CN102788553A

CN102788553A - 光学位置测量装置

Info

Publication number: CN102788553A
Application number: CN2012101492856A
Authority: CN
Inventors: 米夏埃尔·赫尔曼
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-14
Also published as: ES2560813T3; EP2525195A2; US20120292493A1; JP6054059B2; EP2525195A3; DE102011076055A1; JP2012242395A; CN102788553B; EP2525195B1; US8890057B2

Abstract

本发明涉及一种具有量具和扫描单元的光学位置测量装置。量具包括在测量方向上延伸的增量刻度以及基准位置上的至少一个基准标记。基准标记具有两个相对于基准标记对称轴镜面对称的基准标记分区，它们分别由具有部分可变的刻度周期的、在测量方向上延伸的光栅结构组成。扫描单元包括发散照射的光源、一个或者多个光栅以及基准信号探测器布置。该布置具有至少四个分别具有多个探测器元件的探测器阵列。这样设计并布置这些探测器阵列，即，通过由基准信号探测器布置对基准标记进行扫描得到分别具有反相的信号变化过程的第一对和第二对分基准信号，并且第一对分基准信号沿着测量方向相对于第二对分基准信号偏移一个偏移量。

Description

光学位置测量装置

技术领域

本发明涉及一种光学位置测量装置。

背景技术

由申请人的专利申请DE 102008044858 A1中已知一种光学位置测量装置，它适合用于检测在至少一个测量方向上能彼此相对运动的两个对象的位置。为此，该位置测量装置包括量具，它与两个对象中的一个连接。该量具具有在测量方向上延伸的增量刻度以及至少一个在基准位置处的基准标记。通过这个基准标记为高解析度的增量位置测量提供了参照点，在超过基准标记并且产生基准信号以后，增量测量以此参照点作为参考。此外，这种位置测量装置包括扫描单元，它与两个对象中的另一个连接，并且具有发散照射的光源，一个或者多个光栅以及基准信号探测器布置。在这个公开文献中描述了以下细节，即，如何才能在光学位置测量装置中，在对发散的光照进行扫描原理的基础上，形成所谓的已线性调频的基准标记，用于产生高解析度的基准信号。

在该位置测量装置中，基准标记布置在相邻于具有增量刻度的增量轨迹的单独的基准轨迹中。出于该原因，基准信号相对于增量信号的相对位置取决于量具和扫描单元之间围绕着垂直于量具平面的轴线的旋转夹角。其中，增量刻度的刻度周期越小，并且用于增量及基准标记轨迹的扫描中心与测量方向的垂直距离越长，相对于这种旋转的敏感度就越强。然而，为了能够正确地进一步处理基准信号，参照增量信号产生的基准信号的定义位置和宽度是很重要的。

迄今主要通过耗时耗力地机械式调整扫描单元来调节基准信号的位置。基准信号的宽度可以通过有针对性地改变比较器触发阈值实现，在处理信号时，各个类似的电流或电压脉冲必须超过或者低于这个比较器触发阈值，从而产生基准信号的打开沿或者关闭沿。然而，尤其是在高解析度的光学位置测量装置中，为了进行这种机械和电调节的耗费却是巨大的。

发明内容

本发明的目的是，提供一种光学位置测量装置，其基于对发散的光照进行扫描的原理，并且提供了一种简单的、用于生成基准信号的可能性，该基准信号参照增量信号具有定义的位置和宽度。

根据本发明，该目的通过一种具有权利要求1所述特征的光学位置测量装置得以实现。

根据本发明的光学位置测量装置的有利的实施方式由从属权利要求中所述的措施中得出。

根据本发明的用于检测两个能彼此相对地在至少一个测量方向上运动的对象的位置的光学位置测量装置一方面包括量具，该量具与两个对象中的一个连接，并且量具具有在测量方向上延伸的增量刻度以及在基准位置上的至少一个基准标记。该基准标记包括两个相对于基准标记对称轴镜面对称的基准标记分区，该基准标记分区分别由具有部分可变的刻度周期的、在测量方向上延伸的光栅结构组成。此外，根据本发明的光学位置测量装置包括扫描单元，其与两个对象中的另一个连接，并且扫描单元具有发散照射的光源，一个或者多个光栅以及基准信号探测器布置。这个基准信号探测器布置具有至少四个分别具有多个探测器元件的探测器阵列。这样设计并布置这些探测器阵列，即，通过由基准信号探测器布置对基准标记进行扫描得到分别具有反相的信号变化过程的第一对和第二对分基准信号，并且第一对分基准信号沿着测量方向相对于第二对分基准信号偏移一个偏移量。

优选地，这样布置第一和第二探测器阵列的探测器元件，即，从第一探测器对称轴出发，在测量方向上、在相邻的探测器元件之间的中心间距发生变化的方向与从基准标记对称轴出发，在基准标记分区中的光栅结构的刻度周期发生变化的方向一样。这样布置第三和第四探测器阵列的探测器元件，即，从第二探测器对称轴出发，在测量方向上、在相邻的探测器元件之间的中心间距发生变化的方向与从基准标记对称轴出发，在基准标记分区中的光栅结构的刻度周期发生变化的方向一样。

在此，第二探测器对称轴可以布置成相对于第一探测器对称轴偏移一个量，该量等于在第一对和第二对分基准信号之间的偏移量的两倍。

还有可能的是，设有用于产生补偿信号的装置，该补偿信号是对量具上的基准标记进行光学扫描的结果，其中，该补偿信号用于在将分基准信号进一步处理成为基准信号时调节一个或者多个触发信号。

在此，例如可以在探测器阵列的探测器元件之间布置直流光探测器元件，作为用于产生补偿信号的装置。

还有可能的是，设置加法元件作为产生补偿信号的装置，加法元件用于将探测器阵列的所有分基准信号相加。

可以设计的是，即，

-第一对和第二对分基准信号接通在两个差动放大器的输出端上，并且在这两个差动放大器的输出端上提供各一个用于进行进一步处理的脉冲形式的信号。

-在这两个差动放大器后面布置了求和元件和求差元件，通过这些元件从脉冲形式的信号中得到和信号和差信号，

-和信号和差信号接通在多个比较器的第一输入端上，在比较器的各自的第二输入端上接通了从补偿信号中推导出来的触发信号，并且

-在多个比较器后面布置了逻辑运算元件，在它们的输出端上得到基准信号。

在一个可能的实施方式中，补偿信号通过输入端放大器放大，然后能将这个放大的补偿信号输送给三个具有可调节的不同放大系数的放大器，并且将这三个从补偿信号中推导出的不同放大信号作为触发信号输送给三个比较器的第二输入端。

此外还可以设计的是，能将通过相加得到的补偿信号输送给三个具有可调节的不同放大系数的放大器，并且能将这三个从补偿信号中推导出的不同放大信号作为触发信号输送给三个比较器的第二输入端。

还有可能的是，在光源和量具之间布置具有发射间隙的隔板。

此外在一部分探测器元件上还能布置遮光光栅，它们的光栅刻度线（Gitterstriche）与这些探测器元件的纵向延伸方向正交。

优选地，在测量方向上，在量具上的基准轨迹中在基准标记的相邻两侧布置了光栅结构，它们对投射在其上的光束起到光学散射的作用。

在此，光栅结构在基准轨迹中具有的刻度周期等于在量具上布置在增量轨迹中的增量刻度的刻度周期的一半。

以有利的方式，这些光栅结构在该基准轨迹中具有的刻度线（Strich）-刻度周期比例值为0.25。

可以提出，即探测器布置包括四个探测器阵列，并且

-第一和第二探测器阵列设计为相对于第一探测器对称轴镜面对称，该对称轴在探测平面中垂直于测量方向延伸，其中，第一和第二探测器阵列在探测平面中布置成垂直于测量方向彼此偏移，并且

-第三和第四探测器阵列设计为相对于第二探测器对称轴镜面对称，该对称轴在探测平面中垂直于测量方向延伸，并且在测量方向上布置成相对于第一探测器对称轴偏移，其中，第三和第四探测器阵列在探测平面中布置成垂直于测量方向彼此偏移。

可替换地也可以提出，即探测器布置包括四个探测器阵列，并且

-第一和第二探测器阵列设计为相对于第一探测器对称轴镜面对称，该对称轴在探测平面中垂直于测量方向延伸，其中，第一和第二探测器阵列布置成在测量方向上彼此相邻，并且

-第三和一个第四探测器阵列设计为相对于第二探测器对称轴镜面对称，该对称轴在探测平面中垂直于测量方向延伸，并且在测量方向上布置成相对于第一探测器对称轴偏移，其中，第三和第四探测器阵列布置成在测量方向上彼此相邻，并且

-第一和第二探测器阵列在探测器对称轴的延伸方向上布置成相对于第三和第四探测器阵列偏移。

通过根据本发明的措施，实现一种光学位置测量装置，它以一种对发散的光照进行扫描的原理为基础，并且可以对产生的基准信号进行电子补偿。从此，可以在不耗时耗力地进行机械式补偿的情况下，以电子途径调节基准信号相关于增量信号的位置以及它的宽度。

尤其是通过产生这两对分别具有反相的信号变化过程的分基准信号最终使得可以在非常不易受到外部干扰的情况下进行信号处理。

为了按定义调节基准信号的位置和宽度所需的比较器触发阈值从补偿信号中推导而出，该补偿信号是对基准标记进行光学扫描的结果。以这种方式和方法使得产生基准信号时就信号振幅变化而言的稳定性提高，正如例如可能由于污染、光源老化或者温度变化而出现信号振幅变化。

根据本发明的光学位置测量装置不仅可以设计为用于检测线性位移运动的长度测量仪，还可以设计为用于检测围绕着自转轴进行自转运动的自转位置测量仪。

此外还有可能的是，构造出根据本发明的光学位置测量装置的透射光变化方案以及入射光变化方案。

附图说明

下面结合附图，借助以下对根据本发明的光学位置测量装置的实施例的描述对本发明的其他细节和优点进行描述。

其示出：

图1以根据本发明的位置测量装置的一个实施例高度示意性地示出用于产生基准信号的发光扫描过程；

图2是对图1的光学位置测量装置的量具的俯视图，带有增量刻度和基准标记；

图3a是根据本发明的光学位置测量装置的探测平面的示意性部分视图，带有合适的基准信号探测器布置的第一实施例；

图3b是图3a的放大截取图；

图4a，4b分别示出通过图3中的基准信号探测器布置产生的基准位置的区域内的一对分基准信号；

图5a，5b示出从两对分基准信号中推导出的信号；

图6a，6b示出从图5a，5b中的信号中推导出的和信号和差信号；

图7示出从图5a，5b中的和信号和差信号中推导出的基准信号：

图8示出通过图3a中的基准信号探测器布置产生的光学补偿信号；

图9示出用于处理来自符合图3a的基准信号探测器布置的分基准信号的线路布置；

图10示出图3a中的基准信号探测器布置的变化方案；

图11示出根据本发明的光学位置测量装置的探测平面的示意性的部分视图，带有合适的基准信号探测器布置的第二实施例；

图12示出用于处理来自符合图11的基准信号探测器布置的分基准信号的线路布置。

具体实施方式

下面，借助图1-9详细地描述根据本发明的光学位置测量装置的第一实施方式。其中，图1以高度示意性的方式示出用于产生基准脉冲信号的发光扫描过程，图2是对量具的基准标记区域的俯视图，图3a是对探测平面的部分视图，图3b是图3a的放大截取图，图4a至8示出信号变化过程用于阐述如何进行信号处理，并且图9示出用于产生基准信号的合适的线路布置。

在所示实施例中，根据本发明的光学位置测量装置设计为透射光长度测量仪，并且包括扫描单元20，它被布置成可以相对于量具10在测量方向x上运动。量具10和扫描单元20例如与两个可以在测量方向x上彼此相对运动的对象连接。在此，例如可以是两个可以彼此相对运动的机器部件。通过根据本发明的光学位置测量装置的产生的，与位置相关的输出信号（增量信号，基准脉冲信号），连接在后方的控制单元可以以已知的方式和方法适宜地控制这些机器部件的运动。

图1中的示图当然是高度简化的，尤其是扫描单元20的对于该透射光系统必须的量具-围绕仅仅在原理上通过用虚线连接扫描单元20的光源方面的部件和探测方面的部件来表示；同样地，在图1中，在量具的侧边上仅仅示意性表示出被扫描的基准标记11。

量具10在本实施例中包括一个在测量方向x上延伸的线性增量刻度12，它布置在刻度载体13上。这个增量刻度12由以刻度周期TP_INC=8μm周期性地布置在测量方向x上的分部区域组成，这些分部区域具有不同的光学特性，并且在刻度平面中在y方向上延伸。在所示实施例中，增量刻度12设计为透射光相位光栅，它的相移为180°，并且刻度比例为1:1。

与具有增量刻度12的轨迹相邻，在量具10的侧边上预设一个基准轨迹，在这个基准轨迹中在刻度载体13上的一个定义的基准位置X_REF上布置了一个基准标记11；原理上当然也可以在多个基准位置上布置相应的基准标记。基准标记11正如增量刻度12同样设计为相移为180°的相位光栅，并且由具有交替布置的分部区域11.1，11.2的结构组成，这些分部区域对投下的光束起到不同的相位位移作用。

此外，在基准轨迹中，在测量方向x上，在基准标记11相邻的两侧还分别布置了周期性的光栅结构14。在所示实施例中，这些光栅结构14在此延伸经过基准轨迹的全部长度，并且因此在基准轨迹中覆盖了未设有基准标记11的全部区域。在基准轨迹中的附加的光栅结构14具有一个刻度周期TP_G，它不同于增量刻度12的刻度周期TP_INC；例如，选择光栅结构14的刻度周期TP_G等于增量刻度TP_INC的刻度周期的一半；对于该光栅结构14而言，刻度线-刻度周期的比例值为0.25。这样设计光栅结构14，即，使得形成多个具有近似的衍射效率的衍射级（0.，+/-1.，+/-2.）。于是光栅结构14对投射在其上的光束起到光学散射的作用。结果，在量具10上可能存在的污垢在探测平面中反映的不明显，并且因此对基准信号的产生只会产生最小化的不利影响。此外，通过按照所说明地确定光栅结构14的尺寸，确保了从增量轨迹和基准轨迹中最终形成的信号相互之间的影响仅很小。

正如从图1和2中可以看出的那样，在基准位置X_REF上的基准标记11包括两个相对于基准标记对称轴RS镜面对称地布置的基准标记分区11_A，11_B。这两个基准标记分区11_A，11_B中的每个都由一个在测量方向x上延伸的结构或者说光栅刻度结构构成，它们分别具有自身部分变化的刻度周期。在所示例子中，这些与基准标记对称轴RS相邻的结构在此分别具有最小的刻度周期，在向外延伸的测量方向x上分别预设了不断变大的刻度周期。因此，基准标记11的两个基准标记分区11_A，11_B中的这些结构设计为所谓的线性调频的刻度结构，其中，在这两个基准标记分区11_A，11_B中预设了相对于基准标记对称轴RS镜面对称的线性调频变化过程。此外，关于线性调频的基准标记分区11_A，11_B的详细构造方案在开头已经所述的申请人的申请DE 102008044858A1中指出。在该文献中，根据等式1.1，1.2通过量具方面的刻度频率f_ms（x）描述基准标记11中的线性调频变化过程。在本实施例中，选择了f₀=7.21/mm和L=1.25mm作为等式1.1和1.2中的特征变量，其中，f₀代表量具方面的平均刻度频率，并且L代表在基准标记分区11_A，11_B内的结构在测量方向x中的长度。

为了以周期性增量信号的形式产生与位移有关的输出信号，并且在至少一个定义的基准位置X_REF上产生至少一个基准脉冲信号Rl，在扫描单元20中布置了一系列组件，为了简单起见，它们也被总称为扫描装置。在所示例子中，为了产生基准脉冲信号Rl而所需的扫描装置包括：在向量具10的方向上发散照射的光源21，一个或者多个光栅以及一个特别构造的并且与基准标记11协调的基准信号探测器布置22。在根据图1的用于产生基准信号的扫描照射过程的实施例中，设有具有发射间隙23的隔板作为扫描单元20中的光栅，该隔板布置在光源21和量具10之间。

在本发明中，在图3a中用俯视图示出的基准信号探测器布置22由至少四个探测器阵列22.1-22.4组成。它们分别包括多个光电二极管形式的矩形光电探测器元件22a-22e，它们布置成在测量方向x上延伸。探测器元件22a-22e的矩形纵轴在给出的y方向上，也就是说垂直于探测平面中的测量方向x。

正如从图3a中可以看出的那样，基准信号探测器布置22的第一探测器阵列22.1和第二探测器阵列22.4设计为相对于第一探测器对称轴DS1镜面对称，该对称轴在探测平面中垂直于测量方向x延伸。第一探测器阵列22.1和第二探测器阵列22.4彼此偏移地布置在垂直于测量方向x的探测平面中，也就是说在给出的y方向上。正如从图3b中的探测器布置22的中央区域的放大示图中得出的那样，在本实施例中，除了第一探测器对称轴DS 1延伸穿过的那个探测器元件例外，在这里第二探测器阵列22.4的所有探测器元件22a，22b，22e都布置成在y方向上与第一探测器阵列22.1彼此偏移。

与之类似地，根据图3a设计了或者说布置了基准信号探测器布置22的第三探测器阵列22.3和第四探测器阵列22.2。也就是说，第四探测器阵列22.2设计为相对于第二探测器对称轴DS2与第三探测器阵列22.3镜面对称，该对称轴同样在探测平面中垂直于测量方向x延伸，但是相对于第一探测器对称轴DS 1在测量方向上偏移了量△DS。第三探测器阵列22.3和第四探测器阵列22.2在探测平面中又布置成垂直于测量方向x彼此偏移，也就是说在给出的y方向上。正如同样从图3b中的探测器布置22的中央区域的放大示图中得出的那样，在本实施例中，除了第二探测器对称轴DS2延伸穿过的那个探测器元件之外，在这里，第四探测器阵列22.2的所有探测器元件22c，22d，22e都布置成在y方向上与第三探测器阵列22.3彼此偏移。

因此，在这种实施方式中，在根据本发明的基准信号探测器布置22中得到一个镜面对称的设计的第一和第二探测器阵列22.1，22.4或者第三和第四探测器阵列22.3，22.2的交叉布置。这种布置尤其是在探测平面内的强度分布不均时被证明是有利的，正如它例如在一次对发散照射的扫描时表现的那样。

根据图3a沿着测量方向x这样布置第一和第二探测器阵列22.1，22.4的探测器元件22a，22b，22e，即，从第一探测器对称轴DS1出发，在测量方向x上，在相邻的探测器元件22a，22b，22e之间的中心间距发生变化的方向与从基准标记对称轴RS出发，结构的刻度周期在两个基准标记分区11_A，11_B中发生变化的方向一样。因此，正如基准标记11一样，基准信号探测器布置22的第一和第二探测器阵列22.1，22.4相对于相应的探测器元件22a，22b，22e的布置具有一个对称的线性调频的结构。

也与之类似地设置第三和第四探测器阵列22.3，22.2在基准信号探测器布置22中的构造方式，其中，这里的这些探测器元件22c，22d，22e相对于第二探测器对称轴DS2呈现一种对称的线性调频的结构或者说布置；正如之前已经提过的那样，第二探测器对称轴DS2设计为相对于第一探测器对称轴DS1在测量方向上偏移量△DS。

在第一和第二探测器阵列22.1，22.4或者第三和第四探测器阵列22.3，22.2中，探测器元件22a-22e的对称的线性调频布置分别与量具10上的基准标记11的对称的线性调频的构造相协调。这意味着，在探测器阵列22.1-22.4中的相邻的探测器元件22a-22e之间的间距变化类似于基准标记分区11_A，11_B中的刻度结构的间距变化。就用于检测两对探测器阵列中的相位位移的分基准信号的单个探测器元件22.a-22.d的具体布置而言，又参考了申请人的申请DE 102008044858A1，在那里尤其是参考了等式2.1和2.2。对于探测器阵列22.1-22.4的当前的设计方案，在等式2.1和2.2中选择了f₀=7.2 1/mm，L=1.25mm和k=1作为特征变量，其中，f₀代表量具方面的平均刻度频率，L代表在基准标记分区11_A，11_B内的结构在测量方向x上的长度，并且k代表光学扫描的类型（k=1：通过衍射级+/-1.获取的信号；k=2：通过衍射级0.，+/-1.获取的信号）。

从图3a中分别相同地示出的探测器元件22a-22d中通过对基准轨迹的扫描最终分别得到相同的分基准信号，然后为了产生基准信号Rl而对这些信号进行进一步处理。于是来自第一和第二探测器阵列22.1，22.4的探测器元件22a提供一个分基准信号，下面用附图标记S1_T表示这个分基准信号；来自第一和第二探测器阵列22.1，22.4的探测器元件22b提供分基准信号S1_GT。来自第三和第四探测器阵列22.3，22.2的探测器元件22c提供分基准信号S2_T；来自第三和第四探测器阵列22.3，22.2的探测器元件22d提供分基准信号S2_GT。于是，通过所示的基准信号探测器布置总共产生四个分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT，然后它们被进一步处理成为最终形成的基准信号Rl。

在探测器阵列22.1-22.4的提供了不同分基准信号S1_T，S1_GT或S2_T，S2_GT的不同探测器元件22a-22d之间，在本实施例中在基准信号探测器布置22中还分别布置了直流光探测器元件22e。通过该直流光探测器元件22e产生一个信号，从该信号中获取尽可能少地被调制的补偿信号，并且该信号在信号的进一步处理过程中用于产生基准信号Rl；对于具体的信号处理过程而言参考本说明书的后续说明。

在基准信号探测器布置22的所示实施例中，从中产生分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT的探测器元件22a-22d在测量方向x上分别具有的宽度大约等于当前探测器阵列22.1-22.4的本地的刻度周期的三分之一。正如可以从图3中看出的那样，对于该探测器阵列22.1-22.4的每个本地的刻度周期分别设置了两个直流光探测器元件22e，它们分别在测量方向x上具有的宽度大约等于当前探测器阵列22.1-22.4的本地的刻度周期的六分之一。

通过这样构造基准信号探测器布置22于是确保了通过该基准信号探测器布置22对基准标记11进行扫描，由此形成第一对分基准信号S1_T，S1_GT以及第二对分基准信号S2_GT，S2_GT。在此，第一对分基准信号S1_T，S1_GT沿着测量方向x相对于第二对分基准信号S2_T，S2_GT偏移一个偏移量；典型地，在第一对和第二对分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT之间的偏移量等于通过对增量轨迹12扫描得到的增量信号的若干信号周期。一对分基准信号S_1T，S_1GT或者S2_T，S2_GT的信号变化过程分别彼此是反相的或者说颠倒的；这就是说，当第一对或第二对中的分基准信号S1_T或S2_T在基准位置X_REF的区域中有一个信号最大值的情况下，归属的分基准信号S1_GT或S2_GT就在那里具有一个信号最小值，或者反之亦然。这样产生的四个不同的分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT的变化过程在图4a和4b中在基准位置X_REF的区域中示出。

由于设计第一对和第二对探测器阵列22.1，22.4或22.3，22.2的对称轴DS1，DS2偏移△DS，所以分基准信号S1_T，S1_GT相对于分基准信号S2_T，S2_GT正如前面已经提到的那样在测量方向x上具有一个偏移量△DS/2，这个偏移量是运用光学扫描原理的结果。

针对本实施例下面借助图9以及5a-8阐述将这样产生的分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT进一步处理成为输出端一侧的形成的、高解析度的基准信号Rl；在此，图9示出一种适于进行信号处理的线路布置，图5a-8示出在处理信号过程中形成的不同信号。

正如图9中可以看出的那样，通过探测器元件22a-22d产生的分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT以成对的方式被输送给两个差动放大器30.1，30.2。在此，在这两个差动放大器30.1，30.2的相应输入端上分别接上反相的分基准信号S1_T，S1_GT或S2_T，S2_GT。在这两个差动放大器30.1，30.2的相应的输出端上分别得到一个脉冲形式的信号S1，S2；这些脉冲形式的信号S1，S2在基准位置X_REF的区域中的变化过程在图5a，5b中示出。

通过布置在两个差动放大器30.1，30.2后面的求和元件31和求差元件32，于是从脉冲形式的信号S1，S2中形成和信号S1+S2以及差信号S1-S2。在图6a中在基准位置X_REF的区域中示出了该和信号S1+S2，在图6b中示出了该差信号S1-S2。

然后该和信号S1+S2被输送给第一比较器33.1的第一输入端；该差信号S1-S2被输送给第二和第三比较器33.2，33.3的各自的第一输入端。在这些不同比较器33.1，33.2，33.3的各自的第二输入端上接通触发信号TS1，TS3，TS2，它们是从通过直流光探测器元件22e中获取的补偿信号中推导出来的。其中，通过直流光探测器元件22e产生的信号首先通过放大器元件34放大成为补偿信号S_A；在图8中示出了补偿信号S_A在基准位置X_REF区域中的基本上未调制的变化过程。然后补偿信号S_A就通过另外三个具有不同放大系数a，c，b的放大元件34.1，34.2，34.3被放大成为三个触发信号TS1=a·S_A，TS2=b·S_A，TS3=c·S_A，它们接通在三个比较器33.1，33.3，33.2的各自的第二输入端上。布置在这些比较器33.1，33.2，33.3后面的是逻辑运算元件35，设计为UND运算元件。在对不同的触发信号TS1，TS2，TS3进行一次适宜的调节的情况下，在基准位置X_REF的位置上，在运算元件35的输出端上形成图7中示出的基准信号Rl。

其中，当所有以下三个条件i），ii），iii）都满足时，则通过逻辑UND运算元件35实现输出基准信号Rl：

i）S1+S2＞TS1

ii）S1-S2＞TS3

iii）S1-S2＜TS2。

于是，可以通过按定义调节触发信号TS2，TS3，也就是说通过选择放大元件34.3，34.2的放大系数b，c，按定义电子调节根据本发明的光学位置测量装置中的基准信号Rl的位置和宽度。

优选地，为此这样选择触发信号TS1，即，它几乎为零，然而又是一个正值；在图6a中联系和信号S1+S2示出了相应的触发信号TS1。以这种方式和方法可以确保即使在断开光源时也不会因为疏忽而意外产生基准信号Rl。

在图10中示意性地示出了根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例的基准信号探测器布置22’的一个略微变化的变化方案。其中，不同探测器阵列22.1’-22.4’的布置和构造以及探测器元件22a’-22e’的布置和图3a中的一样。然而额外设计为，即遮光光栅25布置在一部分探测器元件22a’-22e’上，它的光栅刻度线朝向x方向，也就是说与探测器元件22a’-22e’的纵向延伸方向正交。其中，仅仅为基准信号探测器布置22’的相对于对称轴处于外部的探测器元件22a’-22e’配置这种遮光光栅25。探测器元件22a’-22e’的光感面的遮光度大约为50%。以这种方式和方法，位于探测器阵列22.1’-22.4’的外部的探测器元件22a’-22e’的重量在产生信号时降低。这在例如量具上的基准标记的区域中有污垢的情况下被证明是有利的，因为在这种情况下，外部的探测器元件22a’-22e’的一些信号组成部分可能会不对称地被消除，并且对信号处理产生不利影响。

遮光光栅25例如可以布置在位于基准信号探测器布置22’上方的扫描单元中的扫描板上。此外，还可以将遮光光栅25作为相应区域中的金属结构直接安放在基准信号探测器布置22’上。此外，还可以设计的是，将这些区域中的探测器元件22a’-22e’在纵向上结构化，从而通过这种方式同样达到遮光光栅25的光学效果。

最后借助图11和12阐述了根据本发明的光学位置测量装置的第二实施方式。其中，图11示出基准信号探测布置的一个视图，图12示出用于产生基准信号Rl的线路布置。

接下来仅仅描述与第一实施例的重大不同之处。这些不同之处主要在于产生补偿信号的方式和方法。在第一实施例中，在不同的探测器阵列中预设了单独的直流光探测器元件作为用于产生该补偿信号的装置，而在本实施例中，是通过将来自探测器阵列的探测器元件的所有分基准信号相加来获得补偿信号。

对于图11中所示的基准信号探测器布置，这意味着，在四个探测器阵列122.1-122.4中不设计单独的直流光探测器元件，而仅仅设计产生分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT的探测器元件122a-122d。由于没有直流光探测器元件，所以从中产生分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT的探测器元件122a-122d在测量方向x上分别具有的宽度等于当前探测器阵列122.1-122.4的本地的刻度周期的一半。

作为用于产生补偿信号S_A的装置，在根据图12的线路布置中设计了求和元件136，四个分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT被输送给这个求和元件用于相加成为补偿信号S_A。以类似第一实施例的方式实现通过放大元件134.1-134.3进一步处理补偿信号S_A，并且将这些不同地放大的信号作为触发信号TS1-TS3输送到三个比较器133.1-133.3的各自的第二输入端上。

这四个通过探测器元件122a-122d产生的分基准信号S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT通过放大元件130.1-130.4被放大，并且紧接着如所示地通过求差元件137.1，137.2以成对的方式求差。在这两个求差元件137.1，137.2的输出端上得到脉冲形式的信号S1，S2，然后，在如所示地将和信号S1+S2以及差信号S1-S2接通在三个比较器133.1-133.3的第一输入端上之前，同样再次以类似于第一实施例的方式通过求和元件131和求差元件132对这些脉冲形式的信号进行进一步处理。在逻辑运算元件135的输出端上又得到基准信号Rl。

不言而喻地，在本发明的范畴中除了这些具体阐述的实施例还存在其他的设计可能性。

因此例如可替换地也可以完全静态地从合适的电压源中产生触发信号TS1-TS3。此外，还有可能的是，仅有触发信号TS1如上所述地从补偿信号中产生，并且另外两个触发信号TS2，TS3静态地从合适的电压源中产生。

此外还有可能的是，代替上述的四个探测器阵列的交叉式布置，在基准信号探测器布置中也可以选择一种可替换的布置方法。因此又可以构造相对于第一探测器对称轴镜面对称的第一和第二探测器阵列，对称轴在垂直于测量方向的探测平面中延伸。然而不同于上述的实施例，这里的第一和第二探测器阵列会设计为在测量方向上彼此相邻布置，并且不在y方向上偏移。此外还将第三和第四探测器阵列构造成相对于第二探测器对称轴镜面对称，该对称轴在探测平面内垂直于测量方向延伸，并且设计为相对于第一探测器对称轴在测量方向上偏移地布置。不同于前述的实施例，这里的第三和第四探测器阵列也会设计为在测量方向上彼此相邻，即同样不在y方向上偏移。在这种变化方案中，第一和第二探测器阵列会设计为在探测器对称轴的延伸方向上相对于第三和第四探测器阵列偏移。

Claims

1.一种用于检测两个能彼此相对地在至少一个测量方向（x）上运动的对象的位置的光学位置测量装置，所述光学位置测量装置具有：

-量具（10），所述量具与所述两个对象中的一个对象连接，并且所述量具包括在测量方向（x）上延伸的增量刻度（12）以及在基准位置（X_REF）上的至少一个基准标记（11），其中，所述基准标记（11）具有两个相对于基准标记对称轴（RS）镜面对称地布置的基准标记分区（11_A，11_B），所述基准标记分区分别由具有部分可变的刻度周期的、在测量方向（x）上延伸的光栅结构组成，

-扫描单元（20），所述扫描单元与所述两个对象中的另一个对象连接，并且所述扫描单元包括发散照射的光源（21）、一个或者多个光栅（23）、以及基准信号探测器布置（22；22’；122），其中

-所述基准信号探测器布置（22；22’；122）具有至少四个分别具有多个探测器元件（22a-22d；22a’-22d’；122a-122d）的探测器阵列（22.1-22.4；22.1’-22.4’；122.1-122.4），并且这样设计并布置所述探测器阵列（22.1-22.4；22.1’-22.4’；122.1-122.4），即，

-通过由所述基准信号探测器布置（22；22’；122）对所述基准标记（11）进行扫描得到分别具有反相的信号变化过程的第一对和第二对分基准信号（S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT），并

且所述第一对分基准信号（S1_T，S1_GT）沿着测量方向（x）相对于所述第二对分基准信号（S2_T，S2_GT）偏移一个偏移量。

2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中

-这样布置所述第一和第二探测器阵列（22.1，22.4；22.1’，22.4’；122.1，122.4）的所述探测器元件（22a，22b；22a’，22b’；122a，122b），即，从第一探测器对称轴（DS1）出发，在测量方向（x）上、在相邻的所述探测器元件（22a，22b；22a’，22b’；122a，122b）之间的中心间距发生变化的方向与从所述基准标记对称轴（RS）出发，在所述基准标记分区（11_A，11_B）中的所述光栅结构的所述刻度周期发生变化的方向一样，并且

-这样布置所述第三和第四探测器阵列（22.2，22.3；22.2’，22.3’；122.2，122.3）的所述探测器元件（22c，22d；22c’，22d’；122c，122d），即，从第二探测器对称轴（DS2）出发，在测量方向（x）上、在相邻的所述探测器元件（22c，22d；22c’，22d’；122c，122d）之间的中心间距发生变化的方向与从所述基准标记对称轴（RS）出发，在所述基准标记分区（11_A，11_B）中的所述光栅结构的所述刻度周期发生变化的方向一样。

3.根据权利要求2所述的光学位置测量装置，其中，所述第二探测器对称轴（DS2）布置成相对于所述第一探测器对称轴（DS1）偏移一个量（△DS），所述量等于在所述第一对和第二对分基准信号（S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT）之间的偏移量的两倍。

4.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，具有用于产生补偿信号（S_A）的装置，通过对所述量具（10）上的所述基准标记（11）进行光学扫描得到所述补偿信号，其中，所述补偿信号（S_A）用于在将所述分基准信号（S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT）进一步处理成为基准信号（Rl）时调节一个或者多个触发信号（TS1，TS2，TS3）。

5.根据权利要求4所述的光学位置测量装置，其中，在所述探测器阵列（22.1-22.4；22.1’-22.4’）的所述探测器元件（22a-22d；22a’-22d’）之间布置直流光探测器元件（22e；22e’），作为用于产生所述补偿信号（S_A）的装置。

6.根据权利要求4所述的光学位置测量装置，其中，用于将所述探测器阵列（122.1-122.4）的所有分基准信号（S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT）相加的加法元件（136）用作为产生所述补偿信号（S_A）的装置。

7.根据权利要求4所述的光学位置测量装置，其中，

-所述第一对和第二对分基准信号（S1_T，S1_GT，S2_T，S2_GT）接通在两个差动放大器（30.1，30.2）的输入端上，并且在所述两个差动放大器（30.1，30.2）的输出端上提供各一个用于进行进一步处理的脉冲形式的信号（S1，S2），

-在所述两个差动放大器（30.1，30.2）后面布置了求和元件（31）和求差元件（32），通过所述求和元件和所述求差元件从所述脉冲形式的信号（S1，S2）中得到和信号和差信号（S1+S2，S1-S2），

-所述和信号和差信号（S1+S2，S1-S2）接通在多个比较器（33.1-33.3）的第一输入端上，在所述比较器的各自的第二输入端上接通了从所述补偿信号（S_A）中推导出来的触发信号（TS1，TS2，TS3），并且

-在所述多个比较器（33.1-33.3）后面布置了逻辑运算元件（35），在所述逻辑运算元件的输出端上得到所述基准信号（Rl）。

8.根据权利要求5和7所述的光学位置测量装置，其中，所述补偿信号（S_A）通过输入端放大器（34）放大，然后能将所述放大的补偿信号（S_A）输送给三个具有可调节的不同放大系数（a，b，c）的放大器（34.1，34.2，34.3），并且能将所述三个从所述补偿信号（S_A）中推导出的不同放大信号作为触发信号（TS1，TS2，TS3）输送给所述三个比较器（33.1-33.3）的所述第二输入端。

9.根据权利要求6和7所述的光学位置测量装置，其中，能将所述通过相加得到的补偿信号（S_A）输送给三个具有可调节的不同放大系数（a，b，c）的放大器（134.1，134.2，134.3），并且能将所述三个从所述补偿信号（S_A）中推导出的不同放大信号作为触发信号（TS1，TS2，TS3）输送给所述三个比较器（133.1，133.2，133.3）的所述第二输入端。

10.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中，在所述光源（21）和所述量具（10）之间布置具有发射间隙（23）的隔板。

11.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中，在一部分探测器元件（122a-122d）上布置遮光光栅（25），所述遮光光栅的光栅刻度线与所述探测器元件（122a-122d）的纵向延伸方向正交。

12.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其中，在测量方向（x）上，在所述量具（10）上的基准轨迹中在所述基准标记（11）的相邻两侧布置了光栅结构（14），所述光栅结构对投射在其上的光束起到光学散射的作用。

13.根据权利要求12所述的光学位置测量装置，其中，所述光栅结构（14）在所述基准轨迹中具有的刻度周期（TP_G）等于在所述量具（10）上布置在增量轨迹中的所述增量刻度（12）的刻度周期（TP_INC）的一半。

14.根据权利要求12所述的光学位置测量装置，其中，所述光栅结构（14）在所述基准轨迹中具有的刻度线-刻度周期比例值为0.25。

15.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，所述探测器布置包括四个探测器阵列，并且

-第一和第二探测器阵列（22.1，22.4；22.1’，22.4’；122.1，122.4）设计为相对于第一探测器对称轴（DS1）镜面对称，所述第一探测器对称轴在探测平面中垂直于测量方向（x）延伸，其中，所述第一和第二探测器阵列（22.1，22.4；22.1’，22.4’；122.1，122.4）在所述探测平面中布置成垂直于测量方向（x）彼此偏移，并且

-第三和第四探测器阵列（22.3，22.2；22.3’，22.2’；122.3，122.2）设计为相对于第二探测器对称轴（DS2）镜面对称，所述第二探测器对称轴在所述探测平面中垂直于测量方向（x）延伸，并且在测量方向（x）上布置成相对于所述第一探测器对称轴（DS1）偏移，其中，所述第三和第四探测器阵列（22.3，22.2；22.3’，22.2’；122.3，122.2）在所述探测平面中布置成垂直于测量方向（x）彼此偏移。

16.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，所述探测器布置包括四个探测器阵列，并且

-第一和第二探测器阵列设计为相对于第一探测器对称轴镜面对称，所述第一探测器对称轴在探测平面中垂直于测量方向延伸，其中，所述第一和第二探测器阵列布置成在测量方向上彼此相邻，并且

-第三和第四探测器阵列设计为相对于第二探测器对称轴镜面对称，所述第二探测器对称轴在所述探测平面中垂直于测量方向延伸，并且在测量方向上布置成相对于所述第一探测器对称轴偏移，其中，所述第三和第四探测器阵列布置成在测量方向上彼此相邻，并且

-所述第一和第二探测器阵列在所述探测器对称轴的延伸方向上布置成相对于所述第三和第四探测器阵列偏移。