CN101071059B - 光学位置测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学位置测量装置，用于检测在至少一个测量方向上彼此相对运动的两个对象的位置。为此所述位置测量装置包含量具，所述量具与两个对象的一个连接，并且所述量具具有在测量方向上延伸的增量分度以及至少一个在基准位置处的基准标记。所述基准标记由具有位置可变的分度周期的结构构成。此外所述位置测量装置包含取样单元，所述取样单元与两个对象的另一个连接，其中所述取样单元具有取样装置，所述取样装置用于在基准位置处产生至少一个基准信号。所述基准标记具有在增量分度的分度周期范围内的平均分度周期。
Description
技术领域
本发明涉及光学位置测量装置，用于检测在至少一个测量方向上彼此相对运动的两个对象的位置。
背景技术
所属的光学位置测量装置从申请人的EP 513 427 B1中公知。所述光学位置测量装置适用于检测在至少一个测量方向上彼此相对运动的两个对象的位置。为此公知的位置测量装置包含量具，所述量具与所述两个对象中的一个连接。所述量具具有在测量方向上延伸的增量分度以及至少一个在基准位置上的基准标记。在此所述基准标记由具有位置可变的分度周期的结构构成，也就是说，所述基准标记由包含多个不同的分度周期的结构构成。这种结构也称为所谓的线性调频(gechirpt)分度结构或者线性调频光栅。此外所述位置测量装置还包含取样单元，所述取样单元与所述两个对象的另一个连接并且具有取样装置，所述取样装置用于通过沿测量段对所述增量分度和基准标记光学取样来产生至少一个依赖于位移的增量信号以及至少一个在基准位置上的基准信号。
从EP 513 427 B1中所公知的位置测量装置基于一种所谓的干涉取样原理。增量信号和基准信号形式的依赖于位移的取样信号在此从多个分光束的相长的和相消的叠加得出，所述多个分光束在量具和取样单元相对运动的情况下得出依赖于位移的相移。以此方式和方法可以得到关于这两个对象的相对位置的高分辨率位置信息。
通常在这样的系统中如此选择基准信号的所得出的脉冲宽度，使得该脉冲宽度对应于增量信号的所得出的信号周期。为了保证这一点，必须按与增量分度的分度周期(Teilungsperiode)TPINC的所定义的或者固定的比例来选择基准标记的位置可变的分度周期TPREF。在实践中，被实施为线性调频光栅的基准标记的所选取的分度周期TPREF典型地在1.5＊TPINC和5＊TPINC之间的范围内延伸：在该方面除了上述的文献以外还可以参阅申请人的DE 197 48 802 A1，该文献公开了线性调频基准标记的这种标注尺寸规则。这意味着所述线性调频基准标记(Referenzmarkierung)的分度周期TPREF通常明显地大于增量分度的分度周期TPINC。就对入射到其上的光束的光学作用而言，这意味着用于产生基准信号的光束的所得出的衍射或者偏转角明显地小于用于产生增量信号的光束的所得出的衍射角。但是，为产生基准信号所使用的分光束的较小的偏转角在确定的取样原理的情况下又引起问题。从而有例如如在DE 101 44 659 A1中所公开的光学位置测量装置，所述光学位置测量装置要求入射到量具上的和由其偏转的分光束的空间分离。在为产生基准信号所使用的分光束的非常小的偏转角的情况下，这只有在选择在量具与取样单元之间的非常大的取样间距时才能得到保证。在位置测量装置的装配容差(Anbautoleranz)方面，大的取样间距又是有缺点的；此外，大的取样间距有时在取样单元中要求高耗费地准直光源。
发明内容
因此本发明的任务是，提出一种光学位置测量装置，所述光学位置测量装置能够在小的取样间距的情况下借助于线性调频基准标记产生基准信号。
根据本发明，该问题通过具有下述特征的光学位置测量装置解决。
如本发明所述的位置测量装置的有利的实施方式由本申请提出的其它措施得出。
根据本发明，现在在增量分度的分度周期的范围内为光学位置测量装置的基准标记选择线性调频分度结构的平均分度周期，也就是说相对于现有技术因此选择线性调频分度结构的明显小的平均分度周期。由此确保用于产生基准信号的分光束的所得出的偏转角大得足以保证入射到所述量具上的和所偏转的分光束的空间分离。这样现在还可以在由于上文所述的问题而原本不允许这一点的取样原理情况下使用线性调频基准标记。
在此，用于检测在至少一个测量方向上彼此相对运动的两个对象的位置的本发明光学位置测量装置包含：
-量具，所述量具与两个对象的一个连接，并且所述量具具有在测量方向上延伸的增量分度以及至少一个在基准位置上的基准标记，其中所述基准标记由具有位置可变的分度周期的结构构成，
-取样单元，所述取样单元与两个对象的另一个连接并且包含取样装置，所述取样装置用于在基准位置处产生至少一个基准信号，其中
-基准标记具有在增量分度的分度周期范围内的平均分度周期。
优选地在所处的以下范围内选择基准标记的平均分度周期TPREF，m：
0.5＊TPINC ≤TPREF，m≤1.5＊TPINC，
其中：
TPINC：＝增量分度的分度周期
TPREF，M：＝基准标记的平均分度周期。
在有利的实施形式中如下选择基准标记的分度周期的频率的平均频谱宽度：
ΔfREF＝0.6＊fINC，
其中：
fREF：＝1/TPREF
fINC：＝1/TPINC。
可以如此地构造所述取样装置，使得经由其可以产生多个可进一步处理的、相移的分基准信号。
例如能够产生分别相互相移360°/N的N个分基准信号，其中选择N＝3或者N＝4。
优选地在所述取样装置之后布置信号处理电子电路，以从分基准信号中在基准位置处产生所定义的基准信号。
例如如此地构造所述信号处理电子电路，使得可以从所述分基准信号中产生最大基准信号以及最小基准信号，并且可以把这些信号以差分方式电路连接，使得在基准位置上得出基准信号。
在另一个有利的实施形式中，用于产生基准信号的取样光路基本上与用以产生增量信号的取样光路走向相同。在此，为了在所述量具上产生基准信号而设置由具有位置可变的分度周期的结构所构成的基准标记，所述基准标记具有对沿测量方向的分光束的不同的偏转作用。为了产生所述增量信号而在所述量具上布置在测量方向上周期性的增量分度，所述增量分度具有恒定的分度周期。
在此，优选地如此地构造所述量具，使得在所述量具上衍射的分光束经历这种产生分光束分离的偏转。
本发明原则上既可以以与旋转的测量装置结合的方式实现、也可以以与线性测量装置结合的方式实现。此外根据本发明既可以实现入射光取样布置也可以实现透射光取样布置。
附图说明
本发明的其它优点和细节从借助于附图对实施例的以下说明中得出。在此：
图1示出在如本发明所述的光学位置测量装置的实施例中的取样光路的示意图；
图2示出图1的位置测量装置的量具的俯视图；
图3a和3b分别示出在图1中的位置测量装置的所采用的取样板的上侧和下侧的俯视图；
图4示出包括用于说明对分基准信号的可能分析的不同信号的适当的信号处理电子电路的示意图；
图5a和图5b分别示出在如本发明所述的基准标记中以及在如现有技术所述的基准标记中的分度频率的频谱的图示。
具体实施方式
根据图1、2以及3b、3b下面说明如本发明所述的位置测量装置的第一实施例，尤其是设置于其中的取样光路。图1以示意的形式用透视图示出该例子的取样光路。图2示出所使用的量具的俯视图，图3a和3b各示出所采用的取样板的上侧和下侧的俯视图。
在此应当指出，在所使用的增量分度的分度周期范围中的基准标记的平均分度周期的如本发明所述的标注尺寸当然不限于该实施例的下面所述的光学取样原理。在基准信号产生方面的本发明措施因此也可以用在可替代的取样光路情况下。
在所示的实施例中，如本发明所述的位置测量装置被构造为入射光长度测量设备并且包含以相对量具10在测量方向x上运动的方式布置的取样单元20。量具10和取样单元20例如与以在测量方向x上彼此可移动方式布置的两个对象(譬如两个相互运动的机器零件)连接。通过如本发明所述的位置测量装置的所产生的依赖于位置的输出信号(增量信号、基准信号)，后置的控制单元可以以已知方式和方法适当地控制所述机器零件的运动。
在此例中量具10包含线性增量分度11，所述增量分度11布置在分度载体13上。所述增量分度由在测量方向x上周期性布置的分区域11.1、11.2组成，所述分区域具有在分度平面中在y方向上延伸的不同的光学特征。在此所示实施形式的分区域11.1、11.2对由之所反射的光束具有不同的相移作用。这就是说量具10被构造为所谓的入射光或者反射相位光栅；入射到其上的光束以+1.和-1.衍射级被反射。
被取样的量具10的增量分度11具有在测量长度上恒定的分度周期TPINC；所述分度周期被定义为具有不同光学作用的两个相邻分区域11.1、11.2的在测量方向x上所得出的宽度。在一个可能的实施形式中选择TPINC＝2μm。
在量具10的侧面上，在双侧相邻于具有增量分度11的痕迹(Spur)分别在分度载体13上在基准位置XREF处布置基准标记12.1、12.2；原则上当然还可以在多个基准位置处布置相应的基准标记。所述基准标记12.1、12.2如同增量分度11那样同样被构造为入射光相位光栅并且由交替布置的分区域12.1a、12.1b、12.2a、12.2b的结构构成，所述分区域12.1a、12.1b、12.2a、12.2b对所反射的光束具有不同的相移作用。
然而，如在图1和2中示意性示出并且在下文中还要详细说明的那样，不同于增量分度11，基准标记12.1、12.2在测量方向x上具有位置可变的分度周期TPREF。因此，所述基准标记12.1、12.2被构造为所谓的线性调频分度结构，其平均分度周期TPREF，m根据本发明在增量分度11的分度周期TPINC的范围内选择。因此，在典型例子中选择TPREF，m≡TPINC≡2μm。
为了产生周期性增量信号形式的依赖于位移的输出信号和在至少一个所定义的基准位置XREF上的至少一个基准信号，在取样单元20中布置一系列组件，为了简化把所述组件总称为取样装置。在此例中，属于取样装置的譬如有光源、带有起不同的光学作用的元件(如光栅和反射器)的取样板以及光电子探测器元件。在可替代的实施形式中，取样装置的不同组件当然可以改变。下面根据所示的实施例的不同取样光路的描述来说明所述取样装置的不同元件的共同作用。
增量信号的产生
从光源21(譬如激光二极管)发射出的光束首先通过准直光学系统22被转换成具有平行光路的光束。经准直的光束或者说其至少一部分然后在不偏转地通过所述取样板的上侧23的分离光栅23.1和所述取样板的下侧24的窗口区域24.11之后第一次在区域B1中射到量具10的增量分度11上。在那里分裂成+1.和-1.衍射级，其再朝取样单元20的方向被反射回。在取样单元20中，被反射的分光束到达带有弯曲的光栅线的透射取样光栅24.7、24.9上，所述光栅线布置在取样板的下侧24上。在图1中对取样板只示意地示出具有布置于其上的光学组件的上和下侧23、24。从测量方向x看，通过取样光栅24.7、24.9使相应透射的分光束平行于光轴沿z方向对准或者说偏转；与之垂直地、也就是说在y方向上进行透射的分光束的聚焦。
这样聚焦和偏转的分光束然后到达平坦的反射器面23.2、23.3上，所述平坦的反射器面被布置在取样板的上侧23处并且在取样光栅24.7、24.9的焦点中。由那里产生朝取样板的下侧24的方向或者说朝量具10的方向的回反射。由反射器面23.2、23.3所反射的分光束在取样板的下侧24上到达带有重又弯曲的光栅线的其它透射取样光栅24.8、24.10。通过所述取样光栅24.8、24.10重新进行透射的分光束在y方向上的准直、以及透射的分光束在测量方向x上与原来的入射方向相反的偏转。
接着，分光束在区域B2中第二次射到量具10的增量分度11上并且在那里重新朝取样单元20方向以+1.和-1.衍射级被反射。
如此从增量分度11第二次反射的分光束随后朝取样单元20的方向共线地传播并且在那里射到所述取样板的下侧24的分裂光栅24.12上。通过所述分裂光栅24.12按公知的方式和方法分光束的干涉对在空间上分裂成+1./0./-1.衍射级。最后，沿不同空间方向传播的干涉分光束对在通过取样板的上侧23的区域23.4中的适当的孔之后由三个探测器元件25.4、25.5、25.6检测并且被转换成依赖于位移调制的、相移120°的电流信号或者说增量信号。
为了能够产生120°的增量信号相移，两个干涉分光束穿过在图1中未示出的λ/4小板。通过该λ/4小板把原来的线性偏振的(激光)分光束转换成左和右圆偏振的分光束。在两个分光束叠加以后得到重又线性偏振的光束。其偏振方向在取样单元20和量具10的相对运动的情况下旋转。同样在图1中未示出的在探测器元件25.4、25.5、25.6之前的适当取向的起偏振器能够把电流信号的相移调节为各120°。干涉信号的这样的并且必要时还有可替代的分析方法在原理上是公知的，所以为了简化在图1中没有示出为此所要求的组件。
以公知的方式和方法可以由后置的未示出的控制单元或者说随动电子电路进一步处理如此所产生的增量信号。
基准信号的产生
如以下要说明的，在本例中在用于产生基准信号的取样光路基本上与用于产生增量信号的取样光路走向相同。准确地说在本例中应当讨论所产生的三个分基准信号，所述三个分基准信号然后通过适当的信号处理电子电路进一步处理成原本所希望的基准信号；下面为了简化只讨论基准信号。
从光源21发来的光束在通过准直光学系统22准直以后到达取样板的上侧23的分离光栅23.1上。分离光栅23.1引起准直的入射光束的分割。如前所述，分割的光束的一部分用于产生增量信号，而另一部分用于产生基准信号。
被准直的光束的用于产生基准信号的部分由分离光栅23.1朝取样板的下侧24的偏转光栅24.1的方向偏转。偏转光栅24.1如下引起透射分光束的偏转，即所述分光束以平行于光轴的方式被对准，并且入射到量具10的第一基准标记12.1上。
从第一基准标记12.1起，用于产生基准信号的另一取样光路原则上如同用于从分光束第一次射到增量分度11的区域B1中起产生增量信号的取样光路那样走行。
在此，从基准标记12.1以+1.和-1.衍射级朝取样单元10的方向将所述分光束反射回。因为基准标记12.1的线性调频构造，在此以-1.衍射级反射的分光束在测量方向x上稍发散地发出，以+1.衍射级反射的分光束相反在测量方向x上稍收敛地发出。然后所述分光束射到取样光栅24.3、24.6上，所述取样光栅24.3、24.6布置在取样板的下侧上并且具有重又弯曲的光栅线。由取样光栅24.3、24.6，透射的分光束像用于产生增量信号的前述分光束那样被偏转和聚焦。在此稍有改变的偏转作用在测量方向x上平衡入射分光束的轻微发散或者收敛。然后在测量方向x上完全准直透射的分光束。接着所述透射的分光束射到取样板的上侧23的平坦的反射器面23.2、23.3上。从这里进行朝取样板的下侧24的方向的回反射，其中将穿过其它的取样光栅24.4、24.5。通过具有重又弯曲的光栅线的所述取样光栅24.4、24.5如前所述进行分光束在y方向上的准直以及分光束在测量方向x上与原来的入射方向相反的偏转。在此在测量方向x上又出现稍发散和收敛的分光束。在第二基准标记12.2的区域中，分光束第二次射到量具10上并且在那里重又以+1.和-1.衍射级朝取样单元方向被反射。第二基准标记12.2以与第一基准标记12.1相同的方式被构造。
在第二基准标记12.2的区域中在第二次反射和衍射以后，干涉分光束最后还在该取样光路中共线地朝取样单元20的方向传播，并且在那里射到取样板的下侧24的另一分裂光栅24.2上。通过分裂光栅24.2还在该取样光路中实现干涉分光束对以+1./0./-1.衍射级的空间分裂。沿不同的空间方向传播的干涉分光束对在通过取样板的上侧23的区域23.4中的三个其它的孔以后由三个其它的探测器元件25.1、25.2、25.3检测，并且被转换成三个依赖于位移调制的、120°相移的电流信号或者分基准信号。类似于增量信号产生，为了一目了然的原因，在图中也没有示出为产生分基准信号的相移所需要的λ/4小板和起偏振器。原理上其功能对应于以上结合相移增量信号的产生所说明的功能。
下面借助于图4说明用于处理或者分析这样产生的相移分基准信号REF1、REF2、REF3的可能性。该图示出适用于此的信号处理电子电路的示意性框图，在其输出端处提供基准位置xREF上的所希望的基准信号RFE。
施加在探测器元件25.1、25.2、25.3上的三个分基准信号REF1、REF2、REF3首先分别通过元件30.1、30.2、30.3经受电流/电压转换。然后通过在图4中所示的各种元件的电路连接产生最大基准信号REFmax和最小基准信号REFmin。在该例中所选择的电路连接装置利用具有固定的(verspannt)二极管31.1-31.6的公知电路技术并且最终是解调器，所述解调器消除分基准信号REF1、REF2、REF3的载频。信号REFmax、REFmin经由电阻35.1、35.2不同地被放大，并且通过比较器元件35如图4中所示以差分方式彼此电路连接。由于对最大基准信号REFmax和最小基准信号REFmin的适当选择的不同放大而在比较器元件35的输出端处得到所希望的基准信号REF或者所希望的基准脉冲。
基于通过解调方法对所产生的分基准信号REF1、REF2、REF3处理的所述方式，在输出端处现在不再是从线性调频基准标记的基准标记分度的平均频率、而是从线性调频基准标记的分度周期TPREF的频率分布的平均频谱宽度ΔfREF得出原本的基准信号REF的宽度。在此为了保证基准信号REF的宽度在所产生的增量信号的宽度范围内，证明按照以下的关系式(1)选择量具上的线性调频基准标记的分度周期TPREF的频率的平均频谱宽度ΔfREF是有利的：
ΔfREF＝0.6＊fINC(公式1)
其中：
fREF：＝1/TPREF
fINC：＝1/TPINC。
换言之这意味着，线性调频基准标记的平均分度周期TPREF，m可以与基准标记的宽度无关地被选择，并且从而有利地也可以处于增量分度的分度周期的范围内。
在此证明下面的范围对于线性调频基准标记的平均分度TPREF，m是有利的：
0.5*TPINC≤TPREF，m≤1.5*TPINC(公式2)
其中：
TPINC：＝增量分度的分度周期
TPREF，m：＝基准标记的平均分度周期
在图5a和5b中示出针对本发明的基准标记(图5b)和迄今常见的基准标记(图5a)的线性调频基准标记的分度频率fREF的频谱(Spektrum)。
在此如从图5a中可以看出，在线性调频基准标记的最小与最大分度频率fREF，min和fREF，max之间的区域并且从而平均分度频率fREF，m通常明显小于被取样的增量分度的分度频率fINC。
与此明显不同，如图5b可以看出，现在根据本发明线性调频基准标记的分度频率fREF的频谱被推移到被取样的增量分度的分度频率fINC的范围中；优选的是根据上述的条件(1)和(2)。以简化表示的方式，这意味着基准信号的高频调制的频谱的频谱推移，所述调制通过后置的电子解调重新被消除。
在此已经表明，线性调频的基准标记的分度频率fREF的频谱形状在所得出的基准信号REF方面更确切地说起次要的作用。决定性的是根据上面两个条件(1)和(2)选择平均频谱宽度以及平均分度周期TPREF，m。
基于线性调频基准标记的如此所选择的平均分度周期TPREF，m现在还得出反射的分光束的偏转角，所述偏转角能够在取样光路中充分地分离朝不同的空间方向反射的或者偏转的分光束。
除了所说明的实施例之外，在本发明的范畴内当然还可以有其它的扩展可能性。
例如代替在在图4的例子中所使用的二极管还可以使用其它的非线性电子器件(譬如平方器或者对数器(Logarithmierer))用于电子解调。
此外还可以减小线性调频基准标记中的分度周期的频率的频谱宽度，以便如此产生较宽的基准信号。如果基准信号对在量具与取样单元之间的取样间距的变化的依赖性应当被减小，则这例如可能是所要求的。由于较宽的基准信号，本发明的位置测量装置的用户应当总是从一侧驶向(anfahren)所述基准标记，以便能够保证增量信号的可再现基准(Referenzierung)。
此外还可能结合本发明的考虑实现可替代的取样光学系统或者取样光路。如果入射的和/或至少一个出射的、在量具上衍射的光束的光线分离通过在所述量具上的衍射确定并且该光线分离对于相应的取样光路是重要的，则本发明在此证明原则上总是有利的。从而例如可以把垂直射到所述量具上的光束分裂成+1.和-1.衍射级，并且把相应的分光束偏转到取样板的分开的取样元件上。譬如在图1的例子中，相应的光线径迹处于窗口区域24.11和区域B1直到取样光栅24.7和24.9之间。作为替代方案还可以设置从分开的取样光栅24.8和24.10通过区域B2至具有叠加的分光束的公共元件24.12的对向的光线径迹(Strahlverlauf)。
在另一种情况下，在量具附近充分地分离分光束也可能是重要的，以便能够在那里例如装入不同的偏振光学器件。
在所有所述情况下，本发明能够为产生基准信号和增量信号实现很大的程度上同样的取样光路。尤其是当在取样单元与量具之间产生倾斜时，这在原理上对于将基准位置分配给增量信号的信号周期的稳定性是非常重要的。
Claims (8)
1.光学位置测量装置，用于检测在至少一个测量方向上彼此相对运动的两个对象的位置，具有
-量具，所述量具与两个对象的一个连接，并且所述量具具有在测量方向上延伸的增量分度(11)以及至少一个在基准位置(XREF)处的基准标记(12.1、12.2)，其中所述基准标记(12.1、12.2)由具有位置可变的分度周期(TPREF)的结构构成，
-取样单元(20)，所述取样单元与两个对象的另一个连接并且包含取样装置，所述取样装置用于在基准位置(XREF)处产生至少一个基准信号(REF)，其特征在于，
所述基准标记(12.1、12.2)具有在以下范围中选择的平均分度周期TPREF，m：
0.5＊TPINC ≤TPEF，m ≤1.5＊TPINC，
其中：
TPINC：＝增量分度的分度周期
TPREF，m：＝基准标记的平均分度周期。
2.如权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，如下选择所述基准标记(12.1、12.2)的分度周期(TPREF)的频率的平均频谱宽度(ΔfREF)：
ΔfREF＝0.6＊fINC，
其中：
fREF：＝1/TPREF
fINC：＝1/TPINC。
3.如权利要求1或2所述的光学位置测量装置，其特征在于，如此构造所述取样装置，使得通过其可以产生多个可进一步处理的、相移的分基准信号(REF1、REF2、REF3)。
4.如权利要求3所述的光学位置测量装置，其特征在于，可以产生彼此分别相移360°/N的N个分基准信号(REF1、REF2、REF3)，其中选择N＝3或者N＝4。
5.如权利要求3所述的光学位置测量装置，其特征在于，在所述取样装置之后布置信号处理电子电路，以从所述分基准信号(REF1、REF2、REF3)中在基准位置(xREF)处产生所定义的基准信号(REF)。
6.如权利要求5所述的光学位置测量装置，其特征在于，如此地构造所述信号处理电子电路，使得可以从所述分基准信号(REF1、REF2、REF3)中产生最大基准信号(REFmax)以及最小基准信号(REFmin)，并且可以把所述基准信号以差分方式电路连接，使得在基准位置(xREF)处得出基准信号(REF)。
7.如权利要求1或2所述的光学位置测量装置，其特征在于，用于产生基准信号(REF)的取样光路与用于产生增量信号的取样光路走向相同，其中
-在所述量具(10)上布置由具有位置可变的分度周期(TPREF)的结构构成的基准标记(12.1、12.2)用以产生基准信号(REF)，所述基准标记在测量方向上对分光束具有不同的偏转作用，并且
-在所述量具(10)上布置在测量方向上周期性的增量分度(11)用于产生所述增量信号，所述增量分度具有恒定的分度周期(TPINC)。
8.如权利要求7所述的光学位置测量装置，其特征在于，如此地构造所述量具(10)，使得在所述量具(10)处衍射的分光束经历这种引起分光束的分离的偏转。
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