CN100374823C - 位置测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种位置测量装置，它包括：测量体，该测量体具有至少一个沿直线或曲线分布的测量刻度；借助光源来扫描该测量刻度的扫描机构；该扫描机构的接收单元，可借助该接收单元接收由光源发出的并因该测量刻度而改变的光线以便进行分析；安置在该测量体和该接收单元之间的并由光学透镜构成的透镜装置，该透镜装置用于在该接收单元上产生该测量刻度的规定图象。本发明规定，该透镜装置被构造成用于产生该测量刻度(20)的图象(20′)，该图象沿一条线(G)延伸并且其曲率不同于那条测量刻度(20)沿其分布的线(R)的曲率。
Description
技术领域
本发明涉及一种位置测量装置。
背景技术
这样的位置测量装置包括：一个测量体，它具有至少一个沿直线或曲线分布的刻度；一个借助光源扫描该测量刻度的扫描机构；该扫描机构的接收单元，可借助该接收单元接收由光源发出的并因该测量刻度而改变的光线以便进行分析；以及安置在该测量体和该接收单元之间的并由光学透镜构成的透镜装置，该透镜装置用于在该接收单元上产生该测量刻度的规定图象。
这样的位置测量装置用于确定两个相对运动的物体的例如机床的两个相对运动的机床部件的相对位置。为此，测量体与这两个物体中的一个相连，扫描机构与其中的另一个相连，从而通过借助测量刻度对测量体的扫描，可以确定出这两个物体沿该测量刻度的分布方向(测量方向)的运动程度。在这里，利用其测量刻度沿直线分布的所谓的线性位置测量装置，可以测量出两个物体的线性相对运动，而所谓的角度测量装置用于确定两个可相对转动物体的相对位置。原则上，测量刻度可以沿任意的线分布，应该沿该线测量两个相对运动的物体的相对运动。
线性位置测量装置的测量刻度的不同构造以及用于确定曲线运动的位置测量装置的不同构造导致了接收因该测量刻度(反射透射法)而改变的光线以便进行分析的接收单元(光电探测器)必须适应于各种测量刻度的几何形状。这尤其适用于接收单元的光敏表面的构造和扫描，这样的表面一般通过适当的光电集成电路(0pto-Asic)构成。为不同的测量刻度几何形状采用不同的光电探测器造成生产成本的相应提高。
EP0801724B1公开了一种位置测量装置，其中，在借助光扫描的测量刻度和对应的光电探测器之间设有一个分析光栅，以便从因测量刻度而改变的光线中产生一个合成条纹图案。在这里，这个分析光栅是如此构成的，即由通过圆环形测量刻度而改变的光线中产生一个直线延伸的条纹图案，或相反地，由通过直线测量刻度而改变的光线图案产生一个成圆环形分布的条纹图案。这样一来，例如可以在扫描圆环形测量刻度时产生一个要由光电探测器接收的条纹图案，该条纹图案按照与在通常在扫描直线测量刻度时产生的条纹图案一样的方式直线分布。因而，可以在使用同一类型的光电探测器的情况下分析角度测量装置的条纹图案以及线性位置测量装置的条纹图案。
US-PS5486923公开了在一个位置测量装置中使用一个衍射光栅作为波前锋修正结构。US-PS4577101公开了一种光电角度测量装置，其中，圆环形测量刻度在使用锥形反射镜和圆柱透镜的情况下被投影到一个线性光电探测器上。
发明内容
本发明的任务是进一步改善上述类型的位置测量装置。
根据本发明，通过提供一种位置测量装置解决该问题。该位置测量装置包括：测量体，该测量体具有至少一个沿直线或曲线分布的测量刻度；借助光源来扫描该测量刻度的扫描机构；扫描机构的接收单元，可借助该接收单元接收由光源发出的并因该测量刻度而改变的光线以便进行分析；安置在测量体和接收单元之间并由光学透镜构成的透镜装置，该透镜装置用于在接收单元上产生测量刻度的规定图象；其中，透镜装置被构造成用于产生测量刻度的图象，该图象沿一条线延伸，所述线的曲率不同于那条测量刻度沿其分布的线的曲率，其特征在于，透镜装置的投影比例沿着与沿一个环分布的该测量刻度的中心轴线或该透镜装置的中心轴线有关的径向而变化。
因此，如此构成用于在接收单元上产生测量刻度的规定图象的位置测量装置的透镜装置，即所产生的图象沿一条线延伸，其曲率不同于该测量刻度沿其分布的线的曲率。就是说，例如由此可以由线性分布的测量刻度在接收单元上产生一个弯曲的图象，或者由弯曲的测量刻度产生一个直线延伸的图象，或者产生一个其曲率不同于前述曲率的图象。
据此，本发明的解决方案规定了使用一个透镜装置来相对该测量刻度的曲率改变该图象的曲率(其中在这个总称谓中也包含了作为其曲率半径无穷大的刻度的直线测量刻度)，以便如此由曲率不同的测量刻度产生一个具有同一曲率的图象，即可以用同一类型的接收单元来分析这些测量刻度不同的图象。
本发明的解决方案尤其适用于具有直线分布的测量刻度的位置测量装置(所谓的长度测量装置)或者具有沿一个环且尤其是圆环分布的测量刻度的位置测量装置即所谓的角度测量装置。在这里，后者不一定沿该环或圆环的整个外周延伸。确切地说，也可以由一个弯角段构成相应的测量刻度，该弯角段只沿一个环或圆环的一部分延伸。
与一个呈环形分布的测量刻度构成一个闭合环或只是一个环的一部分无关地，这样的测量刻度通前后排列呈环形的环段构成，这些环段分别在径向上有规定的延伸长度并且其宽度(在该环的圆周方向上的延伸长度)沿径向改变，即沿径向向外增大。为了形成一个环形测量刻度的直线延伸的图象，该测量刻度的这些环段的通过透镜装置形成在接收单元上的图象分别具有恒定的宽度，即沿该图象的直线延伸方向具有恒定的延伸长度。可以为此规定，该透镜装置的投影比例与该环的中央轴线相关地沿径向变化，该中央轴线就是测量刻度整个或部分沿其延伸的轴线，确切地说，所述投影比例沿径向从内向外地从大于1的值减小到小于1的值。这例如可以这样做到，即投影比例与该测量刻度的一点距该测量刻度的中央轴线的距离成反比。后者又是这样做到的，即该透镜装置的这些透镜的焦距与该测量刻度的中央轴线相关地沿径向改变。
另外，透镜装置被构造成用于实现这样的转换，即这些环段的图象无重叠地并且最好彼此紧邻地前后排列。
相反，可以由沿着一条直线前后排列的细线(宽度恒定的线段)构成的直线分布的测量刻度产生一个弯曲的环形图象，其做法是，一个环形透镜装置的投影比例与该透镜装置的中央轴线有关地沿径向改变，尤其是从小于1的值沿径向向外地增大到大于1的值。
尤其是这样的透镜装置适用于由测量刻度产生上述类型的图象，即该透镜装置包括两组透镜，这两组透镜布置在两个相互相互平行延伸的平面的各一个平面中，在这里，这些平面如此取向，即因测量刻度而改变的光线与这些平面相交。
在这种情况下，这两组透镜各自成对地组成一个单元，一个单元的透镜各自垂直于这两个平面地前后布置，从而经过一个单元的第一透镜的光线的至少一部分随后到达同一单元的第二透镜，而不到达该透镜装置的另一单元的第二透镜。这样一来，应该防止了在透镜装置的不同单元之间的交叉调制。
为了避免交叉调制，作为替换方式或者除上述措施外，还可以采用一个光阑结构，它设置在这两个透镜组之间或者布置在光线最后经过的那个透镜组的平面里。在这种情况下，尤其是该透镜装置的每个单元配有该光阑结构一个开口。借助这样的光阑结构，可以如此引导光线，即已经过该透镜装置的一个单元的第一透镜的光线不会到达该透镜装置的另一单元的第二透镜。
这两组透镜最好分别平行于测量体和平行于该扫描机构的光敏表面布置。它们最好分别由呈环形前后布置的(环段状)透镜构成，其中，这两个透镜组的中心点位于一条直线(共同的轴线)上或一个圆弧上。
还可以规定，这两个透镜组的这些透镜的透镜中心点被布置在一个由多行构成的两维场中，或者该透镜中心点分别沿多个半径不同的同心环线布置。
在这种情况下，该两维场的这些行基本上平行于该测量刻度的分布方向延伸并且不同的行交错布置在该测量刻度的分布方向上，此外，不同的环线的中心点在方位角方向上交错布置。
这些透镜本身最好局部被构造成具有按规定取向的顶点垂线的圆柱透镜，在这种情况下，它尤其可以是圆柱对称透镜。
根据本发明的一个优选实施形式，该透镜装置的一组中的透镜分别垂直于各透镜组的延伸平面地隆起，其中这些透镜的顶点垂线沿径向延伸并且相交于一点上。
此外，这两个透镜组的顶点垂线的交点如此在径向上相互间隔开，即在该透镜装置的一个单元中，沿光轴看，这个单元的两个透镜的顶点垂线分别对准地前后布置，在该透镜装置的另一单元里，两个透镜的顶点垂线分别垂直于光轴地相互错开。这样一来，一个环形测量刻度的这些环段在第一图象平面里不重叠地沿一条直线前后排列，这些环段由于由位置决定的所选投影比例而被转换为宽度恒定的矩形段。
为此规定，沿光轴看，一个单元的透镜的相互错开的顶点垂线相互交叉，确切地说这样交叉，即第一透镜组和第二透镜组的顶点垂线的交点在径向上相互错开。同时，这些沿圆周方向界定出一个环形透镜组的各透镜的侧边界线对于一个单元的两个透镜来说是对准排列的，因而，沿光轴看，一个单元的两个透镜基本上对准。
不仅衍射透镜(也成多级衍射结构的形式)可用做光学透镜，而且反射透镜可用作光学透镜。
本发明的位置测量装置的解决方案不仅可以被用在这样的测量刻度上，即它们可以按照反射法来扫描，也可以被用在可按透射法扫描的测量刻度上。另外，按照本发明来形成位置测量装置不仅对绝对测量系统(测量体带有绝对代码道)是实用的，而且对增量测量系统(测量体带有周期性测量刻度)是实用的。
测量体可以具有多个垂直于其延伸方向并列的道，这些道可用光来扫描以便测量位置。此外，至少这些道中的一部分可以通过一个共同的透镜装置来成像，和/或至少部分道可以通过独立的透镜装置来成像。在这里，每个透镜装置的两个透镜组能各自安置在一个共同的基板上。
附图说明
在以下结合附图对实施例的说明中，本发明的其它特点和优点将变得清楚，其中：
图1是一个用于角度测量的位置测量装置的横截面图，该位置测量装置具有一个可按透射法来光扫描的环形分布的代码道以及一个用于在光电探测器上形成通过代码道而改变的光的图象的透镜装置；
图2a表示图1的代码道的环段以及这些环段的图象；
图2b是表示图1的这些环段和其图象的另一视图；
图3a表示图1的代码道的多个沿一圆环并列布置的环段；
图3b-3d表示在产生图3a所示透镜装置的图象时的转换步骤，其中该图象通过成直线前后排列的宽度恒定的段构成；
图4a是图1的透镜装置的一个透镜组的俯视图；
图4b是图1的透镜装置的截面图；
图5表示图1所示透镜装置的一个透镜组和光阑结构的局部；
图6表示图1的透镜装置的改进方案的局部；
图7表示一个用于按反射法扫描测量刻度的位置测量装置；
图8表示图2a的转换方式的变型方案。
具体实施方式
图1示出了一个用于角度测量的位置测量装置(即角度测量装置或旋转编码器)，它具有一个测量体2和一个沿测量方向即沿一个圆环相对测量体2移动的扫描单元1，该扫描单元用于扫描测量体2。测量体2在这里成一个绝对的旋转编码器的刻度盘的形式并且具有成包含绝对位置信息的代码道20(PRC道)形式的测量刻度，所述代码道呈圆环形围绕着用于测量体2和扫描单元1的相对运动的轴线D地分布在测量体2上。
沿径向看，在包含绝对位置信息的代码道20旁边有增量道200，该增量道也呈环形围绕位置测量装置的转动轴线D分布并且由一个周期性的分刻度构成。如果需要，测量体2还可以具有更宽的道。
用于按照透射法扫描测量体2的这两个道20、200的扫描单元1具有一个成发光二极管形式的光源11并且在测量体2的背对该光源的一侧具有一个光电探测器19。在光源11和测量体2之间设有一个聚光透镜13，在该聚光透镜使由光源11发出的光线平行化之后，光线才照到测量体2上。在测量体2的另一侧，在测量体2和光电探测器19之间设有两个透镜装置3、4和300、400，它们用于在光电探测器19上投影因代码道20或者增量道200而改变的光线L。
在根据图1按照透射法工作的位置测量装置中，来自光源11的并借助聚光透镜13被平行化的光线在经过透光的测量体2时因代码道20或增量道200而改变，在这里产生了规定的光图。因代码道20或增量道200而改变的光线随后到达第一透镜装置3、4或者第二透镜装置300、400，它们布置在一个共同的基板上。透镜装置3、4分别由两组透镜构成，它们布置在两个相互平行地延伸的平面30、40中的各一个平面里。每个透镜组3和4或300和400由多个并列布置在各自平面30或40里的透镜(所谓的微透镜组)组成。这两个透镜装置的透镜组3、4或者300、400在其中延伸的平面是如此布置的，即在测量体2上被改变的光线L基本与这些平面垂直相交。
在这样的包括两个按照规定间距相互分开的且彼此平行的透镜组3、4或300、400的双重透镜组中，第一透镜组3或300的每个单透镜恰好与第二透镜组4的一个单透镜相配。这样，可以利用这些透镜而无需波导结构地实现一个正投影比例即一个其值大于零的且尤其是大于1的投影比例。这样的投影比例又允许这些按规定空间定向的单透镜连续相互邻接。这使得在位置测量装置的结构高度较低且其结构紧凑的同时进行大面积的测量体2的扫描成为可能。
在这种情况下，特别有利的是这样形成透镜装置，即投影比例的平均值取1。由于为各透镜装置的两个透镜组3、4或300、400采用相同的场即在各自平面30、40里协调对应地布置单透镜，所以，由透镜装置3、4在探测器19上投影的图象区(有相应网目)直接连续过渡。
图1所示位置测量装置的一个特点在于，光电探测器19没有呈圆环形构造的表面，而确切地说，它具有直线构造的探测器表面，就象用在所谓的长度测量装置中那样，即该位置测量装置具有一个直线分布的测量刻度(成代码道或增量道形式)。就是说，光电探测器19由一个0pto-ASIC构成，它主要以其直线构造的表面用于长度测量装置。由于这样的ASIC也被用在角度测量装置或旋转编码器里，所以，它可以成本低廉地大批量制造。这降低了位置测量装置的生产成本。
为了在如图1所示的角度测量用位置测量装置中使用一个直线构造的光电探测器19，需要由通过圆环形代码道20或圆环形增量道200构成的光图在光电探测器19上产生一个直线延伸的图象，如以下结合图2a、2b和图3a-3d所述的那样。为此，要适当地构成透镜装置3、4或者300、400。
图2a表示如图1所示的环形代码道20的一个环段21。为了形成环性代码道20，每个环段21在代码道20的圆周方向上的延伸长度a(r)与到位置测量装置的转动轴线D的距离r有关。
为了由如图2所示环段21构成的代码道20产生直线延伸的图象，这些环段21必须转换为其宽度b与位置无关的矩形图象21′，如图2a所示。在这里，投影比例被选择成一个环段21的矩形图象21′的宽度b等于半径为r0时的环段宽度a(r0)，它在径向上看表示环段20的中心。换句话说，如此选择值r0，即从该值r0开始，环段21在径向上以相等的值向内和向内延伸(即离开转动轴线D或伸向转动轴线D)。因此，与转动轴线D间隔r0的点表示环段21的弯曲中心线并因而总体表示环形代码道21的弯曲中心线。
为了由图2a的一个环段21产生矩形图象21′，在这里考虑这样的图象，其中在由平均半径值r0限定的中心线以内的环段21区域被扩宽，而在由平均半径值r0限定的中心线之外的各环段21的那些区域的延伸长度a(r)被减小。在由平均半径值r0限定的中心线上，环段21的延伸长度a(r0)应该在转换时保持不变，即它应该等于在转换时产生的矩形图象21′的宽度b。这相当于其比例与半径有关的投影成像，该比例与半径有关地在平均值1左右波动。投影比例β(r)＝r0/r特别适用于将一个圆环的环段转换为矩形图象。当然，其它的基准线也可以被用作由平均半径r0限定的转换中心线。不过，例如随后还是以作为基准点的环段21的平均半径r0为出发点。
投影比例β(r)的与半径有关的实际变化实际上很小。在r0＝20毫米的典型的道半径(相当于环段21距转动轴线D的平均距离r0)以及1毫米的道高度(相当于环段21的径向延伸长度)的情况下，投影比例β(r)在0.975-1.025之间变化。
图2b再次表示一个环段21，它本身在径向r上从内半径r1延伸到外半径r2并具有平均半径r0，它在对应圆环的圆周方向U上具有与半径有关的可变的宽度。环段21的所有点可以由位置矢量r＝r(r，φ)表示，即一个环段21的每个位置矢量r用半径r和各点的角位置φ来表示。φ0表示这样的角度，即环段21的径向延伸的角平分线位于该角度上(就是说，该环段21从该角平分线起在圆周方向U上以及顺时针和逆时针地各自延伸了一段相同长度δφ/2)，因此，每个位置矢量r表示如下：
r＝r(r，φ)＝r(r，φ-φ0+φ0)
为了将一个由上述位置矢量r表示的环段21投影成一个宽度b恒定的矩形图象21′，该环段21的所有分布在径向上的点必须转换到两条具有恒定间距b的平行的基准线中。图2b示出了从环段21的一点r到该矩形图象21′的一点r′的相应转换。这种转换可以表示为：
r(r，φ)＝r(r，φ-φ0+φ0)→r′(r，φ)＝r(r，(φ-φ0)*(r0/r)+φ0)
在这里，r和φ表示该环段21或图象21′各自一点r或r′的坐标，φ0表示径向延伸的中心线的角位以及环段21和图象21′的角位，即，在转换时，角平分线保持不变，就象具有平均半径值r＝r0的点r那样。
这种转换在保持半径值r的情况下发生，就是说沿切向进行，因为在环段21中的等于(φ-φ0)的角度在半径值为r时被缩小或增大到图象21′中的值(φ-φ0)*(r0/r)，这要看r＞r0，还是r＜r0。
如果(φ-φ0)＝δφ/2，则可以表示为：
r(r，δφ/2)＝r(r，±δφ/2+φ0)→r′(r，δφ/2)＝r(r，(±δφ/2)*(r0/r)+φ0)
在所有图中，矢量r、r′的矢量剖面因清楚起见而没有一直画到位置测量装置的转动轴线D上。但矢量起点在任何情况下都应该是该转动轴线D。
就是说，通过坐标r、φ来表示环段的每个位置矢量R，其中，r表示各点距位置测量装置的转动轴线D的径向距离，φ表示在圆周方向上的角度。
结合图2a、2b，首先说明这样的转换，即代码道20的每个环段21都要进行这样的转换，以便由呈圆环形分布的代码道20在光电探测器19(图1)上投影出一个直线延伸的图象。可是，各环段21转换为矩形图象21′的这种转换总体上还不足以产生代码道20的一个直线延伸的图象。为此，还需要如此呈直线地前后排列这些矩形图象21′，即它们不重叠地相接。以下将结合图3a-3d加以说明。
图3a表示代码道20的多个环段21，它们在代码道的圆周方向U上前后排列并分别具有如结合图2a、2b所述的几何形状。图3b再次表示图3a的环段21，确切地说是在具有宽度恒定的矩形网目的背景场H的前面，各环段21必须布置在该背景场中以便产生所需的矩形图象21′。背景场H的各网目宽度是如此选择的，即按照已结合图2b描述的配置关系b＝a(r0)，它等于在道半径r0的高度上的环段21的宽度b。
图3c表示在背景场H前面的环段21的图象21′，它们通过将各环段21转换为矩形图象21′而产生。如图3c所示，根据图2a、2b通过转换而由各环段21产生的图象21′不是呈直线前后布置的，而是相互成角度地布置的，它们沿轨迹半径r0相交。相邻的矩形图象21′分别相对倾转一个角度δφ，这个角度等于在圆周方向U上的独立环段21的分布角度，见图2b。
该任务仅在于这样倾转矩形图象21′，即它们随后在背景场H中沿直线g前后排成一线，见图3d。为此，其中一个矩形图象21′被定义为未倾转的中心矩形，所有其它的矩形图象21′必须绕各自重心倾转一个是倾转角δφ多倍的值，从而它们平行于被定义为未倾转的中心图象地延伸。
在图3a-3d中，作为两个前后接续的独立转换步骤示出了由环段21产生矩形图象21′并随后倾转图象21′以产生沿直线g的直线布置结构。这样的转换随后将详细加以说明。但是，也可以选择从一个环形代码道20转换为一个直线延伸的图象20′，其中，形成矩形图象21′和直线排列图象21′不是先后通过独立的转换步骤产生的，确切地说，它们直接相互依赖。这是由在选择从环形代码道20到直线延伸的图象20′的投影成像时的选择自由度造成的。
对由环形代码道20产生纵长的图象20′的总图象来说，投影比例应该是β(r)＝r0/r。因此，只利用这样的投影比例就由代码道20的各环段21产生了理想的矩形图象21′。投影比例β(r)由配属于代码道的透镜组的第一透镜组或第二透镜组3或4的投影比例β1(r)、β2(r)相乘构成。显然也有多种可能性，即通过两个图象的投影比例β1(r)和β2(r)的相乘关系获得一个总图象的投影比例β(r)＝r0/r。在结合图3a-3d所述的实施例的意义上，以下，β2(r)＝-1，相应地，β1(r)＝-r0/r。因此，根据图3b、3c，已经在第一次投影成像时借助为此而设的布置在一个平面30里的透镜组3由环形代码道20的每个环段21产生了一个矩形图象21′。但随后是结合图3c所述的使图象21′相对倾转，对每个矩形图象21′来说，这种倾转可以表现为是与中心基准图象21′有关的上述角度δφ的整数倍。此外，被定义为未倾转图象21′的n邻位相对该未倾转图象分别有倾转角n*δφ。
为了第二次投影成像，每个矩形图象21′的倾转角被修正为零值，第二透镜组4的透镜的顶点垂线需要满足规定条件，以下将结合图4a、4b来详细描述这些条件。
以下补充参照图4a、4b的实施例基于这样的问题，即配属于代码道20的透镜装置的这两个透镜组3、4的各透镜必须如何构成并且这些透镜必须在各自平面30或40里如何组成一组，以便能如上所述地将一个环形分布的代码道20投影为一个直线延伸的图象20′。
如结合图1所述，为了在光电探测器19上形成代码道20的图象而使用透镜装置3、4，所述透镜装置包括两个布置在各自一个平面30或40里的透镜组(微透镜组)，它们最好垂直于光轴地取向并且不仅平行于代码道20地延伸，也平行于光电探测器19的光敏表面延伸。平行布置位置测量装置的这些组成部件简化了安装。在这样的布置结构中，为了获得所需的投影比例β(r)＝r0/r，必须借助已知的近轴投影方程来确定第一次、第二次投影成像或者第一透镜组3和第二透镜组4的焦距f1、f2的位置相关性，即f1＝f1(r)，f2＝f2(r)。只要如上所述地尤其借助第一次投影成像实现了与位置有关的投影比例，则尤其对第一次投影成像的焦距f1来说，要考虑与半径r的关系(即距转动轴线D的距离)。
最好只在刻度方向上，即在测量刻度的分布方向或确切地说在圆周方向U上进行测量体2结构的投影成像。在径向r上，取而代之以阴影投影。所用透镜41类似于圆柱透镜，其投影轴线位于圆周方向U上，见在图4a中的第二透镜组4的局部视图。透镜41具有与半径r相关的焦距f2并且在这里被称为改进型圆柱透镜。如图4a所示，这些透镜41分别成环段状并且沿圆周方向U前后排列。代替基本成圆柱形的透镜，例如也可以使用在俯视图中看基本成矩形的椭圆形透镜或径向对称的透镜。
透镜41的投影成像方向在图4a中由箭头表示。成圆柱形突出到平面外的透镜41的顶点垂线43的走向垂直于投影成像方向并且相交于一个共同的交点Ms上，该交点位于转动轴线D或位置测量装置的中心轴线以外，见图1。各透镜41的径向边界线45也相交于一个共同的中心点ML，其中，该交点ML与转动轴线D对准，见图1。
透镜装置3、4的第一透镜组3的透镜在对应平面30中是按照与第二透镜组4的透镜41相应的方式形成和布置的。就是说，它们也可以是改进型圆柱透镜，这些透镜分别成环段状并且沿圆周方向U并排而设。主要的区别在于，根据这个实施例，在第一透镜组3中，顶点垂线以及透镜边界线相交于同一个点上，即Ms＝ML，见图1。
要注意，在确定焦距f1(r)和f2(r)时，始终使用距位置测量装置的转动轴线D的距离r，这种计算沿各轴线的顶点垂线进行。通过上述的用于这两个透镜组3、4的改进型圆柱透镜的构造方式，其中焦距f1(r)和f2(r)必须导致所需的投影比例β1(r)和β2(r)，而保证了，这两个透镜组3、4中的每对单透镜产生呈圆环形分布的该代码道20的一环段21的对应的经过校正的分图象，其中每对透镜分别包括第一透镜组3的一个透镜和第二透镜组4的一个沿光轴位于其后的透镜。不过，这些分图象(该环段21的矩形图象21′)必须根据图3c、3d如此相对定位和取向，即产生一个连续的沿直线延伸的并经过校正的总图象20′。为此，必须遵守以后要结合图1和图4b说明的其它结构措施。
由代码道20起射到第一透镜组3的透镜31a、31b的顶点垂线33a、33b上的光线在圆周方向U上不偏转。直线布置图象所需的在圆周方向上的偏转必须通过在圆周方向上使第二透镜组4的相应透镜41a、41b的顶点垂线43a、43b错开来实现，这种偏转由在每个径向位置r上的放大比例β(r)来定。
此外，在图4b中示出了透镜装置3、4的两个单元31a、41a和31b、41b，其中，每个单元31a、41a或31b、41b包括第一透镜组3的第一透镜31a或31b和第二透镜组4的一个沿光轴位于其后的第二透镜41a或41b。在图4b中，还为每个单元31a、41a示出了一个目标O(代表待投影代码道20的一部分)，它通过中间图象(在各单元的两个透镜31a、41a或31b、41b之间)被投影为图象O′。
如图3c所示，在这个实施例中，通过按照投影比例β(r)＝r0/r的第一次投影成像而产生的图象21′(总图象的中间图象)对于距位置测量装置的转动轴线D的径向距离r＜r0来说相互叠加，而对于r＞r0的径向距离来说，这些图象21′相互间隔开。与此相应地，中间图象在低于中央切线r0的区域里(即对于r＜r0来说)相对未倾转的中心基准透镜向下错移，以便获得无叠加的成行排列。相反，在高于中央切线r0时，即对于r＞r0来说，矩形中间图象21′的相应区域(见图3c)必须向着中央基准图象向内错位。这意味着，沿光轴看，第二透镜组的透镜41a、41b的顶点垂线43a、43b对r＜r0来说必须与各自所属的透镜31a、31b的对应的顶点垂线33a、33b相关地在圆周方向上向内错位。这是如此做到的，即第二透镜组4的透镜的顶点垂线相交于一个交点Ms上，该交点在径向上与第一透镜组3的透镜的对应交点Ms间隔开。在这里，第一透镜组3的透镜的顶点垂线的交点Ms与该位置测量装置的转动轴线D和透镜边界线的交点ML对准，见图1。相反，第二透镜组4的透镜的顶点垂线的交点Ms位于转动轴线之外，确切地说，从透镜组4的对应透镜看过去，它在径向上位于转动轴线D之后。这样一来就实现了，沿光轴看，一个单元的透镜31a、40a或31b、41b的顶点垂线33a、43a或33b、43b各自在一个点上与半径r0交叉，这要根据第二透镜组4的透镜的顶点垂线相对第一透镜组的透镜的顶点垂线在圆周方向上向外错移或向内错位的以上预定条件，即视r＜r0或r＞r0。
结合图4b的、在预定半径r下的透镜装置3、4的两个单元31的截面图，可以看到各单元的第二透镜41a、41b的顶点垂线43a、43b相对各单元的第一透镜31a、31b的顶点垂线33a、33b的错移量δSn或者δSn-1。对于预定半径r来说，这种错移量各自取决于相应单元与那个用于形成作为基准部的未倾转的中间图象(根据图3c的中央的中间图象21′)的单元的距离。由此得到一个物体O的图象O′的垂直于光轴的且相对于各自要投影的物体O的错移量δSn或者δSn-1。通过在图3c中示出的中间图象21′的与半径有关地向内错移(对于大半径来说)或向外错移(对于小半径来说)，人们最终获得了矩形图象21′的沿直线g的直线排列，参照图3d。
结果，从被定义为基准件的中央的未倾转的矩形中间图象21′借其投影成像(见图3c)的那个单元算起，对于透镜组3、4的第n个单元来说，第二透镜41a的顶点垂线43a准确地沿n*δφ的角平分线经过r＝r0时的中央切线同线φ＝n*δφ相交的交点。这是用于第二次投影成像的投影比例β2(r)＝-1的直接后果。
如果第二投影比例β2(r)＝c基于一个c≠1的值，则各第二透镜的顶点垂线必须沿一条线延伸，该线的倾转角按比例c∶1地等于0-n*δφ。如果投影比例β2(r)不应该是恒定的(与半径无关)，则第二透镜的顶点垂线不再是直线，而是曲线延伸。
透镜组织的其它结构规定涉及透镜边界线，见在图4a中的用于第二透镜组4的透镜41的透镜边界线45。为了在光电探测器19上投影出代码道20的规定图象，必须防止在透镜装置的相邻单元之间的交叉调制(见图4b)。这就是说，先经过一个单元31a、41a的第一透镜31a的光线随后应到达该单元的第二透镜41a，但不应到达一个相邻单元31b、41b的第二透镜41b。第二透镜组的透镜41的透镜边界线45相对第一透镜组的透镜的移动(见图4a，这相当于上述的透镜顶点垂线移动)将进一步加强交叉调制。因此，这两个透镜组的透镜边界线应该相互一致，就是说，沿光轴看上下重叠，尤其是不交叉。这意味着，第一透镜组3和第二透镜组4的的透镜边界线的交点ML在径向上位于同一高度上。在这里，两个中心点ML在位置测量装置的转动轴线D上。就是说，沿径向，只有透镜的顶点垂线的交点MS而没有透镜边界线的交点ML相对错开。这意味着，与其外边界线有关地，当沿光轴看时，即在垂直于这两个透镜组3、4的延伸平面3、4的方向上，这些透镜是对准的。差别仅在于第一透镜组和第二透镜组3、4的透镜离开各自平面30、40的曲率，进而在于透镜的相应顶点垂线的走向。
为了减少交叉调制，根据图5，还设有一个光阑结构5，它包括一些光阑件51，它们分别布置在第二透镜组4的相邻的单透镜41之间，就是说盖住径向延伸的透镜边界线。
为避免在侧透镜边界线区域中的亮度减弱(晕映图象)，如结合图6为第一透镜组的透镜31、32举例示出的那样，待投影的代码道20可配有透镜组3、4，所述透镜组各自有多个在径向上并排布置的环形微透镜组。它们各自相对错开半个方位角的透镜宽度，结果，各透镜的31、32等的透镜中心点(重心)沿多条(在这里是两条)同心的环线布置。
上述的透镜组结构不仅能用反射透镜来实现，也能用衍射透镜来实现。在这种情况下，例如借助冲压技术来获得带有顶点高度低的反射透镜的多级衍射结构的组合体。塑料基板最好用作透镜组的支座。
以上结合按透射法工作的位置测量装置说明的措施同样也可用在按反射法工作的位置测量装置中。在这样的位置测量装置里，如图7所示，来自光源11的并借助聚光透镜13被平行化的光线被测量体2的相应代码道20反射并随后借助一个由两个透镜组3、4构成的透镜装置投影到光电探测器19上，在这里，这两个透镜组3、4布置在两个相互平行的平面30、40中的各自一个平面里。
在这里，测量体2的照射最好沿轴向进行，因此，在该方向上也通过平行投影进行相应的代码道20的成像。另外，上述照明方向允许比较自由地选择要照亮或要投影的面。第一次投影成像的大目标距离加强了这一优点。
为了获得尽可能紧凑的布置结构，选择小照明角，这样，这种布置结构的几何形状接近于详细说明的透射状况。但是，沿光轴前后布置的相应半径r，r”等(相对角度测量装置的转动轴线)有一定的相对错位，这是因为光轴走向不平行于转动轴线，而是按照平行光线的照射角相对其倾斜，该平行光线不是垂直地而是以非垂直的照射角照到测量体2上。
对直线分布的测量刻度成像于直线延伸的光电探测器上的线性测量系统(长度测量装置)的研究表明，当这两个透镜组3、4平行于测量体2和光电探测器19的光敏表面延伸时，获得了最佳的成像光学，其出发点是，这按照相应的方式适用于这样的场合，即象在本文中一样，一个环形分布的测量刻度成像于一个直线延伸的光电探测器19上。
因此，以上结合图1-图6对透射法描述的措施通过相应方式也能用在图7的按反射法工作的配置结构中，尤其是顶点垂线走向、径向延伸的透镜侧边界线方面，其中，沿光轴前后布置的点各自分配有相同的半径r，尽管光轴走向不平行于转动轴线D。就是说，这些点的径向坐标r不再涉及距位置测量装置的转动轴线的距离，而是涉及同人定义的中央轴线的距离，该中央轴线的走向平行于光轴，因此，沿该光轴前后布置的点具有同样的径向坐标。
如结合透射法所描述地，在这里，关于透镜的几何形状也规定了顶点垂线和透镜边界线，而在给定了边界条件且尤其是关于与半径有关的投影比例的边界条件的情况下，透镜曲率借助一个优化程序(计算机程序)来确定。
根据图8，还可以将上述措施用于将呈环形分布的并具有较大曲率半径r1的环段61或者较小曲率半径r2的环段71的测量刻度转换为成矩形延伸的图象，其环段81具有不同于待成像测量刻度的曲率半径rA。在测量刻度具有很大曲率半径的情况下，这允许缩小曲率半径，而在测量刻度具有很小曲率半径的情况下，例如能够获得曲率半径的扩大。为此，这两个由两个透镜组3、4限定出的分图象的投影比例是这样选择的，即由测量刻度的这些环段没有产生有恒定宽度的矩形段，而是产生具有不同曲率的其它环形段。
最后，与上述措施相反，也可以这样转换直线分布的测量刻度，即在光电探测器上产生一个呈环形延伸的图象。为此，也要相应地选择这两个分图象的投影比例。
Claims (25)
1.一种位置测量装置，它包括：
-测量体，该测量体具有至少一个沿直线或曲线分布的测量刻度，
-借助光源来扫描该测量刻度的扫描机构，
-该扫描机构的接收单元，借助该接收单元来接收由光源发出的并因该测量刻度而改变的光线以便进行分析，
-安置在该测量体和该接收单元之间的并由光学透镜构成的透镜装置，该透镜装置用于在该接收单元上产生该测量刻度的规定图象，
其中，该透镜装置(3，4)被构造成用于产生该测量刻度(20)的图象(20′)，该图象沿一条线(G)延伸，所述线(G)的曲率不同于那条测量刻度(20)沿其分布的线(R)的曲率，
其特征在于，该透镜装置(3，4)的投影比例(β)沿着与沿一个环分布的该测量刻度(20)的中心轴线(D)或该透镜装置的中心轴线(ML-ML)有关的径向而变化。
2.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，该测量刻度(20)沿一个环的至少一部分分布。
3.如权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，该测量刻度(20)的所述图象(20′)沿一条直线或者沿一个环的至少一部分延伸，该环的曲率不同于该测量刻度(20)的曲率。
4.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，该测量刻度(20)由一些呈环形的先后布置的环段(21)构成，这些环段分别沿径向延伸一定长度。
5.如权利要求4所述的位置测量装置，其特征在于，这些环段(21)的宽度(a)即其在圆周方向(U)上的延伸长度在径向上是变化的。
6.如权利要求4所述的位置测量装置，其特征在于，这些环段(21)的通过该透镜装置(3，4)形成在该接收单元(19)上的图象(21′)各自具有恒定的宽度(b)，即该图象(21′)在圆周方向(U)上的延伸长度是恒定的。
7.如权利要求4所述的位置测量装置，其特征在于，这些环段(21)的通过该透镜装置(3，4)形成在该接收单元(19)上的图象各自成圆弧段形，其宽度即圆周方向上的延伸长度沿径向变化。
8.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，该投影比例(β)从一个大于1的值沿径向向外减小到一个小于1的值。
9.如权利要求1或8所述的位置测量装置，其特征在于，该透镜装置(3，4)的这些透镜(31，41)的焦距(f)沿着与该测量刻度(20)的中心轴线(D)相关的径向而变化。
10.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，该透镜装置(3，4)具有多个布置在一个平面(30，40)里的透镜(31，41)，这个平面是如此构成的，即通过该测量刻度(20)而改变的光线(L)与该平面(30，40)相交。
11.如权利要求10所述的位置测量装置，其特征在于，该透镜装置(3，4)具有两个透镜组(3；4)，每一组分别配属于两个相互平行地延伸的平面(30，40)中的一个平面。
12.如权利要求11所述的位置测量装置，其特征在于，这两个透镜组(3，4)中的透镜分别成对地组成一个单元(31a，41a；31b，41b)，并且一个单元(31a，41a；31b，41b)中的透镜在光轴的方向上是对准的，其中，光线(L)的至少一部分经过一个单元(31a，41a；31b，41b)中的第一透镜(31a，31b)，并随后到达该单元(31a，41a；31b，41b)中的第二透镜(41a，41b)。
13.如权利要求10所述的位置测量装置，其特征在于，该透镜装置(3，4)配有一个光阑结构(5)。
14.如权利要求13所述的位置测量装置，其特征在于，该光阑结构(5)布置在光线(L)最后经过的那个透镜组(4)的平面(40)里。
15.如权利要求13所述的位置测量装置，其特征在于，该光阑结构布置在这两个透镜组(3，4)之间。
16.如权利要求12所述的位置测量装置，其特征在于，该透镜装置(3，4)配有一个光阑结构(5)，并且光线如此借助该光阑结构而经过，即经过一个单元(31a，41a；31b，41b)中的第一透镜(31a，31b)的光线不到达另一单元(31b，41b；31a，41a)中的第二透镜(41a，41b)。
17.如权利要求11所述的位置测量装置，其特征在于，这两个透镜组(3，4)彼此平行地取向。
18.如权利要求11所述的位置测量装置，其特征在于，这两个透镜组(3，4)中的这些透镜的透镜中心点布置在一个由许多行构成的两维场中。
19.如权利要求11所述的位置测量装置，其特征在于，这两个透镜组(3，4)中的这些透镜的透镜中心点分别沿多个具有不同半径的同心环线设置。
20.如权利要求18所述的位置测量装置，其特征在于，该两维场的这些行的走向基本上平行于该测量刻度的分布方向，其中不同的行在该测量刻度的分布方向上相互交错。
21.如权利要求11所述的位置测量装置，其特征在于，这些透镜(31，41)分别垂直于各自透镜组(3，4)的分布平面(30，40)地隆起，这些透镜(31，41)的顶点垂线(43)沿径向延伸。
22.如权利要求21所述的位置测量装置，其特征在于，这些顶点垂线(43)相交于一个点(Ms)。
23.如权利要求22所述的位置测量装置，其特征在于，这两个透镜组(3，4)的顶点垂线的交点(Ms)在径向上相互间隔开。
24.如权利要求23所述的位置测量装置，其特征在于，在该透镜装置(3，4)的一个单元中，当沿光轴看时，这个单元的两个透镜的顶点垂线完全对准地前后布置，在该透镜装置(3，4)的另一个单元(31a，41a；31b，41b)中，另外两个透镜(31a，41a；31b，41b)的顶点垂线(33a，43a；33b，43b)垂直于该光轴地相互交错。
25.如权利要求12所述的位置测量装置，其特征在于，当沿光轴看时，在圆周方向(U)上界定出这些透镜(31，41)的侧边界线(45)对于一个单元(31a，41a；31b，41b)的两个透镜(31a，41a；31b，41b)来说是对准的。
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