CN102735165B - 光学长度测量设备 - Google Patents

Abstract

光学长度测量设备。本发明涉及用于测量被布置为能够至少沿着测量方向彼此移动的两个物体的相对位置的光学长度测量设备。该设备由下列各项构成：计量用具，其与两个物体之一连接并且包括在测量方向上延伸的测量分度；以及与另一物体连接的用于对测量分度进行光学扫描的扫面单元。扫描单元包括光学有效的点状光源以及至少一个光学有效的探测器装置，使得从光学有效的光源发散地发射的射束在测量分度的方向上传播，在测量分度处经历朝向扫描单元的方向的回射并且然后落到光学有效的探测器装置上，使得在光学有效的探测器装置上产生取决于位移的经调制的图案，该图案能够通过光学有效的探测器装置被转换成一个或多个与位置相关的扫描信号。

Description

光学长度测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量两个物体的相对位置的光学长度测量设备，所述物体被布置为能够至少沿着测量方向彼此相对移动。

背景技术

公知有基于所谓的中心投影扫描原理的光学位置测量设备。对此例如可参阅DE10 2006 021 017 A1。如果这样的位置测量设备被构造成以入射光运行的长度测量设备，则这些长度测量设备包括计量用具，该计量用具与两个物体之一连接并且具有在测量方向上延伸的反射测量分度。另外，设置有与另一物体连接的扫描单元以用于对测量分度进行光学扫描。该扫描单元包括光学有效的点状光源以及至少一个布置在探测平面中的光学有效的探测器装置，使得从该光源发散式地发射的射束朝向测量分度的方向传播，在该测量分度处经历朝向扫描单元的方向的回射并且然后施加到探测器装置。在探测器装置上产生取决于位移的经调制图案，该图案可以通过该探测器装置被转换成一个或多个取决于位置的扫描信号。

在此，可以在这样的位置测量设备的扫描单元中设置真实光源或一次光源，其中在真实光源与测量分度之间布置有光学有效的元件，所述元件保证：一方面在产生的光学有效的虚光源与测量分度之间的光学有效距离和另一方面在探测器装置与测量分度之间的光学有效距离相等。类似地，还可以在测量分度与真实探测器装置之间的扫描光路中设置合适的光学有效的元件，以便保证期望的间距相等。对此可以明确地参阅从DE 10 2006021 017A1中公知的措施。除了这样的光学有效的元件以外，在扫描光路中未布置另外的光学元件。

这种类型的光学长度测量设备由于其简单和紧凑的构造而具有特定的优点。但是该光学长度测量设备能够列举出以下缺点，即该长度测量设备相对于扫描单元的可能的俯仰倾斜为相对敏感的；在这种情况下，产生失真的扫描信号。在此，应将俯仰倾斜理解成扫描单元绕俯仰轴的倾斜，该俯仰轴在测量分度平面中或者在与该测量分度平面平行的垂直于测量方向的平面中取向。

发明内容

本发明所基于的任务是，提供一种光学长度测量设备，其基于中心投影扫描原理并且相对于扫描单元的俯仰倾斜为尽可能不敏感的。

根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的光学长度测量设备来解决。

根据本发明的光学长度测量设备的有利实施方式由在从属权利要求中提出的措施得出。

现在在根据本发明的光学长度测量设备的情况下规定：将扫描单元布置为在测量方向上被纵向引导并且通过耦合点与拨杆铰接地耦合，所述拨杆与另一物体连接。在此，耦合点的位置被选择为使得在扫描单元围绕耦合点俯仰倾斜的情况下不导致有误的扫描信号。

根据本发明的用于测量被布置为能够至少沿着测量方向彼此移动的两个物体的相对位置的光学长度测量设备由下列各项构成：

－计量用具，其与所述两个物体之一连接，并且包括在测量方向上延伸的反射性测量分度；和

－与另一物体连接的用于对所述测量分度进行光学扫描的扫描单元，其中所述扫描单元包括光学有效的点状光源以及至少一个光学有效的探测器装置，使得从所述光学有效的光源发散地发射的射束在所述测量分度的方向上传播，在所述测量分度处经历朝向所述扫描单元的方向的回射，并且然后落到所述至少一个光学有效的探测器装置上，使得在所述探测器装置上产生取决于位移的经调制的图案，该图案能够通过所述光学有效的探测器装置被转换成一个或多个与位置相关的扫描信号。

所述扫描单元在测量方向上被纵向引导，并且通过耦合点与拨杆铰接地耦合，所述拨杆与另一物体连接。所述耦合点的位置被选择为使得在所述扫描单元围绕所述耦合点俯仰倾斜的情况下不导致有误的扫描信号。

所述耦合点有利地被选择为在垂直于所述测量分度的直线上以距离d位于具有所述光学有效的探测器装置的平面上方，其中距离d根据下式得出：

，其中

d:＝所述耦合点在所述光学有效的探测器装置的平面上方的距离，

I:＝所述光学有效的探测器装置的平面与所述测量分度相距的距离，

a:＝所述光学有效的光源同具有所述光学有效的探测器装置的平面相距的距离与具有所述光学有效的探测器装置的平面同所述测量分度相距的距离之间的比例。

在此，可以选择a＝0并且所述耦合点处于所述光学有效的探测器装置的平面中。

还可以选择a≠0，并且所述耦合点处于所述光学有效的探测器装置的平面上方。

可能的是，所述扫描单元布置在扫描车中，所述扫描车通过引导元件在计量用具处和/或在所述计量用具的壳体处在测量方向上被纵向引导。

另外，所述扫描车可以通过在耦合点处的接合（Kupplung）而与拨杆铰接地耦合。

此外可以规定：在所述扫描单元中在射束的光路中仅仅布置光学有效的元件，

－所述元件有针对性地调节真实光源与所述测量分度之间的光学有效距离；和/或

－所述元件有针对性地调节真实的探测器装置与所述测量分度之间的光学有效距离。

关于根据本发明的解决方案应当提到的特别有利之处是，现在在扫描单元可能围绕耦合点俯仰倾斜的情况下不再导致有误的扫描信号。

附图说明

根据下面结合附图对根据本发明的光学长度测量设备的实施例的描述来阐述本发明的另外的细节和优点。

图1示出根据本发明的光学长度测量设备的实施例的高度示意性图示；

图2示出用于阐述根据本发明的光学长度测量设备中的相关几何参量的第一图示；

图3示出用于阐述根据本发明的光学长度测量设备中的相关几何参量的第二图示；

图4示出用于阐述根据本发明的光学长度测量设备中的相关几何参量的第三图示；

图5a、5b分别示出根据本发明的光学长度测量设备的另一实施例的高度示意性图示；

图6a、6b分别示出根据本发明的光学长度测量设备的另一实施例的高度示意性图示。

具体实施方式

图1中以高度示意性的形式示出了根据本发明的光学长度测量设备的实施例。该长度测量设备用于检测两个被布置为可朝彼此移动的物体的相对位置。在此，这两个——在图中未示出的——物体被布置为至少可沿着所给定的测量方向x相对于彼此位移。这些物体例如可以是可相对于彼此移动的机器零件。通过根据本发明的光学长度测量设备，提供与这些机器零件的相对位置有关的上级机器控制信息。

属于所示出的光学长度测量设备的一方面有与两个物体之一相连接的计量用具10，该计量用具10由支承体11构成，在该支承体11上布置有在测量方向x上延伸的反射性测量分度12。该测量分度12以公知方式由布置在测量方向x上的分度区域构成，这些分度区域具有不同的反射率。

另一方面，根据本发明的光学长度测量设备包括扫描单元20，该扫描单元20具有点状光源21和至少一个探测器装置22。在本实施例中，光源21和探测器装置布置在一个平面中。通过扫描单元20，测量分度12被光学扫描，其中该扫描基于开头所阐述的中心投影原理。为此规定：从光源21发散地发射的射束朝向测量分度12的方向传播。在该测量分度12处，这些射束经历朝向扫描单元20的方向的回射，并且然后在扫描单元中落到探测器装置22上。在探测器装置22上产生取决于位移的经调制图案，该图案可以通过探测器装置22被转换成一个或多个取决于位置的扫描信号。

在所示实施例中，在从点状光源到测量分度的光路中或在从测量分度到探测器装置的光路中未布置另外的光学元件。但是可能的是，光源或探测器装置由于构造引起的原因而不能放置在共同的平面中，或者有意地将不被布置在共同的平面中。在这些情况下，可以在光路中布置光学有效的元件，这些元件分别对扫描光路施加特定的光学作用。该光学作用可以在于，将一方面光学有效的光源与测量分度之间的距离和另一方面测量分度与探测平面之间的距离调节为相等的；另外，这样的元件的光学作用可以在于，将一方面光源与测量分度之间的距离和另一方面测量分度与探测器装置之间的距离有针对性地调节为不同的。因此，鉴于根据本发明的光学长度测量设备的扫描单元的这些另外的实施可能性，在下面将始终讲述光学有效的光源或光学有效的探测器装置。这些术语涵盖了对于中心投影扫描的不同可能性，也就是说，将真实点状光源与探测器装置布置在一个平面中而不需要另外的光学有效的元件，以及将真实点状光源或点状一次光源布置在另一位置并且在光路中设置合适的光学有效的元件；类似的情况也适用于用来放置真实探测器装置的不同可能性。此外，关于最后提到的实施可能性和附加光学有效元件在光路中的合适布置，可以明确地参阅DE 10 2006 021 017 A1。

从图1中可以看出，在根据本发明的光学长度测量设备的所示实施例中，扫描单元20布置在扫描车30中。扫描车30以及由此还有布置在其中的扫描单元20通过引导元件31a、31b在计量用具10处在测量方向x上被纵向引导。为此，引导元件31a、31b例如可以被构造成滚珠轴承的滚筒或辊形式的滑动元件。可替代或补充于计量用具10处的纵向引导，也可以规定：通过另外的引导元件在计量用具10的——未示出的——壳体处纵向引导扫描车30。

扫描单元20通过耦合点50借助于接合与拨杆41铰接地耦合。拨杆41又与安装脚（Montagefuß）40连接，该安装脚40布置在两个可彼此移动的物体中的另一个处。在所示实施例中，通过扫描车30或扫描单元20在耦合点50处的这样的铰接耦合，形成强制性的旋转轴、即相应的俯仰轴。围绕该俯仰轴，例如当在计量用具10处纵向引导扫描车30的情况下支承体11不是完全平坦时，导致例如扫描单元20相对于计量用具10的扭转。因此通过这种方式，扫描车30追踪到计量用具10侧上的可能的不平性。

对于根据本发明的光学长度测量设备重要的是耦合点50的位置或扫描单元20的由此造成的俯仰轴位置。该位置可以针对所使用的中心投影原理合适地选择，因此在扫描单元30围绕耦合点50或围绕穿过该点延伸的俯仰轴的俯仰倾斜的情况下不造成有误的扫描信号。下面将阐述，如何根据本发明在所使用的中心投影扫描原理的情况下选择耦合点的位置。

为此首先参阅图2，图2表明在所使用的中心投影扫描原理的情况下的重要几何参量。通过发散地辐射的光学有效的点状光源21来照射以距离u布置的周期测量分度12。在本示例中，测量分度12具有周期T1。因此，通过这种方式，在与测量分度12间隔距离v布置的光学有效的探测器装置22的探测平面中产生具有扩大的周期T2的周期图案。通过公知辐射定律得知,对周期T2必然有下式成立:

（公式1）

因此，光学有效的探测器装置22必须根据扩大的周期T2来设计。这例如可以在使用所谓的结构化光电探测器的情况下通过如下方式进行：在用周期T2所扫描的图案的该周期T2内于是布置有——未示出的——周期探测器阵列的4个探测器元件。通过这种方式，产生4个分别相移90°的扫描信号。

此外，公式（1）不限于对严格周期性的结构的描绘。因此，当测量分度被构造成非周期编码结构时，T1也可以表示计量用具上的编码的（位）宽度。在与测量分度相距距离v时，该编码于是具有宽度T2并且必须利用光学有效的探测器装置侧上的具有足够宽度的一定数量的探测器元件来扫描。

现在在图3中示出了中心投影扫描装置的两个状态。用实线表明正常状态，其中探测器装置22未围绕俯仰轴N倾斜；用虚线示出如下的状态：在该状态下，探测器装置22围绕俯仰轴N倾斜了俯仰角φ。在图3中，俯仰轴N穿过光学有效的点状光源21延伸并且垂直于绘图平面。

另外，在图3中利用I来表示光学有效的探测器装置22与测量分度12之间的距离；说明光学有效的光源21与光学有效的探测器装置22相距的距离。

因此，对于图2和3中所示的关系有下列关系式成立：

（公式2.1）

（公式2.2）

（公式2.3）

因此利用公式1有下式成立：

（公式2.4）

如在图3中所示，在倾斜状态下，从光学有效的光源21发射的射束（虚线）落到测量分度12上，这与在非倾斜状态下的入射点相比偏移了偏移距离：

（公式3.1）。

在光学有效的探测器装置22的平面中，偏移距离在倾斜状态下为：

（公式3.2）。

关系式3.1和3.2近似地对小的俯仰角φ成立。

如果以此为基础观察在非倾斜和倾斜状态之间在测量分度12处并且在光学有效的探测器装置22的平面中的相位关系或相位差，则为此得出：

△相位_尺度＝ （公式4.1）

△相位_探测器＝

（公式4.2）

在此，公式（4.1）和（4.2）通过根据公式（3.1）、(3.2)将偏移距离和换算成相位值而得到。

如果在倾斜和非倾斜状态之间未造成有误的扫描信号，则△相位_尺度与△相位_探测器之间的相位差必然等于0。这在满足条件：

（公式5）

即a＝0时成立。

这明确地意味着，俯仰轴N以及由此耦合点应当尽可能地位于光学有效的探测器装置22的平面中。当光学有效的光源被放置在光学有效的探测器装置22的平面中时情况如此。于是在这样的扫描中，围绕耦合点的可能的俯仰倾斜不会对扫描信号造成有误的影响。

但是如果俯仰轴未穿过光学有效的光源21延伸，而是在穿过光学有效的探测器装置22的平面和测量分度平面的垂线上以任意的距离d位于光学有效的探测器装置22的平面上方，则产生改变的关系。这些关系将在下面进行观察并且根据图4予以阐述。该图针对这种情况又示出了在非倾斜状态下和在绕俯仰轴N倾斜的状态下的关系。

如图4所示，由于围绕俯仰轴N倾斜，从光学有效的光源21发射的射束（虚线）落到测量分度12上，这与在非倾斜状态下的入射点相比偏移了偏移距离：

（公式6.1）。

在光学有效的探测器装置22的平面中，倾斜状态下的偏移距离又为：

（公式6.2）。

关系式6.1和6.2又近似地对小俯仰角φ成立。

现在如果重新观察在非倾斜和倾斜状态之间在测量分度12处和探测器平面中的相位关系或相位差，则为此得到下式：

△相位_尺度＝ （公式7.1）

△相位_探测器＝

（公式7.1)

如果在倾斜和非倾斜状态之间不应导致有误的扫描信号，则这些参量之间的相位差必然又等于0。这在满足下列条件时成立：

（公式8.1），

或者对于

（公式8.2）

成立

其中

d:＝耦合点在光学有效的探测器装置的平面上方的距离

I:＝光学有效的探测器装置的平面与测量分度相距的距离

a:＝光学有效的光源同具有光学有效的探测器装置的平面相距的距离与具有光学有效的探测器装置的平面同测量分度相距的距离之间的比例。

因此，公式8.2给出了距离d，其中在所选择的中心投影扫描的情况下，必须选择扫描单元的俯仰轴N或所寻求的耦合点在穿过光学有效的探测器装置22和测量分度的平面的垂线上位于光学有效的探测器装置22的平面上方。

在此，公式8.2也适用于已经在上面讨论的情况下，即当光学有效的光源21被布置在光学有效的探测器装置22的平面中并且由此有a＝0成立时。对于该变型方案，于是还有d＝0成立，也就是说，在这种情况下，俯仰轴穿过光学有效的光源21延伸。在图5a和5b中以不同的视图示出了根据本发明的光学长度测量设备的这样的实施方式。

在图6a、6b中，在根据本发明的位置测量设备的另一实施例中示意性地示出了另一情况，即光学有效的光源21被布置为在穿过光学有效的探测器装置22的平面和测量分度平面的垂线上以距离d≠0位于光学有效的探测器装置22的平面上方。

除了所阐述的实施例以外，在本发明的范围内当然还存在另外的实施可能性。

Claims (8)

1.一种用于测量被布置为能够至少沿着测量方向（x）彼此移动的两个物体的相对位置的光学长度测量设备，由下列各项构成：

－计量用具（10），其与所述两个物体之一连接并且包括在测量方向（x）上延伸的反射的测量分度（12）；和

－与另一物体连接的用于对所述测量分度（12）进行光学扫描的扫描单元（20），其中所述扫描单元（20）包括光学有效的点状光源（21）以及至少一个光学有效的探测器装置（22），使得从所述光学有效的光源（21）发散地发射的射束在所述测量分度（12）的方向上传播，在所述测量分度处经历朝向所述扫描单元（20）的方向的回射，并且然后落到所述至少一个光学有效的探测器装置（22）上，使得在所述探测器装置（22）上产生取决于位移地被调制的图案，所述图案能够通过所述光学有效的探测器装置（22）被转换成一个或多个与位置相关的扫描信号，其中

－所述扫描单元（20）在测量方向（x）上被纵向引导；并且

－所述扫描单元（20）通过耦合点（50）与拨杆（41）铰接地耦合，所述拨杆（41）与所述另一物体连接并且所述耦合点（50）的位置被选择为使得在所述扫描单元（20）围绕所述耦合点（50）俯仰倾斜的情况下不导致有误的扫描信号。

2.根据权利要求1所述的光学长度测量设备，其中所述耦合点（50）在垂直于所述测量分度（12）的直线上以距离d位于具有所述光学有效的探测器装置（22）的平面上方，其中距离d根据下式得出：

，其中

d:＝所述耦合点在所述光学有效的探测器装置的平面上方的距离，

I:＝所述光学有效的探测器装置的平面与所述测量分度相距的距离，

a:＝所述光学有效的光源同具有所述光学有效的探测器装置的平面相距的距离与具有所述光学有效的探测器装置的平面同所述测量分度相距的距离之间的比例。

3.根据权利要求2所述的光学长度测量设备，其中选择a＝0并且所述耦合点（50）处于所述光学有效的探测器装置（22）的平面中。

4.根据权利要求2所述的光学长度测量设备，其中选择a≠0，并且所述耦合点（50）处于所述光学有效的探测器装置（22）的平面上方。

5.根据权利要求1所述的光学长度测量设备，其中所述扫描单元（20）布置在扫描车（30）中，所述扫描车（30）通过引导元件(31a，31b)在计量用具（10）处或在所述计量用具（10）的壳体处在测量方向（x）上被纵向引导。

6.根据权利要求5所述的光学长度测量设备，其中补充于在计量用具处的纵向引导，所述扫描车（30）通过另外的引导元件在所述计量用具（10）的壳体处被纵向引导。

7.根据权利要求1所述的光学长度测量设备，其中所述扫描车（30）通过在耦合点（50）处的接合而与所述拨杆（41）铰接地耦合。

8.根据权利要求1所述的光学长度测量设备，其中在所述扫描单元（20）中在射束的光路中仅仅布置光学有效的元件，

－所述元件有针对性地调节真实光源与所述测量分度（12）之间的光学有效距离；和/或

－所述元件有针对性地调节真实的探测器装置与所述测量分度（12）之间的光学有效距离。