(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの特定な相対位置（ｘREF ）で基準パルス信号（ＲＩz ）を発生し、測定方向（ｘ）に相対運動する二つの物体の相対位置を測定する光学位置測定装置において、この光学位置測定装置が、下記の構成要素、
ａ）測定方向（ｘ）に順次配置された光学特性の異なる多数の部分領域（１０d,１０u;１００d,１００u;４００r,４００n ）を有する３個以上（ｎ＝３，４... ）のブロック（ＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３；ＢＭ１００，ＢＭ２００，ＢＭ３００，ＢＭ４００）が測定方向（ｘ）に隣接して配置された目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）を有している一方の物体に接続された目盛板（Ｍ）、
ｂ）走査・基準マーク構造体（２０；２００；３００）と多数の検出素子（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３；Ｄ１００，Ｄ２００，Ｄ３００，Ｄ４００）を備えた走査板（Ａ）とを有している他方の物体に接続された走査ユニット（ＡＥ）、
を備え、その場合、
b1)走査・基準マーク構造体（２０；２００；３００）も測定方向（ｘ）に隣接して順次配置されたｎ個のブロック（ＢＡ１，ＢＡ２，ＢＡ３；ＢＡ１００，ＢＡ２００，ＢＡ３００，ＢＡ４００）から成り、
b2)前記走査・基準マーク構造体（２０；２００；３００）あるいは前記目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）の少なくとも一つの第一グループのブロック（ＢＡ２，ＢＡ１００，ＢＡ３００；ＢＭ２，ＢＭ１００，ＢＭ３００）は、光源（ＬＱ）により照明された場合に基準位置（ｘREF ）のところのその時の他方の基準マーク構造体の面で走査・基準マーク構造体（２０；２００；３００）あるいは目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）の付属する第一グループのブロック（ＢＡ２，ＢＡ１００，ＢＡ３００；ＢＭ２，ＢＭ１００，ＢＭ３００）の構造と同一の強度分布を供給し、前記走査・基準マーク構造体（２０；２００；３００）あるいは前記目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）の少なくとも一つの第二グループのブロック（ＢＡ１，ＢＡ３；ＢＡ２００，ＢＡ４００；ＢＭ１，ＢＭ３；ＢＭ２００，ＢＡ４００）は、光源（ＬＱ）により照明された場合にその時の他方の基準マーク構造体の面で前記走査・基準マーク構造体（２０；２００；３００）あるいは前記目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）の付属するブロック（ＢＡ１，ＢＡ３；ＢＡ２００，ＢＡ４００；ＢＭ１，ＢＭ３；ＢＭ２００，ＢＡ４００）の構造に対して相補的となる強度分布を供給するように、走査・基準マーク構造体（２０；２００；３００）あるいは目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）の前記第一グループのブロック（ＢＡ２，ＢＡ１００，ＢＡ３００；ＢＭ２，ＢＭ１００，ＢＭ３００）を形成し、第一グループと第二グループのブロックが、測定方向に沿って交互に配置されており、
b3)走査・基準マーク構造体（２０；２００；４００）のブロック（ＢＡ１〜ＢＡ３；ＢＡ１００〜ＢＡ４００）の各々に一つの検出素子（Ｄ1 〜Ｄ３；Ｄ1 ００〜Ｄ４００）が付属し、
b4)ブロックのグループの出力信号（ＲＩT,ＲＩGT）を互いに接続して、各ブロックのグループのこれ等の出力信号から両方の物体の特定な相対位置（ｘREF ）で最大値あるいは最小値となるそれぞれ一つの基準パルス出力信号（ＲＩT,ＲＩGT）が生じるように、前記検出素子（Ｄ１〜Ｄ３；Ｄ１００〜Ｄ４００）が結線されている、
ことを特徴とする光学位置測定装置。
【請求項２】
各ブロック（ＢＡ１〜ＢＡ３；ＢＡ１００〜ＢＡ４００）に光学特性の異なる部分領域（２０d,２０u;２００d,２００u ）の配置を有する純粋な振幅パターン構造体として走査・基準マーク構造体（２０；２００）を形成し、第一グループのブロック（ＢＡ２；ＢＡ１００，ＢＡ３００）では部分領域（２０d,２０u;２００d,２００u ）の配置が目盛板・基準マーク構造体（１０；１００）の付属するブロック（ＢＭ２；ＢＭ１００，ＢＭ３００）の部分領域（１０d,１０u;１００d,１００u ）の配置と同一であり、少なくとも一つの第二グループのブロック（ＢＡ１，ＢＡ３；ＢＡ２００，ＢＡ４００）では部分領域（２０d,２０u;２００d,２００u ）の配置が目盛板・基準マーク構造体（１０；１００）の付属するブロック（ＢＭ１，ＢＭ３；ＢＭ２００，ＢＭ４００）の部分領域（１０d,１０u;１００d,１００u ）の配置と相補的であ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】
走査・基準マーク構造体（３００）は位相パターン構造体あるいは組み合わせた位相・振幅パターン構造体として形成されてい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４】
組み合わせた位相・振幅パターン構造体として形成された走査・基準マーク構造体（３００）は透過性の部分領域（３００d ）と非透過性の部分領域（３００u ）で形成され、透過性の部分領域（３００d ）には位相のずれたパターン構造体が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の光学位置測定装置。
【請求項５】
両方のブロックのグループの基準パルス出力信号（ＲＩT,ＲＩGT）は差接続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】
基準パルス出力信号（ＲＩT,ＲＩGT）は差形成素子（ＤＩＦ）の両方の入力端に入力することを特徴とする請求項５に記載の光学位置測定装置。
【請求項７】
目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）のブロック（ＢＭ１〜ＢＭ３；ＢＭ１００〜ＢＭ４００）毎におよび／または走査・基準マーク構造体（２０；２００）のブロック（ＢＡ１〜ＢＡ３；ＢＡ１００〜ＢＡ４００）毎に、光学的に透過性と非透過性に形成された多数の部分領域が配置されてい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８】
目盛板・基準マーク構造体のブロック毎におよび／または走査・基準マーク構造体のブロック毎に、光学的に反射性と非反射性に形成された多数の部分領域が配置されてい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９】
検出素子（Ｄ１〜Ｄ３；Ｄ１００〜Ｄ４００）の面は目盛板・基準マーク構造体（１０；１００；４００）や走査・基準マーク構造体（２０；２００）の付属するブロック（ＢＭ１〜ＢＭ３；ＢＭ１００〜ＢＭ４００；ＢＡ１〜ＢＡ３；ＢＡ１００〜ＢＡ４００）の面より僅かに大きく形成されてい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１０】
目盛板・基準マーク構造体と走査・基準マーク構造体の二つのグループに偶数のブロックを設け、目盛板・基準マーク構造体の全てのブロックの面積の合計と走査・基準マーク構造体の全てのブロックの面積の合計が同一となるように選定されてい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１１】
目盛板・基準マーク構造体と走査・基準マーク構造体の二つのグループの奇数のブロックを設け、目盛板・基準マーク構造体と走査・基準マーク構造体の第一グループの面の和が第二グループの面の和と同一に選択されてい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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二つの可動物体の相対位置の測定に適し、両方の物体が少なくとも一つの特定な相対位置にあると、基準パルスを出力する光学位置測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の光学増分位置測定装置には、二つの可動物体の相対位置を測定するため、通常目盛板の側に増分目盛トラックがある。このトラックは増分信号を発生する走査ユニットにより走査される。更に、両方の物体の一つまたはそれ以上の一義的に定めた相対位置で所謂「基準パルス」を発生できる可能性もしばしば設けてある。このため、目盛板の側で増分目盛トラックに隣接して更に基準トラックが設けてある。この基準トラックには、特定な個所に一つまたはそれ以上の目盛板基準マーク構造体がある。これ等の構造体も基準パルス信号を発生するため走査ユニットで走査される。
【０００３】
走査ユニットには、このため専ら走査基準マーク構造体および一つまたはそれ以上の光電検出器がある。基準パルス信号の発生は通常各基準位置で最大または最小値をとなる信号を発生するように、目盛板側および走査側の基準マーク構造体を形成して行われる。基準パルス信号の確実な検出を保証するため、そのようにして発生した信号を基準信号と差をとるように接続し、このため基準信号と共に差形成素子の両方の入力端に入力する。この差形成素子の出力端には、次の処理のためその時の基準位置を特定する信号が出力する。
【０００４】
差形成素子の基準信号もしくはトリガー信号として、この光学位置測定装置には、通常一定の振幅の所謂「均一光信号」を使用する。この均一光信号は均一光トラックを光学的に走査して得られる。
【０００５】
その外、米国特許第 4,691,101号明細書により、本来の同相基準パルス信号に対して 180°位相差のある波形を示す所謂「プッシュプル基準パルス信号」として基準信号を発生することも知られている。上記特許明細書の図１２A と１２B によれば、目盛板上の透過部分領域と非透過部分領域の非周期的な配列に応じて、走査側に隣接する個別検出素子の対応する配置を選んで上記の事項を達成している。その外、目盛板側の透過部分領域または非透過部分領域に対して個別の走査側検出素子を直接割り当てることが行われている。これに反して、プッシュプル基準パルス信号を発生させるため、基準パルス目盛板構造体の非透過部分領域に付属した検出素子が互いに接続している。次いで、両方の信号を差形成素子に導入し、その出力端には次の処理に望ましい基準パルス信号Ｃが出力する。
【０００６】
出力側の基準パルス信号をこのように発生させることについての難点は、特に目盛板と走査側の検出器配置を備えた提案されている位置測定装置が目盛板と走査ユニットの間に比較的小さな間隔を必要とする点にある。これは多くの応用例で確保できない。更に、検出素子へ不均一な散乱光が入射するため、発生する基準パルス信号の誤ったもしくは変化したトリガーが行われる。
【０００７】
その外、基準パルス信号を発生する似たような態様はドイツ特許出願第 195 12 258 号明細書でも周知である。この明細書でも、目盛板側の基準マーク構造体の特定の領域に対して面状の検出素子が直接割り当ててある。この配置の難点は既に上で考察した刊行物の難点と同じである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
それ故、この発明の課題は、従来の技術と比べて基準パルス信号を確実に発生させることのできる光学位置測定装置を提供することにある。走査間隔が大きい場合でも、また散乱光が入射しても上記のことが保証されるべきである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、この発明により、少なくとも一つの特定な相対位置ｘREF で基準パルス信号ＲＩz を発生し、測定方向ｘに相対運動する二つの物体の相対位置を測定する光学位置測定装置にあって、下記の構成要素、
ａ）測定方向ｘに順次配置された光学特性の異なる多数の部分領域１０d,      １０u;１００d,１００u;４００r,４００n を有するｎ（ｎ＝ 2, 3, 4... ）個のブロックＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３；ＢＭ１００，ＢＭ２００，ＢＭ３００，ＢＭ４００を測定方向に配置された目盛板・基準マーク構造体１０；１００；４００を有している一方の物体に接続された目盛板Ｍ，
ｂ）走査・基準マーク構造体２０；２００；３００と多数の検出素子Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３；Ｄ１００，Ｄ２００，Ｄ３００，Ｄ４００を備えた走査板Ａとを有している他方の物体に接続された走査ユニットＡＥ，
を備え、その場合、
b1)  走査・基準マーク構造体２０；２００；３００も測定方向ｘに順次配置されたｎ個のブロックＢＡ１，ＢＡ２，ＢＡ３；ＢＡ１００，ＢＡ２００，ＢＡ３００，ＢＡ４００から成り、
b2)  前記走査・基準マーク構造体あるいは前記目盛板・基準マーク構造体の少なくとも一つの第一グループのブロックＢＡ１，ＢＡ３；ＢＡ１００，ＢＡ３００；ＢＭ１，ＢＭ３；ＢＭ１００，ＢＭ３００が基準位置ｘREF のところのその時の他方の基準マーク構造体の面で走査・基準マーク構造体２０；２００；３００あるいは測定板・基準マーク構造体１０；１００；４００の付属する第一グループのブロックＢＡ１，ＢＡ３；ＢＡ１００，ＢＡ３００；ＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３；ＢＭ１００，ＢＭ３００の構造と同一の強度分布を供給し、前記走査・基準マーク構造体あるいは前記目盛板・基準マーク構造体の少なくとも一つの第二グループのブロックＢＡ２；ＢＡ２００，ＢＡ４００；ＢＭ２；ＢＭ２００，ＢＡ４００がその時の他方の基準マーク構造体の面で前記走査・基準マーク構造体あるいは前記目盛板・基準マーク構造体の付属するブロックＢＡ２；ＢＡ２００，ＢＡ４００；ＢＭ２；ＢＭ２００，ＢＡ４００の構造に対して相補的となる強度分布を供給するように、走査・基準マーク構造体あるいは目盛板・基準マーク構造体の前記第一グループのブロックＢＡ１，ＢＡ３；ＢＡ１００，ＢＡ３００；ＢＭ１，ＢＭ２，ＢＭ３；ＢＭ１００，ＢＭ３００を形成し、
b3)  走査・基準マーク構造体２０；２００；４００のブロックＢＡ１〜ＢＡ３；ＢＡ１００〜ＢＡ４００の各々に一つの検出素子Ｄ１〜Ｄ３；Ｄ１００〜Ｄ４００が付属し、
b4)  ブロックのグループの出力信号ＲＩT,ＲＩGTを互いに接続して、各ブロックのグループのこれ等の出力信号から両方の物体の特定な相対位置ｘREF で最大値あるいは最小値となるそれぞれ一つの基準パルス出力信号ＲＩT,ＲＩGTが生じるように、前記検出素子Ｄ１〜Ｄ３；Ｄ１００〜Ｄ４００が結線されている、
を備えていることによって解決されている。
【００１０】
この発明による他の有利な構成は特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明によれば、一つまたはそれ以上の目盛板・基準マーク構造体を走査するため、一定の目盛板・基準マーク構造体が一定に配置された検出素子と関連して使用される。こうして、より大きな可能な走査間隔が実現できる。
【００１２】
大きな走査間隔に基づき、使用する検出素子を受光側からボンデング線で電気的に接続することが問題なく可能になり、これ等の検出素子が間隔が狭いため目盛板で傷付くことはない。
【００１３】
更に、説明すべきことは、目盛板の基準マーク構造体と走査の基準マーク構造体を有する二つのグループのブロックの面をこの発明により同一に選んでいることにより、散乱光の影響に鈍感であることが保証される点にある。つまり、散乱光は全ての信号成分に同じように影響を与える。つまり、両方のグループのブロックから導かれる 180°だけ位相のずれた信号が同じ影響を受ける。
【００１４】
更に、考察した従来の技術とは異なり、一方で余り大きな作製コストを必要としない比較的大きな検出素子を使用でき、他方でそれにもかかわらず、基準パルス信号を高分解能で発生させることができる。
【００１５】
この発明による光学位置測定装置は当然反射光でも透過光でも実現できる。同様に、同じ位置測定装置は直線相対運動を検出するため、また回転相対運動を検出するために使用できる。
【００１６】
【実施例】
この発明による光学位置測定装置の他の利点および詳細は添付図面に基づく実施例の以下の説明で理解できる。
【００１７】
この発明による光学位置測定装置の可能な種々の実施態様が図１a 〜１c に示してある。個々の態様は、この場合、特に図１a の反射測定型としてあるいは図１b と１c の透過光測定型としてのその時の構成で異なる。
【００１８】
図示するこの発明による位置測定装置の実施態様にはそれぞれ走査ユニットＡＥとこのユニットにより走査される目盛板Ｍがある。走査ユニットＡＥと目盛板Ｍは互いに相対運動する物体（図示せず）に接続し、これ等の物体の相対位置は位置測定装置により正確に測定される。測定方向Ｘ，つまり走査ユニットＡＥと目盛板Ｍがその都度相対運動する方向は、どの三つの場合でも、紙面に垂直に向いている。相対運動するこれ等の物体は、例えば数値制御された工作機械の工具と加工品である。
【００１９】
図示する実施例の走査ユニットＡＥには、それぞれ一つの光源ＬＱ，一つの光学系Ｏ，走査板Ａおよび検出ユニットＤがある。その外、走査ユニットＡＥの側には既に異なっている信号処理素子が配置され、これ等の素子は発生した走査信号の次の処理を引き受け、次いでこれ等の信号は後続する評価ユニット、例えば数値制御工作機械の制御部に渡される。
【００２０】
図示する実施例では、光学系Ｏは光源ＬＱから放出されたビーム束をコリメートするために使用される。同様に、光学系Ｏには収束作用あるいは部分的な収束作用もある。その外、この発明による構想は主に光源ＬＱと走査板Ａあるいは目盛板Ｍの間に光学系Ｏのない位置測定装置、つまり所謂「発散照明を備えたシステム」でも実現できる。
【００２１】
この発明による位置測定装置の異なった実施態様には、それぞれ一つの増分目盛トラック（図示せず）があり、このトラックの光走査により周知のように位相のずれた二つの増分信号が生じる。その外、走査ユニットＡＥにより目盛板Ｍを走査する時に測定区間に沿って一個所あるいはそれ以上の個所で基準パルス信号を発生するようにされていて、これにより位置測定時の絶対的な対応関係を行っている。
【００２２】
特に基準パルス信号の発生と、それに必要な目盛板Ｍ，走査板Ａおよび検出ユニットＤの側の処置とに対するこの発明による詳細に関して、以下では図２〜４の説明でもっと詳しく立ち入る。
【００２３】
図１a では反射光系として形成された位置測定装置の実施例が示してある。この場合、目盛板Ｍあるいはその上に配置されたパターン構造体は、種々の走査信号を発生するため、反射性あるいは非反射性に形成された交番部分領域から成る。走査板Ａにも交番配置された透過部分領域と非透過部分領域から成るパターン構造体がある。
【００２４】
これに対して、図１b と１c に図示する実施態様は透過系として形成されている。目盛板Ｍの上には、これ等両方の場合、走査信号を発生するパターン構造体が配置されている。これ等の構造体は交番配置された透過部分領域と非透過部分領域で形成されている。付属する走査板Ａのぞれぞれに配置されているパターン構造体は図１a の例と同じように形成されている。即ち、交番配置された透過部分領域と非透過部分領域で形成されている。
【００２５】
図１b と１c の両方の透過光の実施態様は光源ＬＱから出発して配置されてる部品の順序に相違があるだけである。つまり、図１b の例では、走査板Ａを光源ＬＱと光学系Ｏの直後に配置しているので、ビーム束は走査板Ａから次に目盛板Ｍに、そして次に検出ユニットＤに達する。
【００２６】
これに対して、図１c の例では、異なった部品の配置が示してあり、走査板Ａは検出ユニットＤの直前に配置され、ビーム束は先ず目盛板Ｍに入射し、次に検出ユニットＤで検出される前に、走査板Ａに達する。
【００２７】
図１a 〜１c では、何れも直線位置測定装置が示してあるが、次に説明するこの発明による構想を回転光学位置測定装置に移すことは当然可能である。
【００２８】
図２に基づき、以下にこの発明による光学位置測定装置の第一実施例をより詳しく説明する。特に基準パルス信号の発生の方法を説明する。図２の中間部分では目盛板・基準マーク構造体１０が示しある。この構造体は異なった光学特性の部分領域１０d,１０u のそれぞれ非周期的な順序を有し、測定方向に隣接配置された多数のブロックＢＭ１〜ＢＭ３で構成されている。図１b の透過光配置の場合には、明るい部分領域１０d は透過性に形成されているが、暗い部分領域１０u は非透過性に形成されている。図１a の反射実施態様の例では、目盛板・基準マーク構造体１０の異なった部分領域１０u,１０d はそれに応じて非反射的および反射的に形成されている。
【００２９】
図２と３の次の実施例では、それぞれこの発明による光学位置測定装置の透過光実施態様を説明する。当然、この発明による構想を反射光系にも同じように移すことができる。
【００３０】
図２の実施例では、全部で三つのブロックＢＭ１〜ＢＭ３が設けてある。当然、何れでも目盛板・基準マーク構造体１０当たり３個以上のブロックを配置してもよい。しかし、この発明による位置測定装置は少なくとも目盛板・基準マーク構造体１０内にｎ個（ｎ≧２）のそのようなブロックが必要である。
【００３１】
走査側、つまり走査板Ａの側には、走査ユニットＡＥに走査・基準マーク構造体２０が設けてある。この構造体も測定方向ｘに隣接配置されたｎ個のブロックＢＡ１〜ＢＡ３（この場合＝３）で構成されている。そこには、これに従い、目盛板Ｍの側の目盛板・基準マーク構造体１０の内部に同じようにｎ個のブロックＢＡ１〜ＢＡ３が配置されている。走査・基準マーク構造体２０のブロックには、再び測定方向ｘに隣接配置された光学的に異なる特性の部分領域２０u,２０d がある。この場合、図面に明るく示した部分領域２０d は透過性に形成されているが、暗く示した部分領域２０u は入射光束に対して非透過性である。
【００３２】
図２の図面では、走査ユニットＡＥあるいは走査板Ａが検出すべき基準位置ｘREF のところに正確に存在している。
【００３３】
目盛板・基準マーク構造体および走査・基準マーク構造体の内部の異なったブロックＢＭ１〜ＢＭ３あるいはＢＡ１〜ＢＡ３の構成あるいは配置は、一方で少なくとも一つの第一グループのブロックＢＭ２，ＢＡ２の中で目盛板・基準マーク構造体１０の側の部分領域１０u,１０d および走査・基準マーク構造体２０の側の部分領域２０u,２０d の配置が同一であるように選択される。図示する実施例では、このグループは目盛板Ｍと走査板Ａの側のそれぞれだた一つのブロックＢＭ2,ＢＡ2 でのみ構成されている。
【００３４】
他方、第二グループのブロックＢＭ１，ＢＭ３，ＢＡ１，ＢＡ３は目盛板Ｍと走査板Ａの側で前記ブロックＢＭ１，ＢＭ３，ＢＡ１，ＢＡ３内に部分領域１０u,１０d,２０u,２０d の配置が互いに相補的であるように形成されている。「相補的」とは図２に図示する透過光の実施態様で、目盛板Ｍの側の透過性の部分領域１０d の場合に非透過性の部分領域１０u が走査板Ａの側で対応する位置に配置されている等々であると解すべきである。
【００３５】
これに反して、図１a の反射目盛板を用いる反射光の場合には、第一のグループで目盛板の反射部分領域に走査板の透過部分領域が付属し、目盛板の非反射部分領域に走査板の非透過部分領域が付属している。第二グループ内の部分領域の相補的な配置では、これに反して、反射実施態様の時、目盛板の非反射部分領域にそれぞれ走査板の透過部分領域が付属し、目盛板の反射部分領域に走査板の非透過部分領域が付属している。
【００３６】
更に、走査・基準マーク構造体内部の異なったブロックＢＡ１〜ＢＡ３の各々には走査ユニットＡＥで一定の空間関係で平坦な一つの光電検出素子Ｄ１〜Ｄ３が付属している。この検出素子により、光源ＬＱから出て走査板Ａと目盛板Ｍを経由してその上に入射する光束が検出される。検出素子Ｄ１〜Ｄ３の各々は、目盛板Ｍまたは走査板Ａの上の基準マーク構造体内の異なった部分領域１０u,１０d の幅の数倍に相当する受光面あるいは測定方向ｘの大きさを有する。
【００３７】
その外、この実施態様では両方のグループのブロックＢＡ１〜ＢＡ３，ＢＭ１〜ＢＭ３の面は、両方のグループに対してほぼ等しい大きさの面になるように選択されている。図２に示す実施例では、これは大体ブロックＢＡ１またはＢＭ１とＢＡ３またはＢＭ３の両方の面の和がブロックＢＡ２またはＢＭ２の面に等しく選択されていることを意味する。
【００３８】
更に、両方のグループに付属する検出素子Ｄ１〜Ｄ３の面は大体同じ大きさに選ばれている。図２の実施例では、両方の検出素子Ｄ１とＤ３の足し合わせた受光面は検出素子Ｄ２の面に大体一致している。更に、個々の検出素子Ｄ１〜Ｄ３の面はそれぞれブロックＢＡ１〜ＢＡ３の付属する面より幾分大きく設計されている。このようにして、目盛板Ｍと走査ユニットＡＥもしくは走査板Ａに僅かな傾きがあっても、異なったブロックＢＡ１〜ＢＡ３がそれぞれの検出素子Ｄ１〜Ｄ３に付属していることが保証されているを確実にできる。
【００３９】
異なったグループの個々の検出素子Ｄ１〜Ｄ３には、米国特許出願第 4,691,101号明細書による従来の技術とは異なり、目盛板Ｍまたは走査板Ａの側に内部パターン構造を有するブロックが付属している。このため、ブロックＢＡ１〜ＢＡ３あるいはＢＭ１〜ＢＭ３毎に、異なった光学特性の多数の部分領域２０d,２０u,１０d,１０u が設けてある。この処置により、最後に発生する基準パルス信号の望まし幅を特に適当に調節できる。
【００４０】
この発明により基準パルス信号を発生させる場合の望ましい汚れ鈍感性は、目盛板と走査ユニット側のブロック粗構造および検出素子の対応する割当と結線による。
【００４１】
異なる検出素子Ｄ１〜Ｄ３は、この発明によれば、一つのグループに付属するこれ等の検出素子Ｄ１〜Ｄ３はそれぞれ加算的になるように結線される。図２の実施例では、このため検出素子Ｄ１とＤ３が加算となる結線にされていて、加算信号は演算増幅器で形成された差動増幅器ＤＩＦの反転入力端に入力する。第二のグループには検出素子Ｄ2 だけが付属するので、この検出素子は他の検出素子には接続されていなく、差動増幅器ＤＩＦの非反転入力端に繋がっている。そのように発生した両方のグループの信号ＲＩT あるいはＲＩGTは基準位置ｘREF でその都度最大値または最小値を示す。これに応じて、基準パルス信号ＲＩZ が差動増幅器ＤＩＦの出力端に生じ、この信号は基準位置ｘREF で最大値または最小値を示す。つまり、図１b の透過光の実施態様では、目盛板・基準マーク構造体１０と走査・基準マーク構造体２０に基づき第一グループの検出素子Ｄ１とＤ３で導かれる信号ＲＩGTは基準位置ｘREF で最小値になり、第二グループの検出素子Ｄ２から生じる信号ＲＩT は位置ｘREF で最大値となる。
【００４２】
ここで、ＲＩT とＲＩGTの信号波形を当然これ以外にも選択できることを指摘しておく。つまり、目盛板の側および走査側に異なるパターン構造体の構成は、この発明の枠内で適当に変更できる等々である。
【００４３】
目盛板Ｍと走査板Ａの側の比較的細かい基準マーク構造体１０，２０を比較的粗くパターン構造化した検出素子Ｄ１〜Ｄ３と関連させて使用する図２の実施例は、光源ＬＱから放出されたビーム束の発散が大きい光学位置測定装置に特に適している。例えば、本出願人のドイツ特許出願公告第 197 26 935 号明細書に記載されているように、発散照明を伴う光学位置測定装置に関連して使用することが可能である。この場合、空間的に良好に分離している粗い検出素子Ｄ１〜Ｄ３は、隣の検出素子の間の望ましくない光学的な過応答を防止する。更に、検出ユニットＤの側に極端な微細パターン構造を必要としない点で有利で、それ以外では高い製作技術経費が必要となるであろう。
【００４４】
図２の実施例で基準位置ｘREF で発生する信号ＲＩT とＲＩGTの波形を図３に模式的に示す。
【００４５】
両方の信号ＲＩT とＲＩGTは更に演算処理する基準パルス信号ＲＩZ を発生させるため、最後に差動増幅器ＤＩＦの両方の入力端に導入される。この増幅器内では結局両方の入力信号ＲＩT とＲＩGTが互いに引算されるか、両方の信号から差が形成される。差動増幅器ＤＩＦの出力端には望む基準パルス信号ＲＩZ が生じ、この信号は更に演算処理するため評価ユニットに伝送される。得られた基準パルス信号ＲＩZ も図３に示してある。
【００４６】
次に、この発明により基準パルス信号を発生させることに関する他の実施例を図４に基づき説明する。これは、走査ユニットもしくは走査板Ａの側および目盛板Ｍの側の異なったパターン構造体の一部、および検出ユニットＤの内部の検出素子の配置の一部を示す。走査板Ａあるいは走査ユニットＡＥの側には再び走査・基準マーク構造体２００が設けてある。この構造体は二つのグループのブロックＢＡ１００〜ＢＡ４００から成り、それぞれ測定方向ｘに連続して隣り合わせに配置された光学特性の異なる部分領域２００u,２００d で形成されている。
【００４７】
目盛板Ｍの側には目盛板・基準マーク構造体１００が配置されている。この構造体は二つのグループのブロックＢＭ１００〜ＢＭ４００から成り、光学特性の異なる部分領域１００u,１００d を含む。
【００４８】
透過光システムおよび反射光システムでの各基準マーク構造体１００，２００の異なった構成の可能性に関しては、図２の上記説明を参照されたい。
【００４９】
図４の実施例では、走査板側と目盛板側の両方のブロックの各々に多数のブロックがあり、図４にはそのうちの一部分のみ示してある。走査板Ａでは第一グループに対して特にブロックＢＡ１００とＢＡ３００が付属し、第二グループに対して特にブロックＢＡ２００とＢＡ４００が付属している。第一グループは目盛板で特に二つのブロックＢＭ１００とＢＭ３００が付属し、第二グループに対して特にＢＭ２００とＢＭ４００が付属している。
【００５０】
走査ユニット内、あるいは走査板Ａの上のブロックＢＡ１００〜ＢＡ４００には検出ユニットＤの面状の検出素子Ｄ１００〜Ｄ４００が一定の空間関係で付属している。即ち、ブロックＢＡ１００には検出素子Ｄ１００が、ブロックＢＡ２００には検出素子Ｄ２００が、ブロックＢＡ３００には検出素子Ｄ３００が、そしてブロックＢＡ４００には検出素子Ｄ４００が付属している。同様なことは図示していない他のブロックにも当てはまる。
【００５１】
走査板Ａ側の第一グループのブロックＢＡ１００，ＢＡ３００は付属するブロックＢＭ１００，ＢＭ３００と同一に形成されている。走査板側の第二グループのブロックＢＡ２００，ＢＡ４００は新たに目盛板上の付属するグループのブロックＢＭ２００，ＢＭ４００に相補的に形成されている等々である。
【００５２】
前記実施例と同じように、検出素子Ｄ１００，Ｄ３００の面は検出素子Ｄ２００，Ｄ４００の面と同一である。この処置に基づき、前記実施例のように、後続する差形成素子の異なった入力端に付属する検出素子はその周波数応答に関して同一に振る舞うという利点が生じる。
【００５３】
この発明による第一実施例の構想と同じように、図４の第二実施例でも一つのグループのブロックの検出素子をそれぞれ結線する、つまり検出素子Ｄ１００とＤ３００および検出素子Ｄ２００とＤ４００を結線している。両方のグループの検出素子から図示するように所謂「同相基準パルス信号ＲＩT およびプッシュプル基準パルス信号ＲＩGT」が生じる。信号ＲＩT は再び基準位置で最大値を示し、信号ＲＩGTは最小値を示す。これ等の信号ＲＩT,ＲＩGTは差形成素子ＤＩＦの両方の入力端に導入され、そこで両方の信号ＲＩT,ＲＩGTから差が形成される。差形成素子ＤＩＦの出力端には、次の演算処理に適した基準パルス信号ＲＩZ が生じる。更に、第一実施例と同じように、生じる得る散乱光の影響を除去できることが確実になる。
【００５４】
図２の配置とは異なり、走査板Ａの上および目盛板Ｍの上にはそれぞれ基準マーク構造体１００，２００が非常に狭い間隔で相互に配置されているので、結局多数のブロックが完全な基準マークの全長にわたり配置できる。それ故、図２の実施態様とは異なり、この実施例は特に照明側の発散度が小さい光学位置測定システムに適している。何故なら、異なったグループのブロックまたは検出素子が比較的狭く隣接配置されているからである。この場合、隣接するブロックまたは検出素子の間の過応答は照明の発散度が小さいので排除される。
【００５５】
図２と４の説明した実施例には、目盛板側にも走査側にも、純粋に振幅パターン構造体として形成された基準マーク構造体がある。この場合、交互に配置された異なった構造体の部分領域は透過性と非透過性、あるいは反射性と非反射性に形成されている。このような振幅パターン構造体により、それぞれの構造体の目盛周期が充分大きいとこの発明により基準信号が発生する。目盛周期がＴＰ≒ 200μm の場合、コントラストの強い基準パルス信号がこの発明による方法により発生する。しかし、目盛周期の小さい微細パターン構造体を使用すると、例えば目盛周期ＴＰ≒ 20 μm であると、実際にしばしば必要となる 0.5 mm 以上の走査間隔の場合、目盛板側の基準マーク構造体上へ走査側の基準マーク構造体の充分良好な結像はもはや不可能である。むしろ回折効果が大きな役割を演ずるので、目盛板・基準マーク構造体の平面内に回折効果のため強度分布があり、この分布はそこで受ける強度分布からずれている。
【００５６】
この発明の範囲内で、使用する基準マーク構造体の目盛周期が小さくて走査間隔が大きくても、上に説明した原理により基準パルス信号を発生させることができる。図１a に基本的な光学構造を示すこの発明による光学位置測定装置の反射光実施態様に基づき上記のことを説明しよう。
【００５７】
上に述べた回折効果のため、例えば図２に基づき説明したような、純粋な振幅パターン構造体の形の走査・基準マーク構造体を使用することはできない。それ故、基本的に図２の実施態様のような振幅パターン構造体と見なせる予め与えられた目盛板・基準マーク構造体１００の場合では、図２のような純粋な振幅パターン構造体を使用しないで、むしろ走査・基準マーク構造体が位相パターン構造体もしくは組み合わせた振幅・位相パターン構造体として形成してあり、このパターン構造体が目盛板・基準マーク構造体１０の面内の基準位置ｘREF のところで最終的に図２で説明した走査・基準マーク構造体２０の振幅パターン構造体と同じ像または同じ強度分布を出力するというように、走査・基準マーク構造体がこの実施態様に変換される。従って、ブロックＢＭ２の領域では基準位置ｘREF のところでこのブロックＢＭ２の領域の目盛板・基準マーク構造体に対応する強度分布となることが保証される筈である。これに反して、ブロックＢＭ1 とＢＭ3 の領域では、この領域の目盛板・基準マーク構造体に対して相補的になる目盛板面内の強度分布が基準位置ＸREF のところで生じることを走査側に必要な位相パターン構造体が保証する必要がある。検出器側では種々の検出素子Ｄ1 〜Ｄ3 を再び図示するように接続することができる。
【００５８】
当業者には、走査板の側の相当する位相パターン構造体あるいは組み合わせた振幅・位相パターン構造体の構成は問題ではない。同等な課題設定は特定な強度パターンをホログラフで発生させることに関連しても周知である。これについては、例えば教科書 "Optik" von M.V. Klein, T.E. Furtak, Springer Verlag 1986 (s. 381-389) の第７章第3.3.3 節を参照されたい。
【００５９】
従って、こうして望む強度分布を一定の面内で予め与えれば、位相パターン構造体あるいは組み合わせた振幅・位相パターン構造体を構成することは問題なく可能である。次に、これを簡単な例について説明しよう。
【００６０】
図５は上部にこの発明による光学位置測定装置の上記の実施例の走査板Ａの断面を示す。図示する切抜部分は、目盛板面内で予め与えた特定の強度分布を出力する組み合わせた振幅・位相パターン構造体として形成された走査・基準マーク構造体３００の一部である。この実施例では走査・基準マーク構造体３００は透過部分領域３００d と非透過部分領域３００u を測定方向ｘに交互に配置した粗い振幅パターン構造体で構成されている。しかし、透過部分領域３００d では他の位相のずれたパターン構造体、例えば円柱レンズを一定の方法で配置する。位相のずれたパターン構造体は透過部分領域３００d で測定方向ｘに順次交互に並ぶウェブ３００S と溝３００D として形成されている。
【００６１】
位相・振幅パターン構造体として形成された走査・基準マーク構造体３００の図５に示す部分は、基準位置ｘREF のところで目盛板Ｍの側の目盛板・基準マーク構造体４００の一定部分に対応している。目盛板Ｍあるいは対応する基準マーク構造体４００のこの領域は走査・基準マーク構造体３００の下に示してある。この走査・基準マーク構造体３００は、目盛板・基準マーク構造体４００に対応する強度分布を発生する目盛板・基準マーク構造体４００の一つのブロックから成る一部である。この場合、目盛板・基準マーク構造体４００は反射光の場合で交互に配置されている反射部分領域４００r と非反射部分領域４００n で構成されている。
【００６２】
従って、上に説明した構想と同じように、このブロックには反射部分領域４００r の基準位置ｘREF のところで強度の最大値が生じる。他方、その中間にある非反射部分領域４００n では強度の最小値となる必要がある。
【００６３】
図５の上部に示す位相・振幅パターン構造体は、図５の下に示すような強度分布を正確に供給する。そこには測定方向ｘに対して生じる走査・基準マーク構造体３００の一部の強度分布が示してある。この強度分布は目盛板・基準マーク構造体４００の反射部分領域４００r のところに必要な強度最大値を発生する。
【００６４】
走査・基準マーク構造体全体を純粋な位相パターン構造体として、あるいは組み合わせた位相・振幅パターン構造体として適当に構成することにより、短い目盛周期で必要な大きい走査間隔の場合でも、この発明による方法で、コントラストの強い基準パルス信号を発生させることができる。
【００６５】
今まで説明した光学位置測定装置の実施例は、当然この発明の範囲内で種々野タイプに変更できる。
【００６６】
図２〜５の実施例では、それぞれ、走査板Ａの側のパターン構造の構成に応じて目盛板Ｍの上に一定の強度分布が生じる。しかし、この配置は決してただ一つの可能な配置ではない。むしろ、図１c に描いたような実施態様では、走査板の面内に対応する強度分布が生じるように目盛板・基準マーク構造体の種々のブロックを構成することも行われる。この場合、目盛板の側に再び純粋な振幅パターン構造体、純粋な位相パターン構造体あるいはこれ等の混合形状を使用できる等々である。
【００６７】
その外、何れにしても、二つのグループの基準マーク構造体がそれぞれ対応して配置されている部分領域を持つ二つ以上のブロックを有していてもよい。これは汚れに対する鈍感性に関して有利である。何故なら、一つのブロックの汚れは同じグループ内の他の多数のブロックで相殺されるからである。結局、このようにして基準パルスを安定に評価できる。
【００６８】
説明した実施例では基準パルス発生に対してそれぞれ比較的大きい面積の検出素子を持つ特別な検出器配置が利用されるが、この代わりに、増分目盛トラックを光学的に走査するために知られているように、所謂「検出器アレー」を検出ユニット内に使用することも原理的に考えられる。このような検出アレーは測定方向に隣接配置されている表面の相当小さい輻射に敏感な多数の検出素子で構成され、この場合、位相の等しい走査信号を出力する検出素子は互いに電気接続されている。このような検出器アレーは原理的にこの発明の範囲内でも利用できる。その場合、検出ユニット内の検出素子は接続されている個数の検出器アレーの隣接する個別検出素子で構成されている。このような実施態様の利点としは、構造部品の多重性を低減できることにある。
【００６９】
その外、この発明による位置測定装置を変更して種々の要請に合わせることができるように、もっと広がった他の可能性ももちろん存在する。
【００７０】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明の光学位置測定装置により、従来の技術と比べて基準パルス信号を確実に発生させることができ、走査間隔が大きい場合でも、また散乱光が入射しても基準パルス信号の確実な発生を保証できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による位置測定装置の実施例、特に種々の反射光もしくは透過光実施態様の模式側面図、
【図２】  目盛板の側および走査側の位置測定装置の第一実施例の種々の部品の図面、
【図３】  図２の実施例からの種々の信号の図面、
【図４】  目盛板および走査ユニットの側の位置測定装置の第二実施例の種々の部品の図面、
【図５】  第三実施例の走査板の一部の側面図、およびそれから生じる強度分布と付属する目盛板・基準マーク構造体である。
【符号の説明】
Ａ                  走査板
ＡＥ                  走査ユニット
Ｍ                  目盛板
ｘ                  測定方向
ＬＱ                  光源
Ｏ                  光学系
Ｄ                  検出ユニット
ＴＰ                  目盛周期
１０                  目盛板・基準マーク構造体
１０d                 目盛板・基準マーク構造体の透過部分領域
１０u                 目盛板・基準マーク構造体の非透過部分領域
ＢＭ１〜ＢＭ３        目盛板・基準マーク構造体のブロック
２０                  走査・基準マーク構造体
２０d                 走査・基準マーク構造体の透過部分領域
２０u                 走査・基準マーク構造体の非透過部分領域
ＢＡ１〜ＢＡ３        走査・基準マーク構造体のブロック
Ｄ１〜Ｄ３          検出素子
ｘREF               基準マーク位置
ＤＩＦ                  差形成素子
ＲＩGT                第一グループから導かれる信号（プッシュプル信号）
ＲＩT                 第二グループから導かれる信号（同相信号）
１００                  目盛板・基準マーク構造体
１００d                 目盛板・基準マーク構造体の透過部分領域
１００u                 目盛板・基準マーク構造体の非透過部分領域
ＢＭ１００〜ＢＭ４００  目盛板・基準マーク構造体のブロック
２００                  走査・基準マーク構造体
２００d                 走査・基準マーク構造体の透過部分領域
２００u                 走査・基準マーク構造体の非透過部分領域
ＢＡ１００〜ＢＡ４００  走査・基準マーク構造体のブロック
Ｄ１００〜Ｄ４００      検出素子
３００                  走査・基準マーク構造体
３００d                 走査・基準マーク構造体の透過部分領域
３００u                 走査・基準マーク構造体の非透過部分領域
３００s                 ウェブ
３００d                 溝
４００                  目盛板・基準マーク構造体
４００r                 目盛板・基準マーク構造体の反射部分領域
４００n                 目盛板・基準マーク構造体の非反射部分領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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