专利名称：光学位置测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种光学位置測量装置。
背景技术：
已知的用于检测两个能相对彼此沿着至少ー个測量方向运动的对象的位置的光学位置測量装置由量具(它与其中ー个对象连接)、以及扫描単元(它与两个对象中的另ー个连接)组成。在此，量具包括在測量方向上延伸的増量刻度；扫描单元具有光源、ー个或者多个光栅以及探測器布置。在探測器布置的一侧上设有 多个布置在一个探测平面中的探测器元件的组。在两个对象相对运动的情况下，能通过这些探測器元件由对探测平面中得到的周期性条纹图案进行的扫描来产生多个与位置相关的、相移的扫描信号。具有相同相位扫描信号的探測器元件分别形成一个组。典型地，为了进行所谓的单区域扫描以用于在条纹图案的ー个周期内产生四个分别以90°相移的扫描信号，在探測器布置中设有四个优选为矩形的探測器元件。即使在不理想的运行条件下，例如在偶然弄脏了所扫描的量具的情况下，这种单区域扫描也被证明是有利的，这是因为仅会对扫描信号的理想信号形式造成微小的损害。随着这种位置测量仪器的解析率越来越高，在探測平面内形成的条纹图案的周期越来越小。就探測器元件而言，另ー方面还存在其最小可能的宽度的技术性限制。当相邻探測器元件之间设有的间距为5 u m,并且探測器元件的最小可能的宽度为5 y m吋，于是不再能通过这种传统的单区域扫描技术对小于40 y m的条纹图案周期进行扫描。此外，在探测器元件的结构越来越小的情况下，边缘电容在各探測器元件的总工作能力中所占份额越来越高。因此产生的问题的是，也要为高解析率的光学位置測量装置提出合适的措施，使得即使在不理想的运行条件下也能够确保良好的信号质量。为了解决这个问题已知的是，在探測器布置的前方设计挡板结构，该挡板结构具有周期性布置的透光区域，其周期小于单个探測器元件在測量方向上的延伸长度。例如在J. Carr以及其他人员的关于精度工程学33(2009)S. 263-267的标题为“用于超精准计量系统的微型光学编码器”(miniaturised optical encoder for ultra precision metrologysystems)的公开文献中的图2和图3上所示的那样。然而这种做法的问题在干，当探測器元件很小的时候，挡板结构必须參照探測器元件高度精准地对准方向。否则得到的扫描信号具有较差的质量，也就是说调制度更低，并且因此信号振幅更小。与之相反地，在探測器元件较大的情况下，对挡板结构的调校不那么严苛，但是在不理想的运行条件下却不再能确保良好的信号质量。

发明内容
本发明的目的是，提供ー种高解析度的光学位置測量装置，它即使在组件扫描发射路径中的相互朝向不理想、或者运行条件不理想时，也能够尽可能地确保所得到的扫描信号的质量。
该目的通过ー种具有权利要求I所述特征的位置測量装置得以实现。根据本发明的光学位置測量装置的有利的实施方式由从属权利要求中的措施中得出。根据本发明的用于检测两个能相对彼此沿着至少ー个測量方向运动的两个对象的位置的光学位置測量装置一方面包括量具(它与两个对象中的ー个连接)，并且具有在测量方向上延伸的増量刻度。此外，位置測量装置包括扫描单元，该扫描単元与两个对象中的另ー个连接，并且具有光源、一个或者多个光栅以及探測器布置。探測器布置包括多个布置在一个探测平面中的探測器元件的组，在两个对象相对运动的情况下，能通过这些探測器元件由对探测平面中得到的周期性条纹图案进行的扫描来产生多个与位置相关的、相移的扫描信号。具有相同相位扫描信号的探測器元件分别形成一个组。 其中，一个组的探測器元件的总面积与每个其它组的探測器元件的总面积一致。此外，一个组的探測器元件的面
积重心(nachenschweipunkt)与每个其它组的探测器元件的面积重心一致。在探测器元件的感光面的前方布置了周期性的挡板结构。优选地，周期性挡板结构由至少在测量方向上交替布置的透光及不透光区域组成，其周期小于探测器元件在測量方向上的延伸长度。此外有可能的是，-配属于ー组探測器元件的挡板结构的透光区域的总面积与配属于每个其它组的探測器元件的挡板结构的透光区域的总面积一致，并且-配属于ー组探測器元件的挡板结构的透光区域的面积重心与配属于每个其它组的探測器元件的挡板结构的透光区域的面积重心一致。此外还可以设计的是，-不同组的探測器元件的ニ阶的面灵敏度矩(Flachenempfindiichkeitsmoment)的三个分量还具有相同值，并且-配属于不同组的探測器元件的挡板结构的透光区域的该ニ阶的面灵敏度矩的三个分量具有相同值。最后，可能的是，-不同组的探測器元件的所有其它面灵敏度矩还具有相同值，并且-配属于不同组的探測器元件的挡板结构的透光区域的所有其它面灵敏度矩还具有相同值。在此可以设计为，-挡板结构设计为扫描板上的光栅，并且该扫描板布置在扫描单元中的探测器布置的上方，或者-挡板结构设计为这些探測器元件上的具有透光区域的金属化层。有利地，挡板结构在测量方向上的延伸长度根据d=l/3 -Pd或者根据d=l/4 .Pd进行选择，其中d =挡板结构在测量方向X上的宽度，Pd :=挡板结构的透光区域的周期。还有可能的是，根据加权函数，仅在探測器元件的一部分上布置挡板结构。
其中，挡板结构仅布置在探測器布置的探測器元件上，这些探測器元件共同近似地构成方形区域。此外，探測器布置可以设计为圆形区段的形式并且包括多个圆形扇段，在该圆形扇段中，分别将多个探测器元件在径向上相邻地布置在多个圆环形的线路(Spuren)中。在此特别地，探測器布置可以设计为半圆形。还可以设计为，产生相同相位的扫描信号的相邻线路的探測器元件通过对角延伸的接触连接装置相互电连接。此外，来自ー组的探測器元件可以在圆形区段形式的探測器布置的末端边缘上通过接触连接装置与布置在后方的信号处理元件相连。 优选地，探測器布置与扫描单元中的光源相邻地布置，其中，在探測平面中布置了防护ニ极管，该防护ニ极管封闭地包围住光源。最后还有可能的是，探測器元件的径向最内部线路的几何构造不同于在径向方向上相邻的线路的几何构造。作为根据本发明的高解析度的位置測量装置的重要优点，要提出的是，即使在不理想的运行状态下也能够确保所产生的扫描信号的优良质量。于是一方面使得相对于被扫描量具的偶然弄脏状况非常不敏感；另一方面使得整个系统也非常不易受影响，即使在扫描发射路径中或者扫描单元中的组件的组装情况不理想的情况下，或者在位置測量装置的安装情况不理想的情况下也是这样。此外还使得探測器元件中的边缘电容更小，这导致扫描信号可能具有更大的带宽或者噪声更小。根据本发明的措施不仅可以用在旋转的位置測量装置中也可以用在线性的位置測量装置中。


本发明的其它优点以及细节借助附图从下面对多个实施例的描述中得出。在此示出图I根据本发明的光学位置測量装置的一个实施方式的高度示意性示图；图2根据图I的位置測量装置的被扫描的量具的俯视图；图3根据图I的位置測量装置的探測器布置的俯视图；图4用于阐述探測器布置的根据本发明的构造方式的高度简化示意性示图；图5具有挡板结构的根据图3的探測器布置的部分视图；图6不具有挡板结构的根据图3的探測器布置的部分视图；图7 —种探测器布置的部分视图，这种探測器布置适用于根据本发明的光学位置測量装置的另ー种实施方式。
具体实施例方式在图I至3中，以高度示意化的部分视图示出了根据本发明的光学位置測量装置的一种设计为透光系统的实施方式。图I示出侧剖面图，图2示出被扫描的量具的俯视图，并且图3示出扫描单元中的探測平面的俯视图。
根据本发明的用于检测两个能相对彼此沿着至少ー个測量方向X运动的对象的位置的光学位置測量装置包括量具10以及扫描単元20。该量具10和扫描单元20与两个(图中未示出的)对象连接。这些对象例如可以是能相对彼此运动的机器组件。在这些机器组件移动的情况下，通过根据本发明的光学位置測量装置产生位置信号，该位置信号由布置在后方的机器控制装置进ー步加工处理。在所示实施例中示出了ー种线性的位置測量装置，也就是说，量具10和扫描单元20沿着提供的线性测量方向X相互移动地布置。在本实施例中，量具10包括支架11，在支架上布置了在测量方向X上延伸的增量刻度12。该增量刻度12由具有不同的相移的效果的、交替地在測量方向X上布置的划线形式的刻度区域构成，它们在图2中以明暗的形式示出；据此，増量刻度设计为相位光栅，并且在ー种可能的实施方式中具有180°的相位偏移。増量刻度12 的刻度区域布置为在测量方向X上周期性地具有刻度周期TPinc。正如从图2中可以看出的那样，在所示实施例中的量具10的侧面上，在所示的y方向上相邻于具有増量刻度12的线路设有具有至少ー个基准标记13的另ー个线路。该基准标记13由具有不同的相移效果的刻度区域的非周期性布置构成，并且用于在至少ー个已知的沿着测量路段的基准位置上产生基准信号。这样就可以以已知的方式和方法为高解析度的增量扫描信号实现ー种绝对基准，这些扫描信号从对增量刻度12的扫描中得出。产生至少ー个基准信号的具体方式和方法对于本发明不是进一歩重要的，为此可以采用不同的基准标记扫描变化方案。在扫描单元20 —侧上，在支架元件21上布置了光源23，该光源朝量具10的方向上发光。在本实施例中，在光源23和量具10之间未设有准直的光学元件，也就是说，光源23 (例如设计为LED)在朝量具10的方向上发散地发射光。由于这种光源发射特性，在扫描单元10的探测平面中形成ー种不均匀的、但是在径向上対称的強度分配。在所示实施例中，光源23布置在薄片形式的传感器模块22的空腔22. I中；它在下面也被称为光源空腔22. I。光源空腔22. I在此可以或者仅设计为传感器模块22中的凹处，或者如图I中所示的那样设计为传感器模块22的完全开ロ或者金字塔底座形式的穿透蚀刻部分。由于沿着传感器模块22中的晶面(Kristallebenen)实现蚀刻，光源空腔22. I在探測平面内形成方形的横截面。围着该光源空腔22. I的方形穿透蚀刻部分或者围绕着光源23，在探測平面中的传感器模块22的上侧上布置了封闭地包围住光源空腔22. I的防护ニ极管22. 2。通过该防护ニ极管22. 2可能会吸收在那里产生的载流子，并且这样就防止了对相邻探測器布置27的串扰，并且这样产生的扫描信号具有更小的调制度(Modulationsgrad)。在传感器模块22的朝向量具10的上侧上，垂直于测量方向X(也就是在所给出的y方向上)，在探測平面中相邻于光源空腔22. I的地方，在一侧安放了用于扫描増量刻度12的探測器布置27，并且在另ー侧安放了用于扫描基准标记13的基准标记探測器28 ;因为后者不是本发明的对象，所以它在图3中仅示意化地表示出。用于扫描増量刻度12的探測器布置27包括多个单个的光电探测器元件27. 1-27.4，它们以分组的形式相互导电连接；其中，在ー个组内，在所扫描的条纹图案中获取相同相位的扫描信号的那些探測器元件27. 1-27.4相互连接。在所示实施例中，探測器布置27设计为半圆形，并且包括多个同心围绕着光源23布置的线路，这些线路具有探測器元件27. 1-27. 4 ;关于该探測器布置27的构造方式的其它细节会从后面的说明中指出。而在这里仅仅提到，基于光源空腔22. I的方形的横截面，正如可以从图中看出的那样，探测器布置27的最靠内的线路的几何构造不同于在径向方向上相邻的线路的几何构造。在该线路中的探測器元件的数量相当于其它线路中的数量；仅仅减小了探測器元件的夹角宽度，并且这样改变单个探測器元件的中间位置，即，要为方形的光源空腔22. I和包围的防护ニ极管22. 2提供足够的位置。实现最靠内的线路的这种偏差的构造，从而尽可能有效地组合光源空腔22. I和探測器布置27。以这种方式和方法也可以扫描在紧靠防护ニ极管的周围范围中形成的条纹图案。由于光源23的发光照明是发散式的，所以在这个范围内形成最高的照明強度。在传感器模块22上方，也就是在朝量具10的方向上，在扫描单元10中布置了扫描板24，该扫描板设计为透明的玻璃板。该扫描板24在光源空腔 22. I的上方的中心区域内的朝向传感器模块22的ー侧上承载了发射光栅26。该发射光栅26设计为透光振幅光栅，它具有周期性地布置在測量方向X上的透光的和不透光的刻度区域；发射光栅26的刻度周期在下面用TPs表示。此外，在本实施例中，扫描板24在探測器布置27的上方区域中的相同一侧上承载着周期性挡板结构29形式的光栅，它们对于当前使用的扫描原理而言用作为探测光柵。关于探測器布置27以及周期性挡板结构29或者说探测光栅的具体构造方式要在进ー步的说明中指出。此外，在图I和3中还可以看出扫描单元20的示意性示出的壳体25。在紧接着详细探讨用于进行增量扫描的探測器布置27的构造之前，首先要阐述用于产生增量扫描信号的发射路径。由光源23发散地发射的光束首先穿过发射光栅26，然后到达量具10上的増量刻度12上，并且从那里又在朝扫描单元20的方向上反射回去。在探測平面中形成具有条纹周期的周期性条纹图案，该条纹周期符合于挡板结构29的周期。借助挡板结构29和探測器布置27扫描或者说获取周期性条纹图案，并且在量具10和扫描单元20相对彼此运动吋，被转换成多个与位置相关的、相移的扫描信号。就用于增量扫描的探測器布置27的具体构造以及布置在该探测器布置前方的周期性挡板结构29而言，下面首先阐述相关的理论思路。其中的出发点是，用于扫描探測平面中形成的周期性条纹图案的相应的探測器布置27由多个单个的探測器元件构成。这些探測器元件被集中分为多个组，其中，一个组的探測器元件分别提供相位相同的扫描信号。通过不同的组产生具有不同的相位关系的扫描信号；典型地设有大约N=4个组，通过这四个组可以产生分别以90°相移的扫描信号。原则上被证明有利的是，对于这种探測器布置27满足以下尺寸标准i) _iv)i) 一个组的探測器元件的总面积与每个其它组的探測器元件的总面积一致。ii) 一个组的探測器元件的面积重心与每个其它组的探測器元件的面积重心一致。iii)此外被证明有利的是，不同组的探測器元件的ニ阶的面灵敏度矩还具有相同的分量。iv)此外，如果不同组的探測器元件的其它面灵敏度矩还具有相同值，则再次形成一个优化的探測器布置。
以数学的方式可以如下地示出对于探測器布置的构造的这些条件
S1 (x,y) rSo (R)在相位i的感光探测器元件面的范围内I否则0其中，S0 (R)是探测器元件面的感光度(敏感度)。以及，i=l，2，，N和R = ^x2+f2
N =信号相位的数量在此，由所有属于ー个相位的感光探測器元件面产生的光电流这样得出
AIPhi = fs 丨y ト M軌 y 蹲其中I (X，y)是在位置(X，y)上的平均照明强度；MG (X，y)是强度条纹图案在位置(x，y)上的本地调制度每个相位的光电流应该是相同的。如果假设现在所有探測器元件面的感光度Stl (R)都一祥，并且这些探测器元件在径向上相同形式地分布，那么因此可以简化地观察属于ー个相位的感光探測器元件面的面积F”这个面积Fi这样得出
AFi = |S-,{x,y)dA并且
S1 (X，y) r S0在属于i的光电元件的范围内 -< L否则0目的是让不同相位的探測器元件的面积达到相等，也就是说F1=F2=-=Fn这些属于ー个相位的探測器元件的面积重心的坐标XSi, YSi通过以下方式定义
4IS1=- S4(x，y)dA
F丨J
.美理想情况下，一个组的探測器元件的面积重心的坐标与每个其它组的探測器元件的面积重心一致XS1=XS2=…=xSNySi=yS2=…=ySNニ阶的面灵敏度矩的独立分量通过以下方式定义
权利要求
1.一种光学位置测量装置，用于检测两个能相对彼此沿着至少一个测量方向(X)运动的对象的位置，所述光学位置测量装置具有 -量具(10)，所述量具与所述两个对象中的一个连接并且包括在测量方向(X)上延伸的增量刻度(12)， -扫描单元(20)，所述扫描单元与两个对象中的另一个连接，并且包括光源(23)、一个或者多个光栅以及探测器布置(27 ;127)，其中 -所述探测器布置(27 ；127)包括多个布置在一个探测平面中的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的组，在所述两个对象相对运动的情况下，能通过所述探测器元件由对所述探测平面中得到的周期性条纹图案进行的扫描来产生多个与位置相关的、相移的扫描信号，并且具有相同相位扫描信号的所述探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)分别形成一个组，其中 -一个组的所述探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的面积总和与每个其它组的所述探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的面积总和一致，并且 -一个组的所述探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的面积重心与每个其它组的所述探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的面积重心一致，并且 在所述探测器元件(27. 1-27.4 ;127. 1-127.4)的感光面的前方布置了周期性的挡板结构(29 ;129)。
2.根据权利要求I所述的光学位置测量装置，其中，所述周期性挡板结构(29；129)由至少在测量方向(X)上交替布置的透光及不透光区域组成，其周期小于所述探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)在测量方向(x)上的延伸长度。
3.根据权利要求2所述的光学位置测量装置，其中 -配属于一组探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的所述挡板结构(29 ;129)的所述透光区域的面积总和与配属于每个其它组的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的所述挡板结构(29 ；129)的所述透光区域的面积总和一致，并且 -配属于一组探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的所述挡板结构(29 ;129)的透光区域的面积重心与配属于每个其它组的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的所述挡板结构(29 ；129)的透光区域的面积重心一致。
4.根据权利要求3所述的光学位置测量装置，其中 -不同组的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的二阶的面灵敏度矩的三个分量还具有相同值，并且 -配属于不同组的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的所述挡板结构(29 ;129)的透光区域的所述二阶的面灵敏度矩的三个分量具有相同值。
5.根据权利要求4所述的光学位置测量装置，其中 -不同组的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的所有其它感光面面灵敏度矩还具有相同值，并且 -配属于不同组的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)的所述挡板结构(29 ;129)的透光区域的所有其它面灵敏度矩还具有相同值。
6.根据权利要求I至5中至少一项所述的光学位置测量装置，其中 -所述挡板结构(29 ；129)设计为扫描板(24)上的光栅，并且所述扫描板(24)布置在所述扫描单元(20)中的所述探测器布置(27 ；127)的上方，或者 -所述挡板结构设计为所述探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)上的具有透光区域的金属化层。
7.根据权利要求I所述的光学位置测量装置，其中，所述挡板结构(29;129)在测量方向(X)上的延伸长度根据d=l/2 · Pd或根据d=l/3 · Pd进行选择，其中 d =所述挡板结构在测量方向X上的宽度， Pd =所述挡板结构的透光区域的周期。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中，根据加权函数，仅在所述探测器元件(127. 1-127.4)的一部分上布置所述挡板结构(129)。
9.根据权利要求8所述的光学位置测量装置，其中，所述挡板结构(129)仅布置在所述探测器布置(127)的所述探测器元件(127. 1-127. 4)上，所述探测器元件共同近似地构成方形区域。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中，所述探测器布置(27 ;127)设计为圆形区段的形式并且包括多个圆形扇段，在所述圆形扇段中，分别将多个探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)在径向上相邻地布置在多个圆环形的线路(S1-S4)中。
11.根据权利要求10所述的光学位置测量装置，其中，所述探测器布置(27;127)设计为半圆形。
12.根据权利要求10所述的光学位置测量装置，其中，产生相同相位的扫描信号的相邻线路(S1-S4)的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)通过对角延伸的接触连接装置(27. Ia, 27. 2a, 27. 3a, 27. 4a)相互电连接。
13.根据权利要求10所述的光学位置测量装置，其中，来自一组的探测器元件(27. 1-27. 4 ；127. 1-127. 4)在所述圆形区段形式的探测器布置(27 ；127)的末端边缘上通过接触连接装置(27. Ib, 27. 2b，27. 3b，27. 4b)与布置在后方的信号处理元件相连。
14.根据权利要求10所述的光学位置测量装置，其中，所述探测器布置(27；127)与所述扫描单元(20)中的所述光源(23)相邻地布置，并且在所述探测平面中布置了防护二极管(22. 1)，所述防护二极管封闭地包围住所述光源(23)。
15.根据权利要求10所述的光学位置测量装置，其中，所述探测器元件(27.Ia, 27. 2a，27.3a，27. 4a)的径向最内部线路(S4)的几何构造不同于在径向方向上相邻的线路(S3)的几何构造。
全文摘要
本发明涉及一种光学位置测量装置，用于检测两个能相对彼此沿着至少一个测量方向运动的对象的位置。其一方面包括量具，与两个对象之一连接并具有在测量方向上延伸的增量刻度。设有扫描单元，与两个对象中另一个连接并包括光源、光栅和探测器布置。其包括布置在探测平面中的探测器元件的组，在两个对象相对运动时能通过探测器元件由对探测平面中得到的周期性条纹图案进行的扫描来产生多个与位置相关的、相移的扫描信号；具有相同相位扫描信号的探测器元件分别形成一个组。一个组的探测器元件的总面积与每个其它组的探测器元件的总面积一致；其面积重心与每个其它组探测器元件的面积重心一致。在探测器元件的感光面的前方布置周期性挡板结构。
文档编号G01B11/00GK102768014SQ20121013753
公开日2012年11月7日 申请日期2012年5月4日 优先权日2011年5月5日
发明者米夏埃尔·赫尔曼 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司