专利名称：光－电子装置的制作方法
本申请具有欧洲专利申请(号码EP99811164.5)的优先权，其提交日期为1999年12月15日。其内容通过引用结合到本申请中。
本发明涉及一种用于尺寸测量装置的光-电子系统，具体来说，涉及一种用于测量直线和/或角度位移的手提装置的光-电子系统。特别地涉及用于比较器类型的位移测量装置的光-电子系统。
用于测量尺寸和角度的光学系统引人注意地描述在德国专利DE19505176号(鲍默尔有限公司)中。该光学系统通常包括一个光发射器，该光发射器能够经适当的光学装置向光检测器的方向发射出光线。刻度标尺或刻度盘设置于发射器和检测器之间的光路上。当标尺或刻度盘的一个刻度处在光路上时，传感器的照明受到中断。一个计数器对由传感器提供的信号中断次数进行计数，以便从中推出标尺或刻度盘的位移并显示该位移的代表性的值。这种装置主要用于测量和比较机器零件尺寸的设备中。
这种类型的装置描述在瑞士专利CH683798号(特萨公司)中。读者可以有益地用来参考。该文描述的光-电子系统包括安装在具有双刻度迹线的标尺一侧的印刷电路板上的多个光发射器，和相对地安装在标尺另一侧的第二个印刷电路板上的多个光检测器。
该装置因需要设置极为不便的两个印刷电路板，因而，具有较重要的空间需求，从而将其组合到手提装置里是很困难的。再有，将固定在两个不同的印刷电路板的光学元件精确地对齐也是很困难的，主要是当两个电路板承受温度偏差时会导致膨胀程度不同。
世界知识产权专利申请案WO87/07944号(黎尼肖)中描述了另一种用于测量尺寸的电-光装置。其中，由光发射器发出的光束由标尺的反射表面反射在光检测器方向上。所描述的结构使之可以将光发射器和光检测器设置在同一印刷电路板和使用一个单一透镜。但是，反射部分的光束很弱，故光检测器接受到的信号对比度也很弱。另外，通过单一透镜使光束能够聚焦在标尺上并精确地反射在光检测器的方向上，在制作和使该单一透镜对齐会受到相当严格的制约。
刊载于“日本专利摘要”卷10,N°147(第460页)、1986年5月29日公开的日本专利申请摘要JP-A-61-00712中，描述了一种光阅读装置，其包括大量的单个光学元件，准确的对齐该些光学元件是很困难和代价很高的。进一步讲，其在光发射器和印刷电路板之间使用了光学纤维，于是只能增加它的复杂性、体积和装置的成本。
本发明的目的是提出一种用于尺寸测量装置的光-电子系统，其比现有技术的光-电子系统有很大的改进，主要在于该系统没有上述各种不便之处。
本发明的另一个目的是提供一种低成本，高精度，和占用空间少的可用于尺寸测量装置的光-电子系统，例如适用于比较器或其它手提或小型尺寸测量装置。
本发明还有一个目的就是提供一种光-电子系统，其能够在传输中读出标尺或刻度盘位置，并包括顺次的透明区和不透明区。
按照本发明的目的通过本发明提供的一个光-电子系统实现的。本发明的用于测量进行尺寸以比较的尺寸的光-电子系统，其包括，至少一个光发射器；至少一个光检测器；一透明标尺，该标尺包括至少一具有多个不透明刻度的刻度部分，并能够相对该光系统进行位移；一光学系统，能够将由该至少一个光发射器(20)发出的一束或多束光线聚集到该刻度部分的，和能够将穿过该标尺(30)的一束或多束光线集聚在该至少一个光检测器上；该光发射器和该光检测器位于该标尺的同侧，该光系统由集成光学块构成。
在本发明的实施例中，该标尺和该光学系统能够彼此作相对运动。在其它的实施例中，该光发射器和该光检测器位于该标尺的同一边。在一首选实施例，该光发射器和该光检测器固定在同一平面上，例如同一印刷电路板上。
在一个发射和接收光设置成近似同一直线上但方向相反的系统中，这些特点使应用在传输中进行标尺读取这一有利性能变得可能，并能改善对比度。因此，该系统将传输中进行标尺读取与固定在同一印刷电路板的光发射器和光检测器一起应用。这样可以避免光发射器和光检测器出现的相互对齐和定位的问题。
根据本发明，这些目的的进一步实现是通过一种光-电子系统，其包括带有至少一部分顺次的不透明刻度的透明标尺，至少一个光发射器，至少一个光检测器，和一个能够将从至少一光发射器发出的一束或多束光线聚集在至少该一部分不透明刻度上还能够将穿过该标尺的一束或多束光线聚集在该至少一个光检测器上的光学系统，其中该光学系统由集成光学块组成。
由于所有光学表面制作在相同的光学块中，因此，这些特点使带有不透明刻度的透明标尺的位置能够更精确地确定。这个特点的优点在于可避免装配时出现光学元件相互对齐的问题和由于光学元件不同膨胀度造成的误差。另外，使用普通的透明标尺和使用合成材料注射入模具等方法制作的单一光学元件，使其能够减少系统的制作成本和使光检测器接收的信号得到极佳的对比度。
按照本发明的优选实施例，集成光学块、光发射器和光检测器都安装在同一个印刷电路板上，标尺可在垂直于电路板的平面上移动。这种设计可以减少系统的空间需求和在不增加光学块的尺寸的情况下就可将印刷电路板移近标尺。
按照本发明的一个优选实施例，光学块包括第一光学表面，其用于收集该光发射器发出光束；第二光学表面，其用于反射该光束并聚集在该部分上；第三光学表面，其用于聚集和反射穿过该标尺的光束；和第四光学表面，其用于将该光束聚集在该光检测器上。借助这些有利的设计，光学块的每一个光学表面仅仅执行简单的反射和/或准直等光学功能，使之可能采用比较简单的例如仅为球面或可能为椭球面的光学表面。在一个优选实施例中，所有的光学表面都是球面或圆柱面。
在一个本发明的优选实施例中，在光发射器和光检测器之间的光路中设置附加的支路，使光路能够延长而不必增加光学块的空间需求，或者反过来讲，使空间需求减少而不必缩短光路。因此可以使用非常容易制作的光学表面，例如，球面或平面，甚至用聚集距离充分地缩短的小型装置。
参阅由包含下述各图的
的实施例的叙述，便可对本发明有更好的了解。其中，图1为本发明第一个实施例的光-电子系统的截面图；图2为本发明第一个实施例的光-电子系统的透视图；图3为本发明第二个实施例的光-电子系统的截面图。
图1和图2所示是根据本发明可以用于尺寸比较器的光-电子系统。该系统包括整体连接到轴3的透明标尺30，该轴3例如为比较器的探头，其可以沿纵轴X平移。该光-电子系统允许提供代表该轴3的位置和/或速度的电量值。
标尺30包括至少一部分带有刻度31，其最好由镀铬区、绢网印区或已经接受适当表面处理的区组成以使其不透明。因而标尺上有交替的透明和不透明区。曾建议在透明的标尺的一个或多个部分具有各种不同图案的刻度，以便允许对标尺位置进行相对或最好完全编码。但本发明并不限制于标尺刻度区的任何特定设计。
光-电子系统还包括安装在印刷电路板2上的集成光学块1，测量和/或显示的电子装置虽未在图中示出，但最好也设置在该电路板上。光学块1通过螺钉和/或胶黏固定在电路板2上。
相对于由多个独立元件构成的光学系统，例如固定在透镜框架的单个透镜，在本申请文件的范围内，集成光学块意味着包括多个显著不同的光功能面的经模制和/或加工的光学元件。本领域的普通技术人员都知道集成光学块的制作也可以由两个或更多的元件先分别模制然后再整体互相固定在一起，例如互相胶黏和/或螺钉连接到同一电路板2上。
标尺30能够相对于光学块1移动。在本发明第一个实施例中，标尺是可移动的而光学块是固定的。在本发明的第二个实施例，标尺是固定的而光学块安装在一个可以沿标尺滑动的元件上。还可能有其它的实施例，其中标尺和光学块都是可移动的。此外，本发明还能应用于其标尺可相对于光学块沿不是直线而是曲线的轨道移动的装置中。
光发射器20，例如为一个光或红外线二极管，安装在电路板2上并完全安置在光学块底面下方的中空件11中，以便在光学块的第一光学表面12的方向上发出光束。第一光学表面12最好是球面形的，这样便可使光发射器20发出的发散的光能被准直和朝向第二光学表面13定向。
第二光学表面13最好是椭球面形或是球面形(或甚至是平面)的，相对于入射光束的光轴倾斜45°。因此，其允许该光束反射和聚集在标尺30的刻度部分上。表面13最好用金属层覆盖以便反射所接收的光束。
穿过标尺30的光束到达光学块1的第三光学表面14，第三光学表面通过将光束在电路板2的方向上再次发送该光束而再次将之聚集。采用与第二光学表面13相同的方式，第三光学表面14最好也是椭球面形或是球面形(或甚至是平面的)，相对于入射光束的光轴倾斜45°。该第三表面最好用金属层覆盖以便反射所接收的光线。
在一不同的实施例中，平行于标尺的两个光学表面中的至少一个表面(未标出标记)是圆柱面而不是如图所示的平面，以便校正象散。但是，也可能提供以不同形状的光学表面。
表面14反射的光束由第四光学表面15在管检测器21的方向上聚焦，该光检测器21安装在印刷电路2上并安置在光学块1底面下方的中空件18中。表面15最好是球面形的。
光学表面13反射到标尺30上的光束焦点的直径最好覆盖多个顺次的标尺刻度，刻度的宽度可能不同。在增量测量中，光束必须具有与标尺间距相同的周期性结构。例如，这种周期结构可以采用放置在非常靠近标尺的地方的未示出的光栅(网格光栅)而得到。在另一个实施例中，使用由多个顺次的按周期设置的小型光接收器组成的光接收器，使得标尺的刻度31以相同的周期投射到接收器上。在绝对测量中，出现在标尺上的编码二进制数字用多个光接收器读出。增量测量也可以与绝对测量同步进行。
在一个没有示出的优选实施例中，光检测器21用称之为“倒装片接合技术”的已知技术的连接到印刷电路板的底面，在该地面中设置一个孔。这个孔形成一个井允许必须到达光检测器的光束通过，并避免直接来自光发射器的光干扰光检测器。该孔最好用保护性的透明聚合物充填。
例如为红外光接收器或电荷耦合装置(CCD)的该或每一个光检测器21，可产生与穿过标尺30透明部分的光强度成比例的电信号。当标尺沿轴X纵向移动时，光检测器的各元件会产生顺次的脉冲，其近似为矩形并对应于所通过的刻度31。这些脉冲可以被二进制计数器计数(未示出)，并在输出中提供表示标尺纵向位置的二进制数字。
本领域的普通技术人员会了解到本发明的光学块1还适用于包含两个或多个光检测器(或多组光检测器)的系统，该光检测器提供不同的信号以便决定标尺30的位移方向或其绝对位置，还可能内插在标尺的刻度间距间内的位置。在这种情况下，不同的光检测器(或检测器组)21可例如安置在一共同的中空件18内，或各自安置在同一个光学块1的各个独立的中空件内。在另一个实施例中，还可能提供与光检测器21(或多个光检测器组)相对应的多个光发射器20，其定位于同一个光学块的公共中空件11内，或各自安置在同一光学块或甚至不同的光学块的各自一个独立的中空件内，不同的光学块最好安装成并同一印刷电路板2字数对齐。
此外，在标尺对面的光学块的两个平面部分(在第二光学表面13和第三光学表面14之间)也构成光学表面，此表面可以不是平面的，比方是柱面或球面。
图3示意地示出本发明第二个实施例中光学块的截面。用相同的参考标记标示各个实施例的同一或相应的元器件。除了当其操作模式不同时，将不再加以描述。
关于图1中所示的实施例，第一光学表面12相对光轴倾斜，以便相对于本身也是倾斜的第二光学表面13以非常小的角度反射光线。在第二光学表面的入射角13足够小，以便可以保证在这个表面有全反射。因此，该表面不需要有金属层覆盖。在这个实施例中第一光学表面12与第二光学表面13一样最好都是球面形。
在标尺30刻度部分的由表面13所准直的光线到达也是球面形的第五光学表面17并由于全反射而反射到第六光学表面，第光学六表面最好是平面的。然后将光线反射到第三光学表面14，其也是平面只是相对光轴有轻微的倾斜，以便通过全反射将光线反射到为球面形的第四光学表面15上，第四光学表面15将光线聚焦到光检测器21上。
关于图1和图2所示的实施例，该实施例使用非常容易制作的六个平面或球面形光学表面而不是非常昂贵的两个球面形和两个椭球面形光学表面。此外，四个反射面13、14、16和17的光束入射角足够小，所以能够免掉对这些表面覆盖金属层并使用全反射。
此外，应注意到图3的实施例中的两个附加表面16和17，该两表面使光束通过支路，其使光束通过支路后瞬即离开印刷电路板。因此，便可以延长光路而不必增加光发射器20和光接收器之间的距离。因而不增加光学块的空间需求。由于这个特征还可能在更大的聚焦距离上使用光学表面，因此，可使用球面形表面而不是椭球面形表面。最后，这个特征还可以大大减少标尺30边缘和印刷电路板2之间的距离，更大地减小总的空间需求。
在本发明的一个优选实施例，为了补偿光线在球面形的光学表面入射角造成的象散，至少要使用一个圆柱面光学表面。可因此而使用例如圆柱形的第六光学表面。
本领域的普通技术人员将进一步理解，受尺寸，制作方法和系统精度的制约，如同在第一个和第二个实施例中，某些表面还可以是圆柱形，抛物面形甚至是简单的平面，而非球面形或椭球面形。
本领域的普通技术人员将进一步设想其它光学块结构允许光发射器或光发射器组和光检测器或光检测器组能够设置在相同的而不必跨越标尺的平面。具体地说，对于其它光学块的实施例，若其中有光束可多次穿过同一点，可以很容易地在本发明的架构之内实现。
虽然，在描述的两个实施例中，标尺30在垂直于印刷电路板2的平面上移动，但应注意到，在本发明的架构之内可以将标尺设置在与电路板2成任何角度，立如平行。在任何情况下标尺都设置在光发射器20和光检测器21之间的光路中，光发射器20和光检测器21则安装在该标尺的同一侧，最好安装在同一印刷电路板上。
虽然上述描述很明显地涉及位移测量装置(位置，速度，加速度等)，但可清楚地看出光-电子系统也可以用于角位移测量系统。在这种情况下，将使用一个圆盘替代线性标尺3，其包括一个或多个刻度线迹呈现交替的不透明和透明部分，并被驱动绕用以测定角位移和角速度的轴转动。
权利要求
1．一用于测量进行尺寸以比较的尺寸的光-电子系统，其包括至少一个光发射器(20)；至少一个光检测器(21)；一个透明标尺(30)，所述透明标尺包括至少一个具有多个不透明刻度(31)的刻度部分，并能够相对于一个光学系统(1)进行位移；所述光学系统(1)能够将由所述至少一个光发射器(20)发出的一束或多束光线聚集到所述刻度部分，并能够将穿过所述标尺(30)的一束或多束光线聚集到所述至少一个光检测器(21)；所述光发射器和所述光检测器位于所述标尺的同侧，所述光学系统由集成光学块构成。
2．如权利要求1所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述光发射器和所述光检测器固定在同一平面上。
3．如面权利要求2所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述所述光发射器和所述光检测器固定在同一印刷电路板。
4．如面权利要求3所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述标尺(30)占据一个垂直于所述印刷电路板(2)的平面。
5．如面权利要求4所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述光学块(1)包括第一光学表面(12)，所述第一光学表面用于收集所述光发射器发出的光束并将其聚集到所述标尺(30)的所述部分上，一个第二光学表面(13)用于反射所述光束并将所述集聚在所述标尺(30)的所述部分，一个第三光学表面(14)用于聚集和/或反射穿过所述标尺的光束，和一个第四光学表面(15)用于将所述光束聚焦到所述光检测器上。
6．如前面权利要求所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第二表面(13)和所述第三表面(14)置于所述标尺(30)的各相对侧。
7．如权利要求5所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第一表面(12)和第四表面(15)是球形的。
8．如权利要求5所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第二表面(13)和第三表面(14)中至少一个是椭圆形。
9．如权利要求5所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于包括所述光学表面中至少一个是柱状光学表面。
10．如权利要求5所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第二表面(13)和第三表面(14)中至少有一个有金属表面复盖层。
11．如前面所述权利要求中的任意一项所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第二表面(13)和第三表面(14)中至少一个表面相对于入射光束的光轴偏斜45°角。
12．如权利要求5所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述光学块(1)包括位于所述标尺(30)和所述第三表面(14)之间的第五光学表面(17)和第六光学表面(16)，所述第五光学表面(17)和第六光学表面(16)使所述光束平行。
13．如权利要求12所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第三表面(13)和所述第四表面(14)设置于所述标尺(30)的各相对边。
14．如权利要求12所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述光学表面包括至少一个圆柱面的光学表面。
15．如权利要求12所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第二光学表面和第三光学表面(12,13,14,15,16,和17)中至少有一个上是球面的。
16．如权利要求15所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第二表面(13)和第三表面(14)相对于光轴充分地倾斜以保证在所述第二表面和第三表面发生全反射。
17．如权利要求12所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述第六光学表面(16)离开所述印刷电路板(2)的距离要比离开所述刻度部分(31)为远。
18．如权利要求1所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述光检测器按照倒装片接合技术固定到所述光学块对面的印刷电路板的侧边，在所述印刷电路板上的一个孔，允许光线穿过所述线路板而同时避免接收器接受到所述发射器发出的直接光线照射。
19．如权利要求18所述用于测量尺寸的光-电子系统，其特征在于所述孔由一种保护性的透明材料充填。
全文摘要
用于尺寸测量装置的光电系统包括:一透明的标尺,其包括至少一部分具有顺次不透明刻度;一光发射器,一光检测器,一集成光学块其能够将由光发射器发出的光束聚集在标尺部分上,以及能够将穿过该标尺的光束聚集到达光检测器上。光学块,光发射器和至少一个光检测器安装在同一个印刷电路板。标尺位于与印刷电路板垂直的平面。光学块包括位于标尺的各相对边的光学表面。
文档编号G01D5/347GK1299957SQ0013097
公开日2001年6月20日 申请日期2000年11月15日 优先权日1999年12月15日
发明者M·卡迪洛, R·杜泰伊 申请人:布朗和沙普.特萨有限公司