专利名称：干涉测位仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及干涉测位仪。
背景技术：
干涉测位仪众所周知地被用于精确测量位置，这些干涉测位仪利用光栅衍射现象产生高分辨率的且与位置相关的扫描信号。当标度光栅相对一个扫描单元移动时，就会在带有偏转衍射级的分光束中产生相移，这些相移与光路变化成比例。为了计算或掌握当时的相移，将不同的分解分光束或衍射级叠加并形成干涉。在移动的情况下，得到干涉条纹图形的周期性调制，利用一个合适的光电子检波器，便可掌握这种调制。关于这种干涉测位仪的情况，建议参考1978年出版的J.Willhelm的博士论文《Dreigitterschrittgeber》第4章，47-52页。
US 6,005,667的图13公开了干涉测位仪的另一变型方案。由光源发出光束在经过透镜成束之后射入一个标度光栅，该标度光栅安置在已变换的光束的光腰区域内。入射光束被标度光栅分解成+/-1衍射级或被分解成相应的分光束，这些分光束传播离开光轴。这些分光束随即到达其它衍射扫描光栅，这些光栅使入射分光束偏转返射向光轴。在分光束在其中发生干涉的检波平面中，安置一个检波光栅，该检波光栅具有四个相移分区，以便在后续的检波元件上产生四个各自相位移了90°的扫描信号。
在这方面，还可补充参考美国专利US 5,574,558，它公开了另一种干涉测位仪。
事实证明，在这种高分辨率的测位仪中，对装配允许公差的要求原则上是很关键的。就是说，装配允许公差通常很小，而这又造成安装和校准起来很费事。为此，要求一种尽可能小的构造系统，特别是要求尽可能小地构造的扫描单元以及要求尽可能不容易被污染。原则上讲，在这种测位仪中，总扫描信号有尽可能优良的质量是重要的，特别是当规定进行电子再处理如扫描信号的内插时。但是，上述文献所公开的干涉测位仪都没有以令人满意的方式方法满足所有提出的要求。
因此，由US 6,005,667公开的系统虽然对标度光栅和扫描单元的失调不太敏感，但却和以前一样容易出现标度光栅污染。
事实表明，US 5,574,558所述装置的缺点就是，该装置对在两个可相对移动的光栅之间的距离的波动很敏感，就是说，特别是在这个方向上，只有很小的装配允许公差。这是由射入第一光栅的发散的或非准直的衍射光束造成的。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种高分辨率的干涉测位仪，它具有大的装配允许公差并尽可能不易污染，而且可实现紧凑结构。
通过具有权利要求1特征的干涉测位仪来完成该任务。
此外，通过具有权利要求2特征的干涉测位仪来完成该任务。
本发明的干涉测位仪的一些优选实施形式可以从如从属于权利要求1或2的各权利要求所述的措施中得到。
作为根据本发明解决方案的优点，首先应提出的是，特别是在设计成旋转式测位仪的情况下，获得了与带有标度光栅的分度盘的位置有关的大装配允许公差。不仅在径向或切向上，而且在轴向上，都存在大的装配允许公差。因此，测位仪安装起来不费事。
此外，通过本发明的干涉测位仪产生的扫描信号具有较少的不希望有的高次谐波，也就是说，存在着高质量的扫描信号。因此，可以在电子信号进一步处理中减小测量误差。
还要指出的是，在本发明提出的考虑的基础上，可以实现结构紧凑的总系统，所述系统即使在有限的安装条件下也可使用。
由于实现了所谓的单场扫描，所以满足了对污染不敏感性的要求。这意味着，万一标度光栅受污染，总是所有产生的相移的扫描信号受到一样的影响，因而，在信号进一步处理时不会出现大的误差。
本发明的干涉测位仪当然既可被设计成旋转式的，也可被设计成直线式的。此外，基于本发明的考虑，除了透光系统外，还能实现反射光系统。
从以下参照附图对一些实施例所做的说明中，得到了本发明的其它优点及细节。附图表示图1示意表示本发明干涉测位仪的第一实施形式的展开扫描光路；图2示意表示从光源至标度光栅的光路；图3是带有图1所示扫描光路的本发明干涉测位仪的旋转式实施形式的局部立体示意图；图4示意表示本发明干涉测位仪的第二变型方案的扫描光路；图5结合为此被扫过的干涉条纹图形地示意表示图4所示测位仪的检波器装置；图6是带有图4所示扫描光路的本发明干涉测位仪的旋转式实施形式的局部立体示意图。
具体实施例方式
首先，参见图1-3对本发明测位仪的第一变型方案加以说明。图1在此示意示出了测位仪的展开扫描光路。测位仪用于高精度地测定两个目标的相对位置，这两个目标在至少一个测量方向上相对移动。在图1所示的示意性原理图中，用箭头表示沿标度光栅3的测量方向X相对其余元件1、2、4、5、6的直线移动，这些元件均安装在一个扫描单元内。为此，标度光栅3与两个目标中的一个相连，至少一个光源1和扫描板4的扫描光栅4.1、4.2同其中的另一个目标相连。如结合以下说明可看到的，代替直线测量方向，当大致有两个目标相对绕一旋转轴线旋转并且要测定这两个目标的与旋转轴线有关的转角相对位置时，当然也可以规定旋转测量方向，以下，参照图1来说明用于产生与移动有关的扫描信号的基本扫描光路。
从光源1如成激光器二极管或所谓的VCSEL(垂直腔表面发射激光器)形式的半导体光源中发出一个光束，该光束沿光轴OA方向传播。发出的光束主要最好是由作为光源1的VCSEL所发出的高斯射线的TEMOO波型(横向电磁波型)。由光源1发出的光束因VCSEL发射特性而有一定的发散度并且利用一个光学元件2加以变换，该光学元件在光束传播方向上被安置在光源1的后面；在这个例子中，作为光学元件2地设有单个透镜。或者，为了光束变换，也可以考虑使用更复杂的透镜系统、反射镜系统、夫累内尔(Fresnel)透镜、GRIN-透镜(图像输入透镜)，等等。
所发出的发散光束的光束变换最好如此进行，即在光学元件2之后存在一个近似准直的光束，该光束在离光学元件2的一定距离a0处有一个光腰。在本文中，光腰是指沿光束传播方向的光束横断面的这样一个点，在该点上，光束具有最小面积或最小横向扩展。为清楚说明起见，在此还可补充参见图2，该图表示光束变换前后的光束形状。如从图2和图1中看到的，在光腰区域内，在离光学元件2间隔距离a0地设有一个标度光栅3，经过变换的光束射入该光栅。标度光栅3安置在这个位置上的优点在于，由此增大了在径向或切向上以及在光束传播方向上即轴向上的装配允许公差。为在此方向上获得大的装配允许公差，原则上力求用具有微小发散度和小光束直径的光束来照射标度光栅3。由于在预定波长的条件下无法将这些参数随意减到最小值，所以，必须为最佳安置标度光栅3寻找折中方案。一个折中方案就是，将标度光栅安置在所发出的或所变换的光束的光腰中，在这里，高斯射线的TEMOO波型的发散度和光束直径的乘积具有最小值。
标度光栅3造成入射光束被分解成第一和第二分光束(+1)、(-1)，这两个分光束沿不同的空间方向传播，在这个例子中，就是偏离开光轴OA。在本发明测位仪的一个具体实施例中；标度光栅3被设计成相位衍射光栅，就是说，第一和第二分光束(+1)、(-1)对应于在各自空间方向上偏转的+1/-1衍射级。在一个优选实施形式中，成相位衍射光栅形式的标度光栅3具有栅格比(栅条-间隙比)ηMG＝1∶1及相移MG＝180°。
在图1-图3所示例子中，标度光栅3成透射光栅形式，原则上讲，另一个替代方式也是可行的，即如果总系统在反射光中工作，则标度光栅3成反射的反射光光栅的形式。
在标度光栅3将入射光束分解后，第一和第二分光束(+1)、(-1)随即在光束传播过程中分别射入一扫描光栅4.1、4.2，该扫描光栅安置在各自的分光路中。这两个扫描光栅4.1、4.2共同安置在一个扫描板4上。扫描板4在扫描光栅4.1、4.2之外的区域里被设计成是不透光的，这在图1中通过在扫描板4侧面上的深色图示区来表示。通过这样的方式方法，保证了只有偏离开标度光栅3的分光束(+1)、(-1)的各自+1/-1衍射级有助于信号产生。在这种情况下，在此仅仅指的是+1/-1衍射级。
通过扫描光栅4.1、4.2，又分别对入射其中的第一和第二分光束(+1)、(-1)进行分光。第一分光束(+1)被扫描光栅4.1至少分成一个第三分光束和一个第四分光束；第二分光束(-1)经过扫描光栅4.2被至少分成一个第五分光束和一个第六分光束。在所产生的至少四个被分开的分光束中，至少有两个分光束(+1，-1)、(-1，+1)再次相遇或相交，因为它们在这个例子中再次朝向光轴OA传播，而其余分光束沿另外的空间方向传播，而且不再有助于信号产生。如图1所示，在扫描光栅4.1、4.2之后，只示出两个分光束(+1，-1)、(-1，+1)，它们再次相遇，然后可用于产生与位移相关的扫描信号。
在一个优选的实施形式中，也可将扫描光栅4.1、4.2设计成相位衍射光栅，就是说，由这两个扫描光栅4.1、4.2分解的第三和第四及第五和第六分光束对应于+/-1衍射级。除了用于产生信号的分光束(+1，-1)、(-1，+1)外，图1还分别示出了，这些分光束对应于在不同的光栅上的哪些衍射级。
用作扫描光栅4.1、4.2的相位衍射光栅具有栅格比ηAG＝1∶1和相移AG＝180°；此外，各自的扫描光栅-分解周期TPAG被选择成小于标度光栅-分解周期TPMG。
在例如与标度光栅3相连的第一目标相对与光源1和扫描光栅4.1、4.2相连的第二目标相对移动的情况下，在一个检波平面D中，由于分光束(+1，-1)和(-1，+1)的重叠而得到一个周期性调制的并具有一个规定的空间干涉条纹图形-周期PIF的干涉条纹图形。从上述干涉条纹图形的合适检波中，可获得所希望的与位移相关的扫描信号。
在最后为了说明这个变型方案而对与位移相关的扫描信号的检波进行描述前，以下先就整个系统的其它有利设计原理进行探讨。
与之相关地，首先要提出的是用于适当选择距离a1或a2的第一参数选择原则。用a1表示在标度光栅3和扫描光栅4.1、4.2之间的距离；用a2表示在扫描光栅4.1、4.2和检波平面D之间的距离；关于各个不同的参数的定义，也还得参见图1。在本发明的测位仪的一个优选变型方式中，可依下列等式(1)选择距离a1和a2之比a2a1=2PIFTPMG1-(λ/TPMG)21-(λ/2PIF)2]]>等式(1)在这里，以下说明适用于所用参数a1＝在标度光栅和扫描光栅之间的距离，a2＝在扫描光栅和检波平面之间的距离，TPMG＝标度光栅-分解周期，PIF＝检波平面中的空间干涉条纹图形-周期，λ＝光源波长。
通过选择距离a1，可确保至少由标度光栅3分解的第一和第二分光束(+1)、(-1)在扫描光栅4.1、4.2的范围内在空间上处于彼此分开的状态。此外，通过这样选择距离a1，确保了在一定程度上只有+1/-1衍射级有助于信号产生，由此又只能产生受干扰很小的扫描信号，这些扫描信号特别是没有高次谐波部分。
另一个参数选择规定给出了与其它参数相关的扫描光栅-分解周期TPAG的值。最好按下列等式(2)选择扫描光栅-分解周期TPAGTPAG＝1/(1/TPMG+1/2 PIF) 等式2不同参数的含义仍可参照上面的等式(1)。
在检波侧，在本发明测位仪的上述第一变型方式规定，在检波平面D中安置一个检波光栅5，该光栅造成通过检波光栅5射入的光在至少三个不同的空间方向上被分解。在检波光栅5之后的距离a3处，在检波侧还设有至少三个光电子检波器元件6.1、6.2、6.3，这些光电子检波器元件的用途是，在检波平面D中，从干涉条纹图形扫描中获得或产生相移的扫描信号S 0°、S 120°、S 240°。
与其它所用光栅一样，检波光栅5也成相位衍射光栅的形式，该光栅将入射光至少按三个衍射级或空间方向进行分解。一个优选的实施形式规定，分解成O衍射级、+/-1衍射级及+/-2衍射级。在图1中，沿三个检波元件6.1、6.2、6.3的方向传播的分光束通过在不同光栅上彼此互相干涉的衍射级的数据来表示。
检波光栅5的相应的相位衍射光栅最好具有栅格比ηDG＝1∶2或ηDG＝2∶1以及120°或240°的相移。此外，检波光栅5具有一个检波光栅-分解周期(TPDG)，该周期相当于空间干涉条纹图形-周期(PIF)的两倍。此外，检波光栅5的合适设计可详见如EP446691B1所述的措施。
由于利用了在不同光栅上的衍射级，所以在标度光栅3和扫描单元相对移动的情况下，在三个检波器元件6.1、6.2、6.3上，分别产生相位差了120°的扫描信号S 0°、S 120°、S 240°。这些扫描信号按已知方法并通过一个未示出的伺服电子装置被转换成一对扫描信号，这对扫描信号具有90°的相位差。
借助本发明干涉测位仪的上述变型方案，可获得特别小的构造形式并同时获得扫描信号的高调制级。这要归功于，参数a2可以选择得很小。再有就是，本系统的光学元件可以比较简单地适应于要求截然不同的光栅点阵常数和扫描距离。
在图3的局部空间示意图中，示出了从原则上结合图1而说明的系统的一个具体实施形式，该系统特别用来获取围绕一旋转轴线R的旋转相对运动。在这张图中，功能相同部分以与图1相同的附图标记来表示。
在旋转式变型方案的情况下，除了本发明测位仪的上述优点之外，特别有利的是在径向、切向及轴向上，可获得标度光栅3或所谓的分度盘的大的装配允许公差。
本发明测位仪的另一变型方式将参见图4-6来说明。在这里，基本上只描述与上述的第一测位仪的主要不同之处。
就在相对运动情况下在检波平面D中产生周期性调制的干涉条纹图形而言，上述变型对应于上述的第一变型方式，就是说，经过光源11、光学元件12、标度光栅13及带有扫描光栅14.1、14.2的扫描板14可按上述方式方法在检波平面D中产生待检测的已经过周期性调制的干涉条纹图形。
在检波方面，与上述测位仪不同地规定了，在检波平面中设置一个周期性检波器装置16，经过该装置，掌握了经过周期性调制的干涉条纹图形并将它转换成相移的扫描信号(S 0°、S 90°、S 180°、S 270°)。
为了更详细地说明在图4中仅示意示出的周期性检波器装置16，不妨参见图5，该图以俯视图示出了这样的检波器装置16的一部分。周期性检波器装置16包括多个单独的光电子检波器件16.1，16.2……，这些器件彼此相邻地按照一定间距D来布置。从提供同相位扫描信号的检波器元件161.1、16.2……的导电连接中，得到了在方向X上的检波器周期性PDET，就是说，检波器件16.1提供同相位扫描信号S 0°，检波器件16.5亦如此；检波器件16.2提供同相位的扫描信号S 90°，检波器件16.6亦如此，依此类推。
为了在输出端从周期性调制的干涉条纹扫描中产生所希望数量的相位移的扫描信号S 0°、S 90°、S 180°、S 270°，需要将检波器-周期PDET按空间干涉条纹图形-周期PIF来调准，也就是说，检波器-周期PDET最好对应于空间干涉条纹图形-周期PIF。在这个例子里，总共应输出四个分别相位移90°的扫描信号S 0°、S90°、S 180°、S 270°。由于这个原因，在一个空间干涉条纹图形周期PIF内，分别总共安置四个检波器件16.1，…，并且分别使每第五个提供同相位扫描信号S 0°、S 90°、S180°、S 270°的检波器件导电相连。
当然下述做法也是可行的，即整个检波器装置16包含多于如图5所示的八个检波器元件16.1、16.2、……。同样，原则上讲，可以如此实现检波器装置16的一个替换布局，即导致了输出端扫描信号的略有不同的相位关系，如三个相位错开120°的扫描信号，等等。
在图6中，与图3视图相似地最后示出了本发明测位仪的所述第二变型方式的立体局部图，其用途亦是特别为了获取围绕一旋转轴线R的旋转相对运动。在本图中，功能相同的元件使用与图3相同的附图标记。
作为第二实施例的所示检波器件的变型方案的替换方式，尤其是在特别小的结构系统和由此造成的小的空间干涉条纹图形-周期PIF的情况下，也可以例如在一个周期PIF内不安置所有的四个检波器件；或者，不同相位的相邻检波器件也可以按照距离d＝PIF+PIF/4来布置，等等。
除了上述供选案之外，在本发明范围内，当然还有其它可行设计方案。例如，在此指出一个直线性测位仪的上述变型方式，它包括一直线延伸的标度光栅和相应沿直线布置的扫描光栅。在反射光变型方式的情况下，作为所述实施例的替换方式，将使用一个可用在反射中的标度光栅，等等。
权利要求
1.干涉测位仪，它用于测定至少在一个测量方向(X)上相对移动的两个目标的相对位置并且它包括-一个光源(1)，它沿一光轴(OA)的方向发出一个光束，-一个安置在光源(1)后面的光学元件(2)，该光学元件转换来自光源(1)的光束，-一个安置在光源(1)后面的标度光栅(3)，该光栅将入射光束至少分解成一个第一分光束和一个第二分光束(+1)、(-1)，这两个分光束沿不同的空间方向传播，-分别安置在第一和第二分光束(+1)、(-1)的光路中的每一个扫描光栅(4.1、4.2)，其中，每个扫描光栅(4.1、4.2)又将第一和第二分光束(+1)、(-1)分解为第三和第四分光束或第五和第六分光束，其中至少有两个分光束(+1，-1)、(-1，+1)再次相遇；其中在同第一目标相连的标度光栅(3)相对同第二目标相连的光源(1)和扫描光栅(4.1，4.2)相对运动的情况下，在一个检波平面(D)中得到一个周期性调制的并有一个规定的空间干涉条纹图形-周期(PIF)的干涉条纹图形，-一个安置在该检波平面中的检波光栅(5)，该检波光栅将透过检波光栅(5)的光沿至少三个不同的空间方向加以分解，-设置在所述的至少三个空间方向上的光电子检波器件(6.1，6.2，6.3)，它们用于获取相移的扫描信号(S 0°，S 120°，S 240°)。
2.干涉测位仪，它用于测定至少沿一个测量方向(X)相对移动的两个目标的相对位置并且它包括-一个光源(11)，它沿一光轴(OA)的方向发出一个光束，-一个安置在光源(11)后面的光学元件(12)，它转换来自光源(11)的光束，-一个安置在光源(11)后面的标度光栅(13)，该光栅将入射光束至少分解成一个第一分光束和一个第二分光束(+1)、(-1)，这两个分光束沿不同的空间方向传播，-分别安置在第一和第二分光束(+1)、(-1)的光路中的每一个扫描光栅(14.1，14.2)，其中，每个扫描光栅(14.1，14.2)又将第一和第二分光束(+1)、(-1)分解成第三和第四分光束或第五和第六分光束，其中至少有两个分光束(+1，-1)、(-1、+1)再次相遇；其中，在同第一目标相连的标度光栅(13)相对同第二目标相连的光源(11)和扫描光栅(14.1，14.2)相对运动的情况下，在一个检波平面(D)中得到一个周期性调制的并有一规定的空间干涉条纹图形-周期(PIF)的干涉条纹图形，-一个安置在检波平面(D)中的周期性检波器装置(16)，它用于获得相移的扫描信号(S 0°、S 90°、S 180°、S 270°)，该装置包括多个单独的检波器件(16.1…16.8)，其中检波器-周期(PDET)与空间干涉条纹图形-周期(PIF)是谐调的。
3.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中光源(1；11)被设计为半导体光源。
4.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中光学元件(2；12)被设计为透镜形式。
5.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中标度光栅(3；13)被设计为相位衍射光栅，被分解的第一和第二分光束(+1)、(-1)对应于+/-1衍射级。
6.按权利要求4所述的干涉测位仪，其中标度光栅(3；13)被设计为具有栅格比ηMG＝1∶1和相移MG＝180°的相位衍射光栅。
7.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中扫描光栅(4.1，4.2；14.1，14.2)被设计成相位衍射光栅，被分解的第三和第四分光束及第五和第六分光束分别对应于+1/-1衍射级。
8.按权利要求6所述的干涉测位仪，其中扫描光栅(4.1，4.2；14.1，14.2)被设计为具有栅格比ηAG＝1∶1和相移AG＝180°的相位衍射光栅，它们各自具有一个扫描光栅-分解周期(TPAG)，该周期小于标度光栅-分解周期(TPMG)。
9.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中扫描光栅(4.1，4.2；14.1，14.2)共同安装在一个扫描板(4；14)上。
10.按权利要求8所述的干涉测位仪，其中扫描板(4；14)在设有扫描光栅(4.1，4.2；14.1，14.2)的区域外被设计成是不透光的。
11.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中扫描光栅(4.1，4.2；14.1，14.2)被布置成与标度光栅(3；13)有一段距离a1，其中至少由标度光栅(3；13)分解的第一和第二分光束(+1)、(-1)在空间上彼此分开地存在着。
12.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中下式适用于在标度光栅(3；13)和扫描光栅(4.1，4.2；14.1，14.2)之间的距离a1和在扫描光栅(4.1，4.2；14.1，14.2)和检波平面(D)之间的距离a2a2a1=2PIFTPMG1-(λ/TPMG)21-(λ/2PIF)2,]]>在式中，a1＝在标度光栅和扫描光栅之间的距离，a2＝在扫描光栅和检波平面之间的距离，TPMG＝标度光栅-分解周期，PIF＝检波平面中的空间干涉条纹图形-周期，λ＝光源波长。
13.按权利要求12所述的干涉测位仪，其中下式适用于扫描光栅-周期(TPAG)TPAG＝1/(1/TPMG+1/2 PIF)式中，TPAG＝扫描光栅-分解周期。
14.按权利要求1或2所述的干涉测位仪，其中标度光栅(3)被安置在由光学元件(2)转换的光束的光腰区域内。
15.按权利要求1所述的干涉测位仪，其中检波光栅(5)被设计为相位衍射光栅，该检波光栅将入射光至少分解成O衍射级及+/-2衍射级。
16.按权利要求15所述的干涉测位仪，其中检波光栅(5)被设计为具有栅格比ηDG＝1∶2或ηDG＝2∶1和相移120°或240°的相位衍射光栅，而且具有一个检波光栅-分解周期(TPDG)，该分解周期相当于空间干涉条纹图形-周期(PIF)的两倍。
17.按权利要求2所述的干涉测位仪，其中检波器-周期(PDET)如此与空间干涉条纹图形-周期相互谐调，即相邻的检波器件(16.1……16.8)提供了各自相位移90°的扫描信号(S 0°，S 90°，S 180°，S 270°)。
18.按权利要求17所述的干涉测位仪，其中在一个空间的干涉条纹图形-周期(PIF)内，设有四个检波器件(16.1，……16.8)。
19.按权利要求2所述的干涉测位仪，其中提供同相的扫描信号(S 0°，S 90°，S 180°，S 270°)的检波器件(16.1，…16.8)分别导电相连。
全文摘要
提出一种包括光源的干涉测位仪，光源沿光轴方向发出光束。在光源后面的光学元件转换来自光源的光束。在转换光束区内安置一标度光栅，它将入射光束至少分解成第一和第二分光束，分光束沿不同空间方向传播。在第一和第二分光束的光路中，各安置一扫描光栅，它们又将第一和第二分光束分解成第三和第四或第五和第六分光束，至少其中两个分光束再次相遇。在同第一目标相连的标度光栅相对同第二目标相连的光源和扫描光栅运动时，在检波平面中得到周期性调制的并有规定的空间干涉条纹图形－周期(P
文档编号G01D5/38GK1483995SQ03127450
公开日2004年3月24日 申请日期2003年8月7日 优先权日2002年8月7日
发明者W·霍尔扎普费尔, M·赫尔曼, W·胡伯, V·赫菲尔, U·本纳, K·桑迪, , W 霍尔扎普费尔, 贫 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司