位置测量系统技术方案

用于确定两个物体的相对位置的位置测量系统拥有电源单元（１，２），用于生成激光光源（３）的可变工作电流。至少一个光电检测器（１３．１，１３．２，１３．３）根据从激光光源接收的光而生成依赖于位置的输出信号（－１２０°，０°，＋１２０°）。在测量运行中，将与交流电流分量叠加的直流电流从电源单元（１，２）输出到激光光源（３）上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种根据权利要求1的前序部分的、具有激光光源的位置测量系统。这种位置测量系统用来检测两个相对运动的物体的相对位置。高精度的光位置测量系统在许多
中已是不可缺少的。如果取决于最高精密度，基于光学扫描原理的位置测量系统则遥遥领先于其它的、例如磁、电容或电感扫描原理。在诸如光刻的应用中，已经要求纳米范围内的位置测量。迄今只能利用干涉仪来提供这种精度。但是在未来，位置测量系统也将挺进到这些基于光学标尺(Massstab)的扫描的领域中。这种干涉测量系统作为三光栅测量系统早已是公开的光源的光在分光光栅上被分解成不同的衍射阶，这些衍射阶在标尺光栅上被反射并且被投射到会聚光栅(Vereinigungsgitter)上，在那里使不同衍射阶的光束互相会聚并产生干涉。分光光栅和会聚光栅可以在此被构造为独立的光栅(优选地如果标尺是透光的)，或被构造为一个唯一的光栅(优选地如果标尺是反射的)。即使当在第二种情况下仅实体地存在两个光栅时，第一分光光栅也因此同时起着会聚光栅的作用。所以这种系统也有理由被称为三光栅测量系统。这里，将两个或三个光栅设置用于三光栅测量系统与真正的测量原理无关，并且可以由设计师按照诸如射线导向的限制或扫描头中可供使用的空间的限制等任意准则来抉择。利用光电检测器来检测不同的干涉光束，并且因此输出彼此相对地移相的、依赖于位置的检测器信号。由于这种干涉测量系统的扫描信号在很大程度上是无谐波的，因此它们很好地适用于内插。利用微米范围内的标尺刻度、由不同衍射阶的干涉所引起的倍频和扫描信号的例如4096倍的细分完全可以达到纳米范围内的精度。如此来设计干涉测量系统，使得干涉光束从其分光直至会聚为止经过尽可能相等的路径长度。所以利用在理想情况下不依赖于光源波长的相位差来实现光束的干涉。根据相位差确定位置值，因此该位置值也不依赖于波长。但是实际上总是出现导致小的路径长度差异的元件容差、装配容差和校正容差。所输出的位置值因此略微依赖于光源的波长。所以必须将具有尽可能恒定的光波长的光源用于要求很高分辨率的相位差测量的高精度测量系统。此外，光源的高亮度常常是重要的，以便能够生成具有最小噪声分量的高信号强度。这在通过光波导来耦合光源的测量设备中尤其适用。在具有较长光线路径的测量设备的情况下，干涉光束的由装配决定的路径长度差异可能达到这样的数值，在该数值情况下光源的相干长度变成重要的。仅在相干长度足够时，在这些情况下可以将装配容差保持在正当合理的范围内。在具有最高分辨率的干涉位置测量系统中，激光二极管作为光源已被实现。由于高的亮度和大的相干长度而本来很好地适合的单模激光二极管具有对于位置测量系统来说很不利的缺点。在某些工作状态下(首先取决于激光二极管的工作电流和温度)出现模式跳跃，这些模式跳跃导致跳跃式的波长变化。但是在高精度的位置测量系统中，这种波长变化导致位置测量的跳跃，并且常常也导致增量计数器的误计数。为了避免这种问题，US 4,676,645和US 5,000,542建议采用具有多种彼此靠得很近的模式的多模激光二极管。因此在每种工作状态下占用多种模式，在工作状态变化时连续地重新分配模式的占用，使得不出现激光二极管的重点波长的大的跳跃。不过只有较小光功率(＜3-5mW)的多模激光二极管可供使用。由原理决定，激光二极管在较高的光功率时展示出单模特性。因此不能给要求高光功率的测量系统装备多模激光二极管。这种多模激光二极管也不太适合要求大的相干长度的应用。这些多模激光二极管的采用需要被规定更小容差的机械和光学元件，以便基于多模激光二极管的短的相干长度而一般总是收到干涉信号。这种位置测量系统因此在制造上是费事的并且因此是昂贵的。JP 2002-39714建议将被供给可变工作电流的单模激光二极管用于干涉仪。通过模式跳跃控制装置一再(周期性地或根据请求)如此对工作电流进行再调节，使得在一个尽可能远离模式跳跃位置的工作点上运行激光二极管。在此，在机械固定的测量装置中，借助不可逆地跳跃的位置输出信号来检测依赖于工作电流的模式跳跃，并且然后如此来选择工作电流，使得它位于两个模式跳跃之间的中心处，也就是到相邻的模式跳跃具有最大可能的距离。但是，一再需要的模式跳跃的位置测量以及为此所需的用于模式跳跃检测的真正测量工作的中断是很费事的，并且不允许连续的位置测量。DE 10235669 A1描述了一种具有光源的位置测量系统，该光源被构造为单模激光光源。为了克服该激光光源的所述的缺点，建议采用反馈装置。激光光源和反馈装置如此互相交替作用，使得在激光光源中激发多个紧密相邻的模式，并且因此导致单模激光光源的准多模式运行。然而，如果将激光二极管用作激光光源，则由于反馈装置与激光二极管的交替作用而产生自发的短时间的亮度扰动和波长波动，这些亮度扰动和波长波动在文献中也称为低频波动(LFF)或漏失(Dropout)。它们在其作用方面可以等同于模式跳跃，并且使准确的位置测量变得很困难。本专利技术的任务是给出一种位置测量系统，该位置测量系统以简单的方式来避免激光光源的模式跳跃的问题。该任务通过一种具有权利要求1的特征的装置来解决。由在从属于权利要求1的权利要求中所阐述的特征得出有利的实施形式。用于确定两个物体的相对位置的位置测量系统拥有用于生成激光光源的可变工作电流的电源单元。至少一个光电检测器根据从激光光源所接收的光而生成依赖于位置的输出信号。在测量运行中，由电源单元将与交流电流分量叠加的直流电流输出到激光光源上。为了避免由于激光二极管的模式跳跃而突然出现波长波动的问题，现在迫使以高频率产生模式跳跃。这导致构成对于位置测量来说重要的、激光的重点波长，该重点波长随着工作电流或随着环境温度的变化与在常规运行的激光二极管的模式跳跃时相比明显不太强烈。为了迫使以高频率产生模式跳跃，将用于运行激光二极管的直流电流与高频交流电流分量相叠加，该激光二极管由于大的相干长度和高的亮度而优选地被构造为单模激光二极管。由于模式跳跃依赖于工作电流而出现，所以如果工作电流的直流分量如此近地位于模式跳跃位置旁，使得由于工作电流的交流电流分量而周期性地覆盖模式跳跃位置，那么这种模式跳跃将周期性地出现。工作电流的直流分量越靠近模式跳跃位置，则在时间平均上越均匀地占用两种模式。如果测量系统的频带宽度小于激光二极管的调制频率，则仅通过两种模式的时间平均来确定位置信号。因此，不再会由于工作电流或环境温度的缓慢的漂移而导致激光二极管的波长的突然变化，更确切地说，构成重点波长，该重点波长按照所参与的模式的连续的重新分配而明显不太快地随着工作电流或环境温度变化。只有当所调制的工作电流周期性地并且以高频率覆盖多个模式跳跃时，这才合理地适用。以在1至15mA之间的交流电流幅度运行的单模激光二极管的相干长度典型地总是还大约有100μm至5mm，使得即使在毫米范围内激光辐射也还保持具有干涉能力。对机械校正以及机械和光学元件的容差的要求因此保持在合理的范围内。与常规运行的单模激光二极管相比降低的相干长度仍然有助于减少不受欢迎的效应、诸如(在光波导耦合输入、透镜、棱镜等等上的)玻璃表面之间的偏离的干涉分支或干涉的随同调制(Mit-Modulation)。此外通过激光二极管电流的HF调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于确定两个物体的相对位置的位置测量系统，具有用于生成激光光源（３）的可变工作电流的电源单元（１，２），以及具有至少一个用于根据从所述激光光源（３）接收的光而生成依赖于位置的输出信号（－１２０°，０°，＋１２０°）的光电检测器（１３．１，１３．２，１３．３），其特征在于，在测量运行中，可以将与交流电流分量叠加的直流电流从所述电源单元（１，２）输出到所述激光光源（３）上。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：W霍尔扎普菲尔，S赖希胡伯尔，H胡伯尔伦克，J德雷舍尔，
申请(专利权)人：约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]