CN107525531B - 光学测位装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光学测位装置。本发明涉及一种光学测位装置，用于确定第一对象相对于能相对第一对象沿着至少一个测量方向运动的第二对象的位置。沿着测量方向延伸的整体量具与第一对象连接，所述整体量具包括测量刻度。扫描单元与第二对象连接，扫描单元包括至少一个光源、至少一个探测装置以及至少一个纤维光学装置。由在由光源发射的光束与测量刻度之间的相互作用产生光图案，纤维光学装置将光图案传输到探测装置的探测平面内。纤维光学装置被构造为纤维光学板；此外在纤维光学板的图像出射面与探测装置之间布置有中间空隙介质，中间空隙介质保证：从图像出射面射出的光束在其到探测装置的路径上受到比在没有中间空隙介质的情况下更微小的偏转。

Description

光学测位装置
技术领域
本发明涉及一种光学测位装置。该光学测位装置适合于确定第一对象相对于第二对象的位置。
背景技术
这种类型的测位装置比如从EP 0 470 291 B1中公知。该测位装置用于确定第一对象相对于第二对象的位置，所述第二对象相对于所述第一对象能沿着至少一个测量方向运动地来布置。在这种情况下，一方面设置有沿着第一测量方向延伸的整体量具，所述整体量具与第一对象连接。该整体量具包括测量刻度，所述测量刻度由具有不同光学特性的交替地沿着该测量方向布置的刻度区域组成。另一方面，扫描单元与第二对象连接，所述扫描单元包括至少一个光源、至少一个探测装置以及至少一个纤维光学装置。纤维光学装置由大量相邻布置的光导纤维组成，所述光导纤维的图像入射面朝向整体量具而所述光导纤维的图像出射面朝向探测装置。由在由光源发射的光束与测量刻度之间的相互作用产生光图案，纤维光学装置将所述光图案传输到探测装置的探测平面内。借助于该探测装置，根据所检测到的光图案可以关于两个能相对彼此运动的对象的位置产生取决于位置的信号并且将其传输给连接在下游的后续电子装置。
这样的测位装置例如能够实现在机器中确定能运动的机器部件相对于与此相应地静止的机器机架的位置。因此，一方面所述能运动的机器部件而另一方面所述静止的机器机架这里都作为所述两个能相对彼此运动的对象来起作用。上级的机器控制装置用作后续电子装置，所述上级的机器控制装置比如将所产生的取决于位置的信号用于对所述能运动的机器部件进行定位。
在所引证的出版文献的一个实施例中，纤维光学装置被构造为具有多个棒透镜的透镜包。在这种情况下，该透镜包具有1:1的成像比例并且导致将由对经绝对编码的代码轨道的扫描产生的光图案成像到一个图像平面内，所述图像平面是探测装置的探测平面。然而，对各个部件的所提出的布置鉴于在探测平面内对光图案的尽可能反差明显的成像而被证明为不是最优的。由于在不同的边界面上的反射而产生不符合期望的散射光，这负面地影响所产生的取决于位置的信号的质量。
此外，棒透镜的值得重视的失真导致：代码轨道（Codespur）的靠近所述代码轨道的侧面的表面差地被成像。结果是，在棒透镜的光栅中产生所产生的取决于位置的信号的位置误差，所述位置误差对于高精度的测位装置来说是不能接受的。
由于对于必要的成像比例A=1所需的棒透镜的大的长度而得到另一缺点。这样的棒透镜通常具有4-6mm的长度，并且因而允许测位装置的不紧凑的结构尺寸。
发明内容
本发明所基于的任务在于说明一种在开头所阐述的类型的光学测位装置，在所述光学测位装置中确保了由对测量刻度的光学扫描产生的光图案在探测装置的探测平面内的反差明显的成像。
按照本发明，该任务通过按照本发明的光学测位装置来解决。
按照本发明的光学测位装置的有利的实施方案从在从属权利要求中列举的措施中得到。
按照本发明的光学测位装置用于确定第一对象相对于能相对于所述第一对象沿着至少一个测量方向运动的第二对象的位置。该测位装置包括沿着测量方向延伸的整体量具，所述整体量具与所述第一对象连接并且具有至少一个测量刻度，所述至少一个测量刻度由具有不同光学特性的交替地沿着所述测量方向布置的刻度区域组成。此外还设置有扫描单元，所述扫描单元与所述第二对象连接并且包括至少一个光源、至少一个探测装置以及至少一个纤维光学装置，所述纤维光学装置由大量相邻布置的光导纤维组成，所述光导纤维的图像入射面朝向整体量具而所述光导纤维的图像出射面朝向探测装置。由在由光源发射的光束与测量刻度之间的相互作用产生光图案，纤维光学装置将所述光图案传输到探测装置的探测平面内。所述纤维光学装置被构造为纤维光学板；在纤维光学板的图像出射面与探测装置之间布置有中间空隙介质，所述中间空隙介质保证：从图像出射面射出的光束在其到探测装置的路径上受到比在没有中间空隙介质的情况下更微小的偏转。
优选地，该中间空隙介质具有在1.3<nZM<2.3的范围内的折射率，其中nZM:= 中间空隙介质的折射率。
此外，还可以规定：中间空隙介质的厚度在5μm<dZM<100μm的范围内，其中dZM:= 中间空隙介质的厚度。
有利地，将粘合剂设置为中间空隙介质。
此外还可能的是，纤维光学板的厚度在2·dx<dFP<dx/4·ρ的范围内，其中
dFP:= 纤维光学板的厚度
dx:= 周期性的测量刻度的刻度周期或者非周期性的测量刻度沿着测量方向的最小结构宽度
ρ:= 纤维光学板的失真系数，所述失真系数对应于横向偏差，所述横向偏差在将光图案传输经过在图像入射面与图像出射面之间的纤维光学板时相对于纤维长度产生。
有利地，此外还可以规定：
- 由各个探测元件的沿着测量方向周期性的布置构成的探测装置存在于所限定的探测器周期性的光栅中，而且
- 在纤维光学板中沿着测量方向的光导纤维布置在具有第一纤维光学周期性的周期性的光栅中，适用于PFPx ≤ PDET，其中
PFPx:= 沿着测量方向x的第一纤维光学周期性
PDET:= 沿着测量方向x的探测器周期性。
在此，此外还可能的是，在纤维光学板中沿着垂直于测量方向的方向的光导纤维布置在具有第二纤维光学周期性的周期性的光栅中，适用于PFPy = PFPx，其中
PFPx:= 沿着测量方向的第一纤维光学周期性
PFPy:= 沿着垂直于测量方向的方向的第二纤维光学周期性。
此外还可以规定：针对在测量刻度与纤维光学板的图像入射面之间的距离适用dMBE ≤ 200μm，其中dMBE:= 在测量刻度与图像入射面之间的距离。
在一个可能的变型方案中，纤维光学板具有矩形的横截面，其中矩形纵轴平行于测量方向地延伸。
最后，可能的是，在所述纤维光学板中在所述光导纤维之间布置有玻璃介质，所述玻璃介质吸收无助于信号形成的光。
此外还可以规定：测量刻度被构造为绝对测量刻度，所述绝对测量刻度具有用于绝对位置确定的非周期性的编码，而探测装置被构造为绝对探测装置，用于检测由绝对测量刻度传输的非周期性的光图案。
在这种情况下，在整体量具上平行于绝对测量刻度地可以布置以增量刻度的形式的另一测量刻度，由对所述增量刻度的光学扫描而在探测平面内产生周期性的光学图案，所述周期性的光学图案在那里能通过增量探测装置来检测到。
此外，增量刻度还可以被构造为振幅光栅，而且为了对增量刻度的光学扫描而可以在增量刻度与增量探测装置之间布置扫描光栅，所述扫描光栅被构造为透射扫描光栅或者被构造为相位光栅。
优选地，针对增量刻度的刻度周期以及在探测平面内的所产生的光图案的周期性适用如下公式：
d1 = d2·(u+v)/v
d3 = d2·(u+v)/u
其中，
d1:= 增量刻度的刻度周期
d2:= 扫描光栅的有效刻度周期
d3:= 在探测平面内产生的光图案的周期性
u:= 在增量刻度与扫描光栅之间的距离
v:= 在扫描光栅与探测平面之间的距离。
在按照本发明的光学测位装置中，被证明为有利的是：通过按照本发明的措施，可以确保在探测平面内对光图案的反差特别明显的成像并且借此可以确保取决于位置的信号的良好的质量。在成像光路中可以避免在不同介质之间的折射率突变。在边界面上产生较少不符合期望的反射并且借此产生较少干扰的散射光。
此外，按照本发明，尤其是在借助于以纤维光学板的形式的纤维光学装置来扫描经绝对编码的测量刻度时，在扫描侧可以实现特别紧凑并且对污垢不敏感的结构。
此外，还使光图案几乎无失真地成像到探测平面内，使得能产生高精度的取决于位置的信号。
本发明的其它细节和优点应依据随后对按照本发明的装置的实施例的与附图相结合的描述予以阐述。
附图说明
其中：
图1以剖视图示出了按照本发明的光学测位装置的实施例的强烈示意性的图示；
图2示出了来自图1的光学测位装置的放大的空间部分视图；
图3示出了来自图1的测位装置的另一放大的部分视图，用于阐述适当地选择的中间空隙介质的光学作用；
图4示出了来自图1的测位装置的另一放大的部分视图，用于阐述适合于纤维光学板的尺寸规则；
图5示出了来自图1的测位装置的另一放大的部分视图，用于阐述其它适合于纤维光学板的尺寸规则。
具体实施方式
在图1中示出了按照本发明的测位装置的实施例的示意性剖视图；在接下来的图2-5中示出了该装置的其它细节。随后，依据不同的附图阐述该实施例。
按照本发明的测位装置用于确定第一对象O1的相对于能相对于所述第一对象O1沿着至少一个测量方向x运动的第二对象O2的位置。在这种情况下，第一对象O1之一、例如第一机器部件与测位装置的沿着测量方向x延伸的整体量具10连接。另一对象O2、比如第二机器部件能相对于第一机器部件沿着测量方向x运动，而且与测位装置的扫描单元20连接。在本实施例中，设置有所述两个对象O1、O2沿着直线测量方向x的相对运动，其中测量方向x在图1中垂直于绘图平面地来取向。
借助于按照本发明的测位装置，根据对整体量具10的光学扫描可以产生关于所述两个能相对彼此运动的对象O1、O2的位置或相对应的机器部件的位置的取决于位置的信号并且将所述信号传输给未示出的后续电子装置。例如可以设置上级的机器控制装置，作为后续电子装置，所述上级的机器控制装置使用取决于位置的信号，用于对机器部件进行定位。
整体量具10由透明的载体衬底组成、例如由玻璃组成，在本实施例中，在所述透明的载体衬底上方布置有两个测量刻度11、12。测量刻度11、12通过具有不同光学特性的交替地沿着测量方向x布置的、矩形的刻度区域11.1、11.2形成，如这在图2中能针对第一测量刻度11识别出的那样。在所阐述的实施例中，在测量刻度11中设置有不透光的刻度区域11.1（例如由铬构成）和透光的刻度区域11.2。因此，在按照本发明的测位装置的所述实施例中，设置有对测量刻度11、12的透光扫描。
如从图2中的细节图可见的那样，第一测量刻度11具有沿着测量方向x的非周期性的编码，所述非周期性的编码适合于绝对位置确定，随后应与此相关地也谈到经绝对编码的测量刻度或绝对测量刻度。在这种情况下，所述测量刻度11的非周期性的编码可以被构造为伪随机编码（Pseudo Random Code，PRC）。
此外，在所示出的实施例中，设置有平行于测量刻度11布置的第二测量刻度12，所述第二测量刻度12被构造为增量刻度或增量测量刻度，而且包括不同的刻度区域沿着测量方向x的周期性的布置。在本情况下，增量测量刻度12被构造为在载体衬底上的振幅光栅，而且具有周期性地交替地布置的、不透光的刻度区域以及同样矩形地来构造的透光的刻度区域。
在按照本发明的测位装置中，根据对绝对测量刻度的光学扫描获得粗略的绝对位置信息，所述粗略的绝对位置信息利用根据对增量刻度的光学扫描得到的、高分辨率的增量信息来计算。因此，在输出侧，提供关于所述两个对象O1、O2的位置的高分辨率的绝对位置信息或相对应的取决于位置的信号，用于进一步处理。
在按照本发明的测位装置中，在扫描单元20的侧面上布置有其它必要的部件，用于对整体量具10或两个测量刻度11、12的光学透光扫描以及用于产生取决于位置的信号。属于所述部件的是布置在整体量具10的侧面上的光源21（例如被构造为LED（发光二极管，Light Emitting Diode）），所述光源21发射具有850nm的波长的辐射并且这里被用于扫描所述两个测量刻度11、12。沿光传播方向，准直光学装置22布置在光源21前面，以便使光源21的朝着整体量具10的方向发射的光束准直。在扫描单元20中，在整体量具10的对置的一侧上布置有其它部件，所述其它部件用于对所述两个测量刻度11、12的光学扫描并且用于产生所述取决于位置的信号。
为了扫描被构造为绝对测量刻度的测量刻度11，在扫描单元20中布置有纤维光学装置23以及以绝对探测装置的形式的探测装置25，其中所述探测装置25由各个探测元件25.1的沿着测量方向x的周期性的布置组成。探测装置25被放置在载体元件27上，例如被放置在适当的电路板或印刷电路板上。
为了扫描被构造为增量刻度的另一测量刻度12，在扫描单元20中设置有扫描板24以及另一探测装置26，所述扫描板24具有被集成在其中的以透射扫描光栅的形式的扫描光栅28，所述另一探测装置26被构造为增量探测装置。该增量探测装置也被放置在载体元件27上。优选地，绝对探测装置和增量探测装置都集成在传感器ASIC上，所述传感器ASIC布置在载体元件27上。在传感器ASIC中，在所检测到的信号被传输给后续电子装置之前，已经可以进行对所述所检测到的信号的首次处理。
现在，在按照本发明的测位装置中，作为标准，不同的措施与对第一测量刻度11的扫描相关联，所述第一测量刻度11被构造为绝对测量刻度。这些措施随后应详细地予以阐述。紧接着，然后还探讨了对此外还在该例子中设置的第二测量刻度12（被构造为增量测量刻度）的扫描。
为了对经绝对编码的测量刻度11进行光学扫描，原则上需要将由在由光源21发射的光束与测量刻度11之间的相互作用产生的光图案传输到探测装置25的探测平面内。所产生的光图案在对被构造为绝对测量刻度的测量刻度11进行扫描时由于其非周期性的编码而同样是非周期性的。在下文，用dx来表示非周期性的测量刻度11的最小结构宽度。
被设置用于对经绝对编码的测量刻度11的扫描的探测装置25被构造为绝对探测装置，而且在本实施例中由各个探测元件25.1的沿着测量方向x周期性的布置组成，如这例如从图3或5中的细节图可见的那样。在这种情况下，探测元件25.1布置在沿着测量方向x的所限定的探测器周期性的光栅中，所述探测器周期性随后应该用PDET来表示。
在本情况下，纤维光学装置23用于将光图案传输到探测装置25的探测平面内，所述纤维光学装置23被构造为纤维光学板并且由大量相邻布置的光导纤维23.1组成，如这比如从图2可见的那样。实际上，这样的纤维光学板包括光导纤维23.1的集束，所述光导纤维23.1彼此结合在一起并且被剪切和磨成一个平面平行的板。在商业上能得到在例如SCHOTTAG公司，Mainz（美因茨）的“纤维光学面板（Fiber Optic Faceplates）”的名称下的这种纤维光学板。
在按照本发明的测位装置中，各个光导纤维23.1的图像入射面朝向整体量具10或经扫描的测量刻度11，图像出射面朝向附属的探测装置25。如同样从图2可见的那样，纤维光学板沿着所说明的z方向具有厚度dFP并且具有矩形的横截面，其中矩形纵轴平行于测量方向x地延伸。
在此，纤维光学板23的厚度dFP优选地在下面的范围内选择：
2·dx<dFP<dx/4·ρ （等式1）
其中
dFP:= 纤维光学板的厚度
dx:= 周期性的测量刻度的刻度周期或者非周期性的测量刻度沿着测量方向的最小结构宽度
ρ:= 纤维光学板的失真系数，所述失真系数对应于横向偏差，所述横向偏差在将光图案传输经过在图像入射面与图像出射面之间的纤维光学板时相对于纤维长度产生。
关于纤维光学板的最小厚度dFP有利的是，在测量刻度11的金属铬结构与探测装置25的或相对应的ASIC的敏感的部件之间遵循一定的最小距离。如果测量刻度11的金属结构在运行时可能被充电，那么通过遵循这样的最小距离可以防止部件的损坏。
关于纤维光学板的最大容许厚度dFP应考虑的是：通常，该构件的厚度被选择得越大，该构件造成借此传输的光图案的越强烈的失真。这样的失真由在制造纤维光学板时光导纤维23.1的不能避免的扭曲和绞合产生。因此，为了确保通过纤维光学板传输尽可能无失真的光图案，不应该超过纤维光学板的确定的最大容许厚度dFP，所述最大容许厚度dFP如上面所说明的那样与相应的纤维光学板的失真系数ρ相关联。
在使用之前提到的等式1的情况下，在针对被构造为非周期性的代码轨道的测量刻度11的最小结构宽度的典型值dx=220μm以及失真系数的典型值ρ=10μm/mm的情况下，得到纤维光学板的厚度dFP在440μm与5.5mm之间的有利的范围。纤维光学板沿着测量方向x的长度Ix和纤维光学板垂直于测量方向x的长度Iy的常见值为Ix = 5-10mm而Iy= 1-3mm。
因此，借助于纤维光学板，将在输入侧的光图案优选地以传输比例1:1或以成像比例A=1传输到探测装置25的探测平面内。在这种情况下，尽可能不产生光图案的放大、缩小要不然失真，所述光图案被用于产生取决于位置的信号。
在所示出的实施例中，纤维光学板只用于对经绝对编码的测量刻度11的扫描或只用于将非周期性的光图案传输到探测装置25的探测平面内。在本情况下，为了对在整体量具上的增量测量刻度12进行扫描而使用一种随后还要阐述的扫描方法，所述扫描方法不需要这样的纤维光学板。在此处，应明确地指出：纤维光学板原则上也可能会被用于扫描具有周期性的增量刻度的测量刻度。在这种情况下，来自上面的等式1的参量dx然后会表示经扫描的增量测量刻度的刻度周期，而不是最小结构宽度。
此外，关于纤维光学板相对于测量刻度11的布置被证明为有利的是：按照
dMBE ≤ 200μm （等式2）
来选择在测量刻度11与纤维光学板的图像入射面之间的距离dMBE。由于尽可能小的距离dMBE而造成：在其高度方面并且借此在其对光学扫描的干扰作用方面减少了在测量刻度11上的可能存在的、水滴形的污垢。因而应优选地选择dMBE ≤ 100μm以及理想地dMBE≤ 50μm。
此外，在纤维光学装置23或纤维光学板的侧面上，还提供纤维光学周期性、即光栅，作为其它设计参数，在所述光栅中布置有各个光导纤维23.1。在这种情况下，首先应只观察光导纤维23.1沿着测量方向x的布置的周期性；在该上下文中，随后谈到第一纤维光学周期性PFPx。在此，关于第一纤维光学周期性PFPx被证明为有利的是：所述第一纤维光学周期性PFPx按照
PFPx ≤ PDET （等式3）
来选择，其中
PFPx:= 沿着测量方向x的第一纤维光学周期性
PDET:= 沿着测量方向x的探测器周期性。
因此，沿着测量方向x的第一纤维光学周期性PFPx应该尽可能小于等于沿着测量方向x的探测器周期性PDET地来选择，如这例如从图5的细节图可见的那样。在遵循该规定的情况下确保了：使光图案中的棱边良好地或反差明显地传输到探测平面内。
在此，所要选择的探测器周期性PDET原则上取决于经扫描的测量刻度以及借此所要传输的光图案是哪种类型。
这样，比如在以曼彻斯特编码的经绝对编码的测量刻度的情况下有利的是：总共八个探测元件25.1被用于扫描相对应的伪随机编码的位。然后，在最小的结构宽度或位宽度dx的情况下，按照PDET=dx/8来得到必要的探测器周期性。然后，对于第一纤维光学周期性PFPx来说，因此利用等式3得出PFPx ≤ dx/8。借此，在具有给出的最小结构宽度或位宽度dx=220μm的经扫描的经绝对编码的测量刻度的情况下，产生必要的探测器周期性PDET = 27.5μm；因此，对于第一纤维光学周期性PFPx来说适用PFPx ≤ 27.5μm。
而如果纤维光学装置23或纤维光学板被用于扫描增量测量刻度以及借此被用于传输周期性的光图案，那么在具有四个必要的探测元件的例子中，然后在光图案的每个周期dx对于探测器周期性来说得出PDET=dx/4。利用等式3，第一纤维光学周期性PFPx得到PFPx≤dx/4。借此，在具有光图案的周期性dx为dx=40μm的经扫描的增量测量刻度的情况下，产生必要的探测器周期性PDET =10μm；因此，对于第一纤维光学周期性PFPx来说适用PFPx ≤ 10μm。
在所示出的实施例中，纤维光学板如上面所提及的那样具有矩形的横截面。这意味着：还提供沿着方向y的纤维光学周期性，作为该构件的其它设计参数，所述方向y垂直于测量方向x地取向。在下文，应与该参量相关联地谈到第二纤维光学周期性PFPy。在这种情况下，原则上被证明为有利的是：第二纤维光学周期性PFPy与第一纤维光学周期性PFPx相同地来选择，也就是说
PFPy= PFPx （等式4）
其中
PFPx:= 沿着测量方向的第一纤维光学周期性
PFPy:= 沿着垂直于测量方向的方向的第二纤维光学周期性。
在按照本发明的测位装置中，在纤维光学板的图像出射面与探测装置25之间的区域内布置有中间空隙介质29，如这比如尤其是从图3和5的细节图可见的那样。在此，通过该中间空隙介质29尤其是保证了：从纤维光学板的图像出射面射出的光束在其到探测装置25的路径上受到比在没有中间空隙介质的情况下更微小的偏转。所述关联在图3的细节图中被阐明，所述细节图示出了纤维光学板23的一个单个的光导纤维23.1的图像出射端、中间空隙介质29和具有各个光敏探测元件25.1的探测装置25。如从该图示可见，对于在中间空隙介质29中从上方射入的光束来说，产生对最初的光线方向（实线的光线）的仅仅微小的偏转。在仅仅微小地偏转的光束左侧以虚线示出了如下情况：在图像出射面与探测装置25之间的区域内不会布置中间空隙介质，并且因此在该区域内然后会产生对该光束的明显的偏转。这样的偏转会造成：该光束然后不会像在未经偏转的情况下那样落到具有所说明的号码3的探测元件25.1上，而是会落到处在其左侧的具有号码2的探测元件25.1上。对于传输光图案来说，这会导致：通过探测装置25检测到的光图案图像明显会反差不那么明显，并且借此在扫描附属的测量刻度11时会得到更差的信号质量。
用适当的中间空隙介质填满在以纤维光学板的形式的纤维光学装置23的图像出射面与探测装置25之间的区域具有另一正面效果：借此可以降低在该区域内折射率突变的数目。由此产生在边界面上较少的反射以及借此也产生较少的散射光；因此，可以取消在其它情况下必要的、花费高的反射层。
优选地，考虑透明材料作为中间空隙介质29，所述透明材料的折射率nZM比如在1.3<nZM<2.3的范围内。原则上，在选择适合于中间空隙介质29的材料时尝试选择如下材料，所述材料的折射率尽可能良好地与来自纤维光学板的光导纤维23.1的纤维内核的折射率nFK适配并且与探测装置25的折射率nDET适配。比如当选择
（等式5）
时，得到特别微小的反射，其中
nZM:= 中间空隙介质的折射率
nFK:= 纤维内核的折射率
nDET:= 探测装置的折射率。
例如粘合剂适合于此，所述粘合剂具有在适当的范围内的折射率nZM。如果将粘合剂用作中间空隙介质29，那么借此也使纤维光学板相对于探测装置25固定。
关于中间空隙介质29的厚度dZM被证明为有利的是：在
5μm<dZM<100μm （等式6）
的范围内选择该厚度dZM。
中间空隙介质29的最大厚度dZM由于从光导纤维23.1到探测装置25的相邻的探测元件25.1上的光学串扰而受限制。借助于随后的观察，在避免这样的串扰时可以估计中间空隙介质29的最大厚度dZM。这样，以如下情况为出发点：射入的光不是垂直地射到光导纤维23.1的图像入射面上，而是在有入射角γ的情况下射到光导纤维23.1的图像入射面上，所述入射角γ通过所使用的光源21的宽度w以及准直光学装置22的焦距f按照w/2f来给出。此外，中间空隙介质29的折射率nZM应与纤维内核的折射率nFK适配。然后，从图像出射面射出的光在出射角γ'=w/2f的情况下落到探测装置25上，其中相对于垂直地射到探测装置25上产生横向偏差xd。通过适当地选择中间空隙介质29的厚度dZM来尝试使所述偏差xd保持得尽可能小。此外，如果对于尽可能反差明显的光传输来说需要xd ≤ PDET并且适用xd=γ'·dZM，那么针对中间空隙介质29的厚度dZM来说得到随后的公式：
（等式7）
其中，
dZM:= 中间空隙介质的厚度
nFK:= 纤维内核的折射率
γ:= 到图像入射面上的入射角
PDET:= 沿着测量方向x的探测器周期性。
在此，到图像入射面上的入射角或参量γ可以根据系统现实情况来改变。这样，比如γ可以是最大发散角并且借此可以按照γ=w/2f来给出。如果应该借助于纤维光学板来传输很细小的光图案、即例如增量刻度，那么由于在细小的光栅结构上的弯曲而按照γ=λ/dx得到γ；在这种情况下，λ表示光波长而dx表示增量刻度的刻度周期。此外，γ也可以是经准直的光的入射角并且借此可以对应于照明角。
然后，利用在垂直地照明到整体量具平面（γ=w/2f）上时典型地选择的参数w=0.3mm、f=6.5mm、nFK=1.8以及PDET=27.5μm，通过等式7得到中间空隙介质29的按照dZM ≤215μm的最大厚度dZM。因此，有利地，选择dZM ≤ 200μm，如在等式6中提及的那样理想地选择dZM ≤ 100μm。
中间空隙介质29的最小厚度dZM由于出现的机械应力而受限制，所述机械应力在纤维光学板与探测装置25中间的中间空隙介质29的小的厚度dZM的情况下明显升高。在该区域内，这样的机械应力由于在不同的材料之间、即通常在硅（探测装置25）与玻璃（纤维光学板）之间的不同的热膨胀系数而产生。因此，中间空隙29的厚度应该被选择为使得在探测装置25与纤维光学板之间的机械应力通过中间空隙介质29的微小的刚度而被限制，以便排除在该区域内的损坏。
如上面已经提及的那样，在按照本发明的光学测位装置的所示出的实施例中，除了对经绝对编码的测量刻度11的扫描之外，也设置有对增量测量刻度12的扫描。通过增量扫描，产生关于两个能相对彼此运动的对象O1、O2沿着测量方向x的相对运动的高精度的位置信息，所述高精度的位置信息然后利用来自对绝对测量刻度的扫描的较粗略地分辨的位置信息来计算。在这种情况下，增量测量刻度12被构造为振幅光栅，而且由透光和不透光的刻度区域的沿着测量方向x周期性的布置组成。现在，增量测量刻度12的周期性或刻度周期应随后用d1来表示。
如从图1可见，为了在扫描单元20中对增量测量刻度12进行扫描，此外还设置有具有集成在其中的以具有刻度周期d2的透射扫描光栅的形式的扫描光栅28的扫描板24以及另一探测装置26（被构造为增量探测装置）。在探测装置26的探测平面内，根据经过测量刻度12的光线与扫描光栅28的相互作用，产生具有周期性d3的周期性的光图案，所述周期性的光图案在那里借助于探测元件的周期性的布置来检测。在这种情况下，用于增量信号形成的探测装置26被构造为所谓的经结构化的光探测器，所述光探测器包括大量周期性地沿着测量方向x布置的探测元件。
对于以具有大约90°相位差的振幅光栅或相位光栅的形式的透射扫描光栅的情况来说，针对所述扫描的不同的几何形状参量来说适用随后的公式：
d1 = d2·(u+v)/v （等式8.1）
d3 = d2·(u+v)/u （等式8.2）
其中，
d1:= 增量刻度的刻度周期
d2:= 扫描光栅的有效刻度周期
d3:= 在探测平面内产生的光图案的周期性
u:= 在增量刻度与扫描光栅之间的距离
v:= 在扫描光栅与探测平面之间的距离。
如果使用以具有180°相位差的相位光栅的形式的透射扫描光栅，那么在等式8.2中，刻度周期d2是有效刻度周期，所述有效刻度周期通过d2=2·d2P来给出，其中d2P说明了相位光栅的实际刻度周期。
在被用于增量信号形成的扫描原理方面，也应参阅R. Pettigrew以“Analysis ofGrating Imaging and its Application to Displacement Metrology”为标题的出版文献，SPIE第36卷，关于将光学应用于测量的第一届欧洲会议（1977年），第325-332页。
在本发明的范围内，除了具体描述的实施例之外，当然还存在其它设计可能性。
这样，绝不强制的是经扫描的整体量具具有两个测量刻度，例如也可以在载体衬底上以相对应的轨道仅仅布置一个测量刻度、比如一个唯一的经绝对编码的测量刻度。
同样可能的是，将增量测量刻度和经绝对编码的测量刻度组合成一个共同的测量刻度，其方式是例如删去增量测量刻度的各个刻度区域，以便这样加载绝对编码。
此外，当然不仅可以按照本发明地构造用于检测直线相对运动的测位装置，同样可以相对应地优化用于检测旋转相对运动的测位装置。
此外，经扫描的测量刻度也可以以相位光栅的形式来构造，所述相位光栅的相位差或者为90°要不然为180°。
此外还可能的是：使用纤维光学板，所述纤维光学板吸收并且抑制未被引导到各个光导纤维中的那些光份额。这样的不符合期望的光份额可能在光导纤维之间的没有进行避免的光射入的情况下形成，要不然可能在非常强烈地倾斜的光线的情况下形成，所述非常强烈地倾斜的光线不在光导纤维的数值孔径之内。通过在光导纤维之间的吸收性玻璃介质可以保证对不符合期望的光份额的这种吸收，所述吸收性玻璃介质吸收无助于信号形成的光。以这种方式和方法可以特别良好地抑制干扰的散射光。

Claims (14)

1.一种光学测位装置，用于确定第一对象（O1）相对于能相对所述第一对象（O1）沿着至少一个测量方向x运动的第二对象（O2）的位置，所述光学测位装置具有：
- 沿着所述测量方向x延伸的整体量具（10），所述整体量具（10）与所述第一对象（O1）连接并且包括至少一个测量刻度（11），所述至少一个测量刻度（11）由具有不同光学特性的交替地沿着所述测量方向x布置的刻度区域（11.1、11.2）组成；以及
- 扫描单元（20），所述扫描单元（20）与所述第二对象（O2）连接并且包括至少一个光源（21）、至少一个探测装置（25）以及至少一个纤维光学装置（23），所述纤维光学装置（23）由大量相邻布置的光导纤维（23.1）组成，所述光导纤维（23.1）的图像入射面朝向所述整体量具（10）而所述光导纤维（23.1）的图像出射面朝向所述探测装置（25），
- 其中，由于在所述光源（21）所发射的光束与所述测量刻度（11）之间的相互作用而产生光图案，而且所述纤维光学装置（23）将所述光图案传输到所述探测装置（25）的探测平面内，
其特征在于，
所述纤维光学装置（23）被构造为纤维光学板，而且在所述纤维光学板的图像出射面与所述探测装置（25）之间布置有中间空隙介质（29），所述中间空隙介质（29）保证：从所述图像出射面射出的光束在其到所述探测装置（25）的路径上受到比在没有中间空隙介质（29）的情况下更微小的偏转。
2.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，所述中间空隙介质（29）具有在1.3<nZM<2.3的范围内的折射率（nZM），其中nZM:= 所述中间空隙介质的折射率。
3.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，所述中间空隙介质（29）的厚度（dZM）在5μm<dZM<100μm的范围内，其中dZM:= 所述中间空隙介质的厚度。
4.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，将粘合剂设置为中间空隙介质（29）。
5.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，所述纤维光学板的厚度（dFP）在2·dx<dFP<dx/4·ρ的范围内，其中
dFP:= 所述纤维光学板的厚度
dx:= 周期性的测量刻度的刻度周期或者非周期性的测量刻度沿着所述测量方向的最小结构宽度
ρ:= 所述纤维光学板的失真系数，所述失真系数对应于横向偏差，所述横向偏差在将所述光图案传输经过在图像入射面与图像出射面之间的纤维光学板时相对于纤维长度产生。
6.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，
- 由各个探测元件（25.1）的沿着所述测量方向x周期性的布置构成的探测装置（25）存在于所限定的探测器周期性（PDET）的光栅中，而且
- 在所述纤维光学板中的沿着所述测量方向x的光导纤维（23.1）布置在具有第一纤维光学周期性（PFPx）的周期性的光栅中，适用于PFPx ≤ PDET，其中
PFPx:= 沿着所述测量方向x的第一纤维光学周期性
PDET:= 沿着所述测量方向x的探测器周期性。
7.根据权利要求6所述的光学测位装置，其特征在于，在所述纤维光学板中的沿着垂直于所述测量方向x的方向y的光导纤维（23.1）布置在具有第二纤维光学周期性（PFPy）的周期性的光栅中，适用于PFPy = PFPx，其中
PFPx:= 沿着所述测量方向的第一纤维光学周期性
PFPy:= 沿着垂直于所述测量方向的方向的第二纤维光学周期性。
8.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，针对在所述测量刻度（11）与所述纤维光学板的图像入射面之间的距离（dMBE）适用dMBE ≤ 200μm，其中
dMBE:= 在所述测量刻度与所述图像入射面之间的距离。
9.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，所述纤维光学板具有矩形的横截面，其中矩形纵轴平行于所述测量方向x地延伸。
10.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，在所述纤维光学板中在所述光导纤维之间布置有玻璃介质，所述玻璃介质吸收无助于信号形成的光。
11.根据权利要求1所述的光学测位装置，其特征在于，所述测量刻度（11）被构造为绝对测量刻度，所述绝对测量刻度具有用于绝对位置确定的非周期性的编码，而所述探测装置（25）被构造为绝对探测装置，用于检测由所述绝对测量刻度传输的非周期性的光图案。
12.根据权利要求11所述的光学测位装置，其特征在于，在所述整体量具（10）上平行于所述绝对测量刻度地布置有以增量刻度的形式的另一测量刻度（12），由对所述增量刻度的光学扫描而在所述探测平面内产生周期性的光学图案，所述周期性的光学图案在所述探测平面内能通过增量探测装置（26）来检测到。
13.根据权利要求12所述的光学测位装置，其特征在于，所述增量刻度被构造为振幅光栅，而且为了对所述增量刻度的光学扫描而在所述增量刻度与所述增量探测装置（26）之间布置扫描光栅（28），所述扫描光栅（28）被构造为透射扫描光栅或者被构造为相位光栅。
14.根据权利要求13所述的光学测位装置，其特征在于，针对所述增量刻度的刻度周期（d1）以及在所述探测平面内的所产生的光图案的周期性（d3）适用如下公式：
d1 = d2·(u+v)/v
d3 = d2·(u+v)/u
其中，
d1:= 所述增量刻度的刻度周期
d2:= 所述扫描光栅的有效刻度周期
d3:= 在所述探测平面内产生的光图案的周期性
u:= 在增量刻度与扫描光栅之间的距离
v:= 在扫描光栅与探测平面之间的距离。
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