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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-1524(P2015-1524A)
(43)【公開日】2015年1月5日
(54)【発明の名称】測定装置
(51)【国際特許分類】
G01B 9/02 20060101AFI20141202BHJP
G01B 11/00 20060101ALI20141202BHJP
【ＦＩ】
G01B9/02
G01B11/00 G
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
【全頁数】32
(21)【出願番号】特願2014-116460(P2014-116460)
(22)【出願日】2014年6月5日
(31)【優先権主張番号】10 2013 210 999.7
(32)【優先日】2013年6月13日
(33)【優先権主張国】DE
(71)【出願人】
【識別番号】390014281
【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ
(74)【代理人】
【識別番号】100140109
【弁理士】
【氏名又は名称】小野 新次郎
(74)【代理人】
【識別番号】100075270
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 泰
(74)【代理人】
【識別番号】100101373
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 茂雄
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100153947
【弁理士】
【氏名又は名称】家成 隆彦
(72)【発明者】
【氏名】ヴォルフガング・ホルツアップフェル
【テーマコード（参考）】
2F064
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F064AA01
2F064BB05
2F064CC07
2F064DD08
2F064EE01
2F064EE06
2F064FF02
2F064GG03
2F064GG04
2F064GG12
2F064GG16
2F064GG23
2F064GG32
2F064GG38
2F064GG49
2F064GG70
2F064HH01
2F064JJ05
2F065AA02
2F065AA06
2F065BB25
2F065CC21
2F065DD03
2F065FF52
2F065FF61
2F065GG04
2F065GG05
2F065HH03
2F065HH09
2F065JJ01
2F065JJ15
2F065LL02
2F065LL10
2F065LL12
2F065LL17
2F065LL32
2F065LL36
2F065LL37
2F065LL57
(57)【要約】 （修正有）
【課題】光学式距離決定または位置決定を高精度に行うための測定装置を提供する。【解決手段】この測定装置は、光源と、平面鏡または基準器として形成された少なくとも１つの光学機能素子と、検出装置とを含む。少なくとも２つの部分光線束が生成され、これらの部分光線束のうちの少なくとも１つの部分光線束が少なくとも３回機能素子に衝突し、次いで部分光線束が干渉により重ね合わされた状態で検出装置の方向に伝搬し、検出装置を介して、重ね合わされた部分光線束から少なくとも１つの位相変調された測定信号が生成可能である。部分光線束が、光学機能素子との衝突の間に少なくとも２つの結像素子を通過し、結像素子の結像倍率は、光学機能素子が目標状態に対して傾斜している場合に、干渉する部分光線束の位置および方向のずれが生じないように構成されている。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学式距離決定または位置決定を高精度に行うための測定装置であって、
光源と、
平面鏡の形態の少なくとも１つの光学機能素子と、
検出装置と、を備え、
少なくとも２つの部分光線束が生成され、該部分光線束のうちの少なくとも１つの部分光線束が機能素子に少なくとも３回衝突し、次いで前記部分光線束が干渉により重ね合わされた状態で検出装置の方向に伝搬し、該検出装置を介して、重ね合わされた前記部分光線束から少なくとも１つの位相変調された測定信号が生成可能である測定装置において、
部分光線束（Ｍ）が、光学機能素子（１０；１１０；２１０；３１０）との衝突の間に少なくとも２つの結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）を通過し、該結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）の結像倍率（ｍＮ）が、光学機能素子（１０；１１０；２１０；３１０）が目標状態に対して傾斜している場合に、干渉する部分光線束（Ｍ，Ｒ）の位置および方向のずれが生じないように構成されており、
前記結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）が、入射する光線束（Ｍ）に対して出射する部分光線束（Ｍ）の変位が生じるように形成されている、
ことを特徴とする測定装置。
光源と、
平面鏡の形態の少なくとも１つの光学機能素子と、
検出装置と、を備え、
少なくとも２つの部分光線束が生成され、該部分光線束のうちの少なくとも１つの部分光線束が機能素子に少なくとも３回衝突し、次いで前記部分光線束が干渉により重ね合わされた状態で検出装置の方向に伝搬し、該検出装置を介して、重ね合わされた前記部分光線束から少なくとも１つの位相変調された測定信号が生成可能である測定装置において、
部分光線束（Ｍ）が、光学機能素子（１０；１１０；２１０；３１０）との衝突の間に少なくとも２つの結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）を通過し、該結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）の結像倍率（ｍＮ）が、光学機能素子（１０；１１０；２１０；３１０）が目標状態に対して傾斜している場合に、干渉する部分光線束（Ｍ，Ｒ）の位置および方向のずれが生じないように構成されており、
前記結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）が、入射する光線束（Ｍ）に対して出射する部分光線束（Ｍ）の変位が生じるように形成されている、
ことを特徴とする測定装置。
【請求項2】
光学式距離決定または位置決定を高精度に行うための測定装置であって、
光源と、
平面鏡の形態の少なくとも１つの光学機能素子と、
検出装置と、を備え、
少なくとも２つの部分光線束が生成され、該部分光線束のうちの少なくとも１つの部分光線束が機能素子に少なくとも３回衝突し、次いで部分光線束が干渉により重ね合わされた状態で検出装置の方向に伝搬し、該検出装置を介して、重ね合わされた部分光線束から少なくとも１つの位相変調された測定信号が生成可能である測定装置において、
部分光線束（Ａ，Ｂ）が、光学機能素子（２０；４１０；５１０）との衝突の間に少なくとも２つの結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）を通過し、該結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）の結像倍率（ｍＮ）が、光学機能素子（２０；４１０；５１０）が目標状態に対して傾斜している場合に、干渉する部分光線束（Ａ，Ｂ）の位置および方向のずれが生じないように構成されている、
ことを特徴とする測定装置。
光源と、
平面鏡の形態の少なくとも１つの光学機能素子と、
検出装置と、を備え、
少なくとも２つの部分光線束が生成され、該部分光線束のうちの少なくとも１つの部分光線束が機能素子に少なくとも３回衝突し、次いで部分光線束が干渉により重ね合わされた状態で検出装置の方向に伝搬し、該検出装置を介して、重ね合わされた部分光線束から少なくとも１つの位相変調された測定信号が生成可能である測定装置において、
部分光線束（Ａ，Ｂ）が、光学機能素子（２０；４１０；５１０）との衝突の間に少なくとも２つの結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）を通過し、該結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）の結像倍率（ｍＮ）が、光学機能素子（２０；４１０；５１０）が目標状態に対して傾斜している場合に、干渉する部分光線束（Ａ，Ｂ）の位置および方向のずれが生じないように構成されている、
ことを特徴とする測定装置。
【請求項3】
請求項１または２に記載の測定装置において、
Ｎ個の結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ；１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）の結像倍率（ｍｎ）について以下の条件：
ａ）Ｎ＝２： ｍ１＝−２、ｍ２＝−１／２
ｂ）Ｎ＝３： 正の結像倍率ｍｎを有する結像素子および負の結像倍率ｍｎを有する結像素子が設けられている
という条件が成り立ち、
ｎ：＝１…Ｎ
Ｎ：＝２，３；結像素子の数
ｍｎ：＝ｎ番目の結像素子の結像倍率
である測定装置。
Ｎ個の結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ；１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）の結像倍率（ｍｎ）について以下の条件：
ａ）Ｎ＝２： ｍ１＝−２、ｍ２＝−１／２
ｂ）Ｎ＝３： 正の結像倍率ｍｎを有する結像素子および負の結像倍率ｍｎを有する結像素子が設けられている
という条件が成り立ち、
ｎ：＝１…Ｎ
Ｎ：＝２，３；結像素子の数
ｍｎ：＝ｎ番目の結像素子の結像倍率
である測定装置。
【請求項4】
請求項１または２に記載の測定装置において、
前記結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ；１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、少なくとも１つのレンズとミラーとの組合せにより形成されている測定装置。
前記結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ；１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、少なくとも１つのレンズとミラーとの組合せにより形成されている測定装置。
【請求項5】
請求項４に記載の測定装置において、
少なくとも１つのレンズが回折レンズとして形成されている測定装置。
少なくとも１つのレンズが回折レンズとして形成されている測定装置。
【請求項6】
請求項４に記載の測定装置において、
前記結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ；１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が２つのレンズを含み、
該レンズが、異なる焦点距離を有し、第１レンズに入射するコリメートされた部分光線束（Ｍ）が第２レンズを通過した後に再びコリメートされた状態でさらに伝搬するように配置されている測定装置。
前記結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ；１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が２つのレンズを含み、
該レンズが、異なる焦点距離を有し、第１レンズに入射するコリメートされた部分光線束（Ｍ）が第２レンズを通過した後に再びコリメートされた状態でさらに伝搬するように配置されている測定装置。
【請求項7】
請求項１から６までのいずれか一項に記載の測定装置において、
２つの部分光線束（Ｍ，Ｒ；Ａ，Ｂ）への分割が、分割素子（１００；２００；３００；５００）または光源（２２０；３２０）を介して行われる測定装置。
２つの部分光線束（Ｍ，Ｒ；Ａ，Ｂ）への分割が、分割素子（１００；２００；３００；５００）または光源（２２０；３２０）を介して行われる測定装置。
【請求項8】
請求項１から７までのいずれか一項に記載の測定装置において、
干渉により重ね合わされた部分光線束（Ｍ，Ｒ；Ａ，Ｂ）が１つ以上の光ファイバを介して、後方に配置された検出装置に伝搬される測定装置。
干渉により重ね合わされた部分光線束（Ｍ，Ｒ；Ａ，Ｂ）が１つ以上の光ファイバを介して、後方に配置された検出装置に伝搬される測定装置。
【請求項9】
請求項１に記載の測定装置において、
前記平面鏡が干渉計の測定用アームに配置されており、測定用光線束（Ｍ）により少なくとも３回衝突される測定装置。
前記平面鏡が干渉計の測定用アームに配置されており、測定用光線束（Ｍ）により少なくとも３回衝突される測定装置。
【請求項10】
請求項４または９に記載の測定装置において、
干渉計が、結像倍率ｍ１＝−２およびｍ２＝−１／２を有する２つの結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）を含む測定装置。
干渉計が、結像倍率ｍ１＝−２およびｍ２＝−１／２を有する２つの結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）を含む測定装置。
【請求項11】
請求項９に記載の測定装置において、
前記干渉計が３つの結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）を含み、第１および第３結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）が、それぞれ結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有するコーナーキューブ・プリズムとして形成されており、第２結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）が、結像倍率ｍ２＝＋１を有する光線変位反射プリズム、または格子‐ミラー‐格子の組合せとして形成されている測定装置。
前記干渉計が３つの結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）を含み、第１および第３結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）が、それぞれ結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有するコーナーキューブ・プリズムとして形成されており、第２結像素子（ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ）が、結像倍率ｍ２＝＋１を有する光線変位反射プリズム、または格子‐ミラー‐格子の組合せとして形成されている測定装置。
【請求項12】
請求項９に記載の測定装置において、
前記測定用光線束（Ｍ）が、平面鏡に対して垂直方向に入射する測定装置。
前記測定用光線束（Ｍ）が、平面鏡に対して垂直方向に入射する測定装置。
【請求項13】
請求項２に記載の測定装置において、
基準器が、干渉式位置測定装置の２つの部分光線束（Ａ，Ｂ）によって少なくとも３回衝突される測定装置。
基準器が、干渉式位置測定装置の２つの部分光線束（Ａ，Ｂ）によって少なくとも３回衝突される測定装置。
【請求項14】
請求項４または１３に記載の測定装置において、
干渉式位置測定装置が、結像倍率ｍ１＝−２およびｍ２＝−１／２を有する２つの結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）を含む測定装置。
干渉式位置測定装置が、結像倍率ｍ１＝−２およびｍ２＝−１／２を有する２つの結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）を含む測定装置。
【請求項15】
請求項４または１３に記載の測定装置において、
干渉式位置測定装置が３つの結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）を含み、第１及び第３結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、それぞれ結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有するコーナーキューブ・プリズムとして形成されており、第２結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、結像倍率ｍ２＝＋１を有する光線変位反射プリズム、または格子‐ミラー‐格子の組合せとして形成されている測定装置。
干渉式位置測定装置が３つの結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）を含み、第１及び第３結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、それぞれ結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有するコーナーキューブ・プリズムとして形成されており、第２結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、結像倍率ｍ２＝＋１を有する光線変位反射プリズム、または格子‐ミラー‐格子の組合せとして形成されている測定装置。
【請求項16】
請求項２に記載の測定装置において、
前記結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、入射する部分光線束（Ａ，Ｂ）に対して出射する部分光線束（Ａ，Ｂ）の変位が生じるように形成されている測定装置。
前記結像素子（１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ）が、入射する部分光線束（Ａ，Ｂ）に対して出射する部分光線束（Ａ，Ｂ）の変位が生じるように形成されている測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学式距離決定または位置決定を高精度に行うのに適した測定装置に関する。
【背景技術】
【0002】
光学式距離決定または位置決定を高精度に行うためには、種々異なる形式の測定装置が既知である。一方では、距離決定のためには物理的に形成された基準器なしの干渉計が用いられ；他方では、位置決定のためには物理的に形成された基準器を備える干渉式位置測定装置が用いられる。
【0003】
干渉計として形成された測定装置の場合に、特に既知の平面鏡干渉計に関連して生じる問題を以下に論じる；このような平面鏡干渉計は、例えば、米国特許第４，６９３，６０５号明細書または米国特許第５，０６４，２８９号明細書により既知である。図１ａには、従来技術による平面鏡干渉計が極めて概略的に示されている。
【0004】
光源（図１ａには示さない）から放出された光線束Ｓは、例えば、偏光光学式ビームスプリッタの形態の分割素子ＳＴを介して２つの部分光線束に分割される；２つの部分光線束は、測定用光線束Ｍおよび参照用光線束Ｒである。次いで測定用光線束Ｍは、ここでは測定用反射器もしくは平面鏡Ｐとして形成された光学機能素子によって反射され、分割素子ＳＴを介して測定用逆反射体ＭＲに偏向される。測定用逆反射体ＭＲは、例えば、コーナーキューブ・プリズムまたはコーナーキューブ・ミラーとして形成されていてもよい。測定用逆反射体ＭＲにより、測定用光線束Ｍが正反対に再び平面鏡Ｐに偏向される。平面鏡Ｐでは、測定用光線束Ｍが分割素子ＳＴの方向に伝搬する前に再び反射が生じ、分割素子ＳＴでは、逆反射体ＲＲを介して、既に偏向された参照用光線束Ｒとの干渉による重なり合いが生じる。分割素子ＳＴの出力側には検出装置（図１ａには示さない）が配置されている。この検出装置を介して、重ね合わされた部分光線束から位相変調された測定信号が生成可能であり、この測定信号は、平面鏡Ｐと、干渉計の他の構成部材との距離のための尺度となる。
【0005】
図１ｂに示すように、平面鏡Ｐが目標状態に対して角度αだけ経度に傾斜している場合でさえも、測定用光線束Ｍは、平面鏡Ｐにおける２回目の反射後に、平面鏡Ｐにおける１回目の反射前に最初に入射した光線束Ｓに対して正確に逆平行に通過する。このようにして、角度もしくは方向のずれが生じることなしに、次にビームスプリッタＳＴにおいて測定用光線束Ｍに参照用光線束Ｒを重ね合わせることができる。しかしながら、平面鏡Ｐの小さい傾斜によって測定用光線束Ｍは側方に変位され、測定用光線束と参照用光線束とは、再び結合された後に、もはや光線横断面全体にわたって重ね合わされない。すなわち、信号生成に関与した光線束に関して位置のずれが生じる。したがって、縮小された重なり領域にのみ干渉が生じ、その結果、このように生成された位相変調測定信号の振幅もしくは変調度合が減じられる。
【0006】
したがって、このようにして引き起こされる信号低下を制限するために、平面鏡Ｐの所定の傾斜許容差について光線束Ｓの最小限の光線横断面を設ける必要がある。この関係は、レーザとして形成された光源から放出されるガウス形式の光線束Ｓについて、次の数（１ａ）式もしくは数（１ｂ）式：【数1a】
もしくは
【数1b】
によって記述され、
ＬＭａｘ：＝平面鏡と測定用逆反射体との最大限の距離、
αＭａｘ：＝平面鏡の最大限の傾斜角、
ｗ：＝１／ｅ２−光線束の光線横断面、
η：＝平面鏡が傾斜していない場合の信号レベルに対して最小限に許可される信号レベルである。
【0007】
ＬＭａｘ＝２ｍ、αＭａｘ＝１ｍｒａｄ、およびη＝０．７（７０％への信号低下）によって、ｗ＝９．５ｍｍにしたがって、光線束Ｓの最小限の光線横断面ｗが得られる。光線束Ｓの波面は、光線横断面にわたって極めて平坦である必要があるので（一般的な要求はλ／１０）、光線束Ｓのコリメーションのためには、これに応じて手間のかかる高価なコリメーション光学系が必要となり、この場合に著しい信号低下を完全に防止することはできない。このような信号低下は、干渉計による距離決定時の精度の低下および生成された測定信号における増大された信号雑音をもたらす。さらに、平面鏡Ｐの傾斜許容差が組付け許容差および作動時許容差を含むことを考慮すれば、平面鏡Ｐの傾斜許容差が小さいことも当然ながら不都合である。
【0008】
同様の問題が、冒頭で述べた物理的に形成された基準器を備える干渉式位置測定装置においても生じる。この場合にも走査光路の光学機能素子が目標状態に対して傾斜していることは、生成された測定信号にネガティブな影響を及ぼす。このような位置測定装置は一般に光学機能素子として基準器を含む；種々異なる他の光学素子、例えば、光源、分割素子、逆反射体、および検出装置などを備える走査ユニットが設けられており、この走査ユニットは少なくとも１つの測定方向に沿って可動である。このような位置測定装置は、基準器に対する垂線を中心とした走査ユニットおよび／または基準器の傾斜に特に敏感である。このような傾斜を以下では「モアレ傾斜」と呼ぶ。これらの装置では逆反射体が走査ユニットの側面に設けられていることが多く、これにより干渉する部分光線束の角度もしくは方向のずれを最小化することができる。しかしながら、分割された部分光線束の位置のずれが残り、このような位置のずれは、最大限に許容されるモアレ傾斜角を制限する。したがって、最大限に許容されるモアレ傾斜角は、このような既知の測定装置では、他の２つの傾斜軸線、すなわち、いわゆる「ロール軸線」および「傾斜軸線」を中心として最大限に許容される傾斜角よりも一般に著しく小さい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】米国特許第４，６９３，６０５号明細書
【特許文献2】米国特許第５，０６４，２８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の課題は、光学式距離決定または位置決定を高精度に行うための測定装置において、光学機能素子の傾斜に対してできるだけ敏感ではない位置測定装置を提供することである。平面鏡干渉計の場合には、特に平面鏡の傾斜が、測定用光線束の方向のずれも位置のずれももたらさないことが望ましい。物理的に形成された基準器を備える干渉式位置測定装置では、全ての傾斜軸線を中心としてできるだけ高い傾斜許容差を保障するために、特に基準器のモアレ傾斜時に方向または位置のずれが生じないことが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【0011】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有する測定装置によって解決される。
【0012】
さらに、この課題は、請求項２に記載の特徴を有する測定装置によって解決される。
【0013】
本発明による測定装置の有利な実施形態が、従属請求項に記載の手段により得られる。
【0014】
光学式距離決定または位置決定を高精度に行うための本発明による測定装置の第１変化態様は、光源と、平面鏡の形態の少なくとも１つの光学機能素子と、検出装置とを含む。少なくとも２つの部分光線束が生成され、これらの部分光線束のうちの少なくとも１つの部分光線束が機能素子に少なくとも３回衝突し、次いで部分光線束は、干渉により重ね合わされた状態で検出装置の方向に伝搬し、この検出装置を介して、重ね合わされた部分光線束から少なくとも１つの位相変調された測定信号が生成可能である。部分光線束は、光学機能素子との衝突の間に少なくとも２つの結像素子を通過し、この場合、これらの結像素子は、光学機能素子が目標状態に対して傾斜している場合に、干渉する部分光線束の位置および方向のずれが生じないように構成された結像倍率を有し、結像素子は、入射する光線束に対して出射する部分光線束の変位が生じるように形成されている。
【0015】
光学式距離決定または位置決定を高精度に行うための本発明による測定装置の第２変化態様は、光源と、基準器の形態の少なくとも１つの光学機能素子と、検出装置とを含む。少なくとも２つの部分光線束が生成され、これらの部分光線束のうちの少なくとも１つの部分光線が機能素子に少なくとも３回衝突し、次いで部分光線束は、干渉により重ね合された状態で検出装置の方向に伝搬し、この検出装置を介して、重ね合わされた部分光線束から少なくとも１つの位相変調された測定信号が生成可能である。部分光線束は、光学機能素子との衝突の間に少なくとも２つの結像素子を通過し、この場合、これらの結像素子は、光学機能素子が目標状態に対して傾斜している場合に、干渉する部分光線束の位置および方向のずれが生じないように構成された結像倍率を有する。
【0016】
好ましくは、Ｎ個の結像素子の結像倍率ｍｎについて以下の条件：ａ）Ｎ＝２： ｍ１＝−２、ｍ２＝−１／２
ｂ）Ｎ＝３： 正の結像倍率ｍｎを有する結像素子および負の結像倍率ｍｎを有する結像素子が設けられている
という条件が成り立ち、
ｎ：＝１…Ｎ
Ｎ：＝２，３；結像素子の数
ｍｎ：＝ｎ番目の結像素子の結像倍率
である。
【0017】
結像素子は、少なくとも１つのレンズとミラーとの組合せとして形成されていてもよい。
【0018】
この場合、少なくとも１つのレンズは回折レンズとして形成されていてもよい。
【0019】
さらに結像素子は２つのレンズを含み、これらのレンズは、異なる焦点距離を有し、第１レンズに入射するコリメートされた部分光線束が第２レンズを通過した後に再びコリメートされた状態でさらに伝搬するように配置されていてもよい。
【0020】
さらに、２つの部分光線束への分割が分割素子または光源を介して行われることも可能である。
【0021】
有利な実施形態では、干渉により重ね合わされた部分光線束が、１つ以上の光ファイバを介して、後方に配置された検出装置に伝達されるように構成されていてもよい。
【0022】
本発明による測定装置の第１変化態様では、平面鏡が干渉計の測定用アームに配置されており、測定用光線束により少なくとも３回衝突される。
【0023】
このような変化態様では、干渉計は、結像倍率ｍ１＝−２およびｍ２＝−１／２を有する２つの結像素子を含んでいてもよい。
【0024】
さらに、本発明による測定装置のこのような変化態様では、干渉計は３つの結像素子を含み、第１および第３結像素子はそれぞれコーナーキューブ・プリズムとして形成されており、結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有し、第２結像素子は、光線変位反射プリズムとして形成されているか、または格子‐ミラー‐格子の組合せとして形成されており、結像倍率ｍ２＝＋１を有する。
【0025】
この変化態様では、さらに測定用光線束が平面鏡に対して垂直方向に入射するように構成されていてもよい。
【0026】
本発明による測定装置の第２変化態様では、基準器が、干渉式位置測定装置の２つの部分光線束により少なくとも３回衝突される。
【0027】
このような変化態様では、さらに干渉式位置測定装置が、結像倍率ｍ１＝−２およびｍ２＝−１／２を有する２つの結像素子を備えていてもよい。
【0028】
同様に、このような変化態様では、干渉式位置測定装置は３つの結像素子を含み、第１および第３結像素子はそれぞれコーナーキューブ・プリズムとして形成されており、結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有し、第２結像素子は、光線変位反射プリズムとして形成されているか、または格子‐ミラー‐格子の組合せとして形成されており、結像倍率ｍ２＝＋１を有する。
【0029】
最後に、さらにこの変化態様では、結像素子が、入射する部分光線束に対して出射する測定用光線束の変位が生じるように形成されていることも可能である。
【0030】
本発明による解決方法の重要な利点は、光学機能素子について極めて大きい傾斜許容差が提供されていることである。本発明による測定装置は、これにより極めて簡単に構成もしくは組み付可能となる。
【0031】
同時に、傾斜許容差が大きいにも関わらず、生成された測定信号の信号低下が生じない。測定信号の精度は一様に高く、位置変動は小さい。
【0032】
干渉計として形成された測定装置の場合には、さらに光源から放出される光線束の光線横断面は従来技術の場合よりも著しく小さく選択することができる。これに応じて、必要なコリメーション光学系をより小型に、したがってより低コストで形成することができる。
【0033】
本発明のさらなる詳細および利点を、図面を参照して本発明による装置の実施例に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1a】平面鏡干渉計として形成された従来技術による測定装置における光路経過を示す図である。
【図2】平面鏡干渉計として形成された従来技術による測定装置における測定用光線束の光路を示す概略図である。
【図3】平面鏡干渉計として形成された本発明による測定装置の変化態様における測定用光線束の光路を示す概略図である。
【図4】３つの結像素子を使用した場合の結像倍率の解をグラフにより示す図である。
【図5】平面鏡干渉計として形成された本発明による測定装置の変化態様（Ｎ＝２の結像素子およびｍ１＝−２、ｍ２＝−１／２）における測定用光線束の光路を示す概略図である。
【図6】平面鏡干渉計として形成された本発明による測定装置の変化態様（Ｎ＝３の結像素子およびｍ１＝ｍ３＝−１、ｍ２＝＋１）における測定用光線束の光路を示す概略図である。
【図7】結像素子の可能な実施形態を示す図である。
【図8】基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された本発明による測定装置の変化態様における走査光路を示す概略図である。
【図9a】平面鏡干渉計として形成された本発明による測定装置の変化態様の第１実施例における完全な光路をｘｚ平面で示す概略図である。
【図9b】本発明による測定装置の第１実施例における光路を第１ｘｚ平面で示す概略図である。
【図9c】本発明による測定装置の第１実施例における光路を第２ｘｚ平面で示す概略図である。
【図10a】本発明による測定装置の第１実施例における光路を示す概略断面図である。
【図10b】本発明による測定装置の第１実施例における光路を示す概略断面図である。
【図11】平面鏡干渉計として形成された本発明による測定装置の変化態様の第２実施例における完全な光路をｘｚ平面で示す概略図である。
【図12】平面鏡干渉計として形成された本発明による測定装置の変化態様の第３実施例における完全な光路をｘｚ平面で示す概略図である。
【図13】図１３ａは基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された本発明による測定装置の変化態様の第４実施例における部分走査光路を示す概略図である。図１３ｂは基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された本発明による測定装置の変化態様の第４実施例における部分走査光路を示す概略図である。
【図14】第４実施例の走査光路を別の方向から見た図である。
【図15】図１５ａは基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された本発明による測定装置の変化態様の第５実施例における部分走査光路を示す概略図である。図１５ｂは基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された本発明による測定装置の変化態様の第５実施例における部分走査光路を示す概略図である。
【図16】第５実施例の走査光路を別の方向から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【0035】
図９ａ〜図１６に基づいて本発明による測定装置の個々の変化態様もしくは実施例を詳細に説明する前に、まず本発明の基本的な理論的側面を解説する。ここでまず、干渉計として形成された測定装置について検討し、次に基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された測定装置について検討する。
【0036】
干渉計冒頭で検討した平面鏡干渉計では、通常は測定用アームに少なくとも１つの逆反射体が設けられている。逆反射体は、例えば、コーナーキューブ・ミラー、コーナーキューブ・プリズム、またはレンズと、レンズの焦点面に配置されたミラーとの組合せなどとして、種々異なる形式で干渉計内に形成されていてもよい。これら全ての逆反射体の変化態様は、逆反射体に入射する光線束の逆平行の反射をもたらす。レンズおよびミラーを備える逆反射体の変化態様から、逆反射体は基本的に結像倍率ｍ＝−１を備え、対物面および結像面がそれぞれ無限遠に位置する光学結像素子とみなすことができることは自明である。対物面および結像面が無限遠に位置することにより、コリメートされた光線束が再びコリメートされた光線束に移行される。したがって、図２に示すように、従来技術によれば、干渉計または平面鏡干渉計における光線分割により生じた部分光線束の光路を概略的に説明することができる。図２には、適宜な分割により生じた測定用光線束Ｍの光路が示されている。測定用光線束Ｍは、干渉計の測定用アームにおいて、測定用反射器もしくは平面鏡Ｐの形態の光学機能素子に入射し、これにより反射され、距離Ｄを介して、結像倍率ｍ＝−１を備える結像素子ＡＥに伝搬し、再び平面鏡Ｐに入射し、再び反射された後に、最初に入射した測定用光線束Ｍに対して逆平行に伝搬する。
【0037】
本発明の範囲では、図３の概略的な光路図にしたがって適宜に構成された測定装置の実施形態において、測定用アーム内を伝搬する測定用光線束Ｍが機能素子１０もしくは平面鏡で少なくとも３回反射される。連続する反射の間に、結像倍率ｍｎを有する結像素子１１．ｎ（ｎ＝１，２，．．．Ｎ）はそれぞれ測定用光線束Ｍによって通過され、結像素子は、測定用光線束Ｍをそれぞれ機能素子１０に戻すように偏向する。したがって、機能素子１０との衝突が全部で３回の場合には、機能素子１０との衝突の間に通過されるＮ＝２の結像素子１１．１，１１．２が設けられる；すなわち、機能素子１０との１回目の衝突と２回目の衝突との間に第１結像素子１１．１が通過され、機能素子１０との２回目の衝突と３回目の衝突との間に第２結像素子１１．２が通過される。
【0038】
使用される結像素子１１．ｎの光学結像倍率ｍｎの計算もしくは決定は、光線追跡法によって行うことができ、この場合、機能素子１０の平面鏡の傾斜軸線に対して垂直方向の２次元（ｘ，ｚ）に制限することができる。測定用光線束の光路のそれぞれの部分は、これに応じて単純化された光線ベクトル【数1c】
によって記述される：
【数2】
ここで、ｘ：＝光線位置、
Ｋｘ：ｋベクトルのｘ要素である。
【0039】
【数2a】
として表される入射する測定用光線束Ｍは、傾斜した平面鏡もしくは機能素子１０で屈折され（ｋ０＝２π／λ）、生じた測定用光線束Ｍは：
【数3】
として表すことができる。
【0040】
次いで測定用光線束Ｍは距離Ｄを介して第１結像素子１１．１に伝搬し、これは、行列乗算：【数4】
によって記述される。
【0041】
結像素子１１．１は同様に行列乗算：【数5】
によって記述されるが、この場合、光線位置のための結像倍率ｍ１とｋｘ成分のための結像倍率とは互いに逆数であることに注意されたい。
【0042】
次いで測定用光線束Ｍは再び機能素子１０に戻るように伝搬する。【数6】
【0043】
図３に示すように機能素子１０における全部でＮ＋１回行われる反射を伴うさらなる光路は、数３式〜数６式に類似したさらなる変換：【数7】
によって記述され、したがって数３式〜数６式（それぞれ結像倍率ｍｎが異なる）は全部でＮ回使用される。
【0044】
機能素子１０における（Ｎ＋１）回目の反射後に、光線ベクトル【数7a】
は
【数7b】
に対して逆平行であり、同じ位置すなわち変位されていない位置で入射することが望ましい。したがって：
【数8】
が成り立つ必要がある。
【0045】
機能素子１０における反射が３回行われ、Ｎ＝２の結像素子１１．１，１１．２が設けられている場合には：【数9】
が成り立つ。
【0046】
数（９）式の唯一の実数解は、２つの結像素子１１．１，１１．２の次の結像倍率ｍ１，ｍ２の値：【数10】
について成り立つ。
【0047】
対応した光路が図５に示されている。角度αだけ傾斜した機能素子１０は、入射する測定用光線束Ｍを角度２αだけ屈折させる。この角度は、結像倍率ｍ１＝−２を有する結像素子１１．１によって結像される。これにより横方向の光線変位ｈは変位−２ｈをもたらし、これに応じて入射する光線角度２αは出射する光線角度αをもたらす。したがって、出射する測定用光線束Ｍは平面鏡もしくは機能素子１０に対して垂直方向に伝搬し、これにより自身に反射される。測定用光線束Ｍは、結像倍率ｍ２＝−１／２を有する結像素子１１．２によって結像され、これは、反対方向に通過される結像素子１１．１に相当する。したがって、機能素子１０において再び反射された後に、測定用光線束Ｍは、入射する測定用光線束Ｍに対して逆平行に、光線変位なしに再び出射する。すなわち、構成素子１０の傾斜にも関わらず、本発明により測定用光線束Ｍの方向ずれも位置ずれも生じない。
【0048】
以下には、例としてさらにＮ＝３の結像素子１１．１，１１．２，１１．３、および機能素子１０の平面鏡における測定用光線束Ｍの反射が４回の場合を考察する。この場合、結像素子１１．１，１１．２，１１．３の可能な結像倍率ｍ１，ｍ２，ｍ３の解、すなわち、干渉する部分光線束もしくは測定用および参照用光線束の位置ずれも方向ずれも生じないｍ１，ｍ２，ｍ３の組合せは無限に多数存在する。
【0049】
ｍ２，ｍ３の解がｍ１の関数として図４にｍ１＝−５…＋５の範囲で示されている。結像素子の好ましい結像倍率ｍｎは、ｍｎ＝−３…−１／３またはｍｎ＝＋１／３…＋３の範囲である。これらの範囲外では、測定用光線束Ｍの光線断面は過度に大きくなるか、または過度に小さくなる。これらの範囲では、結像倍率ｍｎについて以下の条件：【数11】
が成り立つ。
【0050】
一般に、Ｎ＝３の結像素子の場合、およびＮ＞３の結像素子の場合に可能な解は、結像素子の正および負の両方の結像倍率ｍｎが生じることにより、簡略化して記述することができる；換言すれば、正の結像倍率を有する結像素子および負の結像倍率を有する結像素子の両方が設けられている。
【0051】
Ｎ＝３の結像倍率ｍｎについてこれらの解のうちいずれか一つのみが対称的である。すなわち、この解は、条件ｍ１＝ｍ３を満たす。この対称解は：【数12】
である。
【0052】
この解は、図６に概略的に示されている。測定用光線束Ｍは、角度αだけ傾斜している機能素子１０における１回目の反射時に２αだけ屈折される。結像倍率ｍ１＝−１を有する第１結像素子１１．１による結像は、測定用光線束Ｍの逆反射を意味し、したがって光線角度は再び２αとなる。機能素子１０における２回目の反射は、入射する測定用光線束Ｍに対して光線方向が逆平行の測定用光線束Ｍをもたらすが、しかしながら、この測定用光線束Ｍは、傾斜角αに従属して光線位置が変位されている。結像倍率ｍ２＝＋１を有する第２結像素子１１．２は、例えばミラーとして形成されており、光線位置を保持しつつ測定用光線束Ｍを反射する。したがって、測定用光線束Ｍは同じ光路をたどり、機能素子１０で３回目に反射され、結像倍率ｍ３＝ｍ１＝−１（逆反射）を有する第３結像素子１１．２を通過し、さらに機能素子１０で４回目の反射された後に、位置および方向のずれなしに再び出射する。
【0053】
Ｎ＞３の場合、他の対称解を見つけることができる：Ｎ＝３，５，７，…：
ｎ＝１，２，…（Ｎ−１）／２，（Ｎ−１）／２＋２，（Ｎ−１）／＋３，…Ｎ，の場合、ｍｎ＝−１
ｎ＝（Ｎ−１）／２＋１の場合、ｍｎ＝＋１
Ｎ＝３，６，９，…：
ｎ＝１，３，４，６，７，９，…Ｎ，の場合ｍｎ＝−１
ｎ＝２，５，８，…Ｎ−１の場合ｍｎ＝＋１
【0054】
結像素子１１．ｎは、この場合、傾斜していない機能素子１０に対して平行な光線変位Δｘが小さい場合の特性によってのみ特徴づけられる。結像倍率ｍの場合、出射する測定用光線束Ｍはこの平面でΔｘ’＝ｍ・Δｘだけ変位する。したがって、ｋベクトルのｘ要素の特性もこの平面において決定されている：入射する測定用光線束Ｍの変位がΔｋｘの場合、出射する測定用光線束ＭはΔｋｘ’＝Δｋｘ／ｍだけ変位される。この場合、出射する測定用光線束Ｍが結像素子によって付加的に一定不変の光線変位または光線屈折を受けるどうかは重要ではない。このことは、結像素子は、屈折させる光学素子、または光線を変位する光学素子と組み合わせることもできることを意味する。測定用光線束が実質的に垂直方向に入射する平面鏡干渉計においては、光線変位は、光線距離を分離し、意図される光路のみを許可するための強制的な前提条件である。このような光線変位なしには、測定用光線束Ｍは同じ光線位置で再び平面鏡もしくは機能素子１０に入射し、先行して平面鏡もしくは機能素子１０に入射した測定用光線束Ｍと区別することができない。したがって、平面鏡もしくは機能素子１０におけるさらなる反射も不可避的に生じてしまう。光線変位なしには、ファブリー・ペロー干渉計が生じてしまう。ファブリー・ペロー干渉計は、既知のように平面鏡もしくは機能素子１０の位置に従属した正弦状の信号経過を示さず、したがって増分式の測定器のように補間することができない。それゆえ、光線変位は必要不可欠である。したがって、本発明によるすべての結像素子は、入射する光線束と出射する光線束との間に光線変位をもたらす。好ましくは、光線横断面は、測定用光線束Ｍの光線横断面よりも大きく、これにより、光線束の完全な分離が保障される。光線変位方向は、基本的に任意に選択することができる。この自由度は、例えば、平面鏡もしくは機能素子１０に対する測定用光線束Ｍの入射位置を最適化するために利用することができる。
【0055】
基本的には、所定の結像倍率ｍにおいて種々異なる光学素子を結像素子として使用することができる。以下の一覧では、本発明による測定装置で使用することのできる所定の結像倍率ｍを有する光線を屈折させない適宜な結像素子の例が挙げられている；これらの結像素子は、個々に図７ａ〜図７ｅに詳細に示されている。
【0056】
結像倍率 結像素子ｍ＝＋１ ミラー
格子‐ミラー‐格子
光線変位反射プリズム
放物面鏡
ｍ＝−１ コーナーキューブ・プリズム
コーナーキューブ・ミラー
レンズ‐ミラー‐レンズ
（焦点距離が等しい屈折または回折レンズ）
キャッツアイ
ｍ≠＋１およびｍ≠−１ レンズ‐ミラー‐レンズ
（焦点距離が等しくない屈折または回折レンズ）
焦点距離が等しくない、共通の焦点を有する放物面鏡の２つの分割部分
【0057】
図７ａは、上記「格子‐ミラー‐格子」の変化態様による結像倍率ｍ＝＋１を有する結像素子を示し、この場合に一方の２つの格子１１Ｇ１，１１Ｇ２および他方のミラー１１Ｓは、透明な平板１１ＰＰの向かい合った側に配置されている。
【0058】
図７ｂには、結像倍率ｍ＝＋１を有する結像素子が示されている。この結像素子は、３つのプリズム面全てにおいて順次に反射が生じる反射プリズム１１ＲＰからなる。このような反射プリズムは、以下では光線変位反射プリズムとも呼ぶ。
【0059】
図７ｃは、放物面鏡１１ＰＳとして形成された、結像倍率ｍ＝＋１を有する結像素子を示す。
【0060】
図７ｄは、表に挙げた、２つのレンズ１１Ｌ１，１１Ｌ２とミラー１１Ｓとを備える「レンズ‐ミラー‐レンズ」の変化態様による結像倍率ｍ＝−１を有する結像素子を示す。
【0061】
図７ｅには、結像倍率ｍ＝−２を有する結像素子が示されている。この結像素子は、第１回折レンズ１１Ｌ，ｉｎと、ミラー１１Ｓと、さらなる第２回折レンズ１１Ｌ，ｏｕｔとからなり、２つの回折レンズ１１Ｌ，ｉｎ，１１Ｌ，ｏｕｔ、およびミラー１１Ｓは、図７ａの変化態様と同様に、透明な平板１１ＰＰの向かい合った側に配置されている。
【0062】
この場合、２つのレンズ１１Ｌ，ｉｎ，１１Ｌ，ｏｕｔは異なる焦点距離を備え、したがって、第１レンズ１１Ｌ，ｉｎに入射するコリメートされた部分光線束は、第２レンズ１１Ｌ，ｏｕｔを通過した後に再びコリメートされ、さらに伝搬する。
【0063】
入射する測定用光線束Ｍは、この結像素子においては、第１回折レンズ１１Ｌ，ｉｎによって位置（ｘＦ，ｚＦ）の焦点に合わされ、この焦点は同時に第２回折レンズ１１Ｌ，ｏｕｔの焦点でもある。ｆｉｎとｆｏｕｔとが屈折率ｎＧを有するガラスからなる２つの回折レンズ１１Ｌ，ｉｎ，１１Ｌ，ｏｕｔの焦点距離を示す場合、出射する測定用光線束Ｍのコリメーションについて：【数13】
が成り立つ。
【0064】
この結像素子の結像縮尺は：【数14】
によって得られる。
【0065】
さらに、所定の光線変位Δｘｓが、ｘＦの適宜な選択によって生じる：【数15】
【0066】
光線変位Δｘｓおよび結像縮尺のための所定の値について：【数16】
【数17】
【数18】
が成り立つ。
【0067】
２つの回折レンズ１１Ｌ，ｉｎ，１１Ｌ，ｏｕｔについて適宜な位相関数が：【数19】
【数20】
により得られる。
【0068】
この場合、数（１８）式と同様にｙ方向の焦点の変位ｙＦ【数21】
をもたらすｙ方向の光線変位Δｙｓが仮定された。
【0069】
このような結像素子は、ｍ≠−１およびｍ≠＋１の場合にはレンズを用いてのみ実施することができる。コーナーキューブ・プリズムに比べて、レンズは、測定用光線束Ｍがファセットエッジによって損なわれず、したがって波面が妨害されずに保持されるという利点をもたらす。しかしながら、基本的には、同様にコーナーキューブ・プリズムまたはコーナーキューブ・ミラーを結像素子として使用することもできる。ｍ＝＋１の場合は、レンズなしの単純なミラー反射に相当する（ｆｉｎ，ｆｏｕｔ→∞およびφｉｎ，φｉｎ→定数）。レンズを有する結像素子の場合、当然ながら回折レンズの他に屈折レンズ、特に非球面レンズを使用することもできる。
【0070】
基準器を備える干渉式位置測定装置分割された部分光線束の方向および位置のずれの防止は、基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された測定装置においても有利である；これについては以下に図８に基づいて詳述する。このような位置測定装置では、２つの部分光線束が適宜な光線分割によって生成される。これらの部分光線束は、以下では部分光線束Ａおよび部分光線束Ｂと呼ぶ。部分光線束Ａ，Ｂは、分割された後に異なる光線距離を通過し、最終的に干渉させられる。この場合、２つの部分光線束Ａ，Ｂは、ここでは光学機能素子２０として機能する基準器によってガイドされる。基準器の状態もしくは位置を決定しておくことが望ましい。この場合、一般に基準器は測定方向に周期的な格子からなっている。
【0071】
基準器平面の任意の軸線を中心として基準器が傾斜している場合に、２つの場合が区別される。透光基準器では、透過された部分光線束Ａ，Ｂの傾斜に基づいた屈折は一般に小さく、無視することができる。これに対して入射光基準器は適宜に傾斜され、したがって、部分光線束Ａ，Ｂの屈折は著しく大きくなる。当然ながら、２つの部分光線束Ａ，Ｂは通常の対称的な光路ではほぼ同様に屈折され、したがって、重ね合わされた場合、部分光線束Ａ，Ｂの共通の位置および方向変位のみが生じ、部分光線束Ａ，Ｂの互いの位置および方向のずれは生じない。基準器平面に対して垂直方向の軸線を中心として基準器が傾斜した場合、すなわち、いわゆる「モアレ傾斜」が生じた場合には、部分光線束Ａ，Ｂの反対方向の位置‐および方向変位が生じる。これまでに既知の逆反射体なしの干渉式位置測定装置では、これにより部分光線束Ａ，Ｂの位置および方向のずれがもたらされる。これまでに既知の逆反射体を備える干渉式位置測定装置では、方向のずれは防止することができ、部分光線束Ａ，Ｂの位置のずれのみが生じる。
【0072】
部分光線束Ａ，Ｂの位置および方向のずれの両方を同時に防止するためには、本発明によれば、これらの測定装置にも適切に形成された結像素子が挿入され、光学機能素子とのそれぞれの衝突の間に通過される。干渉式位置測定装置の場合には、基準器における部分光線束Ａ，Ｂの個々の回折は機能素子との衝突である。これは、図８の機能素子２０もしくは基準器に対して平行なｘｙ平面に概略的に示されている；機能素子２０に垂直方向に入射する光線束Ｂｉｎが機能素子２０もしくは基準器において１回目に＋１および−１の回折オーダに回折もしくは分割される。この光線分割により生じた部分光線束Ａ，Ｂは、結像倍率ｍＡ１もしくはｍＢ１を有する第１結像素子１２．１Ａもしくは１２．１Ｂにそれぞれ伝搬し、機能素子２０に再び戻り、次いで再びそれぞれ同じ＋１もしくは−１の回折オーダに回折される。さらなる光路では、ｎ＝２…Ｎであり、結像倍率ｍＡｎもしくはｍＢｎを有するＮ個の他の結像素子１２．ｎＡもしくは１２．ｎＢがそれぞれ順次に通過され、その間にそれぞれ同じ＋１もしくは−１の回折オーダでそれぞれ新たな回折が機能素子２０において起こる。機能素子２０における（Ｎ＋１）回目の回折後には、両方の部分光線束Ａ，Ｂは光線束Ｂｏｕｔに対して共線的に重ね合わされ、機能素子２０に対して垂直方向に出射する。後方に配置された図示しない検出装置によって、干渉する対の部分光線束Ａ，Ｂから、位相変調された測定信号もしくは位置に依存した走査信号が生成される。
【0073】
図８では、それぞれ基準器もしくは機能素子２０における回折により両方の部分光線束Ａ，Ｂの分割および重なり合いが起こる。すなわち、基準器の形態の機能素子２０はここでは同時に分割素子および結合素子として機能する。しかしながら、代替的には同様にこれらの機能は、概略的に示した走査ユニット３０の個々の分割素子および／または個々の結合素子を介して引き受けることもできる。有利には、このために適宜な走査格子が使用される。
【0074】
使用される結像素子１２．ｎＡもしくは１２．ｎＢの最適な結像縮尺の計算は、ここでも光線追跡法によって行うことができる。この場合、ｍＡｎ＝ｍＢｎ＝ｍｎの対称解が有利である。基準器として形成された機能素子を備える干渉式位置測定装置の場合には、基準器もしくは機能素子２０の目盛方向ｘに対して平行で、機能素子２０に対して垂直方向の次元ｘ，ｚに制限することができる。なぜなら、モアレ傾斜は線形近似で機能素子２０の目盛方向ｘの光線移動のみをもたらすからである。位置測定装置の測定方向は、この座標系では、機能素子２０の目盛方向ｘに対して垂直方向に配向されたｙ軸線に沿って延在する。
【0075】
部分光線束Ａ，Ｂのそれぞれの光路区分は、ここでも上記数（２）式にしたがって、適宜に簡略化された光線ベクトル【数21a】
【数22】
が生じる。
【0076】
この場合、ｋＧにより機能素子２０の基準器の格子ベクトルｋＧ＝２π／ｄＭが示され、ｄＭにより基準器の格子周期ｄＭが表される。光線ベクトル【数22a】
もしくは
【数22b】
は、機能素子２０において入射もしくは出射する部分光線束Ａを記述し；同様に光線ベクトル
【数22c】
もしくは
【数22d】
は部分光線束Ｂの対応した光路区分を記述する。
【0077】
機能素子２０によって部分光線束Ａ，Ｂの分割が行われた場合には、【数22e】
が成り立つ。走査ユニット３０の機能素子２０と結像素子１２．ｎＡもしくは１２．ｎＢとの間でｚ方向に測定される走査距離Ｄにわたる伝搬は、ｋベクトルのｘ成分に従属する光線位置の変位Δｘ：
【数23】
をもたらす。
【0078】
この場合、角度βは、機能素子２０の傾斜なしに位置測定装置の公称初期設定で提供されている光学軸線ｚに対する部分光線束Ａ，Ｂの光線傾斜を表す。
【0079】
したがって、上記数（４）式に類似して、γ＝ＡもしくはＢの場合に：【数24】
が生じる。
【0080】
数（５）式および数（６）式は対応して：【数25】
【数26】
に置き換える必要がある。
【0081】
当然ながら光線傾斜βｎは、機能素子２０と走査ユニット３０との間のそれぞれの伝搬について異なっていてもよい。
【0082】
図８に示した別の光路は、数（２２）式および数（２４）式〜数（２６）式に類似した他の変換によって適宜に記述され、数（２２）式および数（２４）式〜数（２６）式は、それぞれ変更された結像倍率ｍｎにより全部でＮ−１回使用される：【数27】
【0083】
この場合、プラス記号はγ＝Ａについて、−記号はγ＝Ｂについてあてはまる。
【0084】
機能素子２０の基準器におけるＮ回目の回折後に、光線ベクトル【数27a】
および
【数27b】
は等しいことが望ましい。したがって、上記数（８）式に類似して：
【数28】
が成り立つ。
【0085】
Ｎ＝２の場合（機能素子２０における３回の回折、２つの結像素子）、数（９）式に類似して数（２８）式により、適宜な位置測定装置について次の条件：【数29】
が生じる。
【0086】
これは、ｍ１について次の条件（解ｍ１＝−１，ｍ２＝０は除外する必要がある）：【数30】
をもたらす。
【0087】
この３次の多項方程式を分析的に解くことができ、解くための詳細についてはここではさらに説明しない。解は、一般に角度βｎに従属している。それぞれの部分光線束ＡもしくはＢについて付加的に、機能素子２０における２回目の回折に対して対称的なそれぞれ１つの光路が必要となる場合、付加的な条件：【数31】
が得られる。
【0088】
これらの条件によって、数（３０）式は特に次の解：【数32】
をもたらす。
【0089】
この数式は数（１０）式と一致し、角度βｎに従属しない。
【0090】
Ｎ＝３の場合（機能素子２０の基準器における４回の回折、３つの結像素子）、数（２７）式から無限に多くの解が生じる。付加的に以下の対称条件：【数33】
が必要となる場合、特に数（１２）式に等しい解：
【数34】
が得られる。
【0091】
モアレ傾斜では線形近似で機能素子２０の基準器の目盛方向ｘにしか光線変位および光線傾斜が生じないので、結像素子１２．１，１２．２，…１２．ｎがこの目盛方向ｘにのみ、すなわち、位置測定装置の測定方向ｙに対して垂直方向にのみ、上記所定の本発明による結像倍率ｍｎｘを有していれば十分である。測定方向ｙに、同じ、または異なる結像倍率ｍｎｙを使用してもよい。特に、測定方向ｙに結像倍率ｍｎｙ＝±１のみを用いる方が有利なことも多い。すなわち、結像素子として、屋根型プリズム（屋根エッジ方向にｍ＝１、これに対して横方向にｍ＝−１）、シリンダレンズとミラーとシリンダレンズの組合せ（シリンダレンズｍの屈折方向に任意、これに対して横方向にｍ＝＋１）、または非点収差レンズとミラーと非点収差レンズの組合せ（両方向にそれぞれ任意の結像倍率）を用いることができる。数（１９）式および数（２０）式は、シリンダレンズの場合には適宜に変更する必要がある。シリンダレンズの屈折方向がｘ方向に延在していることが望ましい場合：【数35】
【数36】
が成り立つ。
【0092】
非点収差レンズの場合、良好な近似で次の数式：【数37】
【数38】
を選択することができ、ｆｉｎ，ｘおよびｆｏｕｔ，ｘはｘ方向の焦点距離であり、ｆｉｎ，ｙおよびｆｏｕｔ，ｙはｙ方向の焦点距離である。ｘ方向およびｙ方向の焦点距離の独立した選択により、数（１３）式〜数（１８）式および数（２１）式によって２つの方向ｘおよびｙについて結像倍率ｍｘおよびｍｙを個別に決定することができる。
【実施例1】
【0093】
平面鏡干渉計として形成されたＮ＝２の結像素子を備える本発明による測定装置の第１実施例が、図９ａ〜図９ｃ、ならびに図１０ａ，１０ｂに概略的に示されている。この場合、図１０ａは、図９ａの平面ＡＡ′による断面図を示し、図１０ｂは、図９ａの平面ＢＢ′による断面図を示す。
【0094】
この測定装置によって、平面鏡として形成された光学機能素子１１０と、測定装置の図示の他の構成部材と距離が測定方向ｚに沿って測定可能である。
【0095】
レーザとして形成された光源（図示しない）によって放出され、線形に偏光された光線束Ｓは、図面にｚにより示した方向に沿って分割素子１００まで伝搬する。分割素子１００は、適宜なビームスプリッタ層を備える偏光ビームスプリッタとして形成されている。光源の偏光方向は図示のｘ方向に対して４５°に配向されている。分割素子１００によって、この場合、入射する光線束Ｓが２つの部分光線束、すなわち、測定用光線束Ｍおよび参照用光線束Ｒに分割される。
【0096】
測定用光線束Ｍは、図示のｚ方向に沿ってλ／４板１１５．１を介して、ｚ方向に沿って位置を測定したい平面鏡の形態の光学機能素子１１０までさらに伝搬し、機能素子１１０には測定用光線束Ｍが垂直方向に入射する。平面鏡との１回目の衝突後に、次いで測定用光線束Ｍは、２回目にλ／４板１１５．１を通過し、９０°だけ回転された偏光方向を示す。分割素子１００もしくは偏光ビームスプリッタは、次いで測定用光線束Ｍをｘ方向に屈折させ、結像倍率ｍ１＝−２を有する第１結像素子１１１．１の方向に伝搬する。第１結像素子１１１．１は、同時に測定用光線束Ｍをｚ方向に向ける。続いて測定用光線束Ｍは、再び分割素子１００の偏光ビームスプリッタに入射し、機能素子１１０もしくは平面鏡の方向に反射される。λ／４板１１５．１を再び通過し、平面鏡または機能素子１１０において２回目に反射され、もう一度λ／４板１１５．１を通過した後に、測定用光線束Ｍの偏光は再び回転して戻され、測定用光線束Ｍは、さらなる屈折なしに分割素子１００の偏光ビームスプリッタを通過する。次いで測定用光線束Ｍは、結像倍率ｍ２＝−１／２を有する第２結像素子１１１．２を通過し、さらに結像され、ｙ方向に向けられる。次いで測定用光線束Ｍは分割素子１００の偏光ビームスプリッタを介して再びλ／４板１１５．１および光学機能素子１１０もしくは平面鏡に伝搬する。平面鏡において３回目に反射され、λ／４板１１５．１をさらに通過した後に、測定用光線束Ｍは分割素子１００の偏光ビームスプリッタによって屈折され、検出装置（図示しない）に伝搬する。
【0097】
参照用光線束Ｒは、＋ｘ方向に偏光ビームスプリッタもしくは分割素子１００から出射し、λ／４板１１５．２を介して、コーナーキューブ・プリズムとして形成された逆反射素子１１６に入射する。この場合、コーナーキューブ・プリズムは、参照用光線束Ｒがエッジに入射しないように調整もしくは配置されている。逆反射素子１１６によって、逆反射素子１１６に入射する参照用光線束Ｒが分割素子１００の方向に反射される；この場合、続いて測定用光線束Ｍと参照用光線束Ｒとの間に光線変位が生じないように、逆反射素子１１６は、参照用光線束Ｒをｙおよびｚ方向に向ける。λ／４板１１５．２をさらに通過した後に参照用光線束Ｒは９０°だけ回転された偏光を備え、したがって、続いて屈折させられることなしに分割素子１００の偏光ビームスプリッタを通過し、次いで測定用光線束Ｍと共線的に重ね合わされる。重ね合わされた光線束は互いに垂直方向に偏光され、次いで検出装置（図示しない）の方へ伝搬する。検出装置では、既知のように、例えば１２０°だけ位相をずらされた３つの信号の形態で、位相変調された測定信号が生成され、これらの信号から位置値が導かれる。
【0098】
平面鏡干渉計として形成された測定装置の本発明による構成により、機能素子１１０として機能する平面鏡の傾斜が制限されている場合に、信号生成のために使用される２つの部分光線束、すなわち測定光線束Ｍと参照用光線総Ｒとの間に位置および／または方向のずれが生じないことが確保されている。これにより、平面鏡のために適宜な大きさの傾斜許容差を許可することができる。最適な構成では、光線横断面が等しい場合の傾斜許容差は、従来の平面鏡干渉計の場合よりも１０倍大きくてもよい。
【0099】
このことは、本実施例では、本発明にしたがって上記結像倍率ｍ１＝−２，ｍ２＝−１／２を備える測定用光線束Ｍの光路に適宜な結像素子１１１．１，１１１．２を使用することにより保障される。これらの結像素子は、図面に示すようにレンズ‐ミラー‐レンズ系として形成されており、これについては、例えば図７ｅについて例示的に説明した。
【0100】
本発明による測定装置の第１実施例は、当然ながら本発明の範囲で変更することができる。
【0101】
したがって、例えば、コーナーキューブ・プリズムとして形成された逆反射素子の代わりに、参照用光線束を反射するために、逆反射素子として結像倍率ｍＲｅｆ＝−１を有する光学結像素子を設けることも可能である；このためには、例えば、上記表に結像倍率ｍ＝−１について述べた結像素子が適している。
【0102】
さらに、２つの横断する方向ｙ，ｚもしくはｘ，ｙに広範囲で結像素子１１１．１，１１１．２の光線変位を選択することもできる。
【実施例2】
【0103】
図１１には、本発明による測定装置の第２実施例がヘテロダイン方式の平面鏡干渉計として形成されている。光学機能素子２１０における測定用光線束Ｍの３回の反射が行われ、３回行われる反射の間に通過されるＮ＝２の結像素子２１１．１，２１１．２が設けられている。
【0104】
光源２２０、例えばレーザが、周波数ｆＭおよびｆＲｅｆを有する２つの光線束を供給する；これらの周波数をずらされた光線束は、本実施例では測定用光線束Ｍおよび参照用光線束Ｒとして機能する。これにより、光源から放出される光線束は、光源とは別個の分割素子を介して分割されず、２つの部分光線束、すなわち、測定用光線束Ｍおよび参照用光線束Ｒの生成は、この場合、適宜に形成された光源によって引き受けられる。測定用光線束Ｍおよび参照用光線束Ｒの周波数の差周波数Δｆ＝ｆＭ−ｆＲｅｆは、適宜に変調された光学信号が高速フォトディテクタにより検出可能となるように選択される。周波数ｆＭを有する測定用光線束Ｍは、例えば、周波数安定化ファイバレーザまたはＨｅＮｅレーザによって生成することができ、一部が分割され、音響工学変調器（ＡＯＭ）によって周波数Δｆだけ周波数をずらされる。この部分は、周波数ｆＲｅｆを有する参照用光線束Ｒを供給する。
【0105】
両方の部分光線束Ｍ，Ｒは、偏光されたシングルモード‐ファイバとして形成された光ファイバ２３０．１，２３０．２を介して個別に平面鏡干渉計に伝搬される。平面鏡干渉計において、部分光線束はそれぞれコリメーション光学系２２１．１，２２１．２を介してコリメートされ、互いに垂直になるように偏光が整列される。部分光線束Ｍ，Ｒの一部は、それぞれ部分透過型ミラー２２４．１，２２４．２によって分割され、光線結合素子２２２によって重ね合わされ、偏向器２２３．１を通過した後に干渉することができる。重ね合された光線束は、結合レンズ２２５．１によってシングルモード‐ファイバとして形成された光ファイバ２２５に結合され、検出器２２６に供給され、検出器２２６は、周波数Δｆによって変調された適宜な参照用信号ＳＲｅｆを発生する。参照用信号ＳＲｅｆの位相は、参照用位相φＲｅｆとして用いられる。
【0106】
周波数ｆＭを有する測定用光線束Ｍは、第１実施例と比較可能に、本発明による測定装置の種々異なる光学素子を次のように通過する：
【0107】
偏光光学ビームスプリッタとして形成された分割素子２００；λ／４板２１５．１；平面鏡として形成された機能素子２１０；λ／４板２１５．１；結像素子２１１．１，結像倍率ｍ１＝−２；分割素子２００；λ／４板２１５．１；機能素子２１０；λ／４板２１５．１；分割素子２００；結像素子２１１．２，結像倍率ｍ２＝−１／２；分割素子２００；λ／４板２１５．１；機能素子２１０；λ／４板２１５．１；分割素子２００。
【0108】
次いで、測定用光線束Ｍは偏光器２２３．２に入射する。
【0109】
参照用光線束Ｒは分割素子２００を通過し、この場合に機能素子２１０により３回目に反射された後に共線的に測定用光線束Ｍに重ね合わされ、同様に偏光器２２３．２に到達し、偏光器は両方の光線束を干渉させる。重ね合わされた光線束は、本発明による措置により、機能素子２１０もしくは平面鏡が傾斜した場合にも位置および方向を変えないので、結合レンズ２２５．２を介して、シングルモード・ファイバとして形成された別の光ファイバ２２７に結合することができる。光ファイバ２２７は、重ね合わされた光線束を検出器２２８に伝送する。生成された信号ＳＭは、差周波数Δｆによって変調され、位相φＭが規定された信号を供給する。位相差φＭ−φＲｅｆは、既知のようにｚ方向に沿って移動する機能素子２１０の位置をもたらす。重ね合された光線束がシングルモード‐ファイバとして形成された光ファイバ２２７により伝送されることにより、まさに一定不変の作動時間が保障される。作動時間は、電気式伝送またはマルチモード‐ファイバによる光学式伝送とは反対にまさに一定不変であり、伝送ケーブルの湾曲に左右されない。
【0110】
この実施例では、全ての光線束は、図平面と一致する共通のｘｚ平面を通過する。機能素子２１０もしくは平面鏡に垂直方向に入射する測定用光線束Ｍは、１本の線上に位置する。これにより、ｙ方向、すなわち図平面に対して垂直方向の機能素子２１０もしくは平面鏡の長さは、適宜に小さく選択することができる。
【0111】
分割素子２００は、第１実施例においてもこの第２実施例においても、平面鏡もしくは機能素子２１０によって反射された光線束を、共線的に平面鏡に伝搬する光線束から分離する役割を果たす。第１実施例では、さらに分割素子は、光源から放出される光線束を測定用光線束と参照用光線束とに分割する役割を果たす。既に述べたように、第２実施例では異なる周波数を有する測定用光線束および参照用光線束の生成は、適宜に形成された光源によって行われる。したがって、分割素子は、両方の実施例において、測定用光線束および参照用光線束を再び重ね合わせる機能を有している。代替的には、当然ながらこれら全ての機能を複数の分割素子に分配することもできる。すなわち、単一の分割素子のみが設けられていることは強制的ではない。
【実施例3】
【0112】
図１２には、平面鏡干渉器として形成された本発明による測定装置の第３実施例が概略的に示されている。この変化態様では、機能素子３１０または平面鏡およびＮ＝３の結像素子において測定用光線束Ｍの４回の反射が行われる。この場合、第１および第３結像素子は単一の結像素子３１１．１に組み込まれた状態で形成されており、この結像素子３１１．１とは別個の第２結像素子３１１．２が設けられている。結像素子３１１．１に組み込まれた２つの結像素子は、結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有し、入射する測定用光線束Ｍに対してコーナーキューブ・プリズムのように作用し；別の第２結像素子３１１．２は結像倍数ｍ２＝＋１を有し、入射する測定用光線束に対して、図７ａに示した格子‐ミラー‐格子の組合せ、または図７ｂに示した光線変位反射プリズムのように作用する。
【0113】
この実施例では、光路は、互いに重なる２つのｘｚ平面を通過する。異なる平面における光路は、図１２にそれぞれ異なる斜線で示されている。より分かりやすく示すために光線がわずかにずらして示されている。実際には、これらの光路は互いに正確に重なり合う。
【0114】
例えば、レーザとして形成された光源３２０から放出された光線束Ｓは、上記光路平面のシングルモード‐ファイバ３３０を介して平面鏡干渉計に供給され、コリメーション光学系３２１によってコリメートされる。この光線束Ｓの偏光方向は、偏光ビームスプリッタとして形成された分割素子３００の両方の軸線に対して４５°未満である。さらに光線束Ｓは、測定用光線束Ｍと参照用光線束Ｒとに分割される。次いで測定用光線束Ｍはλ／４板３１５．１を介して機能素子３１０もしくは平面鏡に伝搬し、反射され、さらにλ／４板３１５．１を通過した後に分割素子３００によって結像素子３１１．１の方向に屈折させられる。結像素子３１１．１は、コーナーキューブ・プリズムとして形成されており；コーナーキューブ・プリズムに組み込まれた第１結像素子は、測定用光線束Ｍの結像、および下方の光路平面への測定用光線束の変位をもたらす。この光路平面では、測定用光線束Ｍは再び分割素子３００もしくは偏光ビームスプリッタによって屈折させられ、λ／４板３１５．１を介して２回目に機能素子３１０の平面鏡に入射する。再び反射され、λ／４板３１５．１をさらに通過した後に、測定用光線束Ｍは、分割素子３００で屈折させられることなしに、この実施例では図７ｂに示した反射プリズムとして形成された結像素子３１１．２に到達する。結像素子３１１．２は、結像倍率ｍ２＝＋１による結像と並んで、上方の光路平面への測定用光線束Ｍの変位をもたらす。測定用光線束Ｍは、次に分割素子３００を通過し、再び屈折させられることなしにλ／４板３１５．１を介して３回目に機能素子３１０の平面鏡に入射する。λ／４板３１５．１を介して、測定用光線束Ｍは３回目の反射後に分割素子３００に戻り、分割素子３００は、測定用光線束Ｍを結像素子３１１．１の別の結像素子の方へ屈折させる。この結像素子は、測定用光線束Ｍを再び下方の光路平面に変位する。測定用光線束Ｍは結像素子３００で再び屈折させられ、λ／４板３１５．１を介して４回目に機能素子３１０または平面鏡に伝搬する。４回目に反射され、λ／４板３１５．１をさらに通過した後に、最後に測定用光線束Ｍは屈折させられることなしに分割素子３００を通過する。
【0115】
分割素子３００における光線束Ｓの分割後に生じた参照用光線束Ｒは、参照用逆反射体３１６を介して下方の光路平面に変位され、機能素子３１０における４回目の反射後に分割素子３００の偏光ビームスプリッタにより共線的に測定用光線束Ｍに重ね合わされる。この場合、測定用光線束Ｍと参照用光線束Ｒとは互いに垂直方向に偏光されている。重ね合わされた光線束は、格子３２９によって０次，＋１次および−１次の回折オーダに分割され、レンズ３３１によって検出装置の対応した検出器３２８．１，３２８．２，３２８．３に焦点を合わされる。これらの検出器の前方に位置する偏光器３２３．１，３２３．２，３２３．３は、既知のように、位相変調された測定信号Ｓ０，Ｓ１２３およびＳ−１２０の間でそれぞれ１２０°の位相変位の調節を可能にする。
【0116】
結像素子３１１．１，３１１．２により本発明による測定装置のこの実施例においても、機能素子３１０の傾斜が、重ね合わされた測定用光線束Ｍと参照用光線束Ｒとの間の位置のずれも、方向ずれももたらさないことが確保されている。
【実施例4】
【0117】
本発明による測定装置の第４実施例が図１３および図１４に概略的に示されている。この測定装置は、基準器を備える干渉式位置測定装置として形成されている。この実施例では、基準器は、信号生成のために使用される部分光線束Ａ，Ｂによって３回衝突される光学機能素子４１０として機能し、それぞれ部分光線束Ａ，Ｂの回折が生じる。基準器における衝突の間には部分光線束Ａ，ＢによってそれぞれＮ＝２の結像素子が通過される。
【0118】
この場合、機能素子４１０もしくは基準器は、測定方向ｙに沿って測定装置の図示の他の構成部材に対して可動である。本発明による測定装置によって、測定方向ｙに沿って機能素子４１０の相対位置に関する走査信号が決定される。
【0119】
図１３の左側には、入射する光線束Ｓの光路と、分割後に機能素子４１０との２回目の衝突までの部分光線束Ａ，Ｂの光路を示し、図１３の右側には、機能素子４１０との２回目の衝突から機能素子４１０と３回目に衝突し、部分光線束Ａ，Ｂが再結合されるまでの部分光線束Ａ，Ｂの光路が示されている。図１４には、走査光路を他の方向から見た図が示されている。
【0120】
この場合、機能素子４１０における光線束Ｓの分割後に部分光線束Ａによって通過される第１結像素子は、図面から分かるように、透明な平板４１３の上面および下面に配置された第１回折レンズ４１２．ＡＬ１，第１ミラー４１２．ＡＲ１、および第２回折レンズ４１２．ＡＬ２を含む。第３回折レンズ４１２．ＡＬ３、第２ミラー４１２．ＡＲ２、および第４回折レンズ４１２．ＡＬ４は、機能素子４１０との２回目のおよび３回目の衝突の間に部分光線束Ａによって通過される第２結像素子を形成している。これと同様に、部分光線束Ｂの２つの対応した結像素子は、平板４１３の上面および下面に配置された第１回折レンズ４１２．ＢＬ１と第１ミラー４１２．ＢＲ１と第２回折レンズ４１２．ＢＬ２とからなっているか、または第３回折レンズ４１２．ＢＬ３と第２ミラー４１２．ＢＲ２と第４回折レンズ４１２．ＢＬ４とからなっている。
【0121】
部分光線束Ａ，Ｂによってまず通過される第１結像素子の結像倍率は、機能素子４１０もしくは基準器の目盛方向ｘにｍ１ｘ＝−２、測定方向ｙにｍ１ｙ＝＋１であり；第２結像素子の結像倍率は、目盛方向ｘにｍ２ｘ＝−１／２、測定方向ｙにｍ２ｙ＝＋１である。
【0122】
図示しない光源、例えばレーザによって放出された光線束Ｓは、機能素子４１０もしくは基準器において＋１次および−１次の回折オーダに分割される。＋１次の回折オーダは、次いで部分光線束Ａとして第１結像素子を通って伝搬し、２回目に＋１次の回折オーダで機能素子４１０において回折され、さらに第２結像素子を通過する。機能素子４１０における＋１次の回折オーダの３回目の回折は、部分光線束Ａを再び光軸ｚに沿うように屈折させる。
【0123】
ｘｚ平面に対して対称的な部分光線束Ｂの光路が、対応した第１および第２結像素子によって決定され；この場合に、機能素子４１０における−１次の回折オーダで部分光線束Ｂの回折が３回生じる。
【0124】
両方の部分光線束ＡおよびＢは、機能素子４１０における３回目の回折時に光線変位なしに共線的に重ね合わされ、検出装置（図示しない）に入射し、検出装置は、位相変調された適宜な測定信号を供給する。部分光線束ＡおよびＢの光路に配置され、部分光線束ＡおよびＢを互いに直交方向に偏光させるために用いられる偏光器およびλ／４板またはλ／２板などの偏光素子は、見やすくするために同様に図面に示されていない。
【0125】
この干渉式位置測定装置の特別な利点は、ｚ方向の軸線を中心としたモアレ傾斜時に両方の部分光線束Ａ，Ｂの互いの位置および方向のずれが生じることがなく、したがって、モアレ傾斜許容差が著しく大きいことである。
【実施例5】
【0126】
図１５および図１６には、上記実施例の説明と同様に、基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された本発明による測定装置の第５実施例が再び示されている。光学機能素子５１０、すなわち、使用される基準器は、信号生成のために用いられる部分光線束Ａ，Ｂによって４回衝突もしくは回折される。基準器との衝突の間には、部分光線束Ａ，ＢによってそれぞれＮ＝３の結像素子が通過される。
【0127】
部分光線束Ａ，Ｂによって通過される第１および第３結像素子５１２として、結像倍率ｍ１＝ｍ３＝−１を有するコーナーキューブ・プリズムが設けられている。部分光線束Ａが通過する第２結像素子は、透明な平板５１３の上面および下面に配置された格子５１２．ＡＧ１、ミラー５１２．ＡＲ、および格子５１２．ＡＧ２の組合せからなる。これと同様に、部分光線束Ｂが通過する第２結像素子は、透明な平板５１３の上面および下面に配置された格子５１２．ＢＧ１、ミラー５１２．ＢＲ、および格子５１２．ＢＧ２の組合せからなる。これらの第２結像素子の結像倍率は、ｍ２＝＋１にしたがって選択されている。
【0128】
ｘｚ平面に入射する傾斜した光線束は、分割格子Ｇ１として形成された分割素子５００によって格子定数ｄ１を有する平板５１３の上面で−１次の回折オーダ（部分光線束Ａ）および＋１次の回折オーダ（部分光線束Ｂ）に分割される。部分光線束Ａは機能素子５１０、すなわち基準器に伝搬する。基準器は格子定数ｄＭＧ＝１／２ｄ１を有し、入射する部分光線束を＋１次の回折オーダに１回目に回折する。次いで部分光線束Ａは、コーナーキューブ・プリズムの第１結像素子５１２を通過し、これにより逆反射され、ｘ方向に光線変位される。続いて部分光線束Ａは２回目に機能素子５１０において＋１次の回折オーダに屈折させられ、続いて第２結像素子を通過し、これにより結像され、ｘ方向に変位させられる。部分光線束Ａは、機能素子５１０または基準器に再び伝搬され、３回目に＋１次の回折オーダに回折される。コーナーキューブ・プリズムの第３結像素子５１２によりさらに逆反射され、ｘ方向に光線変位され、機能素子において４回目に＋１次の回折オーダに回折された後に、部分光線束Ａは、平板５１３の上面に結合格子として形成された結合素子５３０に最後に到達する。
【0129】
ｘｚ平面に対して対称的な部分光線束Ｂの光路は、対応した３つの結像素子を同様に通過し、機能素子５１０との４回目の衝突後に結合素子５３０の同じ位置に入射する。適宜な結合格子は格子定数ｄ４＝ｄ１を有し、両方の部分光線束Ａ，Ｂを共線的に重ね、干渉させる。結合素子５３０の結合格子における位相深さ、およびブリッジ対周期比を適宜に選択することにより、３つの回折オーダが生じ、これらの回折オーダは、後方に配置された検出装置の検出器５２８．１，５２８．２，５２８．３によって検出され、互いに１２０°だけ位相をずらされた測定信号Ｓ−１２０，Ｓ０およびＳ＋１２０を供給する。
【0130】
他の実施形態具体的に説明した実施例の他に、本発明の範囲内で当然ながらさらに他の構成可能性が存在する。
【0131】
それぞれ平面鏡干渉計として形成された本発明による測定装置の上述した最初の３つの実施例では、機能素子または平面鏡との３回以上の衝突、および本発明による結像倍率の選択により、出射した測定用光線束の位置および方向が安定的に、すなわち、測定用アームにおいて場合によって生じる平面鏡の傾斜とは無関係に保持される。差動式平面鏡干渉計では、本発明による措置を参照用光線束の光路にも用いることができる。このようにして、参照用アームにおいて機能素子もしくは平面鏡が傾斜した場合にも、参照用光線束の位置および方向を安定的に保持することができる。
【0132】
本発明による測定装置の第２実施例に関して説明したように、光ファイバ、特にシングルモード・ファイバを介して、重ね合わされた部分光線束が別個の検出器へ伝搬され、基準器を備える干渉式位置測定装置として形成された本発明による測定装置においてもこのようなこのような部分光線束の伝搬を行うことができる。すなわち、この場合にも、走査ユニットによって、光ファイバ、特にシングルモード・ファイバを介して、後方に配置された検出装置へ、重ね合わされた部分光線束を適宜に伝搬することができる。この場合、重ね合わされた部分光線束の位置および方向が目盛方向ｘおよび測定方向ｙに安定的に保持されることが前提となる。重ね合わされた部分光線束は、伝送‐基準器を備える本発明による位置測定値では線形近似で付与されているが、反射‐基準器を使用した場合には、上記解法にしたがって測定方向の結像倍率も付加的に選択する必要がある。位置および方向のずれが抑制されていることの他に、重ね合わされた部分光線束の位置および方向は場合によって生じる基準器の傾斜とは無関係である。
【符号の説明】
【0133】
１０；２０；１１０；２１０；３１０；４１０；５１０ 光学機能素子ＡＥ；１１．１〜１１．３；１１．ｎ；１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ 結像素子
Ｍ，Ｒ 光線束
Ａ，Ｂ 部分光線束
１２．１Ａ〜１２．ＮＡ，１２．１Ｂ〜１２．ＮＢ 結像素子
２０；４１０；５１０ 光学機能素子
１００；２００；３００；５００ 分割素子
２２０；３２０ 光源