CN116067277A - 光学位置测量装置和用于运行光学位置测量装置的方法 - Google Patents

光学位置测量装置和用于运行光学位置测量装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于确定第一对象的位置的光学位置测量装置和运行该位置测量装置的方法，第一对象相对于第二对象可沿着测量方向移动。与第一对象连接的标准量具具有沿着测量方向延伸并且拥有带有不同反射率的分度区域的反射测量分度。扫描单元与第二对象连接并且相对于标准量具以扫描距离布置。此外设置至少一个光源以及包括沿着测量方向周期性布置的多个光电探测器元件的探测器装置。信号处理单元被构造和设立用于从通过探测器元件产生的光电流中产生关于第一对象相对于第二对象的位置的位置信号，确定探测器中间区域中和至少一个探测器边缘区域中的总光电流，并且从探测器中间区域中和探测器边缘区域中的总光电流的所形成的光电流比中确定扫描距离。

Description

光学位置测量装置和用于运行光学位置测量装置的方法
技术领域
本发明涉及一种光学位置测量装置以及一种用于运行光学位置测量装置以便在这期间确定第一对象相对于第二对象的位置的方法。位置测量装置包括与第一对象连接的反射测量分度和与第二对象连接的扫描单元。借助于信号处理单元可以确定在测量分度和扫描单元之间的扫描距离。
背景技术
尤其是在以反射光（Auflicht）工作并且具有带有反射测量分度的标准量具的光学位置测量装置的情况下感兴趣的是，除了实际的位置信息之外，附加地检测在测量分度和扫描单元之间的扫描距离。在以模块化方式构建的位置测量装置的情况下，可以例如在装入时在各自的应用中使用该信息，以便正确地设定扫描距离。在测量运行中，例如在这种位置测量装置的相应的旋转式变型方案的情况下可能的是，从对扫描距离的连续监控中获得对旋转轴的移动或关于热学影响的推断。
为了在这种位置测量装置中确定扫描距离，一系列解决方案已经变为已知的。
从而在JP 2001-174287 A中提出，将为了扫描距离测量从附加光源发射的光转向反射器轨道（Reflektorspur），所述反射器轨道布置在标准量具上的两个测量分度轨道之间。由此反射的光在扫描单元中射到探测器上，其中入射到探测器上的射束的射线直径根据扫描距离而变化。可以通过强度测量来估计扫描距离。在该解决方案的情况下，因此除了用于位置测量的部件之外，其他光源、单独的反射器轨道以及附加的探测器是必要的，以便获得关于扫描距离的信息。
根据JP 2013-113634 A或JP 2016-050886 A的解决方案无这种附加部件也行。在那里，分别照明用于位置测量的测量分度的光栅结构，并且在此根据塔尔博特效应（Talbot-Effekt）评估沿着扫描距离方向周期性构造的光栅自映射。光栅自映射的振幅在这里表示感兴趣的扫描距离的量度。这些变型方案的缺点是为此强制性地需要测量分度上的周期性光栅结构，也即与非周期性代码结构相结合，利用这些解决方案不可能确定扫描距离。此外，对于这种测量方法需要光源，所述光源必须满足一定的相干性要求。
从DE 10 2018 104 280A 1中已知另一解决方案，该另一解决方案同样提出在反射位置测量装置中使用探测器既用于位置测量又用于确定扫描距离的变化。在这里经由探测器检测的强度变化和/或从测量分度反射回的光的方位（Ort）被评估为扫描距离的变化的量度。因此根据该出版物中的说明，可以以大约0.1mm的分辨率确定扫描距离的变化。然而，在确定扫描距离时这种分辨率对于尤其是在测量运行中监控相应的位置测量装置来说太低。此外，用于确定距离的光强度的评估不能良好地与用于使测量分度（Messteilung）的照亮稳定的常用方法相组合，所述方法对于位置测量装置的运行是有利的。
发明内容
本发明所基于的任务在于说明一种光学位置测量装置和一种用于运行光学位置测量装置的方法，以便在无附加地需要的部件的情况下使得能够尽可能精确地确定扫描距离。
根据本发明，首先提到的任务通过具有权利要求1的特征的光学位置测量装置来解决。
根据本发明的光学位置测量装置的有利实施方案从在从属权利要求中列出的措施中得出。
根据本发明，其次提到的任务通过具有权利要求11的特征的用于运行光学位置测量装置的方法来解决。
根据本发明的用于运行光学位置测量装置的方法的有利实施方案从在从属于权利要求xx的权利要求中列出的措施中得出。
根据本发明的光学位置测量装置用于确定第一对象的位置，所述第一对象相对于第二对象可沿着测量方向移动。标准量具（Maßverkörperung）与所述第一对象连接，所述标准量具具有沿着测量方向延伸的反射测量分度，所述反射测量分度具有带有不同反射率的分度区域。扫描单元与第二对象连接并且相对于标准量具以扫描距离布置。所述扫描单元包括至少一个光源和探测器装置，所述探测器装置具有沿着测量方向周期性布置的多个光电探测器元件。此外，信号处理单元分配给所述扫描单元，所述信号处理单元被构造和设立用于从通过所述探测器元件产生的光电流中产生关于第一对象相对于第二对象的位置的位置信号，以及确定探测器中间区域中和至少一个探测器边缘区域中的总光电流，并且从所述探测器中间区域中和探测器边缘区域中的总光电流的所形成的光电流比中确定扫描距离。
信号处理单元有利地被构造和设立用于为了形成所述光电流比使用为了产生位置信号所使用的光电流的副本。
此外，信号处理单元可以被构造和设立用于在测量运行中确定多个光电流比，并且对此进行求平均值并且从平均光电流比中确定所述扫描距离。
可能的是，信号处理单元被构造和设立用于
-要么从解析关系式中确定所述扫描距离，要么
-从存放在信号处理单元中的表格中确定所述扫描距离，所述表格描述所确定的光电流比和扫描距离之间的关系。
优选地，测量分度由测量分度单位单元（Messteilungs-Elementarzellen）组成，其中一类分度区域的合计的面积与总单位单元面积的面积比是恒定的，并且对于所述面积比，以下关系式适用
，
其中
VF:=面积比
FTB1:=一类分度区域的合计的面积
FGES:=总单位单元面积。
在此情况下，测量分度可以被构造为增量分度，所述增量分度包括具有不同反射率的矩形或圆环扇形分度区域沿着所述测量方向的一维交替布置。
可替代地可能的是，测量分度包括具有不同反射率的分度区域沿着所述测量方向和垂直于所述测量方向的二维布置。
此外也可能的是，测量分度被构造为伪随机码，并且包括具有不同反射率的矩形或圆环扇形分度区域沿着所述测量方向的一维非周期性布置。
此外可以规定，探测器装置
-要么包括沿着所述测量方向彼此相邻地布置的矩形或圆环扇形探测器元件的一维布置，其中所述探测器元件的纵轴垂直于所述测量方向取向，
要么
-包括沿着所述测量方向以及垂直于所述测量方向彼此相邻地布置的探测器元件的二维布置。
光源和探测器装置优选地布置在平行于测量分度的平面中。
根据本发明的用于运行光学位置测量装置的方法，通过所述光学位置测量装置确定第一对象相对于可沿着测量方向移动的第二对象的位置，规定，提供与第一对象连接的标准量具，所述标准量具具有沿着所述测量方向延伸的反射测量分度，所述反射测量分度具有带有不同反射率的分度区域。此外提供扫描单元，所述扫描单元与第二对象连接并且相对于所述标准量具以扫描距离布置，其中所述扫描单元包括至少一个光源和探测器装置，所述探测器装置具有沿着所述测量方向周期性布置的多个光电探测器元件。通过分配给所述扫描单元的信号处理单元从通过所述探测器元件产生的光电流中产生关于第一对象相对于第二对象的位置的位置信号。此外确定探测器中间区域中和至少一个探测器边缘区域中的总光电流，并且从探测器中间区域中和探测器边缘区域中的总光电流的所形成的光电流比中确定扫描距离。
在此情况下可能的是，信号处理单元使用为了产生所述位置信号使用的光电流的副本来形成所述光电流比。
可以规定，信号处理单元在测量运行中确定多个光电流比，对此进行求平均值并且从平均光电流比中确定扫描距离。
此外，信号处理单元可以
-要么从解析关系式中确定扫描距离，
要么
-从存放在所述信号处理单元中的表格确定所述扫描距离，所述表格描述所确定的光电流比和扫描距离之间的关系。
信号处理单元优选地为了形成所述光电流比在探测器中间区域中使用是在相对于探测器中心对称的两个探测器边缘区域中两倍（doppelt so viele… wie）的探测器元件。
作为根据本发明的解决方案的优点要列举的是，不需要附加的部件来确定感兴趣的扫描距离。为此可以使用如光源、测量分度以及探测器装置之类的已经为了进行位置测量使用的元件。此外，根据本发明的设备或根据本发明的方法保证在测量运行中也可以以足够的精度确定扫描距离。
根据本发明的位置测量装置此外不仅可以被构造为长度测量设备而且可以被构造为例如旋转编码器形式的旋转式测量设备。在此情况下，在此使用的测量分度也不一定必须周期性地实施。
应该结合图根据对根据本发明的设备和根据本发明的方法的实施例的以下描述来阐述本发明的其他细节和优点。
附图说明
图1示出用于阐述用于确定扫描距离的原理的示意图；
图2示出在所形成的光电流比与扫描距离之间的关系的图示；
图3以剖面图示出根据本发明的光学位置测量装置的实施例的大大示意化的图示；
图4a-4c分别示出用于根据本发明的光学位置测量装置的合适的测量分度的剖视图，所述光学位置测量装置被构造为长度测量设备；
图5a-5c分别示出用于根据本发明的光学位置测量装置的合适的测量分度的剖视图，所述光学位置测量装置被构造为旋转编码器形式的旋转式测量设备；
图6a、6b分别示出用于根据本发明的光学位置测量装置的合适的探测器装置的剖视图，所述光学位置测量装置被构造为长度测量设备；
图7a、7b分别示出用于根据本发明的光学位置测量装置的探测器装置的剖视图，所述光学位置测量装置被构造为旋转编码器形式的旋转式测量设备；
图8示出用于阐述根据本发明的方法的图示。
具体实施方式
在随后详细地阐述根据本发明的光学位置测量装置的多个实施例之前，首先应该根据图1和2阐述基本原理，在这些设备中扫描距离的确定分别基于所述基本原理。所述基本原理基本上在于：将通过发散光源LQ对光电探测器DET的不均匀照亮的与距离相关的变化反算成要确定的距离Z。在此，小的探测器部分面dA(x，y)的照亮一方面取决于立体角，以所述立体角从光源LQ出发看到探测器部分面dA(x，y)；另一方面，照亮与光源LQ的辐射特性有关。对于具有朗伯辐射器的辐射特性的构造为LED的光源LQ的在图1中所示的情况，其中所述朗伯辐射器布置在方位x=0、y=0、z=0处，例如根据以下关系式得出照亮强度dI：
  （方程式1）
dI: = 照亮强度
x、y: = 探测器部分面沿着正交坐标方向x、y的坐标
Z: = 光源距探测器的距离。
在此，真正的光电探测器DET生成光电流，所述光电流与dI在具体照亮的探测器面积上的积分成比。从上述关系式中得出，在相同的探测器面积的情况下，所产生的光电流对于在探测器中间区域或探测器中心中的探测器面积、即在x、y坐标的小数值的情况下与对于在x、y坐标的大数值的情况下探测器边缘区域中的面积相比更大。因此，光强度在探测器DET的中心与在边缘区域中相比更高。
如果在探测器中间区域中和在探测器边缘区域中选择固定的探测器面积用于进行光电流测量，则这些探测器面积的光电流的比VI仅仍取决于光源LQ和探测器DET之间的距离Z。由于比例形成，诸如光源LQ的绝对亮度之类的影响因素脱离出（herausfallen）。
在图2中对于光源和探测器的示例性布置示出在探测器中间区域中和在探测器边缘区域中光电流的光电流比与光源和探测器之间的距离Z之间的关系。在此，沿着纵坐标绘制探测器中间区域中的光电流与探测器边缘区域中的光电流的比VI，沿着横坐标绘制探测器与光源沿着z方向之间的距离Z，以mm为单位说明。如从该图可以看出的，在光电流比VI的值较大时、即在探测器中间区域与探测器边缘区域之间的强度差异较大时，存在较小的距离Z；与此相对，在探测器中间区域与探测器边缘区域之间的强度差异小时、即在VI的值较小时，存在较大的距离Z。而距离Z越小，探测器中间区域与探测器边缘区域之间的强度差异就越大。因此，可以通过探测器中间区域与探测器边缘区域之间的强度差异来确定光源和探测器之间的感兴趣的距离Z。
在以定义的方式预先给定的探测器面积和光源的已知的辐射特性（如上面假设的朗伯辐射特性）的情况下，可以作为距离Z的函数导出用于光电流比VI的解析关系式，所述解析关系式可以按照（nach）Z通过解析或数值方法来求解。
因此，对于图1中所示的示例，在具有平均坐标xi、yi的探测面积Ai内，探测器DET处的所探测的强度Ii可以近似地如下来说明：
   （方程式2）
其中：
Ii: = 探测器处的所探测的强度
Ai: = 探测面积
xi，yi: = 探测面积的坐标
Z: = 光源距探测器的距离。
由于在探测器中心中和在探测器边缘处两个相同大小的探测面积，对于所探测的强度I1、I2的所测量的光电流比于是根据以下关系式得出所寻求的距离Z：
  （方程式3）
其中：
VI: = 所测量的光电流比
x1，y1，x2，y2: = 探测面积的坐标
Z: = 光源距探测器的距离。
替代于这种行动，还可以储存通过校准确定的表格，所述表格描述距离Z和光电流比VI之间的函数关系。这种校准在位置测量装置的实际测量运行之前进行。在测量运行期间，可以在所储存的表格中针对所测量的光电流比VI确定距离Z。在此情况下，于是例如可以根据最近邻方案读出与针对比VI的最近的项相对应的距离Z，或者也可以在最近的项之间进行内插。
通过两种操作方式，从而可以从光电流比VI的测量中确定所寻求的距离Z。这在根据本发明的光学位置测量装置中被充分利用来确定扫描距离。
在图3中以剖面图大大示意化地示出根据本发明的光学位置测量装置的实施例。相应的位置测量装置在这里被构造为长度测量装置，并且用于确定第一对象O1相对于第二对象O2的位置；第一对象和第二对象O1、O2沿着线性测量方向x相对彼此可移动地布置。对象O1、O2例如可以是沿着测量方向x相对彼此可移动的机器部件，所述机器部件由（未示出的）机器控制装置通过由位置测量装置产生的位置信号SP以定义的方式被定位。
位置测量装置的标准量具10与第一对象O1连接。标准量具10具有沿着测量方向x延伸的反射测量分度11，所述测量分度由具有不同反射率的分度区域11.1、11.2组成，所述分度区域沿着测量方向x交替地布置。关于测量分度11，不仅关于测量分度结构而且关于测量分度构造都存在各种各样的实施方式。因此，测量分度11例如可以被构造为增量分度或者被构造为伪随机码（Pseudo Random Code）形式的绝对测量分度。鉴于测量分度构造可能的是，将测量分度11不仅实施为振幅型衍射光栅要不然（oder aber）实施为相衍射光栅。在振幅型衍射光栅的情况下，分度区域11.1、11.2可以例如被构造为高反射性的和低反射性的（或非反射性的）。如果测量分度11被实施为相衍射光栅，则在不同的分度区域11.1、11.2中引起对所反射的射束的不同移相效应，即不同的分度区域于是具有不同的相位偏差Δ1、Δ2。对于所使用的测量分度11的其他细节，应该参照以下描述。
扫描单元20与第二对象O2连接，根据本发明的位置测量装置的其他部件分配给所述扫描单元。至少一个光源21以及探测器装置22属于此；在所示的示例中，光源21和探测器装置22在扫描单元20中布置共同的载体23上。如从图3可以看出的，光源21和探测器装置22在此在扫描单元20中共同地布置在平行于测量分度11的平面E中；确切来说对此应该理解为，根据该图，探测器装置22的探测平面以及光源21的发射平面布置在相同的平面E中。光源21和探测器装置因此具有距测量分度11相同的距离，其中平面E和测量分度之间的距离在这里应该被定义为扫描距离ZA。
在该实施例中，在扫描单元20中设置LED（发光二极管）作为光源21，所述LED发射具有大约850nm的波长的辐射。在光源21上游未布置准直光学器件，即测量分度11被光源21发散地照明。
探测器装置22包括多个光电探测器元件，诸如光电二极管，所述光电探测器元件至少周期性地沿着测量方向x布置。通过探测器元件从在标准量具10和扫描单元20相对移动时对探测平面中的从测量分度11的映射中得出的图案的扫描中产生经调制的光电流Ii，所述光电流然后尤其是用于产生关于第一对象O1相对于第二对象O2的位置的位置信号SP。
此外，给扫描单元20分配信号处理单元24，所述信号处理单元承担一系列仍要详细阐述的功能，其中有从探测器元件的光电流Ii中产生位置信号SP以及确定感兴趣的扫描距离ZA。在所示的示例中，信号处理单元24布置在扫描单元20中；然而，这不是本发明根本的，即信号处理单元24例如也可以集成在布置在位置测量装置下游的机器控制装置中。
根据本发明的光学位置测量装置被构造为反射光系统。在此情况下，由光源21发散地发射的射束射到反射测量分度11上并且从那里在探测器装置22的方向上被反射回，如这在图3中表明的。与图1中所示的光源LQ和探测器DET的布置不同，从而不直接对探测器装置22照明，相反地光通过测量分度11的结构被反射回到探测器装置22上。在这种扫描的情况下，从测量分度11的发散照明和与此相关联的投影作用中得出测量分度11的结构在探测器装置22上的放大映射。因为在根据本发明的位置测量装置中，光源21和探测器22中在扫描单元20中共同地布置在平行于测量分度11的平面E中，并且从而具有距测量分度11相同的扫描距离ZA，所以刻度结构的映射与扫描距离ZA无关地导致具有放大因数2的探测平面。在这一点此外应该指出的是，由于光通过测量分度11反射回到探测器装置22上，从探测器中间区域与至少一个探测器边缘区域之间的所确定的光电流比中与图1和2不同地首先确定双倍扫描距离ZA。
为了在根据本发明的光学位置测量装置中实施根据图1和2阐述的用于从探测器中心与至少一个探测器边缘区域之间的光电流比VI中确定扫描距离ZA的基本原理，如果在所使用的测量分度11和/或所使用的探测器装置22的侧满足特定的前提条件或采取特定的措施，则是有利的。这在下面根据图4a-7b更详细地予以阐述。
为此，首先应该探讨在根据本发明的光学位置测量装置中的所使用的测量分度。图4a-4c示出用于构造为长度测量设备的位置测量装置的测量分度111、211、311的可能实施方式的剖视图；在图5a-5c中示出测量分度411、511、611的剖视图，所述测量分度可以被使用在根据本发明的旋转式位置测量装置中，也即例如在旋转编码器中。
不同的测量分度在此分别被实施为振幅型衍射光栅，其中较高反射性分度区域通常示出为昏暗的，而较低反射性分度区域示出为明亮的。如上面已经提及的，原则上也将会可能的是，将测量分度实施为相衍射光栅。在这种情况下，明亮的和昏暗的分度区域于是将会代表具有不同相移作用的分度区域。
图4a和5a示出测量分度111或411，所述测量分度分别被构造为增量分度并且包括具有不同反射率的矩形或圆环扇形分度区域111.1、111.2或411.1、411.2沿着测量方向x的一维交替布置。在图4a中示出的用于长度测量设备的测量分度111的情况下，测量方向x沿着测量分度111和扫描单元可以相对彼此移位所沿着的那个方向线性地延伸。在图5a中所示的旋转编码器的测量分度411的情况下，测量方向x如可以看出的那样圆环形地围绕未示出的旋转轴线延伸，测量分度411和扫描单元可以围绕所述旋转轴线相对彼此转动。
图4b和5b示出适用于长度测量设备和旋转编码器的其他测量分度211或511。在这里分别设置具有不同反射率的分度区域211.1、211.2或511.1、511.2沿着测量方向x和垂直于测量方向x的二维布置。这些测量分度211、511的分度区域211.1、211.2或511.1、511.2在此大约构造为菱形的。实际上，分度区域211.1、211.2的相应轮廓不是精确地被构造为线性的，而是是余弦形弯曲的，由此实现在所产生的位置信号中的不期望的谐波减少。关于这种测量分度211、511和所述测量分度的扫描，补充地应该参照出版物EP 3 511 680 A1。
最后，在图4c和5c中示出用于长度测量设备和旋转编码器的测量分度311或611，所述测量分度被构造为伪随机码并且分别包括具有不同反射率的矩形或圆环扇形分度区域311.1、311.2或611.1、611.2沿着测量方向x的一维非周期性布置。
原则上，包含在所扫描的测量分度中的、用于确定位置需要的结构干扰根据上面阐述的原理对扫描距离ZA的确定。对此的原因在于，在测量分度和扫描单元的相对运动的情况下，要形成的光电流比VI同样被影响，即光电流比VI不仅仅与扫描距离ZA有关。然而，通过合适地构造测量分度，可以明显减少对扫描距离确定的干扰影响。因此规定，在构造为振幅型衍射光栅的测量分度的情况下，在可以无间隙地组成各自测量分度的测量分度单位单元中，高反射性分度区域的合计的面积FTB1与总单位单元面积FGES的面积比VF是恒定的。在图4a-4c和图5a-5c中分别以虚线方式绘出该条件适用的各自测量分度111、211、311、411、511、611的代表性测量分度单位单元112、212、312、412、512、612。
与此类似地，在构造为相衍射光栅的测量分度的情况下，例如具有相位偏差∆1的分度区域的合计的面积FTB1与总单位单元面积FGES的面积比将会被选择为恒定的，等等。
优选地，因此面积比VF根据0<VF=FTB1/FGES<1来选择，其中VF：=面积比，FTB1：=一类分度区域的合计的面积，以及FGES：=总单位单元面积。在一种优选的实施方式中，规定VF≈0.5。
从光源来看，每个测量分度单位单元112、212、312、412、512、612仅撑开小的立体角。在（在这些情况下对于构造为LED的光源良好地满足的）近似下，即光源的辐射特性在该立体角上是恒定的，所反射的总光量由于任意结构化的测量分度单位单元112、212、312、412、512、612于是对应于相同测量分度单位单元112、212、312、412、512、612在无结构化的情况下将会以平均恒定反射率反射的光量。假定通过探测器装置检测测量分度单位单元112、212、312、412、512、612的全部光，则测量分度单位单元112、212、312、412、512、612内的结构化的首先干扰性影响被平均（herausmitteln），并且各自测量分度111、211、311、411、511、611如具有降低的但恒定的反射率的镜那样起作用。因此，尽管在测量分度111、211、311、411、511、611中包含的结构，仍可以使用上面阐述的基本原理来从探测器中间区域与至少一个探测器边缘区域之间的光电流比VI中确定扫描距离ZA。
下面阐述在根据本发明的光学位置测量装置中在探测器装置22侧哪些措施是有利的，以便实施用于确定扫描距离ZA的上述原理。在图6a、6b中分别示出用于位置测量装置的探测器装置122、222的可能实施方式的剖视图，所述位置测量装置被构造为长度测量设备；在图7a、7b中示出探测器装置322、422的剖视图，所述探测器装置可以被使用在根据本发明的旋转式位置测量装置、诸如旋转编码器中。
图6a和7a示出探测器装置122、322的剖视图，所述探测器装置既适用于扫描根据图4a、5a的增量分度，也适用于扫描根据图4c、5c的具有伪随机码的测量分度。根据图6a的探测器装置122在此可以被使用在具有线性测量方向x的长度测量设备中，以便例如扫描图4a或4c的测量分度。图7a的探测器装置322可以被使用在旋转编码器中，其中测量方向x圆环形地围绕（未示出的）旋转轴线伸展；即探测器装置322可以例如被使用来扫描图5a的测量分度。
根据图6a的适用于长度测量设备的探测器布置122包括多个相同构造的矩形探测器元件122.i的一维布置，所述探测器元件沿着线性测量方向x周期性地彼此相邻地布置。如从该图可以看出的，探测器元件122.i的纵轴分别垂直于测量方向x取向。
根据图7a的适用于旋转编码器的探测器装置322具有多个圆环扇形探测器元件322.i的一维布置，所述探测器元件沿着圆环形伸展的测量方向x周期性地彼此相邻地布置。在这里，探测器元件322.i的纵轴也如从该图中可以看出的那样分别垂直于测量方向x取向。
图6b、7b中所示的探测器装置222、422可以被使用来扫描根据图4b、5b的测量分度211、511。
在图6b的适用于长度测量设备的探测器装置222的情况下，所述探测器装置由多个探测器元件222.i的二维布置组成，所述探测器元件222.i沿着线性测量方向x以及垂直于测量方向x彼此相邻地布置。通过探测器装置222可以扫描图4b的测量分度。
根据图7b的探测器装置422适用于在旋转编码器中使用。该探测器装置由多个探测器元件422.i的二维布置组成，所述探测器元件422.i沿着圆环形测量方向x以及垂直于该测量方向x彼此相邻地布置。借助于该探测器装置422，例如可以扫描图5b的测量分度511。
在图6a、6b、7a、7b中，针对各自探测器装置122、222、32、422分别示出使用探测器元件122.i中的哪些探测器元件来确定为了如上阐述确定扫描距离ZA需要的在探测器中间区域MB中以及在当前两个探测器边缘区域RB中的总光电流Iges,MB、Iges,RB。在这些图中分别通过不同的阴影线使为此使用的探测器元件122.i相对于其余探测器元件122.i可鉴别。下面示例性地详细描述图6a中所示的适用于长度测量设备的探测器装置122。
在这一点上应该指出的是，如在这里那样在两个探测器边缘区域RB中确定总光电流Iges,RB不是强制性需要的，原则上也将会可能的是，为此仅使用一个探测器边缘区域。
在图6a的所示示例中，在探测器装置22中由信号处理单元在探测器中间区域MB中使用八个相邻的探测器元件122.i用于确定扫描距离ZA，所述探测器元件相对于探测器装置122的对称轴S镜像对称地布置。为了形成探测器中间区域MB中的总光电流Iges,MB，所述八个探测器元件122.i的光电流Ii,MB被合计。在探测器元件122的左边缘和右边缘处，在两个相应的边缘区域RB中由信号处理单元分别使用四个探测器元件122.i，所述探测器元件的光电流Ii,RB被合计成探测器边缘区域RB中的总光电流Iges,RB。如从该图可以看出的，在左和右边缘区域RB中分别选择四个最外部的探测器元件122.i。于是由信号处理单元从探测器中间区域MB中的如此获得的总光电流Iges,MB和在探测器边缘区域RB中的总光电流Iges,RB中形成光电流比并且从中确定感兴趣的扫描距离ZA。
如上面已经提及的，这可以例如通过以下方式进行，即将根据图2中的图示的在光电流比VI和扫描距离ZA之间的关系存放在信号处理单元中的表格中。
在探测器装置122的探测器中间区域MB中以及探测器边缘区域RB中为了确定总光电流Iges,MB、Iges,RB使用的探测器元件122.i的数量在此优选地根据分度结构到探测平面中的映射或投影来选择。因此在探测器中间区域MB中和探测器边缘区域RB中的探测器元件122.i的数量分别被选择为使得对此检测投影到探测平面中的测量分度单位单元的整数倍（n=1，2，3，...）。因为由于对于每个测量分度单位单元设置的单场扫描（Einfeld-Abtastung）设置四个探测器元件122.i用于产生四个相位偏移90°的增量信号形式的位置信号SP，因此在两个探测器边缘区域RB中分别使用个探测器元件122.i来形成总光电流Iges,RB；在探测器中间区域MB中使用个探测器元件122.i来形成总光电流Iges,MB，如从图6a中可以看出的。总的来说，因此使用来自探测器中间区域MB以及来自两个探测器边缘区域RB的相同多个探测器元件122.i用于形成光电流比并且因此用于确定扫描距离ZA。换句话说：在探测器中间区域MB中和在两个探测器边缘区域RB中，在该实施例中分别使用来自相同多个所扫描的测量分度单位单元的光电流来确定VI。在这一点应该指出的是，在本发明的范围内，在探测器中间区域和探测器边缘区域中的所使用的测量分度单位单元的相同数量并不是强制性必要的。
如从先前描述中可以看出，因此由信号处理单元使用所选择的探测器元件122.i的光电流Ii,MB、Ii,RB的副本来确定光电流比VI，所述探测器元件也被设置用于产生与位移相关的位置信号SP。例如，可以以类似途径借助于所谓的电流镜要不然通过电流电压转换器之后的第二电压抽头产生相应的副本。可替代地也可能的是，首先对光电流Ii,MB、Ii,RB进行数字化，并且多次使用相应的值。
在该示例中，以已知方式产生多个增量信号形式的位置信号SP。因此，借助于四个探测器元件122.i扫描投影到探测器装置122上的每个测量分度单位单元，由此在标准量具和扫描单元的相对运动的情况下得出四个分别相位偏移90°的增量信号。产生同相增量信号的探测器元件122.i的光电流被合计并且由信号处理单元以已知方式被进一步处理，以便随后在输出侧提供两个相位偏移90°的增量信号作为位置信号SP用于进一步处理。
如果通过信号处理单元多次进行光电流比VI的确定，则例如在测量运行中可以实现在确定扫描距离ZA时精度再次升高。然后在多个所确定的光电流比VI上进行求平均值，并且从平均光电流比ØVI中确定扫描距离ZA。以这种方式，可以避免例如可能由于测量分度的局部污染引起的在扫描距离确定时的不准确性。例如，可以随时间进行这种平均，其方式是周期性地计算光电流比VI并且联合特定数量的所确定的光电流比VI。也可能的是，在特定的位置范围上进行平均，其方式是例如在位置测量装置的预先给定的位置范围内联合所确定的光电流比VI并且进行平均，以及从而输出针对相应的位置范围的平均值。
也在图7a中的探测器装置322的情况下完全类似地采取行动用于形成光电流比VI，所述探测器装置适用于在旋转编码器中扫描图5a中所示的测量分度411。
即使在用于扫描图4b和5b的测量分度的图6b和7b的探测器装置222、422的情况下也与此类似地在探测器中间区域MB中和在两个探测器边缘区域RB中选择探测器元件122.i。如例如根据图4b阐述的，在这里测量分度单位单元212大致是正方形的。为了扫描投影到探测平面中的这种菱形测量分度单位单元，在图6b的探测器装置222中需要3×4个探测器元件222.i的组，其中四个探测器元件222.i沿着测量方向x彼此相邻地布置，并且三个探测器元件222.i垂直于测量方向x彼此相邻地布置。因此，对于每个组需要12个探测器元件222.i来扫描测量分度单位单元。在探测器中间区域MB中，在这里使用探测器装置222的探测器元件222.i的六个这样的组用于形成光电流比VI，在两个边缘区域RB中分别使用探测器元件222.i的三个这样的组。
在图7b中的探测器装置422的情况下与此类似地采取行动，所述探测器装置422可以被使用在旋转编码器中用于扫描根据图5b的测量分度。
最后，下面根据图8再次以连贯的方式阐明用于确定扫描距离ZA的根据本发明的行动。在此情况下，该图基本上示出根据本发明的光学位置测量装置的信号处理单元24连同其决定性功能块的大大示意化的图示。
根据功能块S100，通过根据本发明的位置测量装置的探测器装置，从由测量分度投影到探测平面中的光图案中产生光电流Ii，并且将所述光电流Ii转交给信号处理单元24。
一方面，由信号处理单元24使用光电流Ii以便从中产生关于标准量具和扫描单元的运动的位置信号SP（功能块S110）。例如，所产生的位置信号SP可以是两个正弦形增量信号，所述增量信号彼此具有90°的相位偏移。但是，对此可替代地，位置信号SP也可以以绝对位置数据的形式被产生。相应的位置信号SP经由合适的接口30被转交给（未示出的）后续电子设备用于进一步处理。
由探测器装置提供的光电流Ii的一部分被复制并且被使用来确定来自探测器中间区域和探测器边缘区域的总光电流Iges,MB、Iges,RB，其方式是为此对所选择的探测器元件的光电流进行合计（功能块S120）。
随后从总光电流Iges,MB、Iges,RB中根据形成光电流比VI（功能块S130）。
然后如上阐述的那样从光电流比VI中确定扫描距离ZA（功能块S140）。为此，可以要么使用描述VI和ZA之间的关系的解析关系式；可替代地，从存放在信号处理单元24中的表格中确定扫描距离ZA，所述表格对于多个光电流比VI说明所属的扫描距离ZA。
如此确定的扫描距离ZA然后同样可以经由接口30被输出给后续电子设备用于进一步处理。
除了所阐述的实施例之外，在本发明范围内当然还存在其他配置可能性。
因此可能的是，可替代地或补充地通过显示单元对所确定的扫描距离ZA进行可视化，以便由此例如在装配位置测量装置时为正确的添造（Anbau）提供帮助。
此外可以规定，通过合适的方法评价所确定的扫描距离ZA，并且将这种评价的结果例如以评价参量的形式输出给后续电子设备和/或通过显示单元可视化。

Claims (15)

1.一种用于确定第一对象（O1）的位置的光学位置测量装置，所述第一对象可沿着测量方向（x）相对于第二对象（O2）移动，所述光学位置测量装置具有
-与所述第一对象（O1）连接的标准量具（10），所述标准量具具有沿着所述测量方向（x）延伸的反射测量分度（11；111；211；311；411；511；611），所述反射测量分度具有带有不同反射率的分度区域（11.1、11.2；111.1、111.2；211.1、211.2；311.1、311.2；411.1、411.2；511.1、511.2；611.1、611.2），以及
-扫描单元（20），所述扫描单元与所述第二对象（O2）连接并且相对于所述标准量具（10）以扫描距离（ZA）布置，所述扫描单元具有
-至少一个光源（21），和
-探测器装置（22；122；222；322；422），所述探测器装置包括沿着所述测量方向（x）周期性布置的多个光电探测器元件（122.i；222.i；322.i；422.i），以及
-分配给所述扫描单元（20）的信号处理单元（24），所述信号处理单元被构造和设立用于
-从通过所述探测器元件（122.i；222.i；322.i；422.i）产生的光电流（Ii）中产生关于所述第一对象（O1）相对于所述第二对象（O2）的位置的位置信号（SP），以及
-确定探测器中间区域（MB）中和至少一个探测器边缘区域（RB）中的总光电流（Iges,MB、Iges,RB），并且从所述探测器中间区域（MB）中和所述探测器边缘区域（RB）中的所述总光电流（Iges,MB、Iges,RB）的所形成的光电流比（VI）中确定所述扫描距离（ZA）。
2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中所述信号处理单元（24）被构造和设立用于为了形成所述光电流比（VI）使用为了产生所述位置信号（SP）使用的光电流（Ii）的副本。
3.根据权利要求1或2所述的光学位置测量装置，其中所述信号处理单元（24）被构造和设立用于在测量运行中确定多个光电流比（VI），并且对此进行求平均值并且从平均光电流比（ØVI）中确定所述扫描距离（ZA）。
4.根据权利要求1至3中至少一项所述的光学位置测量装置，其中所述信号处理单元（24）被构造和设立用于
-要么从解析关系式中确定所述扫描距离（ZA），要么
-从存放在所述信号处理单元（24）中的表格中确定所述扫描距离（ZA），所述表格描述在所确定的光电流比（VI）和所述扫描距离（ZA）之间的关系。
5.根据权利要求1至4中至少一项所述的光学位置测量装置，其中所述测量分度（11；111；211；311；411；511；611）由测量分度单位单元（112；212；312；412；512；612）组成，其中一类分度区域的合计的面积（FTB1）与总单位单元面积（FGES）的面积比（VF）是恒定的，并且对于所述面积比（VF），以下关系式适用
，
其中
VF:=面积比
FTB1:=一类分度区域的合计的面积
FGES:=总单位单元面积。
6.根据权利要求5所述的光学位置测量装置，其中所述测量分度（11；111；411）被构造为增量分度，所述增量分度包括具有不同反射率的矩形或圆环扇形分度区域（11.1、11.2；111.1、111.2；411.1、411.2）沿着所述测量方向（x）的一维交替布置。
7.根据权利要求5所述的光学位置测量装置，其中所述测量分度（211；511）包括具有不同反射率的分度区域（211.1、211.2；511.1、511.2）沿着所述测量方向（x）和垂直于所述测量方向（x）的二维布置。
8.根据权利要求5所述的光学位置测量装置，其中所述测量分度（311；611）被构造为伪随机码，并且包括具有不同反射率的矩形或圆环扇形分度区域（311.1、311.2；611.1、611.2）沿着所述测量方向（x）的一维非周期性布置。
9.根据权利要求1至8中至少一项所述的光学位置测量装置，其中所述探测器装置（22；122；222；322；422）
-要么包括沿着所述测量方向（x）彼此相邻地布置的矩形或圆环扇形探测器元件（122.i；322.i）的一维布置，其中所述探测器元件（122.i；322.i）的纵轴垂直于所述测量方向（x）取向，
要么
-包括沿着所述测量方向（x）以及垂直于所述测量方向（x）彼此相邻地布置的探测器元件（222.i；422.i）的二维布置。
10.根据权利要求1至9中至少一项所述的光学位置测量装置，其中所述光源（21）和所述探测器装置（22；122；222；322；422）布置在平行于所述测量分度（11；111；211；311；411；511；611）的平面中。
11.一种用于运行光学位置测量装置的方法，通过所述光学位置测量装置确定第一对象（O1）相对于可沿着测量方向（x）移动的第二对象（O2）的位置，其中
-提供与所述第一对象（O1）连接的标准量具（10），所述标准量具具有沿着所述测量方向（x）延伸的反射测量分度（11；111；211；311；411；511；611），所述反射测量分度具有带有不同反射率的分度区域，以及
-提供扫描单元（20），所述扫描单元与所述第二对象（O2）连接并且相对于所述标准量具（10）以扫描距离（ZA）布置，其中所述扫描单元（20）包括
-至少一个光源（21），和
-探测器装置（22；122；222；322；422），所述探测器装置具有沿着所述测量方向（x）周期性布置的多个光电探测器元件（122.i；222.i；322.i；422.i），
-分配给所述扫描单元（20）的信号处理单元（24），其中通过所述信号处理单元（24）
-从通过所述探测器元件（122.i；222.i；322.i；422.i）产生的光电流（Ii）中产生关于所述第一对象（O1）相对于所述第二对象（O2）的位置的位置信号（SP），以及
-确定探测器中间区域（MB）中和至少一个探测器边缘区域（RB）中的总光电流（Iges,MB、Iges,RB），并且从所述探测器中间区域（MB）中和所述探测器边缘区域（RB）中的所述总光电流（Iges,MB、Iges,RB）的所形成的光电流比（VI）中确定所述扫描距离（ZA）。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述信号处理单元（24）使用为了产生所述位置信号（SP）使用的光电流（Ii）的副本来构成所述光电流比（VI）。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其中所述信号处理单元（24）在测量运行中确定多个光电流比（VI），对此进行求平均值并且从平均光电流比（ØVI）中确定所述扫描距离（ZA）。
14.根据权利要求11至13中至少一项所述的方法，其中所述信号处理单元（24）
-要么从解析关系式中确定所述扫描距离（ZA），
要么
-从存放在所述信号处理单元（24）中的表格中确定所述扫描距离（ZA），所述表格描述所确定的光电流比（VI）和所述扫描距离（ZA）之间的关系。
15.根据权利要求11至14中至少一项所述的方法，其中所述信号处理单元（24）为了构成所述光电流比（VI）在所述探测器中间区域（MB）中使用是在相对于探测器中心对称的两个探测器边缘区域（RB）中两倍的探测器元件（122.i；222.i；322.i；422.i）。
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