(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの測定方向（ｘ）において相互に相対的に可動な２つの物体の位置を測定するための光学式位置測定装置において、
前記２つの物体の一方と結合された目盛本体であって、該目盛本体は、測定方向（ｘ）に伸長する増分目盛と基準位置（ｘＲＥＦ）における少なくとも１つの基準マークとを有し、該基準マークは、基準マーク対称軸（ＲＳ）に対して鏡像対称に配置された２つの基準マーク部分区域を含み、該２つの基準マーク部分区域はそれぞれ、位置によって変化する目盛周期を有して前記測定方向（ｘ）に伸長する構造パターンから構成されている、目盛本体と、
前記２つの物体の他方と結合された走査ユニットであって、該走査ユニットに、前記基準位置（ｘＲＥＦ）において少なくとも１つの基準信号（ＲＩ）を発生するために使用される走査手段が付属され、該走査手段は、
前記目盛本体の方向に発散放射する光源と、
前記構造パターンの目盛周期が基準マーク対称軸（ＲＳ）から前記２つの基準マーク部分区域それぞれにおいて変化するのと同じ方向に、隣接要素間の中心間隔（ｄＤ１、．．．ｄＤｎ）が中央の検出対称軸（ＤＳ）から測定方向（ｘ）に変化し、かつ、前記２つの基準マーク部分区域からの構造パターンの拡大倍率の像に対応するように、前記測定方向（ｘ）に沿って配置されている要素を有する検出装置と
を含む走査手段を備えた走査ユニットと
を有することを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の光学式位置測定装置において、前記２つの基準マーク部分区域は、前記基準マーク対称軸（ＲＳ）に隣接して前記構造パターンがそれぞれ最小目盛周期を有し且つ前記測定方向（ｘ）に外方に向かってそれぞれ順次大きくなる目盛周期を有することを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の光学式位置測定装置において、前記２つの基準マーク部分区域内の位置によって変化する目盛周期の目盛本体側目盛周波数（ｆＭＳ（ｘ））は、ｘ＝０を前記基準マーク対称軸の位置として、
−Ｌ／２≦ｘ＜０の場合、ｆＭＳ（ｘ）＝２ｆ０（２ｘ／Ｌ＋１）
０≦ｘ≦Ｌ／２の場合、ｆＭＳ（ｘ）＝｜２ｆ０（２ｘ／Ｌ−１）｜
ただし、Ｌ＝ｎ／ｆ０    （ｎは整数）
ｆＭＳ（ｘ）＝測定方向ｘ内の位置の関数としての目盛本体側目盛周波数
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
Ｌ＝２つの基準マーク部分区域内の構造パターンの測定方向ｘの長さの和
すなわち、基準マークの測定方向ｘの長さ
を満足するよう選択されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項４】
請求項１記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置の前記要素が、ｘ＝０を前記検出対称軸の位置として、
−Ｌ≦ｘ＜０の場合、ｆＤｅｔ（ｘ）＝（２／ｋ）ｆ０（ｘ／Ｌ＋１）
０≦ｘ≦Ｌの場合、ｆＤｅｔ（ｘ）＝｜（２／ｋ）ｆ０（ｘ／Ｌ−１）｜
ただし、ｆＤｅｔ（ｘ）＝測定方向ｘ内の位置の関数としての検出器側目盛周波数
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
Ｌ＝検出装置の２つの要素配置各々の測定方向ｘの長さ
ｋ＝１、２
によって表される検出器側目盛周波数（ｆＤｅｔ（ｘ））で配置されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項５】
請求項１記載の光学式位置測定装置において、前記測定方向（ｘ）の光源の幅は、
ｂＬＱ＜１／（２ｆ０）
ただし、ｂＬＱ＝測定方向内の光源の幅
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
を満足するように選択されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項６】
請求項１〜５いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記光源と前記目盛本体との間に送光スリットを有するシールドが配置されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項７】
請求項６記載の光学式位置測定装置において、前記測定方向（ｘ）の前記送光スリットの幅は、
ｂＳＰ＜１／（２ｆ０）
ただし、ｂＳＰ＝測定方向内の送光スリットの幅
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
を満足するように選択されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項８】
請求項１〜７いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記基準マーク及び前記増分目盛は、１８０°位相偏差及び１：１の目盛比を有する位相格子として形成されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項９】
請求項１〜６いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記基準マーク及び前記増分目盛は、振幅格子として又は９０°位相偏差及び１：１の目盛比を有する位相格子として形成されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１０】
請求項１〜９いずれかに記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置の前記要素は検出器アレイのアレイ検出要素として形成されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置は、アレイ検出要素の第１のセット及びアレイ検出要素の第２のセットを含み、かつ、それぞれのアレイ検出要素がセット毎に出力側で１つに結合されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１２】
請求項１記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置の前記要素は、１つの走査格子の目盛領域として形成され、それらの後方に少なくとも１つの広面検出要素が配置されていることを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１３】
請求項１記載の光学式位置測定装置において、前記検出装置は２つの広面検出要素を含み、それらの手前に相補的に形成された走査格子が配置されていることを特徴とする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、光学式位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願人の欧州特許公開第５１３４２７号には、少なくとも１つの測定方向内において相互に相対的に可動な２つの物体の位置を測定するために適している光学式位置測定装置が記載されている。この既知の位置測定装置は、２つの物体の一方と結合されている目盛本体を含む。目盛本体は、測定方向に伸長する増分目盛と、基準位置における少なくとも１つの基準マークとを有している。基準マークは、位置によって変化する目盛周期を有する構造パターンから構成されており、言い換えると、基準マークは多数の異なる目盛周期を含む構造パターンから形成される。このような構造パターンは、連続可変目盛構造パターン又は連続可変格子とも呼ばれる。さらに、位置測定装置は、２つの物体の他方と結合されている走査ユニットを含み、走査ユニットは走査手段を有し、走査手段は、変位の関数としての少なくとも１つの増分信号と、基準位置における少なくとも１つの基準信号とを、測定方向に沿った増分目盛及び基準マークの光学式走査を介して発生させるように使用される。この場合、目盛本体及び走査格子の異なる連続可変目盛周期によって発生する全ての信号周波数成分が位相方向に重なったとき、基準パルス信号が発生する。
【０００３】
欧州特許公開第５１３４２７号の図８には、このように形成された連続可変基準マークの特殊な態様が開示されており、この態様は、対称軸に対して鏡像対称に配置された基準マーク部分区域を含む。２つの基準マーク部分区域はそれぞれ、位置によって変化する目盛周期を有して測定方向に伸長する構造パターンから構成されている。
【０００４】
欧州特許公開第５１３４２７号に開示されている位置測定装置は、第１の格子が走査ビーム通路内において、コリメートされて平行のビーム束により照明される、いわゆる干渉走査原理に基づいている。増分信号及び基準信号の形の、変位の関数としての走査信号は、目盛本体及び走査ユニットが相対運動をした場合に、変位の関数としての位相変位を受けた複数の部分ビーム束の重ね合わせから得られる。このようにして、２つの物体の相対位置に関して解像度の高い位置情報が得られる。
【０００５】
光学式位置測定装置における他の走査原理が、例えば、Ｒ．Ｐｅｔｔｉｇｒｅｗの、「格子画像の解析及び変位計測学へのその応用（Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）」というタイトルの論文、ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．ｌ３６、計測学に応用される光学に関する第１回欧州会議（１９７７）、３２５−３３２頁に開示されている。この走査原理においては、走査ビーム通路内において、第１の格子の発散照明即ちコリメートされていない照明が使用されている。
【０００６】
本出願人によるドイツ特許公開第１９７４８８０２号も、同様に、光学式位置測定装置内の連続可変基準マークに関する発明を開示している。この文献にはさらに、このような基準マークが上記の走査原理と組み合わせられて、即ち、走査ビーム通路内の第１の格子の発散照明を行う装置と結合されて使用されることが記載されている。しかしながら、ドイツ特許公開第１９７４８８０２号及び欧州特許公開第５１３４２７号のいずれも、連続可変基準マークが使用されるときに、発散照明を有する光学式位置測定装置をいかに形成すべきかについて、具体的な指針について開示していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、発散照明を有する走査原理が使用されかつ解像度の高い基準信号を発生するために連続可変基準マークが使用可能な光学式位置測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的は、本発明により、請求項１の特徴を有する光学式位置測定装置により達成される。
本発明による光学式位置測定装置の有利な実施形態が、従属請求項に記載の手段から得られる。
【０００９】
本発明による光学式位置測定装置は、少なくとも１つの測定方向内において相互に相対的に可動な２つの物体の位置を測定するために使用される。位置測定装置は２つの物体の一方と結合されている目盛本体を有し、目盛本体は、測定方向に伸長する増分目盛と基準位置における少なくとも１つの基準マークとを有している。基準マークは基準マーク対称軸に対して鏡像対称に配置された２つの基準マーク部分区域を含み、２つの基準マーク部分区域はそれぞれ場所によって変化する目盛周期を有して測定方向に伸長する構造パターンから構成されている。さらに、位置測定装置は２つの物体の他方と結合されている走査ユニットを有し、走査ユニットに、基準位置において少なくとも１つの基準信号を発生するために使用される走査手段が付属されている。走査手段は、目盛本体の方向に発散放射する光源と、並びに構造パターンの目盛周期が基準マーク対称軸から基準マーク部分区域内において変化するのと同じ方向に、隣接要素間の中心間隔が中央の検出対称軸から測定方向に変化するように、測定方向に沿って配置されている要素を有する検出装置と、を含む。
【００１０】
本発明によれば、発散照明を有する走査原理においてもまた、連続可変格子構造パターンにより解像度の高い基準パルス信号の発生が保証可能である。この場合、さらに、本発明による基準パルス発生においては、目盛本体と走査ユニットとの間の走査間隔の変化に対して感度が低いことが判明し、これは有利である。さらに、本発明による位置測定装置における基準パルス信号の発生は、汚れに対して比較的感度が低く、これは単一区域走査が使用されることに起因している。これは、種々の信号部分が常に走査される基準マークの目盛周期から発生することを意味する。さらに、基準パルス信号の発生において、基準マークの照明された全区域が利用される。これはきわめて有効であり、その結果、大きな信号振幅が得られ、外乱に対する感受性が極めて低く、また、信号ノイズが小さくなる。
【００１１】
本発明による光学式位置測定装置に関しては、種々の実施態様が実現可能である。
即ち、本発明による光学式位置測定装置の基準マーク部分区域は、特に、基準マーク対称軸に隣接して構造パターンがそれぞれ最小目盛周期を有し且つ測定方向に外方に向かってそれぞれ次第に大きくなる目盛周期が設けられているように形成されていることが好ましい。
【００１２】
好適な一実施形態において、２つの基準マーク部分区域内の位置によって変化する目盛周期の目盛本体側目盛周波数は、ｘ＝０を基準マーク対称軸の位置として、以下の式を満足するように選択されている。
−Ｌ／２≦ｘ＜０の場合、ｆＭＳ（ｘ）＝２ｆ０（２ｘ／Ｌ＋１）
０≦ｘ≦Ｌ／２の場合、  ｆＭＳ（ｘ）＝｜２ｆ０（２ｘ／Ｌ−１）｜
ただし、Ｌ＝ｎ／ｆ０（ｎは整数）であり、また、
ｆＭＳ（ｘ）＝測定方向ｘ内の位置の関数としての目盛本体側目盛周波数
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
Ｌ＝２つの基準マーク部分区域内の構造パターンの測定方向ｘの長さの和
すなわち、基準マークの測定方向ｘの長さ
である。
【００１３】
本発明による光学式位置測定装置の可能な一変更態様において、検出装置の要素は、ｘ＝０を検出対称軸の位置として、次の検出器側目盛周波数で配置されている。
−Ｌ≦ｘ＜０の場合、ｆＤｅｔ（ｘ）＝（２／ｋ）ｆ０（ｘ／Ｌ＋１）
０≦ｘ≦Ｌの場合、  ｆＤｅｔ（ｘ）＝｜（２／ｋ）ｆ０（ｘ／Ｌ−１）｜
ただし、
ｆＤｅｔ（ｘ）＝測定方向ｘ内の位置の関数としての検出器側目盛周波数
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
Ｌ＝検出装置の２つ要素配置各々の測定方向ｘの長さ
ｋ＝１、２
【００１４】
さらに、検出装置の要素が基準マーク部分区域からの構造パターンの倍率が拡大された像に対応するように、検出装置の要素を測定方向に沿って配置してもよい。
測定方向内の光源の幅が次のように選択されることが好ましい。
ｂＬＱ＜１／（２ｆ０）
ただし、
ｂＬＱ＝測定方向内の光源の幅
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
【００１５】
光源と目盛本体との間に送光スリットを有するシールドが配置されていてもよい。
この場合、測定方向内の送光スリットの幅は次のように選択されてもよい。
ｂＳＰ＜１／（２ｆ０）
ただし、
ｂＳＰ＝測定方向内の送光スリットの幅
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
【００１６】
基準マーク及び増分目盛が、１８０°位相偏差及び１：１の目盛比を有する位相格子として形成されていることが好ましい。
しかしながら、代替態様として、基準マーク及び増分目盛は、振幅格子として又は９０°位相偏差及び１：１の目盛比を有する位相格子として形成されていてもよい。
【００１７】
検出装置の要素は検出器アレイのアレイ検出要素として形成されていてもよい。
この場合、検出装置は、アレイ検出要素の第１のセット及びアレイ検出要素の第２のセットを含み、この場合、それぞれ１つのセットのアレイ検出要素が出力側で１つに結合されていてもよい。
しかしながら、検出装置の要素が１つの走査格子の目盛領域として形成され、それらの後方に少なくとも１つの広面検出要素が配置されていてもよい。
この場合、検出要素が２つの広面検出要素を含み、それらの手前に相補的に形成された走査格子が配置されていてもよい。
本発明のその他の詳細及び利点は、本発明による光学式位置測定装置の実施例の図面に関する以下の記載により説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による位置測定装置の第１の実施例における基準パルス信号を発生させるための走査ビーム通路のきわめて簡略化した図である。
【図２】増分目盛及び基準マークを有する、図１に示した位置測定装置の目盛本体の平面図である。
【図３】基準パルス信号を発生させるための可能な回路の一例を含む、図１に示した位置測定装置の概略部分図である。
【図４ａ】図３に示した回路において発生された、基準位置の範囲内の基準パルス正相信号を示す図である。
【図４ｂ】図３に示す回路において発生された、基準位置の範囲内の基準パルス逆相信号を示す図である。
【図４ｃ】図３に示す回路において発生された、基準位置の範囲内の基準パルス信号を示す図である。
【図５】本発明による位置測定装置の第２の実施例における基準パルス信号を発生させるための走査ビーム通路をきわめて簡略化して示した図である。
【図６】図５の位置測定装置内の送光側に設けられた格子の平面図である。
【図７】本発明による位置測定装置の第３の実施例における基準パルス信号を発生させるための走査ビーム通路をきわめて簡略化して示した図である。
【図８】図７の位置測定装置内の送光側に設けられた格子の平面図である。
【図９】本発明による位置測定装置の第４の実施例の検出平面の概略部分図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図１、２、３及び４ａ−４ｃを参照して、本発明による光学式位置測定装置の第１の実施形態を詳細に説明する。図１は基準パルス信号を発生させるための走査ビーム通路をきわめて簡略化した形で示し、図２は基準マークの範囲内の目盛本体の平面図を示し、図３は基準パルス信号を発生させるための回路を含む検出平面の部分図を示し、図４ａ−図４ｃは基準位置の範囲内の種々の信号を示している。
【００２０】
図示の実施例において、本発明による光学式位置測定装置は、光透過型の長さ測定装置として形成され、走査ユニット２０を含み、該走査ユニット２０は、測定方向ｘ内において目盛本体１０に対して移動可能に配置されている。目盛本体１０及び走査ユニット２０は、例えば測定方向ｘにおいて相互に移動可能に配置された２つの物体と結合されている。この場合、２つの物体は、例えば相互に可動な２つの機械部分であってもよい。本発明による光学式位置測定装置の、発生された位置の関数としての出力信号（増分信号、基準パルス信号）を介して、従属の制御ユニットが、これらの機械部分の運動を既知のように最適に制御可能である。
【００２１】
図１は、その他の点においては著しく簡略化され、特に、光透過型装置に対して必要な走査ユニット２０による目盛本体は、単に原理的に、走査ユニット２０の光源側部分と検出側部分とを鎖線によって示している。
【００２２】
この実施例においては、目盛本体１０は測定方向ｘに延在する線形増分目盛１２を含み、増分目盛１２は、目盛ホルダ１３上に配置されている。増分目盛１２は、測定方向ｘに目盛周期ＴＰＩＮＣ＝８μｍで周期的に配置された、異なる光学特性を有する目盛領域から構成され、この目盛領域は目盛平面内においてｙ方向に延在する。図示の例においては、増分目盛１２は、１８０°位相偏差及び１：１の目盛比を有する位相格子として形成されている。
【００２３】
増分目盛１２を有するトラックに隣接して、目盛本体１０の側面上に、目盛ホルダ１３上の特定の基準位置ｘＲＥＦに基準マーク１１が配置されている。ただし、基本的には、複数の基準位置において対応する基準マークが配置されてもよいことは明らかである。基準マーク１１は、増分目盛１２と同様に、１８０°位相偏差を有する光透過型の位相格子として形成され且つ交互に配置された部分領域１１．１、１１．２を有する構造パターンから構成され、部分領域１１．１、１１．２は入射ビーム束に対して異なる位相シフト作用を行う。
【００２４】
図１及び図２に示すように、基準マーク１１は、基準位置ｘＲＥＦにおいて基準マーク対称軸ＲＳに鏡像対称（軸対称）に配置された２つの基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂを含む。２つの基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂの各々は、それぞれ位置によって変化する目盛周期を有して測定方向ｘに延在する構造パターンすなわち格子目盛構造パターンを有している。図示の例においては、この場合、基準マーク対称軸ＲＳに隣接する構造パターンはそれぞれ最小目盛周期を有し、測定方向ｘに外方に向かって順次増大する目盛周期が設けられている。
【００２５】
この関係は特に図２に示されており、図２において基準マーク１１の隣接する部分領域１１．１、１１．２の間の間隔ｄＲ１を有することが、右側基準マーク部分区域１１Ｂに示されている。これからわかるように、基準マーク対称軸ＲＳから外方に向かって、次の関係が成立する。
ｄＲ１＜ｄＲ２＜ｄＲ３＜ｄＲ４
その結果、基準マーク１１の２つの基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂ内の構造パターンは、いわゆる連続可変目盛構造パターンとして形成され、この場合、基準マーク対称軸ＲＳに対して鏡像対称の連続可変状態が２つの基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂに設けられている。このように、基準マーク１１は、本発明により、対称的な連続可変構造パターンを有している。
【００２６】
この例に関して、それぞれの連続可変状態は、２つの基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂ内の位置によって変化する目盛周期の目盛本体側目盛周波数ｆＭＳ（ｘ）として具体的に与えられてもよい。即ち、ｘ＝０を基準マーク対称軸の位置として、変数ｆＭＳ（ｘ）は次のように選択されることが好ましい。
−Ｌ／２≦ｘ＜０の場合、ｆＭＳ（ｘ）＝２ｆ０（２ｘ／Ｌ＋１）        （式１．１）
０≦ｘ≦Ｌ／２の場合、  ｆＭＳ（ｘ）＝｜２ｆ０（２ｘ／Ｌ−１）｜    （式１．２）
ただし、
Ｌ＝ｎ／ｆ０（ｎは整数）                                          （式１．３）
であり、また、
ｆＭＳ（ｘ）＝測定方向ｘの位置の関数としての目盛本体側目盛周波数
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
Ｌ＝２つの基準マーク部分区域内の構造パターンの測定方向ｘ内の長さの和
すなわち、基準マークの測定方向ｘの長さ
である。
【００２７】
周期的増分信号及び少なくとも１つの特定の基準位置ｘＲＥＦにおける少なくとも１つの基準パルス信号ＲＩの形の変位の関数としての出力信号を発生させるために、走査ユニット２０内に１組の構成要素が配置され、この１組の構成要素は図示を簡単にするためにまとめて走査手段として表わされている。基準パルス信号ＲＩを発生させるために必要な走査手段に、この例においては、目盛本体１０の方向に発散放射する光源２１、及び、特殊に形成されかつ基準マーク１１に同調する検出装置２２が付属している。この場合、検出装置２２は、構造パターンの目盛周期が基準マーク対称軸ＲＳから２つの基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂ内において変化するのと同じ方向に、隣接要素間の中心間隔が中央の検出対称軸ＤＳから測定方向ｘに変化するように、測定方向ｘに沿って配置されている要素を含む。その結果、検出装置２２は、基準マークと同様に、対応する要素の配置に関して対称的な連続可変構造パターンを有している。
【００２８】
図示の第１の実施例において、基準マークに同調して検出平面内に配置された検出装置２２の要素は、図３に示すように、検出器アレイを構成するアレイ検出要素２２．１、２２．２である。この場合、アレイ検出要素２２．１、２２．２は、通常対応ホトダイオード・アレイ内のホトダイオードとして形成され、四角形状を有し且つ測定方向ｘに沿って相互に隣接して配置されている。四角形の縦軸はそれぞれ測定方向ｘに対して直角に、図に示されたｙ方向に沿って伸長している。
しかしながら、検出装置２２をこのように形成する代わりに、検出装置２２の要素が１つの走査格子の目盛領域であり、それらの後方に広面の検出要素が配置されていてもよい。この可能性に関して、第４の実施例に関連して以下に説明する。
【００２９】
図３に示すように、第１の実施例の検出装置２２は、アレイ検出要素２２．１の第１のセット並びにアレイ検出要素２２．２の第２のセットを含む。第１及び第２のセットのアレイ検出要素２２．１、２２．２は、測定方向に交互に配置されている。この場合、隣接するアレイ検出要素２２．１、２２．２の中心間隔ｄＤ１、．．．ｄＤｎは、中央の検出対称軸ＤＳから外方に向かって、基準マーク１１の側面上で構造パターンの目盛周期が２つの基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂ内において変化するのと同じ方向に変化する。さらに図３に示すように、検出対称軸ＤＳに直接隣接して最小中心間隔が、したがってｘ方向に見て最も狭いアレイ検出要素２２．１、２２．２が設けられ、それぞれ外方に向かって次第に広くなるアレイ検出要素２２．１、２２．２が配置され、したがって、より大きくなる中心間隔ｄＤｎが設けられている。その結果、本発明により、検出装置２２の要素即ちこの場合アレイ検出要素２２．１、２２．２の対称的な連続可変配置は、基準マーク１２の構造パターンの同様に対称的な連続可変配置に同調される。
【００３０】
同様に図３に示すように、１つのセットの全てのアレイ検出要素２２．１、２２．２は、出力側で１つに結合される。基準マーク１１を通過したときに、図４ａの基準位置ｘＲＥＦの範囲内に示されているように、第１のセットのアレイ検出要素２２．１からいわゆる基準パルス正相信号ＲＩＴが発生する。第２のセットのアレイ検出要素２２．２は、図４ｂの基準位置ｘＲＥＦの範囲内に示されているいわゆる基準パルス逆相信号ＲＩＧＴを提供する。基準パルス正相信号ＲＩＴ及び基準パルス逆相信号ＲＩＧＴは、差分生成要素２３により差に変換される。このとき、差分生成要素２３の出力に基準パルス信号ＲＩが発生し、基準パルス信号ＲＩは位置測定における絶対関係を形成するために、既知のように後続処理される。このように発生された基準パルス信号の基準位置ｘＲＥＦの範囲内の遷移状態が図４ｃに示されている。
【００３１】
検出装置２２の要素の配置もまた、式１．１〜１．３による基準マーク部分区域１１Ａ、１１Ｂの特性化と同様に、要素の中心間隔の場所によって変化する経過を決定する検出器側目盛周波数ｆＤｅｔ（ｘ）を介して表わすことが可能である。したがって、変数ｆＤｅｔ（ｘ）は、ｘ＝０を基準マーク対称軸の位置として、次のように選択されることが好ましい。
−Ｌ≦ｘ＜０の場合、ｆＤｅｔ（ｘ）＝（２／ｋ）ｆ０（ｘ／Ｌ＋１）      （式２．１）
０≦ｘ≦Ｌの場合、  ｆＤｅｔ（ｘ）＝｜（２／ｋ）ｆ０（ｘ／Ｌ−１）｜  （式２．２）
ここで、
ｆＤｅｔ（ｘ）＝測定方向ｘ内の位置の関数としての検出器側目盛周波数
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
Ｌ＝検出装置の２つの要素配置各々の測定方向ｘ内の長さ
ｋ＝１、２
である。
【００３２】
式２．１及び２．２の変数ｋは、特に目盛本体により発生された回折次数が信号ゲインに寄与する選択された光学式走査のタイプを表わす。
即ち、ｋ＝１は、目盛本体１０又は増分目盛１２の側面上で本質的に＋／−１次の回折次数が発生される装置を表わす。この場合、増分目盛１２のみならず基準マーク１１もまた、１８０°の位相偏差及び１：１の目盛比を有する位相格子として形成されている。
ｋ＝２の場合は、目盛本体の増分目盛が＋／−１次の回折次数のみならず０次の回折次数もまた発生され且つ信号ゲインに寄与する装置が表わされる。この場合、検出側に特定の検出平面が存在し、この検出平面内において目盛本体の走査から発生されたストリップ・パターンの最大コントラストが存在する。このために適した増分目盛並びに付属の基準マークは、振幅格子として形成されているか、又は９０°の位相偏差及び１：１の目盛比を有する位相格子として形成されている。
連続可変基準マークに関して、上記の目盛比は、この場合、それぞれ局部的な目盛比である。
【００３３】
本発明による光学式位置測定装置においては、測定方向ｘの光源２１の幅ｂＬＱが次式により選択されたとき、有利であることがさらにわかった。
ｂＬＱ＜１／（２ｆ０）                                            （式３）
ただし、ｂＬＱ＝測定方向内の光源の幅
ｆ０＝平均目盛本体側目盛周波数
【００３４】
本発明による光学式位置測定装置の第１の実施形態の具体的な態様においては、次のパラメータが設定されている。
ＴＰＩＮＣ＝８μｍ（信号周期＝４μｍ）
ｆ０＝３５／ｍｍ
Ｌ＝１ｍｍ
ｋ＝１
この場合、光源２１として、点光源例えばいわゆるＶＣＳＥＬ光源（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）が設けられている。
【００３５】
以下に、本発明による光学式位置測定装置の他の実施形態を他の図面を参照して説明する。ただし、第１の実施例との決定的な相違のみが説明されるので、その他については第１の実施例の詳細な説明、特に寸法決定のルールを参照されたい。
【００３６】
本発明による光学式位置測定装置の第２の実施形態が、図５及び図６に一部簡略化して示されている。具体的な第１の実施形態とは異なり、ここでは、走査ユニット１２０内にＶＣＳＥＬ光源の形の点状光源１２１ではなく空間的に広がりを有する光源１２１が使用されるが、この光源１２１は同様に目盛本体１１０の方向に発散放射する。このために、例えば、３００μｍのエッジ間長さを有するＬＥＤが使用されてもよい。使用される走査原理は点光源を前提とするので、空間的に広がりを有する光源１２１の使用に基づき、ここではさらに、光源１２１と目盛本体１１０との間に、測定方向ｘに幅ｂの送光スリット１５１を有するシールドが配置されている。
測定方向ｘの送光スリット１５１の幅ｂに関しては、次式（４）を満足することが好ましい。
ｂＳＰ＜１／（２ｆ０）                                        （式４）
【００３７】
図５においては、同様に、本発明により基準パルス信号ＲＩを発生するために使用される走査ビーム通路の構成要素のみが示され、増分信号を発生するために必要な全ての構成要素は示されていない。
図６に、シールド１５０の平面図が示されている。シールド１５０は、基準パルス信号ＲＩを発生するための上記の送光スリット１５１のほかに、ｙ方向に隣接して配置された増分走査のための送光格子１６１をさらに含む。
基準パルス信号ＲＩの発生に関して、この変更態様においてもまた同様に、目盛本体１１０上に、２つの基準マーク部分区域１１１Ａ、１１１Ｂ内に対称的な連続可変構造パターンを有する基準マーク１１１を形成するように設計されている。走査ユニット１２０側の走査手段は、第１の例においてと同様に、発散光源１２１のほかに、例えばアレイ検出要素の同様に対称的な連続可変配置を有する検出装置１２２を含む。具体的配置の規則性に関しては、上記した説明を参照されたい。
【００３８】
本発明による光学式位置測定装置の第２の実施例の具体的態様において、次のパラメータが設定されている。
ＴＰＩＮＣ＝８μｍ（信号周期＝４μｍ）
ｆ０＝７．５／ｍｍ
Ｌ＝２．１３３ｍｍ
ｂＳＰ＝０．０４８ｍｍ
ｋ＝１
この実施態様においては、増分信号の信号周期よりも著しく幅が広い基準パルス信号が発生される。したがって、増分信号の信号周期の幅を有する基準パルス信号を保持するために、後段で基準パルス信号を適切に処理することが必要である。
【００３９】
本発明による光学式位置測定装置のさらに他の第３の実施例が、図７及び８に示されている。
これまで説明した例ではｋ＝１としたが、第３の実施例では、ｋ＝２を選択するように設計されている。これは、他の目盛本体２１０が使用されることを意味する。即ち、ここでは、明らかにより大きい目盛周期を有する増分目盛が設けられている。即ち、信号ゲインにおいて、＋／−１次の回折次数のほかに、発生された０次の回折次数もまた使用される。
【００４０】
第２の実施例と同様に、走査ユニット２２０内において空間的に広がりを有する発散放射光源２２１が使用され、したがって、同様に、光源２２１と目盛本体２１０との間に幅ｂＳＰの送光スリット２５１を有するシールド２５０が配置されている。
この実施例においては、使用された走査原理及び０次の回折次数に基づき、検出装置２２２の要素が基準マーク２１１の基準マーク部分区域２１１Ａ、２１１Ｂ内の構造パターンの倍率が拡大された像に対応するように、検出装置２２２の要素が測定方向ｘに沿って配置されている。
【００４１】
基準マーク部分区域２１１Ａ、２１１Ｂ内の構造パターンの基本的な配置又は検出装置２２２内の要素の配置に関しては、第１の実施例に関する説明を参照されたい。
本発明による光学式位置測定装置の第３の実施例の具体的な態様に対して、次のパラメータが設定されている。
光源（ＬＥＤ）の空間的幅：３００μｍ
ＴＰＩＮＣ＝２０μｍ（信号周期＝２０μｍ）
ｆ０＝１１／ｍｍ
Ｌ＝２ｍｍ
ｂＳＰ＝０．０４５ｍｍ
ｋ＝２
これらのパラメータの選択により、この例においては、増分信号周期に対応する幅を有する基準パルス信号が発生される。
【００４２】
最後に、本発明による光学式位置測定装置の第４の実施例を図９を参照して説明する。図９は、検出装置３２２の代替態様を有する走査ユニット内の検出平面を簡略化した形で示している。
これまでに説明した第１〜第３の実施例においては、対応して連続可変に配置された検出装置の要素がそれぞれ適切な検出器アレイのアレイ検出要素として形成されてきた。第４の実施例においては、対応して連続可変に配置された検出装置３２２の要素は走査格子の目盛領域３２２．１１．．．３２２．１ｎないしは３２２．２１．．．３２２．２ｎであり、その後方にそれぞれ、広面検出要素３２２．１、３２２．２が配置されているように設計されている。図示の実施例においては、検出装置３２２は、それぞれ四角形に形成されている２つの広面検出要素３２２．１、３２２．２を含み、この場合、四角形の縦軸は測定方向ｘに伸長している。対応して連続可変に配置された目盛領域３２２．１１．．．３２２．１ｎないしは３２３．２１．．．３２３．２ｎを有する走査格子の相補の形態に基づき、検出要素３２２．１を介して基準パルス正相信号ＲＩＴが発生され、及び検出要素３２２．２を介して位相が反対の基準パルス逆相信号ＲＩＧＴが発生される。差分生成要素３２３を介してこれらの２つの信号から差が形成された後に、差分生成要素３２３の出口において基準信号ＲＩが発生する。
【００４３】
検出対称軸ＤＳに対して対称的に設けられた目盛領域３２２．１１．．．３２２．１ｎないしは３２２．２１．．．３２２．２ｎの配置は、各検出要素３２２．１、３２２．２に対して、そこではそれぞれアレイ検出要素として形成されてきた検出装置の異なる要素に対する上記の規則性に対応している。
検出装置３２２の形成に関するこのような変更態様は、例えば、比較的狭いアレイ検出要素が必要とされ且つこれが技術的にもはや製造不可能であるときに採用可能である。基本的に、このような検出器アレイに対しては、技術的制限に基づいてそれを下回ることができない特定の最小幅ないしは最小間隔が存在する。これに対して、光学式走査に関して同等に機能する広面検出要素上にそれに対応して細かい構造パターンの走査格子を形成すると、問題は少なくなる。
【００４４】
これまで説明してきた実施例のほかに、本発明の範囲内において、本発明による光学式位置測定装置のさらに他の可能な実施形態が含まれることは明らかである。
即ち、本発明による位置測定装置は、線形変位運動を測定するための長さ測定装置のみならず、回転軸の周りの回転運動を測定するための回転位置測定装置もまた形成可能である。
同様に、上記の透過光態様のほかに、それに対応して構成された、走査される反射目盛本体を有する入射光態様を本発明により形成することもまた可能であることは当然である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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