Dispositivo óptico de medición de posición.

Dispositivo óptico de medición de posición para detectar la posición de dos objetos que pueden moverse relativamente entre sí en por lo menos una dirección de medición (x),

con

- una medida materializada (10; 110; 210) que está conectada con uno de los dos objetos y que presenta una división incremental (12) que se extiende en la dirección de medición (x), así como por lo menos una marca de referencia (11; 111; 211) en una posición de referencia (XREF), en donde la marca de referencia (11; 111; 211) comprende dos campos parciales de marca de referencia (11A, 11B; 111A, 111B; 211A, 211B) dispuestos simétricamente en relación a un eje de simetría de la marca de referencia (RS) y que están formados respectivamente por una estructura que se extiende en la dirección de medición (x) con un periodo de división localmente modificable,

- una unidad de exploración (20; 120; 220) que está conectada con el otro de los dos objetos y a la que se asignan medios de exploración que sirven para generar por lo menos una señal de referencia (RI) en la posición de referencia (XREF),

caracterizado por que

los medios de exploración comprenden por lo menos los siguientes componentes:

- una fuente de luz (21; 121; 221) que irradia de manera divergente en la dirección de la medida materializada (10; 110; 210),

- una disposición de detección (22; 122; 222) con elementos que están dispuestos de tal manera a lo largo de la dirección de medición (x) que a partir de un eje de simetría central de la disposición de detección (DS) en la dirección de medición (x) las distancias entre centros (dD1,...dDn) entre elementos adyacentes se modifican en la misma dirección que los períodos de división de las estructuras en los campos parciales de marca de referencia (11A, 11B; 111A, 111B; 211A, 211B) a partir del eje de simetría de la marca de referencia (RS).

Dispositivo óptico de medición de posición

La presente invención se refiere a un dispositivo óptico de medición de posición.

Por el documento EP 513 427 A1 del mismo solicitante se conoce un dispositivo óptico de medición de posición que es apropiado para detectar la posición de dos objetos que pueden moverse relativamente entre sí en por lo menos una dirección de medición. Para ello, el dispositivo de medición de posición conocido comprende una medida materializada que está unida con uno de los objetos. La medida materializada presenta una división ¡ncremental que se extiende en la dirección de medición, así como por lo menos una marca de referencia en una posición de referencia. La marca de referencia está formada por una estructura con un período de división localmente modificable, es decir que está formada por una estructura que comprende una pluralidad de diferentes períodos de división. Tales estructuras también se suelen denominar como estructuras de división de frecuencia modulada pulsada o como rejillas de frecuencia modulada pulsada. Adicionalmente, el dispositivo de medición de posición comprende una unidad de exploración que está conectada con el otro de los dos objetos y que presenta medios de exploración que sirven para generar por lo menos una señal ¡ncremental dependiente de desplazamiento, así como por lo menos una señal de referencia en una posición de referencia a través de la exploración óptica de la división ¡ncremental y de la marca de referencia a lo largo de la distancia de medición. Una señal de impulso de referencia se produce si todas las porciones de frecuencia de señal, que se generan por los diferentes períodos de división de frecuencia modulada pulsada de la medida materializada y de las rejillas de exploración, se superponen en concordancia de fase.

En la figura 8 del documento EP 513 427 A1 se desvela una variante especial de una marca de referencia de frecuencia modulada pulsada configurada de esta manera que comprende dos campos parciales de marca de referencia dispuestos de forma simétrica en relación a un eje de simetría. Los dos campos parciales de marca de referencia están formados respectivamente por una estructura que se extiende en la dirección de medición con un período de división localmente modificable.

El dispositivo de medición de posición conocido del documento EP 513 427 A1 está basado en un así llamado principio de exploración interferencia! en donde la primera rejilla en la trayectoria de los rayos de exploración es colimada, es decir, iluminada con un haz de rayos de orientación paralela. Las señales de exploración dependientes de desplazamiento en forma de señales increméntales y de referencia se obtienen de la superposición constructiva y destructiva de varios haces de rayos parciales, que en el caso del movimiento relativo de la medida materializada y la unidad de exploración experimentan desplazamientos de fase dependientes del desplazamiento. De esta manera se pueden obtener informaciones de posición de alta resolución con respecto a la posición relativa de los dos objetos.

Un principio de exploración alternativo a esto para dispositivos ópticos de medición de posición se conoce, por ejemplo, de la publicación de R. Pettigrew titulada "Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology" en SPIE Vol. 36, 1st European Congress on Optics applied to Metrology (1977), p. 325 - 332. En este principio de exploración es determinante la iluminación divergente, es decir, no colimada de la primera rejilla en la trayectoria de los rayos de exploración.

El documento DE 197 48 82 A1 del mismo solicitante de la presente también se refiere a marcas de referencia de frecuencia modulada pulsada en dispositivos ópticos de medición de posición. Por dicho documento se conoce adicionalmente que tales marcas de referencia también se pueden usar en conexión con los principios de exploración previamente mencionados, es decir, en conexión con sistemas que prevén una iluminación divergente de la primera rejilla en la trayectoria de los rayos de exploración. Sin embargo, ni el documento DE 197 48 82 A1 ni el documento EP 513 427 A1 arriba mencionado dan algún indicio de cómo se debe configurar concretamente un dispositivo óptico de medición de posición con iluminación divergente cuando se quieren usar marcas de referencia de frecuencia modulada pulsada.

El objetivo de la presente invención consiste en crear un dispositivo óptico de medición de posición en el que se use un principio de exploración con iluminación divergente y en el que se puedan emplear marcas de referencia de frecuencia modulada pulsada para generar señales de referencia de alta resolución.

Este objetivo se resuelve de acuerdo con la invención a través de un dispositivo óptico de medición de posición con las características de la reivindicación 1.

Formas de realización ventajosas del dispositivo óptico de medición de posición de acuerdo con la invención se derivan de las medidas mencionadas en las reivindicaciones dependientes.

El dispositivo óptico de medición de posición de acuerdo con la invención sirve para captar la posición de dos objetos móviles de manera mutuamente relativa en por lo menos una dirección de medición. El dispositivo de medición de posición presenta una medida materializada que está conectada con uno de los dos objetos y que tiene

una división incremental que se extiende en la dirección de medición, así como por lo menos una marca de referencia en una posición de referencia. La marca de referencia comprende dos campos parciales de marca de referencia dispuestos simétricamente en relación a un eje de simetría de la marca de referencia, los cuales están formados respectivamente por una estructura que se extiende en la dirección de medición con un período de división localmente modificable. Adicionalmente, el dispositivo de medición de posición presenta una unidad de exploración que está conectada con el otro de los dos objetos y a la que se asignan medios de exploración que sirven para generar por lo menos una señal de referencia en la posición de referencia. Los medios de exploración comprenden por lo menos una fuente de luz que irradia de manera divergente en la dirección de la medida materializada, asi como una disposición de detección con elementos que están dispuestos de tal manera a lo largo de la dirección de medición que a partir de un eje de simetría central de la disposición de detección en la dirección de medición, las distancias de separación entre centros de elementos adyacentes se modifican en la misma dirección que los períodos de división de las estructuras en los campos parciales de marca de referencia a partir del eje de simetría de la marca de referencia.

De esta manera, con un principio de exploración con iluminación divergente también se puede asegurar la generación de una señal de impulso de referencia de alta resolución mediante estructuras de rejilla de frecuencia modulada pulsada. A este respecto, adicionalmente se ha demostrado como particularmente ventajoso que la generación de impulsos de referencia de acuerdo con la presente invención sea poco sensible frente a cambios en la distancia de separación de exploración entre la medida materializada y la unidad de exploración. Adicionalmente, la generación de la señal de impulso de referencia en el dispositivo de medición de posición de acuerdo con la invención es relativamente insensible frente a contaminaciones, lo que se puede atribuirá la exploración de campo único empleada. Esto significa que las diferentes porciones de señal siempre provienen de un periodo de división de la marca de referencia explorada. Además, en la generación de la señal de impulso de referencia se usa el campo iluminado entero de la marca de referencia. Esto es muy efectivo y tiene grandes amplitudes de señal, una elevada insensibilidad frente a perturbaciones, así como un reducido grado de ruido en la señal.

En lo que respecta al dispositivo óptico de medición de posición de acuerdo con la invención, existen múltiples posibilidades de realización.

De esta manera, los campos parciales de marca de referencia del dispositivo óptico de medición de posición de acuerdo con la Invención preferentemente están configurados de tal forma que de manera adyacente al eje de simetría de la marca de referencia las estructuras respectivamente presentan los períodos de división más pequeños y en la dirección de medición hacia afuera se prevén respectivamente períodos de división progresivamente más grandes.

En una forma de realización ventajosa, la frecuencia de división en el lado de la medida materializada de los períodos... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo óptico de medición de posición para detectar la posición de dos objetos que pueden moverse relativamente entre sí en por lo menos una dirección de medición (x), con

- una medida materializada (1; 11; 21) que está conectada con uno de los dos objetos y que presenta una división ¡ncremental (12) que se extiende en la dirección de medición (x), así como por lo menos una marca de referencia (11; 111; 211) en una posición de referencia (XREf), en donde la marca de referencia (11; 111; 211) comprende dos campos parciales de marca de referencia (11A, 11b; 111a, 111b; 211A, 211b) dispuestos simétricamente en relación a un eje de simetría de la marca de referencia (RS) y que están formados respectivamente por una estructura que se extiende en la dirección de medición (x) con un periodo de división localmente modificable,

- una unidad de exploración (2; 12; 22) que está conectada con el otro de los dos objetos y a la que se asignan medios de exploración que sirven para generar por lo menos una señal de referencia (Rl) en la posición de referencia (Xref),

caracterizado por que

los medios de exploración comprenden por lo menos los siguientes componentes:

- una fuente de luz (21; 121; 221) que irradia de manera divergente en la dirección de la medida materializada (1; 11; 21),

- una disposición de detección (22; 122; 222) con elementos que están dispuestos de tal manera a lo largo de la dirección de medición (x) que a partir de un eje de simetría central de la disposición de detección (DS) en la dirección de medición (x) las distancias entre centros (dDi,...dDn) entre elementos adyacentes se modifican en la misma dirección que los períodos de división de las estructuras en los campos parciales de marca de referencia (11A, 11b; 111 a, 11 1b; 211A, 21 1b) a partir del eje de simetría de la marca de referencia (RS).

2. Dispositivo óptico de medición de posición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los campos parciales de marca de referencia (11A, 11b; 111a, 111b; 21 1a, 211b) están configurados de tal manera que de forma adyacente al eje de simetría de la marca de referencia (RS) las estructuras presentan respectivamente los menores periodos de división y en la dirección de medición (x) hacia afuera se prevén respectivamente períodos de división progresivamente mayores.

3. Dispositivo óptico de medición de posición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la frecuencia de división en el lado de la medida materializada (íms(x)) de los períodos de división localmente modificables en los dos campos parciales de marca de referencia (11A, 11b; 111a, 111b; 211a, 211b) se selecciona de la siguiente manera:

en donde para el L rige:

n es un número entero, con:

fMs (x) := frecuencia de división en el lado de la medida materializada en función de la posición en la dirección de medición x

fo := frecuencia de división media en el lado de la medida materializada

L := longitud de la estructura en el respectivo campo parcial de la marca de referencia en la dirección de medición x.

4. Dispositivo óptico de medición de posición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los elementos de la disposición de detección (22; 122; 222) están dispuestos con las siguientes frecuencias de división

y

en el lado del detector (foet (x)):

para -L<x< y

foAA :=