JP2888482B2 - 高調波信号成分を濾波する装置 - Google Patents
高調波信号成分を濾波する装置Info
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Description
つの物体の位置の変化を測定する位置測定装置の中で使
用されるような、高調波の信号成分を濾波する装置に関
する。この発明による装置は干渉性の測定システム内で
使用するのに特に適している。
ため種々の物理原理が採用されている。これには、光電
的、光学的、磁気的、誘導的および容量的な走査原理が
区別される。しかし、全て方法に共通することは目盛板
の周期的な目盛を走査目盛で走査し、得られた走査信号
を測定信号として評価する点にある。
る目盛担体の測定目盛の目盛周期もしくはその増分によ
り決まる。光学測定装置では、例えば振幅格子として形
成された測定目盛の透光性ウェブと非透光性ウェブの幅
でこの増分が与えられる。
査された増分毎に計数パルスが得られ、個々のパルスを
符号通りに加算し、長さあるいは角度の情報を得るため
その和を測定値として処理する。
例えば振幅格子の対応するウェブと溝の比は、一般に理
想的な目盛の比の変化から外れている。更に、目盛板の
目盛ウェブのエッジのだれ(不鮮明さ)が作製の許容公
差のために生じる。
た周期的な出力信号は一般に望ましい理想的な波形、つ
まり純粋な正弦波でなく、通常高調波あるいは高調波振
動成分を含む。しかし、高精度の位置測定には、測定目
盛から得られた走査信号にできる限り高調波を含んでい
ないことが必要である。
ため一連の可能性がある。代表的なものとしてドイツ特
許第34 12 128号明細書を参照されたい。この
明細書では、所謂「アークサイン走査」としても知られ
ている濾波方法が提案されている。この濾波原理は特別
な走査目盛に基礎を置くので、走査格子のウェブの位置
が規則正しい等間隔の正規位置に対して小さな値dだけ
変位ている。ウェブに特定の変位があるため、付属する
信号成分に局部的な位相が生じる。これは奇数次の高調
波成分を消去する。結局、この場合には、位相差が基本
波にも既存の高調波成分にも生じる。
は欧州特許第0 541 827号明細書により知られ
ている。この明細書でも、基本波や高調波の特定な位相
差は、走査目盛のウェブの適当に選んだ変位により与え
られている。
に提案されているこの装置や方法にはどれにでも決まっ
た難点がある。つまり、干渉性の部分ビーム束の位相差
が走査位置に依存するため、得られる全信号の変調度が
低下する。これは次の信号処理に悪影響を与える。
の低下が変化する。例えば、バーニヤ・アークサイン濾
波として知られる欧州特許第0 541 827号明細
書の方法で全ての高調波を濾波する場合、0.5の低下
係数になる。ドイツ特許第34 12 128号明細書
による奇数次の高調波のアークサイン濾波では、0.7
85の低下係数になる。この場合、低下係数は濾波を行
わない変調度に対する高調波を濾波した信号変調度の比
として定義される。
明細書により周知のような所謂「干渉性の位置測定装
置」では、特に二次の高調波の振幅が信号の乱れに寄与
するが、残りの高調波成分はそれに比較して無視でき
る。この場合でも、使用している測定目盛に沿って理想
的な分布から外れたウェブの幅と溝の幅は望ましくない
高調波の信号成分を発生させる原因となる。
定の高調波の信号成分を指定通りに抑制できる、特に干
渉動作する位置測定装置に対して高調波の信号成分を濾
波する装置を提供することにある。その場合、基本波の
変調度が濾波によりできる限り低下しないことが要求さ
れる。
により、少なくとも一つの測定目盛21あるいは走査目
盛28.1,28.2;38;38′の目盛マークが等
距離の間隔に対して特定の変位δ1(x),δ2(x)
を有し、少なくとも一つの走査目盛28.1,28.
2;38;38′で測定目盛21を走査して生じる高調
波の信号成分を濾波する装置において、光が一回通過す
る目盛周期dの走査目盛または測定目盛を二つ使用する
場合、nを偶数としてn次の高調波の信号成分を除去す
るため、変位δ1(x),δ2(x)が条件、 δ1(x)=δ1(x+2*b), δ2(x)=δ2(x+2*b)および δ1(x)=−δ2(x+b) を満たし、ここでb=D*λ/dで、Dが測定目盛と走
査目盛の間の間隔で、λが光源の光の波長であり、変位
δ1(x),δ2(x)が条件
ている。
なくとも一つの測定目盛21あるいは走査目盛28.
1,28.2;38;38′の目盛マークが等距離の間
隔に対して特定の変位δ(x)を有し、少なくとも一つ
の走査目盛28.1,28.2;38;38′で測定目
盛21を走査して生じる高調波の信号成分を濾波する装
置において、光が二回通過する走査目盛または測定目盛
を一つ使用する場合、nを偶数としてn次の高調波の信
号成分を除去するため、変位δ(x)が条件、 δ(x)=δ(x+2*b)および δ(x)=−δ(x+b) を満たし、ここでb=D*λ/dで、Dが測定目盛と走
査目盛の間の間隔で、λが光源の光の波長で、dが測定
目盛の目盛周期であり、変位δ(x)が条件
ている。
求の範囲の従属請求項に記載れている。
発明をより詳しく説明する。図1はこの発明の装置を組
み込んだ干渉性の位置測定装置の基本構造を示す。この
場合、図示する位置測定装置の実施例は測長系の反射配
置にして構成されている。この代わりに、当然、この発
明による装置を測角系として構成したり透過光で動作す
る位置測定装置の中にも使用できる。
ール本体の目盛板1がある。この本体の表面には反射位
相格子の形の測定目盛が付けてある。使用する位相格子
は4mmの目盛周期を有し、2mmの幅で長方形の約
0.2mmの高さの金の段差で形成されている。これ等
の段差は目盛板1のスチール本体の金を被覆した反射表
面の上に4mmの目盛周期の間隔で付けてある。目盛板
1はホルダー部分2の上に配置され、このホルダー部分
2はネジ3とそれに合ったネジ山の形の脱着可能な連結
部を介して工作機械の一部4に連結している。
に移動する走査ユニット5で走査される。走査ユニット
5の中にはLEDで形成された光源6がある。この光源
6の前には集光レンズ系7が配置されている。走査ユニ
ット5の内部には走査目盛8が目盛板1に対向して続
く。走査目盛8は、図示する実施例の場合、透過光の位
相格子として選択されている。更に、検出器側には反射
ビーム束を検出するため3つの検出素子9aが配置され
ている。その内のだた一つを図1の図面に示してある。
適当な検出素子9aとしては光電素子を使用する。
み示す移動台10に連結している。この移動台10は走
査ユニット5を目盛板1に沿って指定通りに直線移動さ
せるために使用される。
る照明平面波は、走査目盛8の位相格子を通過すると今
度は主に3つの異なった方向に回折する。目盛板1の測
定目盛の反射位相格子では、新たな回折と回折した部分
ビーム束の反射が行われる。反射した部分ビーム束は新
たに走査目盛8の位相格子を通過し、更に回折を行う。
コリメータ光学系として機能するレンズ7の焦点面で、
そこに配設されている検出素子9aにより干渉性の部分
ビーム束が信号電流に変換される。これ等の検出素子9
aには、図示してない周知の処理電子回路が後置されて
いる。この処理電子回路は、測定目盛と走査目盛8が相
対移動すると生じる信号を内挿し、走査された測定目盛
1の増分を適当に積算する。
する代わりに、周知の振幅格子として形成することも原
理的に考えられる。
を更に説明するため図2を参照しよう。この図2は図1
の位置測定装置の展開された光路、あるいは機能的に等
価な透過光の光路を示す。
播方向に向けて、集光レンズ27,第一走査目盛28.
1,測定目盛21および第二走査目盛28.2が示して
ある。測定目盛21や二つの走査目盛28.1,28.
2も、先に説明したように、位相格子として形成されて
いる。
ず入射した平面波から発生した部分ビーム束が多数の方
向に回折する。見通しを良くするため、以下では、入射
した平面波の中央の部分ビーム束の光路の経過のみを示
す。
分ビーム束から発生した成分が再び種々の方向に回折す
る。図1の図面では、測定目盛21以降、第一走査目盛
28.1と第二走査目盛28.2の間の光路が平行四辺
形を形成し、それ故、第二走査目盛28.2の以降同じ
光路を進むため干渉性のある対の部分ビーム束の他の経
過しか記入してない。
ーム束の出射位置Am(m=0,±1,±2,...)
は走査方向Xに延びているほぼ等間隔の網目をそこに形
成する。移動していない部分ビームの出射位置A0と移
動した部分ビーム束の出射位置Amとの間の間隔Xmは
近似的に、 Xm=m・b (1) で与えられる。
1,28.2までの間隔であり、λは光源26の光の波
長であり、dは測定目盛21の目盛周期である。
mmの典型的な値では、b=215nmの網目間隔ある
いは網目周期となる。
ての高調波を発生する対の部分ビーム束の出射位置Am
が奇数の指数mを有するという認識を利用している。こ
れに応じて、偶数次の高調波には偶数の指数mの対応す
る部分ビーム束の出射位置Amが付属する。つまり、m
=2,4,6,...である。
るには、この発明によれば、二次の高調波の信号成分が
完全に消滅するように、この二次の高調波の干渉する部
分ビーム束に一定の位相差を与える。二次の高調波を発
生する部分ビーム束の出射位置は基本波を発生する部分
ビーム束の出射位置とは空間的に離れているので、目盛
マークまたは走査目盛周期の変位を適当に選べば、望ま
しくない偶数次、特に二次の高調波を規定通りに消去で
きる。
に必要となる等距離の間隔に対する両方の走査目盛2
8.1,28.2の目盛マークの特定な変位δ1(x)
とδ2(x)はそれぞれ周期2bを有数周期関数であ
る。つまり、 δ1(x)=δ1(x+2・b) (3.1) および、 δ2(x)=δ2(x+2・b) (3.2) である。
波が第二走査目盛28.2上の二つの出射位置A1また
はA−1で出射するから得られる。これ等の二つの出射
位置では、基本波の変調度を低下させないため、二組の
基本波と部分ビーム束の各々が互いに位相差を受けない
か、少なくとも同じ位相差を受ける必要がある。第二の
走査目盛28.2に付いては、この考察により、目盛マ
ークの変位に対して式(3.2)で指定される周期条件
が生じる。同じことは、第一走査目盛28.1の入射位
置に係わる式(3.1)の周期条件に対しても当てはま
る。
内で必要な変位の変化に対する条件は、垂直入射装置
で、図1で説明したように、光が二回通過するただ一つ
の走査目盛しかを設けてないなら、次の条件(3′)に
変換される。 δ(x)=δ(x+2・b) (3′)
ーム束が両方の走査目盛28.1,28.2で、あるい
は光が二回通過する一つの走査目盛で受ける位相差がで
きる限り相互に相殺され、走査位置に無関係に必ず一定
の位相差となるように、目盛マークの各々の変位を選ぶ
ことにある。これには目盛マークの変位に関して、 δ1(x)=−δ2(x+b) (4) となる必要がある。
射では、これは δ(x)=−δ(x+b) (4′) と同じことを意味する。従って、得られた信号の基本波
成分に対して変調度は望むように不変に保たれている。
つまり、変調度の低下係数が1もしくはほぼ1となる。
が選択されているので、二次の高調波の干渉する部分ビ
ーム束は位置に依存する相互の位相差を受ける。この位
相差は付属する信号成分の対応する位相差2・2・π・
(δ1(x)+δ2(x))/dを与える。
高調波(例えばn=2)を消去する条件としては、光が
二回通過する走査目盛の場合に必要な変位δ1(x)や
δ2(x)に関して、
の走査目盛の場合では、つまりδ(x):=δ1(x)
=δ2(x)では、n次の高調波(例えばn=2)に対
する条件は、以下のように
査目盛を光が二回通過する、つまり二つの同一な走査目
盛のある垂直入射装置を前提とする。前記の条件を満た
す対応する変位の関数δ(x)は図3aの下部に示して
ある。この場合、変位の変化は、
±d/16の目盛マークの変位となる。この種の変位の
変化では、二次の高調波の±π/2の位相差となり、こ
の高調波の信号成分を濾波できる。
盛マークを持って適当に構成された走査目盛38の平面
図を示す。
(x)に対して上で議論した条件式の代わりの解決策が
図3bの下半分に示してある。目盛マークの正規位置の
周りの変位の変化δ(x)は、この実施例の場合、式 δ(x)=P・sin(π・x/b) (7) により正弦波状に選択されている。Pの値は判定式J0
(8・π・P/d)=0により与えられる。ここで、J
0は0次のベッセル関数である。Pの可能な解はP=d
/10.451;P=d/4.553;....であ
る。
波状の変位の変化を持って適当に構成された走査目盛3
8′が示してある。
うに、δ1(x)またはδ2(x)を適当に選んで、二
次の高調波以外の偶数次の高調波成分も全体の信号から
濾波できる。n次の高調波(n=2,4,6,...)
を望ましく濾波する場合には、上に説明した式(5)も
同じように有効である。
と、一定の高調波成分を濾波でき、濾波による基本波の
変調度ができる限り少ない影響を受けることが確認され
ている。
を静止した測定目盛と見なし、この測定目盛に対して中
間に配置され、今度は走査目盛として機能する目盛21
が光源26,集光光学系27および図示していない検出
素子と共に相対移動することも基本的に可能である。た
だ重要なことは、上の条件に応じて選択された変位の変
化が二回通過する目盛の上で生じることにある。最後の
場合には、変位の変化が二つの測定目盛の上で生じるこ
とになる。
置を用いれば、所望の偶数次の高調波成分のみを全走査
信号から指定通りに除去できる。その場合、基本波は不
変なままである。つまり、基本波の変調度に対して低下
係数が1あるいは1に近くなるので、偶数次の高調波成
分により乱されない所望の走査信号が得られる。三重あ
るいは多重の格子変換器である干渉性の位置測定装置の
構成に応じ、この発明による原理をそれに合わせて移行
させて所望の偶数次の高調波信号成分を濾波できる。上
記の実施例では第二次の高調波が濾波されている。この
発明による装置は、干渉性の位置測定装置内で透過光の
実施例としても、また反射光の実施例としても採用でき
る。更に、この発明による装置は原理的に位相格子を用
いても、振幅格子を用いても、走査目盛または測定目盛
として実現できる。
置測定装置の可能な実施例の基本構造の断面図、
定装置のビーム通路の展開図、
の関係を示す可能な第一実施例の平面図(a)および第
二実施例の平面図(b)である。
Claims (4)
- 【請求項1】 少なくとも一つの測定目盛(21)ある
いは走査目盛(28.1,28.2;38;38′)の
目盛マークが等距離の間隔に対して特定の偏差の変化δ
1(x),δ2(x)を有し、少なくとも一つの走査目
盛(28.1,28.2;38;38′)で測定目盛
(21)を走査して生じる高調波の信号成分を濾波する
装置において、 光が一回通過する目盛周期dの走査目盛または測定目盛
を二つ使用する場合、nを偶数としてn次の高調波の信
号成分を除去するため、偏差の変化δ1(x),δ2
(x)が条件、 δ1(x)=δ1(x+2*b), δ2(x)=δ2(x+2*b)および δ1(x)=−δ2(x+b) を満たし、ここでb=D*λ/dで、Dが測定目盛と走
査目盛の間の間隔で、λが光源の光の波長であり、 偏差の変化δ1(x),δ2(x)が条件 【外1】 を満たすように選択されている、ことを特徴とする装
置。 - 【請求項2】 少なくとも一つの測定目盛(21)ある
いは走査目盛(28.1,28.2;38;38′)の
目盛マークが等距離の間隔に対して特定の変位δ(x)
を有し、少なくとも一つの走査目盛(28.1,28.
2;38;38′)で測定目盛(21)を走査して生じ
る高調波の信号成分を濾波する装置において、 光が二回通過する目盛周期dの走査目盛または測定目盛
を一つ使用する場合、nを偶数としてn次の高調波の信
号成分を除去するため、変位δ(x)が条件、 δ(x)=δ(x+2*b)および δ(x)=−δ(x+b) を満たし、ここでb=D*λ/dで、Dが測定目盛と走
査目盛の間の間隔で、λが光源の光の波長であり、 変位δ(x)が条件 【外2】 を満たすように選択されている、 ことを特徴とする装置。 - 【請求項3】 二次の高調波の信号成分を除去するた
め、 【外3】 を満たす変位δ(x)を使用することを特徴とする請求
項2に記載の装置。 - 【請求項4】 二次の高調波の信号成分を除去するた
め、 δ(x)=P・sin(π・x/b) を満たす変位δ(x)を使用し、ここで、付帯条件J0
(8・π・P/d)=0からPを求め、J0は0次のベ
ッセル関数を意味することを特徴とする請求項2に記載
の装置。
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