專利名稱：光電位置測量裝置和光電位置測量方法
光電位置測量裝置和光電位置測量方法本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的光電位置測量裝置和根據(jù)權(quán)利要求13 的前序部分的光電位置測量方法。確定至少兩個相對運(yùn)動的子系統(tǒng)的位置方法和裝置是早已知的。常規(guī)做法是在被測部件上投影代碼，其中投影通常是使用光電設(shè)備例如LED和/或激光器來完成。位置確定功能且尤其是其精度取決于代碼以及投影機(jī)構(gòu)的設(shè)計和布置。在許多應(yīng)用場合例如大地測量和工業(yè)測量中需要確定作為位置的方向、角度和長度以及以及需要確定距離。位置測量技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過機(jī)械讀取過程而最終達(dá)到根據(jù)當(dāng)今現(xiàn)有技術(shù)的全自動化位置測量。已知的掃描方法為電磁方法、電子方法和光電方法。以下實(shí)施方式涉及光電掃描
直ο常見的、例如DE8302799U1所述的、用于確定距離或繞軸角度的光電位置測量傳感器具有代碼載體和帶有用于接收部分光輻射的許多光敏接收區(qū)的測量機(jī)構(gòu)，其中該代碼載體和測量機(jī)構(gòu)能相對轉(zhuǎn)動。光檢測器例如是光電檢測器。代碼載體一般以條或圓片以及基本上為圓環(huán)的形式形成并且在一側(cè)載有可光測的位置代碼，代碼中的一部分通過照明機(jī)構(gòu)被投影到測量單元。一般，此時可移動地構(gòu)成代碼載體。但是，也可以實(shí)現(xiàn)以下實(shí)施方式， 其中代碼載體固定不動但檢測器移動。CH522876公開了在代碼載體和測量機(jī)構(gòu)之間設(shè)有光闌。但是事實(shí)表明，這種布置特別難以制造，這是因?yàn)闇y量單元和光闌很小，而且還必須精確地相互調(diào)準(zhǔn)，以便測量單元測量期望的輻射部分。在此情況下存在對光闌孔徑大小或光闌縫隙大小、檢測器表面寬度和檢測器至光闌距離的矛盾要求。通過光闌來遮擋傾斜入射的光，因此由檢測器檢測的空間角受到限制。此時，檢測器寬度或像素寬度和縫隙寬度以及光闌距離有相互關(guān)系。在檢測器寬度大時，必須保持狹窄的縫隙或者選擇大的光闌距離，以實(shí)現(xiàn)空間角度的相應(yīng)限制。 但是，縫隙寬度的減小也減少主要可供使用的光量，而光闌距離的增大增大了整體結(jié)構(gòu)的尺寸。鑒于此，本發(fā)明基于以下任務(wù)，提供一種改善的、尤其是尺寸減小的或更好利用光量的光電位置測量裝置和光電位置測量方法。本發(fā)明的另一個任務(wù)是提供一種位置測量裝置，它可以簡單地制造并且具有簡化構(gòu)造。此外，該位置測量裝置的耐用性應(yīng)得以提高并且其耗能得以減少。根據(jù)本發(fā)明，這些任務(wù)通過權(quán)利要求1或者13的主題或者從屬權(quán)利要求來完成或者改進(jìn)了這些解決方案。該光電位置測量裝置包括載有可光學(xué)測量的位置代碼的代碼載體、用于向代碼載體發(fā)出光輻射的輻射源、具有至少一個第一傳感器單元的測量單元，該第一傳感器單元具有至少一個用于接收輻射的至少一部分的光敏接收區(qū)，由此能產(chǎn)生取決于位置代碼的掃描信號并因而能測量代碼載體相對于測量單元的位置，光電位置測量裝置還包括設(shè)置在代碼載體和測量單元之間的折射光學(xué)元件，其中該代碼載體可相對測量單元以一個自由度、尤其是旋轉(zhuǎn)或者平移地運(yùn)動。根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)元件為了限制空間角度而具有包括一個聚焦區(qū)段和至少一個鄰接區(qū)段的光學(xué)元件。這樣，相對于聚焦區(qū)段的光軸平行或小于臨界角度入射的光輻射經(jīng)過聚焦區(qū)段被引導(dǎo)至第一傳感器單元的位于光軸上的接收區(qū)并且經(jīng)過鄰接區(qū)段被引導(dǎo)至第一傳感器單元的在光軸之外的接收區(qū)或者在第一傳感器單元旁邊的一個位置。臨界角度因此限定偏轉(zhuǎn)角度區(qū)的起點(diǎn)，該偏轉(zhuǎn)角度區(qū)的功能性進(jìn)而也可通過第二臨界角度來限制。這種布置形式的優(yōu)點(diǎn)在于，不需要經(jīng)光闌來實(shí)現(xiàn)對被測光的限制并且相對光軸平行地或在容許角度區(qū)內(nèi)入射的光被聚焦，從而可以在第一傳感器單元的接收區(qū)上實(shí)現(xiàn)比光闌更高的強(qiáng)度。從期望方向之外的其它方向入射的光將被聚焦或偏轉(zhuǎn)向第一傳感器單元的在光軸之外的接收區(qū)或者在第一傳感器單元旁邊的位置，從而該部分光輻射沒有失真地影響到測量結(jié)果，并且或許可被用于其它目的例如強(qiáng)度調(diào)整或亮度控制。原則上，可以利用該光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)以下作用，它與光闌相似，但與之相比有優(yōu)點(diǎn)。此外，也可以規(guī)定第二臨界角度，當(dāng)超出第二臨界角度時，又經(jīng)過鄰接區(qū)段引導(dǎo)光到在光軸上的中央測量區(qū)段。此外，采用這樣的折射光學(xué)元件允許結(jié)構(gòu)高度比相似的光闌方案的更小，從而可盡量保持小的傳感器和代碼載體之間的距離，這不僅就微型化而言是有利的，而且在裝置耐用性方面帶來優(yōu)點(diǎn)。通過聚焦作用或者光束引導(dǎo)作用和由此產(chǎn)生的較高強(qiáng)度，也能以較低功率操作光源工作，這意味著更低的光源耗能和更長的光源使用壽命。在此情況下不需要實(shí)際上精確地將一個接收區(qū)設(shè)置在其中一個區(qū)段的焦點(diǎn)上。相反，利用了聚焦機(jī)構(gòu)的收斂作用。一個接收區(qū)也可以平行于光軸地設(shè)置在焦點(diǎn)之前或之后， 即散焦布置。通過采用具有至少一個鄰接區(qū)段的聚焦光學(xué)元件，造成只有相對于光軸平行地或在容許角度范圍內(nèi)入射至聚焦區(qū)段的光輻射到達(dá)第一傳感器單元的位于光軸上的接收區(qū)， 從而也改善了投影測量的可靠性。位置測量裝置的優(yōu)選實(shí)施方式和改進(jìn)方案是從屬權(quán)利要求的主題。聚焦區(qū)段和鄰接區(qū)段優(yōu)選在靠近代碼載體的一側(cè)具有彎曲的表面，其中該聚焦區(qū)段表面的曲率半徑可以不同于鄰接區(qū)段的表面的曲率半徑。這樣的布置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了入射光更好地分隔。在聚焦區(qū)段外入射的且同樣能平行于光軸的光輻射將通過鄰接區(qū)段被聚焦。 此時優(yōu)選地，鄰接區(qū)段的焦點(diǎn)應(yīng)不與聚焦區(qū)段的焦點(diǎn)重合，而且也不位于與聚焦區(qū)段的焦點(diǎn)相同的光軸橫向平面內(nèi)。但是，一個替代實(shí)施方式代替彎曲的外側(cè)區(qū)段地采用了具有朝內(nèi)傾斜或傾轉(zhuǎn)的平坦表面的外側(cè)區(qū)段，其確實(shí)也獲得了偏轉(zhuǎn)作用，但沒有實(shí)現(xiàn)該區(qū)段的附加聚焦效果。如此構(gòu)成的光學(xué)元件擴(kuò)大了人們想用位于光軸上的接收區(qū)測量到的輻射部分和例如射入鄰接區(qū)段的其它輻射部分之間的距離。因此，通過此實(shí)施方式再次提高了測量可靠性。根據(jù)另一種優(yōu)選實(shí)施方式，光學(xué)元件具有兩個鄰接區(qū)段，中央的聚焦區(qū)段設(shè)于這兩個鄰接區(qū)段之間。因此，在聚焦區(qū)段兩側(cè)入射的光輻射可以偏離第一傳感器單元的位于光軸上的接收區(qū)地被聚焦。該光學(xué)元件可以固定在測量單元上，尤其是被粘結(jié)或膠合到測量單元上，從而光學(xué)元件和測量單元預(yù)制形成并且可作為組件被裝入位置測量裝置。這在制造中節(jié)約了用于獨(dú)立元件的定向和調(diào)節(jié)的附加成本并且預(yù)防了定向誤差。此外，測量單元的傳感器單元非常小而敏感，從而通過其在光學(xué)元件上的固定已經(jīng)提供了傳感器單元的損傷保護(hù)。根據(jù)另一種優(yōu)選實(shí)施方式，位置代碼包括衍射碼元。位置代碼也可以只由多個衍射碼元組成，在此，相互并列的碼元的衍射性能是不同的。此外，可以想到以全息圖形式構(gòu)成代碼載體。通過碼元的衍射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生以下衍射結(jié)構(gòu)，其根據(jù)所選的衍射結(jié)構(gòu)而具有不同的特性。通過適當(dāng)選擇衍射結(jié)構(gòu)或者柵格和位置測量裝置的其它組成部件的相應(yīng)布置，可以實(shí)現(xiàn)照到碼元的輻射的、落在測量單元上的部分被減少或增加。為此，一個碼元可以不同于不具有該結(jié)構(gòu)的碼元。通過這種識別，代碼的結(jié)構(gòu)或順序可被識別和評價。傳感器單元優(yōu)選在光學(xué)元件上相對光軸至少部分非對稱地布置。這還實(shí)現(xiàn)了測量并評價相對光軸以一個角度射入聚焦區(qū)段的輻射部分。利用這樣的布置結(jié)構(gòu)，還可以用第一傳感器單元的位于光軸上的接收區(qū)測量第η級的最大值或最小值的衍射的輻射部分。此外，可以設(shè)置至少一個第二傳感器單元用于測量例如由衍射碼元產(chǎn)生的最大值或最小值的輻射，其中，第二傳感器單元平行于第一傳感器單元設(shè)置。通過這種方式，可以獲得能被用于位置信息評價或輻射強(qiáng)度控制的附加信息。而且，該測量形式適用于校準(zhǔn)位置測量裝置。如果設(shè)有衍射代碼，則可以如此布置第二傳感器單元，S卩，它在第一傳感器單元測量最小值時測量最大值，或反之。通過這種方式，人們例如針對以下情況獲得冗余信息，即， 利用第一傳感器單元的位于光軸上的接收區(qū)無法測量光輻射或測量很弱的光輻射。在此情況下，因此利用第二傳感器單元測量光輻射。這允許回推到光輻射究竟是否入射到光學(xué)元件中和何時入射、其由哪個碼元或者哪類碼元衍射。此外，通過第二傳感器單元和或許有的第三傳感器單元提供的信息也可以被順帶納入評價過程中，例如通過按照各傳感器貢獻(xiàn)的權(quán)重來求平均值。為此，在另一個實(shí)施方式中規(guī)定，測量單元具有第二傳感器單元用于測量經(jīng)鄰接區(qū)段射入的光輻射。用該傳感器單元測得的光輻射此外被納入位置測定中并且允許獲得更高的位置測量精度。例如，可以用其它的傳感器單元測量位置代碼的相同碼元，但其因?yàn)槠渌鼈鞲衅鲉卧牟贾眯问蕉灾芷谛晕灰票粶y量。該周期性位移可以被用于修正用第一傳感器單元測得的位置。也可以利用在現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法評價用第一傳感器單元測定的光輻射和用其它的傳感器單元測定的光輻射之間的強(qiáng)度差并且在位置計算的算法中加以考慮。至少其中一個傳感器單元包括一個線性或面型的傳感器陣列。傳感器陣列由許多光敏接收區(qū)組成。利用線性傳感器陣列，可以首先測量成一行的光輻射，例如在光軸上。在設(shè)有面型陣列時，接收區(qū)按照二維布置并且用于測量在一個面內(nèi)的光輻射。優(yōu)選如此布置面型傳感器陣列，S卩，借此可同時測量經(jīng)聚焦區(qū)段和經(jīng)鄰接區(qū)段投來的光輻射。這樣的實(shí)施方式允許多個傳感器單元合而為一。由此，生產(chǎn)成本得以降低，并且能夠精確可靠地測定入射到傳感器單元的光輻射部分的距離。在一個改進(jìn)方案中，該鄰接區(qū)段或至少其中一個鄰接區(qū)段的靠近代碼載體的表面帶有涂膜。特別優(yōu)選的是，該涂膜光譜是針對透射或反射來選擇的?？梢匀绱藰?gòu)成涂膜，即， 光輻射被過濾、吸收或反射。通過這種方式，可通過直接影響透射的輻射附加提供類似光闌的配置形式?；蛘?，可以在代碼載體和光學(xué)元件之間設(shè)置一個光闌，它優(yōu)選具有矩形縫隙。根據(jù)方法方面的任務(wù)部分將通過一種具有權(quán)利要求12的特征的、用于確定位置尤其是角度或長度的光電位置測量方法來完成。該位置測量方法包括以下步驟-產(chǎn)生位置代碼一部分的取決于代碼載體位置的投影，其中該產(chǎn)生至少包括光輻射射入到代碼載體，-通過測量單元的至少一個第一傳感器單元測量該投影，-從該投影推導(dǎo)出該代碼載體相對于測量單元的位置。根據(jù)本發(fā)明，平行于在代碼載體和第一傳感器單元之間所限定的光軸入射的光輻射被聚焦到第一傳感器單元的位于光軸上的接收區(qū)，不平行于該光軸入射的光輻射被偏轉(zhuǎn)向在光軸之外的位置。如果采用根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置，則通過光學(xué)元件的聚焦區(qū)段實(shí)現(xiàn)至第一傳感器單元的位于光軸上的至少一個接收區(qū)的聚焦。聚焦此時造成輻射強(qiáng)度提高，由此，所測得的信號能被可靠評價。方法的優(yōu)選實(shí)施方式由從屬權(quán)利要求中得到。在有衍射碼元時，利用第一傳感器單元或者其它的傳感器單元測量由碼元產(chǎn)生的最大值或最小值。補(bǔ)充的最大值或最小值的測量實(shí)現(xiàn)了獲得控制信號并且根據(jù)外在表現(xiàn)和布置采用邏輯評價。此外，可以用第一傳感器單元或者其它的傳感器單元也在設(shè)有非衍射代碼時測量經(jīng)鄰接區(qū)段投來的光輻射。通過這種方式，可以獲得附加信息，人們能在算法中評價該附加信息以便更精確地算出位置。以下將結(jié)合附圖所示的實(shí)施例來單純舉例說明本發(fā)明，其中

圖1以橫截面局部視圖表示根據(jù)本發(fā)明的光電位置測量裝置；圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)原理的帶有光闌的測量單元；圖3示出用于圖1的位置測量裝置的根據(jù)本發(fā)明的測量單元結(jié)構(gòu)；圖4示出帶有兩個區(qū)段的光學(xué)元件；圖5示出帶有三個區(qū)段的光學(xué)元件；圖6以另一截面圖示出位置測量裝置；圖7以透視圖示出光學(xué)元件和測量單元；圖8示出帶有涂膜光學(xué)元件的位置測量裝置；圖9示出帶有光闌的位置測量裝置；圖IOa-IOc示出光學(xué)元件；以及圖11示出根據(jù)本發(fā)明的另一光電位置測量裝置，其具有一個帶有兩個楔形外側(cè)區(qū)段的光學(xué)元件。圖1以局部視圖示出位置測量裝置1。利用呈激光器形式的光輻射源2，但也可以利用具有足夠的空間相干性的其它源例如LED，產(chǎn)生光輻射3。光輻射3經(jīng)過兩個透鏡4、5 被準(zhǔn)直并且被引向代碼載體6，其中，準(zhǔn)直化不是必需的。因此，例如也可以采用略微發(fā)散的輻射。代碼載體6具有一個有碼元的位置代碼PC，其中在此圖中只示出一個第一類型的碼元7，它允許光輻射3透過。光輻射3隨后照中一個折射光學(xué)元件8，它具有三個區(qū)段9-11，即一個中央聚焦區(qū)段10和在圖面中位于其左右的兩個鄰接區(qū)段9、11。通過區(qū)段9-11，光輻射3被聚焦。通過聚焦區(qū)段10，相對于聚焦區(qū)段10的光軸OA平行地或以小于臨界角度α的入射角度入射的光輻射3被聚焦或偏轉(zhuǎn)向測量單元14的第一傳感器單元13 的位于光軸OA上的至少一個接收區(qū)12。在該圖中，測量單元14僅由一個具有單行傳感器陣列的傳感器單元13構(gòu)成。同樣如此構(gòu)成光學(xué)元件8的鄰接區(qū)段9、11，即平行于光軸OA入射的光輻射3被聚焦。但它沒有被聚焦或偏轉(zhuǎn)向第一傳感器單元13的位于光軸OA上的接收區(qū)12，而是該輻射被偏轉(zhuǎn)向在接收區(qū)12之外的區(qū)域。光學(xué)元件8被膠合到第一傳感器單元13上，但是也可以例如通過速動卡接或粘接來固定。此外，也可以在光學(xué)元件8和第一傳感器單元13之間設(shè)置帶有浸沒液的容槽。為了使第一傳感器單元13的位于光軸OA上的接收區(qū)12處于聚焦區(qū)段10的焦點(diǎn)， 光學(xué)元件8以間隔件形式構(gòu)成并且具有需要的高度H。光學(xué)元件8的作用是，經(jīng)聚焦區(qū)段10聚焦的光輻射3以更高的強(qiáng)度照中測量單元 14的第一傳感器單元13的位于光軸OA上的接收區(qū)12，因此能用第一傳感器單元13更可靠地測量光輻射3存在與否。另一個優(yōu)點(diǎn)是，在聚焦區(qū)段10之外或者以在臨界角度α之上的入射角度(參見圖IOb和IOc)并因而在偏轉(zhuǎn)角度區(qū)內(nèi)照中光學(xué)元件8的光輻射3沒有被聚焦或引向位于光軸OA上的接收區(qū)12，因而該測量未受影響。根據(jù)代碼載體6的實(shí)現(xiàn)和光學(xué)條件，接收區(qū)12也可以相對于光軸OA錯開或者非對稱地布置。通常，對于該附圖和其它所示例子適用的是，該結(jié)構(gòu)在附面中以相對于光軸對稱的方式構(gòu)成。就是說，偏斜入射的光的入射角度也可以是負(fù)的。而在垂直于圖面的方向上，該結(jié)構(gòu)與角度無關(guān)。圖2表示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)原理的帶有光闌BL的測量單元。為了在接收區(qū)12的寬度為0. 12mm的情況下能獲得對空間角度的充分限制以及足夠高的強(qiáng)度，具有0. 15mm孔徑的光闌BL必須定位在測量區(qū)12上方2. 8毫米距離處。角度α此時表示偏斜入射的光的角度。與此做法相比，圖3所示的用于位置測量裝置的根據(jù)本發(fā)明的測量單元的構(gòu)造允許獲得較小的結(jié)構(gòu)高度和更高的強(qiáng)度。對于測量區(qū)12的相同寬度0. 12mm，可以采用高度僅為1. 5mm的光學(xué)元件，它還具有與圖2的傳統(tǒng)光闌解決方案相比更高的接收區(qū)12內(nèi)的強(qiáng)度。在此情況下，可選擇0. 5mm自由孔徑的中央透鏡，從而可以利用比在使用相似的具有相應(yīng)的0. 15mm自由孔徑的光闌方案時大約三倍多的光。圖4示出了具有兩個區(qū)段21、22的光學(xué)元件20。在圖面中的左側(cè)是一個聚焦區(qū)段 21，它在安裝狀態(tài)下靠近代碼載體6 (見圖1)的表面23上具有半徑為Rl的彎曲。在圖面中位于其右側(cè)的鄰接區(qū)段22同樣在靠近代碼載體6的表面M具有彎曲(此時半徑為R2)。 曲率半徑R2大于曲率半徑Rl。鄰接區(qū)段22在側(cè)向外表面25上被斜切。圖5示出了另一個光學(xué)元件30，它具有一個中央的聚焦區(qū)段31和在圖面中在其左側(cè)和右側(cè)的各一個鄰接區(qū)段32、33。每個區(qū)段31-33具有有曲率半徑R1-R3的表面34-36。 聚焦區(qū)段31的曲率半徑Rl在此小于鄰接區(qū)段32、33的曲率半徑R2和曲率半徑R3。在圖 3中，曲率半徑R2、R3大小一樣。但取決于具體應(yīng)用，曲率半徑R2和R3也可以大小不同。 在圖面中居左的鄰接區(qū)段32帶有涂膜37，該涂膜的光譜是根據(jù)透射來選擇的。鄰接區(qū)段 32、33在外表面38、39處被斜切。
圖6以另一截面視圖示出了位置測量裝置1。輻射源2發(fā)出光輻射3，所述光輻射3 被準(zhǔn)直化為平行于聚焦區(qū)段10的光軸OA并且照射代碼載體6。圖4示出代碼載體6，其位置代碼PC具有第二類型的碼元40。第二類型的碼元40具有衍射結(jié)構(gòu)，入射光輻射3由此被衍射。通過碼元40產(chǎn)生具有最大值和最小值的衍射圖案。例如如果最小值位于光軸OA 上，則向外相接的是最大值和最小值，其能根據(jù)定位被其它的傳感器單元44、45檢測。通過這種方式，第一傳感器單元13的位于光軸OA上的接收區(qū)12測量不到光或強(qiáng)度太弱的光。 由此在第一類型碼元7 (見圖1)和第二類型碼元40之間產(chǎn)生對比，該對比可被評價以測量位置或位置變化。除了第一傳感器單元13外，還在光學(xué)元件8上與第一傳感器單元13平行地設(shè)有兩個其它的傳感器單元44、45。傳感器單元44、45測量經(jīng)鄰接區(qū)段9、11入射的光。在此情況下，第二和第三傳感器單元44、45可以平行于第一傳感器單元13或者與之傾斜錯開地布置。在此布置結(jié)構(gòu)中，例如左側(cè)的傳感器單元44測量最大值43，而右側(cè)的傳感器單元45測量最小值42。所示的光路在此只是示意性的，沒有絕對地反映實(shí)際尺寸和角度情況。圖7以透視圖示出了光學(xué)元件8。光學(xué)元件8如也在圖1和圖5中示出那樣具有三個區(qū)段9-11 中央的聚焦區(qū)段10和兩個旁邊的鄰接區(qū)段9、11。光學(xué)元件8在深度方向 TR具有保持不變的橫截面形狀。但根據(jù)本發(fā)明，該光學(xué)元件也可以旋轉(zhuǎn)對稱地構(gòu)成。光學(xué)元件8也作為間隔體用于被固定在底面70上的測量單元14。該測量單元14在此例子中以線性傳感器陣列形式構(gòu)成并且固定在光學(xué)元件8的底面70上。不過，根據(jù)應(yīng)用場合，測量單元14也能以面型傳感器形式形成。在這里，光學(xué)元件8被膠粘到測量單元14上。圖8示出位置測量裝置80的可由圖6推導(dǎo)出的一種實(shí)施方式。該位置測量裝置 80的相同特征因此帶有相同的附圖標(biāo)記。圖8的實(shí)施方式與圖6所示的實(shí)施方式的不同在于光學(xué)元件81和測量單元82，它們現(xiàn)在具有多個接收區(qū)92。在此實(shí)施方式中，在光學(xué)元件 81的鄰接區(qū)段85、86的彎曲表面83、84上分別涂覆有一層涂膜87、88。涂膜87、88例如光譜選擇性地吸收光輻射3。通過這種方式，光輻射3只能入射到聚焦區(qū)段89并且聚焦到測量單元82。在光學(xué)元件81的底面90上安置有面型的傳感器陣列91，它具有本身在寬度方向BR和深度方向TR(參見圖7)延伸的多個其它接收區(qū)92。在入射到位于光軸OA上的接收區(qū)12的光輻射被導(dǎo)向的同時，許多其它的接收區(qū)92未被該中央的聚焦區(qū)段10的光路照亮。但是因?yàn)橥磕?7、88，該其它的接收區(qū)92能夠通過鄰接區(qū)段9、11被例如光譜選擇性地照亮，就像例如在圖6中示出的那樣。此外，面型的傳感器陣列91可以為此相對于光軸OA 非對稱地固定在光學(xué)元件81上。圖9示出了另一個位置測量裝置100的局部。此實(shí)施方式是圖8所示的位置測量裝置80的替代方式。代替涂覆光學(xué)元件81的鄰接區(qū)段85、86，在此實(shí)施方式中在代碼載體 6和光學(xué)元件8之間設(shè)有一個附加的光闌101，其任務(wù)是遮蔽將在聚焦區(qū)段10之外照中光學(xué)元件8的入射的光輻射3。光闌101此時具有矩形的縫隙102。圖IOa-IOc示出了射入光學(xué)元件8中的光輻射3的方向如何被單獨(dú)的區(qū)段9_11 被改變。在圖IOa中，光輻射3相對于光軸OA平行地且因而以小于臨界角度α的入射角度照中光學(xué)元件8。在圖IOb中，光輻射3作為入射角度具有臨界角度a。在圖IOc中，光輻射3的入射角度β大于圖IOb的臨界角度α。正如能在圖IOa中清楚看到，入射到聚焦區(qū)段10的光輻射3聚焦到測量機(jī)構(gòu)14的第一傳感器單元13的一個(合適的話，多個)位于光軸OA上的接收區(qū)12。如圖IOb所示，以低于臨界角度α入射到聚焦區(qū)段10的光輻射3不再聚焦或偏轉(zhuǎn)到位于光軸OA上的接收區(qū)12。入射到鄰接區(qū)段11的光輻射3也通過光學(xué)元件8被折射并且在相反方向上被偏轉(zhuǎn)，從而光輻射3的該部分也沒有照中位于光軸OA上的接收區(qū)12。 在光輻射3的入射角度β較大的情況下，出現(xiàn)可從圖IOc中看到的相似的圖像入射到聚焦區(qū)段10的輻射3聚焦到在傳感器單元13左側(cè)的位置。經(jīng)鄰接區(qū)段11入射的光輻射3 同樣沒有到達(dá)傳感器單元13。對比圖IOc和10b，當(dāng)入射角度為β時，從鄰接區(qū)段11射出的光輻射3和傳感器單元13的接收區(qū)12之間的距離較小。雖然本發(fā)明能力求偏轉(zhuǎn)以大于臨界角度α的入射角度入射的任何輻射，但該要求不一定在任何情況下都要被滿足，這是因?yàn)橄鄳?yīng)的入射角度不是初次出現(xiàn)，或者以該角度入射的輻射的強(qiáng)度小到可忽略不計。因此，在大多數(shù)情況下，偏轉(zhuǎn)角度區(qū)沒有包括大于臨界角度α的所有角度，而是只保證直至第二臨界角度β的可靠偏轉(zhuǎn)作用就行了。不過，在具體應(yīng)用中也可能有意義的是，也測量來自該具體角度區(qū)的輻射部分。出于光學(xué)緣故，在所示例子中的透鏡是如此設(shè)計的，S卩，具有在臨界角度α和第二臨界角度β之間的入射角度的光沒有到達(dá)在OA上的接收區(qū)12。而平行的光和具有小角度(即入射角度 <臨界角度α)的光通過中央透鏡照中位于光軸OA上的接收區(qū)12。在具體示出的例子中，以大角度入射的光，即在入射角度>第二臨界角度β的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)外入射的光，經(jīng)外側(cè)透鏡又被引向接收區(qū)12。因此，經(jīng)過該光學(xué)元件8為接收而切出一個用于入射光的角度區(qū)，作為偏轉(zhuǎn)角度區(qū)，即，在該角度區(qū)內(nèi)入射的光沒有到達(dá)接收區(qū)12。不過此時該結(jié)構(gòu)也可以例如通過限制可能有的角度的光闌或者鄰接區(qū)段9或11的表面曲率的相應(yīng)設(shè)計來這樣設(shè)計，即，在入射角度η >臨界角度α?xí)r完全排除接收。但在有衍射圓分度或者代碼時，使用具有下臨界角度和上臨界角度即臨界角度α 和β的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)允許技術(shù)簡單的設(shè)計。這是可行的，因?yàn)樵谘苌鋺?yīng)用場合中，大多幾乎沒有出現(xiàn)具有大于β的入射角度η的光。在光學(xué)元件主要據(jù)此而設(shè)計的衍射圓中，高的衍射級必須被遮隱。偶數(shù)(零、第二...)衍射級本來就不提供光，而非偶數(shù)衍射級中只在第一和第三衍射級中存在光。所有較高的、即從第三衍射級往后的級數(shù)實(shí)際上幾乎不再有輻射分量。因?yàn)樵摴鈱W(xué)元件能簡單以第二臨界角度β來設(shè)計而使第一和第三衍射級具有在 α和β之間的角度，所以所述第一和第三衍射級從接收區(qū)12被偏轉(zhuǎn)。就主要下臨界角度 α與本發(fā)明功能相關(guān)而言，只要偏轉(zhuǎn)角度區(qū)大到足以能可靠偏轉(zhuǎn)第三衍射級就行。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個光電位置測量裝置，其包括一個具有兩個楔形外側(cè)區(qū)段的光學(xué)元件。在部件布置和光路方面，該結(jié)構(gòu)此時對應(yīng)于圖1所示的位置測量裝置。但是該光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)不同，其中，聚焦區(qū)段10'在靠近代碼載體6的一側(cè)具有彎曲的表面，鄰接區(qū)段9' Ul'在靠近代碼載體6的一側(cè)具有楔形或者棱柱形的朝外升高的表面。這種布置結(jié)構(gòu)在此對應(yīng)于圖1的布置結(jié)構(gòu)，其中，外側(cè)的區(qū)段形成有朝外增高的平坦的表面。為此，楔形或者棱柱形的光學(xué)穿過面朝向光軸0Α，或者說由這些面限定的平面朝著光軸OA傾斜。為此，該楔形區(qū)段因其平面的方位取向同樣起到對外偏轉(zhuǎn)作用，但在這里，沒有出現(xiàn)附加的聚焦作用。在兩種情況下，通過相對于光軸OA傾斜地構(gòu)造或定向待偏轉(zhuǎn)輻射的照射區(qū)，獲得了這種偏轉(zhuǎn)作用。此時，在有彎曲表面的情況下，傾斜角度連續(xù)變化，而在有平坦面的情況下，該表面相對光軸OA的傾斜角度在該面的所有點(diǎn)上保持相同。
不同所示實(shí)施方式的特征在各自對應(yīng)關(guān)系方面是舉例給出的并也能與其它的實(shí)施方式組合。因此，例如可以使用附加的光闌或者浸沒液被用在所有實(shí)施方式中，并且除了第一傳感器單元外，浸沒液也被用于其它的傳感器單元。除了衍射代碼外，也可以針對所有實(shí)施方式同樣使用不同的其它代碼替代形式，例如單純的陰影作用。最后，根據(jù)本發(fā)明，在所有實(shí)施方式中也可以采用一個只有兩個或多于三個的鄰接區(qū)段的光學(xué)元件。所示的實(shí)施方式據(jù)此被認(rèn)為只是舉例性質(zhì)的。
權(quán)利要求
1.一種光電位置測量裝置，所述光電位置測量裝置包括 -代碼載體(6)，其載有能夠光學(xué)測量的位置代碼(PC)； -向代碼載體(6)發(fā)出光輻射(3)的輻射源O)；-具有至少一個第一傳感器單元(1 的測量單元(14，82)，第一傳感器單元具有至少一個用于接收光輻射(3)的至少一部分的光敏接收區(qū)(12)，由此能產(chǎn)生取決于位置代碼 (PC)的掃描信號并因此能測量代碼載體(6)相對第一傳感器單元(1 的位置；以及-折射光學(xué)元件(8，20，30，81)，它設(shè)置在代碼載體(6)和第一傳感器單元(13)之間并且具有一個聚焦區(qū)段(10,21,31,89)和至少一個鄰接區(qū)段(9，11，22，32，33，85，86)，其中 -能夠通過該聚焦區(qū)段(10,21,31,89)將與聚焦區(qū)段(10,21,31,89)的光軸(OA)平行入射的、或相對于聚焦區(qū)段(10，21，31，89)的光軸(OA)以小于臨界角度(α)的入射角度入射的輻射(3)偏轉(zhuǎn)向第一傳感器單元(13)的位于光軸(OA)上的接收區(qū)(12)，以及-通過該聚焦區(qū)段(10，21，31，89)和該鄰接區(qū)段(9，11，22，32，33，85，86)，將相對該光軸(OA)以在大于臨界角度(α)的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)內(nèi)的入射角度入射的輻射偏轉(zhuǎn)向在光軸外的位置，其中該代碼載體(6)可相對第一傳感器單元(1 以一個自由度、尤其是轉(zhuǎn)動或平移地運(yùn)動，其特征在于，該聚焦區(qū)段(10,21,31,89)和該鄰接區(qū)段(9,11,22,32,33,85,86)在靠近代碼載體(6)的一側(cè)具有彎曲的表面(23，24，；34-36，83，84)，其中聚焦區(qū)段(10,21,31, 89)的表面(23，34)的曲率半徑(Rl)不同于所述至少一個鄰接區(qū)段(9，11，22，32，33，85， 86)的表面(24,35,36)的曲率半徑(R2，R3)。
2.一種光電位置測量裝置，所述光電位置測量裝置包括 -代碼載體(6)，其載有可光學(xué)測量的位置代碼(PC)； -用于向代碼載體(6)發(fā)出光輻射(3)的輻射源(2)；-具有至少一個第一傳感器單元(1 的測量單元(14)，所述第一傳感器單元具有用于接收光輻射(3)的至少一部分的至少一個光敏接收區(qū)(12)，由此，能夠產(chǎn)生取決于位置代碼(PC)的掃描信號，因而能測量代碼載體(6)的相對第一傳感器單元(1 的位置；以及-折射光學(xué)元件，其設(shè)置在代碼載體(6)和第一傳感器單元(1 之間并且具有一個聚焦區(qū)段(10')和至少一個鄰接區(qū)段(9‘，11')，其中-可通過該聚焦區(qū)段(10')將與聚焦區(qū)段(10')的光軸(OA)平行入射的、或相對聚焦區(qū)段(10')的光軸(OA)以小于臨界角度(α)的入射角度入射的輻射(3)偏轉(zhuǎn)到所述第一傳感器單元(13)的位于光軸(OA)上的接收區(qū)(12)，以及-通過該聚焦區(qū)段(10')和該鄰接區(qū)段(9' ,11')，能將相對光軸(OA)以在大于臨界角度(α)的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)內(nèi)的入射角度入射的輻射偏轉(zhuǎn)到在該光軸之外的位置，其中該代碼載體(6)可相對第一傳感器單元(1 以一個自由度、尤其是旋轉(zhuǎn)或平移地運(yùn)動，其特征在于，該聚焦區(qū)段(10')在靠近代碼載體(6)的一側(cè)具有彎曲的表面，并且該鄰接區(qū)段(9' ,11')在靠近代碼載體(6)的一側(cè)具有朝外升高的平坦表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的位置測量裝置，其特征在于，該光學(xué)元件(8，30，81)具有兩個鄰接區(qū)段(9，11，9'，11'，32，33，85，86)，該中央聚焦區(qū)段(10，10'，31，89)設(shè)于它們之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的位置測量裝置，其特征在于，該光學(xué)元件(8，81)固定在第一傳感器單元(1 和/或測量單元(14,8 上，尤其是被粘結(jié)、通過速動連接或夾持連接被保持或被膠合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一的位置測量裝置，其特征在于，在光學(xué)元件(8，20，30，81) 和第一傳感器單元(1 之間設(shè)有裝有浸沒液的容槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的位置測量裝置，其特征在于，該傳感器單元(13，44，45) 相對于光軸(OA)錯開地設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的位置測量裝置，其特征在于，具有至少一個第二傳感器單元(44，4 用于測量由衍射碼元GO)產(chǎn)生的光分布，其中第二傳感器單元(44，4 相對第一傳感器單元(1 平行或者傾斜錯開地布置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的位置測量裝置，其特征在于，至少其中一個所述傳感器單元(13，44，45)具有線性或面型的傳感器陣列(91)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的位置測量裝置，其特征在于，該至少一個鄰接區(qū)段(32， 85，86)的靠近代碼載體(6)的表面(35，83，84)具有涂膜(37，87，88)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的位置測量裝置，其特征在于，該涂膜(37，87，88)的光譜是針對透射、吸收或反射來選擇的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的位置測量裝置，其特征在于，在代碼載體(6)和光學(xué)元件(8)之間設(shè)有光闌(101)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的位置測量裝置，其特征在于，-該偏轉(zhuǎn)角度區(qū)通過第二臨界角度β來限定，以及-相對光軸(OA)以在臨界角度β之上的入射角度入射的輻射可被偏轉(zhuǎn)到第一傳感器單元(13)的位于光軸(OA)上的接收區(qū)(12)。
13.一種光電位置測量方法，所述方法用于確定第一傳感器單元(1 相對帶有位置代碼(PC)的代碼載體(6)的位置、尤其是角度或長度，以便與根據(jù)權(quán)利要求1至11之一的位置測量裝置(1,80,100)連用，該方法包括-產(chǎn)生取決于代碼載體(6)的位置的位置代碼(PC)的至少一部分的投影，其中該產(chǎn)生至少包括向代碼載體(6)發(fā)射光輻射(3)；-通過至少該第一傳感器單元(1 測量該投影；以及-根據(jù)該投影推導(dǎo)出代碼載體(6)相對該第一傳感器單元(1 的位置，其特征在于，-與在代碼載體和第一傳感器單元(13)之間限定的光軸(OA)平行地或相對于該光軸 (OA)以小于臨界角度(α)的入射角度入射的光輻射(3)被偏轉(zhuǎn)到第一傳感器單元(13)的位于光軸(OA)上的接收區(qū)(12)，以及-相對該光軸(OA)以在大于臨界角度(α)的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)內(nèi)的入射角度入射的光輻射被偏轉(zhuǎn)到接收區(qū)(1 之外的位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的位置測量方法，其特征在于，利用第一傳感器單元(1 或者其它的傳感器單元(44，4 測量由位置代碼(PC)的衍射碼元00)產(chǎn)生的光分布圖案。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的位置測量方法，其特征在于，利用第一傳感器單元(13)或其它的傳感器單元(44，妨)測量經(jīng)鄰接區(qū)段(9，9' ,11,11'，22，32，33，85，86)入射的光輻射⑶。
全文摘要
本發(fā)明涉及光電位置測量裝置(1)和光電位置測量方法。光電位置測量裝置(1)包括載有可光學(xué)測量的位置代碼(PC)的代碼載體(6)、輻射源(2)和具有第一傳感器單元(13)的測量單元(14)，第一傳感器單元具有光敏接收區(qū)(12)。由此能產(chǎn)生取決于位置代碼(PC)的掃描信號并因此能測量代碼載體(6)相對第一傳感器單元(13)的位置。代碼載體(6)可相對第一傳感器單元(13)以一個自由度運(yùn)動。在代碼載體(6)和第一傳感器單元(13)之間設(shè)有帶有聚焦區(qū)段(10)和至少一個鄰接區(qū)段(9，11)的折射光學(xué)元件(8)。相對于聚焦區(qū)段(10)的光軸(OA)平行或以小于臨界角度α的入射角度入射到聚焦區(qū)段的光輻射(3)經(jīng)過聚焦區(qū)段(10)導(dǎo)引到第一傳感器單元(13)的位于光軸(OA)上的接收區(qū)(12)，相對聚焦區(qū)段的光軸在臨界角度α之上的偏轉(zhuǎn)角度區(qū)內(nèi)入射的輻射經(jīng)過聚焦區(qū)段和鄰接區(qū)段被偏轉(zhuǎn)向在聚焦區(qū)段光軸之外的位置。
文檔編號G01D5/347GK102246007SQ200980150201
公開日2011年11月16日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月15日
發(fā)明者W·阿曼 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司