光学位置测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于检测两个能够相对彼此沿着至少一个测量方向移动的物体的相对位置的光学位置测量装置，物体与第一光栅和与第二光栅连接。在此，在一个光栅处由光源发射的光照射束被分束成至少两个子射束；子射束在扫描光路的后续的走向中受到不同的偏振光学作用。在以不同的方式偏振的子射束在一个光栅处再结合之后，能够在检测单元中从所得到的信号射束中产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号。在子射束的扫描光路中在分束和再结合之间没有布置单独的偏振光学器件，被穿过的光栅中的至少一个用作为产生对子射束的不同偏振光学作用的偏振光栅。在此，偏振光栅设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同偏振态的衍射级。

【技术实现步骤摘要】
光学位置测量装置
本专利技术涉及用于检测两个能够相对彼此移动的物体的相对位置的光学位置测量装置。
技术介绍
在已知的高精度的光学位置测量装置中，除了与强度相关的评估方法之外，还将用于生成三个或更多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号的偏振光学方法用于确定位置。关于扫描信号的偏振光学产生，例如参考本申请人的专利EP0481356A2。在图1中以展开的扫描光路的示意图示出了根据EP0481356A2信号产生所基于的原理。在此，光栅A、M可一同沿指定的测量方向x相对于其余的部件L1、L2、AO相对移动地布置。从左侧入射的、经由起偏器P1限定地偏振的射束首先经由光栅A而分束成两个子射束。如从图1中可见：将单独的偏振光学器件、例如取向不同的λ/4板PE1、PE2置入到将受到干涉的子射束的光程中，在该子射束中编码有位置信息。λ/4板PE1、PE2使两个穿过的子射束偏振化为彼此正交的，即两个子射束于是例如左右圆偏振的。然后，将这两个子射束叠加成共同的信号射束(0)，并在后续的检测单元或评估光学装置AO中分束成三个或更多个叠加的子射束I90、I210、I330。在通过不同取向的起偏器P90、P210、P330之后，在检测器元件D90、D210、D330处最终产生分别相位偏移了120°的扫描信号S90、S210、S330，这些扫描信号以已知的方式和方法得到进一步处理。通常，除了λ/4板PE1、PE2之外，在分束的子射束的射线路径中还布置有起偏器P2、P3形式的其他偏振光学器件，以经由此补偿先前由子射束穿过的光栅A、L1、L2引起的错误偏振。这种以偏振光学的方式产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号的缺点是必须将单独的或额外的光学元件、例如λ/4板和起偏器引入到扫描光路中或引入到两个相对彼此移动的部件之间的扫描间隙中。在相应的光学位置测量装置的结构体积受限或所设置的扫描间距小的情况下，这样的额外器件会引发问题。如果位置测量装置类似于从WO2008/138501A1中已知的原理那样来构造，则图1中的部件A、M和L1、L2设计为两个可相互移动的实物量具。在这种情况下，对位于它们之间的、固定式的偏振光学器件的机械固定通常是不可行的。此外，扫描光路中的额外的偏振光学器件也对所用的载体结构的平整度、平行度和均匀性提出了更高的要求；需要无漂移且稳定的安装面来容纳该载体结构。在此，可能的材料缺陷只能以极其高的额外耗费经由相应的校准方法来进行补偿。当在相应的位置测量装置中使用长的平移不变的标尺时，这尤其适用。此外，由于在扫描光路中额外需要的偏振光学器件而同样对其他系的统特性、例如固有频率或扫描间隙中的空气流动具有幅面影响。在本申请人的专利DE102010063253A1中已经提出了一种光学位置测量装置，其在扫描光路中没有单独的或额外的偏振光学器件的情况下以偏振光学的方式产生相位偏移的扫描信号。根据该解决方案，所需的偏振光学器件整体地构成在扫描光路的其他部件中，例如以具有周期变化结构的高频光栅的形式构成。在这样的位置测量装置中，所使用的部件在测量方向上具有与位置相关的偏振特性；例如在此能够提出：将实体量具用作偏振光栅。实体量具于是例如由多个局部可变的层构成并且包括高频光栅，其具有分度周期dR<λ/2，该高频光栅只具有第0级衍射级，并产生偏振光学功能。在此，高频光栅的光栅方向以偏振周期dP沿测量方向变化，偏振周期必须显著大于实体量具的被照射的区域的宽度hwSpot，其限制了可产生的扫描信号的信号周期SP的下限；即在此必须满足关系dP>hwSpot。因此，射在实体量具的不同点处的子射束受到了局部不同的偏振光学作用，其中偏振变化在此必须精确地匹配于相应的扫描间距。为此，将子射束的入射点的间距选择成，使得间距对应于实体量具的光栅周期的一半。在扫描间距改变的情况下，扫描信号的调制程度将受损并且其他信号特性也会改变。最后，从本申请人的专利DE102014211004A1中还已经披露了另一种光学位置测量装置，其在扫描光路中没有额外的分立的偏振光学器件的情况下以偏振光学的方式产生相位偏移的扫描信号。根据该文献，可以在特定条件下利用在光学位置测量装置的扫描板或实体量具的侧部上的光删处的衍射，以在衍射的子射束中设定特定的偏振态。然而，为此，一方面需遵守关于待分束的射束的特定的入射条件；另一方面，相应的光栅为了设定在衍射的子射束中所期望的偏振特性必须具有极其小的光栅周期。由此，用于对子射束产生偏振光学作用的这种可行性方案受到特定的限制，并且不可被用于所有的扫描原理。
技术实现思路
本专利技术所基于的目的在于，提出一种光学位置测量装置，其为了以偏振光学的方式产生相位偏移的扫描信号而无需扫描光路中额外的偏振光学器件并且能够使用不同的光学扫描原理。在不同的子射束中所设定的偏振态即使在扫描特性变化的情况下也将尽可能保持不变进而确保所产生的扫描信号的质量保持不变。根据本专利技术，该目的通过根据本专利技术的光学位置测量装置来实现。根据本专利技术的光学位置测量装置的有利的实施方案从在各个实施例中所实施的措施中得到。根据本专利技术的光学位置测量装置用于检测两个能够相对彼此沿着至少一个测量方向移动的物体的相对位置，物体与第一光栅和与第二光栅连接。在一个光栅处由光源发射的光照射束分束成至少两个子射束；子射束在扫描光路的后续历程中受到不同的偏振光学作用，在不同偏振的子射束在一个光栅处再结合之后，能够在检测单元中由所得到的信号射束产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号。在子射束的扫描光路中在分束与再结合之间没有布置单独的偏振光学器件。穿过的光栅中的至少一个设计为用于产生对子射束不同的偏振光学作用的偏振光栅。在此，偏振光栅设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同偏振态的衍射级。能够提出，偏振光栅包括呈光栅接片和光栅狭缝形式的多个弧形弯曲的光栅结构，光栅结构的纵向延伸方向分别平行于测量方向取向，并且其中，光栅结构沿着测量方向和垂直于测量方向周期性地布置。在此可行的是：偏振光栅平行于测量方向具有以测量方向周期性周期性地布置的、条形的光栅部段，光栅部段的纵向延伸方向垂直于测量方向取向，其中在光栅部段中光栅结果垂直于测量方向以正交周期性周期布置。此外能够提出，在偏振光栅的相邻的光栅部段之间：布置有光栅狭缝；或布置有光栅接片；或布置有交替相邻的多个光栅狭缝和光栅接片。替选于此可行的是，相邻的光栅部段的光栅结构彼此邻接。在一个有利的实施方式中，根据关系式Λ_ortho<1.5·λ来选择正交周期性Λ_ortho，其中，λ指明所使用的光源的波长。此外能够提出，根据关系式FV<0.6来选择偏振光栅的面填充比FV，其中，面填充比FV被定义为一个偏振光栅单元格中的光栅接片的面积与偏振光栅单元格的总面积的比。因此，可行的是，偏振光栅设计为反射相位光栅，其光栅接片和光栅狭缝具有不同的反射特性。在一个优选的实施方式中，反射相位光栅包括至少如下部件：载体衬底，布置在载体衬底上的平面的反射器层，布置在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学位置测量装置，用于检测两个能够相对彼此沿至少一个测量方向(x)移动的物体的相对位置，所述物体与第一光栅和第二光栅连接，其中，在一个光栅处，由光源发射的光照射束分束成至少两个子射束；所述子射束在扫描光路的后续历程中受到不同的偏振光学作用，并且在不同偏振的所述子射束在一个光栅处再结合之后，能够在检测单元中由所得到的信号射束产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号，其中，在所述子射束的所述扫描光路中在分束与再结合之间没有布置单独的偏振光学器件，并且被穿过的光栅中的至少一个设计为偏振光栅，以用于产生对所述子射束的不同偏振光学作用，/n其特征在于，/n所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同偏振态的衍射级。/n

【技术特征摘要】
20190514 DE 102019206937.11.一种光学位置测量装置，用于检测两个能够相对彼此沿至少一个测量方向(x)移动的物体的相对位置，所述物体与第一光栅和第二光栅连接，其中，在一个光栅处，由光源发射的光照射束分束成至少两个子射束；所述子射束在扫描光路的后续历程中受到不同的偏振光学作用，并且在不同偏振的所述子射束在一个光栅处再结合之后，能够在检测单元中由所得到的信号射束产生多个相位偏移的、与位移相关的扫描信号，其中，在所述子射束的所述扫描光路中在分束与再结合之间没有布置单独的偏振光学器件，并且被穿过的光栅中的至少一个设计为偏振光栅，以用于产生对所述子射束的不同偏振光学作用，
其特征在于，
所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)设计为，使得在光栅上的每个入射地点处得到具有不同偏振态的衍射级。


2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)包括呈光栅接片(22.2；122.2；222.2；322.2；422.2；522.2)和光栅狭缝(22.1；122.1；222.1；322.1；422.1；522.1)形式的多个弧形弯曲的光栅结构，所述光栅结构的纵向延伸方向分别平行于测量方向(x)取向，并且其中，所述光栅结构沿着所述测量方向(x)和垂直于所述测量方向(x)都周期性地布置。


3.根据权利要求2所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)具有条形的光栅部段(22a、22b、22c、22d)，所述光栅部段与所述测量方向(x)平行地以测量方向周期性(Λ)周期性地布置，所述光栅部段的纵向延伸方向垂直于所述测量方向(x)取向，其中，在所述光栅部段(22a、22b、22c、22d)中所述光栅结构与所述测量方向(x)垂直地以正交周期性(Λ_ortho)周期性地布置。


4.根据权利要求2或3所述的光学位置测量装置，其特征在于，在所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)的相邻的光栅部段(22a、22b、22c、22d)之间
布置有光栅狭缝，或
布置有光栅接片，或
布置有交替相邻的多个光栅狭缝和光栅接片。


5.根据权利要求2或3所述的光学位置测量装置，其特征在于，相邻的光栅部段的光栅结构彼此邻接。


6.根据权利要求3所述的光学位置测量装置，其特征在于，根据关系式Λ_ortho<1.5·λ来选择所述正交周期性Λ_ortho，其中，λ指明所使用的光源(LQ；21)的波长。


7.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，根据关系式FV<0.6来选择所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)的面填充比FV，其中，所述面填充比FV被定义为一个偏振光栅单元格中的所述光栅接片(22.2；122.2；222.2；322.2；422.2；522.2)的面积与所述偏振光栅单元格的总面积的比。


8.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，其特征在于，所述偏振光栅(22；122；222；322；422；522)设计为反射相位光栅，所述偏振光栅的光栅接片(22.2；122.2；222.2；322.2；422.2；
522.2)和光栅狭缝(22.1；122.1；222.1；322.1；422.1；522...

【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·卡埃尔贝雷尔，
申请(专利权)人：约翰内斯海德汉博士有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE