專利名稱：位置測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及位置測量裝置. 背景技術(shù)以掃描具有光柵的標(biāo)尺為基礎(chǔ)的干涉式位置測重裝置，例如在專利文件EP 0163362 Bl中已作了說明.以具有光柵結(jié)構(gòu)的標(biāo)尺和光學(xué)掃描為基礎(chǔ)的位置測量裝置，在專 利文件W0 2007/034379 A2中也作了說明.這種位置測量裝置的缺點(diǎn) 是，在偏轉(zhuǎn)元件上反射的各個(gè)方向的子射線不平行地照射到檢測器上， 因此它們在檢測器上的落點(diǎn)取決于偏轉(zhuǎn)元件到檢測器的距離.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于創(chuàng)建一種位置測量裝置，在這種位 置測量裝置中在偏轉(zhuǎn)元件上反射的子射線的落點(diǎn)與偏轉(zhuǎn)元件到檢測器 的距離無關(guān).該技術(shù)問題通過本發(fā)明的位置測量裝置解決，其具有光源，笫一 光柵，第二光柵和光電檢測器，其中光源的在第一和第二光柵上被分 解為不同方向的子射線的光，經(jīng)偏轉(zhuǎn)元件偏轉(zhuǎn)到所述檢測器上.偏轉(zhuǎn) 元件為了入射具有不同方向的子射線的而具有不同的區(qū)域，從而使所 有從偏轉(zhuǎn)元件偏轉(zhuǎn)到檢測器的子射線近似于是平行的.


本發(fā)明的其他優(yōu)越性以及詳細(xì)說明從根據(jù)附圖對優(yōu)選實(shí)施形式所 作的下列說明中得出.其中圖1示出按照現(xiàn)有技術(shù)的位置測量裝置，圖2示出位置測量裝置的概貌圖，圖3示出位置測量裝置中的光路，圖4示出用于偏轉(zhuǎn)光線的裝置，圖5示出位置測量裝置中的光路，圖6示出具有遮光板的掃描光柵，圖7示出位置測量裝置的另一個(gè)實(shí)施例，圖8示出偏轉(zhuǎn)元件的替代結(jié)構(gòu).具體實(shí)施方式
在圖1中示出位置測量裝置的典型測量任務(wù).其中對象10在平面 上可沿x和y方向運(yùn)動.該對象沿x和y方向的位置測量應(yīng)當(dāng)參照一 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行，這個(gè)點(diǎn)在下面被稱為中心點(diǎn)19.如果x和y位置的測量在x軸平行線或y軸平行線穿過中心點(diǎn)的 延長線上進(jìn)行，則稱為阿貝補(bǔ)償測量，因?yàn)閷ο罄@中心點(diǎn)的轉(zhuǎn)動Rz對 位置值沒有影響.對于這種測量任務(wù)通常應(yīng)用干涉儀，其中將測量反 射器11和12固定在運(yùn)動的對象上并且分別垂直于測量方向延伸.由 此保證，對象在垂直于測量方向運(yùn)動時(shí)，干涉儀射線始終被反射回分 析單元13和14.因?yàn)楦缮鎯x的測量射線必須走過從幾毫米至幾米的空氣路程，所 以空氣的折射率波動對于測量結(jié)果很關(guān)鍵.按照上面引證的與圖2相對應(yīng)的專利文件W0 2007/034379A2的位置測量裝置，使用所謂的光柵干涉儀代替干涉儀.對于每個(gè)測量方向都使用在下面被稱為標(biāo)尺光柵 (Massstabsgitter)的線性光柵.標(biāo)尺光柵沿各自的測量方向延伸， 標(biāo)尺光柵21用于x方向以及標(biāo)尺光柵22用于y方向.對于在光柵干 涉儀范閨內(nèi)的光學(xué)掃描所需要的掃描光柵23和24，垂直于各自的測量 方向延伸，并且固定地與運(yùn)動的對象20連接.照明和檢測單元25， 26對于每個(gè)軸都是位置固定的和不運(yùn)動的.為了使測量軸的光能從照明單元偏轉(zhuǎn)到掃描位置29， 30，采用垂 直于測量方向延伸的、同樣與運(yùn)動的對象20連接的偏轉(zhuǎn)元件27， 28, 該偏轉(zhuǎn)元件還用于使光從掃描位置再偏轉(zhuǎn)回檢測單元.下面對本發(fā)明比較詳細(xì)地加以探討，其中只對x軸加以說明，對 于y軸同樣適用.圖3示出本發(fā)明的笫一個(gè)實(shí)施例。在照明和檢測單元25中安置著光源41(此處可以例如是激光二極 管或者LED)，將光源41的光用元件42 (例如透鏡)校準(zhǔn)到使得光源 41的光具有較小的發(fā)散度，從而當(dāng)運(yùn)動的對象20與照明和檢測單元 25之間的距離Lx改變時(shí)，射束截面能保持盡可能相同不變的比例.借 助于偏轉(zhuǎn)元件43，射線沿測量方向X偏轉(zhuǎn)到待測量的以及運(yùn)動的對象20上.將偏轉(zhuǎn)元件43校準(zhǔn)成，使得射線沿X方向的延長線與X-Y平面 的經(jīng)過中心點(diǎn)的法線相交.在運(yùn)動和待測量的對象上，射線到達(dá)偏轉(zhuǎn) 元件27，所述偏轉(zhuǎn)元件27垂直于測量方向地延伸到待測量對象的整個(gè) 長度或者甚至于超出該長度.使垂直于測量方向的延伸相應(yīng)于垂直于 測量方向的活動范圍選取.偏轉(zhuǎn)元件27可以是45°的鏡子，其使射線偏轉(zhuǎn)90° ，從而使光 線B0穿越笫一光柵23.這個(gè)也被稱為掃描光柵23的笫一光柵，象偏 轉(zhuǎn)元件27 —樣垂直于測量方向延伸并且固定地與待測量對象連接.相 應(yīng)于偏轉(zhuǎn)元件27選取沿測量方向的延伸.掃描光柵23具有垂直于測 量方向的長刻線并被構(gòu)建為透射光柵.它將入射光線分成多個(gè)子射線. 這些子射線輻射到也被稱為標(biāo)尺光柵21的笫二光柵上.標(biāo)尺光柵沿測 量方向延伸并且具有垂直于測量方向的刻線，將所述刻線的長度選擇 成，使得落入的光束剛好能夠完全被掃描.將標(biāo)尺光柵限制為垂直于 測量方向具有很大的優(yōu)越性，因?yàn)楫a(chǎn)生沿兩維延伸的部分會產(chǎn)生可觀 的費(fèi)用.在標(biāo)尺光柵上，從子射線中產(chǎn)生更進(jìn)一步的子射線.因?yàn)闃?biāo) 尺光柵是一種反射光柵，所以子射線沿進(jìn)行進(jìn)一步分束的掃描光柵的 方向被偏轉(zhuǎn)返回.在穿透掃描光柵后，使子射線對B1,B2，B3，B4，B5，B6(見圖5)以設(shè)定的、但部分不同的方向返回偏轉(zhuǎn)元件27,其中子射 線對B2，B5具有平行于入射射線的方向.兩個(gè)子射線B1，B3具有與 B2，B5偏離的相同的方向.該偏離由于掃描光柵的柵距周期(Teilungsperiode)而產(chǎn)生.子射線B4，B6重又具有相同的、與B1，B3 相反的角度.掃描光柵正好具有這種特性，即如果對象20相對于標(biāo)尺光柵21 運(yùn)動，則沿不同的傳播方向產(chǎn)生相位偏移的信號.子射線在經(jīng)過掃描 光柵后發(fā)生干涉，從而產(chǎn)生三個(gè)分別偏移120°的信號.因?yàn)樽由渚€對以設(shè)定的、但是卻各不相同的方向返回偏轉(zhuǎn)元件27， 所以將該偏轉(zhuǎn)元件構(gòu)建為使得它具有產(chǎn)生不同偏轉(zhuǎn)角的區(qū)域27.1， 27. 2和27. 3.由此使所有的子射線對在沿檢測單元25的方向返回時(shí)具有相同的方向.但是他們在空間上是分開的，并且可以借助于透鏡 44.1， 44.2，和44. 3聚焦到三個(gè)將相位偏移的信號轉(zhuǎn)換成相位偏移的 光電元件電流的光電元件45. 1, 45. 2和45. 3上。不考慮空氣折射率 的波動，因?yàn)樵摬▌臃謩e以相同的方式涉及一個(gè)子射線對的兩個(gè)組成部分，并且在干涉時(shí)抵消.使子射線對通過偏轉(zhuǎn)元件27達(dá)到平行具有優(yōu)越性，因?yàn)闄z測單元 和待測量對象之間的距離Lx可以在毫米和米之間變動.如果使所有的 子射線對以相同的角度偏轉(zhuǎn)，則子射線對的落點(diǎn)取決于距離Lx，或者 對于較大的Lx,子射線束被偏轉(zhuǎn)到標(biāo)尺光柵21上并最終不到達(dá)檢測單 元25.偏轉(zhuǎn)元件27包括沿測量方向具有不同偏轉(zhuǎn)力的區(qū)域.其中重要的 是，具有相同相位偏移的子射線對到達(dá)同一個(gè)偏轉(zhuǎn)區(qū)域.這意味著， 在偏轉(zhuǎn)元件27上具有不同相位偏移的子射線對必須存在空間上的分 離.在偏轉(zhuǎn)元件27上，子射線對沿測量方向所需的位移可以通過偏轉(zhuǎn) 元件27到掃描光柵23的距離Ly進(jìn)行調(diào)節(jié).可以借助于所使用的標(biāo)尺 光柵和掃描光柵的柵距周期、照明光線沿測量方向的延伸以及光柵之 間的距離D來求出Ly.按照圖3和困4,偏轉(zhuǎn)元件27可以是分段的鏡子.中間件27.2因 而是具有傾斜了 oc角的平面的平鏡面.外側(cè)的兩個(gè)部件27.1或27.3 是分別具有傾斜了 a + P 1角或者a-P2角的平面的平鏡面.使角度a與B0的方向有利地成45。，角度P1和P2則取決于掃 描光柵和標(biāo)尺光柵所應(yīng)用的光柵常數(shù).在通常情況下使P1和P 2相等 (P-P1-P2)，并通過公式p-l/2arcsin(人/TP-AP)確定，其中入 是所使用光的波長，TP—AP是掃描光柵23的柵距周期.鏡子可以被整體式地制造.但是也可以由多個(gè)固定在支架上的涂 層的薄片組成，所述支架預(yù)先確定了所需的角度a和P.對于鏡面， 除了較高的反射性能外不存在特別的要求.與此相反，用于傳統(tǒng)干涉儀的延伸的測量反射器必須滿足較髙的 表面質(zhì)量要求，因?yàn)橛捎跍y量反射器的表面波動而產(chǎn)生的光程差會反 映到干涉相位中.因而所產(chǎn)生的位置值取決于干涉儀鏡子的表面特性， 尤其當(dāng)待測量對象垂直于測量方向運(yùn)動時(shí).此處所提議的分段式偏轉(zhuǎn)鏡子，因?yàn)閮H僅要求減小了的平面度和 角度公差，因而是一種可廉價(jià)制造的部件.除了純反射作用的偏轉(zhuǎn)元件27，還可設(shè)想一種不僅利用通過反射 進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，而且利用通過衍射進(jìn)行偏轉(zhuǎn)的元件.這種被圖示在圖8中的元件71,必須具有沿測量方向?qū)τ诓煌D(zhuǎn)區(qū)域71. 1， 71. 2和71. 3 具有不同柵距周期的光柵結(jié)構(gòu)，借助于不同的柵距周期產(chǎn)生不同的偏 轉(zhuǎn)角.為此目的，可以使用以角度y傾斜的反射的相位衍射光柵.該 光柵應(yīng)該具有盡可能強(qiáng)的笫一級，以特別有效地工作.這可以通過多 級相位衍射光柵實(shí)現(xiàn).
下面就可以對兩個(gè)可能的實(shí)施例中所使用的掃描和標(biāo)尺光柵詳細(xì) 地加以探討.
在第一個(gè)實(shí)施例中，使用了根據(jù)如基本上例如在上述專利文件EP 0163362B1中已作說明的所謂LIP原理的掃描.掃描光柵具有4jiin的 柵距周期并被構(gòu)造為透射的相位衍射光柵.相位差為120°以及光柵刻 線為1.25Mm寬.標(biāo)尺光柵是具有4Mm柵距周期和180°相位差以及 2/im刻線寬度的反射的相位衍射光柵.憑借這種性能，在兩次穿越掃 描光極后產(chǎn)生相位偏移120°的信號S-0。 ， S_120°和S-240。
兩個(gè)子射線B2，B5在檢測器中構(gòu)成信號S-0n ，兩個(gè)子射線B1,B3 構(gòu)成信號S-120。以及兩個(gè)子射線B4,B6構(gòu)成信號S_240° .
在照明區(qū)域沿測量方向的延伸Bx=2,以及光柵間距D-2mm時(shí)，得
出從偏轉(zhuǎn)元件到掃描光柵必需的距離Ly:
、2Dtan(arcsin(A/7P—y!P)) +萬Jc 少- tan(arcsin(/l/7P_^P)
因?yàn)榇送膺€要考慮待運(yùn)動的對象的傾斜公差，所以在偏轉(zhuǎn)元件上 沿測量方向的劃分也應(yīng)該考慮此因素并與此相應(yīng)地把Ly選擇得更大一
些.為了限制具有不同傳播方向的、向偏轉(zhuǎn)元件方向輻射的子射線對 的數(shù)量，除了掃描光柵23.1以外，如在圖5和6中示出的遮光板結(jié)構(gòu) 23. 2和23. 3也是有意義的.
對于兩個(gè)實(shí)施例尤其有利的是，將掃描光柵23的分光構(gòu)件23.1 安置到掃描光柵的支架朝向標(biāo)尺光柵21的一倒.測量系統(tǒng)的有效測量 點(diǎn)位于掃描光柵中，并因此使該掃描光柵處于離中心點(diǎn)19盡可能近的 地方.
圖7示出了其他的實(shí)施例.其中使用了按照利特羅排列的掃描.
掃描光柵具有4Mm的柵距周期并被構(gòu)建為透射的相位衍射光柵. 相位差為120°以及刻線寬為1.25 Mm.標(biāo)尺光柵是具有2 m m柵距周 期和180°相位差以及刻線寬度為lM n的反射的相位衍射光柵.憑借這種性能，在兩次穿越掃描光柵后，在檢測器中產(chǎn)生相位偏移120°的 信號S_0° ， S-120°和S-240° .
子射線對B8構(gòu)成信號S_0。，子射線對B7構(gòu)成信號S-120。以及 子射線對B9構(gòu)成信號S_240° .
因?yàn)樵诶亓_排列中第一光柵的笫0衍射級不是所希望的(它將 導(dǎo)致次諧波)，所以必須將光柵間距D和照明燈沿測量方向的延伸選 取為，使得來源于掃描光柵上笫0級的子射線在標(biāo)尺上發(fā)生衍射后被 除了掃描光柵以外的不反射區(qū)域阻擋掉.因此對于該實(shí)施例來說，除 了掃描光柵23.1以外，遮光板構(gòu)件23. 2和23. 3也是有意義的.
權(quán)利要求
1.一種位置測量裝置，具有光源(41)，第一光柵(23)，第二光柵(21)和檢測器(45.1，45.2，45.3)，其中該光源(41)的、在第一和第二光柵(23，21)上被分解為不同方向的子射線(B1-B6，B7-B9)的光，經(jīng)偏轉(zhuǎn)元件(27)偏轉(zhuǎn)到所述檢測器(45.1，45.2，45.3)上，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)元件(27)為了入射具有不同方向的子射線(B1-B6，B7-B9)而具有不同的區(qū)域(27.1，27.2，27.3，71.1，71.2，71.3)，使得所有從偏轉(zhuǎn)元件(27)偏轉(zhuǎn)到檢測器(45.1，45.2，45.3)的子射線(B1-B6，B7-B9)近似于平行。
2. 如權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述不同的 區(qū)域(27.1， 27.3， 27. 3)是分段式鏡子的不同斜度的鏡面.
3. 如權(quán)利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于，鏡面之間的 傾角差(P )是常數(shù).
4. 如權(quán)利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于，所述分段式 鏡子由固定在支架上的多個(gè)涂層薄片組成，所述支架預(yù)先確定了不同 的傾角.
5. 如權(quán)利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于，所述分段式 鏡子是整體式制造的.
6. 如權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述不同的 區(qū)域(71.1， 71.2, 71. 3)擁有具有各不相同的柵距周期的光柵結(jié)構(gòu).
7. 如權(quán)利要求6所述的位置測量裝置，其特征在于，所述不同區(qū) 域(71.1, 71.2， 71. 3)的光柵結(jié)構(gòu)是反射的相位衍射光柵.
8. 如權(quán)利要求6所述的位置測重裝置，其特征在于，所述不同區(qū) 域(71.1， 71.2, 71. 3)的光柵結(jié)構(gòu)是多級相位衍射光柵.
9. 如權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)元 件(27 )的區(qū)域(27. 2, 71. 2 )將光源(41)的光偏轉(zhuǎn)到第一光柵(23 ) 上.
10. 如權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，笫一光抓23 ) 是一種透射的相位衍射光柵，
11. 如權(quán)利要求1所迷的位置測量裝置，其特征在于，第二光抓21) 是一種將被第一光柵(23)透射的光反射回第一光柵(23)的反射的相位衍射光柵.
12. 如權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)元 件(27)和第一光柵(")與待測量對象(10, 20) —起運(yùn)動，以及 第二光柵(21)與光源(41)和光電檢測器(45.1, 45. 2, 45. 3 )相 對位置固定.
13. 如權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，在第一光柵 結(jié)構(gòu)(23.1)的兩邊安置能部分地阻擋被笫二光柵(21)反射的光的 遮光結(jié)構(gòu)(23. 2, 23. 3 ).
14. 如權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述偏轉(zhuǎn)元 件(27)具有三個(gè)不同的區(qū)域(27. 1, 27. 2， 27.3， 71.1， 71.2， 71.3)， 光被這些區(qū)域以三條在空間上分開并平行的光路投射到光電檢測器(45.1， 45.2， 45.3)上.
15. 如權(quán)利要求14所述的位置測量裝置，其特征在于，在三個(gè)光 電檢測器(45.1, 45.2， 45.3)中產(chǎn)生相位互相偏移120。的信號，
全文摘要
本發(fā)明描述了一種位置測量裝置，其具有光源(41)，第一光柵(23)，第二光柵(22)和光電檢測器(45.1，45.2，45.3)，其中光源的在第一和第二光柵上被分解為不同方向的子射線(B1-B6)的光，經(jīng)偏轉(zhuǎn)元件(27，27.1，27.2，27.3)偏轉(zhuǎn)到所述檢測器上。偏轉(zhuǎn)元件為了入射具有不同方向的子射線的而具有不同的區(qū)域，從而使所有從偏轉(zhuǎn)元件偏轉(zhuǎn)到檢測器的子射線近似于是平行的。
文檔編號G01D5/38GK101308013SQ20081009907
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月16日
發(fā)明者M·赫爾曼 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司