▶ 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・ハフツングの特許一覧
(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】
(24)【登録日】2024-10-16
(45)【発行日】2024-10-24
(54)【発明の名称】光学的な位置測定装置
(51)【国際特許分類】
G01D 5/347 20060101AFI20241017BHJP
【ＦＩ】
G01D5/347 110B
G01D5/347 110U
【請求項の数】
15
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2020176569
(22)【出願日】2020-10-21
(65)【公開番号】P2021105603
(43)【公開日】2021-07-26
【審査請求日】2023-05-12
(31)【優先権主張番号】10 2019 219 151.7
(32)【優先日】2019-12-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(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】100191835
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 真介
(74)【代理人】
【識別番号】100208258
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 友子
(72)【発明者】
【氏名】カルステン・ゼンディヒ
【審査官】平野 真樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－１２９０２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０５５６２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３０４０９７（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】
反射測定標準と、反射測定標準に対して少なくとも１つの測定方向（ｘ）に移動可能な走査ユニットとを有する光学的な位置測定装置であって、－反射測定標準が、インクリメンタル測定目盛りと、少なくとも１つの基準位置（ｘＲＥＦ）において基準マークとを備えており、
－走査ユニットが、インクリメンタル信号生成のための走査手段を含んでおり、更に、基準信号生成のために、少なくとも１つの光源と、結像光学機器と、絞り平面内に配置された絞り構造と、複数の検出器要素とを含んでいるとともに、結像光学機器を介して、絞り構造への基準マークの結像が行われる、
光学的な位置測定装置において、
－反射測定標準（１０）における基準マーク（１３）が、インクリメンタル測定目盛り（１２）へ統合して配置されていること、及び
－結像光学機器（２５）が、測定方向（ｘ）に対して垂直に向けられた横方向（ｙ）に沿って、変化する物体側の焦点を有していること
を特徴とする光学的な位置測定装置。
【請求項2】
走査ユニット（２０）と反射測定標準（１０）の間の各走査間隔について、インクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）の平面内に物体側の焦点が位置するように、結像光学機器（２５）の物体側の焦点が選択されており、インクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）が、生成されるインクリメンタル信号（ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢ）における位置エラーが生じることなく走査ユニット（２０）又は反射測定標準（１０）の傾斜が可能である点として規定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項3】
反射測定標準（１０）におけるインクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）が、インクリメンタル測定目盛りの、走査ユニット（２０）とは反対側に位置していることを特徴とする請求項２に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項4】
結像光学機器（２５）がフレネルレンズとして形成されていることを特徴とする請求項１～３のうち少なくともいずれか１項に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項5】
絞り構造（２６）が複数の部分範囲（２６．１，２６．２，２６．３）を備えており、部分範囲では、これらに入射するビーム束への異なる偏向作用が生じ、検出器要素（２７．１，２７．２，２７．３）が、生じる各偏向方向において、絞り構造（２６）に後続配置されていることを特徴とする請求項１～４のうち少なくともいずれか１項に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項6】
絞り構造（２６）の複数の部分範囲（２６．１，２６．２，２６．３）が、部分範囲に入射するビーム束を偏向させずに通過させるか、又はその中に配置された格子構造を用いて所定の空間的な偏向を生じさせることを特徴とする請求項５に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項7】
走査ユニット（２０）が走査プレート（２３）を含んでおり、－走査プレートの、反射測定標準（１０）とは反対側には、絞り構造（２６）が配置されており、
－走査プレートの、反射測定標準（１０）に対向する側には、結像光学機器（２５）が配置されている
ことを特徴とする請求項１～６のうち少なくともいずれか１項に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項8】
走査プレート（２３）の両側には、反射器要素（２９．１，２９．３）及び格子（２４．１～２４．４，２８）の形態で、インクリメンタル信号生成のための走査手段が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項9】
基準マーク（１３）が複数の線状の構造要素（１３．１，１３．２）を含んでおり、構造要素は、測定方向（ｘ）に沿って配置されているとともに、その長手方向が横方向（ｙ）に対して平行に向けられており、構造要素（１３．１，１３．２）の少なくとも一部が、横方向（ｙ）に沿って横周期（ｄＴ）を有していることを特徴とする請求項１～８のうち少なくともいずれか１項に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項10】
構造要素（１３．１，１３．２）が、測定方向（ｘ）に沿って、変化する長手周期（ｄＬ）をもって配置されており、長手周期（ｄＬ）は、基準マーク（１３）の中央の対称線（Ｓ）から両側で同一に変化していることを特徴とする請求項９に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項11】
基準マークに入射するビーム束が反射において回折される少なくとも２つの部分ビーム束（（１，１），（１，－１））に分割されるように基準マーク（１３）が形成されており、部分ビーム束は、測定方向（ｘ）に対して同一に横方向に向けられているとともに、測定方向（ｘ）において互いに対して対称に向けられていることを特徴とする請求項９に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項12】
結像光学機器を介して、分割された部分ビーム束（（１，１），（１，－１））が絞り平面内で再び重ね合わされ、このとき、基準位置（ｘＲＥＦ）において、基準マーク（１３）の周波数二倍の結像が絞り平面内で生じるように、結像光学機器（２５）が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項13】
測定目盛り（１２）が、バイナリ反射型位相格子として形成されていることを特徴とする請求項１～１２のうち少なくともいずれか１項に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項14】
走査ユニット（２０）が、それぞれ、インクリメンタル信号生成及び基準信号生成のための光源を備えていることを特徴とする請求項１～１３のうち少なくともいずれか１項に記載の光学的な位置測定装置。
【請求項15】
結像光学機器を介して、結像光学機器へ入射する部分ビーム束への測定方向（ｘ）に対して横方向の偏向作用又は検出器要素への焦点合わせが生じるように、結像光学機器（２５）が形成されていることを特徴とする請求項１～１４のうち少なくともいずれか１項に記載の光学的な位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学的な位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
公知の位置測定装置は、互いに対して可動な２つの物体の相対ずれに関する周期的なインクリメンタル信号のほかにいわゆる基準信号を供給する。互いに対して可動な両物体の位置に関する正確な絶対関係は、基準信号を介して、あらかじめ設定された基準位置において、測定区間に沿って形成されることが可能である。そして、これにつづいて、通常は明らかにより大きな分解能のインクリメンタル測定がこのように特定された絶対位置に関連付けられる。基準信号を生成については、多数の可能性が既に公知となっている。これについて、例えば、請求項１の前提部分の形成の基礎となる、本出願人の特許文献１が参照される。基準信号を生成するために、特許文献１では、測定標準における２つのインクリメンタルトラック間の回折基準マーク構造が基準位置に配置される。基準マークの走査に基づき、各位置において対応する基準信号が得られる。特に、入射光において動作される高分解能の光学的な位置測定装置では、基準信号の生成についての所定の要件が生じる。すなわち、例えば最適でない取付により引き起こされる、場合によってはあり得る走査ユニット及び反射測定標準の傾斜においても、できる限り位置エラーが生じないようにすべきである。これは、インクリメンタル信号の生成についても、また基準信号の生成についても同様である。当該問題を解決するために、走査ユニット及び反射測定標準の傾斜についての同一の挙動が適当な位置測定装置においてインクリメンタル信号の生成のためにも、また基準信号の生成のためにも設けられることが、特許文献１において提案されている。両走査のために、各走査のいわゆるニュートラル回転点が一致することが適当な措置によって確保される。ここで、各走査のニュートラル回転点は、位置エラーが生じることなく、走査ユニット及び反射測定標準の傾斜（傾き）がなされ得る点と理解される。しかし、特に、走査間隔、すなわち走査ユニットと反射測定標準の間の間隔の変化が大きい場合には、両走査のニュートラル回転点の一致が必ずしも信頼性をもって確保され得ない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】独国特許出願公開第１０２００７０３５３４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の基礎となる課題は、走査間隔の変動が大きい場合にも、走査ユニット及び反射測定標準の間の場合によってはあり得る傾斜によって基準信号の生成ができる限りわずかにしか阻害されない、入射光動作のための光学的な位置測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
当該課題は、本発明により、請求項１の特徴を有する光学的な位置測定装置によって解決される。
【0006】
本発明による光学的な位置測定装置の有利な実施は、従属請求項に記載されている措置から明らかである。
【0007】
本発明による光学的な位置測定装置は、反射測定標準と、これに対して少なくとも１つの測定方向に可動な走査ユニットとを含んでいる。反射測定標準は、インクリメンタル測定目盛りと、少なくとも１つの基準位置において基準マークとを備えている。走査ユニットは、基準信号を生成するインクリメンタル信号生成のための走査手段のほかに、少なくとも１つの光源と、結像光学機器と、絞り平面内に配置された絞り構造と、複数の検出器要素とを含んでおり、結像光学機器を介して、絞り構造への基準マークの結像が行われる。基準マークは、反射測定標準において、インクリメンタル測定目盛りに統合して配置されている。結像光学機器は、測定方向に対して垂直に向けられた横方向に沿って、変化する物体側の焦点を有している。
【0008】
好ましくは、走査ユニットと反射測定標準の間の各走査間隔について、インクリメンタル走査のニュートラル回転点の平面内に物体側の焦点が位置するように、結像光学機器の物体側の焦点が選択されており、インクリメンタル走査のニュートラル回転点が、生成されるインクリメンタル信号における位置エラーが生じることなく走査ユニット又は反射測定標準の傾斜（傾けること）が可能である点として規定されている。
【0009】
インクリメンタル走査のニュートラル回転点は、反射測定標準において、インクリメンタル測定目盛りの、走査ユニットとは反対側に位置し得る。
【0010】
結像光学機器がフレネルレンズとして形成されていることが可能である。
【0011】
また、絞り構造は複数の部分範囲を有することができ、当該部分範囲では、これに入射するビーム束への異なる偏向作用が生じ、検出器要素が、生じる各偏向方向において絞り構造に後続配置されている。
【0012】
ここで、絞り構造の複数の部分範囲は、部分範囲に入射するビーム束を偏向させずに通過させるか、又はその中に配置された格子構造を用いて所定の空間的な偏向を生じさせることが可能である。
【0013】
さらに、走査ユニットは走査プレートを含むことができ、
－走査プレートの、反射測定標準とは反対側には、絞り構造が配置されており、
－走査プレートの、反射測定標準に対向する側には、結像光学機器が配置されている。
－走査プレートの、反射測定標準とは反対側には、絞り構造が配置されており、
－走査プレートの、反射測定標準に対向する側には、結像光学機器が配置されている。
【0014】
走査プレートの両側に、反射器要素及び格子の形態で、インクリメンタル信号生成のための走査手段が配置されているように構成することも可能である。
【0015】
また、基準マークが複数の線状の構造要素を含むことも可能であり、構造要素は、測定方向に沿って配置されているとともに、その長手方向が横方向に対して平行に向けられており、構造要素の少なくとも一部が、横方向に沿って横周期（性）を有している。
【0016】
このとき、構造要素は、測定方向に沿って、変化する長手周期（性）をもって配置されることができ、長手周期は、基準マークの中央の対称線から両側で同一に変化している。
【0017】
さらに、基準マークに入射するビーム束が反射において回折される少なくとも２つの部分ビーム束に分割されるように基準マークが形成されることができ、部分ビーム束は、測定方向に対して同一に横方向に向けられているとともに、測定方向において互いに対して対称に向けられている。
【0018】
可能な実施例においては、また、結像光学機器を介して、分割された部分ビーム束が絞り平面内で再び重ね合わされ、このとき、基準位置において、基準マークの周波数二倍の結像が絞り平面内で生じるように、結像光学機器が形成されることが可能である。
【0019】
測定目盛りは、バイナリ反射型位相格子として形成されることが可能である。
【0020】
また、走査ユニットが、それぞれ、インクリメンタル信号生成及び基準信号生成のための光源を備えていることが可能である。
【0021】
さらに、結像光学機器を介して、結像光学機器へ入射する部分ビーム束への測定方向に対して横方向の偏向作用又は検出器要素への焦点合わせが生じるように、結像光学機器が形成されることが可能である。
【発明の効果】
【0022】
本発明による措置により、所望の傾斜の影響のしやすさのほか、走査間隔の変動に対するシステムの大きな許容範囲も確保され得る。誤った基準合わせにより引き起こされる誤った位置測定は、本発明による光学的な位置測定装置によっていまや阻止されることが可能である。場合によっては必要な再起動においても、基準合わせ後、常に正確な絶対位置の値が特定及び出力されることが保証されている。
【0023】
本発明の更なる詳細及び利点を、本発明による装置の図面に関連した実施例に基づいて以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1a】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の第１の断面図である。
【図1b】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の第２の断面図である。
【図2】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の反射測定標準の部分平面図である。
【図3a】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の結像光学機器の部分図である。
【図3b】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の絞り構造の部分図である。
【図4a】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の走査プレートの下側の図である。
【図4b】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の走査プレートの上側の図である。
【図5】異なる走査間隔に関連した、本発明による光学的な位置測定装置の一実施例の別の図である。
【図6a】本発明による光学的な位置測定装置の一実施例における基準信号生成のために得られた信号の図である。
【図8a】本発明による光学的な位置測定装置の別の実施例の結像光学機器の部分図である。
【図8b】本発明による光学的な位置測定装置の別の実施例の結像光学機器の部分図である。
【発明を実施するための形態】
【0025】
【0026】
図１ａ及び図１ｂには、本発明による位置測定装置の第１の実施例における、インクリメンタル信号生成及び基準信号生成のための部分走査ビーム経路が異なる視点で非常に概略的な形態で示されている。図２、図３ａ、図３ｂ、図４ａ及び図４ｂには、当該実施例において用いられる、反射測定標準、結像光学機器、絞り構造並びに走査プレートの下側及び上側の図あるいは部分図が図示されている。
【0027】
本発明による光学的な位置測定装置の各図に示された態様は、反射測定標準１０と、このために少なくとも１つの測定方向ｘにおいて可動な走査ユニット２０とを含んでいる。反射測定標準１０及び走査ユニット２０は、互いに対して可動な２つの不図示の物体、例えば機械部分に結合されている。互いに対して可動な両物体の位置についての位置信号が、位置測定装置を介して生成され、同様に不図示の制御ユニットへ供給される。当該制御ユニットは、制御目的のために、公知の態様で位置データを用いる。ここで、本発明による光学的な位置測定装置は、図示の実施例におけるように、線形の変位運動を検出するための線形の測定標準をもって形成されることが可能である。さらに、適当な回転式の位置測定装置を、回転式の相対運動を検出するための円形状の測定標準をもって形成することも当然可能である。
【0028】
本発明による位置測定装置の図示の実施例は、後述するように、周期的なインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢのほかに、更に、少なくとも１つの既知の基準位置ｘＲＥＦにおける基準信号ＲＩに対して測定区間に沿って更に処理される複数の信号Ｓ－１，Ｓ０，Ｓ１を供給する。つづいて、このように決定される、基準位置ｘＲＥＦにおける絶対位置には、明らかにより高い分解能のインクリメンタル測定が通常の態様で適用される。このとき、高分解能の絶対的な位置信号への基準信号及びインクリメンタル信号の更なる処理は、本発明による位置測定装置においても、また後続配置された後続電子機器あるいは制御ユニットにおいても行われることが可能である。
【0029】
反射測定標準１０は、スケール支持部１１に配置された、測定方向ｘへ延在するインクリメンタル測定目盛り１２を含んでいる。図２から分かるように、インクリメンタル測定目盛り１２における少なくとも１つの所定の基準位置ｘＲＥＦには、基準マーク１３が統合して配置されている。基本的には、複数の基準マークを、例えばいわゆるディスタンスコード基準マーク（ａｂｓｔａｎｄｓｃｏｄｉｅｒｔｅｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｚｍａｒｋｉｅｒｕｎｇｅｎ）などの形態で異なる基準位置に配置するように構成することも可能である。
【0030】
本実施例では、インクリメンタル測定目盛り１２は、バイナリ反射型位相格子として形成されているとともに、それぞれ、測定方向ｘにおいて周期的にインクリメンタル目盛り周期ｄＭをもって配置された線状の目盛り範囲１２．１，１２．２で構成されている。異なる目盛り範囲１２．１，１２．２は、図２において明暗で図示されているとともに、異なる位相ずれ作用を反射されたビーム束へ及ぼす。可能な一実施形態では、ｄＭ＝２μｍによるインクリメンタル測定目盛り１２のインクリメンタル目盛り周期が選択される。目盛り範囲１２．１，１２．２は、反射測定標準１０の平面内で測定方向ｘに対して垂直に、すなわち、以下では横方向ｙとも呼ばれる、指示された方向ｙに延在している。
【0031】
インクリメンタル測定目盛り１２に統合された基準マーク１３は、周期的な横構造を有する構造要素１３．１，１３．２の複数のグループを含んでおり、当該構造要素は、図２においても同様に、明暗で図示されているとともに、反射したビーム束に異なる位相ずれ作用を及ぼす。構造要素１３．１，１３．２を有するグループ間には、周期的に配置された目盛り範囲１２．１，１２．２が配置されている。
【0032】
基準マーク１３の構造要素１３．１，１３．２は、測定方向ｘに沿って連続的に配置されており、構造要素１３．１，１３．２の長手方向は、測定目盛り平面内で測定方向ｘに対して垂直に、すなわち同様に横方向ｙに沿って延在している。ここで、基準マーク１３は、いわゆるチャープ基準マーク（ｇｅｃｈｉｒｐｔｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｚｍａｒｋｉｅｒｕｎｇ）として形成されている。これは、変化する基準マーク長手周期ｄＬをもった測定方向ｘに沿った基準マーク１３の構造要素１３．１，１３．２の配置が設けられていることを意味する。具体的な例では、基準マーク－基準マーク長手周期ｄＬは、基準マーク１３の中央の対称線Ｓから両側において同一に変化し、すなわち、構造要素１３．１，１３．２の長手周期ｄＬが外方へ向けて増大する。基準マーク長手周期ｄＬの非常にわずかのみの変化は、ここでは図２においては認識できない。
【0033】
構造要素１３．１，１３．２は、横方向ｙに沿って基準マーク横周期ｄＴを有しており、特に、このとき、構造要素１３．１，１３．２は、横方向ｙに沿って、対応する基準マーク横周期ｄＴを有する周期的な輪郭、例えば周期的な境界輪郭を有している。
【0034】
基準マーク１３のこのような構成を介して、これに垂直に入射するビーム束は、図では（１，１）あるいは（１，－１）で示される、反射において回折される少なくとも２つの部分ビーム束へ分割される。当該部分ビーム束（１，１）、（１，－１）は、一方では、測定方向ｘに対して横方向に同一に向けられており、すなわち、ｙｚ平面内で同一に傾斜しており、他方では、測定方向ｘにおいて互いに対して対称に、すなわちｘｚ平面内で入射方向に対して対称に向けられている。これについて、基準信号生成のための部分走査ビーム経路の更なる説明において更に詳細に言及する。
【0035】
本実施例では、走査ユニット２０の側には、一方ではインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢを生成する走査手段が設けられており、他方では、光源２１と，結像光学機器２５と、絞り構造２６と、基準信号生成のための複数の検出器要素２７．１，２７．２，２７．３とが用いられる。結像光学機器２５及び絞り要素２６は、走査ユニット２０における透明な走査プレート２３の反対側に配置されており、走査プレート２３は、薄いガラスプレートとして形成されている。以下では、走査プレート２３の反射測定標準１０に対向する側を下側ともいい、ｚ方向において反対側を上側という。走査プレートの下側及び上側の視点が、図４ａ及び図４ｂに示されている。
【0036】
図示の実施例では、光源２１としてレーザダイオードが用いられ、当該レーザダイオードの前にはコリメーション光学機器２２が配置されている。ここでは、共通に用いられる光源２１は、インクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢの生成のためにも、また信号Ｓ－１，Ｓ０，Ｓ１の生成のためにも設けられており、これら信号に基づいて基準信号ＲＩが生成される。
【0037】
インクリメンタル信号生成のための走査手段には、光源２１及び複数の検出器要素３０．１，３０．２のほかに、格子２４．１～２４．４，２８の形態の更に別の光学的な要素と、走査プレート２３の上側及び下側に配置された反射要素２９．１，２９．２とが含まれている。インクリメンタル信号の生成のための部分走査ビーム経路は、本発明には更に関連しないため図において破線で示唆されており、以下ではこれについて短くのみ言及される。そして、光源２１から発出されるビーム束は、図１ｂによれば、走査プレート２３を通過後、インクリメンタル測定目盛り１２における照射時にｘｚ平面内で、反射される部分ビーム束へ分割され、当該部分ビーム束は、走査プレート２３における格子２４．１，２４．２を通過して反射器要素２９．１，２９．２へ照射され、そこで更に格子２４．３，２４．４及びインクリメンタル測定目盛り１２の方向へ再び戻るように反射される。部分ビーム束は、そこから２回目の反射をし、走査プレート２３における格子２８で重ね合わされる。そして、干渉し合う部分ビーム束の対は格子２８から検出器要素３０．１，３０．２の方向へ伝播し、当該検出器要素を介して、位相ずれしたインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢが生成される。
【0038】
【0039】
光源２１から発出されコリメーション光学機器２２を介して平行に向けられたビーム束は、走査プレート２３を偏向されずに通過し、基準マーク１３の範囲における基準位置ｘＲＥＦにおいて測定標準１０に対して垂直に照射される。反射において回折される、上述のように向けられた少なくとも２つの部分ビーム束（１，１）及び（１，－１）への入射するビーム束の分割は、上述のように形成された基準マーク１３を介して行われる。ここで、図１ａでは、反射する両部分ビーム束（１，１）及び（１，－１）の同一の傾きがｙｚ平面内に見て取れ、図１ｂでは、ｘｚ平面での、測定方向ｘにおける部分ビーム束（１，１），（１，－１）の対称な向きが見て取れる。そして、分割され、反射する部分ビーム束（１，１），（１，－１）は走査ユニット２０において結像光学機器２５へ照射され、当該結像光学機器は、走査プレート２３における反射測定標準１０へ向いた側に配置されているとともに、例えばフレネルレンズとして形成されている。当該走査プレート２３の下側に配置された格子２４．１～２４．４，２５、結像光学機器２５及び光学的な作用を有さないウィンドウ範囲３１．３を有する走査プレート２３の下側の視点が図４ａに示されている。
【0040】
分割される部分ビーム束（１，１），（１，－１）は、結像光学機器２５を用いて、絞り平面内で重ね合わされる。絞り平面内では、走査プレート２３における反射測定標準１０とは反対側に、複数の絞り開口部を有する絞り構造２６が配置されている。絞り構造２６、反射器要素２９．１，２９．２及び光学的な作用を有さないウィンドウ範囲３１．１，３１．２を有する走査プレートの上側の視点が図４ｂに図示されている。本発明による位置測定装置の結像光学機器２５は、ここでは、基準マーク１３の通過時に、周波数二倍の基準マーク１３の結像が絞り平面において得られるように形成されており、すなわち、結像光学機器２５の像側の焦点面が、走査プレート２３の上側あるいはそこに位置する絞り平面と一致する。結像光学機器２５及び絞り構造２６の形成についての更なる詳細については、以下の説明が参照される。
【0041】
走査ユニット２０には、絞り構造２６に後続配置された３つの検出器要素２７．１～２７．３が設けられており、当該検出器要素は、絞り開口部を通して通過する光の検出ひいては基準信号ＲＩの生成に用いられる。検出器要素２７．１～２７．３にある、基準位置ｘＲＥＦの範囲における信号Ｓ－１，Ｓ０，Ｓ１が図６ａに図示されている。当該信号Ｓ－１，Ｓ０，Ｓ１に基づきどのように最終的に関心のある基準信号ＲＩを生成可能であるかを、以下の説明において更に詳細に説明する。
【0042】
走査ユニット２０及び反射測定標準１０の傾きに対する本発明による光学的な位置測定装置の所望の不感度を保証するために、走査ユニット及び反射測定標準についての同一の特性がインクリメンタル信号ＩＮＣＡ，ＩＮＣＢの生成のためにも、また基準信号ＲＩの生成のためにも確保されるように構成されている。このために、両走査について、いわゆるニュートラル回転点が一致する。冒頭で既に説明したように、各走査のニュートラル回転点は、位置エラーが生じることなく、走査ユニット２０及び反射測定標準１０の傾きがなされ得る点と理解される。
【0043】
図示の実施例では、図１ａ、図１ｂから分かるように、インクリメンタル走査のニュートラル回転点Ｎは、インクリメンタル測定目盛り１２における走査ユニット２０とは反対側、したがってスケール支持部１１における測定目盛り平面の下方に位置している。基準信号生成と共通のニュートラル回転点が保証されるように、結像光学機器２５は物体（オブジェクト）側の焦点距離を有しており、当該焦点距離は、インクリメンタル走査のニュートラル回転点Ｎの平面内に位置している。さらに、測定標準１０と走査ユニット２０の間の走査間隔が変動する場合でも両走査のニュートラル回転点の一致が保証されていることを確保するために、結像光学機器２５についての更なる措置が設定されている。すなわち、結像光学機器２５は、測定方向ｘに対して垂直に、したがって上記において既に規定した横方向ｙに沿って、変化する物体側の焦点距離を有している。
【0044】
当該措置の作用及び更なる説明のために図５が参照され、当該図５には、２つの異なる走査間隔ＤｚあるいはＤｚ’の場合における、本発明による光学的な位置測定装置の第１の実施例の基準信号生成のための走査ビーム経路が図示されている。より大きな走査間隔Ｄｚがより小さな走査間隔Ｄｚ’の方向へ変化すると、図５に示唆されているように、走査プレート２３におけるニュートラル回転点Ｎの位置も変化する。見て取れるように、このとき、ニュートラル回転点Ｎ’はやや右方へ変位する。さらに、走査間隔Ｄｚ’の場合にもニュートラル回転点Ｎ’が結像光学機器２５の物体側の焦点距離にあることを確保するために、結像光学機器２５は、横方向ｙに沿って変化する物体側の焦点距離を有している。図示の実施例では、例えば、結像光学機器２５の物体側の焦点距離は、入射するビーム束からの間隔Ｄｙ（より大きな走査間隔Ｄｚの場合）において、間隔Ｄｙ’（より小さな走査間隔Ｄｚ’の場合）におけるよりも大きい。これにより、可能な各走査間隔Ｄｚ，Ｄｚ’に対して、結像光学機器２５の平面内における部分ビーム束メインビームの照射点に関する所定の間隔Ｄｙ，Ｄｙ’が存在する。したがって、間隔Ｄｙに依存して、横方向ｙにおいて変化する結像光学機器２５の物体側の焦点が設定されているとともに各間隔Ｄｙに属する走査間隔Ｄｚに適合されている。
【0045】
フレネルレンズの形態の回折構造として形成され、適当に形成された結像光学機器２５の詳細図が図３ａに示されている。当該図３ａから分かるように、回折構造の隣り合う格子線２５．１，２５．２の間隔は、横方向ｙに沿って、線方向ｙに沿って下方から上方へ向けてわずかに拡大している。このことは、横方向ｙに沿った結像光学機器２５の物体側の焦点の所望の変化をもたらす。
【0046】
基準マーク１３の通過時には、説明したように形成された結像光学機器２５を介して、基準マーク１３の周波数二倍の画像の形態の強度パターンが絞り平面において得られる。そこに配置され、図３ｂに詳細に図示された絞り構造２６は、絞り平面において得られる基準マーク１３の画像に適合されているとともに複数の部分範囲２６．１，２６．２，２６．３を備えており、当該部分範囲では、これに入射するビーム束に対する異なる空間的な偏向（回折）作用がもたらされる。これにより、絞り構造２６の部分範囲２６．１，２６．２，２６．３ごとに所定の偏向（回折）方向が存在し、各偏向方向では、絞り構造２６にはそれぞれ１つの光電的な検出器要素２７．１，２７．２，２７．３が後続配置されている。図示の実施例では、異なって形成された３つの帯状の部分範囲２６．１～２６．３が設けられており、当該部分範囲は、図３ｂにおいて異なるハッチング線で図示されている。このとき、異なる部分範囲２６．１～２６．３は、測定方向ｘに沿って多重に繰り返して周期的に配置されている。このとき、第１の部分範囲２６．１は、完全に透過可能に形成されており、これに入射するビーム束を偏向（回折）することなく通過させ、当該部分範囲２６．１から、後続配置された検出器２７．１において信号Ｓ０が得られる。絞り構造２６の第２の範囲２６．２は第１の格子を備えており、当該格子は、入射する光を後続配置された検出器２７．２の方向へ偏向させ、当該検出器において信号Ｓ１が得られる。第３の範囲２６．３には第２の格子が配置されており、当該格子は、入射する光を後続配置された検出器２７．３の方向へ偏向させ、当該検出器において信号Ｓ－１が得られる。これにより、部分範囲２６．２，２６．３では、図１ａの紙面において、当該部分範囲２６．２，２６．３を通過するビーム束の右方及び左方への偏向作用が存在する。このとき、図では、部分範囲２６．２，２６．３に設けられた異なる構造は、それぞれそこに配置された格子を示しておらず、異なって形成された部分範囲が絞り構造２６に存在することを単に概略的に示すものとなっている。
【0047】
そして、基準マーク１３の通過時には、異なる偏向方向において配置された検出器要素２７．１～２７．３において信号Ｓ－１，Ｓ０，Ｓ１が得られ、当該信号に基づき、基準信号ＲＩが得られる。このとき絞り平面において移動する、基準マーク１３の周波数二倍の画像は、部分範囲２６．１，２６．２，２６．３との画像強度パターンの一致に基づき、正確に基準位置ｘＲＥＦにおいて、信号Ｓ０の最大値及び信号Ｓ１，Ｓ－１の最小値を供給する。基準位置ｘＲＥＦの範囲における、変動（振動）し、位相ずれした信号Ｓ０，Ｓ－１，Ｓ１の適当な経過が図６ａに示されている。
【0048】
このようにして得られた信号Ｓ０，Ｓ－１，Ｓ１の基準信号ＲＩへの更なる処理は、図７に図示された回路装置を用いて行われる。調整可能な増幅率（ゲイン）を有する増幅器５０～５２，５５、加算器５４及び２つの減算器５３，５６の形態の電子要素のそこに図示された配線及び配置を介して、以下の操作規定に従って、信号Ｓ０，Ｓ－１，Ｓ１からまずはゲート信号ＳＴ及びエッジ信号ＳＦが生成される：
【0049】
【数1】
【0050】
基準信号ｘＲＥＦの範囲における、このようにして生成される信号ＳＴ，ＳＦの経過が図６ｂに図示されている。
【0051】
そして、ゲート信号ＳＴは比較器５８へ供給され、その第２の入力部にはトリガ閾値Ｔ１があり、ゲート信号ＳＴがトリガ閾値Ｔ１よりも大きい場合にのみ出力信号が生成される。エッジ信号ＳＴは別の比較器５９へ供給され、当該比較器では、２つのトリガ閾値Ｔ２，Ｔ３が用いられ、その結果、エッジ信号ＳＴが両トリガ閾値Ｔ２，Ｔ３の間にある場合にのみ出力信号が得られる。そして、両比較器５８，５９の対応する出力信号は、アンド結合要素５９に供給され、当該アンド結合要素は、論理アンド結合から所望の矩形の基準信号ＲＩを生成する。
【0052】
具体的に説明した実施例のほか、本発明の範囲では、当然別の構成可能性も存在する。
【0053】
すなわち、光学的な機能を追加的に結像光学機器へ統合することが可能である。例えば、当該結像光学機器は、これを介して、基準マークから当該基準マークに入射するビーム束へ横方向の偏向作用をもたらすように構成されることが可能である。さらに、例えば、対応する部分ビーム束の伝播方向を測定方向ｘに対して垂直に変更することが可能である。このことは、図１ａの図示では、ｙｚ平面において、結像光学機器への垂線の方向に左方への、結像光学機器に入射する部分ビーム束の偏向を意味する。対応して形成された結像光学機器２５の平面図が図８ａに図示されている。当該図から分かるように、横方向ｙに沿って格子１２５．１，１２５．２の横周期が一定となっている。
【0054】
さらに、結像光学機器を介して、後続配置された検出器要素への、当該結像光学機器へ入射する部分ビーム束の焦点合わせが行われるように構成することが可能であり、このような結像光学機器２２５が図８ｂに示されている。この場合、結像光学機器２２５は、横方向ｙに沿って変化する格子２２５．１，２２５．２の横周期を有している。
【0055】
さらに、本発明による光学的な位置測定装置におけるインクリメンタル信号生成及び基準信号生成のための光源の上述の共通した使用に代えて、走査ユニットがインクリメンタル信号生成のために、及び基準信号生成のために、それぞれ１つの光源を備えるようにすることが可能である。
【0056】
基準信号生成に用いられる絞り構造の形成に関して、絞り構造の全ての部分範囲が、それぞれ所定の空間方向への偏向を生じさせるそれぞれ偏向する格子を含むことが可能である。
【0057】
ここで、異なる部分範囲に配置された格子構造は、１つの所定の空間的な偏向作用のみをもたらすだけではなく、さらに、割り当てられた検出器要素の各検出平面への焦点合わせが行われるように更に形成されることができ、このようにして、絞り構造と検出器要素の間の追加的な焦点合わせ光学機器を省略することが可能である。この目的のために、絞り構造の部分範囲は、例えば対応する回折円柱レンズを備えることが可能である。
【0058】
さらに、インクリメンタル走査のニュートラル回転点が上述の実施例のように測定目盛り平面の下方ではなく測定目盛り平面の上方に位置することも可能である。結像光学機器の物体側の焦点の適切な選択によって、基準信号生成のニュートラル回転点が同様に当該平面内に位置することとなることなどが同様に確保されることとなる。
なお、本発明は、以下の態様も包含し得る：
１．反射測定標準と、反射測定標準に対して少なくとも１つの測定方向（ｘ）に移動可能な走査ユニットとを有する光学的な位置測定装置であって、
－反射測定標準が、インクリメンタル測定目盛りと、少なくとも１つの基準位置（ｘ ＲＥＦ ）において基準マークとを備えており、
－走査ユニットが、基準信号を生成するインクリメンタル信号生成のための走査手段のほかに、光源と、結像光学機器と、絞り平面内に配置された絞り構造と、複数の検出器要素とを含んでいるとともに、結像光学機器を介して、絞り構造への基準マークの結像が行われる、
光学的な位置測定装置において、
－反射測定標準（１０）における基準マーク（１３）が、インクリメンタル測定目盛り（１２）へ統合して配置されていること、及び
－結像光学機器（２５）が、測定方向（ｘ）に対して垂直に向けられた横方向（ｙ）に沿って、変化する物体側の焦点を有していること
を特徴とする光学的な位置測定装置。
２．走査ユニット（２０）と反射測定標準（１０）の間の各走査間隔について、インクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）の平面内に物体側の焦点が位置するように、結像光学機器（２５）の物体側の焦点が選択されており、インクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）が、生成されるインクリメンタル信号（ＩＮＣ Ａ ，ＩＮＣ Ｂ ）における位置エラーが生じることなく走査ユニット（２０）又は反射測定標準（１０）の傾斜が可能である点として規定されていることを特徴とする上記１．に記載の光学的な位置測定装置。
３．反射測定標準（１０）におけるインクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）が、インクリメンタル測定目盛りの、走査ユニット（２０）とは反対側に位置していることを特徴とする上記２．に記載の光学的な位置測定装置。
４．結像光学機器（２５）がフレネルレンズとして形成されていることを特徴とする上記１．～３．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
５．絞り構造（２６）が複数の部分範囲（２６．１，２６．２，２６．３）を備えており、部分範囲では、これらに入射するビーム束への異なる偏向作用が生じ、検出器要素（２７．１，２７．２，２７．３）が、生じる各偏向方向において、絞り構造（２６）に後続配置されていることを特徴とする上記１．～４．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
６．絞り構造（２６）の複数の部分範囲（２６．１，２６．２，２６．３）が、部分範囲に入射するビーム束を偏向させずに通過させるか、又はその中に配置された格子構造を用いて所定の空間的な偏向を生じさせることを特徴とする上記５．に記載の光学的な位置測定装置。
７．走査ユニット（２０）が走査プレート（２３）を含んでおり、
－走査プレートの、反射測定標準（１０）とは反対側には、絞り構造（２６）が配置されており、
－走査プレートの、反射測定標準（１０）に対向する側には、結像光学機器（２５）が配置されている
ことを特徴とする上記１．～６．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
８．走査プレート（２３）の両側には、反射器要素（２９．１，２９．３）及び格子（２４．１～２４．４，２８）の形態で、インクリメンタル信号生成のための走査手段が配置されていることを特徴とする上記７．に記載の光学的な位置測定装置。
９．基準マーク（１３）が複数の線状の構造要素（１３．１，１３．２）を含んでおり、構造要素は、測定方向（ｘ）に沿って配置されているとともに、その長手方向が横方向（ｙ）に対して平行に向けられており、構造要素（１３．１，１３．２）の少なくとも一部が、横方向（ｙ）に沿って横周期（ｄ Ｔ ）を有していることを特徴とする上記１．～８．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
１０．構造要素（１３．１，１３．２）が、測定方向（ｘ）に沿って、変化する長手周期（ｄ Ｌ ）をもって配置されており、長手周期（ｄ Ｌ ）は、基準マーク（１３）の中央の対称線（Ｓ）から両側で同一に変化していることを特徴とする上記９．に記載の光学的な位置測定装置。
１１．基準マークに入射するビーム束が反射において回折される少なくとも２つの部分ビーム束（（１，１），（１，－１））に分割されるように基準マーク（１３）が形成されており、部分ビーム束は、測定方向（ｘ）に対して同一に横方向に向けられているとともに、測定方向（ｘ）において互いに対して対称に向けられていることを特徴とする上記９．に記載の光学的な位置測定装置。
１２．結像光学機器を介して、分割された部分ビーム束（（１，１），（１，－１））が絞り平面内で再び重ね合わされ、このとき、基準位置（ｘ ＲＥＦ ）において、基準マーク（１３）の周波数二倍の結像が絞り平面内で生じるように、結像光学機器（２５）が形成されていることを特徴とする上記１１．に記載の光学的な位置測定装置。
１３．測定目盛り（１２）が、バイナリ反射型位相格子として形成されていることを特徴とする上記１．～１２．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
１４．走査ユニット（２０）が、それぞれ、インクリメンタル信号生成及び基準信号生成のための光源を備えていることを特徴とする上記１．～１３．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
１５．結像光学機器を介して、結像光学機器へ入射する部分ビーム束への測定方向（ｘ）に対して横方向の偏向作用又は検出器要素への焦点合わせが生じるように、結像光学機器（２５）が形成されていることを特徴とする上記１．～１４．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
なお、本発明は、以下の態様も包含し得る：
１．反射測定標準と、反射測定標準に対して少なくとも１つの測定方向（ｘ）に移動可能な走査ユニットとを有する光学的な位置測定装置であって、
－反射測定標準が、インクリメンタル測定目盛りと、少なくとも１つの基準位置（ｘ ＲＥＦ ）において基準マークとを備えており、
－走査ユニットが、基準信号を生成するインクリメンタル信号生成のための走査手段のほかに、光源と、結像光学機器と、絞り平面内に配置された絞り構造と、複数の検出器要素とを含んでいるとともに、結像光学機器を介して、絞り構造への基準マークの結像が行われる、
光学的な位置測定装置において、
－反射測定標準（１０）における基準マーク（１３）が、インクリメンタル測定目盛り（１２）へ統合して配置されていること、及び
－結像光学機器（２５）が、測定方向（ｘ）に対して垂直に向けられた横方向（ｙ）に沿って、変化する物体側の焦点を有していること
を特徴とする光学的な位置測定装置。
２．走査ユニット（２０）と反射測定標準（１０）の間の各走査間隔について、インクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）の平面内に物体側の焦点が位置するように、結像光学機器（２５）の物体側の焦点が選択されており、インクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）が、生成されるインクリメンタル信号（ＩＮＣ Ａ ，ＩＮＣ Ｂ ）における位置エラーが生じることなく走査ユニット（２０）又は反射測定標準（１０）の傾斜が可能である点として規定されていることを特徴とする上記１．に記載の光学的な位置測定装置。
３．反射測定標準（１０）におけるインクリメンタル走査のニュートラル回転点（Ｎ）が、インクリメンタル測定目盛りの、走査ユニット（２０）とは反対側に位置していることを特徴とする上記２．に記載の光学的な位置測定装置。
４．結像光学機器（２５）がフレネルレンズとして形成されていることを特徴とする上記１．～３．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
５．絞り構造（２６）が複数の部分範囲（２６．１，２６．２，２６．３）を備えており、部分範囲では、これらに入射するビーム束への異なる偏向作用が生じ、検出器要素（２７．１，２７．２，２７．３）が、生じる各偏向方向において、絞り構造（２６）に後続配置されていることを特徴とする上記１．～４．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
６．絞り構造（２６）の複数の部分範囲（２６．１，２６．２，２６．３）が、部分範囲に入射するビーム束を偏向させずに通過させるか、又はその中に配置された格子構造を用いて所定の空間的な偏向を生じさせることを特徴とする上記５．に記載の光学的な位置測定装置。
７．走査ユニット（２０）が走査プレート（２３）を含んでおり、
－走査プレートの、反射測定標準（１０）とは反対側には、絞り構造（２６）が配置されており、
－走査プレートの、反射測定標準（１０）に対向する側には、結像光学機器（２５）が配置されている
ことを特徴とする上記１．～６．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
８．走査プレート（２３）の両側には、反射器要素（２９．１，２９．３）及び格子（２４．１～２４．４，２８）の形態で、インクリメンタル信号生成のための走査手段が配置されていることを特徴とする上記７．に記載の光学的な位置測定装置。
９．基準マーク（１３）が複数の線状の構造要素（１３．１，１３．２）を含んでおり、構造要素は、測定方向（ｘ）に沿って配置されているとともに、その長手方向が横方向（ｙ）に対して平行に向けられており、構造要素（１３．１，１３．２）の少なくとも一部が、横方向（ｙ）に沿って横周期（ｄ Ｔ ）を有していることを特徴とする上記１．～８．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
１０．構造要素（１３．１，１３．２）が、測定方向（ｘ）に沿って、変化する長手周期（ｄ Ｌ ）をもって配置されており、長手周期（ｄ Ｌ ）は、基準マーク（１３）の中央の対称線（Ｓ）から両側で同一に変化していることを特徴とする上記９．に記載の光学的な位置測定装置。
１１．基準マークに入射するビーム束が反射において回折される少なくとも２つの部分ビーム束（（１，１），（１，－１））に分割されるように基準マーク（１３）が形成されており、部分ビーム束は、測定方向（ｘ）に対して同一に横方向に向けられているとともに、測定方向（ｘ）において互いに対して対称に向けられていることを特徴とする上記９．に記載の光学的な位置測定装置。
１２．結像光学機器を介して、分割された部分ビーム束（（１，１），（１，－１））が絞り平面内で再び重ね合わされ、このとき、基準位置（ｘ ＲＥＦ ）において、基準マーク（１３）の周波数二倍の結像が絞り平面内で生じるように、結像光学機器（２５）が形成されていることを特徴とする上記１１．に記載の光学的な位置測定装置。
１３．測定目盛り（１２）が、バイナリ反射型位相格子として形成されていることを特徴とする上記１．～１２．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
１４．走査ユニット（２０）が、それぞれ、インクリメンタル信号生成及び基準信号生成のための光源を備えていることを特徴とする上記１．～１３．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
１５．結像光学機器を介して、結像光学機器へ入射する部分ビーム束への測定方向（ｘ）に対して横方向の偏向作用又は検出器要素への焦点合わせが生じるように、結像光学機器（２５）が形成されていることを特徴とする上記１．～１４．のうち少なくともいずれか１つに記載の光学的な位置測定装置。
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3a】
【図3b】
【図4a】
【図4b】
【図5】
【図6a】
【図6b】
【図7】
【図8a】
【図8b】