光學(xué)位置測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光學(xué)位置測量裝置，其用于探測相對彼此運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體的位置。光學(xué)位置測量裝置包括與兩個(gè)物體中的一個(gè)相連接的量具，并且具有測量刻度，其帶有沿著至少一個(gè)第一刻度方向周期性地布置的刻度區(qū)域。位置測量裝置還包括具有多個(gè)光學(xué)元件的掃描單元，其相對于量具可運(yùn)動(dòng)地布置。通過布置和構(gòu)造掃描單元的光學(xué)元件引起掃描光路，在其中形成干涉的子光束關(guān)于對稱平面鏡像對稱地傳播并且或者V形地射到量具上和/或通過量具經(jīng)歷V形的背向反射。對稱平面以限定的傾斜角圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線傾斜，其平行于量具的表面定向并且垂直于第一刻度方向延伸。
【專利說明】
光學(xué)位置測量裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的光學(xué)位置測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在已知的用于探測相對彼此運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體的位置位置測量裝置中，通常確定掃 描單元相對于量具沿著量具的刻度方向的位置，量具具有布置在其上的測量刻度，其中，刻 度方向相應(yīng)于測量方向；掃描單元和量具在此分別與運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體中的一個(gè)相連接。位 置測量裝置的表示相應(yīng)的有效的測量方向的所謂的靈敏度矢量在已知的裝置中通常平行 于量具的表面定向。
[0003] 此外，已知這樣的位置測量裝置，其靈敏度矢量傾斜于帶有反射性的測量刻度的 量具的表面定向。對此例如應(yīng)參考
【申請人】的文獻(xiàn)EP1762828A2。靈敏度矢量的傾斜的取向在 此類位置測量裝置中通過不對稱地形成干涉的掃描光路確保。在相應(yīng)的掃描光路中，射入 的光束分成至少兩個(gè)子光束，其最后引起干涉性的疊加。借助于此類位置測量裝置可獲得 關(guān)于掃描單元和量具沿著側(cè)向的測量方向或移動(dòng)方向以及沿著豎向的測量方向或移動(dòng)方 向的相對運(yùn)動(dòng)的位置信息。也就是說，借助于此類位置測量裝置可探測沿著兩個(gè)線性的運(yùn) 動(dòng)自由度的位置變化。干涉的子光束的行程長度在這種位置測量裝置中通常僅在在掃描單 元和量具之間的公稱掃描距離中一樣長。如果量具或掃描單元運(yùn)動(dòng)脫離公稱掃描距離，則 在干涉的子光束中得到不同的行程長度。因此，使用的光源的波長的可能出現(xiàn)的變化影響 干涉的子光束的相位并且由此還影響確定的位置信息。因此將此類位置測量裝置的掃描光 學(xué)系統(tǒng)稱作有色差。因此，在其中使用的光源必須具有足夠的相干長度和盡可能小的相噪。 為了保證這種情況，需要以過高的花費(fèi)使此類光源保持穩(wěn)定，由此該光源相應(yīng)更貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是，提供一種光學(xué)位置測量裝置，其具有傾斜的靈敏度矢量并且在 所有允許的掃描距離中相對于波長變化不敏感。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明，該目的通過具有權(quán)利要求1的特征的光學(xué)位置測量裝置實(shí)現(xiàn)。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的有利的實(shí)施方案從在從屬權(quán)利要求中提及的 措施得到。
[0007] 用于探測相對彼此運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體的位置的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置包 括： -量具，其與兩個(gè)物體中的一個(gè)相連接并且具有測量刻度，其中，刻度區(qū)域沿著至少一 個(gè)第一刻度方向周期性地布置，以及 -掃描單元，其具有多個(gè)光學(xué)元件，該光學(xué)元件布置成可相對于量具運(yùn)動(dòng)，其中，通過布 置和構(gòu)造掃描單元的光學(xué)元件產(chǎn)生掃描光路，在其中形成干涉的子光束關(guān)于對稱平面鏡像 對稱地傳播，并且或者V形地射入到量具上和/或由量具V形地反射回。對稱平面以圍繞轉(zhuǎn)動(dòng) 軸線限定的傾斜角傾斜，轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于量具的表面定向并且垂直于第一刻度方向延伸。
[0008]優(yōu)選地，測量刻度的刻度周期和傾斜角如此選擇，即，在掃描單元中的掃描光路與 在未傾斜的狀態(tài)中的掃描光路相同，在其中對稱平面垂直于量具的表面定向。
[0009]在此，有利地，子光束形成干涉，其由在測量刻度處的不對稱的衍射級引起。
[0010]在此，子光束可形成干涉，其由在測量刻度處的衍射級的以下組合中的一個(gè)引起： +3./-I.衍射級， +1./0.衍射級， -3./+1.衍射級， -1./0.衍射級 可行的是，測量刻度構(gòu)造為反射式相位光柵，其針對用于產(chǎn)生信號(hào)的衍射級的高的衍 射效率來優(yōu)化。
[0011]此外，可設(shè)置成，掃描單元包括帶有多個(gè)光學(xué)元件的至少一個(gè)掃描板，其中，掃描 板布置成垂直于對稱平面。
[0012]在一種可行的實(shí)施方式中還可設(shè)置成，布置在掃描單元中的掃描板構(gòu)造成透明 的，并且在掃描板的面向量具的側(cè)部上布置有兩個(gè)第一掃描柵和兩個(gè)第二掃描柵，并且兩 個(gè)反射器布置在掃描板的對此相反的側(cè)部上，其中，反射器的反射的側(cè)部朝量具的方向定 向。
[0013]在此，掃描單元可如此構(gòu)造，即，由光源發(fā)出的光束 -撞到測量刻度上，在此分成兩個(gè)V形地朝掃描單元背向反射的子光束，其相應(yīng)于兩個(gè) 不同的衍射級， -兩個(gè)背向反射的子光束在掃描單元中朝兩個(gè)反射器的方向上通過兩個(gè)第一掃描柵并 且在此經(jīng)歷反向平行于射入方向定向的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)以及僅垂直于第一刻度方向的聚焦作用， -如此轉(zhuǎn)向和聚焦的子光束然后分別碰到反射器上并且經(jīng)歷朝量具的方向上的背向反 射， -兩個(gè)背向反射的子光束然后朝量具的方向上通過兩個(gè)第二掃描柵，并且在此經(jīng)歷朝 第一刻度方向上的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)以及僅垂直于第一刻度方向的準(zhǔn)直效應(yīng)，從而兩個(gè)子光束此時(shí) V形地朝量具的方向上傳播， -在此引起疊加的子光束朝掃描單元的方向上的重新的衍射和背向反射。
[0014] 在另一實(shí)施方式中可行的是，掃描單元包括至少一個(gè)分裂元件、兩個(gè)換向元件、兩 個(gè)反射器以及兩個(gè)透鏡。
[0015] 在此掃描單元可如此構(gòu)造，即，由光源發(fā)出的光束 -通過分裂元件分成兩個(gè)子光束，其然后分別朝換向元件的方向上傳播， -子光束通過換向元件經(jīng)歷換向，從而其V形地朝在測量刻度上的第一碰撞部位的方向 上傳播， _子光束在測量刻度上的第一碰撞部位分別經(jīng)歷第一衍射和朝在掃描單元中的透鏡和 反射器的方向的V形的背向反射， -子光束第一次通過透鏡，被反射器在射入方向上V形地背向反射，并且第二次通過透 鏡， _子光束然后在第二碰撞部位加載測量刻度并且分別經(jīng)歷第二衍射和朝掃描單元中的 換向元件的方向的V形的背向反射。
[0016] 在另一實(shí)施方式中可行的是，掃描單元包括至少一個(gè)透明的掃描板以及結(jié)構(gòu)化的 光電探測器，其中，在掃描板的面向射入的光束的側(cè)部上布置有第一掃描柵和第二掃描柵。
[0017] 在此掃描單元可如此構(gòu)造，即，由光源發(fā)出的光束 -不受影響地通過掃描板并且然后碰到測量刻度上，在此分成兩個(gè)V形地朝掃描單元背 向反射的子光束，其相應(yīng)于兩個(gè)不同的衍射級，并且 -兩個(gè)背向反射的子光束在掃描單元中分別通過兩個(gè)掃描柵中的一個(gè)，并且在此經(jīng)歷 朝對稱平面的方向上的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，并且然后朝結(jié)構(gòu)化的光電探測器的方向上傳播，在此其 干涉性地疊加。
[0018] 此外，可行的是，相同構(gòu)造的第二掃描單元與掃描單元機(jī)械地固定地相連接，其 中，兩個(gè)掃描單元以相同的角度值、但以相反的方向圍繞相關(guān)的彼此平行定向的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 傾斜地布置。
[0019] 在此可設(shè)置成，測量刻度構(gòu)造為二維的交叉光柵，其包括沿著第一刻度方向和第 二刻度方向的周期性布置的刻度區(qū)域，并且具有三對彼此機(jī)械地固定地相連接的位置測量 裝置，其中，兩對平行于第一刻度方向布置，而第三對平行于第二刻度方向布置。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置具有重要的優(yōu)點(diǎn)是，在允許的掃描距離的大的范 圍中對使用的光波長的波動(dòng)不敏感。即使在波長的可能出現(xiàn)的變化的情況下也始終產(chǎn)生正 確的位置值。由此可在根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置中使用明顯更簡單和更有利的光源。
[0021] 此外，可行的是，根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃描單元還可用于這樣的掃描，在 其中靈敏度矢量平行于量具的表面定向；這是這樣的常規(guī)的應(yīng)用，在其中例如應(yīng)在測量技 術(shù)上探測掃描單元和量具沿著測量方向的相對移動(dòng)。因此不再需要針對不同的測量任務(wù)開 發(fā)和準(zhǔn)備不同的掃描單元。
【附圖說明】
[0022] 借助根據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施例的隨后的說明結(jié)合附圖闡述本發(fā)明的其他的細(xì) 節(jié)和優(yōu)點(diǎn)。
[0023]圖la-圖lc分別示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第一實(shí)施例的掃描單元 的用圖解說明的截面視圖，其用在具有平行于被掃描的量具的表面的靈敏度矢量的位置測 量裝置中； 圖2a_圖2c分別示出了具有傾斜的靈敏度矢量的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第 一實(shí)施例的用圖解說明的截面視圖； 圖3a、圖3b分別示出了具有傾斜的靈敏度矢量的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第 二實(shí)施例的用圖解說明的截面視圖； 圖4a、圖4b分別示出了具有傾斜的靈敏度矢量的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第 三實(shí)施例的用圖解說明的截面視圖； 圖5分別示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第三實(shí)施例的變體的用圖解說明的 截面視圖； 圖6分別示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第三實(shí)施例的另一變體的用圖解說 明的圖示。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在借助根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的一系列實(shí)施例的附圖進(jìn)行詳細(xì)說明之 前，應(yīng)首先在下文中闡述與本發(fā)明有關(guān)的一些概念。
[0025]為此，還應(yīng)參考位置測量裝置的掃描光學(xué)系統(tǒng)，在其中在測量運(yùn)行中靈敏度矢量 平行于量具的表面定向。在此類掃描光學(xué)系統(tǒng)中，由光源發(fā)出的光束通常分成兩個(gè)子光束。 這兩個(gè)子光束在量具的測量刻度處以不同的衍射級衍射并且最后相疊加以及引起干涉?？?以這種方式產(chǎn)生彼此有相移的掃描信號(hào)，由該掃描信號(hào)通過遞增計(jì)數(shù)和內(nèi)插形成位置值。 這種掃描光學(xué)系統(tǒng)中的一些產(chǎn)生子光束，其從分開直至疊加鏡像對稱地關(guān)于對稱平面伸 延。此類掃描光路的對稱平面在這種運(yùn)行類型中在此垂直于量具表面，并且因此還垂直于 量具的測量刻度的刻度方向。在此，刻度方向相應(yīng)于測量刻度的總是垂直于測量刻度的光 柵線定向的光柵矢量;因此在下文中，措辭刻度方向和光柵矢量被彼此等價(jià)地使用。由于掃 描光路的鏡像對稱引起子光束在分開和重聚之間的等長的傳播路徑。因此，掃描光學(xué)系統(tǒng) 是消色差的，即，光源的波長以及其光譜分布并未影響產(chǎn)生的掃描信號(hào)的相位和調(diào)制度。
[0026] 此外，掃描光學(xué)系統(tǒng)(在其中形成干涉的子光束鏡像對稱地關(guān)于對稱平面?zhèn)鞑?還 可如此構(gòu)造，即，在量具上存在掃描的所謂的中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)。作為中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)，在此表示 在空間中的這樣的點(diǎn)，掃描單元或量具可圍繞該點(diǎn)傾斜，而示出的位置值沒有變化。兩個(gè)子 光束在分開和重聚之間的經(jīng)過的傳播路徑在圍繞中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)傾斜時(shí)保持相同。具有鏡像 對稱的子光路和在量具上的中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的此類掃描光學(xué)系統(tǒng)在下文中還被稱為對稱式V 形掃描光學(xué)系統(tǒng)。因此，該名稱限定了所有的這樣的掃描光學(xué)系統(tǒng)，其形成干涉的兩個(gè)子光 束一方面鏡像對稱地關(guān)于對稱平面?zhèn)鞑?，并且另一方面V形地射入到在量具上的共同的掃 描部位上，和/或從該掃描部位被量具V形地反射回。在此，僅僅兩個(gè)子光束在量具上的碰撞 部位沿著刻度方向或沿著光柵矢量必須幾乎相同，垂直于光柵矢量或沿著刻度線的刻度區(qū) 域的縱向方向的偏差無關(guān)緊要。
[0027] 除了兩個(gè)子光束在量具上沿著光柵矢量具有相同或幾乎相同的碰撞部位的此類 掃描光學(xué)系統(tǒng)之外，存在其他的對稱的掃描光學(xué)系統(tǒng)，其中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)處在量具上。在申請 人的歐洲專利申請EP14182781.6中概論了在掃描光學(xué)系統(tǒng)的任意的光路和中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn) 的相關(guān)的位置之間的關(guān)系。基于該說明可確定具有對稱的光路的其他的掃描光學(xué)系統(tǒng)，其 中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位于量具上。所有的這種掃描光學(xué)系統(tǒng)在下文中還被稱為對稱式V形掃描光 學(xué)系統(tǒng)。
[0028] 在這種具有平行于量具表面的靈敏度矢量的對稱式V形掃描光學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)行中， 掃描單元如此相對于具有刻度周期dM的量具取向，即，上文提及的對稱平面垂直于量具表 面并且還垂直于量具的測量刻度的光柵矢量。這被稱為掃描單元和量具的平行的取向。
[0029] 本發(fā)明的基本思想此時(shí)是，使這種對稱式V形掃描光學(xué)系統(tǒng)或相關(guān)的對稱平面以 確定傾斜角a圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線傾斜，該轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于量具的表面定向并且垂直于量具的測 量刻度的光柵矢量延伸，即，平行于測量刻度的刻度區(qū)域的縱向延伸方向。通過其他合適的 措施確保，掃描光路關(guān)于掃描單元與在未傾斜的狀態(tài)中的掃描光路相同。除了選擇合適的 傾斜角a之外，附加的措施包括選擇測量刻度的合適的刻度周期以及選擇合適的形成干涉 的子光束，其由在測量刻度處的不對稱的衍射級產(chǎn)生。
[0030] 下面借助根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第一實(shí)施例詳細(xì)說明基本思想。
[0031] 第一實(shí)施例 在圖la、圖lb和lc中以不同的視圖示出了具有對稱式V形掃描光學(xué)系統(tǒng)的已知的光學(xué) 位置測量裝置的掃描光路。該掃描光學(xué)系統(tǒng)的靈敏度矢量在此平行于量具表面并且平行于 測量刻度的光柵矢量或第一刻度方向x定向；下面還應(yīng)結(jié)合靈敏度矢量1的此類定向探討 相應(yīng)的位置測量裝置的所謂的面內(nèi)模式運(yùn)行（in-plane-Betrieb)。在圖la中示出了在xz平 面中的、從未示出的光源射入的光束S IN直至反射器23A、23B的光線走向的視圖，在圖lc中示 出了在相同的平面中的、從反射器23a、23b直至離開的信號(hào)光束Sciut (其具有疊加的子光束， 該子光束朝同樣未示出的探測單元的方向上傳播）的光線走向；圖lb示出了在yz平面中的 完整的掃描光路。
[0032] 在附圖中示出的光學(xué)位置測量裝置包括:量具10,其沿著第一刻度方向x延伸；以 及掃描單元20,其至少沿著第一刻度方向x相對于量具10可運(yùn)動(dòng)地布置。量具10和掃描單元 20分別與在附圖中未示出的物體相連接，例如與可相對彼此運(yùn)動(dòng)的機(jī)器構(gòu)件運(yùn)動(dòng)。下屬的 機(jī)器控制部借助于通過位置測量裝置產(chǎn)生的掃描信號(hào)可控制機(jī)器構(gòu)件的空間定位。
[0033] 量具10包括刻度載體11，在刻度載體的表面上布置有測量刻度12,其包括沿著第 一光柵矢量更確切地說沿著第一刻度方向x的周期性布置的刻度線式的刻度區(qū)域;刻度區(qū) 域的縱向延伸方向在附圖中相應(yīng)于y方向。測量刻度12在本實(shí)施例中構(gòu)造為帶有刻度周期 dM以及180°相位偏差的反射式相位光柵并且設(shè)置有周期性布置的刻度區(qū)域，其針對射入其 上的光線具有不同的移相效果。
[0034] 在掃描單元20的側(cè)部上，在布置在掃描單元中的不同的光學(xué)元件的附圖中僅示出 了透明的掃描板21以及布置在其上側(cè)上的反射器23 A、23B或布置在其下側(cè)上的掃描柵22A1、 2242、22^、228 2。而未示出光源以及探測單元，其原則上同樣可布置在掃描單元20中。備選 地，但同樣可行的是，這些元件在空間上放置成遠(yuǎn)離掃描單元20并且借助于光纜與掃描單 兀20連接，此時(shí)分別通過光纜傳輸射入的光束Sin或尚開的信號(hào)光束Sout。
[0035]如在下文中借助不同的掃描光路的詳細(xì)說明中可見的那樣，通過在掃描單元20中 布置和構(gòu)造不同的光學(xué)元件相應(yīng)保證引起這樣的掃描光路，在其中形成干涉的子光束A、B 關(guān)于對稱平面SE鏡像對稱地傳播。在此，子光束或者V形地射入到量具10上和/或經(jīng)歷從量 具10的V形的背向反射。
[0036]從未示出的光源射入的光束SIN在通過透明的掃描板21之后垂直于量具10的測量 刻度12到達(dá)第一碰撞部位PM。在此引起分開成兩個(gè)V形地朝掃描單元20背向反射的子光束 A、B。射入的光束Sin在此分開成對稱的衍射級rui=+l和nBi=-l，并且由此分開到兩個(gè)子光束 A、B中，其相對于射入的光束Sin的射入方向具有相同的衍射角或偏角Pa=0b。在此適用于：
其中： 0A:=子光束A相對于射入的光束的射入方向的偏角 :=子光束B相對于射入的光束的射入方向的偏角 入:=光波長度 dM:=測量刻度的刻度周期。
[0037] 分開的子光束A和B然后分別朝在透明的掃描板21的下側(cè)上的第一掃描柵22ai和 22bi傳播并且通過第一掃描柵。兩個(gè)第一掃描柵22ai和22bi在此將多個(gè)光學(xué)功能集于一個(gè)共 同的衍射結(jié)構(gòu)中。因此，子光束A、B在xz投影中（圖la)分別再次通過反向平行于射入方向定 向的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)又平行于光學(xué)軸線朝z方向轉(zhuǎn)向。在yz投影中（圖lb)，子光束A、B通過柱面透 鏡功能聚焦到在掃描板21的上側(cè)上的反射器23a、23b上，其中，僅僅垂直于測量刻度的光柵 矢量的方向x或沿著測量刻度的刻度方向x引起聚焦效果。如此偏轉(zhuǎn)和聚焦的子光束A、B然 后相應(yīng)碰到反射器23a、23b上并且在此經(jīng)歷朝量具10的方向的背向反射。在反射器23a、23b 處反射之后，兩個(gè)子光束A、B通過兩個(gè)第二掃描柵22a2、22b2,其同樣布置中掃描板21的下側(cè) 上。兩個(gè)第二掃描柵22 42、22批兼有和兩個(gè)第一掃描柵22A1、22B1等效的功能。因此，第二掃描 柵使子光束A、B又通過柱面透鏡功能在yz投影中（圖lb)再次準(zhǔn)直，并且使子光束在xz投影 中（圖lc)又返回地轉(zhuǎn)向到在量具10更確切地說測量刻度12上的共同的碰撞部位P M'上。兩 個(gè)子光束A、B在此V形地朝量具10的方向更確切地說朝第二碰撞部位Pm '的方向傳播。在此， 子光束通過重新的衍射以對稱的衍射級ru2=+l和nB2=-l疊加并且引起干涉，并且在信號(hào)光 束Sciut中朝掃描單元20和未不出的探測單元的方向傳播，在那里由信號(hào)光束Sciut獲得多個(gè)周 期性的移相的掃描信號(hào)。
[0038] 如由圖la、圖lb可見的那樣，兩個(gè)子光束A、B在分開和重聚之間鏡像對稱于對稱平 面SE伸延，其在此與圖lb的yz平面相同，并且相應(yīng)在測量刻度12的相同的碰撞部位Pm或Pm' 處衍射。因此，掃描光學(xué)系統(tǒng)的中立的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)在量具10上，也就是說，掃描光學(xué)系統(tǒng)是V形對 稱的。形成干涉的子光束A、B關(guān)于對稱平面SE鏡像對稱地傳播，首先經(jīng)歷通過量具10的V形 的背向反射，并且然后V形地射到量具10上。
[0039]利用該位置測量裝置產(chǎn)生的周期性的掃描信號(hào)的信號(hào)周期SP在示出的面內(nèi)模式 運(yùn)行中為SP=c!m/4。靈敏度矢量.篆_平行于測量刻度12的在方向x上伸延的光柵矢量定向。
[0040] 現(xiàn)在在圖2a、2b和2c中示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第一實(shí)施例，該 光學(xué)位置測量裝置以所謂的面外模式運(yùn)行工作，并且如由圖2a、2c可見的那樣相對于具有 量具表面傾斜的靈敏度矢量I。因此，可產(chǎn)生用于掃描單元和量具不僅沿著第一刻度方向x 或沿著測量刻度12的在x方向上定向的光柵矢量、而且沿著垂直于此的方向z的相對運(yùn)動(dòng)的 與位置相關(guān)的掃描信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置在此利用相同的掃描光學(xué)系統(tǒng)，即，相 同的掃描單元20,例如圖la-lc的已知的位置測量裝置。然而，不同于此，在此掃描單元20或 對稱平面SE如由圖2a和2c可見的那樣布置成以傾斜角a圍繞在y方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線傾斜;此 時(shí)，相應(yīng)傾斜且因此垂直于對稱平面SE地還布置有設(shè)置在掃描單元20中的掃描板21。相應(yīng) 的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線平行于量具10'的表面定向并且垂直于測量刻度12的在x方向上定向的光柵矢 量延伸。此外，根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的測量刻度12'的刻度周期d M'以dM'矣dM選擇成 不同于上文闡述的圖la-lc的位置測量裝置的測量刻度12的刻度周期d M。此外，與在根據(jù)圖 la-lc的傳統(tǒng)的位置測量裝置的情況下相比，還使用測量刻度12'的不同的產(chǎn)生的衍射級以 分開和疊加兩個(gè)子光束A、B。掃描光路的走向在不同的光學(xué)元件的穿過和加載方面相應(yīng)于 圖la-lc的位置測量裝置的說明的掃描光路。
[0041] 下面詳細(xì)說明在根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置和已知的圖la-lc的裝置之間的除了 傾斜角a之外還設(shè)置的不同。
[0042] 因此，在根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置上示出的第一實(shí)施例中，子光束A兩次以+3. 衍射級在測量刻度12 '處衍射(nA1=nA2=+3)，而子光束B兩次以-1.衍射級(nB1=n B2=-l)轉(zhuǎn)向。 傾斜角a和測量刻度12'的刻度周期dM'此時(shí)如此選擇，即，掃描光學(xué)系統(tǒng)的光路除了對稱平 面SE以傾斜角a傾斜之外保持與上面闡述的面內(nèi)模式運(yùn)行的光路相同。這就是說，在根據(jù)本 發(fā)明的位置測量裝置的測量刻度12'處衍射時(shí)的衍射角或偏角仏'和IV必須與位置測量裝 置在圖1 a_l c的面內(nèi)模式運(yùn)行中的偏角0a=0b相同： .馬卑讀.《_感.蠢.(等式2) 其中： 0'a:=在面外模式(〇ut-〇f-plane-Betrieb)運(yùn)行中子光束A相對于射入的光束的射入 方向的偏角 0'b:=在面外模式運(yùn)行中子光束B相對于射入的光束的射入方向的偏角 0A:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中子光束A相對于射入的光束的射入方向的偏角 0B:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中子光束B相對于射入的光束的射入方向的偏角。
[0043] 在考慮到傾斜角a的情況下得到用于在具有刻度周期dM'的測量刻度12'處的、在 衍射級rudPn B沖的衍射的以下偏角以'和：
其中： a:=傾斜角 rui:=在測量刻度處的第一次衍射時(shí)的子光束A的衍射級 nB1:=在測量刻度處的第一次衍射時(shí)的子光束B的衍射級 入:=光波長度 d'M:=用于面外模式運(yùn)行的測量刻度的刻度周期 0'a:=在面外模式運(yùn)行中子光束A相對于射入的光束的射入方向的偏角 0B' ：=在面外模式運(yùn)行中子光束B相對于射入的光束的射入方向的偏角。
[0044] 由等式l、2、3a和3b連同用于根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的以下條件4a、4b得到：
其中： a:=傾斜角 rui:=在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束A的衍射級 nBi:=在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束B的衍射級 入:=光波長度 d'M:=用于面外模式運(yùn)行的測量刻度的刻度周期 dM:=用于面內(nèi)模式運(yùn)行的測量刻度的刻度周期。
[0045]等式4a、4b可根據(jù)傾斜角a和測量刻度的刻度周期dM'變成：
其中： d'M:=用于面外模式運(yùn)行的測量刻度的刻度周期 a:=傾斜角 rui:=在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束A的衍射級 nB1:=在測量刻度處第一次衍射時(shí)子光束B的衍射級 入:=光波長度 dM:=用于面內(nèi)模式運(yùn)行的測量刻度的刻度周期。
[0046] 等式58、513為任何不對稱的一對衍射級]1\1、1^1(1^矣-1^)提供相關(guān)的傾斜角(1矣0和 刻度周期dM'矣dM，通過其保證掃描光路關(guān)于對稱平面SE對稱地伸延。對稱平面SE相對于掃 描單元20保持沒有改變，并且根據(jù)本發(fā)明相對于量具10'以圍繞平行于量具10'并且垂直于 光柵矢量的方向x或第一刻度方向的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的傾斜角a傾斜布置。因此，兩個(gè)子光束A、B的 行程長度保持一樣長，并且掃描光學(xué)系統(tǒng)如要求的那樣還在具有傾斜的靈敏度矢量f的面 外模式運(yùn)行中是消色差的。這意味著，相同的消色差掃描光學(xué)系統(tǒng)或掃描單元20不僅可用 在已知的面內(nèi)模式運(yùn)行中，而且可用在根據(jù)本發(fā)明的面外模式運(yùn)行中。因此，可雙重利用相 應(yīng)的掃描單元20,不再需要昂貴地開發(fā)專門針對面外模式運(yùn)行優(yōu)化的掃描光學(xué)系統(tǒng)。這例 如對于將利用兩種運(yùn)行方式的機(jī)械制造商來說顯著簡化了生產(chǎn)供應(yīng)。
[0047]如期望的那樣，等式5a、5b為對稱的衍射級nA=_nB提供了普通的解決方案a=0,并且 圖la-lc的已知的裝置的面內(nèi)模式運(yùn)行的dM'=dM。
[0048] 當(dāng)然，在測量刻度12'處產(chǎn)生衍射還可使用用于面外模式運(yùn)行的衍射級的其他組 合，只要根據(jù)條件nAi=nA2矣-咖=-加2的組合是不對稱的。除了上面說明的與rui=nA2=+3和加1= 加2=-1的組合之外，帶有rui=nA2=+l和nBi=nB2=〇的不對稱的衍射級的組合也特別有利。但原 則上也可使用其他的不對稱的衍射級的組合，例如組合rui=nA2=_3和nBi=nB2=+l或rui=nA2=+l 和nB1=nB2=0等。測量刻度12'應(yīng)針對面外模式運(yùn)行優(yōu)選地優(yōu)化到用于產(chǎn)生信號(hào)的衍射級的 高的衍射效率上。
[0049] 在面外模式運(yùn)行中，靈敏度矢量|以相對于量具表面并且相對于測量刻度12'的 在x方向上伸延的光柵矢量的傾斜角a傾斜，并且具有與在面內(nèi)模式運(yùn)行中相同的長度。這 意味著，用于沿著x方向的量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期SP X'和用于在z方向上的 量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期SPz'通過以下關(guān)系得到：
其中： SPX'：=用于沿著x方向的量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期 SPZ'：=用于在Z方向上的量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期 SP:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中的相同的掃描光學(xué)系統(tǒng)的信號(hào)周期。
[0050] a:=傾斜角。
[0051]在下面的表1中總結(jié)了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第一實(shí)施例的示例性的 值，其中，光波長度X=780nm，并且刻度周期dM=2wii(面內(nèi)模式運(yùn)行）：
第二實(shí)施例 在圖3a和3b中在面外模式運(yùn)行中、即在具有傾斜的靈敏度矢量|的運(yùn)行中示出了根據(jù) 本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第二實(shí)施例的掃描光學(xué)系統(tǒng)。類似于第一實(shí)施例的圖示，在 圖3a中示出了在xz平面中從光源121直至反射器126a、126 B的光線走向，在圖3b中示出了在 ^平面中從反射器1264、1268至探測單元的探測器128.1-128.3的光線走向。
[0052]整個(gè)掃描光學(xué)系統(tǒng)或掃描單元120和因此對稱平面SE又以傾斜角a圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 傾斜。轉(zhuǎn)動(dòng)軸線如在在前的實(shí)施例中那樣定向，即，平行于量具并且垂直于測量刻度112 '的 在x方向上伸延的光柵矢量。因此，轉(zhuǎn)動(dòng)軸線在圖3a、3b中垂直于圖面。作為測量刻度112'， 同樣又設(shè)置有具有180°相位偏差的反射式相位光柵。
[0053]從光源121 (例如激光二極管）發(fā)出的光束借助于準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)122準(zhǔn)直并且通過 分裂鏡123分成兩個(gè)子光束A、B。兩個(gè)子光束A、B在通過換向元件124A、124B換向后V形地朝在 量具110 '測量刻度112 '上的共同的碰撞部位PM的方向上傳播。在此，子光束以+3.級(子光 束A;rui=+3)和-1 ?級(子光束B;nBi=-l)反射地衍射并且經(jīng)歷朝掃描單元120的方向上的V形 的背向反射。在掃描單元120中，子光束A、B于是第一次穿過透鏡125 A、125B并且緊接著碰到 布置在透鏡125a、125b的焦平面中的反射器126a、126b上。子光束通過反射器126a、126b朝射 入方向上V形地背向反射并且然后第二次穿過透鏡125 A、125B。因此，通過透鏡125A、125B與 反射器126 A、126B的組合實(shí)現(xiàn)子光束A、B反向平行地回射回至在測量刻度112'上的共同的碰 撞部位Pm'。在此，子光束A、B重新以+3.級(子光束A;n A2=+3)和-1.級(子光束B;nB2=-l)衍射， 并且然后通過換向元件124 A、124B傳播回到分裂鏡123,其將兩個(gè)子光束A、B疊加成一個(gè)信號(hào) 光束。其他的三個(gè)分裂鏡127.1、127.2、127.3將具有疊加的子光束的信號(hào)光束緊接著分別 轉(zhuǎn)向到探測單元的探測器128.1、128.2、128.3上，其產(chǎn)生多個(gè)周期性的有相移的掃描信號(hào)。 [0054]在掃描信號(hào)之間的例如120°的必要的相移通過在圖3a和3b中未示出的附加的光 極化構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。為此使兩個(gè)子光束A、B在其疊加之前在分裂鏡123中彼此正交地極化。例如 可為此相應(yīng)將V4-小板插入到子光束A、B的光路中，子光束相應(yīng)兩次通過小板。就在探測器 128.1、128.2、128.3之前還安裝有起偏鏡，其定向確定了相關(guān)的掃描信號(hào)的相位，從而通過 起偏鏡可設(shè)定期望的相位。
[0055]類似于根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的在前的實(shí)施例，在第二實(shí)施例中，掃描單元 120或?qū)ΨQ平面SE的傾斜角a和在量具110'上的測量刻度112'的刻度周期dM'也受限定地來 選擇。這如此進(jìn)行，即，如果對稱平面SE垂直于量具110 '的表面定向，在面外模式運(yùn)行中引 起如同在此類掃描單元120的面內(nèi)模式運(yùn)行的情況中一樣的、相對于傾斜的掃描單元120的 相同的光路。
[0056] 在此，類似于上述等式1，在根據(jù)用于子光束A和B的偏角0A1=eB1和0 A2=0B2的第二實(shí) 施例的掃描單元120的面內(nèi)模式運(yùn)行的情況下，適用于以下關(guān)系： 其中：
:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束A相對于對稱平面的偏角 0A2:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束A相對于對稱平面的偏角 入:=光波長度 dM:=用于面內(nèi)模式運(yùn)行的測量刻度的刻度周期 類似于上述等式2,對于本實(shí)施例必須適用的是： Al ? fe. ? ? fe (#J^8a) 贏2:. 錢2: *爲(wèi)$ ^(等式8b) 其中： ftu:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束A相對于對稱平面的偏角 以2:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束A相對于對稱平面的偏角 fe1:=在面內(nèi)模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束B相對于對稱平面的偏角 :=在面內(nèi)模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束B相對于對稱平面的偏角 0'M :=在面外模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束A相對于對稱平面的偏角 0'A2:=在面外模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束A相對于對稱平面的偏角 在面外模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束B相對于對稱平面的偏角 0 ' B2:=在面外模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束B相對于對稱平面的偏角。
[0057]在測量刻度112'處的衍射通過以下等式9a、9b來說明：
其中： 0'M:=在面外模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束A相對于對稱平面的偏角 0'A2:=在面外模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束A相對于對稱平面的偏角 在面外模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束B相對于對稱平面的偏角 P'B2:=在面外模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束B相對于對稱平面的偏角 a:=傾斜角 rui:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束A的衍射級 nBi:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束B的衍射級 入:=光波長度 d'M:=在面外模式運(yùn)行中的測量刻度的刻度周期。
[0058] 等式7a、7b、8a、8b、9a、9b可如下來概括：
其中： :=在面內(nèi)模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束A相對于對稱平面的偏角 a:=傾斜角 rui:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束A的衍射級 nBi:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束B的衍射級 入:=光波長度 d'M:=在面外模式運(yùn)行中的測量刻度的刻度周期 等式10a、10b可根據(jù)用于面外模式運(yùn)行的傾斜角a和測量刻度112'的刻度周期dM'如下 變成：
其中： :=在面內(nèi)模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束A相對于對稱平面的偏角 a:=傾斜角 rui:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束A的衍射級 nBi:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束B的衍射級 入:=光波長度 d'M:=在面外模式運(yùn)行中的測量刻度的刻度周期 根據(jù)等式lla、llb確定的傾斜角a和測量刻度112'的刻度周期dM'保證了子光束A、B的 光線走向在面外模式運(yùn)行中也是對稱的，其中，對稱平面SE又相對于掃描單元120保持不 變。兩個(gè)子光束A、B的行程長度保持一樣長。傾斜角a的符號(hào)可通過交換n A1和nB1的值轉(zhuǎn)變， 測量刻度112'的刻度周期dM'的值在此保持相同。因此，掃描單元120可在兩個(gè)傾斜位置+a 和中結(jié)合相同的量具110'使用。
[0059] 等式11a和lib尤其呈現(xiàn)了等式5a和5b的一般化情況并且在0A1=O的情況下與等式 5a和5b相同。
[0060]在該實(shí)施例中，還可針對面外模式運(yùn)行使用用于在測量刻度112'處的衍射的衍射 級的其他的不對稱的組合。
[0061] 在面外模式運(yùn)行中，靈敏度矢量|又以相對于量具表面的角度a傾斜，并且具有和 在在面內(nèi)模式運(yùn)行中相同的長度。這意味著，用于沿著x方向的量具移動(dòng)的信號(hào)周期SP X'和 用于在z方向上的量具移動(dòng)的信號(hào)周期SP/又通過等式6a和6b得到。
[0062] 在下面的表2中總結(jié)了在在面內(nèi)模式運(yùn)行中用于第二實(shí)施例的示例性的值，其中， 光波長度X=780nm，射入角0 A1=0B1=3O°，并且測量刻度的刻度周期dM=lym。
[0063] 表 2
由等式8a、8b、9a和9b還可在面外模式運(yùn)行中由射到測量刻度112'上的或通過測量刻 度112'衍射的子光束A相對于對稱平面SE的預(yù)定的偏角ph或在沒有參考在面內(nèi)模式 運(yùn)行中的參數(shù)的情況下得出傾斜角a和刻度周期d M'：
其中： 0'M:=在面外模式運(yùn)行中射到測量刻度上的子光束A相對于對稱平面SE的偏角 0'A2:=在面外模式運(yùn)行中通過測量刻度衍射的子光束A相對于對稱平面SE的偏角 a:=傾斜角 rui:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束A的衍射級 nBi:=在面外模式運(yùn)行中在測量刻度處第一次衍射時(shí)的子光束B的衍射級 入:=光波長度 d'M:=在面外模式運(yùn)行中的測量刻度的刻度周期 第三實(shí)施例 在圖4a、4b在面外模式運(yùn)行中、即有在具有傾斜的靈敏度矢量|的運(yùn)行中示出了根據(jù) 本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第三實(shí)施例的掃描光學(xué)系統(tǒng)。圖4a示出了在xz平面中的掃描 光路中的完整的光線走向，圖4b示出了在yz平面中的光線走向。
[0064]在此，掃描光學(xué)系統(tǒng)或掃描單元220和因此對稱平面SE也以傾斜角a圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 傾斜地布置，其中，轉(zhuǎn)動(dòng)軸線如在在前的實(shí)施例那樣定向。掃描板223又如在第一示例中那 樣垂直于對稱平面SE布置。作為測量刻度212'，設(shè)置有反射式相位光柵。測量刻度212'的光 柵矢量或第一刻度方向又平行于x方向定向。
[0065]通過光源221 (例如構(gòu)造為激光二極管)發(fā)出的光束通過準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)222準(zhǔn)直并 且轉(zhuǎn)向到量具210'的測量刻度212'上。在此，光束為轉(zhuǎn)向地通過透明的掃描板223。測量刻 度212 '將射入的光束分成+3.衍射級(子光束A;nA1=+3)和-1.衍射級(子光束B;nB1=-l)，更 確切地說分成子光束A和B，其V形地朝掃描單元220的方向上背向反射。在掃描單元220中， 子光束A、B然后相同通過掃描柵224a、224b。兩個(gè)掃描柵224a、224b在本實(shí)施例中布置在掃描 板223的上側(cè)上，其背對量具210 '定向。子光束A、B在掃描柵224a、224b處經(jīng)歷-1.級和+1.級 的衍射，并且如此朝對稱軸線SE的方向上轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向的子光束A、B然后朝結(jié)構(gòu)化的光電探測 器225的方向上傳播，子光束在此疊加和干涉。由于干涉，在探測平面中出現(xiàn)條紋，其通過結(jié) 構(gòu)化的光電探測器225探測并且轉(zhuǎn)變成多個(gè)周期性的有相移的掃描信號(hào)。
[0066]傾斜角a和測量刻度122'的刻度周期dM'在實(shí)施例中還根據(jù)上面等式5a、5b選擇。 光線走向又對稱于對稱平面SE，其與掃描單元220以傾斜角a圍繞y方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線傾斜 地布置。靈敏度矢量也以傾斜角a傾斜。等式6a、6b還為該實(shí)施例提供了用于在x和z方向 上的量具移動(dòng)的信號(hào)周期 SPx、SPz。
[0067] 除了利用用于子光束A、B的+3.、_1.衍射級之外，備選地，還可利用用于產(chǎn)生子光 束A、B的在測量刻度212 '處的不對稱的衍射級+1和0 (nA1=+1，nB1=0)等。
[0068] 在圖5中示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第三實(shí)施方式的第一變體。圖5 示出了具有根據(jù)上面闡述的第三實(shí)施例的兩個(gè)掃描單元320.1、320.2的位置測量裝置。兩 個(gè)掃描單元320.1、320.2彼此機(jī)械地固定地相連接并且用于光學(xué)地掃描唯一的或共同的量 具310'。第一掃描單元320.1以傾斜角+a傾斜圍繞在y方向上的第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線布置;而第二 掃描單元320.2以傾斜角-a圍繞同樣在y方向上定向的第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸線傾斜布置，其平行于第 一轉(zhuǎn)動(dòng)軸線定向。相關(guān)的靈敏度矢量爲(wèi)或每對稱于測量刻度312'的在x方向上伸延的光柵 矢量傾斜。結(jié)構(gòu)和掃描光路在兩個(gè)掃描單元320.1、320.2中分別相應(yīng)于上面闡述的第三實(shí) 施例。
[0069] 在該變體中，掃描單元320.1、320.2在輸出側(cè)提供位枏和其根據(jù)下面的等 式12a、12b得到：
其中： 也:=第一掃描單元的位相 :=第二掃描單元的位相 SPX'：=用于沿著x方向的量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期 SPZ'：=用于在z方向上的量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期 A Xm :=量具在x方向上的移動(dòng) A Zm:=量具在z方向上的移動(dòng)。
[0070] 通過兩個(gè)掃描單元320.1、320.2的位相〇 1和〇 2的相加和相減可獨(dú)立地確定兩個(gè) 掃描單元320.1、320.2相對于量具310 '的z位置和x位置lx:
其中： lx :=兩個(gè)掃描單元相對于量具的X位置 U:=兩個(gè)掃描單元相對于量具的Z位置 ? 1:=第一掃描單元的位相 o2:=第二掃描單元的位相 SPX'：=用于沿著x方向的量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期 SPZ'：=用于在z方向上的量具移動(dòng)的產(chǎn)生的掃描信號(hào)的信號(hào)周期。
[0071] 在圖6中示出了根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)位置測量裝置的第三實(shí)施方式的第二變體。圖6 示出了測量組件，其在掃描側(cè)包括根據(jù)在圖5中的變體的三對掃描單元420.1-420.6。借助 于三對掃描單元420.1-420.6掃描在量具410 '上的測量刻度412'，量具構(gòu)造為二維的交叉 光柵并且因此具有兩個(gè)共線的光柵矢量，并且由此具有第一刻度方向和第二刻度方向，其 在圖6中平行于x和y方向定向。所有的六個(gè)掃描單元420.1-420.6在此彼此剛性地相連接。
[0072] 掃描單元對420.1/420.2、420.3/420.4以及420.5/420.6如在圖5中那樣相應(yīng)對向 地以傾斜角a傾斜布置。掃描單元對420.1/420.2和420.3/420.4相應(yīng)對在x和z方向上的相 對運(yùn)動(dòng)敏感，掃描單元對420.5/420.6對在y和z方向上的相對運(yùn)動(dòng)敏感。掃描單元420.1/ 420.2、420.3/420.4、420.5/420.6中的每對允許確定交叉光柵測量刻度相對于掃描單元 420.1-420.6的z位置。在此，用于z位置的測量的有效的測量位置相應(yīng)在在每對掃描單元之 間的中間。因此，量具410'的z位置在三個(gè)不同的并且不共線的位置處確定。附加地，第一兩 個(gè)掃描單元對420.1/420.2和420.3/420.4分別提供量具410 '的x位置，其測量位置在y方向 上是不同的并且允許確定量具410 '圍繞z軸線的傾斜Rz。掃描單元對420.5/420.6還提供量 具410'的y位置。因此，利用掃描單元420.1-420.6的組件可確定量具410'在所有的六個(gè)自 由度x、y、z、Rx、Ry、Rz中的位置。顯然，可在需要時(shí)還利用相應(yīng)更少數(shù)量的掃描單元僅確定 自由度的子集。
[0073] 除了闡述的實(shí)施例之外，在本發(fā)明的范圍中顯然還存在其他的設(shè)計(jì)可能性方案。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于探測相對彼此運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)物體的位置的光學(xué)位置測量裝置，具有 -量具，其與兩個(gè)物體中的一個(gè)相連接并且包括測量刻度，該測量刻度具有沿著至少一 個(gè)第一刻度方向（X)周期性地布置的刻度區(qū)域，以及 -掃描單元，其具有多個(gè)光學(xué)元件，該掃描單元相對于量具可運(yùn)動(dòng)地布置，其中，通過布 置和構(gòu)造掃描單元的光學(xué)元件引起掃描光路，在其中形成干涉的子光束關(guān)于對稱平面鏡像 對稱地傳播并且或者V形地射到量具上和/或通過量具經(jīng)歷V形的背向反射， 其特征在于， 對稱平面(SE)以限定的傾斜角(α)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸線傾斜，其平行于量具（10'；110'；210'； 310' ； 410'）的表面定向并且垂直于第一刻度方向（X)延伸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，測量刻度（12'； 112'；212'； 312' ；412'）的刻度周期(dM)和傾斜角（α)如此選擇，g卩，在掃描單元(20; 120;220;320.1、 320.2;420.1-420.6)中的掃描光路與在未傾斜的狀態(tài)中的掃描光路相同，在該狀態(tài)中，對 稱平面(SE)垂直于量具（10' ；110' ；210' ；310' ；410'）的表面定向。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，子光束(A、B)形成干涉，其由 在測量刻度(12' ； 112' ；212' ；312' ；412'）處的不對稱的衍射級引起。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，子光束(A、B)形成干涉，其由 在測量刻度（12' ；112' ；212' ；312' ；412'）處的衍射級的以下組合之一引起： +3./-1.衍射級， +1./0.衍射級 -3./+1.衍射級， -1./0.衍射級。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，測量刻度（12'； 112'；212'； 312'；412'）構(gòu)造為反射式相位光柵，其優(yōu)化到用于產(chǎn)生信號(hào)的衍射級的高的衍射效率上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，掃描單元（20 ; 220 ; 320.1、 320.2; 420.1-420.6)包括帶有多個(gè)光學(xué)元件的至少一個(gè)掃描板(21; 223; 323.1，323.2 )，其 中，掃描板(21; 223; 323.1，323.2)垂直于對稱平面(SE)布置。7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，布置在掃描 單元(20)中的掃描板(20)構(gòu)造成透明的，并且在其面向量具（10'）的側(cè)部上布置有兩個(gè)第 一掃描柵和兩個(gè)第二掃描柵(22&1、2242、2281、2282)，并且兩個(gè)反射器(234、238)布置在掃描 板(21)的與此相反的側(cè)部上，其中，反射器(23a、23b)的起反射作用的側(cè)部朝量具（10'）的方 向上定向。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，掃描單元(20)如此構(gòu)造，即， 由光源發(fā)出的光束(Sin) -碰到測量刻度（12'）上，在此分成兩個(gè)V形地朝掃描單元（20)背向反射的子光束(A、 B)，其相應(yīng)于兩個(gè)不同的衍射級， -兩個(gè)背向反射的子光束(A、B)在掃描單元(20)中朝兩個(gè)反射器(23a、23b)的方向上通 過兩個(gè)第一掃描柵(22A1、22B1)，并且在此經(jīng)歷反向平行于射入方向定向的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)以及僅 垂直于第一刻度方向（X)的聚焦作用， -如此轉(zhuǎn)向和聚焦的子光束（A、B)然后分別碰到反射器（23a、23b)上并且經(jīng)歷朝量具 (10'）的方向上的背向反射， -兩個(gè)背向反射的子光束(A、B)然后朝量具（10'）的方向上通過兩個(gè)第二掃描柵(22A2、 22B2)，并且在此經(jīng)歷在第一刻度方向（X)的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)以及僅垂直于第一刻度方向（X)的準(zhǔn)直 效應(yīng)，從而兩個(gè)子光束(A、B)此時(shí)V形地朝量具(10'）的方向上傳播， -在此引起疊加的子光束(A、B)朝掃描單元(20)的方向上的重新的衍射和背向反射。9. 根據(jù)權(quán)利要求1-5中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，掃描單元 (120)包括至少一個(gè)分裂元件（123)、兩個(gè)換向元件（124a、124b)、兩個(gè)反射器（126a、126b)以 及兩個(gè)透鏡（125a、125b)。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，掃描單元（125)如此構(gòu)造， SP，由光源（121)發(fā)出的光束 -通過分裂元件（123)分成兩個(gè)子光束(A、B)，其然后分別朝換向元件（124a、124b)的方 向上傳播， -子光束(A、B)通過換向元件（124a、124b)經(jīng)歷換向，從而其V形地朝在測量刻度（112'） 上的第一碰撞部位(Pm'）的方向上傳播， -子光束(A、B)在測量刻度（112'）上的第一碰撞部位(Pm'）分別經(jīng)歷第一衍射和朝在掃 描單元（120)中的透鏡（125a、125b)和反射器（126a、126b)的方向的V形的背向反射， -子光束(A、B)第一次通過透鏡（125a、125b)，被反射器（126a、126b)在射入方向上V形地 背向反射，并且第二次通過透鏡（125a、125b)， -子光束然后在第二碰撞部位(Pm'）加載測量刻度(112'）并且分別經(jīng)歷第二衍射和朝掃 描單元(120)中的換向元件（124a、124b)的方向的V形的背向反射。11. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中至少一項(xiàng)所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，掃描單元 (220)包括至少一個(gè)透明的掃描板（223)以及結(jié)構(gòu)化的光電探測器（225)，其中，在掃描板 (223)的面向射入的光束的側(cè)部上布置有第一掃描柵和第二掃描柵(224a、224b)。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，掃描單元(220)構(gòu)造成，由 光源(221)發(fā)出的光束 -不受影響地通過掃描板(223)，并且然后碰到測量刻度(212'）上，在此分成兩個(gè)V形地 朝掃描單元(220)背向反射的子光束(A、B)，其相應(yīng)于兩個(gè)不同的衍射級， -兩個(gè)背向反射的子光束(A、B)在掃描單元(220)中分別通過兩個(gè)掃描柵(224a、224b)中 的一個(gè)并且在此經(jīng)歷朝對稱平面(SE)的方向上的偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，并且然后朝結(jié)構(gòu)化的光電探測 器(225)的方向上傳播，子光束在此干涉性地疊加。13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)位置測量裝置，其特征在于，相同構(gòu)造的第二掃描單元 (320.2)與掃描單元(320.1)機(jī)械地固定地相連接，其中，兩個(gè)掃描單元(320.1、320.2)以相 同的角度值、但在相反的方向上圍繞關(guān)聯(lián)的彼此平行定向的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線傾斜布置。14. 測量組件，其特征在于，測量刻度(412'）構(gòu)造為二維的交叉光柵，其包括沿著第一 刻度方向和第二刻度方向（x，y)的周期性布置的刻度區(qū)域并且具有根據(jù)權(quán)利要求13所述的 三對位置測量裝置，其中，兩對平行于第一刻度方向（X)布置，而第三對平行于第二刻度方 向(y)布置。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK105910533SQ201610097949
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年2月23日
【發(fā)明人】W.霍爾扎普費(fèi)爾
【申請人】約翰內(nèi)斯·海德漢博士有限公司