CN106482762A - 光学位置测量装置 - Google Patents

光学位置测量装置 Download PDF

Info

Publication number
CN106482762A
CN106482762A CN201610548647.7A CN201610548647A CN106482762A CN 106482762 A CN106482762 A CN 106482762A CN 201610548647 A CN201610548647 A CN 201610548647A CN 106482762 A CN106482762 A CN 106482762A
Authority
CN
China
Prior art keywords
scanning
detector
increment
absolute
position measuring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610548647.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106482762B (zh
Inventor
沃尔夫冈·霍尔扎普费尔
克里斯托夫·林克
约翰内斯·特劳特纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dr Johannes Heidenhain GmbH filed Critical Dr Johannes Heidenhain GmbH
Publication of CN106482762A publication Critical patent/CN106482762A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106482762B publication Critical patent/CN106482762B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/341—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells controlling the movement of a following part
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/24428—Error prevention
    • G01D5/24433—Error prevention by mechanical means
    • G01D5/24438—Special design of the sensing element or scale
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/14—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34776—Absolute encoders with analogue or digital scales
    • G01D5/34784—Absolute encoders with analogue or digital scales with only analogue scales or both analogue and incremental scales
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/36—Forming the light into pulses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光学位置测量装置。该光学位置测量装置一方面包括整体量具，其沿着测量方向延伸并且具有增量分度以及绝对编码。另一方面设有扫描单元，其相对于整体量具沿着测量方向可相对移动地设置并且具有光源、用于光学扫描增量分度的扫描网格以及检测器装置。检测器装置包括用于从增量分度的光学扫描中产生增量信号的增量检测器以及用于从绝对编码的光学扫描中产生绝对信号的绝对检测器；增量检测器和绝对检测器设置在共同的检测平面中。检测平面具有距扫描网格的限定的标准间距和/或将增量检测器上的条形图案的周期性选择成，使得在整体量具和/或扫描网格的区域中进行散射的污染物中增量信号和绝对信号的幅度均匀地衰减。

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。所述光学位置测量装置适合于高精度的绝对位置确定。
背景技术
这种类型的光学绝对位置测量装置例如从US 5,235,181中已知。所述光学位置测量装置包括整体量具，所述整体量具沿着测量方向延伸并且具有增量分度以及绝对编码。扫描单元相对于整体量具沿着测量测量方向可相对移动地设置。扫描单元具有光源、用于光学扫描增量分度的扫描网格以及检测器装置。检测器装置包括用于从增量分度的光学扫描中产生增量信号的增量检测器以及用于从绝对编码的光学扫描中产生绝对信号的绝对检测器。从绝对和增量信号的组合中能够确定扫描单元相对于整体量具的精确的绝对位置。
这种位置测量装置例如使用在如下应用中，其中在机器中必须高精度地检测可移动的机器相对于静止的机器部件的位置，以便经由机器控制执行该机器部件的精确的相对定位。如果该机器例如为机床，那么对于光学位置测量装置得出如下使用条件，所述使用条件必要时将会损害其功能。因此可行的是：如冷却润滑剂或油雾的污染物堆积在位置测量装置的光学部件上，尤其堆积在例如构成为玻璃码尺的整体量具上。这在极端的情况下能引起位置测量装置的失效。为了避免这种污染物引起的失效，对于光学位置测量装置已知多种保护措施，以便最小化这种污染物的出现概率。属于此的例如是借助于环绕的异形件封装整体量具，借助于压缩空气对异形件冲洗，将过滤器设置在压缩空气单元中等。但是不是在所有情况下都能够避免：位置测量装置的光学部件经由这些影响被污染并且造成对位置测量装置的功能性的损害。
发明内容
本发明所基于的目的是：实现一种用于绝对位置确定的光学位置测量装置，经由所述光学位置测量装置实现整体量具的尽可能污染物不敏感的光学扫描，并且所述位置测量装置也在光学部件的可能污染的情况下确保可靠地产生位置信号。
所述目的根据本发明通过一种光学位置测量装置来实现。
用于绝对位置确定的光学位置测量装置包括：整体量具，所述整体量具沿着测量方向延伸并且具有至少一个增量分度和绝对编码；以及扫描单元，所述扫描单元相对于整体量具沿着测量方向可相对移动地设置，并且具有光源、用于光学扫描增量分度的扫描网格以及检测器装置。检测器装置包括用于从增量分度的光学扫描中产生增量信号的增量检测器以及用于从绝对编码的光学扫描中产生绝对信号的绝对检测器。增量检测器和绝对检测器设置在共同的检测平面中。检测平面具有距扫描网格的限定的标准间距(v)，和/或将增量检测器上的条形图案的周期性选择成，使得在整体量具和/或扫描网格的区域中的进行散射的污染物的情况中增量信号和绝对信号的幅度均匀地衰减。
在一个可能的实施方式中，扫描网格和检测平面之间的标准间距(v)或者根据
或者根据
来选择，其中
v：＝扫描网格和检测平面之间的标准间距
u：＝整体量具和扫描网格之间的标准间距
d1：＝所述整体量具上的增量分度的分度周期
d3：＝增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
在另一实施方式中，增量检测器上的条形图案的周期性根据
d3＝2·dABS±10％
来选择，其中
d3：＝增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
替选地，也可能的是：扫描网格和检测平面之间的标准间距(v)根据
来选择，其中
v：＝扫描网格和检测平面之间的标准间距
u：＝整体量具和扫描网格之间的标准间距
d1：＝整体量具上的增量分度的分度周期
d3：＝增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
有利地，增量分度的光学扫描基于三网格扫描原理(Drei-Gitter-Abtast-Prinzip)，其中扫描光路中的被加载的第一网格是增量分度，被加载的第二网格是扫描网格并且被加载的第三网格是增量检测器，增量检测器构成为结构化的检测器。
能够提出：绝对编码的光学扫描基于阴影透射原理，并且在此绝对编码的结构的投影无需将光学成像元件中间连接到检测平面中地在绝对检测器上进行。
在此，绝对编码能够构成为伪随机编码。
在一个可能的实施方式中，整体量具构成为透光整体量具，其中增量分度还有绝对编码具有分别交替设置的区域，所述区域具有不同的透射特性。
证实为有利的是：整体量具的彼此朝向的侧面和扫描单元之间的扫描间隙选择为小于等于50μm。
优选地，扫描单元包括用于对增量分度和绝对编码照明的唯一的光源。
此外可行的是：设有调节单元，所述调节单元根据周期的增量信号的信号幅度作用于光源的射束强度，使得总是得到周期的增量信号的预设的信号幅度。
此外证实有利的是：增量检测器和绝对检测共同地设置在检测器芯片上。
还能够提出的是：在扫描网格和检测器装置之间至少部分地设置有具有折射率n>1的透明的填充介质。
此外可行的是：扫描网格设置在填充介质的内部中。
作为本发明的决定性的优点得出对整体量具进行尤其污染物不敏感的光学扫描。经由通过已知的机械保护措施确保的污染物不敏感性能确保尤其相对于进行散射的污染物的又尽可能的不敏感性。在此，将进行散射的污染物理解为如下污染物，经由所述污染物至少局部地改变光的传播方向。在此，不灵敏性能够借助简单的且成本适宜的扫描光学装置来实现，所述扫描光学装置不需要耗费的部件，例如成像透镜。因此，在关键的条件下也能够显著地提高光学位置测量装置的可用性。
在此在特定的应用中甚至可能的是：弃用开始提出的机械保护措施的一部分，从中能够得到根据本发明的光学位置测量装置的显著的成本优势。
附图说明
本发明的其他的细节和优点借助根据本发明设备的实施例的下面的描述接合附图来阐述。
其示出
图1示出根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例的示意剖面图；
图2a示出图1的第一实施例的整体量具的俯视图；
图2b示出图1的第一实施例的扫描板的俯视图；
图2c示出图1的第一实施例的检测器装置的俯视图；
图3示出第一实施例中的用于产生增量信号的光路连同相关的系统参数的示意图；
图4a示出根据本发明的光学位置测量装置的第二实施例的示意剖面图；
图4b示出根据本发明的光学位置测量装置的第三实施例的示意剖面图。
具体实施方式
根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例下面根据图1、2a-2c和3来阐述。自爱此，图1示出示意剖面图，图2a-2c示出整体量具、扫描板和检测器装置的俯视图，并且图3示出用于阐述增量信号光路连同多种系统参数的视图。
在所述附图中示出的光学位置测量装置包括整体量具10，所述整体量具沿着线性的测量方向x延伸并且具有增量分度13以及绝对编码12。相对于整体量具10沿着测量方向x可相对移动地设有扫描单元20，所述扫描单元具有至少一个光源21、用于扫描增量分度13的设置在扫描板23上的扫描网格24以及检测器装置25。在此，检测器装置25包括用于从增量分度13的光学扫描中产生增量信号的增量检测器27以及用于从绝对编码12的光学扫描中产生绝对信号的绝对检测器26。增量检测器27和绝对检测器26在扫描单元20中设置在共同的检测平面中，并且共同地安置在检测器芯片25.1上。此外，在所示出的实施例中，示意地示出调节单元30，所述调节单元根据增量信号的信号幅度作用于光源21。在此，该作用进行为，使得总是得出增量信号的预设的信号幅度；在增量信号的信号幅度降低的情况下，因此经由调节单元30例如提高光学的射束强度等。优选地，构成为电子电路的调节单元30同样设置在扫描单元20中。在此，根据本发明的光学位置测量装置中的唯一的光源21不仅用于对整体量具10上的增量单元13照明而且用于对绝对编码12的照明。
根据本发明的光学位置测量装置的扫描单元20和整体量具10通常与机器部件连接，所述机器部件沿着测量方向x可相对彼此移动。从借助于光学位置测量装置产生的绝对和增量信号中能够沿着测量方向x相对于整体量具10确定扫描单元20的绝对位置，并且输送给(未示出的)机器控制单元，所述机器控制单元因此接管可移动的机器部件的运动控制。替选于将绝对位置信息传输给机器控制单元，例如经由适当的串行的数据接口来传输，显然也能够提出将经由根据本发明的位置测量装置产生的绝对和增量信号传输给机器控制单元，所述机器控制单元于是仅仅将传输的绝对和增量信号组合成绝对位置值。
在所示出的第一实施例中，根据本发明的光学位置测量装置构成为透光系统。将透光整体量具作用为整体量具10，其由整体量具载体11、例如玻璃薄片构成，所述玻璃薄片在表面上具有两个平行的痕迹，所述痕迹沿着测量方向x延伸并且将增量分度13以及绝对编码12设置在所述痕迹中。增量分度13和绝对代码12在此分别具有交替设置的区域13a、13b或12a、12b，所述区域具有不同的透射特性，即增量分度13和绝对编码12构成为幅度网格。当前，黑色示出的区域12b、13不可透光地构成并且亮色示出的区域12a、13a是透光的。
在所示出的实施例中，产生绝对信号经由借助于阴影透射原理光学扫描绝对编码12来实现。在此，借助经由透镜22准直的射线束照明整体量具10上的绝对编码12，并且无需将光学成像元件中间连接到绝对检测器26的检测平面中地投影绝对编码12的结构或区域12a、12b，其中所述绝对编码构成为具有无周期设置的透射的和不透射的区域12a、12b的伪随机编码(PRC)。相应的射线束在经过整体量具10上的绝对编码12之后穿过扫描板23中的透射的窗口区域28，所述窗口区域在那里在y方向上与扫描网格24相邻地设置，并且随后射到绝对检测器26上的检测平面中。绝对检测器26如从图2中可见那样构成为行传感器或CCD阵列，所述行传感器或CCD阵列由多个单独的矩形光电的检测器元件26.1-26.n组成，所述检测器元件在测量方向x上彼此相邻地设置。
为了从增量分度13中产生增量信号，在根据本发明的光学位置测量装置中利用三网格扫描原理，如其例如从R.Pettigrew在SPIE Vol.36,1st European Congress onOptics applied to Metrology(1977)中标题为“Analysis of Grating Imaging and itsApplication to Displacement Metrology”的公开文献,S.325–33中已知。在此，周期性的增量分度13为扫描光路中的第一网格，所述第一网格由经由透镜22准直的射线束照明。增量分度13具有分度周期d1，所述分度周期说明在测量方向x上的彼此相随设置的透射的和不透射的增量分度区域13a、13b的宽度的总和。扫描单元20中的扫描网格24作用为扫描光路中的加载的第二网格，所述扫描网格以标准间距u沿射线传播方向与增量分度13间隔地设置。当前构成为幅度网格的扫描网格24具有分度周期d2，所述分度周期说明扫描网格24中在测量方向x上的彼此相随设置的透射的和不可投射的扫描网格区域24a、24b的宽度的总和。增量信号扫描光路中的第三和最后的网格最后为增量检测器27，所述增量检测器构成为结构化的检测器，并且由检测平面中的多个矩形的、点光学的检测器元件27.1-27.n构成，所述检测器元件在那里周期地沿着测量方向x设置。增量检测器27在此在射束传播方向上以标准间距v与扫描网格24间隔地设置。
在检测平面中或在增量检测器27上，在该扫描中，从由光源21发射的射线束与增量分度13和扫描网格24的交互作用中得到周期的条带图案，其中条带图案具有周期性d3。在此，从上述公开中已知根据本发明的光学位置测量装置的条带图案周期性d3和其他的几何的系统参数之间的在下面的公式1)和2)中详述的关联：
其中：
d1：＝整体量具上的增量分度的分度周期
d2：＝扫描网格的分度周期
d3：＝增量检测器上的条形图案的周期性
v：＝扫描网格和检测平面之间的标准间距
u：＝整体量具和扫描网格之间的标准间距。
在整体量具10和扫描单元20沿着测量方向x相对运动的情况下，在检测平面中产生的条带图案在增量检测器27之上迁移。借助于增量检测器27的多个检测器元件27.1-27.n在此能够以已知的方式和方法产生多个彼此相移的正弦形的增量信号，例如三个彼此相移120°的增量信号，要不就是四个分别彼此相移90°的增量信号。
随后，从这样产生的高分辨率的增量信号与粗糙分辨率的绝对信号的组合或计算中能够以常见的方式和方法例如确定可移动的扫描单元20沿着测量方向x的绝对位置。
在本发明的范围内，从现在开始认识到：尤其经由扫描光路中特定部件的进行散射的污染物显著地影响总系统的灵敏度。在此将进行散射的污染物理解为如下污染物，通过所述装置至少局部地将射到其上的光束的方向从其原始方向改变。在此可行的是：这种其散射作用的污染物例如仅在整体量具10上，仅在扫描网格24上或必要时在整体量具10和扫描网格24上出现。在此，主要整体量具10的这两个表面以及扫描板23带有扫描网格24的这个沿朝整体量具10的方向定向侧面是受污染物危害。在运行中例如能够通过液体液滴造成进行散射的污染物，所述液体液滴在所提及的部件的表面上收集，例如凝结的冷却润滑材料、油雾等，如其典型地出现在上面提及的应用中。
这种进行散射的污染物对扫描的负面影响根据本发明能够通过如下方式最小化，即通过遵守关于光学位置测量装置中的各个系统参数的特定的几何条件的方式。属于此的是选择检测平面和扫描网格24之间的限定的标准间距v和/或选择增量检测器17上的所产生的条带图案的限定的周期性d3。在此，标准间距v和/或周期性d3根据本发明选择成，使得在整体量具10和/或扫描网格24中的进行散射的污染物的情况下，增量信号的幅度和绝对信号的幅度均匀地衰减。因此根据本发明寻求：将尽可能相同的作用施加到增量信号和绝对信号上。对此根据本发明需要：将特定的几何系统参数选择得与增量信号产生或绝对信号产生的所属理论所需要的参数不同。在使用光源调节的情况下，于是进行散射的污染物对这两个信号的相同的影响引起：能够经由相应的调节单元30相应地补偿这两个信号。因此，也在进行散射的污染物中存在恒定的增量和绝对信号；根据本发明的光学位置测量装置的可用性因此能够显著地提高。
在此示出：根据两个下面的关系式3.1)或3.2)中的一个选择扫描网格24和检测平面之间的标准间距v在整体量具10上的进行散射的污染物方面证实为是有利的，并且显著地改进总系统的污染物不灵敏性：
其中：
v：＝扫描网格和检测平面之间的标准间距
u：＝整体量具和扫描网格之间的标准间距
d1：＝整体量具上的增量分度的分度周期
d3：＝增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
关于理想的理论上的标准间距v大约±10％的所说明的公差从实验研究中得出。所述实验研究指出：在理想值附近的特定公差范围之内进行标准间距v的根据本发明的选择确保了在进行散射的污染物的情况下的充分良好的表现。
在根据本发明的光学位置测量装置的具有系统参数d1＝20μm、d3＝80μm、u＝0.376mm、dABS＝210μm和λ＝850nm的一个具体的实施例中，为明显污染物不灵敏的总系统，根据公式3.1)得到最佳的标准间距v＝1.203mm±10％并且根据公式3.2)得到v＝1.946mm±10％。
在扫描网格24的区域中的进行散射的污染物的情况下，根据本发明，当增量检测器27上的条带图案的周期性d3选择等于沿着测量方向x的绝对编码12的最小的结构的双倍宽度dABS连同特定公差时，能够实现显著提高的污染物不灵敏性，即
d3＝2·dABS±10％ (公式4)
其中：
d3：＝增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
在该情况下，检测平面在遵守预设的条件4)的情况下能够以距扫描网格24的每个任意的标准间距v安置；确保了提高的污染物不灵敏度。基于增量检测器27上的周期的条带图案的周期性d3和另外的系统参数u、d1，在应用上面的公式1)和2)确定参量d2，并且最后基于公式3.1)/3.2)确定标准间距v。
如果在整体量具10上还有在扫描网格24的区域中要预期进行散射的污染物，那么根据本发明根据下面的公式5)选择扫描网格24和检测平面之间的标准间距v：
其中：
v：＝扫描网格和检测平面之间的标准间距
u：＝整体量具和扫描网格之间的标准间距
d1：＝整体量具上的增量分度的分度周期
d3：＝增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
在根据本发明的具有系统参数d1＝20μm、d3＝80μm、u＝0.376mm、dABS＝210μm和λ＝850nm的一个具体的实施例中，对于显著污染物较不灵敏的总系统得到v＝0.716mm±10％的标准间距。
实际上，通常能够极其良好地封装、即相对于环境作用有效地遮蔽检测器26、27和扫描网格24之间的体积和/或扫描网格24。整体量具10、在透光系统中尤其是其后侧相反地未被保护，使得例如小液滴形式的凝结在其上的液体为在其上构成的、强烈进行散射的膜。于是，对于这种形式的进行散射的污染物而言，根据上述公式3.1)或3.2)优化根据本发明的光学位置测量装置例如是有利的。
此外，扫描板23的未受保护的侧面上的和整体量具10的朝向扫描板23的这个侧面上的污染物实际上能够能够通过10-100μm之间的范围中的极其窄的扫描间隙限制，优选通过小于50μm的扫描间隙限制。在此，将一方整体量具10的彼此朝向的侧面或限界的面和另一方扫描单元20之间的空间理解为扫描间隙。于是，在扫描间隙中仅能够形成极其小的小液滴。在整体量具10的背离于扫描单元20取向的相对置的前侧上不存在该限制。根据公式3.1)或3.2)优化根据本发明的光学定位测量装置因此是尤其有利的。因此，总系统同时也在整体量具10的前侧的污染物方面被优化，使得扫描板23的向外取向的面保持作为具有提高的灵敏度的可唯一污染的面。
根据本发明的光学位置测量装置的第二和第三实施例的剖面图分别在图4a和4b中能够示出。下面仅应当阐述与第一实施例的显著的区别。
因此，在根据图4a的第二实施例中提出：在扫描网格124和检测器装置127之间的空间中至少部分地设置有透明的填充介质129，所述填充介质具有n>1的折射率。例如能够将玻璃或透明的塑料材料设置作为相应的填充介质129，所述填充介质在此构成为板形的并且设置在扫描网格124和检测器装置127之间的区域中。填充介质129此外也能够包括多种材料，例如玻璃和适当选择的粘贴材料层。在所示出的实例中，填充介质129完全地填充该区域。扫描网格124在此设置在填充介质129的沿朝整体量具110的方向取向的这个侧面上。经由填充介质129能够极其精确地设定扫描网格124和检测器装置127之间的标准间距v。此外，借此确保：凝结的液体不能够进入到扫描网格124和检测器装置127之间的区域中并且以该方式和方法必要时干扰信号产生。
如果这种填充介质129设置在扫描网格124和检测器装置127或检测平面之间的区域中，那么在应用上述公式时要注意的是：标准间距v在填充介质129的折射率n方面校正，因为相应的射线束于是经过改变的光学路径长度。这表示：在上述公式中分别通过表达式v/n替代标准间距v。
在根据图4b的第三实施例中，示出上述第二变型形式的修改形式。因此，在扫描单元220中以透明的板形的填充介质又完全地填充检测器装置227之前的空间，所述填充介质在当前的实施例中由两个玻璃板229、230构成；然而现在将构成为相位或幅度网格的扫描网格224设置在填充介质的内部中，并且由此相对于损坏或污染物进行保护。这种幅度或相位网格例如能够施加到作用为载体玻璃的玻璃板229上，所述玻璃板于是粘贴到另一玻璃板230上。此外，以该方式和方法能够构成设置在整体量具210上的增量分度213和扫描单元220的边界面之间的尤其小的间距，经由所述间距能够引起将液体小液滴的板压力作用于整体量具10的表面上。
除了具体描述的实施例之外，在本发明的范围中显然还存在其他的设计可行性。
因此例如也可行的是：增量分度和绝对编码并不像在所阐述的实施例中那样设置在整体量具上的两个单独的痕迹中，而是集成在一个共同的痕迹中，所述痕迹由唯一的光源照明。
替选于构成为具有90°的移相变位的相位网格或幅度网格，能够构成具有180°的移相变位的相位网格或幅度网格。在R.Pettigrew关于增量信号产生的扫描原理的上述公开文献中，这对应于所谓的衍射图像中的显示。在该情况下，在关系式1)和2)中必须通过1/2d2取代分度周期d2，关系式3.1)、3.2)、4)和5)保持不变。
此外不强制的是：在扫描单元中以具有折射率n>1的透明的填充介质完全地填充扫描网格和检测器装置之间的空间；例如也能考虑的是：该空间仅部分地以相应的填充介质填充。然而在该情况下，证实为有利的是：适当地密封扫描网格和检测器装置之间的空气填充的空间区域，以便在那里避免污染物。
显而易见地，根据本发明能够构成线性的还有旋转的光学位置测量装置等等。

Claims (14)

1.一种光学位置测量装置，用于绝对位置确定，所述光学位置测量装置具有
整体量具，所述整体量具沿着测量方向延伸并且具有至少一个增量分度和绝对编码，以及
扫描单元，所述扫描单元相对于所述整体量具沿着所述测量方向能相对移动地设置并且具有光源、用于光学扫描所述增量分度的扫描网格以及检测器装置，其中
所述检测器装置包括用于从所述增量分度的光学扫描中产生增量信号的增量检测器以及用于从所述绝对编码的光学扫描中产生绝对信号的绝对检测器，并且所述增量检测器和所述绝对检测器设置在共同的检测平面中，
其特征在于，
所述检测平面具有距所述扫描网格的限定的标准间距(v)，和/或将所述增量检测器(27；127；227)上的条形图案的周期性(d3)选择成，使得在所述整体量具(10；110；210)和/或所述扫描网格(24；124；224)的区域中的进行散射的污染物的情况中，所述增量信号的幅度和所述绝对信号的幅度均匀地衰减。
2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述扫描网格(24；124；224)和所述检测平面之间的所述标准间距(v)或者根据
v = u · ( 1 d 1 - 1 2 · d A B S ) ( 1 d 3 + 1 2 · d A B S ) ± 10 %
或者根据
v = u · ( 1 d 1 + 1 2 · d A B S ) ( 1 d 3 - 1 2 · d A B S ) ± 10 %
来选择，其中
v：＝扫描网格和检测平面之间的标准间距
u：＝整体量具和扫描网格之间的标准间距
d1：＝所述整体量具上的增量分度的分度周期
d3：＝所述增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝所述绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
3.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述增量检测器(27；127；227)上的所述条形图案的周期性(d3)根据
d3＝2·dABS±10％
来选择，其中
d3：＝所述增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝所述绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
4.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述扫描网格(24；124；224)和所述检测平面之间的所述标准间距(v)根据
v = 1 2 u · d 3 · ( 1 d 1 - 1 2 · d A B S ) ± 10 %
来选择，其中
v：＝扫描网格和检测平面之间的标准间距
u：＝整体量具和扫描网格之间的标准间距
d1：＝所述整体量具上的增量分度的分度周期
d3：＝所述增量检测器上的条形图案的周期性
dABS＝所述绝对编码在测量方向上的最小结构的宽度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述增量分度(13；113；213)的光学扫描基于三网格扫描原理，其中扫描光路中的被加载的第一网格是增量分度(13；113；213)，被加载的第二网格是扫描网格(24；124；224)并且被加载的第三网格是增量检测器(27；127；227)，所述增量检测器构成为结构化的检测器。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述绝对编码(12；112；212)的光学扫描基于阴影透射原理，并且在此所述绝对编码(12；112；212)的结构的投影无需将光学成像元件中间连接到所述检测平面中地在所述绝对检测器(26；126；226)上进行。
7.根据权利要求6所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述绝对编码(12；112；212)构成为伪随机编码。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述整体量具构成为透光整体量具，其中所述增量分度(13；113；213)还有所述绝对编码(12；112；212)具有分别交替设置的区域，所述区域具有不同的透射特性。
9.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述整体量具(10；110；210)的彼此朝向的侧面和所述扫描单元(20；120；220)之间的扫描间隙选择为小于等于50μm。
10.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述扫描单元(20；120；220)包括用于对所述增量分度(13；113；213)和所述绝对编码(12；112；212)照明的唯一的光源(21；121；221)。
11.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，设有调节单元(30)，所述调节单元根据周期的所述增量信号的信号幅度作用于所述光源(21；121；221)的射束强度，使得总是得到周期的所述增量信号的预设的信号幅度。
12.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述增量检测器(27；127；227)和所述绝对检测(26；126；226)共同地设置在检测器芯片上。
13.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，在所述扫描网格(24；124；224)和所述检测器装置(25；125；225)之间至少部分地设置有具有折射率n>1的透明的填充介质。
14.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述扫描网格(24；124；224)设置在所述填充介质的内部中。
CN201610548647.7A 2015-08-26 2016-07-13 光学位置测量装置 Active CN106482762B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015216268.0A DE102015216268A1 (de) 2015-08-26 2015-08-26 Optische Positionsmesseinrichtung
DE102015216268.0 2015-08-26

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106482762A true CN106482762A (zh) 2017-03-08
CN106482762B CN106482762B (zh) 2019-03-26

Family

ID=56571207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610548647.7A Active CN106482762B (zh) 2015-08-26 2016-07-13 光学位置测量装置

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9863791B2 (zh)
EP (1) EP3136057B1 (zh)
JP (1) JP6835503B2 (zh)
CN (1) CN106482762B (zh)
DE (1) DE102015216268A1 (zh)
ES (1) ES2693902T3 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107976445A (zh) * 2016-10-21 2018-05-01 上海交通大学 平面位置测量方法和系统

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016211150A1 (de) * 2016-06-22 2017-12-28 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Optische Positionsmesseinrichtung
US10295378B2 (en) * 2017-06-29 2019-05-21 Mitutoyo Corporation Contamination and defect resistant optical encoder configuration outputting structured illumination to a scale plane for providing displacement signals
DE102018200449A1 (de) * 2018-01-12 2019-07-18 Dr. Johannes Heidenhain Gmbh Positionsmesseinrichtung
JP2022083979A (ja) * 2020-11-25 2022-06-06 ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング 光学式位置測定装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5235181A (en) * 1990-12-10 1993-08-10 Tesa, S.A. Absolute position detector for an apparatus for measuring linear angular values
EP1043571A1 (de) * 1999-04-10 2000-10-11 TR Electronic GmbH Absolutes Positionsmesssystem
US6229140B1 (en) * 1995-10-27 2001-05-08 Canon Kabushiki Kaisha Displacement information detection apparatus
US6486467B1 (en) * 1998-12-23 2002-11-26 Dr. Johannes Heiden Hain Gmbh Optical detector for measuring relative displacement of an object on which a grated scale is formed
CN1884978A (zh) * 2005-06-25 2006-12-27 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 位置测量装置和控制所述位置测量装置的扫描信号的方法
US20070187583A1 (en) * 2006-02-15 2007-08-16 Mitutoyo Corporation Photoelectric encoder
US20120085897A1 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 Mitutoyo Corporation Encoder
CN102735165A (zh) * 2011-04-15 2012-10-17 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 光学长度测量设备

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61712A (ja) * 1984-01-23 1986-01-06 Tokyo Seimitsu Co Ltd 光学スケ−ル読取装置
JPH0540046A (ja) * 1991-08-07 1993-02-19 Nikon Corp アブソリユ−ト・エンコ−ダ用照明装置
JPH0820117A (ja) * 1994-07-07 1996-01-23 Tec Corp インクエンプティ検出装置
JP4372877B2 (ja) * 1999-01-13 2009-11-25 オリンパス株式会社 光学式変位センサ
US6660997B2 (en) * 2001-04-26 2003-12-09 Creo Srl Absolute position Moiré type encoder for use in a control system
JP4703059B2 (ja) * 2001-08-28 2011-06-15 株式会社ミツトヨ 光電式エンコーダ
JP2004037275A (ja) * 2002-07-03 2004-02-05 Okuma Corp 光学式エンコーダ
JP6359254B2 (ja) * 2013-09-03 2018-07-18 株式会社ミツトヨ 光電式エンコーダ

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5235181A (en) * 1990-12-10 1993-08-10 Tesa, S.A. Absolute position detector for an apparatus for measuring linear angular values
US6229140B1 (en) * 1995-10-27 2001-05-08 Canon Kabushiki Kaisha Displacement information detection apparatus
US6486467B1 (en) * 1998-12-23 2002-11-26 Dr. Johannes Heiden Hain Gmbh Optical detector for measuring relative displacement of an object on which a grated scale is formed
EP1043571A1 (de) * 1999-04-10 2000-10-11 TR Electronic GmbH Absolutes Positionsmesssystem
CN1884978A (zh) * 2005-06-25 2006-12-27 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 位置测量装置和控制所述位置测量装置的扫描信号的方法
US20070187583A1 (en) * 2006-02-15 2007-08-16 Mitutoyo Corporation Photoelectric encoder
EP1821075A2 (en) * 2006-02-15 2007-08-22 Mitutoyo Corporation Photoelectric encoder
US20120085897A1 (en) * 2010-10-08 2012-04-12 Mitutoyo Corporation Encoder
CN102735165A (zh) * 2011-04-15 2012-10-17 约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司 光学长度测量设备

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107976445A (zh) * 2016-10-21 2018-05-01 上海交通大学 平面位置测量方法和系统
CN107976445B (zh) * 2016-10-21 2022-08-19 上海交通大学 平面位置测量方法和系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN106482762B (zh) 2019-03-26
JP6835503B2 (ja) 2021-02-24
ES2693902T3 (es) 2018-12-14
JP2017044700A (ja) 2017-03-02
US20170059368A1 (en) 2017-03-02
DE102015216268A1 (de) 2017-03-02
EP3136057B1 (de) 2018-10-17
EP3136057A1 (de) 2017-03-01
US9863791B2 (en) 2018-01-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106482762B (zh) 光学位置测量装置
DE602004001276T2 (de) System und Verfahren zur absoluten Positionierung mit wiederholtem Quasizufalls-Muster
EP2150780B1 (de) Optoelektronisches lagemessverfahren und lagemesseinrichtung
DE3921756C1 (zh)
EP2336715A1 (en) Method and system for positioning by using optical speckle
DE19505176A1 (de) Optischer Meßgeber
EP2394143A2 (de) Optoelektronische lagemesseinrichtung und optoelektronisches lagemessverfahren
CN101201548B (zh) 调焦调平测量系统及方法
US9952068B2 (en) Optical element
GB2430250A (en) Optical encoder and method therefor
JP6705649B2 (ja) エンコーダ
US7552873B2 (en) Transmissive optical encoder
DE10147987A1 (de) Optoelektronisches Bauelement
DE102016208623A1 (de) Positionsmesseinrichtung
US11982549B2 (en) Position encoder
HUE025060T2 (en) High resolution and rotating absolute encoder
JP5154128B2 (ja) 光電式エンコーダ、及び、そのスケールの製造方法
CN108362317A (zh) 位置测量装置
DE102015103253A1 (de) Optoelektronisches Bauelement
DE102004011146A1 (de) Drehgeber und Verfahren zum Betreiben eines Drehgebers
DE2443791A1 (de) Vorrichtung zur bestimmung mindestens einer koordinate der lage eines punktes
CN1267697C (zh) 光学游标测角装置
CN109211285A (zh) 用于提供位移信号的抗污染和缺陷光学编码器配置
EP2163860B1 (en) Optoelectronic measuring device
JPH058427U (ja) 光電型エンコーダ

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant