位置測量裝置的制作方法

專利名稱：位置測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個如權利要求1前序部分所述的位置測量裝置。
背景技術：
例如由WO 02/23131已知一個這樣的位置測量裝置。這個裝置除了一個例如由直線的發光測量尺構成的測量體以外還包括一個在至少一個測量方向上可相對移動的掃描單元。在掃描單元側面上除了一個掃描光柵以外還設置多個光電的檢測單元，其中包括至少一個后向反射鏡形式的光學反射元件。通過這個后向反射鏡實現由測量體首次反射的分光束在測量體的方向上向后反射。然后在那里在干涉的分光束最終到達檢測器并且在那里根據位移產生調制的掃描信號之前，使分光束接著被第二次反射。在這種位置測量裝置中反射元件由具有光學向后反射功能的屋脊棱鏡構成。例如由文獻EP 387 520 B1或EP 1 347271 A1已知其它的具有由棱鏡式向后反射元件構成的光學反射元件的位置測量裝置。
由位置測量裝置的現有技術已知的以不同的棱鏡變化為基礎的反射元件對于加工的結構部件相對費事。為此使這個結構部件相對較大地制成并因此不期望地加大掃描單元。

發明內容
本發明的目的是，實現一個位置測量裝置，其中保證一個盡可能緊湊的掃描單元結構。
這個目的按照本發明通過一個具有權利要求1特征的位置測量裝置得以實現。
按照本發明的位置測量裝置的有利實施方式由從屬權利要求的措施給出。
按照本發明規定，所述元件設置在掃描單元里面，使得在測量體上產生的光束衍射地在掃描單元方向上傳播，在那里這些光束穿過第一光柵結構。接著分光束到達反射元件，由反射元件實現向測量體方向上的一個向后反射，之后使分光束穿過第二光柵結構并重新到測量體上。在此構造第一和第二光柵結構，使得在分光束第一次通過和第二次通過時在分光束上產生一個確定的透鏡折射作用。
代替復雜和大體積構成的以棱鏡為基礎的向后反射元件按照本發明在掃描單元中使用一個結構單元，它由一個或多個簡單的反射元件和具有確定的光學透鏡折射作用的第一和第二光柵結構組成。在此光柵結構承擔著一個向后反射功能同時也承擔著一個掃描光柵的功能。由此能夠實現這個結構單元的一個平面結構，它也能夠實現這個結構單元的簡單且經濟的裝配。
所述光柵結構和至少一個反射元件可以設置在不同的部件、例如一個反射板和一個掃描板上。但是同樣也能夠實現一個緊湊的整體結構，其中光柵結構和至少一個反射元件設置在一個唯一的支架襯底上。
在通過第一光柵結構時作為透鏡折射作用最好在測量方向上產生一個與入射方向反平行取向的偏轉作用以及產生一個垂直于測量方向向著反射元件的聚焦作用。在通過第二光柵結構時作為透鏡折射作用產生一個在測量方向上的偏轉作用以及一個垂直于測量方向的準直作用。
此外優選構成所述第一和第二光柵結構，使通過所產生的偏轉作用在第一次和第二次通過時在第一和第二光柵結構上產生一個在分光束的顯現點之間的光束位移。
在一個可能實現的實施例中第一和第二光柵結構由相位光柵構成，它們抑制0級衍射級(Beugungsordnung)。
特別有利的是所述第一和第二光柵結構由光亮的(geblazt)相位光柵構成，它在+1級衍射級或者在-1級衍射級中具有高效率。
在此可以使所述第一和第二光柵結構具有彎曲的光柵線，它們在測量方向上等距地設置。
在一個可能實現的實施例中所述至少一個反射元件由平面鏡反射器構成。
所述平面鏡反射器最好平行于測量體設置在掃描單元里面。
在一個有利的實施例中所述掃描單元包括一個透明的支架襯底，在其面對測量體的側面上設置第一和第二光柵結構。至少一個平面鏡反射器或者設置在支架襯底的與此相反的側面上，其中該平面鏡反射器的反射面對準測量體方向。也可以選擇使至少一個平面鏡反射器設置在支架襯底的相同側面上，其中平面鏡反射器的反射面背對測量體。
最好構成所述第一和第二光柵結構，使得一個第一次在測量體上顯現的準直分光束在第二次在測量體上顯現以后準直地在掃描單元方向上傳播。
不同的光柵結構以有利的方式具有對應于光柵結構與反射元件之間的光學距離的焦距。
在按照本發明的位置測量裝置的一個可能實現的實施例中構成所述掃描單元，使得由一個光源發出的光束第一次在測量體上顯現，測量體由反光衍射光柵構成，在那里分離成兩個向后反射到掃描單元的分光束，它們對應于兩個不同的衍射級。兩個向后反射的分光束在掃描單元中在兩個反射元件的方向上穿過兩個第一光柵結構并且在此獲得一個與入射方向反平行取向的偏轉作用以及一個只垂直于測量方向的聚焦作用。這種偏轉和聚焦的分光束射到反射元件上并且獲得一個在測量體方向上的向后反射。兩個向后反射的分光束在測量體方向上穿過兩個第二光柵結構并同時獲得一個在測量方向上的偏轉作用以及一個僅垂直于測量方向的準直作用。兩個分光束再射到測量體上，在那里使分光束在掃描單元的方向上產生新的衍射和向后反射。
在按照本發明的位置測量裝置的一個替換的實施例中構成所述掃描單元，使得由一個光源發出的光束第一次在測量體上顯現，測量體由反光衍射光柵構成，在那里分離成兩個向后反射到掃描單元的分光束，它們對應于兩個不同的衍射級。兩個向后反射的分光束在掃描單元中在兩個反射元件的方向上穿過兩個第一光柵結構并且在此獲得一個與入射方向反平行取向的偏轉作用以及在測量方向及垂直于測量方向上的聚焦作用。這種偏轉和聚焦的分光束射到反射元件上并且獲得一個在測量體方向上的向后反射。兩個向后反射的分光束在測量體方向上穿過兩個第二光柵結構并同時獲得一個在測量方向上的偏轉作用以及一個不僅在測量方向而且垂直于測量方向的準直作用。兩個分光束再射到測量體上，在那里使分光束在掃描單元的方向上產生新的衍射和向后反射。
按照本發明的位置測量裝置的一個可能實現的變型方案規定，在第二次由測量體垂直于掃描單元方向向后反射之后向后反射的分光束疊加地在一個分離光柵上顯現，在那里實現在多個空間方向上的分離并且在不同空間方向上分離的分光束在一個光電檢測裝置的多個檢測器上顯現。在那里在掃描單元與測量體相對運動的情況下分別實現一個根據位移進行調制的掃描信號。
在這個變型方案中可以規定，或者在反射元件與第二光柵結構之間或者在第二光柵結構與測量體之間在光程中設置光學極化的元件，分光束在反射元件上向后反射以后通過光學極化元件并且使線性極化的分光束轉化成圓極化的分光束。
為了產生移相的掃描信號也可以規定，或者兩個第一和兩個第二光柵結構的平均光柵常數選擇得與測量體的光柵常數略微不同或者兩個第一和兩個第二光柵結構的光柵線條以一個偏離0°的角度相對于測量體的光柵線條設置。
此外在按照本發明的位置測量裝置的光程中具有一個光學有效的窗口部位，由光源發出的光束在第一次在測量體上顯現之前穿過該窗口部位，其中在光學有效的窗口部位中設置一個偏轉光柵，其光柵線條平行于測量方向延伸。


借助于下面結合附圖對于實施例的描述解釋本發明的其它細節和優點。附圖中圖1為按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描光程的第一部分；圖2為按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描光程的第二部分；圖3為按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描光程的另一視圖；圖4為按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描板的俯視圖；圖5為按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的反射板的俯視圖；圖6a和6b分別為在第一實施例的掃描單元中用于構成反射元件和光柵結構的可選擇變型方案；圖7為按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的另一變型方案的掃描光程圖；圖8為圖7中的位置測量裝置的掃描板的俯視圖；圖9為圖7中的位置測量裝置的紡紗杯的俯視圖；圖10為按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的掃描光程的第一部分；圖11為按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的掃描光程的第二部分；圖12為按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的掃描光程的另一視圖。
具體實施例方式
下面借助于圖1-5描述按照本發明的位置測量裝置的第一實施例，該位置測量裝置由發光系統構成。在此圖1和2分別以示意圖示出部分掃描光程在x-z平面中的一個側視圖，而圖3示出掃描光程在y-z平面中的一個掃描光程圖。在圖1中示出從光源21一直到反射元件26.1或26.2的掃描光程，圖2示出從反射元件26.1或26.2一直到光電檢測裝置的檢測元件29.1，29.2，29.3的掃描光程。圖4和5分別示出掃描板25以及反射板23與位于那里的光學元件的俯視圖。
按照本發明位置測量裝置包括一個測量體10以及一個在至少一個測量方向x上相對移動的掃描單元20。通過測量體10和掃描單元20以公知的方式和方法耦合要借助于位置測量裝置確定其相對位置的物體。在此例如可以是一個機器零件，必需精確地獲得其位置；通過位置測量裝置產生的掃描信號或位置數據由一個未示出的后序電路(Folgeelektronik)或者分析單元例如為了控制機器而繼續處理。
在所示實施例中示出一個位置測量裝置，用于通過一個直線延伸的測量體檢測直線運動；當然也可以以按照本發明的思想為基礎實現一個旋轉的位置測量裝置。
下面借助于圖1-5描述按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的基本掃描光程。
在所示實施例中由光源21、例如一個激光二極管發出的線性極化的光束首先通過一個準直鏡22準直，即轉換成一個平行的光束。接著使這個光束穿過一個反射板23的和一個掃描板25的光學無效的窗口部位28.1，27。在這個示例中所示反射板23和掃描板25由一個板狀的透明的支架襯底、例如由玻璃組成，在其上設置一系列光學元件，如反射元件26.1，26.2和光柵結構24.1-24.4，32。下面還要詳細描述在掃描光程中不同的光學元件的具體功能。
接著使準直的光束第一次射到測量體10，它在這個實施例中由直線的反光尺構成。該測量體10包括一個在測量方向x上延伸的周期的刻度區域結構，它具有不同的光學特性。在本實施例中測量體10是一個反射-衍射光柵，其光柵線條在測量體平面中在給定的y向上延伸；對此在下面也可以稱為所謂的線條方向y。
在入射的光束在測量體10上出現時分成兩個分光束，它們作為+/-1級的衍射級在向掃描單元20的方向上向后反射。在掃描單元20中分光束分別穿過第一光柵結構24.1，24.2，它們在那里設置在掃描板25上。第一光柵結構24.1，24.2按照本發明對于穿過的分光束施加一個確定的光學透鏡折射作用。在此一方面涉及一個對于分光束的確定的偏轉作用，其中使分光束與入射方向反平行地(antiparallel)在測量方向x上偏轉。另一方面對于分光束涉及一個在垂直于測量方向上、即在y向或者在測量體10的線條方向上分別到后置的反射元件26.1，26.2的聚焦作用。在圖3中示出所述的在線條方向y上的聚焦作用；在圖1中表示兩個分光束的前面所述的偏轉作用和主傳播方向。
為了實現第一光柵結構24.1，24.2的這種透鏡折射作用，使第一光柵結構24.1，24.2在掃描板25上由所謂的軸外圓柱透鏡(offaxis-Zylinderlinsen)構成。其焦距對應于與反射板23的光學距離。第一光柵結構24.1，24.2的這種光學特性的形成起到使聚焦的分光束的主光束在線條方向y上以一個確定的角度射到反射板23上并由此產生在反射板23上入射和反射的分光束空間分離的作用；對此參看圖3。
在圖4中示出掃描板25與設置在其上的第一光柵結構24.1，24.2的俯視圖。可以看出，第一光柵結構24.1，24.2分別具有彎曲的光柵線，它們在測量方向x上等距地設置。第一光柵結構24.1，24.2最好由相位光柵構成，它們抑制0級衍射級；特別有利的是所謂的光亮相位光柵，它們在+1衍射級或在-1衍射級中具有一個高效率。
接著使這種偏轉和聚焦的分光束到達反射元件26.1，26.2，它們在所示實施例中設置在反射板23的頂面上并且由平面鏡反射器構成。
由反射元件26.1，26.2實現分光束在向測量體10方向上的一個向后反射。在分光束第二次到達測量體10之前，在所示實施例中這些分光束在掃描單元20中首先還分別穿過一個λ/4板形式的光學極化元件31.1，31.2并接著穿過第二光柵結構24.3，24.4，它們同樣設置在掃描板25上。對此仍然參看附圖3。
通過光學極化元件31.1，31.2由線性極化的分光束分別產生相反地圓極化的分光束。第二光柵結構24.3，24.4對于穿過的分光束同樣具有一個確定的透鏡折射作用。在此圓極化的分光束獲得一個在測量方向x上的偏轉作用以及至少一個垂直于測量方向x、即在線條方向y上的準直作用。第二光柵結構24.3，24.4在這個實施例中最好由所謂的軸外透鏡構成；其余地對于本實施方式的相應構成請參照第一光柵結構24.1，24.2。
由于所述的在第一次和第二次通過光柵結構24.1-24.4時產生的偏轉作用使分光束在第一和第二光柵結構24.1-24.4上產生一個在分光束的第一和第二顯現點之間的光束位移。
接著使通過第二光柵結構24.3，24.4這樣偏轉且至少在y向上(部分)準直的分光束第二次到達測量體10，在那里使分光束以+/-1級衍射級的形式在掃描單元20的方向上產生新衍射和向后反射。在測量體10上反射后垂直于掃描單元20的方向向后反射的分光束作為疊加的、現在仍然是線性極化的光束進入分離光柵32，分離光柵設置在掃描板25上。在分離光柵32上出現的光束的極化方向取決于測量體10與掃描單元20的相對位置。如果測量體10例如在測量方向x上移動其光柵常數的四分之一，則由于所產生的在測量體10上在+/-1級衍射級中的第二次衍射產生一個360°的在疊加的分光束之間的相位移。所產生的線性極化光束的極化方向改變180°，這在所產生的掃描信號中對應于一個信號周期。
所述示例的分離光柵32具有一個在測量方向x上周期性的分結構，其分線條在y向上延伸。在分離光柵32上如圖所示使入射的光束在三個不同的空間方向上產生分離。在不同的空間方向上分別定位一個光電檢測裝置的檢測元件29.1-29.3，分離的光束在穿過反射板23上的光學無效的窗口部位28.2以后到達檢測元件上。在測量體10與掃描單元20相對移動的情況下在檢測元件29.1-29.3上產生根據位移進行調制的掃描信號，它們以公知的方式和方法繼續進行處理。在檢測元件29.1-29.3的前面分別設置另一極化器形式的光學極化元件30.1-30.3，用于通過這種方式和方法產生三個相差+/-120°相位的掃描信號。
所述位置測量裝置的最大優點是，代替用于在掃描單元的掃描光程中實現偏轉功能和掃描光柵功能的復雜棱鏡可以與一個簡單的平面鏡反射器相結合使用一個最好衍射的第一和第二光柵結構形式的光柵結構。
所述第一實施例在本發明的范圍內還可以變化或補充；下面簡述一些變化方案。
可以使起到使線性極化的分光束轉換成相反的圓極化的分光束的光學極化元件31.1，31.2不設置在反射元件26.1，26.2與第二光柵結構24.3，24.4之間，而是在后續的光程中才設置在第二光柵結構24.3，24.4與測量體10之間。
此外可以使反射元件26.1，26.2也完全設置在反射板23的底面上。
代替上述用于產生移相的掃描信號的光學極化變型方案也可以在本發明的范圍內選擇產生同樣的信號。為此可以考慮公知的所謂游標(Vernier)或莫阿(Moiré)掃描原理，其中選擇使測量體與第一和第二光柵結構的光柵常數略微不同(Vernier系統)或者選擇具有少許差別的角度取向(Moiré系統)。在檢測平面中產生一個周期的條紋圖形，它根據位移進行調制并且可以通過公知的方式和方法掃描。
在這個實施例中省去所述第一實施例的所有光學極化結構部件、即上述的λ/4板31.1，31.2、極化器30.1，30.2，30.3以及分離光柵32。在這種實施例的檢測平面中例如可以定位一個所謂形成結構的檢測裝置，通過它實現在那里產生的條紋圖形的掃描和將其轉換成移相的掃描信號。在這個實施例中除這種檢測的變型方案外也可以選擇使用光學結構部件如圓柱透鏡陣列或者與平面檢測器相結合的光柵結構用于掃描條紋圖形。
在按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的另一變化形式中可以在掃描單元中規定，代替分開的掃描板和反射板選擇一個整體的結構，其中只具有一個唯一的透明支架襯底，在其上不僅設置不同的光柵結構而且設置反射元件。在圖6a和6b中示意示出相應的實施例。
在圖6a的示例中與前面圖3的視圖類似以一個局部視圖示出在y-z平面中在掃描光程中的相應結構部件。代替獨立的用于掃描板和反射板的元件具有一個唯一的透明的支架襯底40，在其底面或者面對未示出的測量體的一側上設置第一和第二光柵結構44.1，44.2。在相反的側上或者支架襯底40的頂面上設置仍然由簡單的平面鏡反射器構成的反射元件46.1。
圖6b示出一個整體結構的類似變化方案。仍然只有一個唯一的透明的支架襯底50，其中在光學上重要的以第一和第二光柵結構54.1，54.2形式的元件以及反射元件56.1都設置在支架襯底的底面上。分光束在支架襯底50的相反頂面上所需的偏轉例如可以通過定位在那里的其它反射元件或反射層實現。
對于按照圖6a或圖6b的整體結構如果光束斜度在支架襯底50中由于相應細微的光柵結構44.1，44.2，54.1，54.2而足夠地大，由此產生全反射，則可以完全省去安置反射層。更細微的光柵結構44.1，44.2，54.1，54.2在此提供了顯著的優點，產生更少的衍射級并由此在所期望的衍射級中保留更多的光功率。
另一可選擇的實施例是，不必如上述示例所述那樣使光源強制地組合在掃描單元里面。例如可以使光源遠離掃描單元地設置并且使衍射光束通過光導體輸送到掃描單元。
另外對于光電檢測裝置的檢測元件也同樣是有效的，即，它們同樣可以在空間上與自己的掃描單元分開地設置。然后使要被檢測的分光束例如通過光導體輸送到檢測元件。
在圖7-9中示意示出第一實施例的另一變型方案。在此這個實施例的功能相同的元件通過與上述示例一致的附圖標記表示。下面只描述與上述示例不同的部分，其余部分請參照上述實施例。
在這個變型方案中規定，在對于上述示例中的光程中掃描板和反射板25，23的光學無效窗口部位27，28.1，28.2中分別設置偏轉光柵27.1，28.3。所述偏轉光柵27.1，28.3分別具有分線條，它們周期地設置在y向上并且在測量方向x上延伸。選擇兩個偏轉光柵27.1，28.3在光學有效的窗口部位中的周期性是一致的。
這種偏轉光柵27.1，28.3在掃描板和反射板23，25的相應窗口部位中在光程中的存在具有可以補償光源的可能的波長變化的作用。此外，當第一和第二顯現點在第一和第二光柵結構中移動的時候，這就意味著仿佛有效的測量點移動，由于衍射地構成的第一和第二光柵結構24.1-24.4可能的波長變化可能起到一個不期望的光束偏移在y向上位移的作用。所述偏轉光柵27.1，28.3的布置如同所規定的那樣使得可能的波長變化反向作用于第一和第二顯現點并由此保持有效的光束偏移或有效的測量點不變。
當然也能夠與這個變型方案相結合實現不同的、上面所討論的可選擇實施例。
下面借助于圖10-12描述按照本發明的位置測量裝置的第二實施例。按照本發明的位置測量裝置的這個實施例的基本結構以及掃描光程路線基本上與所述第一實施例相同。因此下面只描述重要的不同之處。
第一光柵結構124.1，124.2作為透鏡折射作用除了按照圖1-5的第一示例的功能還具有一個附加的對于通過的分光束在測量方向x上的聚焦作用。這一點例如在圖10中可以看出。第一光柵結構在此作為相應設計尺寸的軸外透鏡構成，其焦距對應于與反射板123的光學距離。第一光柵結構124.1，124.2的光學特性的這種設計起到使聚焦的分光束的主光束在測量方向x上垂直地到達反射板123的作用，而在線條方向y上處于一個確定的角度。選擇這個角度，使得入射和反射到反射板123上的分光束仍然在y向上實現一個空間分離。在反射元件126.1，126.2上反射后穿過第二光柵結構124.3，124.4時所述分光束仍然獲得一個與在上述示例中所述相同的光學透鏡折射作用，即，實現一個與入射方向反平行的偏轉以及分光束的一個準直。
在這個實施例中作為軸外透鏡構成的第一光柵結構124.1，124.2在此使各分光束聚焦在兩個側面的方向x，y上并因此以其光學透鏡折射作用對應于常見的圓柱對稱的透鏡。在此不同之處是，第一示例的軸外圓柱透鏡僅僅在y向上具有一個聚焦作用形式的透鏡作用。
此外對于按照本發明的位置測量裝置的這個實施例的具體功能重要的是，所述反射板123盡可能平行于測量體設置。
因此通過第一光柵結構的附加光學作用在這個實施例中實現一個由光柵結構124.1-124.4與反射元件126.1，126.2在掃描光程中的共同作用組成的一個光學的反射功能。代替一個這樣的與目前通過費事的三角棱鏡等同樣實現的反射功能，可以使相同的光學作用通過明顯簡單構成的衍射元件實現。
而且對于這個實施例也可以實現所有上述的可選擇的措施，即，對于按照本發明的位置測量裝置的這個實施例在本發明的范圍里也具有各種變型方案。
最后要指出，替換上述反光位置測量裝置按照本發明當然也構成透光位置測量裝置。例如由第一光柵結構、一個反射板和第二光柵結構組成的掃描側的裝置也可以用來使來自透光測量體的分光束在其第一次通過這個測量體以后再偏轉返回到透光測量體等。相應的掃描單元必需以公知的方式和方法包圍測量體。
權利要求
1.用于獲得掃描單元以及在至少一個測量方向上移動的測量體的相對位置的位置測量裝置，其中該掃描單元包括多個光柵結構以及至少一個反射元件，其特征在于，-所述元件設置在掃描單元(20；120)里面，使得由測量體(10；110)衍射的光束在掃描單元(20；120)方向上傳播，在那里這些光束穿過第一光柵結構(24.1，24.2；124.1，124.2)，接著顯現在反射元件(26.1，26.2；126.1，126.2)上，由反射元件實現在測量體(10；110)方向上的向后反射并且使分光束穿過第二光柵結構(24.3，24.4；124.3，124.4)并接著重新在測量體(10；110)上顯現，并且-其中構造第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)，使得在分光束分別通過時在分光束上產生確定的透鏡折射作用。
2.如權利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，構造所述第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)，使-在通過第一光柵結構(24.1，24.2；124.1，124.2)時作為透鏡折射作用產生與入射方向反平行取向的在測量方向(x)上的偏轉作用以及垂直于測量方向向著反射元件(26.1，26.2；126.1，126.2)的聚焦作用和-在通過第二光柵結構(24.3，24.4；124.3，124.4)時作為透鏡折射作用產生在測量方向(x)上的偏轉作用以及至少垂直于測量方向的準直作用。
3.如權利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于，構造所述第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)，使得在第一次和第二次通過時通過所產生的偏轉作用在第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)上產生在分光束顯現點之間的光束偏移。
4.如上述權利要求中至少任一項所述的位置測量裝置，其特征在于，所述第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)由相位光柵構成，它們抑制0級衍射級。
5.如權利要求4所述的位置測量裝置，其特征在于，所述第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)由光亮的相位光柵構成，它在+1級衍射級或者在-1級衍射級中具有高效率。
6.如上述權利要求中至少任一項所述的位置測量裝置，其特征在于，所述第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)具有彎曲的光柵線，它們在測量方向(x)上等距地設置。
7.如上述權利要求中至少任一項所述的位置測量裝置，其特征在于，所述至少一個反射元件(26.1，26.2；126.1，126.2)由平面鏡反射器構成。
8.如權利要求7所述的位置測量裝置，其特征在于，所述平面鏡反射器平行于測量體(10；110)設置在掃描單元(20；120)里面。
9.如權利要求7所述的位置測量裝置，其特征在于，所述掃描單元包括一個透明的支架襯底(40；50)，在其面對測量體的側面上設置第一和第二光柵結構(44.1，44.2；54.1，54.2)并且使平面鏡反射器(46.1，56.1)或者-設置在支架襯底(40)的相反的側面上，其中平面鏡反射器(46.1)的反射面面對測量體方向或者-設置在支架襯底(50)的相同側面上，其中平面鏡反射器(56.1)的反射面背對測量體。
10.如上述權利要求中至少任一項所述的位置測量裝置，其特征在于，構造所述第一和第二光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)，使得一個第一次在測量體(10；110)上產生的準直的分光束在第二次在測量體(10；110)上到達后準直地在掃描單元(20；120)方向上傳播。
11.如上述權利要求中至少任一項所述的位置測量裝置，其特征在于，所述光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)具有焦距，它們對應于光柵結構(24.1，24.2；24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)與反射元件(26.1，26.2；126.1，126.2)之間的光學距離。
12.如權利要求2-11中任一項所述的位置測量裝置，其特征在于，構造所述掃描單元(20)，使得由一個光源(21)發射的光束-第一次在測量體(10)上顯現，測量體由反光衍射光柵構成，在那里分離成兩個向后反射到掃描單元(20)的分光束，分光束對應于兩個不同的衍射級，-兩個向后反射的分光束在掃描單元(20)中在兩個反射元件(26.1，26.2)的方向上穿過兩個第一光柵結構(24.1，24.2)并且在此獲得與入射方向反平行取向的偏轉作用以及只垂直于測量方向(x)的聚焦作用，-這樣偏轉及聚焦的分光束到達反射元件(26.1，26.2)并在測量體(10)的方向上向后反射，-兩個向后反射的分光束在測量體(10)的方向上穿過兩個第二光柵結構(24.3，24.4)并且在此進行在測量方向(x)上的偏轉作用以及只垂直于測量方向(x)的準直作用，-兩個分光束再在測量體(10)上顯現，在那里使分光束在掃描單元(20)的方向上產生新的衍射和向后反射。
13.如權利要求2-11中至少任一項所述的位置測量裝置，其特征在于，構造所述掃描單元(120)，使得由光源(21)發射的光束-第一次在測量體(10)上顯現，該測量體由反光衍射光柵構成，在那里分離成兩個向后反射到掃描單元(120)的分光束，它們對應于兩個不同的衍射級，-兩個向后反射的分光束在掃描單元中在兩個反射元件(126.1，126.2)的方向上穿過兩個第一光柵結構(124.1，124.2)并且在此獲得與入射方向反平行取向的偏轉作用以及不僅在測量方向(x)上而且垂直于測量方向(x)的聚焦作用，-然后使這種偏轉且聚焦的分光束到達反射元件(126.1，126.2)并且在測量體(110)的方向上向后反射，-然后使兩個向后反射的分光束在測量體(11)的方向上穿過兩個第二光柵結構(124.3，124.4)并且在此獲得在測量方向上的偏轉作用以及不僅在測量方向(x)而且垂直于測量方向(x)的準直作用，-然后再使兩個分光束到達測量體(110)上，在那里實現分光束在掃描單元(120)方向上的重新衍射和向后反射。
14.如權利要求12或13所述的位置測量裝置，其特征在于，在第二次由測量體(10；110)垂直地向掃描單元(20；120)方向向后反射以后使向后反射的分光束疊加地在分離光柵(32；132)上顯現，在那里實現在多個空間方向上的分離并且在不同空間方向上分離的分光束在光電檢測裝置的多個檢測器(29.1，29.2，29.3；129.1，129.2，129.3)上顯現，在那里在掃描單元(20；120)與測量體(10；110)相對運動的情況下分別實現根據位移進行調制的掃描信號。
15.如權利要求14所述的位置測量裝置，其特征在于，或者在反射元件(26.1，26.2；126.1，126.2)與第二光柵結構(24.3，24.4；124.3，124.4)之間或者在第二光柵結構(24.3，24.4；124.3，124.4)與測量體(10；110)之間在光程中設置光學極化的元件(31.1，31.2；131.1，131.2)，分光束在反射元件(26.1，26.2；126.1，126.2)上向后反射以后通過光學極化元件并且使線性極化的分光束轉化成圓極化的分光束。
16.如權利要求12或13所述的位置測量裝置，其特征在于，-或者兩個第一和兩個第二光柵結構(24.1，24.2，24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)的平均光柵常數選擇得與測量體(10；110)的光柵常數略微不同或者-兩個第一和兩個第二光柵結構(24.1，24.2，24.3，24.4；124.1，124.2；124.3，124.4)的光柵線條以偏離0°的角度相對于測量體(10；110)的光柵線條設置。
17.如權利要求12或13所述的位置測量裝置，其特征在于，在光程中具有光學有效的窗口部位(28.3)，由光源(21)發出的光束在第一次在測量體(110)上顯現之前穿過該窗口部位，其中在光學有效的窗口部位(28.3)中設置偏轉光柵，其光柵線條平行于測量方向(x)延伸。
全文摘要
本發明涉及一個用于獲得一個掃描單元以及一個在至少一個測量方向上移動的測量體的相對位置的位置測量裝置。該掃描單元包括多個光柵結構以及至少一個反射元件。所述元件設置在掃描單元里面，使得由測量體衍射的光束在掃描單元中穿過第一光柵結構，接著顯現在反射元件上，由反射元件實現在測量體方向上的一個向后反射然后使分光束穿過第二光柵結構并接著重新顯現在測量體上。這樣構成第一和第二光柵結構，使得在分光束第一次和第二次通過時對于分光束產生一個確定的透鏡折射作用。
文檔編號G01D5/38GK1892173SQ20061009968
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月28日 優先權日2005年6月28日
發明者W·霍爾查普菲爾 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司