3 a partial representation of the unfolded scanning beam path for a more detailed explanation of the lens array;
  • 4 an alternative representation to illustrate different geometric sizes of the first embodiment;
  • 5 a schematic representation of a second embodiment of the optical position measuring device according to the invention.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung wird nachfolgend anhand der 1a, 1b, 2a - 2c, 3 und 4 erläutert.A first exemplary embodiment of the optical position measuring device according to the invention is described below with reference to FIG 1a , 1b , 2a - 2c , 3 and 4 explained.

Die dargestellte Positionsmesseinrichtung umfasst eine mit einem - nicht dargestellten - ersten Objekt verbundene Maßverkörperung 10 sowie eine entlang der Messrichtung x relativ hierzu bewegliche Abtasteinheit 20, die mit einem - ebenfalls nicht dargestellten - zweiten Objekt verbunden ist. Bei den beiden Objekten kann es sich z.B. um zueinander bewegliche Maschinenkomponenten handeln, wobei mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung z.B. die Position des ersten Objekts gegenüber dem zweiten Objekt bestimmbar ist. Die mit Hilfe der Positionsmesseinrichtung erzeugten Positionssignale können an eine Maschinensteuerung übermittelt werden, die diese zur Positionierung der Maschinenkomponenten nutzt.The position measuring device shown comprises a measuring scale 10 connected to a first object (not shown) and a scanning unit 20 movable relative thereto along the measuring direction x, which is connected to a second object (also not shown). The two objects can, for example, be machine components that can be moved in relation to one another, with the device according to the invention being able to be used, for example, to determine the position of the first object in relation to the second object. The position signals generated with the aid of the position measuring device can be transmitted to a machine controller, which uses them to position the machine components.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Relativbeweglichkeit von Maßverkörperung 10 und Abtasteinheit 20 entlang einer linearen Messrichtung x vorgesehen, d.h. die entsprechende Positionsmesseinrichtung ist als Längenmesseinrichtung ausgebildet. Selbstverständlich ist es möglich, die erfindungsgemäße Positionsmesseinrichtung alternativ auch zur Erfassung rotatorischer Relativbewegungen zweier Objekte um eine Rotationsachse auszubilden. In diesem Fall verläuft die Messrichtung dann kreisringförmig um die Rotationsachse.In the illustrated embodiment, a relative mobility of material measure 10 and scanning unit 20 is provided along a linear measuring direction x, i.e. the corresponding position measuring device is designed as a length measuring device. Of course, it is also possible to alternatively design the position measuring device according to the invention to detect rotational relative movements of two objects about an axis of rotation. In this case, the measurement direction then runs in the form of a circular ring around the axis of rotation.

In 1b ist eine Draufsicht auf die in diesem Beispiel verwendete Maßverkörperung 10 mit einer reflektiven Messteilung 11 gezeigt. Wie aus der Figur ersichtlich, erstreckt sich die Messteilung 11 entlang der Messrichtung x und besteht aus entlang der Messrichtung x alternierend angeordneten, rechteckförmigen Teilungsbereichen 11a, 11b mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften. Die in der Figur dunkel dargestellten Teilungsbereiche 11a weisen hierbei eine geringere Reflektivität auf als die hell dargestellten Teilungsbereiche 11 b. Die Messteilung 11 ist vorliegend als absolut-codierte Messteilung ausgebildet, deren Teilungsbereiche 11a, 11b gemäß einem geeigneten Pseudo Random Code entlang der Messrichtung x aperiodisch angeordnet sind. Über das dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ist damit die Bestimmung der Absolutposition der beweglichen Abtasteinheit 20 gegenüber der stationären Maßverkörperung 10 entlang der Messrichtung x möglich.In 1b a plan view of the material measure 10 used in this example with a reflective measuring graduation 11 is shown. As can be seen from the figure, the measuring graduation 11 extends along the measuring direction x and consists of rectangular graduation areas 11a, 11b with different reflection properties arranged alternately along the measuring direction x. In this case, the division regions 11a shown dark in the figure have a lower reflectivity than the division regions 11b shown light. In the present case, the measuring graduation 11 is in the form of an absolutely coded measuring graduation whose graduation areas 11a, 11b are arranged aperiodically along the measuring direction x according to a suitable pseudo-random code. The absolute position of the movable scanning unit 20 relative to the stationary material measure 10 along the measuring direction x can thus be determined via the illustrated exemplary embodiment of a position measuring device according to the invention.

Selbstverständlich kann alternativ hierzu auch die Abtasteinheit 20 stationär und die Maßverkörperung 10 entlang der Messrichtung x beweglich angeordnet sein. Ebenso wäre es möglich, dass die Messteilung als transmittive Messteilung ausgebildet ist, die dann Teilungsbereiche mit unterschiedlichen Transmissionseigenschaften aufweist.Of course, as an alternative to this, the scanning unit 20 can also be arranged to be stationary and the scale 10 can be arranged to be movable along the measuring direction x. It would also be possible for the measuring graduation to be in the form of a transmittive measuring graduation, which then has graduation areas with different transmission properties.

Desweiteren kann vorgesehen sein, neben der absolut-codierten Messteilung 11 auf der Maßverkörperung 10 noch ein oder mehrere Inkrementalteilungen in parallelen, weiteren Spuren anzuordnen und die Positionssignale aus den verschiedenen Spuren zu einer hochauflösenden Positionsinformation zu verarbeiten.Provision can also be made to arrange one or more incremental graduations in parallel, additional tracks in addition to the absolutely coded measuring graduation 11 on the scale 10 and to process the position signals from the various tracks to form high-resolution position information.

Auf Seiten der Abtasteinheit 20 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle 21 mit einer vorgeordneten Kollimationsoptik 22, ein Linsenarray 23, ein Umlenkelement 24 sowie ein Detektor 25 vorgesehen. Das von der Lichtquelle 21, die z.B. als LED ausgebildet ist, emittierte Strahlenbündel wird von der Kollimationsoptik 22 in ein paralleles bzw. kollimiertes Beleuchtungs-Strahlenbündel transformiert und beaufschlagt die Messteilung 11 auf der Maßverkörperung 10. Hierbei ist vorgesehen, dass das Beleuchtungs-Strahlenbündel wie aus 1a ersichtlich die Messteilung 11 schräg beleuchtet. Das heißt, das Beleuchtungs-Strahlenbündel fällt in der yz-Ebene unter einem Winkel -θ gegenüber einer Normalen N auf die Messteilung 11 ein und wird unter dem Winkel +θ in Richtung des Linsenarrays 23 reflektiert. Der Betrag des Winkels θ wird dabei vorzugsweise im Bereich [10°... 50°] gewählt.On the scanning unit 20 side, a light source 21 with collimation optics 22 arranged in front, a lens array 23, a deflection element 24 and a detector 25 are provided in the exemplary embodiment shown. The beam emitted by the light source 21, which is in the form of an LED, for example, is transformed by the collimation optics 22 into a parallel or collimated illumination beam and is applied to the measuring graduation 11 on the scale 10. It is provided that the illumination tion-ray bundle as from 1a the measuring graduation 11 can be seen obliquely illuminated. In other words, the illumination beam bundle is incident on the measuring graduation 11 in the yz plane at an angle −θ with respect to a normal N and is reflected at the angle +θ in the direction of the lens array 23 . The absolute value of the angle θ is preferably selected in the range [10°...50°].

Über das Linsenarray 23 erfolgt eine Abbildung des vom Beleuchtungs-Strahlenbündel beaufschlagten Messteilungsbereichs auf den Detektor 25, d.h. ein Ausschnitt des Pseudo Random Codes der Messteilung 11 wird über das Linsenarray 23 in die Detektions-Ebene des Detektors 25 abgebildet. Die Abbildung weist vorzugsweise einen Abbildungsmaßstab βges = 1 auf, so dass ein in Orientierung und Größe identisches Lichtmuster zum beleuchteten Messteilungsbereich auf dem Detektor 25 resultiert. Zwischen dem Linsenarray 23 und dem Detektor 25 ist in diesem Ausführungsbeispiel noch ein Umlenkelement 24 im Abtaststrahlengang angeordnet, das als planer Umlenkspiegel ausgebildet ist. Der Umlenkspiegel besitzt eine reflektierende Seite 24.1, die der ersten Seite 23.1 des Linsenarrays 23 zugewandt ist, so dass die vom Linsenarray 23 kommenden Abbildungs-Strahlenbündel darüber in Richtung des Detektors 25 umgelenkt werden. Im dargestellten Beispiel ist der plane Umlenkspiegel parallel zur Messteilungs-Ebene in der Abtasteinheit 20 angeordnet, seine reflektierende Seite 24.1 ist der ersten Seite 23.1 des Linsenarrays 23 sowie dem Detektor 25 zugewandt.The lens array 23 is used to image the measuring graduation area acted upon by the illuminating beam onto the detector 25 , ie a section of the pseudo random code of the measuring graduation 11 is imaged via the lens array 23 in the detection plane of the detector 25 . The image preferably has an image scale β tot =1, so that a light pattern that is identical in orientation and size to the illuminated measurement graduation area on the detector 25 results. In this exemplary embodiment, a deflection element 24 is also arranged in the scanning beam path between the lens array 23 and the detector 25 and is designed as a planar deflection mirror. The deflection mirror has a reflecting side 24.1, which faces the first side 23.1 of the lens array 23, so that the imaging beam bundles coming from the lens array 23 are deflected in the direction of the detector 25. In the example shown, the plane deflection mirror is arranged parallel to the measuring graduation plane in the scanning unit 20, its reflecting side 24.1 faces the first side 23.1 of the lens array 23 and the detector 25.

Der Detektor 25 ist z.B. als Zeilendetektor ausgebildet, welcher eine Vielzahl lichtempfindlicher, rechteckförmiger Detektorbereiche umfasst, die entlang der Messrichtung x periodisch angeordnet sind. Aus dem übertragenen Bild des Messteilungsbereichs kann dann über eine - nicht dargestellte - Signalverarbeitungseinheit in bekannter Art und Weise die Absolutposition der beweglichen Abtasteinheit 20 entlang der Messrichtung x bestimmt werden.The detector 25 is embodied, for example, as a line detector which comprises a large number of light-sensitive, rectangular detector areas which are arranged periodically along the measuring direction x. The absolute position of the movable scanning unit 20 along the measuring direction x can then be determined in a known manner from the transmitted image of the measuring graduation area via a signal processing unit (not shown).

Maßgeblich ist in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung die vorgesehene Ausbildung des Linsenarrays 23 zur Abbildung des Messteilungsausschnitts auf den Detektor 25. 2a zeigt eine Schnittansicht des Linsenarrays 23 in der xz-Ebene, 2 b eine Draufsicht auf die erste Seite 23.1 und 2c eine Draufsicht auf die zweite Seite 23.2 des Linsenarrays 23. Im Unterschied zu den eingangs erläuterten Lösungen ist dieses als reflektives Linsenarray 23 ausgebildet, das vorliegend aus einem Grundkörper aus Glas, Glaskeramik oder Kunststoff besteht, der nur auf einer ersten Seite 23.1 eine Vielzahl benachbart angeordneter Einzellinsen 23.L und auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite 23.2 mehrere, mindestens in Teilbereichen angeordnete Reflektoren 23. R aufweist. Die Einzellinsen 23.L sind hierbei jeweils als identische Zylinderlinsen ausgebildet, die entlang der Messrichtung x benachbart aufeinanderfolgend angeordnet sind, d.h. auf der ersten Seite 23.1 des Linsenarrays 23 ist eine eindimensionale Anordnung von Zylinderlinsen entlang der Messrichtung x vorgesehen. Die einzelnen Zylinderlinsen erstrecken sich - wie aus 2b ersichtlich - jeweils entlang der y-Richtung, die senkrecht zur Messrichtung x orientiert ist. Als Reflektoren 23. R können etwa gold-beschichtete Teilbereiche auf der zweiten Seite 23.2 fungieren. Gemäß 2c sind die entsprechenden Teilbereiche rechteckförmig ausgebildet, wobei sich die Rechtecks-Längsachsen wie die Zylinderlinsen auf der ersten Seite entlang der y-Richtung erstrecken. Die reflektierende Seite der Reflektoren 23. R ist jeweils den Einzellinsen 23.L auf der ersten Seite 23.1 des Linsenarrays 23 zugewandt, wobei jeder Einzellinse 23.L ein Reflektor 23. R auf der gegenüberliegenden Seite des Linsenarrays 23 zugeordnet ist. Die Anordnung der Reflektoren 23. R erfolgt jeweils derart, dass diese zentriert - im Strahlenverlauf - zur Mitte der zugehörigen Einzellinse 23.L auf der ersten Seite 23.1 ausgerichtet werden. Es entfällt aufgrund dieses Aufbaus und der lediglich auf einer Seite vorgesehenen Einzellinsen 23.L somit die Notwendigkeit, zwei Oberflächen des Linsenarrays 23 aufwändig zu bearbeiten, um darin die benötigten Einzellinsen 23. L auszubilden.What is decisive in the position measuring device according to the invention is the design of the lens array 23 for imaging the measuring graduation section onto the detector 25. 2a shows a sectional view of the lens array 23 in the xz plane, 2 B a plan view of the first page 23.1 and 2c a top view of the second side 23.2 of the lens array 23. In contrast to the solutions explained at the outset, this is designed as a reflective lens array 23, which in this case consists of a base body made of glass, glass ceramic or plastic, which only has a large number of adjacently arranged on a first side 23.1 Individual lenses 23.L and on an opposite, second side 23.2 a plurality of reflectors 23.R arranged at least in partial areas. The individual lenses 23.L are each designed as identical cylindrical lenses which are arranged adjacently one after the other along the measuring direction x, ie a one-dimensional arrangement of cylindrical lenses is provided on the first side 23.1 of the lens array 23 along the measuring direction x. The individual cylindrical lenses extend - like out 2 B visible - in each case along the y-direction, which is oriented perpendicular to the measuring direction x. For example, gold-coated partial areas on the second side 23.2 can function as reflectors 23.R. According to 2c the corresponding partial areas are rectangular, with the longitudinal axes of the rectangle extending along the y-direction like the cylindrical lenses on the first side. The reflecting side of the reflectors 23.R faces the individual lenses 23.L on the first side 23.1 of the lens array 23, with each individual lens 23.L being assigned a reflector 23.R on the opposite side of the lens array 23. The reflectors 23.R are arranged in such a way that they are centered—in the course of the beam—to the center of the associated individual lens 23.L on the first side 23.1. Because of this construction and the individual lenses 23.L provided only on one side, there is no need to laboriously process two surfaces of the lens array 23 in order to form the required individual lenses 23.L therein.

Die optische Wirkungsweise eines derart aufgebauten Linsenarrays 23 sei im Folgenden anhand von 3 erläutert. Diese zeigt in schematischer Form den entfalteten bzw. gestreckten Abtast- bzw. Abbildungsstrahlengang im Bereich zwischen einem beleuchteten Messteilungsbereich 11MB und dem Bild 25B des Messteilungsbereichs 11MB auf dem Detektor; dargestellt ist hierbei die über eine Einzellinse 23.L resultierende Abbildung. Nicht in 3 gezeigt ist aus Gründen der besseren Darstellbarkeit das Umlenkelement 24 aus 1a.The optical mode of operation of a lens array 23 constructed in this way is explained below with reference to FIG 3 explained. This shows in schematic form the unfolded or stretched scanning or imaging beam path in the area between an illuminated measuring graduation area 11 MB and the image 25 B of the measuring graduation area 11 MB on the detector; the image resulting from a single lens 23.L is shown here. Not in 3 the deflection element 24 is shown for reasons of better representation 1a .

Über die auf der ersten Seite 23.1 des Linsenarrays 23 angeordneten Einzellinsen 23. L erfolgt dabei zunächst jeweils eine Verkleinerungsabbildung des Messteilungsbereich 11MB mit einem Teil-Abbildungsmaßstab β1 in ein richtungsinvertiertes, verkleinertes Zwischenbild 23ZB auf den Reflektoren 23.R, die auf der zweiten Seite 23.2 des Linsenarrays 23 angeordnet sind. Der Teil-Abbildungsmaßstab β1 ist hierbei negativ, für dessen Betrag |β1| < 1 gilt. Das richtungsinvertierte, verkleinerte Bild des Messteilungsbereichs resultiert in derjenigen Ebene im Linsenarray 23, in der die Reflektoren 23.R angeordnet sind. Die flächige Ausdehnung der einzelnen Reflektoren 23. R ist abhängig vom gewählten Teil-Abbildungsmaßstab β1; ist z.B. β1 = -1/5, so weisen die Teilbereiche mit den Reflektoren 23.R jeweils lediglich 1/5 der Fläche der zugehörigen Einzellinse 23.L auf der gegenüberliegenden Seite auf. Die lediglich in Teilbereichen reflektive Ausbildung der zweiten Seite des Linsenarrays erweist sich als vorteilhaft, da darüber störende Reflexionen vermeidbar sind und die Toleranz gegenüber Abtastabstands-Schwankungen verbessert werden kann; ferner lässt sich darüber Reflektormaterial einsparen.The individual lenses 23.L arranged on the first side 23.1 of the lens array 23 initially produce a reduced image of the measurement graduation range 11 MB with a partial imaging scale β1 in a direction-inverted, reduced intermediate image 23 ZB on the reflectors 23.R, which is on the second Page 23.2 of the lens array 23 are arranged. The partial imaging scale β1 is negative here, for its amount |β1| < 1 applies. The direction-inverted, reduced image of the measurement graduation range results in that plane in the lens array 23 in which the reflectors 23.R are arranged. The flat Expansion of the individual reflectors 23. R depends on the selected partial imaging scale β1; if, for example, β1=−1/5, the partial areas with the reflectors 23.R each have only 1/5 of the area of the associated individual lens 23.L on the opposite side. The design of the second side of the lens array, which is only reflective in partial areas, proves to be advantageous, since this avoids disruptive reflections and the tolerance to scanning distance fluctuations can be improved; moreover, reflector material can be saved.

Nach der Reflexion an den Reflektoren 23. R resultiert über das nochmalige Durchlaufen der Einzellinsen 23.L auf der ersten Seite in umgekehrter Richtung eine Vergrößerungsabbildung des Zwischenbilds 23ZB in ein Bild 25B des Messteilungsbereichs 11MB auf dem Detektor 25. Die Vergrößerungsabbildung besitzt einen Teil-Abbildungsmaßstab β2, der ebenfalls negativ ist und für dessen Betrag |β1| > 1 gilt. Wie oben bereits erwähnt ist der resultierende Abbildungsmaßstab des Linsenarrays 23 gemäß βges = 1 gewählt, d.h. es gilt β1 · β2 = 1.After reflection at the reflectors 23.R, the result of passing through the individual lenses 23.L again on the first side in the opposite direction is an enlarged image of the intermediate image 23 ZB in an image 25 B of the measuring graduation range 11 MB on the detector 25. The enlarged image has a Partial imaging scale β2, which is also negative and for whose amount |β1| > 1 applies. As already mentioned above, the resulting imaging scale of the lens array 23 is selected according to β tot =1, ie β1 · β2 = 1 applies.

Über das in 1a dargestellte Umlenkelement 24 im Abbildungsstrahlengang zwischen dem Linsenarray 23 und dem Detektor 25 wird sichergestellt, dass das resultierende Bild 25B des Messteilungsbereichs 11MB an einer geeigneten Position in der Abtasteinheit 20 erfasst und dort der Detektor 25 angeordnet werden kann.about the inside 1a The deflection element 24 shown in the imaging beam path between the lens array 23 and the detector 25 ensures that the resulting image 25 B of the measurement graduation range 11 MB is recorded at a suitable position in the scanning unit 20 and the detector 25 can be arranged there.

Anhand von 4 seien im Folgenden weitere Design-Aspekte bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung erläutert. Die Figur zeigt verschiedene Geometriegrößen, die bei der über das Linsenarray erfolgenden Abbildung des Messteilungsbereichs auf den Detektor eine Rolle spielen.Based on 4 further design aspects relating to the first exemplary embodiment of the position-measuring device according to the invention are explained below. The figure shows various geometric variables that play a role in the imaging of the measurement graduation range on the detector, which takes place via the lens array.

Die Koordinaten y1, z1 beschreiben dabei die Ebene E1 des abzubildenden Messteilungsbereichs auf der Maßverkörperung, über die Koordinaten y2, z2 wird die Ebene E2 der Einzellinsen auf der ersten Seite des Linsenarrays charakterisiert, die Koordinaten y3, z3 beschreiben die Ebene E3 der reflektierenden Seite des Umlenkelements und mit y4, z4 wird die Detektions-Ebene E4 auf dem Detektor charakterisiert. Die Größe I1 gibt die Objektweite der Linsenarray-Abbildung an, d.h. die Distanz zwischen der Messteilungs-Ebene E1 und der Einzellinsen-Ebene E2 an, wenn die Abbildungs-Strahlenbündel unter dem Winkel -θ gegen die Normale auf die Messteilungsebene E1 reflektiert werden. Die weiteren Größen I2 und I3 geben die Distanzen zwischen der Einzellinsen-Ebene E2 und der Umlenkelement-Ebene E3 bzw. zwischen der Umlenkelement-Ebene E3 und der Detektions-Ebene E4 an. Die Summe aus den Distanzen I2 und I3 stellt demnach die Bildweite der Linsenarray-Abbildung dar. Aufgrund der gegebenen Abbildungs-Symmetrie sind die Objektweite und die Bildweite der Abbildung über das Linsenarray gleich groß, d.h. es gilt I1 = I2 + I3

Figure DE102022200195A1_0001
mit:

I1
Objektweite der Linsenarray-Abbildung (Distanz zwischen Messteilungs-Ebene und Einzellinsen-Ebene)
I2
Distanz zwischen Einzellinsen-Ebene und Umlenkelement-Ebene
I3
Distanz zwischen Umlenkelement-Ebene und Detektions-Ebene
The coordinates y1, z1 describe the plane E1 of the measuring graduation range to be imaged on the scale, the coordinates y2, z2 characterize the plane E2 of the individual lenses on the first side of the lens array, the coordinates y3, z3 describe the plane E3 of the reflecting side of the Deflection element and with y4, z4, the detection level E4 is characterized on the detector. The variable I1 indicates the object distance of the lens array image, ie the distance between the measuring graduation plane E1 and the single lens plane E2 when the imaging beams are reflected at the angle -θ to the normal on the measuring graduation plane E1. The other variables I2 and I3 indicate the distances between the individual lens plane E2 and the deflection element plane E3 or between the deflection element plane E3 and the detection plane E4. The sum of the distances I2 and I3 therefore represents the image distance of the lens array imaging. Due to the given imaging symmetry, the object distance and the image distance of the imaging via the lens array are the same, ie it applies I1 = I2 + I3
Figure DE102022200195A1_0001
with:
I1
Object distance of the lens array image (distance between measurement graduation plane and single lens plane)
I2
Distance between single lens level and deflection element level
I3
Distance between deflection element level and detection level

Nachfolgend sei kurz die Herleitung der Beziehung 1) erläutert.The derivation of relation 1) is briefly explained below.

Die bekannte Gleichung für die optische Abbildung mittels einer Linse mit Brennweite f, Objektweite g und Bildweite b lautet: 1 /f = 1 /g + 1 /b

Figure DE102022200195A1_0002
The well-known equation for optical imaging using a lens with focal length f, object distance g and image distance b is: 1 / f = 1 /G + 1 / b
Figure DE102022200195A1_0002

Der zu einer Abbildung gehörige Abbildungsmaßstab β ist dabei folgendermaßen definiert: ß = b/g

Figure DE102022200195A1_0003
The imaging scale β associated with an image is defined as follows: ß = b/g
Figure DE102022200195A1_0003

Daraus ergeben sich die Beziehungen g = ( 1 + 1 / ß ) f , bzw .

Figure DE102022200195A1_0004
b = ( 1 + ß ) f .
Figure DE102022200195A1_0005
That's where the relationships come from G = ( 1 + 1 / ß ) f , or .
Figure DE102022200195A1_0004
b = ( 1 + ß ) f .
Figure DE102022200195A1_0005

Übertragen auf die Verhältnisse im reflektiven Linsenarray der vorliegenden Erfindung bedeutet das, dass sich für die Brennweiten f der Einzellinsen bei einer vorgegebenen Objektweite g und einem Teil-Abbildungsmaßstab β1 der Verkleinerungsabbildung im Linsenarray näherungsweise die folgende Beziehung ergibt: g = ( 1 + 1 / β 1 ) f

Figure DE102022200195A1_0006
Transferred to the conditions in the reflective lens array of the present invention, this means that for the focal lengths f of the individual lenses with a given object distance g and a partial image scale β1 of the reduced image in the lens array, the following relationship results approximately: G = ( 1 + 1 / β 1 ) f
Figure DE102022200195A1_0006

Für die Bildweite b der Vergrößerungsabbildung mit dem Teil-Abbildungsmaßstab β2 gilt b = ( 1 + ß 2 ) f

Figure DE102022200195A1_0007
mit:
Da ferner β1 · β2 = 1 gilt, ergibt sich β2 = 1/β1 also b = ( 1 + 1 / ß 1 ) f
Figure DE102022200195A1_0008
und damit b = g
Figure DE102022200195A1_0009
The following applies to the image width b of the enlarged image with the partial imaging scale β2 b = ( 1 + ß 2 ) f
Figure DE102022200195A1_0007
with:
Furthermore, since β1 · β2 = 1, we have β2 = 1/β1 b = ( 1 + 1 / ß 1 ) f
Figure DE102022200195A1_0008
and thus b = G
Figure DE102022200195A1_0009

Ersetzt man nun noch die Größen b und g durch die Größen I1, I2, I3, gemäß g = I1 , und b = I2 + I3 ,

Figure DE102022200195A1_0010
so ergibt sich schließlich I1 = I2 + I3
Figure DE102022200195A1_0011
If we now replace the quantities b and g with the quantities I1, I2, I3, according to G = I1 , and b = I2 + I3 ,
Figure DE102022200195A1_0010
this is how it finally turns out I1 = I2 + I3
Figure DE102022200195A1_0011

Aus Gleichung 1) ergibt sich nach der Darstellung von I1, I2 und I3 über die Koordinaten yn, zn (n = 1..4) und einer mathematischen Umformung der folgende Zusammenhang: z3 z1 = ( z4 z1 ) / 2

Figure DE102022200195A1_0012
mit:

z1
z-Koordinate der Messteilungs-Ebene
z3
z-Koordinate der Umlenkelement-Ebene
z4
z-Koordinate der Detektions-Ebene
Equation 1) results in the following relationship after the representation of I1, I2 and I3 via the coordinates yn, zn (n = 1..4) and a mathematical transformation: z3 z1 = ( z4 z1 ) / 2
Figure DE102022200195A1_0012
with:
z1
z-coordinate of the graduation plane
z3
z-coordinate of the deflection element plane
z4
z coordinate of the detection plane

Im Folgenden sei kurz die Herleitung der Gleichung 2) skizziertThe derivation of equation 2) is briefly outlined below

So lässt sich Gleichung 1) in den Koordinaten z und y folgendermaßen ausdrücken: I1 = ( z2 z1 ) / cos Θ

Figure DE102022200195A1_0013
I2 = ( z2 z3 ) / cos Θ
Figure DE102022200195A1_0014
I3 = ( z4 z3 ) / cos Θ
Figure DE102022200195A1_0015
Equation 1) can be expressed in the z and y coordinates as follows: I1 = ( z2 z1 ) / cos θ
Figure DE102022200195A1_0013
I2 = ( z2 z3 ) / cos θ
Figure DE102022200195A1_0014
I3 = ( z4 z3 ) / cos θ
Figure DE102022200195A1_0015

Mit I1 = I2 + I3 ergibt sich somit ( z2 z1 ) / cos Θ = ( z2 z3 ) / cos Θ + ( z4 z3 ) / cos Θ

Figure DE102022200195A1_0016
With I1 = I2 + I3 we get ( z2 z1 ) / cos θ = ( z2 z3 ) / cos θ + ( z4 z3 ) / cos θ
Figure DE102022200195A1_0016

Das Aus-Multiplizieren der Klammerausdrücke ergibt z2/cos Θ z1/cos Θ = z2/cos Θ z3/cos Θ + z4/cos Θ z3/cos Θ

Figure DE102022200195A1_0017
Multiplying out the expressions in brackets gives z2/cos θ z1/cos θ = z2/cos θ z3/cos θ + z4/cos θ z3/cos θ
Figure DE102022200195A1_0017

Dies lässt sich vereinfachen zu z1 = 2 z3 + z4

Figure DE102022200195A1_0018
This can be simplified z1 = 2 z3 + z4
Figure DE102022200195A1_0018

Über die Addition von +/- z1 resultiert 2 z3 2 z1 + z1 = z4

Figure DE102022200195A1_0019
About the addition of +/- z1 results 2 z3 2 z1 + z1 = z4
Figure DE102022200195A1_0019

Daraus ergibt sich schließlich ( z3 z1 ) = ( z4 z1 ) / 2

Figure DE102022200195A1_0020
Ultimately it follows ( z3 z1 ) = ( z4 z1 ) / 2
Figure DE102022200195A1_0020

Anschaulich bedeutet die Beziehung 2), dass die Umlenkelement-Ebene E3 vorzugsweise genau in der Mitte zwischen der Messteilungs-Oberfläche und der Detektor-Oberfläche angeordnet werden sollte; oder anders ausgedrückt: das Umlenkelement ist bevorzugt mittig zwischen der Messteilungs-Ebene E1 und der Detektions-Ebene E4 angeordnet.Relation 2) clearly means that the deflection element plane E3 should preferably be arranged exactly in the middle between the measuring graduation surface and the detector surface; or to put it another way: the deflection element is preferably arranged centrally between the measuring graduation plane E1 and the detection plane E4.

Die Lage der Ebene E2 mit den Einzellinsen auf der ersten Seite des Linsenarrays, die durch die Koordinaten y2, z2 gegeben ist, kann hingegen beliebig in der Abtasteinheit gewählt werden, aus Gleichung 2) ergeben sich diesbezüglich keinerlei Beschränkungen. Ebenso frei wählbar ist in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung der Winkel θ, unter dem das Abbildungs-Strahlenbündel von der Messteilung gegenüber einer Normalen auf die Messteilung reflektiert wird. Es ergeben sich demnach keine einschränkenden Bedingungen, die ggf. einem kompakten Aufbau der Abtasteinheit in der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung entgegenstehen.In contrast, the position of the plane E2 with the individual lenses on the first side of the lens array, which is given by the coordinates y2, z2, can be selected arbitrarily in the scanning unit; there are no restrictions whatsoever in this regard from equation 2). In the position measuring device according to the invention, the angle θ at which the imaging bundle of rays is reflected by the measuring graduation relative to a normal to the measuring graduation can also be freely selected. Accordingly, there are no restrictive conditions that might stand in the way of a compact construction of the scanning unit in the position-measuring device according to the invention.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung wird abschließend anhand von 5 beschrieben, wobei im Wesentlichen nur auf die maßgeblichen Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen sei. So ist hier in der Abtasteinheit 120 vorgesehen, dass das Umlenkelement 124 im Abbildungsstrahlengang nunmehr zwischen der Maßverkörperung 110 und dem Linsenarray 123 angeordnet ist. Das heißt, in der Abtasteinheit 120 treffen die von der Messteilung 111 kommenden Strahlenbündel zunächst auf die reflektierende Seite 124.1 des Umlenkelements 124, welches ebenfalls als planer Umlenkspiegel ausgebildet ist und werden hiervon in Richtung der ersten Seite 123.1 des Linsenarrays 123 mit den Einzellinsen 123.L reflektiert. Über das identisch zum vorherigen Beispiel ausgebildete Linsenarray erfolgt die Abbildung des beleuchteten Messteilungsbereichs auf den Detektor 125. A further embodiment of the optical position measuring device according to the invention is finally based on 5 described, with essentially only the relevant differences from the first exemplary embodiment being discussed. It is provided here in the scanning unit 120 that the deflection element 124 is now arranged in the imaging beam path between the scale 110 and the lens array 123 . This means that in the scanning unit 120, the bundles of rays coming from the measuring graduation 111 first strike the reflecting side 124.1 of the deflection element 124, which is also designed as a planar deflection mirror, and are then directed in the direction of the first side 123.1 of the lens array 123 with the individual lenses 123.L reflected. The illuminated measurement graduation area is imaged onto the detector 125 via the lens array, which is designed identically to the previous example.

Auch in diesem Beispiel gelten prinzipiell die oben erläuterten formelmäßigen Zusammenhänge der Gleichungen 1) und 2), wobei allerdings die Teilstrecken I1, I2, I3 anders definiert sind, gemäß:

  • I1 := Bildweite der Linsenarray-Abbildung (Distanz zwischen Einzellinsen-Ebene und Detektions-Ebene)
  • I2 := Distanz zwischen Einzellinsen-Ebene und Umlenkelement-Ebene
  • I3: := Distanz zwischen Umlenkelement-Ebene und Maßstabs-Ebene
In principle, the above-described formulaic relationships of equations 1) and 2) also apply in this example, although the sections I1, I2, I3 are defined differently, according to:
  • I1 := image distance of the lens array imaging (distance between single lens plane and detection plane)
  • I2 := distance between single lens level and deflection element level
  • I3: := distance between deflection element level and scale level

Auch in diesem Beispiel ist das Umlenkelement 124 bzw. dessen reflektierende Seite 124.1 wiederum bevorzugt mittig zwischen der Messteilungs-Ebene und der Detektions-Ebene angeordnet.In this example, too, the deflection element 124 or its reflecting side 124.1 is again preferably arranged centrally between the measuring graduation plane and the detection plane.

Im Fall einer solchen Lösung könnte aufgrund der Position des Linsenarrays auch vorgesehen werden, dieses in ein Deckglas auf der Unterseite der Abtasteinheit 120 zu integrieren.In the case of such a solution, due to the position of the lens array, provision could also be made for it to be integrated into a cover glass on the underside of the scanning unit 120 .

Neben den erläuterten Ausführungsbeispielen gibt es selbstverständlich noch weitere Möglichkeiten zur alternativen Ausbildung der erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung.In addition to the exemplary embodiments explained, there are, of course, other options for alternatively designing the optical position-measuring device according to the invention.

So wäre es etwa ist möglich, auf der zweiten Seite des Linsenarrays die Bereiche zwischen den reflektierend ausgebildeten Teilbereichen absorbierend auszubilden. Dadurch kann das Eindringen bzw. Weiterleiten von Störlicht verhindert werden.For example, it would be possible to design the areas between the reflective sub-areas on the second side of the lens array to be absorbent. In this way, the penetration or forwarding of stray light can be prevented.

Alternativ hierzu könnten auf der zweiten Seite des Linsenarrays die Bereiche zwischen den reflektierend ausgebildeten Teilbereichen ebenfalls reflektierend ausgebildet werden, so dass auf dieser Seite ein einziger, durchgehender Reflektor angeordnet ist.As an alternative to this, on the second side of the lens array the areas between the reflective partial areas could also be reflective, so that a single, continuous reflector is arranged on this side.

Weiterhin könnte vorgesehen werden, dass in den Lichtweg zwischen der ersten und zweiten Passage der Einzellinsen Blenden in das Linsenarray eingebracht werden. Darüber kann ein unerwünschtes optisches Übersprechen zwischen benachbarten Einzellinsen vermieden und Streulichteinflüsse verringert werden. Desweiteren erweist sich in diesem Fall die Abtastung insbesondere gegenüber Schwankungen des Abtastabstands als sehr robust.Furthermore, it could be provided that diaphragms are introduced into the lens array in the light path between the first and second passage of the individual lenses. In this way, undesirable optical crosstalk between adjacent individual lenses can be avoided and the effects of scattered light can be reduced. Furthermore, in this case the scanning proves to be very robust, in particular with regard to fluctuations in the scanning distance.

Ferner kann anstelle des Pseudo Random Codes auch eine andere Ausbildung der absolut-codierten Messteilung vorgesehen sein.Furthermore, instead of the pseudo-random code, a different embodiment of the absolutely coded measuring graduation can also be provided.

Desweiteren wäre möglich, dass auch eventuell vorhandene Inkrementalteilungen auf der Maßverkörperung über das reflektive Linsenarray auf einen geeigneten Detektor abgebildet werden. Hierzu kann das gleiche Linsenarray wie zur Abbildung der absolut-codierten Messteilung verwendet werden.It would also be possible for any incremental graduations that may be present on the material measure to be imaged on a suitable detector via the reflective lens array. For this purpose, the same lens array can be used as for imaging the absolutely coded measuring graduation.

Alternativ zur erläuterten eindimensionalen Anordnung von Zylinderlinsen auf der ersten Seite des Linsenarrays kann ferner auch vorgesehen sein, eine zweidimensionale Anordnung von Einzellinsen auf der ersten Seite des Linsenarrays auszubilden. Entsprechend ist dann auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite auch eine zweidimensionale Anordnung entsprechender Reflektoren vorzusehen usw..As an alternative to the explained one-dimensional arrangement of cylindrical lenses on the first side of the lens array, provision can also be made for a two-dimensional arrangement of individual lenses to be formed on the first side of the lens array. Accordingly, a two-dimensional arrangement of corresponding reflectors is then to be provided on the opposite, second side, etc.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 10317736 A1 [0002]DE 10317736 A1 [0002]
  • JP 2015081794 A2 [0003]JP 2015081794 A2 [0003]

Claims (13)

Optische Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position eines ersten Objekts, welches gegenüber einem zweiten Objekt entlang einer Messrichtung relativ beweglich ist, mit - einer mit dem ersten Objekt verbundenen Maßverkörperung mit einer sich entlang der Messrichtung erstreckenden Messteilung, und - einer Abtasteinheit, welche mit dem zweiten Objekt verbunden ist, mit - mindestens einer Lichtquelle, - einem Detektor, sowie - einem Linsenarray zur Abbildung eines Messteilungsbereichs auf den Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsenarray (23; 123) nur auf einer ersten Seite (23.1; 123.1) eine Vielzahl benachbart angeordneter Einzellinsen (23.L; 123.L) aufweist und auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite (23.2; 123.2) mindestens in Teilbereichen mehrere Reflektoren (23.R; 123.R) angeordnet sind, wobei über die Einzellinsen (23.L; 123.L) eine Verkleinerungs-Abbildung des Messteilungsbereichs (11MB) in ein Zwischenbild (23ZB) auf den Reflektoren (23.R; 123.R) erfolgt und anschließend das Zwischenbild (23ZB) eine Vergrößerungsabbildung über die Einzellinsen (23.L; 123.L) in ein Bild des Messteilungsbereichs (25B) auf dem Detektor (25; 125) erfährt. Optical position measuring device for determining the position of a first object, which can be moved relative to a second object along a measuring direction, with - a material measure connected to the first object with a measuring graduation extending along the measuring direction, and - a scanning unit which is connected to the second object is connected, with - at least one light source, - a detector, and - a lens array for imaging a measurement graduation range onto the detector, characterized in that the lens array (23; 123) has a plurality of adjacently arranged has individual lenses (23.L; 123.L) and on an opposite, second side (23.2; 123.2) a plurality of reflectors (23.R; 123.R) are arranged at least in partial areas, with the individual lenses (23.L; 123 .L) a reduced image of the measurement graduation range (11 MB ) in an intermediate image (23 ZB ) on the reflectors (23.R; 123.R) and then the intermediate image (23 ZB ) is an enlarged image on the individual lenses (23.L ; 123.L) into an image of the measurement graduation area (25 B ) on the detector (25; 125). Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über das Linsenarray (23; 123) eine Abbildung des Messteilungsbereichs auf den Detektor (25; 125) mit dem Abbildungsmaßstab βges = 1 erfolgt.Optical position measuring device claim 1 , characterized in that the lens array (23; 123) is used to image the measurement graduation area onto the detector (25; 125) with the imaging scale β tot = 1. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Einzellinse (23.L; 123.L) auf der zweiten Seite (23.2; 123.2) des Linsenarrays (23; 123) mindestens ein Reflektor (23.R; 123.R) zugeordnet ist.Optical position measuring device claim 1 , characterized in that each individual lens (23.L; 123.L) on the second side (23.2; 123.2) of the lens array (23; 123) is assigned at least one reflector (23.R; 123.R). Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reflektor (23.R; 123.R) auf der zweiten Seite (23.2; 123.2) im Verlauf des Abbildungsstrahlengangs zentriert zur Mitte der zugehörigen Einzellinse (23.L; 123.L) angeordnet ist und eine Fläche aufweist, die abhängig vom Teil-Abbildungsmaßstab β1 der Verkleinerungs-Abbildung ist.Optical position measuring device claim 3 , characterized in that each reflector (23.R; 123.R) is arranged on the second side (23.2; 123.2) in the course of the imaging beam path centered on the middle of the associated individual lens (23.L; 123.L) and has a surface , which is dependent on the partial image scale β1 of the reduction image. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der zweiten Seite des Linsenarrays die Bereiche zwischen den Teilbereichen mit den Reflektoren ebenfalls reflektierend ausgebildet sind, so dass dort ein durchgehender Reflektor angeordnet ist.Optical position measuring device claim 1 , characterized in that on the second side of the lens array the areas between the partial areas with the reflectors are also designed to be reflective, so that a continuous reflector is arranged there. Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass im Abbildungsstrahlengang zwischen dem Linsenarray (23) und dem Detektor (25) ein Umlenkelement (24) angeordnet ist, das die vom Linsenarray (23) kommenden Abbildungs-Strahlenbündel in Richtung des Detektors (25) umlenkt, wobei die erste Seite (23.1) des Linsenarrays (23) dem Umlenkelement (24) zugewandt ist.Optical position measuring device according to at least one of Claims 1 - 5 , characterized in that a deflection element (24) is arranged in the imaging beam path between the lens array (23) and the detector (25), which deflects the imaging beam bundles coming from the lens array (23) in the direction of the detector (25), the first Side (23.1) of the lens array (23) faces the deflection element (24). Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (24) als Umlenkspiegel ausgebildet ist, dessen reflektierende Seite (24.1) von den Abbildungs-Strahlenbündeln beaufschlagt wird.Optical position measuring device claim 6 , characterized in that the deflection element (24) is designed as a deflection mirror, whose reflecting side (24.1) is acted upon by the imaging beams. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (23.1) des Linsenarrays (23) der reflektierenden Seite (24.1) des Umlenkspiegels (24) zugewandt ist.Optical position measuring device claim 7 , characterized in that the first side (23.1) of the lens array (23) faces the reflecting side (24.1) of the deflection mirror (24). Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (24) mittig zwischen der Messteilungs-Ebene (E1) und der Detektions-Ebene (E4) angeordnet ist.Optical position measuring device according to at least one of Claims 6 - 8th , characterized in that the deflection element (24) is arranged centrally between the measurement graduation plane (E1) and the detection plane (E4). Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Maßverkörperung (110) und dem Linsenarray (123) ein Umlenkelement (124) angeordnet ist, das die von der Messteilung (111) kommenden Strahlenbündel in Richtung des Linsenarrays (123) umlenkt.Optical position measuring device according to at least one of Claims 1 - 5 , characterized in that a deflection element (124) is arranged between the material measure (110) and the lens array (123), which deflects the beams coming from the measuring graduation (111) in the direction of the lens array (123). Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass - das Umlenkelement (124) als Umlenkspiegel ausgebildet ist, dessen reflektierende Seite (124.1) von den von der Messteilung (111) kommenden Strahlenbündeln beaufschlagt wird, und - die erste Seite (123.1) des Linsenarrays (123) in Richtung des Detektors (125) orientiert ist, und - das Umlenkelement (124) mittig zwischen der Messteilungs-Ebene und der Detektions-Ebene angeordnet ist.Optical position measuring device claim 10 , characterized in that - the deflection element (124) is designed as a deflection mirror, the reflective side (124.1) of the beams of rays coming from the measuring graduation (111) are applied, and - the first side (123.1) of the lens array (123) is oriented in the direction of the detector (125), and - the deflection element (124) is centered between the measuring graduation plane and the detection -level is arranged. Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messteilung (11; 111) als Reflexions-Messteilung ausgebildet ist, die entlang der Messrichtung (x) alternierend angeordnete Teilungsbereiche (11a, 11b) mit unterschiedlichen Reflexionseigenschaften aufweist.Optical position measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the measuring graduation (11; 111) is designed as a reflection measuring graduation which has graduation areas (11a, 11b) with different reflection properties arranged alternately along the measuring direction (x). Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messteilung (11; 111) als absolut-codierte Messteilung ausgebildet ist.Optical position measuring device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the measuring graduation (11; 111) is designed as an absolutely coded measuring graduation.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10317736A1 (en) 2003-04-11 2004-10-28 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Scanning unit for a position measuring device for optically scanning a material measure
JP2015081794A (en) 2013-10-21 2015-04-27 株式会社ミツトヨ Photoelectric encoder

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