專利名稱：光學位置測量設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學位置測量設備。
背景技術：
從申請人的EP 513 427 Al中公知一種光學位置測量設備，該光學位置測量設備 適于檢測兩個可以在至少一個測量方向上相對于彼此移動的對象的位置。為此，該公知的 位置測量設備包括與兩個對象之一連接的計量用具(MafiverkSrperung)。該計量用具具有 在測量方向上延伸的增量分度(Inkrementalteilung)以及至少一個在參考位置處的參考 標記。該參考標記由具有可局部改變的分度周期的結構構成，也就是說，該參考標記由包括 許多不同分度周期的結構構成。這樣的結構也稱為所謂的啁啾(gechirpt)分度結構或者啁 啾光柵。另外，該位置測量設備包括掃描單元，該掃描單元與兩個對象中的另一個連接并且 具有掃描裝置，該掃描裝置用于通過沿著測量段對增量分度和參考標記進行光學掃描來生 成至少一個與位移有關的增量信號以及至少一個參考位置處的參考信號。在此，當通過計 量用具和掃描光柵的不同啁啾分度周期而產生的所有信號頻率分量都相位正確地疊加時， 產生參考脈沖信號。在EP 513 427 Al的圖8中公開了這樣構造的啁啾參考標記的特殊變型方案，該 參考標記包括兩個被布置為關于對稱軸鏡像對稱的參考標記部分域。這兩個參考標記部分 域分別由在測量方向上延伸的具有可局部改變的分度周期的結構構成。從EP 513 427 Al中公知的位置測量設備基于所謂的干涉掃描原理，其中在掃描 光路上的第一光柵被準直，即被用平行定向的光束照射。增量信號和參考信號形式的與位 移有關的掃描信號通過多個部分光束的建設性和破壞性疊加而被獲得，所述多個部分光束 在計量用具和掃描單元相對運動的情況下經歷與位移有關的相移。通過這種方式，可以獲 得關于兩個對象的相對位置的高分辨率的位置信息。例如從 R.Pettigrew 的名稱為"Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology" (SPIE 卷 36, 1st European Congress on Optics applied to Metrology (1977)，第325-332頁)的出版物中公知有一種用于光學位 置測量設備的替換于此的掃描原理。在該掃描原理中重要的是對掃描光路中的第一光柵的 發散的、即非準直的照射。申請人:的DE 197 48 802 Al同樣涉及光學位置測量設備中的啁啾參考標記。此 外，從該文獻中公知的還有，這樣的參考標記也可以與前述掃描原理結合使用，也就是與設 置有對掃描光路中的第一光柵進行發散照射的系統結合使用。但是DE 197 48 802 Al和 前面提到的EP 513 427 Al都未給出如下提示在應當使用啁啾參考標記時，應如何具體 構造具有發散照射的光學位置測量設備。
發明內容
本發明的任務是，提供一種光學位置測量設備，其中使用具有發散照射的掃描原理，并且其中可以將啁啾參考標記用于生成具有高分辨率的參考信號。根據本發明，該任務通過具有權利要求1的特征的光學位置測量設備來解決。根據本發明的光學位置測量設備的有利實施方式從從屬權利要求中的措施得出。根據本發明的光學位置測量設備用于檢測兩個可以在至少一個測量方向上相對 于彼此移動的對象的位置。該位置測量設備具有計量用具，該計量用具與兩個對象之一 連接，該計量用具具有在測量方向上延伸的增量分度以及至少一個在參考位置處的參考標 記。該參考標記包括兩個被布置為關于參考標記對稱軸鏡像對稱的參考標記部分域，所述 參考標記部分域分別由在測量方向上延伸的具有可以局部改變的分度周期的結構構成。另 外，該位置測量設備具有掃描單元，該掃描單元與兩個對象中的另一個連接并且分配有掃 描裝置，這些掃描裝置用于生成至少一個在參考位置處的參考信號。所述掃描裝置包括至 少一個在計量用具的方向上發散地輻射的光源以及具有如下元件的探測器裝置所述元件 沿著測量方向被布置為使得在測量方向上從中央的探測器裝置對稱軸出發，相鄰元件之間 的中心距與從參考標記對稱軸出發所述參考標記部分域中的結構的分度周期在相同的方 向上改變。通過這種方式，在利用發散照射的掃描原理的情況下也可以保證借助于啁啾光柵 結構生成具有高分辨率的參考脈沖信號。除此之外，在此被證明為特別有利的是，根據本發 明的參考脈沖生成對于計量用于與掃描單元之間的掃描間隔變化敏感度更低。另外，根據 本發明的位置測量設備中的參考脈沖信號的生成對于污染物相對不敏感，這可以歸因于所 使用的單場掃描(Einfeldabtastimg)。這意味著，不同的信號分量總是源自所掃描的參考 標記的分度周期。此外在生成參考脈沖信號時，使用參考標記的整個照射場。這是非常有 效的，并且導致大的信號振幅、對于干擾的高度不敏感性以及小的信號噪聲。在根據本發明的光學位置測量設備方面存在多種多樣的實施可能。因此，根據本發明的光學位置測量設備的參考標記部分域優選地被構造為使得與 參考標記對稱軸相鄰的結構分別具有最小的分度周期，并且在測量方向上向外分別設置有 變得越來越大的分度周期。在一個有利的實施方式中，如下地選擇兩個參考標記部分域中的可以局部改變的 分度周期的計量用具側分度頻率
權利要求
1. 一種光學位置測量設備，用于檢測兩個能夠在至少一個測量方向(χ)上相對于彼此 移動的對象的位置，具有一計量用具(10;110 ；210)，其與兩個對象之一連接并且具有在測量方向(X)上延伸的 增量分度(12)以及至少一個在參考位置(Xkef)處的參考標記(11 ；111 ；211)，其中參考標 記(11 ；111 ；211)包括兩個被布置為關于參考標記對稱軸(RS)鏡像對稱的參考標記部分域 (11A，11B ;111A，IIIb ；21 1α，21 Ib)，所述參考標記部分域(11a，IIb ；111a, IIIb ；211Α，21 Ib)分別 由在測量方向(χ)上延伸的具有能夠局部改變的分度周期的結構構成；一掃描單元(20 ；120 ；220)，其與兩個對象中的另一個連接并且分配有掃描裝置，這些 掃描裝置用于生成至少一個在參考位置(Xkef)處的參考信號(RI)，其中所述掃描裝置包括 至少下列部件——在計量用具(10 ；110 ；210)的方向上發散地輻射的光源(21 ；121 ；221)，——具有下列元件的探測器裝置(22 ；122 ；222):這些元件沿著測量方向(χ)被布置為 使得在測量方向(χ)上從中央探測器裝置對稱軸(DS)出發，相鄰元件之間的中心距(dD1，… dDn)與從參考標記對稱軸(RS)出發參考標記部分域(11A，1 Ib ； 111A，11 Ib ；211A，211B)中的結 構的分度周期在相同的方向上改變。
2.根據權利要求1所述的光學位置測量設備，其中參考標記部分域(11A，11B;111A， 111B ;211A，211B)被構造為使得與參考標記對稱軸(RS)相鄰的結構分別具有最小的分度周 期，并且在測量方向(χ)上向外分別設置有變得越來越大的分度周期。
3.根據權利要求1所述的光學位置測量設備，其中以如下方式選擇兩個參考標記部分 域(11a，11b;111a，111b;211a，211b)中能夠局部改變的分度周期的計量用具側分度頻率(fMS (χ))
4.根據權利要求1所述的光學位置測量設備，其中布置有探測器裝置(22 ；122 ；222) 的具有下列探測器側分度頻率(fDrt (x)>的元件
5.根據權利要求1所述的光學位置測量設備，其中沿著測量方向(χ)將探測器裝置 (222)的元件布置為使得這些元件對應于來自參考標記部分域(211A，211B)的結構的按比例 擴大的投影。
6.根據權利要求1所述的光學位置測量設備，其中如下地選擇光源(21；121 ；221)在 測量方向(χ)上的伸展
7.根據前述權利要求至少之一所述的光學位置測量設備，其中在光源(121；221)與計 量用具(110 ；210)之間布置有具有發送縫隙(151 ；251)的光闌(150 ；250)。
8.根據權利要求7所述的光學位置測量設備，其中如下地選擇發送縫隙(151；251)在 測量方向(χ)上的伸展其中bsp:=發送縫隙在測量方向上的伸展 f ο:=計量用具側的平均分度頻率。
9.根據前述權利要求至少之一所述的光學位置測量設備，其中參考標記(11；111 ； 211)和增量分度(12)被構造為具有180°的相位差和1:1的分度比的相位光柵。
10.根據權利要求1-7至少之一所述的光學位置測量設備，其中參考標記(11；111 ； 211)和增量分度(12)被構造為振幅光柵或者被構造為具有90°的相位差和1:1的分度比 的相位光柵。
11.根據前述權利要求至少之一所述的光學位置測量設備，其中探測器裝置(22；122 ； 222)的元件被構造為探測器陣列的陣列探測器元件(22. 1,22. 2)。
12.根據權利要求11所述的光學位置測量設備，其中探測器裝置(22；122 ；222)包括 第一組陣列探測器元件(22. 1)以及第二組陣列探測器元件(22. 2)，并且一組的陣列探測 器元件(22. 1,22. 2)分別在輸出側連接在一起。
13.根據權利要求1所述的光學位置測量設備，其中探測器裝置(322)的元件被構 造為掃描光柵的分度區域(323. 1Γ··323. In, 323. I1-323. ln)，在所述分度區域(323. I1-323. In, 323. 1Γ··323. In)之后布置有至少一個大面積的探測器元件(322. 1,322. 2)。
14.根據權利要求1所述的光學位置測量設備，其中探測器裝置(322)包括兩個大面積 的探測器元件(322. 1，322. 2)，在所述探測器元件(322. 1，322. 2)之前布置有被構造為互 補的掃描光柵。
全文摘要
本發明涉及一種光學位置測量設備，用于檢測兩個可以在至少一個測量方向上相對于彼此移動的對象的位置。該位置測量設備具有計量用具，該計量用具與兩個對象之一連接，該計量用具具有在測量方向上延伸的增量分度以及至少一個在參考位置處的參考標記。該參考標記包括兩個被布置為關于參考標記對稱軸鏡像對稱的參考標記部分域，所述參考標記部分域分別由在測量方向上延伸的具有可以局部改變的分度周期的結構構成。另外，該位置測量設備具有掃描單元，該掃描單元與兩個對象中的另一個連接并且分配有掃描裝置，這些掃描裝置用于生成至少一個在參考位置處的參考信號。所述掃描裝置包括至少一個在計量用具的方向上發散地輻射的光源以及具有如下元件的探測器裝置這些元件沿著測量方向被布置為使得在測量方向上從中央的探測器裝置對稱軸出發，相鄰元件之間的中心距與從參考標記對稱軸出發所述參考標記部分域中的結構的分度周期在相同的方向上改變。
文檔編號G01D5/38GK102138060SQ200980133395
公開日2011年7月27日 申請日期2009年7月8日 優先權日2008年8月28日
發明者M·赫爾曼 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司