[发明专利]光学位置测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学位置测量装置。

背景技术

已知的用于检测两个能相对彼此沿着至少一个测量方向运动的对象的位置的光学位置测量装置由量具（它与其中一个对象连接）、以及扫描单元（它与两个对象中的另一个连接）组成。在此，量具包括在测量方向上延伸的增量刻度；扫描单元具有光源、一个或者多个光栅以及探测器布置。在探测器布置的一侧上设有多个布置在一个探测平面中的探测器元件的组。在两个对象相对运动的情况下，能通过这些探测器元件由对探测平面中得到的周期性条纹图案进行的扫描来产生多个与位置相关的、相移的扫描信号。具有相同相位扫描信号的探测器元件分别形成一个组。典型地，为了进行所谓的单区域扫描以用于在条纹图案的一个周期内产生四个分别以90°相移的扫描信号，在探测器布置中设有四个优选为矩形的探测器元件。即使在不理想的运行条件下，例如在偶然弄脏了所扫描的量具的情况下，这种单区域扫描也被证明是有利的，这是因为仅会对扫描信号的理想信号形式造成微小的损害。

随着这种位置测量仪器的解析率越来越高，在探测平面内形成的条纹图案的周期越来越小。就探测器元件而言，另一方面还存在其最小可能的宽度的技术性限制。当相邻探测器元件之间设有的间距为5μm，并且探测器元件的最小可能的宽度为5μm时，于是不再能通过这种传统的单区域扫描技术对小于40μm的条纹图案周期进行扫描。此外，在探测器元件的结构越来越小的情况下，边缘电容在各探测器元件的总工作能力中所占份额越来越高。因此产生的问题的是，也要为高解析率的光学位置测量装置提出合适的措施，使得即使在不理想的运行条件下也能够确保良好的信号质量。

为了解决这个问题已知的是，在探测器布置的前方设计挡板结构，该挡板结构具有周期性布置的透光区域，其周期小于单个探测器元件在测量方向上的延伸长度。例如在J.Carr以及其他人员的关于精度工程学33（2009）S.263-267的标题为“用于超精准计量系统的微型光学编码器”（miniaturised optical encoder for ultra precision metrology systems）的公开文献中的图2和图3上所示的那样。然而这种做法的问题在于，当探测器元件很小的时候，挡板结构必须参照探测器元件高度精准地对准方向。否则得到的扫描信号具有较差的质量，也就是说调制度更低，并且因此信号振幅更小。与之相反地，在探测器元件较大的情况下，对挡板结构的调校不那么严苛，但是在不理想的运行条件下却不再能确保良好的信号质量。

发明内容

本发明的目的是，提供一种高解析度的光学位置测量装置，它即使在组件扫描发射路径中的相互朝向不理想、或者运行条件不理想时，也能够尽可能地确保所得到的扫描信号的质量。

该目的通过一种具有权利要求1所述特征的位置测量装置得以实现。

根据本发明的光学位置测量装置的有利的实施方式由从属权利要求中的措施中得出。

根据本发明的用于检测两个能相对彼此沿着至少一个测量方向运动的两个对象的位置的光学位置测量装置一方面包括量具（它与两个对象中的一个连接），并且具有在测量方向上延伸的增量刻度。此外，位置测量装置包括扫描单元，该扫描单元与两个对象中的另一个连接，并且具有光源、一个或者多个光栅以及探测器布置。探测器布置包括多个布置在一个探测平面中的探测器元件的组，在两个对象相对运动的情况下，能通过这些探测器元件由对探测平面中得到的周期性条纹图案进行的扫描来产生多个与位置相关的、相移的扫描信号。具有相同相位扫描信号的探测器元件分别形成一个组。其中，一个组的探测器元件的总面积与每个其它组的探测器元件的总面积一致。此外，一个组的探测器元件的面积重心与每个其它组的探测器元件的面积重心一致。在探测器元件的感光面的前方布置了周期性的挡板结构。

优选地，周期性挡板结构由至少在测量方向上交替布置的透光及不透光区域组成，其周期小于探测器元件在测量方向上的延伸长度。

此外有可能的是，

-配属于一组探测器元件的挡板结构的透光区域的总面积与配属于每个其它组的探测器元件的挡板结构的透光区域的总面积一致，并且

-配属于一组探测器元件的挡板结构的透光区域的面积重心与配属于每个其它组的探测器元件的挡板结构的透光区域的面积重心一致。

此外还可以设计的是，

-不同组的探测器元件的二阶的面灵敏度矩的三个分量还具有相同值，并且

-配属于不同组的探测器元件的挡板结构的透光区域的该二阶的面灵敏度矩的三个分量具有相同值。

最后，可能的是，