CN116026258A - 具有球透镜的光电编码器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有球透镜的光电编码器。提供了一种用于关节的基于图像的光电编码器，该编码器具有用于关节的第一部分的读取头；以及包括用于关节的第二部分的球透镜的光学系统。球透镜具有对于测量光是透明的前表面，以及至少局部反射的经构造的后表面。球透镜具有针对测量光至少近似为2的折射率或者相等的径向变化的折射率，使得从球透镜的后表面的点在球透镜内部反射的测量光光线的束在在该球透镜的前表面处被折射之后形成至少近似平行的束。读取头和球透镜能够在至少两个自由度上相对于彼此旋转。读取头和球透镜相对于彼此的这种旋转位置可使用后表面的至少一部分的图像、通过对所成像的后表面的结构的图像评估而关于至少两个自由度来确定。

Description

具有球透镜的光电编码器

技术领域

本发明涉及光电编码器以及用于确定关节(joint)的旋转位置的方法。

背景技术

配备有编码器的一系列关节和将末端执行器连接至基部的连杆是现今在便携式计量中使用的许多系统的核心。现今使用的关节具有一个单自由度(DOF)，即，它们将两个连杆之间的运动理想地限制为平移或旋转，并且配备有测量该单DOF的编码器。假设在其它DOF中的运动小到可以忽略或者至少高度可再现，以使它们可以通过校准来消除。这导致精密、昂贵的关节。

一种增加DOF数量的方法是为低质量的单DOF关节配备传感器，该传感器除了测量主DOF之外还测量所有相关的寄生DOF，从而促进关节缺陷的校正。

利用图1a、图1b给出了具有本领域已知的编码器的计量装置的示例。然而，这些仪器具有如在图1a、图1b的上下文中描述的多个缺点。

发明内容

本发明提供了一种与现有技术中已知的光学编码器相比具有多个优点的新的光学编码器。本发明的一个目的是，提供一种使得能够测量多于一个旋转自由度(DOF)的编码器。

本发明涉及一种用于关节的、优选是用于计量铰接臂(articulated arm)或机器人的关节的光电编码器。该编码器包括读取头，该读取头具有至少第一测量光源(例如，LED)和图像传感器(特别是CMOS传感器)，该图像传感器用于对所反射的测量光进行成像。编码器还包括具有至少一个球透镜和孔径的光学系统。读取头和球透镜能够在至少两个自由度上相对于彼此旋转。

球透镜包括对测量光透明并且面对读取头(和光源)的前表面，以及至少部分反射的经构造的后表面。此外，球透镜具有针对测量光至少近似为2(2或接近2)的(恒定)折射率，或者径向变化的折射率、特别是阶梯式折射率或梯度式折射率(其总和等于约为2的折射率)。该折射率在任何情况下均使得在球透镜内部从球透镜的后表面的点反射的测量光光线的束在在该球透镜的前表面处被折射之后形成至少近似平行的束。

读取头和球透镜相对于彼此的所述旋转位置能够使用后表面的至少一部分的图像、通过对所成像的后表面的结构的图像评估而关于所述至少两个自由度来确定，该图像是通过光学系统利用图像传感器捕获的。

所述概念尤其提供了当测量光束被球透镜准直时独立于读取头到球透镜的轴向距离的测量的优点。另外，读取头与球透镜之间的横向偏移不会导致图像的偏移/平移。

作为一个优选选项，读取头包括至少一个标记图案，所述至少一个标记图案可使用测量光在图像传感器上成像，以使用该标记图案的图像中的位置，来补偿图像传感器相对于光学系统的平移位置的变化。使用这种参考标记，例如可以补偿由热影响造成的图像传感器的位置变化。该标记例如位于光学系统的轴线的中心。作为另选方案，将标记(或多个标记)放置在围绕光轴的例如具有测量图像的较少像差的优点的周界处。

可选地，后表面是关于反射率来构造的，并且测量光是不相干的。换句话说，后表面是关于镜面反射(即，反射和吸收部分的图案，或者在较低反射率的区域中具有较高反射率的区域、面积或点的分布)来构造的。

另选地，光源和后表面的结构是按如下方式相对于彼此调整的，即，当利用测量光照射后表面时，在图像传感器上形成斑点图像，为此使测量光的相关性适合于表面的粗糙度。因此，后表面的至少一部分的图像是斑点图像。

在优选实施方式中，有效孔径是通过对处于光学系统的中继透镜的一个焦点中的真实孔径进行成像而形成在球透镜的中心处的虚拟孔径。因此，独立于读取头和球透镜相对于彼此的旋转位置，从后表面的点反射的光线的主光线(其在图像传感器上成像)穿过球透镜的中心。

作为一个选项，标记图案位于光学系统(该光学系统可以包括上面提及的中继透镜)的像平面中，使得该标记被成像到图像传感器上。另选地或另外地，该系统包括附加透镜，该附加透镜是光学系统的一部分并且将标记图案和/或位于中继透镜中心的标记图案成像到图像传感器上。

另外，作为另一选项，球透镜和读取头相对于彼此的至少一个平移自由度是可确定的。这是通过对利用不同波长生成的后表面的同一部分的图像进行评估，使用球透镜的色散性质来实现的，为此，读取头包括具有第二波长的第二光源，该第二波长不同于第一测量光源的第一波长，为此，优选地，可以交替地开启两个光源。

可选地，编码器包括按照如下方式设置的分束器、优选是棱镜，即，所发射的测量光可被分成两条路径，从而使得能够以不同的视角对后表面进行成像。

本发明还涉及一种用于确定特别是计量关节臂或机器人的关节关于至少两个、特别是所有三个角度自由度的旋转位置的方法，该关节具有根据本发明的光电编码器。在所述方法的过程中，在球透镜处发射测量光，接收从球透镜的后表面反射回的通过光学系统的测量光，利用图像传感器捕获所反射的测量光作为图像，以及通过对图像的图像评估来确定相对于所述至少两个、特别是所有三个自由度的旋转位置。

可选地，编码器包括如上所述的标记图案，该标记图案是与后侧(back side)一起成像在一个图像中的，并且关于成像的标记图案对后侧的图像进行评估。

作为另一选项，仅是在后表面的图像中分布的关注区域(ROI)如同所成像的后表面的部分被评估以用于位置确定。与完整图像的评估相比，该选项例如允许更高的帧速率或测量速率。关注区域可选地围绕图像均匀分布和/或具有矩形形状。作为另一选项，各个关注区域皆包括标记图案。

作为又一选项，测量光源的发射和所反射的测量光的捕获相对于彼此是同步的。

本发明的编码器优选地启用自校准或提供自校准功能。至于校准目的(例如，高帧速率不具有高优先级)，那么即使在如上所述仅评估ROI的测量模式中，也为了自校准而优选地评估整个图像，或者通过评估作为整体的后表面的图像来自校准编码器。

附图说明

下文中，参照附图中示意性描绘的示例性实施方式，纯粹以示例的方式，对根据本发明的编码器和根据本发明的方法进行更详细描述。

更具体地，在图中：

图1a、图1b示意性地示出了被具体实施为现有技术的铰接臂的计量仪器；

图2示意性地示出了根据本发明的具有光电编码器的关节，该光电编码器包括作为量度计(scale)的球透镜；

图3描绘了球透镜和测量光束；

图4示出了具有球透镜、图像传感器、另一透镜以及光学测量路径的简化光学系统；

图5a、图5b例示了简化光学系统的另一示例；

图6a、图6b示出了由编码器的图像传感器生成的图像的两个示例；

图7示出了测量图像的另一示例；以及

图8以简化示意图描绘了基于图像的多DOF编码器的进一步发展。

具体实施方式

图1a和图1b示出了被具体实施为现有技术中已知的铰接臂100的计量仪器。臂100包括多个段102，这些段被连接至基部101并通过相应的关节104彼此连接。关节104使得能够绕(仅)一个轴线旋转，如图1a中箭头Rz、Ry1、Ry2所示。利用这样的测量臂100，可以通过以下方式来测量工件等的尺寸：利用臂的探头103接触该工件，并且通过读取各个单轴关节104的相应旋转位置Rz、Ry1或Ry2并使用图1b所描绘的相应关节104内的角度编码器106将这些位置与段102的已知长度组合在一起来确定探头103的位置，该图1b示出了由轴承109支承着的关节104的截面，其中段102的端部在框架结构105内连接至基部101(或另一段)。

在具有改进的测量精度的臂100中，除了用于确定绕预期旋转轴线Rz、Ry1或Ry2的旋转的编码器106之外，关节104还包括用于确定关节104的非预期移动的附加位置传感器，比如距离传感器107或倾斜传感器108。即，这样的单自由度(DOF)关节104可以在除了测量主DOF的角度编码器106之外，还配备有测量所有相关寄生DOF的传感器107、108，从而促进关节缺陷的校正。

因此，如本领域已知的这种计量装置(或类似的机械臂)具有使用如下关节104的缺点：每个关节104仅提供一个DOF，为此需要几个关节104(和段102)以使得能够实现探头102的多于一个DOF。另外，为了减少或确定由关节104的结构缺陷引起的测量误差，需要额外的努力，例如通过实现如图所示的附加传感器107、108。

图2示出了具有根据本发明的光电编码器2的关节1。与如图1a、图1b所示的现有技术的1-DOF或单轴关节形成对比，该关节1是多轴关节，使得能够实现至少2-DOF或者如图所描绘的所有三个旋转DOF：绕z轴线的旋转Rz、绕y轴线的旋转Ry以及绕x轴线的旋转Rx。即，关节1的两个连接部分1a和1b(或两个臂段102，参见图1a)可以绕所有轴线旋转。

为了测量相应的旋转位置Rz、Ry、Rx，设置了编码器2。编码器2包括：处于关节1的第一部分1a中的测量头或读取头5，以及处于该关节的配对物1b中的球透镜3形式的3D测量量度计。因此，读取头5和球透镜3能够相对于彼此旋转，并且当关节1旋转时彼此旋转。旋转位置或旋转角度是使用透镜后表面4(即，不直接与读取头相对的表面/不面对读取头的表面，或者换句话说，从读取头看的球3的更远表面/侧面/半球)的图像来测量的。

该图像是使用来自读取头5的光源6的、指向球透镜3的前表面(面对读取头5的表面)的测量光束7生成的。前表面以及球透镜3对于测量光7是透明的，而后表面4是至少部分反射的，为此，测量光7的至少一部分被反射回来，贯穿孔径8重新进入读取头5，并由分束器10引导至图像传感器11(例如，CMOS或CCD传感器)。优选地，图像传感器11的图像获取和光源6的光发射是同步的。

因此，球体(sphere)3的后表面4的至少一部分通过至少包括孔径8和球透镜3的光学器件成像到图像传感器11上。换句话说，球3的一个半球是透明的，另一半球是反射的并且例如被喷砂和/或涂覆。透明侧充当成像系统的透镜。

为了补偿例如由热影响(热量)引起的图像传感器11的漂移，光学系统在光路中包括标记或标记图案9。换句话说，通过被成像至限定零点的传感器11的标记9，对图像传感器11的(例如，热致)平移、旋转和/或变形进行校正。该标记9的目的是具有用于补偿读取头5的机械不稳定性和热膨胀的图案的图像。例如，标记9是具有反射光刻图案的板，其在后侧具有吸收层。光学系统可以包括用于使标记9成像的附加透镜，例如，所述附加透镜具有与标记9大致相同的尺寸并且直接位于标记9的前面。

球透镜3的后表面4是按照如下方式构造的，即，使图像取决于球透镜3相对于读取头5的定向或者关节1的旋转位置Rz、Rx以及Ry。因此，通过图像的图像评估，确定定向或旋转位置。优选地，球透镜3具有非常接近2(±1％)(例如，2.002或1.985)的折射率n(针对测量光7的波长)，如参照图3更详细地说明的。

图3示意性地示出了具有测量光束7的球透镜3。球透镜3是由针对光束7的所选择波长具有折射率n≈2的材料制成的。光束7在球透镜3的经构造的后侧4处被反射或散射回来。根据几何原理、斯涅尔(Snell)定律以及小角度近似sin(α)≈α以及类似的sin(2α)≈2α，可以看到，从球透镜3的后侧4上的点A发出的光线将在球透镜的前侧(front side)4f处被折射之后构建平行束7b。

由于该球透镜材料的折射率接近n＝2，因此，由后侧4的一个散射点A向后漫射的光线在球3的输出处几乎完全准直。这允许基本上放宽对球透镜相对于读取头5的位置公差的要求。

在近轴近似中，并且对于n＝2，系统仅对旋转/定向敏感而对平移不敏感。

所示的均匀球透镜3的替代方案是具有实际上(几乎)等于2但在球体中心的方向上变化(旋转地对称)的折射率的球透镜，例如，阶梯式或梯度式径向变化折射率，其具有与大约为2的不变折射率的球透镜3相同的折射效果。一个示例是所谓的Luneburg透镜。

图4示出了具有球透镜3和图像传感器11的简化光学系统，该图像传感器用于对由透镜3的后表面4反射的测量光7进行成像。该系统包括：(薄)透镜12，透镜12的焦距f等于距图像传感器11的距离；以及折射率n＝2的球透镜3。一些光线7从球透镜3的后侧4的点A发出，并且在被球透镜3的前侧折射之后，光线7变得平行。然后，薄透镜12将平行束聚焦至图像传感器11上的点A'。因此，点A被映射到点A'。这可以针对球透镜3的后侧4上的任何其它点来进行，即，得到从球透镜3的后表面4到图像传感器11的成像图(imaging map)。

编码器可以包括所存储的解码信息，所述解码信息的形式为后表面4到图像传感器11的成像图或特征描述符等。解码信息或图可以是图案/斑点的强度图像、立体投影、或者可标识特征(比如斑点中心)的坐标列表。

放大率是由薄透镜12的焦距f与球透镜3的半径的比率给出的，例如，30mm：5mm＝6。除了图像传感器11之外，这是无源的。

光学系统还可以包括棱镜(未示出)，优选是作为读取头的出射光学元件。利用按照将所发射的测量光7分成两个光路的这种方式设置的这种分束器，将后表面4以不同的视角成像。即，可以将测量光7分开成两条路径，以在图像传感器上生成多个视场(也参见图6b)。例如，视角为(相对于光轴)+/-30°。

图5a、图5b例示了简化光学系统的另一示例，其中，图5a描绘了具有所描绘的主光线的系统，图5b描绘了具有所描绘的波前(wavefront)的系统。该系统包括球透镜3和图像传感器11，通过该图像传感器对由透镜3的后表面4反射并且穿过孔径8和具有焦距f的透镜12的测量光7进行成像。该示例中的光学系统还包括中继光学器件或透镜13(优选地作为读取头的前光学器件(的一部分))，其被具体实施为具有焦距f1的两个透镜，并且这两个透镜之间的距离为焦距f1的两倍。还如图所示，如上已经描述的标记图案9处于被形成在中继透镜13内部的像平面中。

中继透镜13位于孔径8与球透镜3之间。孔径8与透镜13之间的距离等于透镜13的焦距f1。这样，通过将孔径8成像到球透镜3中来形成虚拟孔径8'(或入射光瞳)。因此，中继透镜13将孔径8映射到球体3上。由于从对象空间“看到”的真实孔径8的成像，因此“虚拟”孔径8'或入射光瞳是处于球透镜3的中心处的。因此，该设计在球透镜3处是超中心的/近中心的(透镜系统，其中在对象位于或可能位于的空间中，入射光瞳是位于透镜前方的；光学系统在图像传感器11处是远中心的)。

由于这种布置，因此，存在虚拟孔径8'，其中心位于球透镜3的中心。中继透镜13的目的是在球透镜3的中心形成孔径8的图像，以使各个场点(field point)的主光线(根据定义是穿过孔径中心的光线)几乎垂直于球体表面，如图5a所示。

换句话说，在球体3的给定点处，使用独立于球体定向的一组相同光线7。这是通过经由中继透镜13对物理孔径8进行成像而在球体3的中心形成合成孔径8'来实现的。或者，如图5b所示，描绘了从球体对象表面到像平面11的波前18(看到相同光路的点集合)，由于波前18的曲率与对象平面中的球体表面匹配，因此，所有的点均经过相同的光路，这是因为平面波前18平行于图像平面中的图像表面。这允许编码器的高精度。

图6a示出了由例如图2所描绘的编码器2的图像传感器11生成的图像14的示例。在图像的中心有标记图案9的图像。它被球透镜的后表面4i的图像包围。

在示例中，后表面图像是斑点图像4i。为了生成这样的斑点图像4i，后表面4是粗糙表面(优选地是具有反射涂层)，并且测量光7是相干的(优选地是具有低相干性(最小时间相干性))，使得干涉效应减少(特别是避免了寄生效应)，但仍然是斑点形式。粗糙表面可以例如通过喷砂、银涂覆和/或ALD涂覆来形成。孔径8限定了成像光学器件的斑点尺寸或分辨率。实际上，使测量光7的相关性适合于表面4的粗糙度。

作为斑点图像的替代或附加，图像形成是通过镜面反射的，即，球体后表面4的反射和吸收部分的图案。在这种情况下，编码器2包括非相干测量光源。后表面4例如可以是经光刻限定构造的反射涂层，例如覆盖有黑色涂料或铬，和/或显示出环或点图案，例如具有明确的特定分布。

斑点图像4i是相对于标记的图像9i来测量的，该标记独立于球透镜3。这使得测量例如独立于图像传感器平移。例如，如果图像传感器的位置不稳定，那么不仅存在斑点图案4i的平移，而且存在标记图像9i的平移。在没有标记的情况下，斑点图案的平移将被错误地解释为球透镜3的旋转。因此，标记9例如允许通过被成像至限定零点和定向的传感器11的标记图案9，来校正例如热致变形(形状的变化)或者横向平移和绕光轴的旋转/在图像传感器的横向平面中的旋转。

图6b示出了测量图像14的另一示例。这样的图像(在该示例中为斑点图像)是由编码器获得的，该编码器包括棱镜作为成像光学器件的一部分，如上面在图4的上下文中所描述的。因此，存在用于测量光的多个光路，并因此存在如上面说明的后表面的多个图像4i。对于包括棱镜的实施方式，例如，可以产生具有宽基线b的关于光轴的高角度精度的两个图像。

图像14的中间包括标记图案的图像，作为如上所述的参考。由此，标记图案可以被集成在棱镜本身中，或者可以是光束路径中的单独元件，例如，被具体实施为棱镜与图像传感器之间具有相邻透镜的标记板。

图7示出了测量图像14的另一示例。在示例中，描绘了四个关注区域ROI。代替读取出完整的图像14，仅对图像的这些关注区域ROI进行评估，以增加测量速率(例如，在几百Hz或高达kHz的范围内)。另外，可以通过特征检测而在传感器中实现数据压缩。

然而，在具有自校准功能的编码器2的优选实施方式中，当执行自校准时评估整个图像14。换句话说，当测量和要求高帧速率时，仅评估ROI；当校准和要求最小化误差时，评估完整图像14或至少更大的帧。

这种自校准可以包括使用至少一个参考角度编码器(单DoF)。利用至少一个DoF中的这种参考值可以实现更好的校准精度。

在任何情况下，将标记图案9和后侧4i成像在一个图像14中，并且关于所成像的标记图案9i来评估所述后侧的图像。在示例中，各个关注区域皆包括标记图案9i。即，图像14包括多个小标记9i，而不是图6a和图6b所示的单个大标记。利用这种可替代构思，使用可允许的视场的角落中的四个标记，可以提供例如<1arcsec的旋转准确度，同时减小标记9的总面积。由于标记9根本不会移动太多，因此，可以容忍较大的像差。标记可以由对角条纹图案制成。如图所示，例如，使用四个ROI，其中，各个ROI包含标记9i之一以及斑点4i的矩形区域。

图8描绘了基于图像的多DOF编码器的进一步发展。为了更清楚，仅示出了读取头5和球透镜3。在该实施方式中，使用两种不同的测量波长。例如，对于照明，使用由两个不同的LED发射的光，第一个LED发射595nm处的光(橙色光)，第二个LED发射730nm处的光(红外光)。由于针对所使用的波长，球透镜3的折射率不是正好为2，因此，该系统对球透镜3相对于读取头5的平移或者两个关节元件的平移敏感(如果n＝2被完美地满足，那么该系统仅对定向敏感，而对平移不敏感)。

对于各个波长，球透镜3的后侧的虚拟图像15或16是由光学系统生成的。在正好n＝2的情况下，这些虚拟对象将具有无限大小，即，关于图像旋转和平移行为来查看球透镜3将像查看天空中的星星。对于n<2，虚拟对象16位于球透镜3的一侧，对于n>2，虚拟对象15位于球透镜3的另一侧。对于所选择的两个波长，分别针对595nm、730nm的两个虚拟对象15、16位于球透镜3的相对两侧。

因此，可以说在球透镜3的相反两侧上，两个大的虚拟球体表面15、16被成像(对于n<2，存在虚像；对于n>2，存在实像)。读取头5测量针对两侧的小的子部分。光轴17是到与两个图像的中心相对应的物理位置的连接。因此，除了沿着光轴17的平移之外，还可以针对5个DOF来确定读取头5和球透镜3的相对姿态(旋转和平移)。该最终DOF可以根据两个波长的放大率来确定。

因此，通过评估以不同波长生成的后表面的同一部分的图像来利用球透镜3的色散性质，也可以测量附加的DOF，以便确定除了旋转位置之外的一个或更多个其它平移位置。即，提供了使用两个波长的测量，其中选择至少一个波长使得n稍微偏离2。平移可以根据两个波长处的图像变换之间的细微差别来确定。对于例证的实施方式，读取头5使用至少两个不同的LED来产生球透镜3的两个图像。利用这两个图像以及例如预先存储的参考图像和校准参数，可以确定球透镜3相对于读取头5的姿态(6DOF)。

优选地，将两个波长的光束进行组合并且图像获取以这两个波长进行交替。可以交替地打开不同的光源以在时间上分离图像。

优选地，编码器测量具有大致动范围(例如，±45°)的两个或三个角度，以及具有小致动范围(关节允许相对大的旋转，但与之相比仅允许小的平移)的位移矢量(仅两个横向分量或所有三个分量，包括同轴的)。当然，编码器可以包括用于测量一个或更多个DOF的附加的常规位置传感器，例如，编码器可以与测量绕光轴的旋转的附加的1-DOF传感器互补。

确定一个或更多个平移位置的可能性对于确定例如由应力或重载荷产生的关节中的小的、非预期的平移变化特别有利。使用两种颜色的测量光允许区分平移和旋转，以使放松对机械公差的要求，例如，达到约50微米的机械游隙。

当平移球透镜3时，图像的平移不是图像中唯一可见的效果。局部曲率半径、球的类型(漫射对反射)以及孔径尺寸影响平移灵敏度。这种变化对于两种波长各自相同。

很明显，这些示出的图仅示意性地示出了可能的示例性实施方式。如果没有另外提及，那么所述各种方法还可以根据本发明彼此组合和与现有技术的对应装置和方法相组合。

Claims (15)

1.一种用于关节(1)的光电编码器(2)，特别是用于计量铰接臂或机器人的关节(1)的光电编码器(2)，所述光电编码器(2)具有：

读取头(5)，所述读取头包括：

至少第一测量光源(6)，以及

图像传感器(11)、特别是CMOS传感器，所述图像传感器用于对所反射的测量光(7)进行成像，

光学系统，所述光学系统至少包括球透镜(3)和孔径(8、8')，

其中，

所述球透镜(3)包括：

前表面(4f)，所述前表面(4f)对于所述测量光(7)是透明的并且面对所述读取头(5)，以及

至少局部反射的经构造的后表面(4)，

所述球透镜(3)具有针对所述测量光(7)至少近似为2的折射率(n)或者径向变化的折射率(n)、特别是阶梯式折射率或梯度式折射率(n)，使得在所述球透镜(3)内部从所述球透镜(3)的所述后表面(4)的点(A)反射的测量光(7)光线的束在所述球透镜(3)的所述前表面处被折射之后形成至少近似平行的束，

所述读取头(5)和所述球透镜(3)能够在至少两个自由度上相对于彼此旋转，

所述读取头(5)和所述球透镜(3)相对于彼此的这种旋转位置能够使用所述后表面(4)的至少一个部分的图像(14)、通过对所成像的所述后表面(4)的结构进行图像评估而关于所述至少两个自由度(Rx、Ry、Rz)来确定，所述图像(14)是通过所述光学系统利用所述图像传感器(11)捕获的。

2.根据权利要求1所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述读取头(5)包括至少一个标记图案(9)，所述至少一个标记图案(9)能够使用测量光(7)在所述图像传感器(11)上成像，以使用所述标记图案(9)的图像(14)中的位置来补偿所述图像传感器(11)相对于所述光学系统的形状或姿态的变化、特别是热致变化。

3.根据权利要求1或2所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述后表面(4)是关于反射率来构造的，并且所述测量光(7)是不相干的。

4.根据权利要求1或2所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述光源(6)和所述后表面(4)的结构是按照以下方式彼此调整的，即，当利用所述测量光(7)照射所述后表面(4)时，在所述图像传感器(11)上形成斑点图像(14)，为此使所述测量光(7)的相干性适合于所述后表面(4)的粗糙度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述孔径(8)位于所述读取头(5)中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述孔径(8、8')是通过对处于所述光学系统的中继透镜(13)的一个焦点中的真实孔径(8)进行成像而形成在所述球透镜(3)的中心处的虚拟孔径(8')。

7.根据权利要求2所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述标记图案位于所述光学系统的像平面中，使得所述标记图案被成像到所述图像传感器上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

另外，所述球透镜(3)和所述读取头(5)相对于彼此关于至少一个自由度的至少一个平移位置能够通过以下方式来确定：

通过对利用不同波长生成的所述后表面(4)的同一部分的图像(14)进行评估来使用所述球透镜(3)的玻璃的色散性质，为此，所述读取头(5)包括具有第二波长的第二光源，所述第二波长不同于所述第一测量光源(6)的第一波长；和/或

通过对所述图像的强度和/或去相关进行评估。

9.根据权利要求8所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

针对单独的图像生成，所述第一光源和所述第二光源是交替启用的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述光电编码器(2)包括按照以下方式设置的分束器、特别是棱镜，即，所发射的测量光(7)能够被分成两条路径，从而使得能够以不同的视角对所述后表面(4)进行成像。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光电编码器(2)，

其特征在于，

所述光电编码器(2)具有自校准功能。

12.一种用于确定关节(1)、特别是计量铰接臂或机器人的关节关于至少两个、特别是所有三个旋转自由度(Rx、Ry、Rz)的旋转位置的方法，所述关节(1)具有根据权利要求1所述的光电编码器(2)，所述方法包括以下步骤：

在所述球透镜(3)处发射测量光(7)；

通过所述光学系统接收从所述球透镜(3)的所述后表面(4)反射回的测量光(7)；

利用所述图像传感器(11)捕获所反射的测量光(7)作为图像(14)；

通过对所述图像(14)的图像评估来确定关于所述至少两个、特别是所有三个自由度(Rx、Ry、Rz)的所述旋转位置。

13.根据权利要求12所述的方法，所述方法用于根据权利要求2所述的编码器(2)，

其特征在于，

将所述标记图案(9)和所述后侧(4)成像在一个图像(14)中，并且关于所成像的标记图案(9i)来评估所述后侧(4)的所述图像(4i)。

14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，

其特征在于，

仅是将所述后表面(4)的所述图像(14)中分布的一个或更多个关注区域(ROI)作为所成像的后表面(4)的部分进行评估以用于位置确定。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，

其特征在于，

发射测量光(7)与利用所述图像传感器(11)捕获所反射的测量光(7)是同步的。

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