光学测位装置的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的特征所述的光学测位装置。

背景技术：

EP 1 028 309 A1公开了一种一般形式的光学测位装置。通过周期性光图案与周期性测量刻度的相互作用，在随后的探测平面内形成游标条纹图案。为此，周期性光图案的周期与测量刻度的刻度周期（随后被称作测量刻度周期）稍微有偏差。在此，从中生成的游标条纹图案的周期（随后被称作游标周期）大于光图案周期并且也大于测量刻度周期。测量刻度被构造为振幅光栅，而测量刻度的隔片间隙比（Steg-Lücken-Verhältnis）为1:1。

技术实现要素：

本发明所基于的任务在于说明一种光学测位装置，利用所述光学测位装置生成具有经改善的信噪比的游标条纹图案。

按照本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的光学测位装置来解决。

用于测量两个能沿测量方向相对彼此移动的对象的相对位置的所述光学测位装置包括测量刻度和能相对于测量刻度沿测量方向移动的扫描装置。该扫描装置被构造用于使具有沿测量方向交替的亮区域和暗区域的光图案以光图案周期扭曲到测量刻度上，其中测量刻度具有测量刻度周期，所述测量刻度周期与光图案周期稍微有偏差，使得通过光图案与测量刻度的共同作用来产生游标图案，所述游标图案具有亮区域和暗区域，所述亮区域和暗区域由探测装置来扫描。在此，测量刻度是相位光栅，所述相位光栅的隔片间隙比与1:1有偏差，而且所述相位光栅的在隔片与间隙之间的相位偏移被构造为使得第零级衍射级被抑制。此外，测位装置被构造为使得在射入的光图案的亮区域的第零级衍射级被抑制的位置上，至少一个更高的衍射级被偏转并且在探测装置上射到游标图案的亮区域中的一个上。

在此，用相位光栅的隔片和间隙来表示在一个测量刻度周期之内的两个区域，所述两个区域使射入的光不一样地延迟，以便实现所要求的相位偏移。该相位偏移以公知的方式通过光必须经过的路程差和/或通过在材料的折射率方面的差来设定。

利用本发明，提高了游标图案的亮区域的强度。由于所述信号增强，生成更高的有效信号，这提高了测位装置的测量精度。

术语“光”也包括具有在不可见的范围内的波长的辐射。

优选地，测量刻度周期的隔片分别比间隙更宽，而且该隔片比光图案的亮区域更宽。由此确保了：在光图案的亮区域在中间射到该隔片上时，该亮区域完全被用于产生游标图案的亮区域，或者通过完全透射或者通过完全反射来被用于产生游标图案的亮区域。

可替换地，测量刻度周期的间隙分别比隔片更宽，而且该间隙比光图案的亮区域更宽。在这种情况下确保了：在光图案的亮区域在中间射到该间隙上时，该亮区域完全被用于产生游标图案的亮区域，或者通过完全透射或者通过完全反射来被用于产生游标图案的亮区域。

尤其是，测量刻度周期的隔片分别比测量刻度周期的间隙更宽，而测量刻度周期的间隙的宽度为光图案周期的50%，或者可替换地，该间隙分别比相位光栅的隔片更宽，而该隔片的宽度为光图案周期的50%。由此，在隔片与间隙的光学特性（透射和反射）相同的情况下确保了：第零级衍射级由于破坏性干涉完全被消除。

有利地，相位光栅的隔片间隙比或者间隙隔片比是1:3。

如果扫描装置具有发射装置和光栅，那么得到测位装置的特别简单的结构，其中发射装置被构造用于产生经准直的光束，所述经准直的光束对准光栅而且所述经准直的光束通过与光栅的共同作用来产生光图案。

光栅可以是振幅光栅，但是优选地，光栅是相位光栅。但是，可替换地，光栅也可以是混合型振幅-相位光栅。

被构造为相位光栅的测量刻度的相位偏移尤其是λ/2，其中λ=射入的光图案的光的波长。

优选地，探测装置包括多个探测器，用于扫描游标图案并且用于产生K个相对彼此相位偏移了360°/K的扫描信号，其中针对相邻的探测器的中心距XK适用：

XK = PV/K，其中

1/PV = |1/PT - 1/PM|

PV = 游标周期

PT = 测量刻度周期

PM = 光图案周期

K = 正整数。

为了信号增强和求平均，探测装置的多个第K个探测器可以以本身公知的方式彼此连接，用来形成合成的总扫描信号。

本发明的有利的实施方案从在从属权利要求中列举的措施中得到。

本发明的其它细节和优点依据随后结合附图对实施例的描述来阐述。

附图说明

其中：

图1示出了按照本发明来设计的第一光学测位装置的透视图；

图2示出了按照图1的测位装置的扫描光路的基本结构和走向；

图3示出了在测位装置中出现的在探测平面内的衍射图；而

图4示出了按照本发明来设计的光学测位装置的第二实施例。

具体实施方式

图1和2示出了本发明的第一实施例，而图3示出了在所述第一实施例中形成的衍射图。

该光学测位装置具有测量刻度10，为了进行测位，所述测量刻度由扫描装置2以所谓的入射光来扫描。反射的测量刻度10以公知的方式被涂覆在码尺1上或固定在码尺1上。为了对两个能沿测量方向X相对彼此移动的对象进行测位，码尺1被固定在这两个对象之一上，而扫描装置2被固定在这两个能相对彼此移动的对象中的另一个上。

扫描装置2被构造用于使周期性光图案M扭曲到测量刻度10上。该光图案M的周期随后被称作光图案周期PM。与位置有关的扫描信号的产生基于：周期性光图案M与测量刻度10共同作用来产生游标图案V。为此，测量刻度10具有测量刻度周期PT，所述测量刻度周期PT与光图案周期PM稍微有偏差，使得在探测装置21上形成具有比光图案周期PM以及测量刻度周期PT明显更大的周期PV的游标图案V。在此形成的游标图案V平行于测量刻度10的刻度线地来取向。在扫描装置2与测量刻度10的相对移动的情况下，周期性光图案M受到与移动有关的调制，其中形成了具有亮区域和暗区域的周期性游标图案V。为了确定测量刻度10和扫描装置2的相应的相对位置，游标图案V由探测装置21来扫描。

针对游标周期PV（所形成的游标图案V的周期）适用：

1/PV = |1/PT - 1/PM|

其中

PT = 测量刻度周期（测量刻度10的周期）

PM = 光图案周期（光图案M的周期）

光图案M可以以不同的方式来产生。在最简单的情况下，测位装置是双光栅发生器，其中光图案M借助于准直地被照明的光栅22来产生。为了经准直地照明，设置光源23和光学装置24。光栅22例如是具有不透明的隔片和透明的间隙的周期性序列的振幅光栅。不透明的隔片由在透明载体上的不透明材料构成的曝光形成，其中载体尤其可以是玻璃载体。

但是优选地，光栅22是相位光栅。但是可替换地，光栅22也可以是混合型振幅-相位光栅。

光栅22的刻度周期对应于所要求的光图案周期PM，而光栅22的隔片间隙比1:1地来选择。因此，光栅22的间隙的宽度对应于周期性光图案M的亮区域的宽度BM，而且为PM/2。

由单色的、或者至少窄带宽的光源23发射的辐射与光学装置24平行地来取向并且穿透光栅22的透明的间隙。尤其是LED或者另一窄带宽的光源23适合作为光源23。

按照本发明，测量刻度10是相位光栅，在第一实施例中是反射相位光栅。在此，为了使游标图案V的亮区域的强度最大化，在本发明中利用了该相位光栅的多个特性，即

几何辐射光学：

1.在反射相位光栅中反射并且在透射光栅中透射（直线传播）；

波动光学：

2.破坏性干涉；

3.衍射。

关于第1点：

该效应基于射到相位光栅的平坦表面上的光束的纯反射，而且通过相位光栅的隔片间隙比与1:1有偏差来实现。由此实现了：隔片S分别具有比光图案M的亮区域的宽度BM更大的宽度BS，或者间隙L分别具有比光图案M的亮区域的宽度BM更大的宽度BL。在所示出的示例中，相位光栅的隔片S在测量刻度周期PM之内具有比光图案M的亮区域的宽度BM更大的宽度BS，适用：

BS > BM。

借此，对于射入的光图案M来说，测量刻度10对于反射的与位置有关的调制是有效的。因此，射入的光图案M在图2中示出的当前位置P1射到测量刻度10的在左侧示出的区域上，其中光图案M的亮区域的整个射入的宽度BM由测量刻度10反射并且射到探测装置21上。因而，射到探测装置21上的游标图案V的该区域被称作亮区域并且在图2中用“亮”来表示。

关于第2点：

这里，利用了射到相位光栅的隔片S上并且从中反射的部分光束S1与射到相位光栅的间隙L上并且从中反射的部分光束S0的破坏性干涉。

为此，在相位光栅的隔片S与间隙L之间的相位偏移被构造为使得第零级衍射级被抑制。为此，对于射入的光图案M有效的在测量刻度10的隔片S与间隙L之间的相位偏移是λ/2，在此λ是光图案M的波长。

由于光图案M与测量刻度10的周期不同，光图案M的一部分在图2中示出的当前位置P0也射到测量刻度10的在图2右侧示出的区域上。在位置P0，射入的光图案M的亮区域在相位和衍射方面被影响。该区域P0与区域P1沿测量方向X间隔开半个游标周期PV。关于周期进行破坏性干涉，使得第零级衍射级被消除。因此，在位置P0，没有光射到探测装置21上。因而，游标图案V的该区域被称作暗区域，而且在图2中用“暗”来表示。

如果假定测量刻度10的隔片S和间隙L具有相同的反射特性，那么为了进行完全的破坏性干涉也应该适用：

测量刻度周期PT的隔片S分别比测量刻度周期PT的间隙L更宽，而间隙L的宽度BL为光图案周期PM的50%，或者

测量刻度周期PT的间隙L分别比测量刻度周期PT的隔片S更宽，而隔片S的宽度BS为光图案周期PM的50%。

在本例中，测量刻度10以及因此相位光栅的间隙隔片比是1:3。如果相位光栅的隔片间隙比被选择为1:3，那么达到相同的效果。

关于第3点：

这里，利用了射到相位光栅上的光束的衍射，在此，游标图案V的亮区域的通过反射（如上面在第1点的情况下阐述的那样）得到的强度通过对相位光栅上的衍射的与位置有关的调制来增强。

如已经提到的那样，由于光图案M与测量刻度10的周期不同，光图案M的一部分在图2右侧示出的区域射到测量刻度10上。在测量刻度10的该区域内，射入的光图案M的亮区域在相位和衍射方面被影响。

关于衍射，在位置P0，更高的衍射级N（N≠0）中的至少一个衍射级沿测量方向X偏转，使得所述衍射级在位置P1、即在游标图案V的亮区域处射到探测装置21上。所述至少一个更高的衍射级N在游标周期PV的栅格中射到探测装置21上。区域P0与区域P1沿测量方向X间隔开半个游标周期PV。

在对测位装置确定参数时，多个参数起作用：

针对第N个衍射级的衍射角α适用：

sinα = N*λ/PT，

针对实际中相对小的衍射角α（以弧度为单位）适用：

α = N*λ/PT。

因为在位置P0弯曲了衍射角α的光束必须错开PV/2地射在探测装置21上，所以还适用：

D*α = PV/2，

而且因此针对在测量刻度10与探测装置21之间的距离D，适用

D = PV*PT/(2*N*λ)。

在图2中，同一级的负衍射级和正衍射级都是用S2相同地来表示的，因为对于从当前位置P0出发的正的级和负的级来说，分别适用相同的条件。

依据试验结构已经证明了按照本发明的测位装置的功能能力。如下参数是被选择的：

PM = 20.5128μm

PT = 20.00μm

PV = 800μm

λ = 860nm

测量刻度10的隔片间隙比 = 3:1。

按照本发明，如果应该使用第二衍射级N=2，那么针对该衍射级得到大约5°的衍射角α。

在这些条件下，针对在测量刻度10与探测装置21之间的距离D得到大约4.5mm的值。已经表明：在测量刻度10上弯曲的射线S2即使在距离D改变的情况下也仍提高了游标图案V的亮区域的强度。在本例中，距离D可以取大约3mm至6mm的值，也就是说对于D来说，±1.5mm的容差是容许的。

在图3中，示出了在测量刻度10上弯曲的衍射光线的衍射图。绘制了衍射级的根据位置X的强度I，其中位置P0和P1对应于在图2中绘出的当前位置。附加地，在图3中加入了位置P2，这是与P1间隔开PV的位置，即游标图案V的下一个亮区域的中心。

为了增强游标图案的亮区域的强度，偶数的和/或奇数的衍射级（N≠0）都可以被使用并且在设计方案中被考虑。

探测装置21由多个探测器211、212、213、214、215组成，所述多个探测器沿测量方向X彼此相邻地来布置。为了产生K个相对彼此相位移动的扫描信号，在一个游标周期PV之内布置K个探测元件211、212、213、214。

大致来讲，为了扫描游标图案V，布置有具有K个探测元件的探测装置21，用于产生K个相对彼此相位移动了360°/K的扫描信号，其中相邻的探测元件的中心距为XK = PV/K，其中

1/PV = |1/PT - 1/PM|

PV = 游标周期

PT = 测量刻度周期

PM = 光图案周期。

如果应该产生四个分别相对彼此相位移动了90°的扫描信号，那么应在一个游标周期PV之内布置K=4个探测元件211、212、213、214。

探测装置21的探测元件211、215可以彼此电连接并且合计成合成的扫描信号，所述探测元件211、215在扫描游标图案V时分别提供相位相同的扫描信号。换言之：探测装置21的多个第K个探测元件211、215可以分别彼此连接，用来形成合成的总扫描信号。

在第一实施例中，测量刻度10被实施为反射相位光栅。图4表明：本发明也可以被用在透射光中，在此，测量刻度100被实施为透明相位光栅。

针对所述第二实施例适用与在第一实施例中所阐述的条件相同的条件，因此只是针对测量刻度使用了另一附图标记，但是其余的附图标记都是被采用的。

在将反射光栅用作相位光栅（测量刻度10）时，在相位光栅的位置P1形成游标图案V的亮区域，在所述位置P1上，光图案M的亮区域完全被反射回。不同于此，在将透射光栅用作相位光栅（测量刻度100）时，在位置P1形成游标图案V的亮区域，在所述位置P1上，光图案M的亮区域完全透过。

在将反射光栅用作相位光栅（测量刻度10）时，在相位光栅的位置P0形成游标图案V的暗区域，在所述位置P0上，光图案M的亮区域由于所反射的部分光束S0、S1的破坏性干涉而被消除（图2）。不同于此，在将透射光栅用作相位光栅（测量刻度100）时，在位置P0形成游标图案V的暗区域，在所述位置P0上，光图案M的亮区域由于所透射的部分光束S0、S1的破坏性干涉而被消除（图4）。

在将反射光栅用作相位光栅（测量刻度10）时，游标图案V的在相位光栅的位置P1、P2上形成的亮区域通过如下衍射光线来增强，所述衍射光线在相位光栅上在位置P0由于反射而被弯曲。不同于此，在将透射光栅用作相位光栅（测量刻度100）时，游标图案V的在相位光栅的位置P1、P2上形成的亮区域通过如下衍射光线来增强，所述衍射光线在相位光栅上在位置P0由于透射而被弯曲。

本发明能在用于测量线性运动和位置的长度测量装置中使用以及能在用于测量旋转运动和位置的角度测量装置中使用。