專利名稱：位置測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種位置測量裝置，其用于在至少兩維(X和Y) 中測量物體相對于工具的相對位置。
背景技術：
這種位置測量裝置例如可以應用于晶片光刻檢驗機，其中光 學的、電子光學的或者離子光學的顯微鏡必須一夂常精確地在硅晶 片上定位。晶片就是該物體，而顯微鏡是該工具。但除了顯微鏡 之外也可以將其它任意傳感器和加工工具作為工具來使用。應用 領域包括了相當普遍的各種高精度的、(至少)兩維的定位。
對于高精度地測量一維的位置來說，通常應用位置測量裝置 或者編碼器，其光學地掃描光柵刻度尺并在此產(chǎn)生增加的正弦信 號和余弦信號。這些信號內插在評估電子裝置中，從而產(chǎn)生非常 小的測量步驟(Messschritt),該步驟僅相當于多 一個信號段的極小 部分。在此，毫微米的極小部分的測量步驟是完全可以實現(xiàn)的。
在X和Y方向上的兩維的位置確定的情況下，經(jīng)常應用兩個 -波此垂直布置地、 一維的移位單元，其分別配備有一維的編碼器。 在此迄今為止不可能的是遵守所謂的阿貝原理，從而由于傾斜 誤差在線性可I導裝置(LinearfUehrungen)中產(chǎn)生測量誤差。阿貝原 理要求各個測量系統(tǒng)同軸于移位方向耳又向，而在該方向上應該 進行測量。通常阿貝距離、也就是說在編碼器的測量軸與工具的 中心(在下面稱為工具中心點TCP)之間的距離是顯著的。編碼器的測量軸根據(jù)在此應用的確定穿過編碼器的有效的測量點沿著 測量方向延伸。但是，線性引導裝置的直線性偏差也導致了測量 誤差，該誤差并不由編碼器檢測到。兩個誤差影響是僅部分地能 再現(xiàn)的，以至于機器校準通常也不能提供所需要的精度?；趯?br> 向偏差的、典型的不可再現(xiàn)性處于100nm的范圍中。
出于這些原因，現(xiàn)在為高精度的、兩維定位而采用了平面鏡 -激光干涉儀。兩個平面鏡-激光干涉儀的彼此垂直的測量軸被對 應于阿貝條件這樣布置，即它們在位置固定的TCP中相交。這樣 測得了 XY坐標臺的所有導向偏差并因此不再有對于精度的顯著 影響。在空氣中被操縱的激光干涉儀當然也具有缺點空氣折射 率的波動導致了顯著的測量誤差。因此，在30cm的空氣間隙中 即使在有利的實驗室條件下也要考慮到20nm至50nm的誤差。 這對于數(shù)量增加的、精度要求為l-10nm的應用來說是不夠的。
DE25 21 618描述了一種兩個交叉的刻度尺的布置，這兩個 刻度尺在交叉點中被光學地掃描。其中一個刻度尺承載了所謂的 縱向刻度，也就是說具有平行于刻度尺面的窄邊的光柵線的光 柵。第二刻度尺配有橫向刻度，也就是說平行于刻度尺面的長邊 延伸的光柵線。通過縱向刻度和橫向刻度的垂直的布置，光柵線 彼此平行豎立，從而可以使用合適的掃描光學裝置在交叉點中測 得相對位置。
為了根據(jù)阿貝條件測得位置，使縱向刻度在XY平面中對齊 于TCP并且如TCP —樣是位置固定的。在XY坐標臺上固定橫 向刻度。第二測量方向測得第二對垂直布置的縱向刻度和橫向刻 度，其總刻度在XY平面中同樣也指向于TCP。兩個掃描光學裝 置必須分別沿著縱向刻度移位，以便始終能夠在交叉點上掃描。 然而，DE2521618沒有公開合適的掃描光學裝置，也沒有給出提示，即掃描光學裝置應該如何沿著縱向刻度引導。在更精確地觀
察的情況下，阿貝距離僅僅在XY平面中成為零，但是阿貝距離 在Z方向上仍為不等于零，這是因為刻度(DE2521618的圖2中 的參考標號3和8)以及物體(DE2521618的圖2中的參考標號6) 布置在不同的Z位置上。因此，坐標臺的圍繞X軸或Y軸的傾 斜進一步導致了測量誤差。
在EP 1 734 394 Al中公開了對于這種測量裝置的其它細節(jié)。 例如描述了用于掃描頭沿著縱向刻度的必需的引導裝置的實施 方式。在該文獻中也沒有描述合適的掃描光學裝置。在Z方向上 的阿貝距離沒有被考慮到，正如由該文獻的圖3可以看到的那樣。
在WO 2007/034379 A2中描述了用于這種位置測量裝置的不 同的掃描光學裝置，以便在這種裝置中掃描縱向刻度和橫向刻 度。在此，在Z方向上的阿貝距離也未描述和考慮到，或者說被 降到最小。提出的掃描光學裝置在更精確的分析的情況下幾乎不 適合于測量任務，這是因為掃描光學裝置的有效的測量點(其在下 面稱為編碼器的中性旋轉點(NP))不能在Z方向上與物體調平。用 于中性旋轉點的位置的分析方法將在下面進一 步描述并導致了 下述的結果。掃描光學裝置的中性旋轉點才艮據(jù)WO 2007/034379 A2的圖5或6位于參考標號為5的光柵的上方遠處，大約為標 號為5的第一個光^"與標號為4的光柵的距離。在才艮據(jù)所描述的 裝置(WO 2007/034379 A2的圖3)的掃描的情況下，由此強制地給 出在Z方向上的顯著的阿貝距離。根據(jù)WO 2007/034379 A2的圖 8的掃描光學裝置在標號為4的光柵的高度上具有中性旋轉點。 由于標號為7的鏡子在Z方向上超出隨后必然最佳為物體平面的 光柵平面，因此該裝置與工具和物體之間的通常很小的距離不相 適合，這是因為工具和標號為7的鏡子彼此阻擋。相類似地也適合于在WO 2007/034379 A2中根據(jù)圖9和10的掃描光學裝置。 根據(jù)WO 2007/034379 A2的圖11和12的掃描光學裝置的中性旋 轉點位于參考標號為4的光柵的下方遠處，大約為標號為4的光 柵與標號為5的光柵的距離。中性旋轉點與物體的Z位置的調平 在此同樣也是不可能的。
EP 1 734 394Al和WO 2007/034379 A2專門描述了用于這種 位置測量裝置的掃描光學裝置，其在具有縱向刻度的固定刻度尺 上方布置和移動。
在未預先公開的EP 1 837 630 Al中最后描述了用于掃描縱 向刻度和橫向刻度的其它掃描光學裝置。在該文獻的各種不同的
于測量物體的相對位置的提示。作為擴充，在此描述了一種在坐 標臺的至少3個位置上的、在Z方向上的額外的測量，從而測得 坐標臺的所有6個自由度。圍繞坐標臺的主移動軸線X和Y的傾 斜Rx和Ry的校正由此可以通過相應的數(shù)字式的信號處理來實 施。然而這對于額外的傾斜Rx和Ry的測量來說需要明顯更多的 投入，其僅在成本非常高的機器、例如晶片分檔器中才是完全合 理的。Rx傾斜和Ry傾斜的額外的測量在此是必需的，這是因為 這種傾斜必需通過在運行中的自身的促動器來改變。對于大多數(shù) 其它的應用來說，例如在晶片光刻檢驗機中，不會應用Rx促動 器和Ry促動器，從而基本上可能省卻其測量。然而在這種情況 下又保留了中性旋轉點在Z軸線方向上的并不理想的位置。
所才笨討的文獻DE 25 21 618、 EP 1 734 394 Al 、 WO 2007/034379 A2和EP 1 837 630 Al分別在具有位置固定的TCP 的機器方案上受到限制。它們沒有給出提示，即具有移動的TCP 的其它的機器方案如何能夠通過交叉的縱向刻度和橫向刻度得到改進。
此外，位置測量裝置或者編碼器的內插精度必須被考慮至'-
向刻度沿著光柵線移動。通過光柵公差的信號干擾導致了內插誤 差，其不能通過電子補償方法來得到補償，這是因為這種補償方 法對于足夠的誤差校正來說始終需要信號的相移并且因此也需 要在測量方向上的移動分量。

發(fā)明內容
通過本發(fā)明應該給出一種用于至少兩維定位的位置測量裝 置，其確保了與來自現(xiàn)有技術的已知的系統(tǒng)相比明顯更高的精 度。在此特別應該給出用于這種位置測量裝置的掃描光學裝置， 其允許了，將阿貝距離在Z方向上也減小到零。
該目的通過一種根據(jù)權利要求1所述的位置測量裝置來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的有利的實施方式由從屬權利 要求中得出。
根據(jù)本發(fā)明的、用于測量物體相對于工具的相對位置的位置
測量裝置，其中工具具有工具中心點，所述位置測量裝置包括 至少兩個交叉布置的并且在至少一個移動平面中可以相對彼此 移動的刻度尺；以及所配屬的光學的掃描單元，其產(chǎn)生用于平行 于移動平面的至少一個測量方向的位置信號。每個刻度尺具有中 性旋轉點，以便各個刻度尺的圍繞該中性旋轉點的傾斜不會引起 所測得位置的改變。通過掃描光學裝置確保了兩個刻度尺的中 性旋轉點的位置相 一致。通過刻度尺相對于工具中心點的布置確 保了 兩個刻度尺的中性旋轉點與工具中心點處于一個平行于移
，因此橫動平面的平面中。
在一個可能的實施例中，掃描光學裝置包括下面的部分 -空間固定地布置的刻度尺，所述刻度尺具有刻度， -相對于空間固定地布置的刻度尺可移動地和交叉地布置的刻度 尺，其具有刻度，以及
-掃描單元，其中可移動刻度尺布置在空間固定的刻度尺下方， 并且在可移動刻度尺的下方布置有掃描單元，從而使兩個刻度尺 的中性旋轉點處于在兩個刻度尺之間的區(qū)域中或者處于可移動 刻度尺上。
特別有利的是中性旋轉點與垂直于移動平面的工具中心點 的位置偏差小于lmm。
優(yōu)選地，可移動刻度尺的刻度裝設在這樣的刻度尺側上，即 所述刻度尺側朝向空間固定的刻度尺。
在此特別有利的是可移動刻度尺的刻度和工具中心點布置
在平行于移動平面的平面中。
在一個有利的實施方式中，可移動刻度尺的刻度構造為透射 光刻度(Durchlichtteilung)。
掃描單元的一個可能的實施變體包括光源以及至少一個光 電元件，其這樣來布置，即，使得
-由光源發(fā)出的光束在撞擊位置處射到可移動刻度尺的刻度上， 在那里實現(xiàn)了分離為多個部分光線束，
-分離的部分光線束隨后撞擊到空間固定的刻度尺的刻度上，在 那里實現(xiàn)在可移動刻度尺的方向上的向后反射，在此向后反射的 部分光線束在可移動刻度尺的刻度上的匯合位置上重疊并進行 干涉，
-從可移動刻度尺的刻度上的匯合位置在至少一個空間方向上射出光束，其到達掃描單元中的至少一個光電元件上，在那里產(chǎn)生 取決于移位調制的光電 流。
在此，掃描單元也可以包括多個光電元件并且在可移動刻度 尺的刻度上、在匯合位置處射出在不同的空間方向上的多個光 束，所述光束到達多個光電元件上，在此產(chǎn)生多個取決于移位調 制的、相移的光電 流o
已證明為特別有利的是可移動刻度尺的刻度構造為具有 l/3*dm線寬和120°相位高度(Phasenhoehe)的相柵，其中dm給 出了可移動刻度尺的刻度的刻度段(Teihmgsperiode),從而在光電 元件上產(chǎn)生了相移為120°的相移的光電流。
在根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的一個可能實施方式中，空間 固定的刻度尺的刻度構造為反射刻度。
在此有利的是從光源中射出的光束的照射角度小于20。。
在另一個實施方式中，空間固定的刻度尺具有刻度和至少一 個反射器元件，其這樣來布置，即，使得
-分離的部分光線束射到空間固定的刻度尺的刻度上，所述刻度使 部分光線束沿測量方向偏向并橫向于測量方向聚焦， -隨后，部分光線束通過至少一個反射器元件來反射， -以及又到達空間固定的刻度尺的刻度上，所述刻度又使部分光線 束沿測量方向重新偏向并又橫向于測量方向準直，從而所述部分 光線束在可移動刻度尺的方向上向后反射。
在此，優(yōu)選地空間固定的刻度尺的刻度構造為衍射結構，所 述衍射結構顯示了沿測量方向偏向的光柵和橫向于測量方向聚 焦的、衍射的柱狀透鏡的重疊。
在另一個實施方式中，空間固定的刻度尺包括刻度和棱鏡， 其中入射到空間固定的刻度尺上的部分光線束首先射到空間固定的刻度尺的刻度上，所述刻度使部分光線束沿測量方向偏向， 隨后，部分光線束通過棱鏡反射并且又到達空間固定的刻度尺的 刻度上，所述刻度又〗吏部分光線束沿測量方向偏向，乂人而使所述 部分光線束沿可移動刻度尺的方向向后反射。
在此，優(yōu)選地將棱鏡構造為90°的屋脊棱鏡。
在另 一個實施方式中，將空間固定的刻度尺的刻度構造為背 面-反射刻度。
在另一個實施方式中，掃描單元包括光源以及至少一個光電
元件，其這樣來布置，即，使得
-由光源發(fā)出的光束在分離位置上射到可移動刻度尺的刻度上，在 此分離為多個部分光線束，
-分離的部分光線束隨后撞擊到空間固定的刻度尺的刻度上，在此 沿可移動刻度尺的方向向后反射，在此向后反射的部分光線束與 分離位置偏置地射到可移動刻度尺的刻度上，所述部分光線束沿 測量方向偏向并且垂直于測量方向聚焦，以^更在可移動刻度尺的 反射器上的反射后又通過所述刻度衍射，最后在空間固定的刻度 尺的刻度上相對于匯合位置另 一次衍射后，到達可移動刻度尺的 刻度上，在其處沿至少一個空間方向射出光束，所述光束到達掃 描單元中的至少 一個光電元件上，在此產(chǎn)生取決于移位調制的光 電流。
此外可能的是空間固定的刻度尺和可移動刻度尺的刻度的 刻度線傾斜于相應刻度尺的外邊緣低于45°地布置。


本發(fā)明的其它細節(jié)和優(yōu)點借助下面與附圖相關對實施例的 描述而闡述。其示出圖1根據(jù)現(xiàn)有技術示出了位置測量裝置在XY坐標臺上的布
置，
圖2示出了在具有反射刻度的刻度尺處對稱衍射的情況下， 中性旋轉點NPm的位置，
圖3示出了中性旋轉點NPm和NPf的最佳Z-位置，
圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第一實施例的掃 描光學裝置的正視圖，
圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第一實施例的掃 描光學裝置的橫向視圖，
圖5示出了圖4a、 4b中的掃描光學裝置的透視圖，
圖6示出了根據(jù)圖4a、 4b和5所示的位置測量裝置在XY坐 標臺上的布置的透視圖，
圖7a示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第二實施例的掃 描光學裝置的正視圖， '
圖7b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第二實施例的掃 描光學裝置的橫向視圖，
圖8a示出了用于說明才艮據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第二實
圖8b示出了用于說明才艮據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第二實 施例的具有后向反射器作用的刻度尺的偏向作用的詳細橫向視 圖，
圖9示出了在根據(jù)圖7a、 7b、 8a、 8b中所示的根據(jù)本發(fā)明的 位置測量裝置中的構造為后向反射器刻度的刻度的結構的詳細 視圖，
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第三實施例的掃 描光學裝置的透視圖，圖1 la示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第四實施例的掃 描光學裝置的正視圖，
圖lib示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第四實施例的掃 描光學裝置的橫向視圖，
圖12a示出了另一正視圖，以用于說明根據(jù)圖lla和lib中 所示的刻度尺的偏向作用，
圖12b示出了另一正視圖，以用于說明根據(jù)圖lla和lib中 所示的刻度尺的偏向作用，
圖13a示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第五實施例的掃 描光學裝置的正視圖，
圖13b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第五實施例的掃 描光學裝置的橫向視圖。
具體實施例方式
圖1根據(jù)現(xiàn)有技術示出了可沿X-方向和Y-方向移動的XY 坐標臺Ch的已知布置，所述XY坐標臺具有兩個位置測量裝置 或者編碼器Ex和Ey,這例如在所述的DE 25 21 618中已知。處 于XY坐標臺Ch上的物體Ob要相對于工具T利用其TCP來定 位。對此，這兩個位置測量裝置Ex和Ey確定坐標臺Ch在其移 動平面XY中的X-位置或Y-位置。X-編碼器Ex或X-位置測量 裝置包括具有刻度Gfk(構造為縱向刻度)的位置固定刻度尺 Mfx;具有刻度Mmx(構造為橫向刻度)的、在XY坐標臺Ch上固 定的并且進而被移動的刻度尺Mm;以及掃描單元AEx。掃描單 元AEx僅能沿X-方向移位，且隨著所述XY坐標臺Ch的X-位 置移動，這就是說，與纟皮移動的刻度尺Mm的X-位置一起移動。 由此掃描單元AEx可以掃描在交叉區(qū)域中的兩個刻度M&和Mmx。 Y-編碼器Ey或者Y-位置測量裝置類似地包括部件Mfy、Mmy和AEy,其中掃描單元AEy僅能沿Y-方向移位并且隨著XY坐標臺Ch的Y-位置一起移動。由于清楚的原因，在圖1中沒有示出如線性電機或平面電機等驅動部件以及導向元件。
下面借助圖2-13b闡述了根據(jù)本發(fā)明改良的位置測量裝置、特別是其各個掃描光學裝置。在此應用與上述現(xiàn)有技術一致的術語。
為了可以沿Z-方向除去阿貝距離，這就是說減小為零，人們需要精確地了解位置測量裝置的有效測量點。所述有效測量點必須相對于TCP沿著各個測量方向設置。
僅包括具有刻度或刻度尺光柵的刻度尺和掃描單元的傳統(tǒng)位置測量裝置的有效測量點通常稱為位置測量裝置的中性旋轉點NP。在圍繞中性旋轉點NP傾斜刻度尺或掃描單元時沒有出現(xiàn)相移，所指示的位置值在第一布置中保持不變。
在根據(jù)本發(fā)明具有兩個交叉的刻度尺Mf、 Mm的編碼器方案中存在兩個中性旋轉點NPm和NPf。當刻度尺Mm圍繞旋轉點NPm和/或刻度尺Mf圍繞旋轉點NPf傾斜時，所指示的位置保持不變。兩個中性旋轉點NPm、 NPf通常不重疊。根據(jù)本發(fā)明，通過合適的掃描光學裝置確保兩個刻度尺的中性旋轉點NPm、NPf的位置相一致。
現(xiàn)在首先考慮可移動刻度尺Mm的傾斜，因為中性旋轉點NPm為位置測量裝置的有效測量點。為了能夠確定中性旋轉點NPm的位置，必須考慮兩個干涉的部分光線束在衍射時的不同相移和/或必要時在傾斜的刻度尺Mm處的反射。在圖2中示出了兩個部分光線束的情況，這兩個部分光線束在刻度Gm(構造為反射刻度)處對稱地在刻度尺Mm上衍射。這種考慮還以類似的方式適合于透射刻度，這就是說刻度可以被透射，或者適用于非對稱 的情況。這兩個具有k-矢量kh和W &的入射部分光線束Sh和S' in 衍射成具有k-矢量k。ut和k' 。ut的出射部分光線束S。ut和S' 。ut。在
刻度尺Mm任意地、少量地移動時兩個部分光線束的相移A (P和
△ O'通過下面的/>式主合出
* = d ~ 。' Af Alf以及姊'《 (f'細-^》' ^i，.戰(zhàn)尸，
其中△ xp和△ Xp,描述了刻度尺Mm在撞擊點P以及P'上的移動。 在刻度尺Mm傾斜式移動(Kippbewegung)時，△ xp和△ Xp'是不同 的。在所述點上繪入的矢量Ak和Ak'分別確定直線，所述直線 相交在一點。所述點為位置測量裝置的中性旋轉點NPm,這是因 為刻度尺Mm圍繞這個點的傾斜使兩個撞擊點P或P'在第一布 置中分別垂直于矢量△ k和△ k'移動，從而根據(jù)上述公式不會出 現(xiàn)相移。對于多次將部分光線束撞擊到刻度尺Mm上的位置測賁 裝置，對每個(例如衍射、反射和/或透射的)相互作用的各個中 性旋轉點NPm求算術平均，以便獲得位置測量裝置的中性旋轉 點NPm。
位置測量裝置的中性旋轉點NPm必須與物體調平，這就是 說處于相同的Z-位置。因為在大多數(shù)情況下，物體表面與工具相 互作用，表面還用作參考高度。通常TCP處于所述表面上。僅在 調平(Nivellierung)的情況下，根據(jù)本發(fā)明還可以在Z-方向上也消 除阿貝距離。必要的調平精確性可以容易地算出在通常的引導 偏差為20jurad和坐標臺的必要定位精確性為5nm時，得出了最 大的阿貝距離5nm/20 (a rad=250 p m。因此必須在構建中非常精確 地考慮調平，否則就不能在納米范圍內實現(xiàn)坐標臺的定位精確 性。根據(jù)圖3,為此位置測量裝置的中性旋轉點NPm在每種情況 下都必須處于承載刻度Gf的固定刻度尺Mf之下，因為物體OB要在固定刻度尺Mf之下移動。保持在實踐中優(yōu)選至少為0.5mm 的安全距離Dmin。另 一方面，中性旋轉點NPm還應該不在具有 刻度Gm的移動刻度尺Mm之下。否則移動刻度尺Mm必須超出 物體OB。在工具T和物體OB之間的通常很小的距離下，移動 區(qū)域必須受到很大限制，以便防止工具T和移動刻度尺Mm相撞。 掃描光學裝置出于相同的原因不需要例如偏轉鏡等元件，它們超 出中性旋轉點NPm。最佳地，中性旋轉點NPm的Z-位置在兩個 刻度尺Mf和Mm之間的區(qū)域B中(見圖3)。所述區(qū)域B通過從 固定刻度尺Mf直到移動刻度尺Mm的最小距離Dmin來限定。
除了中性旋轉點NPm的位置，中性旋轉點NPf關于固定刻 度尺Mf的位置是重要的。可以利用相同的上述方法來確定中性 旋轉點NPf。如果人們考慮測量圓規(guī)(Messzirkel)的干擾影響，可 以發(fā)現(xiàn)中性旋轉點NPf的最佳位置。通過熱或時間上漂移效應或 變化的機械力，剛性地與工具T連接的刻度尺Mf可以相對于物 體OB和與之剛性連接的刻度尺Mm移動。在位置測量裝置的線 性移動被檢測期間，傾斜移動通常會導致測量誤差。僅當用于移 動TCP的、可以考慮作為工具的中性旋轉點的杠桿臂和用于移動 位置測量裝置的位置的杠桿臂相同時，可以避免測量誤差。這就 是說，中性旋轉點NPf和TCP的Z-位置必須一致。因為最佳的 位置測量裝置必須具有相同的中性旋轉點NPm和NPf。因此，根 據(jù)本發(fā)明通過刻度尺Mm、 Mf相對于工具中心點TCP的布置而 確保了中性旋轉點NPm、 NPf和工具中心點TCP處于一平面 中，所述平面平行于移動平面XY。這個條件適合于三個空間分 量X、 Y和Z。
下面借助圖4a-13b來描述根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃 描光學裝置的不同實施方式以及相應的刻度尺布置，其保證遵循所述條件。
根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃描光學裝置的第 一 實施例
圖4a、4b和圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃描光 學裝置的第 一 實施例，所述位置測量裝置具有兩個沿測量方向 Mr可彼此相對移動的刻度尺Mm和Mf以及掃描單元AE。相應 的位置測量裝置在根據(jù)圖1的布置中用作X-編碼器和Y-編碼器。
在下面闡述所示的掃描光學裝置的掃描光程之前，首先要指 出，所有掃描光程中的那些元件都屬于根據(jù)本申請專業(yè)術語所述 的掃描光學裝置，通過這些元件可以產(chǎn)生與移位相關的輸出信 號，除了兩個刻度尺Mm和Mf之外還有在其中設置了例如光源 LD、透鏡L以及多個光電元件PEO、 PE-1、 PE+1等元件的掃描 單元AE。
激光二極管形式的光源LD的光束、優(yōu)選垂直發(fā)射的 VCSEL(垂直空腔表面發(fā)射激光器)通過準直透鏡準直并且沿刻度 Gm的線方向(Strichrichtung)傾斜地射到刻度尺Mm上。在分離位 置Pa上，構造為透射光刻度的刻度Gm將光束分為+ l.和-l，衍射 級。兩個部分光線束緊接著射到具有構造為反射刻度的刻度Gf 的刻度尺Mf上。通過在-1.或+l.衍射級中的衍射，兩個部分光 線束轉回到測量方向上，而所述部分光線束在線方向上僅纟皮反 射。刻度Gf的刻度段(Teilungsperiode)df僅為刻度Gm的刻度段 dm的一半。在另一光程中，兩個部分光線束重新到達刻度尺Mm 并且通過在刻度Gm上的再次衍射在匯合位置Pb上重疊并且進 行干涉。在作為結果的-l.、 0.和+l.衍射級中射出的光束到達光 電元件PE-1、 PE和PE+1，其產(chǎn)生相應的光電流。在其它未示 出的信號走向中，光電流變強并且以已知的方式和方法輸送給內 插補器(Interpolator),所述內插補器由此確定高分辨率的位置值。在優(yōu)選分別為120°的光電流之間必要的相移在這個實施例中通 過刻度Gm的特別設計方案來實現(xiàn)。刻度Gm根據(jù)EP 163 362 Bl 實施為具有線寬度約0.33,dm且相位高度約為120°的相柵?？?度Gf優(yōu)選為板寬度(Stegbreite)約dm/2且相位高度為180。的相 位刻度。
所述掃描光學裝置的中性旋轉點NPm和NPf在分離位置Pa 和匯合位置Pb中間的同一位置處(參見圖4a、 4b)。這可以容易地 借助上述方法理解。所述掃描光學裝置由此滿足了用于根據(jù)本發(fā) 明的位置測量裝置的最佳設計的所述非常重要的前提條件。為了 根據(jù)圖3所示的中性旋轉點NPm和NPf處于有利區(qū)域B中，在 這個實例中移動刻度Gm必須選為透射光刻度并且固定刻度Gf 選為反射刻度。因此由移動刻度的一側開始掃描，并不像在WO 2007/034379 A2中示出那樣從固定刻度Gf的一側開始。 一方面 掃描單元AE包括光源LD、透鏡L和光電元件PE-1、 PEO、 PE + 1，另一方面固定刻度Gf設置在移動刻度Gm的相對側上。為 了更好地示出，整個布置在圖5中以立體圖示出。
此外在圖6中還以立體圖示出了整個系統(tǒng)，其中XY坐標臺 Ch設計用于利用根據(jù)前述實施例所述的兩個位置測量裝置Ex、 Ey沿X-方向和Y-方向纟全測其移動。
構造為透射光刻度的刻度Gm在本實施例中優(yōu)選安裝在移動 刻度尺Mm的朝向位置固定的刻度尺Mf的一側上。構造為反射 刻度的刻度Mf還可以構造為背面刻度(Rueckflaechenteilung)，所 述背面刻度裝設在刻度尺Mf的背向于刻度尺Mm的一側上。中 性旋轉點NPf和NPm的位置因此沒有改變。
優(yōu)選地，從透鏡L射出的光線束的照射角度應該選擇為盡可 能小，從而在掃描單元AE和刻度尺Mf之間的距離改變時，光線束偏置仍受限制。應該不會超過值20。。在兩個刻度尺Mm和 Mf之間的距離優(yōu)選在l-30mm范圍內。
根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第 一 實施例的掃描光學裝置 可選變型例如通過產(chǎn)生相移信號的另一方式得出、例如利用極化 光學掃描。在此，人/2或者人/4才反裝i殳在刻度尺Mf和Mm之間， 并且由此正交地極化兩個部分光線束。為了避免不希望地熱量損 失，光纖還可以用于照明輸送和光學的信號回輸。替代激光二極 管還可以使用其它的光源，例如LED。
此外提到，與開頭所述的現(xiàn)有技術相比明顯更為有利地證 明掃描光學裝置的移動元件設置在構造為縱向刻度的刻度Gf 的相對側上進而設置在構造為橫向刻度的刻度Gm之下。
因此具有位置固定的刻度尺Gf以及相對于此移動的刻度尺 Gm、包括掃描單元AE的掃描光學裝置的根據(jù)本發(fā)明的設計方案 確保了 兩個交叉的刻度尺Gf、 Gm的兩個中性;旋轉點NPf、 NPm 的位置一致。
根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃描光學裝置的第二實施例 圖7a和7b以不同的示圖示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置 的第二實施例的掃描光學裝置。激光二級管LD的光束又通過準 直透鏡L準直并且平行于與刻度尺Mm垂直的光學軸線OA偏 向。在其上側，構造為透射光刻度的刻度Gm在分離位置Pa使 光束分為-l.和+ l.衍射級。兩個部分光線束到達刻度尺Mf上， 所述刻度尺在其下側上承載構造為特別的透射光刻度的刻度Gf。 所述刻度Gf使部分光線束從測量方向Mr上看平行于光學軸線 OA偏向。與此橫向，刻度Gf聚焦部分光線束并且使其偏向，從 而所述部分光線束聚焦到刻度尺Mf的背側上的反射器Rl或R2 上。在反射后，它們又到達刻度Gf上。在那里，所述部分光線束又沿測量方向Mr偏向，其中所述偏向對稱于入射的光線束實 現(xiàn)。橫向于測量方向Mr,刻度Gf又使部分光線束準直，并且使 其平行于光學軸線OA偏向。射出的部分光線束回到刻度Gm, 在此它們在匯合位置Pb上通過在+ l.或-l.衍射級中的衍射重疊 并且進行干涉?？潭菺m的刻度結構與在第一實施例中一樣如此 選擇，使得在作為結果的-l.、 0.和+l.的衍射級中射出的光束分 別以120。相位偏置的方式在其強度方面進行調制，并且通過光 電元件PE-1 、 PE0和PE + 1得以4企測。
與在前述的實施例中 一樣，刻度尺Mm固定在XY坐標臺上， 并且可以與其一起沿X-方向和Y-方向移^f立，而示意性示出的掃 描單元AE僅沿測量方向Mr隨著XY坐標臺一起移動，并且橫 向于此通過線性可1導裝置(未示出)保持固定。刻度尺Mf位置固定 地設置。
這個實施例的特殊性在于刻度Gf的設計。所述刻度Gf在下 文中還稱為后向反射器刻度。在圖8a和8b中為了說明詳細示出 了在刻度尺Mf的區(qū)域中的掃描光程中的光線走向。刻度Gf或后 向反射器刻度以衍射結構的形式同時實施兩個功能。
一方面，所述后向反射器刻度^f吏入射的部分光線束沿測量方 向Mr或反向于測量方向Mr偏向。所述偏向作用與周期刻度的光 學作用相符，所述刻度具有刻度段df。因為構造為透射光刻度的 刻度Gf被兩次穿透，對于這個實施例來說，df必須等于刻度Gm 的刻度段dm。
另一方面，刻度Gf為衍射的柱狀透鏡。所述柱狀透鏡使部 分光線束橫向于測量方向Mr聚焦到反射器Rl或R2上，如在圖 8b中所示出的那樣。^t向于測量方向Mr的同時偏向通過入射的 部分光線束相對柱狀透鏡的中心Z的偏置S來實現(xiàn)。反射器Rl和R2不僅可以構造為金屬鏡而且還可以構造為干涉鏡。
在光線走向中兩次被穿透的柱狀透鏡與反射器Rl或R2 —起 形成后向反射器，所述后向反射器橫向于且僅橫向于測量方向 Mr使入射輻射方向偏向。后向反射器具有與帶90。棱鏡角度的 屋脊棱鏡相同的光學作用。后向反射能夠實現(xiàn)補償刻度尺Mm、 Mf圍繞光學軸線OA的明顯較大的旋轉。在刻度尺Mm、 Mf的 這種稱為莫爾旋轉的傾斜的情況下，兩個部分光線束的相反的輻 射傾斜橫向于測量方向Mr出現(xiàn)。在沒有后向反射器的情況下， 莫爾傾斜可I起信號擾動，其特別是在具有小信號周期的位置測量 裝置的情況下非常大。結果是關于莫爾傾斜的極小的可靠公差。 通過后向反射器補償橫向于測量方向Mr的輻射傾斜，從而即便 在具有非常小信號周期的位置測量裝置的情況下，大得多的莫爾 z^差也是允許的。對此其它實施例在DE 10 2005 029 917 Al中以 及在DE 10 2006 042 743.2已知。
不同于在DE 10 2005 029 917 Al中已知的(掃描-)刻度，后向 反射器刻度即刻度Gf在這種情況下必須使入射的部分光線束既 在測量方向Mr上也與測量方向Mr相反地偏向，進而必須具有通 ?？潭鹊姆蛛x作用。這導致了必要的刻度Gf必須;波另外確定 尺寸。圖9示出了刻度Gf和后向反射器刻度的結構細節(jié)。其包 括分別具有寬度dP2的各個條帶GfA和Gffi,所述條帶周期性地 沿測量方向Mr設置。兩個條帶GfA和Gffi互補，這就是說，所 述結構可以相互轉換，其中二元結構(derbinaeren Struktur)的兩個 狀態(tài)在每個位置上互換。每個條帶GfA或Gffi為衍射的柱狀透 鏡。所述備帶借助下面的相位函教(p(y)計算
<formula>formula see original document page 24</formula>其中y :=橫向位置
Df : -刻度尺Mf的厚度
n : -刻度尺Mf的折射系數(shù)
入 -所應用的光源的波長。
在條帶GfA中，存在每個位置上具有b(力一眾^的第一狀態(tài)，在條帶GfB中，那里存在互補的笫二狀態(tài)。二元結構優(yōu)選構造成具有180°相位高度的相位刻度。因為在邊緣區(qū)域中，局部刻度段已經(jīng)處于波長入的范圍中，因此相位高度和結構寬度或結構形狀利用數(shù)值優(yōu)化而如此局部匹配，使得實現(xiàn)了所使用的衍射級的最大衍射效果。所述優(yōu)化通常提供圓形的結構元件代替根據(jù)圖9所示的矩形。特別有利的-盡管是成本高的-將帶形的柱狀透鏡構造為閃耀結構(geblazte Strukturen)。
如在圖7b中示出的那樣，刻度Gf或后向反射器刻度產(chǎn)生橫向于測量方向Mr的輻射偏置2 * S。這允許準直的光源的照射方向垂直于刻度尺Mm和Mf,同時允許借助于光電元件PE-1、 PE0和PE+ 1沿y-方向在其旁邊設置的檢測。在此不再需要如在第一實施例中所述的傾斜的照射方向。通過所述高對稱性實現(xiàn)了關于兩個刻度尺Mm、 Mf和掃描單元AE的特別大的位置^^差。特別是對于在刻度尺Mm和Mf之間距離來說，在實踐中不再有相關的公差限制。
才艮據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃描光學裝置的第三實施例圖10以立體圖示出了才艮據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第三實施例的掃描光學裝置，其中棱鏡Pr設置在刻度尺Mf的背側上并且棱鏡Pr構造為90。-屋脊棱鏡。在此，第二實施例的衍射的后向反射器刻度或刻度Gf的兩個功能分布到刻度尺Mf的兩個組成部分上，這就是說分布到刻度Gf和棱鏡Pr上?？潭菺f在此具有與在刻度尺Mm上的刻度Gm相同的刻度段。由此，入射的部分光線束在測量方向Mr上沿著光學軸線偏向。然后90° -屋脊棱鏡實施橫向于測量方向Mr的后向反射。部分光線束在測量方向Mr上通過刻度Gf的再次穿透將兩個部分光線束沿測量方向Mr集中到在刻度Gm上的共同的匯合位置Pb上，在此與這個實施例相應地實現(xiàn)兩個部分光線束的干涉。
刻度尺Gf的兩個元件、即棱鏡Pr和刻度Gf在這個實施例中固定地」波此連接。有利地，所述元件整體地制造?？蛇x擇地，所述元件可以分開地制造，然后例如通過粘著(Ansprengen)連接。還可以是分開的結構，其使兩個元件固定連接。在一個成本非常有利的變型中，兩個細長的鏡帶(Spiegelstreifen)代替90。-屋脊棱鏡以90。角相對固定并作為后向反射器應用。
關于其它功能，參閱前述第二實施例。
因為使用損耗更少的、衍射的構件，第三實施例的特別的優(yōu)點在于可獲得的高信號強度。下面的內插補電子裝置的內插補質量可以由此得到改善。
通常，后向反射器刻度和裝設有屋脊棱鏡的刻度可以與4艮多的掃描原理相結合。從而可以簡單地設置具有莫爾補償?shù)膾呙韫鈱W裝置，并且還可能提供用于每個用戶的其它選擇。
在此前闡述的實施例中，刻度尺Mm和Mf具有連續(xù)的刻度場(Teilungsfelder)?？潭瘸進m、 Mf和掃描單元AE的位置公差彼此相關的額外限制在根據(jù)本發(fā)明的實施例中不是必要的，所述限制在WO 2007/034379 A2中的多個實施例中是必要的，以便引導各個光線束穿過所屬的彼此分隔的刻度場。
根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃描光學裝置的第四實施例
圖lla和llb示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第四實施例的掃描光學裝置，類似于在圖7a和7b中示出第二實施例。在圖12a和12b中同樣類似于第二實施例示出了在空間固定的刻度尺Mf的區(qū)域中的掃描光程中的光線走向。
激光二極管LD的光束又通過準直透鏡準直并且平行于與可移動的刻度尺Mm垂直的光學軸線OA偏向。在其上側，構造為透射光刻度的刻度Gm又在分離位置Pa將入射的光束分離為在-1.和+ l.衍射級中的部分光線束。
兩個分離的部分光線束到達可移動的刻度尺Mf,所述可移動的刻度尺在其下側或者在朝向可移動的刻度尺Mm的 一側在中心區(qū)域承載反射層R;所述反射層R在背向于可移動的刻度尺Mm的側的方向上具有反射作用。側向相鄰于反射層R,分離的部分光線束在空間固定的刻度尺Mf的下側朝向光學軸線OA折射并且到達空間固定的刻度尺Mf的上側的、現(xiàn)在構造為反射刻度的刻度Gf。反射刻度Gf構造為反射相柵并且在其衍射作用方面具有與(在圖7a、 7、 8a和8b的第二實施例中的)構造為透射光刻度的刻度Gf相同的光學特性。這意味著，入射到刻度Gf上的部分光線束沿測量方向Mr看朝向光學軸線OA平行地耳又向，并且橫向于測量方向Mr使部分光線束聚焦到反射層R上。因此光學作用又沿測量方向Mr、在重疊中與分離光柵(Aufspaltgitter)相符并且橫向于測量方向Mr與衍射的柱狀透鏡相符。如此選擇衍射的柱狀透鏡的焦距，使得焦點處于其上的反射層R的平面中。
然后，部分光線束在反射層R上沿刻度Gf的方向射回，在此部分光線束重新準直，并同時沿測量方向Mr偏向。由于在入射的部分光線束和柱狀透鏡的光學軸線OA之間的偏置s引起了在射到空間固定的刻度尺Mf中的部分光線束和由此射出的、橫向于測量方向Mr(即沿y-方向)的部分光線束之間的輻射偏置2s。部分光線束在離開空間固定的刻度尺Mf時又進行折射并且全部在匯合位置Pb上射到可移動的刻度尺Mm的刻度Gm上，在此所述部分光線束類似于第二實施例通過在+ l.和-l.衍射級中的衍射重疊并進行干涉?？潭菺m的刻度結構如同在第二實施例中那樣如此選擇，使得在作為結果的-l.、 0.和+l.的衍射級中由此射出的光束在可相對移位的組件相對移動的情況下分別以120°相移的方式在其強度方面進行調制，并且通過光電元件PE-1、 PEO和PE十1進行檢測。
如在第二實施例中那樣，刻度尺Mm固定在XY坐標臺上，并且可隨其沿X-和Y-方向移位，而示意性示出的掃描單元AE僅沿測量方向Mr與XY坐標臺一起移動并且橫向于此通過線性引導裝置保持固定?？潭瘸進f又位置固定地設置。
這個實施例的特殊性在于位置固定的刻度尺Mf的方案，所述位置固定的刻度尺構造為所謂的背面刻度尺并帶有構造為反射相柵的刻度Gf。關于其具體的光學特性參照第二實施例的實施，其現(xiàn)在轉移到反射相位刻度。
在這個實例中特別有利的是，位置固定的刻度尺Mf具有防污染的背面反射刻度。污染不會進入相位刻度的溝槽(Furchen)中，因為刻度通過平的反射層(例如金屬層)來保護。位置固定的刻度尺Mf的相對的一側僅具有平面，其在受污染的情況下可以纟皮容易地清潔。
根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的掃描光學裝置的第五實施例圖13a和13b示出了根據(jù)本發(fā)明的位置測量裝置的第五實施
例的掃描光學裝置，類似于上述實施例的闡述。
激光二極管LD的準直的光束平行于光學軸線OA射到可移
動的刻度尺Mm上。在其上側具有刻度段dm的第一透射光刻度Gml將撞擊到分離位置Pa的光束分為-l.和+ l.衍射級。兩個分 離的部分光線束到達空間固定的刻度尺Mf的反射刻度Gf并且在 那里向回衍射。通過非常小的刻度段df〈dm/2,部分光線束沿測 量方向x偏置于分離位置Pa到達可移動的刻度尺Mm。所述部分 光線束在那里由第二透射光刻度Gm2a以及Gm2b衍射，所述第 二透射光刻度在兩側設置在第一透射光刻度Gml的旁邊。第二 透射光刻度Gm2a、 Gm2b類似于根據(jù)圖7a、 7、 8a和8b的第二 實施例的刻度Gm實施。所述第二透射光刻度由此使部分光線束 沿測量方向x平行于光學軸線OA偏向，并且垂直于測量方向x 聚焦到可移動的刻度尺Mm的下側上的反射器Rl和/或R2上。 在Rl和/或R2上反射后，部分光線束又到達刻度Gm2a和Gm2b, 在那里又沿測量方向x轉回并且又橫向于測量方向x準直。在空 間固定的刻度尺Mf的光柵Gf上的其它衍射后，部分光線束又通 過刻度Gml在匯合位置Pb處重疊并進行干涉。最后與上述實施 例中的類似，光電元件PE-1、 PEO和PE+l^r測在不同方向上射 出的光線束。
利用上述方法，可以容易地來確定中性旋轉點NPm和NPf 的空間位置。通過空間固定的刻度Gf的強偏向作用，中性旋轉 點處于刻度尺Mm和Mf之間?？潭榷蝑f相對于刻度段dm越小 地選擇，中性旋轉點NPf和NPm在Z-方向上越高。因此，它們 可以適合地匹配于本申請的必要性。在各種情況下特別的優(yōu)點在 于，可移動的刻度尺Mm因此可以更深地固定在所述坐標臺上， 并且其上側不必再與TCP對準。因此它可容易地避免與工具碰 撞。此外測量物體(例如晶片)可以更為容易地從坐標臺中取下， 因為可移動的刻度尺Mm不必再突出于坐標臺的上邊緣測量物體 (晶片)的厚度。除了所述實施例之外，當然在本發(fā)明的范圍內還存在多個其 它的實施例。
權利要求
1.一種用于測量物體相對于工具(T)的相對位置的位置測量裝置，所述工具具有工具中心點(TCP)，所述位置測量裝置包括至少兩個交叉布置的并且在至少一個移動平面(XY)中可以相對于彼此移動的刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)；以及所配屬的光學的掃描單元(AE；AEx，Aey；AE1，AE2，AE3)，所述掃描單元產(chǎn)生用于平行于移動平面的至少一個測量方向(Mr)的位置信號，每個刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)具有中性旋轉點(NPm，NPf)，以便各個刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)的傾斜不會引起所測得的位置的改變，其中，-通過所述掃描光學裝置確保了所述兩個刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)的中性旋轉點(NPm，NPf)的位置相一致，以及-通過所述刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mgy)相對于工具中心點(TCP)的布置確保了所述兩個刻度尺(Mm，Mf；Mmx，Mfx；Mmy，Mfy)的中性旋轉點(NPm，NPf)與所述工具中心點(TCP)處于一個平行于移動平面(XY)的平面中。
2. 根據(jù)權利要求1所述的位置測量裝置，其中所述掃描光學裝置 包括下面的部件-空間固定布置的、具有刻度(Gf)的刻度尺(Mf),-相對于所述空間固定布置的刻度尺(Mm)可移動地和交叉地布置 的、具有刻度(Gm)的刻度尺(Mm),以及陽掃描單元(AE; AEx, Aey; AE1， AE2， AE3)，其中可移動刻 度尺(Mm)布置在所述空間固定的刻度尺(Mf)的下方，并且在所述可移 動刻度尺(Mm)的下方布置有所述掃描單元(AE; AEx， Aey; AE1, AE2, AE3)，從而使兩個刻度尺(Mm， Mf; Mmx, Mfx; Mmy, Mfy) 的中性旋轉點(NPm， NPf)處于兩個刻度尺(Mm, Mf; Mmx, M&; Mmy， Mfy)之間的區(qū)域(B)中或者處于所述可移動刻度尺(Mm, Mmx,Mmy)上。
3. 根據(jù)前述權利要求中至少一項所述的位置測量裝置，其中，所 述中性旋轉點(NPm, NPf)與垂直于移動平面(XY)的工具中心點(TCP) 的位置偏差小于lmm。
4. 根據(jù)前述權利要求中至少一項所述的位置測量裝置，其中，所 述可移動刻度尺(Mm)的刻度(Gm)裝設在朝向所述空間固定的刻度尺 (MQ的刻度尺側上。
5. 根據(jù)權利要求4所述的位置測量裝置，其中所述可移動刻度尺 (Mm)的刻度(Gm)和工具中心點(TCP)布置在一個平面中，所述平面平 行于所述移動平面(XY)。
6. 根據(jù)前述權利要求中至少一項所述的位置測量裝置，其中，所 述可移動刻度尺(Mm)的刻度(Gm)構造為透射光刻度。
7. 根據(jù)前述權利要求中至少一項所述的位置測量裝置，其中，所 述掃描單元(AE; AEx, Aey; AE1, AE2， AE3)包括光源(LD)以及至 少一個光電元件(PE-1， PE0， PE+1),其這樣來布置，即，使得-由光源(LD)發(fā)出的光束在撞擊位置(Pa)處射到所述可移動刻度 尺(Mm)的刻度(Gm)上，在那里實現(xiàn)了分離為多個部分光線束，-分離的部分光線束隨后撞擊到所述空間固定的刻度尺(Mf)的刻 度(Gf)上，在那里實現(xiàn)了在可移動刻度尺(Mm)的方向上的向后反射， 在此向后反射的部分光線束在所述可移動刻度尺(Mm)的刻度(Gm) 上、在匯合位置(Pb)處重疊并進行干涉，-從匯合位置(Pb)在可移動刻度尺(Mm)的刻度(Gm)上、在至少一個空 間方向上射出光束，所述光束到達掃描單元(AE; AEx， Aey; AE1， AE2, AE3)中的至少一個光電元件(PE-1， PEO, PE+1)上，在此產(chǎn)生 耳又決于移位調制的光電流。
8. 根據(jù)權利要求7所述的位置測量裝置，其中，所述掃描單元 (AE; AEx， Aey; AE1， AE2， AE3)包括多個光電元件(PE-1, PE0， PE + l)并且在所述可移動刻度尺(Mm)的刻度(Gm)上在匯合位置(Pb)處在不同的空間方向上射出多個光束，所述光束到達多個光電元件(PE-l, PEO, PE+1)上，在此產(chǎn)生多個取決于移位調制的、相移的光 電流。
9. 根據(jù)權利要求8所述的位置測量裝置，其中，所述可移動刻度 尺(Mm)的刻度(Gm)構造為具有1/3*<1!11線寬和120°相位高度的相柵， 其中dm給出了所述可移動刻度尺(Mm)的刻度(Gm)的刻度段，從而在 所述光電元件(PE-1， PEO, PE+l)處產(chǎn)生相移的光電流，所述光電流 具有120°的相移。
10. 根據(jù)權利要求7所述的位置測量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)構造為反射刻度。
11. 根據(jù)權利要求IO所述的位置測量裝置，其中，從所述光源(LD) 中射出的光束的照射角度小于20。。
12. 根據(jù)權利要求7所述的位置測量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺(Mf)既具有刻度(Gf)也具有至少一個反射器元件(R, Rl, R2)， 其這樣來布置，即，使得-分離的部分光線束射到所述空間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf) 上，所述刻度使所述部分光線束沿測量方向(Mr)偏向并橫向于測量方 向(Mr)聚焦，-隨后，所述部分光線束通過所述至少一個反射器元件(R， Rl, R2)來反射，-以及又到達空間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)上，所述刻度又使 部分光線束沿測量方向(Mr)偏向并又橫向于測量方向(Mr)準直，從而 所述部分光線束在可移動刻度尺(Mm)的方向上向后反射。
13. 根據(jù)權利要求12所述的位置測量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)構造為衍射結構，所述衍射結構表示沿測量 方向(Mr)偏向的光柵和橫向于測量方向(Mr)聚焦的、衍射的柱狀透鏡 的重疊。
14. 根據(jù)權利要求7所述的位置測量裝置，其中，所述空間固定的刻度尺(Mf)既包括刻度(Gf)也包括棱鏡(Pr)，以及入射到所述空間固 定的刻度尺(Mf)上的部分光線束首先射到所述空間固定的刻度尺(Mf) 的刻度(Gf)上，所述刻度使所述部分光線束沿測量方向(Mr)偏向，隨 后，所述部分光線束通過所述棱鏡(Pr)反射并且又到達所述空間固定 的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)上，所述刻度又使所述部分光線束沿測量方 向(Mr)偏向，從而使所述部分光線束沿所述可移動刻度尺(Mm)的方向 向后反射。
15. 根據(jù)權利要求14所述的位置測量裝置，其中，所述棱鏡(Pr) 構造為90° -屋脊棱鏡。
16. 根據(jù)權利要求10和12所述的位置測量裝置，其中，所述空 間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)構造為背面-反射刻度。
17. 根據(jù)權利要求1至4中至少一項所述的位置測量裝置，其中， 所述掃描單元(AE)包括光源(LD)以及至少一個光電元件(PE-1, PE0， PE+1),其這樣來布置，即，使得-由所述光源(LD)發(fā)出的光束在分離位置(Pa)處射到所述可移動 刻度尺(Mm)的刻度(Gml)上，在此實現(xiàn)了分離為多個部分光線束，-分離的部分光線束隨后撞擊到所述空間固定的刻度尺(Mf)的刻 度(Gf)上，在此沿所述可移動刻度尺(Mm)的方向向后反射，在此向后 反射的部分光線束與分離位置(Pa)偏置地射到所述可移動刻度尺(Mm) 的刻度(Gm2a, Gm2b)上，所述部分光線束沿測量方向(Mr)偏向并且 垂直于測量方向(Mr)聚焦，以便在所述可移動刻度尺(Gm)的反射器 (R1, R2)處的反射后又通過所述刻度(Gm2a, Gm2b)衍射，最后在所 述空間固定的刻度尺(Mf)的刻度(Gf)處相對于匯合位置(Pb)另 一次衍 射后，到達所述可移動刻度尺(Gm)的刻度(Gm)上，在所述匯合位置(Pb) 處沿至少一個空間方向射出光束，所述光束到達所述掃描單元(AE)中 的至少一個光電元件上，在此產(chǎn)生取決于移位調制的光電流。
18. 根據(jù)權利要求1所述的位置測量裝置，其中，所述空間固定 的刻度尺和所述可移動刻度尺(Mm, Mf)的刻度(Gf， Gm)的刻度線傾斜于相應刻度尺(Mm, Mf)的外邊緣低于45。地布置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種位置測量裝置，其用于測量物體相對于工具的相對位置，其中工具具有工具中心點。所述位置測量裝置包括至少兩個交叉布置的和彼此在至少一個移動平面中可移動的刻度尺；以及所配屬的光學的掃描單元，所述掃描單元產(chǎn)生用于平行于移動平面的至少一個測量方向的位置信號。每個所述刻度尺具有中性旋轉點，以便各個刻度尺的傾斜不會引起所測得的位置的改變。通過所述掃描光學裝置確保了所述兩個刻度尺的中性旋轉點的位置相一致。通過所述刻度尺相對于工具中心點的布置確保了所述兩個刻度尺的中性旋轉點與所述工具中心點處于一個平行于移動平面的平面中。
文檔編號G01D5/26GK101680745SQ200880016332
公開日2010年3月24日 申請日期2008年5月2日 優(yōu)先權日2007年5月16日
發(fā)明者W·霍爾扎普費爾 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司