PIOne: Optical Nanometrology Encoder

Hohe Auflösung, Linearität und kompakter Bauraum

  • Auflösung bis 20 Picometer RMS und besser
  • Kleine Abmessungen 23 mm × 12 mm × 9,5 mm
  • Ausgabe von Sinus-/Cosinus- oder Quadratur-Signalen
  • Geringer Stromverbrauch und geringe Eigenerwärmung
  • Genauigkeitsklasse des Messgitters 150 nm / 30 cm
  • Hochvakuumtauglich bis 10-7 hPa, ausheizbar bis 80 °C
  • Bevorzugt für Stellwege > 1 mm
  • Für Geschwindigkeiten bis 0,8 m/s bei höchster Auflösung
  • BiSS-Interface für sicheren Datenaustausch

Eigenschaften der PIOne Linearencoder

Klein und Picometer-Auflösung

Der von PI entwickelte hochauflösende Linearsensor PIOne erlaubt bei entsprechender Messauswertung eine Positionsauflösung von weit unterhalb einem Nanometer.

PIOne nutzt eine patentierte Technologie: Der Messkopf des PIOne beinhaltet ein Mach-Zehnder-Interferometer, das an einem Linearmaßstab entlang bewegt wird. Aus den Signalen der Reflexionen am Gitter werden Sinus- und Cosinus-Signale erzeugt. Zusätzliche Interpolation führt zu den nachweislich kleinen Auflösungen des Systems. Der Sensorkopf beinhaltet zusätzlich die Auswertung eines richtungserkennenden Referenzsignals. Die Abmessungen des Sensorkopfes betragen dabei nur 23 mm × 12 mm × 9,5 mm.

20 pm Auflösung

Die Auflösung des inkrementellen Sensors, d. h. die kleinstmögliche messbare Verschiebung des Messkopfes gegenüber dem Maßstab, wird im Wesentlichen von der Länge der Signalperiode des Sensors, dem Rauschen der Verarbeitungselektronik und dem elektronischen Interpolationsfaktor der Signale bestimmt.

Die Höhe des Interpolationsfaktors ist jedoch durch das Rauschen der Signale begrenzt und kann nicht beliebig hoch gewählt werden. Eine möglichst kleine Signalperiode ist daher von Vorteil, da so eine hohe Auflösung auch bei einem geringeren Interpolationsfaktor erzielt werden kann.

Die Auflösung von 20 Picometern und besser erreicht der PIOne durch seine kleine Signalperiodevon 0,5 µm und die optimierte Signalverarbeitung. Dabei ist eine Interpolation mit einem Faktor von 4000 rauschfrei möglich.

Weniger als 1 % Linearitätsabweichung

Aufgrund der kleinen Signalperioden von 0,5 µm, einer Genauigkeitsklasse des Messgitters von unter 150 nm / 30 cm und der hohen Qualität der Signale, erreicht der Sensor eine Linearitätsabweichung von bis zu <1 %. Der Messkopf des PIOne beinhaltet ein Mach-Zehnder Interferometer, bei dem die optischen Wege abgeglichen und vollsymmetrisch sind, wodurch Umgebungseinflüsse wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit kompensiert werden.

Die verwendete Laserdiode arbeitet mit verhältnismäßig geringer Leistung, um die Erwärmung des Sensorkopfs zu minimieren. Um den Eintrag von Wärme in ein Messsystem weitestgehend zu vermeiden, kann das Licht optional über einen Lichtwellenleiter in den Sensorkopf des PIOne eingekoppelt werden.

Da die Signale des PIOne von verschiedenen PI Controllern weiterverarbeitet werden können, kann er in Positioniersystemen mit unterschiedlichsten Antriebstechnologien eingesetzt werden.


Messprinzipien

Integriertes Mach-Zehnder-Interferometer

Ein aus einer Laserdiode einfallender Strahl wird bei Durchlauf zwischen zwei Gittern in zwei optische Strahlengänge aufgespaltet und anschließend wieder vereint. Das dabei entstehende Interferenzmuster wird mit Photodioden detektiert und anschließend weiter verarbeitet.

Optionale Lichteinkopplung durch Lichtwellenleiter

Die Lichtquelle ist aus dem Sensorkopf ausgelagert und wird über eine Faser zum Sensorkopf geleitet. Dadurch wird die Verlustwärme im Sensorkopf minimiert.

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