光學(xué)元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)元件，并且尤其涉及例如衍射光柵等在位置測量裝置中使用的光 學(xué)元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 如通過圖1示意性地說明，編碼器設(shè)備2可用于確定一設(shè)備的兩個(gè)可相對移動(dòng)的 部分之間的移動(dòng)，并且通常包括刻度尺4和讀頭6 ( -個(gè)提供在該設(shè)備的一個(gè)部分上，并且 另一個(gè)提供在該設(shè)備的另一個(gè)部分上）。刻度尺可以包括一系列特征8、10,讀頭可以讀取 該一系列特征以便量測其沿刻度尺的位置（例如，刻度尺的特征可以提供在緊固到設(shè)備的 一部分的基底上或者甚至可以作為設(shè)備的一部分整體地形成的基底上）。編碼器可以通過 例如實(shí)質(zhì)上"計(jì)數(shù)"其沿刻度尺的長度的位置來工作，例如，從啟動(dòng)和/或位于刻度尺上的 經(jīng)定義的參考標(biāo)記。
[0003] 如將理解，完成讀頭的位置的"計(jì)數(shù)"的方式從編碼器設(shè)備到編碼器設(shè)備可以是不 同的。舉例來說，一種方式是在讀頭中的探測器處產(chǎn)生干涉條紋。圖2a是圖示這其中的概 念的示意性光線圖。來自源（例如，在讀頭內(nèi)）的光可以打中刻度尺，刻度尺將光衍射到多 個(gè)衍射級，該衍射級于是繼而打中讀頭中的衍射光柵。衍射光柵將光衍射到更進(jìn)一步的衍 射級，該更進(jìn)一步的衍射級在探測器（例如，光電二極管/傳感器陣列）處重組以便產(chǎn)生干 涉條紋。隨著刻度尺和讀頭相對于彼此移動(dòng)，干涉條紋也移動(dòng)。讀頭可以通過監(jiān)測干涉條紋 越過探測器的移動(dòng)來記錄和/或報(bào)告移動(dòng)和位置。此類編碼器設(shè)備描述于US5861953中。 如將理解，可以提供例如嵌入在刻度尺的衍射特征內(nèi)的參考標(biāo)記以便提供經(jīng)定義的參考位 置。此類編碼器設(shè)備描述于US7659992中。
[0004] 如將理解，圖2a是在編碼器設(shè)備中遇到的實(shí)際光學(xué)情況的非常簡化的圖示。具 體而言，該情況是僅針對來自源的一條光線示出的，而實(shí)際上刻度尺的區(qū)域均由該源照亮。 因而，實(shí)際上圖2a中所示的光學(xué)情況沿刻度尺的長度被重復(fù)多次（即，在由源照亮的區(qū)域 上），因此在探測器處產(chǎn)生長干涉圖案，該圖案示意性地在圖2b中說明。另外，出于說明性 目的僅示出了 +/-1級（例如，如將理解的光將被衍射到多個(gè)級中，例如，+/-3級、+/_5級等 衍射級）。另外，為了圖示的簡單起見，光線圖示出為透過光線圖（即，光示出為透過刻度尺 和衍射光柵中的每一個(gè)，而實(shí)際上這些中的至少一個(gè)可以是反射的）。
[0005] 替代形成干涉條紋，在US4776701中描述了另一種類型的遞增刻度尺，其描述了 配置刻度尺和衍射光柵以產(chǎn)生（例如，通過在探測器處重組衍射級）隨著刻度尺和讀頭相 對于彼此移動(dòng)而發(fā)生強(qiáng)度變化的調(diào)制點(diǎn)。
[0006] 以任一種方式，讀頭的探測器的輸出被用于監(jiān)測讀頭和刻度尺的相對位置。
[0007] 因此，這樣的編碼器可以依靠衍射級的重組以在探測器處產(chǎn)生復(fù)合場。
[0008] 傳統(tǒng)地，衍射光柵配置為使得它們的衍射特征盡可能等距離的間隔開。US5814812 描述了一個(gè)替代實(shí)施例，其中提議移位（shift)衍射特征使得它們之間的間距并非等距離 地間隔開而是可預(yù)測地變化，并且具體而言是周期性地變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有用于形成衍射級的衍射特征， 該衍射級用于生成由探測器探測到的場。具體而言，本發(fā)明涉及一種光學(xué)元件，其中衍射特 征布置為使得它們已經(jīng)從別樣的標(biāo)稱規(guī)則（regular)間隔開的布置移位。
[0010] 具體而言，本發(fā)明提供一種編碼器設(shè)備，用于確定設(shè)備的兩個(gè)可相對移動(dòng)的部分 之間的移動(dòng)，該編碼器設(shè)備包括：探測器；以及至少一個(gè)光學(xué)元件，其包括至少一個(gè)系列的 連續(xù)衍射特征，用于將來自源的電磁輻射衍射到衍射級，并且該至少一個(gè)系列的連續(xù)衍射 特征有助于在探測器處產(chǎn)生隨兩個(gè)部分之間的移動(dòng)而變化的信號（例如，通過該探測器處 衍射級的重組），其特征在于該至少一個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)的連續(xù)衍射特征的系列包 括至少一組衍射特征，在該至少一組衍射特征內(nèi)相鄰衍射特征的中心之間的間距從一對相 鄰衍射特征到下一對相鄰衍射特征不規(guī)則地變化。
[0011] 本申請描述一種編碼器設(shè)備，用于通過讀頭和刻度尺確定設(shè)備的兩個(gè)可相對移動(dòng) 的部分之間的移動(dòng)，該編碼器設(shè)備包括：探測器；以及至少一個(gè)光學(xué)元件，其包括至少一個(gè) 系列的連續(xù)衍射特征，用于將來自源的電磁輻射（"EMR"）衍射到衍射級，并且該至少一個(gè) 系列的連續(xù)衍射特征有助于通過探測器處衍射級的重組而在探測器處產(chǎn)生隨兩個(gè)部分之 間的移動(dòng)而變化的信號，其特征在于該至少一個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)的連續(xù)衍射特征的 系列包括至少一組衍射特征，在該至少一組衍射特征內(nèi)相鄰衍射特征的中心之間的間距從 一對相鄰衍射特征到下一對相鄰衍射特征不規(guī)則地變化。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種編碼器設(shè)備，用于確定設(shè)備的兩個(gè)可相對移動(dòng) 的部分之間的移動(dòng)，該編碼器設(shè)備包括：探測器；以及至少一個(gè)光學(xué)元件，其包括至少一個(gè) 系列的連續(xù)衍射特征，用于將來自源的電磁輻射衍射到衍射級，并且該至少一個(gè)系列的連 續(xù)衍射特征有助于在探測器處產(chǎn)生隨兩個(gè)部分之間的移動(dòng)而變化的信號，其特征在于在所 述至少一個(gè)系列中的衍射特征從標(biāo)稱規(guī)則間距移位，每個(gè)特征以所選擇的預(yù)定量移位以便 基本上消除至少一個(gè)η級衍射的同時(shí)保持1級衍射和至少一個(gè)所選擇的m級衍射的存在， 使得所述1級衍射和所選擇的m級衍射有助于在探測器處產(chǎn)生隨兩個(gè)部分之間的移動(dòng)而變 化的信號。
[0013] 如將理解，并且如上文所述，用于編碼器的刻度尺/衍射光柵配置為衍射從光源 /該刻度尺接收的EMR以便生成復(fù)合場，諸如探測器處的干涉條紋或調(diào)節(jié)點(diǎn)。如結(jié)合圖2a 和2b所示出的且在下文中更詳細(xì)地解釋的，例如干涉條紋或調(diào)制點(diǎn)的復(fù)合場（RF)主要通 過重組來自衍射光柵的+/-1級衍射而形成。然而，已發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用已知的刻度尺和衍射光柵 時(shí)，較高級衍射（例如，至少+/-5級和以上，并且甚至有時(shí)+/_3級和以上）會(huì)不利地干擾 復(fù)合場的生成。舉例來說，如圖3所示，已發(fā)現(xiàn)+/-5級實(shí)際上會(huì)落在探測器上從而不利地 影響干涉條紋的生成。這會(huì)把不想要的諧波強(qiáng)加給干涉條紋。對于其它類型的編碼器設(shè)備 也是這種情況，諸如例如那些生成調(diào)制點(diǎn)而非干涉條紋的。
[0014] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光學(xué)組件（例如探測器和讀頭中的衍射光柵和/或刻度尺）其之間 的間距和/或大小減少時(shí)（例如，當(dāng)試圖減少讀頭的尺寸時(shí)），較高級衍射對干涉條紋的生 成的這種不良作用增加。舉例來說，當(dāng)讀頭衍射光柵與探測器之間的距離（圖2和3中示 出為"v"）不超過l〇mm、尤其不超過5mm并且例如不超過2_，舉例來說I. 8mm或更小時(shí)，這 尤其成問題。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，較高級衍射對干涉條紋的生成的不良作用隨著刻度尺的衍射特 征的標(biāo)稱周期的增大而增大，例如，當(dāng)標(biāo)稱周期至少是IOym時(shí)，例如，至少20 μπι，尤其至 少30 μ m，舉例來說至少40 μ m。
[0015] 具體而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在編碼器系統(tǒng)的塔爾博特?cái)?shù)目（Talbot number)降到7. 25 以下，更確切地說5以下，尤其是2以下（例如，1.75或更小），并且舉例來說1以下（例 如，0.75或更?。r(shí)，較高級衍射對干涉條紋的生成的不良作用尤其成問題。如將理解，塔 爾博特?cái)?shù)目（T)提供編碼器系統(tǒng)的無量綱測量/定義并且可以通過以下等式計(jì)算： /Liif'i
[0016] T --- PiPz
[0017] 其中λ是光照的波長，u。是第一光柵與第二光柵之間的距離（例如，在圖2a、2b 和3中的u)，P1是第一光柵的周期（例如，圖2a、2b和3中刻度尺4的周期）和p 2是第二 光柵的周期（例如，圖2a、2b和3中衍射光柵14的周期）。
[0018] 本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以設(shè)計(jì)衍射光柵和/或刻度尺以最小化較高級對復(fù)合場的 不利影響。
[0019] 具體而言，不是如同已知衍射光柵的情況（即，使相鄰衍射特征之間的間距恒定、 或甚至以規(guī)則或可預(yù)測（例如，周期性）方式變化），本發(fā)明人已經(jīng)驗(yàn)明，具有自由度以便將 衍射特征從標(biāo)稱規(guī)則間距移位，從而可以選擇性地（例如，不規(guī)則地）改變它們之間的間距 (例如，沿刻度尺的測量方向獲得的它們的中心（例如，它們的質(zhì)量中心）之間的間距），可 以使得所選擇的衍射級將會(huì)受到控制以便最小化并且甚至基本上消除它們，但同時(shí)基本上 保持其它的衍射級。如將理解，相鄰特征之間的間距將以哪種確切方式改變可以取決于許 多因素，諸如，編碼器設(shè)備作為整體的類型和配置以及將選擇性地控制哪些級。
[0020] 相應(yīng)地，衍射特征可以從標(biāo)稱規(guī)則間距移位，每個(gè)特征以所選擇的預(yù)定量移位以 便基本上最小化/消除至少一個(gè)（例如，η級）衍射級（例如，奇數(shù)編號的衍射級）的同時(shí) 保持1級和至少一個(gè)其它所選擇的（例如，m級）衍射級（例如，奇數(shù)編號的衍射級）的存 在，使得所述1級和至少一個(gè)其它所選擇的（例如，m級）衍射級有助于在探測器處產(chǎn)生隨 設(shè)備的兩個(gè)可相對移動(dòng)部分之間