CN1769835B - 位置测量系统 - Google Patents

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Abstract

用于确定两个物体的相对位置的位置测量系统拥有电源单元(1，2)，用于生成激光光源(3)的可变工作电流。至少一个光电检测器(13.1，13.2，13.3)根据从激光光源接收的光而生成依赖于位置的输出信号(-120°，0°，+120°)。在测量运行中，将与交流电流分量叠加的直流电流从电源单元(1，2)输出到激光光源(3)上。

Description

位置测量系统
技术领域
本发明涉及一种具有激光光源的位置测量系统，具有用于生成激光光源的可变工作电流的电源单元，以及具有至少一个用于根据从所述激光光源接收的光而生成依赖于位置的输出信号的光电检测器。这种位置测量系统用来检测两个相对运动的物体的相对位置。
背景技术
高精度的光位置测量系统在许多技术领域中已是不可缺少的。如果取决于最高精密度，基于光学扫描原理的位置测量系统则遥遥领先于其它的、例如磁、电容或电感扫描原理。在诸如光刻的应用中，已经要求纳米范围内的位置测量。迄今只能利用干涉仪来提供这种精度。但是在未来，位置测量系统也将挺进到这些基于光学标尺(Massstab)的扫描的领域中。这种干涉测量系统作为三光栅测量系统早已是公开的：光源的光在分光光栅上被分解成不同的衍射阶，这些衍射阶在标尺光栅上被反射并且被投射到会聚光栅(Vereinigungsgitter)上，在那里使不同衍射阶的光束互相会聚并产生干涉。分光光栅和会聚光栅可以在此被构造为独立的光栅(优选地如果标尺是透光的)，或被构造为一个唯一的光栅(优选地如果标尺是反射的)。即使当在第二种情况下仅实体地存在两个光栅时，第一分光光栅也因此同时起着会聚光栅的作用。所以这种系统也有理由被称为三光栅测量系统。这里，将两个或三个光栅设置用于三光栅测量系统与真正的测量原理无关，并且可以由设计师按照诸如射线导向的限制或扫描头中可供使用的空间的限制等任意准则来抉择。
利用光电检测器来检测不同的干涉光束，并且因此输出彼此相对地移相的、依赖于位置的检测器信号。由于这种干涉测量系统的扫描信号在很大程度上是无谐波的，因此它们很好地适用于内插。利用微米范围内的标尺刻度、由不同衍射阶的干涉所引起的倍频和扫描信号的例如4096倍的细分完全可以达到纳米范围内的精度。
如此来设计干涉测量系统，使得干涉光束从其分光直至会聚为止经过尽可能相等的路径长度。所以利用在理想情况下不依赖于光源波长的相位差来实现光束的干涉。根据相位差确定位置值，因此该位置值也不依赖于波长。但是实际上总是出现导致小的路径长度差异的元件容差、装配容差和校正容差。所输出的位置值因此略微依赖于光源的波长。所以必须将具有尽可能恒定的光波长的光源用于要求很高分辨率的相位差测量的高精度测量系统。
此外，光源的高亮度常常是重要的，以便能够生成具有最小噪声分量的高信号强度。这在通过光波导来耦合光源的测量设备中尤其适用。
在具有较长光线路径的测量设备的情况下，干涉光束的由装配决定的路径长度差异可能达到这样的数值，在该数值情况下光源的相干长度变成重要的。仅在相干长度足够时，在这些情况下可以将装配容差保持在正当合理的范围内。
在具有最高分辨率的干涉位置测量系统中，激光二极管作为光源已被实现。由于高的亮度和大的相干长度而本来很好地适合的单模激光二极管具有对于位置测量系统来说很不利的缺点。在某些工作状态下(首先取决于激光二极管的工作电流和温度)出现模式跳跃，这些模式跳跃导致跳跃式的波长变化。但是在高精度的位置测量系统中，这种波长变化导致位置测量的跳跃，并且常常也导致增量计数器的误计数。
为了避免这种问题，US 4,676,645和US 5,000,542建议采用具有多种彼此靠得很近的模式的多模激光二极管。因此在每种工作状态下占用多种模式，在工作状态变化时连续地重新分配模式的占用，使得不出现激光二极管的重点波长的大的跳跃。不过只有较小光功率(＜3-5mW)的多模激光二极管可供使用。由原理决定，激光二极管在较高的光功率时展示出单模特性。因此不能给要求高光功率的测量系统装备多模激光二极管。
这种多模激光二极管也不太适合要求大的相干长度的应用。这些多模激光二极管的采用需要被规定更小容差的机械和光学元件，以便基于多模激光二极管的短的相干长度而一般总是收到干涉信号。这种位置测量系统因此在制造上是费事的并且因此是昂贵的。
JP 2002-39714建议将被供给可变工作电流的单模激光二极管用于干涉仪。通过模式跳跃控制装置一再(周期性地或根据请求)如此对工作电流进行再调节，使得在一个尽可能远离模式跳跃位置的工作点上运行激光二极管。在此，在机械固定的测量装置中，借助不可逆地跳跃的位置输出信号来检测依赖于工作电流的模式跳跃，并且然后如此来选择工作电流，使得它位于两个模式跳跃之间的中心处，也就是到相邻的模式跳跃具有最大可能的距离。但是，一再需要的模式跳跃的位置测量以及为此所需的用于模式跳跃检测的真正测量工作的中断是很费事的，并且不允许连续的位置测量。
DE 10235669A1描述了一种具有光源的位置测量系统，该光源被构造为单模激光光源。为了克服该激光光源的所述的缺点，建议采用反馈装置。激光光源和反馈装置如此互相交替作用，使得在激光光源中激发多个紧密相邻的模式，并且因此导致单模激光光源的准多模式运行。然而，如果将激光二极管用作激光光源，则由于反馈装置与激光二极管的交替作用而产生自发的短时间的亮度扰动和波长波动，这些亮度扰动和波长波动在文献中也称为低频波动(LFF)或漏失(Dropout)。它们在其作用方面可以等同于模式跳跃，并且使准确的位置测量变得很困难。
发明内容
本发明的任务是给出一种位置测量系统，该位置测量系统以简单的方式来避免激光光源的模式跳跃的问题。
该任务通过一种根据本发明的装置来解决。由在从属技术方案中所阐述的特征得出有利的实施形式。
用于确定两个物体的相对位置的位置测量系统拥有用于生成激光光源的可变工作电流的电源单元。至少一个光电检测器根据从激光光源所接收的光而生成依赖于位置的输出信号。在测量运行中，由电源单元将与交流电流分量叠加的直流电流输出到激光光源上。
为了避免由于激光二极管的模式跳跃而突然出现波长波动的问题，现在迫使以高频率产生模式跳跃。这导致构成对于位置测量来说重要的、激光的重点波长，该重点波长随着工作电流或随着环境温度的变化与在常规运行的激光二极管的模式跳跃时相比明显不太强烈。
为了迫使以高频率产生模式跳跃，将用于运行激光二极管的直流电流与高频交流电流分量相叠加，该激光二极管由于大的相干长度和高的亮度而优选地被构造为单模激光二极管。由于模式跳跃依赖于工作电流而出现，所以如果工作电流的直流分量如此近地位于模式跳跃位置旁，使得由于工作电流的交流电流分量而周期性地覆盖模式跳跃位置，那么这种模式跳跃将周期性地出现。工作电流的直流分量越靠近模式跳跃位置，则在时间平均上越均匀地占用两种模式。如果测量系统的频带宽度小于激光二极管的调制频率，则仅通过两种模式的时间平均来确定位置信号。因此，不再会由于工作电流或环境温度的缓慢的漂移而导致激光二极管的波长的突然变化，更确切地说，构成重点波长，该重点波长按照所参与的模式的连续的重新分配而明显不太快地随着工作电流或环境温度变化。只有当所调制的工作电流周期性地并且以高频率覆盖多个模式跳跃时，这才合理地适用。
以在1至15mA之间的交流电流幅度运行的单模激光二极管的相干长度典型地总是还大约有100μm至5mm，使得即使在毫米范围内激光辐射也还保持具有干涉能力。对机械校正以及机械和光学元件的容差的要求因此保持在合理的范围内。与常规运行的单模激光二极管相比降低的相干长度仍然有助于减少不受欢迎的效应、诸如(在光波导耦合输入、透镜、棱镜等等上的)玻璃表面之间的偏离的干涉分支或干涉的随同调制(Mit-Modulation)。
此外通过激光二极管电流的HF调制来减小激光二极管的反馈灵敏度。如果例如由于在位置测量的地方不允许任何的热量输入而必须使激光二极管的光通过光波导送到位置测量系统，那么这尤其是巨大的优点。然后也就是光波导端口的反馈导致所谓的低频波动(LFF)，该低频波动作为激光二极管的光功率的自发的并且短时间的扰动使得不可能实现准确的位置测量。这种LFF通过激光二极管电流的高频调制也部分地得到抑制，但是也偏移到位置测量系统的带宽之外的频率范围中，并且因此不再影响测量。
激光二极管电流的HF调制在与根据开始时所述的DE 10235669A1的位置测量系统结合时也是特别有利的。在那里由反馈装置所生成的LFF也被抑制或偏移，并且在位置测量时不再干扰。
在有些情况下，为了避免光电检测器的扫描频率和激光二极管电流的高频调制之间的差拍，必须使扫描和调制同步，使得总是在调制器的同一相位上进行光电检测器的扫描。这可以例如通过两个系统(位置测量系统和调制器)的共同的时钟来实现。
为了实现波长调制的时间平均，交流电流分量的调制频率必须高于用于分析依赖于偏移的输出信号的跟踪电子设备的带宽，并且也高于激光二极管的功率调节(例如通过监视器光电二极管的调节)的频率。
跟踪电子设备中的附加的滤光器可以抑制光电检测器的信号的残余调制。例如低通滤光器、但是更高阶的滤光器也适用于此。如果调制频率位于位置测量系统的跟踪电子设备的带宽或截止频率之上足够远处，则可以舍弃附加的滤光器。
交流电流分量的形式例如可以是矩形的或正弦形的。利用一种优选的三角形的曲线可以实现更连续的重点波长偏移，因为对各种模式更均匀地进行加权。
HF调制对于单模激光二极管来说特别有利，单模激光二极管常常被构造为指数引导(indexgefuehrte)的激光二极管，而多模激光二极管大多是放大率引导(verstaerkungsgefuehrte)的激光二极管。然而，放大率引导的激光二极管从大约3mW的输出功率开始也展示出单模特性。
即使在采用VCSEL二极管时，工作电流的HF调制的采用也是一种很有希望的可能性，因为即使在该二极管类型的情况下也出现波长跳跃。虽然在VCSEL二极管的情况下由于短的谐振器长度只有一种唯一的纵向模式能够起振，但仍然可能出现波长跳跃。在VCSEL二极管的情况下，它是横向模式和/或偏振方向，该偏振方向可以跳跃式地变化，并且该偏振方向也可能引起相应的波长变化。为了也在这里迫使产生软过渡，可以应用二极管电流的调制。
光源电流的调制也可以被用于检测干涉光束的路径长度差异。这种检测可以提供关于元件容差、装配容差和校正容差的说明，并且可以被考虑用于它们的修正。利用测量系统的光电检测器来实现路径长度差异的检测，但是现在将这些光电检测器的电流输送给可以通过光源来放大高频调制的放大器，这些放大器的带宽因此位于二极管电流的调制频率之上。于是在位置测量系统中放大的光电池信号的通常的相位分析或位置分析产生相位值或位置值，这些相位值或位置值与调制频率同步地来回振荡。该高频调制的幅度是干涉光束的路径长度差的一种直接的量度。于是可以通过元件容差、校正容差和装配容差的修正措施来使该幅度并因此使路径长度差降到零。
有利地在位置测量系统的独立的检查设备中集成用于高频调制的检测的放大器。替代地，也可以在测量设备本身中采用具有相应高的带宽的放大器，其中在正常的测量模式下连接在放大器后面的低通滤光器抑制光电池的电流的调制。在检测模式下去激活低通滤光器。
在低通之前分流的调制信号和在低通之后分流的未调制信号的并行的继续处理也可以被考虑用于有利地调节单模激光二极管。当将未调制信号输送给通常的相位分析或位置分析时，可以在检测电路中分析调制信号。该检测电路确定以光源的调制频率振动的信号幅度。当在模式跳跃附近运行激光二极管时，这些信号幅度上升。现在通过已知的调节技术，可以将该检测信号用于激光二极管电流的直流分量的调节，使得始终在无模式跳跃的范围中运行激光二极管。
附图说明
从以下借助附图的优选实施形式的说明中，得出本发明的其它的优点和细节。其中：
图1展示了本发明的位置测量系统，
图2展示了依赖于工作电流的模式跳跃，
图3展示了依赖于工作温度的模式跳跃。
具体实施方式
在图1中示出了本发明的一种特别优选的实施形式。利用激光二极管驱动器1来生成单模激光二极管3的工作电流的直流分量，附加地在HF调制器2中调制该直流分量。激光二极管驱动器1和调制器2共同形成激光二极管3的电源单元。在1和1000MHz之间的、优选地在几百MHz范围中的调制频率得到采用。250-300MHz的频率范围已证明特别可靠。调制的幅度可以如此来选择，使得不低于最小工作电流，该最小工作电流也称为阈电流，并且需要该最小工作电流来运行激光二极管3。但是短时间低于最小工作电流可能完全是有利的，因为由此引起激光二极管3的特别强烈的干扰，该干扰可能导致附加模式的起振。通过调制应该不超过或仅短时间超过激光二极管3的最大工作电流。
在激光二极管3具有30mA的最小工作电流和70mA的最大工作电流的情况下，当用50mA的工作电流的直流分量来运行激光二极管3时，例如10mA的幅度已证明是可靠的。激光二极管3的最小和最大工作电流限定了该激光二极管3的工作范围。交流电流分量的幅度有利地为大于与交流电流叠加的直流电流的10％。在所述的实例中在40和60mA之间进行调制，使得激光二极管3的工作范围的大约一半被覆盖。因而同时激发多种模式，重点波长随着工作电流或温度的变化将得出特别小的结果。
激光二极管3的光通过会聚透镜4.1耦合输入到将光送向真正的测量点的光波导5.1中。光波导5.1的采用使得在特别是温度要求高的应用中能够避免在测量点上的热量输入。通过一个或多个光纤耦合器6可以中断光波导。激光到光波导5.1中的耦合输入以及到光纤耦合器6中的耦合输入都可能引起回反射(Rueckreflexion)，该回反射触发上述的LFF。这些回反射仍然可能完全是受欢迎的，并且有针对性地得到采用。可以像在DE 10235669A1中所描述的那样如此来设计光波导5.1，使得它作为反馈装置与单模激光二极管3如此交替作用，以致迫使单模激光二极管3进入多模式运行中。在此如此来选择光波导5.1的长度，使得该光波导构成单模激光二极管3的外部谐振器。在此，光波导5.1的背向激光二极管3的末端将激光辐射的一部分回反射到激光二极管3中。这种反馈装置5.1、与单模激光二极管3的工作电流通过调制器2的HF调制的组合是特别有利的。也就是说因而已经通过所迫使的多模式运行来减少单模激光二极管3的模式跳跃的问题。通过工作电流的HF调制来克服由反馈装置5.1产生的LFF的问题。
光从光波导5.1中射出并且通过准直仪透镜7射到反射标尺8上。光在那里被分解成两个光束+1、-1(+1和-1阶)，这两个光束+1、-1构成两个对称的测量分支。每个光束+1、-1射过扫描光栅9，由(未示出的)偏转棱镜经过λ/4小板10.1、10.2重新被引导到扫描光栅9上，并且从那里重新向标尺8折射。两个光束+1、-1在标尺8处会聚成一个光束，以便然后由分光光栅11分解成三个独立的光束，这些独立的光束射过三个不同方向的偏振滤光镜12.1、12.2、12.3。会聚透镜4.2、4.3、4.4将这三个光束耦合输入到光波导5.2、5.3、5.4中，这些光波导5.2、5.3、5.4将所述光束引向光电检测器13.1、13.2、13.3。光电检测器13.1、13.2、13.3输出三个依赖于位置的、分别移相120度的信号-120°、0°、+120°，这些信号-120°、0°、+120°可以由跟踪电子设备14处理成位置值P。重要的是，在测量运行中，也就是在光电检测器13.1、13.2、13.3的移相信号-120°、0°、+120°的检测期间实现激光二极管3的工作电流的调制。只有如此才确保模式跳跃和/或LFF的负面影响被抑制。
跟踪电子设备14具有用于放大光电检测器13.1、13.2、13.3的移相信号-120°、0°、+120°的放大器电路15。分析电路17根据移相信号-120°、0°、+120°构成位置值P，并且输出该位置值P。选择性的滤光器16负责使移相信号-120°、0°、+120°的可能的高频残余调制不影响位置值确定。
在跟踪电子设备14中用某种扫描频率来扫描光电检测器13.1、13.2、13.3，以便提供移相信号-120°、0°、+120°以进行继续处理。如已经提及的那样，为了避免差拍，可能有必要使调制器2与光电检测器13.1、13.2、13.3的扫描同步。这在图1中通过调制器2和跟踪电子设备14之间的虚线连接来示出。
在图1中示出的实施例中，也由跟踪电子设备14输出移相信号-120°、0°、+120°的高频(调制器2的频率)相位调制的幅度A。由于该幅度A是干涉光束+1、-1的路径长度差异的量度，所以可以借助该幅度A来进行路径长度差异的补偿。可以机械地如此来校正在光程中的光学元件，直至幅度A消失或降至预给定的极限值之下。
为了能够在分析电路中确定幅度A，光电检测器13.1、13.2、13.3的依赖于位置的信号-120°、0°、+120°必须被输送给放大器15，该放大器15的带宽位于交流电流分量的频率之上。
然后为了确定位置信号P，必须由滤光器16使所放大的信号摆脱利用调制器2的频率的高频调制。但是该滤光器16对被考虑用来确定幅度A的信号不起作用。在分析电子设备14中，确定幅度A的部分必须具有在激光光源3的调制频率之上的足够的带宽。
为了更进一步的理解，在图2a中绘制了在工作电流没有经HF调制的情况下单模激光二极管的特性。所发射的光的波长仅缓慢地随着增大的工作电流而变化，直至在大约45mA时出现模式跳跃。该模式跳跃导致波长很明显的跳跃。如果将工作电流与频率为2MHz和幅度为3mA(图2b)或6mA(图2c)的HF分量相叠加，则可以看出，现在模式跳跃以波长明显圆滑(verrundet)的上升表现出来。在温度恒定的情况下执行了图2a至2c所基于的测量，以便展示由变化的工作电流所诱导的模式跳跃。
在图3a中可以看出在激光二极管的工作电流恒定、但是温度可变化的情况下出现的模式跳跃。在所研究的温度范围内，这里甚至出现多次模式跳跃。在没有对工作电流进行任何调制的情况下，波长跳跃是很陡的。图3b和3c又基于利用2MHz的电流调制，这一次利用幅度6mA(图2b)或12mA(图2c)。又可以看出，波长跳跃明显圆滑了。
所述的位置测量系统拥有相当费事的光学装置。与如此费事的位置测量系统组合使得工作电流的调制也特别有意义，以便可以在没有模式跳跃和LFF的负面影响的情况下执行真正高精度的测量。但是工作电流的HF调制的原理也可以应用于较简单的位置测量系统。因此例如基于光电栅栏原理的、用于测量工具形状的测量系统同样可以受益于调制的工作电流。也即即使在这里LFF也可能导致，尽管只有所采用的激光二极管曾具有功率扰动，但仍然检测到光束的中断。因此可以以很高的分辨率来测量诸如铣刀、钻头等工具。

Claims (13)

1.用于确定两个物体的相对位置的位置测量系统，具有用于生成激光光源(3)的可变工作电流的电源单元(1，2)，具有反射标尺(8，9)，该反射标尺具有用于将激光光源(3)的光分解为不同光束的分光光栅以及用于会聚所述光束的会聚光栅，以及具有用于根据从所述激光光源(3)接收的光而生成相对移相的、依赖于位置的输出信号的多于一个光电检测器(13.1，13.2，13.3)，其特征在于，在测量运行中，将与交流电流分量叠加的直流电流从所述电源单元(1，2)输出到所述激光光源(3)上。
2.按权利要求1的位置测量系统，其特征在于，所述激光光源(3)是单模激光二极管。
3.按权利要求1的位置测量系统，其特征在于，所述电源单元由激光二极管驱动器(1)和HF调制器(2)组成。
4.按权利要求1的位置测量系统，其特征在于，所述交流电流分量的频率位于1MHz和1000MHz之间。
5.按权利要求1的位置测量系统，其特征在于，所述交流电流分量的幅度为大于与所述交流电流叠加的直流电流的10％。
6.按权利要求3的位置测量系统，其特征在于，所述交流电流分量的频率大于跟踪电子设备(14)的带宽，该跟踪电子设备(14)用于根据所述依赖于位置的输出信号形成位置信号(P)。
7.按权利要求2的位置测量系统，其特征在于，所述单模激光二极管(3)与反馈装置(5.1)相连接，所述反馈装置(5.1)迫使所述单模激光二极管(3)进入多模式运行中。
8.按权利要求7的位置测量系统，其特征在于，所述反馈装置(5.1)是光波导，该光波导的长度被选择，使得该光波导构成用于激发所述单模激光二极管(3)中的多种激光模式的外部谐振器。
9.按权利要求1的位置测量系统，其特征在于，所述多于一个光电检测器(13.1，13.2，13.3)根据通过光波导(5.2，5.3，5.4)输送给所述多于一个光电检测器(13.1，13.2，13.3)的光而生成依赖于位置的输出信号。
10.按权利要求6的位置测量系统，其特征在于，所述HF调制器(2)和所述跟踪电子设备(14)互相同步。
11.用于在按权利要求1的位置测量系统中补偿干涉光束的路径长度差异的方法，按照该方法，将所述多于一个光电检测器(13.1，13.2，13.3)的依赖于位置的输出信号输送给放大器(15)，该放大器(15)的带宽位于所述交流电流分量的频率之上。
12.按权利要求11的方法，按照该方法，将从所述多于一个光电检测器(13.1，13.2，13.3)的依赖于位置的输出信号中导出的高频相位调制的幅度(A)用作所述路径长度差异的量度。
13.按权利要求11的方法，按照该方法，通过所述位置测量系统的机械校正使从所述多于一个光电检测器(13.1，13.2，13.3)的依赖于位置的输出信号中导出的高频相位调制的幅度(A)最小化，并因此使所述干涉光束的路径长度差异最小化。
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