專利名稱：位置測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學位置測量裝置。
背景技術：
從WO 02/23131 Al已知一種高分辨率光學位置測量裝置。除了反 射整體量具(Reflexions - Mafiverkdrperung),例如形成為線性反射光 刻度尺外，其還包括至少在一個測量方向上可以對此相對移動的掃描裝 置。在掃描裝置一側，除了掃描光柵外，還安排多個光電檢測元件和至 少一個采用回射器形式的偏轉或反射元件。通過該反射元件進行從反射 整體量具首次反射的分光束朝反射整體量具方向的回射。然后，在最后 干涉的光束達到檢測器并在這里產生與位移相關的調制的掃描信號之 前，該分光束在這里接著第二次被反射。該反射元件在按類別的位置測 量裝置中形成為帶有光學回射功能的其屋脊平行于測量方向的屋脊棱 鏡(五面棱鏡)。在這里屋脊棱鏡在一個方向上起取向垂直于測量方向 x的回射器的作用。為了產生移相的掃描信號，在掃描光路中在檢測元 件前面安排采取片形式的偏振光學延遲元件以及偏振器。但是，這 種偏振光學元件顯著增大了復雜性，并從而使所建造的位置測量裝置成 本上升。從EPD 387 520 A2已知另 一種光學位置測量裝置，其中借助于回 射元件得到兩次投射在反射整體量具上。在這種掃描配置中，要求在反 射整體量具的刻度線方向上分光束適應這種入射。這使在這種位置測量 裝置中在掃描距離方面允許誤差相對較小。另夕卜，DE42 01 511 A1提出這種類型的位置測量裝置。由此已知的位置測量裝置在掃描光路中需要偏振光學元件。因此，必須考慮對整體 量具兩個偏振軸不同的衍射效率。因為這個衍射效率在整體量具上可能 有很大的波動，因此在DE 42 01 511 Al中建議，在掃描光路中添加兩 個附加的入/2片。結果又是顯著提高這種類型的系統的費用或成本。此 外，只有當在整體量具上兩次反射分光束都以同一衍射效率對兩個偏振 軸進行衍射時，才可能用這種方法改善信號。但是，在實踐中并非如此， 因為在整體量具上規定光束必須從第一次反射移到第二次反射，并且在 兩個反射點上衍射比例不同。發明內容本發明的任務在于，創造一種不必采用偏振光學元件即可產生相移 掃描信號的光學位置測量裝置。另外，該位置測量裝置盡可能允許掃描 距離可能的波動。這個任務按照本發明用帶有權利要求1的特征的位置測量裝置解決。按照本發明的位置測量裝置有利的實施例由從屬權項的措施給出。用以測量一個掃描單元以及一個對其在至少一個測量方向上移動 的反射整體量具的相對位置的按照本發明的位置測量裝置，在掃描單元 的兩面具有多個光學元件，亦即至少一個回射元件、至少一個復合光 柵、至少一個掃描光柵以及多個檢測元件。在掃描單元中光學元件以有利的方式安排-掃描光路的光束和/或分光束至少兩次射在反射整體量具上并在 這里分別一方面通過入射光束和/或分光束和另一方面通過反射分光束 形成一個平面，其垂直于反射整體量具的平面；-通過回射元件使射在其上的分光束的方向轉折到垂直于測量方 向(x)的反射整體量具；- 一對分光束不平行地射在復合光柵上，該復合光柵使入射其上 的分光束發生干涉，使得檢測元件測量相移信號。該對分光束優選與光軸成相等的角度對稱地射在復合光柵上。在一個可能的實施例中，復合光柵形成為透射光柵，并具有這樣的 分度周期，使得其保證入射光束偏轉為多個共線出射的衍射級，射在安 排在其后的檢測元件上。這里，復合光柵優選形成得使入射的分光束通過其進行這樣的偏 轉，使得共線出射的衍射級中的一個在垂直于分度平面上傳播。另外，復合光柵可以形成為相位光柵，其中間隙條高度(Stegh6he) 和間隙條寬度(Stegbreite)的尺寸這樣確定，使得安排于其上的檢測元 件可以檢測三個相位錯開120。的信號。
在一個可能的實施例中，復合光柵和檢測元件形成為結構化檢測配置。復合光柵可以形成為與位置有關的偏轉光柵。另外，掃描單元可以包括多個掃描光柵以及至少一個復合光柵，其 中它們是鏡對稱安排的，而且其中對稱平面垂直于測量方向并平行于光 軸。在一個可能的方案中，在掃描單元中可以安排一個形成為屋脊棱鏡 的回射元件，其屋脊平行于測量方向。作為 一個替代方案掃描單元中回射元件可以包括多個組合的偏轉/ 透鏡元件以及至少 一個平面反射元件，其中透鏡元件的焦平面處于至少 一個平面反射元件的平面內。這里透鏡元件可以形成為衍射透鏡元件，偏轉元件可以形成為掃描 光柵， 一起組合為組合衍射光柵-透鏡元件。在一個這樣的方案中，透鏡元件可以形成為圓柱形透鏡形式的衍射 透鏡元件，其在反射整體量具的刻度線方向上具有聚焦作用。另外，透鏡元件可以形成為圓柱形對稱透鏡元件的形式的衍射透鏡 元件，其不僅在反射整體量具的刻度線方向上，而且在測量方向上具有 聚焦作用。在另一個方案中，回射元件可以包括一個平面平行的栽體基片，其 上面向反射整體量具的一側安排多個光柵，并在其上背向反射整體量具 的一側安排至少一個平面反射元件。在一個可能的實施例中兩個分光束的入射地點優選可以一起射在 復合光柵上。另外，至少一個回射元件在一個載體元件上形成為單片元件。 在另一個實施例中，掃描單元包括多個掃描光柵以及至少一個復合光柵，其中它們是鏡對稱地安排的，而且對稱平面平行于測量方向并平行于光軸。在按照本發明的位置測量裝置的一個這樣的方案中，掃描單元這樣 形成，使得從光源發射的光束通過準直光學元件準直后-第一次射在反射整體量具上，在這里被分為兩個回射掃描單元的分光束，它們對應于兩個不同的衍射級；-該兩個回射分光束在掃描單元中通過回射元件經歷反射整體量
具方向的回射，其中該分光束分別兩次透射掃描單元；-第二次射在反射整體量具上的分光束經歷一次重復的衍射和掃 描單元方向的回射；-在掃描單元中至少一對回射分光束在與光軸對稱的角度下射在 復合光柵上的同一地點上。在按照本發明的位置測量裝置的另一個方案中，掃描單元這樣形 成，使得由光源發射的光束通過準直光學元件準直后一通過掃描單元中的分光光柵分為至少兩個分光束，它們對應于 兩個不同的衍射級，并且這些分光束在反射整體量具的方向上傳播；-然后該分光束第一次射在反射整體量具不同的地點上，在這里 分別分為多個回射掃描單元的對應于不同衍射級的分光束；-該至少兩個回射分光束賊掃描單元中通過回射元件向反射整體 量具的方向回射，而且其中這些分光束個兩次穿過掃描單元；-第二次射在反射整體量具不同地點上的分光束經歷一次重復的 衍射并向掃描單元的方向回射；-在掃描單元中至少一對回射分光束在與光軸對稱的角度下射在 復合光柵的同一地點。這里掃描單元中的掃描光柵可以形成為菲涅耳圓柱形透鏡，其焦平 面處于回射元件的平面內，并且分光光柵的分度周期選擇得與復合光柵 的分度周期及反射整體量具的分度周期相等。另外，這里該反射整體量具的分度周期這樣選擇，使得在掃描單元 方向上回射的分光束在第一次射在掃描光柵上之前交叉。另外，反射整體量具的分度周期優選選擇得小于所用的光源的波長。另外，至少一個回射元件形成為組合的偏轉-透4竟元件。 在按照本發明的位置測量裝置的另 一個方案中，掃描單元這樣形 成，使得從光源發射的光束通過準直光學元件準直后 -通過分光光柵分成兩個分光束；-然后這兩個分光束到達輔助分光光柵，該分光束的至少一部分 這樣轉向，使得在反射整體量具的方向上傳播的分光束射在反射整體量 具上的同一入射點上；而且-射在反射整體量具上的分光束分別分成多個回射掃描單元的分 ；-至少兩個回射光束在掃描單元中通過回射元件回射到反射整體 量具的方向，其中該分光束分別兩次穿過掃描單元；-第二次射在反射整體量具同一地點上的分光束經歷一次重復的 衍射和掃描單元的方向上的回射；-在掃描單元中至少一對回射的分光束射在輔助復合光柵的不同 地點上，其中經歷一次重復的衍射和分束，使得至少另外兩個傳播的分 光束在與光軸對稱的角度下射在復合光柵的同 一地點上。在按照本發明的位置測量裝置的另 一 個方案中，掃描單元這樣形 成，使得從光源發射的光束通過準直光學元件準直后-第一次射在反射整體量具上，后者形成為反射衍射光柵，其中 分成兩個回射掃描單元的對應于不同衍射級的分光束；-該兩個回射分光束在掃描單元中通過回射元件在反射整體量具 的方向上回射，其中該分光束分別兩次穿過掃描光柵，并在第一次透射 掃描單元時該分光束在一個平面反射元件上的同一入射點上點聚焦；-第二次射在反射整體量具上的分光束經歷一次重復的衍射和掃 描單元方向上的回射；-在掃描單元中，至少一對回射分光束在與光軸對稱的角度下射 在復合光柵上的同一地點上。下面將參照附圖中實施例的描述說明本發明的其他細節和優點。
附圖中圖la是按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描光路的第 一部分；圖lb是按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描光路的第 二部分；圖lc和ld分別是按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描 板的上側和下側;f見圖；圖2a是按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的一個變體的掃 描光路的第一部分；圖2b是圖2a的掃描光路部分的另一個視圖； 圖2c是按照圖2a的本發明的位置測量裝置的掃描光路的第二部分；圖2d是圖2c的掃描光路部分的另一個視圖中； 圖2e是按照圖2a的本發明的位置測量裝置的掃描板的俯視圖； 圖3a是按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的掃描光路的第 一部分；圖3b是按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的掃描光路的第 二部分；圖3c和3d分別是按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的掃描 板的上側和下側;f見圖；圖4a是按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的第一變體的掃 描光路的第一部分；圖4b是圖4a所示的按照本發明的位置測量裝置的實施例的掃描光 路的第二部分；圖4c和4d分別是按照圖4a的本發明的位置測量裝置的掃描板的上 側和下側視圖；圖5a是按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的第二變體的掃 描光路的第一部分；圖5b是圖5a的掃描光路部分的另一個視圖；圖5c是圖5a所示的按照本發明的位置測量裝置的掃描光路的第二 部分；圖5d是圖5c的掃描光路部分的另一個視圖； 圖5e是圖5a的按照本發明的位置測量裝置的掃描板的俯視圖； 圖6a是按照本發明的位置測量裝置的第三實施例的掃描光路的第 一部分；圖6b是按照本發明的位置測量裝置的第三實施例的掃描光路的第二部分；圖6c和6d分別是按照本發明的位置測量裝置的第三實施例的掃描 板的上側和下側^L圖；圖7a是按照本發明的位置測量裝置的第四實施例的掃描光路的第一部分；圖7b是按照本發明的位置測量裝置的第四實施例的掃描光路的第
二部分；圖7c和7d分別是按照本發明的位置測量裝置的第四實施例的掃描 板的上側和下側;f見圖；圖8a是按照本發明的位置測量裝置的第五實施例的掃描光路的第 一部分；圖8b是按照本發明的位置測量裝置的第五實施例的掃描光路的第 二部分；圖8c和8d分別是按照本發明的位置測量裝置的第五實施例的掃描 板的上側和下側;f見圖。
具體實施方式
通過下面對按照本發明的位置測量裝置的實施例的詳細描述，可以 解決上述問題。在參照附圖詳細描述各實施例之前，首先說明一下各變 型方案的共性。這樣不同的實施例各基于一個類似的掃描光路，在沿著測量分度的 刻度線方向(^y方向)看， 一個適當激光源的準直光束垂直地投射到反 射整體量具上。亦即，所有射在反射整體量具上的和由此反射的光束， 其取向均垂直于刻度線方向，并因此處于一個由測量方向和反射整體量 具的法線延伸形成的平面上。按照各實施例,見定，該準直光束在此之前 偏轉或被分束，這在掃描光路中可以用一個或兩個分束光柵進行。但也 可以不進行這種類型的偏轉或分束。在反射整體量具上入射的光束進行反射、分束和回射為至少兩個分 光束(+/- 1級衍射級)。這時它們在測量方向x上從遠去的分光束各 自分開地射到在掃描單元中的單獨的掃描光柵上。這些掃描光柵、安排 在后面的反射元件或可能時附加的90。棱鏡或三棱鏡導致橫向輻射角的 方向返回(亦即橫向回射)，并由此在可能的整體量具的摩爾傾斜(Moir6 -Verkippung)的情況下補償誤差引起的橫向的射線偏轉(所謂光學摩 爾補償)。否則這會導致信號調制度的顯著^:壞。此處摩爾傾斜應該理 解為是反射整體量具和掃描單元圍繞垂直于反射整體量具的軸線的傾 斜。結果分光束經歷一次返回到反射整體量具上的回射，在這里它們被 重復的衍射。這時，掃描光柵和反射整體量具的光柵常數或分度周期這
樣選擇，在反射整體量具上第二次衍射之后，出射的分光束在一個對稱 的角度下射在掃描單元中的復合光柵上并在這里造成干涉。為此該復合 光柵具有分度周期，其是這樣選擇的，入射的分光束的第一級衍射級的各一個在光軸的方向上進一步傳播。由此在產生的第o級和第+/- 1級衍射級中出現在復合光柵上的分光束彼此重疊并彼此干涉。復合光柵的 結構，亦即其相位深度、間隙條寬度和可能時每個周期多個間隙條(Stege)的布置(超結構)，這樣選擇，使得在出射的分光束之間出現 一定的相移，優選選擇120。。或者復合光柵還可以這樣設計，使得兩個 分光束在產生的衍射級中重新重疊，并檢測產生的第+/ - 1級和第+/ - 2 級衍射級。在這種情況下復合光柵結構的設計這樣進行，使得在4個被 檢測的衍射級中出現4個各自相移約90。的信號。這些相移信號在一個 后接的電子電路中放大，并用已知的方法轉換為無偏移的0°和90。信或者該復合光柵還可以做成所謂的與位置相關的偏轉光柵。另外還 可以把復合光柵和檢測元件一起裝在一個組件中作為所謂結構化的檢 測裝置。這樣一種不使用偏振光學元件產生相移信號的方法顯著地降低了 相應的位置測量裝置的制造成本和復雜性。因為偏振器平均吸收入射功 率的一半，為此，與已知的帶有偏振光學元件的系統相比，能量效率和 位置測量裝置的位置噪聲大為改善。為了在反射整體量具的可能的傾斜的情況下使位置測量裝置的產 生的誤差保持在小的范圍，并為了在掃描距離方面達到大的允許誤差， 掃描光學構造得(在分光束的分束和復合之間光路中)對一個平行于反 射整體量具上測量分度的刻度線方向的平面對稱，并平行于光軸，而且 照明方向選擇得與光軸平行。由此自動使兩個干涉的分光束的光路長度 相等。在刻度線方向上觀察，該分光束垂直射在反射整體量具上。因此 距離變化時不會在刻度線方向上移動。在測量裝置上觀察，依實施例的 不同，或者不出現光束移動，或者兩個光束只出現對稱的光束移動。在 光束移動上的這些關系給出一個有效的測量位置，其在掃描距離變化時 也保持恒定。由此滿足高精度位置測量裝置的一個重要要求。以下描述的實施例全都基于上面解釋的本發明的基本原理，區別在 于中性旋轉點的位置、它們對污染的敏感度和各自的能量效率的不同。第一實施例下面參照圖la- Id說明按照本發明的位置測量裝置的第一實施 例。圖la和lb以示意圖的形式在x-z平面的側視圖上表示掃描光路。 在圖la中表示從光源11直至分光束射在反射元件15.1和15.2上的掃 描光路，圖lb表示分光束從射在反射元件15.1, 15.2上起到檢測元件 16.1, 16.2, 16.3為止。圖lc和ld表示帶有安排于其上的光學元件的掃 描板13上側和下側的頂視圖。在本示例中按照本發明的位置測量裝置包括反射整體量具20以及 與此相對的在至少一個測量方向x上可以移動的掃描單元10。要用位置測量裝置確定其相對位置的對象被用已知的技術和方法與反射整體量 具20及掃描單元IO聯系起來。此時可以大致涉及其相對位置必須精確 測量的機械零件。借助于位置測量裝置產生的信號和位置數據用未示出 的跟蹤電子裝置和計算單元，例如用于控制機器，進一步處理。在本實施例中表示一種位置測量裝置，用線性延伸的反射整體量具 20測量線性運動。根據本發明的思路當然還可以實現旋轉位置測量裝 置。下面將參照圖la-Id詳細描述按照本發明的位置測量裝置的第一 實施例的掃描光路。在所示的示例中從光源U，例如激光源發射的光束首先通過準直器 光學元件12準直，亦即轉變為一個平行光束。準直后的光束不偏轉地 穿過掃描板13的栽體基片13.1。栽體基片13.1形成為平面平行的玻璃板。在其上側和下側安排不同的光學元件。它們在掃描光路中的功能下 面還將深入探討。在圖lc和ld上可以看到這些元件。準直后的光束穿過掃描板13后第一次射在反射整體量具20上，亦 即射在測量方向x上延伸的測量分度22上。測量分度22按已知的技術 和方法由在測量方向x上周期地安排的帶有不同的光學特性的部分區域 22.1， 22.2組成。刻度線形式的部分區域22.1, 22.2在垂直于測量方向x 的給定方向y(在下文中亦稱刻度線方向)上延伸，并安排在反射整體 量具20的栽體21上。在所示示例中，測量分度22做成反射光相位光 柵，其中部分分度22.1， 22.2對入射光束具有不同的相移作用。測量分 度的這種設計優選還有在第 一順序使衍射效率最大化。在下文中測量分 度22的分度周期用TPm表示，并定義為兩個相繼的部分區域22.1,22.2 在測量方向x上的長度。在一個可能的實施例中，分度周期TPm在 和10^之間選擇，其中X為所用光源11的波長。因而在X-8G0mn的 光源做成為VCSEL或LED的情況下，分度周期TPm可以等于 TPM=2nm。第一次入射到反射整體量具20之后在第一入射點上入射光束分為 兩個回射到掃描單元10的分光束，其對應于+/-1級衍射級。在掃描單 元10中回射的分光束首先穿過圖la所示的掃描板13下側的掃描光柵 14.1， 14.2。在本示例中掃描光柵14.1， 14.2形成為透射光柵。分光束用 所限定的技術和方法從掃描光柵14.1, 14.2偏轉，于是便到達掃描板B 上側的平面反射元件15.1， 15.2。這兩個首先被穿過的掃描光柵14.1， 14.2 具有相同的分度周期，在下文中用TPaw表示。在本第一實施例中，掃 描光柵14.1, 14.2的分度周期TPAG1選擇得與測量分度22的分度周期 TPm不同。根據分度周期這種選擇使該分光束穿過掃描光柵14.2 后不垂直于掃描板13傳播。如圖lb所示，反射元件15.1, 15.2使分光束在反射整體量具20的 方向上產生回射。在不同于第一入射點的第二入射點上第二次入射反射 整體量具20之前，該分光束穿過另外兩個掃描光柵14.3, 14.4，它們同 樣安排在掃描板13的下側。通過掃描光柵14.3, 14.4透射的分光束在反 射整體量具20各自第二入射點上進行再一次轉向。再次被穿過的兩個 掃描光柵14.3, 14.4具有相同的分度周期，在下文中用TPag2表示。正如本申請人在DE 10 2005 029 917.2中所描述的，掃描光柵14.1， 14.2具有雙重的光學功能。 一方面在測量方向x上起均勻周期的分度周 期為TPag,或TPag2的衍射光柵作用。另一方面，在整體量具平面的刻 度線方向y上起圓柱形透鏡的作用，其使入射分光束在反射元件15.1, 15.2上聚焦，接著再次準直。在圖la和lb所示的示例中，掃描光柵14.1, 14.2聚焦，而同時掃描光柵14.3, 14.4使入射光束再次準直。反射元件 和透鏡的組合，正如本申請人在DE 10 2005 029 9口.2中所描述的，表 現為在整體量具20刻度線方向y上的回射元件。根據光束和圓柱形透 鏡的光軸之間在y方向上的偏移(Versatz),同時在反射整體量具20 上在第一和第二入射點之間的y方向上產生偏移。為了該掃描光柵可以 同時承擔所有這些光學功能，其應該做成帶有彎曲的光柵線的光柵，正 如在上述DE 10 2005 029 9H.2中所描述的并在以下圖ld示意地表示
的，下面在這種類型的光柵結構方面還將談到衍射的偏轉/透鏡元件。因此，由帶有承載基片13.1的掃描板13、掃描光柵14.1, 14.2, 14.3, 14.4以及平面反射元件15.1, 15.2構成的元件在所示的第一實施例中在 掃描單元10側面上起回射元件的作用。通過這些對來自反射整體量具 20的分光束在反射整體量具20的方向上起回射-偏轉的作用，以便第 二次射在反射整體量具上。這里回射在給定的y方向上進行。在按照本發明的位置測量裝置第一實施例的以下變體中，還將參照 圖2a-2e解釋回射元件的一個替代形成方法。在圖la-ld所示的第一實施例中，在反射整體量具20上在各自的 第二入射點上進行重復的衍射和入射分光束在掃描單元10的方向上的 回射。用來產生信號的分光束在這里在對光軸OA相同的對稱角度a,, a2 下射在安排在掃描板13下側的復合光柵14.5的同一地點上。這里光軸OA平行于在這些圖中給出的方向z。方向z在這里垂直 于沿測量方向x和刻度線方向y伸展的平面。在復合光柵14.5上經過重復的衍射后，最后三對干涉的分光束向安 排在后面的三個檢測元件16.1, 16.2， 16.3的方向傳播。為此在這個示例 中同樣做成透射光柵的復合光柵14.5的分度周期TPvA選擇得出射多個 產生的分光束，它們分別由兩個入射分光束的共線重疊的、因而干涉的 部分組成。當復合光柵14.5的兩個第一級衍射級的各自一個使兩個入射 的分光束偏轉得平行于光軸OA時特別有利。這里來自其衍射級相差2 的衍射級的分光束彼此千涉。在反射整體量具20和掃描單元10相對移動的情況下，在檢測元件 16.1, 16.2, 16.3的方向上傳播的各對干涉的分光束之間就會造成光路差 異。于是在檢測元件16.1, 16.2, 16.3上，存在與位移有關的調制信號， 其中這些檢測元件各自相移120°。這些發生了相移的信號由安排在其后 的未示出的隨動電子電路用已知的技術和方法進一步處理。這些信號的相移可以通過適當安排復合光柵14.5保證，這大致如同 EP 163 362 Bl所指出的。這里在復合光4冊14.5上衍射時各個衍射級的 不同相移，可以通過選擇光柵結構相應調整。例如，優選是間隙條寬度 相當于復合光柵14.4的周期TPvg的1/3或2/3的相位光柵結構；間隙條 的相移選擇為120°或240°。或者在復合光柵14.5兩側上使用所謂超光 柵結構(Obergitterstrukturen)，正如從EP 446 691 Bl已知的。為了實現上述掃描光路，除上面已經討論的確定尺寸的規則以外，還要遵守不同的掃描光柵14.1， 14.2, 14.3， 14.4的分度周期方面一定的確定尺寸的規則。這些將在下面概略地加以描述。分光束首次入射反射整體量具20 (見圖la)之后在掃描板13.1下 側第 一入射點離開光軸OA的距離bal按照以下關系式給出<formula>formula see original document page 18</formula> (等式11)式中a:=反射整體量具20和掃描單元IO之間的距離入=光源的波長TPM:=測量分度的分度周期若向后跟蹤復合光柵14.5的光路，便得到分光束第二次入射反射整 體量具20 (圖lb)之前投射掃描板13下側的入射點的距離ba2:6。<formula>formula see original document page 18</formula>等式1.2)其中TPVG:=復合光柵的分度周期從掃描板13中在首先透射的掃描光柵14.1, 14.2和接著透射的掃描 光槺14.3， 14.4之間經過的光路aR。。f中得到一方面在兩個掃描光柵14.1, 14.2之間的和另一方面掃描光柵14.3, 14.4之間的輻射角aRoof:<formula>formula see original document page 18</formula>(等式1.3)現在由此可以確定掃描光柵14.1-14.4要求的分度周期TPAG1: TPAG2:1 — 1 "。'sin("擬^ (等式1.4)巧。<formula>formula see original document page 18</formula><formula>formula see original document page 19</formula>(等式1.5)式中na:=掃描板的折射率對于這種類型的位置測量裝置實際上的性能，決定性的基本上是所 謂中性旋轉點的位置。所謂中性旋轉點這里代表反射整體量具可以繞其 傾斜而又不改變位置測量裝置指示的位置值的這樣一點。從按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的掃描光路得出，系統 的中性旋轉點處于反射整體量具平面以下。若注意使中性旋轉點處于反 射整體量具的所謂中性光纖內，則反射整體量具可能的彎曲造成的負面 影響將減到最小。已經描述的第一實施例還可以稍加改變，其中分別用-1級(+l級) 衍射級代替+1級(-1級)衍射級。在這種情況下，在上迷確定尺寸的 公式中用-TPM代替TPM,用-TPAG1代替TPAG1和用-TPAG2代替 TPAG2。于是，在這種情況下，中性旋轉點便處于反射整體量具以上。第一實施例的變體按照本發明的位置測量裝置的第一實施例的另一個變體示意圖2a -2e。這里，對于前面在圖la-Id中說明的方案的決定性差異在于回射 元件另一種配置。現在回射元件形成為其屋脊618.1取向平行于測量方 向x的棱鏡角為90。的屋脊棱鏡618。屋脊棱鏡618的下側安排掃描光柵 614.1-614.4以及復合光柵614.5，正如從圖le的屋脊棱鏡618的下側 頂視圖可以看出的。關于這種回射元件，還可參閱前言提到的WO 2002/023131 Al。其余對應于圖la-ld示例中的基本掃描線光路。圖2a和2b在不同的視圖上示出以下掃描線光路從光源611通過 準直光學元件612，準直后的光束第一次入射反射整體量具的測量分度 622、被衍射的分光束在掃描單元610方向上的回射、穿過掃描光柵614.1， 614.2直至大約屋脊棱鏡618的中間。在圖2c和2d中以不同視圖表示 其他掃描線光路分光束在反射整體量具620方向上的回射，該光束穿 過掃描光柵614.3, 614.4，第二次入射反射整體量具620、在掃描單元 610方向上的第二次回射、穿過復合光柵614.5和三對千涉分光束向三 個檢測元件616.1, 616.2， 616.3傳播。如上所述，在按照本發明的位置測量裝置的第一實施例這個變體 中，為了進行回射，現在采用90。偏轉棱鏡形式的其屋脊618.1取向平行 于測量方向x的屋脊棱鏡618,代替圖la - ld的帶有衍射圓柱形透鏡或衍射偏轉/透鏡元件的掃描板元件和平面反射元件。屋脊棱鏡618在中央 區域有兩個孔618.2, 618.3或光學上不起作用的過孔，衍射光束穿過這 些孔可以向反射整體量具620傳播或者回射分光束可以向檢測元件 616.1， 616.2, 616.3傳播。掃描光柵614.1 - 614.4形成為帶有直線光柵間 隙條(Gitterstegen)的周期性光柵，該光柵間隙條只在測量方向x上才 對不同的分光束產生偏轉作用。按照本發明的位置測量裝置第 一 實施例的這個變型方案不要求像 上述示例那種類型的結構精細的掃描光柵，因而當制造這種精細的光柵 結構由工藝決定的高成本或偏振性能對精細的光柵產生不利影響時，這 是有利的。基本上還可以實施采用各帶有上面描述的兩個回射元件方案的下 面還要描述的實施例。就是說，在一種情況下，回射元件形成為在測量 方向上與掃描光柵的偏轉作用重疊的衍射圓柱形透鏡(衍射偏轉/透鏡元 件)，而且該回射元件在掃描板的上側形成。在另一種情況下，回射元 件形成為屋脊平行于測量方向x的90。屋脊棱鏡的形式。第二實施例下面參照圖3a-3d說明按照本發明的位置測量裝置的第二實施 例。這些圖在原理上再次表示與圖la-ld上述示例相同的視圖。在該示例中，通過所實現的掃描光路或不同光學元件特別是掃描單 元UO的配置再次保證，在檢測元件之前， 一對分光束非平行入射復合 光柵114.5，并在復合光柵114.5之后多對共線并干涉的分光束向檢測元 件116.1 - 116.3的方向傳播。下面只說明與圖la-ld的第一實施例的基本差別。所以是對第一 示例的補充，在準直光束的光路中采取透射光柵的形式的分光光柵 1M.6安排在準直光學元件112之后。分光光柵114.6在這里具有分度周 期TPAG0，與在掃描光束的光路中安排在后面的復合光柵114.5的分度 周期對應，就是說TPAG0=TPVG。通過分光光柵114.6把光束分為兩個被 衍射的分光束，然后它們在反射整體量具120的方向上傳播。在這個方 案中這兩個分光束在不同的位置上入射反射整體量具120的測量分度 122，然后在這里各自分為其他分光束，它們在在掃描單元110的方向 上被回射。回射的分光束在反射整體量具120上以+ l.級和-l.級的衍射 級偏轉，入射掃描光柵114.1, 114.2。它們使分光束在測量方向x上分別 這樣偏轉，使之在這個平行于光軸OA的x方向上行進。按照圖la-ld 的上述實施例，這個掃描光柵114.1, 114.2在y方向上起衍射圓柱形透 鏡的作用，其使這些分光束重新聚焦在反射元件115.1, 115.2上。隨后 掃描光柵114.3, 114.4使分光束在y方向上準直，它們在測量方向x上 偏轉傾向反射整體量具120。因而該掃描光柵起衍射偏轉/透鏡元件的作 用。隨后的光束光路變化與圖la-ld實施例對應。通過把分光光柵114.6加入掃描光路，在第二實施例中保證入射復 合光柵114.5同一點的分光束射在這個光柵114.6上。與第一實施例相 反，這對反射整體量具120和掃描單元110之間的所有掃描距離都有 效。因而，按照本發明的位置測量裝置的這個實施例提供穩定的輸出信 號，其還與所用的光源的波長波動無關。回射功能像在圖la- Id的示例中一樣在掃描單元110中通過掃描 板113的組件實現。在其面向反射整體量具的下側，如圖3d所示，安 排了掃描光柵114.1 - 114.4、復合光柵114.5以及分光光柵114.6。按照 圖3c的俯視圖，在掃描板113的上側安排了兩個平面反射元件115.1, 115.2。在這個示例中，掃描光柵114.1, 114.2的分度周期TPAG1以及掃描 光柵114.3， 114.4的分度周期TPAG2優選按下面的等式(2.1 )確定<formula>formula see original document page 21</formula>式中TPM:=測量分度的分度周期 TPVG:=復合光柵的分度周期與第一實施例類似，在這個實施例中性旋轉點的位置也在反射整體 量具平面以下。通過用-TPM代替TPM，用-TPAG1代替TPAG1以及用
-TPag2代替TPag2，再次可以說明這個實施例的修改，其中這時中性旋轉點處于反射整體量具120的上面。 第二實施例的第一變體現將參照圖4a-4d說明第二實施例的第一變體。這些圖也表示該 位置測量裝置與上面第二實施例相同的視圖。在掃描光束的原理光路方面，這個方案相當于分光光柵214.5安排 在準直器光學元件212后面的前一示例。在這個示例中，其分度周期按 以下等式(3.1)選擇TPAG。 = TPVG = TPM (等式3.1)式中TPVG:=復合光柵的分度周期 TPM:=反射整體量具的分度周期本方案是第二實施例在1/TPAG1=1/TPAG2=0的一個特例。就是說， 在掃描板213上該相應的結構不再在測量方向x上偏轉，因而在y方向 上形成為 一個純粹的菲涅耳圓柱形透鏡。掃描光柵214.1-214.4處于掃描板213的下側，因而在這個方案 中，與上一示例不同，在y方向上形成為菲涅耳圓柱形透鏡，亦即不像 圖3a-3d那樣形成為光柵-圓柱形透鏡結構，為此尤其參見圖4d，該 圖顯示掃描板213的下側和安排在那里的元件。作為其替代方案，掃描光柵214.1 -214.4還可以形成為具有優選反 射方向的(geblazte)炫耀菲涅耳圓柱形透鏡或偏離軸線的菲涅耳透鏡。基于在掃描單元210中掃描光柵214.1 -214.4的這種構造，在所示 示例中得出一個稍微不同于圖3a-3d的前一示例的掃描光路。于是第 一次入射到反射整體量具220上的分光束或用于產生信號的衍射級，正 如在圖4a看到的，現在向后垂直地回射到掃描單元210。這種不同的掃描光路的結果是，在本示例中得到不同的中性旋轉點 的位置。與前一方案不同，其處于反射整體量具平面以上兩倍掃描距離 的高度上。因而對于按照本發明的位置測量裝置的一定的應用，得出通 過有目的的掃描光路設計使中性旋轉點的位置處于希望的位置上的靈 活可能性。
此外，這個示例的掃描光路基本上對應于圖3a-3d的掃描光路。 若在本方案的另一個修改中用類似于圖2a-2d的示例的屋脊棱鏡 代替由菲涅耳圓柱形透鏡214.1 -214.4和反射元件215.1， 215.2構成的 組合，就可以完全不用掃描光柵214.1-214.4,因為既不需要測量方向 x上的偏轉作用，又不需要y方向上的透鏡作用。這少量的透射光柵會 使相應的位置測量裝置具有特別高的信號強度。 第二實施例的第二變體按照本發明的位置測量裝置的第二實施例的第二變體示于圖5a-5e。這些圖再次表示與圖2a-2e上述示例相同的位置測量裝置的視圖。圖5a-5e的方案與前兩個示例不同之處在于分光光柵的分度周期 和反射整體量具320分度周期TPm的逸捧。特別是反射整體量具320的 分度周期選擇得使第一次入射到反射整體量具320上的分光束回射掃描 單元310，使得衍射中從不同的地點回射的分光束在掃描光路中入射第 一掃描光柵314.1 -314.4之前交叉。另一方面這個方案規定，為了轉變掃描單元310中的回射功能，再 次安排屋脊棱鏡318，而且不利用上述布置。正如在圖2a-2e的示例中 已經描述的，屋脊棱鏡318的屋脊安排得平行于測量方向x。屋脊棱鏡 318同樣有兩個孔318.2, 318.3或光學上不起作用的過孔，衍射光束通過 該孔可以傳播到反射整體量具320或檢測元件316.1， 316.2， 316.3。在屋 脊棱鏡318的下側，按照圖5e所示，安排了不同的掃描光柵314..1 -314.4 以及分光光柵314.6和復合光柵314.5。這個方案的基本的掃描光路的其余走向類似第二實施例的掃描光路。第二實施例的第二變體對反射整體量具一側非常小的分度周期 TPm特別有利。通過在測量方向x上對測量分度的傾斜照明，還可以掃 描其分度周期TPM小于所用光源的波長X的反射整體量具。這時理論上 可掃描的最小分度周期TPm相當于V2。接著將簡要地說明這個方案的 一 些確定尺寸的規則。 若在上列等式(2.1)中用-TPm代替TPm,用-TPAG1代替TPAG1, 并用-TPAG2代替TPAG2 ，則對于不同的分度有<formula>formula see original document page 24</formula> 式中TPM:=測量分度的分度周期 TPVG:=復合光柵的分度周期因此，這樣的光束的分束可能一方面透過分束光柵314.6，而另一 方面從反射整體量具320向掃描板的方向回射，需要保持以下條件 (4.2)有效TPAG1>2*TPM (等式4.2)在波長X = 670nm的情況下，適當選擇的數值例如是TPM=0.5jim, TPAG1=TPAG2 = 1.3拜。 第三實施例按照本發明的位置測量裝置的第三實施例示于圖6a-6d。這些圖對 應于圖la - Id, 3a - 3d, 4a - 4d的上述方案。下面僅就與這些示例的決定 性差異進行說明。于是現在規定，平行光束在準直光學元件412之后射在掃描板413 上側的分光光柵414.6上，并在那里分成兩個分光束。接著這兩個分光 束到達掃描板413下側的輔助分光光柵414.7。通過輔助分光光柵414.7 保證這兩個被分束的分光束射在反射整體量具420上相同的入射點上。 如圖8d所示，輔助分光光柵414.7還可以由兩個單獨的光柵結構組成。接著如上例所示，從反射整體量具420第一次回射之后，該分光束 到達掃描光柵414.1 -414.4，然后從反射元件415.1, 415.2再次轉向反射 整體量具的方向，并在該分光束第二次射在反射整體量具420的同一地 點之前，穿過掃描光柵414.3, 414.4。從那里再次在掃描單元410的方向上回射。現在在掃描單元中分光束在對稱的角度下彼此分開射在掃描板 413下側的輔助復合光柵424.5上，輔助復合光柵424.5也可以如圖6c 所示，由兩個單獨的光柵結構組成。輔助復合光柵424.5保證，在三對 干涉的分光束在檢測元件416.1,416.2,416.3的方向上傳播之前，該分光 束在對稱的角度a! = a2下再次一起射在復合光柵414.8上。 因此，在這個示例中得到保證，首先通過分光光柵414.6分束的分 光束射在反射整體量具420相同的地點上或測量分度422上。特別是在 受到局部污染的情況下由意義，這使所有的信號分量受到均勻的影響。在不同光柵確定尺寸方面，給出以下要保持的條件。,'ra"o^c&."(yi/Ow.r尸w》-o2 ':Tfl"(^c&'"(;t/7 wG)(等式5."式中ai:=掃描板的光柵平面之間的距離a2:=反射整體量具和掃描單元之間的距離nA:=掃描板的折射率TPAG:=分光光柵414.6的分度周期TPahg:=輔助分光束414.7的分度周期在該實施例的情況下必須滿足<formula>formula see original document page 25</formula>(等式5.2)(等式5.3a) (等式5.3b)式中TPAG:=分光光柵的分度周期 TPahg:=輔助分光光柵的分度周期 TPagi:=掃描光柵414.2的分度周期 TPM:=反射整體量具的分度周期 TPVG:=復合光柵的分度周期 TPvhg:=輔助復合光柵的分度周期當在這個示例中遵守上述確定尺寸的規則時，系統的中性旋轉點處 于反射整體量具420的平面上。用具有優選反射方向的炫耀光柵代替輔助分光光柵414.7及輔助復 合光柵414.5可以改善基于這個示例的位置測量裝置的總效率，這使所用的第 一級衍射級的效率優化。通過在y方向上傾斜照明也可以起到同 樣的作用。這時輔助分光光柵414.7和輔助復合光柵414.5這樣形成， 使得反射整體量具420在y方向上被垂直照明。 第四實施例下面參照圖7a-7d說明按照本發明的位置測量裝置的第四實施例。從光源511和檢測元件516.1 - 516.3之間所用的光柵個數看，這個 方案對應于圖la-ld的方案，亦即，所敘述的第一個實施例。但與此 的差異在于，掃描光柵514.1 -514.4形成得使通過其來自反射整體量具 520的分光束點聚焦在掃描板513上側的一些預設的反射元件515上。 其余相當于第一實施例的基本掃描光路。在這個示例中，在掃描光路中的不同光柵的分度周期方面，要遵守 以下條件TPVQ = TPM (等式6)式中TPvg:=復合光柵的分度周期 TPM:=反射整體量具的分度周期掃描光柵514.1, 514.2再次代表與一個衍射透鏡組合的偏轉光柵。 在這個實施例中，這些衍射透鏡形成為圓柱形對稱透鏡，集中在偏轉光 學光軸OA上。它們使分光束聚焦在掃描板513上側的回射元件515上。 重疊的偏轉光柵以一個有效的分度周期TPAG1=TPM偏轉。掃描光柵514.3，514.3僅僅形成為集中在偏轉光學系統的光軸OA上 的圓柱形對稱衍射透鏡。其不施加附加的重疊的偏轉作用(1/TPAG2=0)， 而是使聚焦在掃描板513上側的分光束準直。在本示例中，在遵守這個條件的情況下中性旋轉點大體處于反射整 體量具上方的掃描光柵的高度上。第五實施例按照本發明的位置測量裝置的第五實施例示于圖8a-8d。這些附圖 再次與上述方案的附圖對應。下面也是僅就與上述示例的決定性差異作 一說明。
所示的第五實施例還對應于上面參照圖5a-5d說明的第三實施例。與第三實施例不同之處在于，規定為回射元件的屋脊棱鏡用組合的 偏轉-透鏡元件714.1-714.4代替，其不是圓柱形透鏡元件，而是普通 的透鏡元件。通過其入射的分光束不僅在反射整體量具720的刻度線方 向y上，而且在回射元件715.1， 715.2的測量方向x上聚焦，或者反射 后再次準直。這使入射分光束完全轉向。這個完全轉向的效果是，在反 射整體量具720上第二次被反射后，兩個分光束的輻射方向不再取決于 反射整體量具720可能的傾斜。這在復合光柵之后出射的分光束通過透 鏡717.1, 717.2, 717.3聚焦在小的檢測元件716.1, 716.2, 716.3上時，可 以有利地加以利用。檢測元件716.1, 716.2, 716.3上的入射點即使在反射 整體量具720可能的傾斜時仍保持穩定，因此允許使用特別小因而響應 迅速的檢測元件716.1, 716.2,716.3，另外還可以使用光纖進行檢測。 除已經描述的示例外，在本發明的范圍內自然還有其他實施的可能性。這樣，像LED和帶有橫向單模和多模結構的激光器都可以利用。 橫向多模垂直發射的激光二極管(VCSEL)或LED特別有利，因為這 樣可以避免干擾性的斑點形成。因為在所有實施例下，兩個入射分光束 的入射點優選一起落在復合光柵上，即使在橫向多模光源下也可以得出 高的信號調制。還可以采用所謂結構化檢測器安排代替復合光柵和光敏元件用于 各個出射的產生的衍射級。例如，結構化檢測器安排還可以從DE 100 22 619Al得知，并由平行安排的帶狀光敏檢測元件組成，其中每隔N個 光電檢測器在電氣上連接在一起。這樣的結構化檢測器安排提供N個信 號，它們彼此有360。/N的相移，N優選是3和4。在所有實施例中在一個角度下射在一起的分光束在復合光柵的位 置上發生干涉，并形成一個帶條系統，其帶條周期對應于復合光柵分度 周期的一半。通過適當選擇分度周期TPM, TPach, TPag2帶條固形周期 可以調整得這樣大，使得它們可以用一個結構化檢測器安排測量。帶條 圖形周期優選具有40pm或更大的數值。結構化檢測器安排優選位于兩 個共同投射的分光束的交叉點上。在這種情況下，光柵狀光敏元件結構 代表復合光柵。優選可以通過相應選擇分度周期TPM, TPAG1, TPag2使交 叉點處于掃描板上側的平面上。
在另 一個檢測方案中，復合光柵還可以形成為與位置有關的偏轉光柵。例如， 一個這樣的與位置有關的偏轉光柵可以參見美國專利US 5497226。通過兩個分光束的干涉在復合光柵或與位置有關的偏轉光柵 的位置上形成的帶條圖形系統，與位置有關的偏轉光柵相互作用，具有 與帶條圖形系統相同的分度周期。因為與位置有關的偏轉光柵在每個分度周期中有多個帶條狀分區域。每個這樣的分區域在分度周期上和/或在 子光柵對測量方向x的取向上不同。它們使兩個入分光束射偏轉到各自一個屬于分區域的檢測元件上。根據帶條圖形系統相對于與位置有關的 偏轉光柵的各個分區域的最大值位置，各個分區域得到強度不同的照 明，使得所屬的檢測元件給出一個調制的信號。這個實施例優選在復合光柵大的分度周期TPvg下使用，因為這時 出射分光束的角度分割小，因而這可以不分開在光敏元件上偏轉。在反射整體量具的小的分度周期下，其衍射效率和相移作用取決于 入射光束的偏振。為了避免這樣的與偏振相關性對信號的有害作用，優 選只使用具有共同偏振方向的線性偏振光束，其不是平行于刻度線方 向，就是平行于測量方向。為此不是安排相應取向的激光二極管，就是 在衍射光束光路中使用相應校準的偏振器。使用衍射透鏡和偏轉元件的組合時，根據輻射截面上彎曲的光柵步 距，可能出現不同的衍射狀態。因此為了避免可能出現的與偏振相關的 信號畸變，優選可以在光束光路中兩個分光束在最后穿過衍射透鏡之 后，同樣地匯集到一個偏振器。在這種情況下該偏振器的校準優選再次 選擇得平行于測量方向或平行于比例尺的刻度線方向。最后，在替代實施例方面還要指出，上述第五實施例(圖8a-8d) 的既在測量方向x上又在整體量具的刻度線方向y上聚焦的回射元件， 自然也可以與其他實施例組合等等。
權利要求
1. 位置測量裝置，用以測量一個掃描單元以及一個為此在至少一 個測量方向(X)上運動的反射整體量具的相對位置，其中掃描單元具 有多個光學元件，亦即至少一個回射元件、至少一個復合光柵、至少一 個掃描光柵以及多個檢測元件，而且其中在掃描單元中這樣安排光學元件-掃描光路的光束和/或分光束至少兩次射在反射整體量具上并由 此分別一方面通過入射光束和/或分光束和另一方面通過反射的分光束 形成一個平面，其垂直于反射整體量具的平面；-通過回射元件使射在其上的分光束的方向轉到垂直于測量方向 (x)的反射整體量具上；——對分光束不平行地射在復合光柵上，該復合光柵使入射其上 的分光束發生干涉，使得檢測元件測量相移信號。
2. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，該對分光束與 光軸(OA)成相等的角度(al， a2)對稱地射在復合光柵上。
3. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，該復合光柵形 成為透射光柵，并具有這樣的分度周期(TPvG)，使得其保證入射的分 光束的偏轉在多個共線地出射的衍射級中進行，這些衍射級施加在安排 在其后的檢測元件上。
4. 按照權利要求3的位置測量裝置，該復合光柵形成得使入射的分 光束通過其發生這樣的偏轉，使得共線出射的衍射級中的一個垂直于分 度平面地傳播。
5. 按照權利要求4的位置測量裝置，該復合光柵形成為相位光柵， 并且其間隙條高度和間隙條寬度的尺寸這樣確定，使得安排于其上的檢 測元件可以檢測三個相位錯開120。的信號。
6. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，復合光4冊和檢 測元件形成為結構化檢測配置。
7. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，該復合光柵形 成為與位置有關的偏轉光柵。
8. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，該掃描單元包 括多個掃描光柵以及至少一個復合光柵，其中它們是鏡對稱安排的，而 且其中對稱平面垂直于測量方向(x)并平行于光軸(OA)。
9. 按照上述權利要求中至少一個的位置測量裝置，其特征在于， 在掃描單元中安排一個形成為屋脊棱鏡的回射元件，其屋脊平行于測量 方向(x)。
10. 按照上述權利要求中至少一個的位置測量裝置，其特征在于， 在該掃描單元中的回射元件包括多個組合的偏轉/透鏡元件以及至少一 個平面反射元件，其中透鏡元件的焦平面處于至少一個平面反射元件的 平面內。
11. 按照權利要求10的位置測量裝置，其特征在于，該透鏡元件 形成為衍射透鏡元件，偏轉元件形成為掃描光柵，共同形成為組合的衍 射光柵-透鏡元件。
12. 按照權利要求10的位置測量裝置，其特征在于，透鏡元件形 成為圓柱形透鏡形式的衍射透鏡元件，前在反射整體量具的刻度線方向(y)上具有聚焦作用。
13. 按照權利要求10的位置測量裝置，其特征在于，該透鏡元件 形成為圓柱形對稱的透鏡元件形式的衍射透鏡元件，其不僅在反射整體 量具的刻度線方向(y)上，而且在測量方向(x)上具有聚焦作用。
14. 按照權利要求10的位置測量裝置，其特征在于，回射元件包 括一個平面平行的栽體基片，在其面向反射整體量具的一側上安排多個 光柵，并在其背向反射整體量具的一側上安排至少一個平面反射元件。
15. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，兩個分光束的 入射地點在復合光柵上重合。
16. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，至少一個回射 元件在一個載體元件上形成為單片構件。
17. 按照權利要求1的位置測量裝置，其特征在于，掃描單元包括 多個掃描光柵以及至少一個復合光柵，其中它們是鏡對稱地安排的，而 且對稱平面平行于測量方向(x)并平行于光軸(OA)。
18. 按照權利要求1 - 16中至少一個的位置測量裝置，其特征在于， 掃描單元(10)這樣形成，使得從光源(11)發射的光束通過準直光學 元件(12)準直后-第一次射在反射整體量具(20)上，在這里被分為兩個向掃描 單元(10)回射的分光束，它們對應于兩個不同的衍射級；-該兩個回射分光束在掃描單元(10)中通過回射元件經歷沿反射整體量具(20 )方向的回射，其中該分光束分別兩次透射掃描光柵(14.1, 14.2, 14.3， 14.4);-第二次射在反射整體量具(20)上的分光束經歷重復的衍射和 沿掃描單元(10)方向的回射；-在掃描單元(10)中至少一對被回射的分光束在與光軸(OA) 對稱的角度(al,a2)下射在復合光柵(14.5)上的同一地點上。
19. 按照權利要求1 - 17中至少一個的位置測量裝置，其特征在于， 掃描單元(U0;210;310;710)這樣形成，使得由光源(111;211;311;711 ) 發射的光束通過準直光學元件(U2;212;312;712)準直后- 通過掃描單元(110;210;310;710 )中的分光光柵 (114.6;214.6;314.6;714.6)分為至少兩個分光束，它們對應于兩個不同 的衍射級，并且這些分光束在反射整體量具U20;220;320;720)的方向 上傳播；-然后該分光束第一次射在反射整體量具(120;220;320;720 )上 的不同的地點上，在這里分別分為多個向掃描單元(U0;210;310;710) 回射的對應于不同衍射級的分光束；-該至少兩個回射的分光束在掃描單元(110;210;310;710)中通過回射元件向反射整體量具的方向回射，而且其中這些分光束各兩次穿 過掃描單元(110;210;310;710);-第二次射在反射整體量具U20;220;320;720)上的不同地點上 的分光束經歷重復的衍射并向掃描單元(U0;210;310;710)的方向回射；-在掃描單元(U0;210;310;710)中至少一對回射的分光束在與 光軸(OA )對稱的角度(al,a2 )下射在復合光柵 (U4.5;214.5;314.5;714.5)上的同一地點。
20. 按照權利要求19的位置測量裝置，其特征在于，-掃描單元(210)中的掃描光柵(214.1-214.4)形成為菲涅耳 圓柱形透鏡，其焦線處于回射元件(214.1,214.2)的平面內，并且-分光光柵(214.6)的分度周期(TPAG2)選擇得與復合光柵 (214.5)的分度周期(TPAG1)及與反射整體量具(220)的分度周期 (TPm)相等。
21. 按照權利要求19的位置測量裝置，其特征在于，該反射整體 量具(320; 720 )的分度周期(TPM )這樣選擇，使得在掃描單元(310;710 ) 方向上回射的分光束在第一次射在掃描光柵(314.1 一 314.4;714.1 -714.4)上之前交叉。
22. 按照權利要求21的位置測量裝置，其特征在于，該反射整體 量具(320; 720)的分度周期(TPM)選擇得小于所用的光源(311;711 ) 的波長U)。
23. 按照權利要求20的位置測量裝置，其特征在于，至少一個回 射元件形成為組合的偏轉/透鏡元件(714.1， 714.2， 714.3, 714.4)。
24. 按照權利要求1 - 17中至少一個的位置測量裝置，其特征在于， 掃描單元(410)這樣形成，使得從光源(411 )發射的光束通過準直光 學元件(412)準直后-通過分光光柵(414.6)分成兩個分光束；-然后這兩個分光束到達輔助分光光柵(414.7),借此使該分光 束的至少一部分這樣轉向，使得在反射整體量具(420 )的方向上傳播 的分光束射在反射整體量具(420)上的同一入射點上；而且-射在反射整體量具(420)上的分光束分別分成多個向掃描單元 (410)回射的分光束，它們對應于不同的衍射級；-該至少兩個回射的分光束在掃描單元(410)中通過回射元件沿 到反射整體量具(420)的方向回射，其中該分光束各兩次穿過掃描光 柵(414.1,414.2,414.3,414.4);-第二次射在反射整體量具(420)的同一地點上的分光束經歷一 次重復的衍射和在掃描單元(410)的方向上的回射；-在掃描單元(410)中至少一對回射的分光束射在輔助復合光柵 (414.4)的不同地點上，在此經歷一次重復的衍射和分束，使得至少另 外兩個傳播的分光束在與光軸對稱的角度下射在復合光柵(414.8 )的同 一地點上。
25. 按照權利要求1 - 16中至少一個的位置測量裝置，其特征在于， 掃描單元(510)這樣形成，使得從光源(511)發射的光束通過準直光 學元件(M2)準直后-第一次射在形成為反射光衍射光柵的反射整體量具(520)上， 在此分成兩個向掃描單元(510)回射的對應于兩個不同衍射級的分光束；-該兩個回射的分光束在掃描單元(510)中通過回射元件在反射 整體量具(520 )的方向上回射，其中該分光束各兩次穿過掃描光柵 (514.1,514.2,514.3,514.4 )，并在第 一 次透射掃描光柵 (514.1,514.2,514.3,514.4)時該分光束在一個平面反射元件(515)上的 同一入射點上產生點聚焦；-第二次射在反射整體量具(520)上的分光束經歷重復的衍射和 在掃描單元(510)方向上的回射；-在掃描單元(510)中，至少一對回射的分光束在與光軸(OA) 對稱的角度下射在復合光柵(514.5)上的同一地點上。
全文摘要
本發明涉及位置測量裝置，用以測量一個掃描單元以及一個為此在至少一個測量方向上移動的反射整體量具的相對位置，掃描單元具有多個光學元件，亦即至少一個回射元件、至少一個復合光柵、至少一個掃描光柵以及多個檢測元件。在掃描單元中光學元件這樣安排，掃描光路的光束和/或分光束至少兩次射在反射整體量具上并在這里分別一方面由入射光束和/或分光束而另一方面由反射分光束形成一個平面，其垂直于反射整體量具的平面。通過回射元件使射在其上的分光束的方向轉向到垂直于測量方向的反射整體量具。一對分光束不平行地射在復合光柵上，該復合光柵使入射其上的分光束發生干涉，使得檢測元件測量相移信號。
文檔編號G01D5/26GK101144730SQ20071014896
公開日2008年3月19日 申請日期2007年9月12日 優先權日2006年9月12日
發明者K·桑迪格, W·霍爾查普菲爾 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
