(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに相対的に動く二つの物体の位置を検出する光学位置測定装置であって、
これらの二つの物体の中の一方と連結され、少なくとも一つの第一の目盛方向（ｘ）に沿って目盛領域を周期的に配置した測定目盛を備えた基準尺と、
この基準尺に対して相対的に動くように配置された、複数の光学素子を備えた走査ユニットと、
を有し、
この走査ユニットの光学素子の配置及び構成によって、干渉させる部分光ビームが対称面に関して鏡面対称に進んで、基準尺上にＶ字形状に入射することと基準尺によるＶ字形状の反射を受けることとの中の一つ以上を実行する走査光路が得られる、
光学位置測定装置において、
この対称面（ＳＥ）が、基準尺（１０’；１１０’；２１０’；３１０’；４１０’）の表面に対して平行な方向を向くとともに、第一の目盛方向（ｘ）に対して直角に延びる回転軸の周りを所定の傾斜角（α）だけ傾斜することと、
対称面（ＳＥ）が基準尺（１０）の表面に対して直角の方向を向いた非傾斜状態において選定された測定目盛（１２）の目盛周期（ｄＭ）に応じて、走査ユニット（２０；１２０；２２０；３２０．１，３２０．２；４２０．１〜４２０．６）内の走査光路がこの非傾斜状態の走査光路と同じになるように、傾斜状態における測定目盛（１２’；１１２’；２１２’；３１２’；４１２’）の目盛周期（ｄＭ’）、部分光ビームの回折次数（ｎＡ，ｎＢ）及び傾斜角（α）が選定されることと、
を特徴とする光学位置測定装置。
【請求項２】
測定目盛（１２’；１１２’；２１２’；３１２’；４１２’）での非対称な回折次数から得られる部分光ビーム（Ａ，Ｂ）を干渉させることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
【請求項３】
測定目盛（１２’；１１２’；２１２’；３１２’；４１２’）での次の回折次数の組合せ、
＋３／−１回折次数、
＋１／０回折次数、
−３／＋１回折次数、
−１／０回折次数、
の中の一つから得られる部分光ビーム（Ａ，Ｂ）を干渉させることを特徴とする請求項２に記載の光学位置測定装置。
【請求項４】
測定目盛（１２’；１１２’；２１２’；３１２’；４１２’）が、信号生成に使用される回折次数の回折効率を最適化して高くした反射位相格子として構成されることを特徴とする請求項２に記載の光学位置測定装置。
【請求項５】
走査ユニット（２０；２２０；３２０．１，３２０．２；４２０．１〜４２０．６）が、複数の光学素子を備えた少なくとも一つの走査板（２１；２２３；３２３．１，３２３．２）を有し、この走査板（２１；２２３；３２３．１，３２３．２）が対称面（ＳＥ）に対して直角に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
【請求項６】
走査ユニット（２０）に配置された走査板（２１）が透明に構成されて、その基準尺（１０’）の方を向いた側に、二つの第一の走査格子（２２Ａ１，２２Ｂ１）と二つの第二の走査格子（２２Ａ２，２２Ｂ２）が配置されるとともに、その基準尺と逆の方を向いた側に、二つの反射器（２３Ａ，２３Ｂ）が配置され、これらの反射器（２３Ａ，２３Ｂ）の反射する側が基準尺（１０’）の方向を向いていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の光学位置測定装置。
【請求項７】
光源から放出された光ビーム（ＳＩＮ）が、
測定目盛（１２’）に当たり、そこで、走査ユニット（２０）の方にＶ字形状に反射される、二つの異なる回折次数に対応する二つの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）に分割され、
これらの反射された二つの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、走査ユニット（２０）において、二つの反射器（２２Ａ，２２Ｂ）の方向に向かって二つの第一の走査格子（２２Ａ１，２２Ｂ１）を通過し、その際、入射方向に対して逆平行の方向を向く偏向作用と第一の目盛方向（ｘ）に対して直角の集束作用だけを受け、
次に、そのように偏向、集束された部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、それぞれ反射器（２３Ａ，２３Ｂ）に当たって、基準尺（１０’）の方向に反射され、
次に、これらの二つの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、基準尺（１０’）の方向に向かって二つの第二の走査格子（２２Ａ２，２２Ｂ２）を通過し、その際、第一の目盛方向（ｘ）への偏向作用と第一の目盛方向（ｘ）に対して直角のコリメーション作用だけを受け、その結果、これらの二つの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、次に、基準尺（１０’）の方向にＶ字形状に進み、
そこで、重なり合った部分光ビーム（Ａ，Ｂ）の走査ユニット（２０）の方向への新たな回折と反射が起こるように、
走査ユニット（２０）が構成されることを特徴とする請求項６に記載の光学位置測定装置。
【請求項８】
走査ユニット（１２０）が、少なくとも一つの分割素子（１２３）、二つの偏向素子（１２４Ａ，１２４Ｂ）、二つの反射器（１２６Ａ，１２６Ｂ）及び二つのレンズ（１２５Ａ，１２５Ｂ）を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の光学位置測定装置。
【請求項９】
光源（１２１）から放出された光ビームが、
分割素子（１２３）によって、二つの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）に分割されて、これらの部分光ビームが、次に、それぞれ偏向素子（１２４Ａ，１２４Ｂ）の方向に進み、
これらの二つの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、偏向素子（１２４Ａ，１２４Ｂ）によって偏向され、その結果、測定目盛（１１２’）上の第一の衝突地点（ＰＭ’）の方向に向かってＶ字形状に進み、
これらの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、測定目盛（１１２’）上の第一の衝突地点（ＰＭ’）で、それぞれ走査ユニット（１２０）のレンズ（１２５Ａ，１２５Ｂ）及び反射器（１２６Ａ，１２６Ｂ）の方向への第一の回折とＶ字形状の反射を受け、
これらの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、一回目にレンズ（１２５Ａ，１２５Ｂ）を通過して、反射器（１２６Ａ，１２６Ｂ）によって、入射方向にＶ字形状に反射されて、二回目にレンズ（１２５Ａ，１２５Ｂ）を通過し、
次に、これらの部分光ビームが、第二の衝突地点（ＰＭ’）で測定目盛（１１２’）に当たって、それぞれ走査ユニット（１２０）の偏向素子（１２４Ａ，１２４Ｂ）の方向への第二の回折とＶ字形状の反射を受けるように、
走査ユニット（１２０）が構成されることを特徴とする請求項８に記載の光学位置測定装置。
【請求項１０】
走査ユニット（２２０）が、少なくとも一つの透明な走査板（２２３）と構造化された光検出器（２２５）を有し、この走査板（２２３）の入射光ビームの方を向いた側に、第一と第二の走査格子（２２４Ａ，２２４Ｂ）が配置されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の光学位置測定装置。
【請求項１１】
光源（２２１）から放出された光ビームが、
影響を受けること無く走査板（２２３）を通過した後、測定目盛（２１２’）に当たり、そこで、走査ユニット（２２０）の方にＶ字形状に反射される、二つの異なる回折次数に対応する二つの部分光ビーム（Ａ，Ｂ）に分割され、
これらの二つの反射された部分光ビーム（Ａ，Ｂ）が、走査ユニット（２２０）において、それぞれ二つの走査格子（２２４Ａ，２２４Ｂ）の中の一方を通過し、その際、対称面（ＳＥ）の方向に偏向された後、構造化された光検出器（２２５）の方向に進み、そこで、重なり合って干渉するように、
走査ユニット（２２０）が構成されることを特徴とする請求項１０に記載の光学位置測定装置。
【請求項１２】
同じように構成された第二の走査ユニット（３２０．２）が、走査ユニット（３２０．１）と機械的に堅く連結されており、これらの二つの走査ユニット（３２０．１，３２０．２）が、それらに対応する互いに平行な方向を向いた回転軸の周りを同じ大きさの角度であるが、互いに逆の方向に傾斜して配置されることを特徴とする請求項１０に記載の光学位置測定装置。
【請求項１３】
測定目盛（４１２’）が第一と第二の目盛方向（ｘ，ｙ）に沿って目盛領域を周期的に配置した二次元交差格子として構成され、請求項１２による位置測定装置が三対配備されて、二対が第一の目盛方向（ｘ）に対して平行に配置され、第三の対が第二の目盛方向（ｙ）に対して平行に配置されることを特徴とする測定構成。
【請求項１４】
互いに相対的に動く二つの物体の位置を検出する光学位置測定装置の測定目盛の目盛周期と傾斜角を選定する方法であって、
この光学位置測定装置が、
これらの二つの物体の中の一方と連結され、少なくとも一つの第一の目盛方向（ｘ）に沿って目盛領域を周期的に配置した測定目盛を備えた基準尺と、
この基準尺に対して相対的に動くように配置された、複数の光学素子を備えた走査ユニットと、
を有し、
この走査ユニットの光学素子の配置及び構成によって、干渉させる部分光ビームが対称面に関して鏡面対称に進んで、基準尺上にＶ字形状に入射することと基準尺によるＶ字形状の反射を受けることとの中の一つ以上を実行する走査光路が得られ、
この対称面（ＳＥ）が、基準尺（１０’；１１０’；２１０’；３１０’；４１０’）の表面に対して平行な方向を向くとともに、第一の目盛方向（ｘ）に対して直角に延びる回転軸の周りを所定の傾斜角（α）だけ傾斜している、
方法において、
対称面（ＳＥ）が基準尺（１０）の表面に対して直角の方向を向いた非傾斜状態において選定された測定目盛（１２）の目盛周期（ｄＭ）に応じて、走査ユニット（２０；１２０；２２０；３２０．１，３２０．２；４２０．１〜４２０．６）内の走査光路がこの非傾斜状態の走査光路と同じになるように、傾斜状態における測定目盛（１２’；１１２’；２１２’；３１２’；４１２’）の目盛周期（ｄＭ’）、部分光ビームの回折次数（ｎＡ，ｎＢ）及び傾斜角（α）が選定される工程、
を有することを特徴とする方法。
【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位置測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二つの互いに動く物体の位置を検出する周知の位置測定装置では、通常測定目盛を上に配置した基準尺に対して相対的な走査ユニットの位置を基準尺の目盛方向に沿って計測しており、この目盛方向は測定方向に一致し、その場合、走査ユニットと基準尺は、それぞれ二つの動く物体の中の一方と連結されている。周知の装置では、その時々の有効な測定方向を表す、位置測定装置の所謂「感度ベクトル」は、通常基準尺の表面に対して平行な方向を向いている。
【０００３】
更に、感度ベクトルが反射測定目盛を備えた基準尺の表面に対して傾斜した方向を向く位置測定装置が知られている。それに関しては、例えば、本出願人の特許文献１を参照されたい。そのような位置測定装置では、感度ベクトルの傾斜した向きは、干渉走査光路の非対称構成によって保証されている。それに対応する走査光路では、入射光ビームが少なくとも二つの部分光ビームに分割されて、これらの部分光ビームが、最終的に重なり合って干渉する。そのような位置測定装置を用いて、側方の測定方向又はスライド方向に沿った、並びに垂直の測定方向又はスライド方向に沿った走査ユニットと基準尺の相対的な動きに関する位置情報を得ることができる。即ち、そのような位置測定装置を用いて、二つの並進運動自由度に沿った位置の変化を検出することができる。そのような位置測定装置では、干渉させる部分光ビームの光路長は、通常走査ユニットと基準尺の間の公称走査間隔においてのみ等しい長さとなる。基準尺又は走査ユニットが、この公称走査間隔から動いてずれると、干渉させる部分光ビームの光路長が異なることとなる。従って、使用する光源の波長の場合によっては起こる変化が、干渉させる部分光ビームの位相に、そのため検出される位置情報にも影響を与える。そのため、そのような位置測定装置の走査光学系は「有色である」と呼ばれる。従って、そこで用いられる光源は、十分な可干渉距離と極めて小さい位相雑音を持たなければならない。それを保証するためには、そのような光源の負担のかかる安定化が必要であり、その光源は、それに応じて、より高価となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許公開第１７６２８２８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、傾斜した感度ベクトルを有し、全ての許容走査間隔において波長の変化に対して不感である光学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】
【０００６】
本課題は、本発明による請求項１の特徴を有する光学位置測定装置によって解決される。
【０００７】
本発明による光学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から得られる。
【０００８】
本発明による二つの互いに動く物体の位置を検出する光学位置測定装置は、
これらの二つの物体の中の一方と連結され、少なくとも一つの第一の目盛方向に沿って目盛領域を周期的に配置した測定目盛を有する基準尺と、
基準尺に対して相対的に動くように配置された、複数の光学素子を備えた走査ユニットと、
を備え、この走査ユニットの光学素子の配置及び構成によって、干渉させる部分光ビームが対称面に関して鏡面対称に進んで、基準尺にＶ字形状に入射することと基準尺によるＶ字形状の反射を受けることとの中の一つ以上を実行する走査光路が得られる。この対称面は、基準尺の表面に対して平行な方向を向くとともに、第一の目盛方向に対して直角に延びる回転軸の周りを所定の傾斜角だけ傾斜している。
【０００９】
有利には、この測定目盛の目盛周期と傾斜角は、走査ユニット内の走査光路が、対称面が基準尺の表面に対して直角の方向を向いた非傾斜状態での走査光路と同じになるように選定される。
【００１０】
この場合、有利には、測定目盛での非対称回折次数から得られる部分光ビームを干渉させる。
【００１１】
ここで、測定目盛での次の組合せの回折次数から得られる部分光ビームを干渉させる。
【００１２】
＋３／−１次の回折次数
＋１／０次の回折次数
−３／＋１次の回折次数
−３／０次の回折次数
この測定目盛は、信号生成に使用される回折次数の回折効率を最適化して高くした反射位相格子として構成することが可能である。
【００１３】
更に、走査ユニットが、複数の光学素子を備えた少なくとも一つの走査板を有し、この走査板が対称面に対して直角に配置されると規定することができる。
【００１４】
更に、実現可能な実施構成では、走査ユニット内に配置された走査板が透明に構成されて、その基準尺の方を向いた側に、二つの第一の走査格子と二つの第二の走査格子が配置され、走査板の基準尺と逆の方を向いた側に、二つの反射器が配置され、これらの反射器の反射側が基準尺の方向を向くと規定することができる。
【００１５】
この場合、光源から放出された光ビームが、
測定目盛に当たって、そこで、Ｖ字形状に走査ユニットの方に反射される、二つの異なる回折次数に対応する二つの部分光ビームへの分割が行なわれ、
これらの二つの反射された部分光ビームが、走査ユニットにおいて、二つの第一の走査格子を二つの反射器の方向に通過し、その際、入射方向に対して逆平行の方向を向く偏向作用と第一の目盛方向に対して直角の集束作用だけを受け、
次に、そのように偏向、集束された部分光ビームが、それぞれ反射器に当たって、基準尺の方向に反射され、
次に、これらの二つの反射された部分光ビームが、二つの第二の走査格子を基準尺の方向に通過し、その際、第一の目盛方向への偏向作用と第一の目盛方向に対して直角のコリメーション作用だけを受け、その結果、二つの部分光ビームは、次に、Ｖ字形状に基準尺の方向に進み、
そこで、重なり合った部分光ビームの走査ユニットの方向への新たな回折と反射が起こるように、
走査ユニットを構成することができる。
【００１６】
別の実施構成では、走査ユニットは少なくとも一つの分割素子、二つの偏向素子、二つの反射器及び二つのレンズを有する。
【００１７】
この場合、光源から放出された光ビームが、
分割素子によって、二つの部分光ビームに分割された後、これらの部分光ビームが、それぞれ偏向素子の方向に進み、
部分光ビームが、偏向素子によって偏向され、その結果、Ｖ字形状に測定目盛上の第一の衝突地点の方向に進み、
部分光ビームが、測定目盛上の第一の衝突地点で、それぞれレンズと反射器の方向への第一の回折とＶ字形状の反射を受け、
部分光ビームが、一回目にレンズを通過し、反射器によってＶ字形状に入射方向に反射されて、二回目にレンズを通過し、
次に、部分光ビームが、第二の衝突地点で測定目盛に当たって、それぞれ走査ユニット内の偏向素子の方向への第二の回折とＶ字形状の反射を受けるように、
走査ユニットを構成することができる。
【００１８】
別の実施構成では、走査ユニットは、少なくとも一つの透明な走査板と構造化された光検出器を有し、この走査板の入射光ビームの方を向いた側に、第一と第二の走査格子が配置されている。
【００１９】
この場合、光源から放出された光ビームが、
影響を受けずに走査板を通過した後、測定目盛に当たり、そこで、走査ユニットの方にＶ字形状に反射される、二つの異なる回折次数に対応する二つの部分光ビームへの分割が行なわれ、
これらの二つの反射された部分光ビームが、走査ユニットにおいて、それぞれ二つの走査格子の中の一方を通過し、その際、対称面の方向への偏向作用を受けた後、構造化された光検出器の方向に進み、そこで、重なり合って干渉するように、
走査ユニットを構成することができる。
【００２０】
更に、同様に構成された第二の走査ユニットを走査ユニットと機械的に堅く連結して、これらの二つの走査ユニットを互いに平行な方向を向いたそれらに対応する回転軸の周りに同じ大きさの角度であるが、互いに逆方向に傾斜して配置することが可能である。
【００２１】
この場合、第一と第二の目盛方向に沿って目盛領域を周期的に配置した二次元交差格子として、測定目盛が構成され、互いに機械的に堅く連結された位置測定装置が三対配備され、二対が第二の目盛方向に対して平行に配置され、第三の対が第二の目盛方向に対して平行に配置されると規定することができる。
【００２２】
本発明による光学位置測定装置は、大きな許容走査間隔範囲において、使用する波長の変化に対して不感であるとの重要な利点を有する。波長の変化が起こった場合でも、常に正しい位置値が得られる。そのため、本発明による光学位置測定装置では、明らかに、より簡単で、より安価な光源を用いることができる。
【００２３】
更に、本発明による光学位置測定装置の走査ユニットは、感度ベクトルが基準尺の表面に対して平行な方向を向く走査のために使用することも可能であり、それは、例えば、測定方向に沿った走査ユニットと基準尺の相対的なずれを測定技術的に検出すべき通常の用途である。従って、異なる測定課題のために異なる走査ユニットを開発して準備することが最早不要である。
【００２４】
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及び利点を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】感度ベクトルが走査する基準尺の表面に対して平行である位置測定装置で用いられる、本発明による光学位置測定装置の第一の実施例の走査ユニットの模式的な断面図
【図１ｂ】感度ベクトルが走査する基準尺の表面に対して平行である位置測定装置で用いられる、本発明による光学位置測定装置の第一の実施例の走査ユニットの模式的な断面図
【図１ｃ】感度ベクトルが走査する基準尺の表面に対して平行である位置測定装置で用いられる、本発明による光学位置測定装置の第一の実施例の走査ユニットの模式的な断面図
【図２ａ】本発明による感度ベクトルが傾斜した光学位置測定装置の第一の実施例の模式的な断面図
【図２ｂ】本発明による感度ベクトルが傾斜した光学位置測定装置の第一の実施例の模式的な断面図
【図２ｃ】本発明による感度ベクトルが傾斜した光学位置測定装置の第一の実施例の模式的な断面図
【図３ａ】本発明による感度ベクトルが傾斜した光学位置測定装置の第二の実施例の模式的な断面図
【図３ｂ】本発明による感度ベクトルが傾斜した光学位置測定装置の第二の実施例の模式的な断面図
【図４ａ】本発明による感度ベクトルが傾斜した光学位置測定装置の第三の実施例の模式的な断面図
【図４ｂ】本発明による感度ベクトルが傾斜した光学位置測定装置の第三の実施例の模式的な断面図
【図５】本発明による光学位置測定装置の第三の実施例の変化形態の模式的な断面図
【図６】本発明による光学位置測定装置の第三の実施例の別の変化形態の模式的な断面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明による光学位置測定装置の一連の実施例を図面に基づき詳しく説明する前に、以下において、先ずは本発明と関連する幾つかの概念を説明する。
【００２７】
そのために、測定動作時に感度ベクトルが基準尺の表面に対して平行な方向を向く位置測定装置の走査光学系を再度参照する。そのような走査光学系では、通常光源から放出された光ビームが二つの部分光ビームに分割される。これらの二つの部分光ビームは、基準尺の測定目盛において異なる回折次数で回折されて、最終的に重なり合って干渉する。そのようにして、互いに位相のずれた走査信号を生成して、それらの信号から増分計数と補間によって位置の値を演算することができる。そのような幾つかの走査光学系は、分割から重なり合いまでに対称面に対して鏡面対称に進む部分光ビームを生成する。この場合、そのような走査光路の対称面は、この動作形態では、基準尺の表面に対して、そのため、基準尺の測定目盛の目盛方向に対しても直角である。この場合、目盛方向は、常に測定目盛の格子線に対して直角の方向を向く、測定目盛の格子ベクトルに対応し、従って、以下では、「目盛方向」及び「格子ベクトル」との用語を互いに並行して同等に使用する。走査光路が鏡面対称であるために、分割と再結合の間において、部分光ビームの同じ長さの伝搬路が得られる。そのため、この走査光学系は無色である、即ち、光源の波長及びそのスペクトル分布が、生成される走査信号の位相及び変調度に何ら影響しない。
【００２８】
更に、干渉させる部分光ビームを対称面に対して鏡面対称に進行させる走査光学系は、走査の所謂「中立の回転中心」が基準尺上に有るように構成することもできる。この場合、中立の回転中心と呼ばれる点は、提示される位置の値を変化させずに、その中心の周りに走査ユニット又は基準尺を傾斜させることが可能な空間内の点である。この中立の回転中心の周りに傾斜させた場合、二つの部分光ビームが分割と再結合の間に進む伝搬路は同じである。以下において、そのような鏡面対称の部分光路と基準尺上の中立の回転中心を有する走査光学系は「Ｖ字形状の対称的な走査光学系」とも呼ばれる。そのため、この呼称は、一方で、干渉させる二つの部分光ビームが対称面に関して鏡面対称に進み、他方で、基準尺上の共通の走査地点にＶ字形状に入射することとそこからの基準尺によるＶ字形状の反射を受けることとの中の一つ以上を実行するような全ての走査光学系を規定する。この場合、目盛方向に沿った、或いは格子ベクトルに沿った基準尺上の二つの部分光ビームの衝突地点だけがほぼ同じでなければならないとした場合、格子ベクトルに対して直角のずれ又は線形状の目盛領域の縦方向に沿ったずれは僅かである。
【００２９】
このような格子ベクトルに沿った基準尺上の二つの部分光ビームの衝突地点が同じであるか、或いはほぼ同じである走査光学系の外に、中立の回転中心が基準尺上に有る別の対称的な走査光学系が存在する。本出願人の特許文献２には、走査光学系の任意の光路とそれに対応する中立の回転中心の位置の間の関係の一般的な記述が有る。その記述に基づき、中立の回転中心が基準尺上に有る、対称的な光路を有する別の走査光学系を提示することができる。それらの走査光学系の全ては、以下において、Ｖ字形状の対称的な走査光学系とも呼ばれる。
【００３０】
そのような感度ベクトルが基準尺の表面に対して平行である、Ｖ字形状の対称的な走査光学系の動作時において、走査ユニットは、目盛周期ｄＭの基準尺に対して、前記の対称面が基準尺の表面に対して直角になるとともに、基準尺の測定目盛の格子ベクトルに対しても直角になるような方向に向けられる。これは、走査ユニットと基準尺の平行な向きと呼ばれる。
【００３１】
ここで、本発明の基本的な考えは、そのようなＶ字形状の対称的な走査光学系又はそれに対応する対称面が基準尺の表面に対して平行な方向を向くとともに、基準尺の測定目盛の格子ベクトルに対して直角に、即ち、測定目盛の目盛領域の長手延伸方向に対して平行に延びる回転軸の周りを所定の傾斜角αだけ傾斜するようにすることである。別の好適な措置によって、走査ユニットに関する走査光路が傾斜していない状態の走査光路と同じになることが保証される。これらの追加の措置は、好適な傾斜角αの選定以外に、測定目盛の適合した目盛周期の選定及び測定目盛での非対称な回折次数から得られる好適な干渉させる部分光ビームの選定を含む。
【００３２】
以下において、本発明による光学位置測定装置の第一の実施例に基づき、この基本的な考えの詳しい説明を行なう。
【実施例１】
【００３３】
図１ａ，１ｂ及び１ｃには、Ｖ字形状の対称的な走査光学系を有する周知の光学位置測定装置の走査光路が異なる図面で図示されている。ここでは、この走査光学系の感度ベクトル
【００３４】
【数１】
0006588836.tif 000002
は、基準尺の表面に対して平行な方向を向くとともに、測定目盛の格子ベクトル又は第一の目盛方向ｘに対して平行な方向を向いており、以下では、そのような感度ベクトル
【００３５】
【数２】
0006588836.tif 000003
の向きと関連して、それに対応する位置測定装置の所謂「面内動作」についても述べる。図１ａには、図示されていない光源から入射する光ビームＳＩＮの反射器２３Ａ，２３Ｂまでのｘｚ平面内の光進路図が図示され、図１ｃには、同じ平面内の反射器２３Ａ，２３Ｂから、部分光ビームが重なり合って、同じく図示されていない検出ユニットの方向に進んで出射する信号光ビームＳＯＵＴまでの光進路が図示され、図１ｂは、ｙｚ平面内の完全な走査光路を図示している。
【００３６】
これらの図面に図示されている光学位置測定装置は、第一の目盛方向ｘに沿って延びる基準尺１０と、この基準尺１０に対して、少なくとも第一の目盛方向ｘに沿って相対的に動くように配置された走査ユニット２０とを備えている。これらの基準尺１０と走査ユニット２０は、それぞれこれらの図面には図示されていない物体、例えば、互いに相対的に動く機械の構成部品と連結されている。この後に配置された機械の制御部が、光学位置測定装置により生成される走査信号を用いて、これらの機械の構成部品の空間的な位置決めを制御することができる。
【００３７】
この基準尺１０は、第一の格子ベクトルに沿って、或いは第一の目盛方向ｘに沿って周期的に配置された線形状の目盛領域を有する測定目盛１２を表面上に配置した目盛支持体１１から構成され、これらの図面では、目盛領域の長手延伸方向がｙ方向に一致する。この実施例では、測定目盛１２は、目盛周期ｄＭと１８０°位相偏移を有する反射位相格子として構成されており、そこに入射する光に対して異なる位相シフト作用を有する目盛領域の周期的な配列を備えている。
【００３８】
これらの図面では、走査ユニット２０の側には、そこに配置された様々な光学素子の中で、基本的に透明な走査板２１とその上側に配置された反射器２３Ａ，２３Ｂ又はその下側に配置された走査格子２２Ａ１，２２Ａ２，２２Ｂ１，２２Ｂ２だけが図示されている。それに対して、同じく基本的に走査ユニット２０に配置することができる光源と検出ユニットは図示されていない。しかし、それに代わって、これらの素子を空間的に走査ユニット２０から離して設置して、光ファイバを用いて走査ユニット２０と接続し、そして、それを介して、入射する光ビームＳＩＮ又は出射する信号光ビームＳＯＵＴをそれぞれ伝送することも可能である。
【００３９】
以下において、異なる走査光路の詳細な記述から明らかになる通り、走査ユニット２０での異なる光学素子の配置及び構成によって、それぞれ干渉させる部分光ビームＡ，Ｂが対称面ＳＥに関して鏡面対称に進む走査光路を得ることが保証される。この場合、それらの部分光ビームは、基準尺１０にＶ字形状に入射することと基準尺１０によるＶ字形状の反射を受けることとの中の一つ以上を実行する。
【００４０】
図示されていない光源から入射する光ビームＳＩＮは、透明な走査板２１を通過した後、第一の衝突地点ＰＭで基準尺１０の測定目盛１２に直角に当たる。そこでは、走査ユニット２０に向かってＶ字形状に反射される二つの部分光ビームＡ，Ｂへの分割が起こる。この場合、入射光ビームＳＩＮは、対称的な回折次数ｎＡ１＝＋１及びｎＢ１＝−１で、そのため、入射光ビームＳＩＮの入射方向に対して同じ回折角又は偏向角βＡ＝βＢを有する二つの部分光ビームＡ，Ｂに分割される。この場合、次の式が成り立つ。
【００４１】
【数３】
0006588836.tif 000004
【００４２】
ここで、
βＡ：入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＡの偏向角
βＢ：入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＢの偏向角
λ：光の波長
ｄＭ：測定目盛の目盛周期
【００４３】
次に、分割された部分光ビームＡ，Ｂは、それぞれ透明な走査板２１の下側の第一の走査格子２２Ａ１又は２２Ｂ１に進んで、それを通過する。この場合、これらの二つの第一の走査格子２２Ａ１又は２２Ｂ１は、複数の光学機能を共通の回折構造に統合したものである。そのようにして、部分光ビームＡ，Ｂが、ｘｚ投影図（図１ａ）では、それぞれ又もや入射方向に対して逆平行な方向を向いた偏向作用によって、又もや光軸に対して平行にｚ方向に偏向される。ｙｚ投影図（図１ｂ）では、部分光ビームＡ，Ｂが、円筒レンズ機能によって、走査板２１の上側の反射器２３Ａ，２３Ｂに集束され、この集束作用は、測定目盛の格子ベクトルの方向ｘに対して直角に、或いはその目盛方向ｘに沿ってのみ得られる。次に、そのように偏向、集束された部分光ビームＡ，Ｂは、それぞれ反射器２３Ａ，２３Ｂに当たり、そこで基準尺１０の方向に反射される。これらの二つの部分光ビームＡ，Ｂは、反射器２３Ａ，２３Ｂでの反射後、同じく走査板２１の下側に配置された二つの第二の走査格子２２Ａ２，２２Ｂ２を通過する。これらの第二の走査格子２２Ａ２，２２Ｂ２は、二つの第一の走査格子２２Ａ１，２２Ｂ１と同等の機能を統合したものである。そのようにして、これらは、又もやｙｚ投影図（図１ｂ）において、円筒レンズ機能によって、部分光ビームＡ，Ｂを再びコリメーションし、ｘｚ投影図（図１ｃ）において、それらを又もや基準尺１０又は測定目盛１２上の共通の衝突地点ＰＭ’に戻すように偏向する。この場合、二つの部分光ビームＡ，Ｂは、基準尺１０の方向又は第二の衝突地点ＰＭ’の方向にＶ字形状に進む。そこで、これらは、対称的な回折次数ｎＡ２＝＋１及びｎＢ２＝−１による新たな回折によって、重なり合って干渉し、信号光ビームＳＯＵＴとして走査ユニット２０及び図示されていない検出ユニットの方向に進み、そこで、この信号光ビームＳＯＵＴから複数の周期的な位相のずれた走査信号が得られる。
【００４４】
図１ａから明らかな通り、二つの部分光ビームＡ，Ｂは、分割と再結合の間に、ここでは図１ｂのｙｚ平面と同じ対称面ＳＥに対して鏡面対称に進行して、それぞれ同じ衝突地点ＰＭ又はＰＭ’で測定目盛１２により回折される。そのため、この走査光学系の中立の回転中心は基準尺１０上に有る、即ち、この走査光学系は対称的なＶ字形状である。干渉させる部分光ビームＡ，Ｂは、対称面ＳＥに関して鏡面対称に進んで、先ずは基準尺１０によるＶ字形状の反射を受けた後、基準尺１０上にＶ字形状に入射する。
【００４５】
この位置測定装置により生成される周期的な走査信号の信号周期ＳＰは、図示された面内動作時には、ＳＰ＝ｄＭ／４である。この感度ベクトル
【００４６】
【数４】
0006588836.tif 000005
は、測定目盛１２のｘ方向に延びる格子ベクトルに対して平行な方向を向いている。
【００４７】
ここで、図２ａ，２ｂ及び２ｃには、所謂「面外動作」により動作するとともに、図２ａ，２ｃから明らかな通り、感度ベクトル
【００４８】
【数５】
0006588836.tif 000006
が基準尺の表面に対して傾斜した、本発明による光学位置測定装置の第一の実施例が図示されている。即ち、そのため、走査ユニットと基準尺の相対的な動きに関する位置に依存する走査信号は、第一の目盛方向ｘに沿って、或いは測定目盛１２のｘ方向を向いた格子ベクトルに沿っても、それに対して直角の方向ｚに沿っても生成することができる。この場合、本発明による位置測定装置は、図１ａ〜１ｃの周知の位置測定装置と同じ走査光学系、即ち、同じ走査ユニット２０を使用している。しかし、この場合、それと異なり、走査ユニット２０又は対称面ＳＥは、図２ａと２ｃから明らかな通り、ｙ方向の回転軸の周りを傾斜角αだけ傾斜して配置されており、走査ユニット２０に配備された走査板２１も、それに対応して傾斜して、そのため、対称面ＳＥに対して直角に配置されている。これに対応する回転軸は、基準尺１０’の表面に対して平行な方向を向くとともに、測定目盛１２のｘ方向を向いた格子ベクトルに対して直角に延びている。更に、本発明による位置測定装置の測定目盛１２’の目盛周期ｄＭ’は、前に説明した図１ａ〜１ｃの位置測定装置の測定目盛１２の目盛周期ｄＭと異なる（ｄＭ’≠ｄＭ）ように選定される。更に、二つの部分光ビームＡ，Ｂの分割及び重なり合いのために、図１ａ〜１ｃによる従来の位置測定装置の場合と異なる結果が得られる、測定目盛１２’の回折次数も使用されている。この走査光路の進路は、異なる光学素子の通過及び衝突に関して、図１ａ〜１ｃの位置測定装置の前述した走査光路と同じである。
【００４９】
以下において、傾斜角αの外に、本発明による位置測定装置と図１ａ〜１ｃの周知の装置の間の更に規定される相違点を詳しく説明する。
【００５０】
本発明による位置測定装置の図示された第一の実施例では、そのようにして、部分光ビームＡは、二回目に＋３次の回折次数（ｎＡ１＝ｎＡ２＝＋３）により測定目盛１２’で回折される一方、部分光ビームＢは、二回目に−１次の回折次数（ｎＢ１＝ｎＢ２＝−１）により偏向される。ここで、傾斜角αと測定目盛１２’の目盛周期ｄＭ’は、走査光学系の光路が、対称面ＳＥの傾斜から見て、前に説明した面内動作時の光路と同じ傾斜角αであるように選定される。それは、次の通り、本発明による位置測定装置の測定目盛１２’での回折時の回折角又は偏向角βＡ’及びβＢ’が、図１ａ〜１ｃの面内動作による位置測定装置の偏向角βＡ＝βＢと同じでなければならないことを意味する。
βＡ’＝βＢ’＝βＡ＝βＢ    （式２）
【００５１】
ここで、
βＡ’：面外動作時の入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＡの偏向角
βＢ’：面外動作時の入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＢの偏向角
βＡ：面内動作時の入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＡの偏向角
βＢ：面内動作時の入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＢの偏向角
この傾斜角αを考慮して、回折次数ｎＡ１又はｎＢ１による目盛周期ｄＭ’の測定目盛１２’での回折に関して、以下の偏向角βＡ’又はβＢ’が得られる。
【００５２】
【数６】
0006588836.tif 000007
【００５３】
ここで、
α：傾斜角
ｎＡ１：測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＡの回折次数
ｎＢ１：測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＢの回折次数
λ：光の波長
ｄＭ’：面外動作時の測定目盛の目盛周期
βＡ’：面外動作時の入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＡの偏向角
βＢ’：面外動作時の入射光ビームの入射方向に対する部分光ビームＢの偏向角
【００５４】
これらの式１、２、３ａ及び３ｂから、最終的に、本発明による位置測定装置に関して、次の条件４ａ，４ｂが得られる。
【００５５】
【数７】
0006588836.tif 000008
【００５６】
ここで、
α：傾斜角
ｎＡ１：測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＡの回折次数
ｎＢ１：測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＢの回折次数
λ：光の波長
ｄＭ’：面外動作時の測定目盛の目盛周期
ｄＭ：面内動作時の測定目盛の目盛周期
【００５７】
これらの式４ａ，４ｂは、次の通り、傾斜角αと測定目盛の目盛周期ｄＭ’に関して解くことができる。
【００５８】
【数８】
0006588836.tif 000009
【００５９】
ここで、
ｄＭ’：面外動作時の測定目盛の目盛周期
α：傾斜角
ｎＡ１：測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＡの回折次数
ｎＢ１：測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＢの回折次数
λ：光の波長
ｄＭ：面内動作時の測定目盛の目盛周期
【００６０】
これらの式５ａ，５ｂは、如何なる非対称な対の回折次数ｎＡ１，ｎＢ１（ｎＡ１≠−ｎＢ１）に対しても、それに対応する傾斜角α≠０と目盛周期ｄＭ’≠ｄＭを提供し、それによって、走査光路が対称面ＳＥに関して対称的に延びることが保証される。この対称面ＳＥは、走査ユニット２０に対して相対的には変化せず、本発明では、基準尺１０’に対して相対的に、基準尺１０’に対して平行であるとともに、格子ベクトルの方向又は第一の目盛方向ｘに対して直角である回転軸の周りを傾斜角αだけ傾斜して配置されている。そのため、これらの二つの部分光ビームＡ，Ｂの光路長が同じ長さであり、走査光学系は、所要の通り、感度ベクトル
【００６１】
【数９】
0006588836.tif 000010
が傾斜した面外動作時でも無色である。これは、同じ無色の走査光学系又は走査ユニット２０を周知の面内動作時でも本発明による面外動作時でも使用できることを意味する。そのため、それに対応する走査ユニット２０の二重使用が可能となり、面外動作時のために専用に最適化した走査光学系の負担のかかる開発が最早不要となる。それは、例えば、二つの動作形態を使用したい機械製造業者にとって、物流を大幅に簡略化する。
【００６２】
期待される通り、これらの式５ａ，５ｂは、対称的な回折次数ｎＡ＝−ｎＢに対して、図１ａ〜１ｃの周知の装置の面内動作時の自明な解α＝０及びｄＭ’＝ｄＭを提供する。
【００６３】
当然のことながら、測定目盛１２’で起こる回折の際に、条件ｎＡ１＝ｎＡ２≠−ｎＢ１＝−ｎＢ２に対応する組合せが非対称である限り、面外動作に関する回折次数の別の組合せを使用することもできる。上述したｎＡ１＝ｎＡ２＝＋３及びｎＢ１＝ｎＢ２＝−１による組合せの外に、ｎＡ１＝ｎＡ２＝＋１及びｎＢ１＝ｎＢ２＝０による回折次数の非対称な組合せも特に有利である。しかし、基本的に、別の非対称な回折次数の組合せも、例えば、ｎＡ１＝ｎＡ２＝−３及びｎＢ１＝ｎＢ２＝＋１又はｎＡ１＝ｎＡ２＝＋１及びｎＢ１＝ｎＢ２＝０等によるによる組合せも使用可能である。この測定目盛１２’は、面外動作に関して、有利には、信号生成に使用される回折次数の回折効率を最適化して高くするべきである。
【００６４】
この感度ベクトル
【００６５】
【数１０】
0006588836.tif 000011
は、面外動作時に、基準尺の表面及び測定目盛１２’のｘ方向に延びる格子ベクトルに対して傾斜角αだけ傾斜しており、面内動作時と同じ長さを有する。これは、ｘ方向に沿った基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期ＳＰｘ’及びｚ方向における基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期ＳＰｚ’が、次の関係式により得られることを意味する。
【００６６】
【数１１】
0006588836.tif 000012
【００６７】
ここで、
ＳＰｘ’：ｘ方向に沿った基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期
ＳＰｚ’：ｚ方向における基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期
ＳＰ：面内動作時での同じ走査光学系の信号周期
α：傾斜角
【００６８】
以下の表１には、（面内動作時の）光の波長λ＝７８０ｎｍと目盛周期ｄＭ＝２μｍの場合における本発明による光学位置測定装置の第一の実施例の値の例が要約されている。
【００６９】
【表１】
0006588836.tif 000013
【実施例２】
【００７０】
図３ａと３ｂには、本発明による光学位置測定装置の面外動作時、即ち、感度ベクトル
【００７１】
【数１２】
0006588836.tif 000014
が傾斜した動作時における第二の実施例の走査光学系が図示されている。図３ａには、第一の実施例の図面と同様に、ｘｚ平面内における光源１２１から反射器１２６Ａ，１２６Ｂまでの光進路が図示され、図３ｂには、ｘｚ平面内における反射器１２６Ａ，１２６Ｂから検出ユニットの検出器１２８．１〜１２８．３までの光進路が図示されている。
【００７２】
又もや走査光学系全体又は走査ユニット１２０が、そのため対称面ＳＥが回転軸の周りを傾斜角αだけ傾斜している。この回転軸は、前記の実施例と同様の方向を向いている、即ち、基準尺１１０’に対して平行であるとともに、測定目盛１１２’のｘ方向に延びる格子ベクトルに対して直角である方向を向いている。そのため、この回転軸は、図３ａ，３ｂでは、図面の平面に対して直角である。測定目盛１１２’としては、又もや同じく１８０°位相遷移を有する反射位相格子が配備されている。
【００７３】
光源１２１、例えば、レーザーダイオードから放出された光ビームは、コリメータレンズ１２２を用いてコリメートされて、ビーム分割器１２３により二つの部分光ビームＡ，Ｂに分割される。これらの二つの部分光ビームＡ，Ｂは、偏向素子１２４Ａ，１２４Ｂにより偏向された後、基準尺１１０’の測定目盛１１２’上の共通の衝突地点ＰＭの方向にＶ字形状に進む。これらの部分光ビームは、そこで、＋３次（部分光ビームＡ；ｎＡ１＝＋３）と−１次（部分光ビームＢ；ｎＢ１＝―１）で反射されて回折され、走査ユニット１２０の方向にＶ字形状に反射される。次に、これらの部分光ビームＡ，Ｂは、走査ユニットにおいて、一回目にレンズ１２５Ａ，１２５Ｂを通過した後、レンズ１２５Ａ，１２５Ｂの焦点面内に配置された反射器１２６Ａ，１２６Ｂに当たる。部分光ビームは、これらの反射器１２６Ａ，１２６Ｂによって、入射方向にＶ字形状に反射された後、二回目にレンズ１２５Ａ，１２５Ｂを通過する。そのため、レンズ１２５Ａ，１２５Ｂと反射器１２６Ａ，１２６Ｂの組合せによって、測定目盛１１２’上の共通の衝突地点ＰＭ’に逆平行に戻る形の部分光ビームＡ，Ｂの反射が行われる。部分光ビームＡ，Ｂは、そこで新たに＋３次（部分光ビームＡ；ｎＡ２＝＋３）又は−１次（部分光ビームＢ；ｎＢ２＝―１）で回折した後、偏向素子１２４Ａ，１２４Ｂによって、ビーム分割器１２３に戻される形で進んで、二つの部分光ビームＡ，Ｂは一つの信号光ビームとして重なり合う。その後、更に別の三つのビーム分割器１２７．１，１２７．２，１２７．３が、これらの部分光ビームを重ね合わせた信号光ビームをそれぞれ検出ユニットの検出器１２８．１，１２８．２，１２８．３の方に偏向させて、これらの検出器が、複数の周期的な位相のずれた走査信号を生成する。
【００７４】
例えば、走査信号間の１２０°の所要の位相のずれは、図３ａ及び３ｂに図示されていない追加の光学偏光部品によって実現される。そのために、二つの部分光ビームＡ，Ｂは、ビーム分割器１２３で互いに重なり合う前に、直交偏光される。そのために、例えば、部分光ビームＡ，Ｂの光路内にそれぞれλ／４板を挿入して、それらを二回通過させることができる。更に、検出器１２８．１，１２８．２，１２８．３の直前に、偏光子を取り付けて、その向きが、それに対応する走査信号の位相位置を決定するようにし、その結果、更に、所望の位相位置を設定することができる。
【００７５】
この第二の実施例においても、走査ユニット１２０又は対称面ＳＥの傾斜角αと基準尺１１０’上の測定目盛１１２’の目盛周期ｄＭ’は、本発明による光学位置測定装置の前記の実施例と同様に選定されて定義される。それは、面外動作時において、対称面ＳＥが基準尺１１０’の表面に対して直角の方向を向いている場合に、傾斜した走査ユニット１２０に対して相対的な光路が、そのような走査ユニット１２０の面内動作時と同じ形で得れるように行われる。
【００７６】
この場合、部分光ビームＡ又はＢの偏向角βＡ１＝βＢ１及びβＡ２＝βＢ２に関して、上記の式１と同様に、第二の実施例による走査ユニット１２０の面内動作時における以下の関係式が成り立つ。
【００７７】
【数１３】
0006588836.tif 000015
【００７８】
ここで、
βＡ１：面内動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
βＡ２：面内動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
λ：光の波長
ｄＭ：面内動作時の測定目盛の目盛周期
【００７９】
この実施例に関して、上記の式２と同様に、次の式が成り立たなければならない。
【００８０】
βＡ１’＝βＢ１’＝βＡ１＝βＢ１    （式８ａ）
βＡ２’＝βＢ２’＝βＡ２＝βＢ２    （式８ｂ）
【００８１】
ここで、
βＡ１：面内動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
βＡ２：面内動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
βＢ１：面内動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＢの対称面に対する偏向角
βＢ２：面内動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＢの対称面に対する偏向角
βＡ１’：面外動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
βＡ２’：面外動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
βＢ１’：面外動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＢの対称面に対する偏向角
βＢ２’：面外動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＢの対称面に対する偏向角
【００８２】
測定目盛１１２’での回折は、次の式９ａ，９ｂにより記述される。
【００８３】
【数１４】
0006588836.tif 000016
ここで、
βＡ１’：面外動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
βＡ２’：面外動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
βＢ１’：面外動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＢの対称面に対する偏向角
βＢ２’：面外動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＢの対称面に対する偏向角
α：傾斜角
ｎＡ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＡの回折次数
ｎＢ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＢの回折次数
λ：光の波長
ｄＭ’：面外動作時の測定目盛の目盛周期
【００８４】
これらの式７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂは、以下の通り要約することができる。
【００８５】
【数１５】
0006588836.tif 000017
【００８６】
ここで、
βＡ１：面内動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
α：傾斜角
ｎＡ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＡの回折次数
ｎＢ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＢの回折次数
λ：光の波長
ｄＭ’：面外動作時の測定目盛の目盛周期
【００８７】
これらの式１０ａ，１０ｂは、面外動作に関して、傾斜角αと測定目盛１１２’の目盛周期ｄＭ’に基づき次の通り解くことができる。
【００８８】
【数１６】
0006588836.tif 000018
【００８９】
ここで、
βＡ１：面内動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＡの対称面に対する偏向角
α：傾斜角
ｎＡ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＡの回折次数
ｎＢ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＢの回折次数
λ：光の波長
ｄＭ’：面外動作時の測定目盛の目盛周期
【００９０】
これらの式１１ａ，１１ｂに基づき決定した傾斜角αと測定目盛１１２’の目盛周期ｄＭ’は、部分光ビームＡ，Ｂの光進路が面外動作時においても対称的であり、又もや対称面ＳＥが走査ユニット１２０に対して相対的に変化しないことを保証する。二つの部分光ビームＡ，Ｂの光路長は同じ長さである。傾斜角αの正負符号は、ｎＡ１とｎＢ１の値の交換によって逆転することができ、その場合、測定目盛１１２’の目盛周期ｄＭ’の値は同じである。そのようにして、走査ユニット１２０は、二つの傾斜角＋αと−αにおいて、同じ基準尺１１０’と関連して用いることができる。
【００９１】
式１１ａ及び１１ｂは、その他の点では、式５ａ及び５ｂを普遍化したものであり、βＡ１＝０の場合、それらと同じになる。
【００９２】
この実施例でも、面外動作において、測定目盛１１２’での回折に関して、回折次数の別の非対称な組合せを使用することができる。
【００９３】
この感度ベクトル
【００９４】
【数１７】
0006588836.tif 000019
は、面外動作において、又もや基準尺の表面に対して角度αだけ傾斜しており、面内動作時と同じ長さを有する。それは、ｘ方向に沿った基準尺のずれに関する信号周期ＳＰｘ’及びｚ方向における基準尺のずれに関する信号周期ＳＰｙ’が、又もや式６ａ及び６ｂにより与えられることを意味する。
【００９５】
以下の表２には、面内動作における光の波長λ＝７８０ｎｍ、入射角βＡ１＝βＢ１＝３０°及び測定目盛の目盛周期ｄＭ＝１μｍの場合の第二の実施例の値の例が要約されている。
【００９６】
【表２】
0006588836.tif 000020
【００９７】
以下の通り、これらの式８ａ，８ｂ，９ａ及び９ｂにより、面内動作時のパラメータと関係無く、測定目盛１１２’に入射する、或いは測定目盛１１２’により回折される部分光ビームＡの対称面ＳＥに対する所与の偏向角βＡ１’又はβＡ２’から面外動作時の傾斜角αと目盛周期ｄＭ’を導き出すこともできる。
【００９８】
【数１８】
0006588836.tif 000021
【００９９】
ここで、
βＡ１’：面外動作時の測定目盛に入射する部分光ビームＡの対称面ＳＥに対する偏向角
βＡ２’：面外動作時の測定目盛により回折される部分光ビームＡの対称面ＳＥに対する偏向角
α：傾斜角
ｎＡ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＡの回折次数
ｎＢ１：面外動作における測定目盛での第一の回折時の部分光ビームＢの回折次数
λ：光の波長
ｄＭ’：面外動作時の測定目盛の目盛周期
【実施例３】
【０１００】
面外動作時、即ち、又もや感度ベクトル
【０１０１】
【数１９】
0006588836.tif 000022
が傾斜した動作時における本発明による光学位置測定装置の第三の実施例の走査光学系が、図４ａ，４ｂに図示されている。図４ａは、ｘｚ平面内における走査光路の完全な光進路を図示し、図４ｂはｙｚ平面内における光進路を図示している。
【０１０２】
この場合でも、走査光学系又は走査ユニット２２０は、そのため、対称面ＳＥは、回転軸の周りを傾斜角αだけ傾斜して配置されており、この回転軸は、前記の実施例と同じ方向を向いている。走査板２２３は、第一の例と同様に、又もや対称面ＳＥに関して直角に配置されている。反射位相格子が、測定目盛２１２’として配備されている。この測定目盛２１２’の格子ベクトル又は第一の目盛方向は、又もやｘ方向に対して平行な方向を向いている。
【０１０３】
例えば、レーザーダイオードとして構成された、光源２２１から放出された光ビームは、コリメータレンズ２２２によりコリメートされて、基準尺２１０’の測定目盛２１２’の方に偏向される。この場合、光ビームは、偏向されずに透明な走査板２２３を通過する。この測定目盛２１２’は、入射光ビームを＋３次の回折次数（部分光ビームＡ；ｎＡ１＝＋３）と−１次の回折次数（部分光ビームＢ；ｎＢ１＝−１）に、或いは部分光ビームＡ又はＢに分割して、走査ユニット２２０の方向にＶ字形状に反射する。次に、部分光ビームＡ，Ｂは、走査ユニット２２０において、それぞれ走査格子２２４Ａ，２２４Ｂを通過する。この実施例では、二つの走査格子２２４Ａ，２２４Ｂは、基準尺２１０’と逆の方向を向いた、走査板２２３の上側に配置されている。これらの部分光ビームＡ，Ｂは、走査格子２２４Ａ，２２４Ｂにおいて、−１次と＋１次の回折を受け、そのようにして、対称面ＳＥの方向に偏向される。次に、これらの偏向された部分光ビームＡ，Ｂは、構造化された光検出器２２５の方向に進み、そこで、重なり合って干渉する。この干渉によって、縞模様が検出平面内に発生し、この縞模様は、構造化された光検出器２２５により検出されて、複数の周期的な位相のずれた走査信号に変換される。
【０１０４】
この実施例でも、傾斜角αと測定目盛２１２’の目盛周期ｄＭ’は、上記の式５ａ，５ｂに基づき選定される。この光進路は、又もや走査ユニット２２０と共にｙ方向の回転軸の周りを傾斜角αだけ傾斜して配置された対称面ＳＥに関して対称的である。この感度ベクトル
【０１０５】
【数２０】
0006588836.tif 000023
も傾斜角αだけ傾斜している。式６ａ，６ｂは、この実施例に関しても、ｘ及びｚ方向における基準尺のずれに関する信号周期ＳＰｘ，ＳＰｚを提供する。
【０１０６】
それに代わって、部分光ビームＡ，Ｂに関して＋３及び−１次の回折次数を使用する以外に、部分光ビームＡ，Ｂを生成するために、測定目盛２１２’での＋１及び０次（ｎＡ１＝＋１，ｎＢ１＝０）等の非対称な回折次数を使用することもできる。
【０１０７】
本発明による光学位置測定装置の第三の実施例の第一の変化形態が図５に図示されている。この図は、前に説明した第三の実施例による二つの走査ユニット３２０．１，３２０．２を備えた位置測定装置を図示している。二つの走査ユニット３２０．１，３２０．２は、機械的に互いに堅く連結されており、単一又は共通の基準尺３１０’を光学的に走査する役割を果たす。第一の走査ユニット３２０．１は、ｙ方向の第一の回転軸の周りを傾斜角＋αだけ傾斜して配置され、それに対して、第二の走査ユニット３２０．２は、第一の回転軸に対して平行な方向を向く、同じくｙ方向を向いた第二の回転軸の周りを傾斜角−αだけ傾斜して配置されている。これらに対応する感度ベクトル
【０１０８】
【数２１】
0006588836.tif 000024
は、測定目盛３１２’のｘ方向に延びる格子ベクトルに対して対称的に傾斜している。二つの走査ユニット３２０．１，３２０．２における構造及び走査光路は、それぞれ前に説明した第三の実施例と同じである。
【０１０９】
この変化形態では、走査ユニット３２０．１，３２０．２は、以下の式１２ａ，１２ｂに基づき得られる位置位相Φ１又はΦ２を出力側に提供する。
【０１１０】
【数２２】
0006588836.tif 000025
【０１１１】
ここで、
Φ１：第一の走査ユニットの位置位相
Φ２：第二の走査ユニットの位置位相
ＳＰｘ’：ｘ方向に沿った基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期
ＳＰｚ’：ｚ方向に沿った基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期
ΔｘＭ：ｘ方向の基準尺のずれ
ΔｚＭ：ｚ方向の基準尺のずれ
【０１１２】
次の通りの二つの走査ユニット３２０．１，３２０．２の位置位相Φ１とΦ２の加算及び減算によって、基準尺３１０’に対して相対的な二つの走査ユニット３２０．１，３２０．２のｚ方向の位置ξｚ及びｘ方向の位置ξｘを独立して決定することができる。
【０１１３】
【数２３】
0006588836.tif 000026
【０１１４】
ここで、
ξｘ：基準尺に対して相対的な二つの走査ユニットのｘ方向の位置
ξｚ：基準尺に対して相対的な二つの走査ユニットのｚ方向の位置
Φ１：第一の走査ユニットの位置位相
Φ２：第二の走査ユニットの位置位相
ＳＰｘ’：ｘ方向に沿った基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期
ＳＰｚ’：ｚ方向に沿った基準尺のずれに関して生成される走査信号の信号周期
【０１１５】
本発明による光学位置測定装置の第三の実施例の第二の変化形態が図６に図示されている。この図は、図５の変化形態による三対の走査ユニット４２０．１〜４２０．６を走査側に備えた測定構成を図示している。これらの三対の走査ユニット４２０．１〜４２０．６を用いて、二次元交差格子として構成された、従って、二つの格子ベクトルが同一線上に有る、そのため、図６でｘ及びｙ方向に対して平行な方向を向いた第一と第二の目盛方向を有する、基準尺４１０’上の測定目盛４１２’を走査する。この場合、全ての六つの走査ユニット４２０．１〜４２０．６は互いに堅く連結されている。
【０１１６】
これらの走査ユニットの対４２０．１／４２０．２，４２０．３／４２０．４及び４２０．５／４２０．６は、図５と同様に、それぞれ逆方向に傾斜角αだけ傾斜して配置されている。これらの走査ユニットの対４２０．１／４２０．２と４２０．３／４２０．４は、それぞれｘ及びｚ方向の相対的な動きを検知し、走査ユニットの対４２０．５／４２０．６はｙ及びｚ方向の相対的な動きを検知する。走査ユニットの各対４２０．１／４２０．２，４２０．３／４２０．４，４２０．５／４２０．６は、走査ユニット４２０．１〜４２０．６に対して相対的な交差格子の測定目盛のｚ方向の位置を計測することが可能である。この場合、ｚ方向の位置の測定に関して有効な測定地点は、それぞれ各対の走査ユニットの間の中央に有る。そのため、基準尺４１０’のｚ方向の位置は、一直線上に無い三つの異なる地点で計測される。更に、これらの第一の二つの走査ユニット対４２０．１／４２０．２と４２０．３／４２０．４は、それぞれ基準尺４１０’のｘ方向の位置を提供し、その測定地点は、ｙ方向において異なり、ｚ軸の周りの基準尺４１０’の傾斜Ｒｚを計測することが可能である。更に、走査ユニット対４２０．５／４２０．６は、基準尺４１０’のｙ方向の位置を提供する。そのため、この走査ユニット４２０．１〜４２０．６の構成を用いて、全ての六つの自由度ｘ，ｙ，ｚ，Ｒｘ，Ｒｙ，Ｒｚにおける基準尺４１０’の位置を計測することが可能である。当然のことながら、必要に応じて、これらの自由度の部分集合だけをそれに対応してより少ない数の走査ユニットを用いて計測することもできる。
【０１１７】
当然のことながら、本発明の範囲内には、ここで説明した実施例の外に、更に別の実施形態も存在する。
【符号の説明】
【０１１８】
１０，１０’，１１０’，２１０’，３１０’，４１０’    基準尺
１１，１１’，１１１’，２１１’，３１１’，４１１’    目盛支持体
１２，１２’，１１２’，２１２’，３１２’，４１２’    測定目盛
２０，１２０，２２０，３２０．１，３２０．２，４２０．１〜４２０．６    走査ユニット
２１，２２３，３２３．１，３２３．２    走査板
２２Ａ１，２２Ｂ１，２２４Ａ，３２４．１Ａ，３２４．１Ｂ  第一の走査格子
２２Ａ２，２２Ｂ２，２２４Ｂ，３２４．２Ａ，３２４．２Ｂ  第二の走査格子
２３Ａ，２３Ｂ      反射器
１２１，２２１，３２１．１，３２１．２  光源
１２２，２２２，３２２．１，３２２．２  コリメータレンズ
１２３  分割素子
１２４Ａ，１２４Ｂ  偏向素子
１２５Ａ，１２５Ｂ  レンズ
１２６Ａ，１２６Ｂ  反射器
１２７．１，１２７．２，１２７．３    ビーム分割器
１２８．１，１２８．２，１２８．３，２２５，３２５．１，３２５．２    検出器
Ａ，Ｂ  部分光ビーム
ｄＭ      目盛周期
ＰＭ      第一の衝突地点
ＰＭ’    第二の衝突地点
ＳＥ    対称面
ＳＩＮ    入射光ビーム
ＳＯＵＴ  信号光ビーム
ｘ      第一の方向
ｙ      第二の方向
ｚ      第三の方向
α      傾斜角
βＡ，βＡ’，βＡ１’，βＡ２’  部分光ビームＡの回折角又は偏向角
βＢ，βＢ’，βＢ１’，βＢ２’  部分光ビームＢの回折角又は偏向角
0006588836.tif 000027
【図１ａ】
0006588836.tif 000028
【図１ｂ】
0006588836.tif 000029
【図１ｃ】
0006588836.tif 000030
【図２ａ】
0006588836.tif 000031
【図２ｂ】
0006588836.tif 000032
【図２ｃ】
0006588836.tif 000033
【図３ａ】
0006588836.tif 000034
【図３ｂ】
0006588836.tif 000035
【図４ａ】
0006588836.tif 000036
【図４ｂ】
0006588836.tif 000037
【図５】
0006588836.tif 000038
【図６】
0006588836.tif 000039