CN103837177A - 光学位置测量设备 - Google Patents

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Abstract

光学位置测量设备。根据本发明的光学位置测量设备包括计量用具（1.1），其具有用于增量测量的光栅（G1）以及用于绝对测量的绝对标记（R1）。针对增量测量使用具有波长（λ1）的光，该波长小于用于绝对测量的光的波长（λ2）。

Description

光学位置测量设备
技术领域
本发明涉及一种光学位置测量设备，其具有计量用具以及在测量方向上可以相对于该计量用具移动的扫描单元。该位置测量设备可以构造为测量线性运动或者旋转运动。
背景技术
增量位置测量设备被证明是可行的，其中计量用具具有周期性增量分度形式的第一光栅，并且扫描单元具有至少一个第二光栅，该第二光栅被布置为与计量用具的光栅相距可预先给定的扫描间距。为了位置测量，给两个光栅施加确定波长的光，并且借助于第一探测器装置从中获得依赖于位置的电扫描信号。
作为本发明的出发点的这样的位置测量设备例如在 DE 33 34 398 C1 中予以了描述。在此，增量位置测量由绝对位置测量来补充。计量用具附加于第一光栅还包含绝对标记，从所述绝对标记中借助于第二探测器装置生成第二电扫描信号，该第二电扫描信号单义地定义测量范围内的绝对位置。
第一和第二光栅的扫描间距被选择为使得实现尽可能高的调制度以及因此实现高的信号幅度。用于增量位置测量的最优扫描间距处于所谓的塔尔波特（Talbot）平面中。在塔尔波特平面中进行第一光栅的重复的自成像，使得在所述塔尔波特平面中生成周期性的强度分布。在根据DE 33 34 398 C1的所谓的双光栅发生器的情况下，在塔尔波特平面中产生借助于平面波前被照射的第一光栅的图像，所述塔尔波特平面与第一光栅具有如下间距Ln：
Figure 201310604568X100002DEST_PATH_IMAGE002
n：整数0、1、2...
T1:第一光栅的光栅常数
λ：光的波长
可以看出，塔尔波特平面的位置以及由此最优的扫描间距一方面依赖于第一光栅的光栅常数并且另一方面依赖于所使用的光的波长。
在DE 33 34 398 C1中已经认识到，对于实际来说相对大的扫描间距对于增量扫描是有利的，但是大的扫描间距对于绝对标记起着不利作用。作为该问题的解决方案，根据DE 33 34 398 C1提出，为两个扫描设置不同的扫描间距，即为增量扫描设置比绝对标记的扫描更大的扫描间距。
为了在该布置中能够保持所需的扫描间距，提出耗费的引导装置。
发明内容
本发明的任务是，提供一种光学位置测量设备，利用该光学位置测量设备在增量位置测量的情况下以及在绝对位置测量的情况下实现尽可能高的调制度。在此，该位置测量设备应当被构造为尽可能紧凑的以及对扫描间距的改变是容许的。
该任务通过如下方式来解决：为了增量位置测量使用第一波长的光，并且为了绝对位置测量使用第二波长的光，其中第一波长小于第二波长。
在本发明中，特别有利地利用扫描间距与所使用光的波长的上面说明的依赖性。针对增量位置测量使用具有尽可能小的波长的光。这具有的优点是，第一塔尔波特平面（n＝1）显现在如下间距处，在该间距处可以通过简单的方式布置第二光栅。因此有利的是，第一光栅和第二光栅的照射和构造这样进行，使得在第一光栅之后出现塔尔波特效应，其中第二光栅被布置为与第一光栅相距与第一塔尔波特间距相对应的扫描间距、也即布置在第一特尔波特平面中，其中n＝1。
相反针对绝对位置测量使用更大波长的光。
当针对增量位置测量和绝对位置测量应用同样的探测器元件时，得出位置测量设备的简单构造。于是，第一探测器装置和第二探测器装置具有相同的光谱敏感度。
为了生成第一波长的光，优选地设置第一单色光源，并且为了生成第二波长的光设置第二单色光源。
为了实现特别紧凑和可良好处理的构造，第一光源、第二光源、第一探测器装置和第二探测器装置一起布置在透明载体衬底的上侧上，使得两个探测器装置的光源的发光侧和光敏侧朝向计量用具的方向定向。
例如，两个探测器装置的光谱敏感度对于第二波长比对于第一波长更大。
当探测器装置是在使用非晶硅的情况下构造时，实现特别简单的构造。非晶硅的光谱敏感度的最大值处于大致570 nm处。在此，第一波长优选地被选择为小于520 nm。第一波长尤其是处于430 nm至500 nm的范围中，并且第二波长处于570 nm ± 50 nm的范围中。
但是探测器装置也可以在使用晶体硅的情况下构造。在此，第一波长、也即用于增量测量的光优选地被选择为小于700 nm、尤其是大致600 nm，并且第二波长、也即用于绝对测量的光被选择为大致870 nm ± 50 nm。
本发明的特别有利的扩展方案在从属权利要求中予以说明。本发明的另外的优点以及细节从下面对本发明的两个实施例的描述中得出。
附图说明
在此：
图1示出了第一位置测量设备的纵截面；
图2示出了第二位置测量设备的横截面；
图3示出了增量扫描的信号幅度依据所使用的波长的变化曲线；以及
图4示出了基于非晶硅aSi和基于晶体硅Si的探测器装置的光谱敏感度E依据波长λ的变化曲线。
具体实施方式
原则上，本发明可用于透射光扫描以及反射光扫描。在透射光扫描的情况下，照射通过布置在计量用具的一侧上的光源来进行，而探测器装置布置在计量用具的另一侧上，因此计量用具必须对于相应的波长为透明的。而反射光扫描利用计量用具的反射特性，其方式是探测器装置与光源布置在相同的侧。对于位置测量设备的紧凑构造特别合适的是反射光扫描，因此下面根据利用反射光扫描的两个实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明构造的光学位置测量设备的第一实施例的纵截面。该位置测量设备具有计量用具1.1以及在测量方向X上可相对于该计量用具移动的扫描单元2.1。计量用具1.1为了增量位置测量而具有周期性增量分度形式的第一光栅G1。此外，计量用具1.1包括用于绝对位置测量的绝对标记R1。该绝对标记R1在所示示例中是具有不规则条纹布置的参考标记，其单义地定义测量范围内的唯一位置。绝对标记R1在所示示例中是集成到第一光栅G1中的标记。在此，其是对形成第一光栅G1的周期性分度条纹序列的非周期性干扰。
但是，绝对标记R1也可以布置在空间上在第一光栅G1旁边的特有轨迹中。此外，绝对标记可以是布置在测量方向X上的码、尤其是PRC，其在测量范围内的每个位置处定义单义的绝对位置。
在该示例中所示的增量位置测量基于所谓的三光栅发生器原理。在此情况下，计量用具1.1的第一光栅G1借助于在此称为发射光栅GS的另一光栅GS被照射。扫描单元2.1具有在此称为第二光栅G2的另一光栅G2，其被布置为扫描在扫描间距A处产生的第一光栅G1的图像。
在该三光栅发生器原理的情况下，发送光栅GS用于分割第一光源3.1的光，并且理论上得出如下的特尔波特间距：
Figure 201310604568X100002DEST_PATH_IMAGE004
n：整数0、1、2...
T1:第一光栅G1的光栅常数
T2:第二光栅G2的光栅常数
λ1:用于增量扫描的光的波长
利用 T2 = 2xT1得出：
Figure 201310604568X100002DEST_PATH_IMAGE006
。
图3示出了增量扫描的信号幅度依据所使用的波长λ的变化曲线。所述变化曲线示出了图1中所示构造情况下的信号幅度的实际变化曲线。如果针对增量扫描使用波长λ1=470 nm的光，则第一塔尔波特平面（n＝1）在光栅常数T2＝20μm的情况下处于大致1.5mm的扫描间距A处。如果根据第一塔尔波特平面（n＝1）的位置选择扫描间距A，则一方面得出相对高的信号幅度S并且另一方面在扫描间距A改变时的幅度改变是相对小的。因此，位置测量设备的组装期间的安装公差以及运行期间的（例如由于温度改变）允许的公差是相对大的。
在本发明中，最优地利用塔尔波特间距对所使用的光的波长λ1的依赖性。为了高度精度的位置测量，对于计量用具1.1来说需要具有尽可能小的光栅常数T1的光栅G1。随着光栅常数T1减小，塔尔波特间距也减小。随着塔尔波特间距减小，扫描间距A的允许的公差也减小。现在为了实现机械上可简单实现的扫描间距A，根据本发明针对增量位置测量使用尽可能小的波长λ1的光。
从图3中可以看出，塔尔波特平面的间距随着所使用的光的波长λ减小而升高。在小波长λ的情况下，关于间距改变的敏感度比在较高波长λ的情况下小。在本发明中现在甚至允许，针对增量扫描所使用的波长λ1处于分配给其的探测器装置5.1（下面称为第一探测器装置5.1）的最大光谱敏感度之外。
对于绝对位置测量使用波长λ2，该波长λ2大于用于增量扫描的波长λ1。如果现在将第一探测器装置5.1和第二探测器装置6.1构造为相同的，则这两个探测器装置具有依据波长λ的相同的光谱敏感度。
两个探测器装置5.1、6.1例如是在使用非晶硅的情况下构造的。在图4中示出了基于非晶硅（aSi）的探测器装置5.1、6.1的光谱敏感度依据所使用光的波长λ的变化曲线。光谱敏感度的最大值处于大致570 nm处。在此对于绝对扫描，波长λ2在570 nm ± 50 nm范围中的光是有利的。于是，对于增量扫描有利的是波长λ1低于520 nm、尤其是在430nm至500nm范围中的光，以便实现高于1mm的所期望的扫描间距A。在此允许，对于增量测量所使用的波长λ1处于探测器装置5.1的最大光谱敏感度之外。
针对两种扫描所使用的波长λ1、λ2与探测器装置5.1和6.1的光谱敏感度变化曲线E的协调在所示示例中这样进行，使得对于第二波长λ2的光谱敏感度大于对于第一波长λ1的光谱敏感度。也就是，针对绝对扫描，探测器装置6.1的光谱特性被充分利用，其方式是第二波长λ2处于光谱敏感度变化曲线的最大值处或者至少在该最大值附近。
一般而言，用于绝对扫描的波长λ2优选地被选择为等于分配给该扫描的探测器装置6.1的光谱敏感度最大值，优选地其中公差为± 50 nm。与此相比，用于增量扫描的波长λ1被选择得较小。
用于增量扫描的第一探测器装置5.1优选地被构造为所谓的结构化探测器装置的形式，其方式是将第二光栅G2集成到光敏探测器的层构造中。可以以公知方式设置多组探测器装置5.1，所述探测器装置5.1被布置和互连为使得可以导出多个彼此相移的扫描信号。关于增量扫描的构造，例如可以参阅EP 1 695 391 B1。
在所示的示例中，用于绝对扫描的第二探测器装置6.1也被构造为结构化探测器装置的形式，其方式是将用于扫描绝对标记R1的结构R2集成到光敏探测器的层构造中。
探测器装置5.1、6.1优选地一起布置在透明载体衬底7.1的背向计量用具1.1的上侧上。第一光源3.1、第二光源4.1、第一探测器装置5.1和第二探测器装置6.1这样布置在透明载体衬底7.1的上侧上，使得光源3.1和4.1的发光侧以及探测器装置5.1和6.1的光敏侧朝向计量用具1.1的方向定向。
图2示出了本发明的第二实施例。在该实施例中，绝对标记R3在空间上布置在计量用具1.2上的第一光栅G1旁边。用于增量测量的探测器装置5.2和用于绝对测量的探测器装置6.2又一起布置在透明载体衬底7.2的背向计量用具1.2的上侧上。第一光源3.2、第二光源4.2、第一探测器装置5.2和第二探测器装置6.2这样布置在透明载体衬底7.2的上侧上，使得光源3.2和4.2的发光侧以及探测器装置5.2和6.2的光敏侧朝向计量用具1.2的方向定向。
在该示例中，扫描单元2.2的探测器装置5.2和6.2是基于晶体硅（Si）构造的。在图4中示出了这些探测器装置5.2和6.2的光谱敏感度E的变化曲线。光谱敏感度的最大值处于大致870 nm的波长λ处。因此，用于绝对测量的光、也即第二光源4.2的第二波长λ4被选择为大致870 nm ± 50 nm。在此，第一波长λ3、也即用于增量测量的光源3.2的光优选地被选择为小于700 nm、尤其是大致600nm。
使用不同的波长λ1、λ2或λ3、λ4附加地提供了使用滤光器以避免两个扫描通道（增量扫描和绝对扫描）相互影响的可能性。图2中示出了这样的滤光器9和10的布置。为此，给第一探测器装置5.2分配第一滤光器9，该第一滤光器对第一波长λ3的光分量是透明的并且对第二波长λ4的光分量是不透明的。滤光器9布置在第二光栅G2与第一探测器装置5.2的光敏面之间。给第二探测器装置6.2分配滤光器10，该第二滤光器对第二波长λ4的光分量是透明的并且对第一波长λ3的光分量是不透明的。滤光器10布置在用于扫描绝对标记R3的结构R4与第二探测器装置6.2之间。

Claims (11)

1.一种光学位置测量设备，其具有计量用具（1.1,1.2）以及在测量方向（X）上能相对于所述计量用具移动的扫描单元（2.1,2.2)，其中
－计量用具（1.1,1.2）具有周期性增量分度形式的第一光栅（G1）并且扫描单元（2.1,2.2)具有至少一个第二光栅（G2），所述第二光栅（G2）被布置为与第一光栅（G1）相距扫描间距（A），其中为了位置确定，两个光栅（G1,G2）被施加第一波长（λ1,λ3）的光，并且借助于第一探测器装置（5.1,5.2）从中获得第一扫描信号；
－计量用具（1.1,1.2）还具有绝对标记（R1,R3），其中为了位置确定，绝对标记（R1,R3）被施加第二波长（λ2,λ4）的光，并且借助于第二探测器装置（6.1,6.2）从中获得第二扫描信号；
－第一波长（λ1,λ3）小于第二波长（λ2,λ4）。
2.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中第一探测器装置（5.1,5.2）和第二探测器装置（6.1,6.2）具有依据波长（λ）的相同的光谱敏感度变化曲线（E），并且第一波长（λ1,λ3）和第二波长（λ2,λ4）被选择为使得对第二波长（λ2,λ4）的光谱敏感度大于对第一波长（λ1,λ3）的光谱敏感度。
3.根据权利要求1或2所述的光学位置测量设备，其中第二波长（λ2,λ4）处于如下范围内：
第二探测器装置（6.1,6.2）的光谱敏感度的最大值± 50 nm。
4.根据前述权利要求之一所述的光学位置测量设备，其中第一波长（λ1）小于520nm。
5.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中第一探测器装置（5.1）和第二探测器装置（6.1）是在使用非晶硅的情况下构造的。
6.根据权利要求5所述的光学位置测量设备，其中第一波长（λ1）处于430 nm至500 nm的范围中，并且第二波长（λ2）处于570 nm ± 50 nm的范围中。
7.根据权利要求1至3之一所述的光学位置测量设备，其中第一探测器装置（5.2）和第二探测器装置（6.2）是在使用晶体硅的情况下构造的，并且第一波长（λ3）小于700nm并且第二波长（λ4）处于870 nm ± 50 nm的范围中。
8.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中第一光栅（G1）和第二光栅（G2）的照射和构造这样进行，使得在第一光栅（G1）之后产生塔尔波特效应，其中第二光栅（G2）布置为与第一光栅（G1）相距与第一塔尔波特间距相对应的扫描间距（A）。
9.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中为了生成第一波长（λ1,λ3）的光设置第一光源（3.1,3.2），并且为了生成第二波长（λ2,λ4）的光设置第二光源（4.1,4.2），并且其中第一光源（3.1,3.2）、第二光源（4.1,4.2）、第一探测器装置（5.1,5.2）和第二探测器装置（6.1,6.2）一起布置在透明载体衬底（7.1,7.2）上。
10.根据权利要求9所述的光学位置测量设备，其中第一光源（3.1,3.2）、第二光源（4.1,4.2）、第一探测器装置（5.1,5.2）和第二探测器装置（6.1,6.2）这样布置在透明载体衬底（7.1,7.2）的上侧上，使得光源（3.1,3.2,4.1,4.2）的发光侧以及探测器装置（5.1,5.2，6.1,6.2）的光敏侧朝向计量用具（1.1,1.2)的方向定向。
11.根据权利要求1所述的光学位置测量设备，其中给第一探测器装置（5.2）分配滤光器（9），该滤光器（9）对第二波长（λ4）的光分量是不透明的，并且其中给第二探测器装置（6.2）分配滤光器（10），该滤光器（10）对第一波长（λ3）的光分量是不透明的。
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