专利名称：光电位置测量装置和光电位置测量方法
光电位置测量装置和光电位置测量方法本发明涉及根据权利要求1的前序部分的光电位置测量装置和根据权利要求13 的前序部分的光电位置测量方法。确定至少两个相对运动的子系统的位置方法和装置是早已知的。常规做法是在被测部件上投影代码，其中投影通常是使用光电设备例如LED和/或激光器来完成。位置确定功能且尤其是其精度取决于代码以及投影机构的设计和布置。在许多应用场合例如大地测量和工业测量中需要确定作为位置的方向、角度和长度以及以及需要确定距离。位置测量技术的发展经过机械读取过程而最终达到根据当今现有技术的全自动化位置测量。已知的扫描方法为电磁方法、电子方法和光电方法。以下实施方式涉及光电扫描
直ο常见的、例如DE8302799U1所述的、用于确定距离或绕轴角度的光电位置测量传感器具有代码载体和带有用于接收部分光辐射的许多光敏接收区的测量机构，其中该代码载体和测量机构能相对转动。光检测器例如是光电检测器。代码载体一般以条或圆片以及基本上为圆环的形式形成并且在一侧载有可光测的位置代码，代码中的一部分通过照明机构被投影到测量单元。一般，此时可移动地构成代码载体。但是，也可以实现以下实施方式， 其中代码载体固定不动但检测器移动。CH522876公开了在代码载体和测量机构之间设有光阑。但是事实表明，这种布置特别难以制造，这是因为测量单元和光阑很小，而且还必须精确地相互调准，以便测量单元测量期望的辐射部分。在此情况下存在对光阑孔径大小或光阑缝隙大小、检测器表面宽度和检测器至光阑距离的矛盾要求。通过光阑来遮挡倾斜入射的光，因此由检测器检测的空间角受到限制。此时，检测器宽度或像素宽度和缝隙宽度以及光阑距离有相互关系。在检测器宽度大时，必须保持狭窄的缝隙或者选择大的光阑距离，以实现空间角度的相应限制。 但是，缝隙宽度的减小也减少主要可供使用的光量，而光阑距离的增大增大了整体结构的尺寸。鉴于此，本发明基于以下任务，提供一种改善的、尤其是尺寸减小的或更好利用光量的光电位置测量装置和光电位置测量方法。本发明的另一个任务是提供一种位置测量装置，它可以简单地制造并且具有简化构造。此外，该位置测量装置的耐用性应得以提高并且其耗能得以减少。根据本发明，这些任务通过权利要求1或者13的主题或者从属权利要求来完成或者改进了这些解决方案。该光电位置测量装置包括载有可光学测量的位置代码的代码载体、用于向代码载体发出光辐射的辐射源、具有至少一个第一传感器单元的测量单元，该第一传感器单元具有至少一个用于接收辐射的至少一部分的光敏接收区，由此能产生取决于位置代码的扫描信号并因而能测量代码载体相对于测量单元的位置，光电位置测量装置还包括设置在代码载体和测量单元之间的折射光学元件，其中该代码载体可相对测量单元以一个自由度、尤其是旋转或者平移地运动。根据本发明，光学元件为了限制空间角度而具有包括一个聚焦区段和至少一个邻接区段的光学元件。这样，相对于聚焦区段的光轴平行或小于临界角度入射的光辐射经过聚焦区段被引导至第一传感器单元的位于光轴上的接收区并且经过邻接区段被引导至第一传感器单元的在光轴之外的接收区或者在第一传感器单元旁边的一个位置。临界角度因此限定偏转角度区的起点，该偏转角度区的功能性进而也可通过第二临界角度来限制。这种布置形式的优点在于，不需要经光阑来实现对被测光的限制并且相对光轴平行地或在容许角度区内入射的光被聚焦，从而可以在第一传感器单元的接收区上实现比光阑更高的强度。从期望方向之外的其它方向入射的光将被聚焦或偏转向第一传感器单元的在光轴之外的接收区或者在第一传感器单元旁边的位置，从而该部分光辐射没有失真地影响到测量结果，并且或许可被用于其它目的例如强度调整或亮度控制。原则上，可以利用该光学元件实现以下作用，它与光阑相似，但与之相比有优点。此外，也可以规定第二临界角度，当超出第二临界角度时，又经过邻接区段引导光到在光轴上的中央测量区段。此外，采用这样的折射光学元件允许结构高度比相似的光阑方案的更小，从而可尽量保持小的传感器和代码载体之间的距离，这不仅就微型化而言是有利的，而且在装置耐用性方面带来优点。通过聚焦作用或者光束引导作用和由此产生的较高强度，也能以较低功率操作光源工作，这意味着更低的光源耗能和更长的光源使用寿命。在此情况下不需要实际上精确地将一个接收区设置在其中一个区段的焦点上。相反，利用了聚焦机构的收敛作用。一个接收区也可以平行于光轴地设置在焦点之前或之后， 即散焦布置。通过采用具有至少一个邻接区段的聚焦光学元件，造成只有相对于光轴平行地或在容许角度范围内入射至聚焦区段的光辐射到达第一传感器单元的位于光轴上的接收区， 从而也改善了投影测量的可靠性。位置测量装置的优选实施方式和改进方案是从属权利要求的主题。聚焦区段和邻接区段优选在靠近代码载体的一侧具有弯曲的表面，其中该聚焦区段表面的曲率半径可以不同于邻接区段的表面的曲率半径。这样的布置结构实现了入射光更好地分隔。在聚焦区段外入射的且同样能平行于光轴的光辐射将通过邻接区段被聚焦。 此时优选地，邻接区段的焦点应不与聚焦区段的焦点重合，而且也不位于与聚焦区段的焦点相同的光轴横向平面内。但是，一个替代实施方式代替弯曲的外侧区段地采用了具有朝内倾斜或倾转的平坦表面的外侧区段，其确实也获得了偏转作用，但没有实现该区段的附加聚焦效果。如此构成的光学元件扩大了人们想用位于光轴上的接收区测量到的辐射部分和例如射入邻接区段的其它辐射部分之间的距离。因此，通过此实施方式再次提高了测量可靠性。根据另一种优选实施方式，光学元件具有两个邻接区段，中央的聚焦区段设于这两个邻接区段之间。因此，在聚焦区段两侧入射的光辐射可以偏离第一传感器单元的位于光轴上的接收区地被聚焦。该光学元件可以固定在测量单元上，尤其是被粘结或胶合到测量单元上，从而光学元件和测量单元预制形成并且可作为组件被装入位置测量装置。这在制造中节约了用于独立元件的定向和调节的附加成本并且预防了定向误差。此外，测量单元的传感器单元非常小而敏感，从而通过其在光学元件上的固定已经提供了传感器单元的损伤保护。根据另一种优选实施方式，位置代码包括衍射码元。位置代码也可以只由多个衍射码元组成，在此，相互并列的码元的衍射性能是不同的。此外，可以想到以全息图形式构成代码载体。通过码元的衍射结构产生以下衍射结构，其根据所选的衍射结构而具有不同的特性。通过适当选择衍射结构或者栅格和位置测量装置的其它组成部件的相应布置，可以实现照到码元的辐射的、落在测量单元上的部分被减少或增加。为此，一个码元可以不同于不具有该结构的码元。通过这种识别，代码的结构或顺序可被识别和评价。传感器单元优选在光学元件上相对光轴至少部分非对称地布置。这还实现了测量并评价相对光轴以一个角度射入聚焦区段的辐射部分。利用这样的布置结构，还可以用第一传感器单元的位于光轴上的接收区测量第η级的最大值或最小值的衍射的辐射部分。此外，可以设置至少一个第二传感器单元用于测量例如由衍射码元产生的最大值或最小值的辐射，其中，第二传感器单元平行于第一传感器单元设置。通过这种方式，可以获得能被用于位置信息评价或辐射强度控制的附加信息。而且，该测量形式适用于校准位置测量装置。如果设有衍射代码，则可以如此布置第二传感器单元，S卩，它在第一传感器单元测量最小值时测量最大值，或反之。通过这种方式，人们例如针对以下情况获得冗余信息，即， 利用第一传感器单元的位于光轴上的接收区无法测量光辐射或测量很弱的光辐射。在此情况下，因此利用第二传感器单元测量光辐射。这允许回推到光辐射究竟是否入射到光学元件中和何时入射、其由哪个码元或者哪类码元衍射。此外，通过第二传感器单元和或许有的第三传感器单元提供的信息也可以被顺带纳入评价过程中，例如通过按照各传感器贡献的权重来求平均值。为此，在另一个实施方式中规定，测量单元具有第二传感器单元用于测量经邻接区段射入的光辐射。用该传感器单元测得的光辐射此外被纳入位置测定中并且允许获得更高的位置测量精度。例如，可以用其它的传感器单元测量位置代码的相同码元，但其因为其它传感器单元的布置形式而以周期性位移被测量。该周期性位移可以被用于修正用第一传感器单元测得的位置。也可以利用在现有技术中已知的方法评价用第一传感器单元测定的光辐射和用其它的传感器单元测定的光辐射之间的强度差并且在位置计算的算法中加以考虑。至少其中一个传感器单元包括一个线性或面型的传感器阵列。传感器阵列由许多光敏接收区组成。利用线性传感器阵列，可以首先测量成一行的光辐射，例如在光轴上。在设有面型阵列时，接收区按照二维布置并且用于测量在一个面内的光辐射。优选如此布置面型传感器阵列，S卩，借此可同时测量经聚焦区段和经邻接区段投来的光辐射。这样的实施方式允许多个传感器单元合而为一。由此，生产成本得以降低，并且能够精确可靠地测定入射到传感器单元的光辐射部分的距离。在一个改进方案中，该邻接区段或至少其中一个邻接区段的靠近代码载体的表面带有涂膜。特别优选的是，该涂膜光谱是针对透射或反射来选择的。可以如此构成涂膜，即， 光辐射被过滤、吸收或反射。通过这种方式，可通过直接影响透射的辐射附加提供类似光阑的配置形式。或者，可以在代码载体和光学元件之间设置一个光阑，它优选具有矩形缝隙。根据方法方面的任务部分将通过一种具有权利要求12的特征的、用于确定位置尤其是角度或长度的光电位置测量方法来完成。该位置测量方法包括以下步骤-产生位置代码一部分的取决于代码载体位置的投影，其中该产生至少包括光辐射射入到代码载体，-通过测量单元的至少一个第一传感器单元测量该投影，-从该投影推导出该代码载体相对于测量单元的位置。根据本发明，平行于在代码载体和第一传感器单元之间所限定的光轴入射的光辐射被聚焦到第一传感器单元的位于光轴上的接收区，不平行于该光轴入射的光辐射被偏转向在光轴之外的位置。如果采用根据本发明的位置测量装置，则通过光学元件的聚焦区段实现至第一传感器单元的位于光轴上的至少一个接收区的聚焦。聚焦此时造成辐射强度提高，由此，所测得的信号能被可靠评价。方法的优选实施方式由从属权利要求中得到。在有衍射码元时，利用第一传感器单元或者其它的传感器单元测量由码元产生的最大值或最小值。补充的最大值或最小值的测量实现了获得控制信号并且根据外在表现和布置采用逻辑评价。此外，可以用第一传感器单元或者其它的传感器单元也在设有非衍射代码时测量经邻接区段投来的光辐射。通过这种方式，可以获得附加信息，人们能在算法中评价该附加信息以便更精确地算出位置。以下将结合附图所示的实施例来单纯举例说明本发明，其中

图1以横截面局部视图表示根据本发明的光电位置测量装置；图2示出根据现有技术原理的带有光阑的测量单元；图3示出用于图1的位置测量装置的根据本发明的测量单元结构；图4示出带有两个区段的光学元件；图5示出带有三个区段的光学元件；图6以另一截面图示出位置测量装置；图7以透视图示出光学元件和测量单元；图8示出带有涂膜光学元件的位置测量装置；图9示出带有光阑的位置测量装置；图IOa-IOc示出光学元件；以及图11示出根据本发明的另一光电位置测量装置，其具有一个带有两个楔形外侧区段的光学元件。图1以局部视图示出位置测量装置1。利用呈激光器形式的光辐射源2，但也可以利用具有足够的空间相干性的其它源例如LED，产生光辐射3。光辐射3经过两个透镜4、5 被准直并且被引向代码载体6，其中，准直化不是必需的。因此，例如也可以采用略微发散的辐射。代码载体6具有一个有码元的位置代码PC，其中在此图中只示出一个第一类型的码元7，它允许光辐射3透过。光辐射3随后照中一个折射光学元件8，它具有三个区段9-11，即一个中央聚焦区段10和在图面中位于其左右的两个邻接区段9、11。通过区段9-11，光辐射3被聚焦。通过聚焦区段10，相对于聚焦区段10的光轴OA平行地或以小于临界角度α的入射角度入射的光辐射3被聚焦或偏转向测量单元14的第一传感器单元13 的位于光轴OA上的至少一个接收区12。在该图中，测量单元14仅由一个具有单行传感器阵列的传感器单元13构成。同样如此构成光学元件8的邻接区段9、11，即平行于光轴OA入射的光辐射3被聚焦。但它没有被聚焦或偏转向第一传感器单元13的位于光轴OA上的接收区12，而是该辐射被偏转向在接收区12之外的区域。光学元件8被胶合到第一传感器单元13上，但是也可以例如通过速动卡接或粘接来固定。此外，也可以在光学元件8和第一传感器单元13之间设置带有浸没液的容槽。为了使第一传感器单元13的位于光轴OA上的接收区12处于聚焦区段10的焦点， 光学元件8以间隔件形式构成并且具有需要的高度H。光学元件8的作用是，经聚焦区段10聚焦的光辐射3以更高的强度照中测量单元 14的第一传感器单元13的位于光轴OA上的接收区12，因此能用第一传感器单元13更可靠地测量光辐射3存在与否。另一个优点是，在聚焦区段10之外或者以在临界角度α之上的入射角度(参见图IOb和IOc)并因而在偏转角度区内照中光学元件8的光辐射3没有被聚焦或引向位于光轴OA上的接收区12，因而该测量未受影响。根据代码载体6的实现和光学条件，接收区12也可以相对于光轴OA错开或者非对称地布置。通常，对于该附图和其它所示例子适用的是，该结构在附面中以相对于光轴对称的方式构成。就是说，偏斜入射的光的入射角度也可以是负的。而在垂直于图面的方向上，该结构与角度无关。图2表示根据现有技术原理的带有光阑BL的测量单元。为了在接收区12的宽度为0. 12mm的情况下能获得对空间角度的充分限制以及足够高的强度，具有0. 15mm孔径的光阑BL必须定位在测量区12上方2. 8毫米距离处。角度α此时表示偏斜入射的光的角度。与此做法相比，图3所示的用于位置测量装置的根据本发明的测量单元的构造允许获得较小的结构高度和更高的强度。对于测量区12的相同宽度0. 12mm，可以采用高度仅为1. 5mm的光学元件，它还具有与图2的传统光阑解决方案相比更高的接收区12内的强度。在此情况下，可选择0. 5mm自由孔径的中央透镜，从而可以利用比在使用相似的具有相应的0. 15mm自由孔径的光阑方案时大约三倍多的光。图4示出了具有两个区段21、22的光学元件20。在图面中的左侧是一个聚焦区段 21，它在安装状态下靠近代码载体6 (见图1)的表面23上具有半径为Rl的弯曲。在图面中位于其右侧的邻接区段22同样在靠近代码载体6的表面M具有弯曲(此时半径为R2)。 曲率半径R2大于曲率半径Rl。邻接区段22在侧向外表面25上被斜切。图5示出了另一个光学元件30，它具有一个中央的聚焦区段31和在图面中在其左侧和右侧的各一个邻接区段32、33。每个区段31-33具有有曲率半径R1-R3的表面34-36。 聚焦区段31的曲率半径Rl在此小于邻接区段32、33的曲率半径R2和曲率半径R3。在图 3中，曲率半径R2、R3大小一样。但取决于具体应用，曲率半径R2和R3也可以大小不同。 在图面中居左的邻接区段32带有涂膜37，该涂膜的光谱是根据透射来选择的。邻接区段 32、33在外表面38、39处被斜切。
图6以另一截面视图示出了位置测量装置1。辐射源2发出光辐射3，所述光辐射3 被准直化为平行于聚焦区段10的光轴OA并且照射代码载体6。图4示出代码载体6，其位置代码PC具有第二类型的码元40。第二类型的码元40具有衍射结构，入射光辐射3由此被衍射。通过码元40产生具有最大值和最小值的衍射图案。例如如果最小值位于光轴OA 上，则向外相接的是最大值和最小值，其能根据定位被其它的传感器单元44、45检测。通过这种方式，第一传感器单元13的位于光轴OA上的接收区12测量不到光或强度太弱的光。 由此在第一类型码元7 (见图1)和第二类型码元40之间产生对比，该对比可被评价以测量位置或位置变化。除了第一传感器单元13外，还在光学元件8上与第一传感器单元13平行地设有两个其它的传感器单元44、45。传感器单元44、45测量经邻接区段9、11入射的光。在此情况下，第二和第三传感器单元44、45可以平行于第一传感器单元13或者与之倾斜错开地布置。在此布置结构中，例如左侧的传感器单元44测量最大值43，而右侧的传感器单元45测量最小值42。所示的光路在此只是示意性的，没有绝对地反映实际尺寸和角度情况。图7以透视图示出了光学元件8。光学元件8如也在图1和图5中示出那样具有三个区段9-11 中央的聚焦区段10和两个旁边的邻接区段9、11。光学元件8在深度方向 TR具有保持不变的横截面形状。但根据本发明，该光学元件也可以旋转对称地构成。光学元件8也作为间隔体用于被固定在底面70上的测量单元14。该测量单元14在此例子中以线性传感器阵列形式构成并且固定在光学元件8的底面70上。不过，根据应用场合，测量单元14也能以面型传感器形式形成。在这里，光学元件8被胶粘到测量单元14上。图8示出位置测量装置80的可由图6推导出的一种实施方式。该位置测量装置 80的相同特征因此带有相同的附图标记。图8的实施方式与图6所示的实施方式的不同在于光学元件81和测量单元82，它们现在具有多个接收区92。在此实施方式中，在光学元件 81的邻接区段85、86的弯曲表面83、84上分别涂覆有一层涂膜87、88。涂膜87、88例如光谱选择性地吸收光辐射3。通过这种方式，光辐射3只能入射到聚焦区段89并且聚焦到测量单元82。在光学元件81的底面90上安置有面型的传感器阵列91，它具有本身在宽度方向BR和深度方向TR(参见图7)延伸的多个其它接收区92。在入射到位于光轴OA上的接收区12的光辐射被导向的同时，许多其它的接收区92未被该中央的聚焦区段10的光路照亮。但是因为涂膜87、88，该其它的接收区92能够通过邻接区段9、11被例如光谱选择性地照亮，就像例如在图6中示出的那样。此外，面型的传感器阵列91可以为此相对于光轴OA 非对称地固定在光学元件81上。图9示出了另一个位置测量装置100的局部。此实施方式是图8所示的位置测量装置80的替代方式。代替涂覆光学元件81的邻接区段85、86，在此实施方式中在代码载体 6和光学元件8之间设有一个附加的光阑101，其任务是遮蔽将在聚焦区段10之外照中光学元件8的入射的光辐射3。光阑101此时具有矩形的缝隙102。图IOa-IOc示出了射入光学元件8中的光辐射3的方向如何被单独的区段9_11 被改变。在图IOa中，光辐射3相对于光轴OA平行地且因而以小于临界角度α的入射角度照中光学元件8。在图IOb中，光辐射3作为入射角度具有临界角度a。在图IOc中，光辐射3的入射角度β大于图IOb的临界角度α。正如能在图IOa中清楚看到，入射到聚焦区段10的光辐射3聚焦到测量机构14的第一传感器单元13的一个(合适的话，多个)位于光轴OA上的接收区12。如图IOb所示，以低于临界角度α入射到聚焦区段10的光辐射3不再聚焦或偏转到位于光轴OA上的接收区12。入射到邻接区段11的光辐射3也通过光学元件8被折射并且在相反方向上被偏转，从而光辐射3的该部分也没有照中位于光轴OA上的接收区12。 在光辐射3的入射角度β较大的情况下，出现可从图IOc中看到的相似的图像入射到聚焦区段10的辐射3聚焦到在传感器单元13左侧的位置。经邻接区段11入射的光辐射3 同样没有到达传感器单元13。对比图IOc和10b，当入射角度为β时，从邻接区段11射出的光辐射3和传感器单元13的接收区12之间的距离较小。虽然本发明能力求偏转以大于临界角度α的入射角度入射的任何辐射，但该要求不一定在任何情况下都要被满足，这是因为相应的入射角度不是初次出现，或者以该角度入射的辐射的强度小到可忽略不计。因此，在大多数情况下，偏转角度区没有包括大于临界角度α的所有角度，而是只保证直至第二临界角度β的可靠偏转作用就行了。不过，在具体应用中也可能有意义的是，也测量来自该具体角度区的辐射部分。出于光学缘故，在所示例子中的透镜是如此设计的，S卩，具有在临界角度α和第二临界角度β之间的入射角度的光没有到达在OA上的接收区12。而平行的光和具有小角度(即入射角度 <临界角度α)的光通过中央透镜照中位于光轴OA上的接收区12。在具体示出的例子中，以大角度入射的光，即在入射角度>第二临界角度β的偏转角度区外入射的光，经外侧透镜又被引向接收区12。因此，经过该光学元件8为接收而切出一个用于入射光的角度区，作为偏转角度区，即，在该角度区内入射的光没有到达接收区12。不过此时该结构也可以例如通过限制可能有的角度的光阑或者邻接区段9或11的表面曲率的相应设计来这样设计，即，在入射角度η >临界角度α时完全排除接收。但在有衍射圆分度或者代码时，使用具有下临界角度和上临界角度即临界角度α 和β的偏转角度区允许技术简单的设计。这是可行的，因为在衍射应用场合中，大多几乎没有出现具有大于β的入射角度η的光。在光学元件主要据此而设计的衍射圆中，高的衍射级必须被遮隐。偶数(零、第二...)衍射级本来就不提供光，而非偶数衍射级中只在第一和第三衍射级中存在光。所有较高的、即从第三衍射级往后的级数实际上几乎不再有辐射分量。因为该光学元件能简单以第二临界角度β来设计而使第一和第三衍射级具有在 α和β之间的角度，所以所述第一和第三衍射级从接收区12被偏转。就主要下临界角度 α与本发明功能相关而言，只要偏转角度区大到足以能可靠偏转第三衍射级就行。图11示出了根据本发明的另一个光电位置测量装置，其包括一个具有两个楔形外侧区段的光学元件。在部件布置和光路方面，该结构此时对应于图1所示的位置测量装置。但是该光学元件的结构不同，其中，聚焦区段10'在靠近代码载体6的一侧具有弯曲的表面，邻接区段9' Ul'在靠近代码载体6的一侧具有楔形或者棱柱形的朝外升高的表面。这种布置结构在此对应于图1的布置结构，其中，外侧的区段形成有朝外增高的平坦的表面。为此，楔形或者棱柱形的光学穿过面朝向光轴0Α，或者说由这些面限定的平面朝着光轴OA倾斜。为此，该楔形区段因其平面的方位取向同样起到对外偏转作用，但在这里，没有出现附加的聚焦作用。在两种情况下，通过相对于光轴OA倾斜地构造或定向待偏转辐射的照射区，获得了这种偏转作用。此时，在有弯曲表面的情况下，倾斜角度连续变化，而在有平坦面的情况下，该表面相对光轴OA的倾斜角度在该面的所有点上保持相同。
不同所示实施方式的特征在各自对应关系方面是举例给出的并也能与其它的实施方式组合。因此，例如可以使用附加的光阑或者浸没液被用在所有实施方式中，并且除了第一传感器单元外，浸没液也被用于其它的传感器单元。除了衍射代码外，也可以针对所有实施方式同样使用不同的其它代码替代形式，例如单纯的阴影作用。最后，根据本发明，在所有实施方式中也可以采用一个只有两个或多于三个的邻接区段的光学元件。所示的实施方式据此被认为只是举例性质的。
权利要求
1.一种光电位置测量装置，所述光电位置测量装置包括 -代码载体(6)，其载有能够光学测量的位置代码(PC)； -向代码载体(6)发出光辐射(3)的辐射源O)；-具有至少一个第一传感器单元(1 的测量单元(14，82)，第一传感器单元具有至少一个用于接收光辐射(3)的至少一部分的光敏接收区(12)，由此能产生取决于位置代码 (PC)的扫描信号并因此能测量代码载体(6)相对第一传感器单元(1 的位置；以及-折射光学元件(8，20，30，81)，它设置在代码载体(6)和第一传感器单元(13)之间并且具有一个聚焦区段(10,21,31,89)和至少一个邻接区段(9，11，22，32，33，85，86)，其中 -能够通过该聚焦区段(10,21,31,89)将与聚焦区段(10,21,31,89)的光轴(OA)平行入射的、或相对于聚焦区段(10，21，31，89)的光轴(OA)以小于临界角度(α)的入射角度入射的辐射(3)偏转向第一传感器单元(13)的位于光轴(OA)上的接收区(12)，以及-通过该聚焦区段(10，21，31，89)和该邻接区段(9，11，22，32，33，85，86)，将相对该光轴(OA)以在大于临界角度(α)的偏转角度区内的入射角度入射的辐射偏转向在光轴外的位置，其中该代码载体(6)可相对第一传感器单元(1 以一个自由度、尤其是转动或平移地运动，其特征在于，该聚焦区段(10,21,31,89)和该邻接区段(9,11,22,32,33,85,86)在靠近代码载体(6)的一侧具有弯曲的表面(23，24，；34-36，83，84)，其中聚焦区段(10,21,31, 89)的表面(23，34)的曲率半径(Rl)不同于所述至少一个邻接区段(9，11，22，32，33，85， 86)的表面(24,35,36)的曲率半径(R2，R3)。
2.一种光电位置测量装置，所述光电位置测量装置包括 -代码载体(6)，其载有可光学测量的位置代码(PC)； -用于向代码载体(6)发出光辐射(3)的辐射源(2)；-具有至少一个第一传感器单元(1 的测量单元(14)，所述第一传感器单元具有用于接收光辐射(3)的至少一部分的至少一个光敏接收区(12)，由此，能够产生取决于位置代码(PC)的扫描信号，因而能测量代码载体(6)的相对第一传感器单元(1 的位置；以及-折射光学元件，其设置在代码载体(6)和第一传感器单元(1 之间并且具有一个聚焦区段(10')和至少一个邻接区段(9‘，11')，其中-可通过该聚焦区段(10')将与聚焦区段(10')的光轴(OA)平行入射的、或相对聚焦区段(10')的光轴(OA)以小于临界角度(α)的入射角度入射的辐射(3)偏转到所述第一传感器单元(13)的位于光轴(OA)上的接收区(12)，以及-通过该聚焦区段(10')和该邻接区段(9' ,11')，能将相对光轴(OA)以在大于临界角度(α)的偏转角度区内的入射角度入射的辐射偏转到在该光轴之外的位置，其中该代码载体(6)可相对第一传感器单元(1 以一个自由度、尤其是旋转或平移地运动，其特征在于，该聚焦区段(10')在靠近代码载体(6)的一侧具有弯曲的表面，并且该邻接区段(9' ,11')在靠近代码载体(6)的一侧具有朝外升高的平坦表面。
3.根据权利要求1或2的位置测量装置，其特征在于，该光学元件(8，30，81)具有两个邻接区段(9，11，9'，11'，32，33，85，86)，该中央聚焦区段(10，10'，31，89)设于它们之间。
4.根据权利要求1至3之一的位置测量装置，其特征在于，该光学元件(8，81)固定在第一传感器单元(1 和/或测量单元(14,8 上，尤其是被粘结、通过速动连接或夹持连接被保持或被胶合。
5.根据权利要求1至4之一的位置测量装置，其特征在于，在光学元件(8，20，30，81) 和第一传感器单元(1 之间设有装有浸没液的容槽。
6.根据权利要求1至5之一的位置测量装置，其特征在于，该传感器单元(13，44，45) 相对于光轴(OA)错开地设置。
7.根据权利要求1至6之一的位置测量装置，其特征在于，具有至少一个第二传感器单元(44，4 用于测量由衍射码元GO)产生的光分布，其中第二传感器单元(44，4 相对第一传感器单元(1 平行或者倾斜错开地布置。
8.根据权利要求1至7之一的位置测量装置，其特征在于，至少其中一个所述传感器单元(13，44，45)具有线性或面型的传感器阵列(91)。
9.根据权利要求1至8之一的位置测量装置，其特征在于，该至少一个邻接区段(32， 85，86)的靠近代码载体(6)的表面(35，83，84)具有涂膜(37，87，88)。
10.根据权利要求9的位置测量装置，其特征在于，该涂膜(37，87，88)的光谱是针对透射、吸收或反射来选择的。
11.根据权利要求1至10之一的位置测量装置，其特征在于，在代码载体(6)和光学元件(8)之间设有光阑(101)。
12.根据权利要求1至11之一的位置测量装置，其特征在于，-该偏转角度区通过第二临界角度β来限定，以及-相对光轴(OA)以在临界角度β之上的入射角度入射的辐射可被偏转到第一传感器单元(13)的位于光轴(OA)上的接收区(12)。
13.一种光电位置测量方法，所述方法用于确定第一传感器单元(1 相对带有位置代码(PC)的代码载体(6)的位置、尤其是角度或长度，以便与根据权利要求1至11之一的位置测量装置(1,80,100)连用，该方法包括-产生取决于代码载体(6)的位置的位置代码(PC)的至少一部分的投影，其中该产生至少包括向代码载体(6)发射光辐射(3)；-通过至少该第一传感器单元(1 测量该投影；以及-根据该投影推导出代码载体(6)相对该第一传感器单元(1 的位置，其特征在于，-与在代码载体和第一传感器单元(13)之间限定的光轴(OA)平行地或相对于该光轴 (OA)以小于临界角度(α)的入射角度入射的光辐射(3)被偏转到第一传感器单元(13)的位于光轴(OA)上的接收区(12)，以及-相对该光轴(OA)以在大于临界角度(α)的偏转角度区内的入射角度入射的光辐射被偏转到接收区(1 之外的位置。
14.根据权利要求13的位置测量方法，其特征在于，利用第一传感器单元(1 或者其它的传感器单元(44，4 测量由位置代码(PC)的衍射码元00)产生的光分布图案。
15.根据权利要求13或14的位置测量方法，其特征在于，利用第一传感器单元(13)或其它的传感器单元(44，妨)测量经邻接区段(9，9' ,11,11'，22，32，33，85，86)入射的光辐射⑶。
全文摘要
本发明涉及光电位置测量装置(1)和光电位置测量方法。光电位置测量装置(1)包括载有可光学测量的位置代码(PC)的代码载体(6)、辐射源(2)和具有第一传感器单元(13)的测量单元(14)，第一传感器单元具有光敏接收区(12)。由此能产生取决于位置代码(PC)的扫描信号并因此能测量代码载体(6)相对第一传感器单元(13)的位置。代码载体(6)可相对第一传感器单元(13)以一个自由度运动。在代码载体(6)和第一传感器单元(13)之间设有带有聚焦区段(10)和至少一个邻接区段(9，11)的折射光学元件(8)。相对于聚焦区段(10)的光轴(OA)平行或以小于临界角度α的入射角度入射到聚焦区段的光辐射(3)经过聚焦区段(10)导引到第一传感器单元(13)的位于光轴(OA)上的接收区(12)，相对聚焦区段的光轴在临界角度α之上的偏转角度区内入射的辐射经过聚焦区段和邻接区段被偏转向在聚焦区段光轴之外的位置。
文档编号G01D5/347GK102246007SQ200980150201
公开日2011年11月16日 申请日期2009年11月20日 优先权日2008年12月15日
发明者W·阿曼 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司