專利名稱：光學(xué)位置測量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求I的前序部分所述的光學(xué)位置測量設(shè)備。
背景技術(shù)：
這種類型的光學(xué)位置測量設(shè)備從US 6，831，267B2中是已知的；尤其是在此參照圖11和50。在該出版物中所建議的位置測量設(shè)備用于高分辨率地檢測掃描單元和具有測量分度的計量用具(MaBverkorperung )的相對位置，其中掃描單元和計量用具沿著至少一個測量方向彼此運動。掃描單元包括光源、第一圓環(huán)形掃描分度、可直接布置于其之后的反射元件、分束元件以及探測單元。從光源發(fā)出的射線束射到測量分度上，在此處分裂成至少兩個分射線束。反射回掃描單元的分射線束經(jīng)由第一掃描分度和反射元件再次在測量分度的方向上被反射，其中分射線束在至測量分度的通路上又穿過第一掃描分度。第一掃描分度被構(gòu)造為圓光柵。這種圓光柵由同中心的光柵支桿(Gittersteg)組成,所述同中心的光柵支桿徑向等距地布置。當(dāng)在測量分度處重新反射之后，在掃描單元方向上傳播的分射線束發(fā)生疊加并且經(jīng)由分束元件在探測單元方向上遭受偏轉(zhuǎn)，在此處多個與位置有關(guān)的掃描信號可被檢測。通過在測量分度或計量用具與第一掃描光柵之間的光程中的附加極化光學(xué)器件彼此正交地極化兩個分射線束，使得借助于已知的極化光學(xué)方法在探測單元中在計量用具和掃描單元相對運動的情況下可產(chǎn)生高分辨率的、相移的掃描信號。從US 6,831,267的兩個所提及的圖中已知的光學(xué)位置測量設(shè)備由于在很大程度上的圓柱體對稱性而應(yīng)該在掃描單元相對于計量用具的傾斜方面具有非常大的容差；尤其是在此應(yīng)該相對于所謂的莫爾傾斜(Moir6_Verkippungen)存在特別的不敏感性。對此理解為掃描單元和計量用具圍繞旋轉(zhuǎn)軸的傾斜，所述旋轉(zhuǎn)軸垂直于測量分度平面來取向。但是，對這種光學(xué)位置測量設(shè)備的所實施的模擬得出所建議的掃描光學(xué)系統(tǒng)的各種各樣的弱點。因此，測量分度和第一掃描分度非常不同地影響衍射的分射線束的波前。尤其是，第一掃描分度的圓光柵顯著地使波前失真，因為光柵支桿圓形地彎曲。這樣構(gòu)造的第一掃描分度不適于掃描線性測量分度。在所分裂的分射線束中得到大的波前失真，這導(dǎo)致掃描信號的十分小的調(diào)制度。因為波前失真橫向于射線方向強烈增加，所以從光源入射的射線束的射線截面必須選擇得非常小。作為結(jié)果由此得出光學(xué)測量設(shè)備的高污染和故障敏感性。但是還更嚴重的是，在所建議的光學(xué)位置測量設(shè)備中的大的波前失真導(dǎo)致極小的加裝、運行和制造容差。在這樣的加裝、運行和制造容差的情況下產(chǎn)生兩個分射線束的小的側(cè)向位移。在大的波前失真的情況下，所述小的側(cè)向位移導(dǎo)致顯著的局部相移和從而導(dǎo)致疊加的分射線束的不足的干涉。這又導(dǎo)致掃描信號強度的顯著下降。在模擬時所確定的十分小的加裝和制造容差可以僅在少數(shù)應(yīng)用情況下被接受。在此涉及以下情況，即在所述情況下一方面要求大的莫爾傾斜容差，而另一方面所有其他容差必須比在商業(yè)上通用的光學(xué)測量設(shè)備的情況下小得多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，說明一種高分辨率的光學(xué)位置測量設(shè)備，其對于掃描單元相對于具有測量分度的計量用具的以下傾斜具有不靈敏性，所述傾斜的軸垂直于測量分度層面來取向，并且所述傾斜同時相對于計量用具的其他傾斜和位移具有大的容差。本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的有利的實施方案由從屬權(quán)利要求中的措施得出。本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備包括掃描單元和具有測量分度的計量用具，其中掃描單元和計量用具沿著至少一個測量方向(X)彼此運動。掃描單元具有光源、第一圓環(huán)形掃描分度、反射元件、分束元件以及探測單元。從光源發(fā)出的射線束射到測量分度上，在此處分裂成至少兩個分射線束。在掃描單元方向上傳播的分射線束經(jīng)由第一掃描分度射到反射元件上。在反射元件處，分射線束在測量分度方向上遭受反射并且在至測量分度的通路上經(jīng)過第一掃描分度。在重新施加測量分度時，在掃描單元方向上傳播的分射線束發(fā)生疊加并且經(jīng)由分束元件在探測單元方向上遭受轉(zhuǎn)向，在此處可檢測多個與位置有關(guān)的、相移的掃描信號。第一掃描分度被構(gòu)造，使得由此使從測量分度入射到所述第一掃描分度上的分射線束聚焦到反射元件上。另外，經(jīng)由第一掃描分度進行分射線束的再準直，所述分射線束當(dāng)在反射元件處反射之后在測量分度方向上傳播。在此，另外可以規(guī)定，-在所分裂的分射線束的光程中布置至少一個極化光學(xué)器件，經(jīng)由所述器件，兩個在測量分度處分裂的分射線束彼此遭受線性或圓正交極化，和-在探測單元中在多個光電子探測元件之前布置極化器。可能的是，經(jīng)由至少一個極化光學(xué)器件要么-在兩個正好相反地布置的扇區(qū)中得到分射線束的正交極化，要么-得到線性極化，所述線性極化在方位角上地點有關(guān)地在圓周上旋轉(zhuǎn)180°。作為極化光學(xué)器件例如可以在分射線束的掃描光光程中布置至少一個高頻光柵。此外可能的是，反射元件被構(gòu)造為極化光學(xué)器件。在另一實施形式中可以規(guī)定，多個被構(gòu)造為延遲板的極化光學(xué)器件在分射線束的掃描路程中布置在測量分度和第一掃描分度之間或在第一掃描分度和反射兀件之間。優(yōu)選地，疊加的分射線束在第二次施加測量分度之后沿著光軸傳播。有利地，第一掃描分度利用二次相位函數(shù)根據(jù)I I r I糾一* J'被構(gòu)造為衍射環(huán)形透鏡，其中Oai (r):=與半徑有關(guān)的相位函數(shù)r:=半徑dM :=測量分度的分度周期r0 :=射到衍射環(huán)形透鏡上的主射線的徑向間距。另外可能的是，分射線束在第一次施加第一掃描分度之后平行于光軸傳播。最后，除了極化光學(xué)組件之外可以與光軸圓柱形對稱地構(gòu)造第一掃描分度和反射元件，并且從光源發(fā)出的射線束沿著光軸傳播?？梢砸?guī)定，測量分度-作為一維線性分度或
-作為二維線性分度或-作為徑向分度或-作為圓分度來構(gòu)造。此外，可以將衍射結(jié)構(gòu)布置在掃描板的區(qū)域中，其中從光源發(fā)出的射線束經(jīng)過所述區(qū)域，其中衍射結(jié)構(gòu)用作從光源入射的射線束的準直透鏡和/或用作從測量分度入射的疊加的分射線束的光柵分束器，并且其中在掃描板的前側(cè)和后側(cè)布置第一掃描分度和反射元件或相反地布置。在可能的實施形式中，探測單元可以具有分束器，所述分束器對入射的疊加的分射線束在空間上進行分裂并且在分裂的分射線束射到光電子探測元件上之前，所述分裂的分射線束分別通過極化器。另外，可能的是，分束器被構(gòu)造為光柵分束器。在本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的另一變型方案中，在分射線束的光程中可以布置光學(xué)延遲分段。作為本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的決定性優(yōu)點得出在其他傾斜和位置容差同時大的情況下相對于掃描單元和計量用具的莫爾傾斜的期望的高容差。由此，本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備也具有大的加裝和運行容差。這可以決定性地歸因于將第一掃描分度構(gòu)造為具有優(yōu)化的相位特性曲線和相間隔的反射器的衍射環(huán)形透鏡，所述反射器位于衍射環(huán)形透鏡的焦平面中。由此可以使掃描光程中的干擾波前失真最小化。此外，可能的是，在掃描計量用具或測量分度時以足夠大的射線截面工作，這又導(dǎo)致小的污染敏感性。


從根據(jù)附圖對多個實施例的以下描述中得出本發(fā)明的其他優(yōu)點以及細節(jié)。在此圖I示出本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第一實施形式的強烈示意化的圖示；圖2a、2b分別示出圖I的光學(xué)測量設(shè)備的組件的視圖；圖3示出圖I的光學(xué)位置測量設(shè)備的探測單元的強烈示意化的圖示；圖4示出本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第二實施例的強烈示意化的圖示；圖5a、5b分別示出圖4的光學(xué)位置測量設(shè)備的組件的視圖；圖6示出圖4的光學(xué)位置測量設(shè)備的探測單元的強烈示意化的圖示；圖7示出本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第三實施形式的強烈示意化的圖示；圖8示出本發(fā)明光學(xué)位置的第四實施形式的強烈示意化的圖示；圖9a、9b分別示出圖8的光學(xué)位置測量設(shè)備的組件的視圖；圖10示出圖8的光學(xué)位置測量設(shè)備的強烈示意化的圖示；圖11示出本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第五實施形式的強烈示意化的圖示；圖12示出圖11的光學(xué)位置測量設(shè)備的組件的視圖；圖13示出本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第六實施形式的強烈示意化的圖示；圖14示出圖13的光學(xué)位置測量設(shè)備的組件的視圖；圖15示出本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第七實施形式的強烈示意化的圖示；
圖16示出圖15的光學(xué)位置測量設(shè)備的組件的視圖；圖17示出本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第七實施形式的第一變型方案的示意化表示的組件。
具體實施例方式在下面詳細闡述本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的不同具體實施例之前，提前闡述所有變型方案所基于的掃描原理。因此規(guī)定，由光源的優(yōu)選準直的射線束沿著光軸照射計量用具或在其上所布置的反射或透射測量分度。在測量分度處得出入射的射線束分裂或衍射成+1./-1.衍射級的兩個分射線束，所述分射線束在掃描單元的方向上傳播。分射線束接著分別經(jīng)由第一掃描分度被聚焦到在光程中后置的反射元件上。第一掃描分度在此情況下優(yōu)選地被構(gòu)造為圓柱形對稱的衍射環(huán)形透鏡。鑒于反射元件的具體擴展存在根據(jù)具體實施例還要詳細闡述的多種可能性。因此，例如反射元件可以作為反射式第二掃描分度或又可以作為鏡和一個或多個極化光學(xué)器件的組合來構(gòu)造等。反射元件布置在圓柱形對稱的衍射環(huán)形透鏡的焦平面中。 接著由反射元件在第一掃描分度的方向上反射回兩個分射線束。此外，經(jīng)由在掃描光程中適當(dāng)?shù)貥?gòu)造組件保證，在掃描分度或計量用具處分裂的兩個分射線束彼此正交地被極化。因此，分射線束例如可以彼此遭受線性正交極化或又可以彼此遭受圓形正交極化。為此，可以在光程中將不同的元件之一構(gòu)造為極化光學(xué)器件。因此，例如可以規(guī)定，將測量分度或必要時多個掃描分度中的至少一個構(gòu)造為極化光學(xué)器件。 此外可能的是，在掃描光程中布置附加的極化光學(xué)器件，例如延遲小板和/或極化器等。在第二次經(jīng)過第一掃描分度時，由反射元件反射回的分射線束經(jīng)由重新衍射分別被再準直和接著作為準直的分射線束在測量分度或計量用具的方向上傳播。在測量分度處，射到的分射線束分別以+1./-1.衍射級遭受重新衍射。這樣，所反射的分射線束再次被疊加成唯一的射線束，所述射線束在第二次施加測量分度之后沿著光軸在從光源入射的射線束的方向上傳播。經(jīng)由在反射回的分射線束的光程中所布置的非極化光學(xué)分束元件，使疊加的分射線束對與在相反方向上傳播的入射的射線束分離并且在探測單元的方向上轉(zhuǎn)向。探測單元包括不同的極化光學(xué)器件以及多個光電子探測元件用于從入射到其上的疊加的分射線束對中產(chǎn)生至少兩個相移的掃描信號。在計量用具與掃描單元相對運動的情況下，這樣得出多個彼此相移的掃描信號或增量信號，其可以以常見的方式被繼續(xù)處理。優(yōu)選地，在此情況下在掃描單元中布置光源、第一掃描分度、反射元件、分束元件以及探測單元，所述掃描單元可相對于具有測量分度的計量用具在至少一個測量方向上運動。除了已經(jīng)在上面提及的優(yōu)點之外，本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的掃描光程提供一系列相對于已知的光學(xué)位置測量設(shè)備的其他優(yōu)點。第一掃描分度的被兩次經(jīng)歷的衍射環(huán)形透鏡與在焦平面中所布置的反射元件的組合在光學(xué)作用方面得出后向反射器。該后向反射器將入射的均勻的射線束再次轉(zhuǎn)換成相反地返回的重又均勻的射線束。與圓光柵不同，在此情況下不產(chǎn)生顯著的波前失真。因此，可以將所建議的掃描光柵優(yōu)選地構(gòu)造為平坦的衍射透鏡，其可以比折射透鏡精確得多并且以更少的制造成本來制造。在分射線束中的利用這樣的掃描光柵得出的波前變形此外比在折射透鏡的情況下小得多。此外，由于衍射透鏡的可自由選擇的孔徑可以以簡單的方式構(gòu)造環(huán)形透鏡。環(huán)形透鏡僅影響偏轉(zhuǎn)的分射線束而不影響在環(huán)形透鏡的中心穿過的射線束。由此可以防止，照射射線束和在相反方向上傳播的疊加的射線束必須沿著光軸經(jīng)歷相同的透鏡。因為必須特定于斜著入射到聚焦裝置上的分射線束來優(yōu)化環(huán)形透鏡，所以所述環(huán)形透鏡完全不適用于將照射射線束準直到光軸上并且產(chǎn)生大的波前像差。因此，通過衍射環(huán)形透鏡簡單地限制孔徑允許分開地影響中心的射線束和斜著偏轉(zhuǎn)的分射線束。由此才能夠足夠地最小化本發(fā)明位置測量設(shè)備的波前像差。當(dāng)然可以在環(huán)形透鏡內(nèi)設(shè)置用于準直照射射線束的另一衍射透鏡，該另一衍射透鏡相應(yīng)地對于準直功能被優(yōu)化。在折射透鏡的情況下，在具有不同偏轉(zhuǎn)功能的環(huán)形區(qū)域和中心區(qū)域中的這種孔徑分離是不可能的，因為高度精確的拋光工藝不準許斜的過渡。另外，在第一掃描分度中優(yōu)化地選擇環(huán)形透鏡的相位特性曲線和最佳地選擇光學(xué)位置測量設(shè)備的其他參數(shù)允許在本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備側(cè)的特別大的加裝、運行和制造容差。此外，通過軸向照射和軸向射出的疊加的射線束保證，掃描光程從分裂直至分射線束的疊加是嚴格圓柱形對稱的。與圓柱形對稱的偏離僅涉及掃描光程中的僅僅影響分射線束的極化而不影響其射線方向或其射線地點的器件。與圓柱形對稱的該偏離是必要的， 以便產(chǎn)生多個相移的掃描信號。在本發(fā)明的范圍中另外可以通過單體構(gòu)造保證特別無漂移的掃描光學(xué)系統(tǒng)，其中例如在掃描板的兩側(cè)施加第一掃描分度和反射兀件。現(xiàn)在下面描述本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的不同的具體實施形式，其分別基于前述的掃描原理。第一實施形式本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的第一實施形式根據(jù)圖l、2a、2b和3來闡述。圖I在此情況下示出光學(xué)位置測量設(shè)備的強烈示意化的圖示，圖2a和2b分別示出位置測量設(shè)備的組件的視圖以及圖3示出探測單元的強烈示意化的圖示。本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備如在圖I中可看出的那樣包括具有測量分度11的計量用具10以及為此在所說明的測量方向X上運動的掃描單元20。在本實施例中，測量分度11 在此情況下被構(gòu)造為反射測量分度。計量用具10和掃描單元20通常與兩個(未示出的) 彼此沿著測量方向X可移動的對象、例如機器組件相連接，其中可確定其相對位置。經(jīng)由位置測量設(shè)備所產(chǎn)生的掃描信號被輸送給用于繼續(xù)處理的同樣未示出的控制單元，例如機器控制裝置。下面現(xiàn)在根據(jù)圖l、2a、2b描述第一實施例的掃描光程。線性極化的和準直的光源21的照射射線束首先不偏轉(zhuǎn)地穿過非極化分束元件22 并且然后沿著光軸Z通過掃描板23的中心窗區(qū)域在計量用具10的方向上偏轉(zhuǎn)。計量用具 10的表面上的線性測量分度11 (其光柵常數(shù)或分度周期下面用dM表示)將入射的光柵以 +/-I.衍射級分裂成兩個所反射的分射線束。兩個所反射的分射線束然后與光軸Z對稱地射到透射的第一掃描分度24上，所述透射的第一掃描分度布置在掃描板23的前側(cè)并且與計量用具10具有間距Da，所述間距Da下面也稱為掃描間距Da。在此情況下將掃描板23的朝向計量用具10的側(cè)稱為掃描板23的前側(cè)，將掃描板23的相反的側(cè)稱為后側(cè)。第一掃描分度24在該實施例中被構(gòu)造為透射的、衍射的環(huán)形透鏡，其將兩個入射的分射線束與光軸 Z平行地偏轉(zhuǎn)并且同時聚焦到掃描板23的后側(cè)。在掃描板23的具有掃描板厚度Ds的后側(cè)布置反射元件25。因此，經(jīng)由第一掃描分度24將入射到其上的分射線束聚焦到反射元件 25上。該反射元件25在本實施例中被構(gòu)造為反射高頻光柵形式的環(huán)形第二掃描分度，所述反射高頻光柵僅以第零衍射級反射。高頻光柵用于正交極化兩個射到其上的分射線束，如下面還要更精確闡述的那樣。此外，高頻光柵以光學(xué)方式如鏡那樣起作用，使得兩個入射到其上的分射線束與最初的入射的射線走向相反地?zé)o射線偏移地返回。兩個分射線束于是再次到達掃描板23的前側(cè)上的第一掃描分度24。分射線束經(jīng)由被構(gòu)造為衍射環(huán)形透鏡的第一掃描分度在經(jīng)過時被再準直并且同時與光軸Z斜著地被偏轉(zhuǎn)。接著，兩個分射線束再次重疊地射到計量用具10上，所述計量用具在以+1.或-I.衍射級重新衍射之后對所述分射線束進行反射并且共線地沿著光軸Z疊加。接著，疊加的射線束重新穿過掃描板23的內(nèi)部窗區(qū)域并且由非極化分束元件22轉(zhuǎn)向到探測單元26上。在探測單元26中產(chǎn)生相移的掃描信號，如下面還要詳細描述的。下面更詳細地闡述本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的不同組件的有利的擴展可能性以及功能。光源21優(yōu)選地被構(gòu)造為半導(dǎo)體激光二極管，其發(fā)射波長范圍入=400nm-1500nm 中的福射。例如帶狀導(dǎo)體激光二極管或者VCSEL光源(Vertical Cavity Surface Emitting Laser (垂直腔面發(fā)射激光器))適合作為光源21。為了避免引起測量誤差的縱向模式跳躍， 可以以電流調(diào)制的方式運行半導(dǎo)體激光二極管，如這例如在申請人的DE 102004053082A1 中所述的那樣。調(diào)制頻率在此情況下優(yōu)選地可以選擇得高于探測單元26的未示出的光電元件放大器的輸入帶寬，使得可以不出現(xiàn)對掃描信號的相應(yīng)調(diào)制。半導(dǎo)體激光二極管的這樣的電流調(diào)制也掩飾(wegmitteln)與干擾射線束的可能出現(xiàn)的干涉。所述電流調(diào)制必要時可以通過在掃描板23的窗區(qū)域處或者在測量分度11處以0.衍射級反射照射射線束而產(chǎn)生。由于相同的原因可以優(yōu)選具有低于1_的短相干長度的縱向和/或橫向多模半導(dǎo)體激光二極管作為適當(dāng)?shù)墓庠?1。在特殊的情況下，尤其是在小的掃描間距Da或小的掃描板厚度Dtj的情況下，也可以使用LED作為光源21。對于在掃描單元20和計量用具10的高活動速度時應(yīng)該提供高測量精度的位置測量設(shè)備，通常必須定義在觸發(fā)測量之后準確的測量時刻。在時間上準確確定的測量時刻可以通過對半導(dǎo)體激光二極管的脈動式運行來保障。此外，短的脈沖持續(xù)時間縮短半導(dǎo)體激光二極管的相干長度，使得與干擾射線束的上述干涉同樣可以通過脈動式運行來有效地抑制。具有大約180°的相差和大約dM/2的支桿寬度的反射相衍射光柵特別好地適合作為計量用具10的側(cè)上的測量分度11，其中第零衍射級被抑制。在此情況下，測量分度11的分度結(jié)構(gòu)的準平坦的構(gòu)造也是有利的。在該處指出，替代于反射測量分度當(dāng)然在本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備中也可以使用透射測量分度。在本發(fā)明光學(xué)位置測量設(shè)備的該第一實施例中，測量分度11被構(gòu)造為一維線性分度。對此可替代地，也可以規(guī)定，測量分度被構(gòu)造為二維線性分度、徑向分度或圓分度和 /或其組合。各個所述變型分案在下面的描述中還要更詳細地予以闡述。
在掃描板24(其在圖2a中以俯視圖示出)的前側(cè)上的第一掃描分度24具有衍射環(huán)形透鏡的光學(xué)功能性并且優(yōu)選地被結(jié)構(gòu)化為多級全息圖，在本例總被結(jié)構(gòu)化為透射結(jié)構(gòu)。這也包括2級全息圖的最簡單情況，這對應(yīng)于二元相衍射光柵，其具有大約ISOo 的相差和一半局部光柵常數(shù)dM的數(shù)量級的局部支桿寬度。隨著這種多級全息圖的級數(shù)，衍射效率升高并且從而可獲得的信號強度升高。但是因為制造耗費也增加，所以4級全息圖是良好的折衷。如果相應(yīng)的制造方法(例如鑄造) 可供使用，則連續(xù)的浮雕走向原則上也是可能的。第一掃描分度24的環(huán)形透鏡的分度結(jié)構(gòu)通過相位函數(shù)Oai (r)來定義，該相位函數(shù)作為在準直的照射時與光軸Z的間距r的函數(shù)來描述射出的第一衍射級的相移。在將環(huán)形透鏡構(gòu)造為多級全息圖的情況下，相位函數(shù)Oai (r)通過階躍函數(shù)來近似，其中該函數(shù)的每個階躍級對應(yīng)于浮雕高度。相位函數(shù)Oai (r)僅與半徑!■有關(guān)的隱性條件保證所述衍射環(huán)形透鏡的圓柱形對稱。為了最佳地選擇相位函數(shù)Oai (r)，例如可以使用數(shù)字優(yōu)化方法。為此首先借助于優(yōu)化參數(shù)an(n = 1,2, ... N)描述相位函數(shù)C>A1 (r)。多項式解題途徑例如得出Kr) -Cln Tf1 (方程 I)
o理想地，具有理想波前的分射線束必須分別從衍射環(huán)形透鏡中射出，所述分射線束在掃描板23的后側(cè)產(chǎn)生衍射受限的聚集。這樣的理想波前Oideal(X，y)通過<Pideai(x>y) - ~ nG ■ (\{x — Xf )1 十 iy ~~ yF)2 + D61 ~ Dc')(方程 2)給出，其中ne: =掃描板的折射率(xF, yF):=所期望的側(cè)面聚焦地點De: =掃描板的厚度。所期望的側(cè)面聚焦地點(xF，yF)在該實施例中與相應(yīng)分射線束的主射線在第一掃描分度24上的射中點相同。為了優(yōu)化，可以如此無限制地選擇坐標系，使得測量分度11在 X方向上偏轉(zhuǎn)并且因此(xF, xf) = Cr0,0)(方程 3)成立。半徑r(l在此情況下表示射到衍射環(huán)形透鏡上的主射線的徑向間距并且以以下方式通過在測量分度處的衍射給出rV)I/^，( ~j-f 矛呈 4)
V I ""^ ^ M J'其中Da:=掃描間距。與理想波前Oideal(x，y)相比，從衍射環(huán)形透鏡中射出的波前的波前像差 6 Oai (x,y)于是得出為(x.v) = 7' ' X 4* 0Ai(^x2 f :y2 j - 0 Uitnil (xt y) (方程 5)
<... ’ -
O在方程5中的第一項在此情況下再現(xiàn)入射的分射線束在測量分度11處衍射之后
1的波前。通過適當(dāng)?shù)剡x擇優(yōu)化參數(shù)ai，a2，...aN應(yīng)該射線中點OvO)的周圍環(huán)境中的所述波前像差最小化
權(quán)利要求
1.用于檢測掃描單元和具有測量分度的計量用具的相對位置的光學(xué)位置測量設(shè)備，其中所述掃描單元和所述計量用具能沿著至少一個測量方向(X)相對運動，和一所述掃描單元包括光源、第一圓環(huán)形掃描分度、反射元件、分束元件以及探測單元，和-從所述光源發(fā)出的射線束射到所述測量分度上，其中分裂成至少兩個分射線束，-在掃描單元方向上傳播的分射線束經(jīng)由第一掃描分度射到所述反射元件上，-分射線束從反射元件在測量分度的方向上遭受反射并且在至測量分度的路徑上經(jīng)過第一掃描分度，和-在重新施加測量分度之后，在掃描單元方向上傳播的分射線束產(chǎn)生疊加并且經(jīng)由分束元件在探測單元方向上遭受轉(zhuǎn)向，其中能檢測多個與位置有關(guān)的相移的掃描信號，其特征在于，第一掃描分度(24 ；124 ；224 ；324 ；424 ；524. 1,524. 2 ；624)這樣被構(gòu)造，使得-經(jīng)由其從測量分度(11 ；111 ；211 ；311 ；411 ；511 ；611)入射到所述第一掃描分度上的分射線束聚焦到反射元件(25 ；125 ；225 ；325 ；425 ；525. 1,525. 2 ;625a，625b)上，和-經(jīng)由其再準直分射線束，所述分射線束在反射元件(25 ；125 ；325 ；425 ；525. 1， 525. 2 ;625a，625b)處反射之后在測量分度(11 ；111 ；211 ；311 ；411 ；511 ；611)方向上傳播。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，-至少一個極化光學(xué)器件布置在分裂的分射線束的光程中，經(jīng)由所述至少一個極化光學(xué)器件，兩個在測量分度(11 ;111 ;211 ；311 ；411 ；511)處分裂的分射線束彼此遭受線性或圓正交極化，和-在探測單元(26 ；126 ；226 ；326 ；526. 1,526. 2)中在多個光電子探測元件 (26. 4a-26. 4c ；126. 4a-126. 4c ；326. 4a-326. 4f ；426. 4a-426. 4f)之前布置極化器 (26. 3a-26. 3c ；126. 3a_126. 3c ；326. 3a_326. 3f ；426. 3a_426. 3f)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，經(jīng)由所述至少一個極化光學(xué)器件要么-在兩個正好相反布置的扇區(qū)中得到分射線束的正交極化，要么-得到線性極化，所述線性極化在方位角上與地點有關(guān)地在圓周上旋轉(zhuǎn)180°。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，作為極化光學(xué)器件，至少一個高頻光柵被布置在分射線束的掃描光程中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，反射元件(25；125 ；525. 1， 525. 2)被構(gòu)造為極化光學(xué)器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，被構(gòu)造為延遲板(227.1， 227. 2)的多個極化光學(xué)器件在分射線束的掃描光程中被布置在測量分度(211)和第一掃描分度(224)之間或者布置在第一掃描分度(224)和反射兀件(225)之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，在第二次施加測量分度 (11 ；111 ；211 ；311 ；411 ；511 ；611)之后，疊加的分射線束沿著光軸傳播。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，第一掃描分度(24;124; 224 ；324 ；424 ；524. 1,524. 2 ；624)利用二次相位函數(shù)根據(jù)被構(gòu)造為衍射環(huán)形透鏡，其中 ΦΑ1(Γ):=與半徑有關(guān)的相位函數(shù) r :=半徑dM:=測量分度的分度周期r0 =射到衍射環(huán)形透鏡上的主射線的徑向間距。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，分射線束在第一次施加第一掃描分度(24 ；124 ；224 ；324 ；424 ；524. 1,524. 2 ；624)之后與光軸平行地傳播。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，第一掃描分度(24；124 ； 224 ；324 ；424 ；524. 1,524. 2)和反射元件(25 ；125 ；225 ；325 ；425 ；525. 1,525. 2)除了極 化光學(xué)組件之外與光軸圓柱形對稱地來構(gòu)造，并且從光源(21 ;121 ；221 ；321 ；421 ；521. 1， 521.2)發(fā)出的射線束沿著光軸傳播。
11.根據(jù)權(quán)利要求I的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，測量分度(11;111 ;211 ；311 ； 411 ；511 ；611)被構(gòu)造為-一維線性分度或 -二維線性分度或 -徑向分度或 -圓分度。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，衍射結(jié)構(gòu)(427)布置在掃描板(423)的從光源(421)發(fā)出的射線束通過的區(qū)域中，其中衍射結(jié)構(gòu)(427)用作用于從光源(421)入射的射線束的準直透鏡和/或用作從測量分度(411)入射的疊加的分射線束的光柵分束器，和其中在掃描板(423)的前側(cè)和后側(cè)上布置第一掃描分度(424)和反射兀件(425)或相反地布置。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，探測單元(26；126 ； 226 ；326 ；526. 1,526. 2)具有分束器(26. 2 ；126. 2 ；326. 2)，所述分束器在空間上分裂入射的疊加的分射線束并且在分裂的分射線束射到光電子探測元件(26.4a-26.4c ； 126. 4a-126. 4c ；326. 4a_326. 4f ；426. 4a_426. 4f)之前，所述分裂的分射線束分別通過極化器(26. 3a-26. 3c ；126. 3a_126. 3c ；326. 3a_326. 3f ；426. a-426. 3f)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，分束器(26.2 ；126. 2 ； 326. 2)被構(gòu)造為光柵分束器。
15.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)位置測量設(shè)備，其特征在于，在分射線束的光程中布置光學(xué)延遲分段(ne · ADg) ο
全文摘要
光學(xué)位置測量設(shè)備。本發(fā)明涉及一種用于檢測掃描單元以及計量用具的相對位置的光學(xué)位置測量設(shè)備，所述掃描單元和計量用具沿著至少一個測量方向彼此活動地布置。掃描單元包括光源、第一圓環(huán)形掃描分度、反射元件、分束元件以及探測單元。從光源發(fā)出的射線束射到測量分度上，在此處分裂成至少兩個分射線束。在掃描單元方向上傳播的分射線束經(jīng)由第一掃描分度射到反射元件上并且在測量分度方向上遭受反射，其中分射線束在至測量分度的路徑上經(jīng)過第一掃描分度。在重新施加測量分度之后，在掃描單元方向上傳播的分射線束出現(xiàn)疊加并且經(jīng)由分束元件在探測單元方向上遭受轉(zhuǎn)向。在那里可檢測多個與位置有關(guān)的、相移的掃描信號。
文檔編號G01B11/00GK102589420SQ20111043392
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月16日
發(fā)明者W·霍爾茨阿普費爾 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司