CN109416264B - 光学旋转角度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对一种测量具有旋转轴(2)的可旋转物体的旋转角度的光学系统，该系统包括安装在所述轴上的反射衍射元件(6)以及包括辐射源(8)和辐射敏感检测结构(14，16)的模块，辐射源(8)朝向该元件发射单色光束(bo)，衍射元件被配置为将其图案的衍射级像(18)投射到形成检测结构的一部分的环形光栅结构的相关联的部段(50(1)‑54(2))上，并且衍射元件的表面大小小于环形光栅结构的表面大小的20％。

Description

光学旋转角度测量系统

技术领域

本发明涉及一种用于测量具有旋转轴的可旋转物体的旋转角度的光学系统，该系统一方面包括安装在轴上的并且随轴旋转的反射衍射元件，另一方面包括辐射源和检测模块，该模块包括：

-辐射源，其朝向衍射元件发射接近单色的辐射的照射光束；以及

-辐射敏感检测结构，其包括环形光栅掩膜，将被衍射元件反射的照射光束辐射转换为适合于电子处理的电信号以获得表示所述角度的信号。

在特定的实施例中，本发明提供了一种用于测量具有旋转轴(2)的可旋转物体的旋转角度的光学系统，该系统包括：安装在所述轴上的反射衍射元件(6)；以及包括辐射源(8)和辐射敏感检测结构(14、16)的模块，辐射源(8)朝向所述元件发射接近单色的光束(bo)，所述衍射元件被配置为将其图案的衍射级像(18)投射到形成检测结构的一部分的环形光栅结构的相关联的部段(50(1)-54(2))上，并且衍射元件的表面大小小于环形光栅结构的表面大小的20％。换言之，衍射元件的表面大小使得衍射元件的惯性矩小于0,05g.cm²，特别是小于0,01g.cm²。

背景技术

用于测量旋转角度的装置(也被称为角度解码器或旋转扫描仪)可以用于使用反射镜的角度位置来测量具有旋转轴的可旋转物体的旋转角度，所述反射镜连接到所述旋转轴。这样的扫描仪可以被广泛使用。众所周知的例子由其中反射镜连接到旋转马达的轴的装置组成，该马达和反射镜共同形成所谓的检流计扫描仪。在制造工业中，检流计扫描仪可以用于借助于可移动激光束的材料处理，诸如焊接、雕刻或切割工件。更近的应用是三维(3D)原型制作或打印。在光学中，例如共聚焦显微镜检流计扫描仪用于控制激光束的X和Y扫描。检流计扫描仪还可以被用在用于非常不同类型的医疗(诸如外科、皮肤外科和血管成形术)的设备中。此外在所谓的用于在X和Y方向上扫描人类视网膜的眼底照相机中，可以使用检流计扫描仪。

在这些及其他应用中，角度解码器的所需分辨率为微弧度量级。进一步的要求是可以在1毫秒内较大的角度(例如，20度)上快速地移动扫描反射镜。因此，角度解码器的耦合到旋转轴的这个部分的质量应该很小以使得该部分几乎不增加扫描仪的惯性矩。

高分辨率和小惯性矩的要求导致在角度解码器装置中使用光学计量，因此导致光学角度编码器装置。用于测量物体的移动(包括旋转)的一般应用的原理是基于光学光栅的使用的。例如，美国专利5,159,192公开了用于测量检流计反射镜的角度位置的装置，该装置使用垂直地安装在反射镜的旋转轴上的光栅。该光栅是反射的和环形的，并且具有径向光栅线。来自二极管激光器的激光束被划分为两个子束，这两个子束被引导到光栅的同一个区域。被光栅反射的子束入射在反射镜上，反射镜将这些子束朝向光栅反射回来。反射两次的子束中的每个被单独的辐射敏感检测器捕捉。这两个检测器输出信号提供关于轴的旋转的角度和方向的信息。为了使得可以以一个微弧度的数量级的分辨率测量角度位置，该装置的环形光栅的半径应为厘米的数量级。因为光栅盘的惯性矩至少与其半径的四次方成比例，所以所需半径将对检流计反射镜的速率和检流计动态设置限制。而且，美国专利5,159,192的装置的测量结果对旋转轴的横向移位是敏感的，因为这样的移位使光栅结构在垂直于轴轴线的平面中横向位移，这样的位移将改变通过所述装置的光学元件观察的光栅区域的间距。

EP 0 651 232示出了另一装置，其中，安装在旋转物体上并且随该物体旋转的反射径向衍射光栅用于测量该物体的角度位置。该装置使用第二固定光栅来将来自源的测量光束分割为不同衍射级的两个子束，这些子束入射在旋转光栅的不同部分上。被旋转光栅反射的子束在具有与干涉图案的周期相对应的周期的梳状辐射敏感检测器的平面中受到固定光栅的干涉。检测器的输出信号提供关于旋转物体的角度位置的信息。EP 0 651 232的装置示出了与US 5,195,192的装置相同的缺点。

德国专利10 2011 050 030公开了用于测量例如检流计反射镜的角度位置的另一类型的装置，其中，使用衍射光栅。在该装置中，会聚光束经由反射镜被发送到衍射光栅，该衍射光栅具有以固定到反射镜的旋转轴的检流计的旋转轴线为中心的圆柱面。圆柱形光栅将光束反射回到旋转反射镜，旋转反射镜将光朝向透镜反射，该透镜在布置在辐射敏感检测器前面的固定光栅的平面中形成该光栅的移动像。检测器上的光的强度随着反射镜的角度位置周期性地变化。对于圆柱体半径r＝15mm和10μm的光栅周期，检测器信号将具有0,67毫弧度的周期。因为使用会聚光束，所以旋转角度测量对旋转轴的横向位移是敏感的。在实践中，表现出几微米的数量级的这样的位移是不能避免的。轴在垂直于光栅线的方向上的位移Δx引起Δx/r的测得的角度误差，其中，r是圆柱形光栅的曲率半径。如果r＝15mm，则圆柱形光栅在1μm上的位移将在角度测量中引起67微弧度的误差，鉴于现在所需的测量分辨率，这是不可接受的。而且，因为其光学开销和光学元件的数量，德国专利10 2011 050030的装置不能做得小巧且轻便。

发明内容

本发明的目的是提供一种更简单的、更紧凑的光学旋转角度测量装置，该装置在比现有装置更大的测量范围上递送更准确的测量信号，并且对旋转轴的横向位移不太敏感。

因此，本发明提供一种用于测量具有旋转轴的可旋转物体的旋转角度的光学系统，该系统一方面包括安装在轴上的并且随轴旋转的反射衍射元件，另一方面包括包含辐射源和辐射敏感检测结构的模块，辐射源朝向衍射元件发射接近单色的辐射的照射光束，辐射敏感检测结构将由衍射元件反射的照射光束辐射转换为适合于电子处理的电信号以获得表示所述角度的输出信号，其中，所述系统的特征在于，衍射元件被配置为将其图案的至少一个衍射级像投射到形成检测结构的一部分的环形光栅结构的相关联的部段上，并且衍射元件的表面大小小于环形光栅结构的表面大小的20％，特别是小于10％。如本文中所使用的接近单色的意思是允许具有某个光谱宽度的给定波长的照射光束。如下面进一步详述的，照射源的单色波长允许某些波长误差，其中，所述波长中的每个被允许具有某个光谱宽度。在本发明的上下文内，接近单色的辐射是具有小于100Mhz的光谱宽度(特别是具有小于10Mhz的光谱宽度，甚至更特别的是具有小于3Mhz的光谱宽度)的给定波长(以下——允许±10nM的波长变化)下的辐射。

环形光栅结构被理解为意指在相对于照射光束轴线的径向方向上延伸的光栅线的结构，从而光栅线被布置在与光束轴线同轴的环的部段内；在本发明的上下文内，然而，它不应被看作是限于环形，而是同样地包括接近于环形和椭圆形形状。光栅结构的周期对应于光栅结构的平面中的衍射级像的周期。部段的角度大小(即，环的周向上的大小)和部段的数量可以任意改动以适应测量环境和所需的测量结果。衍射级像被理解为意指由被衍射元件以给定衍射级(诸如+1或-1衍射级)衍射的子束形成的像。

本发明是基于以下洞察，即，对于设想的应用，衍射元件需要将其图案的像仅投射在光栅结构的小的部段上，并且衍射元件的信息内容远少于其像必须覆盖整环光栅结构的整个圆周区域的衍射元件的信息内容。因此，衍射元件可以具有远小于固定光栅结构的直径(例如30mm)的直径(例如3mm)。与常规的具有相同的测量分辨率的系统相比，根据本发明的系统提供以下优点，即，可以使角度解码器上的惯性载荷减小与衍射元件表面大小和承载环形光栅结构的盘的大小的比率的四次方成比例的倍数，在我们的例子中，这个倍数为1/10000。

注意到，日本专利申请JPH03170020公开了旋转编码器，其中，反射全息图安装在旋转轴线上。在该全息图中，记录有角度位置的代码图案，当该全息图被会聚光束照射时，该代码图案在环形环中在放大比例尺上再现。再现的代码图案的小部分被耦合到电子处理电路的光学传感器阵列读出。该电路从再现的代码图案的被读出的这个部分计算旋转全息图的瞬间角度位置。JPH 03170020的旋转编码器是基于与本发明的系统中所用的构思不同的构思的。

进一步注意到，日本专利申请JPH01138413公开了一种旋转编码器，该编码器包括安装在旋转体上的并且随旋转体旋转的反射全息图。全息图被准直的光束照射，并且在其中布置两个光电转换器的平面中被再现。JPH01138413中所示的全息图远大于旋转体的直径，并且是与布置在全息图和光电转换器的平面之间的准直仪透镜相同的大小。这些转换器的光敏区域相对较小，以使得已经对于旋转轴线的小的移动，全息图像将远离转换器区域移位，并且测量误差将发生。此外，JPH01138413的编码器的惯性矩相对较大。

我们描述本发明的不同实施例，在这些实施例中，所用的衍射元件在每个实施例中具有不同的结构。本发明中所用的衍射元件的类型在光学文献中被称为全息图。

如本文中使用的全息图是在被辐射光束照射时在给定的物体结构的空间中生成像的衍射元件。在本发明中，投射的像是具有与环形检测光栅的周期和半径相等的周期和半径的环形周期性强度分布。这些像被投射在检测结构的平面中。我们在本发明中使用的反射全息图的表面配置由照射光束的方向和曲率、投射的像的位置和强度分布以及照射源的波长确定。

本系统的优选实施例的特征在于，全息图被配置为使得它以头两个衍射级反射入射的照射光束辐射。这样，两个衍射像被投射在检测光栅结构的平面中，并且所述系统允许在模块仍具有简单配置的同时双倍读出角度位置。在替代情况下，只有一个衍射像可以用于角度位置读出，这提供成本节约。对于本领域技术人员来说，如何设计将衍射的辐射集中到一个或两个衍射级中的衍射元件是显而易见的。

照射光束源应被定位在角度解码器的旋转轴的旋转轴线上，特别是检流计的旋转轴的旋转轴线上。对于照射源的轴向位置，我们可以具有导致本发明的不同实施例的不同选择。在本发明的第一实施例中，照射光束是发散光束；该光束的源被放置在全息图的与检测光栅相同的一侧。该实施例具有简单和低成本的优点，因为在照射源和全息图之间不需要光束成形组件。但是该实施例具有主要由全息图的配置引起的两个不利的性质。就发散的照射光束而言，全息图必须具有强的光学能力以使衍射的辐射聚焦在检测平面中。该聚焦功能可以与以照射源为中心的凹面镜的聚焦相比。当全息图被移位小的距离时，衍射像也被移位，但是移位距离是全息图的移位的两倍。因为全息图是固定在角度解码器的旋转轴上的，所以该配置仅容忍轴的非常窄的侧向移动和伸展，更具体地说±10μm的数量级，这些移动和伸展在例如检流计扫描仪的构造中是难以实现的。全息图的配置取决于照射源的波长(即，单色波长)的固定值。当二极管激光器用于照射时，其波长例如在给定规范的±5nm上可能是不同的。而且，激光器的温度变化将引起每摄氏度例如0.2nm的波长移位。现有的检流计扫描仪中的温度变化可以例如是±20℃，从而导致平均温度左右的±4nm的可能的温度变化。增加这些影响使得±10nm的波长误差是可能的。因此，在本发明的上下文内，照射源的单色波长使得±10nm的波长误差(变化)是可能的；特别是±5nm的波长误差(变化)，例如当二极管激光器用于照射时。对于具有τ＝660nm的规范波长的二极管激光器，这意味着相对波长误差Δτ/τ＝±1/66。本实施例中的衍射像的径向和轴向位置的相对误差将等于对于相对波长误差的一阶逼近。在检测光栅的半径r为15mm的情况下，我们将具有±0.23mm的Δr侧向移位(以下将被称为偏转误差Δr)，在从全息图到检测平面的轴向距离Z为25mm的情况下，我们将具有0.34mm的焦点移位ΔZ。这些影响可能难以仅用所述系统的机械设计来补偿，这将提高制造成本。

因此，在第二实施例中，通过照射源和全息图之间的透镜来使照射光束会聚。这意味着色度聚焦误差ΔZ消失；偏转误差Δr保留，但是可以通过使检测结构的径向大小足够大(例如，±0.5mm)来满足。此外，在该实施例中，可以通过使全息图的旋转中心和衍射像的平均位置之间的距离等于从旋转中心和照射源的虚拟像的距离来避免由于旋转轴的横向移动而导致的定位次序。由于轴的伸展而导致的位置误差将变小大约7倍，使得对于该伸展移动的容限可以高达70μm，而不是衍射元件的第一实施例中的10μm。该第二实施例的缺点是，从照射源到全息图的光路大致为第一实施例中的光路的3倍。该问题可以通过折叠检测构造之上的空间中的光路来部分地解决。这将使所述系统的轴向大小更大(例如，大约10mm)，并且将有额外的组件(诸如棱镜和/或反射镜)的成本。

在第三实施例中，透镜将被放置得接近全息图，照射源在该透镜的焦平面中。该透镜的优选形式为凸平面，该透镜在全息图一侧的凸侧在合适的距离处，诸如举例来说0.5mm。该透镜提供照射全息图的平面波；衍射的光束被该透镜聚焦在检测光栅的平面上。该透镜可以被针对球面像差和彗形像差进行校正；其余的像差是可以通过全息图校正的像散。在该配置中，由于旋转轴的横向移动和伸展而导致的定位误差消失，并且色度误差、还有聚焦误差ΔZ没有出现。因此，使误差减小到与第一实施例和第二实施例中的偏转误差相同的偏转误差Δr。

本系统的优选实施例的特征在于，衍射元件被配置为使得它以+1衍射级和-1衍射级反射入射的测量光束辐射。

这样，两个衍射级像形成在环形光栅结构的平面中，并且所述系统允许在模块仍具有简单配置的同时角度位置被双倍读出。在情况下，只有一个衍射级像可以用于角度位置读出，这提供成本节省。对于本领域技术人员来说，如何设计使衍射的辐射集中到一个或两个衍射级中的衍射光栅是显而易见的。

本光学系统的特征可以进一步在于，环形光栅结构包括若干个光栅扇区，这些光栅扇区具有比形成在这些光栅扇区上的衍射级像的角度大小大的角度大小，并且辐射敏感检测结构包括用于每个光栅扇区的扇区检测器。

可替代地，所述光学系统的特征可以在于，环形光栅结构包括若干个光栅扇区，这些光栅扇区具有比形成在这些光栅扇区上的衍射级像的角度大小小的角度大小，并且辐射敏感检测结构包括用于每个光栅扇区的扇区检测器。

根据另一方面，本光学系统的特征在于，环形光栅部段被划分为两个径向上分离的子光栅，这两个径向上分离的子光栅具有相同的光栅周期，并且在四分之一的光栅周期内在切线方向上相互移位，并且对于这些子光栅中的每个，提供单独的辐射敏感检测器。该测量使得能够检测旋转轴的旋转方向。

为了使得可以使用插值技术，本系统优选的是特征在于，环形光栅结构包括三个子光栅，这三个子光栅具有不同的光栅周期，并且每个子光栅用来接收衍射级像。

该实施例的特征可以进一步在于，环形光栅结构包括三对扇区，每对设有具有不同的光栅周期的三个子光栅中的另一个。

可替代地，该实施例的特征可以在于，环形光栅结构最多包括两个扇区，每个扇区设有具有不同的光栅周期的三个子光栅，这些子光栅在径向上是分离的。

在另一实施例中，球面镜被添加到本发明的系统。通过将把周期性图案投射到一组检测器上的球面镜添加到所述系统，可以使检测器平面(101)平坦且垂直于所述系统的对称轴线。这使所述系统与板(10)的承载检测结构(16)的面对齐更简单，并且还改进了检测器信号的质量。

因此，在特定的实施例中，本发明提供了一种用于测量具有旋转轴(2)的可旋转物体的旋转角度的系统，该系统一方面包括安装在轴(2)上的并且随轴(2)旋转的反射衍射元件(6)，另一方面包括包含辐射源(8)和辐射敏感检测结构(16)的模块，辐射源(8)朝向衍射元件(6)发射接近单色的辐射的照射光束，辐射敏感检测结构(16)将由衍射元件(6)反射的照射光束辐射转换为适合于电子处理的电信号以获得表示所述角度的信号，所述系统的特征在于，衍射元件(6)被配置为将一个或多个衍射像(18)投射到检测结构的相关联的部段上，并且衍射元件(6)的表面大小小于检测结构上的相关联的部段的表面大小的20％；所述系统的特征在于，所述系统进一步包括将衍射像(18)投射到检测器上的球面镜(100)。

附图说明

现在具体参照附图，强调的是，所示的细节是作为例子，并且仅仅是出于本发明的不同实施例的说明性讨论的目的。它们是为了提供什么被认为是本发明的原理和概念方面的最有用的且容易的描述而呈现的。就这一点而言，并不试图比对于本发明的基本理解来说必需的详细程度更详细地示出本发明的结构细节。与附图一起进行的描述使本领域技术人员明白本发明的几种形式在实践中可以如何实施。

图1示出第一实施例中的根据本发明的用于测量物体的旋转角度的光学系统的原理图；

图2示出光学系统的第二实施例的原理图；

图3示出光学系统的其中衍射元件与会聚透镜组合的第三实施例；

图4示出静态光栅部段的图案的实施例；

图5示出这些部段中的一个的细分的光栅结构；

图6示出适于细分的光栅结构的辐射敏感检测结构；

图7示出像图案在它们的相关联的部段光栅上的投射；以及

图8示出具有光栅周期不同的子光栅的部段光栅结构。

图9示出附加实施例中的其中添加球面镜的光学系统的原理图。

具体实施方式

图1示出了根据附图的旋转角度测量系统的原理图，该系统例如适合于测量检流计扫描仪的角度位置。该扫描仪的旋转轴用标号(2)表示。扫描仪的反射镜(在该图中未示出)安装在该轴上，其旋转移动用箭头(4)指示，但是不应被理解为使本发明限于单个旋转方向。旋转轴可以沿任一方向旋转。在轴的一个端面上并且垂直于轴，安装有小型的反射衍射元件(RDE)(6)，特别是全息图(31)。衍射元件(6)被与轴(2)的旋转轴线成一直线布置的单色辐射源(优选地二极管激光器(8))发射的球形辐射光束bo照射。衍射元件将入射的光束bo划分为不同衍射级的子束，并且将这些子束朝向静态掩膜结构反射，该静态掩膜结构可以由光栅部段组成。如图1所示，这样的光栅部段(14)可以布置在板(10)的下部的那一面处，板(10)至少在光栅部段(14)的位置处是透明的。在图1的实施例中，板(10)是圆盘，该圆盘可以具有中心开口(12)。板(10)的圆周圆的中心位于连接辐射源(8)的发射点和轴端面的中间点的线上，该线对应于光束bo的中心光线。衍射元件(6)可以具有任何几何形状，诸如圆形或矩形或正方形形状。光栅部段(14)是环形光栅结构的具有光栅条(也被称为在径向方向上延伸的光栅线，即，它们指向圆形板(10)的中心)的一部分。衍射元件(6)投射的环形强度图案具有与光栅部段(14)相同的周期性。

辐射源(8)、环形光栅结构(14)和检测结构(16)可以包括在可以固定到例如检流计扫描仪的静态壳体的模块中。

在图1的实施例中，仅使用了第一衍射级br(+1)和br(-1)的子束。衍射元件(6)可以被设计为使得光束bo的最大部分集中在这些衍射级中。借助于子束br(+1)和br(-1)，在两个对置的环形光栅部段(14)的平面中形成两个周期性强度图案，从而每个图案分别形成在同一个平面中的一个光栅部段上和对置的光栅部段上。这些部段包括例如交替的发射条和吸收条。在图1中用虚线(18)示意性地表示的强度图案可以被称为衍射元件(6)的指纹或像。这些周期性图案(18)的角度周期(即，切线方向或圆周方向上的周期)等于光栅部段(14)的角度周期。当衍射元件(6)旋转时，由于轴(2)的旋转，周期性图案(18)在光栅部段(14)上移动。光栅部段(14)发射的子束br(+1)和br(-1)的辐射入射在环形辐射敏感检测器部段(16)上，环形辐射敏感检测器部段(16)将这些辐射转换为电信号。这些信号可以在市售的电子电路(在图1中未示出)中处理以获得表示轴(2)的角度位置的信号。

因为衍射元件(6)将其周期性像(18)投射到仅相对较小的光栅部段(14)上，所以其衍射结构可以远小于投射像应覆盖在360°上延伸的静态栅格图案的常规光栅元件的衍射结构。根据本发明，该洞察用于大幅度缩小衍射元件(6)的大小。衍射元件或全息图现在可以具有例如3mm的直径，该直径远小于承载板(10)的光栅部段(14)的直径，例如30mm。与常规的具有可比的测量分辨率的光栅系统相比，这提供以下优点，即，本测量系统在角度解码器上的惯性载荷大幅度减小与板(10)和衍射元件(6)的表面积之比的平方成比例的倍数。在该例子中，该倍数可以相当于10000，前提条件是板(10)和元件(6)具有相同的密度以及相同的厚度和直径比。

图1描述的测量系统的实施例将示出由发散照射光束引起的、旋转轴的伸展和横向移动的狭窄的容限。因此，如图2所示，优选的是使用照射光束bo，照射光束bo在衍射元件(6)的反射板的后面的给定距离处的虚拟点(20)中会聚。这样的会聚照射光束可以通过在辐射源(8)和衍射元件(6)之间布置足够光焦度的会聚透镜(22)来实现。为了缩小图2的大小，辐射源(8)和透镜(22)之间的光路只有一部分在该图2中示出，该部分用两个路径中断线(24)指示。为了缩小图2的系统的体积，辐射源(8)和透镜(22)之间的光路可以借助于反射镜以众所周知的方式折叠。

如图2所示，当在第二实施例中，使衍射元件(6)的中心(在旋转轴线上)到投射到光栅14上的衍射像的平均径向位置之间的距离等于元件(6)的所述中心和照射源的虚拟像(20)之间的距离时，被衍射元件(6)投射到它们的相关联的光栅部段上的衍射像(18)的位置独立于元件(6)被固定于其上的旋转轴(2)的横向位移。这提供本角度解码器系统优于常规的角度解码器系统的实质性优点。

因为在图2的实施例中衍射元件(6)没有聚焦功能，所以元件(6)的轴向位移(诸如可能由错误的安装引起，或者由旋转轴(2)的伸展引起)对衍射像(18)的轴向位置的影响小于图1的实施例中的影响。在图2的实施例中，根据元件(6)的位移dz的像(18)的轴向位移

由

给出，其中，θ是照射光束和衍射的光束之间的角度。例如，在θ＝30°的情况下，

在图1所示的实施例中，

这意味着在第二实施例中，我们对于元件(6)的轴向位移具有大的容限(例如140μm)。而且，在图2所示的实施例中，色度聚焦误差ΔZ是不存在的，因为在该实施例中，衍射元件(6)没有聚焦误差。色度偏转误差与图1的实施例中的色度偏转误差是相同的。在图2中，我们没有示出激光二极管(8)和聚焦透镜(21)之间的光路。该光路的长度是元件(6)和虚拟照射源(20)之间的距离的3倍以上。板(10)之上的透镜(21)和折叠元件以及激光二极管的存在使得图2的系统的体积比图1的体积大得多。该问题的解决方案也导致组件更少，在图3中示出。在图3的实施例中，我们具有优选为平凸的透镜(30)，其中，凸面面向衍射元件(6)和照射源(8)在该透镜的焦点中。衍射元件(6)被平面波照射，并且没有聚焦功能；这意味着在光栅(14)上的衍射像的位置独立于衍射元件(6)的位移。此外，在该实施例中，色度聚焦误差是不存在的，色度偏转误差与图1和图2的实施例中的色度偏转误差是相同的。图3的系统可以被构建得比图2的系统紧凑得多。

对于使用可比尺寸的固定光栅和移动光栅的常规角度解码系统来说，已经提出了对于固定光栅图案使用具有略微不同的光栅周期的三个子图案。这样的光栅子图案也可以被用在本角度解码系统中，于是，本系统允许进行信号插值以改进测量分辨率。本系统允许以两种不同的方式实现三个子图案。

在某些角度解码器中，诸如举例来说在被应用于检流计扫描仪中时，反射镜、因此旋转轴(2)具有有限的旋转范围，例如，轴在相对于零位置的+18°和-18°之间移动。其上布置光栅部段(14)的板(10)于是可以被划分为角度扇区，例如每个为60°的六个扇区，如图4所示。板(10)的中心用标号(11)表示。所述扇区布置为多对相互对置的扇区(32(1)和32(2))、(34(1)和34(2))、(36(1)和36(2))。每个扇区设有光栅结构，该光栅结构在本文中上面被称为光栅部段。这些光栅部段在图4中被标记为(50(1))、(50(2))、(52(1))、(52(2))、(54(1))和(54(2))。每个光栅部段的光栅条56中只有几个在图4中示出。实际上，光栅条的数量多得多。对置的光栅部段对(50(1))和(50(2))具有相同的光栅周期，同样适用于光栅部段对(52(1))和(52(2))以及(54(1))和(54(2))。当衍射元件(6)旋转时，该元件的周期性图案(18)(在图4中未示出，但是在图1中示出)或指纹在光栅部段上移动。而且，为了确定轴(2)的旋转方向，每个光栅部段可以包括两个径向上分离的子光栅部段，这些子光栅部段在相关的光栅部段的四分之一光栅周期内、在角度方向或切线方向上是相互移位的。

为了例示说明该配置，图5示出了一个板部段(36(1))的两个这样的子光栅部段(54(1)a)和(54(1)b)，这些光栅部段被非透明的一划(stroke)(58)隔开。类似于图4，子部段的所有的光栅条(56)中只有几个在图5中示出。

图6示出了用于板部段(36(1))的板(10)的背侧的辐射敏感检测器结构，该结构用于接收图5的光栅子部段(54(1)a)和(54(1)b)发射的辐射，并且用于将该辐射转换为用于进一步电子处理的电信号。作为图1和图2所示的检测器(14)的一部分的检测器结构包括在径向方向上被辐射不敏感区域(64)隔开的两个检测器部分(60)和(62)。将清楚的是，在图4的均包括两个子光栅的六个盘部段的情况下，整个检测器结构包括十二个检测器部分，比如部分(60)。

在板(10)包括用于光栅的三对对置的部段的情况下，如图4所示，每对可以设有上述具有不同的光栅周期的三个子图案中的不同的子图案。这是将这样的子图案合并在本解码器系统中的第一种方式。图4中的盘部段(32(1))和(32(2))中的光栅部段(50(1))和(50(2))可以在它们的角度长度(在本实施例中为60°)上具有1/6.2^N个光栅周期。于是，分别地，在它们的角度长度上，光栅部段(52(1))和(52(2))的光栅周期的数量可以为1/6.(2^N-1)，并且光栅部段(54(1))和(54(2))的光栅周期的数量可以为1/6.(2^N-2⁶)。N＝12的值以前一直用于具有可比尺寸的固定光栅和旋转光栅的系统。在N＝12的情况下，对于2π弧度的角度长度来说光栅周期的数量为2^N＝4096个。因为具有不同频率的光栅图案被存储在60°的扇区中，所以扇区的光栅周期的数量减少1/6。

该数量在实践中可以进一步降低，例如，如果相关联的检流计的扫描范围在+18°和-18°之间，则对于光栅部段来说40°的角度长度将是足够的。这意味着光栅周期的数量可以进一步减少2/3。将清楚的是，周期性像图案18的光栅周期对应于光栅部段(50(1)-54(2))的光栅周期。在实际的实施例中，像图案18可以具有10°的角度大小，并且其径向大小可以为100μm。该情况在图7中例示说明，图7示出了具有六个光栅部段的分段式板10的示意图，这些光栅部段用它们的径向中间线(50’)、(52’)和(54’)表示、如果光栅部段如图4所示那样包括唯一一个光栅，则这些中间线是光栅的环形中间。在光栅部段包括两个径向上分离的且角度上移位的子光栅的情况下，如图5所示，中间线表示非透明的一划(58)的中间。

在具有六个光栅部段的实施例中，像图案位于相互成与扇区的角度大小相等的角度的距离处，因此位于60°处。如果这些部段对包括具有略微不同的光栅周期的光栅，则如本文中上面所讨论的，衍射元件6的像图案可以是简单的径向线图案。

代替使用如图7所示的角度上小的像图案18和角度上较大的光栅部段(50(1))-(54(2))，还可以使用角度上较大的像图案和角度上较小的光栅部段的组合。后者提供可以使用角度上较小的、因此较便宜的辐射敏感检测器的优点。

本角度解码器系统的原理也可以只用两个或者甚至一个光栅部段来实现。信号插值所需的具有略微不同的光栅周期的光栅于是可以布置在这些光栅部段中的每个中，以使得这些光栅位于不同的半径处，并且在径向上彼此分离。用于这样的光栅部段的光栅结构在图8中示出。具有不同的光栅周期的光栅用标号(70)、(72)和(74)表示。在实践中，光栅线的数量大于图7所示。因为光栅(70)、(72)和(74)布置在不同的半径处，所以这些光栅的周期也适于它们的半径。图7中的要素(18)表示衍射元件的小的像图案。图7的光栅部段可以在40°上延伸。在使用该光栅部段结构的实施例中，(一个或多个)像图案(18)应包括三个环形的径向上分离的光栅。

对于所有的实施例都适用的是，因为衍射元件的像图案包含周期性强度图案，例如，当N＝14时114个周期的周期性强度图案，并且部段光栅也是周期性的，具有相同周期，所以检测器信号是像图案和部段光栅的周期性相关函数。

如果部段光栅是具有占空比0,5的二元光栅，则测量信号将基本上是正弦的，其角频率等于部段光栅的角频率，并且可接受地混合有由第三级衍射辐射产生的分量。正弦信号使得能够进行角度位置测量的插值。

在本发明的另一实施例中，如图9中所概况的，球面镜(100)被添加到本发明的系统。特别地，所述球面镜(100)将周期性的图案投射在一组检测器上。检测器平面(101)可以被做成平坦的且垂直于所述系统的对称轴线。这使得所述系统的对齐更简单，并且还改进了检测器信号的质量。通过该配置，使检测器平面(101)与板(10)的承载检测结构(16)的面一致实际上更加容易。

Claims (14)

1.一种用于测量具有旋转轴(2)的可旋转物体的旋转角度的光学系统，所述系统一方面包括安装在轴(2)上的并且随轴(2)旋转的反射衍射元件(6)，另一方面包括包含辐射源(8)和辐射敏感检测结构(16)的模块，所述辐射源(8)朝向反射衍射元件(6)发射接近单色的辐射的照射光束，所述辐射敏感检测结构(16)将由反射衍射元件(6)反射的照射光束辐射转换为适合于电子处理的电信号以获得表示所述角度的信号，所述系统的特征在于，所述反射衍射元件(6)被配置为将一个或多个衍射级像(18)投射到所述检测结构的相关联的部段上，并且所述反射衍射元件(6)的表面大小小于所述检测结构上的相关联的部段的表面大小的20％。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述检测结构的所述相关联的部段是形成检测结构(16)的一部分的环形光栅结构的相关联的部段，并且所述反射衍射元件(6)的表面大小小于所述环形光栅结构的表面大小的20％。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述辐射源(8)和反射衍射元件(6)的中心之间的光学距离等于所述中心和环形光栅结构部段(14)的径向中心之间的光学距离。

4.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于，所述反射衍射元件(6)被配置为使得它以+1和-1衍射级反射入射的测量光束辐射。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，入射在反射衍射元件(6)上的照射光束是会聚在反射衍射元件(6)后面的虚拟平面中的会聚光束。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述反射衍射元件(6)是全息图(31)。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，所述模块包括平凸透镜(30)，平凸透镜(30)的凸面面向反射衍射元件(6)。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，环形光栅结构包括若干个光栅扇区，所述若干个光栅扇区具有比形成在这些光栅扇区上的衍射级像(18)的角度大小大的角度大小，并且所述辐射敏感检测结构(16)包括用于每个光栅扇区的扇区检测器。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，环形光栅结构包括若干个光栅扇区，所述若干个光栅扇区具有比形成在这些光栅扇区上的衍射级像(18)的角度大小小的角度大小，并且所述辐射敏感检测结构(16)包括用于每个光栅扇区的扇区检测器。

10.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，环形光栅包括两个径向上分离的子光栅，所述两个径向上分离的子光栅具有相同的光栅周期，并且在四分之一光栅周期内在切线方向上相互移位，以及对于这些子光栅中的每个，提供单独的检测器。

11.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，环形光栅结构包括具有不同光栅周期的三对子光栅，每对子光栅用于接收衍射级像(18)。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，环形光栅结构包括三对扇区，每对设有具有不同光栅周期的所述三对子光栅之一。

13.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，环形光栅结构最多包括两个扇区，每个扇区设有具有不同光栅周期的所述三对子光栅，所述子光栅在径向上是分离的。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的光学系统，其特征在于，球面镜(100)被添加到所述系统。

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