CN110174048A - 光学位置测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于确定两个物体的相对位置的光学位置测量装置，物体能沿至少两个测量方向相对于彼此运动。该装置包括两个扫描单元，扫描单元与两个物体中的一个连接并且各自具有至少一个光源、一个或多个栅格和一个检测器装置。此外，标尺与另一个物体连接，该标尺具有沿第一测量方向延伸的、带有增量分度的两个轨道，增量分度各自由沿增量分度方向周期性布置的、具有不同光学特性的分度区域构成。两个增量分度方向相对于彼此占据在0°和90°之间的角度。在两个增量分度中的每一个中集成至少一个参考标记，沿着每个测量方向能够由参考标记的扫描生成在限定的参考位置处的参考信号，参考标记包含非周期性分量和周期性分量。

Description

光学位置测量装置
技术领域
本发明涉及一种光学位置测量装置，其适用于高精度地确定两个能相 对于彼此运动的物体的相对位置。
背景技术
从EP 1 724 548 A2中已知一种位置测量装置，其适用于确定两个物 体的相对位置，这些物体能沿至少两个测量方向相对于彼此运动。位置测 量装置包括扫描头和标尺，扫描头与两个物体中的一个连接，标尺与两个 物体中的另一个连接。标尺具有沿着第一测量方向延伸的、具有增量分度 两个轨道；第一测量方向在下面也称为主测量方向。两个增量分度的分别 周期性布置的分度区域相对于彼此占据在0°和90°之间的角度，即两个增量分度相对于彼此旋转地布置。通过扫描增量分度，该增量分度的分度区 域垂直于第一测量方向地定向，能够产生用于沿第一测量方向或主测量方 向确定相对位置的周期性增量信号。由相对倾斜或旋转布置的增量分度的 扫描，能够以测量技术检测关于沿着第二测量方向可能产生的运动的、另 外的相对位置信息。在EP 1 724 548 A2中提出旋转了一个角度的增量分 度的布置方案，该角度能够在0°和90°之间。此外还提及了45°角的情况 下的布置方案。两个增量分度各自还具有参考标记，以便能够确定沿第一 测量方向以及沿第二测量方向的绝对位置或参考位置。当经过相应的参考 标记时，然后能够将大约一个计数器设置到预定的绝对位置值上，随后的 增量测量然后涉及该绝对位置值。关于参考标记的形成，所引用的文献仅 包含关于在扫描期间确保可靠检测该标记的必要程度的说明。除了与增量 分度相邻的参考标记的布置方案之外，还提到了将参考标记集成到增量分 度中的可能性。
发明内容
本发明的目的是提供一种光学位置测量装置，其用于沿至少两个测量 方向进行高精度的位置确定，该测量装置具有两个带有集成的参考标记 的、相对彼此旋转布置的增量分度。即使当沿着第一测量方向经过相应的 参考标记时，也应该确保产生周期性增量信号，尤其与扫描单元沿第二测 量方向定位的位置无关地产生。
根据本发明的光学位置测量装置用于确定两个物体的相对位置，这些 物体能沿至少两个测量方向相对于彼此运动。光学位置测量装置包括两个 扫描单元，扫描单元与两个物体中的一个连接，并且扫描单元各自具有至 少一个光源、一个或多个栅格、以及一个检测器装置。此外设置有标尺， 该标尺与另一个物体连接，并且标尺具有沿着第一测量方向延伸的、带有 增量分度的两个轨道，增量分度各自由沿着增量分度方向周期性布置的、具有不同光学特性的分度区域构成。两个增量分度方向相对于彼此占据在 0°和90°之间的角度。在两个增量分度中的每一个中集成有至少一个参考 标记，沿着每个测量方向能够由参考标记的扫描生成在限定的参考位置处 的参考信号。参考标记包含非周期性分量和周期性分量。
优选地，参考标记布置在相应的增量分度中的面积度量受限制的子区 域中，其中参考标记的非周期性分量和周期性分量在该子区域中彼此混合 地形成。
在此，子区域能够设计成矩形，并且矩形纵向轴线在相应的增量分度 中垂直于增量分度方向地定向。
矩形的参考标记还可以延伸经过具有相应的增量分度的轨道的整个 宽度。
在一个可行的设计方案中，参考标记的非周期性分量和周期性分量以 垂直于相应的增量分度方向的方式在空间上分开地形成。
在此，参考标记的周期性分量能够具有与相应的增量分度栅格常量相 同的第一参考标记栅格常量；参考标记的非周期性分量能够各自包含多个 栅格结构体，这些栅格结构体具有沿增量分度方向局部地变化的第二参考 标记栅格常量。
此外，在这样的设计方案中，参考标记的非周期性分量能够各自包括 多个镜像对称地形成的栅格结构体，栅格结构体的第二参考标记栅格常量 从中央对称轴线出发垂直于增量分度方向向外对称地增大。
在此，参考标记的非周期性分量可以以垂直于增量分度方向的方式利 用第三参考标记栅格常量周期性地布置。
优选地，选择第三参考标记栅格常量，以使扫描单元垂直于增量分度 方向的位移不引起信号变化。
此外能够提出，参考标记的周期性分量和非周期性分量彼此具有1：1 的面积比例。
在另一个可行的设计方案中，参考标记的周期性分量设计为集成到参 考标记的非周期性分量中的周期性超结构体(Ueberstruktur)。
在此，参考标记的周期性分量能够具有与相应的增量分度的增量分度 栅格常量对应的参考标记细栅格常量。此外，参考标记的非周期性分量能 够由两个不同的参考标记区域形成，这些参考标记区域利用参考标记粗栅 格常量沿着增量分度方向交替地布置，并且参考标记区域各自具有分度区 域宽度与参考标记细栅格常量的不同的比例。
此外，不同设计的参考标记区域能够沿着增量分度方向非周期性地布 置，并且参考标记区域能够从中央对称轴线出发镜像对称并且向外地以分 别增大的参考标记粗栅格常量布置。
优选地提出，
-在扫描单元中，发射栅格装置布置在发散发射的光源的上游，发 射栅格装置由周期性透射发射栅格和相邻布置的发射间隙构成，并且
-其中，检测器装置包括增量信号检测器和参考信号检测器。
此外显示有利的是，标尺设计为反射标尺，并且标尺具有利用不同相 移作用交替布置的反射分度区域。
在根据本发明的光学位置测量装置的情况下，显示特别有利的是，即 使在经过相应的参考标记时，基本上能够提供沿着一个或多个测量方向的 周期性增量信号。
此外确保的是，仅通过标尺的和扫描单元的沿第一测量方向的相对运 动就可以产生沿第一和第二测量方向的绝对位置参考量。
此外，对于扫描单元的沿第二测量方向的每个位置，确保产生沿第一 和第二测量方向的绝对参考量。
结合附图，参考根据本发明的装置的实施例的以下描述，阐述本发明 的另外的细节和优点。
附图说明
图中示出：
图1a、图1b分别示出根据本发明的光学位置测量装置的第一实施例 的、部分扫描光束路径的示意剖视图；
图2示出源自图1a、图1b的第一实施例的标尺的局部平面图；
图3示出源自图2的标尺的细节视图；
图4示出源自图1a、图1b的第一实施例的扫描单元的平面图；
图5示出源自图4的参考信号检测器装置的细节视图；
图6示出根据本发明的光学位置测量装置的第二实施例的、标尺的局 部视图。
具体实施方式
下面将参考图1a至图5详细描述根据本发明的光学位置测量装置的 第一实施例。图1a、1b以示意图形式示出了不同截面图中的局部扫描光 束路径，图2示出了标尺的局部平面图，图3示出了标尺的放大的细节视 图，图4示出扫描单元的平面图，并且图5示出参考信号检测器装置的细 节视图。
在所示的实施例中，根据本发明的光学位置测量装置设计为反射光长 度测量装置，并且光学位置测量装置包括具有两个设计相同的扫描单元的 扫描头。在图1a和图1b中，仅示出了两个扫描单元中的一个，并且在那 里用附图标记20表示。扫描头以及两个扫描单元20沿两个测量方向x、y 相对于标尺10可运动地设置。在本实施例中，两个测量方向x、y彼此垂 直地取向。测量方向x在下文中也称为第一测量方向或主测量方向，测量 方向y称为第二测量方向或次测量方向。标尺10和扫描头或扫描单元20 例如与两个在图中未示出的物体连接，这些物体能沿着两个测量方向x、y 相对于彼此运动。在此，物体能够例如是两个可相对于彼此运动的机器部 件，这些机器部件能够主要沿主测量方向x运动经过直至多米的较大测量 距离。还由引导公差引起沿着次测量方向y的相对运动，但是沿着次测量方向y通常仅存在几毫米范围内的小的待检测的测量距离。通过根据本发 明的光学位置测量装置沿着两个测量方向x、y的位置相关的、增量信号 和参考信号形式的输出信号，下游的控制单元能够以合适的方式控制这些 机器部件的运动。
在位置测量装置的扫描单元20中，在载体元件21上设置有光源22 和与其相邻的、具有增量信号检测器25.1和参考信号检测器25.2的检测 器装置。沿光传播方向，在发散发射的光源22的上游布置有发射栅格装 置，该发射栅格装置包括周期性透射发射栅格23.1和与其相邻布置的发射 间隙23.2。
扫描单元的参考信号检测器25.2在图5中以放大视图示出。参考信号 检测器由总共四个探测器阵列25.2a、25.2b、25.2c、25.2d组成，探测器 阵列各自包括多个矩形光电探测器元件。关于参考信号检测器25.2的具体 设计的其他细节，具体参考申请人的文献EP 2525 195A2，特别是参考该 文献的图10的实施例。
根据从光源22发射的光束与设置在扫描光束路径中的栅格的、也就 是与透射发射栅格23.1、发射间隙23.2和标尺10的相互作用，在检测器 装置的检测平面中产生与位移相关的信号图案。通过借助于第一扫描单元 20对该信号图案进行的光电扫描，产生沿x1'方向的周期性增量信号和参 考信号，该方向随后被定义为增量分度方向x1'；利用第二扫描单元(未示 出)，产生沿着接下来同样定义的另外的增量分度方向x2'的周期性增量信号以及参考信号。
如从图2中可见，在标尺10的侧面上，沿着第一测量方向x延伸的、 具有增量分度12.1、12.2的两个轨道布置在标尺载体11上。增量分度12.1、 12.2各自由利用增量分度栅格常量TPINC周期性地布置的、具有不同的光 学特性的条形分度区域12.1a、12.1b、12.2a、12.2b构成。在具有反射标 尺20的本示例中，交替布置的反射分度区域12.1a、12.1b、12.2a、12.2b 具有不同的相移作用、或不同的相位偏差。例如，交替的分度区域12.1a、12.1b、12.2a、12.2b具有0°相位偏差和180°相位偏差。从图2中能够看出， 分度区域12.1a、12.1b、12.2a、12.2b各自沿一个方向周期性地连续布置， 该方向下面称为增量分度方向x1'或x2'。在纵向方向上，分度区域12.1a、 12.1b、12.2a、12.2b如图所示沿分别垂直于增量分度方向x1'、x2'定向的方 向y1'、y2'延伸。在所示实施例中，两个轨道中的增量分度方向x1'、x2'相 对于彼此占据角度β＝90°。通常，该角度β在0°和90°之间的范围内进行 选择。根据图2，在两个增量分度12.1、12.2中，相应的增量分度方向x1'、 x2'和第一测量方向x之间的角度以α描述。对于增量分度12.1来说，选择 α＝45°，对于增量分度12.2来说，选择α＝-45°。在该实施例中，增量分 度栅格常量TPINC设置为TPINC＝8μm。
在两个增量分度12.1、12.2中的每一个中，如图2进一步所示，集成 有至少一个参考标记13.1、13.2。通过参考标记13.1、13.2，能够在位置 测量中产生绝对参考。为此，当经过参考标记13.1、13.2时，例如将计数 器设置为预定的绝对位置值，随后高分辨率增量测量值将参考该绝对位置 值。沿着两个测量方向x、y，能够由参考标记13.1、13.2的光学扫描分别 生成在限定的参考位置xREF、yREF处的参考信号。在此，参量xREF、yREF仅是由用户给定的计算值。两个轨道的单独计数器值能够通过参考标记行 程归零或设置为预定的绝对位置值。通过下面详细说明的、参考标记13.1、 13.2的设计方案，具有增量分度12.1、12.2的两个轨道的、沿着两个测量 方向x、y的参考可以仅仅由沿着第一测量方向x的相对运动实现。同样， 可以仅通过标尺10的和扫描单元20的沿主测量方向x的相对运动来补偿 沿两个增量分度方向x1'、x2'的增量信号的可能产生的误差。
参考标记13.1、13.2分别布置在相应的增量分度12.1、12.2中的面积 度量受限制的子区域中。根据本发明，在该子区域中彼此混合地形成参考 标记13.1、13.2的周期性分量和非周期性分量都。通过参考标记13.1、13.2 的这种设计方案，一方面确保了参考标记13.1、13.2的可检测性，另一方 面保证了当经过这些参考标记13.1、13.2时总能提供周期性增量信号。
在图2的实施例中，具有参考标记13.1、13.2的子区域在增量分度 12.1、12.2中分别形成矩形。在此，两个子区域的矩形纵向轴线垂直于增 量分度方向x1'或x2'地定向，相应的方向在图2中用y1'或y2'表示。此外， 选择子区域的尺寸，使得矩形的参考标记13.1、13.2延伸经过具有相应的 增量分度12.1、12.2的轨道的整个宽度B。
关于合适的参考标记的第一实施例的具体设计方案，参考图3中的参 考标记13.2的细节局部图示。在该实施例中提出，参考标记13.2的非周 期性分量14.2和周期性分量14.1以垂直于增量分度方向x2'的方式在空间 上彼此分开地形成。另一方面，在下面要说明的实施例中，可选地提供参 考标记的周期性分量到非周期性分量中的集成。
具有周期性栅格结构体的条形区域作为参考标记13.2的具有第一参 考标记栅格常量TPRM1的周期性分量14.1起作用。在此，第一参考标记栅 格常量TPRM1与相应轨道的周围增量分度12.2中的增量分度栅格常量 TPINC相同。条形区域沿着增量分度方向x2'在参考标记13.2中延伸。因此 在条形区域内，类似于增量分度12.2的形成，具有不同光学特性的分度区 域14.1a、14.1b在当前情况下利用不同的相位偏差沿着增量分度方向x2' 周期性地布置，使用的第一参考标记栅格常量TPRM1＝TPINC。
参考标记13.2的与周期性分量14.1在空间上分开的非周期性分量 14.2形成在另外的条形区域中。在那里布置有栅格结构体，其具有沿增量 分度方向x2'局部变化的第二参考标记栅格常量TPRM2。在这种情况下，还 讨论了对称线性调制的栅格结构体。具体而言，在条形区域中相对于中央 对称轴线S镜像对称地形成的栅格结构体设置在交替布置的、具有不同的 光学特性的分度区域14.2a、14.2b中。在这些区域内，栅格结构体的第二 参考标记栅格常量TPRM2从对称轴线S出发垂直于增量分度方向x2'向外对 称地增大。
关于合适的线性调制曲线的选择及其在这种栅格结构体中的精确数 学表征，另外参考EP 2 318 812 A1，其公开内容在此明确参考引用。
垂直于增量分度方向x2'，即沿着方向y2'，在本实施例中具有周期性 分量14.1的条形区域和参考标记13.2的非周期性分量14.2具有相同的宽 度bp、bap。因此，参考标记13.2的周期性分量14.1和非周期性分量14.2 相对于彼此具有1：1的面积比例。原则上，能够通过选择该面积比例定 义式地设置生成的增量信号和参考信号的信号大小比例。在所示的示例 中，参考标记13.2的周期性分量14.1和非周期性分量14.2都沿着方向y2' 布置，以便利用第三参考标记栅格常量TPRM3周期性地布置。在一个可行 的实施例中，选择条形区域的宽度bp、bap，利用的周期性分量14.1和非 周期性分量14.2各自选择为128μm，因此第三参考标记栅格常量TPRM3＝256μm。
通过选择合适的第三参考标记栅格常量TPRM3，还能够确保：即使在 扫描单元可能垂直于增量分度方向x2'、即沿着方向y2'位移的情况下，也 不引起所生成的增量信号的和参考信号的变化。在这种情况下，原则上表 明有利的是，尽可能精细地周期性选择第三参考标记栅格常量TPRM3。
最后，根据图6中的参考标记113.2的局部视图阐述合适的参考标记 的第二实施例。应注意，在该图中未示出完整的参考标记。在该实施例中， 现在提出：参考标记的周期性分量设计为集成到参考标记的非周期性分量 中的周期性超结构体。
如在前面的例子中那样，参考标记113.2被集成地设置在具有增量分 度栅格常量TPINC的增量分度112.2中。在一个可行的实施例中，选择TPINC＝8μm。关于矩形的子区域与参考标记113.2的相对布置和取向，参考上述 说明。
周期性超结构体形式的参考标记的周期性分量由参考标记细栅格常 量TPRMF形成，该参考标记细栅格常量在参考标记113.2的整个宽度上沿 增量分度方向x2'保持恒定。参考标记细栅格常量TPRMF对应于增量栅格常 量TPINC。
在该实施例中，参考标记的非周期性分量由两个不同的参考标记区域 RM1、RM2形成，参考标记区域沿着增量分度方向x2'以参考标记粗栅格常 量TPRMG交替布置。在这种情况下，不同的参考标记区域RM1、RM2各自 具有分度区域宽度bRM与参考标记细栅格常量TPRMF的不同比例V。例如， 在参考标记区域RM1中提供宽度bRM＝1.6μm，并因此设置比例V＝bRM/TPRMF＝0.2。在参考标记区域RM2中，宽度bRM＝6.4μm，因此选择比例V ＝bRM/TPRMF＝0.8。
不同设计的参考标记区域RM1、RM2沿着增量分度方向x2'非周期地 布置在参考标记113.2中。从中央对称轴线(图6中未示出)出发，参考 标记区域RM1、RM2是镜像对称的并且向外地以相应增大的参考标记粗栅 格常量TPRMG布置。
除了具体描述的实施例外，在本发明范围内当然还存在其他设计可能 性。
因此，当然也可以根据本发明设计旋转位置测量装置。在此，第二轨 道的参考标记不对应于第一轨道的参考标记的旋转，也就是说，在两个轨 道中设置的参考标记在这种情况下不同地设计。根据扫描半径，至少必须 不同地选择两个参考标记的周期性分量的分度周期。

Claims (15)

1.一种用于确定两个物体的相对位置的光学位置测量装置，所述物体能沿至少两个测量方向(x、y)相对于彼此运动，所述光学位置测量装置具有：
两个扫描单元(20)，所述扫描单元与两个所述物体中的一个物体连接，并且所述扫描单元各自包括至少一个光源(22)、一个或多个栅格(23.1、23.2)、以及一个检测器装置；和
标尺(10)，所述标尺与另一个物体连接，并且所述标尺具有沿着第一测量方向延伸的、带有增量分度(12.1、12.2；112.2)的两个轨道，所述增量分度各自由沿着增量分度方向(x1'、x2')周期性布置的、具有不同光学特性的分度区域(12.1a、12.1b、12.2a、12.2b；
112.2a、112.2b)构成，其中两个所述增量分度方向(x1'、x2')相对于彼此占据在0°和90°之间的角度(β)，并且在两个所述增量分度(12.1、12.2；112.2)中的每一个中集成有至少一个参考标记(13.1、13.2；113.2)，沿着每个测量方向能够由所述参考标记的扫描生成在限定的参考位置处的参考信号，并且其中所述参考标记(13.1、13.2；
113.2)包含非周期性分量(14.2)和周期性分量(14.1)。
2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，所述参考标记(13.1、13.2；113.2)布置在相应的所述增量分度(12.1、12.2；112.2)中的面积度量受限制的子区域中，并且所述参考标记的所述非周期性分量(14.2)和所述周期性分量(14.1)在所述子区域中彼此混合地形成。
3.根据权利要求2所述的光学位置测量装置，其中，所述子区域设计成矩形，并且矩形纵向轴线在相应的所述增量分度(12.1、12.2；112.2)中垂直于所述增量分度方向(x1'、x2')地定向。
4.根据权利要求3所述的光学位置测量装置，其中，矩形的所述参考标记(13.1、13.2；113.2)延伸经过具有相应的所述增量分度(12.1、12.2；112.2)的所述轨道的整个宽度(B)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光学位置测量装置，其中，所述参考标记的所述非周期性分量(14.2)和所述周期性分量(14.1)以垂直于相应的所述增量分度方向(x1'、x2')的方式在空间上分开地形成。
6.根据权利要求5所述的光学位置测量装置，其中，
所述参考标记的所述周期性分量(14.1)具有与相应的增量分度栅格常量(TPINC)相同的第一参考标记栅格常量，并且
所述参考标记的所述非周期性分量(14.2)各自包含多个栅格结构体，所述栅格结构体具有沿所述增量分度方向(x1'、x2')局部变化的第二参考标记栅格常量(TPRM2)。
7.根据权利要求6所述的光学位置测量装置，其中，所述参考标记的所述非周期性分量(14.2)各自包括多个镜像对称地形成的栅格结构体，这些栅格结构体的第二参考标记栅格常量(TPRM2)从中央对称轴线(S)出发垂直于所述增量分度方向(x1'、x2')向外对称地增大。
8.根据权利要求5所述的光学位置测量装置，其中，所述参考标记的所述非周期性分量(14.2)以垂直于所述增量分度方向(x1'、x2')的方式利用第三参考标记栅格常量(TPRM3)周期性地布置。
9.根据权利要求8所述的光学位置测量装置，其中，选择所述第三参考标记栅格常量(TPRM3)，以使扫描单元(20)垂直于所述增量分度方向(x1'、x2')的位移不引起信号变化。
10.根据权利要求5所述的光学位置测量装置，其中，所述参考标记的所述周期性分量(14.1)和所述非周期性分量(14.2)彼此具有1：
1的面积比例。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的光学位置测量装置，其中，所述参考标记的所述周期性分量设计为集成到所述参考标记的所述非周期性分量中的周期性超结构体。
12.根据权利要求11所述的光学位置测量装置，其中，
所述参考标记的所述周期性分量具有与相应的所述增量分度的增量分度栅格常量(TPINC)对应的参考标记细栅格常量(TPRMF)，并且
所述参考标记的所述非周期性分量由两个不同的参考标记区域形成，所述参考标记区域利用参考标记粗栅格常量(TPRMG)沿着所述增量分度方向(x1'、x2')交替地布置，并且所述参考标记区域各自具有分度区域宽度(bRM)与参考标记细栅格常量(TPRMF)的不同的比例。
13.根据权利要求12所述的光学位置测量装置，其中，不同设计的所述参考标记区域沿着所述增量分度方向(x1'、x2')非周期性地布置，并且所述参考标记区域从中央对称轴线出发镜像对称并且向外地以分别增大的参考标记粗栅格常量(TPRMG)布置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的光学位置测量装置，
其中，在所述扫描单元(20)中，发射栅格装置布置在发散发射的光源(22)的上游，所述发射栅格装置由周期性透射发射栅格(23.1)和相邻布置的发射间隙(23.2)构成，并且
其中，所述检测器装置包括增量信号检测器(25.1)和参考信号检测器(25.2)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光学位置测量装置，其中，所述标尺(10)设计为反射标尺，并且所述标尺具有利用不同相移作用交替布置的反射分度区域。
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