CN101308013B - 位置测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种位置测量装置，其具有光源(41)，第一光栅(23)，第二光栅(22)和光电检测器(45.1，45.2，45.3)，其中光源的在第一和第二光栅上被分解为不同方向的子射线(B1-B6)的光，经偏转元件(27，27.1，27.2，27.3)偏转到所述检测器上。偏转元件为了入射具有不同方向的子射线的而具有不同的区域，从而使所有从偏转元件偏转到检测器的子射线近似于是平行的。

Description

位置测量装置

技术领域

本发明涉及位置测量装置。

背景技术

以扫描具有光栅的标尺为基础的干涉式位置测量装置，例如在专利文件EP 0163362B1中已作了说明。

以具有光栅结构的标尺和光学扫描为基础的位置测量装置，在专利文件WO 2007/034379A2中也作了说明。这种位置测量装置的缺点是，在偏转元件上反射的各个方向的子射线不平行地照射到检测器上，因此它们在检测器上的落点取决于偏转元件到检测器的距离。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于创建一种位置测量装置，在这种位置测量装置中在偏转元件上反射的子射线的落点与偏转元件到检测器的距离无关。

该技术问题通过本发明的位置测量装置解决，其具有光源，第一光栅，第二光栅和光电检测器，其中光源的在第一和第二光栅上被分解为不同方向的子射线的光，经偏转元件偏转到所述检测器上。偏转元件为了入射具有不同方向的子射线的而具有不同的区域，从而使所有从偏转元件偏转到检测器的子射线近似于是平行的，所述偏转元件和第一光栅与待测量对象一起运动，以及第二光栅与光源和光电检测器相对位置固定。

附图说明

本发明的其他优越性以及详细说明从根据附图对优选实施形式所作的下列说明中得出。其中

图1示出按照现有技术的位置测量装置，

图2示出位置测量装置的概貌图，

图3示出位置测量装置中的光路，

图4示出用于偏转光线的装置，

图5示出位置测量装置中的光路，

图6示出具有遮光板的扫描光栅，

图7示出位置测量装置的另一个实施例，

图8示出偏转元件的替代结构。

具体实施方式

在图1中示出位置测量装置的典型测量任务。其中对象10在平面上可沿x和y方向运动。该对象沿x和y方向的位置测量应当参照一个点进行，这个点在下面被称为中心点19。

如果x和y位置的测量在x轴平行线或y轴平行线穿过中心点的延长线上进行，则称为阿贝补偿测量，因为对象绕中心点的转动Rz对位置值没有影响。对于这种测量任务通常应用干涉仪，其中将测量反射器11和12固定在运动的对象上并且分别垂直于测量方向延伸。由此保证，对象在垂直于测量方向运动时，干涉仪射线始终被反射回分析单元13和14。

因为干涉仪的测量射线必须走过从几毫米至几米的空气路程，所以空气的折射率波动对于测量结果很关键。

按照上面引证的与图2相对应的专利文件WO 2007/034379A2的位置测量装置，使用所谓的光栅干涉仪代替干涉仪。

对于每个测量方向都使用在下面被称为标尺光栅(Massstabsgitter)的线性光栅。标尺光栅沿各自的测量方向延伸，标尺光栅21用于x方向以及标尺光栅22用于y方向。对于在光栅干涉仪范围内的光学扫描所需要的扫描光栅23和24，垂直于各自的测量方向延伸，并且固定地与运动的对象20连接。照明和检测单元25，26对于每个轴都是位置固定的和不运动的。

为了使测量轴的光能从照明单元偏转到扫描位置29，30，采用垂直于测量方向延伸的、同样与运动的对象20连接的偏转元件27，28。该偏转元件还用于使光从扫描位置再偏转回检测单元。

下面对本发明比较详细地加以探讨，其中只对x轴加以说明，对于y轴同样适用。

图3示出本发明的第一个实施例。

在照明和检测单元25中安置着光源41(此处可以例如是激光二极管或者LED)，将光源41的光用元件42(例如透镜)校准到使得光源41的光具有较小的发散度，从而当运动的对象20与照明和检测单元25之间的距离Lx改变时，射束截面能保持尽可能相同不变的比例。借助于偏转元件43，射线沿测量方向X偏转到待测量的以及运动的对象20上。将偏转元件43校准成，使得射线沿X方向的延长线与X-Y平面的经过中心点的法线相交。在运动和待测量的对象上，射线到达偏转元件27，所述偏转元件27垂直于测量方向地延伸到待测量对象的整个长度或者甚至于超出该长度。使垂直于测量方向的延伸相应于垂直于测量方向的活动范围选取。

偏转元件27可以是45°的镜子，其使射线偏转90°，从而使光线B0穿越第一光栅23。这个也被称为扫描光栅23的第一光栅，象偏转元件27一样垂直于测量方向延伸并且固定地与待测量对象连接。相应于偏转元件27选取沿测量方向的延伸。扫描光栅23具有垂直于测量方向的长刻线并被构建为透射光栅。它将入射光线分成多个子射线。这些子射线辐射到也被称为标尺光栅21的第二光栅上。标尺光栅沿测量方向延伸并且具有垂直于测量方向的刻线，将所述刻线的长度选择成，使得落入的光束刚好能够完全被扫描。将标尺光栅限制为垂直于测量方向具有很大的优越性，因为产生沿两维延伸的部分会产生可观的费用。在标尺光栅上，从子射线中产生更进一步的子射线。因为标尺光栅是一种反射光栅，所以子射线沿进行进一步分束的扫描光栅的方向被偏转返回。在穿透扫描光栅后，使子射线对B1，B2，B 3，B4，B5，B6(见图5)以设定的、但部分不同的方向返回偏转元件27。其中子射线对B2，B5具有平行于入射射线的方向。两个子射线B1，B 3具有与B2，B5偏离的相同的方向。该偏离由于扫描光栅的栅距周期(Teilungsperiode)而产生。子射线B4，B6重又具有相同的、与B1，B3相反的角度。

扫描光栅正好具有这种特性，即如果对象20相对于标尺光栅21运动，则沿不同的传播方向产生相位偏移的信号。子射线在经过扫描光栅后发生干涉，从而产生三个分别偏移120°的信号。

因为子射线对以设定的、但是却各不相同的方向返回偏转元件27，所以将该偏转元件构建为使得它具有产生不同偏转角的区域27.1，27.2和27.3。由此使所有的子射线对在沿检测单元25的方向返回时具有相同的方向。但是他们在空间上是分开的，并且可以借助于透镜44.1，44.2，和44.3聚焦到三个将相位偏移的信号转换成相位偏移的光电元件电流的光电元件45.1，45.2和45.3上。不考虑空气折射率的波动，因为该波动分别以相同的方式涉及一个子射线对的两个组成部分，并且在干涉时抵消。

使子射线对通过偏转元件27达到平行具有优越性，因为检测单元和待测量对象之间的距离Lx可以在毫米和米之间变动。如果使所有的子射线对以相同的角度偏转，则子射线对的落点取决于距离Lx，或者对于较大的Lx，子射线束被偏转到标尺光栅21上并最终不到达检测单元25。

偏转元件27包括沿测量方向具有不同偏转力的区域。其中重要的是，具有相同相位偏移的子射线对到达同一个偏转区域。这意味着，在偏转元件27上具有不同相位偏移的子射线对必须存在空间上的分离。

在偏转元件27上，子射线对沿测量方向所需的位移可以通过偏转元件27到扫描光栅23的距离Ly进行调节。可以借助于所使用的标尺光栅和扫描光栅的栅距周期、照明光线沿测量方向的延伸以及光栅之间的距离D来求出Ly。

按照图3和图4，偏转元件27可以是分段的镜子。中间件27.2因而是具有倾斜了α角的平面的平镜面。外侧的两个部件27.1或27.3是分别具有倾斜了α+β1角或者α-β2角的平面的平镜面。

使角度α与B 0的方向有利地成45°，角度β1和β2则取决于扫描光栅和标尺光栅所应用的光栅常数。在通常情况下使β1和β2相等(β＝β1＝β2)，并通过公式β＝1/2arcsin(λ/TP_AP)确定，其中λ是所使用光的波长，TP_AP是扫描光栅23的栅距周期。

镜子可以被整体式地制造。但是也可以由多个固定在支架上的涂层的薄片组成，所述支架预先确定了所需的角度α和β。对于镜面，除了较高的反射性能外不存在特别的要求。

与此相反，用于传统干涉仪的延伸的测量反射器必须满足较高的表面质量要求，因为由于测量反射器的表面波动而产生的光程差会反映到干涉相位中。因而所产生的位置值取决于干涉仪镜子的表面特性，尤其当待测量对象垂直于测量方向运动时。

此处所提议的分段式偏转镜子，因为仅仅要求减小了的平面度和角度公差，因而是一种可廉价制造的部件。

除了纯反射作用的偏转元件27，还可设想一种不仅利用通过反射进行偏转，而且利用通过衍射进行偏转的元件。这种被图示在图8中的元件71，必须具有沿测量方向对于不同偏转区域71.1，71.2和71.3具有不同栅距周期的光栅结构。借助于不同的栅距周期产生不同的偏转角。为此目的，可以使用以角度y倾斜的反射的相位衍射光栅。该光栅应该具有尽可能强的第一级，以特别有效地工作。这可以通过多级相位衍射光栅实现。

下面就可以对两个可能的实施例中所使用的扫描和标尺光栅详细地加以探讨。

在第一个实施例中，使用了根据如基本上例如在上述专利文件EP 0163362B1中已作说明的所谓LIP原理的扫描。扫描光栅具有4μm的栅距周期并被构造为透射的相位衍射光栅。相位差为120°以及光栅刻线为1.25μm宽。标尺光栅是具有4μm栅距周期和180°相位差以及2μm刻线宽度的反射的相位衍射光栅。凭借这种性能，在两次穿越扫描光栅后产生相位偏移120°的信号S_0°，S_120°和S_240°。

两个子射线B2，B5在检测器中构成信号S_0°，两个子射线B1，B3构成信号S_120°以及两个子射线B4，B6构成信号S_240°。

在照明区域沿测量方向的延伸Bx＝2mm以及光栅间距D＝2mm时，得出从偏转元件到扫描光栅必需的距离Ly：

$\mathrm{Ly}\≥\frac{2D\tan \left(\arcsin (\mathrm{\λ}/\mathrm{TP}\_\mathrm{AP})\right)+\mathrm{Bx}}{\tan \left(\arcsin (\mathrm{\λ}/\mathrm{TP}\_\mathrm{AP}\right)}$

因为此外还要考虑待运动的对象的倾斜公差，所以在偏转元件上沿测量方向的划分也应该考虑此因素并与此相应地把Ly选择得更大一些。为了限制具有不同传播方向的、向偏转元件方向辐射的子射线对的数量，除了扫描光栅23.1以外，如在图5和6中示出的遮光板结构23.2和23.3也是有意义的。

对于两个实施例尤其有利的是，将扫描光栅23的分光构件23.1安置到扫描光栅的支架朝向标尺光栅21的一侧。测量系统的有效测量点位于扫描光栅中，并因此使该扫描光栅处于离中心点19尽可能近的地方。

图7示出了其他的实施例。其中使用了按照利特罗排列的扫描。

扫描光栅具有4μm的栅距周期并被构建为透射的相位衍射光栅。相位差为120°以及刻线宽为1.25μm。标尺光栅是具有2μm栅距周期和180°相位差以及刻线宽度为1μm的反射的相位衍射光栅。凭借这种性能，在两次穿越扫描光栅后，在检测器中产生相位偏移120°的信号S_0°，S_120°和S_240°。

子射线对B8构成信号S_0°，子射线对B7构成信号S_120°以及子射线对B9构成信号S_240°。

因为在利特罗排列中第一光栅的第0衍射级不是所希望的(它将导致次谐波)，所以必须将光栅间距D和照明灯沿测量方向的延伸选取为，使得来源于扫描光栅上第0级的子射线在标尺上发生衍射后被除了扫描光栅以外的不反射区域阻挡掉。因此对于该实施例来说，除了扫描光栅23.1以外，遮光板构件23.2和23.3也是有意义的。

Claims (14)

1.一种位置测量装置，具有光源(41)，第一光栅(23)，第二光栅(21)和光电检测器(45.1，45.2，45.3)，其中该光源(41)的、在第一光栅(23)和第二光栅(21)上被分解为不同方向的子射线(B1-B6，B7-B9)的光，经偏转元件(27)偏转到所述光电检测器(45.1，45.2，45.3)上，其中，所述偏转元件(27)为了入射具有不同方向的子射线(B1-B6，B7-B9)而具有不同的区域(27.1，27.2，27.3，71.1，71.2，71.3)，使得所有从偏转元件(27)偏转到光电检测器(45.1，45.2，45.3)的子射线(B1-B6，B7-B9)平行，所述偏转元件(27)和第一光栅(23)与待测量对象(10，20)一起运动，以及第二光栅(21)与光源(41)和光电检测器(45.1，45.2，45.3)相对位置固定。

2.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述不同的区域是分段式镜子的不同斜度的镜面。

3.如权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，镜面之间的倾角差是常数。

4.如权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，所述分段式镜子由固定在支架上的多个涂层薄片组成，所述支架预先确定了不同的倾角。

5.如权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，所述分段式镜子是整体式制造的。

6.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述不同的区域拥有具有各不相同的栅距周期的光栅结构。

7.如权利要求6所述的位置测量装置，其特征在于，所述不同区域的光栅结构是反射的相位衍射光栅。

8.如权利要求6所述的位置测量装置，其特征在于，所述不同区域的光栅结构是多级相位衍射光栅。

9.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述偏转元件(27)的区域将光源(41)的光偏转到第一光栅(23)上。

10.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，第一光栅(23)是一种透射的相位衍射光栅。

11.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，第二光栅(21)是一种将被第一光栅(23)透射的光反射回第一光栅(23)的反射的相位衍射光栅。

12.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，在所述第一光栅的分光构件(23.1)的两边安置能部分地阻挡被第二光栅(21)反射的光的遮光结构(23.2，23.3)。

13.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述偏转元件(27)具有三个不同的区域，光被这些区域以三条在空间上分开并平行的光路投射到光电检测器(45.1，45.2，45.3)上。

14.如权利要求13所述的位置测量装置，其特征在于，在三个光电检测器(45.1，45.2，45.3)中产生相位互相偏移120°的信号。

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