干涉测位仪制造技术

提出一种包括光源的干涉测位仪，光源沿光轴方向发出光束。在光源后面的光学元件转换来自光源的光束。在转换光束区内安置一标度光栅，它将入射光束至少分解成第一和第二分光束，分光束沿不同空间方向传播。在第一和第二分光束的光路中，各安置一扫描光栅，它们又将第一和第二分光束分解成第三和第四或第五和第六分光束，至少其中两个分光束再次相遇。在同第一目标相连的标度光栅相对同第二目标相连的光源和扫描光栅运动时，在检波平面中得到周期性调制的并有规定的空间干涉条纹图形－周期（Ｐ＃－［１Ｐ］）的干涉条纹图形。为检测相移的扫描信号，例如可利用安置在检波平面中的检波光栅和多个光电子检波器件，或利用安置在检波平面中的周期性检波器装置。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及干涉测位仪。
技术介绍
干涉测位仪众所周知地被用于精确测量位置，这些干涉测位仪利用光栅衍射现象产生高分辨率的且与位置相关的扫描信号。当标度光栅相对一个扫描单元移动时，就会在带有偏转衍射级的分光束中产生相移，这些相移与光路变化成比例。为了计算或掌握当时的相移，将不同的分解分光束或衍射级叠加并形成干涉。在移动的情况下，得到干涉条纹图形的周期性调制，利用一个合适的光电子检波器，便可掌握这种调制。关于这种干涉测位仪的情况，建议参考1978年出版的J.Willhelm的博士论文《Dreigitterschrittgeber》第4章，47-52页。US 6,005,667的图13公开了干涉测位仪的另一变型方案。由光源发出光束在经过透镜成束之后射入一个标度光栅，该标度光栅安置在已变换的光束的光腰区域内。入射光束被标度光栅分解成+/-1衍射级或被分解成相应的分光束，这些分光束传播离开光轴。这些分光束随即到达其它衍射扫描光栅，这些光栅使入射分光束偏转返射向光轴。在分光束在其中发生干涉的检波平面中，安置一个检波光栅，该检波光栅具有四个相移分区，以便在后续的检波元件上产生四个各自相位移了90°的扫描信号。在这方面，还可补充参考美国专利US 5,574,558，它公开了另一种干涉测位仪。事实证明，在这种高分辨率的测位仪中，对装配允许公差的要求原则上是很关键的。就是说，装配允许公差通常很小，而这又造成安装和校准起来很费事。为此，要求一种尽可能小的构造系统，特别是要求尽可能小地构造的扫描单元以及要求尽可能不容易被污染。原则上讲，在这种测位仪中，总扫描信号有尽可能优良的质量是重要的，特别是当规定进行电子再处理如扫描信号的内插时。但是，上述文献所公开的干涉测位仪都没有以令人满意的方式方法满足所有提出的要求。因此，由US 6,005,667公开的系统虽然对标度光栅和扫描单元的失调不太敏感，但却和以前一样容易出现标度光栅污染。事实表明，US 5,574,558所述装置的缺点就是，该装置对在两个可相对移动的光栅之间的距离的波动很敏感，就是说，特别是在这个方向上，只有很小的装配允许公差。这是由射入第一光栅的发散的或非准直的衍射光束造成的。
技术实现思路
因此，本专利技术的任务是提供一种高分辨率的干涉测位仪，它具有大的装配允许公差并尽可能不易污染，而且可实现紧凑结构。通过具有权利要求1特征的干涉测位仪来完成该任务。此外，通过具有权利要求2特征的干涉测位仪来完成该任务。本专利技术的干涉测位仪的一些优选实施形式可以从如从属于权利要求1或2的各权利要求所述的措施中得到。作为根据本专利技术解决方案的优点，首先应提出的是，特别是在设计成旋转式测位仪的情况下，获得了与带有标度光栅的分度盘的位置有关的大装配允许公差。不仅在径向或切向上，而且在轴向上，都存在大的装配允许公差。因此，测位仪安装起来不费事。此外，通过本专利技术的干涉测位仪产生的扫描信号具有较少的不希望有的高次谐波，也就是说，存在着高质量的扫描信号。因此，可以在电子信号进一步处理中减小测量误差。还要指出的是，在本专利技术提出的考虑的基础上，可以实现结构紧凑的总系统，所述系统即使在有限的安装条件下也可使用。由于实现了所谓的单场扫描，所以满足了对污染不敏感性的要求。这意味着，万一标度光栅受污染，总是所有产生的相移的扫描信号受到一样的影响，因而，在信号进一步处理时不会出现大的误差。本专利技术的干涉测位仪当然既可被设计成旋转式的，也可被设计成直线式的。此外，基于本专利技术的考虑，除了透光系统外，还能实现反射光系统。附图说明从以下参照附图对一些实施例所做的说明中，得到了本专利技术的其它优点及细节。附图表示图1示意表示本专利技术干涉测位仪的第一实施形式的展开扫描光路；图2示意表示从光源至标度光栅的光路；图3是带有图1所示扫描光路的本专利技术干涉测位仪的旋转式实施形式的局部立体示意图；图4示意表示本专利技术干涉测位仪的第二变型方案的扫描光路；图5结合为此被扫过的干涉条纹图形地示意表示图4所示测位仪的检波器装置；图6是带有图4所示扫描光路的本专利技术干涉测位仪的旋转式实施形式的局部立体示意图。具体实施例方式首先，参见图1-3对本专利技术测位仪的第一变型方案加以说明。图1在此示意示出了测位仪的展开扫描光路。测位仪用于高精度地测定两个目标的相对位置，这两个目标在至少一个测量方向上相对移动。在图1所示的示意性原理图中，用箭头表示沿标度光栅3的测量方向X相对其余元件1、2、4、5、6的直线移动，这些元件均安装在一个扫描单元内。为此，标度光栅3与两个目标中的一个相连，至少一个光源1和扫描板4的扫描光栅4.1、4.2同其中的另一个目标相连。如结合以下说明可看到的，代替直线测量方向，当大致有两个目标相对绕一旋转轴线旋转并且要测定这两个目标的与旋转轴线有关的转角相对位置时，当然也可以规定旋转测量方向，以下，参照图1来说明用于产生与移动有关的扫描信号的基本扫描光路。从光源1如成激光器二极管或所谓的VCSEL(垂直腔表面发射激光器)形式的半导体光源中发出一个光束，该光束沿光轴OA方向传播。发出的光束主要最好是由作为光源1的VCSEL所发出的高斯射线的TEMOO波型(横向电磁波型)。由光源1发出的光束因VCSEL发射特性而有一定的发散度并且利用一个光学元件2加以变换，该光学元件在光束传播方向上被安置在光源1的后面；在这个例子中，作为光学元件2地设有单个透镜。或者，为了光束变换，也可以考虑使用更复杂的透镜系统、反射镜系统、夫累内尔(Fresnel)透镜、GRIN-透镜(图像输入透镜)，等等。所发出的发散光束的光束变换最好如此进行，即在光学元件2之后存在一个近似准直的光束，该光束在离光学元件2的一定距离a0处有一个光腰。在本文中，光腰是指沿光束传播方向的光束横断面的这样一个点，在该点上，光束具有最小面积或最小横向扩展。为清楚说明起见，在此还可补充参见图2，该图表示光束变换前后的光束形状。如从图2和图1中看到的，在光腰区域内，在离光学元件2间隔距离a0地设有一个标度光栅3，经过变换的光束射入该光栅。标度光栅3安置在这个位置上的优点在于，由此增大了在径向或切向上以及在光束传播方向上即轴向上的装配允许公差。为在此方向上获得大的装配允许公差，原则上力求用具有微小发散度和小光束直径的光束来照射标度光栅3。由于在预定波长的条件下无法将这些参数随意减到最小值，所以，必须为最佳安置标度光栅3寻找折中方案。一个折中方案就是，将标度光栅安置在所发出的或所变换的光束的光腰中，在这里，高斯射线的TEMOO波型的发散度和光束直径的乘积具有最小值。标度光栅3造成入射光束被分解成第一和第二分光束(+1)、(-1)，这两个分光束沿不同的空间方向传播，在这个例子中，就是偏离开光轴OA。在本专利技术测位仪的一个具体实施例中；标度光栅3被设计成相位衍射光栅，就是说，第一和第二分光束(+1)、(-1)对应于在各自空间方向上偏转的+1/-1衍射级。在一个优选实施形式中，成相位衍射光栅形式的标度光栅3具有栅格比(栅条-间隙比)ηMG＝1∶1及相移MG＝180°。在图1-图3所示例子中，标度光栅3成透射光栅形式，原则上讲，另一个替代方式也是可行的，即如果总系统在反射光中工作，则标度光栅3成反射的反射光光栅的形式。本文档来自技高网...

【技术保护点】
干涉测位仪，它用于测定至少在一个测量方向（Ｘ）上相对移动的两个目标的相对位置并且它包括：－一个光源（１），它沿一光轴（ＯＡ）的方向发出一个光束，－一个安置在光源（１）后面的光学元件（２），该光学元件转换来自光源（１）的光束，－一 个安置在光源（１）后面的标度光栅（３），该光栅将入射光束至少分解成一个第一分光束和一个第二分光束（＋１）、（－１），这两个分光束沿不同的空间方向传播，－分别安置在第一和第二分光束（＋１）、（－１）的光路中的每一个扫描光栅（４．１、４．２ ），其中，每个扫描光栅（４．１、４．２）又将第一和第二分光束（＋１）、（－１）分解为第三和第四分光束或第五和第六分光束，其中至少有两个分光束（＋１，－１）、（－１，＋１）再次相遇；其中在同第一目标相连的标度光栅（３）相对同第二目标相连的光源（１）和扫描光栅（４．１，４．２）相对运动的情况下，在一个检波平面（Ｄ）中得到一个周期性调制的并有一个规定的空间干涉条纹图形－周期（Ｐ↓［ＩＦ］）的干涉条纹图形，－一个安置在该检波平面中的检波光栅（５），该检波光栅将透过检波光栅（５）的 光沿至少三个不同的空间方向加以分解，－设置在所述的至少三个空间方向上的光电子检波器件（６．１，６．２，６．３），它们用于获取相移的扫描信号（Ｓ ０°，Ｓ １２０°，Ｓ ２４０°）。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：W霍尔扎普费尔，M赫尔曼，W胡伯，V赫菲尔，U本纳，K桑迪，
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]