(57)【要約】      （修正有）【課題】測定目盛面に対して直角な軸を中心にして、測定目盛を備えた基準尺体に対して相対的な走査検知ユニットの傾斜に対して鈍感な高分解能の光学式位置測定装置を提供する。【解決手段】光源２１により発せられた光束が測定目盛１１に当たり、そこで少なくとも二つの分光光束への分割が行われる。走査検知ユニット２０の方向に進む分光光束が、第一走査検知目盛２４を介してリフレクタ要素２５に当たり、そして測定目盛１１の方向への反射を受け、そのとき測定目盛１１へ向かう経路で第一走査検知目盛２４を通過する。再び測定目盛１１に当たった後に、走査検知ユニット２０の方向に進む分光光束が重ね合わされて、分光器要素２２を介して検知ユニット２６方向へ方向転換される。そこで位置に関係すると共に位相のずれた複数の走査検知信号を検出することができる。【選択図】図１
2012127946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査検知ユニットおよび測定目盛を備えた基準尺体の相対位置を検出するための光学式位置測定装置であって、その走査検知ユニットおよび基準尺体は、少なくとも一つの測定方向（ｘ）に沿って互いの間で移動自在であり、そして
−  走査検知ユニットには、光源、第一円環状走査検知目盛、リフレクタ要素、分光器要素、および検知ユニットを含んでおり、そして
−  光源により発せられた光束が測定目盛に当たり、そこで少なくとも二つの分光光束への分割が行われ、
−  走査検知ユニットの方向に進む分光光束が、第一走査検知目盛を介してリフレクタ要素に当たり、
−  その分光光束が、リフレクタ要素により測定目盛の方向への反射を受け、そして測定目盛へ向かう経路で第一走査検知目盛を通過し、そして
−  再び測定目盛に当たった後に、走査検知ユニットの方向に進む分光光束が重ね合わされて、分光器要素を介して検知ユニット方向へ方向転換され、そこで位置に関係すると共に位相のずれた複数の走査検知信号を検出することができる、光学式位置測定装置において、
第一走査検知目盛（２４；１２４；２２４；３２４；４２４；５２４．１，５２４．２；６２４）が、
−  それを介して、それに測定目盛（１１；１１１；２１１；３１１；４１１；５１１；６１１）から入射する分光光束を、リフレクタ要素（２５；１２５；２２５；３２５；４２５；５２５．１，５２５．２；６２５ａ，６２５ｂ）に集束し、
−  それを介して分光光束の再平行光線化が行われ、それがリフレクタ要素（２５；１２５；２２５；３２５；４２５；５２５．１，５２５．２；６２５ａ，６２５ｂ）での反射の後に、測定目盛（１１；１１１；２１１；３１１；４１１；５１１；６１１）の方向に進むように構成されている、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
−  少なくとも一つの偏光光学構成要素が、分割された分光光束の光路に配設されており、それを介して、測定目盛（１１；１１１；２１１；３１１；４１１；５１１）で分割された二つの分光光束が、直線または円の直角偏光を互いの間で受け、そして
−  検知ユニット（２６；１２６；２２６；３２６；５２６．１，５２６．２）において複数の光電子式ディテクタ要素（２６．４ａ〜２６．４ｃ；１２６．４ａ〜１２６．４ｃ；３２６．４ａ〜３２６．４ｆ；４２６．４ａ〜４２６．４ｆ）の前に、ポラライザ（２６．３ａ〜２６．３ｃ；１２６．３ａ〜１２６．３ｃ；３２６．３ａ〜３２６．３ｆ；４２６．３ａ〜４２６．３ｆ）が配設されている、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光学式位置測定装置において、
少なくとも一つの偏光光学構成要素を介して、
−  分光光束の直角偏光が、直径方向に配設された二つの扇形で生じるか、又は
−  方位方向で位置に関係して１８０°の範囲に亘って回転する直線偏光を生じるか、のいずれかである、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載の光学式位置測定装置において、
偏光光学構成要素として少なくとも一つの高周波格子が、分光光束の走査検知光路に配設されている、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項５】
請求項２に記載の光学式位置測定装置において、
リフレクタ要素（２５；１２５；５２５．１，５２５．２）が、偏光光学構成要素として構成されている、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項６】
請求項２に記載の光学式位置測定装置において、
位相差プレート（２２７．１，２２７．２）として構成された複数の偏光光学構成要素が、分光光束の走査検知光路において測定目盛（２１１）と第一走査検知目盛（２２４）の間、または第一走査検知目盛（２２４）とリフレクタ要素（２２５）の間に配設されている、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
二回目に測定目盛（１１；１１１；２１１；３１１；４１１；５１１；６１１）に当たった後に重ね合わせ分光光束が、光学軸に沿って進む、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に記載の光学式位置測定装置において、
第一走査検知目盛（２４；１２４；２２４；３２４；４２４；５２４．１，５２４．２；６２４）が、
【数１】
2012127946.tif 000020
そこで、
ΦＡ１（ｒ）：＝半径に関係する位相関数
ｒ：＝半径
ｄＭ：＝測定目盛の目盛周期
ｒ０：＝回折性リングレンズに当たる主光線のラジアル方向間隔
による二次位相関数を有する回折性レンズとして構成されている、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に記載の光学式位置測定装置において、
分光光束が、最初に第一走査検知目盛（２４；１２４；２２４；３２４；４２４；５２４．１，５２４．２；６２４）に当たった後に、光学軸に対して平行に進む、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に記載の光学式位置測定装置において、
第一走査検知目盛（２４；１２４；２２４；３２４；４２４；５２４．１，５２４．２）およびリフレクタ要素（２５；１２５；２２５；３２５；４２５；５２５．１，５２５．２）が、偏光光学構成要素を例外として、光学軸に対して円筒対象で構成されており、そして光源（２１；１２１；２２１；３２１；４２１；５２１．１，５２１．２）により発せられた光束が、光学軸に沿って進む、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
測定目盛（１１；１１１；２１１；３１１；４１１；５１１；６１１）が、
−  一次元の直線目盛として、または
−  二次元の直線目盛として、または
−  ラジアル目盛として、または
−  円環目盛として、構成されている、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
光源（４２１）により発せられた光束の通過する回折性構造（４２７）が、走査検知プレート（４２３）の範囲に配設されており、そこで回折性構造（４２７）が、光源（４２１）から入射する光束用の平行光線化レンズとして、および／または測定目盛（４１１）から入射する重ね合わせ分光光束用の格子分光器としての役割を果たし、そして走査検知プレート（４２３）の前側と後側に第一走査検知目盛（４２４）およびリフレクタ要素（４２５）が、またはその逆で配設されている、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に記載の光学式位置測定装置において、
検知ユニット（２６；１２６；２２６；３２６；５２６．１，５２６．２）が、入射する重ね合わせ分光光束を空間的に分割する分光器（２６．２；１２６．２；３２６．２）を有しており、そして分割された分光光束が、それぞれポラライザ（２６．３ａ〜２６．３ｃ；１２６．３ａ〜１２６．３ｃ；３２６．３ａ〜３２６．３ｆ；４２６．３ａ〜４２６．３ｆ）を通過した後に光電子式ディテクタ要素（２６．４ａ〜２６．４ｃ；１２６．４ａ〜１２６．４ｃ；３２６．４ａ〜３２６．４ｆ；４２６．４ａ〜４２６．４ｆ）に当たる、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光学式位置測定装置において、
分光器（２６．２；１２６．２；３２６．２）が格子分光器として構成されている、ことを特徴とする光学式位置測定装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の光学式位置測定装置において、
分光光束の光路において、光学的位相差区間（ｎＧ・ΔＤＧ）が配設されている、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、請求項１の前文に記載の光学式位置測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
当該形式の光学式位置測定装置は、ＵＳ６，８３１，２６７Ｂ２号公報で公知である；そこでは特に図１１および５０を参照されたい。この文献で提案されている位置測定装置は、走査検知ユニットおよび測定目盛を備えた基準尺体との相対的位置を高分解能で検出するために使用し、そこでは走査検知ユニットおよび基準尺体が、少なくとも測定方向に沿って互いの間で移動自在である。走査検知ユニットには、光源、第一円環状走査検知目盛、直接その後に配設されたリフレクタ要素、分光器要素、および検知ユニットを含んでいる。光源により発せられた光束が測定目盛に当たり、そこで少なくとも二つの分光光束への分割が起きる。走査検知ユニットに向けて逆反射された分光光束は、第一走査検知目盛とリフレクタ要素を介して、再び測定目盛の方向に反射され、そのとき分光光束は測定目盛に向かう経路で、再び第一走査検知目盛を通過する。第一走査検知目盛は、円環格子として構成されている。このような形式の円環格子は、ラジアル方向で等間隔に配設された同心の格子線で構成されている。測定目盛で再び反射された後に、走査検知ユニットの方向に進む分光光束は重ね合わされて、分光器要素を介して検知ユニット方向への方向転換を受け、そこで位置に関係する複数の走査検知信号を検出することができる。測定目盛ないし基準尺体と第一走査検知格子間の光路にある追加の偏光光学構成要素により、二つの分光光束が互いの間で直角偏光されるので、基準尺体と走査検知ユニットが相対的に移動するケースにおいて、公知の偏光光学的な方法を使うことにより検知ユニットでは、高分解能且つ位相がずれた走査検知信号を生成することができる。
【０００３】
ＵＳ６，８３１，２６７Ｂ２号公報において言及した二つの図で公知の光学式位置測定装置は、充分に円筒対称であることにより、基準尺体に対する走査検知ユニットの傾斜に関して非常に大きな誤差許容度を有していることになっている；そこでは特に所謂モアレ傾斜に対して現れる感度が、特に鈍いことになっている。ここで考えているのは、測定目盛面に対して直角方向に向いている回転軸を中心にした走査検知ユニットと基準尺体の傾きである。
【０００４】
しかしながら、当該形式の光学式位置測定装置で実施したシミュレーションでは、提案された走査検知光学系で種々の弱点が生じている。そして測定目盛および第一走査検知目盛が、回折された分光光束の光波前面に非常に異なった影響を与えている。特に第一走査検知目盛の円環格子は、格子線が円形に曲がっているので光波前面を著しく歪ませる。このように構成された第一走査検知目盛は、直線目盛を走査検知するために適していない。結果として、分割された分光光束で光波前面歪みが生じ、それが走査検知信号で極度に低い変調度となる。光波前面歪みは光線方向に対して直角な方向で著しく大きくなるので、光源から入射する光束の光線断面を非常に小さく選ばねばならない。その結果として生じるのは、光学式位置測定装置で汚染や欠陥に対して敏感なことである。
【０００５】
しかし更に重要なことは、提案された光学式位置測定装置では大きな光波前面歪みが、取付け、使用、製造時に極度に小さい誤差許容度になることである。そのような取付け、使用、製造時での誤差許容度では、二つの分光光束で小さい横方向ズレが発生する。光波前面歪みが大きい時には、これが著しい局所的位相ズレ、よって重ね合わされた分光光束で不十分な干渉に至る。このことは更に、走査検知信号強度の顕著な低下という結果になる。シミュレーションにより、取付けおよび製造時の誤差許容度は殊のほか小さいことが確認されたが、それを受忍できるのは僅かな用途ケースのみである。ここで対象となるケースは、一方で大きなモアレ傾斜許容度が要求されるが、他方で他の許容度全てが市場で一般的な光学式位置測定装置と較べて明らかに小さくなければならないケースである。
【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、高分解能の光学式位置測定装置を提供することであり、それは、測定目盛面に対して直角な軸を中心にして、測定目盛を備えた基準尺体に対して相対的な走査検知ユニットの傾斜に対して鈍感であり、そして同時に基準尺体でその他の傾斜およびズレに対して誤差許容度が大きいものである。
【０００７】
本発明による光学式位置測定装置で利点のある実施方法は、従属請求項に記載の処置により得られる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による光学式位置測定装置には、走査検知ユニットおよび測定目盛を備えた基準尺体を含んでおり、その走査検知ユニットおよび基準尺体は、少なくとも一つの測定方向（ｘ）に沿って互いの間で移動自在である。走査検知ユニットは、光源、第一円環状走査検知目盛、リフレクタ要素、分光器要素、および検知ユニットを有している。光源により発せられた光束は測定目盛に当たり、そこで少なくとも二つの分光光束への分割が行われる。走査検知ユニットの方向に進む分光光束が、第一走査検知目盛を介してリフレクタ要素に当たる。その分光光束がリフレクタ要素で、測定目盛の方向への反射を受け、そして測定目盛へ向かう経路で第一走査検知目盛を通過する。再び測定目盛に当たった後に、走査検知ユニットの方向に進む分光光束は重ね合わされて、分光器要素を介して検知ユニット方向へ方向転換され、そこで位置に関係すると共に位相のずれた複数の走査検知信号を検出することができる。第一走査検知目盛は、それを介して、それに測定目盛から入射する分光光束をリフレクタ要素に集束するように構成されている。更に、第一走査検知目盛を介して分光光束の再平行光線化が行われ、それがリフレクタ要素での反射の後に、測定目盛の方向に進む。
【０００９】
ここで更に、
−  少なくとも一つの偏光光学構成要素が、分割された分光光束の光路に配設されており、それを介して、測定目盛で分割された二つの分光光束が、直線または円の直角偏光を互いの間で受け、そして
−  検知ユニットにおいて複数の光電子式ディテクタ要素の前に、ポラライザが配設されている
ようにしていることがある。
【００１０】
更に、少なくとも一つの偏光光学構成要素を介して、
−  分光光束の直角偏光が、直径方向に配設された二つの扇形で生じるか、又は
−  方位方向で位置に関係して１８０°の範囲に亘って回転する直線偏光を生じるか
のいずれかであることがある。
【００１１】
偏光光学構成要素として例えば、少なくとも一つの高周波格子が、分光光束の走査検知光路に配設されていることがある。
更にリフレクタ要素が、偏光光学構成要素として構成されていることがある。
【００１２】
別の実施形態では、位相差プレートとして構成された複数の偏光光学構成要素が、分光光束の走査検知光路において測定目盛と第一走査検知目盛の間、または第一走査検知目盛とリフレクタ要素の間に配設されているようにすることがある。
【００１３】
二回目に測定目盛に当たった後に重ね合わせ分光光束が、光学軸に沿って進むと好ましい。
第一走査検知目盛が、
【００１４】
【数１】
2012127946.tif 000003
【００１５】
そこで、
ΦＡ１（ｒ）：＝半径に関係する位相関数
ｒ：＝半径
ｄＭ：＝測定目盛の目盛周期
ｒ０：＝回折性リングレンズに当たる主光線のラジアル方向間隔
による二次位相関数を有する回折性レンズとして構成されていると利点がある。
【００１６】
更に分光光束が、最初に第一走査検知目盛に当たった後に、光学軸に対して平行に進むことがある。
最後に、第一走査検知目盛およびリフレクタ要素が、偏光光学構成要素を例外として、光学軸に対して円筒対象で構成されており、そして光源により発せられた光束が、光学軸に沿って進むことがある。
【００１７】
測定目盛が、
−  一次元の直線目盛として、または
−  二次元の直線目盛として、または
−  ラジアル目盛として、または
−  円環目盛として
構成されているようにしていることがある。
【００１８】
更に、光源により発せられた光束の通過する回折性構造が、走査検知プレートの範囲に配設されていることがあり、そこでは回折性構造が、光源から入射する光束用の平行光線化レンズとして、および／または測定目盛から入射する重ね合わせ分光光束用の格子分光器としての役割を果たし、そして走査検知プレートの前側と後側に第一走査検知目盛およびリフレクタ要素が、またはその逆で配設されている。
【００１９】
可能性ある実施形態では検知ユニットが、入射する重ね合わせ分光光束を空間的に分割する分光器を有していることがあり、そして分割された分光光束が、それぞれポラライザを通過した後に光電子式ディテクタ要素に当たる。
【００２０】
更に、分光器が格子分光器として構成されていることがある。
本発明による光学式位置測定装置の別の変形例では、分光光束の光路において光学的位相差区間が配設されていることがある。
【００２１】
本発明による光学式位置測定装置の重要な利点として、走査検知ユニットと基準尺体のモアレ傾斜に対して求める高い許容度が、その他の傾きや位置の誤差許容度が大きい時に同時に得られる。それにより本発明による光学式位置測定装置は、取付けおよび使用時での大きな誤差許容度を有している。このことは正に、最適化された位相変化および距離をおいて回折性レンズの焦点面にあるリフレクタを備えた回折性レンズとして、第一走査検知目盛を構成していることに帰するものである。それにより、走査検知光路において障害となる光波前面歪みを最小化できる。
【００２２】
更に、基準尺体ないし測定目盛を走査検知する時に、充分に大きな光線断面を使って使用することが可能であり、それが同じく汚染に対する感度が鈍いという結果に至る。
本発明の別の利点および詳細は、複数の実施例について添付の図を使った以下の説明で分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態の概略図。
【図２】図１による光学式位置測定装置の構成要素の各外観図。
【図３】図１による光学式位置測定装置の検知ユニットの概略図。
【図４】本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態の概略図。
【図５】図４による光学式位置測定装置の構成要素の各外観図。
【図６】図４による光学式位置測定装置の検知ユニットの概略図。
【図７】本発明による光学式位置測定装置の第三実施形態の概略図。
【図８】本発明による光学式位置測定装置の第四実施形態の概略図。
【図９】図８による光学式位置測定装置の構成要素の各外観図。
【図１０】図８による光学式位置測定装置の検知ユニットの概略図。
【図１１】本発明による光学式位置測定装置の第五実施形態の概略図。
【図１２】図１１による光学式位置測定装置の構成要素の外観図。
【図１３】本発明による光学式位置測定装置の第六実施形態の概略図。
【図１４】図１３による光学式位置測定装置の構成要素の外観図。
【図１５】本発明による光学式位置測定装置の第七実施形態の概略図。
【図１６】図１５による光学式位置測定装置の構成要素の外観図。
【図１７】本発明による光学式位置測定装置の第七実施形態の第一変形例の概略図示した構成要素。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下で本発明による光学式位置測定装置の色々な具体的実施例を詳細に説明する前に、まず変形例全ての基礎になる走査検知原理を説明することにする。
基準尺体ないしその上に配設された反射性または透過性の測定目盛は、光学軸に沿って光源の−好ましくは平行光線化された−光束により照光されるようになっている。測定目盛では入射する光束が、＋１／−１次回折次数で二つの分光光束に分割ないし回折され、それが走査検知ユニットの方向に進む。続いて分光光束は、第一走査検知目盛を介して、光路で後に配設されたリフレクタ要素に集束される。そこで第一走査検知目盛は、円筒対称の回折性リングレンズとして構成されていると好ましい。リフレクタ要素の具体的な構成に関しては多数の可能性があり、それを具体的な実施例を使って更に詳細に説明する。それで例えばリフレクタ要素が、反射性の第二走査検知目盛として、またはミラーおよび一つまたは複数の偏光光学構成要素の組合せとして構成されていることもある。そのリフレクタ要素は、円筒対称の回折性リングレンズの焦点面に配設されている。引き続いてリフレクタ要素により、第一走査検知目盛の方向への二つの分光光束の逆反射が行われる。
【００２５】
加えて、走査検知光路において構成要素を適切に構成することにより、測定目盛ないし基準尺体で分割された二つの分光光束が、互いの間で直角偏光されていることが確保される。その分光光束は、例えば互いの間で直角な直線偏光を、あるいは互いの間で直角な円偏光を受けることがある。そのために光路における色々な要素の少なくとも一つが、偏光光学構成要素として構成されると好ましい。それで例えば、測定目盛または場合により複数の走査検知目盛の少なくとも一つを、偏光光学構成要素として構成するようにしていることがある。更に、例えば位相差プレートおよび／またはポラライザ等のように、追加の偏光光学構成要素を走査検知光路に配設することもある。
【００２６】
第一走査検知目盛を二回目に通過する時に、リフレクタ要素により逆反射された分光光束は、改めての回折により再平行光線化され、平行光線化された分光光束として引き続いて測定目盛ないし基準尺体の方向に進む。測定目盛では当たった分光光束が、＋１／−１次回折次数で改めて回折を受ける。このようにして、反射された分光光束が再び単一の光束に重ね合わされ、それが測定目盛に二回目に当たった後に光学軸に沿って、光源から入射する光束の方向に進む。逆反射された分光光束の光路に配設された非偏光性分光器要素を介して、分光光束の重ね合わせペアは、反対方向に進む入射光束から分離されて、検知ユニットの方向に方向転換される。検知ユニットには色々な偏光光学構成要素および、入射する重ね合わせ分光光束ペアから、位相のずれた少なくとも二つの走査検知信号を生成するための複数の光電子式検知要素を含んでいる。基準尺体と走査検知ユニットが相対的に移動するケースでは、以上のようにして互いの間で位相がずれた複数の走査検知信号、あるいはインクリメント信号ができ、それを一般的な形式と方法で更に処理する。
【００２７】
ここで光源、第一走査検知目盛、リフレクタ要素、分光器要素および検知ユニットが、測定目盛を備えた基準尺体に対して少なくとも一つの測定方向で移動自在である走査検知ユニット配設されていると好ましい。
【００２８】
本発明による光学式位置測定装置の走査検知光路は、既に上記した利点の他に、公知の光学式位置測定装置とは対照的に一連の別の利点を提供する。
二回通過する第一走査検知目盛の回折性リングレンズおよび焦点面に配設されたリフレクタ要素の組合せから、光学的作用に関して逆反射リフレクタが得られる。これは入射するフラット光束を、反対方向に逆進する同じくフラットな光束に変換する。円環格子とは対照的に、ここでは顕著な光波前面歪みが発生しない。
【００２９】
それで、提案の走査検知格子が扁平な回折性レンズとして構成されていると好ましく、屈折性レンズと較べて明らかに精密且つ充分低い製造コストで作ることができる。加えて分光光束において、このような走査検知格子を使うことにより生じる光波前面歪みは、屈折性レンズのケースと較べて明らかに小さい。
【００３０】
更に回折レンズのアパーチャを自由に選択できることにより、簡単な方法でリングレンズを構成することができる。リングレンズが影響を与えるのは、屈曲された分光光束のみであり、リングレンズの中心を通過する分光光束ではない。それにより、照光する光束および反対方向に進む重ね合わせ光束が、光学軸に沿って同じレンズを通過せねばならないことを防ぐことができる。リングレンズは、傾斜して入射する分光光束の集束に特別に最適化されねばならないので、光学軸で照光する分光光束を平行光線化することには完全に不適切であろうし、そして大きな光波前面収差を発生するであろう。よって、回折性リングレンズによりアパーチャを簡単に制限することで、中央の分光光束および傾斜して屈曲された分光光束を分離してコントロールすることができる。それにより初めて、本発明による位置測定装置で光波前面収差の充分な最小化が可能である。
【００３１】
勿論、照光光束を平行光線化するために、平行光線化機能に対応して最適化されている別の回折性レンズを、リングレンズの内側に設けることができる。屈折性レンズでは、高精密のポリッシュプロセスでシャープな移行部をできないので、異なった屈曲機能を有するリング範囲と中央範囲で、このようにアパーチャ分離することは不可能である。
【００３２】
更に、第一走査検知目盛におけるリングレンズの位相変化を最適で選択すること、および光学式位置測定装置の別のパラメータを最適で選択することにより、本発明による光学式位置測定装置では組付け、使用、製造時に特に大きな許容度が得られる。
【００３３】
加えて、アキシャル方向の照光およびアキシャル方向で重ね合わせ光束が出て行くことにより、分光光束の分割から重ね合わせまでの走査検知光路は、厳密に円筒対称であることが確保される。円筒対称からの偏りがあるのは、走査検知光路にある構成部品のみであり、それは専ら分光光束の偏光に影響を与えるが、その光線方向または光線位置に影響を与えない。この円筒対称からの偏りは、位相がずれた複数の走査検知信号を発生するために不可欠である。
【００３４】
本発明の範疇では更に、例えば走査検知プレートの両側に第一走査検知目盛およびリフレクタ要素を設けた一体構造により、特にドリフトのない走査検知光学系を確保することができる。
【００３５】
以下において、それぞれ先に説明した走査検知原理に基づく本発明による光学式位置測定装置の色々な具体的実施形態を説明する。
【実施形態１】
【００３６】
本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態を、図１，２ａ，２ｂ，３を使って説明することにする。図１は光学式位置測定装置の著しく概略化した図示であり、図２ａと２ｂはそれぞれ位置測定装置の構成要素の外観、そして図３は検知ユニットの著しく概略化した図を示している。
【００３７】
図１で分かるように、本発明による光学式位置測定装置には、測定目盛１１を備えた基準尺体１０および規定の測定方向ｘで可動の走査検知ユニット２０を含んでいる。呈示の実施例では測定目盛１１が、反射性の測定目盛として構成されている。基準尺体１０および走査検知ユニット２０は通常、測定方向ｘに沿って互いの間でスライド自在であると共に相対位置を特定する二つの−図示していない−対象物、例えば機械構成要素と繋がっている。位置測定装置を介して生成された走査検知信号は、続いて処理するために同じく図示していない制御ユニット−例えば機械制御装置−に送られる。
【００３８】
以下において図１，２ａ，２ｂを使い、第一実施例の走査検知光路を説明する。
直線偏光され平行光線化された光源２１の照光光束は、まず屈曲されずに非偏光性分光器要素２２を通過し、そして光学軸Ｚに沿って走査検知プレート２３の中央窓範囲を通って基準尺体１０の方向に向けられる。基準尺体１０の表面にある直線測定目盛１１、その格子定数ないし目盛周期を以下においてはｄＭで表すが、その直線測定目盛が、入射する光束を±１次回折次数で二つの反射分光光束に分割する。そして二つの反射分光光束は、走査検知プレート２３の前側に配設されていると共に基準尺体１０から間隔ＤＡを有する透過性の第一走査検知目盛２４に、光学軸Ｚに対して対称的に当たる；間隔ＤＡは、以下において走査検知間隔ＤＡとも表すことにする。ここで走査検知プレート２３の前側として、走査検知プレート２３で基準尺体１０に対向する側を、後側として走査検知プレート２３でその反対側を表す。この実施例では第一走査検知目盛２４が、透過する回折性リングレンズとして構成されており、それが入射する二つの分光光束を光学軸Ｚに対して平行に向けると同時に、走査検知プレート２３の後側に集束する。走査検知プレート厚みＤＧを有する走査検知プレート２３の後側には、リフレクタ要素２５が配設されている。よって第一走査検知目盛２４を介して、それに入射する分光光束のリフレクタ要素２５への集束が行われる。これは呈示の実施例においては、ゼロ次回折次数でのみ反射する反射性高周波格子の形態をしたリング状第二走査検知目盛として構成されている。高周波格子は以下で更に詳しく説明するように、それに衝突する二つの分光光束を直角偏光するために使用する。そうでなければ、高周波格子は光学的にミラーのように作用するので、それに入射する二つの分光光束、本来の入射する光線の進みに対して反対に光線ズレなしで逆進する。そして二つの分光光束は再び、走査検知プレート２３の前側にある第一走査検知目盛２４に到達する。回折性リングレンズとして構成された第一走査検知目盛を介して、分光光束は通過時に平行光線化されると同時に、光学軸Ｚに対して傾斜して屈曲される。引き続いて二つの分光光束は、重なり合って基準尺体１０に再び当たり、その基準尺体がそれを＋１ないし−１次回折次数で改めて回折した後に反射し、光学軸Ｚに沿って共軸で重ね合わせる。重ね合わされた光束は続いて、走査検知プレート２３の内側窓範囲を改めて通過し、非偏光性分光器要素２２により検知ユニット２６に向けて方向転換される。検知ユニット２６では、−以下において更に詳細に説明するように−位相のずれた走査検知信号が生成される。
【００３９】
本発明による光学式位置測定装置の利点ある構成の可能性および色々な構成要素の機能を、以下において詳細に説明することにする。
光源２１は、波長範囲λ＝４００ｎｍ〜１５００ｎｍにある光線を発する半導体レーザダイオードとして構成されていると好ましい。光源２１として特に適しているのは、例えばストライプ導体レーザダイオードまたはＶＣＳＥＬ光源（垂直共振器面発光レーザー）である。測定誤差の原因となる長手方向モードスプリングを避けるために、例えば本出願人によるＤＥ１０２００４０５３０８２Ａ１号公報に記載されているように、半導体レーザダイオードを電流変調して使用することがある。そこで変調周波数は、検知ユニット２６で図示していないフォト要素増幅器の入力バンド幅より高いと好ましく、それにより走査検知信号の対応する変調が現れることがない。このような半導体レーザダイオードの電流変調は、場合により発生することのある妨害光束との干渉もなくす。これは場合により、０次回折次数で走査検知プレート２３の窓範囲ないし測定目盛１１において照光光束が反射することにより発生することがある。同じ理由から、本発明による光学式位置測定装置用の適切な光源２１として、１ｍｍ以下の短いコヒーレント長を有する長手方向および／または横方向マルチモード半導体レーザダイオードが優先される。特別なケース、特に小さい走査検知間隔ＤＡないし小さい走査検知プレート厚みＤＧの時には、光源２１としてＬＥＤも使用することができる。
【００４０】
一般的に、走査検知ユニット２０と基準尺体１０の走行速度が速い時に高い測定精度を必要とする位置測定装置に対しては、測定をトリガーした後の正確な測定時点が定義されていなければならない。時間的に正確に定義された測定時点は、半導体レーザダイオードのパルス駆動により保証することができる。加えて、短いパルス時間は半導体レーザダイオードのコヒーレント長さを短縮するので、妨害光束との前記干渉をパルス駆動により同じく効果的に抑えることができる。
【００４１】
基準尺体１０の側にある測定目盛１１として特に良好で適しているのは、約１８０°の位相変化量および約ｄＭ／２の格子幅を有する反射位相格子であり、その場合にゼロ次回折次数が抑えられている。そこでは、測定目盛１１の目盛構造が殆ど扁平に構成されていることも利点がある。ここで、反射性の測定目盛に対する代替として勿論、透過性の測定目盛も本発明による光学式位置測定装置に使用できることを示唆しておきたい。
【００４２】
呈示している本発明による光学式位置測定装置の第一実施例では、測定目盛１１が一次元の直線目盛として構成されている。これに対する代替として測定目盛を、二次元の直線目盛として、ラジアル目盛として、あるいは円環目盛として、および／またはこれらの組合せとして構成するようにしていることもある。これら変形例の詳細は、以下の記述の中で更に詳細に説明する。
【００４３】
図２ａの上部外観で図示している走査検知プレート２４の前側の第一走査検知目盛２４は、回折性リングレンズの光学的機能を有しており、好ましくは多段ホログラムとして、呈示の例では透過性構造として光学構造化されている。それには２段ホログラムの最も簡単なケースも含まれ、それは、約１８０°の位相変化量および局所格子定数ｄＭの半分のレベルにある局所格子幅を有する二元位相格子に相当している。
【００４４】
このような多段ホログラムの段数と共に、回折効率、よって達成可能な信号強度が向上する。しかしながら製造コストも増加するので、４段ホログラムが良好な妥協点となる。対応する製造方法、例えば浮き出し方法を使用できる時には、連続的なレリーフ凹凸も基本的に可能である。
【００４５】
第一走査検知目盛２４のリングレンズの目盛構造は、位相関数ΦＡ１（ｒ）により定義され、それが、平行光線化された照光の時に光学軸Ｚに対する間隔ｒの関数として、現れる一次回折次数の位相ズレ量を説明する。リングレンズを多段ホログラムとして構成するケースでは、位相関数ΦＡ１（ｒ）が階段関数により近似され、そのときこの関数の各段は、リリーフ高さに相当している。位相関数ΦＡ１（ｒ）が半径ｒにのみ関係するという内在の条件が、この干渉性リングレンズの円筒対称性を確実にする。
【００４６】
位相関数ΦＡ１（ｒ）の最適選択のために、例えば数値的な最適化方法を使用することができる。そのためにまず位相関数ΦＡ１（ｒ）を、最適化パラメータａｎ（ｎ＝１，２，．．．Ｎ）を使って説明する。多項式により例えば
【００４７】
【数２】
2012127946.tif 000004
【００４８】
が得られる。
理想的には干渉性リングレンズから、理想的な光波前面を有する分光光束が出るに違いなく、それが走査検知プレート２３の後側で回折制限された焦点を生成する。そのような理想的な光波前面Φｉｄｅａｌ（ｘ，ｙ）は、
【００４９】
【数３】
2012127946.tif 000005
【００５０】
そこで、
ｎＧ：＝走査検知プレートの屈折率
（ｘＦ，ｙＦ）：＝求める横方向焦点位置
ＤＧ：＝走査検知プレートの厚み
で得られる。
【００５１】
この実施例では求める横方向焦点位置（ｘＦ，ｙＦ）が、第一走査検知目盛２４への分光光束主光線の衝突点と同一である。最適化のために座標系を制限なしで選んで、測定目盛がｘ方向で屈曲し、それにより
【００５２】
【数４】
2012127946.tif 000006
【００５３】
が当て嵌まるようにすることがある。
ここで半径ｒ０は、回折性リングレンズに当たる主光線のラジアル方向間隔を表し、測定目盛での回折により次のように規定されている：
【００５４】
【数５】
2012127946.tif 000007
【００５５】
そこで、  ＤＡ：＝走査検知間隔
そして、回折性リングレンズから出る光波前面の光波前面収差δΦＡ１（ｘ，ｙ）は、理想的な光波前面Φｉｄｅａｌ（ｘ，ｙ）と対比して次で得られる：
【００５６】
【数６】
2012127946.tif 000008
【００５７】
ここで式５における第１項は、測定目盛１１での回折後に入射する分光光束の光波前面を規定している。最適化パラメータａ１，ａ２，．．．ａＮを適切に選ぶことにより、この光波前面収差を光線中心点（ｒ０，０）の周囲で最小化することになる：
【００５８】
【数７】
2012127946.tif 000009
【００５９】
このような数値的な最適化は、専門家には容易なことである。その最適化は、追加の要求により更に細かくできる。それで例えば、光学式位置測定装置の特定許容度の時に、光波前面収差の最小化を同時に嵌め込むことがある。
【００６０】
しかしながら、概略化した数値的最適化の他に、次の追加条件が保たれる時には上記の最適化のために、非常に良好且つ簡単な解析的な解決手段がある：
【００６１】
【数８】
2012127946.tif 000010
【００６２】
この条件の下では、最適解は次のとおりである：
【００６３】
【数９】
2012127946.tif 000011
【００６４】
それにより式１と一緒で、回折性リングレンズの最適化された位相関数が得られる：
【００６５】
【数１０】
2012127946.tif 000012
【００６６】
式５による光波前面収差は、次で得られる：
【００６７】
【数１１】
2012127946.tif 000013
【００６８】
ΔｘとΔｙの多項式として展開すると、最低の多項式次数で次が得られる：
【００６９】
【数１２】
2012127946.tif 000014
【００７０】
式９が意味することは、例えばコマ収差のような、三次の多項式次数全てが除かれていることである。最初に例えば球面収差のような、四次の多項式次数が現れる。この解で残る僅かな光波前面収差は、回折性リングレンズにおける二回目の回折後に、再び非常に良好な平行光線化された分光光束になり、それが測定目盛１１ないし基準尺体１０における二回目の回折後にほぼ理想的に重ね合わされ、それにより特に大きな走査検知信号を出す。このようにすることにより、取付け、使用、製造時での誤差許容度も最大化される。
【００７１】
式７と８に式４を代入すると、次が得られる：
【００７２】
【数１３】
2012127946.tif 000015
【００７３】
大抵のケースでは測定目盛１１の目盛周期ｄＭが、波長λより明らかに大きいので、二つのパラメータＤＧとａ２は目盛周期ｄＭと殆ど関係しない。これは、そのような走査検知光学系を使うことにより、異なった目盛周期ｄＭを有する測定目盛１１を充分に走査検知できることを意味している。それにより、非常に大きなモアレ傾斜許容度と一緒で、更に以下で説明するように広い用途の可能性が得られる。
【００７４】
リフレクタ要素２５ないし、走査検知プレート２３の後側にある第二走査検知目盛の概略的な上部外観を、図２ｂで示している。呈示の例で第二走査検知目盛は、第一走査検知目盛２４のようにリング状に構成されている；しかしながら、好ましくはλ／ｎＧ以下の局所的格子定数を有する反射性の高周波格子が、第二走査検知目盛として設けられている。このようにすることにより、二つの分光光束が第二走査検知目盛に殆ど直角で入射する時に、ゼロ次回折次数のみが現れることが保証されている。それにより高周波格子が、それに入射する分光光束に対して、まずミラーのように作用する。この高周波格子の格子構造は、それにより反射される分光光束の異なった偏光特性が局所的な格子方向ないし格子構成、例えば格子線高さおよび格子線幅に関係して生じるように選ぶ。それにより、この格子パラメータの位置に関係した変化を使って、偏光特性を同様に位置に関係させることが可能である。図示した実施形態においては図２ｂにより、円環形状の高周波格子で二つの半分体に互いの間で直角な格子方向が設けられている。格子線は金属の格子線として構成されており、直線ポラライザとして作用する。格子線に対して平行な偏光方向のみが反射される。図２ｂで明示されているように、二つの分光光束はそれぞれ、高周波格子で二つの半分体の一つに当たる。入射する光束の偏光方向が二つの格子方向に対して４５°以下で選ばれているので、このような形式と方法により二つの分光光束は互いの間で直角に偏光される。この例では従って、リフレクタ要素２５の高周波格子ないしリフレクタ要素２５が、偏光光学構成要素として機能する。
【００７５】
第一実施例の検知ユニット２６を、図３で概略的に図示している。左から入射する重ね合わせ光束はまず、λ／４位相差プレート２６．１に当たり、それが、直角偏光された二つの分光光束の直線偏光を、右ないし左円偏光に変換する。格子分光器として構成されて後続する分光器２６．２が、重ね合わせ光束を０次および±１次回折次数で空間的に三つの重ね合わせ分光光束に分割する。これらは引き続いて三つのポラライザ２６．３ａ，２６．３ｂ，２６．３ｃを通過して、最後に三つのディテクタ要素２６．４ａ，２６．４ｂ，２６．４ｃに当たる。ディテクタ要素２６．４ａ，２６．４ｂ，２６．４ｃが、走査検知信号Ｓ０，Ｓ−１２０，Ｓ＋１２０を出す。三つのポラライザ２６．３ａ，２６．３ｂ，２６．３ｃを互いにそれぞれ６０°回転することにより、走査検知信号Ｓ０，Ｓ−１２０，Ｓ＋１２０のそれぞれ１２０°互いにずれた位相が得られる。そして位相のずれた走査検知信号Ｓ０，Ｓ−１２０，Ｓ＋１２０を更に処理するのは、公知の形式と方法で行う。
【００７６】
この本発明による光学式位置測定装置の実施形態のモアレ傾斜許容度は、リフレクタ要素２５ないしそのために設けた第二走査検知目盛により制限される。規定された互いの間で直角な直線偏光を反射後に常に保証するために、二つの分光光束の焦点がそれぞれ高周波格子の半分体に留まらねばならないので、ほぼ±９０°のモアレ傾斜許容度を達成できる。第二検知走査目盛は、偏光作用を除いてミラーのような挙動をする。走査検知光学系の光線進路幾何形状を、分光光束の偏光状態ではなく光線進行の位置と方向のみと解釈すると、呈示している走査検知光学系の光線進路幾何形状は、二つの分光光束の分割からその重ね合わせまで完全に円筒対称である。
【実施形態２】
【００７７】
以下において図４，５ａ，５ｂ，６を使い、本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態を説明する；ここで扱うのは、第一実施例との重要な違いのみである。
第一走査検知目盛１２４は、この本発明による光学式位置測定装置の変形例では、透過する回折性リングレンズとして構成されているが、それは、最初の通過後に出る分光光束を垂直方向に対して角度αだけラジアル方向に屈曲する作用をする。二つの分光光束の焦点は、同じく第二走査検知目盛として構成されているリフレクタ要素１２５にある。角度αがあることにより、焦点の光学軸Ｚからのラジアル方向間隔ｒ１は、第一走査検知目盛１２４での分光光束のラジアル方向間隔ｒ０と同一ではない。よって第二走査検知目盛は、直角偏光に加えて分光光束を、再び逆進させるためにラジアル方向に屈曲せねばならない。この追加のラジアル方向屈曲は、第二走査検知目盛の高周波格子が円形状格子線を備えた重ね合わせ円環格子構造を有していることにより達成する。そのために、円環格子のラジアル方向格子定数ｄＲを次のように選ぶ：
【００７８】
【数１４】
2012127946.tif 000016
【００７９】
更に、本発明による光学式位置測定装置で呈示実施形態の第二走査検知目盛にある高周波格子は、それが局所的にλ／４位相差プレートのように作用し、その向き方向は高周波格子の局所的な格子方向により規定されているように構成されている。この向き方向は第一実施例のように、第二走査検知格子の二つの半分体で互いの間で直角に選ばれるので、照光光束のように二つの格子方向に対して４５°以下で直角に偏光されている入射分光光束が、左円ないし右円偏光分光光束に変換される。
【００８０】
高周波格子は好ましくは、高屈折率の誘電性材料で出来ており、それを平坦な干渉ミラー層または平坦な金属ミラーがカバーしている。適切な高周波格子の例示的な説明は、例えばＷａｎｊｉ  Ｙｕ他著  「多層サブ波長構造により製造され波長関連の少ない１／４波プレート」応用光学、第４５巻、第１２号、２６０１頁以下、２００６年で見られる。
【００８１】
ここで高周波格子は、一つの偏光方向を吸収または透過するポラライザとしてではなく位相差プレートとして作用するので、反射された光線強度、それにより信号強度も向上する。
【００８２】
この例において図６で図示している検知ユニット１２６では、二つの分光光束が既に直角に円偏光されているので、先の実施例から入力側λ／４位相差プレートをなくすことができる。その他には検知ユニット１２６の構成が、第一実施例のものに相当している。
【００８３】
呈示の第二実施例では二つの走査検知格子が、分離されて別個の二つの走査検知プレート１２３ａ，１２３ｂに設けられており、空隙により分離されている。この空隙は位置測定装置の組み立て時に、最大信号強度を生じるように設定する。このようにすることにより、例えば光源の波長変化のような構成部品誤差許容度を補正することができる。
【００８４】
第二実施例の走査検知光学系の光線進路幾何形状は、二つの分光光束の分割からその重ね合わせまで同じく円筒対称である。達成可能なモアレ傾斜許容度は、同じくほぼ±９０°である。
【実施形態３】
【００８５】
図７では先の図示に類似して、本発明による光学式位置測定装置の第三実施形態を示している。
同じく第一走査検知目盛２２４を、透過する回折性リングレンズとして構成するようにしている。リングレンズを最初に通過する時に出て行く分光光束は、第一実施例のように光学軸Ｚに対して平行に向けられる（α＝０）。それが続いてλ／８位相差プレート２２７．１，２２７．２を通過した後に、呈示のようにミラーとして構成されているリフレクタ要素２２５に当たる。この本発明による光学式位置測定装置の例では、λ／８位相差プレート２２７．１，２２７．２とミラーの組合せが、前の二つの実施例の第二走査検知格子と置き換わっている。
【００８６】
光源２２１により発せられた光束の直線偏光および二つのλ／８位相差プレート２２７．１，２２７．２は互いの間で、二つの分光光束がλ／８位相差プレート２２７．１，２２７．２を二回目に通過した後に左円ないし右円偏光を有すると共に、互いの間で直角偏光されているような向きになっている。検知ユニット２２６は、図６による第二実施例のように構成されている。
【００８７】
この本発明による位置測定装置の実施形態は、偏光方向を適切に設定するために第二走査検知格子用の複雑な高周波格子を製造する可能性がない時に、特に利点がある。その代わりに、市場で一般的な例えば石英結晶でできたλ／８位相差プレート２２７．１，２２７．２を使用して、二つの分光光束での偏光方向を希望する方向に向ける。以上により、この実施例では位相差プレート２２７．１，２２７．２が、分割された分光光路で偏光方向を適切に設定するための偏光光学構成要素として機能する。第一走査検知目盛２２４とリフレクタ要素２２５の間に位相差プレート２２７．１，２２７．２を配設することに対する代替として、分割された分光光束の光路で測定目盛２１１と第一走査検知目盛２２４の間に、位相差プレート２２７．１，２２７．２を配設するようにもできるであろう。
【実施形態４】
【００８８】
本発明による光学式位置測定装置の第四実施例を、図８，９ａ，９ｂ，１０に図示している。
この変形例においては先に説明した例との違いとして、走査検知目盛２２４が走査検知プレート２２３の後側に、そしてリフレクタ要素２２５ないし第二走査検知目盛が走査検知プレート２２３の前側に設けられている。第一走査検知目盛２２４もリフレクタ要素２２５の走査検知目盛も、ここでは反射を利用している。それにより、これらの走査検知目盛は、例えば指紋または水分凝縮のような汚れから特に良好に保護される。このような形式と方法により、位置測定装置の汚染に対する感度の度合が著しく鈍化する。
【００８９】
ここでは光源３２１の平行光線化された照光光束が、図示していないλ／４位相差プレートを使って円偏光されて、まず分光器３２２を通過し、そして走査検知プレート２２３の内側窓範囲を通過する。引き続いて光束は、基準尺体３１０にある測定目盛３１１により、±１次回折次数で二つの分光光束に分割される。測定目盛３１１により反射された二つの分光光束は続いて、走査検知プレート３２３の前側の内側窓範囲を介して、走査検知プレート３２３の後側にある反射性の第一走査検知目盛３２４に到達する。図９ａの上部外観で示している第一走査検知目盛３２４は、ここでも同じく回折性リングレンズとして構成されている。第一走査検知目盛３２４を介した回折の後に二つの分光光束は、光学軸Ｚに対して平行でリフレクタ要素３２５に、ないし走査検知プレート３２３の前側にある同じく反射性の第二走査検知目盛に集束される。図９ｂに示しているリング状第二走査検知目盛は、ここで同じく反射性で金属の高周波格子として実施されている。高周波格子の偏光作用により、０次回折次数で反射された分光光束は直線偏光を有している。その方向は、同じく高周波格子の局所的格子線方向により決まっている。図９ｂで分かるように局所的な格子線方向は、方位方向拡がりに従って連続的に１８０°回転している。ベースとなる格子位相ΦＰ（ｘ，ｙ）は、以下の関係により形成することができる：
【００９０】
【数１５】
2012127946.tif 000017
【００９１】
そこで、
ｒ１＝ｒ０：＝第二走査検知目盛における二つの分光光束の焦点の半径
ｄＰ：＝高周波格子の局所的格子定数
ａｒｃｔａｎ２＝ａｒｃｔａｎ関数の二乗
そのとき直径方向で反対位置にある局所的な格子線方向は、−少なくとも半径ｒ１において−互いに直角である。二つの分光光束は、基準尺体３１０の任意のモアレ傾斜Ｒｚの時に、そのような直径方向位置に正確に当たるので、それらは常に互いの間で直角に偏光される。尤も、モアレ傾斜Ｒｚの時に二つの分光光束の偏光は、半分の角度だけ一緒に回転するので、適切な走査検知信号を生成するためには特別な検知ユニット３２６が必要である。
【００９２】
当該形式の検知ユニットの原理的な構成を、図１０で概略的に図示している。この本発明による位置測定装置の実施形態では検知ユニット３２６において、入射する重ね合わせ光束を六つの重ね合わせ分光光束に分割するために十字格子３２６．２が使用される。この重ね合わせ分光光束のそれぞれが、ポラライザ３２６．３ａ〜３２６．３ｆを通過した後に、ディテクタ要素３２６．４ａ〜３２６．４ｆに当たり、そして走査検知信号に変換される。重ね合わせ分光光束で二つの分光光束では加えて、λ／４位相差プレート３２６．５ａ，３２６．５ｂが、ポラライザ３２６．３ｂ，３２６．３ｅの前に挿入されている。更に進める説明の中で偏光状態のポワンカレ図示を使用するが、それは例えばＭ．Ｂｏｒｎ，Ｅ．Ｗｏｌｆ著  専門書「光学理論」ケンブリッジ大学出版、１９９９年、第３２，３３頁に記載されている。ポラライザ３２６．３ｂ，３２６．３ｅとλ／４位相差プレート３２６．５ａ，３２６．５ｂの向き方向は、重ね合わせ分光光束の偏光方向のポワンカレ図示において、ディテクタ要素３２６．４ａ〜３２６．４ｆにより次の状態が検知されるように選ばれている：
直線偏光：Ｓ０：０°、Ｓ４５：４５°、Ｓ９０：９０°、Ｓ１３５：１３５°；
円偏光：Ｓ＋：左円、Ｓ−：右円
以上のようにして、重ね合わせ光束の各偏光状態を検知することができ、それはポワンカレ図示においてポワンカレ球上の正確な位置に相当している。
【００９３】
六つの走査検知信号を適切に評価することにより、各モアレ傾斜角度Ｒｚの時に位置位相を特定することができる。よってこの実施形態は、モアレ傾斜Ｒｚの制限なしで使用できる。尤も、この本発明による光学式位置測定装置の変形例の使用開始時に、測定方向ｘでの曖昧さを明確にする必要がある。測定目盛３１０のプラスとマイナスの回折方向は判別できないので、追加の情報により測定方向ｘの符合を確定せねばならない。そのために例えば追加の信号を発生する、又は別の適切なソースからの適切な情報を評価することがある。選ばれた測定方向ｘは使用開始後、任意のモアレ傾斜Ｒｚでも保持する。
【実施形態５】
【００９４】
本発明による光学式位置測定装置の第五実施例は、先に説明した第四実施形態に大部分で相当しており、図１１と１２で図示している。
光源４２１により発せられた光束を平行光線化するために、ここではレンズ機能を備えた回折性構造４２７が使用される。その構造４２７は、走査検知プレート４２３の上側の範囲に配設されており、それを光源４２１により発せられた光束が通過する。この実施例で具体的にはその構造４２７が、走査検知プレート４２３の上側にある第一走査検知目盛４２４の回折性リングレンズの内側に挿入されている。その回折性構造４２７が、光源４２１から入射する散光光束を平行光線化する。
【００９５】
回折性構造４２７を介して更に、別の光学的機能が実行される。それで、同時にこれが十字格子の形態をした格子分光器として作用し、測定目盛４１１から逆進する重ね合わせ光束を６つの重ね合わせ分光光束に分割する。２段ホログラムとしての回折性構造４２７の位相格子構造を、概略的に図１２で示している。この図示の中に、リング状フレネルレンズのあることが分かり、それがチェス盤状の背景配設と重ね合わされており、その中にフレネルレンズの局所的構造が反転されている。測定目盛４１１での二回目の回折後に重ね合わされた分光光束は、光学軸Ｚに沿って出て行き、回折性構造４２７により六つの重ね合わせ分光光束に分割され、そして同時に集束される。それにより、小さいディテクタ要素４２６．４ａ〜４２６．４ｆを使用することができ、そのことが同じくコンパクトな構成を可能にする。加えて重ね合わせ分光光束が光学軸Ｚから屈曲されるので、光源４２１の照光光束から分離される。よって回折性構造４２７は、分光器としても使用される。
【００９６】
第四実施例のように、ディテクタ要素４２６．４ａ〜４２６．４ｆの前でポラライザ４２６．３ａ〜４２６．３ｆおよびλ／４位相差プレート４２６．５ａ，４２６．５ｂの形態をした偏光光学構成要素は、走査検知信号Ｓ０，Ｓ４５，Ｓ９０，Ｓ１３５，Ｓ＋，Ｓ−を生成するために使用する。
【００９７】
本発明による光学式位置測定装置の第五実施形態は、第四実施形態と較べて明らかにコンパクトな構造を可能にする。代替として、平行光線化と分光のための組み合わせ回折性構造４２７の代わりに勿論、平行光線化レンズと分光格子に対する別個の回折性構成要素を設けることもある。
【実施形態６】
【００９８】
本発明による光学式位置測定装置の第六実施形態を、図１３と１４に図示している。
この変形例において意図しているのは、上に配設された反射性測定目盛５１１が十字格子、即ち、二次元直線格子として構成されている基準尺体５１０の検知走査である。その十字格子は、規定のＸとＹ方向で同じ目盛周期を有しており、例えばチェス盤構造で１８０°の位相変化量を有する位相格子として構成されていることがある。走査検知ユニット５２０の側には説明した第一実施例に類似して、殆ど同一の二つの走査検知光学系が設けられている。第一走査検知目盛５２４．１，５２４．２およびリフレクタ要素５２５．１，５２５．２が、共通の走査検知プレート５２３で対向する二つの側に設けられている。各走査検知位置において測定目盛５１１が、光源５２１．１，５２１．２の入射する照光光束を、ＸないしＹ方向に対して二つの指数で表す四つの一次回折次数：（１，０）、（−１，０）、（０，１）、（０，−１）で回折する。四つの一次回折次数全てが、走査検知プレート５２３の前側で回折性リングレンズとして構成された第一走査検知格子５２４．１，５２４．２により、走査検知プレート５２３の後側に集束される。第一実施形態と違って、第二走査検知目盛として構成されたリフレクタ要素５２５．１，５２５．２は、扇形状に境界を設けている。図１４で図示しているように各走査検知位置には、リフレクタ要素５２５．１，５２５２．２の直径方向で対向する二つの扇形が関連配置されており、それにはそれぞれ高周波格子を含んでおり、その格子線は図１４で分かるように互いの間で直角に延伸している。よって各走査検知位置では、二つの扇形の一つに当たる直径方向分光光束のみが反射される。二つの走査検知位置の扇形は、互いの間で９０°回転しているので、第一走査検知位置では、測定目盛のＸ方向で屈曲された回折次数（１，０）と（−１，０）のみが反射され、第二走査検知位置では、Ｙ方向で屈曲された回折次数（０，１）と（０，−１）のみが反射される。このようにすることにより、第一走査検知位置がＸ方向でのみ、第二走査検知位置がＹ方向でのみ測定することが確保される。第二走査検知目盛の扇形の開口角度は、最大９０°であり、それにより約±４５°の最大モアレ傾斜許容度となる。
【実施形態７】
【００９９】
本発明による光学式位置測定装置の第七実施形態を、図１５，１６に図示している；図１7は、光学式位置測定装置でこの実施形態の第一変形例の構成要素を示している。
この実施形態では位相差区間が、分割された二つの分光光束の一つの光路に挿入されている。図１５で示しているように、二つの分光光束用の二つのリフレクタ要素６２５ａおよび６２５ｂは、同じ面に配設されておらず、光学軸に沿ってｚ方向で僅かな量ΔＤＧだけ互いの間でずれている。走査検知目盛６２４は対応して二つの半分体に分けられており、それが、付属する分光光束をリフレクタ要素６２５ａないし６２５ｂに集束する。ｎＧを走査検知プレート６２３の屈折率、ΔＤＧを走査検知プレート６２３の厚みとする時に、この処置により二つの分光光束は、量ｎＧ・ΔＤＧだけ違いのある異なった長さの光路を通過する。このような形式と方法により分光光束の干渉時に位相ズレが生じ、それは光源６２１の波長に関係している。そのとき二つの分光光束の直角偏光は、最早必要としない。
【０１００】
この実施形態の付属する検知ユニット６２６を、図１６に概略的な形態で示している。それに含まれるのは、走査検知信号Ｓ０を生成する一つだけのディテクタ要素６２６．４である。位置測定装置で方向を認識するために必要な位相のずれた走査検知信号は、光源６２１の波長を適切に変調することにより得る。位相のずれた走査検知信号をこのように生成する基本原理は、ススム・マキノウチ他著  「変調レーザエンコーダの評価」精密工学第３５巻（２０１１）３０２〜３０８頁に記載されている。その場合に光源６２１は波長が高周波で変調されており、それにより走査検知信号Ｓ０の対応する位相変調が生じる。それが、後続の−図１６で図示していない−評価エレクトロニクスで評価され、方向認識のために必要な情報を出す。半導体レーザダイオードの波長の変調は、その電流源を変調することにより特に簡単である。走査検知信号Ｓ０の評価についての詳細な説明は、先に挙げた文献で見られる。
【０１０１】
この本発明による光学式位置測定装置の実施形態は、一方で光源６２１、分光器６２２、検知ユニット６２６、そして他方で走査検知プレート６２３の間に、−図示していない−光ファイバ接続ないし光波導体を設けると特に有利である。そのとき単一の光ファイバーが、光束を光源６２１から走査検知プレート６２３まで、そして同時に二つの重ね合わせ分光光束を走査検知プレート６２３から逆に検知ユニット６２６に送ることができる。ここで光ファイバとして、シングルモードファイバもマルチモードファイバも適している。
【０１０２】
更に分光器６２２を偏光性分光器として実施すると共に、光源６２１の光束が分光器６２２による減衰なしで送られるように光源６２１の直線偏光を選ぶと利点がある。通過する光束の円偏光を生成するλ／４位相差プレート−図示していない−を、光線進路で偏光性分光器６２２の後に接続して配設する。このλ／４位相差プレートに向かって走査検知プレート６２３から逆進する重ね合わせ分光光束は、反対向きに円偏光されており、そしてλ／４位相差プレートにより、発光された光源６２１の光束の偏光に対して直角である直線偏光に移される。この光束を偏光性分光器６２２が、減衰なしで検知ユニット６２６に向けて反射する。それにより、本発明による光学式位置測定装置の信号強度が最適化され、信号雑音が最小化される。
【０１０３】
本発明による光学式位置測定装置の第七実施形態の第一変形例は、ＷＯ  ２０１１／０００７１５Ａ１公報で公知の原理に基づいて構成することができる。そのとき、非常に短いコヒーレンス長を有する光源、例えばＬＥＤまたはスーパールミネッセンスダイオードを使用すると好ましく、それは最早波長が変調されない。ここでは選択するコヒーレンス長が、光学的位相差区間ｎＧ・ΔＤＧと較べて出来るだけ小さい必要がある。この本発明による光学式位置測定装置変形例のための検知ユニット６２６’を、図１７で概略的に図示している。格子として構成された分光器６２６．１が、入射する二つの重ね合わせ分光光束を、二つの二次重ね合わせ分光光束に分割する。その両方が、分光器６２６．１と固く繋がっている格子６２６．２で反射され、合流格子として作用する分光器６２６．１に向かって逆に進む。二つの二次重ね合わせ分光光束の一つが、ガラスプレート６２６．３を二回通過するので、分光光束のために第二の光学的位相差区間が構成される。その第二光学的位相差区間、即ちガラスプレート６２６．３の厚みは、図１５による構成の第一光学的位相差区間のそれと一致するように寸法が決められている。光源６２１のコヒーレンス長が短いことにより、走査検知プレート６２３で短い経路および第二位相差区間でガラスプレート６２６．３を通って長い経路を通過した分光光束のみが、走査検知プレート６２３で長い経路および第二位相差区間で短い経路を通過したものと干渉する。分光光束で他のペア全ては、光源６２１のコヒーレンス長が短いことにより干渉しない。分光光束が逆進する時に合流格子として作用する格子６２６．１は、結果としての０次と±１次回折次数で出て行く光束が、互いの間で１２０°位相がずれていると共に対応するディテクタ要素６２６．４ａ〜６２６．４ｃにより走査検知信号Ｓ＋１２０，Ｓ０，Ｓ−１２０に変換されるように、公知の形式で設計されている。一方で光源６２１、分光器６２２、検知ユニット６２６’、そして他方で走査検知プレート６２３の間で光ファイバ接続を使用する時に、この変形例も特に利点がある。
【更に別の実施の可能性】
【０１０４】
本発明による光学式位置測定装置で今まで詳細に説明した種々の実施例の他に、本発明の範疇では勿論、別の実施の可能性も結果として出てくる。色々な展開の可能性を、以下において簡単に示すことにする。
【０１０５】
式１２を書き換えることにより次が得られる：
【０１０６】
【数１６】
2012127946.tif 000018
【０１０７】
そこで
【０１０８】
【数１７】
2012127946.tif 000019
【０１０９】
パラメータλ，ｎＧ，ＤＥにより、相当する第一走査検知目盛が完全に特定される。そこで測定目盛の目盛周期ｄＭは、直接ではなく式１６により長さＤＥを介して間接的に扱う。長さＤＥが一定で留まる限り、測定目盛の非常に異なった目盛周期ｄＭも、同じ走査検知光学系を使って走査検知することができる。そこでは式１６による走査検知間隔ＤＡのみを容易に合わせるので、長さＤＥが一定で留まる。目盛周期ｄＭとの長さＤＥの関係は少ないので、走査検知間隔ＤＡを合わせなくても、測定目盛の目盛周期ｄＭの別の範囲を走査検知することができる。
【０１１０】
よって、モアレ傾斜許容度が大きいこととの組合せで別の選択肢が得られる。それでラジアル目盛として構成された測定目盛を、組付けと使用時に非常に大きな誤差許容度を有して走査検知することも可能である。ラジアル目盛では局所的な目盛周期ｄＭがラジアル方向で変化する一方、方位方向ではモアレ傾斜が現れる。同じ一つの走査検知光学系を使って、直線測定目盛だけでなくラジアル目盛も走査検知することができ、それが本発明による位置測定装置の製造および取り扱いに対して顕著な利点を意味している。ところが同じ走査検知光学系が、円環目盛を備えた基準尺体も同じく走査検知することができる。第六実施形態に相当する走査検知光学系を使うことにより、局所的に同じく十字格子目盛を示すラジアル目盛と円環目盛の重ね合わせで構成された測定目盛も走査検知できる。
【０１１１】
本発明による光学式位置測定装置の別の変形例においては、二つの分光光束を別の偏光光学構成要素によって直角偏光することもある。例えば第一走査検知目盛を、（図２ａによる）リングレンズの機能の他に、（図２ｂによる）二つの分光光束の直角偏光の機能を担う組合せ回折性構成要素として実施することがある。この組合せがリング状の高周波格子に至り、それは二つの半分体で直角の格子線方向を有すると共に、フレネルレンズの形態をした二重構造を備えている。図９ａと９ｂの構造を組み合わせることにより、制限のないモアレ傾斜Ｒｚのために拡張することも勿論同じく可能である。
【０１１２】
更に第三実施例においてλ／８位相差プレートを、測定目盛と第一走査検知目盛の間の光路に設けることもある。またλ／８位相差プレートの代わりに、二つの互いの間で直角な直線ポラライザを使用することもある。
【０１１３】
３６０°の完全なモアレ許容範囲で十字格子として構成された測定目盛を走査検知することが不可欠である時、ＸとＹ方向において目盛周期を異なって選択することにより、測定目盛の二つの回折方向を判別可能にすることができる。そして第四実施形態に相当して互いに隣接して配設された二つの走査検知光学系ないし走査検知ユニットは、そのような測定目盛を走査検知する。それらは、第一走査検知光学系が測定目盛のＸ方向のみを、そして第二走査検知光学系がＹ方向のみを走査検知するように修正されている。これは例えば、リフレクタ要素の第二走査検知目盛のラジアル方向寸法を小さく選んで、半径ｒ１が幾分異なっていることにより、測定目盛で走査検知しない目盛周期により発生する分光光束が最早当たらないようにすることにより行うことができる。
【０１１４】
更に、求められるモアレ傾斜許容度が±４５°より小さいとき、第一走査検知目盛およびリフレクタ要素ないし第二走査検知目盛を扇形に制限することがある。別の寸法にした第一ないし第二走査検知目盛を、間にある扇形に設けることができる。それで基準尺体に対する相対的な走査検知光学系の組み立てによっては、一つまたは別の分割走査検知光学系を利用することができる。分割走査検知光学系の寸法が異なっていることを、例えば測定目盛で非常に異なった目盛周期を走査検知するために使用することができる。測定目盛の目盛周期が非常に異なっている時に、ラジアル方向で互いに隣接し対応する寸法の第一ないし第二走査検知目盛が配設されていることがあり、それをアクティブで利用する又は利用しないかは、使用する測定目盛の目盛周期に従う。
【０１１５】
直角偏光された分光光束を偏光光学的に位相検知するためには、従来技術において公知である多数の種類がある。それらは大抵、偏光コード化された干渉計と関連して説明される。その場合に大抵、偏光性および非偏光性分光器が、位相差プレートとポラライザと組み合わせて使用される。勿論、そのような公知の偏光光学的位相ディテクタを、本発明による光学式位置測定装置にも同じく使用できる。
【０１１６】
更に最後に云えることは、透過する測定目盛を備えた基準尺体を有する透過光システムとして、本発明による光学式位置測定装置を構成することも可能なことである。このケースでは走査検知ユニットにおいて光源および検知ユニットが基準尺体の側に、そして反対側に第一走査検知目盛およびリフレクタ要素が配設されることになるであろう。
【０１１７】
また本発明の範疇において、光源および検知ユニットを走査検知ユニットに直接ではなく、それから空間的に離れて配設することも基本的に考えられるであろう。そして走査検知ユニットへ照光光束を送ること、ないし検知ユニットへ重ね合わせ分光光束を送ることは、適切な第一および第二光波導体を介して行う。そして走査検知ユニットでは第一光波導体の出力側端部が光源として、そして第二光波導体の入力側端部が検知ユニットとして機能する。
【０１１８】
個々の実施形態で色々説明した処置は、勿論、本発明による光学式位置測定装置の別の変形例において互いに組み合わせること等もできる。
【符号の説明】
【０１１９】
１０        基準尺体
１１        測定目盛
２０        走査検知ユニット
２１        光源
２２        非偏光性分光器要素
２３        走査検知プレート
２４        第一走査検知目盛
２５        リフレクタ要素
２６        検知ユニット
２６．１    λ／４位相差プレート
２６．２    分光器
２６．３    ポラライザ
２６．４    ディテクタ要素
１２３      走査検知プレート
１２４      第一走査検知目盛
１２５      リフレクタ要素
１２６      検知ユニット
２１１      測定目盛
２２１      光源
２２３      走査検知プレート
２２４      第一走査検知目盛
２２５      リフレクタ要素
２２６      検知ユニット
２２７      λ／８位相差プレート
３１０      基準尺体
３２１      光源
３２２      分光器
３２３      走査検知プレート
３２４      第一走査検知目盛
３２５      リフレクタ要素
３２６      検知ユニット
３２６．２  十字格子
３２６．３  ポラライザ
３２６．４  ディテクタ要素
３２６．５  λ／４位相差プレート
４１１      測定目盛
４２１      光源
４２３      走査検知プレート
４２４      第一走査検知目盛
４２６．３  ポラライザ
４２６．４  ディテクタ要素
４２６．５  λ／４位相差プレート
４２７      回折性構造
５１０      基準尺体
５１１      測定目盛
５２０      走査検知ユニット
５２１      光源
５２３      走査検知プレート
５２４      第一走査検知目盛
５２５      リフレクタ要素
６２１      光源
６２２      分光器
６２３      走査検知プレート
６２４      走査検知目盛
６２５      リフレクタ要素
６２６      検知ユニット
６２６．１  分光器
６２６．２  格子
６２６．３  ガラスプレート
６２６．４  ディテクタ要素
【図１】
2012127946.tif 000021
【図２】
2012127946.tif 000022
【図３】
2012127946.tif 000023
【図４】
2012127946.tif 000024
【図５】
2012127946.tif 000025
【図６】
2012127946.tif 000026
【図７】
2012127946.tif 000027
【図８】
2012127946.tif 000028
【図９】
2012127946.tif 000029
【図１０】
2012127946.tif 000030
【図１１】
2012127946.tif 000031
【図１２】
2012127946.tif 000032
【図１３】
2012127946.tif 000033
【図１４】
2012127946.tif 000034
【図１５】
2012127946.tif 000035
【図１６】
2012127946.tif 000036
【図１７】
2012127946.tif 000037