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Durchlicht- oder Auflicht-Teilscheibe: Welchen Weg nimmt das Licht?
Eine Durchlicht-Teilscheibe lässt das Licht hindurch; Lichtquelle und Empfänger befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe. Eine Auflicht-Teilscheibe reflektiert das Licht zurück; Lichtquelle und Empfänger liegen auf derselben Seite. Die unterschiedlichen Strahlengänge stellen unterschiedliche Anforderungen an Substrat, Abtastkopf, Bauraum und Oberflächenqualität. Dieser Artikel stellt beide Varianten in einer Tabelle gegenüber.
Bei optischen Drehgebern sieht der Abtastkopf manchmal aus wie eine Gabel, die die Scheibe zwischen sich aufnimmt; manchmal ist er nur eine kleine Platine auf einer Seite der Scheibe. Der Unterschied liegt im Weg des Lichts: Im einen Fall geht das Licht durch die Scheibe hindurch, im anderen wird es von der Scheibe zurückgeworfen.
Durchlicht: Das Licht geht durch die Scheibe
Beim Durchlichtverfahren liegen Lichtquelle und Empfänger auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe. Das Licht der LED wird durch eine Kollimatorlinse nahezu parallel gerichtet und fällt auf die Scheibe: Die Teilungsstriche sind lichtundurchlässig, die Spalte dazwischen lassen Licht durch. Das durchgelassene Licht passiert anschließend das Abtastgitter und trifft auf den Fotoempfänger (Bild 1 links).
Die erste Anforderung an das Substrat lautet daher: Es muss lichtdurchlässig sein. Am häufigsten sind Glas-Teilscheiben, deren Striche aus auf das Glas aufgebrachtem Chrom bestehen; auch PC-Scheiben gehören zu dieser Gruppe. Wie „schwarz“ die Striche sind, gibt die optische Dichte an – OD 3 bedeutet beispielsweise, dass nur 0,1 % des Lichts durchgelassen werden.
Da das Licht die gesamte Scheibe durchquert, können Kratzer, Verschmutzungen oder Blasen auf beiden Oberflächen des Substrats das Signal beeinflussen; beide Seiten müssen also sauber sein. Der Abtastkopf benötigt Bauraum auf beiden Seiten der Scheibe und ist meist gabelförmig ausgeführt, oder Lichtquelle und Empfänger werden getrennt ober- und unterhalb der Scheibe montiert.
Auflicht: Das Licht kommt zurück
Beim Auflichtverfahren liegen Lichtquelle und Empfänger auf derselben Seite der Scheibe, häufig auf derselben Leiterplatte. Das Licht fällt schräg auf die Scheibe: Trifft es auf einen reflektierenden Bereich, wird es spiegelnd zum Empfänger zurückgeworfen; trifft es auf einen nicht reflektierenden Bereich, wird es absorbiert oder gestreut (Bild 1 rechts).
Das Substrat muss nicht lichtdurchlässig sein. Metalle wie Edelstahl sind verbreitet, es gibt aber auch reflektierende Strukturen auf Glas. Entscheidend für die Signalqualität ist der Unterschied im Reflexionsgrad zwischen reflektierenden und nicht reflektierenden Bereichen.
Ein interessanter geometrischer Zusammenhang: In der Näherung der geometrischen Optik wird das Scheibenmuster, wenn punktförmige Lichtquelle und Empfänger in derselben Ebene liegen, auf der Empfängerebene etwa um den Faktor 2 vergrößert abgebildet. Im Auflicht-Abtastkopf beträgt die Teilungsperiode des Abtastgitters auf dem Empfänger daher etwa das Doppelte der Teilungsperiode der Scheibe; Bild 1 rechts ist entsprechend gezeichnet.
Das Auflichtverfahren stellt höhere Ansprüche an die Scheibenoberfläche. Ist die reflektierende Fläche um einen Winkel geneigt, wird der reflektierte Strahl um den doppelten Winkel abgelenkt – eine Neigung von 0,1° lenkt ihn um 0,2° ab. Fingerabdrücke und Ölfilme auf der Oberfläche verändern den Reflexionsgrad unmittelbar. Ebenheit, Sauberkeit und Abtastabstand müssen deshalb gut beherrscht werden.
Beide Verfahren im Vergleich
| Merkmal | Durchlicht | Auflicht |
|---|---|---|
| Lichtquelle und Empfänger | Auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe | Auf derselben Seite der Scheibe |
| Substrat der Scheibe | Muss lichtdurchlässig sein: Glas, PC | Muss nicht lichtdurchlässig sein: meist Metall, auch Glas |
| Kontrast des Musters entsteht durch | Durchlässig/undurchlässig (optische Dichte) | Reflektierend/nicht reflektierend (Unterschied im Reflexionsgrad) |
| Abtastkopf | Gabelförmig oder geteilt, Bauraum auf beiden Seiten nötig | Eine Platine, einseitige Montage |
| Axiale Baugröße | Relativ groß | Leicht flach ausführbar |
| Besonders zu beachten | Beide Oberflächen sauber; ist die lichtundurchlässige Schicht schwarz genug | Reflexionsgrad der Oberfläche, Ebenheit, Abtastabstand |
Wo welches Verfahren eingesetzt wird
Durchlicht-Glasscheiben bieten hohe Genauigkeit und hohe Strichzahlen und sind in hochauflösenden Servomotor-Drehgebern und in der Winkelmessung verbreitet.
Auflicht-Metallscheiben sind stoß- und vibrationsfest und lassen sich flach ausführen. Sie eignen sich für Geräte mit knappem axialem Bauraum oder starken Vibrationen sowie für modulare Drehgeber, bei denen Scheibe und Abtastkopf getrennt geliefert und vom Anwender montiert werden.
Dies sind übliche Zuordnungen, keine starren Grenzen. Welches Verfahren passt, hängt außerdem von Auflösung, Bauraum, Umgebung und Kosten ab; wir empfehlen, die Entscheidung früh in der Konstruktion gemeinsam mit dem Scheibenhersteller und der Abtastlösung zu treffen.
Fazit
Beim Durchlichtverfahren geht das Licht durch die Scheibe, Lichtquelle und Empfänger liegen auf gegenüberliegenden Seiten, das Substrat muss lichtdurchlässig sein. Beim Auflichtverfahren wird das Licht zurückgeworfen, Lichtquelle und Empfänger liegen auf derselben Seite; die Bauform ist flacher, reagiert aber empfindlicher auf den Zustand der Scheibenoberfläche. Wer weiß, welchen Weg das Licht nimmt, weiß auch, welche Scheibenparameter besonders streng zu kontrollieren sind.
Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0013). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com
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