CN102564353A - 光学角度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测至少一个扫描光栅和带有至少一个测量分度的分度盘之间的相对运动的光学角度测量装置。该扫描光栅构成为线性扫描光栅并且该分度盘作为测量分度包括第一和第二组合的径向圆光栅并且具有镜。在扫描光栅处的入射光束首先这样经历分裂成两个分光束。然后，分光束在第一组合的径向圆光栅方向上传播并且在那里受到衍射。衍射的分光束在镜方向上传播并且在那里在第二组合的径向圆光栅方向上受到反射。分光束接着在第二组合的径向圆光栅方向上传播并且在那里受到衍射。衍射的分光束在扫描光栅方向上传播，在此处引起分光束的重叠。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学角度测量装置。
背景技术
基于干涉扫描原理的高分辨率光学角度测量装置大多对于带有布置其上的测量分度（Messteilung）的分度盘仅具有小的附装公差（Anbautoleranz）。在申请人的DE 10 2010 029 211.7中公开了一种解决该问题的测量装置。通过预先规定地使用后向反射器和波前校正器能够最小化所得的波前失真（Wellenfrontverzerrung），所述波前失真由径向分度的扫描引起并且也构成仅小的附装公差的原因。然而对此所需要的波前校正器原则上可以针对所扫描的测量分度的确定的分度半径或者整个确定的测量应用被优化。因此作为问题得出，光学角度测量装置的相应扫描光学系统因此不能够普遍用于不同的待扫描的分度半径或不能够普遍用于不同的测量应用。
发明内容
本发明的任务是，说明一种具有高分辨率和大附装公差的光学测量装置，其可普遍结合被扫描的测量分度的不同分度半径使用或在不同的测量应用中使用，而对此无需显著地匹配扫描光学系统。
该任务按照本发明通过具有权利要求1所述特征的光学角度测量装置得到解决。
按照本发明的光学角度测量装置的有利实施方案从从属权利要求中的措施得出。
按照本发明的光学角度测量装置用于检测至少一个扫描光栅和带有至少一个测量分度的分度盘之间的相对运动。在此，该扫描光栅构成为线性扫描光栅。该分度盘作为测量分度包括第一和第二组合的径向圆光栅并且具有镜。在扫描光栅处的入射光束首先这样经历分裂成两个分光束。然后，分光束在第一组合的径向圆光栅方向上传播并且在那里受到衍射。衍射的分光束接着在镜方向上传播并且在那里在第二组合的径向圆光栅方向上受到反射。然后，分光束在第二组合的径向圆光栅方向上传播并且在那里受到衍射。最后，衍射的分光束在扫描光栅方向上传播，在此处引起分光束的重叠。
组合的第一和第二径向圆光栅优选使至少一个方位角光学偏转作用与径向的、环形弯曲的圆柱形透镜的光学作用相调和。
在此，第一组合的径向圆光栅能够这样构成，使得除了对分光束的纵向和横向偏转作用外另外引起分光束到镜上的聚焦。
该第二组合的径向圆光栅这样有利地构成，使得除了对分光束的纵向和横向偏转作用外另外引起在扫描光栅方向上传播的分光束的重新准直。
在可能的实施形式中，组合的第一和第二径向圆光栅环形地在分度盘的圆周上布置并且在环圆周上分别具有恒定的方位角光栅周期并且在径向方向上具有变化的径向光栅周期。
该镜优选环形地在分度盘的圆周上布置。
该分度盘由透明的材料组成并且组合的第一和第二径向圆光栅布置在第一侧并且镜布置在相反的第二侧是可能的，所述镜的反射面在第一侧的方向上取向。
在可能的实施形式中，该扫描光栅构成为反射扫描光栅。
光源以及多个光电子探测器元件优选布置在扫描单元中，其中从光源发射的光束可输送给扫描光栅并且重叠的分光束可输送给光电子探测器元件。
在另一实施形式中，该扫描光栅此外布置在扫描单元中并且该分度盘相对于扫描单元可移动地来布置。
对此可替代地能够规定，相对于扫描光栅，至少一个扫描单元布置成可推移的（verschiebbar）并且分度盘布置成可转动的。
在另一变型方案中，至少一个扫描单元与扫描光栅一起可以相对于分度盘沿着轴相对可移动地布置，所述轴穿过分度盘的中心。
此外可能的是，设置多个扫描单元和的多个分配给扫描单元的扫描光栅，其中所述扫描单元和扫描光栅相对于分度盘布置在不同的方位角位置处。
此外，该分度盘能够由多个分度段组成。
最后也能够规定，来自扫描单元的光束经由偏转单元在分度盘方向上是可转向的并且来自分度盘的光束经由偏转单元在扫描单元方向上是可转向的。
按照本发明的光学角度测量装置适合于带有不同分度半径的弯曲的测量分度的高分辨率的、普遍的扫描，而不必为此分别匹配扫描光学系统。原则上按照本发明的角度测量装置的扫描光学系统甚至能够用于线性测量分度的扫描。
此外，按照本发明的光学角度测量装置不仅能够在常见的转动角检测、而且能够在专门的机器运动学（Maschinenkinematik）中的位置检测的应用中使用，下面仍详细描述所述机器运动学。也就是说，按照本发明的光学角度测量装置在最大不同的应用方面也可普遍地使用。因此借此能够以高精度地确定例如圆形工作台的转动角，所述圆形工作台沿着侧向方向可推移地布置在线性工作台上。在此，同时也检测线性工作台的引导偏差。此外，按照本发明的光学角度测量装置在这种类型的运动学中除了转动角检测外也使得可推移的圆形工作台的侧向XY位置的确定成为可能。转动角检测以及侧向XY位置的可选检测，也就是说组合的旋转和线性运动的检测在此与现有技术不同地不是连续地、而是直接地并且用小的测量圆规进行。
附图说明
作为按照本发明的光学角度测量装置的另外的优点可以列举，所述光学角度测量装置除了可能的高分辨率外此外在测量分度侧上相对大的扫描面的情况下同时对于分度盘具有大的附装公差。本发明的其它优点以及细节从根据附图对实施例的以下描述中得出。
在此：
图1示出了包括不同几何大小的按照本发明的光学角度测量装置的组件的示意图；
图2a、2b分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第一实施形式的带有扫描光程的剖视图；
图3a、3b分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第一实施形式的展开的扫描光程；
图4a示出了来自带有布置在其上的镜的按照本发明的光学角度测量装置的第一实施形式的分度盘的下侧的部分视图；
图4b示出了来自带有布置在其上的径向圆光栅的按照本发明的光学角度测量装置的第一实施形式的分度盘的上侧的部分视图；
图4c示出了按照本发明的光学角度测量装置的第一实施形式的扫描光栅的部分视图；
图5示出了用于阐述按照本发明的光学角度测量装置的第一实施形式的径向圆光栅的尺寸确定的图示；
图6、7分别示出了带有极坐标运动学的机器的视图，其中使用按照本发明的光学角度测量装置的第二实施形式；
图8a、8b分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第二实施形式的带有扫描光程的剖视图；
图9a、9b分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第二实施形式的展开的扫描光程；
图10a示出了来自带有布置在其上的镜的按照本发明的光学角度测量装置的第二实施形式的分度盘的下侧的部分视图；
图10b示出了来自带有布置在其上的径向圆光栅的按照本发明的光学角度测量装置的第二实施形式的分度盘的上侧的部分视图；
图10c示出了按照本发明的光学角度测量装置的第二实施形式的扫描光栅的部分视图；
图11a、11b分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第三实施形式的带有扫描光程的剖视图；
图12a、12b分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第三实施形式的展开的扫描光程；
图13a示出了来自带有布置在其上的镜的按照本发明的光学角度测量装置的第三实施形式的分度盘的下侧的部分视图；
图13b示出了来自带有布置在其上的径向圆光栅的按照本发明的光学角度测量装置的第三实施形式的分度盘的上侧的部分视图；
图13c示出了按照本发明的光学角度测量装置的第三实施形式的扫描光栅的部分视图；
图14、15分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第四实施形式的带有扫描光程的剖视图；
图16、17分别示出了带有按照本发明的光学角度测量装置的第五实施形式的测量装置(Messanordnung)的视图；
图18、19分别示出了带有极坐标运动学的另一机器的视图，其中使用按照本发明的光学角度测量装置的第六实施形式。
具体实施方式
在以下详细阐述按照本发明的光学角度测量装置的不同的具体的实施例或应用例之前，根据图1阐述事先确定的基本的想法。此外在图1中示出了各个几何大小，在另外的描述进程中探讨所述的几何大小。
按照本发明的光学角度测量装置基于干涉扫描原理并且包括扫描单元20以及相对于此在XY平面中旋转的带有至少一个布置在其上的测量分度的分度盘。在此，该测量分度在图1中未示出。为了确定分度盘10相对于扫描单元20的转动角 
，径向光栅作为测量分度设置在分度盘10上。该径向光栅在扫描光程中使衍射的光束的波前（Wellenfronten）失真。因此在扫描单元20中矫正式的扫描光栅是必要的，以便使两个分光束干涉并且以高的调制度产生扫描信号。如果期望大的关于分度盘10和扫描单元20的相对位置的安装和运行公差，那么在扫描单元中在扫描光程中布置附加的后向反射元件和波前校正器原则上是可能的。对此例如参考开头已经提及的申请人的DE 10 2010 029 211.7。在此，原则上专门将扫描单元20的光学元件与分度盘10的测量分度的分度半径R匹配是必要的。
现在本发明提出一种扫描光学系统，其在测量分度中实施来自DE 10 2010 029 211.7的后向反射元件和波前校正器的功能，其中测量分度被构成为分度盘10上的组合的径向圆光栅。作为扫描光栅，在扫描单元20中仅要求多于一个的线性光栅。以此方式能够使用同一扫描单元20用于扫描带有布置在其上的测量分度的不同分度半径R的不同分度盘10。另外，甚至可能的是，使用按照本发明的光学角度测量装置的扫描单元20基于线性扫描光栅也用于扫描带有线性测量分度的实物量具(Ma?verk?rperung)。例如在申请人的WO 2008/138502 A1中公开了对此适用的实物量具。
因为该扫描光栅构成为线性光栅，该扫描光栅的侧向移动对扫描信号的信号强度不具有影响。因此也能够与扫描单元20空间上分开地布置并且在其纵向或横向伸展中任意地被放大。也就是说，因此经由按照本发明的角度测量装置可确定扫描光栅和带有布置在其上的测量分度的分度盘之间或者与扫描光栅和分度盘相连的机器组件之间的相对运动。以此方式可能的是，在按照本发明的光学角度测量装置的特殊实施形式中也在分度盘相对于扫描光栅的大的侧向XY移动情况下实施角度测量。在此，当扫描单元20与分度盘10一起移动但是不一起转动时，允许的侧向XY移动仅通过扫描光栅的大小限定。扫描信号的信号强度在该范围内始终不变地高。因此，按照本发明的光学角度测量装置的该实施形式特别适合于上面提及的带有专门的运动学的机器。在此，通过布置多个扫描单元和必要时还有多个扫描光栅，侧向XY移动的同时确定也是可能的。
第一实施形式
图2a和2b分别示出了按照本发明的光学角度测量装置的第一实施形式的带有扫描光程的剖视图。
在扫描单元20中布置的、被准直的光源21、例如合适的激光光源沿着光轴Z照射第一线性扫描光栅23.1，所述第一线性扫描光栅23.1被施加在扫描板24的下侧。在此，扫描板24的朝向被扫描的分度盘10的侧理解为扫描板24的下侧；扫描板的与此相反的侧称为上侧。入射的光束在扫描光栅24的地点P3处被分裂成两个分光束。然后，两个分光束在测量分度的第一部分方向上传播，所述第一部分构成为第一组合的径向圆光栅11.1并且布置在分度盘10的前侧。在地点P4a或P4b处，分光束在此射到第一组合的径向圆光栅11.1上。
该第一组合的径向圆光栅11.1环形地在分度盘10的圆周上布置并且构成为透光光栅(Durchlichtgitter)。该第一组合的径向圆光栅按照本发明联合多种光学功能：它使射到其上的两个分光束在YZ平面中再次与光轴Z平行地偏转(纵向的偏转作用)并且使它们在X方向上偏转(横向的偏转作用)。另外，它通过径向圆柱形透镜作用在径向方向上使得两个射到的分光束聚焦到镜12上，所述镜12处在透明的分度盘10的背侧。在此，该镜(如在图4a的部分视图中可看到)在分度盘10的圆周上环形地布置。
由第一组合的径向圆光栅11.1衍射的或者如前面所述被影响的分光束因此在镜12方向上传播并且在那里在镜12上的地点P5a或P5b处在测量分度的第二部分方向上受到反射，也就是反射到分度盘10上的第二组合的径向圆光栅11.2上。当在镜12上的地点P5a或P5b处反射后，分光束因此在分度盘10上的第二组合的径向圆光栅11.2方向上传播。
该第二组合的径向圆光栅11.2按照本发明地也联合多种光学功能：它使两个入射到其上的分光束在YZ平面中再次以相反的反向偏转(纵向的偏转作用)，使得所述分光束在共同的地点P7处射到扫描板24的第二扫描光栅23.2上。此外，两个分光束在XZ平面中再次与光轴Z平行地指向(横向的偏转作用)。此外，经由光学圆柱形透镜作用进行两个分光束的重新准直。
在本实施例中，该分度盘10由透明的材料组成。组合的第一和第二径向圆光栅布置在分度盘10的第一侧(上侧)；镜12布置在分度盘10的相反的第二侧(下侧)，所述镜的反射面在第一侧的方向上取向。
当在第二组合的径向圆光栅11.2处衍射或影响之后，分光束在线性扫描光栅23.3方向上传播，在此处所述分光束重叠或使成干涉并且分裂成三个分别组合的分光束。三个组合的分光束以所得的0.和±1.衍射级(Beugungsordnung)从扫描光栅23.2中出来并且到达扫描单元20中的光电子探测器元件22.1、22.2和22.3上，所述光电子探测器元件提供与移动有关地调制的扫描信号。通过第二线性扫描光栅23.2的特殊设计能够实现，扫描信号彼此分别移相120°。对此以已知的方式构成为相衍射光栅，其电桥高度(Stegh?he)根据不等于180°的相移来选择并且其电桥宽度与半个光栅周期有偏差。接着扫描信号被输送给(未示出的)分析单元，其由此产生位置值。
在本第一实施例中，因此除了光源21和光电子探测器元件22.1、22.2、22.3外，在扫描单元20中还布置有线性扫描光栅23.1、23.2。在此，从光源21发射的光束可输送给第一扫描光栅23.1，重叠的分光束可从第二扫描光栅23.2输送给光电子探测器元件22.1、22.2、22.3。分度盘10相对于扫描单元20布置成可相对移动的，也就是可围绕着分度盘10的中央轴转动，所述中央轴与光轴Z平行地穿过分度盘10的中点。
在图3a和3b中以拉伸或展开的形式示出了该实施例的扫描光程。在此，在图3a中在地点P4a、P4b和P6a、P6b处可看到组合的径向圆光栅11.1和11.2的横向的偏转作用，所述横向的偏转作用在X方向上产生分光束的光线偏移(Strahlversatz)。在图3中示出了在地点P3处经由第一扫描光栅23.1分裂成两个分光束，示出了在地点P4a、P4b和P6a、P6b处经由组合的径向圆光栅11.1和11.2的纵向偏转作用以及在第二扫描光栅23.2的地点P7处两个分光束的重叠。
图4a示出了在分度盘10的下侧上环形弯曲的镜12的俯视图或部分视图和两个分光束，所述两个分光束通过组合的径向圆光栅11.1的圆柱形透镜作用线形聚焦地在地点P5a和P5b处被反射。
在图4b中以示意化的部分视图示出了在分度盘10的上侧上的环形的组合的径向圆光栅11.1和11.2。所述光栅11.1、11.2的局部棋盘式结构有利地构成为带有相位高度180°的相衍射光栅。在方位角（azimutal）方向上，也就是沿着环形，它如同径向光栅周期式地结构化。与此相应地，光栅11.1在圆周N1上（über dem Umfang）和光栅11.2在圆周N2上具有方位角光栅周期。在径向方向上，光栅结构与绕射的、环形弯曲的圆柱形透镜的光栅结构相对应。它因此能够被看作圆光栅，其径向光栅周期相应地径向地改变。
图4c示出了在扫描板24的下侧上的两个线性扫描光栅23.1和23.2的部分视图。两个扫描光栅23.1、23.2在该实施形式中具有同样的光栅常数和光栅取向。扫描光栅23.2的特殊设计上面已经描述。扫描光栅23.1优选构成为带有180°相差(Phasenhub)和几乎等于半个光栅常数的电桥宽度(Stegbreiten)的相衍射光栅。原则上也可能的是，如同对于扫描光栅23.2，对于扫描光栅23.1选择同样的光栅结构，使得两个扫描光栅也能够实施成共同的扫描光栅。
以下根据图5更详细地阐述组合的第一和第二径向圆光栅11.1和11.2的专门尺寸确定。对此观察两个分光束的k矢量的X和Y分量。在地点P4a处入射的分光束通过在带有光栅常数dA的线性扫描光栅23.1处衍射而具有k矢量kA1，其中
该k矢量首先应该通过第一偏转功能、也就是通过组合的径向圆光栅11.1的光栅矢量-kA1进行补偿。为此，该光栅矢量-kA1分解成径向分量kA1r和方位角分量kA1a。径向分量kA1r能够通过相应的径向光栅常数获得并且方位角分量kA1a能够通过相应的方位角光栅常数获得。第一偏转功能将会单独使入射的分光束与光轴Z平行地转向。径向圆柱形透镜作用重叠到所述入射的分光束上，所述径向圆柱形透镜作用通过根据以下关系的相应的光栅相位进行描述：
其中，
λ 激光光源的波长
分度盘的折射率
R 分度盘的分度半径
ZT分度盘的厚度。
该圆柱形透镜的聚焦地点处在分度半径R处。通过射中点P4a与分度半径R的距离，圆柱形透镜径向地使分光束偏转。该偏转的所属的光栅矢量用kL1表示：
其中，rp4a 射中地点P4a的半径。
如果如同在该实施例中，圆柱形透镜作用仅应该在X方向上引起偏转，则光栅矢量kL1的Y分量必须通过相应的方位角光栅矢量kL1a进行补偿。该方位角光栅矢量kL1a产生聚焦地点的相应的方位角位移
。为了优化圆柱形透镜的映射质量应该根据上面的公式考虑在光栅相位
中的该方位角位移
。
组合的径向圆光栅11.1的结构从所有方位角和径向偏转作用和圆柱形透镜作用的重叠中产生。所得的方位角光栅矢量kA1a+kL1a能够在圆周上换算成周期N1的方位角数目：
在此可以忽略取整函数(Rundungsfunktion) round 的误差。所属的方位角光栅相位
得出为：
利用描述径向偏转作用的径向光栅矢量kA1r和用于圆柱形透镜作用的光栅相位
获得径向光栅相位
：
通过该光栅相位的量化（Quantisieren）能够计算组合的径向圆光栅11.1的相应的相衍射光栅结构。例如对于二元光栅结构，量化能够通过以下方式进行，即在具有
的所有位置上设置光栅电桥(Gitterstege)并且在所有另外的位置上相应地设置空位(Lücken)。当然，其它的量化规定也是可能的。最终，光栅结构的局部周期性必须通过函数
和
的周期性给出。当径向光栅相位通过闪耀（geblazt）光栅结构近似时，特别大的扫描信号能够实现。
组合的径向圆光栅11.2的结构能够以类似的方式计算。圆柱形透镜作用通过同样的光栅相位
进行描述。其径向偏转通过光栅矢量kL2进行描述：
其中，rp6a 射中地点P6a的半径。
当圆柱形透镜作用重新仅应该引起在X方向上的偏转时，方位角分量必须通过相应的方位角光栅矢量kL2a进行补偿。通过方位角光栅矢量kL2a和光栅相位
的组合作用，入射的分光束再次被准直并与光轴Z平行地指向。现在分光束的另外的偏转必须这样进行，使得两个分光束的重叠能够通过带有光栅矢量kA2的第二扫描光栅23.2进行。因此，该偏转的所属的光栅矢量必须是-kA2。在该实施形式中，两个扫描光栅23.1和23.2具有同样的光栅常数，使得kA2= kA1有效。该光栅矢量-kA2重新分解成方位角分量kA2a和径向分量kA2r。与上面类似地，因此为第二组合的径向圆分度11.2产生周期的方位角数目N2、以及方位角光栅相位
和径向光栅相位
，其中：
(方程10)
为了计算光栅结构重新需要所述光栅相位的量化并且如上所述地进行。
第二分光束(其在地点P4b处射到第一组合的径向圆光栅11.1上并且在地点P6b处射到第二组合的径向圆光栅11.2上)也必须对称于第一分光束地被传输。因此，方位角光栅周期必须具有径向的对称轴。这种径向的对称轴自动地提供上面所描述的量化。
当然也能够不同地选择两个扫描光栅23.1和23.2的光栅矢量kA1和kA2。这根据上面的公式决定组合的径向圆光栅11.1、11.2的相应匹配的光栅结构。如果非常大不同地选择光栅矢量，则在射中地点P4a和P6a或P4b和P6b之间在Y方向上也应该如此进行光线偏移，使得两个分光束再次汇合到同一地点P7上。方位角光栅矢量kL1a和kL2a然后可以相应地被匹配，这对于技术人员容易地是可能的。两个圆柱形透镜作用的映射质量的改善能够通过借助射线跟踪模型(Raytracing-Modell)的优化实现。因此能够不同地优化用于两个圆柱形透镜作用的模型参数如
和聚焦半径R。
不同光学偏转和圆柱形透镜作用的以上计算首先仅考虑分光束的主光线。越过（über...hinweg）光束的侧向伸展的波前变形然而在实践中确定扫描光学系统的可使用性。仅当波前变形极其小时，产生带有良好的调制度的可分析的扫描信号。所述波前变形在实际中极其小在于按照本发明的扫描光学系统的两个特点。一方面，两个组合的径向圆光栅11.1和11.2使入射的均匀（eben）的波前再次转化成均匀的波前。该令人惊异的特性与通过其径向圆柱形透镜作用的映射有关联，所述映射产生-1的映射尺度(Abbildungsma?stab)。由此，在光栅11.1的内侧(向较小的半径)上较小的方位角光栅周期被映射到光栅11.2的外侧上，在此处方位角光栅周期是相应较大的。相反地，光栅11.1的外侧上的较大的光栅周期被映射到光栅11.2的内侧上，所述光栅11.2具有较小的方位角光栅周期。第一光栅11.1的径向变化的方位角偏转作用通过映射和第二光栅11.2的径向变化的方位角偏转作用进行补偿。因此得出方位角偏转作用，其大约不再取决于半径R。由此，准直的分光束再次传输到这样的（ein soches）中。后向反射（其通过圆柱形透镜作用在径向方向上以-1的映射尺度产生）和波前校正因此通过分度盘本身的光栅11.1和11.2进行并且不像在DE 10 2010 029 211.7中那样通过扫描单元20的相应光学元件进行。
按照本发明的角度测量装置的另一有利特点是，代替在角度测量装置中此外常见的径向扫描光栅而使用线性扫描光栅23.1和23.2。因此，分光束的波前在从扫描单元20传播到分度盘10时是均匀的并且所述波前在扫描距离变化的情况下也保持均匀的波前。这对于从分度盘10传播回扫描单元20也适用。由此，扫描光学系统允许关于扫描距离的特别大的公差。这与迄今已知的扫描光学系统不同，其中在所述迄今已知的扫描光学系统中分光束在从扫描单元传播到分度盘时或在传播回时具有不均匀的、失真的波前。因为波前失真在传播时改变，这些已知的扫描光学系统相对于扫描距离的改变明显更敏感。相应的附装公差是小的。
按照本发明的角度测量装置在全360°转动上信号周期的数目NSP通过方位角周期的数目N1和N2确定：
按照本发明的扫描光学系统的另外的变型方案能够通过两个线性扫描光栅23.1和23.2的光栅方向的(也不一样的)旋转产生。所属的组合的径向圆光栅11.1和11.2仍然能够根据上面的公司计算。
第二实施形式
按照本发明的角度测量装置除了带有不同分度半径的测量分度的普遍扫描外也允许在带有专门的机器运动学的应用中使用。这种机器运动学和在此所得的关于位置检测的要求在下面简短地阐述。
因此，精密机器经常要求在平面中相对于工具或传感器对对象定位。对此大多使用工作台，所述工作台在X和在Y方向上是可推移的并且承载要么对象要么工具或传感器。对此，该对象必须借助圆形工作台被转动并且附加地通过线性工作台线性地被推移。这种机器构造或这种运动学例如从US 6,320,609 B1已知，下面也称为极坐标运动学。
该恒定的转动运动在这种运动学中导致恒定的加速力并且由此导致恒定的变形，所述变形能够被校准。然而，对于高的精度要求至今不存在合适的用于确定对象和工具或者对象和传感器的相对位置的测量装置。
迄今，在这种极坐标运动学中使用两种位置测量装置，所述位置测量装置大多构成为光学位置测量装置。在此，线性工作台的位置借助线性位置测量装置确定；安装在线性工作台上的圆形工作台的转动角的检测借助角度测量装置进行。在此，位置和角度测量通常是连续地进行。因此，测量圆规是相应大的并且漂移敏感的。此外，不检测线性工作台和圆形工作台的引导偏差。因此经由这种测量概念可获得的精度非常受限。除了常见的转动角检测应用外，按照本发明的光学角度测量装置现在也可在这种用于位置检测的机器构造中使用。
在图6和7中示意地示出了带有前面提及的极坐标运动学的机器，其中装入按照本发明的光学角度测量装置的第二实施形式。所述第二实施形式根据图8a、8b、9a、9b以及10a、10b与第一实施例的描述类似地阐述。
不仅在本第二实施例中、而且在下面的实施例中分别仅阐述与前述的第一实施例或与其它的实施例的决定性的区别。
在地点固定的机架30上布置有线性工作台31，所述线性工作台31沿着X方向是可推移的。不管是对此所需要的引导元件还是传动元件在此在附图中均未示出。在线性工作台31上固定有圆形工作台35，其可围绕着中央旋转轴R转动。该带有对象33的圆形工作台35能够相对于地点固定的传感器32、例如显微镜、通过重叠的线性和转动运动螺旋形地被移动。在与机架 30相连的地点固定的桥（Brücke）34上除了传感器32外也安置带有线性扫描光栅123的扫描板124。在圆形工作台35上与对象33相邻地布置带有测量分度的分度盘110。扫描单元120在分度盘110和扫描板124的交叉点中扫描两个位于其上的分度并且产生扫描信号，所述扫描信号允许在线性工作台31的每个X位置处确定圆形工作台的转动角
。为此，扫描单元120固定在线性工作台31上。
在图8a和8b中示出了按照本发明的角度测量装置的第二实施形式的扫描光程或扫描光学系统；光线走向的拉伸的图示重新在图9a和9b中出现。
与第一实施形式不同，该扫描板124或扫描光栅123现在布置在扫描单元120的外面。因此在该实施例中，扫描单元120包括光源和多个光电子探测器元件，所述光电子探测器元件在图中分别未示出。
如从图6和7可见，相对于扫描光栅或扫描板124，至少一个扫描单元120可推移地并且分度盘110附加地可转动地被布置。在此，在圆形工作台35处布置有分度盘110，在线性工作台31上布置有扫描单元120并且在地点固定的机架30处布置有带有扫描光栅的扫描板124。
在此，扫描板124承载反射线性扫描光栅123，所述线性扫描光栅123在线性工作台31的运动方向X上伸展，也就是说分度线的纵向沿着线性工作台的运动方向X延伸。(未示出的)光源的准直的光束在XZ平面中首先在地点P1处倾斜地射到分度盘110上。分度盘110经由地点P2传送光束，使得所述光束在地点P3处射到反射线性扫描光栅123上，所述反射线性扫描光栅123将所述光束分裂成两个分光束并且在Y方向上偏转。所述分光束在X方向上在地点P4a、P4b处偏移地（versetzt）到达分度盘110的第一组合的径向圆光栅111.1。该第一组合的径向圆光栅再次在YZ平面中使两个分光束与光轴Z平行地指向并且使所述分光束在X方向上通过重叠的圆柱形透镜作用聚焦到分度盘110背侧上的镜112上的地点P5a、P5b上。在反射后，分光束在地点P6a、P6b处到达第二组合的径向圆分度111.2，所述第二组合的径向圆分度111.2再次在X方向上通过圆柱形透镜作用将所述分光束重新准直并且在YZ平面中通过重叠的偏转作用与入射的分光束相反地向回偏转。由此，两个分光束射到反射扫描光栅123的共同的点P7上，在那里被重叠并且作为重叠的分光束经由扫描板124的地点P8a、P8b、P8c和P9a、P9b、P9c以所得的0.和±1.衍射级而射出。通过在扫描单元120中的光电子探测器元件的探测与第一实施形式相应并且在对该实施例中的图中未示出。
图10a示出了带有环形镜112的分度盘110的下侧。在图10b中示出了环形的、组合的径向圆分度111.1和111.2。在图10c中可看到扫描板124的伸展的、线性的扫描光栅123。在这些图中同样也重新示出了分光束在扫描光程中射到不同元件上的地点。
通过在XZ平面中准直的激光光束的倾斜，在按照本发明的角度测量装置的该实施形式中实现射到分度盘110上的分光束的分离，使得在地点P2、P8a、P8b和P8c处进行分光束的传送，并且在地点P4a、P4b、P6a和P6b处在光栅111.1和111.2处进行衍射。在根据上面说明的公式计算光栅111.1和111.2的光栅结构时，由于该光线倾斜必须考虑k矢量的侧向（lateral）分量。它导致相应匹配的方位角光栅矢量kA1a和径向光栅矢量kA1r。在XZ平面中的光线倾斜在第二组合的径向圆光栅110.2之后的另一光线走向中被保持。对此，方位角光栅矢量kA2a和径向光栅矢量kA1r相应地被选择。
该扫描光学系统允许在线性工作台31的每个X位置处测量角度。扫描单元120的位置必须仅大约保持在扫描板124和分度盘110的预定的交叉点的下面。扫描单元120的小的位移或倾斜不影响角度确定。在更准确的观察情况下对于该特性决定性的是，后向反射和波前校正不在扫描单元中发生，而是通过径向圆光栅在分度盘上被引起。对于所输出的角度值，因此仅扫描板124和分度盘110的相对位置是相关的。尽管存在分度盘110的重叠的线性和转动运动，但是能够进行相对于地点固定的扫描板124的直接位置测量。在图7中示意化地示出的测量圆规40是相应小的。小的测量圆规40以有利的方式使得对象33到传感器32的漂移特别小的测量成为可能。
第三实施形式
在图11a、11b、12a、12b以及13a、13b、13c中示出了按照本发明的光学角度测量装置的第三实施形式。所述变型方案同样也可以再次使用在上面提及的极坐标运动学中。
与第二实施形式不同，在XZ平面中分光束的光线倾斜通过第二组合的径向圆光栅210.2的特殊设计旋转，使得两个分光束接着有点在X方向上倾斜。由此，光源和探测器元件能够通过较窄的距离紧凑地安置在扫描单元中。第二组合的径向圆光栅210.2的特殊设计通过在X方向上的相应的光栅矢量进行，所述光栅矢量被分裂成方位角的和径向分量并且分别被加到方位角光栅矢量kA2a或径向光栅矢量kA2r。
第四实施形式
在图14和15中示意化地示出了按照本发明的光学角度测量装置的第四实施形式或扫描光程；该变型方案重新适合于在带有极坐标运动学的机器中使用。
该实施形式的特点在于布置成地点固定的扫描单元320，所述扫描单元320包含线性极化的和准直的光源321以及探测器元件322.1、322.2和322.2。光源的线性极化的光束与X方向相反地发射给偏转单元的第一转向镜60.1，在此处通过反射转向到分度盘310。在另一光线走向（Strahlenverlauf）中，该光束在反射扫描光栅323处被分裂成两个分光束，所述分光束接着经过λ/8延迟板70.1或70.2。在第一径向圆光栅311.1处衍射、在镜312处反射和在第二径向圆光栅311.2处衍射之后，λ/8延迟板70.1或70.2分别重新被经过。由此，分光束的线性极化转化成右或左圆极化。在反射扫描光栅323处的第二衍射使彼此正交的极化的分光束重叠成得到的光束，所述光束以所得的0.衍射级射出。所述光束通过偏转单元的第二转向镜60.2与X轴平行地转向并且在扫描单元320方向上传播。在该扫描单元320中有分裂光栅81，其将得到的光束分裂成三个得到的分光束。所述分光束分别穿过极化镜80.1、80.2或80.3。所述极化镜这样不同地取向，使得以下的探测通过探测器元件322.1、322.2或322.3提供三个彼此相移120°的扫描信号。
不仅两个在此作为用于分别入射到其上的光束的偏转单元起作用的转向镜60.1和60.2，而且λ/8延迟板70.1和70.2如已经提及地那样布置在线性工作台上并且关于线性工作台在所说明的X方向上可推移。因此，与线性工作台的X位置无关地确保始终不变的光线走向。因为扫描单元320能够产生显著的耗损功率，所以空间上远离的布置最小化重要构件、尤其是分度盘310和扫描板324的热负荷。测量精度由此能够再次提高并且所输出的位置值的漂移显著降低。
因此，在本实施例中，分度盘310相对于地点固定的扫描单元320和地点固定的扫描板324或布置在其上的扫描光栅布置可移动地布置。在此，扫描光栅和扫描单元320沿着轴相对于分度盘310是可移动的，所述轴穿过分度盘310的中心。对此，在机器的圆形工作台(其围绕着旋转轴R是可转动的)处按圆周地布置分度盘310，而在地点固定的机架处布置扫描单元320和扫描光栅或扫描板324。
当然在按照本发明的光学角度测量装置的该实施形式的另外的改变中，也能够在分光束的光程中插入另外的极化光学器件，以便实现正交的线性或圆极化。与此相应地，对于技术人员也存在在扫描单元320中极化光学器件的另外的布置，以便使所得的光束转化成与位移有关的、移相的扫描信号。
第五实施形式
在图16和17中大大示意化地示出了按照本发明的光学角度测量装置的第五实施形式；该实施形式也适合于在带有极坐标运动学的机器中使用。
相应的机器重新包括可围绕着旋转轴R转动的(未示出的)圆形工作台，其沿着X方向可推移地布置在(同样也未示出的)线性工作台上。在圆形工作台的内部区域中布置有内部第一分度盘410，其借助三个扫描板424.1、424.2和424.3和分配给所述扫描板的三个扫描单元420.1、420.2 和420.3被扫描。在此，扫描板424.1、424.2和424.3与扫描单元420.1、420.2 和420.3布置在相对于分度盘410的不同方位角位置上。扫描板424.1、424.2和424.3与静止的机器基座相连，而扫描单元420.1、420.2 和420.3布置在在X方向上可推移的线性工作台上。此外，在圆形工作台的外圆周上还安置分成多个分度盘段的、外部的第二分度盘410.1，其运动经由附加的扫描板424.4和附加的扫描单元420.4被检测；该扫描板424.4重新与静止的机器基座相连，扫描单元420.4布置在线性工作台上。
所有四个扫描单元420.1 - 420.4提供位置信号，所述位置信号与圆形工作台的转动角
。在更准确的观察时，通过扫描单元420.1 - 420.4然而分别也测量分度盘410或410.1相对于扫描板424.1、424.2、424.3和424.4的与方位角方向平行的、线性位移。也就是说，经由该配置能够检测在XY平面中的运动的对象的所有自由度。
如果扫描单元420.2和420.3的正测量方向显示在+X方向上并且扫描单元420.1 和420.4 的正测量方向显示在+Y方向上，则对于所属的扫描信号ξ2和ξ3或ξ1和ξ4得出以下关系：
(方程13.3)
其中，
R1 内部分度盘410的分度半径
R2 外部分度盘410.1的分度半径。
由此能够确定圆形工作台中心的角度
和位移
和
：
圆形工作台中心的所述工作台位移到机器的传感器的地点处的工作台位移（diejenigen）的转换自然容易地是可能的。经由该布置由此原则上能够确定在圆形工作台上的一个或多个对象相对于传感器的所有侧向自由度、
和
。如果扫描单元420.1、420.2、420.3和420.4此外(以未示出的方式)这样被设计，使得在所属的扫描板424.1、424.2、424.3或424.4与分度盘410或410.1的交叉点处也能够分别测量垂直于XY平面、也就是在Z方向上的位移，则相应的对象相对于地点固定的传感器的所有6个自由度是可测量的。
如上所述，不是连续地从地点固定的机器基座到线性工作台和然后从线性工作台到圆形工作台进行所述测量；更确切地说，按照本发明的角度测量装置的示出的布置允许直接的测量或位置确定。对于Z位移的合适的测量装置优选是光学传感器，例如平面镜干涉仪、聚焦传感器；对此替代地，电容性测量装置也适用于在Z方向上的距离测量。
在该实施例中设置四个用于测量三个侧向自由度的扫描单元420.1、420.2、420.3和420.4。因此存在冗余的扫描单元。由此可能的是，允许外部分度盘的小的中断并且所述外分度盘由多个分度盘段构建。因此，外部分度盘410.1的分段是有利的，因为段由于其受限的大小比例如整体的、大的分度盘可明显容易并且成本低地制造。段边界和由此的信号中断应该优选在以下地点处进行，在所述地点处两个对象之间的传感器432处在圆形工作台上。在那里扫描单元420.4的增量计数器(Inkrementalz?hler)分别是无效的。如果现在分度盘410.1的下一个段在外部扫描单元420.4的区域内转动，那么能够借助另外三个扫描单元420.1、420.2和420.3的侧向位置确定来足够准确地估计外部扫描单元420.4的增量计数器值并且也相应地设置。为了进一步的精度提高，还能够检测和校正外部分度盘410.1的段之间的较小的相位偏移(Phasenoffset)。
第六实施形式
在图18和19中示出了按照本发明的光学角度测量装置的第六实施形式；重新规定其在带有极坐标运动学的机器中的使用。
在这里，分度盘510通过四个扫描单元520.1、520.2、520.3和520.4及所属的地点固定的扫描板524.1、524.2、524.3和524.4进行扫描。扫描板524.1、524.2、524.3和524.4再次构成为线性光栅，然而现在在方位角方向上也具有这样大的伸展，使得扫描地点的重要的位移在刚好这个方向上是可能的。由此可能的是，也使用不仅在X、而且在Y方向上可推移的圆形工作台531。扫描单元520.1、520.2、520.3和520.4固定在工作台531上。
按照本发明的光学角度测量装置的该实施形式再次允许在所有侧向自由度X、Y和
中的测量，具有特点，即在所有这些自由度中的非常大的位移也是可能的。如果此外扫描单元520.1、520.2、520.3和520.4分别再次包含用于Z位移的测量装置时，那么圆形工作台531相对于地点固定的扫描板524.1、524.2、524.3和524.4的所有六个自由度是可确定的。
另外的实施形式
当然在按照本发明的光学角度测量装置的另外的修改中也能够使用交叉光栅、也就是两维的分度作为扫描光栅。因此能够检测圆形工作台的特别大的线性或还有平面的位移。也可能的是，为所有的扫描单元设置仅一个相应大的交叉光栅作为共同的扫描光栅。另外，能够任意地并且与在带有极坐标运动学的机器中的线性或XY工作台的一个或多个运动方向无关地选择在分度盘上的扫描单元的方位角位置。在此，扫描光栅的取向必须与在扫描地点处的方位角方向一致。
此外可能的是，在分度盘的下侧上构成两个组合的径向圆光栅作为反射光栅并且在其上侧上构成镜。由此，分度盘内的光线走向变成W形的等等。
Claims (15)
1.用于检测至少一个扫描光栅(23.1、23.2；123；223；323)和带有至少一个测量分度的分度盘(10；110；210；310；410；510)之间的相对运动的光学角度测量装置，其中
-该扫描光栅(23.1、23.2；123；223；323)构成为线性扫描光栅，并且
-该分度盘(10；110；210；310；410；510)作为测量分度包括第一和第二组合的径向圆光栅(11.1、11.2；111.1、111.2；211.1、211.2；311.1、311.2)并且具有镜(12；112；212；312)，使得
-在扫描光栅(23.1、23.2；123；223； 323)处的入射光束首先经历分裂成两个分光束；
-分光束在第一组合的径向圆光栅(11.1；111.1；211.1；311.1)方向上传播并且在那里受到衍射；
-衍射的分光束在镜(12；112；212；312)方向上传播并且在那里在第二组合的径向圆光栅(11.2；111.2；211.2；311.2)方向上受到反射；
-分光束在第二组合的径向圆光栅(11.2；111.2；211.2；311.2)方向上传播并且在那里受到衍射；
-衍射的分光束在扫描光栅(23.1、23.2；123；223；323)方向上传播，在此处引起分光束的重叠。
2.根据权利要求1所述的光学角度测量装置，其中所述组合的第一和第二径向圆光栅(11.1、11.2；111.1、111.2；211.1、211.2；311.1、311.2)将至少一个方位角光学偏转作用与径向的、环形弯曲的圆柱形透镜的光学作用相调和。
3.根据权利要求1或2所述的光学角度测量装置，其中所述第一组合的径向圆光栅(11.1、11.2；111.1、111.2；211.1、211.2；311.1、311.2)这样构成，使得除了对分光束的纵向和横向的偏转作用外此外引起分光束到镜(12；112；212；312)上的聚焦。
4.根据权利要求1所述的光学角度测量装置，其中所述第二组合的径向圆光栅(11.1、11.2；111.1、111.2；211.1、211.2；311.1、311.2)这样构成，使得除了对分光束的纵向和横向的偏转作用外此外引起在扫描光栅(23.1、23.2；123；223；323)方向上传播的分光束的重新准直。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的光学角度测量装置，其中所述组合的第一和第二径向圆光栅(11.1、11.2；111.1、111.2；211.1、211.2；311.1、311.2)环形地在分度盘(10；110；210；310；410；510)的圆周上布置并且在环圆周上分别具有恒定的方位角光栅周期并且在径向方向上具有变化的径向光栅周期。
6.根据权利要求1所述的光学角度测量装置，其中所述镜(12；112；212；312)环形地在分度盘(10；110；210；310；410；510)的圆周上布置。
7.根据权利要求5和6所述的光学角度测量装置，其中所述分度盘(10；110；210；310；410；510)由透明的材料组成并且布置在组合的第一和第二径向圆光栅(11.1、11.2；111.1、111.2；211.1、211.2；311.1、311.2)的第一侧上并且布置在镜(12；112；212；312)的相反的第二侧上，所述镜的反射面在第一侧的方向上取向。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的光学角度测量装置，其中所述扫描光栅(123；223；323)构成为反射扫描光栅。
9.根据权利要求1至7中至少一项所述的光学角度测量装置，其中光源(21；321)以及多个光电子探测器元件(22.1 - 22.3；322.1 - 322.3)布置在扫描单元(20；120；320；420.1 - 420.4；520.1 - 520.4)中并且从光源(21；321)发射的光束可输送给扫描光栅(23.1、23.2；123；223；323)并且重叠的分光束可输送给光电子探测器元件(22.1 - 22.3；322.1 - 322.3)。
10.根据权利要求9所述的光学角度测量装置，其中在扫描单元(20)中此外布置有扫描光栅(23.1、23.2)并且分度盘(10)相对于扫描单元(20)可移动地布置。
11.根据权利要求9所述的光学角度测量装置，其中相对于扫描光栅(123；223)，至少一个扫描单元(120；420.1 - 420.4；520.1 - 520.4)可推移地并且分度盘(110；210；410；510)可转动地被布置。
12.根据权利要求9所述的光学角度测量装置，其中至少一个扫描单元(320)与扫描光栅(323)一起相对于分度盘(310)沿着轴(X)相对可移动地布置，所述轴穿过分度盘(310)的中心。
13.根据权利要求9所述的光学角度测量装置，带有多个扫描单元(420.1 - 420.3)和多个分配给扫描单元(420.1 - 420.3)的扫描光栅(424.1 - 424.3)，其中所述扫描单元(420.1 - 420.3)和扫描光栅(424.1 - 424.3)布置在相对于分度盘(410)的不同的方位角位置上。
14.根据权利要求9所述的光学角度测量装置，其中所述分度盘(410.1)由多个分度盘段组成。
15.根据权利要求9所述的光学角度测量装置，其中
-来自扫描单元(320)的光束经由偏转单元在分度盘(310)方向上是可转向的并且
-来自分度盘(310)的光束经由偏转单元在扫描单元(320)方向上是可转向的。
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