CN111947567A - 光学位置测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测两个能够相对彼此沿着至少一个测量方向移动的物体的相对位置的光学位置测量装置，物体与第一光栅和与第二光栅连接。在此，在一个光栅处由光源发射的光照射束被分束成至少两个子射束；子射束在扫描光路的后续的走向中受到不同的偏振光学作用。在以不同的方式偏振的子射束在一个光栅处再结合之后，能够在检测单元中从所得到的信号射束中产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号。在子射束的扫描光路中在分束和再结合之间没有布置单独的偏振光学器件，被穿过的光栅中的至少一个用作为产生对子射束的不同偏振光学作用的偏振光栅。在此，偏振光栅设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同偏振态的衍射级。

Description

光学位置测量装置
技术领域
本发明涉及用于检测两个能够相对彼此移动的物体的相对位置的光学位置测量装置。
背景技术
在已知的高精度的光学位置测量装置中，除了与强度相关的评估方法之外，还将用于生成三个或更多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号的偏振光学方法用于确定位置。关于扫描信号的偏振光学产生，例如参考本申请人的专利EP 0 481 356 A2。
在图1中以展开的扫描光路的示意图示出了根据EP 0 481 356 A2信号产生所基于的原理。在此，光栅A、M可一同沿指定的测量方向x相对于其余的部件L1、L2、AO相对移动地布置。从左侧入射的、经由起偏器P1限定地偏振的射束首先经由光栅A而分束成两个子射束。如从图1中可见：将单独的偏振光学器件、例如取向不同的λ/4板PE1、PE2置入到将受到干涉的子射束的光程中，在该子射束中编码有位置信息。λ/4板PE1、PE2使两个穿过的子射束偏振化为彼此正交的，即两个子射束于是例如左右圆偏振的。然后，将这两个子射束叠加成共同的信号射束(0)，并在后续的检测单元或评估光学装置AO中分束成三个或更多个叠加的子射束I90、I210、I330。在通过不同取向的起偏器P90、P210、P330之后，在检测器元件D90、D210、D330处最终产生分别相位偏移了120°的扫描信号S90、S210、S330，这些扫描信号以已知的方式和方法得到进一步处理。通常，除了λ/4板PE1、PE2之外，在分束的子射束的射线路径中还布置有起偏器P2、P3形式的其他偏振光学器件，以经由此补偿先前由子射束穿过的光栅A、L1、L2引起的错误偏振。
这种以偏振光学的方式产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号的缺点是必须将单独的或额外的光学元件、例如λ/4板和起偏器引入到扫描光路中或引入到两个相对彼此移动的部件之间的扫描间隙中。在相应的光学位置测量装置的结构体积受限或所设置的扫描间距小的情况下，这样的额外器件会引发问题。如果位置测量装置类似于从WO2008/138501 A1中已知的原理那样来构造，则图1中的部件A、M和L1、L2设计为两个可相互移动的实物量具。在这种情况下，对位于它们之间的、固定式的偏振光学器件的机械固定通常是不可行的。
此外，扫描光路中的额外的偏振光学器件也对所用的载体结构的平整度、平行度和均匀性提出了更高的要求；需要无漂移且稳定的安装面来容纳该载体结构。在此，可能的材料缺陷只能以极其高的额外耗费经由相应的校准方法来进行补偿。当在相应的位置测量装置中使用长的平移不变的标尺时，这尤其适用。
此外，由于在扫描光路中额外需要的偏振光学器件而同样对其他系的统特性、例如固有频率或扫描间隙中的空气流动具有幅面影响。
在本申请人的专利DE 10 2010 063 253 A1中已经提出了一种光学位置测量装置，其在扫描光路中没有单独的或额外的偏振光学器件的情况下以偏振光学的方式产生相位偏移的扫描信号。根据该解决方案，所需的偏振光学器件整体地构成在扫描光路的其他部件中，例如以具有周期变化结构的高频光栅的形式构成。在这样的位置测量装置中，所使用的部件在测量方向上具有与位置相关的偏振特性；例如在此能够提出：将实体量具用作偏振光栅。实体量具于是例如由多个局部可变的层构成并且包括高频光栅，其具有分度周期dR<λ/2，该高频光栅只具有第0级衍射级，并产生偏振光学功能。在此，高频光栅的光栅方向以偏振周期dP沿测量方向变化，偏振周期必须显著大于实体量具的被照射的区域的宽度hwSpot，其限制了可产生的扫描信号的信号周期SP的下限；即在此必须满足关系dP>hwSpot。因此，射在实体量具的不同点处的子射束受到了局部不同的偏振光学作用，其中偏振变化在此必须精确地匹配于相应的扫描间距。为此，将子射束的入射点的间距选择成，使得间距对应于实体量具的光栅周期的一半。在扫描间距改变的情况下，扫描信号的调制程度将受损并且其他信号特性也会改变。
最后，从本申请人的专利DE 10 2014 211 004 A1中还已经披露了另一种光学位置测量装置，其在扫描光路中没有额外的分立的偏振光学器件的情况下以偏振光学的方式产生相位偏移的扫描信号。根据该文献，可以在特定条件下利用在光学位置测量装置的扫描板或实体量具的侧部上的光删处的衍射，以在衍射的子射束中设定特定的偏振态。然而，为此，一方面需遵守关于待分束的射束的特定的入射条件；另一方面，相应的光栅为了设定在衍射的子射束中所期望的偏振特性必须具有极其小的光栅周期。由此，用于对子射束产生偏振光学作用的这种可行性方案受到特定的限制，并且不可被用于所有的扫描原理。
发明内容
本发明所基于的目的在于，提出一种光学位置测量装置，其为了以偏振光学的方式产生相位偏移的扫描信号而无需扫描光路中额外的偏振光学器件并且能够使用不同的光学扫描原理。在不同的子射束中所设定的偏振态即使在扫描特性变化的情况下也将尽可能保持不变进而确保所产生的扫描信号的质量保持不变。
根据本发明，该目的通过根据本发明的光学位置测量装置来实现。
根据本发明的光学位置测量装置的有利的实施方案从在各个实施例中所实施的措施中得到。
根据本发明的光学位置测量装置用于检测两个能够相对彼此沿着至少一个测量方向移动的物体的相对位置，物体与第一光栅和与第二光栅连接。在一个光栅处由光源发射的光照射束分束成至少两个子射束；子射束在扫描光路的后续历程中受到不同的偏振光学作用，在不同偏振的子射束在一个光栅处再结合之后，能够在检测单元中由所得到的信号射束产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号。在子射束的扫描光路中在分束与再结合之间没有布置单独的偏振光学器件。穿过的光栅中的至少一个设计为用于产生对子射束不同的偏振光学作用的偏振光栅。在此，偏振光栅设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同偏振态的衍射级。
能够提出，偏振光栅包括呈光栅接片和光栅狭缝形式的多个弧形弯曲的光栅结构，光栅结构的纵向延伸方向分别平行于测量方向取向，并且其中，光栅结构沿着测量方向和垂直于测量方向周期性地布置。
在此可行的是：偏振光栅平行于测量方向具有以测量方向周期性周期性地布置的、条形的光栅部段，光栅部段的纵向延伸方向垂直于测量方向取向，其中在光栅部段中光栅结果垂直于测量方向以正交周期性周期布置。
此外能够提出，在偏振光栅的相邻的光栅部段之间：布置有光栅狭缝；或布置有光栅接片；或布置有交替相邻的多个光栅狭缝和光栅接片。
替选于此可行的是，相邻的光栅部段的光栅结构彼此邻接。
在一个有利的实施方式中，根据关系式Λ_ortho<1.5·λ来选择正交周期性Λ_ortho，其中，λ指明所使用的光源的波长。
此外能够提出，根据关系式FV<0.6来选择偏振光栅的面填充比FV，其中，面填充比FV被定义为一个偏振光栅单元格中的光栅接片的面积与偏振光栅单元格的总面积的比。
因此，可行的是，偏振光栅设计为反射相位光栅，其光栅接片和光栅狭缝具有不同的反射特性。
在一个优选的实施方式中，反射相位光栅包括至少如下部件：载体衬底，布置在载体衬底上的平面的反射器层，布置在反射器层之上的光栅结构层。
在此，光栅结构层能够具有层厚度d，层厚度是根据关系式d<0.6·λ来选择的，其中，λ指明所使用的光源的波长。
此外，能够提出，在平面的反射器层和光栅结构层之间布置有平面的相位偏移层。
还可行的是，反射器层由金属的反射器层或由反射的层堆构成，以及光栅结构层由来自组：SiO2、TaOx、TiO2、Si的介电材料或者由来自组：TiN、GaN的半导体材料或由具有上述介电材料中的一种或多种和上述半导体材料中的一种或多种的层堆构成。
有利地，偏振光栅设计为，使得所得到的第+/-1级衍射级彼此正交地偏振。
在根据本发明的光学位置测量装置的另一实施方式中提出：第一物体与第一光栅连接，第一光栅设计为反射相位光栅或透射相位光栅，第二物体与起偏振光栅作用的第二光栅连接，第二光栅设计为反射相位光栅，其中，由光源发射的射束在第一光栅处分束成两个子射束，子射束随后加载第二光栅，在那里两个子射束中的每个发生衍射和方向变化，并且其中，子射束在加载第二光栅之后彼此正交地偏振，子射束重新射到第一光栅上并且在那里再结合，使得所得到的信号射束随后在检测单元的方向上传播。
替选地也能够提出，第一物体与起到实物量具作用的第一光栅连接，第一光栅设计为反射相位光栅或透射相位光栅，第二物体与扫描单元连接，其中，扫描单元包括如下部件：光源；起扫描光栅作用的第二光栅，第二光栅还作用为偏振光栅并且设计为反射相位光栅；检测单元，其中，由光源发射的射束在第一光栅处分束成两个子射束，子射束随后加载第二光栅，在那里两个子射束中的每个发生方向变化，并且其中，子射束在加载第二光栅之后彼此正交地偏振，子射束重新射到第一光栅上并且在那里再结合，使得所得到的信号射束随后在检测单元的方向上传播。
自此，经由根据本发明的措施实现了如下的光学位置测量装置，该光学位置测量装置为了偏振编码地产生相位偏移的扫描信号而无需在扫描光路中的单独偏振光学器件。能够借助于光栅实现对产生信号的子射束的所期望的偏振光学的作用，该光栅除了其常用功能外在扫描光路中还起偏振光栅的作用。因此，实现了相应的位置测量装置的尤其紧凑的结构。
相对于用于在没有单独的偏振光学器件的情况下产生偏振编码的扫描信号的在前面讨论的变体方案，根据本发明的解决方案不受边界条件的限制，如在变体方案中例如存在于待分束的射束的入射角度方面的限制。此外，相对于该解决方案，在扫描间距改变的情况下消除了对信号质量的损害。限定的偏振态在用于信号增益的子射束中的产生，在根据本发明的解决方案中原则上与相应的扫描间距无关。
自此，根据本发明的措施也在如下的光学位置测量装置中实现了偏振编码的扫描信号的产生，在该光学位置测量装置中，经分束的子射束没有完全空间分开地延伸。以常规的方式和方法这是不可行的，因为在此不能够将扫描光路中的偏振光学器件布置在叠加的子射束中。
此外，当根据现有技术将所谓的高频光栅用作为偏振光栅时，也消除了对用于射线转向的所需要的极其小的光栅周期的限制。
附图说明
本发明的其他的细节和优点按照根据本发明的设备的实施例结合附图的下面的描述来阐述。
附图示出：
图1示出根据现有技术的光学位置测量装置的示意图；
图2示出设计为所谓的三光栅编码器的根据本发明的光学位置测量装置的一个实施例中所包含的扫描光路；
图3a、3b分别示出根据本发明的光学位置测量装置的设计为三光栅编码器的实施例的侧视图；
图4示出图3a、3b中的实施例的检测单元的示意图；
图5示出图3a、3b中的实施例的起实体量具作用的第一光栅的俯视图；
图6a示出图3a、3b中的实施例的起偏振光栅作用的第二光栅的部分俯视图；
图6b示出图6a中的偏振光栅的细节图；
图6c示出图6a中的偏振光栅的部分剖面图；
图7a-7e分别示出偏振光栅的替选的实施方式的单元格的细节图。
具体实施方式
下面，根据图2-6c来描述根据本发明的光学位置测量装置的一个实施例。光学位置测量装置设计为所谓的三光栅编码器，在图2中示出该三光栅编码器的展开的扫描光路。图3a、3b示出这种三光栅编码器的一个具体实施例的不同的剖面图，图4示出其检测单元，图5示出所使用的实体量具的俯视图并且图6a-6c示出在该实例中使用的偏振光栅的不同视图。
相应的位置测量装置用于检测两个可沿着至少一个测量方向x彼此移动的物体的相对位置；这些物体未被在不同的附图中示出。可相互移动的物体例如能够为可彼此沿着直线的测量方向x移动的机器部件。由位置测量装置产生的、关于机器部件的相对位置的扫描信号，被传输给控制单元，该控制单元能够使用扫描信号来控制移动。
在此，通常，第一物体与位置测量装置的第一光栅连接，并且第二物体与第二光栅连接。在光栅之一处，由光源发射的光照射束分束成至少两个子射束。在扫描光路的进一步的历程中，子射束受到不同的偏振光学作用并且最后在一光栅处再结合成得到的信号射束。最后，在检测单元中能够由信号射束产生多个相位偏移的、与位移或位置相关的扫描信号。在此，在子射束的分束和再结合之间在扫描光路中不布置有单独的偏振光学器件，更确切地说，被穿过的光栅中的至少一个起偏振光栅作用，以用于产生对子射束的不同的偏振光学作用。在此，偏振光栅设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同的偏振态的衍射级。原则上，在此，通过适当地构成偏振光栅和选择相应的光栅参数，能够在衍射的子射束中设定各种偏振态。这就是说，衍射的子射束可以是线偏振、椭圆偏振或圆偏振的。在将光照射束分束成具有不同偏振态的子射束的情况下，还有利的是，在扫描光路中分束的子射束分别偏彼此正交地振化。在线偏振的情况下，这表示：分束的子射束中的偏振平面彼此垂直地取向；在圆偏振或椭圆偏振的情况下，可将正交偏振理解为：子射束中的偏振方向彼此相反地定向。
适当的偏振光栅的具体的设计方案和其可行的实施方式在下面的描述过程中还将详细阐述。
在根据第一实施例的三光栅编码器中，在图2中示出了三光栅编码器的展开的扫描光路以及用于产生信号的射束，由光源LQ发出的光照射束B到达第一光栅G1并且经由第一光栅被分束成两个子射束TS1、TS2，子射束分别远离光学轴线OA地传播。在此，光照射束B如经由双箭头表明的那样线性地偏振；这两个经由第一光栅G1分束的子射束TS1、TS2首先分别具有相同的偏振。在扫描光路的进一步历程中，这两个子射束TS1、TS2随后射到第二光栅G2上，该第二光栅在该实例中起偏振光栅作用。经由第二光栅G2，子射束TS1、TS2发生衍射并且在此发生方向变化，使得子射束随后作为子射束TS1'、TS2'分别在光学轴线OA的方向上继续传播。除了方向变化之外，用作偏振光栅的第二光栅G2使得衍射的子射束TS1'、TS2'在穿过或加载光栅G2之后具有不同的偏振态并且是彼此正交偏振的；原则上，在此如上面已经提及的那样，子射束TS1'、TS2'能够相互正交地线偏振、正交地椭圆偏振或正交地圆偏振。在所示出的实例中，设有两个子射束TS1'、TS2'的正交圆偏振。于是，子射束TS1'、TS2'到达在第三光栅G3处最后进行再结合，并且具有叠加的不同偏振的子射束TS1'、TS2'的信号射束S继续在检测器单元DET的方向上传播，经由检测器单元从信号射束S中产生多个相位偏移的扫描信号S1、S2、S3。适合的检测单元DET的可行实施方式在下面的描述过程中还将详细地阐述。
图3a、3b分别示出这种三光栅发送器的一个具体的实施方式的不同的剖面图，其设计为反射光系统。如从该视图中可见：由光照射束B加载的第一光栅在扫描光路中起实物量具10的作用。实体量具在此设计为反射相位光栅，反射相位光栅具有沿着测量方向x周期性布置的分度区域10.1、10.2，这些分度区域具有不同的相位偏移作用；在图5中示出实物量具10的俯视图。实物量具10与(未示出的)第一物体连接。如从图3a、3b中可见，经由第一光栅或实物量具10，光照射束B被分束成两个子射束TS1、TS2。出于清楚的目的，在附图中未示出在光照射束B在第一光栅处衍射和分束时产生的其他的衍射级，而这些衍射级不用于产生信号。
在当前的实施例中，根据本发明的位置测量在的全部其他部件布置在扫描单元2中，扫描单元与(同样未示出的)第二物体连接。沿着所说明的测量方向x可彼此线性移动地布置有两个物体并进而布置有实体量具10和扫描单元20。
除了光源21和检测单元23之外，扫描单元20还包括在扫描光路中被加载的第二光栅，该第二光栅在该实施例中也称作为扫描光栅22并且在此设计为反射相位光栅。扫描光栅22在所示出的光学位置测量装置中起偏振光栅作用并且除了使入射到其上的线偏振的子射束TS1、TS2发生衍射以及在此发生的方向变化之外，扫描光栅使得衍射的子射束TS1'、TS2'在加载扫描光栅22之后彼此正交地偏振。在所示出的实例中，在此，在xz平面中根据图3b设置有子射束TS1'、TS2'在入射方向中的衍射和向回反射。这就是说，从实体量具10开始，入射的子射束TS1、TS2在xz平面中以所谓的利特罗角(Littrow-Winkel)射到扫描光栅22上进而在xz平面中作为子射束TS1'、TS2'以相同的角度在此向回反射至实体量具10。因此，在该实施例中，被第二次加载的实体量具10用作为扫描光路中的第三光栅。从扫描光栅22射入的子射束TS1'、TS2'在实物量具10处再结合，使得随后信号射束S在检测单元23的方向上传播。经由检测单元23，信号射束S转换成三个相互分别相位偏移120°的、位置相关的扫描信号S1、S2、S3，扫描信号随后例如传输给布置在下游的(附图中未示出的)控制单元以得到进一步处理。替选于此显然也可行的是，产生四个分别彼此相位偏移90°的、与位置相关的扫描信号。
在图4中以示意的形式示出适合的检测单元23的一个可行实施方式。如从中可见的是，从扫描光路或实物量具中被穿过的第三光栅射入的、具有叠加的子射束TS1'、TS2'的信号射束S，在检测单元23中首先到达分束光栅23.1上，该分束光栅使信号射束S被分束成三个相同的子射束。分束的子射束随后穿过三个起偏器23.2a、23.2b、23.2c，这些起偏器的偏振方向分别相对彼此扭转60°。借助于布置在起偏器23.2a、23.2b、23.2c下游的光电子检测器23.3a、23.3b、23.3c，随后能够将三个子射束转换成分别相位偏移120°的、与位移相关的扫描信号S1、S2、S3并且提供用于进一步处理。
下面，根据图6a-6c详细地阐述偏振光栅的一个实施例，如其例如在根据图2-5的位置测量装置中能够用作为扫描光路中被加载的第二光栅或扫描光栅22。在此，在下面的描述中为偏振光栅使用相同的附图标记22，附图标记在至此的描述中用于扫描光栅。
如上面已经阐述，偏振光栅22在根据本发明的光学位置测量装置中用于，在光栅上的每个入射地点处对分束的子射束施加限定的偏振光学作用，使得得到具有不同偏振态的衍射级。借此能够避免，额外地在扫描光路中设置单独的偏振光学器件。此外，能够借助于这种偏振光栅也在根据图2的三光栅编码器中，从此实现以偏振光学的方式来产生相位偏移的扫描信号。由于在这种系统中在光栅之间的间距通常较小，所以在被加载的第二光栅的区域中通常不存在分束的子射束的空间分离，即子射束在第二光栅的区域中叠加。因此，由于这种射束叠加而以常规的方式和方法(即借助于子射束中的偏振光学器件)不可行的是，实现以偏振光学的方式来产生相位偏移的扫描信号。
相应的偏振光栅22在根据本发明的光学位置测量装置中设计为，使得在光栅上的每个入射地点处实现具有不同偏振态的衍射级。优选地，在此，将偏振光栅22设计成，使得所得到的第+/-1级的衍射级彼此正交地偏振。
如从图6a中的适合的偏振光栅22的实施例的部分细节图和尤其从图6b中的这种偏振光栅的单元格的细节图中可见，偏振光栅22包括多个光栅狭缝22.1和光栅接片22.2形式的弧形弯曲的光栅结构。
在当前的实施例中，偏振光栅22设计为反射相位光栅。这表示：交替布置的光栅结构或光栅狭缝22.1和光栅接片22.2具有不同的反射特性，尤其是对入射的子射束施加不同的相位偏移作用。
光栅结构或者光栅狭缝22.1和光栅接片22.2的纵向延伸方向如从图6a、6b可见的那样分别平行于测量方向x取向。光栅结构沿着测量方向x和也垂直于测量方向x并周期性地布置。在此，沿着或平行于测量方向x设有多个以测量周期性Λ周期性地布置的光栅部段22a、22b、22c、22d；光栅部段的纵向延伸方向垂直于测量方向x，即沿所指明的y方向取向。在相应的光栅部段22a、22b、22c、22d之内，弧形的光栅结构以正交周期性Λ_ortho周期性地布置。证实为尤其有利的是，根据如下关系1)来选择偏振光栅22中的正交周期性Λ_ortho：
Λ_ortho<1.5·λ (公式1)
其中：Λ_ortho:＝偏振光栅中的光栅结构的正交周期性，λ:＝所使用的光源的波长。
通过遵守关系1)能够确保：相应的偏振光栅22相对于主衍射方向对沿正交方向射入到其上的子射束仅具有弱的衍射作用。在此，主衍射方向位于xz平面中，与此正交的衍射方向位于yz平面中。xz平面中的衍射在该实施例中对于产生位移相关的扫描信号具有绝对性；否则，沿着另外平面的强的衍射作用会引起信号强度和偏振作用的减小。
偏振光栅22的弯曲的光栅结构或光栅狭缝22.1和光栅接片22.2在根据图6a、6b预设的坐标系的情况下例如能够通过如下关系2a)、2b)之一解析地描述：
Y＝(Λ/π)·ln(|1/cos(x·π/Λ)|) (公式2a)
其中:Λ:＝光栅部段的测量方向周期性，x:＝测量方向，Y:＝光栅部段的纵向延伸方向；
Y＝sqrt((Λ/2)2-x2) (公式2b)
其中：Λ:＝光栅部段的测量方向周期性，x:＝测量方向，Y:＝光栅部段的纵向延伸方向。
在此，关系2a)表征悬链线(kettenlinien)形的光栅结构，关系2b)表征圆周线(kreislinien)形的光栅结构。
如尤其从图6a可见，在所示出的实施例中，在相邻的光栅部段22a、22b、22c、22d之间沿x方向分别布置有直线的光栅接片22.2a、22.2b、22.2c、22.2d。在此，直线的光栅接片22.2a、22.2b、22.2c、22.2d具有细长的矩形形状，其中，矩形纵轴线垂直于测量方向x，即沿着测量方向y延伸。
替选于此也能够提出，在相邻的光栅部段22a、22b、22c、22d之间布置有光栅狭缝，又或者布置有交替相邻的多个光栅接片和光栅狭缝。此外也可行的是，在区域中既不布置单独的光栅狭缝也不布置光栅接片，而代替地，相邻的光栅部段22a、22b、22c、22d的光栅结构彼此邻接。
还证实为有利的是：根据下面的关系3)选择偏振光栅22的面填充比FV：
FV<0.6 (公式3)
其中：FV:＝一个偏振光栅单元格中的光栅接片的面积与偏振光栅单元格的总面积的比。
这样设计尺寸的偏振光栅能够被更简单地清洁。此外，由此能够确保：光栅结构彼此充分分开；由此能够避免相邻的光栅结构之间的不期望的耦合效应，其否则会导致第+/-1级衍射级的强度减弱。
结合偏振光栅22的具体光栅结构和适合于这种光栅的材料来参考图6的视图，其示出图6a、6b中的、在xz平面中的偏振光栅22的部分剖面图。如上面已经提出，偏振光栅22的该实施例设计为反射相位光栅。反射相位光栅包括载体衬底22.10，在载体衬底上平面地布置有反射器层22.11。在该实例中，在反射器层22.11之上还设有平面的相位偏移层22.12，在相位偏移层上则布置有光栅结构层22.13，在光栅结构层中构成具有呈上面已经阐述的几何形状或所描述的布置的相应的光栅接片22.2和光栅狭缝22.1的光栅结构。
在偏振光栅22的这种结构中证实为有利的是：光栅结构层22.13具有层厚度d，层厚度根据下面的关系4)选择：
d<0.6·λ (公式4)
其中：d:＝光栅结构层的层厚度，λ:＝所使用的光源的波长。
对于该实施例中的偏振光栅22考虑例如石英玻璃或微晶玻璃作为载体衬底22.10。
反射器层22.11能够设计为金属的反射器层或设计为反射的层堆，该层堆由具有高折射或低折射材料的多个层构成，例如由TaOx、TiO2、Si作为高折射的材料和例如SiO2作为低折射的材料构成。例如考虑SiO2作为用于相位偏移层22.12的材料。
关于光栅结构层22.12的构成能够提出，为此使用来自组：SiO2、TaOx、TiO2、Si的介电材料；但是也可行的是：为此使用如TiN、GaN的半导体材料，又或者也使用具有高导电性的金属，即例如Al、Ag、Au。替选地，光栅结构层22.13也能够由层堆构成，在该层堆中使用上述介电材料或半导体材料中的一种或多种。
在另一可选的实施方式中，设计为反射相位光栅的偏振光栅仅能够包括载体衬底与布置在其上的反射器层，其中，在其上布置有结构化的相位偏移层。因此在该情况下，在图6c的实例中布置的单独的相位偏移和光栅结构层共同地构成在唯一的层中，即以一个或多个结构化的层的形式构成，该层没有额外的相位偏移层而直接地施加在反射器层上。
为了设定相应的偏振光栅的期望的偏振作用，除了光栅结构的具体的几何形状和布置、光栅参数结构宽度和刻蚀深度之外，自然也能够适合匹配地选择所使用的材料。
在图7a-7e中分别示出偏振光栅的替选的实施方式的单元格的视图，该偏振光栅能够使用在根据本发明的光学位置测量装置中。
在偏振光栅22的图7a中示出的变型形式中，光栅狭缝122.1和光栅接片122.2形式的光栅结构构成为悬链形的并且沿x方向分别伸展直至单元格的边缘。该光栅结构例如能够以分析的方式通过上述关系2a)来表征。
在图7b中示出另一偏振光栅222的单元格，其中，弧形的光栅结构或光栅狭缝222.1和光栅接片222.2构成为圆周形的并且沿x方向分别在单元格的边缘处被切边。
在偏振光栅322的图7c中示出的单元格中，悬链形的光栅结构或光栅狭缝322.1和光栅接片322.2由分立的线性部段组合地构成。
最后，在图7d中说明图7c中的实施例的偏振光栅422的单元格的略变化的变型形式。在该偏振光栅422中，光栅结构或光栅狭缝422.1和光栅接片422.2的相邻的线性的部段还额外地具有错位。
最后，在图7e中示出偏振光栅522的单元格的另一变型形式。在该实例中，呈光栅狭缝522.1和光栅接片522.2形式的弧形的光栅结构是部分地中断的。因此，单元格中的中央的光栅接片522.2例如具有两个中断部522.2a、522.2b。
图7b-7e中的变型形式由于其较简单的可制造性证实为尤其有利；具有极其精细结构化的光栅区域在该实施方式中能够被避免。
除了具体描述的实施例之外，在本发明的范围中显然还存在另外的构成可行性。
因此也可行的是：根据本发明的光学位置测量装置构成用于检测两个物体的旋转式的相对移动。
此外，在设计为三光栅编码器的情况下完全不强制将实体量具形式的第一光栅和扫描光栅或偏振光栅形式的第二光栅分别设计为反射性的。因此，第一光栅自然也能够设计为透射相位光栅并且第二光栅同样能够设计为透射相位光栅；同样地，具有反射和透射相位光栅的混合的结构变型形式是可行的，即例如透射的扫描或偏振光栅和反射的实体量具或者透射的实体量具和反射的偏振光栅等等。
如果在此偏振光栅透射性地作为透射相位光栅构成，那么偏转光栅例如能够包括透明的、被刻蚀有光栅结构的载体衬底。替选地也可行的是：将由介电材料或半导体材料构成的单独的光栅结构层施加到透明的载体衬底上，在光栅结构层中构成相应的光栅结构。在此，光栅结构层也又能够由适合的层堆构成。
此外，自然可行的是：除了根据三光栅原理的所阐述的扫描之外也在根据本发明的光学位置测量装置中设有其他的扫描光路。例如，在如例如从WO 2008/138501 A1或EP2450672 A2中已知的所谓的条形编码器中，光栅之一能够设计为偏振光栅，以便借此实现以偏振光学的方式产生相位偏移的扫描信号；于是，不再需要额外的或单独的偏振光学器件的布置。在这种系统中，第一光栅能够设计为反射相位光栅或透射相位光栅并且第二光栅设计为反射相位光栅；第二光栅起偏振光栅的作用。
但是，在扫描原理中和在其他光学扫描原理中替选于此原则上能够将每个加载的光栅设计为偏振光栅。

Claims (15)

1.一种光学位置测量装置，用于检测两个能够相对彼此沿至少一个测量方向(x)移动的物体的相对位置，所述物体与第一光栅和第二光栅连接，其中，在一个光栅处，由光源发射的光照射束分束成至少两个子射束；所述子射束在扫描光路的后续历程中受到不同的偏振光学作用，并且在不同偏振的所述子射束在一个光栅处再结合之后，能够在检测单元中由所得到的信号射束产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号，其中，在所述子射束的所述扫描光路中在分束与再结合之间没有布置单独的偏振光学器件，并且被穿过的光栅中的至少一个设计为偏振光栅，以用于产生对所述子射束的不同偏振光学作用，
其特征在于，
所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同偏振态的衍射级。
2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)包括呈光栅接片(22.2；122.2；222.2；322.2；422.2；522.2)和光栅狭缝(22.1；122.1；222.1；322.1；422.1；522.1)形式的多个弧形弯曲的光栅结构，所述光栅结构的纵向延伸方向分别平行于测量方向(x)取向，并且其中，所述光栅结构沿着所述测量方向(x)和垂直于所述测量方向(x)都周期性地布置。
3.根据权利要求2所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)具有条形的光栅部段(22a、22b、22c、22d)，所述光栅部段与所述测量方向(x)平行地以测量方向周期性(Λ)周期性地布置，所述光栅部段的纵向延伸方向垂直于所述测量方向(x)取向，其中，在所述光栅部段(22a、22b、22c、22d)中所述光栅结构与所述测量方向(x)垂直地以正交周期性(Λ_ortho)周期性地布置。
4.根据权利要求2或3所述的光学位置测量装置，其特征在于，在所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)的相邻的光栅部段(22a、22b、22c、22d)之间
布置有光栅狭缝，或
布置有光栅接片，或
布置有交替相邻的多个光栅狭缝和光栅接片。
5.根据权利要求2或3所述的光学位置测量装置，其特征在于，相邻的光栅部段的光栅结构彼此邻接。
6.根据权利要求3所述的光学位置测量装置，其特征在于，根据关系式Λ_ortho<1.5·λ来选择所述正交周期性Λ_ortho，其中，λ指明所使用的光源(LQ；21)的波长。
7.根据前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，根据关系式FV<0.6来选择所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)的面填充比FV，其中，所述面填充比FV被定义为一个偏振光栅单元格中的所述光栅接片(22.2；122.2；222.2；322.2；422.2；522.2)的面积与所述偏振光栅单元格的总面积的比。
8.根据前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，所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)设计为反射相位光栅，所述偏振光栅的光栅接片(22.2；122.2；222.2；322.2；422.2；
522.2)和光栅狭缝(22.1；122.1；222.1；322.1；422.1；522.1)具有不同的反射特性。
9.根据权利要求8所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述反射相位光栅至少包括如下部件：
载体衬底(22.10)，
布置在所述载体衬底(22.10)上的平面的反射器层(22.11)，
布置在所述反射器层(22.11)之上的光栅结构层(22.13)。
10.根据权利要求9所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述光栅结构层(22.13)具有层厚度d，所述层厚度是根据关系式d<0.6·λ来选择的，其中，λ指明所使用的光源(LQ；21)的波长。
11.根据权利要求9所述的光学位置测量装置，其特征在于，在平面的所述反射器层(22.11)与所述光栅结构层(22.13)之间布置有平面的相位偏移层(22.12)。
12.根据权利要求9所述的光学位置测量装置，其特征在于，
所述反射器层(22.11)由金属的反射器层或由反射的层堆构成，并且
所述光栅结构层(22.13)由来自组：SiO2、TaOx、TiO2、Si的介电材料或由来自组：TiN、GaN的半导体材料构成，或者由具有所述介电材料中的一种或多种和所述半导体材料中的一种或多种的层堆构成。
13.根据前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，所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)设计为，使得所得到的第+/-1级衍射级彼此正交地偏振。
14.根据前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，
第一物体与第一光栅连接，所述第一光栅设计为反射相位光栅或透射相位光栅，
第二物体与起到偏振光栅(22；122；222；322；422；522)作用的第二光栅连接，所述第二光栅设计为反射相位光栅，
其中，由所述光源(21)发射的射束(B)在所述第一光栅处分束成为两个子射束(TS1、TS2)，
所述子射束(TS1、TS2)随后加载所述第二光栅，在所述第二光栅处两个所述子射束(TS1、TS2)中的每个发生衍射和方向变化，并且其中，所述子射束(TS1'、TS2')在加载所述第二光栅之后彼此正交地偏振，
所述子射束(TS1'、TS2')重新射到所述第一光栅(10)上并且在所述第一光栅处再结合，使得得到的信号射束(S)随后在所述检测单元(23)的方向上传播。
15.根据权利要求1至13中至少一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，
第一物体与起到实物量具(10)作用的第一光栅(G1)连接，所述第一光栅设计为反射相位光栅或透射相位光栅，
第二物体与扫描单元(20)连接，其中，所述扫描单元(20)包括如下部件：
光源(LQ；21)，
起到扫描光栅作用的第二光栅(G2)，所述第二光栅还作用为偏振光栅(22；122；222；322；422；522)并且设计为反射相位光栅，
检测单元(DET；23)，
其中，由所述光源(LQ；21)发射的射束(B)在所述第一光栅(G1)处分束成为两个子射束(TS1、TS2)，
所述子射束(TS1、TS2)随后加载所述第二光栅(G2)，在所述第二光栅处两个所述子射束(TS1、TS2)中的每个发生方向变化，并且其中，所述子射束(TS1'、TS2')在加载所述第二光栅(G2)之后彼此正交地偏振，
所述子射束(TS1'、TS2')重新射到所述第一光栅(G1)上并且在所述第一光栅处再结合，使得得到的信号射束(S)随后在所述检测单元(DET；23)的方向上传播。
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