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光學尺的運作方式

封閉型絕對式光學尺

開放型絕對式光學尺

開放型增量式光學尺

FORTiS™

什麼是 Renishaw 封閉式光學尺?

封閉式光學尺在連接至讀頭機身上的密封組件中,配備光學尺的電子和光學鏡組。密封式光學組件和光學尺均受到密封式外殼的額外保護。此設計可提供防止液體及固體碎屑污染物進入的高度防護能力。

封閉式線性光學尺具備擠型外殼,並縱向連接至互鎖式具唇邊的密封件和密封端蓋。讀頭支架以葉片連接密封的光學元件,葉片可穿過密封件並沿著光學尺長度行進。線性軸移動讓讀頭和光學鏡組在沒有機械接觸的情況下,來回移動讀取絕對式光學尺(固定在外殼內部)的刻度

光學尺具備全頻對比線的絕對式光學尺代碼,透過鏡頭成像至讀頭內部的檢測器陣列上。以數位表單輸出的線性位置量測可相容於多種產業標準序列通訊協定。

光學方案 FORTIS™

RESOLUTE™

RESOLUTE 透過各種符合產業標準的通訊協定,以專屬或開放標準純序列格式進行雙向通訊。

RESOLUTE™ 編碼器光學配置附註解

製程開始......

控制器在啟動操作時會將需求訊息傳送至讀頭,指示讀頭瞬間捕捉線性或旋轉光學尺上的絕對位置。讀頭以高功率 LED 光源閃爍照亮光學尺的方式做出回應。閃光只持續 100 ns,以免在活動軸上產生模糊影像。更重要的是,閃光時機控制在幾 ns 之內,以確保所需位置與回報位置的關係,這項不可或缺的特性,使 RESOLUTE 成為符合運動系統超高規格要求的理想選擇。

單軌光學尺

此光學尺基本上是一種具備全寬對比線的單軌光學尺,標稱週期 30 µm。不採用多軌並列設計反而賦予此光學尺重要的防偏擺誤差能力,頭部位置的側向公差也有所改善。

取得影像

光學尺透過非球面鏡成像於專為 RESOLUTE 設計的客製化感測器陣列上,該非球面鏡可將失真程度減至最低。此光學尺採折疊光路與直接成像設計,輕巧且穩定,確保精密量測所需的保真度。

資料解碼與分析

感測器捕捉的影像透過類比轉數位轉換器 (ADC),轉送至功能強大的數位訊號處理器 (DSP)。接著由特別開發的演算法從嵌入光學尺的編碼中,擷取真正絕對但相對粗略的位置。此過程中 DSP 內的其他演算法,利用光學編碼內的冗餘與故意限制進行檢驗與矯正。在此同時,其他常式計算超高解析度精密位置,此位置接著與粗略位置結合,提供真正絕對的超高解析度位置。

最後檢查與資料輸出

完成最後錯誤檢查程序後,此資訊會透過適當的通訊協定以純序列文字上傳至控制器,位置解析度精細至 1 nm 以內。循環冗餘檢查(CRC)功能提供防電氣雜訊干擾保護。整個過程在幾微秒內完成,每秒可重複多達 25,000 次。在各種技術(包括配合軸速調整閃光持續時間)的支援下,即使在 100 m/s 的速度下也能呈現如此優異的表現,而更重要的則是能在低操作速度下展現極低的定位抖動。

結果...

具備寬廣安裝公差的光學尺:RESOLUTE 的偏擺角、俯仰角及翻轉角為 ±0.5°,安裝高度為絕佳的 ±150 µm。此外,寬廣的光學覆蓋區與先進的錯誤矯正程序賦予優異的抗光汙染能力,包括微粒物質和油汙。此光學尺具備上述優點,且在速度為 100 m/s 時保持在 1 nm 的解析度:RESOLUTE 是面對最艱難絕對挑戰時的唯一選擇。

EVOLUTE™

EVOLUTE 光學尺透過各種符合產業標準的通訊協定,以專屬或開放標準純序列格式進行雙方通訊。

EVOLUTE™ 編碼器光學配置附註解

製程開始......

控制器在啟動操作時會將需求訊息傳送至讀頭,指示讀頭瞬間捕捉線性光學尺上的絕對位置。讀頭以高功率 LED 光源閃爍照亮光學尺的方式做出回應。閃光只持續 100 ns,以免在活動軸上產生模糊影像。更重要的是,閃光時機控制在幾 ns 之內,以確保所需位置與回報位置的關係,使 EVOLUTE 系列成為符合運動系統高規格要求的理想選擇。


單軌光學尺

此光學尺基本上是一種具備全寬對比線的單軌光學尺,標稱週期 50 µm。不採用多軌並列設計反而賦予此光學尺重要的防偏擺誤差能力,頭部位置的側向公差也有更大的改善。

取得影像

光學尺透過非球面鏡成像於客製化感測器陣列上,該非球面鏡可將失真程度減至最低。此光學尺採折疊光路與直接成像設計,輕巧且穩定,確保精密量測所需的保真度。

資料解碼與分析

感測器捕捉的影像透過類比轉數位轉換器,轉送至功能強大的數位訊號處理器 (DSP)。接著由特別開發的演算法從嵌入光學尺的編碼中,擷取真正絕對但相對粗略的位置。此過程中 DSP 內的其他演算法,利用光學編碼內的冗餘與故意限制進行檢驗與矯正。在此同時,其他常式計算超高解析度精密位置,此位置接著與粗略位置結合,提供真正絕對的超高解析度位置。

最後檢查與資料輸出

完成最後錯誤檢查程序後,位置資訊透過相關通訊協定以純序列文字上傳至控制器。循環冗餘檢查(CRC)功能提供防電氣雜訊干擾保護。整個過程在幾微秒內完成,每秒可重複多達 25,000 次。在各種技術(包括配合軸速調整閃光持續時間)的支援下,即使在 100 m/s 的速度下也能呈現如此優異的表現,且能在低操作速度下展現極低的定位抖動。

結果...

EVOLUTE 光學尺可提供充裕的安裝公差,偏擺角為 ±0.75°,俯仰角和翻轉角為 ±0.5°,而安裝高度則達優異的 ±250 µm。此外,寬廣的光學覆蓋區與先進的錯誤矯正程序提供優異的抗光汙染能力,包括微粒物質和油汙,同時還能在最高 100 m/s 的速度下維持 50 nm 的解析度。

QUANTiC™

QUANTiC 光學尺具備 Renishaw 第三代獨特過濾光學鏡組,能均化許多光學尺週期的作用,並且有效篩選非週期特徵,例如髒汙。表面方波刻距模型也經過篩選,在光感測器留下純粹正弦的干涉條紋。其中使用了一種多指結構,精細到足以產生四種對稱相位訊號形式的光電流。這些結合是為了移除 DC 元件及產生正弦與餘弦訊號輸出,具備高光譜純度與低偏移,維持高達 500 kHz 的頻寬。

完全整合的先進動態訊號調節功能(包括自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制),確保能提供小型旋轉系統 < ±80 nm,大型旋轉系統 < ±150 nm 且線性系統 < ±80 nm 的低細分誤差 (SDE)。

進化的過濾光學鏡組結合精心設計的電子裝置,提供寬頻寬增量訊號,達到旋轉系統 8,800 rpm、線性系統 24 m/s 的最高速度與最低位置抖動(雜訊),遠勝於同級編碼器。讀頭內進行細分,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降低至 2.73 nm RMS。

TONiC™ 光學配置附註解

IN-TRAC 參考原點完全整合至增量式光學尺,並由讀頭內的光感測器偵測。這樣獨特的配置歸功於自動校準程序,以電子方式定相參考原點及最佳化增量訊號。

TONiC™

TONiC 具備 Renishaw 第三代獨特過濾光學鏡組,能均化許多光學尺週期的作用,並且有效篩選非週期特徵,例如髒汙。表面方波刻距模型也經過篩選,在光感測器留下純粹正弦的干涉條紋。其中使用了一種多指結構,精細到足以產生四種對稱相位訊號形式的光電流。這些結合是為了移除 DC 元件及產生正弦與餘弦訊號輸出,具備高光譜純度與低偏移,維持高達 500 kHz 的頻寬。

完全整合的先進動態訊號調節、自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制,確保能提供一般 < ±30 nm 的超低細分誤差 (SDE)。

過濾光學鏡組的進化與精選電子裝置結合,提供寬頻寬增量訊號,達到 10 m/s 的最高速度與最低位置抖動(雜訊),遠勝於市場上其他同級光學尺。由內建於 TONiC Ti 介面的 CORDIC 演算機制進行細分,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降為極低的 0.5 nm RMS。

TONiC™ 光學配置附註解

IN-TRAC 參考原點完全整合至增量式光學尺,並由讀頭內二側的光感測器偵測。如圖所示,參考原點分割偵測器直接嵌入增量槽刻度線性光電二極體陣列,確保能增強抗偏航失相性能。產生參考原點輸出,此輸出可在任何速度下雙向重現至解析度單位。獨特的安排歸功於自動校正程序,以電子方式定相參考原點及優化動態訊號調節

VIONiC™

VIONiC 光學尺具備 Renishaw 第三代獨特過濾光學鏡組,能均化許多光學尺週期的作用,並有效篩除非週期特徵,例如髒汙。表面方波刻距模型也經過篩選,在光感測器留下純粹正弦的干涉條紋。其中使用了一種多指結構,精細到足以產生四種對稱相位訊號形式的光電流。這些結合是為了移除 DC 元件及產生正弦與餘弦訊號輸出,具備高光譜純度與低偏移,維持高達 500 kHz 的頻寬。

完全整合的先進動態訊號調節、自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制,確保能提供一般 < ±15 nm 的超低細分誤差 (SDE)。

過濾光學鏡組的進化與精選電子裝置結合,提供寬頻寬增量訊號,達到 12 m/s 的最高速度與最低位置抖動(雜訊),遠勝於市場上其他同級光學尺。讀頭內進行細分,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降為極低的 1.6 nm RMS。

TONiC™ 光學配置附註解

IN-TRAC™ 參考原點已完全整合至增量式光學尺,可由讀頭內二側的光感測器偵測。如圖所示,參考原點分割偵測器直接嵌入增量槽刻度線性光電二極體陣列,確保能增強抗偏航失相性能。這樣獨特的配置歸功於自動校準程序,以電子方式定相參考原點及最佳化增量訊號。

ATOM DX™

ATOM DX 光學尺採用的過濾光學鏡組,也應用於 TONiC 及 VIONiC 等 Renishaw 增量式光學尺,是獲得市場肯定的過濾光學鏡組。ATOM DX 讀頭採用的非準直 LED 光源,位於增量及參考原點感測器正中央:這組高發散 LED 的高度較低,且在光學尺上的體積比 LED 大,能讓增量與參考原點區域發亮。未同調的 LED 會產生高純度的簡諧波長訊號,提供高解析度分割。高效率的測光法也會產生低抖動的輸出訊號。這種過濾光學鏡組還有另一項重大優勢,就是 ATOM DX 不會因光學尺不平或污染而導致量測錯誤。


完全整合的先進動態訊號調節方法(包括自動增益控制、自動平衡控制及自動偏置控制),確保能提供一般 < ±15 nm 的超低細分誤差 (SDE)。


結合過濾光學鏡組與精選電子裝置,提供寬頻寬增量位置回饋訊號,達到 12 m/s 的最高速度與最低位置抖動 (雜訊),遠勝於同級光學尺。數位訊號細分於讀頭內進行,透過額外的降噪電子工具加強高解析度版本,將抖動降為極低的 1.6 nm RMS。


ATOM DX 光學尺系列運用大型單一功能偏離光學參考原點,擁有良好的抗污效果。定向參考原點是以簡單直覺的自動校正例行程序達成,也應用於 QUANTiC™VIONiC™ 系列光學尺。

ATOM™ 光學配置附註解

ATOM™

ATOM 採用的非準直 LED 位於增量與參考原點感測器正中央。這組高發散 LED 的高度較低,且在光學尺上的體積比 LED 大,能讓增量與參考原點區域發亮。

ATOM 採用 Renishaw 所有增量式光學尺採用的過濾光學鏡組機構。未同調的 LED 會產生高純度的簡諧波長訊號,提供高解析度分割。此外,高效率的測光法也會產生少量抖動訊號。ATOM 使用的過濾光學鏡組還有另一個優勢,就是它不會因光學尺污染與不平而導致量測錯誤。

ATOM 運用大型單一功能偏離光學參考原點,擁有良好的抗污效果。定向參考原點就和運用 TONiC 作業同樣簡便。

ATOM™ 光學配置附註解