用于干涉式间距测量的设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于干涉式间距测量的设备。该设备包括测量反射器、光源、分裂元件、会聚元件以及探测器装置。经由分裂元件将由光源发射的射线束分裂为至少一个测量射线束和至少一个参考射线束，其中测量射线束在进一步的射线进程中至少两次轰击测量反射器。在会聚元件处，测量射线束和参考射线束达到干涉性叠加。经由探测器装置，可以从干涉性测量和参考射线束中关于测量反射器与该设备的一个或多个其它部件之间沿着测量方向的间距产生至少一个间距信号。分裂元件被构造为分裂光栅，其中光源在分裂光栅的方向上平行于测量反射器的表面地发射射线束。分裂光栅垂直于测量反射器表面地布置。
【专利说明】用于干涉式间距测量的设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于干涉式间距测量的设备。
【背景技术】
[0002]除了检测在横向方向上两个可彼此移动的对象的位置变化之外，还存在其中只需要或必要时附加地还需要确定这些对象在与其垂直的、竖直测量方向上的间距的测量任务。如例如在DElO 2007 016 774 Al或在DElO 2010 003 157 Al中公开的干涉式(interferentielle)方法适合于沿着这种测量方向进行高度精确的间距测量。
[0003]由DElO 2007 016 774 Al公知的用于干涉式间距测量的设备包括布置在玻璃板上的辐射器-接收器单元，其按与对象的待确定间距被放置，其中在对象处布置反射镜。在玻璃板上布置将由光源所发射的射线束分裂为至少一个测量射线束和至少一个参考射线束的分裂光栅。测量射线束朝着对象处的反射镜方向传播并且经由该反射镜在辐射器-接收器单元的方向被反射回；参考射线束仅在玻璃板中传播并且在多次反射后到达辐射器-接收器单元中以便与测量射线束干涉地叠加。从这样获得的干涉信号中可以确定玻璃板与对象之间的间距或这些部件之间的间距变化。该设备的缺点是一方面在玻璃板与反射镜之间有倾斜的情况下导致有误差的间距信号。另一方面在对该设备证明有缺点的是，测量结果取决于所使用的光源的波长。波长可能由于环境条件的波动而变化并且这样在间距测量时引起误差。
[0004]由DElO 2010 003 157 Al公知的设备通过测量和参考射线束的合适射线引导解决了 DElO 2007 016 774A1中的所述问题。在此情况下，至少在预先给定的额定间距下保证了间距测量与可能的波长波动的无关性以及保证了倾斜不灵敏性。
[0005]与此相对地再次优化的、用于干涉式间距测量的设备由Hideaki Tamiya的出版物“Non-contact displacement meter for pm resolution” (Precision EngineeringSociety of Japan; Spring Meeting March 2012)公知；在形成权利要求1的前序部分时以该设备为出发点。该设备包括测量反射器、光源、分束器立方体形式的分裂元件、会聚元件以及探测器装置。经由分裂元件将由光源发射的射线束分裂为至少一个测量射线束和至少一个参考射线束。测量射线束在其到达会聚元件以便与参考射线束干涉地叠加之前在进一步的射线进程中4次轰击测量反射器。经由探测器装置，从干涉性测量和参考射线束中针对测量反射器与设备的一个或多个其它部件之间沿着测量方向的间距产生至少一个间距信号。
[0006]所建议的该设备的缺点是，在测量反射器倾斜时在实际波长偏离假定的标称波长的情况下，在间距确定时产生测量误差。为此应参照图1，其示出来自所提到的出版物的设备的光路的简化子图示。从左上方，根据该图示测量射线束M在射中地点Al处以入射角α =45°入射到测量反射器MR上，然后到达光栅G，并且接着在射中地点Α2处重新入射到测量反射器MR上。当在回射器处的未示出的背向反射之后，测量射线束M在相反的方向上第二次经历该路径，并且在其与未示出的参考射线束发生干涉性叠加之前轰击测量反射器MR总共4次。如此产生的干涉信号在测量反射器MR与其余部件沿着图1中说明的测量方向z的间距发生变化的情况下是待确定的间距信号。
[0007]在所经过的路径的进程中对测量射线束M的k向量的未详细示出的观察在测量反射器MR围绕所说明的y轴倾斜的情况下根据下式方程式(I)提供在测量射线束M中的所产生的相移Φκ:
【权利要求】
1.用于干涉式间距测量的设备，具有: -测量反射器， -光源， -分裂元件，该分裂元件将由光源发射的射线束分裂为至少一个测量射线束和至少一个参考射线束，其中测量射线束在进一步的射线进程中至少两次轰击测量反射器， -会聚元件，在所述会聚元件处测量射线束和参考射线束达到干涉性叠加，以及具有-探测器装置，经由所述探测器装置能够从干涉性测量和参考射线束中关于测量反射器与该设备的一个或多个其它部件之间沿着测量方向(Z)的间距产生至少一个间距信号，其特征在于， 分裂元件被构造为分裂光栅(11 ；111 ;211)，并且光源(16 ；116 ;216)在分裂光栅(11 ；111；211)的方向上平行于测量反射器(I ；100 ；200)的表面地发射射线束，其中分裂光栅(11 ；111 ；211)垂直于测量反射器(I ；100 ；200)的表面地布置。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，光源(16；116 ;216)、分裂光栅(11 ；111 ;211)、会聚元件和探测器装置(18 ；118 ；218)与其它部件一起布置在扫描单元(10 ；110 ；210)中，该扫描单元相对于测量反射器(I ;100 ;200)至少沿着测量方向(z)间距可变地布置。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，分裂光栅(11；111 ;211)布置在板状的载体元件(12A，12B ；112A, 112B ;212A，212B)上，并且该载体元件(12A，12B ；112A, 112B ；212A，212B)垂直于测量反射器(I ；100 ;200)表面取向地布置。
4.根据权利要求1的设备，其特征在于，在参考射线束(R)和测量射线束(M)在分裂光栅(11 ；111 ；211)与会聚元件之间的光路中分别布置至少两个偏转元件(13.1, 13.2，14.1，14.2; 113.1a, 113.1b, 113.2a, 113.2b, 114.1a, 114.1b, 114.2a, 114.2b;213.1, 213.2，214.1, 214.2)，其中经由每个偏转元件(13.1，13.2, 14.1, 14.2;113.1a, 113.1b, 113.2a, 113.2b, 114.1a, 114.1b, 114.2a, 114.2b; 213.1，213.2，214.1，214.2)对入射的射线束要么产生沿着测量方向(z)的偏转作用要么产生沿着和垂直于测量方向(z)的偏转作用。
5.根据权利要求4的设备，其特征在于，经由偏转元件(13.1，13.2，14.1，14.2;113.1a, 113.1b, 113.2a, 113.2b, 114.1a, 114.1b, 114.2a, 114.2b; 213.1，213.2，214.1, 214.2) -入射到其上的准直的射线束还遭受到线焦点(L)上的聚焦作用，其中该线焦点(L)沿着测量方向(z)延伸，以及 -对入射到其上的分散的射线束还产生准直作用。
6.根据权利要求4的设备，其特征在于，所述偏转元件包括布置在垂直于测量反射器(I ；100 ;200)布置的载体元件(12A，12B ;112A，112B，212A，212B)上的衍射结构。
7.根据权利要求5的设备，其特征在于，偏转元件(13.1, 13.2，14.1, 14.2)被构造为反射性菲涅耳圆柱透镜，其中经由反射性菲涅耳圆柱透镜对入射的射线束除了聚焦作用之外附加地还产生沿着测量方向(Z)的偏转作用。
8.根据权利要求7的设备，其特征在于，经由所述偏转元件(13.1，13.2，14.1，14.2)中的两个对入射的射线束产生到线焦点(L)上的聚焦作用。
9.根据权利要求5的设备，其特征在于，偏转元件(113.la，113.1b，113.2a，.113.2b，114.1a，114.1b，114.2a，114.2b)被构造为透射性菲涅耳圆柱透镜，其分别与反射器(120，121) 一起布置在两个载体元件(112A，112B)处，其中 -透射性菲涅耳圆柱透镜布置在载体元件(1 12A，112B)的彼此相向的侧上，以及 -反射器(120，121)布置在载体元件(112A，112B)的分别相对的侧上，并且反射器的反射侧朝着透射性菲涅耳圆柱透镜的方向取向，以及 -透射性菲涅耳圆柱透镜被构造为，使得入射到其上的准直的射线束遭受到反射器(120，121)的反射侧上的线状聚焦。
10.根据权利要求5的设备，其特征在于，偏转元件(213.1, 213.2，214.1, 214.2)被构造为反射性离轴菲涅耳圆柱透镜，其布置在两个载体元件(212A，212B)的彼此相向的侧上。
11.根据权利要求2的设备，其特征在于，参考射线束(R)在分裂光栅(11；111 ;211)与会聚元件之间仅在扫描单元(10 ；110 ；210)中传播。
12.根据上述权利要求中至少之一的设备，其特征在于，测量和参考射线束(M，R)在分裂光栅(11 ;111 ;211)与会聚元件之间的光路分别关于对称平面(S)镜像对称地伸展，该对称平面垂直于测量反射器(I ；100 ；200)的表面地取向。
13.根据权利要求4的设备，其特征在于，偏转元件(330.1, 330.2)被构造为透射性菲涅耳圆柱透镜，其布置在板状载体元件(330)的相对的侧上，该板状载体元件放置在两个外部的板状载体元件(312A，312B)之间并且在所述外部的板状载体元件上布置分裂光栅(311)和会聚元件。
14.根据权利要求13的设备，其特征在于，扫描单元(310)中的部件被布置和构造为使得 -测量射线束(M)从分裂光栅(311)朝着测量反射器(300 )的方向传播并且在那里在第一射中地点(Al)处遭受朝着扫描单元(310)中的第一偏转元件(330.1)方向的第一反射，以及 -然后测量射线束(M)在第一偏转元件(330.1)处遭受朝着第二偏转元件(330.2)方向的偏转，以及 -然后测量射线束(M)在第二偏转元件(330.2)处遭受朝着测量反射器(300)方向的偏转，并且在那里在第二射中地点(A2)处遭受朝着会聚元件方向的第二反射，以及 -参考射线束(R)从分裂光栅(311)朝着第一偏转元件(330.1)的方向传播并且在那里遭受朝着第二偏转元件(330.2)方向的偏转，以及 -参考射线束(R)在第二偏转元件(330.2)处遭受朝着会聚元件方向的偏转。
15.根据上述权利要求中至少之一的设备，其特征在于，会聚元件被构造为会聚光栅(15 ；115 ；215)并且垂直于测量反射器(I ；100 ；200)的表面地布置。
【文档编号】G01B11/14GK103512505SQ201310238005
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2012年6月15日
【发明者】W.胡贝尔, R.约尔格, W.霍尔萨普费尔 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司