TW201527712A - 光學位置測量裝置 - Google Patents

Abstract

本發明關於用來偵測可彼此相對移動的二物體之位置的位置測量裝置，其具有接合於二物體中的一者的測量標準，以及用於掃描測量標準的掃描系統，該掃描系統係接合於二物體中的另一者。掃描系統允許同時決定物體之沿著第一側向位移方向和沿著垂直位移方向的位置。為此，在部分的掃描系統上，形成二條掃描束路徑，其中能夠在各情形下從干涉部分射線束而在輸出端產生一組相位移訊號。附帶而言，經由掃描系統，形成至少第三條掃描束路徑，藉此有可能決定物體之沿著第二側向位移方向的位置。來自光源的束能夠經由用於所有三條掃描束路徑之共同的第一光導和耦入光學器材而供應給掃描系統。三條掃描束路徑中所產生的干涉部分射線束能夠經由共同的耦出光學器材而耦合到供應這些射線束給偵測器系統的第二光導中。

Description

光學位置測量裝置

本發明關於根據申請專利範圍第1項之序言的光學位置測量裝置，其適合極精確的決定可彼此相對移動之二物體的相對位置。

此種光學位置測量裝置描述於本申請人的歐洲專利申請案第1 762 828 A2號。它包括接合於二物體中的一者的測量標準，以及用於掃描測量標準的至少一掃描系統，該掃描系統係接合於二物體中的另一者。掃描系統的設計方式則使得它允許同時決定物體之沿著第一側向位移方向和沿著垂直位移方向的位置。為了決定在第一側向和垂直位移方向的位置，在部分的掃描系統上，形成第一和第二條掃描束路徑，其中在各情形下，從二條非鏡像對稱的干涉部分射線束，能夠在輸出端產生一組相位移訊號。

實務上，來自光源的束經由第一光導而供應給掃描系統。這有可能使光源配置得離開測量位置。附帶 而言，掃描系統所提供的干涉部分射線束則經由第二光導而供應給偵測器系統，以此方式來使偵測器系統的擾動減到最少。

本發明的目的是要進一步發展此種已知的光學位置測量裝置，致使經由它也有可能決定物體之沿著第二側向位移方向的位置。

這目的是根據本發明而藉由具有申請專利範圍第1項所列之特徵的光學位置測量裝置而達成。

根據本發明之光學位置測量裝置的有利實施例係衍生自申請專利範圍附屬項所限定的措施。

根據本發明而用於偵測可彼此相對移動的二物體之位置的光學位置測量裝置包括：測量標準，其接合於二物體中的一者；以及掃描系統，其掃描測量標準，該掃描系統係接合於二物體中的另一者，而掃描系統允許同時決定物體之沿著第一側向位移方向以及沿著垂直位移方向的位置；為此，在部分的掃描系統上，形成二條掃描束路徑，其中能夠在各情形下從干涉部分射線束而在輸出端產生一組相位移訊號。附帶而言，經由掃描系統，形成至少第三條掃描束路徑，藉此有可能決定物體之沿著第二側向位移方向的位置。來自光源的束能夠經由用於所有三條掃描束路徑之共同的第一光導和耦入光學器材而供應給掃描系統。三條掃描束路徑中所產生的干涉部分射線束能夠 經由共同的耦出光學器材而耦合到供應這些射線束給偵測器系統的第二光導中。

在輸入端，掃描系統有利的包括分束光柵，其將從耦入光學器材進來的射線束分成三條掃描束路徑，而分束光柵的第+/-1階繞射係指定給第一和第二條掃描束路徑，並且第零階繞射係指定給第三條掃描束路徑。

可以提供的是：在第三條掃描束路徑中，部分射線束沿著測量標準的方向傳遞、在那裡被進一步分成二條部分射線束、它們反射回到掃描系統的方向，而在各情形下它們經歷回向反射、以及沿著第二側向位移方向(X)的偏移，再度沿著測量標準的方向傳遞，在此它們干涉地來重疊並且沿著掃描系統的方向傳遞回去，在此可以從它們偵測到有關沿著第二側向位移方向(X)之相對移動的多個相位移訊號。

於一可能的特定實施例，掃描系統包括光學元件，在其面對測量標準的那一側上配置了多個光柵場，該等光柵場以定義的方式指定給各個掃描束路徑，並且在耦入側上具有透射光柵和分束光柵以及在耦出側上具有分束光柵。

在這背景下，沿著第二側向位移方向而在光柵場和耦出光柵之間的偏移距離可以選擇為相同的。

進一步有可能配置在光學元件和測量標準之間的是玻璃蓋，就其側向延伸而言，該玻璃蓋延伸於所有掃描束路徑上。

替代而言，熱補償玻璃本體也可以配置在光學元件和測量標準之間，如此則溫度改變不更改在玻璃中(橫越)之部分射線束的光學路徑長度。

附帶而言，第二光導可以在每條掃描束路徑包括三條多模光纖，而多模光纖係位在耦入側上之末端的一共同箍中。

於一有利的特定實施例，第一和第二側向位移方向彼此垂直的指向，並且測量標準是呈交叉光柵的形式。

有利而言，所有三個位移方向的掃描束路徑具有一共同掃描中心。

可以進一步提供的是：在測量標準上的第一和第二照射處之間，掃描束路徑中的至少一部分射線束經歷沿著特殊位移方向的偏移。

於進一步特定實施例，為了使部分射線束反射回來，光學元件可以包括繞射構件，其在它們本身裡面組合了幾種光學功能。

在根據本發明之光學位置測量裝置的幫助下，有可能極精確的決定二可移動的物體沿著至少一進一步側向位移方向的相對位置。在這背景下，放在測量位置的掃描系統可以設計成完全被動的，也就是說，光源在此不輸入熱，而當於高精確應用中決定位置時，熱可能會有損測量正確度。這基本上是藉由光導而將光源和偵測器系統連接到掃描系統來確保。證明特別有利的是：對於所有 位移方向而言，或更精確來說，對於本發明之光學位置測量裝置的測量方向而言，可以在掃描系統和光導之間使用一共同的耦入和耦出光學器材。

本發明的進一步細節和優點則基於以下根據本發明裝置之範例性實施例的敘述並配合圖式來解釋。

10、10’‧‧‧測量標準

20、20’‧‧‧掃描系統

21、21’、21”‧‧‧分束光柵

22、22’‧‧‧光學元件

23、23’、23”‧‧‧分束光柵

24‧‧‧聚焦透鏡

25‧‧‧場透鏡

26、26’‧‧‧第二光導

27、27’‧‧‧多模光纖

28‧‧‧箍

31‧‧‧第一光導

40‧‧‧玻璃蓋

50‧‧‧玻璃本體

60、61、62‧‧‧極化器

110‧‧‧測量標準

120‧‧‧掃描系統

210‧‧‧測量標準

220‧‧‧掃描系統

A、A’‧‧‧軸

A1~A4、A1’~A4’、A’1”~A’4”‧‧‧光柵場

B、B’‧‧‧軸

B1~B4、B1’~B4’、B’1”~B’4”‧‧‧光柵場

X‧‧‧第二側向位移方向

X1~X4、X1’~X4’‧‧‧光柵場

Y‧‧‧第一側向位移方向

Z‧‧‧垂直位移方向

δx‧‧‧X方向的偏移距離

δy‧‧‧Y方向的偏移距離

圖1a顯示根據本發明之光學位置測量裝置的一範例性實施例之掃描束路徑的第一示意圖；圖1b顯示根據本發明之光學位置測量裝置的範例性實施例之掃描束路徑的第二示意圖；圖1c顯示來自圖1a、1b之範例性實施例的掃描系統之掃描板片的平面圖，其上配置了光學構件；圖2a顯示根據本發明之光學位置測量裝置的進一步範例性實施例之掃描束路徑的示意圖；圖2b顯示來自圖2a、2b之光學位置測量裝置的掃描系統之掃描板片的平面圖；圖3顯示根據本發明的光學位置測量裝置之掃描系統的掃描板片之進一步替代性特定實施例的平面圖；圖4顯示根據本發明之光學位置測量裝置的進一步範例性實施例之掃描束路徑的各種示意圖；圖5顯示根據本發明之光學位置測量裝置的進一步範例性實施例之掃描束路徑的各種示意圖； 圖6顯示本發明之光學位置測量裝置的範例性實施例之掃描束路徑以及耦出光學器材的示意代表圖；圖7顯示來自圖6之範例性實施例的耦出光學器材之箍的平面圖；圖8顯示根據本發明之光學位置測量裝置的替代性特定實施例之箍的平面圖。

在下面基於圖式來解釋本發明之光學位置測量裝置的實際範例性實施例之前，首先將簡要解釋從歐洲專利申請案第1 762 828 A2號所知之位置測量裝置的概念。如最初所提及，它適合沿著二個位移方向(或更精確而言是測量軸)來偵測位置改變。於對應的掃描系統，形成二條掃描束路徑而使得彼此為傾斜的或不對稱的。在此情形下，光源所遞送的射線束經由呈單模光纖形式的第一光導而供應給掃描系統，並且在從光導耦出之後，則經由準直光學器材而加以準直。準直的射線束於是抵達分束光柵，其中它分成二條掃描束路徑而用於二軸。二軸在下文也標示為位置測量裝置的A軸和B軸。根據以下方程式1a和1b，則從位置訊號A、B的加減得出沿著側向位移方向Y和垂直位移方向Z之真正有興趣的位置資訊：Y=(A+B)/2 (方程式1a)

Z=(A-B)/2*SPz/SPy (方程式1b)在這背景下，SPz表示Z方向的訊號時間，而SPy表示Y方向的訊號時間。

個別掃描束路徑中的射線束首先抵達呈反射光柵形式的測量標準，藉此分成第+/-1階繞射的部分射線束，並且繞射回到掃描系統。在那裡，每條部分射線束被繞射性頂部稜鏡折回成沿著測量標準的方向。二條部分射線束於各情形下在測量標準干涉；重疊的射線束後續轉送到由聚焦透鏡和場透鏡所做成的耦出光學器材，於是耦出到包括六條多模光纖的第二光導裡。

從歐洲專利申請案第1 762 828 A2號所解釋的原理開始，於根據本發明的光學位置測量裝置，現在提供進一步軸，或更精確而言為進一步掃描束路徑，其係用於偵測沿著指向垂直於第一側向位移方向Y之第二側向位移方向的位置；第二側向位移方向在下文表示成位移方向X。在部分的測量標準上，在此情形下提供呈所謂交叉光柵形式的二維測量標準。

根據本發明的光學位置測量裝置之一範例性實施例的掃描束路徑顯示於圖1a和1b的各種截面圖，並且解釋如下。顯示於這些視圖的是測量標準10和掃描系統20，後者具有掃描束路徑而用於偵測沿著第一側向位移方向Y和垂直位移方向Z的位置改變，該等掃描束路徑是以虛線或實線所表示；它們對應於從上面討論之歐洲專利申請案第1 762 828 A2號所知的掃描束路徑。另一方面，現在根據本發明加入用來偵測沿著第二側向位移方向X之位置的進一步掃描束路徑則在圖1a、1b以黑劃線來代表。

類似於歐洲專利申請案第1 762 828 A2號，從光源(未顯示於圖中)進來的射線束起初在耦入側的分束光柵21上抵達掃描系統20，在此它現在分成總共三條掃描束路徑。除了用於A軸和B軸(也就是第一和第二掃描束路徑)之第+/-1階的所得部分射線束，根據本發明，還使用了第零階繞射所造成的部分射線束而用於第三條掃描束路徑，以便允許偵測沿著第二側向位移方向X的位置。

來自耦入側上的分束光柵21之第零階繞射的部分射線束則沿著X方向在測量標準10分成第+/-1階的二條部分射線束，並且它們指引回到掃描系統20。於圖1a的視圖，在測量標準10做分束之後，沿著掃描系統20的方向，第三條掃描束路徑之第+1階的部分射線束傳遞到左下方，第-1階部分射線束則傳遞到右下方。在那裡，它們進入僅示意指出的光學元件22，其呈繞射性頂部稜鏡的形式。它是由第一透射光柵、反射器、第二透射光柵所做成。第一和第二透射光柵施加在光學元件22之面對測量標準10的頂側上。反射器位在光學元件22的底側上。第一和第二透射光柵採取繞射結構的形式並且組合了幾種光學功能。於各情形下，它們偏轉在測量方向X進入的部分射線束，並且藉由圓柱形透鏡功能而將它於橫越方向Y聚焦到反射器所在之光學元件22的底側上。在被反射器反射之後，它照射在第二透射光柵上，該第二透射光柵再度藉由圓柱形透鏡功能而使部分射線束於Y方向準直 並且於測量方向X偏轉。因此，二部分射線束從光學元件22所出射的方向皆是相反於入射方向並且於測量方向X有相等的偏移，並且再度傳遞回到測量標準10。就透射光柵之圓柱形透鏡功能的替代例而言，也可以提供球形透鏡功能，其在各情形下再度於二方向X和Y聚焦或準直部分射線束。對於在繞射結構中之各種光學功能的重疊而言，這點請額外參考歐洲專利申請案第1 739 395 A2號。二部分射線束然後照射在測量標準10上，在此它們再度分別偏轉成第+1和-1階繞射，如此則它們重疊和干涉。重疊的射線束平行於光學軸(在此表示成「照準線」)而傳遞回到掃描系統20，然後一起耦出成A軸和B軸的束，並且供應給偵測器系統(未顯示於圖中)。

圖1b顯示根據本發明的位置測量裝置之所述範例性實施例在YZ平面的截面圖。從此視圖清楚的是所有射線束和用於偵測X位移之第三條掃描束路徑的部分射線束皆專門地傳遞於XZ平面。

圖1b也以示意方式指出：第一光導31，其將來自光源(未顯示)的射線束傳遞到掃描系統20；以及第二光導26，其將來自掃描系統20之重疊的射線束傳遞到偵測器系統(類似的也未顯示)。

圖1c以極示意方式來顯示掃描系統20某側的一部分，亦即光學元件22的頂側，其面對測量標準10並且上面配置了多個光柵場，其具有適當形成的透射光柵而引起三條掃描束路徑所需要的束偏轉。於這示例，各種 的光柵場是以上面針對根據本發明之位置測量裝置的不同軸A、B、X所解釋的代號來表示，因此指定給三條不同的掃描束路徑。附帶而言，圖1c顯示在耦入側上用於從光源進來之射線束的分束光柵21，以及在耦出側上用於三條掃描束路徑之再度重疊之射線束的相鄰分束光柵23。

位在光柵場A1~A4和B1~B4之A軸和B軸的透射光柵是在X方向作為圓柱形透鏡，並且在Y方向透過額外的重疊線性光柵來偏轉。位在光柵場X1~X4之X軸的透射光柵如上所述作為在Y方向的圓柱形透鏡，但是類似的在X方向透過重疊的線性光柵來偏轉。光柵場A1~A4、B1~B4、X1~X4之所有透射光柵的透鏡功能之聚焦平面於各情形下皆位在光學元件22的相對底側上。

圓柱形透鏡功能總是引起垂直於個別測量方向X或Y的聚焦；另一方面，偏轉功能可以同時包括在測量方向和橫切於測量方向的偏轉。偏轉功能的選擇方式致使：一方面，在通過光學元件22之後，部分射線束在各情形下以反平行方式行進回到測量標準10，並且另一方面，具有特定的偏移距離δx、δy。根據本發明，這偏移距離δx、δy被選擇成對於軸A、B、X的所有三條掃描束路徑皆相同；於本範例性實施例，僅選擇δx為不等於零，而應用了δy=0。結果，重疊的射線束照射在耦出側的分束光柵23上之XY平面中的相同位置，並且在那裡分成三條重疊的射線束。

如歐洲專利申請案第1 762 828 A2號所述，將極化光學構件(未顯示)引入根據圖1a和1b之部分射線束的束路徑裡，並且在各情形下極化二條彼此正交之重疊的部分射線束。這對於額外的軸X也是事實。

用於偵測沿著第二位移方向X的位置而形成此種第三條掃描束路徑的相當大優點在於：二個掃描中心和稱為所有三軸A、B、X的中性樞紐點重合並且形成一共同掃描中心或一共同中性樞紐點。這是掃描束路徑之對稱性的結果：從耦入側上之分束光柵一直到測量標準的掃描束路徑以及從測量標準回到耦出側上之分束光柵的掃描束路徑可以藉由偏移距離δx、δy的平移而互相轉換。共同中性樞紐點因而落在沿著Z方向的軸上，其穿過耦入側上的分束光柵和耦出側上的分束光柵之間的中點。共同中性樞紐點沿著這軸的精確Z位置則是藉由特別選擇耦入側上之分束光柵的光柵常數和測量標準而決定，並且將不在此進一步討論。所有三個位移方向X、Y、Z的共同中性樞紐點具有特殊的優點。測量標準或掃描單元繞著穿過這共同中性樞紐點之任何軸所做的小傾斜則不位移(就線性近似而言)這位置測量裝置的任何位置數值X、Y或Z。因而可以輕易解讀這位置測量裝置的測量數值：它們提供了可位移的物體在這共同中性樞紐點處之位置。如果軸A、B、X的單獨掃描束路徑具有不同的中性樞紐點，則就必須執行複雜的位置數值變換以便能夠決定可移動的物體在物體點的XYZ位置。

圖2a顯示根據本發明的光學位置測量裝置之進一步範例性實施例的掃描束路徑；在此情形下，軸A、B的掃描束路徑示意顯示於左方的代表圖，並且額外提供用於X軸的第三條掃描束路徑顯示於右方。類似於圖1c，圖2b顯示各種的光柵場和分束光柵放置在此特定實施例之光學元件的頂側上。

此範例性實施例的第三條掃描束路徑解釋如下：光柵場和分束光柵在此基本上與圖1a~1c的範例性實施例同階而被橫越；然而，單獨透射光柵的光學效果和對應光柵場的放置則異於上面解釋的範例性實施例。

指定給X軸的部分射線束(其從耦入側上的分束光柵21’出射成第零階繞射)照射在測量標準10’上，在此它被繞射分成第+1和-1階繞射的二條部分射線束；這些部分射線束傳遞回到掃描系統。在那裡，它們分別打到光學元件22’中的光柵場X1’和X3’。位於這些光柵場X1’、X3’中的透射光柵再度設計的方式使得在各情形下它們本身組合了幾種光學功能；因此，落在它們上面的部分射線束被它們偏轉於測量方向X(偏轉光柵的功能)，並且同時聚焦成垂直於Y方向(圓柱形透鏡功能)。附帶而言，Y方向的偏轉(偏轉光柵的功能)於本範例性實施例係經由光柵場X1’、X3’的透射光柵而造成。受到透射光柵以此方式而影響之部分射線束的聚焦再度發生於所有部分射線束是在位於光學元件22’的相對底側上之反射器上的情形中。部分射線束在那裡反射，然後 照射在光柵場X2’、X4’上的光學元件22’；位在那裡的透射光柵再度類似的組合了幾種光學功能。因此，類似於上面的範例性實施例，部分射線束再度被它們準直(圓柱形透鏡的功能)並且偏轉於測量方向X(偏轉光柵的功能)。於本範例性實施例，額外於Y方向的偏轉(偏轉光柵的功能)也經由它們而造成。從光柵場X2’、X4’出射的二條部分射線束最終在測量標準10’上的一點再度相遇，它們在此重疊和干涉並且後續再度傳遞回到掃描系統20’，它們在此通過耦出側上之耦出光學器材的分束光柵23’，然後於偵測器系統的方向上傳遞。

從圖2b的視圖明顯可知，於此範例性實施例，部分射線束於第一和第二轉換期間所通過的所有光柵場是在個別軸的測量方向上和垂直於個別軸的測量方向上彼此偏移。因而，光柵場A1’~A4’和B1’~B4’之線光柵的Y偏轉所調適的方式使得部分射線束能夠經由光學元件22’之背側上的反射器而從光柵場A1’到光柵場A3’、從光柵場A2’到光柵場A4’、從光柵場B1’到光柵場B3’、且從光柵場B2’到光柵場B4’，後續再度在測量標準10’重合和根據第一範例性實施例而彼此干涉，並且能夠回到耦出光學器材。

根據圖2b的代表圖，於本範例性實施例，光柵場X1’相對於光柵場X2’的偏移距離δx、δy就X方向和Y方向而言在各情形下是相同於光柵場X3’相對於光柵場X4’的偏移距離、相同於光柵場A1’相對於光柵場A3’ 的偏移距離、相同於光柵場A2’相對於光柵場A4’的偏移距離、相同於光柵場B1’相對於光柵場B3’的偏移距離、且相同於光柵場B2’相對於光柵場B4’的偏移距離。

另一方面，於上面圖1a~1c的範例性實施例，就所有三條掃描束路徑而言，僅存在光柵場A1、A2、B1、B2、X1、X3沿著X方向而相對於光柵場A3、A4、B3、B4、X2、X4的偏移距離δx，而選擇偏移距離δy=0。於本範例性實施例，根據圖2b，有關所有三條掃描束路徑，額外提供了光柵場A1’、A2’、B1’、B2’、X1’、X3’沿著Y方向相對於光柵場A3’、A4’、B3’、B4’、X2’、X4’的偏移距離δy≠0。

根據本發明之光學位置測量裝置的進一步範例性實施例之光學元件的頂側平面圖顯示於圖3的代表圖，其類似於圖1c和圖2b。穿過光柵場A1’~A4’和B1’~B4’之A軸和B軸的掃描束路徑之部分射線束的束路徑係相同於根據圖2b之先前的範例性實施例。沿著第三位移方向的位置測量現在則加以放大並且類似於第一、二位移方向(A’軸和B’軸)的位置測量來進行。它們的掃描束路徑和形成的光柵場A’1”~A’4”和B’1”~B’4”對應於A軸和B軸的掃描束路徑以及光柵場A1”~A4”和B1”~B4”；然而，相較於光柵場A1”~A4”和B1”~B4”，光柵場A’1”~A’4”和B’1”~B’4”的放置則相對於Z方向旋轉了90°。以此方式，除了測量側向位移方向X以外，還有可能額外進行垂直位移方向Z的冗餘測量。由於垂直位移 方向Z之冗餘測量的緣故，誤差影響能夠藉由平均而降低，且因而可以改善位置測量裝置的正確度。

於從歐洲專利申請案第1 762 828 A2號所知的位置測量裝置，提供之二條掃描束路徑的部分射線束在各情形下照射在測量標準上而再度於X方向偏移，因此，僅垂直於側向的測量方向。相對於此，於根據至今解釋的範例性實施例之本發明的位置測量裝置，雖然提供之第三條掃描束路徑的二條部分射線束類似偏移於X方向，但是這對應於沿著側向之測量方向的偏移。

因為提供了額外的第三條掃描束路徑來決定沿著第二側向位移方向X的位置，所以當分別建立了測量標準的光柵常數以及相鄰光柵場之間的偏移距離δx和δy時，便建立了測量標準和掃描系統之間的掃描距離。

再者，在本發明有利的是選擇光柵場A1’~A4’、B1’~B4’之間的偏移距離δx、δy是相同的，例如圖2a的範例性實施例，該等偏移距離在各情形下被相同的部分射線束A1’到A3’、A2’到A4’、B1’到B3’、B2’到B4’所橫越，並且一方面具有耦出光柵21’、23’或在光柵場X1’、X2’和光柵場X3’、X4’之間的場。

如果吾人假設光柵場A1’~A4’和B1’~B4’之間的偏移距離δx在各情形下選擇是最小的，則第三條掃描束路徑的光柵場X1’~X4’可以不緊靠在一起。在掃描系統的光學元件之各種場之間選擇相同的偏移距離δ因此導致根據本發明的位置測量裝置有最小的單位體積。

如果吾人進一步將光學元件頂側和測量標準之間的掃描距離指定為△、測量標準的光柵常數為d、所用的光波長為λ、以及光學元件上之相鄰場的間隔為δ，則可以根據以下方程式2來獲得掃描距離△：

場之間的偏移距離δ是由實際應用所需之掃描系統的旋轉容限所給出。

給定偏移距離δ=6毫米、波長λ=976奈米、以及測量標準的光柵常數d=2.048微米，則因而得出光學元件的光柵側和測量標準之間的掃描距離△=22.137毫米。相較於從歐洲專利申請案第1 762 828 A2號所知的位置測量裝置而僅具有二條掃描束路徑來看，這代表放大的掃描距離。以這方式所放大之空氣中的掃描距離則導致增加了位置測量裝置對於空氣渦流或折射率變化的敏感度。然而，這些影響可以在根據本發明的位置測量裝置中以幾種方式來補償。

因此，第一補償變化例有可能藉由將玻璃蓋40置於全部掃描束路徑之上而將全部掃描束路徑屏蔽得盡可能的對於周遭空氣是氣密的。根據本發明的光學位置測量裝置之對應設計的變化例顯示於圖4的二個截面圖，其類似於圖1a和1b的代表圖。除了玻璃蓋40是例外，這變化例對應於已經在上面詳細解釋的第一範例性實施例。玻璃蓋40的位置應盡可能的靠近測量標準110，以 便使測量標準110和掃描系統120之間空氣中的三條掃描束路徑的自由路徑長度減到最小。

第二補償變化例顯示於圖5的類似代表圖。在掃描系統220和測量標準210之間的自由空氣體積在此盡可能完全的以熱補償的玻璃本體50所填充。這意謂玻璃本體50的線性延伸補償了折射率的改變。因此，就沒有由於壓力、溫度或濕度的改變所造成的空氣折射率改變能夠影響位置的決定。類似而言，快速空氣交換是不可能的。熱補償玻璃本體50主要相關於A軸和B軸的掃描束路徑，因為在此，玻璃中之部分射線束的路徑基於不同角度，因而玻璃中之部分射線束的行進長度對於不同階繞射是不同的。非補償的玻璃本體在此導致決定的位置隨著溫度而改變。另一方面，X軸是對稱的。在此，玻璃本體50不是絕對必須被熱補償，只要有可能確保於二階繞射的玻璃之間沒有溫度梯度即可。

在圖6之視圖的輔助下，以下解釋所有三條掃描束路徑利用一共同耦出光學器材，其提供在本發明之位置測量裝置的輸出端，而經由該共同耦出光學器材，三條掃描束路徑中所產生的干涉部分射線束耦合到供應這些射線束給下游偵測器系統的第二光導中。

附帶而言，應該在此再度指出：在輸入端，來自光源的束係經由用於所有三條掃描束路徑之共同的第一光導和耦入光學器材而供應給掃描系統。

於圖6的左邊，其類似於圖1b的代表圖，提 供於第一範例性實施例的三條掃描束路徑被顯示成示意圖。於圖6的右邊，三條掃描束路徑之干涉部分射線束的分束以及它們耦出到第二光導中是以高度示意的方式而示範成各種的截面圖。除了三條指出的掃描束路徑以外，在此情形下還顯示了聚焦透鏡24、場透鏡25、在耦出側上的分束光柵23以及具有總共9條多模光纖27的第二光導26。根據本發明的耦出光學器材是由所有三條掃描束路徑來使用，而包括聚焦透鏡24、在耦出側上的分束光柵23以及場透鏡25。

明顯而言，三條掃描束路徑的重疊射線束從不同的方向照射在分束光柵23和二透鏡24、25上的YZ平面。結果，在通過聚焦平面的透鏡24、25之後，它們是空間上分離的，且因此可以一起耦合到第二光導26的多模光纖27中，而所有光纖都維持在箍28中之界定的配置。在這背景下，場透鏡25是用於使分束平行，如此則多模光纖27不必有角度的插入箍28裡。每條掃描束路徑具有三條多模光纖27之箍28的平面圖顯示於圖7。如從圖明顯可見，軸A、B、X的三條重疊射線束在各情形下於X方向被分成三條重疊的部分射線束，並且分開耦合到對應的多模光纖27裡。在部分的箍28上，極化器(僅顯示於圖7)施加於每條多模光纖27，該等極化器在各情形下的指向則致使獲得呈強度調變形式而相位移了120°之相依於位置的訊號。除了單獨的極化器，也可以有利的改為在一共同玻璃基板上使用繞射極化器，其中極化軸是由光 柵的指向所決定。

根據圖7，用於A軸和B軸訊號的三條個別多模光纖27提供於頂列和底列，而屬於第三條掃描束路徑的三條多模光纖27則置中。

基於相同的原理，根據圖3之本發明的位置測量裝置之範例性實施例的射線束在各情形下被耦出光學器材分成三條部分射線束。然而，在此情形下，來自那裡提供之四條掃描束路徑的總共四條射線束各被分成三條部分射線束，亦即，A軸和B軸的射線束以及A’軸和B’軸的射線束。藉由將分束光柵放置成相對於Y軸而呈22.5°，則有可能以根據圖8的箍組態來使部分射線束導入總共12條的多模光纖27’裡。屬於一起並且對各軸A、B、A’、B’相位移了120°的訊號則以個別繪入的矩形來示範在圖8中。未顯示於圖8的是極化器，其在此也可以單獨的施加或以繞射來實現，而可以施加在一共同玻璃基板上。

除了特定描述的範例性實施例，在本發明的範圍裡當然還可能存在其他實施例。

10‧‧‧測量標準

20‧‧‧掃描系統

23‧‧‧分束光柵

24‧‧‧聚焦透鏡

25‧‧‧場透鏡

26‧‧‧第二光導

27‧‧‧多模光纖

28‧‧‧箍

A‧‧‧軸

B‧‧‧軸

X‧‧‧第二側向位移方向

Claims (12)

1. 一種用於偵測可彼此相對移動的二物體之位置的光學位置測量裝置，其包括：測量標準，其接合於該等二物體中的一者；以及掃描系統，其掃描該測量標準，該掃描系統係接合於該等二物體中的另一者，該掃描系統允許同時決定該等物體之沿著第一側向位移方向和沿著垂直位移方向的位置，並且為此，在部分的該掃描系統上，形成二條掃描束路徑，其中能夠在各情形下從干涉部分射線束而在輸出端產生一組相位移訊號；其中：附帶而言，經由該掃描系統，形成至少第三條掃描束路徑，藉此有可能決定該等物體之沿著第二側向位移方向(X)的位置；來自光源的束能夠經由用於所有三條掃描束路徑之共同的第一光導和耦入光學器材而供應給該掃描系統；以及該等三條掃描束路徑中所產生的該等干涉部分射線束能夠經由共同的耦出光學器材而耦合到供應這些射線束給偵測器系統的第二光導中。
2. 如申請專利範圍第1項的光學位置測量裝置，其中在輸入端，該掃描系統包括分束光柵，其將從該耦入光學器材進來的該等射線束分成三條掃描束路徑，該分束光柵的第+/-1階繞射係指定給該第一和第二條掃描束路徑， 並且第零階繞射係指定給該第三條掃描束路徑。
3. 如申請專利範圍第1項的光學位置測量裝置，其中在該第三條掃描束路徑中，部分的射線束沿著該測量標準的方向傳遞、在那裡被進一步分成二條部分射線束、它們反射回到該掃描系統的方向，而在各情形下它們經歷回向反射、以及沿著該第二側向位移方向(X)的偏移，再度沿著該測量標準的該方向傳遞，在此它們干涉地來重疊並且沿著該掃描系統的該方向傳遞回去，在此可從它們偵測到有關沿著該第二側向位移方向之相對移動的多個相位移訊號。
4. 如申請專利範圍第1項的光學位置測量裝置，其中該掃描系統包括光學元件，在其面對該測量標準的那一側上配置了多個光柵場，該等光柵場以定義的方式指定給各個該等掃描束路徑，並且在耦入側上具有透射光柵和分束光柵以及在耦出側上具有分束光柵。
5. 如申請專利範圍第4項的光學位置測量裝置，其中沿著該第二側向位移方向(X)而在該等光柵場和該等耦出光柵之間的偏移距離係選擇為相同的。
6. 如申請專利範圍第4項的光學位置測量裝置，其中配置在該光學元件和該測量標準之間的是玻璃蓋，就其側向延伸而言，該玻璃蓋延伸於所有掃描束路徑之上。
7. 如申請專利範圍第4項的光學位置測量裝置，其中熱補償玻璃本體配置在該光學元件和該測量標準之間，如此則溫度改變不更改在該玻璃中橫越之該等部分射線束 的光學路徑長度。
8. 如申請專利範圍第1項的光學位置測量裝置，其中該第二光導在每條掃描束路徑包括三條多模光纖，該等多模光纖係位在耦入側上之末端的一共同箍中。
9. 如申請專利範圍第1項的光學位置測量裝置，其中該第一和第二側向位移方向(Y、X)彼此垂直的指向，並且該測量標準是呈交叉光柵的形式。
10. 如申請專利範圍第1項的光學位置測量裝置，其中所有三個位移方向(X、Y、Z)的該等掃描束路徑具有一共同掃描中心。
11. 如申請專利範圍第1項的光學位置測量裝置，其中在該測量標準上的第一和第二照射處之間，該等掃描束路徑中的至少一部分射線束經歷沿著該個別位移方向(X)的偏移。
12. 如申請專利範圍第3或4項的光學位置測量裝置，其中為了使該等部分射線束反射回來，該光學元件包括繞射構件，其在它們本身裡面組合了幾種光學功能。