(57)【要約】      （修正有）【課題】位相シフトされた走査信号を偏光光学的に生成するために、走査光線経路内にいかなる付加的な偏光光学素子も必要とせずに異なる光学走査原理を使用することを可能にする光学式の位置測定装置を提供する。【解決手段】少なくとも１つの測定方向に沿って互いに対して移動可能な２つの物体の相対位置を検出する。１つの格子において、光源によって放出された照明光線束が少なくとも２つの部分光線束に分割され、部分光線束は、走査光線経路の後続の過程において異なる偏光光学効果を受ける。格子において様々に偏光された部分光線束が再結合された後に検出ユニットで得られる信号光線束から位相シフトされた、変位に依存した走査信号が生成可能である。通過する少なくとも１つの格子２２は、部分光線束に対して異なる偏光光学効果を生成するための偏光格子として構成されている。【選択図】図６ａ
2020187121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの測定方向（ｘ）に沿って互いに対して移動可能な２つの物体の相対位置を検出するための光学式の位置測定装置であって、物体が第１の格子および第２の格子に結合されており、１つの格子において、光源によって放出された照明光線束が少なくとも２つの部分光線束に分割され、部分光線束が、走査光線経路の後続の過程において異なる偏光光学効果を受け、格子において様々に偏光された部分光線束が再結合された後に検出ユニットで得られる信号光線束から、位相シフトされた、変位に依存した走査信号が生成可能であり、部分光線束の走査光線経路内で、分割と再結合との間には別個の偏光光学素子は配置されておらず、通過する少なくとも１つ格子が、部分光線束に対して異なる偏光光学効果を生成するための偏光格子として構成されている光学式の位置測定装置において、
偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）が、格子のあらゆる入射位置で異なる偏光状態を有する回折次数が生じるように構成されていることを特徴とする光学式の位置測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式の位置測定装置において、
前記偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）が、格子ウェブ（２２．２；１２２．２；２２２．２；３２２．２；４２２．２；５２２．２）および格子ギャップ（２２．１；１２２．１；２２２．１；３２２．１；４２２．１；５２２．１）の形式で円弧状に湾曲された複数の格子構造を含み、該格子構造の長手方向が、測定方向（ｘ）に対してそれぞれ平行に向けられており、格子構造が、測定方向（ｘ）に沿って、および測定方向（ｘ）に対して垂直方向に、周期的に配置されている光学式の位置測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光学式の位置測定装置において、
前記偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）が、測定方向（ｘ）に対して平行に測定方向周期性（Λ）をもって周期的に配置されたストリップ状の格子部分（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）を有し、該格子部分の長手方向が測定方向（ｘ）に対して垂直方向に向けられており、格子構造（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）が、測定方向（ｘ）に対して垂直方向に直交周期性（Λ＿ｏｒｔｈｏ）をもって周期的に配置されている光学式の位置測定。
【請求項４】
請求項２または３に記載の光学式の位置測定装置において、
前記偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）の隣接する格子部分（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）間に
格子ギャップが配置されているか、
格子ウェブが配置されているか、または
複数の格子ギャップおよび格子ウェブが交互に隣接して配置されている光学式の位置測定装置。
【請求項５】
請求項２または３に記載の光学式の位置測定装置において、
隣接する格子部分の格子構造が互いに境界をなしている光学式の位置測定装置。
【請求項６】
請求項３に記載の光学式の位置測定装置において、
直交周期性Λ＿ｏｒｔｈｏがΛ＿ｏｒｔｈｏ＜１．５・λの関係にしたがって選択されており、λは使用する光源（ＬＱ；２１）の波長を示す光学式の位置測定装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の光学式の位置測定装置において、
前記偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）の面積充填率ＦＶが、ＦＶ＜０．６の関係にしたがって選択されており、面積充填率ＦＶが、偏光格子ユニットセルの総面積に対する偏光格子ユニットセルの格子ウェブ（２２．２；１２２．２；２２２．２；３２２．２；４２２．２；５２２．２）の面積の比として定義されている光学式の位置測定装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載の光学式の位置測定装置において、
前記偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）が反射型位相格子として構成されており、該反射型位相格子の格子ウェブ（２２．２；１２２．２；２２２．２；３２２．２；４２２．２；５２２．２）および格子ギャップ（２２．１；１２２．１；２２２．１；３２２．１；４２２．１；５２２．１）が、異なる反射特性を有している光学式の位置測定装置。
【請求項９】
請求項８に記載の光学式の位置測定装置において、
反射型位相格子が、少なくとも以下の構成要素：
キャリア基板（２２．１０）、
該キャリア基板（２２．１０）に配置された平坦な反射層（２２．１１）、および
該反射層（２２．１１）の上方に配置された格子構造層（２２．１３）を含む光学式の位置測定装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学式の位置測定装置において、
前記格子構造層（２２．１３）が、ｄ＜０．６・λの関係にしたがって選択される層厚ｄを有し、λは、使用する光源（ＬＱ；２１）の波長を示す光学式の位置測定装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の光学式の位置測定装置において、
平坦な反射層（２２．１１）と格子構造層（２２．１２）との間に平坦な位相シフト層（２２．１２）が配置されている光学式の位置測定装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の光学式の位置測定装置において、
前記反射層（２２．１１）が金属反射層または反射性の層スタックからなっており、
前記格子構造層（２２．１３）が、ＳｉＯ２、ＴａＯｘ、ＴｉＯ２、Ｓｉの群からの誘電性の材料、またはＴｉＮ、ＧａＮの群からの半導体材料、または前述の誘電性の材料のうちの１つ以上および前述の半導体材料のうちの１つ以上を有する層スタックからなっている光学式の位置測定装置。
【請求項１３】
請求項１から１２までのいずれか１項に記載の光学式の位置測定装置において、
前記偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）が、結果として生じる＋／−１次の回折次数が互いに直交して偏光されているように構成されている光学式の位置測定装置。
【請求項１４】
請求項１から１３までのいずれか１項に記載の光学式の位置測定装置において、
第１の物体が、反射型位相格子または透過型位相格子として構成された第１の格子に結合されており、
第２の物体が、偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）として機能する反射型位相格子として構成された第２の格子に結合されており、
光源（２１）によって放出された光線束（Ｂ）が、第１の格子で２つの部分光線束（ＴＳ１、ＴＳ２）に分割され、
該部分光線束（ＴＳ１、ＴＳ２）が続いて第２の格子に入射し、２つの部分光線束（ＴＳ１、ＴＳ２）のそれぞれが回折され、方向を変更され、部分光線束（ＴＳ１′、ＴＳ２′）が、第２の格子に入射した後に互いに直交して偏光されており、
部分光線束（ＴＳ１′、ＴＳ２′）が再び第１の格子（１０）に入射し、そこで再結合され、続いて、結果として生じた信号光線束（Ｓ）が検出ユニットの方向に伝播する光学式の位置測定装置。
【請求項１５】
請求項１から１３までのいずれか１項に記載の光学式の位置測定装置において、
第１の物体が、基準器（１０）として機能する第１の格子（Ｇ１）に結合されており、第１の格子（Ｇ１）が反射型位相格子または透過型位相格子として構成されており、
第２の物体が走査ユニット（２０）に結合されており、走査ユニット（２０）が以下の構成要素：
光源（ＬＱ；２１）、
走査格子として機能する第２の格子（Ｇ２）であって、さらに偏光格子（２２；１２２；２２２；３２２；４２２；５２２）として作用し、反射型位相格子として構成されている第２の格子（Ｇ２）、および
検出ユニット（ＤＥＴ；２３）を含み、
光源（ＬＱ；２１）によって放出された光線束（Ｂ）が、第１の格子（Ｇ１）で２つの部分光線束（ＴＳ１、ＴＳ２）に分割され、
部分ビーム光線束（ＴＳ１、ＴＳ２）が続いて第２の格子（Ｇ２）に入射し、２つの部分光線束（ＴＳ１、ＴＳ２）のそれぞれが方向を変更され、部分光線束（ＴＳ１′、ＴＳ２′）が、第２の格子（Ｇ２）に入射した後に互いに直交して偏光されており、
部分光線束（ＴＳ１′、ＴＳ２′）が、再び第１の格子（Ｇ１）に入射し、そこで再結合され、続いて、結果として生じた信号光線束（Ｓ）が検出ユニット（ＤＥＴ；２３）の方向に伝播する光学式の位置測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに対して移動可能な２つの物体の相対位置を決定するために適した光学式の位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知の高精度な光学式の位置測定装置では、強度に関する評価方法に加えて、位置決定のための位相シフトされた、変位に依存した３つ以上の走査信号を生成するために偏光光学的な方法も使用される。走査信号の偏光光学的な生成に関しては、例えば、本出願人の欧州特許出願公開第０４８１３５６号明細書を参照されたい。
【０００３】
欧州特許出願公開第０４８１３５６号明細書による信号生成の基礎となる原理が、展開した走査光線経路の概略図として図１に示されている。格子Ａ、Ｍは、ここでは、指定された測定方向ｘに沿って、残りの構成要素であるＬ１、Ｌ２、ＡＯと一緒に相対的に移動可能に配置されている。左から入射し、偏光子Ｐ１によって所定のように偏光された光線束は、最初に格子Ａを介して２つの部分光線束に分割される。図１に示すように、位置情報が符号化されている干渉されるべき部分光線束の光線経路には、別個の偏光光学的な構成要素、例えば、異なる向きのラムダ／４プレートＰＥ１、ＰＥ２が挿入されている。ラムダ／４プレートＰＥ１、ＰＥ２は、通過する２つの部分光線束を互いに直交して偏光する。すなわち、２つの部分光線束は、次に、例えば、左右に円偏光される。次に、これら２つの部分ビームは、共通の信号光線束（０）を形成するように重ね合わされ、後続の検出ユニットもしくは評価光学系ＡＯにおいて、重ね合わされた３つ以上の部分光線束Ｉ９０、Ｉ２１０、Ｉ３３０に分割される。異なる向きの偏光子Ｐ９０、Ｐ２１０、Ｐ３３０を通過した後、検出器素子Ｄ９０、Ｄ２１０、Ｄ３３０では結果として最終的にそれぞれ１２０°だけ位相シフトされた走査信号Ｓ９０、Ｓ２１０、Ｓ３３０が生じ、これらの信号を既知の方法でさらに処理することができる。ラムダ／４プレートＰＥ１、ＰＥ２に加えて、分割された部分光線束の光路には、部分光線束が通過した格子Ａ、Ｌ１、Ｌ２によって引き起こされた不正確な偏光を補正するために、偏光子Ｐ２、Ｐ３の形式のさらなる偏光光学的な構成要素が配置されることが多い。
【０００４】
位相シフトされた、変位に依存した複数の走査信号をこのように偏光光学的に生成することの欠点は、互いに対して移動する構成要素間の走査光線経路もしくは走査ギャップにラムダ／４板および偏光子などの別個の、もしくは付加的な光学素子を挿入する必要があることである。対応する光学式の位置測定装置の構成容積が制限されているか、または走査間隔が短い場合には、このような付加的な構成要素は問題となる可能性がある。位置測定装置が国際公開第２００８／１３８５０１号パンフレットから公知の原理に類似して構成される場合、図１のＡ、ＭおよびＬ１、Ｌ２などの構成要素は、互いに対して変位可能な２つの基準器として構成されている。この場合、２つの基準器の間に設けられた定置の偏光光学素子を機械的に保持することは、しばしば不可能である。
【０００５】
走査光線経路に付加的な偏光光学素子を設けることは、使用されるキャリア構造の平坦性、平行性、および均質性に対する要求の増大をも意味し、これらの支持構造を収容するために、ドリフトのない安定した取付け面が必要である。起こり得る材料誤差は、この場合には、適切な較正方法による多大な付加的な労力をもってしか補正することができない。このことは、特に、長い並進不変の基準が、対応する光学的な位置測定装置において使用される場合に当てはまる。
【０００６】
走査ギャップ内の固有振動数または空気流などの他のシステム特性が走査光線経路内の付加的に必要な偏光光学素子によってさらに悪影響を受ける可能性もある。
【０００７】
走査光線経路内に別個の、もしくは付加的な偏光光学素子を設けることなしに位相シフトされた走査信号を偏光光学的に生成する光学式の位置測定装置が、本出願人によるドイツ特許出願公開第１０２０１００６３２５３号明細書において既に提案されている。この解決策によれば、必要な偏光光学素子は、例えば周期的に変化する構造を有する高周波格子の形式で走査光線経路の他の構成要素に組み込まれて構成されている。このような位置測定装置では、使用される構成要素は、測定方向に位置に依存する偏光特性を有する；例えば、この場合には、基準器が偏光格子として機能するように構成することもできる。この場合、この偏光格子は、例えば、局所的に可変の複数の層からなり、格子周期ｄＲ＜λ／２を有する高周波格子を含み、この高周波格子は０次の回折次数しか有しておらず、偏光光学的な機能を生成する。高周波格子の格子配向は、測定方向に沿って偏光周期ｄＰで変化し、この偏光周期ｄＰは、基準器の照明領域の幅ｈｗＳｐｏｔよりも著しく大きい必要があり、この幅ｈｗＳｐｏｔは、生成可能な走査信号の信号周期ＳＰを下方に制限している。すなわち、関係ｄＰ＞５ｈｗＳｐｏｔを保持する必要がある。したがって、基準器の異なる箇所に入射する部分光線束は、局所的に異なる偏光光学効果を受け、この場合に偏光変化をそれぞれの走査間隔に正確に適合させる必要がある。このために、部分光線束の入射点間の間隔は、基準器の格子周期の半分に対応するように選択される。走査間隔が変化した場合、走査信号の変調度が損なわれ、他の信号特性が変化する。
【０００８】
走査光線経路内に付加的な別個の偏光光学素子を設けることなしに位相シフトされた走査信号を偏光光学的に生成する別の光学式の位置測定装置が出願人のドイツ特許出願公開第１０２０１４２１１００４号明細書から公知である。この文献によれば、所定の条件下で光学式の位置測定装置の基準器または走査プレート側の格子における回折を使用して、回折された部分光線束内の特定の偏光状態、例えば、反対の円偏光状態を設定することができる。しかしながら、このために一方では、分割される光線束に関して特定の入射条件が保持されるべきである。他方では、回折された部分光線束に所望の偏光特性を設定するために、対応する格子は極めて小さい格子周期を有している必要がある。したがって、部分光線束に偏光光学効果を生じさせるこの可能性は特定の制約を受け、あらゆる走査原理に使用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０４８１３５６号明細書
【特許文献２】国際公開第２００８／１３８５０１号パンフレット
【特許文献３】ドイツ特許出願公開第１０２０１００６３２５３号明細書
【特許文献４】ドイツ特許出願公開第１０２０１４２１１００４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の基礎をなす課題は、位相シフトされた走査信号を偏光光学的に生成するために、走査光線経路内にいかなる付加的な偏光光学素子も必要とせずに異なる光学走査原理を使用することを可能にする光学式の位置測定装置を提案することである。異なる部分光線束で設定された偏光状態は走査条件が変化した場合であっても、可能な限り不変であること、したがって、生成された走査信号の一定の品質を保証することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する光学式の位置測定装置によって解決される。
【００１２】
本発明による光学式の位置測定装置の有利な構成が、従属請求項に記載された手段により得られる。
【００１３】
本発明による光学式の位置測定装置は、少なくとも１つの測定方向に沿って互いに対して移動可能な２つの物体の相対位置を検出するために用いられ、物体は第１の格子および第２の格子に結合されている。１つの格子において、光源によって放出された照明光線束が少なくとも２つの部分光線束に分割され、部分光線束は、走査光線経路の後続の過程において異なる偏光光学効果を受け、格子において様々に偏光された部分光線束が再結合された後に検出ユニットで得られる信号光線束から位相シフトされた、変位に依存した走査信号が生成可能である。部分光線束の走査光線経路内で、分割と再結合との間には別個の偏光光学素子は配置されていない。通過する少なくとも１つ格子は、部分光線束に対して異なる偏光光学効果を生成するための偏光格子として構成されている。この場合、偏光格子は、格子のあらゆる入射位置において異なる偏光状態を有する回折次数が生じるように構成されている。
【００１４】
偏光格子は、格子ウェブおよび格子ギャップの形式で円弧状に湾曲された複数の格子構造を含み、格子構造の長手方向は測定方向に対してそれぞれ平行に向けられており、格子構造は、測定方向に沿って、および測定方向に対して垂直方向に、周期的に配置されている。
【００１５】
偏光格子は、測定方向に対して平行に測定方向周期性をもって周期的に配置されたストリップ状の格子部分を有することが可能であり、これらの格子部分の長手方向は測定方向に対して垂直方向に向けられており、格子部分には、格子構造が測定方向に対して垂直方向に直交周期性をもって周期的に配置されている。
【００１６】
さらに、偏光格子の隣接する格子部分間には
格子ギャップが配置されているか、
格子ウェブが配置されているか、または
複数の格子ギャップおよび格子ウェブが交互に隣接して配置されている。
【００１７】
これに対して、代替的に、隣接する格子部分の格子構造が互いに境界をなしていることも可能である。
【００１８】
有利な実施形態では、直交周期性Λ＿ｏｒｔｈｏはΛ＿ｏｒｔｈｏ＜１．５・λの関係にしたがって選択することもでき、λは使用する光源の波長を示す。
【００１９】
さらに、偏光格子の面積充填率ＦＶは、ＦＶ＜０．６の関係にしたがって選択されており、面積充填率ＦＶは、偏光格子ユニットセルの総面積に対する偏光格子ユニットセルの格子ウェブの面積の比として定義されている。
【００２０】
さらに、偏光格子が反射型位相格子として構成されていることも可能であり、反射型位相格子の格子ウェブおよび格子ギャップは異なる反射特性を有している。
【００２１】
好ましい実施形態では、反射型位相格子は、少なくとも以下の構成要素を含むことができる：
キャリア基板、
キャリア基板に配置された平坦な反射層、および
反射層の上方に配置された格子構造層。
【００２２】
この場合、格子構造層は、ｄ＜０．６・λの関係にしたがって選択される層厚ｄを有することができ、λは、使用する光源の波長を示す。
【００２３】
さらに、平坦な反射層と格子構造層との間には平坦な位相シフト層が配置されている。
【００２４】
さらに、
反射層が金属反射層または反射性の層スタックからなっていること、および
格子構造層が、ＳｉＯ２、ＴａＯｘ、ＴｉＯ２、Ｓｉの群からの誘電性の材料、またはＴｉＮ、ＧａＮの群からの半導体材料、または前述の誘電性の材料のうちの１つ以上および前述の半導体材料のうちの１つ以上を有する層スタックからなっていることも可能である。
【００２５】
有利には、偏光格子は、結果として生じる＋／−１次の回折次数が互いに直交して偏光されているように構成されている。
【００２６】
本発明による光学式の位置測定装置のさらなる実施形態では、
第１の物体は、反射型位相格子または透過型位相格子として構成された第１の格子に結合されており、
第２の物体は、偏光格子として機能する反射型位相格子として構成された第２の格子に結合されており、
光源によって放出された光線束は、第１の格子で２つの部分光線束に分割され、
部分光線束は続いて第２の格子に入射し、２つの部分光線束のそれぞれは回折され、方向を変更され、部分光線束は、第２の格子に入射した後には互いに直交して偏光されており、
部分光線束は再び第１の格子に入射し、そこで再結合され、続いて、結果として生じた信号光線束は検出ユニットの方向に伝播するように構成されている。
【００２７】
あるいは、
第１の物体は、基準器として機能する第１の格子に結合されており、第１の格子は反射型位相格子または透過型位相格子として構成されており、
第２の物体は走査ユニットに結合されており、走査ユニットは以下の構成要素：
光源、
走査格子として機能する第２の格子であって、さらに偏光格子として作用し、反射型位相格子として構成されている第２の格子、および
検出ユニットを含み、
光源によって放出された光線束は、第１の格子で２つの部分光線束に分割され、
部分光線束は続いて第２の格子に入射し、２つの部分光線束のそれぞれは方向を変更され、部分光線束は、第２の格子に入射した後には互いに直交して偏光されており、
部分光線束は、再び第１の格子に入射し、そこで再結合され、結果として生じる信号光線束は、次に、検出ユニットの方向に伝播する。
【００２８】
本発明による手段によって、位相シフトされた走査信号を偏光符号化して生成するために、走査光線経路内に別個の偏光光学素子を必要としない光学式の位置測定装置を実現することができる。信号を生成する部分光線束に対する所望の偏光光学効果は、走査光線経路における通常の機能に加えて、偏光格子として機能する格子によって生成することができる。対応する位置測定装置を特に小型に構成することが可能である。
【００２９】
別個の偏光光学素子なしに偏光符号化された走査信号を生成するための最初に論じた変形形態と比較して、本発明による解決策は、例えば、分割される光線束の入射角に関して存在するようないかなる制限的な境界条件にもしたがわない。さらに、これらの解決策と比較して、走査間隔が変化した場合に信号品質が損なわれることはない。信号取得のために使用される部分光線束の所定の偏光状態の生成は、本発明による解決策ではそれぞれの走査間隔とは基本的に無関係である。
【００３０】
本発明による手段は、分割された部分ビームが完全に空間的に分離されていない光学式の位置測定装置においても偏光符号化された走査信号を生成することを可能にする。従来の方法ではこのことは不可能である。なぜならば、部分光線束が重なり合う走査ビーム経路に偏光光学素子を配置することができないからである。
【００３１】
さらに、従来技術にしたがって、いわゆる「高周波格子」を偏光格子として使用する場合には、光線を偏向するために必要な極めて小さい格子周期への制限もなくなる。
【００３２】
図面に関連した本発明による装置の例示的な実施形態の以下の説明に基づいて本発明のさらなる詳細および利点を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術による光学式の位置測定装置を示す概略図である。
【図２】いわゆる「３格子エンコーダ」として構成された本発明による光学式の位置測定装置の一実施形態における展開した走査光線経路を示す図である。
【図３】図３ａおよび図３ｂは、それぞれ３格子エンコーダとして構成された本発明による光学式の位置測定装置の側面図である。
【図４】図３ａ、図３ｂに示す実施形態の検出ユニットを示す概略図である。
【図５】図３ａ、図３ｂに示す実施形態において基準器として機能する第１の格子を示す平面図である。
【図６ａ】図３ａ、図３ｂに示す実施形態において偏向格子として機能する第２の格子を示す部分平面図である。
【図６ｂ】図６ａの偏向格子の詳細図である。
【図６ｃ】図６ａの偏向格子の部分断面図である。
【図７】図７ａ〜図７ｅは、それぞれの偏光格子の代替的な実施形態のユニットセルを示す詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に図２〜図６ｃに基づいて本発明による光学式の位置測定装置を説明する。この光学式の位置測定装置は、いわゆる「３格子エンコーダ」として形成されており、展開される走査ビーム経路が図２に示されている。図３ａ、３ｂは、このような３格子エンコーダの特定の実施形態の異なる断面図を示し、図４は、同じ３格子エンコーダの検出ユニットを示し、図５は、使用される基準器の上面図を示し、図６ａ〜６ｃは、この例で使用される偏向格子の様々な図を示す。
【００３５】
対応する位置測定装置は、少なくとも１つの測定方向ｘに沿って互いに対して移動可能な２つの物体の相対位置を検出するために使用される。これらの物体は様々な図には示されていない。相互に移動可能な物体は、例えば、直線状の測定方向ｘに沿って互いに対して変位することができる機械構成要素であってもよい。機械構成要素の相対位置に関して位置測定装置によって生成された走査信号は制御ユニットに伝送され、制御ユニットはこれらの測定信号を運動制御のために使用することができる。
【００３６】
一般に、第１の物体は位置測定装置の第１の格子に結合されており、第２の物体は第２の格子に結合されている。いずれか１つの格子において、光源によって放出された照明光線束は、少なくとも２つの部分光線束に分割される。走査光線経路のさらなる過程において、部分光線束は異なる偏光光学効果を有し、最終的に格子で再結合されて、結果として生じる信号ビームを形成する。次に、検出ユニットにおいて、信号光線束から、複数の位相シフトされた、変位もしくは位置に依存した走査信号を生成することができる。部分光線束の分割と再統合との間の走査光線経路には、この場合、別個の偏光光学素子は配置されておらず、むしろ、通過した格子のうちの少なくとも１つは、部分光線束に対して異なる偏光光学効果をもたらすための偏光格子として機能する。この場合、偏光格子は、異なる偏光状態を有する回折次数が格子上の各入射位置で生じるように形成されている。原則として、偏光格子を適切に形成し、対応する格子パラメータを選択することによって、回折された部分光線束において極めて多様な偏光状態を設定することが可能である。このことは、回折された部分光線束が、直線、楕円形、または円形に偏光されている場合もあることを意味する。照明光線束を異なる偏光状態を有する部分光線束に分割する場合には、分割された部分光線束が走査光路でそれぞれ互いに直交して偏光されていることが有利であることも判明している。このことは、直線偏光の場合には、分割された部分光線束の偏光面が互いに垂直に配向されていることを意味し、円偏光または楕円偏光の場合には、直交偏光とは、部分光線束の偏光方向が互いに反対に整列されていることであると理解される。
【００３７】
適切な偏光格子の具体的な構成および可能な実施形態を以下に詳細に説明する。
【００３８】
信号を生成するために使用される光線束の展開された走査ビーム経路を図２に示した第１の実施形態による３格子エンコーダでは、光源ＬＱによって放出された照明光線束Ｂは第１の格子Ｇ１に到達し、この格子を介して２つの部分光線束ＴＳ１、ＴＳ２に分割され、これらの部分光線束はそれぞれ光軸ＯＡから離れて伝播する。照明光線束Ｂは、二重矢印で示すように直線的に伝搬する。第１の格子Ｇ１を介して分割された２つの部分光線束ＴＳ１、ＴＳ２は、最初はそれぞれ同じ偏光を有する。走査光線経路をさらに進むと２つの部分光線束ＴＳ１、ＴＳ２は、この例では偏光格子として機能する第２の格子Ｇ２に入射する。部分光線束ＴＳ１、ＴＳ２は格子Ｇ２によって回折され、方向が変更され、次いで、部分光線束ＴＳ１′、ＴＳ２′として光軸ＯＡの方向にさらに伝播する。方向の変更に加えて、偏光格子としての役割を果たす第２の格子Ｇ２によって、回折された部分光線束ＴＳ１′、ＴＳ２′は、格子Ｇ２を通過した後、または格子Ｇ２に入射した後には異なる偏光状態を有し、互いに対して直交して偏光されている。原則として、既に上述したように、部分光線束ＴＳ１′、ＴＳ２′は、互いに直交して直線状、直交して楕円状、または直交して円形に偏光することができる。図示の例では、２つの部分光線束ＴＳ１′、ＴＳ２′の直交円偏光が行われる。第３の格子Ｇ３では、部分光線束ＴＳ１′、ＴＳ２′が最終的に再結合し、異なる偏光の部分光線束ＴＳ１′、ＴＳ２′が重ね合わされた信号光線束Ｓがさらに検出ユニットＤＥＴの方向に伝播し、検出ユニットＤＥＴを介して、位相シフトされた複数の走査信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が信号光線束Ｓから生成される。適切な検出ユニットＤＥＴの可能な実施形態を以下に詳細に説明する。
【００３９】
図３ａ、３ｂは、入射光システムとして形成されたこのような３格子エンコーダの特定の実施形態をそれぞれ異なる断面図で示す。これらの図から分かるように、照明光線束Ｂによって入射される第１の格子は走査光線経路において基準器１０として機能する。この基準器１０は、この場合には、異なる位相シフト効果を有する測定方向ｘに沿って周期的に配置された分割領域１０．１、１０．２を有する反射型位相格子として構成されており、基準器１０の平面図が図５に示されている。基準器１０は、第１の物体（図示しない）に結合されている。図３ａ、３ｂから分かるように、第１の格子もしくは基準器１０を介して、照明光線束Ｂは２つの部分光線束ＴＳ１、ＴＳ２に分割される。より明確にするために、照明光線束Ｂの回折および分割時に第１の格子で生じるが、信号生成には使用されない他の回折次数は図面には示されていない。
【００４０】
本発明による位置測定装置の他の全ての構成要素は、この実施形態では、第２の物体（同様に図示しない）に結合された走査ユニット２０に配置されている。２つの物体、およびこれらとともに基準器１０および走査ユニット２０は、指定された測定方向ｘに沿って互いに対して直線的に変位可能であるように配置されている。
【００４１】
光源２１および検出ユニット２３に加えて、走査ユニット２０は、走査光線経路で入射される第２の格子を含み、この第２の格子はこの例示的な実施形態では走査格子２２とも呼ばれ、この場合には反射型位相格子として構成されている。走査格子２２は、上述の光学式の位置測定装置と同様に偏光格子として機能し、走査格子２２に入射する直線偏光された部分ビーム束ＴＳ１、ＴＳ２の回折およびこの場合に生じる方向の変化に加えて、走査格子２２に入射した後に、回折された部分ビーム束ＴＳ１′、ＴＳ２′を互いに直交して偏光させる。図示の例では、図３ｂに示すｘｚ平面において入射方向への部分ビームＴＳ１′、ＴＳ２′の回折および後方反射が起こる。すなわち、基準器１０から入射する部分ビームＴＳ１、ＴＳ２は、ｘｚ平面内の走査格子２２に、いわゆる「リトロー角」で当たり、ｘｚ平面で部分ビームＴＳ１′、ＴＳ２′として同じ角度で基準器１０に反射して戻る。したがって、この実施形態では、２回目に入射された基準器１０は、走査光線経路内の第３の格子として働く。走査格子２２から入射する部分光線束ＴＳ１′、ＴＳ２′は、基準器１０で再結合され、続いて信号ビームＳは検出ユニット２３の方向に伝播する。検出ユニット２３を介して、信号光線束Ｓは、それぞれ１２０°だけ互いに位相シフトされ、位置に依存した３つの走査信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に変換され、これらの走査信号は、次いで、例えば、下位の（図示しない）さらなる処理のための制御ユニットに伝送される。これに代えて、もちろん、互いに９０°だけ位相シフトされ、位置に依存した４つの走査信号を生成することも可能である。
【００４２】
適切な検出ユニット２３の可能な実施形態が図４に概略的に示されている。この図から分かるように、走査光線経路もしくは基準器において通過した第３の格子から入射する信号光線束Ｓは、重ね合わされた部分ビーム束ＴＳ１′、ＴＳ２′と共に検出ユニット２３において、最初に、信号光線束Ｓを３つの同一の部分光線束に分割する分割格子２３．１に到達する。次に、分割された部分光線束は、偏光方向がそれぞれ互いに６０°だけ回動された３つの偏光子２３．２ａ、２３．２ｂ、２３．２ｃを通過する。次に、偏光子２３．２ａ、２３．２ｂ、２３．２ｃの下流側に配置された光電子検出器２３．３ａ、２３．３ｂ、２３．３ｃによって、３つの部分光線束を、それぞれ１２０°だけ位相シフトされた、変位に依存した３つの走査信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３に変換し、さらなる処理のために提供することができる。
【００４３】
図６ａ〜図６ｃを参照して、例えば図２〜図５に示した光学式の位置測定装置で、入射される第２の格子もしくは走査格子２２として走査ビーム経路で使用することができる偏光格子の例示的な実施形態を以下に詳細に説明する。以下の説明では、上記説明で走査格子に使用した偏光格子に同じ符号２２を使用する。
【００４４】
既に上述したように、本発明による光学式の位置測定装置では、偏光格子２２が、格子のそれぞれの入射位置で、分割された部分光線束に所定の偏光光学効果を及ぼす役割を果たし、これにより異なる偏光状態を有する回折次数が得られる。したがって、別個の偏光光学素子を付加的に走査光線経路に設けることを回避することができる。さらに、このような偏光格子によって、図２に示す３格子エンコーダにおいても位相シフトされた走査信号の偏光光学的な生成を実現することができる。このようなシステムでは格子間の間隔が一般に小さいことに基づいて、入射される第２の格子の領域では、分割された部分光線束の空間的分離を行わないことが一般的である。すなわち、これらの部分ビームは、第２の格子の領域において重なり合う。したがって、この光線の重なり合いに基づいて、従来の方法で、すなわち、部分光線束内の偏光光学素子によって、位相シフトされた走査信号の偏光光学的な生成を実施することは不可能である。
【００４５】
対応する偏光格子２２は、本発明による光学式の位置測定装置では、格子のそれぞれの入射位置で異なる偏光状態を有する回折次数が生じるように構成されている。好ましくは、偏光格子２２は、結果として生じる＋／−１次の回折次数が互いに対して直交して偏光されているように設計される。
【００４６】
図６ａの適切な偏光格子２２の例示的な実施形態の部分平面図、および特に図６ｂのそのような偏光格子のユニットセルの詳細図から分かるように、偏光格子２２は、格子ギャップ２２．１および格子ウェブ２２．２の形式で円弧状に湾曲した複数の格子構造２２．２を備える。
【００４７】
この実施形態では、偏光格子２２は、反射型位相格子として構成されている。このことは、交互に配置された格子構造もしくは格子ギャップ２２．１および格子ウェブ２２．２が、異なる反射特性を有し、特に、入射する部分光線束に対して異なる位相シフト効果を及ぼすことを意味する。
【００４８】
格子構造もしくは格子ギャップ２２．１および格子ウェブ２２．２の長手方向は、図６ａ、６ｂから分かるように、それぞれ測定方向ｘに平行に配向されている。さらに格子構造は、測定方向ｘに沿っても測定方向ｘに対して垂直方向にも周期的に配置されている。測定方向ｘに沿って、もしくは測定方向ｘに平行して、複数の格子部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄが測定方向周期Λで周期的に配置されている。これらの格子部分の長手方向は、測定方向ｘに垂直に、すなわち、指定されたｙ方向に向けられている。それぞれの格子部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ内には円弧状の格子構造が直交周期Λ＿ｏｒｔｈｏで周期的に配置されている。特に、偏光格子２２における直交周期Λ＿ｏｒｔｈｏが以下の関係（１）にしたがって選択される場合には有利であることが判明している：
Λ＿ｏｒｔｈｏ＜１．５・λ                      （式１）
この場合、
Λ＿ｏｒｔｈｏ：＝偏光格子における格子構造の直交周期性
λ：＝使用する光源の波長
である。
【００４９】
関係（１）を保持することによって、対応する偏光格子２２が、主回折方向に対して直交する方向に入射する部分ビームに対して弱い回折効果のみを有することを保証することができる。この場合、主回折方向はｘｚ平面内にあり、直交回折方向はｙｚ平面内にある。この実施形態では、ｘｚ平面内の回折は、変位に依存した走査信号の生成には決定的であり、他の平面に沿った強い回折効果は、他の場合には信号強度および偏光効果の低減をもたらすことになる。
【００５０】
偏光格子２２の湾曲した格子構造もしくは格子ギャップ２２．１および格子ウェブ２２．２は、例えば、図６ａ、６ｂに示す所定の座標系の場合、以下のいずれか一方の関係（２ａ）、（２ｂ）を使用して解析的に説明することができる：
Ｙ＝（Λ／π）・ｌｎ（｜１／ｃｏｓ（ｘ・π／Λ）｜）          （式２ａ）
この場合、
Λ：＝格子部分の測定方向周期
ｘ：＝測定方向
Ｙ：＝格子部分の長手方向
である。
Ｙ＝ｓｑｒｔ（（Λ／２）２−ｘ２）          （式２ｂ）
この場合、
Λ：＝格子部分の測定方向周期
ｘ：＝測定方向
Ｙ：＝格子部分の長手方向
である。
【００５１】
この場合、関係（２ａ）は、懸垂線状の格子構造を特徴づけ、関係（２ｂ）は円形線状の格子構造である。
【００５２】
特に図６ａから分かるにように、図示の実施形態では、ｘ方向に隣接する格子部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの間に、それぞれの直線状の格子ウェブ２２．２ａ、２２．２ｂ、２２．２ｃが配置されている。これらの直線状の格子ウェブ２２．２ａ、２２．２ｂ、２２．２ｃは、細長い長方形の形状を有し、長方形の長手方向軸線は、測定方向ｘに垂直に、すなわち方向ｙに沿って延在している。
【００５３】
これに対して代替的に、隣接する格子部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの間に複数の格子ギャップを配置してもよいし、または交互に隣接して複数の格子ウェブおよび格子ギャップを配置してもよい。さらに、これらの領域には別々の格子ギャップも格子ウェブも配置せず、代わりに、隣接する格子部分２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの格子構造が互いに協会をなしていることも可能である。
【００５４】
さらに、偏光格子２２の面積充填率ＦＶは、以下の関係式（３）にしたがって選択されると有利であることが判明している：
ＦＶ＜０．６                （式３）
この場合、
ＦＶ：＝偏光格子ユニットセルの格子ウェブの面積と偏光格子ユニットセルの総面積との比である。
【００５５】
このように寸法決めした偏光格子は、より容易にクリーニングすることができる。さらに、様々な格子構造が互いに十分に分離されることが保証される。＋／−１次の回折次数で強度の弱化につながる恐れのある、隣接する格子構造間の不都合な結合効果を防止することができる。
【００５６】
偏光格子２２の具体的な格子構造およびこのような格子に適した材料に関連して、ｘｚ平面における図６ａ、６ｂの偏光格子２２の部分断面図を示す図６ｃの図を参照されたい。上述したように、偏光格子２２のこの実施形態は反射型位相格子として構成されている。この偏光格子２２はキャリア基板２２．１０を含み、このキャリア基板には反射層２２．１１が平坦に配置されている。この実施形態では、さらに反射層２２．１１の上方に平坦な位相シフト層２２．１２が設けられており、この位相シフト層には格子構造層２２．１３が配置されており、格子構造層には、対応する格子ウェブ２２．２および格子ギャップ２２．１を有する格子構造が、既に上述した幾何学的形状またはは上記配置で形成されている。
【００５７】
偏光格子２２のこのような構造では、格子構造層２２．１３が、次の関係（４）にしたがって選択される層厚ｄを有することが有利であることが判明している：
ｄ＜０．６・λ      （式４）
この場合、
ｄ：＝格子構造層の層厚
λ：＝使用する光源の波長
である。
【００５８】
この実施形態では、例えば石英ガラスまたはゼロデュア（Ｚｅｒｏｄｕｒ）を、偏光格子２２のためのキャリア基板２２．１０として使用することができる。
【００５９】
反射層２２．１１は、高屈折率材料および低屈折率材料を有する複数の層からなる金属反射層または反射性の層スタックとして構成することができ、高屈折率材料は、例えばＴａＯｘ、ＴｉＯ２、Ｓｉであり、低屈折率材料は、例えばＳｉＯ２はである。位相シフト層２２．１２の材料としては、例えば、ＳｉＯ２を考慮する。
【００６０】
格子構造層２２．１２の形成に関しては、ＳｉＯ２、ＴａＯｘ、ＴｉＯ２、Ｓｉの群の誘電性の材料を使用することができる。しかしながら、この場合にはＴｉＮ、ＧａＮなどの半導体材料または例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕなどの導電率の高い金属を用いることも可能である。代替的には、格子構造層２２．１３は、上述の１つ以上の誘電性の材料または半導体材料を使用した層スタックから構成することもできる。
【００６１】
さらなる代替的な実施形態では、反射型位相格子として形成された偏光格子は、反射層を配置した１つのキャリア基板のみを有することができ、反射層の上方には構造化された位相シフト層が配置されている。したがって、この場合、図６ｃの例で設けられている別個の位相シフト層および格子構造層は、単一層、すなわち、１つまたは複数の構造化された層の形式で一緒に形成され、これらの層は、付加的な位相シフト層なしに反射層に直接に取り付けられている。
【００６２】
対応する偏光格子の所望の偏光効果を設定するために、格子構造の具体的な幾何学的形状および配置、格子パラメータ、構造幅、およびエッチング深さに加えて、当然ながら、使用される材料も適切に適合させて選択されるべきである。
【００６３】
図７ａ〜図７ｅは、それぞれ、本発明による光学式の位置測定装置を使用することができる偏光格子の代替的な実施形態のユニットセルの図を示す。
【００６４】
図７ａに示す偏光格子１２２の変形例では、格子構造は、格子ギャップ１２２．１および格子ウェブ１２２．２の形式で懸垂線状に形成されており、ｘ方向にそれぞれユニットセルの縁部まで延在している。これらの格子構造は、上記の関係（２ａ）によって解析的に特徴づけることができる。
【００６５】
図７ｂは、別の偏光格子２２２のユニットセルを示しており、円弧状の格子構造もしくは格子ギャップ２２２．１および格子ウェブ２２２．２が円形の線状に形成されており、ユニットセルの縁部でｘ方向にそれぞれ切り取られている。
【００６６】
図７ｃに示す偏光格子３２２のユニットセルでは、懸垂線状のグリッド構造もしくは格子ギャップ３２２．１および格子ウェブ３２２．２が、別個の直線部分を組み合わせて構成されている。
【００６７】
図７ｄは、図７ｃに示した実施形態の偏光格子をわずかに変更したユニットセルの変形例を示している。この偏光格子４２２では、格子構造もしくは格子ギャップ４２２．１および格子ウェブ４２２．２の隣接する線形部分はさらに付加的なずれを有している。
【００６８】
図７ｅは、最後に、偏光格子５２２のユニットセルのさらなる変形例を示している。
この例では、格子ギャップ５２２．１および格子ウェブ５２２．２の形式の円弧状の格子構造は部分的に中断されている。例えば、ユニットセル内の中央の格子ウェブ５２２．２は、２つの中断部５２２．２ａ、５２２．２ｂを有する。
【００６９】
図７ｂ〜７ｅの変形例は、製造がより簡単であることにより特に有利であることが判明している；これらの実施形態では、極めて微細に構造化された格子領域を回避することができる。
【００７０】
具体的に記載した実施形態に加えて、当然ながら、本発明の範囲内でさらなる構成の可能性が存在する。
【００７１】
したがって、２つの物体の回転相対運動を検出するための本発明による光学式の位置測定装置を構成することも可能である。
【００７２】
さらに、３格子エンコーダとして形成した場合、第１の格子が基準器の形式で、第２の格子が走査格子もしくは偏光格子の形式で、それぞれ反射性に構成されていることは必須ではない。したがって、当然ながら、第１の格子を透過型位相格子として構成し、第２の格子も透過型位相格子として形成することもできる。同様に、反射型位相格子と透過型位相格子とを有する混合構造の変形例、すなわち、例えば透過型走査格子もしくは透過型偏光格子も可能であり、反射性基準器または透過性基準器、および反射型偏光格子なども可能である。
【００７３】
偏光格子が透過型位相格子として透過性であるように構成される場合、例えば、格子構造がエッチングされる透明なキャリア基板を含むことができる。代替的には、透明なキャリア基板に誘電性の材料または半導体材料からなる別個の格子構造層を取り付けることが可能であり、この格子構造層にそれぞれの格子構造が形成される。この場合、格子構造層は適切な層スタックから形成することもできる。
【００７４】
さらに、３格子走査原理にしたがって説明した走査に加えて、本発明による光学式の位置測定装置に他の走査光線経路を設けることももちろん可能である。例えば、国際公開第２００８／１３８５０１号パンフレットまたは欧州特許出願公開第２４５０６７２号明細書により既知のような、いわゆる「ストリップエンコーダ」では、いずれか１つの格子が、位相シフトされた走査信号の偏光光学生成を可能にするために偏光格子として構成されており、この場合、付加的な、または別個の偏光光学素子を配置することはもはや必要ではない。このようなシステムでは、第１の格子を反射型位相格子または透過型位相格子として構成し、第２の格子を反射型位相格子として構成してもよい；第２の格子は偏光格子として機能する。
【００７５】
しかしながら、この走査原理および他の光学走査原理では、代替的に、入射されるそれぞれの格子を基本的には偏光格子として形成してもよい。
【符号の説明】
【００７６】
Ａ  格子、Ｌ１、Ｌ２
ＡＯ  評価光学系
Ｂ  照明光線束
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３  格子
Ｄ９０、Ｄ２１０、Ｄ３３０  検出器素子
Ｉ９０、Ｉ２１０、Ｉ３３０  部分光線束
ＬＱ  光源
Ｍ  格子
ＯＡ  光軸
Ｐ２、Ｐ３  偏光子
Ｐ９０、Ｐ２１０、Ｐ３３０  偏光子
ＰＥ１、ＰＥ２  ラムダ／４プレート
Ｓ  信号光線束
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３  走査信号
ＴＳ１、ＴＳ２  部分光線束
ＴＳ１′、ＴＳ２′  部分光線束
Λ  測定方向周期性
Λ＿ｏｒｔｈｏ  直交周期性
λ  波長
ｄ  層厚
ｘ  測定方向
１０  基準器
１０．１、１０．２  分割領域
２０  走査ユニット
２１  光源
２２  走査格子、偏光格子
２２．１  格子ギャップ
２２．２  格子ウェブ
２２．１０  キャリア基板
２２．１１  反射層
２２．１２  位相シフト層
２２．１３  格子構造層
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ  格子部分
２２．１  格子ギャップ
２２．２  格子ウェブ
２３  検出ユニット
２３．１  分割格子
２３．２ａ、２３．２ｂ、２３．２ｃ  偏光子
２３．３ａ、２３．３ｂ、２３．３ｃ  光電子検出器
１２２  偏光格子
１２２．１  格子ギャップ
１２２．２  格子ウェブ
２２２  偏光格子
２２２．１  格子ギャップ
２２２．２  格子ウェブ
３２２  偏光格子
３２２．１  格子ギャップ
３２２．２  格子ウェブ
４２２  偏光格子
４２２．１  格子ギャップ
４２２．２  格子ウェブ
５２２  偏光格子
５２２．１  格子ギャップ
５２２．２  格子ウェブ
５２２．２ａ、５２２．２ｂ  中断部
【図１】
2020187121.tif 000003
【図２】
2020187121.tif 000004
【図３】
2020187121.tif 000005
【図４】
2020187121.tif 000006
【図５】
2020187121.tif 000007
【図６ａ】
2020187121.tif 000008
【図６ｂ】
2020187121.tif 000009
【図６ｃ】
2020187121.tif 000010
【図７】
2020187121.tif 000011
【外国語明細書】
2020187121000001.pdf