[发明专利]光电位置测量装置和光电位置测量方法

说明书

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的光电位置测量装置和根据权利要求13的前序部分的光电位置测量方法。

确定至少两个相对运动的子系统的位置方法和装置是早已知的。常规做法是在被测部件上投影代码，其中投影通常是使用光电设备例如LED和/或激光器来完成。位置确定功能且尤其是其精度取决于代码以及投影机构的设计和布置。

在许多应用场合例如大地测量和工业测量中需要确定作为位置的方向、角度和长度以及以及需要确定距离。位置测量技术的发展经过机械读取过程而最终达到根据当今现有技术的全自动化位置测量。

已知的扫描方法为电磁方法、电子方法和光电方法。以下实施方式涉及光电扫描装置。

常见的、例如DE8302799U1所述的、用于确定距离或绕轴角度的光电位置测量传感器具有代码载体和带有用于接收部分光辐射的许多光敏接收区的测量机构，其中该代码载体和测量机构能相对转动。光检测器例如是光电检测器。代码载体一般以条或圆片以及基本上为圆环的形式形成并且在一侧载有可光测的位置代码，代码中的一部分通过照明机构被投影到测量单元。一般，此时可移动地构成代码载体。但是，也可以实现以下实施方式，其中代码载体固定不动但检测器移动。

CH522876公开了在代码载体和测量机构之间设有光阑。但是事实表明，这种布置特别难以制造，这是因为测量单元和光阑很小，而且还必须精确地相互调准，以便测量单元测量期望的辐射部分。在此情况下存在对光阑孔径大小或光阑缝隙大小、检测器表面宽度和检测器至光阑距离的矛盾要求。通过光阑来遮挡倾斜入射的光，因此由检测器检测的空间角受到限制。此时，检测器宽度或像素宽度和缝隙宽度以及光阑距离有相互关系。在检测器宽度大时，必须保持狭窄的缝隙或者选择大的光阑距离，以实现空间角度的相应限制。但是，缝隙宽度的减小也减少主要可供使用的光量，而光阑距离的增大增大了整体结构的尺寸。

鉴于此，本发明基于以下任务，提供一种改善的、尤其是尺寸减小的或更好利用光量的光电位置测量装置和光电位置测量方法。

本发明的另一个任务是提供一种位置测量装置，它可以简单地制造并且具有简化构造。

此外，该位置测量装置的耐用性应得以提高并且其耗能得以减少。

根据本发明，这些任务通过权利要求1或者13的主题或者从属权利要求来完成或者改进了这些解决方案。

该光电位置测量装置包括载有可光学测量的位置代码的代码载体、用于向代码载体发出光辐射的辐射源、具有至少一个第一传感器单元的测量单元，该第一传感器单元具有至少一个用于接收辐射的至少一部分的光敏接收区，由此能产生取决于位置代码的扫描信号并因而能测量代码载体相对于测量单元的位置，光电位置测量装置还包括设置在代码载体和测量单元之间的折射光学元件，其中该代码载体可相对测量单元以一个自由度、尤其是旋转或者平移地运动。

根据本发明，光学元件为了限制空间角度而具有包括一个聚焦区段和至少一个邻接区段的光学元件。这样，相对于聚焦区段的光轴平行或小于临界角度入射的光辐射经过聚焦区段被引导至第一传感器单元的位于光轴上的接收区并且经过邻接区段被引导至第一传感器单元的在光轴之外的接收区或者在第一传感器单元旁边的一个位置。临界角度因此限定偏转角度区的起点，该偏转角度区的功能性进而也可通过第二临界角度来限制。

这种布置形式的优点在于，不需要经光阑来实现对被测光的限制并且相对光轴平行地或在容许角度区内入射的光被聚焦，从而可以在第一传感器单元的接收区上实现比光阑更高的强度。从期望方向之外的其它方向入射的光将被聚焦或偏转向第一传感器单元的在光轴之外的接收区或者在第一传感器单元旁边的位置，从而该部分光辐射没有失真地影响到测量结果，并且或许可被用于其它目的例如强度调整或亮度控制。原则上，可以利用该光学元件实现以下作用，它与光阑相似，但与之相比有优点。此外，也可以规定第二临界角度，当超出第二临界角度时，又经过邻接区段引导光到在光轴上的中央测量区段。

此外，采用这样的折射光学元件允许结构高度比相似的光阑方案的更小，从而可尽量保持小的传感器和代码载体之间的距离，这不仅就微型化而言是有利的，而且在装置耐用性方面带来优点。

通过聚焦作用或者光束引导作用和由此产生的较高强度，也能以较低功率操作光源工作，这意味着更低的光源耗能和更长的光源使用寿命。

在此情况下不需要实际上精确地将一个接收区设置在其中一个区段的焦点上。相反，利用了聚焦机构的收敛作用。一个接收区也可以平行于光轴地设置在焦点之前或之后，即散焦布置。