光学位置测量装置的制造方法

光学位置测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种光学位置测量装置，其用于探测相对彼此运动的两个物体的位置。光学位置测量装置包括与两个物体中的一个相连接的量具，并且具有测量刻度，其带有沿着至少一个第一刻度方向周期性地布置的刻度区域。位置测量装置还包括具有多个光学元件的扫描单元，其相对于量具可运动地布置。通过布置和构造扫描单元的光学元件引起扫描光路，在其中形成干涉的子光束关于对称平面镜像对称地传播并且或者V形地射到量具上和/或通过量具经历V形的背向反射。对称平面以限定的倾斜角围绕转动轴线倾斜，其平行于量具的表面定向并且垂直于第一刻度方向延伸。
【专利说明】
光学位置测量装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的光学位置测量装置。
【背景技术】
[0002] 在已知的用于探测相对彼此运动的两个物体的位置位置测量装置中，通常确定扫 描单元相对于量具沿着量具的刻度方向的位置，量具具有布置在其上的测量刻度，其中，刻 度方向相应于测量方向；扫描单元和量具在此分别与运动的两个物体中的一个相连接。位 置测量装置的表示相应的有效的测量方向的所谓的灵敏度矢量在已知的装置中通常平行 于量具的表面定向。
[0003] 此外，已知这样的位置测量装置，其灵敏度矢量倾斜于带有反射性的测量刻度的 量具的表面定向。对此例如应参考
【申请人】的文献EP1762828A2。灵敏度矢量的倾斜的取向在 此类位置测量装置中通过不对称地形成干涉的扫描光路确保。在相应的扫描光路中，射入 的光束分成至少两个子光束，其最后引起干涉性的叠加。借助于此类位置测量装置可获得 关于扫描单元和量具沿着侧向的测量方向或移动方向以及沿着竖向的测量方向或移动方 向的相对运动的位置信息。也就是说，借助于此类位置测量装置可探测沿着两个线性的运 动自由度的位置变化。干涉的子光束的行程长度在这种位置测量装置中通常仅在在扫描单 元和量具之间的公称扫描距离中一样长。如果量具或扫描单元运动脱离公称扫描距离，则 在干涉的子光束中得到不同的行程长度。因此，使用的光源的波长的可能出现的变化影响 干涉的子光束的相位并且由此还影响确定的位置信息。因此将此类位置测量装置的扫描光 学系统称作有色差。因此，在其中使用的光源必须具有足够的相干长度和尽可能小的相噪。 为了保证这种情况，需要以过高的花费使此类光源保持稳定，由此该光源相应更贵。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是，提供一种光学位置测量装置，其具有倾斜的灵敏度矢量并且在 所有允许的扫描距离中相对于波长变化不敏感。
[0005] 根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的光学位置测量装置实现。
[0006] 根据本发明的光学位置测量装置的有利的实施方案从在从属权利要求中提及的 措施得到。
[0007] 用于探测相对彼此运动的两个物体的位置的根据本发明的光学位置测量装置包 括： -量具，其与两个物体中的一个相连接并且具有测量刻度，其中，刻度区域沿着至少一 个第一刻度方向周期性地布置，以及 -扫描单元，其具有多个光学元件，该光学元件布置成可相对于量具运动，其中，通过布 置和构造扫描单元的光学元件产生扫描光路，在其中形成干涉的子光束关于对称平面镜像 对称地传播，并且或者V形地射入到量具上和/或由量具V形地反射回。对称平面以围绕转动 轴线限定的倾斜角倾斜，转动轴线平行于量具的表面定向并且垂直于第一刻度方向延伸。
[0008]优选地，测量刻度的刻度周期和倾斜角如此选择，即，在扫描单元中的扫描光路与 在未倾斜的状态中的扫描光路相同，在其中对称平面垂直于量具的表面定向。
[0009]在此，有利地，子光束形成干涉，其由在测量刻度处的不对称的衍射级引起。
[0010]在此，子光束可形成干涉，其由在测量刻度处的衍射级的以下组合中的一个引起： +3./-I.衍射级， +1./0.衍射级， -3./+1.衍射级， -1./0.衍射级 可行的是，测量刻度构造为反射式相位光栅，其针对用于产生信号的衍射级的高的衍 射效率来优化。
[0011]此外，可设置成，扫描单元包括带有多个光学元件的至少一个扫描板，其中，扫描 板布置成垂直于对称平面。
[0012]在一种可行的实施方式中还可设置成，布置在扫描单元中的扫描板构造成透明 的，并且在扫描板的面向量具的侧部上布置有两个第一扫描栅和两个第二扫描栅，并且两 个反射器布置在扫描板的对此相反的侧部上，其中，反射器的反射的侧部朝量具的方向定 向。
[0013]在此，扫描单元可如此构造，即，由光源发出的光束 -撞到测量刻度上，在此分成两个V形地朝扫描单元背向反射的子光束，其相应于两个 不同的衍射级， -两个背向反射的子光束在扫描单元中朝两个反射器的方向上通过两个第一扫描栅并 且在此经历反向平行于射入方向定向的偏转效应以及仅垂直于第一刻度方向的聚焦作用， -如此转向和聚焦的子光束然后分别碰到反射器上并且经历朝量具的方向上的背向反 射， -两个背向反射的子光束然后朝量具的方向上通过两个第二扫描栅，并且在此经历朝 第一刻度方向上的偏转效应以及仅垂直于第一刻度方向的准直效应，从而两个子光束此时 V形地朝量具的方向上传播， -在此引起叠加的子光束朝扫描单元的方向上的重新的衍射和背向反射。
[0014] 在另一实施方式中可行的是，扫描单元包括至少一个分裂元件、两个换向元件、两 个反射器以及两个透镜。
[0015] 在此扫描单元可如此构造，即，由光源发出的光束 -通过分裂元件分成两个子光束，其然后分别朝换向元件的方向上传播， -子光束通过换向元件经历换向，从而其V形地朝在测量刻度上的第一碰撞部位的方向 上传播， _子光束在测量刻度上的第一碰撞部位分别经历第一衍射和朝在扫描单元中的透镜和 反射器的方向的V形的背向反射， -子光束第一次通过透镜，被反射器在射入方向上V形地背向反射，并且第二次通过透 镜， _子光束然后在第二碰撞部位加载测量刻度并且分别经历第二衍射和朝扫描单元中的 换向元件的方向的V形的背向反射。
[0016] 在另一实施方式中可行的是，扫描单元包括至少一个透明的扫描板以及结构化的 光电探测器，其中，在扫描板的面向射入的光束的侧部上布置有第一扫描栅和第二扫描栅。
[0017] 在此扫描单元可如此构造，即，由光源发出的光束 -不受影响地通过扫描板并且然后碰到测量刻度上，在此分成两个V形地朝扫描单元背 向反射的子光束，其相应于两个不同的衍射级，并且 -两个背向反射的子光束在扫描单元中分别通过两个扫描栅中的一个，并且在此经历 朝对称平面的方向上的偏转效应，并且然后朝结构化的光电探测器的方向上传播，在此其 干涉性地叠加。
[0018] 此外，可行的是，相同构造的第二扫描单元与扫描单元机械地固定地相连接，其 中，两个扫描单元以相同的角度值、但以相反的方向围绕相关的彼此平行定向的转动轴线 倾斜地布置。
[0019] 在此可设置成，测量刻度构造为二维的交叉光栅，其包括沿着第一刻度方向和第 二刻度方向的周期性布置的刻度区域，并且具有三对彼此机械地固定地相连接的位置测量 装置，其中，两对平行于第一刻度方向布置，而第三对平行于第二刻度方向布置。
[0020] 根据本发明的光学位置测量装置具有重要的优点是，在允许的扫描距离的大的范 围中对使用的光波长的波动不敏感。即使在波长的可能出现的变化的情况下也始终产生正 确的位置值。由此可在根据本发明的位置测量装置中使用明显更简单和更有利的光源。
[0021] 此外，可行的是，根据本发明的位置测量装置的扫描单元还可用于这样的扫描，在 其中灵敏度矢量平行于量具的表面定向；这是这样的常规的应用，在其中例如应在测量技 术上探测扫描单元和量具沿着测量方向的相对移动。因此不再需要针对不同的测量任务开 发和准备不同的扫描单元。
【附图说明】
[0022] 借助根据本发明的装置的实施例的随后的说明结合附图阐述本发明的其他的细 节和优点。
[0023]图la-图lc分别示出了根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例的扫描单元 的用图解说明的截面视图，其用在具有平行于被扫描的量具的表面的灵敏度矢量的位置测 量装置中； 图2a_图2c分别示出了具有倾斜的灵敏度矢量的根据本发明的光学位置测量装置的第 一实施例的用图解说明的截面视图； 图3a、图3b分别示出了具有倾斜的灵敏度矢量的根据本发明的光学位置测量装置的第 二实施例的用图解说明的截面视图； 图4a、图4b分别示出了具有倾斜的灵敏度矢量的根据本发明的光学位置测量装置的第 三实施例的用图解说明的截面视图； 图5分别示出了根据本发明的光学位置测量装置的第三实施例的变体的用图解说明的 截面视图； 图6分别示出了根据本发明的光学位置测量装置的第三实施例的另一变体的用图解说 明的图示。
【具体实施方式】
[0024]在借助根据本发明的光学位置测量装置的一系列实施例的附图进行详细说明之 前，应首先在下文中阐述与本发明有关的一些概念。
[0025]为此，还应参考位置测量装置的扫描光学系统，在其中在测量运行中灵敏度矢量 平行于量具的表面定向。在此类扫描光学系统中，由光源发出的光束通常分成两个子光束。 这两个子光束在量具的测量刻度处以不同的衍射级衍射并且最后相叠加以及引起干涉。可 以这种方式产生彼此有相移的扫描信号，由该扫描信号通过递增计数和内插形成位置值。 这种扫描光学系统中的一些产生子光束，其从分开直至叠加镜像对称地关于对称平面伸 延。此类扫描光路的对称平面在这种运行类型中在此垂直于量具表面，并且因此还垂直于 量具的测量刻度的刻度方向。在此，刻度方向相应于测量刻度的总是垂直于测量刻度的光 栅线定向的光栅矢量;因此在下文中，措辞刻度方向和光栅矢量被彼此等价地使用。由于扫 描光路的镜像对称引起子光束在分开和重聚之间的等长的传播路径。因此，扫描光学系统 是消色差的，即，光源的波长以及其光谱分布并未影响产生的扫描信号的相位和调制度。
[0026] 此外，扫描光学系统(在其中形成干涉的子光束镜像对称地关于对称平面传播)还 可如此构造，即，在量具上存在扫描的所谓的中立的转动点。作为中立的转动点，在此表示 在空间中的这样的点，扫描单元或量具可围绕该点倾斜，而示出的位置值没有变化。两个子 光束在分开和重聚之间的经过的传播路径在围绕中立的转动点倾斜时保持相同。具有镜像 对称的子光路和在量具上的中立的转动点的此类扫描光学系统在下文中还被称为对称式V 形扫描光学系统。因此，该名称限定了所有的这样的扫描光学系统，其形成干涉的两个子光 束一方面镜像对称地关于对称平面传播，并且另一方面V形地射入到在量具上的共同的扫 描部位上，和/或从该扫描部位被量具V形地反射回。在此，仅仅两个子光束在量具上的碰撞 部位沿着刻度方向或沿着光栅矢量必须几乎相同，垂直于光栅矢量或沿着刻度线的刻度区 域的纵向方向的偏差无关紧要。
[0027] 除了两个子光束在量具上沿着光栅矢量具有相同或几乎相同的碰撞部位的此类 扫描光学系统之外，存在其他的对称的扫描光学系统，其中立的转动点处在量具上。在申请 人的欧洲专利申请EP14182781.6中概论了在扫描光学系统的任意的光路和中立的转动点 的相关的位置之间的关系。基于该说明可确定具有对称的光路的其他的扫描光学系统，其 中立的转动点位于量具上。所有的这种扫描光学系统在下文中还被称为对称式V形扫描光 学系统。
[0028] 在这种具有平行于量具表面的灵敏度矢量的对称式V形扫描光学系统的运行中， 扫描单元如此相对于具有刻度周期dM的量具取向，即，上文提及的对称平面垂直于量具表 面并且还垂直于量具的测量刻度的光栅矢量。这被称为扫描单元和量具的平行的取向。
[0029] 本发明的基本思想此时是，使这种对称式V形扫描光学系统或相关的对称平面以 确定倾斜角a围绕转动轴线倾斜，该转动轴线平行于量具的表面定向并且垂直于量具的测 量刻度的光栅矢量延伸，即，平行于测量刻度的刻度区域的纵向延伸方向。通过其他合适的 措施确保，扫描光路关于扫描单元与在未倾斜的状态中的扫描光路相同。除了选择合适的 倾斜角a之外，附加的措施包括选择测量刻度的合适的刻度周期以及选择合适的形成干涉 的子光束，其由在测量刻度处的不对称的衍射级产生。
[0030] 下面借助根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例详细说明基本思想。
[0031] 第一实施例 在图la、图lb和lc中以不同的视图示出了具有对称式V形扫描光学系统的已知的光学 位置测量装置的扫描光路。该扫描光学系统的灵敏度矢量在此平行于量具表面并且平行于 测量刻度的光栅矢量或第一刻度方向x定向；下面还应结合灵敏度矢量1的此类定向探讨 相应的位置测量装置的所谓的面内模式运行（in-plane-Betrieb)。在图la中示出了在xz平 面中的、从未示出的光源射入的光束S IN直至反射器23A、23B的光线走向的视图，在图lc中示 出了在相同的平面中的、从反射器23a、23b直至离开的信号光束Sciut (其具有叠加的子光束， 该子光束朝同样未示出的探测单元的方向上传播）的光线走向；图lb示出了在yz平面中的 完整的扫描光路。
[0032] 在附图中示出的光学位置测量装置包括:量具10,其沿着第一刻度方向x延伸；以 及扫描单元20,其至少沿着第一刻度方向x相对于量具10可运动地布置。量具10和扫描单元 20分别与在附图中未示出的物体相连接，例如与可相对彼此运动的机器构件运动。下属的 机器控制部借助于通过位置测量装置产生的扫描信号可控制机器构件的空间定位。
[0033] 量具10包括刻度载体11，在刻度载体的表面上布置有测量刻度12,其包括沿着第 一光栅矢量更确切地说沿着第一刻度方向x的周期性布置的刻度线式的刻度区域;刻度区 域的纵向延伸方向在附图中相应于y方向。测量刻度12在本实施例中构造为带有刻度周期 dM以及180°相位偏差的反射式相位光栅并且设置有周期性布置的刻度区域，其针对射入其 上的光线具有不同的移相效果。
[0034] 在扫描单元20的侧部上，在布置在扫描单元中的不同的光学元件的附图中仅示出 了透明的扫描板21以及布置在其上侧上的反射器23 A、23B或布置在其下侧上的扫描栅22A1、 2242、22^、228 2。而未示出光源以及探测单元，其原则上同样可布置在扫描单元20中。备选 地，但同样可行的是，这些元件在空间上放置成远离扫描单元20并且借助于光缆与扫描单 兀20连接，此时分别通过光缆传输射入的光束Sin或尚开的信号光束Sout。
[0035]如在下文中借助不同的扫描光路的详细说明中可见的那样，通过在扫描单元20中 布置和构造不同的光学元件相应保证引起这样的扫描光路，在其中形成干涉的子光束A、B 关于对称平面SE镜像对称地传播。在此，子光束或者V形地射入到量具10上和/或经历从量 具10的V形的背向反射。
[0036]从未示出的光源射入的光束SIN在通过透明的扫描板21之后垂直于量具10的测量 刻度12到达第一碰撞部位PM。在此引起分开成两个V形地朝扫描单元20背向反射的子光束 A、B。射入的光束Sin在此分开成对称的衍射级rui=+l和nBi=-l，并且由此分开到两个子光束 A、B中，其相对于射入的光束Sin的射入方向具有相同的衍射角或偏角Pa=0b。在此适用于：
其中： 0A:=子光束A相对于射入的光束的射入方向的偏角 :=子光束B相对于射入的光束的射入方向的偏角 入:=光波长度 dM:=测量刻度的刻度周期。
[0037] 分开的子光束A和B然后分别朝在透明的扫描板21的下侧上的第一扫描栅22ai和 22bi传播并且通过第一扫描栅。两个第一扫描栅22ai和22bi在此将多个光学功能集于一个共 同的衍射结构中。因此，子光束A、B在xz投影中（图la)分别再次通过反向平行于射入方向定 向的偏转效应又平行于光学轴线朝z方向转向。在yz投影中（图lb)，子光束A、B通过柱面透 镜功能聚焦到在扫描板21的上侧上的反射器23a、23b上，其中，仅仅垂直于测量刻度的光栅 矢量的方向x或沿着测量刻度的刻度方向x引起聚焦效果。如此偏转和聚焦的子光束A、B然 后相应碰到反射器23a、23b上并且在此经历朝量具10的方向的背向反射。在反射器23a、23b 处反射之后，两个子光束A、B通过两个第二扫描栅22a2、22b2,其同样布置中扫描板21的下侧 上。两个第二扫描栅22 42、22批兼有和两个第一扫描栅22A1、22B1等效的功能。因此，第二扫描 栅使子光束A、B又通过柱面透镜功能在yz投影中（图lb)再次准直，并且使子光束在xz投影 中（图lc)又返回地转向到在量具10更确切地说测量刻度12上的共同的碰撞部位P M'上。两 个子光束A、B在此V形地朝量具10的方向更确切地说朝第二碰撞部位Pm '的方向传播。在此， 子光束通过重新的衍射以对称的衍射级ru2=+l和nB2=-l叠加并且引起干涉，并且在信号光 束Sciut中朝扫描单元20和未不出的探测单元的方向传播，在那里由信号光束Sciut获得多个周 期性的移相的扫描信号。
[0038] 如由图la、图lb可见的那样，两个子光束A、B在分开和重聚之间镜像对称于对称平 面SE伸延，其在此与图lb的yz平面相同，并且相应在测量刻度12的相同的碰撞部位Pm或Pm' 处衍射。因此，扫描光学系统的中立的转动点在量具10上，也就是说，扫描光学系统是V形对 称的。形成干涉的子光束A、B关于对称平面SE镜像对称地传播，首先经历通过量具10的V形 的背向反射，并且然后V形地射到量具10上。
[0039]利用该位置测量装置产生的周期性的扫描信号的信号周期SP在示出的面内模式 运行中为SP=c!m/4。灵敏度矢量.篆_平行于测量刻度12的在方向x上伸延的光栅矢量定向。
[0040] 现在在图2a、2b和2c中示出了根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例，该 光学位置测量装置以所谓的面外模式运行工作，并且如由图2a、2c可见的那样相对于具有 量具表面倾斜的灵敏度矢量I。因此，可产生用于扫描单元和量具不仅沿着第一刻度方向x 或沿着测量刻度12的在x方向上定向的光栅矢量、而且沿着垂直于此的方向z的相对运动的 与位置相关的扫描信号。根据本发明的位置测量装置在此利用相同的扫描光学系统，即，相 同的扫描单元20,例如图la-lc的已知的位置测量装置。然而，不同于此，在此扫描单元20或 对称平面SE如由图2a和2c可见的那样布置成以倾斜角a围绕在y方向上的转动轴线倾斜;此 时，相应倾斜且因此垂直于对称平面SE地还布置有设置在扫描单元20中的扫描板21。相应 的转动轴线平行于量具10'的表面定向并且垂直于测量刻度12的在x方向上定向的光栅矢 量延伸。此外，根据本发明的位置测量装置的测量刻度12'的刻度周期d M'以dM'矣dM选择成 不同于上文阐述的图la-lc的位置测量装置的测量刻度12的刻度周期d M。此外，与在根据图 la-lc的传统的位置测量装置的情况下相比，还使用测量刻度12'的不同的产生的衍射级以 分开和叠加两个子光束A、B。扫描光路的走向在不同的光学元件的穿过和加载方面相应于 图la-lc的位置测量装置的说明的扫描光路。
[0041] 下面详细说明在根据本发明的位置测量装置和已知的图la-lc的装置之间的除了 倾斜角a之外还设置的不同。
[0042] 因此，在根据本发明的位置测量装置上示出的第一实施例中，子光束A两次以+3. 衍射级在测量刻度12 '处衍射(nA1=nA2=+3)，而子光束B两次以-1.衍射级(nB1=n B2=-l)转向。 倾斜角a和测量刻度12'的刻度周期dM'此时如此选择，即，扫描光学系统的光路除了对称平 面SE以倾斜角a倾斜之外保持与上面阐述的面内模式运行的光路相同。这就是说，在根据本 发明的位置测量装置的测量刻度12'处衍射时的衍射角或偏角仏'和IV必须与位置测量装 置在图1 a_l c的面内模式运行中的偏角0a=0b相同： .馬卑讀.《_感.蠢.(等式2) 其中： 0'a:=在面外模式(〇ut-〇f-plane-Betrieb)运行中子光束A相对于射入的光束的射入 方向的偏角 0'b:=在面外模式运行中子光束B相对于射入的光束的射入方向的偏角 0A:=在面内模式运行中子光束A相对于射入的光束的射入方向的偏角 0B:=在面内模式运行中子光束B相对于射入的光束的射入方向的偏角。
[0043] 在考虑到倾斜角a的情况下得到用于在具有刻度周期dM'的测量刻度12'处的、在 衍射级rudPn B冲的衍射的以下偏角以'和：
其中： a:=倾斜角 rui:=在测量刻度处的第一次衍射时的子光束A的衍射级 nB1:=在测量刻度处的第一次衍射时的子光束B的衍射级 入:=光波长度 d'M:=用于面外模式运行的测量刻度的刻度周期 0'a:=在面外模式运行中子光束A相对于射入的光束的射入方向的偏角 0B' ：=在面外模式运行中子光束B相对于射入的光束的射入方向的偏角。
[0044] 由等式l、2、3a和3b连同用于根据本发明的位置测量装置的以下条件4a、4b得到：
其中： a:=倾斜角 rui:=在测量刻度处第一次衍射时的子光束A的衍射级 nBi:=在测量刻度处第一次衍射时的子光束B的衍射级 入:=光波长度 d'M:=用于面外模式运行的测量刻度的刻度周期 dM:=用于面内模式运行的测量刻度的刻度周期。
[0045]等式4a、4b可根据倾斜角a和测量刻度的刻度周期dM'变成：
其中： d'M:=用于面外模式运行的测量刻度的刻度周期 a:=倾斜角 rui:=在测量刻度处第一次衍射时的子光束A的衍射级 nB1:=在测量刻度处第一次衍射时子光束B的衍射级 入:=光波长度 dM:=用于面内模式运行的测量刻度的刻度周期。
[0046] 等式58、513为任何不对称的一对衍射级]1\1、1^1(1^矣-1^)提供相关的倾斜角(1矣0和 刻度周期dM'矣dM，通过其保证扫描光路关于对称平面SE对称地伸延。对称平面SE相对于扫 描单元20保持没有改变，并且根据本发明相对于量具10'以围绕平行于量具10'并且垂直于 光栅矢量的方向x或第一刻度方向的转动轴线的倾斜角a倾斜布置。因此，两个子光束A、B的 行程长度保持一样长，并且扫描光学系统如要求的那样还在具有倾斜的灵敏度矢量f的面 外模式运行中是消色差的。这意味着，相同的消色差扫描光学系统或扫描单元20不仅可用 在已知的面内模式运行中，而且可用在根据本发明的面外模式运行中。因此，可双重利用相 应的扫描单元20,不再需要昂贵地开发专门针对面外模式运行优化的扫描光学系统。这例 如对于将利用两种运行方式的机械制造商来说显著简化了生产供应。
[0047]如期望的那样，等式5a、5b为对称的衍射级nA=_nB提供了普通的解决方案a=0,并且 图la-lc的已知的装置的面内模式运行的dM'=dM。
[0048] 当然，在测量刻度12'处产生衍射还可使用用于面外模式运行的衍射级的其他组 合，只要根据条件nAi=nA2矣-咖=-加2的组合是不对称的。除了上面说明的与rui=nA2=+3和加1= 加2=-1的组合之外，带有rui=nA2=+l和nBi=nB2=〇的不对称的衍射级的组合也特别有利。但原 则上也可使用其他的不对称的衍射级的组合，例如组合rui=nA2=_3和nBi=nB2=+l或rui=nA2=+l 和nB1=nB2=0等。测量刻度12'应针对面外模式运行优选地优化到用于产生信号的衍射级的 高的衍射效率上。
[0049] 在面外模式运行中，灵敏度矢量|以相对于量具表面并且相对于测量刻度12'的 在x方向上伸延的光栅矢量的倾斜角a倾斜，并且具有与在面内模式运行中相同的长度。这 意味着，用于沿着x方向的量具移动的产生的扫描信号的信号周期SP X'和用于在z方向上的 量具移动的产生的扫描信号的信号周期SPz'通过以下关系得到：
其中： SPX'：=用于沿着x方向的量具移动的产生的扫描信号的信号周期 SPZ'：=用于在Z方向上的量具移动的产生的扫描信号的信号周期 SP:=在面内模式运行中的相同的扫描光学系统的信号周期。
[0050] a:=倾斜角。
[0051]在下面的表1中总结了根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例的示例性的 值，其中，光波长度X=780nm，并且刻度周期dM=2wii(面内模式运行）：
第二实施例 在图3a和3b中在面外模式运行中、即在具有倾斜的灵敏度矢量|的运行中示出了根据 本发明的光学位置测量装置的第二实施例的扫描光学系统。类似于第一实施例的图示，在 图3a中示出了在xz平面中从光源121直至反射器126a、126 B的光线走向，在图3b中示出了在 ^平面中从反射器1264、1268至探测单元的探测器128.1-128.3的光线走向。
[0052]整个扫描光学系统或扫描单元120和因此对称平面SE又以倾斜角a围绕转动轴线 倾斜。转动轴线如在在前的实施例中那样定向，即，平行于量具并且垂直于测量刻度112 '的 在x方向上伸延的光栅矢量。因此，转动轴线在图3a、3b中垂直于图面。作为测量刻度112'， 同样又设置有具有180°相位偏差的反射式相位光栅。
[0053]从光源121 (例如激光二极管）发出的光束借助于准直光学系统122准直并且通过 分裂镜123分成两个子光束A、B。两个子光束A、B在通过换向元件124A、124B换向后V形地朝在 量具110 '测量刻度112 '上的共同的碰撞部位PM的方向上传播。在此，子光束以+3.级(子光 束A;rui=+3)和-1 ?级(子光束B;nBi=-l)反射地衍射并且经历朝扫描单元120的方向上的V形 的背向反射。在扫描单元120中，子光束A、B于是第一次穿过透镜125 A、125B并且紧接着碰到 布置在透镜125a、125b的焦平面中的反射器126a、126b上。子光束通过反射器126a、126b朝射 入方向上V形地背向反射并且然后第二次穿过透镜125 A、125B。因此，通过透镜125A、125B与 反射器126 A、126B的组合实现子光束A、B反向平行地回射回至在测量刻度112'上的共同的碰 撞部位Pm'。在此，子光束A、B重新以+3.级(子光束A;n A2=+3)和-1.级(子光束B;nB2=-l)衍射， 并且然后通过换向元件124 A、124B传播回到分裂镜123,其将两个子光束A、B叠加成一个信号 光束。其他的三个分裂镜127.1、127.2、127.3将具有叠加的子光束的信号光束紧接着分别 转向到探测单元的探测器128.1、128.2、128.3上，其产生多个周期性的有相移的扫描信号。 [0054]在扫描信号之间的例如120°的必要的相移通过在图3a和3b中未示出的附加的光 极化构件实现。为此使两个子光束A、B在其叠加之前在分裂镜123中彼此正交地极化。例如 可为此相应将V4-小板插入到子光束A、B的光路中，子光束相应两次通过小板。就在探测器 128.1、128.2、128.3之前还安装有起偏镜，其定向确定了相关的扫描信号的相位，从而通过 起偏镜可设定期望的相位。
[0055]类似于根据本发明的位置测量装置的在前的实施例，在第二实施例中，扫描单元 120或对称平面SE的倾斜角a和在量具110'上的测量刻度112'的刻度周期dM'也受限定地来 选择。这如此进行，即，如果对称平面SE垂直于量具110 '的表面定向，在面外模式运行中引 起如同在此类扫描单元120的面内模式运行的情况中一样的、相对于倾斜的扫描单元120的 相同的光路。
[0056] 在此，类似于上述等式1，在根据用于子光束A和B的偏角0A1=eB1和0 A2=0B2的第二实 施例的扫描单元120的面内模式运行的情况下，适用于以下关系： 其中：
:=在面内模式运行中射到测量刻度上的子光束A相对于对称平面的偏角 0A2:=在面内模式运行中通过测量刻度衍射的子光束A相对于对称平面的偏角 入:=光波长度 dM:=用于面内模式运行的测量刻度的刻度周期 类似于上述等式2,对于本实施例必须适用的是： Al ? fe. ? ? fe (#J^8a) 赢2:. 錢2: *爲$ ^(等式8b) 其中： ftu:=在面内模式运行中射到测量刻度上的子光束A相对于对称平面的偏角 以2:=在面内模式运行中通过测量刻度衍射的子光束A相对于对称平面的偏角 fe1:=在面内模式运行中射到测量刻度上的子光束B相对于对称平面的偏角 :=在面内模式运行中通过测量刻度衍射的子光束B相对于对称平面的偏角 0'M :=在面外模式运行中射到测量刻度上的子光束A相对于对称平面的偏角 0'A2:=在面外模式运行中通过测量刻度衍射的子光束A相对于对称平面的偏角 在面外模式运行中射到测量刻度上的子光束B相对于对称平面的偏角 0 ' B2:=在面外模式运行中通过测量刻度衍射的子光束B相对于对称平面的偏角。
[0057]在测量刻度112'处的衍射通过以下等式9a、9b来说明：
其中： 0'M:=在面外模式运行中射到测量刻度上的子光束A相对于对称平面的偏角 0'A2:=在面外模式运行中通过测量刻度衍射的子光束A相对于对称平面的偏角 在面外模式运行中射到测量刻度上的子光束B相对于对称平面的偏角 P'B2:=在面外模式运行中通过测量刻度衍射的子光束B相对于对称平面的偏角 a:=倾斜角 rui:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束A的衍射级 nBi:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束B的衍射级 入:=光波长度 d'M:=在面外模式运行中的测量刻度的刻度周期。
[0058] 等式7a、7b、8a、8b、9a、9b可如下来概括：
其中： :=在面内模式运行中射到测量刻度上的子光束A相对于对称平面的偏角 a:=倾斜角 rui:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束A的衍射级 nBi:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束B的衍射级 入:=光波长度 d'M:=在面外模式运行中的测量刻度的刻度周期 等式10a、10b可根据用于面外模式运行的倾斜角a和测量刻度112'的刻度周期dM'如下 变成：
其中： :=在面内模式运行中射到测量刻度上的子光束A相对于对称平面的偏角 a:=倾斜角 rui:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束A的衍射级 nBi:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束B的衍射级 入:=光波长度 d'M:=在面外模式运行中的测量刻度的刻度周期 根据等式lla、llb确定的倾斜角a和测量刻度112'的刻度周期dM'保证了子光束A、B的 光线走向在面外模式运行中也是对称的，其中，对称平面SE又相对于扫描单元120保持不 变。两个子光束A、B的行程长度保持一样长。倾斜角a的符号可通过交换n A1和nB1的值转变， 测量刻度112'的刻度周期dM'的值在此保持相同。因此，扫描单元120可在两个倾斜位置+a 和中结合相同的量具110'使用。
[0059] 等式11a和lib尤其呈现了等式5a和5b的一般化情况并且在0A1=O的情况下与等式 5a和5b相同。
[0060]在该实施例中，还可针对面外模式运行使用用于在测量刻度112'处的衍射的衍射 级的其他的不对称的组合。
[0061] 在面外模式运行中，灵敏度矢量|又以相对于量具表面的角度a倾斜，并且具有和 在在面内模式运行中相同的长度。这意味着，用于沿着x方向的量具移动的信号周期SP X'和 用于在z方向上的量具移动的信号周期SP/又通过等式6a和6b得到。
[0062] 在下面的表2中总结了在在面内模式运行中用于第二实施例的示例性的值，其中， 光波长度X=780nm，射入角0 A1=0B1=3O°，并且测量刻度的刻度周期dM=lym。
[0063] 表 2
由等式8a、8b、9a和9b还可在面外模式运行中由射到测量刻度112'上的或通过测量刻 度112'衍射的子光束A相对于对称平面SE的预定的偏角ph或在没有参考在面内模式 运行中的参数的情况下得出倾斜角a和刻度周期d M'：
其中： 0'M:=在面外模式运行中射到测量刻度上的子光束A相对于对称平面SE的偏角 0'A2:=在面外模式运行中通过测量刻度衍射的子光束A相对于对称平面SE的偏角 a:=倾斜角 rui:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束A的衍射级 nBi:=在面外模式运行中在测量刻度处第一次衍射时的子光束B的衍射级 入:=光波长度 d'M:=在面外模式运行中的测量刻度的刻度周期 第三实施例 在图4a、4b在面外模式运行中、即有在具有倾斜的灵敏度矢量|的运行中示出了根据 本发明的光学位置测量装置的第三实施例的扫描光学系统。图4a示出了在xz平面中的扫描 光路中的完整的光线走向，图4b示出了在yz平面中的光线走向。
[0064]在此，扫描光学系统或扫描单元220和因此对称平面SE也以倾斜角a围绕转动轴线 倾斜地布置，其中，转动轴线如在在前的实施例那样定向。扫描板223又如在第一示例中那 样垂直于对称平面SE布置。作为测量刻度212'，设置有反射式相位光栅。测量刻度212'的光 栅矢量或第一刻度方向又平行于x方向定向。
[0065]通过光源221 (例如构造为激光二极管)发出的光束通过准直光学系统222准直并 且转向到量具210'的测量刻度212'上。在此，光束为转向地通过透明的扫描板223。测量刻 度212 '将射入的光束分成+3.衍射级(子光束A;nA1=+3)和-1.衍射级(子光束B;nB1=-l)，更 确切地说分成子光束A和B，其V形地朝扫描单元220的方向上背向反射。在扫描单元220中， 子光束A、B然后相同通过扫描栅224a、224b。两个扫描栅224a、224b在本实施例中布置在扫描 板223的上侧上，其背对量具210 '定向。子光束A、B在扫描栅224a、224b处经历-1.级和+1.级 的衍射，并且如此朝对称轴线SE的方向上转向。转向的子光束A、B然后朝结构化的光电探测 器225的方向上传播，子光束在此叠加和干涉。由于干涉，在探测平面中出现条纹，其通过结 构化的光电探测器225探测并且转变成多个周期性的有相移的扫描信号。
[0066]倾斜角a和测量刻度122'的刻度周期dM'在实施例中还根据上面等式5a、5b选择。 光线走向又对称于对称平面SE，其与扫描单元220以倾斜角a围绕y方向上的转动轴线倾斜 地布置。灵敏度矢量也以倾斜角a倾斜。等式6a、6b还为该实施例提供了用于在x和z方向 上的量具移动的信号周期 SPx、SPz。
[0067] 除了利用用于子光束A、B的+3.、_1.衍射级之外，备选地，还可利用用于产生子光 束A、B的在测量刻度212 '处的不对称的衍射级+1和0 (nA1=+1，nB1=0)等。
[0068] 在图5中示出了根据本发明的光学位置测量装置的第三实施方式的第一变体。图5 示出了具有根据上面阐述的第三实施例的两个扫描单元320.1、320.2的位置测量装置。两 个扫描单元320.1、320.2彼此机械地固定地相连接并且用于光学地扫描唯一的或共同的量 具310'。第一扫描单元320.1以倾斜角+a倾斜围绕在y方向上的第一转动轴线布置;而第二 扫描单元320.2以倾斜角-a围绕同样在y方向上定向的第二转动轴线倾斜布置，其平行于第 一转动轴线定向。相关的灵敏度矢量爲或每对称于测量刻度312'的在x方向上伸延的光栅 矢量倾斜。结构和扫描光路在两个扫描单元320.1、320.2中分别相应于上面阐述的第三实 施例。
[0069] 在该变体中，扫描单元320.1、320.2在输出侧提供位枏和其根据下面的等 式12a、12b得到：
其中： 也:=第一扫描单元的位相 :=第二扫描单元的位相 SPX'：=用于沿着x方向的量具移动的产生的扫描信号的信号周期 SPZ'：=用于在z方向上的量具移动的产生的扫描信号的信号周期 A Xm :=量具在x方向上的移动 A Zm:=量具在z方向上的移动。
[0070] 通过两个扫描单元320.1、320.2的位相〇 1和〇 2的相加和相减可独立地确定两个 扫描单元320.1、320.2相对于量具310 '的z位置和x位置lx:
其中： lx :=两个扫描单元相对于量具的X位置 U:=两个扫描单元相对于量具的Z位置 ? 1:=第一扫描单元的位相 o2:=第二扫描单元的位相 SPX'：=用于沿着x方向的量具移动的产生的扫描信号的信号周期 SPZ'：=用于在z方向上的量具移动的产生的扫描信号的信号周期。
[0071] 在图6中示出了根据本发明的光学位置测量装置的第三实施方式的第二变体。图6 示出了测量组件，其在扫描侧包括根据在图5中的变体的三对扫描单元420.1-420.6。借助 于三对扫描单元420.1-420.6扫描在量具410 '上的测量刻度412'，量具构造为二维的交叉 光栅并且因此具有两个共线的光栅矢量，并且由此具有第一刻度方向和第二刻度方向，其 在图6中平行于x和y方向定向。所有的六个扫描单元420.1-420.6在此彼此刚性地相连接。
[0072] 扫描单元对420.1/420.2、420.3/420.4以及420.5/420.6如在图5中那样相应对向 地以倾斜角a倾斜布置。扫描单元对420.1/420.2和420.3/420.4相应对在x和z方向上的相 对运动敏感，扫描单元对420.5/420.6对在y和z方向上的相对运动敏感。扫描单元420.1/ 420.2、420.3/420.4、420.5/420.6中的每对允许确定交叉光栅测量刻度相对于扫描单元 420.1-420.6的z位置。在此，用于z位置的测量的有效的测量位置相应在在每对扫描单元之 间的中间。因此，量具410'的z位置在三个不同的并且不共线的位置处确定。附加地，第一两 个扫描单元对420.1/420.2和420.3/420.4分别提供量具410 '的x位置，其测量位置在y方向 上是不同的并且允许确定量具410 '围绕z轴线的倾斜Rz。扫描单元对420.5/420.6还提供量 具410'的y位置。因此，利用扫描单元420.1-420.6的组件可确定量具410'在所有的六个自 由度x、y、z、Rx、Ry、Rz中的位置。显然，可在需要时还利用相应更少数量的扫描单元仅确定 自由度的子集。
[0073] 除了阐述的实施例之外，在本发明的范围中显然还存在其他的设计可能性方案。
【主权项】
1. 一种用于探测相对彼此运动的两个物体的位置的光学位置测量装置，具有 -量具，其与两个物体中的一个相连接并且包括测量刻度，该测量刻度具有沿着至少一 个第一刻度方向（X)周期性地布置的刻度区域，以及 -扫描单元，其具有多个光学元件，该扫描单元相对于量具可运动地布置，其中，通过布 置和构造扫描单元的光学元件引起扫描光路，在其中形成干涉的子光束关于对称平面镜像 对称地传播并且或者V形地射到量具上和/或通过量具经历V形的背向反射， 其特征在于， 对称平面(SE)以限定的倾斜角(α)围绕转动轴线倾斜，其平行于量具（10'；110'；210'； 310' ； 410'）的表面定向并且垂直于第一刻度方向（X)延伸。2. 根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，测量刻度（12'； 112'；212'； 312' ；412'）的刻度周期(dM)和倾斜角（α)如此选择，g卩，在扫描单元(20; 120;220;320.1、 320.2;420.1-420.6)中的扫描光路与在未倾斜的状态中的扫描光路相同，在该状态中，对 称平面(SE)垂直于量具（10' ；110' ；210' ；310' ；410'）的表面定向。3. 根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，子光束(A、B)形成干涉，其由 在测量刻度(12' ； 112' ；212' ；312' ；412'）处的不对称的衍射级引起。4. 根据权利要求3所述的光学位置测量装置，其特征在于，子光束(A、B)形成干涉，其由 在测量刻度（12' ；112' ；212' ；312' ；412'）处的衍射级的以下组合之一引起： +3./-1.衍射级， +1./0.衍射级 -3./+1.衍射级， -1./0.衍射级。5. 根据权利要求3所述的光学位置测量装置，其特征在于，测量刻度（12'； 112'；212'； 312'；412'）构造为反射式相位光栅，其优化到用于产生信号的衍射级的高的衍射效率上。6. 根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，扫描单元（20 ; 220 ; 320.1、 320.2; 420.1-420.6)包括带有多个光学元件的至少一个扫描板(21; 223; 323.1，323.2 )，其 中，扫描板(21; 223; 323.1，323.2)垂直于对称平面(SE)布置。7. 根据上述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，布置在扫描 单元(20)中的扫描板(20)构造成透明的，并且在其面向量具（10'）的侧部上布置有两个第 一扫描栅和两个第二扫描栅(22&1、2242、2281、2282)，并且两个反射器(234、238)布置在扫描 板(21)的与此相反的侧部上，其中，反射器(23a、23b)的起反射作用的侧部朝量具（10'）的方 向上定向。8. 根据权利要求7所述的光学位置测量装置，其特征在于，扫描单元(20)如此构造，即， 由光源发出的光束(Sin) -碰到测量刻度（12'）上，在此分成两个V形地朝扫描单元（20)背向反射的子光束(A、 B)，其相应于两个不同的衍射级， -两个背向反射的子光束(A、B)在扫描单元(20)中朝两个反射器(23a、23b)的方向上通 过两个第一扫描栅(22A1、22B1)，并且在此经历反向平行于射入方向定向的偏转效应以及仅 垂直于第一刻度方向（X)的聚焦作用， -如此转向和聚焦的子光束（A、B)然后分别碰到反射器（23a、23b)上并且经历朝量具 (10'）的方向上的背向反射， -两个背向反射的子光束(A、B)然后朝量具（10'）的方向上通过两个第二扫描栅(22A2、 22B2)，并且在此经历在第一刻度方向（X)的偏转效应以及仅垂直于第一刻度方向（X)的准直 效应，从而两个子光束(A、B)此时V形地朝量具(10'）的方向上传播， -在此引起叠加的子光束(A、B)朝扫描单元(20)的方向上的重新的衍射和背向反射。9. 根据权利要求1-5中至少一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，扫描单元 (120)包括至少一个分裂元件（123)、两个换向元件（124a、124b)、两个反射器（126a、126b)以 及两个透镜（125a、125b)。10. 根据权利要求9所述的光学位置测量装置，其特征在于，扫描单元（125)如此构造， SP，由光源（121)发出的光束 -通过分裂元件（123)分成两个子光束(A、B)，其然后分别朝换向元件（124a、124b)的方 向上传播， -子光束(A、B)通过换向元件（124a、124b)经历换向，从而其V形地朝在测量刻度（112'） 上的第一碰撞部位(Pm'）的方向上传播， -子光束(A、B)在测量刻度（112'）上的第一碰撞部位(Pm'）分别经历第一衍射和朝在扫 描单元（120)中的透镜（125a、125b)和反射器（126a、126b)的方向的V形的背向反射， -子光束(A、B)第一次通过透镜（125a、125b)，被反射器（126a、126b)在射入方向上V形地 背向反射，并且第二次通过透镜（125a、125b)， -子光束然后在第二碰撞部位(Pm'）加载测量刻度(112'）并且分别经历第二衍射和朝扫 描单元(120)中的换向元件（124a、124b)的方向的V形的背向反射。11. 根据权利要求1-6中至少一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，扫描单元 (220)包括至少一个透明的扫描板（223)以及结构化的光电探测器（225)，其中，在扫描板 (223)的面向射入的光束的侧部上布置有第一扫描栅和第二扫描栅(224a、224b)。12. 根据权利要求11所述的光学位置测量装置，其特征在于，扫描单元(220)构造成，由 光源(221)发出的光束 -不受影响地通过扫描板(223)，并且然后碰到测量刻度(212'）上，在此分成两个V形地 朝扫描单元(220)背向反射的子光束(A、B)，其相应于两个不同的衍射级， -两个背向反射的子光束(A、B)在扫描单元(220)中分别通过两个扫描栅(224a、224b)中 的一个并且在此经历朝对称平面(SE)的方向上的偏转效应，并且然后朝结构化的光电探测 器(225)的方向上传播，子光束在此干涉性地叠加。13. 根据权利要求11所述的光学位置测量装置，其特征在于，相同构造的第二扫描单元 (320.2)与扫描单元(320.1)机械地固定地相连接，其中，两个扫描单元(320.1、320.2)以相 同的角度值、但在相反的方向上围绕关联的彼此平行定向的转动轴线倾斜布置。14. 测量组件，其特征在于，测量刻度(412'）构造为二维的交叉光栅，其包括沿着第一 刻度方向和第二刻度方向（x，y)的周期性布置的刻度区域并且具有根据权利要求13所述的 三对位置测量装置，其中，两对平行于第一刻度方向（X)布置，而第三对平行于第二刻度方 向(y)布置。
【文档编号】G01B11/00GK105910533SQ201610097949
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年2月23日
【发明人】W.霍尔扎普费尔
【申请人】约翰内斯·海德汉博士有限公司