特許 6427093 光学式位置測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6427093

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】光学式位置測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/347 20060101AFI20181112BHJP

   G01D 5/38 20060101ALI20181112BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/347 110U

   G01D5/38 A

【請求項の数】15

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-248265(P2015-248265)

(22)【出願日】2015年12月21日

(65)【公開番号】特開2016-130728(P2016-130728A)

(43)【公開日】2016年7月21日

【審査請求日】2018年8月14日

(31)【優先権主張番号】10 2015 200 293.4

(32)【優先日】2015年1月13日

(33)【優先権主張国】DE

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100173521

【弁理士】

【氏名又は名称】篠原 淳司

(74)【代理人】

【識別番号】100191835

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 真介

(74)【代理人】

【識別番号】100153419

【弁理士】

【氏名又は名称】清田 栄章

(72)【発明者】

【氏名】ヴァルター・フーバー

【審査官】 吉田 久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−９８６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１２７９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３７２４０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１２２９０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２２８３０３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｄ ５／２６−５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

二つの互いに移動する物体の相対位置を検出する光学式位置測定装置であって、本装置が、これら二つの物体の一方と接続された走査ユニットと、これら二つの物体の他方と接続された反射基準尺とから構成され、少なくとも二対の部分光ビームが重なり合って干渉することにより、相対位置情報が得られ、そのために、
（ａ）光源から走査ユニットに入射する光ビームが、第一の分割部品によって、第一の分割面内の少なくとも第一、第二及び第三の部分光ビームに分割され、
（ｂ）これらの第一と第三の部分光ビームが、走査ユニットにおいて、偏向部品によって反射基準尺の方向に偏向される一方、第二の部分光ビームが、第二の分割部品によって、少なくとも第四と第五の部分光ビームに分割されて、第一と第四の部分光ビームが反射基準尺上の第一の衝突場所の方向に進むとともに、第三と第五の部分光ビームが反射基準尺上の第二の衝突場所の方向に進み、
（ｃ）これらの重なり合う第一と第二の対の部分光ビームは、反射基準尺での反射後に、第一と第二の検出器の方向に進み、そこで、これらの部分光ビームが、対毎に重なり合って干渉し、その結果、これらの検出器によって、移動量に応じた第一と第二の走査信号を検出することが可能であり、これらの走査信号から、物体の垂直移動方向と第一の横移動方向に関する位置情報を導き出すことができ、この第一の横移動方向が第一の分割面内を延びるか、或いはそれと平行に延びる、光学式位置測定装置において、
この走査ユニット（２０）に入射する光ビームは、第一の分割部品（２２）によって、更に、第一の分割面（ｘｚ）に対して直角の方向を向く第二の分割面（ｙｚ）内の更に別の部分光ビーム（３０．６，３０．７，３０．８，３０．９，３０．１０）に分割されて、これらの第二の分割面（ｙｚ）内の部分光ビーム（３０．６，３０．７，３０．８，３０．９，３０．１０）は、第一の分割面（ｘｚ）内の部分光ビーム（３０．１，３０．２，３０．３．３０．４，３０．５）と同様に進み、その結果、第三と第四の検出器（２６．３，２６．４）によって、移動量に応じた第三と第四の走査信号を検出することが可能であり、これらの走査信号から、物体の垂直移動方向（ｚ）と第二の横移動方向（ｙ）に関する位置情報を導き出すことができ、この第二の横移動方向（ｙ）が第二の分割面（ｙｚ）内を延びるか、或いはそれと平行に延びることを特徴とする光学式位置測定装置。

【請求項2】

第一の分割部品（２２）によって、更に、少なくとも第六、第七及び第八の部分光ビーム（３０．６，３０．７，３０．８）への分割が行なわれ、
（ａ）第六と第八の部分光ビーム（３０．６，３０．，８）が、走査ユニット（２０）において、別の偏向部品（２５．３，２５．４）によって反射基準尺（１０）の方向に偏向される一方、第七の部分光ビーム（３０．７）が、第二の分割部品（２４）によって、少なくとも第九と第十の部分光ビーム（３０．９，３０．１０）に分割されて、第六と第九の部分光ビーム（３０．６，３０．９）が反射基準尺（１０）上の第三の衝突場所（Ａ３）の方向に進むとともに、第八と第十の部分光ビーム（３０．８，３０．１０）が反射基準尺（１０）上の第四の衝突場所（Ａ４）の方向に進み、
（ｂ）重なり合う第三と第四の対の部分光ビーム（３０．６，３０．９；３０．８，３０．１０）が、反射基準尺（１０）での反射後に、第三と第四の検出器（２６．３，２６．４）の方向に進み、そこで、これら二対の部分光ビーム（３０．６，３０．９；３０．８，３０．１０）が、それぞれ重なり合って干渉し、その結果、第三と第四の検出器（２６．３，２６．４）によって、移動量に応じた第三と第四の走査信号を検出することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項3】

第一の分割部品（２２）と第二の分割部品（２４）が、それぞれ十字線又はチェス盤構成の二次元回折構造として構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項4】

当該の二次元回折構造が振幅格子又は位相格子として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の光学式位置測定装置。

【請求項5】

第一の分割部品（２２）と第二の分割部品（２４）が、それぞれ二次元透過交差格子として構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の光学式位置測定装置。

【請求項6】

当該の二つの分割面（ｘｚ，ｙｚ）が互いに直角の方向を向くことを特徴とする請求項３に記載の光学式位置測定装置。

【請求項7】

当該の反射基準尺（１０）が十字線又はチェス盤構成の二次元回折構造として構成されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。

【請求項8】

当該の二次元回折構造が振幅格子又は位相格子として構成されていることを特徴とする請求項７に記載の光学式位置測定装置。

【請求項9】

当該の反射基準尺（１０）が二次元反射交差格子として構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の光学式位置測定装置。

【請求項10】

当該の走査ユニット（２０）が透明なガラス板（２３）を有し、
（ａ）そのガラス板の入射光ビームの方を向いた側に、第一の分割部品（２２）が配置され、
（ｂ）そのガラス板の反射基準尺（１０）の方を向いた側に、第二の分割部品（２４）と偏向部品（２５．１〜２５．４）が配置されている、
ことを特徴とする請求項１から９までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。

【請求項11】

当該のガラス板（２３）の入射光ビームの方を向いた側には、更に、それぞれ構造化された光検出器として構成され、その感光面がガラス板（２３）の反対側の方向を向く四つの検出器（２６．１〜２６．４）が配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の光学式位置測定装置。

【請求項12】

当該の構造化された光検出器は、それぞれ複数の周期的に配置された検出器素子（２６．１_１〜２６．１_ｎ，２６．２_１〜２６．２_ｎ，２６．３_１〜２６．３_ｎ，２６．４_１〜２６．４_ｎ）を有し、これらの同相の検出器素子（２６．１_１〜２６．１_ｎ，２６．２_１〜２６．２_ｎ，２６．３_１〜２６．３_ｎ，２６．４_１〜２６．４_ｎ）が電気的に相互接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項13】

当該の構造化された光検出器が、αシリコンから構成されて、ガラス板（２３）上に直接構造化されて配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学式位置測定装置。

【請求項14】

当該の検出器（２６．１〜２６．４）が第一の分割部品（２２）と同じ面内に配置されていることを特徴とする請求項１から１３までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。

【請求項15】

当該の偏向部品（２５．１〜２５．４）が透過線形格子として構成されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の光学式位置測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１の上位概念に基づく光学式位置測定装置に関する。この位置測定装置は、二つの互いに移動する物体の一つの垂直方向自由度と少なくとも一つの横方向自由度を同時に検出するのに適している。

【背景技術】

【0002】

この種の光学式位置測定装置は、例えば、特許文献１の図６により周知である。その位置測定装置は、二つの互いに移動する物体の相対位置を検出する役割を果たし、それらの物体の一方と接続された走査ユニットと、それら二つの物体の他方と接続された反射基準尺とから構成される。それら二つの物体に関する相対位置情報は、少なくとも二対の部分光ビームが重なって干渉することから得られる。その場合、光源から走査ユニットに入射する光ビームが、第一の分割部品によって第一の分割面内の少なくとも第一、第二及び第三の部分光ビームに分割される。次に、第一と第三の部分光ビームが、走査ユニットにおいて、偏向部品によって反射基準尺の方向に偏向される。第二の部分光ビームは、走査ユニットにおいて、第二の分割部品によって少なくとも第四と第五の部分光ビームに分割されて、第一と第四の部分光ビームが反射基準尺上の第一の衝突場所の方向に進み、第三と第五の部分光ビームが第二の衝突場所の方向に進む。第一と第二の対の重なり合う部分光ビームは、反射基準尺での反射後に、第一と第二の検出器の方向に進み、そこで、少なくとも二対の部分光ビームが、それぞれ重なり合って干渉する。それらの検出器によって、移動量に応じた走査信号を検出することが可能であり、それらの走査信号から、更に、物体の垂直移動と第一の横移動方向に関する位置情報を導き出すことができる。

【0003】

そのため、そのような光学式位置測定装置によって、二つの互いに移動する物体の横方向と垂直方向の自由度を同時に検出することが可能である。

【0004】

特許文献１により周知の装置は、そのような三つ以上の自由度を測定技術的に検出しなければならない測定課題には適していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−３２６２３１号公報

【特許文献2】ドイツ特許公開第１０２０１１００５９３７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の課題は、二つの互いに移動する物体の少なくとも三つの空間自由度における高精度の空間位置計測を可能とする冒頭で述べた形式の光学式位置測定装置を実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本課題は、本発明による請求項１の特徴を有する光学式位置測定装置によって解決される。

【0008】

本発明による光学式位置測定装置の有利な実施形態は、従属請求項に記載された措置により得られる。

【0009】

本発明による二つの互いに移動する物体の相対位置を検出する光学式位置測定装置は、これら二つの物体の一方と接続された走査ユニットと、これら二つの物体の他方と接続された反射基準尺とから構成される。相対位置情報は、少なくとも二対の部分光ビームが重なり合って干渉することにより得られ、そのために、
（ａ）光源から走査ユニットに入射する光ビームが、第一の分割部品によって、第一の分割面内の少なくとも第一、第二及び第三の部分光ビームに分割され、
（ｂ）これらの第一と第三の部分光ビームが、走査ユニットにおいて、偏向部品によって反射基準尺の方向に偏向される一方、第二の部分光ビームが、第二の分割部品によって少なくとも第四と第五の部分光ビームに分割されて、第一と第四の部分光ビームが反射基準尺上の第一の衝突場所の方向に進むとともに、第三と第五の部分光ビームが反射基準尺上の第二の衝突場所の方向に進み、
（ｃ）これらの重なり合う第一と第二の対の部分光ビームは、反射基準尺での反射後に、第一と第二の検出器の方向に進み、そこで、これらの部分光ビームが、対毎に重なり合って干渉し、その結果、これらの検出器によって、移動量に応じた第一と第二の走査信号を検出することが可能であり、これらの走査信号から、物体の垂直移動方向と第一の横移動方向に関する位置情報を導き出すことが可能であり、この第一の横移動方向が第一の分割面内を延びるか、或いはそれと平行に延びる。この走査ユニットに入射する光ビームは、第一の分割部品によって、更に、第一の分割面に対して直角の方向を向く第二の分割面内の更に別の部分光ビームに分割される。これらの部分光ビームは、第一の分割面内の部分光ビームと同様に第二の分割面内を進み、その結果、第三と第四の検出器によって、移動量に応じた第三と第四の走査信号を検出することが可能であり、これらの走査信号から、物体の垂直移動方向と第二の横移動方向に関する位置情報を導き出すことが可能であり、この第二の横移動方向が第二の分割面内を延びるか、或いはそれと平行に延びる。

【0010】

有利には、第一の分割部品によって、更に、少なくとも第六、第七及び第八の部分光ビームへの分割が行なわれ、
（ａ）第六と第八の部分光ビームが、走査ユニットにおいて、別の偏向部品によって反射基準尺の方向に偏向される一方、第七の部分光ビームが、第二の分割部品によって、少なくとも第九と第十の部分光ビームに分割され、第六と第九の部分光ビームが反射基準尺上の第三の衝突場所の方向に進むとともに、第八と第十の部分光ビームが第四の衝突場所の方向に進み、
（ｂ）重なり合う第三と第四の対の部分光ビームが、反射基準尺での反射後に第三と第四の検出器の方向に進み、そこで、これら二対の部分光ビームが、それぞれ重なり合って干渉し、その結果、第三と第四の検出器によって、移動量に応じた第三と第四の走査信号を検出することが可能である。

【0011】

第一の分割部品と第二の分割部品は、それぞれ十字線又はチェス盤構成の二次元回折構造として構成することが可能である。

【0012】

この場合、この二次元回折構造は、振幅格子又は位相格子として構成することができる。

【0013】

第一の分割部品と第二の分割部品は、それぞれ二次元透過交差格子として構成することができる。

【0014】

有利には、これら二つの分割面は、互いに直角の方向を向く。

【0015】

更に、反射基準尺は、十字線又はチェス盤構成の二次元回折構造として構成することが可能である。

【0016】

この場合、この二次元回折構造は、振幅格子又は位相格子として構成することができる。

【0017】

有利には、反射基準尺は、二次元反射交差格子として構成することができる。

【0018】

更に、走査ユニットは、透明なガラス板を有し、
（ａ）そのガラス板の入射光ビームの方を向いた側に、第一の分割部品が配置され、
（ｂ）そのガラス板の反射基準尺の方を向いた側に、第二の分割部品と偏向部品が配置される、
と規定することができる。

【0019】

この場合、ガラス板の入射光ビームの方を向いた側には、更に、それぞれ構造化された光検出器として構成され、その感光面がガラス板の反対側の方向を向く四つの検出器を配置することができる。

【0020】

この場合、この構造化された光検出器は、それぞれ複数の周期的に配置された検出器素子を有し、これらの同相の検出器素子が電気的に相互接続されている。

【0021】

この場合、有利には、これらの構造化された光検出器は、αシリコンから構成され、ガラス板上に直接構造化されて配置される。

【0022】

更に、これらの検出器を第一の分割部品と同じ面内に配置するのが有利であることが分かっている。

【0023】

同様に、偏向部品を透過線形格子として構成するのが有利である。

【0024】

ここで、本発明による光学式位置測定装置を用いて、少なくとも三つの空間自由度を、即ち、二つの互いに移動する物体の垂直方向の相対移動量とそれらの物体の二つの横移動方向に沿った相対移動量を測定技術的に高精度に検出することが可能である。

【0025】

更に、本発明による光学式位置測定装置が、冒頭で述べた従来技術と異なり、目盛周期の小さい格子の使用を可能とするのが有利であることが分かっている。更に、非常に精確な位置計測を可能とする特に高精度な走査信号を生成することも可能である。

【0026】

更に、本発明による位置測定装置において、走査信号の生成に悪影響を与える望ましくない雑音光線を特に効果的に低減することができる。

【0027】

以下における図面と関連した本発明による装置の実施例の記述に基づき、本発明の更なる詳細と利点を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1a】本発明による光学式位置測定装置の実施例のｘｚ面内の走査光路の模式図

【図1b】本発明による光学式位置測定装置の実施例のｙｚ面内の走査光路の模式図

【図2】図１の光学式位置測定装置の反射基準尺の平面図

【図3a】図１の光学式位置測定装置の走査ユニット内のガラス板の反射基準尺の方を向いた側の平面図

【図3b】図１の光学式位置測定装置の走査ユニット内のガラス板の入射光ビームの方を向いた側の平面図

【図4】図１の光学式位置測定装置の四つの検出器の部分平面図

【図5】図１の光学式位置測定装置の信号処理を説明するための大幅に模式化したブロック図

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下において、本発明による光学式位置測定装置の実施例を図１ａ、１ｂ、２、３ａ、３ｂ、４及び５に基づき説明する。

【0030】

この場合、図１ａ，１ｂは、異なる面内の走査光路を大幅に模式化して図示し、図２は使用する反射基準尺の平面図を図示し、図３ａ，３ｂは、それぞれ走査ユニットで使用するガラス板の上側と下側の部分図を図示し、図４は、走査ユニットの四つの検出器の部分平面図を図示している。図５の図面に基づき、ここで説明する位置測定装置での信号処理を説明する。

【0031】

本発明による光学式位置測定装置は、走査ユニット２０とそれに対して相対的に移動する反射基準尺１０とから構成される。走査ユニット２０と反射基準尺１０は、相対位置を検出すべき（図示されていない）二つの互いに移動する物体と接続されている。これらの物体間において、一つの垂直移動方向ｚと二つの横移動方向ｘ，ｙに沿った少なくとも一つの相対運動が規定される。これら二つの横移動方向ｘ，ｙは、互いに直角の方向を向き、垂直移動方向ｚは、これら二つの横移動方向ｘ，ｙに対して直角の方向を向く。走査ユニット２０及び反射基準尺１０と接続された物体は、例えば、互いに移動する機械部分とすることができる。これらの相対的な位置決めは、後続の電子機器によって、本発明による光学式位置測定装置の生成された走査信号に基づき行なわれる。

【0032】

図示された実施例では、走査ユニット２０は、光源２１とガラス板２３を有し、ガラス板２３の上側と下側には、異なる光学作用を奏する部品と検出器２６．１〜２６．４が配置されている。以下においてガラス板２３の上側と称する側は、光源２１から入射する光ビームの方を向き、ガラス板２３の下側は、反射基準尺１０の方を向くものとする。以下の走査光路の更なる記述において、走査ユニット２０の個々の構成部品の機能を更に詳しく説明する。

【0033】

この例では、反射基準尺１０は、二次元反射交差格子として構成され、その平面図が図２に図示されている。本発明による光学式位置測定装置では、一般的に、十字線又はチェス盤構成に構成された振幅格子又は位相格子の形の二次元回折構造が反射基準尺１０として配備される。この場合、二次元回折構造は、第一の横移動方向ｘにおける一次元基準尺とそれに対して直角の第二の横移動方向ｙにおける一次元基準尺との重なり合いから構成される。実現可能な実施構成では、反射交差格子は、二つの方向ｘ，ｙにおいて同じ目盛周期ＴＰ_Ｍを有し、具体的な実施例では、ＴＰ_Ｍ＝１．４５μｍと選定される。

【0034】

本発明による光学式位置測定装置を用いて、少なくとも二対の部分光ビームを重ね合わせて干渉させることから、二つの横移動方向ｘ，ｙと垂直移動方向ｚに沿った反射基準尺１０と走査ユニット２０の相対位置に関する相対位置情報を生成することが可能である。反射基準尺１０と走査ユニット２０の相対位置の如何なる変化も、干渉する部分光ビームに位相差を生じさせ、その位相差が、次に、位相のずれた周期的に変調された走査信号を生成させる結果となる。これらの走査信号の検出は複数の検出器２６．１〜２６．４により行なわれる。

【0035】

ここで、以下では、本発明による光学式位置測定装置の図示した実施例の具体的な走査光路とその更なる詳細とを説明する。

【0036】

波長７８０ｎｍの光源２１、例えば、レーザーダイオードから放射された光ビームは、コリメートされて、走査ユニット２０において、透明なガラス板２３の上側に配置された第一の分割部品２２に対して垂直に入射する。コリメートのために、例えば、光源２１と第一の分割部品２２の間に好適なコリメータレンズを配備することができるが、図面には図示されていない。図１ａに図示されている通り、第一の分割部品２２によって、光源２１から入射する光ビームが、第一の分割面ｘｚ内において、第一の部分光ビーム３０．１、第二の部分光ビーム３０．２及び第三の部分光ビーム３０．３に分割される。第一の分割面ｘｚは、図１ａの図面平面と一致し、第一の横移動方向ｘと垂直移動方向ｚによって規定される面である。

【0037】

ここでは、第一の分割部品２２は、図３ｂから明らかな通り、透過交差格子として構成されている。実現可能な実施構成では、この透過交差格子は、二つの延伸方向ｘ，ｙに同じ目盛周期ＴＰ_Ａ１を有し、例えば、ＴＰ_Ａ１＝１．３８μｍと選定される。

【0038】

本発明による光学式位置測定装置では、一般的に、第一の分割部品２２が十字線又はチェス盤構成の二次元回折構造として構成され、ここでは、それに対応する回折構造として、振幅格子も位相格子も配備することができる。

【0039】

この実施例では、第一の部分光ビーム３０．１は、透過交差格子において第一の分割面ｘｚ内に発生する−１回折次数を表し、第二の部分光ビーム３０．２は０回折次数を表し、第三の部分光ビーム３０．３は＋１回折次数を表す。

【0040】

第一と第三の部分光ビーム３０．１，３０．３は、ガラス板２３を通過した後、ガラス板２３の下側に配置された偏向部品２５．１，２５．２に到達する。この場合、偏向部品２５．１，２５．２によって、第一と第三の部分光ビーム３０．１，３０．３が第一の分割面ｘｚ内において反射基準尺１０の方向に偏向される。この場合、偏向は、二つの部分光ビーム３０．１，３０．３が次にコリメートされて、反射基準尺１０に直角に当たるように行なわれる。

【0041】

図３ａから明らかな通り、偏向部品２５．１，２５．２は、第一の横移動方向ｘに沿って周期的に配置された格子素子を有する透過線形格子から構成され、これらの格子素子は、０回折次数を抑制する位相格子の位相フレームである。この位相フレームの長手方向は、第二の横移動方向ｙに沿って延びる。実現可能な実施構成では、二つの偏向部品２５．１，２５．２の目盛周期ＴＰ_Ｕ１，ＴＰ_Ｕ２は同じであり、ＴＰ_Ｕ１＝ＴＰ_Ｕ２＝１．３８μｍと選定される。

【0042】

第一の分割部品２２で得られた第二の部分光ビーム３０．２は、同じくガラス板２３を通過した後、ガラス板２３の下側に配置された第二の分割部品２４に当たる。この第二の分割部品２４によって、第二の部分光ビーム３０．２は、第一の分割面ｘｚ内において、第四の部分光ビーム３０．４と第五の部分光ビーム３０．５に分割される。次に、これらの部分光ビーム３０．４，３０．５は、それぞれコリメートされて、反射基準尺１０の方向に進む。

【0043】

コリメートされた部分光ビーム３０．１，３０．３，３０．４，３０．５を用いた反射基準尺１０との衝突は、反射基準尺１０上における比較的大きな走査領域を走査することを保証する。

【0044】

それによって、反射基準尺１０の格子構造における場合によっては生じる誤差、さもなければ反射基準尺１０の起こり得る汚染による信号への影響が明らかに低減される。本発明による光学式位置測定装置の実施例の所与のシステムパラメータにおいて、反射基準尺１０にコリメートされて入射する部分光ビームの典型的な横断面は０．５ｍｍの規模である。

【0045】

ガラス板２３の下側の第二の分割部品２４も、図３ａから明らかな通り、透過交差格子として構成されている。本発明による光学式位置測定装置では、一般的に、第二の分割部品２４に関しても、それが十字線又はチェス盤構成の二次元回折構造として構成されると規定する。この場合、それに対応する回折構造として、又もや振幅格子又は位相格子を配備することができる。実現可能な実施構成では、第二の分割部品２４の透過交差格子は、二つの延伸方向ｘ，ｙにおいて同じ目盛周期ＴＰ_Ａ２を有し、ＴＰ_Ａ２＝１．４５μｍと選定される。

【0046】

ここで、第四の部分光ビーム３０．４は、第二の分割部品２４の透過交差格子において第一の分割面ｘｚ内で生じる−１回折次数であり、第五の部分光ビーム３０．５は＋１回折次数である。

【0047】

そのため、第一と第四の部分光ビーム３０．１，３０．４は、ガラス板２３を通過した後、反射基準尺１０上の第一の衝突場所Ａ１の方向に進み、第三と第五の部分光ビーム３０．３，３０．５は反射基準尺１０上の第二の衝突場所Ａ２の方向に進む。図１ａから明らかな通り、二つの衝突場所Ａ１，Ａ２は、第一の移動方向ｘに沿って互いに間隔を開けて位置する。反射基準尺１０上の二つの衝突場所Ａ１，Ａ２からは、入射する二対の部分光ビーム３０．１，３０．４又は３０．３，３０．５が回折されて、再び走査ユニット２０又はガラス板２３の方向に反射されて戻される。この場合、（図１ａの左の）干渉する第一の対の部分光ビームにおいて、反射基準尺１０で得られる反射された、第四の部分光ビーム３０．４の０回折次数と、反射基準尺１０で得られる反射された、第一の部分光ビーム３０．１の−１回折次数とが信号生成のために使用される。（図１ａの右の）干渉する第二の対の部分光ビームの側では、同様に反射基準尺１０で得られる反射された、第五の部分光ビーム３０．５の０回折次数と、反射基準尺１０で得られる反射された、第三の部分光ビーム３０．３の＋１次数とが信号生成のために使用される。そして、これらの部分光ビーム対３０．１／３０．４又は３０．３／３０．５は、新たにガラス板２３を通過して、二つの検出器２６．１，２６．２に到達して重なり合って干渉する。二つの検出器２６．１，２６．２は、第一の分割部品２２と同様にガラス板２３の上側に配置されている。この場合、反射基準尺１０で０回折次数と−１回折次数から得られる、第一の対の干渉部分光ビームの部分光ビーム３０．１，３０．４が第一の検出器２６．１で重なり合って干渉する。反射基準尺１０で０回折次数と＋１回折次数から得られる、第二の対の部分光ビームの部分光ビーム３０．３，３０．５が第二の検出器２６．２で重なり合って干渉する。以下においても、重なり合う第一の対の部分光ビーム３０．１，３０．４を第一の信号光ビームＡと称し、重なり合う第二の対の部分光ビーム３０．３，３０．５を第二の信号光ビームＢと称する。

【0048】

検出器２６．１，２６．２によって、移動量に応じた第一と第二の走査信号を検出することが可能であり、これらの走査信号から、物体の垂直移動方向ｚと第一の横移動方向ｘに関する位置情報を導き出すことができ、この場合、第一の横移動方向ｘは第一の分割面ｘｚ内を延びるか、或いはそれと平行に延びる。

【0049】

図示された実施例では、第一と第二の走査信号内において位相のずれた複数の部分走査信号を生成するために、所謂バーニャ評価が規定され、以下において、それを説明する。しかし、それは、本発明にとって重要なことではない、即ち、基本的に位相のずれた部分走査信号を生成する代替手法も用いることができ、明細書の更なる記述の中で、その手法を取り上げる。

【0050】

ここでバーニャ評価を使用した場合、第二の分割部品２４の目盛周期ＴＰ_Ａ２＝１．４５μｍと反射基準尺１０の目盛周期ＴＰ_Ｍ＝１．４５５μｍが僅かに、即ち、ほぼ０．３５％相違することによって、各信号光ビームＡ，Ｂに含まれる部分光ビーム３０．１，３０．４又は３０．３，３０．５が僅かに異なる角度で反射基準尺１０上の衝突場所Ａ１，Ａ２から検出器２６．１，２６．２の方向に進むことが保証される。第二の分割部品２４と反射基準尺１０に関する前記のパラメータの場合、例えば、一つの信号光ビームＡ，Ｂ内の対応する部分光ビーム３０．１，３０．４又は３０．３，３０．５の間に約２ｍラジアンの角度が生じる。そして、検出器２６．１，２６．２の検出面内において、周期ＴＰ_ＳＭ＝４００μｍの周期的な（バーニャ）縞模様が得られる。

【0051】

この実施例では、周期的な縞模様を検出するために、検出器２６．１，２６．２は、ガラス板２３の上側に構造化された光検出器として構成されている。これらは、図４に図示されている通り、複数の検出器素子２６．１_１，２６．１_２．．．２６．１_ｎ又は２６．２_１，２６．２_２．．．２６．２_ｎから構成され、第一の移動方向ｘに沿って周期的に配置されており、同相の検出器素子２６．１_１，２６．１_２．．．２６．１_ｎ又は２６．２_１，２６．２_２．．．２６．２_ｎが電気的に相互接続されている。これらの検出器素子２６．１_１，２６．１_２．．．２６．１_ｎ又は２６．２_１，２６．２_２．．．２６．２_ｎの感光面は、それぞれ反射基準尺１０の方向を向いている。この実施例では、構造化された光検出器は、αシリコンから構成され、ガラス板２３上に直接構造化されて配置されている。ここでは、縞模様の周期毎に、四つの検出器素子２６．１_１〜２６．１_４又は２６．２_１〜２６．２_４が配置されている。この状況が図４に模式的に図示されている。そして、これらの検出器素子２６．１_１〜２６．１_４又は２６．２_１〜２６．２_４によって、縞模様の周期毎に、それぞれ図４に図示された位相位置による四つの部分走査信号が、即ち、９０°位相のずれた四つの部分走査信号が生成される。検出器２６．１，２６．２毎に、それぞれ二つの逆相の部分走査信号を逆並列に接続することによって、それぞれ二つのオフセットの無い９０°位相のずれた走査信号Ｓ１_０，Ｓ１_９０又はＳ２_０，Ｓ２_９０が生成され、これらの走査信号は、次に、図５の図面の通り更に処理される。この図では、走査信号Ｓ１_０，Ｓ１_９０又はＳ２_０，Ｓ２_９０からの位置値の演算が記号で図示されている。これらの位置値は、物体の互いの横方向移動量にも垂直方向移動量にも依存する。専ら二つの（横、垂直）スライド運動の中の一方に一義的に対応付けることが可能な位置値ＰＯＳ_ｘ，ＰＯＳ_ｚへの電子的な再処理は、図５に図示されている通り、走査信号Ｓ１_０，Ｓ１_９０又はＳ２_０，Ｓ２_９０から得られる位相値Φ_１とΦ_２の差分演算又は合計演算に基づくものである。

【0052】

本発明による光学式位置測定装置では、好適なサイズ設定パラメータの選択によって、検出器２６．１，２６．２の検出面内で重なり合って干渉する全ての部分光ビームの第一の分割部品２２と反射基準尺１０上の第一又は第二の衝突場所Ａ１，Ａ２の間の光路長が公称走査間隔Ｄにおいて等しくなることを保証することができる。この場合、反射基準尺１０上において横方向にずれること無く、第一と第四の部分光ビーム３０．１，３０．４が第一の衝突場所Ａ１で重なり合い、第三と第五の部分光ビーム３０．３，３０．５が第二の衝突場所Ａ２で重なり合う間隔を反射基準尺１０とガラス板２３の間の公称走査間隔Ｄと称する。そのために、分割部品２２，２４、偏向部品２５．１，２５．２の目盛周期ＴＰ_Ａ１，ＴＰ_Ａ２，ＴＰ_Ｕ１，ＴＰ_Ｕ２、ガラス板２３の厚さｄ及び公称走査間隔Ｄを互いに好適に調整する。このようにして、公称走査間隔Ｄにおいて、位置計測を波長に依存せずに行なうことを保証できる。周囲環境条件の、そのため、波長の場合によっては生じる変動が位置計測に影響しなくなる。

【0053】

一つの実施例では、前述した異なる格子の目盛周期、ｄ＝２．５ｍｍのガラス板２３の厚さｄ及びＤ＝１．５６ｍｍの公称走査間隔Ｄに対して、ＳＰ_ｘ＝１．４５５μｍの第一の横移動方向ｘに沿った動きに関する走査信号の信号周期ＳＰ_ｘと、ＳＰ_ｚ＝５μｍの垂直移動方向ｚに沿った動きに関する走査信号の信号周期ＳＰ_ｚとによる公称走査間隔Ｄにおける光路長を補正した位置計測が得られる。

【0054】

ここで、本発明による光学式位置測定装置を用いて、第一の横移動方向ｘと垂直移動方向ｚに沿った走査ユニット２０と反射基準尺１０の相対移動を測定技術的に検出できるだけでなく、更に、第二の横移動方向ｙに沿ったスライド運動の検出も可能である。

【0055】

そのために、光源２１から走査ユニット２０に入射する光ビームは、第一の分割部品２２によって、更に、第一の分割面ｘｚに対して直角の方向を向く第二の分割面ｙｚ内において別の部分光ビーム３０．６，３０．７，３０．８，３０．９，３０．１０に分割されると規定する。第一の分割部品２２後に得られる第二の分割面ｙｚ内の走査光路は、基本的に第一の分割面ｘｚ内の走査光路と一致するが、それに対して移動方向ｚに沿って９０°回転している。図１ｂでは、それに対応する第二の分割面内の走査光路が詳しく図示されている。それによると、第二の分割面ｙｚ内の異なる部分光ビーム３０．６，３０．７，３０．８，３０．９，３０．１０が第一の分割面ｘｚ内の異なる部分光ビーム３０．１，３０．２，３０．３，３０．４，３０．５と同様に進む。この走査光路では、第三と第四の検出器２６．３，２６．４によって、移動量に応じた第三と第四の走査信号を検出することが可能であり、これらの走査信号から、物体の垂直移動方向ｚと第二の横移動方向ｙに関する位置情報を導き出すことができ、この場合、第二の横移動方向ｙは第二の分割面ｙｚ内を延びるか、或いはそれと平行に延びる。

【0056】

図１ｂに図示されている通り、第一の分割部品２２によって、第一の分割面ｘｚ内での分割（図１ａ）の外に、更に、第二の分割面において、入射する光ビームの第六の部分光ビーム３０．６、第七の部分光ビーム３０．７及び第八の部分光ビーム３０．８への分割が行なわれる。第六の部分光ビーム３０．６と第八の部分光ビーム３０．８は、走査ユニット２０の偏向部品２５．３，２５．４によって反射基準尺１０の方向に偏向される。第七の部分光ビーム３０．７は、第二の分割部品２４によって、第九の部分光ビーム３０．９と第十の部分光ビーム３０．１０に分割される。最終的に、ガラス板２３を通過した後、第六と第九の部分光ビーム３０．６，３０．９は、反射基準尺１０上の第三の衝突場所Ａ３の方向に進み、第八と第十の部分光ビーム３０．８，３０．１０は、第四の衝突場所Ａ４の方向に進む。これらの第三と第四の衝突場所Ａ３，Ａ４は、第二の横移動方向ｙに沿って互いに間隔を開けて位置する。反射基準尺での反射後、重なり合う部分光ビーム対３０．６／３０．９又は３０．８／３０．１０は、最終的に、信号光ビームＣ，Ｄとして、第三と第四の検出器２６．３，２６．４の方向に進む。そこでは、部分光ビーム３０．６，３０．９；３０．８，３０．１０が、二つの対として、それぞれ重なり合って干渉し、その結果、第三と第四の検出器２６．３，２６．４によって、移動量に応じた第三と第四の走査信号を検出することが可能である。

【0057】

第二の分割面ｙｚ内の走査光路における異なる構成部品の実施形態及び好適な信号評価に関しては、第一の分割面ｘｚ内の走査光路に対する前記の実施形態を参照されたい。直前に述べた走査光路の偏向部品２５．３，２５．４は、検出器２６．３，２６．４と同様に、当然のことながら冒頭で説明した走査光路の対応する部品に対して９０°回転した形に構成又は向けられて配置されている。

【0058】

一つの実施例では、第二の横移動方向ｙに沿った動きに関して得られる走査信号は、前述したパラメータに関して、第一の横移動方向ｘに関する走査信号と同じ信号周期ＳＰ_ｙを有する、即ち、ＳＰ_ｙ＝ＳＰ_ｘ＝１．４５５μｍである。

【0059】

ここで具体的に説明した実施例の外に、本発明の範囲内には、当然のことながら本発明による光学式位置測定装置の別の実施形態も存在する。

【0060】

既に前に述べた通り、ここで説明したバーニャ評価の使用は、必ずしも複数の位相のずれた部分走査信号を生成するために必要なことではない。例えば、本発明による位置測定装置では、そのような信号の所謂偏光符号化による生成も可能である。その場合、例えば、第二の分割部品と偏向部品は、回折次数１の円偏光子として構成される。それによって、部分光ビームが干渉して、左円偏光と右円偏光に偏光される。前に説明したバーニャ評価と異なり、走査ユニットの方向に進む信号光ビームである、反射基準尺上の衝突場所から反射して戻される部分光ビームは同じ放射方向を有する。そして、ガラス板の上側には、検出器の代わりに、それぞれ線形透過位相格子の形の別の分割部品が配置され、それによって、入射する信号光ビームのそれぞれ三つの部分信号光ビームへの分割が行なわれる。その次に、これらの部分信号光ビームは、偏光検出ユニットに供給され、このユニットは、特に、検出器も有し、例えば、特許文献２の図１から僅かに変更された形により周知であり、ここに、それを明確に参照する。この場合、本用途の検出ユニットでは、信号光ビームにおいて、評価に必要な左円偏光及び右円偏光された部分光ビームが既に得られているので、検出ユニットのλ／４プレートと分割格子が特許文献２から除かれる。

【0061】

それに代わって、当然のことながら光路内に偏光部品を好適に配置する更に別の手法も存在する。

【0062】

更に、前述した実施例で規定されている通り、必要な光源を走査ユニット内に配置しない構成も可能である。基本的に、走査ユニットから離して光源を配置し、光ファイバを用いて、放射光ビームを走査ユニット又は第一の分割部品に供給することも可能である。

【0063】

最後に、ここで説明した実施例に、光源と反射基準尺の間に配置された、反射基準尺上に部分光ビームを収束する役割等を果たす追加の収束部品だけを補足することもできる。

【符号の説明】

【0064】

１０ 反射基準尺
２０ 走査ユニット
２１ 光源
２２ 第一の分割部品
２３ ガラス板
２４ 第二の分割部品
２５．１〜２５．４ 偏向部品
２６．１〜２６．４ 検出器
２６．１_１〜２６．１_ｎ，２６．２_１〜２６．２_ｎ，２６．３_１〜２６．３_ｎ，２６．４_１〜２６．４_ｎ 検出器素子
３０．１，３０．２，３０．３．３０．４，３０．５，３０．６，３０．７，３０．８，３０．９，３０．１０ 部分光ビーム
ｄ ガラス板２３の幅
ｘ，ｙ，ｚ 移動方向
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 信号光ビーム
Ａ１〜Ａ４ 衝突場所
Ｄ 公称走査間隔
ＰＯＳ_ｘ，ＰＯＳ_ｚ 位置値
Ｓ１_０，Ｓ１_９０，Ｓ２_０，Ｓ２_９０ 走査信号
ＳＰ_ｘ，ＳＰ_ｚ 走査信号の信号周期
Φ_１，Φ_２ 位相値

【図1a】

【図1b】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5】