专利名称：光学位置测量设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学位置测量设备。
背景技术：
从申请人的EP 513 427 Al中公知一种光学位置测量设备，该光学位置测量设备 适于检测两个可以在至少一个测量方向上相对于彼此移动的对象的位置。为此，该公知的 位置测量设备包括与两个对象之一连接的计量用具(MafiverkSrperung)。该计量用具具有 在测量方向上延伸的增量分度(Inkrementalteilung)以及至少一个在参考位置处的参考 标记。该参考标记由具有可局部改变的分度周期的结构构成，也就是说，该参考标记由包括 许多不同分度周期的结构构成。这样的结构也称为所谓的啁啾(gechirpt)分度结构或者啁 啾光栅。另外，该位置测量设备包括扫描单元，该扫描单元与两个对象中的另一个连接并且 具有扫描装置，该扫描装置用于通过沿着测量段对增量分度和参考标记进行光学扫描来生 成至少一个与位移有关的增量信号以及至少一个参考位置处的参考信号。在此，当通过计 量用具和扫描光栅的不同啁啾分度周期而产生的所有信号频率分量都相位正确地叠加时， 产生参考脉冲信号。在EP 513 427 Al的图8中公开了这样构造的啁啾参考标记的特殊变型方案，该 参考标记包括两个被布置为关于对称轴镜像对称的参考标记部分域。这两个参考标记部分 域分别由在测量方向上延伸的具有可局部改变的分度周期的结构构成。从EP 513 427 Al中公知的位置测量设备基于所谓的干涉扫描原理，其中在扫描 光路上的第一光栅被准直，即被用平行定向的光束照射。增量信号和参考信号形式的与位 移有关的扫描信号通过多个部分光束的建设性和破坏性叠加而被获得，所述多个部分光束 在计量用具和扫描单元相对运动的情况下经历与位移有关的相移。通过这种方式，可以获 得关于两个对象的相对位置的高分辨率的位置信息。例如从 R.Pettigrew 的名称为"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页)的出版物中公知有一种用于光学位 置测量设备的替换于此的扫描原理。在该扫描原理中重要的是对扫描光路中的第一光栅的 发散的、即非准直的照射。申请人:的DE 197 48 802 Al同样涉及光学位置测量设备中的啁啾参考标记。此 外，从该文献中公知的还有，这样的参考标记也可以与前述扫描原理结合使用，也就是与设 置有对扫描光路中的第一光栅进行发散照射的系统结合使用。但是DE 197 48 802 Al和 前面提到的EP 513 427 Al都未给出如下提示在应当使用啁啾参考标记时，应如何具体 构造具有发散照射的光学位置测量设备。
发明内容
本发明的任务是，提供一种光学位置测量设备，其中使用具有发散照射的扫描原理，并且其中可以将啁啾参考标记用于生成具有高分辨率的参考信号。根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的光学位置测量设备来解决。根据本发明的光学位置测量设备的有利实施方式从从属权利要求中的措施得出。根据本发明的光学位置测量设备用于检测两个可以在至少一个测量方向上相对 于彼此移动的对象的位置。该位置测量设备具有计量用具，该计量用具与两个对象之一 连接，该计量用具具有在测量方向上延伸的增量分度以及至少一个在参考位置处的参考标 记。该参考标记包括两个被布置为关于参考标记对称轴镜像对称的参考标记部分域，所述 参考标记部分域分别由在测量方向上延伸的具有可以局部改变的分度周期的结构构成。另 外，该位置测量设备具有扫描单元，该扫描单元与两个对象中的另一个连接并且分配有扫 描装置，这些扫描装置用于生成至少一个在参考位置处的参考信号。所述扫描装置包括至 少一个在计量用具的方向上发散地辐射的光源以及具有如下元件的探测器装置所述元件 沿着测量方向被布置为使得在测量方向上从中央的探测器装置对称轴出发，相邻元件之间 的中心距与从参考标记对称轴出发所述参考标记部分域中的结构的分度周期在相同的方 向上改变。通过这种方式，在利用发散照射的扫描原理的情况下也可以保证借助于啁啾光栅 结构生成具有高分辨率的参考脉冲信号。除此之外，在此被证明为特别有利的是，根据本发 明的参考脉冲生成对于计量用于与扫描单元之间的扫描间隔变化敏感度更低。另外，根据 本发明的位置测量设备中的参考脉冲信号的生成对于污染物相对不敏感，这可以归因于所 使用的单场扫描(Einfeldabtastimg)。这意味着，不同的信号分量总是源自所扫描的参考 标记的分度周期。此外在生成参考脉冲信号时，使用参考标记的整个照射场。这是非常有 效的，并且导致大的信号振幅、对于干扰的高度不敏感性以及小的信号噪声。在根据本发明的光学位置测量设备方面存在多种多样的实施可能。因此，根据本发明的光学位置测量设备的参考标记部分域优选地被构造为使得与 参考标记对称轴相邻的结构分别具有最小的分度周期，并且在测量方向上向外分别设置有 变得越来越大的分度周期。在一个有利的实施方式中，如下地选择两个参考标记部分域中的可以局部改变的 分度周期的计量用具侧分度频率
权利要求
1. 一种光学位置测量设备，用于检测两个能够在至少一个测量方向(χ)上相对于彼此 移动的对象的位置，具有一计量用具(10;110 ；210)，其与两个对象之一连接并且具有在测量方向(X)上延伸的 增量分度(12)以及至少一个在参考位置(Xkef)处的参考标记(11 ；111 ；211)，其中参考标 记(11 ；111 ；211)包括两个被布置为关于参考标记对称轴(RS)镜像对称的参考标记部分域 (11A，11B ;111A，IIIb ；21 1α，21 Ib)，所述参考标记部分域(11a，IIb ；111a, IIIb ；211Α，21 Ib)分别 由在测量方向(χ)上延伸的具有能够局部改变的分度周期的结构构成；一扫描单元(20 ；120 ；220)，其与两个对象中的另一个连接并且分配有扫描装置，这些 扫描装置用于生成至少一个在参考位置(Xkef)处的参考信号(RI)，其中所述扫描装置包括 至少下列部件——在计量用具(10 ；110 ；210)的方向上发散地辐射的光源(21 ；121 ；221)，——具有下列元件的探测器装置(22 ；122 ；222):这些元件沿着测量方向(χ)被布置为 使得在测量方向(χ)上从中央探测器装置对称轴(DS)出发，相邻元件之间的中心距(dD1，… dDn)与从参考标记对称轴(RS)出发参考标记部分域(11A，1 Ib ； 111A，11 Ib ；211A，211B)中的结 构的分度周期在相同的方向上改变。
2.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中参考标记部分域(11A，11B;111A， 111B ;211A，211B)被构造为使得与参考标记对称轴(RS)相邻的结构分别具有最小的分度周 期，并且在测量方向(χ)上向外分别设置有变得越来越大的分度周期。
3.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中以如下方式选择两个参考标记部分 域(11a，11b;111a，111b;211a，211b)中能够局部改变的分度周期的计量用具侧分度频率(fMS (χ))
4.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中布置有探测器装置(22 ；122 ；222) 的具有下列探测器侧分度频率(fDrt (x)>的元件
5.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中沿着测量方向(χ)将探测器装置 (222)的元件布置为使得这些元件对应于来自参考标记部分域(211A，211B)的结构的按比例 扩大的投影。
6.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中如下地选择光源(21；121 ；221)在 测量方向(χ)上的伸展
7.根据前述权利要求至少之一所述的光学位置测量设备，其中在光源(121；221)与计 量用具(110 ；210)之间布置有具有发送缝隙(151 ；251)的光阑(150 ；250)。
8.根据权利要求7所述的光学位置测量设备，其中如下地选择发送缝隙(151；251)在 测量方向(χ)上的伸展其中bsp:=发送缝隙在测量方向上的伸展 f ο:=计量用具侧的平均分度频率。
9.根据前述权利要求至少之一所述的光学位置测量设备，其中参考标记(11；111 ； 211)和增量分度(12)被构造为具有180°的相位差和1:1的分度比的相位光栅。
10.根据权利要求1-7至少之一所述的光学位置测量设备，其中参考标记(11；111 ； 211)和增量分度(12)被构造为振幅光栅或者被构造为具有90°的相位差和1:1的分度比 的相位光栅。
11.根据前述权利要求至少之一所述的光学位置测量设备，其中探测器装置(22；122 ； 222)的元件被构造为探测器阵列的阵列探测器元件(22. 1,22. 2)。
12.根据权利要求11所述的光学位置测量设备，其中探测器装置(22；122 ；222)包括 第一组阵列探测器元件(22. 1)以及第二组阵列探测器元件(22. 2)，并且一组的阵列探测 器元件(22. 1,22. 2)分别在输出侧连接在一起。
13.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中探测器装置(322)的元件被构 造为扫描光栅的分度区域(323. 1Γ··323. In, 323. I1-323. ln)，在所述分度区域(323. I1-323. In, 323. 1Γ··323. In)之后布置有至少一个大面积的探测器元件(322. 1,322. 2)。
14.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中探测器装置(322)包括两个大面积 的探测器元件(322. 1，322. 2)，在所述探测器元件(322. 1，322. 2)之前布置有被构造为互 补的扫描光栅。
全文摘要
本发明涉及一种光学位置测量设备，用于检测两个可以在至少一个测量方向上相对于彼此移动的对象的位置。该位置测量设备具有计量用具，该计量用具与两个对象之一连接，该计量用具具有在测量方向上延伸的增量分度以及至少一个在参考位置处的参考标记。该参考标记包括两个被布置为关于参考标记对称轴镜像对称的参考标记部分域，所述参考标记部分域分别由在测量方向上延伸的具有可以局部改变的分度周期的结构构成。另外，该位置测量设备具有扫描单元，该扫描单元与两个对象中的另一个连接并且分配有扫描装置，这些扫描装置用于生成至少一个在参考位置处的参考信号。所述扫描装置包括至少一个在计量用具的方向上发散地辐射的光源以及具有如下元件的探测器装置这些元件沿着测量方向被布置为使得在测量方向上从中央的探测器装置对称轴出发，相邻元件之间的中心距与从参考标记对称轴出发所述参考标记部分域中的结构的分度周期在相同的方向上改变。
文档编号G01D5/38GK102138060SQ200980133395
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月8日 优先权日2008年8月28日
发明者M·赫尔曼 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司