光电设备及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于测量线性位移的光电设备和用于确定至少一个旋转角度的相关方法。
【背景技术】
[0002]用于测量线性位移的光电设备包括沿线性测量方向相对于彼此位移的两个元件，且所述设备被设置为确定这两个元件之间的相对位移。所述元件是标尺和读取头(readhead)，所述标尺通常被固定至机器表面并且保持固定，所述读取头布置在相对于标尺的特定分开距离处并且相对于标尺沿测量方向线性位移，用光学装置扫描标尺。所述标尺包括由具有不同反射特性的连续部分区域构成并且沿测量方向以特定周期分布的递增轨道，并且作为由读取头对其进行光学扫描的结果，随着所述读取头沿测量方向位移，生成可以用来确定两个元件之间的相对位移的周期性电信号(取决于标尺的周期)。通常生成两个正交信号和它们的相对应的负信号，并且根据所述信号中的至少一个信号的侧沿(flank)来确定位移。测量精度取决于被考虑的所述信号的侧沿的数量和具有不同反射特性的标尺的连续部分区域的周期。
[0003]—些设备还包括标尺中的至少一个基准指针(index)，使得两个元件的相对位移能够通过使用将基准指针检测为基准位置的位置来确定。例如在文献EP1775558A1中公开了这种设备的示例。
[0004]例如，在其它设备(诸如在文献EP2199752A1中公开的设备)中，使用平行于标尺的额外的轨道代替基准指针。该平行轨道由形成伪随机码的具有不同反射特性的连续部分区域形成。由于该额外的轨道，还一直能够确定这些元件中的一个元件相对于另一个元件的绝对位置。
[0005]对于这种设备，理想地是，两个元件在安装时以及在两个元件的相对位移期间彼此平行。实践中，由于一个元件能够相对于另一元件旋转或被旋转，所以情况通常不是这样。作为示例，图1描绘了固定的第一元件I’的坐标轴Xp Y1，和Z1，以及可相对于第一元件I’位移的第二元件2’的坐标轴X2，、Y2，和Z2，，两个元件平行，并且所述第二元件2’相对于坐标轴Χ2,、Υ2,和Z2,的可能旋转Rl (俯仰(pitch))、R2(偏转(yaw))和R3 (横滚(roll))被描绘在第二元件2’的所述坐标轴X2，、Y2，和Z2,上，所述旋转将导致两个元件I’和2’之间的平行损失。当存在第二元件2’相对于坐标轴Χ2，、Υ2，和Z2，中的任一个的旋转R1、R2或R3(并且因此，相对于第一元件I’旋转)时，在相对于两个平行元件I’和2’所处的位置的相对应的方向上存在所述第二元件2的角度偏差，并且所述偏差利用相对应的旋转角度来量化:针对旋转Rl的俯仰角度、针对旋转R2的偏转角度和针对旋转R3的横滚角度。旋转R1、R2和R3，尤其是旋转Rl和R2，能在位移方向V上产生错误的位置测量，因此确定至少一个旋转角度可以用来纠正在测量方向X上获得的位置测量值，并且因此防止由于相对应的旋转而产生的可能误差。
[0006]文献EP1271107A1公开了至少部分解决该问题的设备，因为它提出了检测并且量化俯仰(与图1中示出的旋转Rl相关联的旋转角度，即，俯仰角度)的方式。所述设备的标尺包括具有在限定两个明确区分的周期的测量方向上分布的有不同反射特性的连续部分区域的递增轨道，从而当读取头位移时产生两个不同的扫描信号。每个扫描信号是测量系统的部分，并且该文献提出了将利用两个不同测量系统获得的扫描信号进行比较以检测并量化俯仰，并由此能够纠正俯仰。
【发明内容】
[0007]如在权利要求中限定的，本发明的目的是提供一种用于测量线性位移的光电设备及其方法。
[0008]本发明的第一方面涉及一种用于测量线性位移的光电设备，该光电设备包括第一元件、相对于所述第一元件可在测量方向上线性位移的第二元件以及用于确定这些元件中的一个元件相对于另一元件的位置的控制装置。所述第二元件包括用于照射所述第一元件的镜面反射表面的发射装置和用于接收从所述镜面反射表面反射的光的至少部分的接收区，镜面反射表面被解释为具有以镜面方式反射其接收的光的至少部分的能力的表面。
[0009]本发明的设备还包括布置在所述发射装置与所述接收区之间的光路中的窗口，且所述窗口包括具有在测量方向上分布的有不同光透射特性的连续部分区域的干扰区。所述控制装置适于将从在从所述反射表面反射后并且穿过所述窗口的所述干扰区之后到达所述接收区的光在所述接收区中生成的光强分布与预定光强分布图案进行比较，并且适于根据所述比较的结果来确定两个元件之间的俯仰角度。例如，至少关于在两个元件在所述测量方向上的相对位置的维度(dimens1n)方面由于存在俯仰而产生的可能误差，确定俯仰角度使得能够纠正所述维度。
[0010]因此，由于窗口及其干扰区，从镜面反射表面反射的单个光强分布足以确定装置的两个元件之间的俯仰量(俯仰角度，该俯仰角度是图1中示出的与旋转Rl相关联的旋转角度)，所述反射表面必须满足具有镜面反射能力的唯一条件，因此第一元件的能够以镜面方式反射光的任何表面均可用作反射表面来确定两个元件之间的俯仰角度。另外，在比较两个光强分布(两个“图像”)时，也可以以静态方式确定俯仰，而无需为该目的使一个元件相对于另一个元件位移，这例如在装配设备时可以是有益的，因为在装配期间可以以快速和简单的方式检测俯仰量，以便在必要时将其纠正(纠正装配或在设备操作期间的特定位置)。
[0011]本发明的第二方面涉及一种为用于测量相对于彼此线性位移的两个元件之间的线性位移的光电设备确定至少一个旋转角度的方法。所述装置包括第一元件、相对于所述第一元件在测量方向上可线性位移的第二元件以及用于确定两个元件之间的相对位置的控制装置。在所述方法中，通过所述第二元件的发射装置照射所述第一元件的反射表面，至少部分反射光在所述第二元件的接收区中被接收。另外，使用于照射所述反射表面的光在到达所述接收区之前穿过包括具有不同光透射特性的连续部分区域的干扰区的窗口。在已经干扰所述光之后，将在所述接收区中生成的所产生的光强分布与预定光强分布图案进行比较，并且根据所述比较的结果来确定两个元件之间的俯仰角度，至少获得上述针对本发明的第一方面所述的优点。
[0012]根据本发明的附图和详细描述，本发明的这些及其它优点和特征将变得显而易见。
【附图说明】
[0013]图1示出了在用于测量线性位移的光电设备中相对于另一元件线性位移的元件能够具有的旋转。
[0014]图2示意性示出了本发明的光电设备的实施方式。
[0015]图3示出了图2的设备，第二元件相对于第一元件具有俯仰角度。
[0016]图4是本发明的设备的实施方式的窗口的部分平面图。
[0017]图5是本发明的设备的第一优选实施方式的第一元件的平面图。
[0018]图6是本发明的设备的第二优选实施方式的第一元件的平面图。
[0019]图7是图6的第一元件以及相对于该第一元件对齐的第二元件的平面图。
[0020]图8是图6的第一元件以及相对于该第一元件具有偏转角度的第二元件的平面图。
[0021]图9a是图2和图3中示出的设备的叠置。
[0022]图9b是在图9a的叠置的设备中的光路径的图形描绘。
[0023]图10示出了在本发明的设备的一个实施方式中响应于第二元件与第一元件之间出现俯仰角度对表示两个光强分布的两个周期性信号进行的比较。
[0024]图11示出了在本发明的设备的一个实施方式中响应于第二元件与第一元件之间没有俯仰角度以及响应于工作距离相对于标定工作距离的偏差对表示两个光强分布的两个周期性信号进行的比较。
【具体实施方式】
[0025]本发明的第一方面涉及诸如例如在图2和图3中示出的用于测量线性位移的设备100。设备100包括第一元件1、在测量方向X上可相对于第一元件I线性位移的第二元件2和用于确定两个元件I和2之间的相对位移的控制装置3，并且该控制装置3还适于确定例如在图3中描绘的元件I和元件2之间的俯仰角度α，该俯仰角度α是以上讨论的可能的旋转角度中的一种(具体地，与图1中示出的旋转Rl相关联的旋转角度)。因此，当计算两个元件I和2在测量方向X上的相对位置时，能够考虑所