Optische Encoder messen Bewegung berührungslos, indem sie feine periodische Strukturen auf einer Maßverkörperung auswerten. Die daraus resultierenden Änderungen der Lichtintensität werden in elektrische Signale umgewandelt. Dadurch eignen sie sich sehr gut für präzise Bewegungssysteme, da die Messung selbst keine Reibung, keinen Verschleiß und keine mechanische Belastung in die Positionieranordnung einbringt.
Im METIRIO® Encoder beleuchtet eine integrierte Lichtquelle eine reflektierende Maßverkörperung mit einem feinen periodischen Gitter. Wenn sich die Maßverkörperung relativ zum Lesekopf bewegt, bewegt sich das reflektierte Lichtmuster mit der Bewegung des Systems. Diese Bewegung des Musters wird von Fotosensoren im Lesekopf erfasst und in analoge Sinus- und Kosinussignale umgewandelt. Diese Signale enthalten die Informationen, die erforderlich sind, um die aktuelle Verschiebung relativ zu einer Referenz, die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit der Bewegung zu bestimmen.
Vom Lichtmuster zur Positionsinformation
Drei physikalische Effekte sind für diesen Prozess zentral: der Moiré-Effekt, die Talbot-Abbildung und der Lau-Effekt. Zusammen ermöglichen diese Effekte METIRIO® den Betrieb ohne konventionelle Abbildungsoptik. Dies ist ein wesentlicher Vorteil für miniaturisierte Encoder-Systeme, da klassische Linsen den erforderlichen Bauraum vergrößern und die Justagekomplexität erhöhen würden. Durch die direkte Nutzung des optischen Verhaltens von Gittern und strukturierten Lichtmustern kann der Encoder kompakt bleiben und dennoch eine präzise Positionsrückmeldung liefern.
Die Änderung der Helligkeitsverteilung während der Bewegung dient als Signalträger. Ein Array gut ausgelegter Fotodioden übersetzt sie in Sinus- und Kosinussignale, die anschließend verwendet werden, um die Position innerhalb einer Gitterperiode zu berechnen und die Verfahrrichtung zu bestimmen.
METIRIO Lesekopf & Encoder
METIRIO® Readhead
METIRIO® D1
METIRIO® 2D
Physikalische Prinzipien eines optischen Encoders
Moiré-Effekt: Kleine Verschiebungen sichtbar machen
Die einfachste Möglichkeit, ein bewegtes Intensitätsmuster zu erzeugen, besteht darin, zwei periodische Muster relativ zueinander zu bewegen. Selbst wenn die ursprünglichen Strukturen extrem fein sind, kann ihre Überlagerung ein deutlich größeres sichtbares Muster erzeugen. Dieses größere Muster ändert sich stark, wenn sich eine der ursprünglichen Strukturen nur um einen kleinen Betrag bewegt. Für Messsysteme ist der Moiré-Effekt daher eine leistungsfähige Methode, um kleinste Verschiebungen in detektierbare Signaländerungen zu übersetzen.
Im METIRIO® Encoder trägt der Moiré-Effekt zur Umwandlung mikroskopischer Bewegung in ein messbares optisches Signal bei. Er erfasst, wie sich das Helligkeitsmuster verändert, wenn sich die Maßverkörperung bewegt. Dadurch ist es möglich, präzise Positionsinformationen aus sehr kleinen mechanischen Bewegungen abzuleiten.
Der Moiré-Effekt lässt sich daher am besten als optischer Übersetzungsmechanismus verstehen. Er wandelt feine Verschiebungen der Maßverkörperung in eine niederfrequente Intensitätsmodulation um, die elektronisch ausgewertet werden kann. Dies unterstützt eine stabile Signalerzeugung und hilft dem Encoder, eine hochauflösende Positionsrückmeldung in einem kompakten optischen Aufbau zu erreichen.
Dieser Effekt allein reicht jedoch nicht aus, um einen optischen Encoder mit Nanometerauflösung aufzubauen, da die erreichbare Signalperiode stark mit der Gitterperiode verknüpft ist und kollimierte Beleuchtung für scharfe Strukturen erforderlich ist. Daher werden zusätzliche Interferenzeffekte genutzt.
Talbot-Abbildung: Selbstabbildung periodischer Strukturen
Die Talbot-Abbildung ist ein optischer Beugungseffekt, der auftritt, wenn monochromatisches, kohärentes und kollimiertes Licht ein periodisches Gitter beleuchtet. In bestimmten Abständen hinter dem Gitter erscheint die ursprüngliche Gitterstruktur erneut als Selbstabbild. Das bedeutet, dass das Lichtfeld die periodische Struktur ohne eine konventionelle Linse reproduziert. Der Abstand, in dem sich diese Selbstabbilder wiederholen, wird als Talbot-Länge bezeichnet. Formel:
zₜ = 2d² / λ
Hier ist λ die Wellenlänge des einfallenden Lichts und d die Gitterperiode.
Für optische Encoder ist die Talbot-Abbildung wertvoll, da sie die optische Auswertung sehr feiner periodischer Strukturen in einer kompakten Anordnung ermöglicht.
Im Kontext von METIRIO® unterstützt dies eine kompakte Lesekopfarchitektur. Der optische Aufbau nutzt gitterbasierte Beugungseffekte, um sehr feine Strukturen zu erzeugen und ein stabiles, positionsabhängiges Intensitätsmuster zu schaffen.
Die Bedingung kohärenten kollimierten Lichts ist für einen miniaturisierten optischen Encoder jedoch viel zu anspruchsvoll. Daher ist die Nutzung eines zusätzlichen Effekts entscheidend.
Talbot-Lau-Effekt
Interferenz mit einer kompakten Lichtquelle
Der Talbot-Lau-Effekt erweitert das Talbot-Prinzip auf Lichtquellen mit geringer räumlicher Kohärenz, wie kompakte LEDs.
In einer Talbot-Lau-Anordnung interagieren mehrere periodische Gitter durch Nahfeldbeugung. Wenn Gitter mit passenden Perioden hintereinander angeordnet werden, können bei bestimmten Ausbreitungsabständen Selbstabbilder beobachtet werden. In Kombination mit der Talbot-Abbildung entsteht dadurch ein Interferenzmuster, obwohl die Quelle selbst nur eine begrenzte räumliche Kohärenz besitzt.
Dies ist wichtig, weil viele praktische Encoder-Systeme nicht auf große oder hochkohärente optische Quellen zurückgreifen können. Ein kompakter Encoder muss in einem kleinen Bauraum ein zuverlässiges optisches Signal erzeugen, mit Komponenten, die für die Integration in Bewegungssysteme geeignet sind.
Diese Konfiguration ist jedoch weiterhin begrenzt, da strikte Bedingungen bezüglich Gitterperioden und Positionen erfüllt werden müssen. Darüber hinaus kann das erzeugte Bild optische Linsen erfordern, um auf die Fotosensoren fokussiert zu werden.
Generalisierte Gitterabbildung
Die Generalisierte Gitterabbildung verallgemeinert diese Prinzipien. Zwei Gitter, einschließlich Gittern mit unterschiedlichen Perioden, können so angeordnet werden, dass periodische Pseudoabbilder in endlichen Abständen hinter dem zweiten Gitter entstehen.
Die Konfiguration bleibt linsenlos, unterstützt divergente oder ausgedehnte Beleuchtung und bietet größere Freiheit bei der Wahl der Gitterperioden, Abstände und Systemgeometrie. Dadurch eignet sich das Prinzip besonders gut für kompakte optische Encoder.
Analysatorgitter / Encoder-Auslesung
Ein drittes Analysatorgitter kann verwendet werden, um das durch die Generalisierte Gitterabbildung erzeugte Pseudoabbild abzutasten. Die Überlagerung zwischen dem Pseudoabbild und dem Analysatorgitter erzeugt gemäß dem Moiré-Prinzip eine vergrößerte Intensitätsmodulation, die von Fotodioden oder einem Sensorarray erfasst werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht das Design des Analysatorgitters die Kontrolle von Wellenform, Phasenbeziehung und Einflüssen höherer Harmonischer.
Typischer Aufbau: G₀ → G₁ → G₂ → Detektor
G₀ ermöglicht den Lau-Effekt, indem es eine ausgedehnte, inkohärente Lichtquelle in viele kleine Teilquellen aufteilt. G₁ erzeugt durch Beugung ein Pseudo-Selbstabbildmuster. G₂ wirkt als Analysatorgitter, das das feine Talbot-Streifenmuster in ein detektierbares Moiré-Intensitätsmuster in der Detektorebene umwandelt.
Bei METIRIO® hilft dieser Hintergrund zu erklären, wie eine präzise optische Positionsrückmeldung in einem sehr kleinen Lesekopf erreicht werden kann. Der Encoder nutzt das Verhalten periodischer Strukturen und reflektierten Lichts, um Signale zu erzeugen, die empfindlich auf das Verschiebungsmuster reagieren, ohne sperrige Abbildungsoptik oder eine große kohärente Laserquelle zu benötigen, und bleibt dadurch praktisch für die Integration in reale Bewegungssysteme.
Von Helligkeit zu Sinus- und Kosinussignalen
Wenn sich der METIRIO® Lesekopf relativ zur reflektierenden Maßverkörperung bewegt, verschiebt sich das optische Intensitätsmuster über die Fotosensoren. Die Sensoranordnung wandelt diese bewegte Helligkeitsverteilung in zwei analoge Signale um: ein Sinussignal und ein Kosinussignal. Diese beiden Signale sind um 90 Grad phasenverschoben. Dies ist ein sogenanntes Quadratursignal.
Quadratursignale sind in der Positionsmessung sehr nützlich, da sie mehr Informationen enthalten als ein einzelnes periodisches Signal. Ein einzelnes Sinussignal kann zeigen, dass eine Bewegung stattgefunden hat, aber es kann die Bewegungsrichtung nicht eindeutig identifizieren. Durch die gemeinsame Auswertung von Sinus und Kosinus kann das System bestimmen, ob die Bewegung vorwärts oder rückwärts erfolgt, und über eine vollständige Periode hinweg dieselbe Empfindlichkeit beibehalten.
Weitere Informationen zur Signalquadratur finden Sie hier: Verschiebungsmessungen mit einem Michelson-Interferometer
Die METIRIO® Maßverkörperung verwendet eine Gitterperiode von 20 µm. Daher entspricht eine vollständige Periode der Sinus- und Kosinussignale einer Periode von 20 µm auf der Maßverkörperung.
Formel: x = (φ / 2π) · 20 µm | Hier ist φ der Phasenwinkel in der Lissajous-Darstellung der beiden Signale.
Dieses Signalprinzip bildet die Grundlage für hochauflösende Closed-Loop-Rückmeldung. Auf diese Weise kann der Motion-Controller die Phase innerhalb jeder Periode auswerten. Dies ermöglicht eine feine Positionsinterpolation und unterstützt eine präzise Bewegungssteuerung, insbesondere in Anwendungen, in denen gleichmäßige Positionierung, Wiederholgenauigkeit und hohe dynamische Leistungsfähigkeit erforderlich sind.
Lissajous-Figur: Position, Richtung und Geschwindigkeit
Wenn die Sinus- und Kosinussignale eines optischen Encoders gegeneinander aufgetragen werden, bilden sie eine Lissajous-Figur. Im Idealfall erscheint diese Figur als Kreis. Die horizontale Achse stellt das Kosinussignal dar, und die vertikale Achse stellt das Sinussignal dar. Die aktuelle Position innerhalb einer Gitterperiode entspricht der Winkelposition des Signalpunkts auf diesem Kreis.
Wenn sich die Maßverkörperung bewegt, wandert der Signalpunkt entlang der Kreisbahn. Eine vollständige Rotation um den Lissajous-Kreis entspricht einer vollständigen Gitterperiode. Bei einer METIRIO® Maßverkörperung mit 20 µm Gitterperiode bedeutet dies, dass eine vollständige Kreisbewegung 20 µm relativer Verschiebung zwischen Maßverkörperung und Lesekopf darstellt.
Die Richtung, in der der Signalpunkt rotiert, zeigt die Bewegungsrichtung an. Wenn sich die Maßverkörperung in die entgegengesetzte Richtung bewegt, kehrt sich die Drehrichtung um. Die Rotationsgeschwindigkeit entspricht der Geschwindigkeit der Bewegung. Eine sich langsam bewegende Maßverkörperung erzeugt einen langsam rotierenden Signalpunkt, während eine schnellere Bewegung eine schnellere Rotation erzeugt.
Die Lissajous-Darstellung ist daher eine kompakte Möglichkeit, die Auswertung von Quadratursignalen zu verstehen. Sie verbindet mechanische Verschiebung, Richtungserkennung und Geschwindigkeitsinformation in einem visuellen Modell. In der praktischen Encoder-Auswertung liefert die Qualität der Lissajous-Figur außerdem Einblick in Signalbalance, Phasengenauigkeit und Justagequalität.
Dieser Ansatz wird auch in unserem ENCODER Evaluation MODULE verwendet.
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