專利名稱：位置測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的、具有激光光源的位置測(cè)量系統(tǒng)。這種位置測(cè)量系統(tǒng)用來(lái)檢測(cè)兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體的相對(duì)位置。
高精度的光位置測(cè)量系統(tǒng)在許多技術(shù)領(lǐng)域中已是不可缺少的。如果取決于最高精密度，基于光學(xué)掃描原理的位置測(cè)量系統(tǒng)則遙遙領(lǐng)先于其它的、例如磁、電容或電感掃描原理。在諸如光刻的應(yīng)用中，已經(jīng)要求納米范圍內(nèi)的位置測(cè)量。迄今只能利用干涉儀來(lái)提供這種精度。但是在未來(lái)，位置測(cè)量系統(tǒng)也將挺進(jìn)到這些基于光學(xué)標(biāo)尺(Massstab)的掃描的領(lǐng)域中。這種干涉測(cè)量系統(tǒng)作為三光柵測(cè)量系統(tǒng)早已是公開(kāi)的光源的光在分光光柵上被分解成不同的衍射階，這些衍射階在標(biāo)尺光柵上被反射并且被投射到會(huì)聚光柵(Vereinigungsgitter)上，在那里使不同衍射階的光束互相會(huì)聚并產(chǎn)生干涉。分光光柵和會(huì)聚光柵可以在此被構(gòu)造為獨(dú)立的光柵(優(yōu)選地如果標(biāo)尺是透光的)，或被構(gòu)造為一個(gè)唯一的光柵(優(yōu)選地如果標(biāo)尺是反射的)。即使當(dāng)在第二種情況下僅實(shí)體地存在兩個(gè)光柵時(shí)，第一分光光柵也因此同時(shí)起著會(huì)聚光柵的作用。所以這種系統(tǒng)也有理由被稱為三光柵測(cè)量系統(tǒng)。這里，將兩個(gè)或三個(gè)光柵設(shè)置用于三光柵測(cè)量系統(tǒng)與真正的測(cè)量原理無(wú)關(guān)，并且可以由設(shè)計(jì)師按照諸如射線導(dǎo)向的限制或掃描頭中可供使用的空間的限制等任意準(zhǔn)則來(lái)抉擇。
利用光電檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)不同的干涉光束，并且因此輸出彼此相對(duì)地移相的、依賴于位置的檢測(cè)器信號(hào)。由于這種干涉測(cè)量系統(tǒng)的掃描信號(hào)在很大程度上是無(wú)諧波的，因此它們很好地適用于內(nèi)插。利用微米范圍內(nèi)的標(biāo)尺刻度、由不同衍射階的干涉所引起的倍頻和掃描信號(hào)的例如4096倍的細(xì)分完全可以達(dá)到納米范圍內(nèi)的精度。
如此來(lái)設(shè)計(jì)干涉測(cè)量系統(tǒng)，使得干涉光束從其分光直至?xí)蹫橹菇?jīng)過(guò)盡可能相等的路徑長(zhǎng)度。所以利用在理想情況下不依賴于光源波長(zhǎng)的相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)光束的干涉。根據(jù)相位差確定位置值，因此該位置值也不依賴于波長(zhǎng)。但是實(shí)際上總是出現(xiàn)導(dǎo)致小的路徑長(zhǎng)度差異的元件容差、裝配容差和校正容差。所輸出的位置值因此略微依賴于光源的波長(zhǎng)。所以必須將具有盡可能恒定的光波長(zhǎng)的光源用于要求很高分辨率的相位差測(cè)量的高精度測(cè)量系統(tǒng)。
此外，光源的高亮度常常是重要的，以便能夠生成具有最小噪聲分量的高信號(hào)強(qiáng)度。這在通過(guò)光波導(dǎo)來(lái)耦合光源的測(cè)量設(shè)備中尤其適用。
在具有較長(zhǎng)光線路徑的測(cè)量設(shè)備的情況下，干涉光束的由裝配決定的路徑長(zhǎng)度差異可能達(dá)到這樣的數(shù)值，在該數(shù)值情況下光源的相干長(zhǎng)度變成重要的。僅在相干長(zhǎng)度足夠時(shí)，在這些情況下可以將裝配容差保持在正當(dāng)合理的范圍內(nèi)。
在具有最高分辨率的干涉位置測(cè)量系統(tǒng)中，激光二極管作為光源已被實(shí)現(xiàn)。由于高的亮度和大的相干長(zhǎng)度而本來(lái)很好地適合的單模激光二極管具有對(duì)于位置測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)很不利的缺點(diǎn)。在某些工作狀態(tài)下(首先取決于激光二極管的工作電流和溫度)出現(xiàn)模式跳躍，這些模式跳躍導(dǎo)致跳躍式的波長(zhǎng)變化。但是在高精度的位置測(cè)量系統(tǒng)中，這種波長(zhǎng)變化導(dǎo)致位置測(cè)量的跳躍，并且常常也導(dǎo)致增量計(jì)數(shù)器的誤計(jì)數(shù)。
為了避免這種問(wèn)題，US 4,676,645和US 5,000,542建議采用具有多種彼此靠得很近的模式的多模激光二極管。因此在每種工作狀態(tài)下占用多種模式，在工作狀態(tài)變化時(shí)連續(xù)地重新分配模式的占用，使得不出現(xiàn)激光二極管的重點(diǎn)波長(zhǎng)的大的跳躍。不過(guò)只有較小光功率(＜3-5mW)的多模激光二極管可供使用。由原理決定，激光二極管在較高的光功率時(shí)展示出單模特性。因此不能給要求高光功率的測(cè)量系統(tǒng)裝備多模激光二極管。
這種多模激光二極管也不太適合要求大的相干長(zhǎng)度的應(yīng)用。這些多模激光二極管的采用需要被規(guī)定更小容差的機(jī)械和光學(xué)元件，以便基于多模激光二極管的短的相干長(zhǎng)度而一般總是收到干涉信號(hào)。這種位置測(cè)量系統(tǒng)因此在制造上是費(fèi)事的并且因此是昂貴的。
JP 2002-39714建議將被供給可變工作電流的單模激光二極管用于干涉儀。通過(guò)模式跳躍控制裝置一再(周期性地或根據(jù)請(qǐng)求)如此對(duì)工作電流進(jìn)行再調(diào)節(jié)，使得在一個(gè)盡可能遠(yuǎn)離模式跳躍位置的工作點(diǎn)上運(yùn)行激光二極管。在此，在機(jī)械固定的測(cè)量裝置中，借助不可逆地跳躍的位置輸出信號(hào)來(lái)檢測(cè)依賴于工作電流的模式跳躍，并且然后如此來(lái)選擇工作電流，使得它位于兩個(gè)模式跳躍之間的中心處，也就是到相鄰的模式跳躍具有最大可能的距離。但是，一再需要的模式跳躍的位置測(cè)量以及為此所需的用于模式跳躍檢測(cè)的真正測(cè)量工作的中斷是很費(fèi)事的，并且不允許連續(xù)的位置測(cè)量。
DE 10235669 A1描述了一種具有光源的位置測(cè)量系統(tǒng)，該光源被構(gòu)造為單模激光光源。為了克服該激光光源的所述的缺點(diǎn)，建議采用反饋裝置。激光光源和反饋裝置如此互相交替作用，使得在激光光源中激發(fā)多個(gè)緊密相鄰的模式，并且因此導(dǎo)致單模激光光源的準(zhǔn)多模式運(yùn)行。然而，如果將激光二極管用作激光光源，則由于反饋裝置與激光二極管的交替作用而產(chǎn)生自發(fā)的短時(shí)間的亮度擾動(dòng)和波長(zhǎng)波動(dòng)，這些亮度擾動(dòng)和波長(zhǎng)波動(dòng)在文獻(xiàn)中也稱為低頻波動(dòng)(LFF)或漏失(Dropout)。它們?cè)谄渥饔梅矫婵梢缘韧谀Ｊ教S，并且使準(zhǔn)確的位置測(cè)量變得很困難。
本發(fā)明的任務(wù)是給出一種位置測(cè)量系統(tǒng)，該位置測(cè)量系統(tǒng)以簡(jiǎn)單的方式來(lái)避免激光光源的模式跳躍的問(wèn)題。
該任務(wù)通過(guò)一種具有權(quán)利要求1的特征的裝置來(lái)解決。由在從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求中所闡述的特征得出有利的實(shí)施形式。
用于確定兩個(gè)物體的相對(duì)位置的位置測(cè)量系統(tǒng)擁有用于生成激光光源的可變工作電流的電源單元。至少一個(gè)光電檢測(cè)器根據(jù)從激光光源所接收的光而生成依賴于位置的輸出信號(hào)。在測(cè)量運(yùn)行中，由電源單元將與交流電流分量疊加的直流電流輸出到激光光源上。
為了避免由于激光二極管的模式跳躍而突然出現(xiàn)波長(zhǎng)波動(dòng)的問(wèn)題，現(xiàn)在迫使以高頻率產(chǎn)生模式跳躍。這導(dǎo)致構(gòu)成對(duì)于位置測(cè)量來(lái)說(shuō)重要的、激光的重點(diǎn)波長(zhǎng)，該重點(diǎn)波長(zhǎng)隨著工作電流或隨著環(huán)境溫度的變化與在常規(guī)運(yùn)行的激光二極管的模式跳躍時(shí)相比明顯不太強(qiáng)烈。
為了迫使以高頻率產(chǎn)生模式跳躍，將用于運(yùn)行激光二極管的直流電流與高頻交流電流分量相疊加，該激光二極管由于大的相干長(zhǎng)度和高的亮度而優(yōu)選地被構(gòu)造為單模激光二極管。由于模式跳躍依賴于工作電流而出現(xiàn)，所以如果工作電流的直流分量如此近地位于模式跳躍位置旁，使得由于工作電流的交流電流分量而周期性地覆蓋模式跳躍位置，那么這種模式跳躍將周期性地出現(xiàn)。工作電流的直流分量越靠近模式跳躍位置，則在時(shí)間平均上越均勻地占用兩種模式。如果測(cè)量系統(tǒng)的頻帶寬度小于激光二極管的調(diào)制頻率，則僅通過(guò)兩種模式的時(shí)間平均來(lái)確定位置信號(hào)。因此，不再會(huì)由于工作電流或環(huán)境溫度的緩慢的漂移而導(dǎo)致激光二極管的波長(zhǎng)的突然變化，更確切地說(shuō)，構(gòu)成重點(diǎn)波長(zhǎng)，該重點(diǎn)波長(zhǎng)按照所參與的模式的連續(xù)的重新分配而明顯不太快地隨著工作電流或環(huán)境溫度變化。只有當(dāng)所調(diào)制的工作電流周期性地并且以高頻率覆蓋多個(gè)模式跳躍時(shí)，這才合理地適用。
以在1至15mA之間的交流電流幅度運(yùn)行的單模激光二極管的相干長(zhǎng)度典型地總是還大約有100μm至5mm，使得即使在毫米范圍內(nèi)激光輻射也還保持具有干涉能力。對(duì)機(jī)械校正以及機(jī)械和光學(xué)元件的容差的要求因此保持在合理的范圍內(nèi)。與常規(guī)運(yùn)行的單模激光二極管相比降低的相干長(zhǎng)度仍然有助于減少不受歡迎的效應(yīng)、諸如(在光波導(dǎo)耦合輸入、透鏡、棱鏡等等上的)玻璃表面之間的偏離的干涉分支或干涉的隨同調(diào)制(Mit-Modulation)。
此外通過(guò)激光二極管電流的HF調(diào)制來(lái)減小激光二極管的反饋靈敏度。如果例如由于在位置測(cè)量的地方不允許任何的熱量輸入而必須使激光二極管的光通過(guò)光波導(dǎo)送到位置測(cè)量系統(tǒng)，那么這尤其是巨大的優(yōu)點(diǎn)。然后也就是光波導(dǎo)端口的反饋導(dǎo)致所謂的低頻波動(dòng)(LFF)，該低頻波動(dòng)作為激光二極管的光功率的自發(fā)的并且短時(shí)間的擾動(dòng)使得不可能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置測(cè)量。這種LFF通過(guò)激光二極管電流的高頻調(diào)制也部分地得到抑制，但是也偏移到位置測(cè)量系統(tǒng)的帶寬之外的頻率范圍中，并且因此不再影響測(cè)量。
激光二極管電流的HF調(diào)制在與根據(jù)開(kāi)始時(shí)所述的DE 10235669 A1的位置測(cè)量系統(tǒng)結(jié)合時(shí)也是特別有利的。在那里由反饋裝置所生成的LFF也被抑制或偏移，并且在位置測(cè)量時(shí)不再干擾。
在有些情況下，為了避免光電檢測(cè)器的掃描頻率和激光二極管電流的高頻調(diào)制之間的差拍，必須使掃描和調(diào)制同步，使得總是在調(diào)制器的同一相位上進(jìn)行光電檢測(cè)器的掃描。這可以例如通過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)(位置測(cè)量系統(tǒng)和調(diào)制器)的共同的時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)制的時(shí)間平均，交流電流分量的調(diào)制頻率必須高于用于分析依賴于偏移的輸出信號(hào)的跟蹤電子設(shè)備的帶寬，并且也高于激光二極管的功率調(diào)節(jié)(例如通過(guò)監(jiān)視器光電二極管的調(diào)節(jié))的頻率。
跟蹤電子設(shè)備中的附加的濾光器可以抑制光電檢測(cè)器的信號(hào)的殘余調(diào)制。例如低通濾光器、但是更高階的濾光器也適用于此。如果調(diào)制頻率位于位置測(cè)量系統(tǒng)的跟蹤電子設(shè)備的帶寬或截止頻率之上足夠遠(yuǎn)處，則可以舍棄附加的濾光器。
交流電流分量的形式例如可以是矩形的或正弦形的。利用一種優(yōu)選的三角形的曲線可以實(shí)現(xiàn)更連續(xù)的重點(diǎn)波長(zhǎng)偏移，因?yàn)閷?duì)各種模式更均勻地進(jìn)行加權(quán)。
HF調(diào)制對(duì)于單模激光二極管來(lái)說(shuō)特別有利，單模激光二極管常常被構(gòu)造為指數(shù)引導(dǎo)(indexgefuehrte)的激光二極管，而多模激光二極管大多是放大率引導(dǎo)(verstaerkungsgefuehrte)的激光二極管。然而，放大率引導(dǎo)的激光二極管從大約3mW的輸出功率開(kāi)始也展示出單模特性。
即使在采用VCSEL二極管時(shí)，工作電流的HF調(diào)制的采用也是一種很有希望的可能性，因?yàn)榧词乖谠摱O管類型的情況下也出現(xiàn)波長(zhǎng)跳躍。雖然在VCSEL二極管的情況下由于短的諧振器長(zhǎng)度只有一種唯一的縱向模式能夠起振，但仍然可能出現(xiàn)波長(zhǎng)跳躍。在VCSEL二極管的情況下，它是橫向模式和/或偏振方向，該偏振方向可以跳躍式地變化，并且該偏振方向也可能引起相應(yīng)的波長(zhǎng)變化。為了也在這里迫使產(chǎn)生軟過(guò)渡，可以應(yīng)用二極管電流的調(diào)制。
光源電流的調(diào)制也可以被用于檢測(cè)干涉光束的路徑長(zhǎng)度差異。這種檢測(cè)可以提供關(guān)于元件容差、裝配容差和校正容差的說(shuō)明，并且可以被考慮用于它們的修正。利用測(cè)量系統(tǒng)的光電檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)路徑長(zhǎng)度差異的檢測(cè)，但是現(xiàn)在將這些光電檢測(cè)器的電流輸送給可以通過(guò)光源來(lái)放大高頻調(diào)制的放大器，這些放大器的帶寬因此位于二極管電流的調(diào)制頻率之上。于是在位置測(cè)量系統(tǒng)中放大的光電池信號(hào)的通常的相位分析或位置分析產(chǎn)生相位值或位置值，這些相位值或位置值與調(diào)制頻率同步地來(lái)回振蕩。該高頻調(diào)制的幅度是干涉光束的路徑長(zhǎng)度差的一種直接的量度。于是可以通過(guò)元件容差、校正容差和裝配容差的修正措施來(lái)使該幅度并因此使路徑長(zhǎng)度差降到零。
有利地在位置測(cè)量系統(tǒng)的獨(dú)立的檢查設(shè)備中集成用于高頻調(diào)制的檢測(cè)的放大器。替代地，也可以在測(cè)量設(shè)備本身中采用具有相應(yīng)高的帶寬的放大器，其中在正常的測(cè)量模式下連接在放大器后面的低通濾光器抑制光電池的電流的調(diào)制。在檢測(cè)模式下去激活低通濾光器。
在低通之前分流的調(diào)制信號(hào)和在低通之后分流的未調(diào)制信號(hào)的并行的繼續(xù)處理也可以被考慮用于有利地調(diào)節(jié)單模激光二極管。當(dāng)將未調(diào)制信號(hào)輸送給通常的相位分析或位置分析時(shí)，可以在檢測(cè)電路中分析調(diào)制信號(hào)。該檢測(cè)電路確定以光源的調(diào)制頻率振動(dòng)的信號(hào)幅度。當(dāng)在模式跳躍附近運(yùn)行激光二極管時(shí)，這些信號(hào)幅度上升?，F(xiàn)在通過(guò)已知的調(diào)節(jié)技術(shù)，可以將該檢測(cè)信號(hào)用于激光二極管電流的直流分量的調(diào)節(jié)，使得始終在無(wú)模式跳躍的范圍中運(yùn)行激光二極管。
從以下借助附圖的優(yōu)選實(shí)施形式的說(shuō)明中，得出本發(fā)明的其它的優(yōu)點(diǎn)和細(xì)節(jié)。其中

圖1展示了本發(fā)明的位置測(cè)量系統(tǒng)，圖2展示了依賴于工作電流的模式跳躍，圖3展示了依賴于工作溫度的模式跳躍。
在圖1中示出了本發(fā)明的一種特別優(yōu)選的實(shí)施形式。利用激光二極管驅(qū)動(dòng)器1來(lái)生成單模激光二極管3的工作電流的直流分量，附加地在HF調(diào)制器2中調(diào)制該直流分量。激光二極管驅(qū)動(dòng)器1和調(diào)制器2共同形成激光二極管3的電源單元。在1和1000MHz之間的、優(yōu)選地在幾百M(fèi)Hz范圍中的調(diào)制頻率得到采用。250-300MHz的頻率范圍已證明特別可靠。調(diào)制的幅度可以如此來(lái)選擇，使得不低于最小工作電流，該最小工作電流也稱為閾電流，并且需要該最小工作電流來(lái)運(yùn)行激光二極管3。但是短時(shí)間低于最小工作電流可能完全是有利的，因?yàn)橛纱艘鸺す舛O管3的特別強(qiáng)烈的干擾，該干擾可能導(dǎo)致附加模式的起振。通過(guò)調(diào)制應(yīng)該不超過(guò)或僅短時(shí)間超過(guò)激光二極管3的最大工作電流。
在激光二極管3具有30mA的最小工作電流和70mA的最大工作電流的情況下，當(dāng)用50mA的工作電流的直流分量來(lái)運(yùn)行激光二極管3時(shí)，例如10mA的幅度已證明是可靠的。激光二極管3的最小和最大工作電流限定了該激光二極管3的工作范圍。交流電流分量的幅度有利地為大于與交流電流疊加的直流電流的10％。在所述的實(shí)例中在40和60mA之間進(jìn)行調(diào)制，使得激光二極管3的工作范圍的大約一半被覆蓋。因而同時(shí)激發(fā)多種模式，重點(diǎn)波長(zhǎng)隨著工作電流或溫度的變化將得出特別小的結(jié)果。
激光二極管3的光通過(guò)會(huì)聚透鏡4.1耦合輸入到將光送向真正的測(cè)量點(diǎn)的光波導(dǎo)5.1中。光波導(dǎo)5.1的采用使得在特別是溫度要求高的應(yīng)用中能夠避免在測(cè)量點(diǎn)上的熱量輸入。通過(guò)一個(gè)或多個(gè)光纖耦合器6可以中斷光波導(dǎo)。激光到光波導(dǎo)5.1中的耦合輸入以及到光纖耦合器6中的耦合輸入都可能引起回反射(Rueckreflexion)，該回反射觸發(fā)上述的LFF。這些回反射仍然可能完全是受歡迎的，并且有針對(duì)性地得到采用?？梢韵裨贒E 10235669 A1中所描述的那樣如此來(lái)設(shè)計(jì)光波導(dǎo)5.1，使得它作為反饋裝置與單模激光二極管3如此交替作用，以致迫使單模激光二極管3進(jìn)入多模式運(yùn)行中。在此如此來(lái)選擇光波導(dǎo)5.1的長(zhǎng)度，使得該光波導(dǎo)構(gòu)成單模激光二極管3的外部諧振器。在此，光波導(dǎo)5.1的背向激光二極管3的末端將激光輻射的一部分回反射到激光二極管3中。這種反饋裝置5.1、與單模激光二極管3的工作電流通過(guò)調(diào)制器2的HF調(diào)制的組合是特別有利的。也就是說(shuō)因而已經(jīng)通過(guò)所迫使的多模式運(yùn)行來(lái)減少單模激光二極管3的模式跳躍的問(wèn)題。通過(guò)工作電流的HF調(diào)制來(lái)克服由反饋裝置5.1產(chǎn)生的LFF的問(wèn)題。
光從光波導(dǎo)5.1中射出并且通過(guò)準(zhǔn)直儀透鏡7射到反射標(biāo)尺8上。光在那里被分解成兩個(gè)光束+1、-1(+1和-1階)，這兩個(gè)光束+1、-1構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱的測(cè)量分支。每個(gè)光束+1、-1射過(guò)掃描光柵9，由(未示出的)偏轉(zhuǎn)棱鏡經(jīng)過(guò)λ/4小板10.1、10.2重新被引導(dǎo)到掃描光柵9上，并且從那里重新向標(biāo)尺8折射。兩個(gè)光束+1、-1在標(biāo)尺8處會(huì)聚成一個(gè)光束，以便然后由分光光柵11分解成三個(gè)獨(dú)立的光束，這些獨(dú)立的光束射過(guò)三個(gè)不同方向的偏振濾光鏡12.1、12.2、12.3。會(huì)聚透鏡4.2、4.3、4.4將這三個(gè)光束耦合輸入到光波導(dǎo)5.2、5.3、5.4中，這些光波導(dǎo)5.2、5.3、5.4將所述光束引向光電檢測(cè)器13.1、13.2、13.3。光電檢測(cè)器13.1、13.2、13.3輸出三個(gè)依賴于位置的、分別移相120度的信號(hào)-120°、0°、+120°，這些信號(hào)-120°、0°、+120°可以由跟蹤電子設(shè)備14處理成位置值P。重要的是，在測(cè)量運(yùn)行中，也就是在光電檢測(cè)器13.1、13.2、13.3的移相信號(hào)-120°、0°、+120°的檢測(cè)期間實(shí)現(xiàn)激光二極管3的工作電流的調(diào)制。只有如此才確保模式跳躍和/或LFF的負(fù)面影響被抑制。
跟蹤電子設(shè)備14具有用于放大光電檢測(cè)器13.1、13.2、13.3的移相信號(hào)-120°、0°、+120°的放大器電路15。分析電路17根據(jù)移相信號(hào)-120°、0°、+120°構(gòu)成位置值P，并且輸出該位置值P。選擇性的濾光器16負(fù)責(zé)使移相信號(hào)-120°、0°、+120°的可能的高頻殘余調(diào)制不影響位置值確定。
在跟蹤電子設(shè)備14中用某種掃描頻率來(lái)掃描光電檢測(cè)器13.1、13.2、13.3，以便提供移相信號(hào)-120°、0°、+120°以進(jìn)行繼續(xù)處理。如已經(jīng)提及的那樣，為了避免差拍，可能有必要使調(diào)制器2與光電檢測(cè)器13.1、13.2、13.3的掃描同步。這在圖1中通過(guò)調(diào)制器2和跟蹤電子設(shè)備14之間的虛線連接來(lái)示出。
在圖1中示出的實(shí)施例中，也由跟蹤電子設(shè)備14輸出移相信號(hào)-120°、0°、+120°的高頻(調(diào)制器2的頻率)相位調(diào)制的幅度A。由于該幅度A是干涉光束+1、-1的路徑長(zhǎng)度差異的量度，所以可以借助該幅度A來(lái)進(jìn)行路徑長(zhǎng)度差異的補(bǔ)償?？梢詸C(jī)械地如此來(lái)校正在光程中的光學(xué)元件，直至幅度A消失或降至預(yù)給定的極限值之下。
為了能夠在分析電路中確定幅度A，光電檢測(cè)器13.1、13.2、13.3的依賴于位置的信號(hào)-120°、0°、+120°必須被輸送給放大器15，該放大器15的帶寬位于交流電流分量的頻率之上。
然后為了確定位置信號(hào)P，必須由濾光器16使所放大的信號(hào)擺脫利用調(diào)制器2的頻率的高頻調(diào)制。但是該濾光器16對(duì)被考慮用來(lái)確定幅度A的信號(hào)不起作用。在分析電子設(shè)備14中，確定幅度A的部分必須具有在激光光源3的調(diào)制頻率之上的足夠的帶寬。
為了更進(jìn)一步的理解，在圖2a中繪制了在工作電流沒(méi)有經(jīng)HF調(diào)制的情況下單模激光二極管的特性。所發(fā)射的光的波長(zhǎng)僅緩慢地隨著增大的工作電流而變化，直至在大約45mA時(shí)出現(xiàn)模式跳躍。該模式跳躍導(dǎo)致波長(zhǎng)很明顯的跳躍。如果將工作電流與頻率為2MHz和幅度為3mA(圖2b)或6mA(圖2c)的HF分量相疊加，則可以看出，現(xiàn)在模式跳躍以波長(zhǎng)明顯圓滑(verrundet)的上升表現(xiàn)出來(lái)。在溫度恒定的情況下執(zhí)行了圖2a至2c所基于的測(cè)量，以便展示由變化的工作電流所誘導(dǎo)的模式跳躍。
在圖3a中可以看出在激光二極管的工作電流恒定、但是溫度可變化的情況下出現(xiàn)的模式跳躍。在所研究的溫度范圍內(nèi)，這里甚至出現(xiàn)多次模式跳躍。在沒(méi)有對(duì)工作電流進(jìn)行任何調(diào)制的情況下，波長(zhǎng)跳躍是很陡的。圖3b和3c又基于利用2MHz的電流調(diào)制，這一次利用幅度6mA(圖2b)或12mA(圖2c)。又可以看出，波長(zhǎng)跳躍明顯圓滑了。
所述的位置測(cè)量系統(tǒng)擁有相當(dāng)費(fèi)事的光學(xué)裝置。與如此費(fèi)事的位置測(cè)量系統(tǒng)組合使得工作電流的調(diào)制也特別有意義，以便可以在沒(méi)有模式跳躍和LFF的負(fù)面影響的情況下執(zhí)行真正高精度的測(cè)量。但是工作電流的HF調(diào)制的原理也可以應(yīng)用于較簡(jiǎn)單的位置測(cè)量系統(tǒng)。因此例如基于光電柵欄原理的、用于測(cè)量工具形狀的測(cè)量系統(tǒng)同樣可以受益于調(diào)制的工作電流。也即即使在這里L(fēng)FF也可能導(dǎo)致，盡管只有所采用的激光二極管曾具有功率擾動(dòng)，但仍然檢測(cè)到光束的中斷。因此可以以很高的分辨率來(lái)測(cè)量諸如銑刀、鉆頭等工具。
權(quán)利要求
1.用于確定兩個(gè)物體的相對(duì)位置的位置測(cè)量系統(tǒng)，具有用于生成激光光源(3)的可變工作電流的電源單元(1，2)，以及具有至少一個(gè)用于根據(jù)從所述激光光源(3)接收的光而生成依賴于位置的輸出信號(hào)(-120°，0°，+120°)的光電檢測(cè)器(13.1，13.2，13.3)，其特征在于，在測(cè)量運(yùn)行中，可以將與交流電流分量疊加的直流電流從所述電源單元(1，2)輸出到所述激光光源(3)上。
2.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述激光光源(3)是單模激光二極管。
3.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述電源單元由激光二極管驅(qū)動(dòng)器(1)和HF調(diào)制器(2)組成。
4.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述交流電流分量的頻率位于1MHz和1000MHz之間。
5.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述交流電流分量的幅度為大于與所述交流電流疊加的直流電流的10％。
6.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述交流電流分量的頻率大于跟蹤電子設(shè)備(14)的帶寬，該跟蹤電子設(shè)備(14)用于根據(jù)所述依賴于位置的輸出信號(hào)(-120°，0°，+120°)形成位置信號(hào)(P)。
7.按權(quán)利要求2的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述單模激光二極管(3)與反饋裝置(5.1)相連接，所述反饋裝置(5.1)迫使所述單模激光二極管(3)進(jìn)入多模式運(yùn)行中。
8.按權(quán)利要求7的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述反饋裝置(5.1)是光波導(dǎo)，該光波導(dǎo)的長(zhǎng)度如此來(lái)選擇，使得該光波導(dǎo)構(gòu)成用于激發(fā)所述單模激光二極管(3)中的多種激光模式的外部諧振器。
9.按權(quán)利要求1的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)光電檢測(cè)器(13.1，13.2，13.3)根據(jù)通過(guò)光波導(dǎo)(5.2，5.3，5.4)輸送給所述至少一個(gè)光電檢測(cè)器(13.1，13.2，13.3)的光而生成依賴于位置的輸出信號(hào)(-120°，0°，+120°)。
10.按權(quán)利要求6的位置測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述HF調(diào)制器(2)和所述跟蹤電子設(shè)備(14)互相同步。
11.用于在按權(quán)利要求1的位置測(cè)量系統(tǒng)中補(bǔ)償干涉光束(+1，-1)的路徑長(zhǎng)度差異的方法，按照該方法，將所述光電檢測(cè)器(13.1，13.2，13.3)的依賴于位置的信號(hào)(-120°，0°，+120°)輸送給放大器(15)，該放大器(15)的帶寬位于所述交流電流分量的頻率之上。
12.按權(quán)利要求11的方法，按照該方法，將從所述光電檢測(cè)器(13.1，13.2，13.3)的輸出信號(hào)(-120°，0°，+120°)中導(dǎo)出的高頻相位調(diào)制的幅度(A)考慮用作所述路徑長(zhǎng)度差異的量度。
13.按權(quán)利要求11的方法，按照該方法，通過(guò)所述位置測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械校正使從所述光電檢測(cè)器(13.1，13.2，13.3)的輸出信號(hào)中導(dǎo)出的高頻相位調(diào)制的幅度(A)最小化，并因此使所述干涉光束(+1，-1)的路徑長(zhǎng)度差異最小化。
全文摘要
用于確定兩個(gè)物體的相對(duì)位置的位置測(cè)量系統(tǒng)擁有電源單元(1，2)，用于生成激光光源(3)的可變工作電流。至少一個(gè)光電檢測(cè)器(13.1，13.2，13.3)根據(jù)從激光光源接收的光而生成依賴于位置的輸出信號(hào)(－120°，0°，+120°)。在測(cè)量運(yùn)行中，將與交流電流分量疊加的直流電流從電源單元(1，2)輸出到激光光源(3)上。
文檔編號(hào)G01B11/00GK1769835SQ200510120040
公開(kāi)日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月3日
發(fā)明者W·霍爾扎普菲爾, S·賴希胡伯爾, H·胡伯爾-倫克, J·德雷舍爾 申請(qǐng)人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司