光学元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学元件，并且尤其涉及例如衍射光栅等在位置测量装置中使用的光 学元件。
【背景技术】
[0002] 如通过图1示意性地说明，编码器设备2可用于确定一设备的两个可相对移动的 部分之间的移动，并且通常包括刻度尺4和读头6 ( -个提供在该设备的一个部分上，并且 另一个提供在该设备的另一个部分上）。刻度尺可以包括一系列特征8、10,读头可以读取 该一系列特征以便量测其沿刻度尺的位置（例如，刻度尺的特征可以提供在紧固到设备的 一部分的基底上或者甚至可以作为设备的一部分整体地形成的基底上）。编码器可以通过 例如实质上"计数"其沿刻度尺的长度的位置来工作，例如，从启动和/或位于刻度尺上的 经定义的参考标记。
[0003] 如将理解，完成读头的位置的"计数"的方式从编码器设备到编码器设备可以是不 同的。举例来说，一种方式是在读头中的探测器处产生干涉条纹。图2a是图示这其中的概 念的示意性光线图。来自源（例如，在读头内）的光可以打中刻度尺，刻度尺将光衍射到多 个衍射级，该衍射级于是继而打中读头中的衍射光栅。衍射光栅将光衍射到更进一步的衍 射级，该更进一步的衍射级在探测器（例如，光电二极管/传感器阵列）处重组以便产生干 涉条纹。随着刻度尺和读头相对于彼此移动，干涉条纹也移动。读头可以通过监测干涉条纹 越过探测器的移动来记录和/或报告移动和位置。此类编码器设备描述于US5861953中。 如将理解，可以提供例如嵌入在刻度尺的衍射特征内的参考标记以便提供经定义的参考位 置。此类编码器设备描述于US7659992中。
[0004] 如将理解，图2a是在编码器设备中遇到的实际光学情况的非常简化的图示。具 体而言，该情况是仅针对来自源的一条光线示出的，而实际上刻度尺的区域均由该源照亮。 因而，实际上图2a中所示的光学情况沿刻度尺的长度被重复多次（即，在由源照亮的区域 上），因此在探测器处产生长干涉图案，该图案示意性地在图2b中说明。另外，出于说明性 目的仅示出了 +/-1级（例如，如将理解的光将被衍射到多个级中，例如，+/-3级、+/_5级等 衍射级）。另外，为了图示的简单起见，光线图示出为透过光线图（即，光示出为透过刻度尺 和衍射光栅中的每一个，而实际上这些中的至少一个可以是反射的）。
[0005] 替代形成干涉条纹，在US4776701中描述了另一种类型的递增刻度尺，其描述了 配置刻度尺和衍射光栅以产生（例如，通过在探测器处重组衍射级）随着刻度尺和读头相 对于彼此移动而发生强度变化的调制点。
[0006] 以任一种方式，读头的探测器的输出被用于监测读头和刻度尺的相对位置。
[0007] 因此，这样的编码器可以依靠衍射级的重组以在探测器处产生复合场。
[0008] 传统地，衍射光栅配置为使得它们的衍射特征尽可能等距离的间隔开。US5814812 描述了一个替代实施例，其中提议移位（shift)衍射特征使得它们之间的间距并非等距离 地间隔开而是可预测地变化，并且具体而言是周期性地变化。
【发明内容】
[0009] 本发明涉及一种改进的光学元件，该光学元件具有用于形成衍射级的衍射特征， 该衍射级用于生成由探测器探测到的场。具体而言，本发明涉及一种光学元件，其中衍射特 征布置为使得它们已经从别样的标称规则（regular)间隔开的布置移位。
[0010] 具体而言，本发明提供一种编码器设备，用于确定设备的两个可相对移动的部分 之间的移动，该编码器设备包括：探测器；以及至少一个光学元件，其包括至少一个系列的 连续衍射特征，用于将来自源的电磁辐射衍射到衍射级，并且该至少一个系列的连续衍射 特征有助于在探测器处产生随两个部分之间的移动而变化的信号（例如，通过该探测器处 衍射级的重组），其特征在于该至少一个光学元件中的至少一个的连续衍射特征的系列包 括至少一组衍射特征，在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从一对相 邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
[0011] 本申请描述一种编码器设备，用于通过读头和刻度尺确定设备的两个可相对移动 的部分之间的移动，该编码器设备包括：探测器；以及至少一个光学元件，其包括至少一个 系列的连续衍射特征，用于将来自源的电磁辐射（"EMR"）衍射到衍射级，并且该至少一个 系列的连续衍射特征有助于通过探测器处衍射级的重组而在探测器处产生随两个部分之 间的移动而变化的信号，其特征在于该至少一个光学元件中的至少一个的连续衍射特征的 系列包括至少一组衍射特征，在该至少一组衍射特征内相邻衍射特征的中心之间的间距从 一对相邻衍射特征到下一对相邻衍射特征不规则地变化。
[0012] 根据本发明的第一方面，提供一种编码器设备，用于确定设备的两个可相对移动 的部分之间的移动，该编码器设备包括：探测器；以及至少一个光学元件，其包括至少一个 系列的连续衍射特征，用于将来自源的电磁辐射衍射到衍射级，并且该至少一个系列的连 续衍射特征有助于在探测器处产生随两个部分之间的移动而变化的信号，其特征在于在所 述至少一个系列中的衍射特征从标称规则间距移位，每个特征以所选择的预定量移位以便 基本上消除至少一个η级衍射的同时保持1级衍射和至少一个所选择的m级衍射的存在， 使得所述1级衍射和所选择的m级衍射有助于在探测器处产生随两个部分之间的移动而变 化的信号。
[0013] 如将理解，并且如上文所述，用于编码器的刻度尺/衍射光栅配置为衍射从光源 /该刻度尺接收的EMR以便生成复合场，诸如探测器处的干涉条纹或调节点。如结合图2a 和2b所示出的且在下文中更详细地解释的，例如干涉条纹或调制点的复合场（RF)主要通 过重组来自衍射光栅的+/-1级衍射而形成。然而，已发现当使用已知的刻度尺和衍射光栅 时，较高级衍射（例如，至少+/-5级和以上，并且甚至有时+/_3级和以上）会不利地干扰 复合场的生成。举例来说，如图3所示，已发现+/-5级实际上会落在探测器上从而不利地 影响干涉条纹的生成。这会把不想要的谐波强加给干涉条纹。对于其它类型的编码器设备 也是这种情况，诸如例如那些生成调制点而非干涉条纹的。
[0014] 已经发现，当光学组件（例如探测器和读头中的衍射光栅和/或刻度尺）其之间 的间距和/或大小减少时（例如，当试图减少读头的尺寸时），较高级衍射对干涉条纹的生 成的这种不良作用增加。举例来说，当读头衍射光栅与探测器之间的距离（图2和3中示 出为"v"）不超过l〇mm、尤其不超过5mm并且例如不超过2_，举例来说I. 8mm或更小时，这 尤其成问题。也已经发现，较高级衍射对干涉条纹的生成的不良作用随着刻度尺的衍射特 征的标称周期的增大而增大，例如，当标称周期至少是IOym时，例如，至少20 μπι，尤其至 少30 μ m，举例来说至少40 μ m。
[0015] 具体而言，已经发现，在编码器系统的塔尔博特数目（Talbot number)降到7. 25 以下，更确切地说5以下，尤其是2以下（例如，1.75或更小），并且举例来说1以下（例 如，0.75或更小）时，较高级衍射对干涉条纹的生成的不良作用尤其成问题。如将理解，塔 尔博特数目（T)提供编码器系统的无量纲测量/定义并且可以通过以下等式计算： /Liif'i
[0016] T --- PiPz
[0017] 其中λ是光照的波长，u。是第一光栅与第二光栅之间的距离（例如，在图2a、2b 和3中的u)，P1是第一光栅的周期（例如，图2a、2b和3中刻度尺4的周期）和p 2是第二 光栅的周期（例如，图2a、2b和3中衍射光栅14的周期）。
[0018] 本发明人已经发现，可以设计衍射光栅和/或刻度尺以最小化较高级对复合场的 不利影响。
[0019] 具体而言，不是如同已知衍射光栅的情况（即，使相邻衍射特征之间的间距恒定、 或甚至以规则或可预测（例如，周期性）方式变化），本发明人已经验明，具有自由度以便将 衍射特征从标称规则间距移位，从而可以选择性地（例如，不规则地）改变它们之间的间距 (例如，沿刻度尺的测量方向获得的它们的中心（例如，它们的质量中心）之间的间距），可 以使得所选择的衍射级将会受到控制以便最小化并且甚至基本上消除它们，但同时基本上 保持其它的衍射级。如将理解，相邻特征之间的间距将以哪种确切方式改变可以取决于许 多因素，诸如，编码器设备作为整体的类型和配置以及将选择性地控制哪些级。
[0020] 相应地，衍射特征可以从标称规则间距移位，每个特征以所选择的预定量移位以 便基本上最小化/消除至少一个（例如，η级）衍射级（例如，奇数编号的衍射级）的同时 保持1级和至少一个其它所选择的（例如，m级）衍射级（例如，奇数编号的衍射级）的存 在，使得所述1级和至少一个其它所选择的（例如，m级）衍射级有助于在探测器处产生随 设备的两个可相对移动部分之间