用于光学扫描计量用具的位置测量装置的扫描单元 【技术领域】
本发明涉及一种权利要求1前序部分的一种位置测量装置的扫描单元，用于光学扫描计量用具。
背景技术
这种扫描单元包括将光向具有光学扫描条的计量用具方向发射的光源；一接收由具有光学扫描条的计量用具改变如反射的光探测器；一设置在探测器前且具有多个光学透镜的透镜组，以借助光线扫描计量用具的区域在探测器上产生确定的图象。
这种扫描单元用于通过反射方法和透射方法扫描具有编码条的计量用具。在上述第一种情况中，由光源向计量用具发射的光通过计量用具改变和反射；在上述第二种情况中，由光源发射的光穿过(透光的)计量用具并由此改变。
EP1 099 936 A1公开了一种位置测量装置，测量分度借助光源和CCD扫描行形式的探测器进行扫描。在计量用具上设置的测量分度和探测器之间具有多个相邻设置在一面上的透镜，通过其透镜使得设置在计量用具上的测量分度在探测器上成像。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种上述类型的位置测量装置的扫描单元，使用同一探测器在反射方法和透射方法中扫描计量用具。
本发明要解决的技术问题通过具有权利要求1特征地扫描单元实现。
用于将计量用具的扫描区域在探测器上产生确定的图象的透镜组的成像比大于零且小于或等于2。
通过透镜组的正的成像比实现在探测器上产生的计量用具的扫描区域不取决于具有相同空间定向的计量用具是否在反射方法或透射方法中成像。对此，在具有绝对位置信息(例如PRC编码)的编码条中，例如基于确定的Opto-ASIC类型的探测器，也以同样的方式用在透射位置测量装置中及反射位置测量装置中；它通过正的成像比确保了计量用具编码条的正确成像和评估。
在一优选实施例中，透镜组这样构成，即成像比等于1。然而，成像比的值大于1例如可以用于放大计量用具上的很小结构。
透镜组具有多个设置在至少一个面上的透镜，这些透镜的定向使改变的光与该面相交。该面既沿测量方向又垂直于该方向延伸，扫描单元沿测量方向相对于计量用具可运动。
特别是透镜组包括两组透镜，它们分别设置在两彼此平行延伸的面上，其中两组透镜分别成对地组成一小室并且一个小室的透镜分别垂直于所述的面接续设置。
形成所述小室的透镜这样设置，即穿过一个小室的第一透镜的经改变的光束的一部分接着到达同一小室的第二透镜，其中优选穿过一个小室的第一透镜的经基本全部的光束接着到达小室的第二透镜，但不到达另一小室的第二透镜。
本发明透镜组的成像比特别是这样实现的，即对于各小室，两透镜的成像比的乘积小于或等于1，特别是等于1。特别优选的是，对于各小室，光线到达第一透镜的成像比的值小于光线接着到达第二透镜成像比的值。这意味着，由相应小室的第一透镜产生的中间图象具有的延伸小于由该小室的两透镜接着在探测器上产生的计量用具被扫描区域的图象。
通过各小室的第一透镜的成像比的值远小于第二透镜的值，使得穿过一个小室的第一透镜的光束的光线不到达另一小室的第二透镜，没有采用光阑结构就避免了相邻小室之间的串扰。对此，透镜组的第一组和第二组的透镜的焦距不相等，其中改变的光线首先穿过的透镜焦距优选大于另一小室的第二透镜的焦距。
另外可以设置光阑结构，避免相邻小室之间的串扰。其光阑结构例如设置在首先穿过改变光线的透镜组的面上。此外，光阑结构也可设置在透镜的两组之间。对此，各小室配有独立的光阑结构的光阑。
透镜组的各透镜优选呈圆柱凸形并在俯视图上呈矩形、椭圆形或径向对称。
为了形成各透镜，适合采用衍反射件。
另外，透镜组的透镜例如只沿着相应位置测量装置的测量方向具有部分聚焦的光学作用。
在计量用具达到之前或改变之后由计量用具借助至少一个为此设置的在计量用具之前或之后的透镜(聚光透镜)可以使得由光源产生的且通过计量用具改变的光线平行。也可以通过衍射光使扫描单元工作。
具有本发明扫描单元和具有至少一个光学扫描条的扫描计量用具的位置测量装置特征在于权利要求20的特征。
计量用具的光学扫描条可以是由适合的线形行扫描传感器扫描的绝对编码条，或是适用于适合的公知探测器的增量条。如果在计量用具上既具有编码条又具有增量条，与此相应地探测器包括适合扫描编码条的探测区域和适合扫描增量条的探测区域。
本发明其它特征和优点参照附图描述的实施例变得更为清楚。
【附图说明】
图1示出了具有在反射方法中扫描计量用具的扫描单元的位置测量装置，其中在计量用具和位置测量装置的探测器之间设置透镜组；
图2为图1透镜组一部分的断面图；
图3示出了图2透镜组的变型；
图4示出了图2透镜组的另一变型；
图5示出了图1透镜组一面上的顶视图。
图1示出了一位置测量系统，它用于沿测量方向M进行纵向测量，包括一计量用具2和相对于计量用具2沿测量方向M可运动的扫描计量用具2的扫描单元1。
计量用具2具有由沿测量方向M延伸的直线周期性标线构成的增量条21以及同样沿测量方向M延伸的设置在其增量条旁边的编码条22(例如PRC码)，其编码条包括绝对位置信息。通过在扫描单元1相对于计量用具2在测量方向运动时借助扫描单元1扫描其增量条21，测出扫描单元1相对于计量用具2运动(相对运动)的大小。其编码条22与此相对地确定扫描单元1相对于计量用具2的相应绝对位置。
用于扫描计量用具2的光电扫描单元1包括一电路板10，在其上设置由发光二极管构成的光源11以及距光源11一定距离的光电探测器19，光电探测器19具有交替的光敏区和光敏空白，它们的定向与相应测量部分21、22的定向相匹配。光电探测器19可以根据DE 100 22619 A1公开的光电探测器构成。
具有光源11和光电探测器19的电路板10设置在扫描壳体中，其朝向光源11的侧壁12成镜面地构成反射面并将由光源11发出的光束L反射到聚光透镜13上，通过聚光透镜13使得光束11成为平行光束穿过构成扫描壳体底面的玻璃板15射到计量用具2上。
在增量条21之上的玻璃板15具有栅结构的一个扫描光栅，它与计量用具2的增量条21的光栅常数略有不同，由两个栅结构的相互作用在中间面中产生虚线纹图，例如所谓的游标式线纹图，它经透镜组3、4投射到探测器19上。在编码条22上的玻璃板15没有上述结构。
如图1所示，位置测量系统由以反射方法工作的系统构成，使得由光源11发出的并借助聚光透镜13成平行的光线经过玻璃板15由计量用具2反射，通过计量用具2的增量条21和玻璃板15的光栅结构的共同作用，产生确定的线纹图或通过经编码条修正的光束产生编码条22的PRC码特性图象。另外，聚光透镜也可设置在计量用具和透镜组之间。
下面进一步描述在探测器19上的编码22校正图象的形成情况，因为透镜组3、4的图象具有正成像比是特别的意义。
反射光到达由两组透镜构成的透镜组3、4，它们分别设置在两平行分布的面30、40上。两透镜组3或4的每一个包括多个彼此设置在相应面30、40上的透镜(所谓的显微透镜组)。分布有透镜组的两组透镜3、4的面30、40这样形成，即它们与在计量用具2上反射的光束L基本垂直相交。此外，所述的两面也可以在扫描单元壳体中与计量用具平行设置。
对于这种由彼此以一定距离且平行设置的两透镜组构成的双透镜组，第二透镜组4的单透镜可以组合到第一透镜组3的每个单透镜中。由此，通过没有波导结构的透镜实现了正的成像比即成像比的值大于零，特别是其值为1。这样的成像比可以使得单透镜的图象部分以确定的空间定向彼此连续相接。通过使用具有沿光轴彼此间隔设置的两透镜组3、4的透镜组可以使得在较小结构高度下大面积地扫描计量用具2并由此使得位置测量系统的结构紧凑。
这种透镜组结构的特殊优点是，成像比的值为1。两透镜组3、4采用相同的光栅即在相应面30、40中的单透镜排列相同，使得由透镜组3、4在探测器19上产生的图象的(相应不连续的)图象部分直接彼此连续过渡。这样，经整个透镜组形成完整的图象。
图2示出了图1透镜组3、4的横截面图的一部分，它包括透镜组的三个小室31a，41a；31b，41b；31c，41c。一个小室31a，41a；31b，41b；31c，41c分别为两前后设置的单透镜31a，41a或31b，41b或31c，41c，其中一个小室的两透镜中一个属于第一透镜组3，而另一个属于透镜组3、4的第二透镜组4。
在图2中以举例方式示出的透镜组3、4的一部分中可以看到中心部分31b、41b，它包括构成第一透镜组3的透镜31b和构成第二透镜组4的透镜41b，以及可以看到设置在该中心透镜组两侧的两个另外的透镜组31a、41a和31c、41c。划成小室的透镜组3、4的作用下面将参照图2的中心小室31b、41b作进一步的描述。
中心小室31b、41b包括第一单透镜31b以及第二单透镜41b，其中的第一单透镜31b形成第一透镜组3(参照图1)的构件并设置在相应的面30上，而第二单透镜4沿光轴A设置在小室的第一单透镜31b的后面并作为第二单透镜4的构件设置在相应平行的面40上。以相同方式，其它小室31a、41a；31c、41c的单透镜沿透镜组3、4的光轴A分别一个接一个地设置。总体而言，小室的第一透镜31a、31b、31c形成第一透镜组3，而相应小室的第二透镜41a、41b、41c形成透镜组3、4的第二透镜组4。
图2示出了由计量用具2(参照图1)反射的平行光束B，它基本沿透镜组3、4的光轴A平行延伸并在计量用具2上反射时，通过编码条22的编码校正，在图2中由其编码以举例方式表示的部分作为对象0。
编码条22借助透镜组3、4投射到扫描单元1的探测器19上(参照图1)，下面以举例方式参照对象0和透镜组3、4的小室31b、41b描述。对此，只示出了平行光束B的一束光线L。
由表示编码条的对象0借助相应小室31b、41b的第一透镜31b形成中间图像0’，而后借助小室31b、41b的第二透镜41b在探测器19(参见图1)上产生评估图像0”。由于透镜组3、4和特别是上述的各单透镜的成像比β是相等的，图像0”与表示编码条的对象0的空间定向和大小是相同的。就此，通过借助图1所描述的透镜组产生编码条的图像，该图像与在透射方法中扫描材料显示体时形成的图像相同。对于在透射方法和反射方法中进行扫描的位置测量装置，均可使用整体型探测器。
下面，归纳图2所示装置的重要特点和优点。
成像比β＝1的主要优点是小室的第二透镜41b的像距b2的改变相对于小室31b、41b的第一透镜31b的物距g1改变：
b2/g1＝-β2＝-1
由其关系可知，两透镜组相对于固定对象0和相应的图案0”进行略微的移动还可以得到清晰的图像。这样，可以在装配透镜组3、4时允许较大的公差。
为了借助透镜组3、4获得对象即编码条延伸区域的上述适合的1∶1图像，其中成像区域要明显大于透镜组单透镜的延伸，相应小室31b、41b的第一透镜31b和第二透镜41b的成像比β1和β2必须满足的关系是：
β1*β2＝1
其中β1和β2均为负值且进行选择，以获得最佳的图象质量特性。
下面首先要提出的是，两透镜组3、4各透镜的焦距f相同，由透镜组3、4的各小室(如31b、41b)形成的(形成中间图像0’的)第一图像具有成像比β1，而第二图像具有成像比β2，g1和b1表示第一图像的物距和像距，g 2和b2表示(形成图像0”的)第二图像的物距和像距，D表示小室的两透镜31b、41b距离与焦距f之差，其满足：
f+D＝b1+g2＝f(1+|β1|)+f(1+1/|β2|)
其中通过将b1和g2的成像方程进行了变换。
如果β1*β2＝1，则
D＝f*(1+2*|β1|)
在图2中用阴影线表示在准直照射下对应于中心小室31b、41b的光束B的相应分布。对应中心小室31b、41b的光束B包括所有穿过小室31b、41b第一透镜31b的光线L。从图2中可以看出，光束B光线在第一透镜31b的焦点上聚焦并随后发散。这样，光束B的光线没有全部到达相应小室31b、41b的第二透镜41b，而是还到达其它小室31a、41a或31c或41c的第二透镜41a、41c。这种串扰会影响各小室的相应图象情况且由此在各小室上散光。为了减少这种串扰，要尽量减小小室两透镜31b、41b距离与焦距f之间的差值D，这样，它可以限定在焦距f之后的散开的光锥的发散。根据上述方程式，这可以通过减小第一图象的成像比β1实现。
特别优选的条件在于第一和第二透镜组3、4的透镜光栅常数相等，差值D等于相应小室31b、41b的第一透镜31b的焦距f。沿光轴(即垂直于透镜组3、4的面30、40)产生的准直的光束B通过第一透镜组3的相应透镜31b准确地在第二透镜组的相应单透镜41b上成像。这样，不会在相邻单透镜上产生串扰。
图3示出了相应的设置。在成像比β＝1时：
g1＝2*f12/(f1-f2)
b2＝2*f1*f2/(f1-f2)
β1＝1/β2＝(f1-f2)/(f1+f2)及
b2/g1＝f2/f1＜1
为了避免串扰，因此规定：将成像比β＝1的整个图像分成成像比
|β1|＜＜1的第一小图像和成像比|β2|＞＞1的第二大图像。
根据图3消除了串扰情况，即在第一和第二透镜组3、4的透镜光栅常数相等且考虑了对第一和第二图像的上述规定的情况下，所选择的第二透镜41b的焦距f2小于第一透镜31b的焦距f1，参见图3。
此外，鉴于其它影响因素最好两图像这样构成，即首先形成小的图像，接着形成大的图像。由此，通过装配操作公差的作用改变第一图像的物距g1，例如其大小为0.1mm。由于g1＝f1*(1+1/β1)，图像从实像变为虚像，当|f1/β1|的值为0.1mm，要成像的对象落到物镜的焦点上。对于特别用于形成透镜组3、4的微透镜而言，由于焦距的值为300μm-800μm，为了根据要求|f1/β1|＞＞0.1防止其问题必须满足|β1|＜＜3。它是防止从实像到虚像翻转的条件。
但根据上述条件，原则上要选择|β1|＜＜1，由此明显改善了即减弱了可读距离公差和物距g1之间的关系。如果处于保护原因，在物镜和比例尺之间设置玻璃板，第一图像物距的物距较大也是适合的。
根据另一变型，通过限制光束例如遮光装置避免相邻小室之间的串扰，而首先要注意的是，对于光学图像，通过因子β2改变的物距对像距并由此对图像的大小产生作用。对于成像比β1＝1的图像，将改变物距转换成改变相应图像大小。通过在一定的范围限制光束如通过远心物镜进行遮挡，从成像物到后置透镜的光线分布尽可能与光轴平行。这种设置例如可以这样实现，即一针孔光阑设置在相应透镜的图像侧的焦点上孔的尺寸确定了光束的扩散，但针孔光阑的孔不能任意的小。由于针孔光阑是孔遮挡板，必须确保孔半径与透镜焦距之比大于成像物第一级衍射角的正弦。
由此得到的适合结果是：对于首先成像的小图像(|β1|＜＜1)，其物距远大于第一透镜的焦距。这样，光束的许可扩散不采用附加的措施即只通过限制透镜孔径的延伸就可以这样被限定，即要考虑满足第一级衍射吸收的上述条件。由此，要考虑到与第一图像相关的条件如远心物镜，以通过图像大小和位置的作用减小可读距离的变化。通过这种第一图像的“远心特性”和准确的装配可以适合地调节由条件|β2|＞＞1所决定的第二图像的物距。
除了将光束的光程限定在部分的两透镜31b、41b之间，通过在第一透镜组的面上将相应遮挡板设置在透镜之间，还可能由于相应小室31b、41b第一透镜31b光孔(Appertur)的变化在相邻小室透镜之间产生串扰。
图4示出了图2的布置，其中给各小室如透镜组3、4的中心小室31b、41b配置一场光阑5，从小室31b、41b的第一透镜31b观察，它位于第一透镜31b的焦点之后，且由此在焦点之后发散的光束B这样被限定，即穿过场光阑5的光束最终到达中心小室31b、41b的第二透镜41b，而不到达相邻部分31a、41a；31c、41c的第二透镜41a、41c。
而借助场光阑5限制的光束在准直衍射时会导致目标范围减小，参见图4光束B的双阴影线所示的部分，即从场光阑5透过的光束B的部分B’。
为了避免与使用图4光阑结构有关的信息损失，根据图5，分别在相应透镜组3的延伸面上沿测量方向M延伸的且在垂直于测量方向的方向Q接续设置的透镜组3的各小室31、32、33在测量方向M彼此错开地设置，使得构成小室3 1的透镜31a、31b、31c分别与相邻小室32的多个透镜32a、32b；32b、32c；32c、32d重叠。因此，可以通过相邻的小室32使得目标在另一透镜31中遮住的部分成像。优选的是，透镜组3的相邻小室31、32以透镜的半个延伸在测量方向M彼此错开。
另外，尽管使用光阑减小了串扰，成像目标的完全传输(未减小的目标区域)还要通过穿过散射光的准直光束实现。在没有附加的远心光阑是，这会导致可读距离公差的损失，而具有远心光阑时，会导致传输能量的损失。
另外，采用透镜排列形式的透镜组3、4(即在一面上延伸的具有较大面的透镜组)的其它优点是稳定了编码的识别。这涉及在计量用具上的编码顺序在探测器上成像时可读扫描距离的波动对成像比的作用。其扫描距离波动即计量用具与探测器之间距离的波动会导致传输的光图案不再与相应探测器的表面结构相匹配且其编码不再能由探测器识别。
在上述实施例中，通常由成像比β＝1进行成像。在成像比β的值小于+1时，由各小室31a，41a；31b、41b；31c、41c形成的图像区彼此分开。在这种情况下，其探测光栅器除了编码光栅外还考虑透镜光束作为超结构。在成像比β值大于+1时，与此相对地相应增大其小的编码条结构。也可以用例如由光电复印设备中公开的以梯度透镜排列形式的在一面上延伸的透镜组替代在上述实施例中使用的在相应面30、40上设置的两平行透镜组3、4形式的透镜排列，以形成所希望的正数成像比。其各透镜例如设置在六边形的光栅中且其长度这样选择，即它使得成像物通过所希望的成像比β特别是其成像比＝1而成像。在这种梯度透镜排列中，由于波导结构的作用，其光串扰会从一个透镜到下一个透镜，但这种分辨率比在两平行面延伸的透镜组要小且各透镜所需要的长度会影响位置测量装置结构的紧凑。