专利名称：使用位置感应光检测器的线性位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及线性位移传感器，并且更具体地说，涉及使用位置感应光检测器产生 所期望的测量信号的线性位移构造。
背景技术：
已知各种位移传感器，这些位移传感器使用线性可变差动变压器(LVDT)来提供 表示位移的信号。该类型的系统使用主螺线管线圈在两个次级螺线管线圈中产生感应电 流，各次级线圈中的电流的幅值依赖于在线圈中沿轴线移动的铁磁性磁芯的位置。当次级 线圈以相反顺序连接时，铁磁性磁芯的位置可以基于所产生的差动信号来确定。在一些应用中，期望提供以类似于LVDT型传感器的方式提供线性位移信号的光 学位移传感器。在Delmas公司提出的美国专利US 4338722 (’ 722专利)中公开了该类型 的一个现有技术的系统。’ 722专利公开了具有光源、包括两个光接收器检测器的检测器和 具有用以将来自光源的光传输向检测器的开口的移动套筒(stem)。所述移动套筒在两个弓I 导件之间滑动。移动套筒上的在开口上方的盖被设计成相对于两个引导件之间的中心点与 套筒端部处的接触端头(contact tip)大致对称，以此作为消除对于套筒的机械游隙的测 量敏感性的方法。但是，’ 722专利不能识别与光源相关联的特定误差。因此，’ 722专利的 装置会受到不期望的信号非线性和/或精度误差的影响。在Kaufmann et al.提交的美国专利4812635 (，635专利)中公开了一种优良的 光源构造，其提供了用于在位置感应装置中实现均勻照明的部件。’ 635专利的装置包括光 源、两个光电二极管和包括孔径的移动膜片(diaphragm)。两个光电二极管产生由从光源穿 过膜片上的孔径而到达光电二极管的光的位置所确定的信号。用于均勻照明的部件包括沿 着光路的校正过滤器，该过滤器在优选实施方式中包括胶片，该胶片被用在其公称间距处 的光源负型曝光。这样的定制过滤器输出公称地具有均一的光强的照明。但是，虽然’ 635 专利提供了沿着测量轴具有均一光强的源光，但对于与光源相关联的特定的其它误差仍不 能识别。由此，与’ 635专利类似，，722专利的装置也受到不期望的信号非线性和/或精度 误差的影响。期望能够提供改进的线性和/或精度(例如，相对于’ 635’专利和722专利的装 置)的、简单的光学位置感应装置。

发明内容
提供该概要以通过简化的形式说明发明构思的选择，这将在下面的详细说明中进 一步具体说明。该概要并不意图标识权利要求主题的关键特性，也并不意图用以帮助确定 权利要求主题的范围。简言之，比如上面所列出的、用于光学位置感应装置的现有技术未能充分考虑到 来自光源的光的角向光强分布的变动。在这样的装置中，移动孔径线性地移动过照明范围， 以沿着检测器移动光斑。但是，该孔径相对于光源发射器还向不同的角度移动。因此，在沿着测量轴的不同位置处，来自不同的角度集的光线穿过孔径，到达比如’ 635专利和’ 722专 利公开的装置中的光电检测器。所检测的光线的角向变化通常意味着所检测的光斑的位置 相对于孔径的沿着测量轴的位置并不总是简单的线性关系。另外，当源光具有非均一的角 向光强分布时，所检测的光斑内的光的分布将具有相应的非均一性，该非均一性依赖于孔 径的沿测量轴的位置。结果，所检测的测量光斑的重心根据位置而在光斑边界内非线性地 变化。这些效果已经在现有技术的装置中引入了不期望的误差，限制了它们的信号的线性 度和精度。通过提供被布置成使得测量光斑由角向光强分布在整个测量范围上具有一致性 的光形成的光源构造和孔径构造的新的组合，根据本发明的位置感应装置避免了前述的问 题。另外，所述装置可以被构造用以优化聚集在测量光斑中的光的量，同时最小化检测器上 的测量光斑的尺寸，进一步增强装置的线性度和精度。在各种实施方式中，位置感应装置包括漫射光源、位置感应光电检测器(也简称 为检测器)和移动孔径装置。漫射光源被构造成总地沿着光轴方向OA照射漫射源光。位置 感应光电检测器被相对于漫射光源固定并且以其感应面与漫射光源相对并且近似地与光 轴方向OA垂直的方式排列，并且其感应轴近似地与测量轴对齐。移动孔径装置位于漫射光 源和位置感应光电检测器之间，并且被安装到可移动构件，其中可移动构件在整个测量范 围上沿着光轴方向OA的横向方向的测量轴方向被线性地引导。移动孔径装置被构造用以 接收漫射源光并且输出所述漫射源光的一部分以在位置感应光电检测器上形成测量光斑， 沿测量轴方向移动孔径装置的所感应的光斑对应于移动孔径装置沿着测量轴方向的位置。 移动孔径装置包括第一极限孔径，其输入具有沿着测量轴方向的尺寸DPl的漫射源光；和 第二极限孔径，其输入来自第一极限孔径的漫射源光并将其输出以形成测量光斑。第二极 限孔径具有沿着测量轴方向的尺寸DP2，并且第一极限孔径和第二极限孔径沿着光轴方向 彼此隔开距离LP，其中LP是DPl和DP2中的较小者的至少2倍。以此，孔径装置角向地过 滤漫射源光，使得测量光斑通常由被过滤的角向范围内的光线构成，其中被过滤的角向范 围小于包括在漫射源光中的光线的、未过滤的角向范围。被过滤的角向范围内的光线的角 向光强分布根据测量范围中的位置的一致性要高于包括在未过滤的角向范围中的光线根 据测量范围中的位置的光强分布。位置感应光电检测器输出至少一个依赖于测量光斑的位 置的信号，并且所述至少一个信号表示可移动构件沿着测量轴方向的位置。在一些实施方 式中，位置感应光电检测器输出两个依赖于测量光斑的位置的差动信号，并且该两个信号 之间的关系表示可移动构件沿测量轴方向的位置。在各种实施方式中，测量范围跨过沿着测量轴方向的尺寸测量范围MR，并且测量 光斑由漫射光源的横跨沿着测量轴方向的有效发光尺寸DLS的部分发出的光线形成。在一 些实施方式中，如果尺寸有效发光尺寸DLS大于尺寸测量范围MR的0. 5倍、或者是尺寸测 量范围MR的1. 0倍或者在一些实施方式中更大是有利的。替代地，在一些实施方式中，有 效发光尺寸DLS具有至少2*DP2、或4*DP2或者在一些实施方式中更大的值。当尺寸DLS较 大时，更多的光聚集到测量光斑中，这有助于使信号最大化，同时使测量光斑130中的根据 测量位置的光强变化最小化。在一些实施方式中，位置感应装置还可以包括定位成接近第二极限孔径的透镜。 所述透镜可以构造成对第一极限孔径的平面处呈现的漫射源光成像并将所成的像以比无透镜的情况获得的测量光斑更为小型化的测量光斑的形式输出到检测器上。在一些实施方 式中，透镜可以位于第二极限孔径和检测器之间，以接收来自第二极限孔径的光并传输所 述光以在检测器上形成小型化的测量光斑。在一些实施方式中，聚焦透镜可以位于第一极 限孔径和与第一极限孔径隔开的第二极限孔径之间，以接收来自第一极限孔径的光并传输 所述光通过第二极限孔径，以在检测器上形成小型化的测量光斑。在一个实施方式中，聚焦 透镜可以包括半球透镜，其中半球透镜的平的面朝向检测器。在一些实施方式中，透镜可以 包括蓝宝石材料或其它高折射率材料。在一些实施方式中，第一极限孔径和第二极限孔径包括圆形孔径。在一些实施方 式中，第一极限孔径和/或一些极限孔径可以包括具有垂直于测量轴方向的、比它们沿测 量轴方向的尺寸长的较长的尺寸。在一些这样的实施方式中，聚焦透镜可以包括具有处于 测量轴方向的长轴的棒形透镜(例如，半柱透镜)。在各种实施方式中，漫射光源至少包括发光部(例如，LED、或OLED等)。漫射光 源可以被构造用以沿着横跨在漫射光源的平面处的、沿着测量轴方向的尺寸LSR的光源范 围照射漫射源光，其中尺寸LSR大于测量范围MR。在各种实施方式中，尺寸LSR可以大于测 量范围MR至少有效发光尺寸DLS的量。在一些实施方式中，漫射光源包括装置用以接收来自固定的发光部所产生的光并 将所述漫射源光照射到移动孔径装置的漫射器。在一些实施方式中，漫射器可以包括朗伯 漫漫射器(Lambertian diffuser)和漫射整个更为受限的角向范围上的光的漫射器(例 如，全息漫射器)。在一个实施方式中，漫射器可以相对于发光部固定并且被固定的漫射器 可以在沿着横跨沿着测量轴方向的尺寸LSR的漫射光源范围上的每一处照射漫射源光。在另一个实施方式中，漫射器可以安装到移动孔径装置并与移动孔径装置一起移 动。固定的发光部可以在移动漫射器的平面处产生横跨沿着测量轴方向的尺寸LSR的光 (例如，所产生的会漫射过尺寸LSR)。移动漫射器可以在光源范围LSR中的各种位置处接 收所产生的光并将漫射源光照射向移动孔径装置，同时与移动孔径装置一起移动。在另一个实施方式中，发光部可以包括发光材料(例如，OLED材料)，所述发光材 料从沿着跨过沿着测量轴方向的尺寸LSR的光源范围的每一处分布的发光面直接照射漫 射源光。


参考下面的具体说明并结合附图，本发明的前述方面和许多附带优点将更为清楚 并且能够更好地理解，其中图1是用于根据本发明的位置感应装置的第一实施方式的、垂直于测量轴方向的 示意性截面图；图2A是类似于图1中的位置感应装置的位置感应装置的、垂直于测量轴方向的示 意性截面图，示出了关于用于移动孔径装置在所期望的测量范围外侧的两个假想位置的设 计构思；图2B是示意性地示出从可用在图2A中示出的实施方式中的一个示例性检测器的 表面上观察到的、五个假想测量光斑中的光强分布的图，其中包括图2A中示出的两个测量 光斑；
图3是用于根据本发明的位置感应装置的第二实施方式的、垂直于测量轴方向的 示意性截面图；图4是用于根据本发明的位置感应装置的第三实施方式的、垂直于测量轴方向的 示意性截面图；图5是用于使用类似于图4的位置感应装置的位置感应装置的测量仪器(gauge) 的部件的一个实现的轴测剖视图；和图6是用于根据本发明的位置感应装置的第四实施方式的、垂直于测量轴方向的 示意性截面图。
具体实施例方式图1是根据本发明的位置感应装置100的第一实施方式的垂直于测量轴方向MA 的示意性截面图。图1示出了标注为Y轴方向的测量轴方向MA、标注为X轴方向并且限定 为垂直于Y-Z平面图的光轴方向0A，其中Y-Z平面被限定为平行于感应面116的平面。位 置感应装置100包括漫射光源105、光源电源线或线109、位置感应光电检测器115，其中位 置感应光电检测器115包括感应面116、信号线或线118、保护窗117(光学)和位于漫射光 源105和位置感应光电检测器115之间的移动孔径装置120。位置感应光电检测器(或检测器)115相对于漫射光源105固定并且以其感应面 116与漫射光源105相对且近似地垂直于光轴方向OA的方式对准。移动孔径装置120位于 漫射光源105和位置感应光电检测器115之间，并且被安装于沿着光轴方向OA的横向方向 的测量轴方向MA被引导的可移动构件125。移动孔径装置120包括第一极限孔径140，其 具有沿着测量轴方向MA的尺寸DPl ；和第二极限孔径150，其具有沿着测量轴方向MA的尺 寸DP2。第一和第二极限孔径沿着光轴方向OA对准，并且沿着光轴方向OA分离开尺寸LP。 第一极限孔径140和第二极限孔径150可以以孔径体160的形式构造成，或者由分离的部 件(未示出)的组件构造成。在运行中，漫射光源105被构造成总地沿着光轴方向OA照射漫射源光110。移动 孔径装置120接收漫射源光110并且输出一部分漫射源光以在位置感应光电检测器115的 感应面116上形成测量光斑130。对应于移动孔径装置120的位置，测量光斑130沿着测量 轴方向MA在检测器115上移动过测量范围MR。位置感应光电检测器115通过信号线118 输出取决于测量光斑130沿着测量轴方向MA的位置的至少一个信号。在各种实施方式中， 如下是有利的输出两个差分信号，并且两个信号之间的关系表示可移动构件125沿着测 量轴方向MA的位置。例如，在一个实施方式中，该位置可以通过关系式(A-B)/(A+B)，其中 A和B是所述差分信号。这样的关系式对于测量光斑130中的平均功率的变化较不敏感。对于移动孔径装置120，第一极限孔径140输入漫射源光110，而第二极限孔径150 从140输入一部分漫射源光110并将其输出至测量光斑130。由于第一极限孔径140和第 二极限孔径150沿着光轴方向OA彼此隔开距离LP，移动孔径装置120角向地过滤漫射源光 110，使得测量光斑130被限制大小并且另外总是由被过滤角范围α内的光线构成，其中角 范围α小于包括在漫射源光中的光线的未过滤角范围β，漫射源光能够通过单个极限孔 径被传输。为了实现最为经济并且实用的光源设计，被过滤角范围角α内的光线的、根据 测量范围MR内的位置的光强分布的一致性高于未过滤角范围角β内的光线的、根据测量范围MR内的位置的光强分布，这样改进了位置感应装置100的精度，这将在下面更为详细 地说明。在一些示例性实施方式中，第一极限孔径140和第二极限孔径150之间的距离LP 是它们各自的尺寸DPl和DP2中的较小者的至少两倍，以提供测量光斑130中的光线的所 期望的过滤角范围。将会理解，可以用不同的孔径装置提供所期望的角过滤。例如，图1中以虚线示出 了替代的孔径装置移动孔径装置120’，其包括分别地在尺寸上不同的第一极限孔径第一极 限孔径140'和第二极限孔径第二极限孔径150'。应明白，这里示出的移动孔径装置仅是 示例性的，而不是限制性的。总的来讲，期望测量光斑130的光斑尺寸DPSD尽可能的小型化，至少沿着测量轴 方向尽可能的小型化。这具有若干的优点，例如，这样可以减小对于测量光斑内的光的光强 分布的测量敏感性，并且可以总体上增加信噪比和/或检测器115的信号的测量精度。对 于由移动孔径装置120提供的给定的被过滤角范围角α，减小第二极限孔径与感应面116 的平面之间的检测器间隙距离LG能够减小测量光斑的尺寸。因此，在各种实施方式中，检 测器间隙距离LG可以选择成实际上的最小值(例如，在一些实施方式中，最大为0. 5mm、或 者250 μ m、或者在不使用保护窗117时甚至为100 μ m以下)。在一些实施方式中，最小的检测器间隙距离LG可以认为是一种设计约束。应明 白，对于给定的检测器间隙距离LG，光斑尺寸DPSD相对于孔径尺寸DP2的比随第一极限孔 径140和第二极限孔径150之间的距离LP的增加而非线性地增加。光斑尺寸DPSD的非线 性增加在LP/检测器间隙距离LG小于1. 0时特别迅速(strong)。因此，在各种实施方式中， 距离LP和/或LG在一些实施方式中可以选择成使得LP/检测器间隙距离LG至少为1. 0， 或者更为优选地，至少为2. 0、或者为3. 0以上。关于其它的设计考虑，有效发光尺寸DLS被限定为产生漫射源光漫射源光110的 平面(例如，研磨玻璃面)处的、向测量光斑130供给光线或能量的尺寸。总体上，就节能、 信噪比、和/或潜在的光源非均勻性的均一化而言，通常期望有效发光尺寸DLS尽可能的大 (作为小型化与这里说明的各种其它设计考虑的折中)。对于由移动孔径装置120提供的给 定的被过滤角范围角α，增加产生漫射源光110的平面与第一极限孔径140之间的源间隙 尺寸LIN有利于增加有效发光尺寸DLS的尺寸。因此，在各种实施方式中，源间隙尺寸LIN 可以选择成实际上的最大值。在一些实施方式中，光源相对于检测器的总的距离(源间隙尺寸LIN+LP+LG)可以 作为设计约束。因此，在一些实施方式中，如下是有利的距离LIN在一些实施方式中被设 置成至少与LP —样大、或者等于1. 5*LP、或者为2. 0*LP，以收集和聚焦源光成为小型的测 量光斑130。在一些实施方式中，源间隙尺寸LIN可以简单地制作成如实际的那样大(例 如，在一些实施方式中，至少为500 μ m、或者为1mm、或者为1. 5mm以上)。在一些实施方式 中，尺寸DLS大于尺寸MR的0. 5倍、或者大于尺寸MR的1. 5倍或者更大是有利的。替代地， 在一些实施方式中，有效发光尺寸DLS具有至少为2*DP2、或者为4*DP2、或者在一些实施方 式中为更大的值。当尺寸DLS较大时，更多的光被集中到测量光斑中，这有助于使信号最大 化并且使测量光斑130的光强的随测量位置的变化最小化。在下面参考图2A说明有效发光尺寸DLS的其它的考虑。关于其它的设计考虑，总体上，根据本发明的漫射光源在整个光源范围上或者在9尺寸LSR上发出漫射源光，其中光源范围或者尺寸LSR被沿着测量轴方向限定于射出漫射 源光的平面。光源范围LSR比测量范围MR大。在各种实施方式中，LSR比测量范围MR大 至少有效发光尺寸DLS的量，如图1中所示和参考图2A和图2B的更为详细的说明。在图 1中所示的实施方式中，漫射光源105包括发光部和漫射器108，其中发光部包括通过电源 线109供电以产生漫射光线107的固定的LED106(其可以包括透镜)。108被定位成远离 LED 106，使得漫射光线107扩展至所期望的光源范围LSR。在运行中，LED 106向漫射器 (例如，向最接近LED 106的研磨玻璃面)108发出LED光的漫射光线107的漫射光线。漫 射器108漫射LED光漫射光线107的光线以射出漫射源光110。在一些实施方式中，漫射器 108可以包括朗伯漫漫射器(例如，乳色玻璃(opal galss)漫射器)，其可以近似地如图1 中示出的漫射光强分布标识110'所示意性地标识地漫射光。其它的实施方式可以使用更 为有效的漫射器，所述更为有效的漫射器在相对于光轴方向更受限制的整个角范围上以更 均勻的光强漫射光(例如，全息漫射器)。例如，可以购买到Barring，NJ的Edmund Optics Inc.制造的 iTechspec UV Fused Silica Ground Glass Diffusers 作为高效的非朗伯漫 漫射器。应明白，图1中示出的漫射光源105构造仅是示例性的，并不是限制性的。例如， 在一些实施方式中，漫射光源可以包括发光部，所述发光部包括从延伸过整个光源范围LSR 的发光面直接发出漫射源光110的OLED或其它的发光材料。图2A和图2B是具有对准的X_Z平面的相关图示，其示出了位置感应装置200并 说明了与针对测量范围MR内的全部测量位置在测量光斑中保持均勻的光强分布相关的各 种设计考虑。除非另外说明，图2A和图2B中的具有与图1中的IXX序号相同的“XX”后缀 的2XX序号标识类似的或相同的元件。因此，总体上可以通过与图1类比来理解位置感应 装置200的运行，这里仅说明其运行的特定方面。关于测量光斑230，由于移动孔径装置移动孔径装置220使用先前列出的角过滤 原理，形成测量光斑230的边缘的光线的夹角并不随测量位置而变化(与现有技术的装置 相比)。结果，限制了视差效应，并且测量光斑230的边界精确地对应于移动孔径装置220 的平移而平移。但是，如先前所列出的，位置感应光电检测器位置感应光电检测器215输出 同样取决于测量光斑230的光强重心(intensity centroid)的信号。因此，光强分布在测 量光斑230内的沿着感应轴线SA的一致性对于提供在整个测量范围上具有良好的线性和 精度的测量信号也是非常重要的。下面将进一步说明图2B中示出的、测量光斑内的说明性 光强分布。总的来讲，对于特定的测量位置，这样的光强分布对应于被过滤角范围α内的 光的(沿感应轴线的方向SA)源光光强分布。图2Α中示出了可以确定源光光强分布的、在 各种测量位置处的一些考虑。图2Α是与图1中的位置感应装置类似的位置感应装置200的垂直于测量轴方向 的示意性截面图的图示。特别地，图2Α示出了关于移动孔径装置220的、对应于不期望的 测量光斑示例(或测量光斑)230Α和230Ε的两个假想位置(分别以附图标记后缀E和E 标注)。为说明本发明是如何避免现有技术的装置中所可能出现的问题，并允许使用相对小 型化和简单的光源和检测器，两个位置A和E对应于所期望的测量范围MR外侧的位置，以 示出在测量范围MR的极端情况下可能发生的、在测量光斑中的潜在问题。简言之，测量光斑230Α和230Ε是不期望的，因为它们的光强分布不均勻，这会由 于漫射源光210中的不均勻的光强特性而发生，如下所述。如图2Α所示，测量光斑230Ε可以接收来自极限LED光线207Exr的光线210Exr。例如，极限LED光线207Exr可以到达漫 射器208的漫射面，并且在漫射面处以近似朗伯漫光强分布被漫射，所述光线偏离光轴方 向OA的量对应于所述光线在漫射器208上的入射角，近似地如极限光线光强分布指示图 (indicator) 210，Ex所示。极限光线210Exr是结果生成的光线，该光线落在极限光线光强 分布标识漫射源光210’ Ex和测量光斑230E的位置之间的被过滤角范围α中。极限光线 210Exr具有低的光强，如其在光强分布指示图210’ Ex中的角分量的幅值及源光光强分布 210E-ID中的相应的分量的光强幅值所示。源光光强分布210E-ID也反映了在被过滤角范围α中分布的并且由此到达测量 光斑230Ε的其它源光线的相对光强。可以通过与上述的说明类比来理解源光线在源光光 强分布210E-ID内的其它位置处的所标识的光强。由于图2Α中所示构造的对称性，与测量 光斑230Α的位置对应的源光光强分布210A-ID与源光光强分布210E-ID成镜像。在图2Β 中分别示出了相应的测量光斑光强分布230A-ID和测量光斑230E-ID。图2Β是示意性地示出感应面216上的两个不期望的测量光斑230Α和测量光斑 230Ε、及三个期望的测量光斑230B、230C和230D的图示。如沿着测量光斑230A-测量光斑 230E中的点划线四0的位置所看到的，相应的光强分布230A-ID到230E-ID被示意性地示 出为平行于)(Z平面的投影图。如图2B所示，不均勻的源光光强分布230A-ID和测量光斑230E-ID导致产生了不 均勻的测量光斑光强分布230A-ID到230E-ID，并且所检测的光强重心测量光斑边界将显 著地偏斜(沿相反方向)。如果测量范围被扩展以包括位置A和E，则偏斜的光强重心将导 致显著的信号非线性和精度误差。与之相比，测量光斑230B、230C、230D具有相对均勻的测 量光斑光强分布230B-ID、230C-ID和230D-ID，因为如上面所列出的，它们不接收与所产生 的LED光207的和/或漫射源光漫射源光210的极限扩张角(divergence angle)相关联 的低光强光线。由此，与测量范围MR对应的、所检测的测量光斑230的光强重心相对于光 斑边界并不显著地偏斜，从而产生线性信号和良好的精度。对于需要小型装置的实际应用，漫射光源205的尺寸(例如，其沿着光轴方向OA 的尺寸和沿着光源范围LSR的尺寸)可以被约束成相对于测量范围较小。将理解，假定在 这样的应用中必须满足约束与设计的折中，通过排除与所产生的LED光207的和/或漫射 源光210的极限扩张角相关联的低光强光线及在接近光源范围LSR的端部处可能出现的其 它光强不连续性因素，由移动孔径装置220提供的角向过滤角α在提供整个测量范围上的 测量光斑230中的一致的光强分布方面起着重要作用。关于图3、图4和图5，图3是根据本发明的位置感应装置位置感应装置300的第 二实施方式的、垂直于测量轴方向的示意性截面图。图4是根据本发明的位置感应装置位 置感应装置400的第三实施方式的、垂直于测量轴方向的示意性截面图。图5是作为类似 于图4的位置感应装置400的位置感应装置的一个实现的测量仪器(gauge) 500轴测剖视 图。除非另外指出，图3、图4和图5中的具有相同“XX”后缀的3XX、4XX和5XX序号表示功 能上类似或相同的元件。另外，除非另外指出，具有与图1中的IXX序号相同的“XX”后缀 的3XX、4XX和5XX序号表示功能上类似或相同的元件。由此，总体上可以通过与先前的说 明类比来理解位置感应装置300、位置感应装置400和位置感应仪器500的操作，并且这里 仅说明它们的操作的特定方面。11
关于图3，位置感应装置300与图1和图2中的位置感应装置100和位置感应装 置200的主要差别在于位置感应装置300还包括位于第二极限孔径350和位置感应检测器 315之间的透镜365。总体上，透镜365接收来自第二极限孔径350的角向过滤的光并且将 所述光以测量光斑330的形式传输到感应面316上，其中测量光斑330比无透镜365时获 得的测量光斑小。。在一些实施方式中，透镜365被构造成将第一极限孔径340的平面处的 漫射源光成像到感应面316上。应理解，透镜365可以允许使用较大的间隙距离LG(在第 二极限孔径和感应面316之间)，同时仍提供小型化的测量光斑330。这在使用保护窗317 时特别地有用，因为保护窗317需要使用较大间隙尺寸LG。在图3所示的实施方式中，透 镜365包括具有半径R和折射率η的半球透镜，其提供了 f = R/(n-1)的焦距。如通过分 析或者实验能够建立起来的，用以实现最为小型化的测量光斑330的、优化的透镜设计和 定位与理想成像的情况中所期望的可能有一定偏差。应理解，使用小的间隙尺寸LG(用于 小型化设计)使光斑尺寸DPSD最小化需要短的焦距。由此，透镜365有利地具有较高的折 光率η值(例如，折光率η至少为1.6)，或者具有小的半径R，或者满足该两个要求。具有 小的半径R值的实施方式的光行差要小于具有较大的半径R值的透镜635的实施方式。由 此，对于相同的焦距，具有高的折射率η的透镜635的实施方式具有的光学品质要高于具有 较小的折射率η的透镜635的实施方式。因此，在一些实施方式中，透镜365包括蓝宝石材 料，或者其它高折射率的材料。蓝宝石透镜是有利的，因为它具有比普通的光学玻璃N-BK (η =1. 51)高的折射率(n = 1. 76)。图4示出了位置感应装置400，其包括透镜465以提供类似于上面参考图3列出的 优点。位置感应装置400与位置感应装置300之间的主要差别在于透镜465被定位在第一 极限孔径440和第二极限孔径450之间，并且沿着光轴方向OA与第一极限孔径隔开。透镜 465接收来自第一极限孔径的光并且将所述光传输通过第二极限孔径以在感应面316上形 成小型化的测量光斑430。另外，在各种实施方式中，有利的地是以先前关于图3中的透镜 365所述的方式构造透镜465。应理解，在图4中的构造中，根据先前列出的原理，通过考虑 到透镜465提供对于光线的偏转，第一极限孔径440和第二极限孔径450仍可以构造用以 提供测量光斑430中的被角向过滤的光。在一些实施方式中，位于透镜465和检测器415 之间的分隔的孔径可以省略，可以考虑通过透镜465的尺寸来提供限定被过滤的角向范围 角α的第二极限孔径。图5是作为类似于图4中示意性地示出的位置感应装置400的位置感应装置的一 个实现的位置感应仪器(gauge) 500轴测剖视图。如图5中所示，位置感应仪器500另外包 括安装元件570。LED源506、漫射器508和位置感应光电检测器515通过被安装到安装元 件570而彼此相对地固定。安装元件570另外可以接收沿着测量轴方向MA引导可移动构 件525的线性运动的轴承或者弯曲部分(flexure)(未示出)。在图5所示的实施方式中， 第二极限孔径550被整合到可移动构件525的构造中。图6是根据本发明的位置感应装置600的第四实施方式的、垂直于测量轴方向的 示意性截面图的图示。除非另外指出，图6中的具有与图1和图2中的IXX和2XX相同的 “XX”后缀的6XX序号表示功能上类似或相同的元件。由此，总体上可以通过与先前的说明 类比来理解位置感应装置600的操作，并且这里仅说明它们的操作的特定方面。关于图6，位置感应装置600与图1和图2中的位置感应装置100和200的主要区别在于漫射光源605包括通过漫射器保持件627安装到移动孔径装置620的移动漫射器 608。固定的发光部(例如，LED 606)可以产生在移动漫射器608的平面608-P处横跨沿 着测量轴方向测量轴方向测量轴方向MA的尺寸光源范围LSR的光607。移动漫射器608可 以接收光源范围LSR中的各位置处的所产生的光607，并在随移动孔径装置620移动的状 态下将漫射源光610射向移动孔径装置620。如先前所述列出的，移动孔径装置620向测 量光斑630提供被角向过滤的光。将能明白，位置感应装置600的移动漫射器特性可以与 参考图1-5说明的各种其它特性(例如，各种尺寸关系、透镜装置等)组合使用。另外，在 一些实施方式中，至少漫射光源605的移动漫射器608可以定位成沿光轴方向OA比图6中 所示地更接近移动孔径装置620，使得可以减小至少所述移动孔径装置漫射器608的尺寸。 由此，将会明白图6中所示的构造仅是示例性的，而不是限定性的。应明白，尽管在上面列出的实施方式中已经示出或隐含了圆形第一和第二极限孔 径，但在各种其它的实施方式中，允许第一和第二极限孔径中的一个或者两者都是沿垂直 于测量轴方向的轴线的、稍微的拉长孔，以使额外的光通过到达检测器并提高装置的信号 强度。在这样的使用透镜的实施方式(例如，与使用透镜365和465类似)中，透镜可能包 括沿着与拉长的孔径相同的方向拉长的透镜(例如，棒形透镜，或者半柱透镜)。虽然已经示出和说明了本发明的优选实施方式，对于本领域的技术人员，基于本 公开对所示出和所说明的特性的装置及运行顺序进行多种变化是明显的。由此，应该明白 在不偏离本发明的精神和范围的前提下，能够进行各种改变。
权利要求
1.一种位置感应装置，其包括漫射光源，其构造成沿着光轴方向(OA)照射漫射源光，所述漫射光源包括至少一个发 光部；位置感应检测器，其相对于所述发光部固定，并且其感应面与所述漫射光源相对并且 近似与所述光轴方向(OA)垂直，其中所述位置感应检测器的感应轴近似与所述测量轴对 齐；和移动孔径装置，其位于所述漫射光源和所述位置感应检测器之间，并且被安装到可移 动构件，所述可移动构件在横跨沿着横断所述光轴方向(OA)的测量轴方向的尺寸MR的测 量范围上被线性引导，所述移动孔径装置构造成接收所述漫射源光并输出一部分漫射源光 以在所述位置感应检测器上形成测量光斑，沿着所述测量轴方向移动的、感应的光斑对应 于移动孔径装置沿着所述测量轴方向的位置，其中，所述位置感应装置被构造成使得所述移动孔径装置包括具有沿着所述测量轴方向的尺寸DPl的第一极限孔径和具有 沿着所述测量轴方向的尺寸DP2的第二极限孔径，其中所述第一极限孔径和第二极限孔径 沿着所述光轴方向OA彼此隔开距离LP，其中第二极限孔径更接近所述位置感应检测器，并 且LP是DPl和DP2中的较小者的至少2倍；所述孔径装置角向地过滤所述漫射源光，使测量光斑由小于所述漫射源光中包括的光 线的未过滤角范围的被过滤的角范围中的光线构成，这些光线来自所述漫射光源的、横跨 沿着所述测量轴方向的有效发光尺寸DLS的一部分；与作为所述测量范围内的位置的函数的所述未过滤的角范围包括的光线的角向光强 分布相比，所述被过滤的角范围内的光线的角向光强分布更符合作为所述测量范围内的位 置的函数；和所述位置感应检测器输出至少一个响应于所述测量光斑的信号，并且所述至少一个信 号表示所述可移动构件沿着所述测量轴方向的位置。
2.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成使 得所述有效发光尺寸DLS大于所述尺寸MR的0. 5倍。
3.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成使 得所述有效发光尺寸DLS至少为4*DP2。
4.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，所述漫射光源包括漫射器，该漫 射器用以接收所述发光部产生的光并射出所述漫射源光。
5.根据权利要求4所述的位置感应装置，其特征在于，所述漫射器相对于所述发光部 固定并且所述位置感应装置被构造成使得所述漫射器在沿着漫射光源范围的每一处射出漫射光，所述漫射光源范围沿着所述测 量轴方向横跨一尺寸LSR;和所述尺寸LSR大于(MR+DLS)。
6.根据权利要求4所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成使 所述漫射器安装到所述移动孔径装置并且随所述移动孔径装置移动。
7.根据权利要求6所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成使得所述发光部产生的光在所述漫射器的平面处横跨沿着所述测量轴方向的尺寸LSR ；和 所述尺寸LSR大于(MR+DLS)。
8.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，所述发光部包括发光材料，所述 发光材料在沿着光源范围的每一处从发光表面射出漫射源光，其中所述光源范围跨过沿着 测量轴方向的尺寸LSR ；并且所述位置感应装置被构造成使得尺寸LSR大于(MR+DLS)。
9.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成使 得在发出漫射源光的平面与所述第一极限孔径之间的源间隙尺寸源间隙尺寸LIN大于所 述距离LP。
10.根据权利要求9所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成使得所述第二极限孔径和所述感应面的平面隔开一检测器间隙距离检测器间隙距离LG ；和比率LP/LG至少为1. 0。
11.根据权利要求10所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成 使得所述比率LP/LG至少为2. 0。
12.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，还包括位于所述第二极限孔径 和所述位置感应检测器之间的透镜，所述透镜被构造用以接收来自所述第二极限孔径的、 被角向地过滤的漫射源光，并且将上述光传输到所述感应面上，以形成比无所述透镜的情 况下获得的测量光斑更为小型的测量光斑。
13.根据权利要求12所述的位置感应装置，其特征在于，所述透镜包括半球透镜，所述 半球透镜以所述透镜的凸形侧朝向所述第一极限孔径的方式装置并且被构造成将所述第 一极限孔径的平面上呈现的漫射源光成像在所述感应面上。
14.根据权利要求12所述的位置感应装置，其特征在于，所述透镜包括一种具有折射 率至少为1. 6的材料和蓝宝石材料中的至少一种材料。
15.根据权利要求12所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成 使得所述第一极限孔径和所述第二极限孔径中的至少一个极限孔径被沿着垂直于所述测 量轴方向的轴拉长；和所述透镜包括沿着垂直于所述测量轴方向的轴被拉长的透镜。
16.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，还包括位于所述第一极限孔径 和所述第二极限孔径之间的透镜，所述透镜沿着所述光轴方向与所述第一极限孔径隔开， 并且被构造用以接收来自所述第一极限孔径的漫射源光并且将所上述光传输通过所述第 二极限孔径并且传输到所述感应面上以形成比在无所述透镜的情况下获得的测量光斑更 为小型的测量光斑。
17.根据权利要求16所述的位置感应装置，其特征在于，所述透镜包括半球透镜，所述 半球透镜被以所述半球透镜的凸起侧朝向所述第一极限孔径的方式装置，并且被构造成将 所述第一极限孔径的平面处呈现的漫射源光成像到所述感应面上。
18.根据权利要求16所述的位置感应装置，其特征在于，所述透镜包括一种具有折射 率至少为1. 6的材料和蓝宝石材料中的至少一种材料。
19.根据权利要求16所述的位置感应装置，其特征在于，所述位置感应装置被构造成 使得所述第一极限孔径和所述第二极限孔径中的至少一个极限孔径被沿着垂直于所述测 量轴方向的轴拉长；和所述透镜包括沿着垂直于所述测量轴方向的轴被拉长的透镜。
20.根据权利要求1所述的位置感应装置，其特征在于，所述距离LP是DPl和DP2中的 较大者的至少2倍大。
全文摘要
本发明涉及一种位置感应装置，其包括光源，其沿光轴方向朝向检测器照射漫射源光；和移动孔径组件，其布置在光源和检测器之间，以垂直于光轴方向移动。移动孔径组件包括第一和第二极限孔径，所述极限孔径过滤漫射源光的角度并传输漫射源光以在检测器上形成测量光斑。检测器输出的至少一个信号表示可移动构件沿着测量轴的位置。形成测量光斑的被角向过滤的光线的根据沿着测量轴的位置的角向光强分布的一致性高于光源的角向光强分布。最终生成的测量光斑范围内的、在整个测量范围上的一致的光强分布增强了测量的线性度和精度。
文档编号G01B11/02GK102052928SQ201010535749
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月1日 优先权日2009年11月9日
发明者埃里克·H·阿尔滕多夫, 迈克尔·内厄姆 申请人:株式会社三丰