專利名稱：位置測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的位置測(cè)量裝置。
這種用來(lái)測(cè)定兩個(gè)沿一個(gè)測(cè)量方向相互運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置測(cè)量裝置(角度測(cè)量裝置)包括一個(gè)設(shè)置在例如卷尺形式的一種環(huán)形整體量具(即在一個(gè)環(huán)形載體)上的循環(huán)測(cè)量分度；一個(gè)用電磁輻射(尤指用光線)來(lái)進(jìn)行該測(cè)量分度的光學(xué)掃描的掃描單元，該電磁輻射在該掃描單元的一個(gè)照明器(光源)中產(chǎn)生，其中，整體量具和掃描單元可沿測(cè)量方向相互運(yùn)動(dòng)；一個(gè)具有循環(huán)分度(掃描分度)的該掃描單元的掃描盤，該掃描盤設(shè)置在用來(lái)掃描該測(cè)量分度的電磁輻射的光路中，所以，這種電磁輻射既與掃描分度又與測(cè)量分度相互作用；和一個(gè)該掃描單元的一個(gè)探測(cè)器，它的探測(cè)面用來(lái)探測(cè)通過掃描分度和測(cè)量分度修正的電磁輻射和探測(cè)通過這種修正的電磁輻射構(gòu)成的具有循環(huán)段PD的強(qiáng)度圖形。
循環(huán)段PD是這樣選擇的，即它在卷尺沿一條直線呈直線布置時(shí)與條形圖形(游標(biāo)圖形)的循環(huán)段一致，該條形圖形一方面通過整體量具掃描用的輻射與掃描分度的相互作用和另一方面與測(cè)量分度的相互作用來(lái)產(chǎn)生。這個(gè)條形圖形相當(dāng)于由兩個(gè)循環(huán)過程的組合即一方面電磁輻射與掃描分度的相互作用和另一方面電磁輻射與測(cè)量分度的相互作用所引起的差拍。
上述位置測(cè)量裝置的測(cè)量原理例如可以EP 1 081 457 A2、EP 1 028309 A1和EP 0 754 933 B1中得知。
例如EP 1 028 309 A1提出了一種光學(xué)的位置測(cè)量裝置來(lái)確定兩個(gè)沿一個(gè)測(cè)量方向相互運(yùn)動(dòng)的物體的相對(duì)位置。該裝置包括至少一個(gè)與這兩個(gè)物體之一連接的周期性的測(cè)量分度以及一個(gè)與另一物體連接的并以此相對(duì)于該測(cè)量分度可沿測(cè)量方向運(yùn)動(dòng)的掃描單元。該掃描單元具有一個(gè)光源、至少一個(gè)掃描分度以及一個(gè)在探測(cè)平面內(nèi)的探測(cè)裝置，這個(gè)探測(cè)裝置由多個(gè)輻射敏感的探測(cè)元件組成，這些探測(cè)元件依次布置在測(cè)量方向內(nèi)。
在上述位置測(cè)量裝置中，如果把一個(gè)作為測(cè)量分度載體用的卷尺進(jìn)行環(huán)形布置，特別是把該卷尺裝在一個(gè)圓筒形狀的圓柱體上時(shí)，則該測(cè)量裝置特別適用于角度測(cè)量。如果與該卷尺的直線布置(該卷尺象一個(gè)比例尺沿一條直線延伸)比較，則在該卷尺環(huán)形布置尤其沿一個(gè)圓弧布置時(shí)將產(chǎn)生諸多效應(yīng)，這些效應(yīng)損害該掃描單元的探測(cè)器上接收的輻射強(qiáng)度。一種效應(yīng)在于在卷尺環(huán)形布置的情況下，由于因此引起的卷尺的彎曲而使卷尺的內(nèi)表面有所縮短，而卷尺的外表面則有所伸長(zhǎng)。這種縮短或伸長(zhǎng)取決于卷尺的厚度，且其厚度越大，當(dāng)然這種縮短或伸長(zhǎng)也越大。在環(huán)形布置的卷尺的外表面設(shè)置一個(gè)測(cè)量分度的情況下，這種效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致該測(cè)量分度的周期性的增加，因?yàn)榫沓叩耐獗砻?與其直線布置比較)被拉長(zhǎng)。
反之，在用一個(gè)掃描單元掃描環(huán)形布置的卷尺時(shí)，該掃描單元按一個(gè)規(guī)定的距離布置在該卷尺配有測(cè)量分度的外表面前面，則產(chǎn)生投影效應(yīng)，這種效應(yīng)引起-從掃描盤的表面看去-測(cè)量分度盤的單個(gè)標(biāo)記(尤指刻度線)之間的距離在掃描盤的外邊緣似乎變得越來(lái)越小。這是由于卷尺配有測(cè)量分度的彎曲的外環(huán)形表面投影到掃描盤配有掃描分度的二維的平表面所致。
上述兩種效應(yīng)是反向的，但投影效應(yīng)只取決于卷尺的曲度，而卷尺外表面的伸長(zhǎng)效應(yīng)則既與其曲度又與其厚度有關(guān)。厚度例如為300微米的比較厚的卷尺表明，這兩種反向的效應(yīng)在不同曲度的較大的范圍內(nèi)可補(bǔ)償?shù)竭@樣的程度，即在探測(cè)器的輻射敏感的表面上產(chǎn)生的強(qiáng)度圖形對(duì)下次分析具有足夠的對(duì)比度，但在厚度顯著小于300微米尤指小于100微米的很薄的卷尺時(shí)，卷尺外表面的伸長(zhǎng)效應(yīng)很小，所以它不再可能足夠補(bǔ)償曲度大時(shí)的投影效應(yīng)。由探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)幅度由于強(qiáng)度圖形的差的對(duì)比度而可能變得很小，以至不能進(jìn)行位置確定的可靠分析。
下面在用“卷尺”概念時(shí)，只要不排除有限厚度的卷尺，則總是包括卷尺厚度接近于零的極端情況這種極端情況相當(dāng)于測(cè)量分度直接設(shè)置在一般用來(lái)安裝卷尺的(圓筒形狀的)圓柱體上。在這種情況下，上述的伸長(zhǎng)效應(yīng)不起作用；即不產(chǎn)生投影效應(yīng)的補(bǔ)償。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種上述的位置測(cè)量裝置，該位置測(cè)量裝置在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的情況下可實(shí)現(xiàn)一個(gè)環(huán)形整體量具與一個(gè)具有平的二維表面的掃描盤以及與一個(gè)具有二維輻射敏感表面的相應(yīng)探測(cè)器的組合。
為此，一方面掃描分度PA的循環(huán)段和另一方面測(cè)量分度PM的循環(huán)段是這樣匹配的，即1/(1/PA-1/PM)＜PD。這意味著通過光線一方面與周期性的掃描分度和另一方面與周期性的測(cè)量分度的相互作用在一個(gè)卷尺形式的整體量具的直線布置的情況下產(chǎn)生條形圖形，該條形圖形的循環(huán)段(通過表達(dá)式1/(1/PA-1/PM)＜PD)給出)小于一個(gè)在其掃描時(shí)形成并給定探測(cè)器的輻射敏感表面的條形圖形的循環(huán)段PD，這樣，特別是在很薄的卷尺時(shí)，由于上述的投影效應(yīng)在環(huán)形布置時(shí)產(chǎn)生的卷尺的循環(huán)段的虛假的縮短(這種縮短局部地導(dǎo)致條形圖形的循環(huán)段的增加)便被補(bǔ)償。
根據(jù)本發(fā)明，一方面最好這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，即增大特別是一個(gè)卷尺形式的整體量具的循環(huán)段，使PM＞1/(1/PA-1/PD)，另一方面也可這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，即相應(yīng)減小掃描盤的循環(huán)段，使PA＜1/(1/PD+1/PM)。這種情況的前提是PM＞PA(包括下述的極端情況PA→PM)。相反的情況也是可能的，但實(shí)際意義很小。
下面有關(guān)本發(fā)明位置測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)的諸多實(shí)施方案－即使從定量上看－也分別適用于極端情況PA→PM。所以本發(fā)明也可用于這種極端情況，這時(shí)被探測(cè)的條形圖形的循環(huán)段PD接近無(wú)窮。
用本發(fā)明的解決方案可實(shí)現(xiàn)在一個(gè)卷尺的環(huán)形布置時(shí)特別是在沿一段圓弧布置時(shí)象在該卷尺的直線布置時(shí)一樣，同一個(gè)探測(cè)器(具有一個(gè)平的輻射敏感的表面)可作為相對(duì)于該卷尺運(yùn)動(dòng)掃描單元的組成部分使用。這樣就可廉價(jià)制造相當(dāng)多的探測(cè)器。
應(yīng)當(dāng)明確指出，這里也包括上述極端情況，在這種極端情況中，掃描分度的循環(huán)段接近于測(cè)量分度的循環(huán)段，所以產(chǎn)生的游標(biāo)條形圖形的循環(huán)段(在直線情況中)趨于無(wú)窮，詳見EP 0 745 933 B1。
所述的探測(cè)器最好是一種所謂的紋理探測(cè)器(例如EP 1 028 309 A1所述)，它的輻射敏感的表面由周期性前后排列的探測(cè)區(qū)特別是單個(gè)探測(cè)元件(光敏元件)形式的探測(cè)區(qū)組成，其中，這些探測(cè)區(qū)或探測(cè)元件出現(xiàn)的排列的循環(huán)段PD大于條形圖形的循環(huán)段1/(1/PA-1/PM)，后者在按本發(fā)明的測(cè)量分度和/或掃描盤的循環(huán)段變化時(shí)，由掃描用的電磁輻射既與掃描光柵又與測(cè)量分度(在卷尺平面布置的情況中)的相互作用來(lái)產(chǎn)生。換句話說，該探測(cè)器的探測(cè)區(qū)域或探測(cè)元件的循環(huán)段PD是這樣選擇的，即它在卷尺沿一條直線呈直線布置時(shí)具有的測(cè)量分度的確定的循環(huán)段以及在掃描盤時(shí)具有的掃描分度的確定的循環(huán)段完全與條形圖形的循環(huán)段一致，其中，這個(gè)條形圖形是通過掃描用的輻射與掃描分度和測(cè)量分度的相互作用來(lái)產(chǎn)生的。但根據(jù)本發(fā)明，在角度測(cè)量用的一個(gè)環(huán)形的沿一段圓弧布置的卷尺時(shí)，測(cè)量分度的循環(huán)段和/或掃描分度的循環(huán)段可這樣進(jìn)行改變，即在上述(為環(huán)形布置配置的)卷尺的直線布置時(shí)，探測(cè)元件的循環(huán)段可大于條形圖形的循環(huán)段，該條形圖形是在卷尺直線布置時(shí)和測(cè)量分度和/或掃描盤的循環(huán)段按本發(fā)明變化時(shí)來(lái)產(chǎn)生的，這樣，在卷尺彎曲布置時(shí)就可在很大程度上補(bǔ)償投影效應(yīng)。
亦即根據(jù)本發(fā)明，在具有一個(gè)環(huán)形布置的卷尺和一個(gè)具有平的、二維的輻射敏感的表面的相應(yīng)探測(cè)器的位置測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，掃描分度的循環(huán)段和/或測(cè)量分度的循環(huán)段－與具有一個(gè)直線布置的卷尺和一個(gè)相同的探測(cè)器的位置測(cè)量裝置比較－是這樣修正的，掃描信號(hào)的信號(hào)值明顯大于用一個(gè)直線的位置測(cè)量裝置的卷尺直接構(gòu)成一個(gè)角度測(cè)量系統(tǒng)不改變掃描分度或測(cè)量分度的循環(huán)段時(shí)的信號(hào)值。其中，作為比較用的直線的位置測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)這樣設(shè)計(jì)，即在卷尺沿一條直線呈直線布置時(shí)，在探測(cè)器的輻射敏感的表面上產(chǎn)生的條形圖形正好具有這樣的循環(huán)段，在其掃描時(shí)形成并給定在輻射敏感的表面上達(dá)到電磁輻射最大強(qiáng)度的相應(yīng)探測(cè)器。在周期性紋理的探測(cè)器的情況中，這意味著該探測(cè)器的輻射敏感的表面具有一個(gè)與條形圖形的循環(huán)段的整數(shù)倍一致的循環(huán)段。
對(duì)于用來(lái)測(cè)量角度的卷尺的典型厚度和半徑，為此所需的掃描分度或測(cè)量分度的循環(huán)段的修改至少為0.05％和最高為2％；特別是在0.1％和1％之間。
其中，探測(cè)器的循環(huán)段不必強(qiáng)求理解為單個(gè)探測(cè)區(qū)或探測(cè)元件的幾何布置的循環(huán)段。確切地說，還必須考慮單個(gè)探測(cè)區(qū)域或探測(cè)元件的電錯(cuò)接。所以在一個(gè)紋理探測(cè)器的情況下，一般在一個(gè)相當(dāng)于該探測(cè)器的輻射敏感的表面上接收的條形圖形的區(qū)段的長(zhǎng)度上布置四個(gè)探測(cè)元件，其中，每個(gè)探測(cè)元件對(duì)應(yīng)一個(gè)相位，特別是對(duì)應(yīng)相位0％、90％、180％、270％之一。在這種情況下，每四個(gè)探測(cè)器的多組前后進(jìn)行布置。從單個(gè)探測(cè)器組中分別把那些對(duì)應(yīng)相同相位的探測(cè)區(qū)或探測(cè)元件相互交錯(cuò)連接。這時(shí)，這個(gè)紋理探測(cè)器的循環(huán)段分別由一個(gè)包括多個(gè)探測(cè)區(qū)尤其四個(gè)探測(cè)區(qū)的探測(cè)器組的寬度來(lái)確定。
在用一個(gè)具有二維的、平的、輻射敏感的表面的探測(cè)器來(lái)掃描一個(gè)環(huán)形的整體量具上的測(cè)量分度時(shí)，離該整體量具配置有測(cè)量分度的表面一定(徑向)距離的探測(cè)器在切向內(nèi)(即平行于一個(gè)環(huán)形布置的卷尺的外圓周上的一條切線)延伸。在一個(gè)紋理的探測(cè)器時(shí)，單個(gè)探測(cè)區(qū)或探測(cè)元件相應(yīng)地沿一個(gè)平行于該環(huán)形的整體量具的一條切線前后布置。上述兩種干擾效應(yīng)即一方面卷尺設(shè)有測(cè)量分度的外表面的伸長(zhǎng)以及另一方面投影效應(yīng)即使在掃描分度和/或測(cè)量分度的循環(huán)段按本發(fā)明校正時(shí)也不可能完全補(bǔ)償。確切地說，伸長(zhǎng)效應(yīng)主要集中在探測(cè)器的輻射敏感的表面的(從切向方向看去的)中間區(qū)域，因?yàn)橥队霸谶@里沒有多大的作用。亦即在探測(cè)器的輻射敏感的表面的中間區(qū)域(由于伸長(zhǎng)效應(yīng))似乎環(huán)形布置的卷尺的循環(huán)段(即測(cè)量分度的單個(gè)標(biāo)記或劃線之間的距離)大于規(guī)定的距離，而在－切線方向看去－探測(cè)器的邊緣區(qū)則由于投影效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，而使測(cè)量分度的循環(huán)段顯得較小。一方面掃描分度的循環(huán)段和另一方面測(cè)量分度的循環(huán)段的本發(fā)明的匹配是這樣實(shí)現(xiàn)的，在輻射敏感的表面上產(chǎn)生的條形圖形與那個(gè)在其探測(cè)時(shí)構(gòu)成探測(cè)器的輻射敏感的表面(特別是在一個(gè)紋理探測(cè)器情況中有關(guān)探測(cè)區(qū)或探測(cè)元件的循環(huán)布置)的條形圖形的循環(huán)段PD的偏差應(yīng)盡可能減小。
必須注意，本發(fā)明也可用于測(cè)量分度設(shè)置在卷尺內(nèi)表面(內(nèi)環(huán)形面)上的情況。在這種情況中，除了投影效應(yīng)外，還在內(nèi)環(huán)形面上產(chǎn)生一個(gè)作用在相同方向內(nèi)的縮短效應(yīng)，這時(shí)為了補(bǔ)償，測(cè)量分度的循環(huán)段增加或掃描分度的循環(huán)段減少。
掃描分度和測(cè)量分度都可通過所謂的振幅光柵構(gòu)成，它們用電磁輻射(特別是光線)這樣相互作用，即－根據(jù)相應(yīng)光柵的周期－產(chǎn)生一個(gè)較明亮和較陰暗的光線區(qū)域的周期性的序列。如果位置測(cè)量裝置按所謂的反射法工作，則在相應(yīng)的光柵中分別設(shè)置相對(duì)于掃描用的電磁輻射(光線)的較大和較小反射性的標(biāo)記(劃線)。在用所謂透射光法時(shí)，呈循環(huán)前后布置的標(biāo)記(劃線)則在掃描用的電磁輻射(光線)的透光性方面有所區(qū)別。
此外，掃描分度也可設(shè)計(jì)成所謂的混合振幅相光柵(MAP-Gitter)，例如從EP 1 081 457 A2的圖2a和2b中可知。
另一種方案是，掃描分度也可通過相位光柵構(gòu)成。
在本發(fā)明的范圍內(nèi)，優(yōu)先選用光線形式的準(zhǔn)直的(平行的)電磁輻射來(lái)掃描整體量具。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)可清楚地從附圖所示的一個(gè)實(shí)施例的以下說明中得知。
附圖所示

圖1a具有周期性測(cè)量分度的環(huán)形布置的卷尺以及具有一個(gè)周期性掃描分度和一個(gè)探測(cè)器的對(duì)應(yīng)掃描盤的一段示意圖；圖1b圖1a的一個(gè)掃描單元的一個(gè)紋理探測(cè)器的輻射敏感表面；圖2在圖1a和1b位置測(cè)量裝置中，由于卷尺的環(huán)形布置，伸長(zhǎng)效應(yīng)和投影效應(yīng)對(duì)探測(cè)器的輻射敏感表面產(chǎn)生的一個(gè)條形圖形的循環(huán)段的圖示影響；圖3a和3b伸長(zhǎng)效應(yīng)以及投影效應(yīng)對(duì)圖1a和1b的位置測(cè)量裝置的一個(gè)歸一化的信號(hào)幅值的影響與卷尺兩種不同厚度時(shí)環(huán)形布置的卷尺半徑的關(guān)系。
圖1a表示用一個(gè)有限厚度d的沿一條圓弧布置的環(huán)形卷尺1和一個(gè)掃描單元來(lái)測(cè)量角度的一個(gè)位置測(cè)量裝置的示意圖，該掃描單元包括一個(gè)掃描盤2和一個(gè)光敏元件形式的探測(cè)器3。
卷尺1和掃描單元2，3例如是這樣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，即卷尺1固定在一個(gè)圍繞一根軸D旋轉(zhuǎn)的滾筒的外圓周上，而掃描單元2，3則固定布置在卷尺1的外表面11(外環(huán)形面)的前面(并在徑向方向R內(nèi)離該外表面一定距離)。
厚度為d的沿半徑為R的圓弧10布置的卷尺1具有一個(gè)外環(huán)形面11和一個(gè)內(nèi)表面12(內(nèi)環(huán)形面)，在該外環(huán)形面上設(shè)置有劃線形式的測(cè)量分度15。由于柔性的卷尺1呈環(huán)形布置，其外環(huán)形面11-與卷尺1沿一條直線呈直線布置比較-伸長(zhǎng)，而內(nèi)環(huán)形面12縮短。
由于環(huán)形布置的卷尺1的外環(huán)形面11的伸長(zhǎng)，卷尺1的呈循環(huán)狀的測(cè)量分度15的循環(huán)段PM即作為劃線構(gòu)成的測(cè)量分度15的相鄰線條的距離比該卷尺在沿一條直線呈直線的平面布置時(shí)稍大一些(“投影效應(yīng)”)。
掃描單元2，3的一個(gè)與卷尺1對(duì)應(yīng)的掃描盤2布置在卷尺1的外環(huán)形面11的前面，并與該外環(huán)形面相隔一定的距離，且在其面向外環(huán)形面11的表面21上設(shè)置有周期性的掃描分度25。面向掃描盤2的表面21的卷尺1的外環(huán)形面11以及在該處構(gòu)成的掃描分度25分別平行于卷尺1的外環(huán)形面11的一條切線t延伸。
從卷尺1看去，在掃描盤2的后面布置了一個(gè)具有輻射敏感表面31的探測(cè)器3，該探測(cè)器為一種所謂的紋理光敏光件。它的輻射敏感的表面31按圖1b由多個(gè)前后布置的寬度為b的光敏元件形式的探測(cè)元件構(gòu)成。其中，每四個(gè)探測(cè)元件組成一個(gè)探測(cè)組，且一個(gè)探測(cè)組的這四個(gè)探測(cè)元件分別對(duì)應(yīng)四個(gè)相位0°、90°、180°和270°。探測(cè)元件的這種布置的循環(huán)段PD相當(dāng)于相位0°、90°、180°或270°的一個(gè)單獨(dú)探測(cè)元件的寬度b的4倍。
此外，在圖1b中示意畫出了單個(gè)光敏元件的電接頭300，這些光敏元件構(gòu)成光電探測(cè)器3的輻射敏感的表面31，其中，與同一個(gè)相位0°、90°或180°或270°對(duì)應(yīng)的不同探測(cè)組的光敏元件分別相互交錯(cuò)連接，所以它們的輸出信號(hào)可共同輸入一個(gè)分析處理單元進(jìn)行分析。
圖1b表示相位0°或90°或180°或270°的各四個(gè)探測(cè)元件(光敏元件)組成的三個(gè)探測(cè)組的光電探測(cè)器3的輻射敏感的表面31。這里只涉及光電探測(cè)器3的輻射敏感表面31的一段，該段一般具有10至14個(gè)這種分別由四個(gè)光電元件組成的并呈循環(huán)狀前后布置的探測(cè)組。
圖1a和1b所示的位置測(cè)量裝置(角度測(cè)量裝置)的上述掃描單元2、3用來(lái)光學(xué)掃描沿圓弧段10布置的卷尺1的外環(huán)形面11上的測(cè)量分度15。為此，卷尺1設(shè)置有測(cè)量分度15的外環(huán)形面11按公知的方式用光線形式的準(zhǔn)直的電磁輻射L進(jìn)行照射，該光線用一個(gè)適當(dāng)?shù)恼彰鲉挝?光源)產(chǎn)生并用一個(gè)適當(dāng)?shù)木酃馔哥R視準(zhǔn)，例如可從EP1 081 457 A2中得知。卷尺1外環(huán)形面11上的測(cè)量分度15的掃描用的光線L既與按公知方式位于光線L光路中的透光掃描盤2的掃描分度25相互作用，又與卷尺1的反射光線L的外環(huán)形面11上的測(cè)量分度15相互作用。
既通過掃描分度25又通過測(cè)量分度15修正的光線L在光電探測(cè)器3的輻射敏感的表面31上形成一個(gè)具有循環(huán)段的所謂游標(biāo)條形圖形，該循環(huán)段由掃描分度25的循環(huán)段PA和測(cè)量分度15的循環(huán)段PM來(lái)確定。
在光電探測(cè)器3的輻射敏感的表面31上布置的光敏元件產(chǎn)生一個(gè)與該條形圖形相應(yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)被輸入一個(gè)分析單元中，該分析單元通過分析光電探測(cè)器3的輸出信號(hào)確定卷尺1和探測(cè)單元2、3之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的大小。
從圖1a可清楚看出，從掃描盤2觀察掃描盤2中間區(qū)域?qū)?yīng)的區(qū)域，測(cè)量分度15的循環(huán)段PM似乎大于掃描盤2的外端對(duì)應(yīng)的區(qū)域，這是由于環(huán)形布置的卷尺1的曲率1/R以及由于掃描盤2和光電探測(cè)器3相對(duì)于卷尺1的切線布置使卷尺1在探測(cè)器3的輻射敏感的表面31上的有效的、受位置影響的循環(huán)段Peff在測(cè)量分度15投影到掃描盤2沿垂直于切線t方向延伸的掃描盤2上所致。亦即在對(duì)應(yīng)于掃描盤2的切線邊緣區(qū)的區(qū)域與對(duì)應(yīng)于掃描盤2中間的測(cè)量分度15的區(qū)域比較，上述投影效應(yīng)導(dǎo)致了測(cè)量分度的循環(huán)段PM的虛假的減小。
這種投影效應(yīng)與上述的另一個(gè)伸長(zhǎng)效應(yīng)是反向的，后者是指卷尺1環(huán)形布置時(shí)在其外環(huán)形面11的伸長(zhǎng)后果。但與投影效應(yīng)比較，伸長(zhǎng)效應(yīng)不取決于位置。
下面對(duì)伸長(zhǎng)效應(yīng)以及投影效應(yīng)的作用進(jìn)行定量地較詳細(xì)地說明，即說明這兩種效應(yīng)對(duì)光電探測(cè)器3的輻射敏感的表面31上產(chǎn)生的條形圖形的影響，對(duì)此，在掃描一個(gè)沿一條直線布置的直線卷尺時(shí)與一個(gè)環(huán)形布置的卷尺的條形圖形進(jìn)行了比較。
在具有沿一條直線布置的卷尺和具有一個(gè)對(duì)應(yīng)于該卷尺的、平行于該卷尺延伸的掃描盤的直線位置測(cè)量系統(tǒng)中，該卷尺呈周期性的測(cè)量分度具有循環(huán)段PM，該掃描圓盤的掃描分度具有循環(huán)段Pa(幅度循環(huán)段)，這時(shí)相當(dāng)于上述另一個(gè)強(qiáng)度圖形的并通過卷尺掃描用的光線一方面與掃描分度和另一方面與測(cè)量分度的相互作用產(chǎn)生的條形圖形的循環(huán)段用下式表示PV＝1/(1/PA-1/PM)式中PV叫做所謂的游標(biāo)循環(huán)段，參見EP 1 028 309 A1。
從上式可知，游標(biāo)循環(huán)段PV越小，則掃描分度的循環(huán)段PA和測(cè)量分度的循環(huán)段PM相差越大。
例如在掃描分度的循環(huán)段PA＝19.512微米和測(cè)量分度的循環(huán)段PM＝20微米時(shí)，得出產(chǎn)生的條形圖形(“明暗圖形”)的游標(biāo)循環(huán)段PV＝800微米。在設(shè)計(jì)紋理的光電探測(cè)器時(shí)必須考慮條形圖形的這個(gè)循環(huán)段，用設(shè)計(jì)的光電探測(cè)器從該條形圖形產(chǎn)生電輸出信號(hào)，這些輸出信號(hào)輸入一個(gè)分析單元中。為此，例如在一個(gè)由許多前后布置的光敏元件組成的光電探測(cè)器時(shí)，該條形圖形的每個(gè)循環(huán)段前后布置四個(gè)光敏元件，其中每個(gè)光敏元件(沿光電探測(cè)器的輻射敏感的表面的延伸方向)具有200微米延伸并對(duì)應(yīng)一定的相位，例如0°、90°、180°或270°，相應(yīng)的光敏元件的有效面積的延伸略小于上述的200微米，因?yàn)樵趩蝹€(gè)光敏元件之間必須分別設(shè)置一個(gè)隔離邊界。
亦即在這種情況中，通過掃描用的光線一方面與掃描分度和另一方面與測(cè)量分度產(chǎn)生的條形圖形的相互作用的游標(biāo)循環(huán)段PV完全與探測(cè)器的輻射敏感的表面匹配的循環(huán)段PD一致。
如果這樣一種探測(cè)器即具有二維的平的表面通過循環(huán)前后布置的光敏元件構(gòu)成的光電探測(cè)器作為環(huán)形布置的卷尺的掃描單元的組成部分用，則上述的兩種效應(yīng)即所謂伸長(zhǎng)效應(yīng)和投影效應(yīng)導(dǎo)致在光電探測(cè)器的輻射敏感的表面上的有效的游標(biāo)循環(huán)段Peff與位置有關(guān)。亦即在輻射敏感的表面的中間區(qū)域內(nèi)由于伸長(zhǎng)效應(yīng)該有效游標(biāo)循環(huán)段在數(shù)值上小于直線情況時(shí)的游標(biāo)循環(huán)段PV，但朝邊緣方向則由于投影效應(yīng)而有所增加。這可從圖2所示有效游標(biāo)循環(huán)段Peff與紋理光電探測(cè)器的位置X的關(guān)系曲線中一目了然在光電探測(cè)器的中間區(qū)(X＝0)，有效游標(biāo)循環(huán)段Peff比直線情況中(PV＝800微米)的條形圖形的游標(biāo)循環(huán)段PV增加較小的值并隨即朝探測(cè)器的邊緣方向(X＞0或X＜0)增加。所謂有效游標(biāo)循環(huán)段Peff這里是指游標(biāo)條形圖形的一對(duì)明暗線條的局部變化的延伸。
如果觀察條形圖形的相位，該相位在直線卷尺的情況中在一個(gè)探測(cè)循環(huán)段內(nèi)呈直線增加2*Pi，即與探測(cè)器相位一致并由此提供探測(cè)器信號(hào)的最佳對(duì)比度時(shí)，則會(huì)發(fā)現(xiàn)在探測(cè)器的中間區(qū)，彎曲的卷尺的相位首選稍超前于探測(cè)器的相位(因?yàn)橛行в螛?biāo)循環(huán)段Peff在這里小于探測(cè)器循環(huán)段)，而探測(cè)器的邊緣方向，該相位滯后(因?yàn)橛行в螛?biāo)循環(huán)段Peff在這里大于探測(cè)器循環(huán)段)。由于這個(gè)相位差，探測(cè)器信號(hào)的對(duì)比度變壞。條形圖形的相位可從掃描分度和測(cè)量分度的局部的循環(huán)段中以及從諸如測(cè)量分度的曲度和探測(cè)器離測(cè)量分度的距離這些幾何關(guān)系中進(jìn)行確定。
有效游標(biāo)循環(huán)段Peff朝光電探測(cè)器的輻射敏感的表面的兩個(gè)邊緣方向的增加是投影效應(yīng)的結(jié)果，這個(gè)投影效應(yīng)導(dǎo)致測(cè)量分度的循環(huán)段PM朝邊緣方向減小并由此導(dǎo)致差1/PA-1/PM的減小，按上列方程，該差的減小又導(dǎo)致游標(biāo)循環(huán)段的增加。
在上述兩個(gè)效應(yīng)中，由于伸長(zhǎng)效應(yīng)與位置無(wú)關(guān)，但投影效應(yīng)與位置有關(guān)，所以這兩個(gè)反向的效應(yīng)不可能完全補(bǔ)償。但一方面掃描分度25的循環(huán)段Pa和另一方面測(cè)量分度15的循環(huán)段PM可相互這樣匹配，使隨后的一次分析獲得一個(gè)最佳的掃描信號(hào)。
對(duì)測(cè)量分度15的循環(huán)段PM或掃描分度25的循環(huán)段PA的校正值的簡(jiǎn)單的分析計(jì)算是不可能的，因?yàn)橐环矫嫔扉L(zhǎng)效應(yīng)以及投影效應(yīng)以不同方式與卷尺1的曲率即與其半徑R有關(guān)，而另一方面，該伸長(zhǎng)效應(yīng)還與卷尺1的厚度d(比較圖1a)密切相關(guān)。
現(xiàn)在例如可這樣確定測(cè)量分度15的循環(huán)段PM的最佳校正值，即對(duì)不同的循環(huán)段PM相加入射到相同相位的探測(cè)器區(qū)域內(nèi)的光線的強(qiáng)度。這可根據(jù)相對(duì)于探測(cè)器相位的條形圖形的相位按簡(jiǎn)單的方式通過矢量相加來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過測(cè)量分度15的循環(huán)段PM的反復(fù)改變就可確定掃描信號(hào)的最大值。
圖3a和3b分別表示在卷尺1的厚度d為300微米(圖3a)以及卷尺1的厚度d為75微米(圖3b)時(shí)掃描信號(hào)的強(qiáng)度(相對(duì)于直線情況歸一化)與卷尺1卷繞的滾筒的半徑Ri的關(guān)系，亦即分別表示測(cè)量分度15的不同循環(huán)段PM時(shí)的關(guān)系曲線，在圖3a和3b中，曲線K1表示PM＝20微米的情況(亦即在直線布置時(shí)與測(cè)量分度的循環(huán)段一致)；曲線K2表示PM＝20.02微米的情況；曲線K3表示PM＝20.04微米的情況；和曲線K4表示PM＝20.06微米的情況。在全部情況中，掃描分度25的幅度循環(huán)段PA都為19.512微米，并從一個(gè)紋理的光電探測(cè)器3開始，該光電探測(cè)器用它的光敏元件探測(cè)14個(gè)游標(biāo)循環(huán)段，亦即共有56個(gè)前后布置的、組成14組的光敏元件。
從圖3a和3b可清楚看出，在很小的滾筒半徑Ri和環(huán)形布置的卷尺1的相應(yīng)小的半徑R時(shí)，由光電探測(cè)器產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)度I在相應(yīng)曲線K1的情況中(采用直線位置測(cè)量系統(tǒng)的卷尺，沒有校正測(cè)量分度15的循環(huán)段PM)劇烈下降，以至不可能進(jìn)行信號(hào)的可靠分析。其原因在于光電探測(cè)器3是按具有一定循環(huán)段PD的條形圖形設(shè)計(jì)的，該循環(huán)段在本例中為800微米，且由于伸長(zhǎng)效應(yīng)以及由于投影效應(yīng)，有效游標(biāo)循環(huán)段Peff與按圖2在卷尺環(huán)形布置時(shí)的循環(huán)段有明顯的差別。這特別適用于小的卷尺厚度d，在這種小的卷尺厚度情況下，伸長(zhǎng)效應(yīng)只有相當(dāng)小的影響，所以在小的滾筒半徑時(shí)，投影效應(yīng)完全穿透。這就解釋了圖3b比圖3a的強(qiáng)度曲線K1的明顯較大的下降。因?yàn)閳D3b是根據(jù)卷尺厚度為75微米得出的，而圖3a則基于4倍卷尺厚度300微米得出的。
此外，可以看出，當(dāng)測(cè)量分度的循環(huán)段PM比直線情況增加0.1％(曲線K2)、0.2％(曲線K3)或0.3％(曲線K4)時(shí)，在小滾筒半徑的兩種情況中都可獲得探測(cè)器信號(hào)的明顯高的強(qiáng)度。對(duì)任一滾筒直徑R1都可依賴于卷尺厚度d產(chǎn)生一個(gè)唯一的值，測(cè)量分度15的循環(huán)段PM必須校正(增加)該唯一值，以便獲得掃描信號(hào)的盡可能大的強(qiáng)度。如果對(duì)圖3a和3b中分別代表測(cè)量分度15循環(huán)段PM的不同校正值的四條曲線K1、K2、K3、K4稍作比較，則在圖3a的情況中(相當(dāng)于卷尺厚度d＝300微米)，在滾筒直徑為5*104微米時(shí)得出測(cè)量分度15的循環(huán)段PM為20.02微米的范圍，而在相應(yīng)滾筒直徑時(shí)的圖3b的情況中(卷尺厚度d＝75微米)，約為20.06微米的測(cè)量分度15的循環(huán)段PM提供探測(cè)器信號(hào)的特別大的強(qiáng)度。
當(dāng)然，與直線情況比較，也可進(jìn)行掃描分度25的循環(huán)段PA的校正來(lái)代替測(cè)量分度15的循環(huán)段PM的校正。在測(cè)量分度15的循環(huán)段PM的校正情況中是通過校正值的相加來(lái)進(jìn)行校正的，而在掃描光柵的循環(huán)段PA的校正情況中則按校正值的相減使循環(huán)段PA稍微減小。因?yàn)槿缬螛?biāo)循環(huán)段PV的上列方程式可知，游標(biāo)循環(huán)段和有效游標(biāo)段Peff的調(diào)整取決于PA和PM的倒數(shù)之間的差。
具體地說，在一個(gè)與游標(biāo)條形圖形的循環(huán)段PD匹配的光電探測(cè)器的情況下，為了卷尺環(huán)形布置時(shí)有效游標(biāo)循環(huán)段Peff的校正，不是按式PM＞1/(1/PA-1/PM)校正測(cè)量分度的循環(huán)段PM，便是按式PA＜1/(1/PD-1/PM)校正掃描分度的循環(huán)段PA。
權(quán)利要求
1.位置測(cè)量裝置，包括·一個(gè)設(shè)置在一環(huán)形整體量具上的測(cè)量分度，·一個(gè)用電磁輻射來(lái)進(jìn)行該測(cè)量分度的光學(xué)掃描的掃描單元，·一個(gè)具有周期性掃描分度的掃描盤，該掃描盤布置在測(cè)量分度掃描用的電磁輻射的光路中，所以該電磁輻射既與掃描分度又與測(cè)量分度相互作用，和·一個(gè)該掃描單元的探測(cè)器，該探測(cè)器的探測(cè)面用來(lái)探測(cè)與掃描分度和與測(cè)量分度相互作用后的電磁輻射，且該探測(cè)器用來(lái)探測(cè)具有循環(huán)段PD的條形圖形形式的電磁輻射，其特征為，測(cè)量分度(15)的循環(huán)段PM和掃描分度(25)的循環(huán)段PA是這樣匹配的，即1/(1/PA-1/PM)＜PD。
2.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，測(cè)量分度(15)的循環(huán)段PM選擇成PM＞1/(1/PA-1/PD)。
3.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，掃描分度(25)的循環(huán)段PA選擇成PA＜1/(1/PD+1/PM)。
4.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，探測(cè)器(3)的探測(cè)面(31)由循環(huán)布置的探測(cè)區(qū)組成，這些探測(cè)區(qū)的循環(huán)段PD相當(dāng)于那個(gè)用探測(cè)器(3)進(jìn)行探測(cè)的條形圖形的循環(huán)段。
5.按權(quán)利要求4的位置測(cè)量裝置，其特征為，探測(cè)區(qū)由特別是光敏元件形式的探測(cè)元件組成。
6.按權(quán)利要求4的位置測(cè)量裝置，其特征為，每四個(gè)探測(cè)區(qū)(0°、90°、180°、270°)組成一個(gè)探測(cè)組，且這些探測(cè)組周期地以確定的循環(huán)段(PD)前后布置。
7.按權(quán)利要求6的位置測(cè)量裝置，其特征為，一個(gè)探測(cè)組的單個(gè)探測(cè)區(qū)(0°、90°、180°、270°)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)相位，且不同探測(cè)組的相同相位的探測(cè)區(qū)相互交錯(cuò)電連接。
8.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，探測(cè)器(3)具有一個(gè)平的、基本上為二維的探測(cè)面(31)。
9.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，測(cè)量分度(15)和/或掃描分度(25)通過一振幅光柵構(gòu)成。
10.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，掃描分度(25)通過一個(gè)混合振幅光柵(MAP-Gitter)構(gòu)成。
11.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，掃描分度(25)通過一個(gè)相位光柵構(gòu)成。
12.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，整體量具(1)的測(cè)量分度(15)用準(zhǔn)直光線形式的電磁輻射進(jìn)行掃描。
13.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，測(cè)量分度(15)的循環(huán)段PM和掃描分度(25)的循環(huán)段PA相互匹配，使由探測(cè)器(3)產(chǎn)生的輸出信號(hào)的強(qiáng)度達(dá)到最大。
14.按權(quán)利要求2的位置測(cè)量裝置，其特征為，測(cè)量分度(15)的循環(huán)段PM與1/(1/PA-1/PD)項(xiàng)的偏差至少為0.05％，最好為0.1％和1％之間。
15.按權(quán)利要求3的位置測(cè)量裝置，其特征為，掃描分度(25)的循環(huán)段PA與1/(1/PD+1/PM)項(xiàng)的偏差至少為0.05％，最好為0.1％和1％之間。
16.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征為，環(huán)形的整體量具(1)通過一個(gè)環(huán)形布置的卷尺構(gòu)成。
17.位置測(cè)量裝置，包括·一個(gè)設(shè)置在環(huán)形整體量具上的測(cè)量分度，·一個(gè)用電磁輻射來(lái)進(jìn)行該測(cè)量分度的光學(xué)掃描的掃描單元；·一個(gè)具有周期性掃描分度的掃描盤，該掃描盤布置在測(cè)量分度掃描用的電磁輻射的光路中，所以該電磁輻射既與掃描分度又與測(cè)量分度相互作用，和·一個(gè)該掃描單元的探測(cè)器，該探測(cè)器的探測(cè)面用來(lái)探測(cè)與掃描分度和與測(cè)量分度相互作用后的電磁輻射，且該探測(cè)器用來(lái)探測(cè)具有循環(huán)段PD的條形圖形形式的電磁輻射，其特征為，測(cè)量分度(15)的循環(huán)段PM和掃描分度(25)的循環(huán)段PA相互匹配，使1/(1/PA-1/PM)＜PD并且探測(cè)器(3)的探測(cè)面(31)通過探測(cè)區(qū)的循環(huán)布置構(gòu)成，該探測(cè)區(qū)的循環(huán)段(PD)相當(dāng)于那個(gè)由探測(cè)器(3)進(jìn)行探測(cè)的條形圖形的循環(huán)段，且掃描分度(25)通過一個(gè)混合振幅光柵(MAP-Gitter)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及的一種位置測(cè)量裝置包括一個(gè)設(shè)置在環(huán)形整體量具上的測(cè)量分度；一個(gè)用電磁輻射來(lái)進(jìn)行測(cè)量分度的光學(xué)掃描的掃描單元；一個(gè)具有周期性掃描分度的掃描盤，該掃描盤布置在測(cè)量分度掃描用的電磁輻射的光路中，所以該電磁輻射既與掃描分度又與測(cè)量分度相互作用；和一個(gè)掃描單元的探測(cè)器，該探測(cè)器的探測(cè)面用來(lái)探測(cè)與掃描分度和與測(cè)量分度相互作用后的電磁輻射，且該探測(cè)器用來(lái)探測(cè)具有循環(huán)段(P
文檔編號(hào)G01D5/347GK1601234SQ20041007985
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月23日
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