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如在权利要求1前序部分中所要求保护的光电位置测量装置，并涉及如在权利要求14前序部分中所要求保护的光电位置测量方法。在诸如大地测量和工业测量的许多应用领域中，需要确定方向、角度和长度作为位置。根据当前技术状态，角度测量技术中的发展已经导致经由机械读取操作实现全自动角度测量。已知的自动位置测量装置一般包括代码承载体和扫描装置。在角度测量装置中， 代码承载体通常设计为围绕轴相对于扫描装置旋转，在该情况下，代码承载体的角度位置构成待测量的变量。代码承载体例如可以具有用于确定位置的刻度或编码，可以将编码应用于代码承载体的表面或侧面。为了自动检测位置的目的，通过不同技术扫描能够相对于扫描装置移动的代码承载体。已知的扫描方法是电磁、电子和光电方法。下面的陈述涉及光电扫描方法和特别是具有照射装置和检测器的扫描装置。编码通常以完整的圆设置，以确定例如从0°到360°的角位置。通过编码类型和用于读取编码的扫描装置确定完整的圆的角分辨率。因而，例如，通过在多个轨道中应用代码或通过更细微的刻度来增加角分辨率，可实现的分辨率由于制造和成本的原因而受到限制。例如，一个或更多个检测器的结构是已知的，以读取代码。CCD线阵列或CCD区域阵列例如可以构成这样的检测器。通过构造反射面或通过构造可透照材料、使得以透射、反射或以组合的方法执行成像来形成代码。瑞士专利CH 658514A5公开了这样的用于测量角度位置的装置。这里，相对于传感器的表面的位置构成待测量的变量的标记被聚焦到该表面上。传感器的输出信号被引导到评估电路，评估电路随后确定由传感器生成的信号的强度分布。可以从强度分布得到标记相对于传感器的表面的位置。用于大地测量单元的位置测量装置的尺寸有利地保持为较小。为了允许相应地小并且不是非常复杂的设计，位置测量装置的照射装置和检测器在一段时间设置在公共的供电印刷电路板上，并且不像过去那样在代码承载体之上或之下，每种情况下这都在供电的单独的印刷电路板上实现。在具有并排设置的检测器和照射装置的现有技术的位置测量装置的情况下，例如通过具有两个平坦反射表面的偏转元件使发射的光束偏转，使得通过设置在光束路径下游的代码承载体在检测器上产生代码的图像。在该情况下，选择性地通过直接在照射源的下游的光学系统来使发射的光束准直。作为示例，美国专利US 7145127B2示出了用于位置测量装置的偏转元件，该偏转元件具有用于对所发射的光束进行两次反射的两个相互对准的表面，并且承载可以成像到传感器上的代码，并且因而另外地形成为代码承载体。因此，本发明的一个目的是提供一种具有简化的设计的位置测量装置以及适合于此的位置测量方法。另一目的是减小位置测量装置的尺寸并增加它的鲁棒性。通过实现独立权利要求的特征而实现这些目的。
根据从属权利要求推断出以另选或有利的方式发展本发明的特征。本发明基于用于照射位置代码的光束路径中的基本变化。根据第一部分的发明， 在该情况下，将光束引导移位到代码承载体。申请号为09151945. 5的欧洲专利申请中也描述了独立于第二发明的代码承载体的该第一配置，并在权利要求中进行了限定，其公开内容通过引用并入本说明书中。根据发展了该第一部分的发明的第二部分的发明，配置来自代码承载体的辐射的去耦合，以便用均勻的强度执行检测元件的照射。在现有技术中，通过尽可能垂直地将辐射引导到代码承载体上，根据透射光或反射光方法而执行位置代码的照射。根据特定的配置，这需要偏转元件或复杂的光束路径，结果是，除了针对该目的所要求的装置的尺寸，还增加了调整的费用并且降低了鲁棒性。根据本发明，用于照射的辐射耦合到代码承载体自身中，并至少在截面中引导，光束路径至少部分地位于代码承载体的延伸平面中，并且在多数情况下还位于位置代码的延伸平面中。这表示辐射的传播方向和光束路径的光轴位于该平面中，因而尽管使用了平面代码承载体或在区域上或线性地延伸的代码，但是实现了平面设计。优选地执行光束引导，直到位置代码自身，使得位置代码从代码承载体的外部照射。一般在现有技术中使用的材料玻璃或塑料可以用于该目的，作为合适的代码承载体材料，其中可以通过在界面处的反射执行光束引导。但是，原则上还可以使用例如由金属制成的孔，在内表面处执行反射。为了测角仪或旋转编码器的应用目的，例如可以使用具有外加的衍射代码的塑料圆或塑料环，诸如在WO 2008/141817中描述的。在光源的辅助下，照射用辐射通过窄的侧面从内部或外部耦合到该塑料圆。代表位置代码的刻度包括在盘的表面上交替出现的受干扰部分和未受干扰部分，它们由衍射、折射、吸收或反射结构形成。结果，位置代码例如可以在反射或透射中设计为相位光栅或振幅光栅。接收器设置为在圆的侧面上的区域阵列或线阵列，在该侧面上表面部分地受干扰，或者，给定适当的设计，在另一侧面上也能够使用多个阵列和光源，以确定或消除例如偏心误差的系统误差，或增加测量精度。例如，这样的高精度角度传感器通常应用于诸如坐标测量单元的大地测量单元或扫描测量机器。由于在代码承载体中的至少部分光束引导，所以能够通过从检测器的侧面耦合辐射或与侧面垂直的方式耦合辐射来实现非常平坦并且紧凑的结构。与现有技术中的方案相比，由此不再需要执行到与检测器元件相反的侧上的光束引导。该配置因此也允许辐射源、 检测器元件以及驱动和评估电子系统的结构在单个承载体(例如印刷电路板)上。与使用反射光或透射光的方法的现有技术的结构相比，由于在代码承载体内部的光束引导，出现了位置代码的不均勻照射的问题。因而，当通过全内反射(TIR)在代码盘内部引导辐射并且位置代码位于代码盘的一个端面上时，所述位置代码被倾斜地照射，使得在代码表面上不均勻地执行照射。另外，由于光的去耦合，在代码承载体中的背反射上存在降低，这导致在位置代码的后续点处更小的强度。由于这些设计引入的影响，位置代码被不均勻地(即，非均质地)照射，因此接收器元件的像素或传感器点记录不同的最大强度。根据第二发明，通过去耦合区的适当配置，照射在位置代码的区域中被均勻化。例如，可以利用两种方法来实现该目的。首先，可以将去耦合程度保持得较低，使得可忽略由在前部部分中的去耦合施加在后续代码部分上的影响。但是，该弱去耦合方法对于有用的光量施加了限制，或者需要强的源或高的接收器侧放大。
其次，去耦合特性可以配置为使得它是空间依赖的，特别是使得光学辐射被去耦合，从而针对随后的长度单位补偿由于去耦合导致在每长度单位上出现的强度下降。检测元件的所有传感器点或像素由此接收相同的光量。在该情况下辐射能够受到去耦合区的区域中的代码承载体或其表面的修改的多样性的影响。该区域可以优选地通过衍射或折射微结构来配置，特别是通过光栅结构或棱镜结构来配置。本发明的结构(即，根据第一部分发明或者附加地还有第二部分发明)在这里适合于旋转测量角度传感器，并且适合于测量线性位移。本发明的结构还可以用于就绝对项进行测量的系统和就相对或递增项进行测量的系统。作为示例，用于生产合适的代码承载体的合适方法可以是专用接触方法(例如注塑成型)的形式。由此可以将代码承载组件或代码承载体生产为由塑料以及例如由聚碳酸酯制成的专用组件；针对这些，可以得到快速和简单的复制方法。具体地，还可以应用诸如光学存储介质生产领域(例如压缩盘(CD)生产领域)中的常用的方法。在使用玻璃或塑料材料的情况下，辐射的入射窗和用于光束引导的表面可以被抛光。另外，可以向代码承载体涂敷适当的涂层，以减小或增大表面的反射率，即，用于耦合到代码承载体中并且随后用于代码承载体内部中的光束引导。借助于在附图中示意性地示出的示例性实施方式，纯粹作为示例，下面更详细地描述或说明本发明的位置测量装置和位置测量方法，在附图中
图1示出根据现有技术的作为具有光学可检测的位置代码的代码承载体的环形盘；图2示出现有技术的位置测量装置，照射源和检测器设置在代码承载体的不同侧；图3示出现有技术的位置测量装置，辐射在代码承载体的与照射源和检测器相反的侧偏转；图4_b示出用于测角仪示例的本发明的位置测量装置的设计的说明；图5示出本发明的位置测量装置中的光束引导的基本原理的说明；图6示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第一实施方式；图7示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第二实施方式；图8示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第三实施方式；图9示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第四实施方式；图10示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第五实施方式；图11示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第六实施方式；图12示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第七实施方式；图13示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第八实施方式；图14示出本发明的位置测量装置中的组件结构的第九实施方式；图15示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第一实施方式；图16示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第二实施方式；图17示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第三实施方式；图18示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第四实施方式；图19示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第五实施方式；
图20示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第六实施方式；图21示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第七实施方式；图22是在代码承载体中的创造性光束引导的情况下的去耦合问题的示意图；图23是本发明的弱去耦合原理的示意图；图24示出用于实现本发明的强去耦合的结构的第一实施方式；图25示出用于实现本发明的强去耦合的结构的第二实施方式；和图26示出用于实现本发明的强去耦合的结构的第三实施方式。作为根据现有技术的位置测量装置的典型示例，图1示出作为具有光学可检测的位置代码2的用于确定旋转位置的代码承载体1的环形盘。代码承载体1设计为环形段， 例如由塑料制成，并具有同心排列的代码轨道作为位置代码2。位置代码2的白色区域是光学透明的，并且黑色区域设计为是光学不透明的。能够通过照射代码承载体1的位置依赖部分来在代码承载体1的照射部分上产生具有编码信息的阴影投影，并因而具有与代码承载体1相对于在下面的图中示出的照射用辐射源的旋转位置有关的信息。为了获取该信息，为此目的使用由辐射源和检测器组成的读取头组合3，例如还可以按顺序使用多个读取头组合3，以确定或去除误差。图2示出现有技术的位置测量装置，辐射源31和作为检测元件的检测器32设置在代码承载体1的不同侧上。在该示例中，使用LED的辐射源31，该辐射源31直接发射光学辐射而不会偏转到位置代码2上。发射的辐射由虚线示出。代码承载体1具有位置代码2，并且设计为能够绕旋转轴6旋转。在现有技术的该典型结构中，尽管光束路径具有相对简单的设计，但不可能在一个并且相同的承载体结构 (例如印刷电路板4)上设置辐射源31和检测元件32。图3示出现有技术的位置测量装置，在代码承载体1的与辐射源31和检测元件32 相反的侧执行辐射偏转。在该示例中，使用激光二极管的辐射源31，该辐射源31设置为使得发射的辐射被垂直地引导通过代码承载体1或垂直地引导到代码承载体1周围，并且经由偏转元件5重新引导回位置代码2，随后引导到检测元件32上。在该示例中，尽管辐射源31和检测元件32可以设置在同一个印刷电路板4上，但在代码承载体1的相反侧上需要偏转元件5，偏转元件5将辐射引导回位置代码2上。现有技术的这两种不同结构防止组件按照平面并且简单或鲁棒的方式设置。图 4a-b中针对测角仪的示例示出能够实现该设置的本发明的位置测量装置的设计，图4a示出侧视图，并且图4b示出平面图。本发明的光电位置测量装置具有代码承载体1，代码承载体1的几何形状是环形的，具有光学可检测的位置代码2，并且可以相对于承载作为检测元件32的线传感器的组件旋转。位置代码2可以具体地设计为衍射代码。为了照射的目的，例如使用激光二极管或LED作为辐射源31，辐射源31具有光圈(这里未示出)并发射光学辐射，光学辐射经由位置代码2引导到用于接收至少一部分光学辐射的检测元件32上，结果是使得能够生成依赖于位置代码的信号，并且因而检测代码承载体1相对于检测元件32的位置。然而，根据位置测量装置或位置代码的设计，这里也可以利用一些其他类型的传感器，例如区域传感器或区域阵列。代码承载体1可以相对于检测元件32以一个自由度移动，即，在该示例中可以绕轴6旋转。根据本发明，辐射源31和代码承载体1按照以下方式设置和设计，该方式为使得光学辐射耦合到代码承载体1中，并且在位于位置代码2的平面延伸中的光束路径中、至少部分地在代码承载体1的内部被引导。在该情况下可以执行光束引导，直到代码承载体1的内部中的位置代码2。为此，代码承载体1由对光学辐射透明的材料形成，具体地由玻璃或聚碳酸酯形成，使得可以在代码承载体材料自身的内部引导辐射。另外，光束整形和/或光束偏转元件也可以集成在代码承载体1的表面上或内部中的光束路径中。在该示例中，光束辐射从内部径向耦合到代码承载体中，即，经由用作入射窗EF的环的狭窄内侧耦合到代码承载体中。但是，根据本发明，辐射还可以从外部径向耦合到代码承载体1中、耦合到侧面中、或者在轴向方向上通过端面之一耦合到代码承载体1中。光学元件可以集成到环或圆的内边缘或外边缘，或者边缘可以按照光学活性并且光束改变的方式设计。具体地，根据本发明，可以使用成像和偏转元件，诸如透镜、反射面或衍射元件。图5中更详细地说明了本发明的位置测量装置中的光束引导的基本原理，示出的图解能够与在图4a_b中示出的具有角度测量功能的位置测量装置和用于确定线性位移的位置测量装置二者关联。由辐射源31发射的辐射经由入射窗EF耦合到代码承载体1中，通过反射在内部被反射到与入射窗垂直取向的两个端面SFl和SF2上，并被引导到衍射地作用的位置代码 2。位置代码2的衍射图案被投射到检测元件32上，检测元件32在这里以略图示出。如果使用多个辐射源32，则辐射还可以通过所述源相对于入射窗EF的不同角度而完全混合并因此均质化。图6至图14通过多个实施方式示出能够以本发明的位置测量装置的构造实现的、 检测元件32和辐射源31在代码承载体1的相同侧的结构。图6示出在该情况下的本发明的位置测量装置中的组件结构的第一实施方式。检测元件32和辐射元件31这里设置在公共印刷电路板4上，但是辐射源31紧固在延伸臂上， 使得其辐射与印刷电路板4的延伸平行地发射，因此辐射可以耦合到代码承载体Ia的平面中。如在图4a_b和图5中所示，代码承载体Ia设计为环，经由支架8a产生到轴6的连接， 支架8a使安装向上偏移，使得为辐射源31保留了足够的空间。针对第二实施方式的图7中示出辐射源31和检测元件32直接设置在印刷电路板 4上。这里，两个组件都直接安装在印刷电路板4上，使得二者展现出垂直于印刷电路板4 的发射或接收方向。代码承载体Ib进而经由支架8b连接到轴6，支架8b使安装向上偏移。 但是，辐射现在通过偏转光束引导被耦合，可以使用用于使光束准直、经由棱镜或反射表面使之偏转，并随后使其重新聚焦的光学结构9。针对第三实施方式的图8中示出组件同样直接紧固在公共印刷电路板4上的甚至更平坦的结构。这里，光学辐射在与检测元件32检测投影的相同侧上耦合到代码承载体Ic 中，即，耦合不再通过作为入射窗的环的内侧执行，而是为此目的利用直接连接到轴6的代码承载体Ic的、面对印刷电路板4的下端面。光束通过集成到代码承载体Ic的偏转元件 (在该情况下，通过反射界面10)偏转到代码承载体Ic的延伸平面中，并因而进入其移动的平面中。例如可以通过利用由相同材料制成的两部分组装代码承载体Ic来产生反射界面10，能够将连接表面设计为斜面。另外，在该情况下，所述斜面还可以被涂覆以增加反射。在进入代码承载体Ic并偏转后，辐射接着被引导到移动平面和位置代码2的延伸平面中。在第四实施方式的情况下，如图9所示，作为辐射源31的激光二极管或LED设置有在承载体板4上的角接触，使得它的发射方向平行于承载体板4，并且可以执行到代码承载体Id的平面的耦合。在该示例中，代码承载体Id进而经由支架8d与轴6连接，支架8d 使安装或安装平面向上偏移。图10中示出与图9的实施方式类似的变型，作为第五实施方式，检测元件32在这里设置为使得它的接收方向同样平行于印刷电路板4并在代码承载体Ie的平面中。为此， 检测元件32可以同样按照与具有角接触元件的辐射源31类似的方式设计，或者如示例中所示，检测元件32可以装配在专用印刷电路板4'上，印刷电路板4'相应地按照相对于承载辐射源31的印刷电路板4成角度的方式设置其部件。因为改变的光束引导具有完全位于代码承载体Ie的平面中的光束路径，所以在该实施方式中，位置代码2设置在环形代码承载体Ie的外表面上。此外，代码承载体Ie进而经由偏移支架8e连接到轴6。图11同样示出与图9的实施方式类似、并且具有在公共印刷电路板4上的辐射源 31和检测元件32的相同结构的变型，作为第六实施方式。但是，位置代码2设置在代码承载体If内、与检测元件相反的侧上，使得在由检测元件32检测之前，位置代码2的投影仍在代码承载体If的材料内被引导，即，检测元件32不必安装在代码承载体If的与位置代码2相同的侧上。图12中示出具有附加的印刷电路板4"的组件的结构的第七实施方式。在该实施方式中，辐射源31按照对应于图9-11的方式紧固到还承载检测元件32的印刷电路板4上。 第二检测元件32以相反的接收方向紧固到第二印刷电路板4"上，第二印刷电路板4"平行于第一印刷电路板4，并与第一印刷电路板4 一起形成相对于代码承载体Ig的公共固定基准系统。两个检测元件32这里彼此相反地设置，S卩，接收方向彼此相对。辐射源31位于代码承载体Ig的槽或沟中，使得它在代码承载体的内部连续发射到外部，因而经由槽的内表面而进入代码承载体Ig的材料中。所述代码承载体Ig现在在两个相反端面处具有相同类型的两个位置代码2，尽管根据本发明也可以利用基本上不同的代码类型。在该示例中， 位置代码2和检测元件32分别设置为与支点相距相同间距。可以通过这种双重设计确定误差，例如代码承载体Ig的轴误差或倾斜。作为示例，取决于检测元件32相对于倾斜轴的倾斜方向和位置，这样的误差将导致成像代码的径向位置或角位置的指向相反的位移，根据该位移接着还可以确定倾斜。另外，两个检测元件32的使用还可以用于增加精度，例如通过形成两个旋转位置的平均值。图13中示出了类似的第八实施方式。给定了基本与图12的示例相同的设计，两个位置代码2现在设置为与支点相距不同间距或与代码承载体Ih的中心相距不同间距，并且这同样可以用于补偿误差或增加精度。当使用例如白色LED的宽带辐射源31时，可以在具有不同光谱特性的一个或更多个检测元件32的帮助下，例如还通过采用适当地适用于特定波长的光栅作为位置代码2， 来执行多评估。可以例如通过作为检测组件32的区域阵列上的滤光器实现这样的光谱敏感性。通过多次使用位置代码2和检测组件32，第七和第八实施方式允许各个组件的针对不同波长或波长区域的调谐的设计，使得能够进行多次测量。图14示出与第七和第八实施方式类似地设计的、并具有印刷电路板4和4"以及辐射源31和两个检测元件32的相同结构的第九实施方式。但是，代码承载体Ii的外边缘设置有彼此成角度的两个倾斜的表面，两个倾斜的表面与代码承载体Ii的上端面和下端面分别具有例如45°的角度。由辐射源31发射的辐射在这两个表面之间分离，并经由位置代码2'引导到分别指定的检测元件32。除了连续和周期性的振幅光栅，位置代码2'还可以例如设计为不连续的振幅光栅。按照纯粹示例性方式在图15-21中说明本发明的光束引导的不同变型。图15示出对应于图4b中示出的示例的本发明的位置测量装置中的光束引导的第一实施方式。辐射源31发射的辐射经由垂直于发射方向而取向的入射窗EF耦合到代码承载体IA中，并在端面SFl和SF2处反射。由于反射，辐射在从位置代码2延伸的平面中被引导、或在代码承载体IA中被引导，直到位置代码2，并在位置代码2处投射到检测元件32 上。通过图16中示出的光束引导的第二实施方式示出了类似的设计，在该情况中，将透射增加层11贴附于代码承载体IB的入射窗以提高辐射的耦合。除了对表面的提高反射的抛光，反射增加层12也可以设置在端面上，使得提高代码承载体IB的内部中的光束引导。另外，这样的层可以实现更多的特性，例如它们可以增加代码承载体IB的耐磨性或耐划伤性。另外，层的使用不限于该变型，并且可以使用其它的层来支持光束引导，示例为透射增加层(这里未示出)，该透射增加层作为用于去耦合位置代码2的区域中的辐射的出射窗。此外，在该示例中，与入射窗相反的表面不设计为矩形，而是为圆形并具有透镜的功能， 由此可以执行第二光束引导，例如以便去耦合散射光从而控制辐射源31。图17示出具有集成到代码承载体SF2中的偏转元件的本发明的位置测量装置中的光束引导的第三实施方式。为此，在与入射窗EF相反的倾斜的边界表面处实现反射，在该示例中，为此目的在代码承载体IC的外表面上设置斜面SF3。由于该斜面，辐射的至少一部分被偏转并引导到位置代码2以及检测元件32上。但是，除了形成斜面SF3之外，还可以使用其他光学活性元件或边缘表面配置或内部结构例如作为棱镜，或者通过将反射层引入代码承载体IC的材料中。图18中示出了利用特定形状的入射窗EF'作为发散改变元件的光束引导的第四实施方式。为了在代码承载体ID中实现最优的耦合和光束引导，当入射窗EF'具有光束影响、特别是发散改变的作用时，这可以是有利的。例如，这可以通过设计透镜形状并因而具有透镜功能使得在辐射源31的定位中获得更大的自由度来实现，或者可以在辐射源31的上游分布另外的可能有必要的光学器件。除了在入射窗EF'中或在入射窗EF'的下游形成透镜之外，针对该目的还可以使用例如直接地应用于另外的平面入射窗的表面的衍射结构。图19示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第五实施方式，在该情况下，按照垂直于代码承载体IE的延伸平面或垂直于定位代码2的平面的方式执行耦合。在该示例中，代码承载体IE在其耦合端处成一定角度，使得入射窗EF"平行于端面SFl和SF2取向。辐射因此按照垂直于端面SFl和SF2的方式通过入射窗EF"耦合，并且必须随后使其传播方向通过偏转元件改变，偏转元件这里形成为例如斜面SF4。该结构具有的优点在于， 辐射源31和检测元件32可以设置在作为公共承载体组件的印刷电路板上，如同也在图6 和图8中示出的那样。
通过图20中示出的本发明的位置测量装置中的光束引导的第六实施方式提供了同样的优点。这里，偏转作用通过代码承载体IF的平行于耦合方向的内侧处的反射实现， 并且还通过端面SF2处的反射实现。另外，入射窗EF'“设计有拱形表面，因而产生透镜效应。图21示出本发明的位置测量装置中的光束引导的第七实施方式，在该情况下使用衍射结构13作为入射窗，衍射结构13可以用于如希望地实际影响光束。在该示例中，存在从耦合方向到代码承载体IG的平面或延伸平面的直接偏转，耦合方向垂直于位置代码2 的平面。图22是在代码承载体中的本发明的光束引导的情况下的去耦合问题的示意图。 关于图15中示出的本发明的位置测量装置中的光束引导的第一实施方式，垂直于代码承载体的延伸平面执行光学辐射的去耦合，去耦合区在空间上与该示例中的位置代码一致， 并具有例如3mm的范围。这里，光学辐射同样通过全内反射在代码承载体中被引导。但是在其他实施方式中，去耦合区和位置代码2也可以在空间上不一致，例如当位置代码2设置在代码承载体的内部并且去耦合经由端面发生时。现有技术的方案利用通过与检测元件32 相反地设置的辐射源31'对位置代码2的照射(这里由虚线示出)，其结果是按照大致垂直于位置代码2的延伸的方式执行光束引导，特别是在这里作为示例示出的准直的基础上执行光束引导，存在对位置代码2的均质并且与结构无关的照射，并因而对去耦合区也是这样。然而，给定根据第一部分发明在代码承载体中实现的光束引导，光学辐射横向并且相对于位置代码或去耦合区倾斜地入射，其结果是可以导致空间上依赖的不同照射。根据辐射源31的定位，在代码承载体的壁处发生多重反射，并且还在位置代码2的区域或去耦合区中发生多重反射。但是，在该区域中的辐射或光的去耦合降低了强度，并且因此位置代码 2的随后区域被更弱地照射。根据第二部分的发明，光学辐射经由去耦合区中的去耦合而被弓丨导到检测元件32上，光学辐射被去耦合，使得检测元件32被大致均质地照射，即，具有均勻并且与结构无关的强度分布。本发明针对均质化的第一选择是在图23中示意性示出的弱去耦合的原理。这里， 在去耦合区中去耦合的光学辐射的部分保持得如此少，使得每个传感器点收集的光量大致相同，通过这里示出的各个传感器点的振幅33示出了这种情况，并且结果是去耦合区内的大致线性的去耦合特性。则在该示例中，初始存在的光能的仅5%在去耦合区中被去耦合， 并且因此每长度单位都有大致相同的光量被引导到接收元件上。这样的去耦合例如可以通过在去耦合区上均勻、并且因此恒定的衍射或折射表面结构来实现。本发明针对均质化的第二选择是针对一些示例性实现的、在图M-26中示出的强去耦合的原理。这里，去耦合配置为使得它具有空间依赖特性。具体地，光学辐射可以被去耦合，使得针对随后的长度单位补偿由于去耦合而在每长度单位上出现的强度下降。各种技术可用于此。因而，在去耦合区的区域中能够出现吸收、反射或透射性上的空间依赖的增加或减少，例如是因为在该区域中代码承载体具有改变吸收性或透射性的空间依赖层，或者是因为通过具有不同的吸收或透射性的多个层在去耦合区中实现了空间依赖。因而，作为示例，具有不同厚度的层可以应用于代码承载体，其中当从光源看时，层的厚度减少并且透射增加。由此可以针对阵列中的传感器点的各行提供具有变化的透射性的带，因此同样导致空间依赖。
另外，还可以使用折射率的振幅全息图或调制，其可以调制设置在代码承载体上的层的折射率以便产生体光栅。具体地，去耦合区例如可以具有折射和/或衍射微结构，诸如微棱镜、光栅或其他梯度光学结构。具体地，位置代码自身可以通过这些微结构形成，使得代码和均质化功能在空间上一致，并且优选地由相同的结构实现。在该情况下，作为明亮区的光的空间去耦合构成两个代码元件之一，而不存在去耦合的用作黑暗区，并因而作为其他代码元件。随后，去耦合实现一种类型的代码条，即，在该情况下，去耦合自身实现代码图案。但是另选地，位置代码也可以与去耦合独立地形成，例如作为带图案或衍射代码，接着去耦合区可以进而均质地配置，并且在编码方向上没有空间依赖的可变性。图M示出用于实现本发明的强去耦合的结构的第一实施方式，微结构的结构宽度按照垂直于去耦合方向的方式在去耦合区中被调制。在该示例中，去耦合被向上并且按照垂直于结构范围的方式执行，并且给定相同的周期性长度，凸起的结构的长度从左到右相对于凹处减少，并且因此传号脉冲与空号脉冲之比(mark-space ratio)被调制。在图25中的用于实现本发明的强去耦合的结构的第二实施方式的情况下，微结构的结构宽度在去耦合区中在去耦合的方向上被调制，即，在图中向上并且按照垂直于光栅结构的水平走向的方式被调制。具体地，这里作为引入到基板的凹处的光栅深度可以从左到右升高，使得针对存在的剩余辐射的去耦合程度按照空间依赖的方式增加。最后，图沈示出用于实现本发明的强去耦合的结构的第三实施方式，在该情况下，微结构与代码承载体1内部中的光束路径的间距在去耦合区中被调制，同样，按照垂直于代码承载体1的延伸并且在图中向上的方式执行去耦合。在该示例中，微结构由此具有类似的设计，并且它们的尺寸或形状不是空间依赖的，但与在代码承载体1中被引导的光束路径的间距从左向右减小，即，相对于盘形代码承载体1从内部向外部减小。还可以组合在去耦合方向上或与去耦合方向垂直的方向上的结构尺寸的变化，针对与相对于光束引导的间距的变化的组合，这也是有效的。因而，作为示例，针对盘形代码承载体，可以在去耦合区中设计具有径向向外增加的尺寸的棱镜，棱镜结构可以设计为独立于代码结构的圆周沟道，或设计为代码自身。在该情况下，作为使光或辐射去耦合的结构，棱镜构成编码元件之一，而在不存在任何去耦合的情况下，这些区包含各自其他的元件。不言而喻，这些示出的图仅表示可能的实施方式的示例和选择的方面。具体地， 各种元件可以在其他组合中彼此组合。因而，例如，可以在所有结构中使用涂层或衍射结构，或者根据本发明利用多次偏转或光束整形来实现光束引导的更复杂的情况。同样，示出的代码承载体、检测元件或去耦合区以及它们的相对取向应被理解为仅是示意性和示例性的。在所有变型中，同样可以使用具有线性设计或二维设计、并具有调谐为代码承载体的形状和运动方向的各种取向的传感器组件。
权利要求
1.一种光电位置测量装置，该光电位置测量装置具有 代码承载体(l，la-i，lA-G)，所述代码承载体(l，la-i，lA-G)具有至少一个光学可检测的位置代码(2，2')； 辐射源(31)，所述辐射源(31)用于发射光学辐射，具体地为LED或激光二极管；和 具有传感器点的至少一个检测元件(32)，所述至少一个检测元件(32)用于接收所述光学辐射的至少一部分，具体地为线传感器或二维传感器，其结果是能够生成依赖于所述位置代码(2，2')的信号，并且因此能够检测所述代码承载体(l，la-i，lA-G)相对于所述检测元件(32)的位置，所述代码承载体能够相对于所述检测元件(32)以一个自由度移动，具体地以旋转或平移的方式移动，并且所述辐射源(31)和所述代码承载体(l，la-i，lA-G)按照以下方式设置并设计，该方式为使得所述光学辐射耦合到所述代码承载体(l，la-i，lA-G)中，并且在所述代码承载体 (l，la-i，lA-G)的内部、至少部分地在位于所述代码承载体(l，la-i，lA-G)的延伸平面中的光束路径中被引导，直到所述位置代码(2，2')，并且通过在去耦合区中去耦合而被引导到所述检测元件(32)上， 其特征在于，执行所述光学辐射的去耦合，使得按照大致均质的强度分布照射所述检测元件(32)。
2.根据权利要求1所述的光电位置测量装置， 其特征在于，在所述去耦合区中去耦合的所述光学辐射的分量如此之小，以使得每个传感器点收集的光量大致相同，结果是在所述去耦合区内的大致线性的去耦合特性。
3.根据权利要求1所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述去耦合具有空间依赖特性，具体地，所述光学辐射被去耦合，使得针对随后的长度单位补偿由于所述去耦合导致的在每长度单位上出现的强度下降。
4.根据权利要求3所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述去耦合区具有折射和/或衍射微结构，具体地，所述位置代码(2，2')自身通过这些微结构形成。
5.根据权利要求4所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述微结构的结构宽度按照垂直于去耦合方向的方式在所述去耦合区中被调制，具体地传号脉冲与空号脉冲之比被调制。
6.根据权利要求4或5所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述微结构的结构宽度在所述去耦合方向上在所述去耦合区中被调制，具体地栅格深度被调制。
7.根据权利要求4至6中的一项所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述微结构相对于在所述代码承载体(l，la-i，lA_G)的内部中的所述光束路径的间距在所述去耦合区中被调制。
8.根据前述权利要求3至7中的一项所述的光电位置测量装置， 其特征在于，折射率在所述去耦合区中被调制，具体地被设置为所述代码承载体上的体光栅的层的折射率在所述去耦合区中被调制。
9.根据前述权利要求3至8中的一项所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述去耦合区具有振幅全息图。
10.根据前述权利要求3至9中的一项所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述去耦合区具有按照空间依赖方式改变吸收性或透射性的至少一个层，或者通过具有不同的吸收性或透射性的多个层在所述去耦合区中实现所述空间依赖特性。
11.根据前述权利要求中的一项所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述光学辐射按照垂直于所述代码承载体(l，la-i，lA-G)的延伸平面的方式去耦合。
12.根据前述权利要求中的一项所述的光电位置测量装置， 其特征在于，通过全内反射在所述代码承载体(l，la-i，lA-G)中引导所述光学辐射。
13.根据前述权利要求中的一项所述的光电位置测量装置， 其特征在于，所述代码承载体(l，la-i，lA-G)具有环形或盘形几何形状，具体地，所述光学辐射从内部或外部径向地耦合到所述代码承载体(l，la-b，la-i，lA-D)中。
14.一种用于确定代码承载体(l，la-i，lA-G)的位置、具体地用于确定代码承载体(1， la-i,lA-G)的角度或长度的光电位置测量方法，所述代码承载体(l，la-i，lA-G)承载至少一个位置代码(2，2')，并能够相对于至少一个检测元件(32)以一个自由度移动，具体地以旋转或平移的方式移动，该方法包括 根据所述代码承载体(l，la-i，lA-G)的位置，在所述检测元件(32)上生成投影代码 (2,2')的一部分的投影， 所述生成至少包括□向所述位置代码(2，2')上发射光学辐射，以及 □通过所述检测元件(32)检测所述投影， 以及 根据所述投影得到所述代码承载体(l，la-i，lA-G)相对于所述检测元件(32)的位置，所述光学辐射被耦合到所述代码承载体(l，la-i，lA-G)中，并且在所述代码承载体(l，la-i，lA-G)的内部至少部分地在位于所述代码承载体 (l，la-i，lA-G)的平面延伸中的光束路径中被引导，具体地被引导直到所述位置代码(2， 2')，以及在去耦合区中被去耦合到所述检测元件(32)上， 其特征在于，所述光学辐射被去耦合，使得按照大致均质的强度分布照射所述检测元件(32)。
15.根据权利要求14所述的光电位置测量方法， 其特征在于，具有空间依赖特性的所述光学辐射被去耦合，使得针对随后的长度单位补偿由于去耦合导致的在每长度单位上出现的强度下降。
全文摘要
本发明涉及具有代码承载体(1)的光电位置测量装置，代码承载体(1)承载至少一个光学记录位置代码(2)并由来自辐射源(31)的光学辐射照射。光学辐射的至少一部分由至少一个记录元件(32)记录，由此可以生成取决于位置代码(2)的信号，并且因此可以记录代码承载体(1)相对于记录元件(32)的位置，其中代码承载体能够以一定自由度相对于记录元件(32)移动，具体地为旋转或平移。辐射源(31)和代码承载体(1)设置并设计为使得光学辐射耦合到代码承载体(1)中，并且至少部分地在位于代码承载体(1)的延伸水平中的所述代码承载体(1)的内部中的光束路径中被引导，具体地引导到位置代码(2)。在去耦合区中发生光学辐射的去耦合，使得通过大致均质的强度分布来照射记录元件(32)。
文档编号G01D5/347GK102308186SQ201080006496
公开日2012年1月4日 申请日期2010年2月1日 优先权日2009年2月3日
发明者海因茨·利普纳 申请人:莱卡地球系统公开股份有限公司