專利名稱：位置測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的位置測量裝置以及一種按權(quán)利要求13前序部分所述的位置測量裝置。
背景技術(shù)：
所述位置測量裝置比如在US 2005/023450 A1中得到公開。該位置測量裝置除了比如構(gòu)造為線性反射整體量具的整體量具以外還包括一個(gè)可相對(duì)于該整體量具在至少一個(gè)測量方向上移動(dòng)的掃描單元。在所述掃描單元的側(cè)面上，設(shè)置了一個(gè)光源以及一個(gè)周期性檢測器陣列形式的檢測器裝置。
在所述掃描單元和整體量具進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，在檢測平面中產(chǎn)生一個(gè)依賴于移動(dòng)地調(diào)制的條形圖案，借助于所述檢測器裝置采集該條形圖案并且將其轉(zhuǎn)換為可繼續(xù)處理的掃描信號(hào)。在這種情況下，通過周期性檢測器陣列形式的檢測器裝置的設(shè)計(jì)方案，以普通的方式產(chǎn)生多個(gè)相位移動(dòng)的掃描信號(hào)。
在所述系統(tǒng)中通常致力于將所使用的光源和所使用的檢測器裝置盡可能布置在相同的平面中。比如可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，即將所述光源布置在載體基片中的中央空穴中，其中所述空穴被所述檢測器陣列的檢測器元件所包圍。但這會(huì)產(chǎn)生巨大的制造開銷。因此，所述載體基片必須設(shè)有合適的空穴；此外在所述空穴中所述光源的接觸證實(shí)比較困難。
此外，在US 2004/0155178 A1中的關(guān)于所述系統(tǒng)的圖13和14中已經(jīng)公開，通過將透射的光學(xué)元件布置在光源和整體量具之間這種方式可以確定地調(diào)節(jié)虛擬點(diǎn)光源的幾何空間位置。但在這種情況下，所述為此提出的透射的光學(xué)元件使所述虛擬點(diǎn)光源的位置明顯移動(dòng)到所述檢測平面的前面。這也就是說，上面提到的關(guān)于光源在檢測器裝置的平面中的布置的要求無法通過所提出的措施得到滿足。作為不期望的結(jié)論，在檢測平面中導(dǎo)致所產(chǎn)生的條形圖案的取決于掃描間隔的周期變化。但同樣對(duì)掃描間隔可能波動(dòng)的情況來說，也力爭在檢測平面中達(dá)到恒定的條形圖案周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是提供一種上述類型的位置測量裝置，其中保證簡單地制造所述掃描單元。同時(shí)，要確保可靠地產(chǎn)生依賴于移動(dòng)的掃描信號(hào)，尤其確保相對(duì)于掃描間隔的可能的波動(dòng)的獨(dú)立性，也就是相對(duì)于在掃描單元與整體量具之間的間距的獨(dú)立性。
按本發(fā)明，該任務(wù)通過一種具有權(quán)利要求1所述特征的位置測量裝置得到解決。
此外，按本發(fā)明該任務(wù)通過一種具有權(quán)利要求13所述特征的位置測量裝置得到解決。
按本發(fā)明的位置測量裝置的優(yōu)選的實(shí)施方式產(chǎn)生于在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中所述的措施。
現(xiàn)在按照按本發(fā)明的位置測量裝置的一種第一方案，此外在所述掃描單元中在掃描光路中布置至少一個(gè)反射器元件。該反射器元件具有作用于所述掃描光路的光學(xué)作用，使得一方面在虛擬光源和所述反射整體量具之間的間距與另一方面在所述反射整體量具和所述檢測檢測平面之間的間距相同，由此將所述光源虛擬布置在所述檢測平面中。
由此，可以為所述掃描原理保持一方面在所述(現(xiàn)在為虛擬)光源和所述反射整體量具之間與另一方面在所述反射整體量具和所述檢測器裝置或者說檢測平面之間具有相同間距這樣的主要要求。優(yōu)選在該方案中可以通過將所述反射器元件相應(yīng)地布置在真實(shí)的光源和所述反射整體量具之間這種方式來確定地調(diào)節(jié)在所述光源和反射整體量具之間的間距。由此即使在掃描間隔可能波動(dòng)時(shí)也尤其在檢測平面中確保保持相同的條形圖案周期。此外，由此可以避免在其它情況下需要將光源布置在相應(yīng)的空穴中時(shí)上面提到的生產(chǎn)工藝方面的問題。由此存在更加多樣的用于將光源布置在所述掃描單元中的方案。
在按本發(fā)明的位置測量裝置的第一方案的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生各種各樣的實(shí)施方案。
在此優(yōu)選將所述反射器元件布置在所述光源和反射整體量具之間。
原則上所述反射器元件可以是折射光學(xué)元件，或者也可以是衍射光學(xué)元件。
在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述掃描單元包括一個(gè)透明的載體基片，在該載體基片的朝向反射整體量具的第一側(cè)面(上面)上布置了所述光源，并且在其背向所述反射整體量具的第二側(cè)面(底面)上布置了所述反射器元件。
在這種情況下，優(yōu)選所述光源的發(fā)光表面朝著所述載體基片的第一側(cè)面的方向布置，并且所述光源朝所述載體基片的第二側(cè)面的方向發(fā)出光線。
優(yōu)選所述反射器元件構(gòu)造成集成在所述載體基片的第二側(cè)面中的光學(xué)元件。
優(yōu)選將所述具有光源和反射器元件的載體基片布置在具有至少一個(gè)檢測器裝置的檢測器單元上面，其中所述檢測器單元布置在所述掃描單元中的載體板上。
在這種情況下，所述載體基片可以占據(jù)比所述檢測器單元更小的面積，并且可以布置在所述檢測器單元的中央局部區(qū)域中，而沒有完全蓋住所述檢測器裝置，使得所述檢測器單元在沒有被所述載體基片所覆蓋的區(qū)域中通過鍵合導(dǎo)線與載體板中的導(dǎo)體電路導(dǎo)電連接。
此外，所述光源可以在所述載體基片上通過鍵合導(dǎo)線與檢測器單元中的導(dǎo)體電路進(jìn)行導(dǎo)電連接。
此外，所述載體基片在所述檢測器單元上部分地覆蓋所述至少一個(gè)檢測器裝置，其中為對(duì)所述檢測器裝置進(jìn)行電接觸在所述載體基片的第二側(cè)面和所述檢測器裝置之間布置接觸-導(dǎo)體電路。
在這種情況下，所述光源在所述載體基片上通過在該載體基片上的接觸導(dǎo)體電路與在所述檢測器單元中的導(dǎo)體電路進(jìn)行導(dǎo)電連接。
在所述位置測量裝置的第二方案中，按本發(fā)明在所述掃描光路中布置至少一個(gè)光學(xué)透射元件，該透射元件具有作用于所述掃描光路的光學(xué)作用，使得一方面在所述光源和所述反射整體量具之間的間距與另一方面在所述反射整體量具和在虛擬檢測平面中的檢測器裝置之間的間距相同，從而在掃描單元和反射整體量具之間進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下在所述虛擬檢測平面中產(chǎn)生依賴于移動(dòng)地調(diào)制的條形圖案。
由此通過該方案的按本發(fā)明的措施可以保證，在任何情況下所述被掃描的條形圖案處于所述虛擬檢測平面中。這一點(diǎn)按已有的掃描配置作為所述第一方案的措施的補(bǔ)充是有必要的，或者作為唯一的措施就足以用于保證掃描相對(duì)于掃描間隔所期望的獨(dú)立性。
在按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案的基礎(chǔ)上，同樣存在作為替代方案的實(shí)施方案。
比如在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述光學(xué)透射元件在掃描光路中布置在所述反射整體量具和檢測器裝置之間。
優(yōu)選所述光學(xué)透射元件是折射光學(xué)元件，比如是具有指定厚度的平面平行的玻璃板。
所述掃描單元可以包括載體板，在該載體板上布置了具有至少一個(gè)檢測器裝置的檢測器單元，其中在所述檢測器裝置上面布置了所述光學(xué)透射元件。
此外，所述光學(xué)透射元件設(shè)有光學(xué)元件，這些光學(xué)元件確保光僅僅垂直入射到所述檢測器裝置上。
結(jié)合所述按本發(fā)明的位置測量裝置的第一和第二方案，還可產(chǎn)生其它用于構(gòu)造所述位置測量裝置的方案。
因此，比如可以將所述光源優(yōu)選構(gòu)造為點(diǎn)光源。
所述掃描單元在一種優(yōu)選的實(shí)施方式中包括至少兩個(gè)檢測器裝置，它們中的一個(gè)第一檢測器裝置適合于對(duì)依賴于移動(dòng)的增量信號(hào)進(jìn)行檢測，并且一個(gè)第二檢測器裝置適合于對(duì)絕對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行檢測。
此外，所述檢測器裝置可以是檢測器陣列，該檢測器陣列包括單個(gè)的、在測量方向上彼此相鄰布置的檢測器元件。


本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)借助于下面關(guān)于按本發(fā)明的位置測量裝置的實(shí)施例的說明并結(jié)合附圖進(jìn)行解釋。其中圖1a是按本發(fā)明的位置測量裝置的第一方案的示意側(cè)視圖；圖1b是圖1a所示位置測量裝置的掃描單元的俯視圖；圖2是掃描光路的示意圖，該示意圖用于解釋在按本發(fā)明的位置測量裝置中的特定幾何參數(shù)；圖3a-3d是在按本發(fā)明的位置測量裝置的掃描單元中的光學(xué)反射器元件的可選實(shí)施方案；圖4a是按本發(fā)明的位置測量裝置的第一方案的另一實(shí)施方式的簡化側(cè)視圖；圖4b是圖4a所示位置測量裝置的掃描單元的俯視圖；
圖5a是按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案的簡化側(cè)視圖；圖5b是圖5a所示位置測量裝置的掃描單元的俯視圖；圖6是掃描光路的簡化示意圖，該示意圖用于解釋按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案的特定幾何參數(shù)。
具體實(shí)施例方式
下面借助于圖1a和1b對(duì)按本發(fā)明的位置測量裝置的第一方案進(jìn)行解釋。圖1a在此示出掃描單元20的零件以及反射整體量具10包括掃描光路的簡化側(cè)視圖；圖1b則示出圖1a所示掃描單元20的俯視圖。
在所示出的實(shí)施例中，所述按本發(fā)明的位置測量裝置包括一個(gè)掃描單元20，該掃描單元20相對(duì)于反射整體量具10在測量方向x上可運(yùn)動(dòng)地布置。反射整體量具10和掃描單元20比如與兩個(gè)可在測量方向x上相對(duì)移動(dòng)地布置的目標(biāo)相連接，比如與兩個(gè)可相對(duì)移動(dòng)的機(jī)器部件相連接。通過所述按本發(fā)明的位置測量裝置的依賴于位置的輸出信號(hào)，未示出的布置在后面的控制單元可以用公知的方式合適地控制這些機(jī)器部件的運(yùn)動(dòng)。
所述反射整體量具10在所示出的實(shí)施例中具有一個(gè)帶有線性增量刻度的通道以及一個(gè)與該通道平行布置的具有用于絕對(duì)位置檢測的偽隨機(jī)編碼的通道。這兩個(gè)通道布置在合適的刻度載體上，比如鋼制基片上。
所述具有增量刻度的通道由周期性地沿測量方向x布置的具有不同光學(xué)反射特性的局部區(qū)域組成。所述局部區(qū)域在刻度平面中垂直于所述測量方向x延伸，也就是說在所注明的y-方向上延伸。在這種情況下，所示出的實(shí)施方式的局部區(qū)域?qū)τ伤鼍植繀^(qū)域反射的光束具有不同的相位移動(dòng)作用。所述反射整體量具10在該實(shí)施例中是所謂的反射-相陣。
所述具有偽隨機(jī)編碼的通道由非周期性地沿測量方向布置的具有不同光學(xué)反射特性的局部區(qū)域組成。
在圖1a和1b的大為簡化的示意圖中，只能看到所述掃描單元20的一部分，通常所述掃描單元20此外還包括一個(gè)合適的外殼，在該外殼中布置著該掃描單元20的不同部件。為一目了然起見，在附圖中僅僅示出那些為解釋本發(fā)明所必需的元件。
在所述掃描單元20的側(cè)面上，在載體板21上設(shè)置了一個(gè)檢測器單元22，該檢測器單元22具有兩個(gè)檢測器裝置22.1、22.2。第一檢測器裝置22.1用于在檢測平面中對(duì)周期性的條形圖案進(jìn)行掃描并且用于產(chǎn)生多個(gè)相位移動(dòng)的增量信號(hào)。所述被掃描的條形圖案產(chǎn)生于對(duì)在所述反射整體量具10上的增量刻度進(jìn)行的光學(xué)掃描。所述第一檢測器裝置22.1在這種情況下包括一種公知的檢測器陣列，該檢測器陣列具有在測量方向x上周期性布置的單個(gè)的檢測器元件或者說光電二極管。
第二檢測器裝置22.2以公知的方式用于對(duì)所述第二通道的投影在檢測平面中的偽隨機(jī)編碼進(jìn)行掃描。通過所述第二檢測器裝置22.2可以產(chǎn)生至少一個(gè)絕對(duì)位置信號(hào)。以下為簡便起見，將如此產(chǎn)生的增量信號(hào)及絕對(duì)位置信號(hào)稱為位置信號(hào)。
所述兩個(gè)檢測器裝置22.1、22.2在按本發(fā)明的位置測量裝置的所述第一方案中通過鍵合導(dǎo)線22.3進(jìn)行電接觸，也就是說與所述載體板21中的未示出的導(dǎo)體電路進(jìn)行導(dǎo)電連接。通過所述載體板21中的導(dǎo)體電路，將所產(chǎn)生的位置信號(hào)輸送給一個(gè)未示出的布置在后面的控制單元以作進(jìn)一步處理。
在所述具有兩個(gè)檢測器裝置22.1和22.2的檢測器單元22的上方，在所述掃描單元20的側(cè)面上在所述檢測器裝置的中央局部區(qū)域中布置了一個(gè)透明的載體基片23，比如該載體基片是板狀玻璃載體基片。該載體基片在本實(shí)施例中僅僅占據(jù)所述檢測器裝置的總面積或者說檢測器單元22的表面的一個(gè)較小的部分，比如在圖1b中就可看出這一點(diǎn)。在所述載體基片23的以下稱為載體基片23的第一側(cè)面的上面上，安置了一個(gè)光源24。在使用所選擇的掃描原理的情況下，優(yōu)選所謂的點(diǎn)光源比如所謂的VCSEL光源起到光源的作用。所述光源24通過其它的鍵合導(dǎo)線24.1進(jìn)行電接觸，而所述其它的鍵合導(dǎo)線24.1則在所述載體基片23的上面上與相應(yīng)的觸點(diǎn)相連接。這些觸點(diǎn)通過所述鍵合導(dǎo)線24.1與在檢測器單元22中的未示出的導(dǎo)體電路相連接。
所述光源24的發(fā)光表面朝著所述載體基片23的第一側(cè)面的方向定向。所述光源24因此從反射整體量具10朝所述載體基片23的底面的方向輻射，下面將所述載體基片的底面稱為其第二側(cè)面。
在所述載體基片23的底面或者說第二側(cè)面上，布置了光學(xué)反射器元件25，該反射器元件25在本實(shí)施例中是集成在所述載體基片23中的光柵結(jié)構(gòu)，也就是說是衍射光學(xué)元件。下面還要對(duì)其決定性的光學(xué)功能進(jìn)行詳細(xì)解釋。
來自所述光源24的光束-就象在圖1a中所示出的一樣-被反射器元件25朝所述反射整體量具10的方向轉(zhuǎn)向或者反射，并且隨后再次以相反的方向貫穿所述載體基片23。然后，部分光束到達(dá)所述反射整體量具10上，并且在那里又朝著所述掃描單元20的方向反射。在所述掃描單元20的側(cè)面上，所述來自反射整體量具10的部分光束最后到達(dá)放置在檢測平面中的檢測器裝置22.1和22.2上，并且在那里在掃描單元20和反射整體量具10進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下產(chǎn)生依賴于移動(dòng)的位置信號(hào)。在出現(xiàn)增量信號(hào)的情況下，通過已解釋的掃描光路以及在此產(chǎn)生的部分光束和所述反射整體量具10的相互作用在檢測平面中產(chǎn)生周期性的條形圖案。在掃描單元20和反射整體量具10進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下，依賴于移動(dòng)地對(duì)該條形圖案進(jìn)行調(diào)制，并且通過所述檢測器裝置22.1以公知的方式轉(zhuǎn)換為多個(gè)相位移動(dòng)的增量信號(hào)，以進(jìn)行進(jìn)一步處理。
就象開頭所表明的一樣，對(duì)所述用于產(chǎn)生增量信號(hào)的掃描原理來說具有決定作用的是，所使用的光源24盡可能布置在檢測平面中。只有在這種情況下才可以保證在檢測平面中產(chǎn)生的周期性條形圖案相對(duì)于相應(yīng)的掃描間隔的不敏感性。關(guān)于這方面的內(nèi)容還要參照下面關(guān)于圖2的解釋。按照現(xiàn)有技術(shù)，要么容忍在檢測平面中出現(xiàn)條形圖案周期的所述波動(dòng)，要么在空穴中設(shè)置中央光源裝置，該空穴被所述檢測器裝置所包圍?，F(xiàn)在，在本發(fā)明第一方案的框架內(nèi)，通過所述掃描光路的巧妙設(shè)計(jì)并且尤其通過所提到的反射器元件25的設(shè)置，來說明這個(gè)疑難問題的作為替代方案的優(yōu)選的解決方案。例如，可以通過將所述反射器元件25集成在掃描光路中這種方式來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，即所述光源24虛擬地安置在檢測平面中，而該光源實(shí)際上或者真正地布置在所述掃描元件20的另一個(gè)位置上，也就是說比如在圖1a和1b中可看出在所述載體基片23的第一側(cè)面或者說上面上。
下面還要借助于在圖2中的示意圖對(duì)這種按本發(fā)明的設(shè)置方案進(jìn)行更加詳細(xì)的解釋。該示意圖以簡化形式示出展開的掃描光路包括在所述按本發(fā)明的位置測量裝置的第一方案中的一些重要的幾何參數(shù)。
在圖2中，在此用M表示具有反射整體量具的平面，用D表示檢測平面，LQ虛擬則表示虛擬光源平面的位置，用RE表示所述反射器元件，LQ表示真實(shí)光源。參數(shù)T1表示已掃描的整體量具的刻度周期，T2表示在所述檢測平面D中產(chǎn)生的周期性條形圖案的刻度周期。通過坐標(biāo)x_LQ虛擬表示虛擬光源在掃描光路中沿著測量方向x的位置，用坐標(biāo)x_LQ真實(shí)表示真實(shí)的光源的位置，就象在圖1a和1b中所解釋的一樣。參數(shù)u就象所展示的一樣代表在虛擬光源平面LQ虛擬和整體量具平面M之間的間距，參數(shù)v則表示在所述整體量具平面M和檢測平面D之間的間距。
在就象這里的情況使用反射光-掃描配置的情況下，在所述檢測平面D中由于常用的幾何考慮按照以下等式(1)得出所產(chǎn)生的條形圖案的周期T2T2＝T1*(u+v)/v (等式1)在u和v可能在實(shí)際上產(chǎn)生波動(dòng)的情況下，也就是說在反射光-系統(tǒng)中出現(xiàn)掃描間隔Δuv的波動(dòng)時(shí)，在已產(chǎn)生的條形圖案的周期中按照以下等式(2)得出由此產(chǎn)生的波動(dòng)ΔT2ΔT2＝T1*Δuv(1-u/v)/v (等式2)其中Δuv＝掃描間隔的變化如果現(xiàn)在滿足條件u＝v，那等式(2)中的項(xiàng)(1-u/v)就變?yōu)榱?，也就是所述在檢測平面D中的條形圖案的周期T2即使在掃描間隔Δuv可能發(fā)生波動(dòng)時(shí)也保持不變，因?yàn)棣2＝0。條件u＝v的滿足在使用反射光-系統(tǒng)的情況下與將光源放置在檢測平面D中這種情況意義相同。
就象現(xiàn)在可從圖2的示意圖中看出的一樣，但是按照按本發(fā)明的位置測量裝置的第一方案，u＝v這個(gè)條件的滿足也可以得到實(shí)現(xiàn)，方法是光源LQ虛擬布置在平面LQ虛擬中，但實(shí)際放置在位置x_LQ真實(shí)中。就象可從圖2中看出的一樣，通過將反射器元件RE安放在所說明的位置上這種方式來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)；由此可以以指定的方式在上面提到的條件下有針對(duì)性地影響參數(shù)u。因?yàn)楝F(xiàn)在再也沒有必要將實(shí)際的光源LQ布置在所述檢測平面D中，所以產(chǎn)生一系列關(guān)于所述光源LQ在所述掃描單元中的布置的自由度。
下面借助于圖3a-3d對(duì)所述反射器元件連同相應(yīng)的光源的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行解釋。這幾張附圖分別以大為簡化的形式示出所述反射器元件及光源在掃描單元中的布置和/或構(gòu)造的不同方案。
圖3a在此示出一種方案，在該方案中，所述反射器元件25與光源24’對(duì)置地在所述載體基片23的第二側(cè)面上集成在該第二側(cè)面中地構(gòu)成。在這種情況下在該實(shí)施例中，所述反射器元件25由衍射的光柵結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。所述光柵結(jié)構(gòu)可以比如是多級(jí)的具有炫耀-結(jié)構(gòu)(Blaze-Struktur)的相陣，或者也可以是理想的炫耀-光柵結(jié)構(gòu)。此外，在圖3a中以虛線示出所述虛擬光源在平面LQ虛擬中的位置，該平面LQ虛擬如愿地與所述檢測平面D重合。
在圖3b中示出了合適的反射器元件的一種作為替代方案的第二實(shí)施方式。下面只是對(duì)與前面的實(shí)施例之間的差別進(jìn)行解釋；在其它方面則為功能相同的元件使用與前面相同的附圖標(biāo)記。
在圖3b中，現(xiàn)在所述反射器元件25’在所述載體基片23的第二側(cè)面上與光源24’對(duì)置地構(gòu)造為具有所期望的光學(xué)作用的折射光學(xué)元件。為此比如在所述載體基片23的這個(gè)位置上，反射鏡可以由合適的涂層所構(gòu)成，該反射鏡具有一種相應(yīng)的光學(xué)反射作用，該反射作用作用于入射到其上面的光束。通常所述相應(yīng)的反射器輪廓在該位置上構(gòu)造為非球面形狀。
在圖3a和3b的兩種實(shí)施例中-與前面的實(shí)施例所不同的是-光源24’相應(yīng)地與所述載體基片23間隔開地布置。
在圖3c和3d中示出其它的方案。這些實(shí)施例僅僅在所述光源24的空間布置及其電氣接觸方面有別于前面兩種方案。因此，現(xiàn)在所述光源24相應(yīng)地直接布置在所述載體基片23上，并且通過示意示出的接觸元件24.1進(jìn)行導(dǎo)電接觸。在圖3c中，所述反射器元件25在所述載體基片23的底面上又構(gòu)造為衍射光柵結(jié)構(gòu)，在圖3d中所述反射器元件25’是折射光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有所期望的光學(xué)作用。
在圖3c和3d的這兩種實(shí)施例中，所述載體基片23因此除其光學(xué)功能以外還相應(yīng)地分別承擔(dān)對(duì)所述光源24進(jìn)行定位和接觸這樣的任務(wù)。在而后可能的對(duì)所述光源24進(jìn)行Flip-Chip-接觸(倒裝芯片-接觸)的情況下，不僅省去在安裝時(shí)的成本很高的校準(zhǔn)，而且省去使用單獨(dú)的光源-載體基片的必要性。
下面借助于圖4a和4b對(duì)按本發(fā)明的位置測量裝置的第一方案的另一種作為替代方案的實(shí)施方式進(jìn)行解釋。與在圖1a和1b中的示意圖相類似，圖4a和4b也示出大為簡化的關(guān)于掃描光路的剖面圖以及所述掃描單元200的俯視圖。以下僅僅對(duì)那些與圖1a和1b所示實(shí)施例之間的決定性區(qū)別進(jìn)行解釋。
與上述實(shí)施例相類似，在所述掃描單元200的側(cè)面上設(shè)置了載體板210，在該載體板210上放置了具有兩個(gè)檢測器裝置221和222的檢測器單元220。與上述實(shí)施例所不同的是，所述布置在該檢測器單元220上面的透明的載體基片230現(xiàn)在設(shè)有明顯更大的表面，并且在很大程度上蓋住所述檢測器裝置221、222或者說檢測器單元220。由此保證更好地防止所述檢測器單元220遭受機(jī)械損壞。
與上述實(shí)施例所不同的是，此外在本實(shí)施方式中尤其對(duì)所述檢測器裝置221、222進(jìn)行了電接觸。在這種情況下，所述載體基片230也用于與所述檢測器裝置221、222進(jìn)行電接觸。為接觸所述光源240，與第一實(shí)施例相類似，相應(yīng)的接觸-導(dǎo)體電路241在所述載體基片230的上面上延伸，并且在接觸通道中終止于該載體基片230的邊緣區(qū)中。與所述第一實(shí)施例相反，在此通過其它的、在所述載體基片230的底面上的、處于所述載體基片230和檢測器單元220之間的接觸-導(dǎo)體電路223來對(duì)所述檢測器裝置221、222或者說檢測器單元進(jìn)行電接觸。因而為接觸所述檢測器裝置221、222，與上述實(shí)施例所不同的是，沒有使用任合鍵合導(dǎo)線，而是使用在所述載體基片230的底面上的、平坦布置的接觸-導(dǎo)體電路241、223。在制造該結(jié)構(gòu)單元時(shí)這能夠使用公知的Flip-Chip-接觸法。
在其它方面，原理上的光學(xué)結(jié)構(gòu)與上述實(shí)施例相同。尤其在所述載體基片230的第二側(cè)面或者說底面上的反射器元件250的光學(xué)功能與圖1a和1b所示相應(yīng)反射器元件的功能相符。
下面借助于圖5a、5b和6對(duì)按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案進(jìn)行解釋。在此，圖5a和5b又示出用于解釋所述掃描光路的剖面圖和所使用的掃描單元的俯視圖；借助于圖6a和6b對(duì)第二方案的特定幾何情況進(jìn)行解釋。
在所述第一方案中對(duì)在掃描光路中設(shè)置反射器元件的情況進(jìn)行了解釋，借助于該設(shè)置方案可以虛擬地將所述光源的位置移動(dòng)到所述檢測平面中。所期望的獨(dú)立性尤其所述增量掃描與掃描間隔的獨(dú)立性由此得到保證。但現(xiàn)在存在具有特定的預(yù)先設(shè)定的幾何邊界條件的布局，在這些邊界條件中盡管使用了反射器元件但光源的虛擬光點(diǎn)沒有位于檢測平面中，而是位于檢測平面的前面。以下所解釋的按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案在檢測側(cè)面上提供了解決方案，用于通過在掃描光路中所采取的有針對(duì)性的光學(xué)措施來確保所述光源的虛擬光點(diǎn)或者說虛擬光源位于所述檢測平面中。
在圖5a和5b中又一次非常簡化地示出一種適合用于解決該疑難問題的位置測量裝置。按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案基于所述在圖1a和1b中所示出的方案。以下僅僅對(duì)作為第一方案的附加部分的措施進(jìn)行解釋。
例如為保證所述虛擬光源-光點(diǎn)在檢測平面中的位置，在所述檢測器裝置321、322的上方布置光學(xué)透射元件360。所述透射元件360是具有特定的光學(xué)特性(厚度d，折射率n)的平面平行的玻璃板，并且在該實(shí)施例中完全蓋住相應(yīng)的檢測器裝置321、322。
所述掃描單元300以及反射整體量具100的其它結(jié)構(gòu)分別相當(dāng)于圖1a和1b所示的結(jié)構(gòu)。
因此，在按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案中，作為在所述載體基片330的底面上設(shè)置反射器元件350這一方式的補(bǔ)充還至少在所述用于產(chǎn)生增量信號(hào)的檢測器裝置321上布置光學(xué)透射元件360，以便確保所述虛擬光源在檢測平面中的所期望的位置。在此應(yīng)該指出，這些附加措施原則上也可以在不采取最先提到的關(guān)于所述反射器元件的措施的情況下使用。這也就是說，在特定的幾何邊界條件下僅僅采取這些措施并且放棄按所述第一方案布置所述反射器元件這種做法就足已解決問題。在這種情況下而后僅僅將適當(dāng)?shù)剡x出的光學(xué)透射元件布置在掃描光路中，比如以平面平行的玻璃板的形式布置在所述檢測器裝置的上方。
為了對(duì)所述第二方案以及對(duì)因所述透射元件額外產(chǎn)生的作用于所述掃描光路的光學(xué)作用進(jìn)行詳細(xì)解釋，在此參照?qǐng)D6a和6b。圖6a又以簡化的形式示出了展開的掃描光路包括不同的重要幾何參數(shù)；圖6b則示出圖6a的一個(gè)截取部分。
如果在所述檢測器裝置的被照亮的表面(大的光束擴(kuò)展)和掃描間隔之間存在一種不利的比例關(guān)系，那么原則上來講在所述掃描配置上會(huì)出現(xiàn)問題，這些問題要求采取按第二方案的解決方案。例如在此會(huì)出現(xiàn)這種情況，即所述光源的虛擬光點(diǎn)并非如愿地處于檢測平面中，而是在位于檢測平面的前面。
借助于圖6a和6b，對(duì)這個(gè)疑難問題以及對(duì)所述按照本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案為解決該疑難問題所采取的措施進(jìn)行詳細(xì)解釋。
由真實(shí)的(點(diǎn))光源在平面LQ真實(shí)中的位置x_LQ真實(shí)上發(fā)出的光束首先通過一個(gè)擴(kuò)展鏡頭AO進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展。該擴(kuò)展鏡頭AO通常是光學(xué)透射元件比如透鏡，并且具有厚度D和折射率n1。在此示出所發(fā)出的光束的光線，該光線在擴(kuò)展鏡頭AO的界面上進(jìn)入和出來時(shí)分別得到所期望的折射形式的光學(xué)作用，并且如在圖6a中所示出的一樣以角度α(在射束擴(kuò)展的情況下)離開所述擴(kuò)展鏡頭AO。所述虛擬光點(diǎn)的位置x_LQ虛擬就象通過透射的輸出光束的用虛線示出的向后的延長線所表示的，按照放置在所述擴(kuò)展鏡頭AO中的方式產(chǎn)生于平面LQ虛擬中；這個(gè)平面相對(duì)于在所述擴(kuò)展鏡頭AO的內(nèi)部的入口界面偏置了數(shù)值x1。
所述間距u又表示在所述整體量具M(jìn)和虛光源平面LQ虛擬之間的間距。因而從所述整體量具的側(cè)面看，所述虛擬光點(diǎn)以角度α出現(xiàn)。
就象上面多次提到的一樣，在此致力于使參數(shù)u和v相同，也就是說u＝v。用文字表達(dá)這就意味著，通過選擇使得所述在虛光源平面LQ虛擬和整體量具M(jìn)之間的間距與在整體量具M(jìn)和檢測平面之間的間距相同。
因?yàn)樗鑫恢脺y量裝置是反射光-系統(tǒng)，所以u(píng)＝v這一要求就產(chǎn)生這樣的結(jié)果，即所述檢測平面因此似乎位于所述擴(kuò)展鏡頭AO的內(nèi)部。但在那里無法放置真實(shí)的檢測器裝置。
因此為解決該疑難問題，在按本發(fā)明的位置測量裝置的第二方案中將所述檢測平面虛擬地布置在所期望的位置中，也就是說布置在虛擬檢測平面D虛擬中；而實(shí)際上當(dāng)然將所述檢測器裝置放置在一個(gè)合適的真實(shí)的檢測平面D真實(shí)中。所述虛擬檢測平面D虛擬就象在圖6a中所表示的一樣離開真實(shí)的檢測平面D真實(shí)間距x2地布置。為了將所述虛擬檢測平面D虛擬置于所要求的位置中，現(xiàn)在在掃描光路中布置了一個(gè)具有厚度d和折射率n2的光學(xué)透射元件OT，從而在其上面產(chǎn)生一種指定的作用于所述掃描光路的光學(xué)作用。
在圖6b中示出了所述透射元件OT的光學(xué)作用的放大示意圖，尤其示出由此產(chǎn)生的用于透射的光束的偏轉(zhuǎn)作用。
下面借助于圖6a和6b對(duì)所述透射元件OT的光學(xué)作用以及關(guān)于該透射元件OT的設(shè)計(jì)方案的思路進(jìn)行詳細(xì)解釋。在此致力于將所述虛擬檢測平面D虛擬置于同樣虛擬的光源平面L虛擬中。所述虛擬光源平面L虛擬處于與所述擴(kuò)展鏡頭的表面相隔間距x1的地方。由此產(chǎn)生這樣的要求，即必須選擇x2＞x1，如果要將所述檢測器裝置真實(shí)地放置在所述擴(kuò)展鏡頭AO或者說透射元件OT的外部。
就象可從圖6b中看出的一樣，所述真實(shí)的在透射元件OT外部到檢測器裝置的光路和所述(用虛線表示的)到處于位置x_D虛擬上的虛擬檢測器裝置的光路之間的區(qū)別基本上在于對(duì)在真實(shí)的光路的情況下在入口界面上產(chǎn)生的折射的考慮；在虛擬光路的情況下則如圖所示未對(duì)所述折射加以考慮。
原則上下列等式適用于在入口界面上的真實(shí)的光路sinα＝n2*sinβ (等式3.1)此外，以下幾何關(guān)系適用于在圖6b中所示出的狀況tanα＝y(tǒng)/x3 (等式3.2)tanβ＝y(tǒng)/(x3+x2)(等式3.3)由此得出x3＝x2*tanβ/(tanα-tanβ) (等式3.4)在考慮到上面提到的要求x2＞x1的情況下，由此作為選擇參數(shù)d也就是所述透射元件OT的厚度的最低條件產(chǎn)生d＝x2+x3＝＝x1*(1+tanβ/(tanα-tanβ)) (等式3.5)通過對(duì)在掃描光路中的透射元件OT的厚度d的相應(yīng)選擇，可以由此如愿地調(diào)節(jié)所述虛擬檢測平面的位置，用于在掃描時(shí)確保所爭取得到的優(yōu)點(diǎn)。
就象可從圖5a和5b中看出的一樣，相應(yīng)設(shè)計(jì)的具有合適厚度d的光學(xué)透射元件是平面平行的玻璃板，所述玻璃板布置在(真實(shí)的)檢測器裝置的上方。
除此以外，所述光學(xué)透射元件在按本發(fā)明的位置測量裝置的該方案中也還可以設(shè)有其它的在光學(xué)上起作用的結(jié)構(gòu)，比如設(shè)有光柵結(jié)構(gòu)或透鏡結(jié)構(gòu)，用于對(duì)可能出現(xiàn)的像差進(jìn)行校正。此外，還可以通過所述元件來確保光僅僅垂直地入射到所述檢測器裝置上并且由此可以避免在相鄰的檢測器元件之間由于傾斜的光入射而出現(xiàn)的不受歡迎的串?dāng)_。
除了至此所解釋的方案和實(shí)施例以外，在本發(fā)明的框架內(nèi)當(dāng)然還有其它作為替代方案和補(bǔ)充方案的設(shè)計(jì)方案。
比如可以用一種合適的澆注材料完全將相應(yīng)地放置在載體基片的上面上的光源包圍，并且由此可靠地防止該光源在工作中遭受可能的損壞。
在所述載體基片的上面和底面上，除了所述反射器元件之外還可以構(gòu)造其它在光學(xué)上起作用的局部區(qū)域，用于在需要的情況下影響所述掃描光路。在這種情況下，所述局部區(qū)域可以是其它衍射結(jié)構(gòu)或者說光柵，或者也可以是其它折射結(jié)構(gòu)或者說反射器。優(yōu)選這些結(jié)構(gòu)全部僅僅布置或者說構(gòu)造在所述載體基片的一個(gè)側(cè)面上比如底面上。
如果按照在圖4a和4b中的實(shí)施例所述載體基片通過Flip-Chip-接觸與所述檢測器單元進(jìn)行電連接，那么可以在中間空隙中布置合適的填料或者說一種所謂的底層填料，所述底層填料在載體基片中保護(hù)構(gòu)造在底面上的在光學(xué)上起作用的結(jié)構(gòu)等等。
權(quán)利要求
1.用于檢測掃描單元與相對(duì)于該掃描單元在至少一個(gè)測量方向上移動(dòng)的反射整體量具之間的相對(duì)位置的位置測量裝置，其中所述掃描單元包括光源以及在檢測平面中的檢測器裝置，其特征在于，此外在所述掃描單元(20；200)中在掃描光路中布置至少一個(gè)反射器元件(25；25’；250；RE)，該反射器元件具有作用于所述掃描光路的光學(xué)作用，使得一方面在虛擬光源和所述反射整體量具(10；100)之間的間距(u)與另一方面在所述反射整體量具(10；100)和所述檢測平面(D)之間的間距(v)相同，由此將所述光源(24；240)虛擬地布置在所述檢測平面(D)中。
2.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述反射器元件(25；25’；250；RE)布置在所述光源(24；240)和反射整體量具(10；100)之間。
3.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述反射器元件(25；25’；250；RE)是折射光學(xué)元件。
4.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，所述反射器元件(25；25’；250；RE)是衍射光學(xué)元件。
5.按前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于，所述掃描單元(20；200)包括透明的載體基片(23；230)，-在該載體基片的朝向所述反射整體量具(10；100)的第一側(cè)面(上面)上布置所述光源(24；240)并且-在該載體基片的背向所述反射整體量具(10；100)的第二側(cè)面(底面)上布置所述反射器元件(25；25’；250；RE)。
6.按權(quán)利要求5所述的位置測量裝置，其特征在于，所述光源(24；24’)的發(fā)光表面朝所述載體基片(23；230)的第一側(cè)面的方向布置，并且所述光源(24；240)朝所述載體基片(23；230)的第二側(cè)面的方向發(fā)出光線。
7.按權(quán)利要求5所述的位置測量裝置，其特征在于，所述反射器元件(25；25’；250；RE)是集成在所述載體基片(23；230)的第二側(cè)面中的光學(xué)元件。
8.按權(quán)利要求5所述的位置測量裝置，其特征在于，所述具有光源(24；240)以及反射器元件(25；25’；250；RE)的載體基片(23；230)布置在具有至少一個(gè)檢測器裝置(22.1、22.2；221、222)的檢測器單元(22；220)上面，其中所述檢測器單元(22；220)布置在所述掃描單元(20；200)中的載體板(21；210)上。
9.按權(quán)利要求8所述的位置測量裝置，其特征在于，所述載體基片(23)占據(jù)比檢測器單元(22)更小的面積，并且布置在所述檢測器單元(22)的中央局部區(qū)域中，而沒有完全蓋住所述檢測器裝置(22.1、22.2)，從而所述檢測器單元(22)在沒有被所述載體基片(23)所覆蓋的區(qū)域中通過鍵合導(dǎo)線(22.3)與所述載體板(21)中的導(dǎo)體電路導(dǎo)電連接。
10.按權(quán)利要求9所述的位置測量裝置，其特征在于，在所述載體基片(23)上的光源(24)通過鍵合導(dǎo)線(24.1)與所述檢測器單元(22)中的導(dǎo)體電路導(dǎo)電連接。
11.按權(quán)利要求8所述的位置測量裝置，其特征在于，所述載體基片(230)部分覆蓋所述檢測器單元(220)上的所述至少一個(gè)檢測器裝置(221；222)，其中為對(duì)所述檢測器裝置(221、222)進(jìn)行電接觸在所述載體基片(230)的第二側(cè)面和檢測器裝置(221、222)之間布置接觸-導(dǎo)體電路(223)。
12.按權(quán)利要求11所述的位置測量裝置，其特征在于，所述在載體基片(230)上的光源(240)通過載體基片(230)上的接觸-導(dǎo)體電路與檢測器單元(220)中的導(dǎo)體電路導(dǎo)電連接。
13.用于檢測掃描單元與相對(duì)于該掃描單元在至少一個(gè)測量方向上移動(dòng)的反射整體量具之間的相對(duì)位置的位置測量裝置，其中所述掃描單元包括光源以及在檢測平面中的檢測器裝置，其特征在于，此外在所述掃描單元(300)中在掃描光路中布置至少一個(gè)光學(xué)透射-元件(360)，該透射-元件具有作用于所述掃描光路的光學(xué)作用，使得一方面在所述光源(340)和所述反射整體量具(100)之間的間距(u)與另一方面在所述反射整體量具(100)和在虛擬檢測平面(D虛擬)中的檢測器裝置(321、322)之間的間距(v)相同，從而在所述掃描單元(300)和反射整體量具(100)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下在所述虛擬檢測平面(D虛擬)中產(chǎn)生依賴于移動(dòng)地調(diào)制的條形圖案。
14.按權(quán)利要求13所述的位置測量裝置，其特征在于，所述光學(xué)透射元件(360)在掃描光路中布置在所述反射整體量具(100)和檢測器裝置(321、322)之間。
15.按權(quán)利要求13所述的位置測量裝置，其特征在于，所述光學(xué)透射元件(360)是折射光學(xué)元件。
16.按權(quán)利要求15所述的位置測量裝置，其特征在于，所述光學(xué)透射元件(360)是平面平行的具有指定厚度(d)的玻璃板。
17.按權(quán)利要求13-16中至少一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于，所述掃描單元(300)包括載體板(310)，在該載體板(310)上布置了具有至少一個(gè)檢測器裝置(321、322)的檢測器單元(320)，其中在所述檢測器裝置(321、322)上布置所述光學(xué)透射元件(360)。
18.按權(quán)利要求13-17中至少一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于，所述光學(xué)透射元件設(shè)有光學(xué)元件，這些光學(xué)元件確保光僅僅垂直入射到所述檢測器裝置上。
19.按前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于，所述光源(24、240、340)是點(diǎn)光源。
20.按前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于，所述掃描單元(20、200、300)包括至少兩個(gè)檢測器裝置(22.1、22.2、221、222、321、322)，其中第一檢測器裝置(22.1、221、321)適合于對(duì)依賴于移動(dòng)的增量信號(hào)進(jìn)行檢測，并且第二檢測器裝置(22.2、222、322)適合于對(duì)絕對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行檢測。
21.按前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的位置測量裝置，其特征在于，所述檢測器裝置(22.1、22.2、221、222、321、322)是檢測器陣列，該檢測器陣列包括單個(gè)的檢測器元件，所述檢測器元件彼此相鄰地沿測量方向(x)布置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測掃描單元與相對(duì)于該掃描單元在至少一個(gè)測量方向上移動(dòng)的反射整體量具的相對(duì)位置的位置測量裝置。掃描單元包括光源以及檢測平面中的檢測器裝置。此外在掃描單元的第一方案中，在掃描光路中布置至少一個(gè)光學(xué)反射器元件，該反射器元件有作用于所述掃描光路的光學(xué)作用，使得在虛擬光源和反射整體量具之間的間距與在反射整體量具和檢測器裝置/檢測平面之間的間距相同。在第二方案中，此外在掃描單元中還在掃描光路中布置至少一個(gè)光學(xué)透射元件，該透射元件具有作用于掃描光路的光學(xué)作用，使得在光源和反射整體量具之間的間距與在反射整體量具和虛擬檢測平面中的檢測器裝置之間的間距相同。
文檔編號(hào)G01R31/26GK101067560SQ200710102328
公開日2007年11月7日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月5日
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