JP4402790B2 - 光学的位置測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに移動可能な対象物の相対位置の精密測定に適した光学的位置測定装置に関する。
【0002】
測定尺側と、走査側とに設けられた目盛、即ち測定目盛と、1つ又は複数の走査目盛とが、相異なる目盛周期(ピッチ)を有するインクリメンタル位置測定装置がある。これらの目盛が光源によって照明されると、検出器平面に、好適な検出器配列によって検出されることができる周期的縞模様が生じる。この際周期的縞模様は、光路における相異なる目盛と、光源から発せられた光束の交換作用から生じる。この縞模様を以下、副尺縞模様と称し、その際この縞模様の周期は、副尺周期によって特定される。
【0003】
【従来の技術】
この際副尺縞模様の発生形式及び方法と関連して、一方では測定尺側及び走査側に比較的大きな目盛周期を有するいわゆる結像位置測定装置が対象とされる。得られる副尺縞模様は、実質的に陰影として生じる。これらのシステムは、一般に測定目盛並びに走査目盛を有する。このために例えばドイツ国特許出願第19527287号又はドイツ国特許出願第1798368号明細書が参照される。比較的大きな副尺周期の得られた縞模様の走査は、それぞれ好適に配設された四分円検出器によって行われる。これに対して更にドイツ国特許第2653545号明細書が参照される。
【0004】
他方では、得られる副尺縞模様は、原理的に干渉的位置測定装置によっても原理的に発生され、その際測定尺側及び走査側は、非常に小さい目盛周期を有する。走査された検出器平面における副尺縞模様は、そのような測定装置では、使用された目盛で回折されかつ干渉のために到達する部分光束から生じる。この関係についてはドイツ国特許第2714324号明細書が参照される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特定の条件を充足するような副尺縞模様の発生のための結像位置測定装置も干渉位置測定装置も提供されるべきである。そのように、副尺縞模様の走査から相対移動の場合に充分良好な変調された走査信号が得られることが基本的に保証されるべきである。測定目盛の面上の場合によっては生じる汚れは、この際できるかぎり走査信号に影響すべきではない。更に検出器平面の位置に関する幾分のフレキシビリティが要求される、そのわけは構造的な制約に基づいて検出器平面は必ずしも位置測定装置の光が最後に通過した目盛の直後に配設されることができないからである。後者はコンパクトに構成される走査ユニットを考慮して特に重要である。更に結像システムにおける副尺縞模様の小さい周期では、最後に通過された目盛と検出器平面との間の距離は極端に小さくされるべきである。その理由は、僅かなコントラストの縞像に繋がるより高い回折次数である。しかしそのように小さい距離は、実際には実現困難であり、その際検出器上に突出する各検出器要素のボンドワイヤ(Bonddraehte)が損傷等され得る。干渉システムの場合、度々発生する回折次数のレンズによる空間的分離が必要である。しかしそのような位置測定装置では、レンズの焦点面に置かれた目盛が相異なる目盛周期を有する場合にも副尺縞模様は生じない。
【0006】
【課題を解決するための手段】
これらの要求を充足する光学的位置測定装置は、請求項1の目的物である。
【0007】
本発明による位置測定装置の有利な実施形態は、従属請求項における措置から得られる。
【0008】
特に検出器配列の面での本発明の措置は、移動に依存した走査信号の、高い解像力で、汚れに敏感でなく又は妨害に敏感ではない発生を保証する。このことは、相応して形成された検出器配列に基づいて確保される、そのわけは場合によっては測定目盛上の汚れが、相異なる、位相のずらされた信号部分に一層均一に作用するからである。
【0009】
更に検出器平面の光学的位置の認識において、相異なる構造的な条件を考慮して幾分のフレキシビリティが生じる。そのように例えば、検出器配列をそれぞれ最後に通過された目盛の直後に配置することは最早無条件に必要ではない。本発明によれば同様な場合に充分に良好な変調された走査信号を供給する、検出器要素の配列の他の可能性を与えることが認識された。それによって最終的に、同時に高い信号コントラスト又は高い変調度を実現する、非常にコンパクトに構成される走査ユニットを実現するという可能性が得られる。
【0010】
同様に検出器平面の光学的位置の認識において、走査側で副尺縞模様を供給する干渉位置測定装置も提供されることができる。相異なる回折次数の分離が行われない本発明による干渉位置測定装置の利点として、更に測定目盛の長さに渡って回折特性が変えられるべき場合に、全信号部分が同様に影響を受けることが行われることになる。
【0011】
この形式及び方法で、干渉システムにおいて、それぞれ90°の位相差を有する信号が、発生させられ、信号は、スタンダード電子評価装置で更に処理されることができる。プッシュプル信号の非常に正確な発生によって、更に続いて行われる信号補間の際にさもなければ誤差を作用する第2の調和も消失する。
【0012】
勿論本発明による構想は、回転位置測定装置にも直線位置測定装置にも適用される。同様に可能な位置測定装置は、本発明によれば反射光、又は透過光で作動する位置測定装置を構成することも可能である。
【0013】
本発明による光学的位置測定装置の他の利点及び他の詳細は、添付された図面に基づく複数の実施例の次の記載から把握される。
【0014】
【実施例】
本発明による光学的位置測定装置の第1実施例を次に図1及び2に基づいて説明する。この際図1には結像光学的位置測定装置が、図式的側面図で示されている。光学的位置測定装置は、実質的に走査ユニット1と、測定目盛2.2及び目盛支持体2.1を備えた測定尺2とから成る。走査ユニット1と測定尺2とは、互いの相対位置が決定されるべき互いに移動可能な2つの対象物と結合している。例えばその際数値制御される工作機械における工具と工作物とが対象とされる。図示の実施例において、走査ユニット1と測定尺2とは、互いに測定方向Xに移動可能であり、その際Xは図平面に対して垂直に向けられている。走査された測定目盛2.2は、交互に測定方向Xに配設されていてその縦軸線がY方向に向けられた反射する部分領域と反射しない部分領域とを備えた測定目盛2.1上の公知の反射光インクリメンタル目盛から成る。測定目盛2.2の目盛周期TPM として測定方向Xにおける反射しない部分領域の幅に加えて反射する部分領域の幅が理解される。走査された測定目盛2.2は、従ってこの実施例では純粋の振幅格子として形成されており、目盛周期TPM は、TPM =20.00μmとして選択され、部分領域−目盛周期−比は、τ、即ち測定方向Xにおける目盛周期に対する反射する部分領域の幅の比は、τ=0.5になる。
【0015】
測定目盛2.2に対して相対的に移動可能な走査ユニット1は、図示の実施例において光源1.1、コリメータ光学系1.2、走査目盛周期TPA の走査目盛1.4を備えた透明の走査板1.3並びに検出器配列1.5を含む。光源1.1の光軸は、走査板1.3上の法線に対して角度ε=30°図平面内で傾いている。この実施形態の走査目盛1.4は、位相格子として形成されかつ目盛周期TPA =18.52μm(従ってTPM ≠TPA )、ウエブ/目盛周期の比τは、τ=0.5に選択され、位相角φは、φ=π/2である。既にこの個所に完全な理解のために次に詳細に説明する大きさη及びβがこの実施例において付与され、その大きさはコリメート照明による結像システムの場合にη=0、β=1である。
【0016】
光源1.1から発せられる光束は、コリメータ光学系によるコリメート後に先ず、透明な走査板1.3を通過し、位相格子−走査目盛1.4を通過しかつ反射するように形成された測定目盛2.2上に現れる。そこから光束は、走査板1.3の方向に反射されかつ光束が検出器平面の検出器配列1.5上に達する前に、固有の走査目盛1.4に隣接する光学的に特徴のない透明な窓における走査板1.3を通過する。そこで、それらが後に配設されている−図示しない−評価ユニットに送られる前に、周期的縞模様又は移動に依存して変調された走査信号の検出及び場合によっては既にこれらの信号の前処理が行われる。
【0017】
本発明による本質的な措置を、図2の図示に基づいて説明する。図2は、図式的な形で検出器平面における光学的位置測定装置の検出器配列1.5の部分並びにそれによって走査された副尺縞模様の強度分布を示す。検出器配列1.5は、測定方向Xにおいて互いに隣接して配設された複数の感光検出器要素D1〜D20から成る。個々の検出器要素D1〜D20は、一括して狭い正方形の形の同一の寸法を有し、その縦軸線は、Y方向の検出器平面内に、即ち測定方向Xに対して垂直に向けられている。検出器配列1.5の予め設定された長さL DETに渡って測定方向Xにおいて一括して20の個々の検出器要素D1〜D20が配設されており、これらは5つのグループにブロック状に纏められている。各ブロックB1〜B5は、コリメート照明を備えた図示の実施形態において測定方向Xにおいて長さ∩ Vernierを有し、この長さは、検出器平面における発生した副尺縞模様の周期に相応し、即ちL DET=k×∩ Vernier、その際図示の例ではk=5である。従って値∩ Vernierを、次に副尺周期と称する(∩ Vernierは図2及び3中に記載されている)。
【0018】
一般的にN個の検出器要素がそれによって距離β×∩ Vernier、の内方に配設されており、その際後でなお詳しく説明すべき修正ファクタβについて、場合によっては非コリメート照明が考慮されることができる。上記の場合、コリメート照明は、従ってβ=1であり、一方非コリメート照明の場合β≠1とされ、修正ファクタβの正確な導入は明細書中で適宜行う。
【0019】
隣接した検出器要素D1〜D20の間隔は、次にL DETと表しかつ一般的な場合にL DET=(n+Δφ/360°)×∩ Vernierになる。この際n=0、1、2、3、・・・であり、一方Δφは、隣接する検出器要素の検出された信号の位相差を表す。図示の実施例において、L DET=1/4×∩ Vernier、即ちn=0、Δφ=90°である。
【0020】
前記副尺周期∩ Vernierは、その際複数の測定目盛及び又は走査目盛を備え−以下単に目盛と言う−及び次の方程式(1)による一般的な形の相異なる目盛の相応して予め設定された、目盛周期TPi を備えた光学的位置測定装置のコリメート照明の場合に得られる。
【0021】
【外1】
ここで
ni :第1部分光束の1つの目盛で発生した回折次数
ni ′:第2部分光束の1つの目盛で発生した回折次数
TPi :各目盛の目盛周期
M:通過した目盛の数
この際図1にも表されたコリメータ光学系1.2を度外視して、場合によっては、光束のコリメーションに影響し得る光路に他の光学的要素は配設されていないことを前提とする。
【0022】
測定目盛2.2及び走査目盛1.4を備えた図1の例において、式(1)による走査目盛及び測定目盛の予め設定された目盛周期TPM 、TPA 及びM=2から副尺周期∩ Vernierが得られる。
【0023】
∩ Vernier=1/〔(1/TPA )−(1/TPM )〕
この関係から、反射する副尺縞模様の副尺周期∩ Vernierは、走査目盛及び測定目盛の目盛周期TPA 及びTPM の相違が著しければ著しい程小さくなる。
【0024】
分かり易く言えば、コリメート照明の場合について上記の分析的に記載された副尺周期∩ Vernierは、その下に基本的に最後に通過した目盛の平面内に生じる(部分)縞模様の周期であると定義される。
【0025】
ブロックB1〜B5に対する、図示の実施例における検出器配列1.5の内方にそれぞれ4つの個々の検出器要素が上記の間隔L DETで設けられている。隣接する検出器要素は、副尺縞模様の走査の際にそれぞれ90°だけ位相のずれた部分走査信号を供給する。
【0026】
従って、ブロックB1〜B5当たりのk個の検出器要素の一般的な場合に、隣接する検出器要素から360°/k位相のずれた部分走査信号が生じる。
【0027】
図2の図示から同様に認められるように、相異なるブロックB1〜B5の同一の検出器要素D1〜D20は、互いに接続され又は出力側で伝導的に結合されて、位相の等しい出力信号又は部分走査信号を供給する。最終的にそのように得られる走査信号A0 、A 90 、A 180及びA270 は、出力側で公知の形式及び方法で処理される。このために検出器配列1.5の両縦側には、接触領域が設けられ、接触領域を介して、発生した走査信号A0 、A 90 、A 180及びA270 が取り出されることができる。
【0028】
そのような検出器配列の代表的な実施例において、走査されるべき250μmの副尺周期が予め設定される。このためにそれぞれ4つの検出器要素を備えた合わせて10個のブロックが使用され、即ち測定方向Xにおける検出器配列の内方の長さLDET =10×250μm=2.5mmである。検出器要素のX方向の幅は、47.5μmであり、Y方向の長さは、1.8mmに選択される。隣接した検出器要素の中心間のX方向の距離LDET は、62.5μmである。
【0029】
隣接した検出器要素の出力信号間の位相差Δφは一般に次の通りである。
【0030】
Δφ=(m1 +m 2/k)×360〔°〕
その際相異なる大きさは次のようになる。
【0031】
m1 =0、1、2、3、・・・・・
m2 =0、1、2、3、・・・・・
一方図示の実施例において、全部で4つの位相のずれた出力信号A0 、A 90 、A 180及びA270 が検出されかつ処理される場合、本発明の領域内で、検出器要素の数及び若しくは幅又はブロック当たりの相互の間隔を変えることは勿論可能であり、その結果例えば120°だけ位相のずれた、更に処理等され得る3つの走査信号が得られる。同様に検出器配列において使用される検出器要素を備えたブロックの数を考慮して、勿論変形可能性が存在する。この形式及び方法で、従って、多くの位相のずれた走査信号が発生され、また走査信号の間の相応した位相関係が調整され得る。他の位相位置の検出器要素と接続されて配設されたある位相位置の多数の接続された検出器要素によって、いわゆる「単一フィールド走査」(Einfeldabtastung)が、副尺縞模様の走査の際にも行われる。そのような単一フィールド走査では、測定目盛の走査された同一の領域から走査信号の位相のずれた全ての信号部分が得られる。測定目盛の局部的な汚れは、それによって全ての信号部分に対して実質的に同様であり、汚れた個所での補間誤差は生じない、即ち実質的に正確な測定システムが得られる。類似の利点は、場合によっては目盛誤差についても挙げられる。各単一フィールド走査の質は、発生した副尺周期に依存する。副尺周期が小さければ小さい程、それだけ位相のずれた全ての信号部分への目盛不正確又は汚れに基づく前記誤差は、均等になる。従ってそのような位置測定装置の寸法では、相応した検出器配列による小さい副尺周期を走査するように努められる。
【0032】
既にこれまでに述べたように、検出器配列の具体的な構成の他に略図2で示されたように、検出器配列を空間的に本発明による位置測定装置の他の構成部分に関して、検出された走査信号の充分な変調度又は副尺縞模様の充分な対照が得られるように配設されることが重要である。それぞれ最後に通過された又は最後に作用した位置測定装置から検出器平面までの距離Zは、特に重要である。本発明による光学的位置測定装置の構成によって、最後に通過された又は最後に作用した目盛では、1つの走査目盛又は1つの測定目盛が対象とされる。この最後に通過された目盛までの距離Zは、次に最後に通過された又は最後に作用した目盛を有する平面と検出器平面との間の垂直距離として理解される。
【0033】
本発明の領域内で、根本的に最後に通過された目盛の距離Zの増大に伴って発生した副尺縞模様のコントラストの減少が存在することが認められる。この際使用された走査及び測定目盛の目盛周期が小さければ小さい程かつ副尺縞模様の副尺周期が小さければ小さい程、コントラストの減少は著しい。特に小さい副尺周期を有するそのような高い分解能の位置測定装置では、副尺縞模様の充分なコントラスト、従って走査信号の充分な変調を保証するために、検出器平面の好適な配列の問題が生じる。
【0034】
しかし本発明によれば、最後に通過された目盛からの特定された距離Zn におけるコントラストは、再び上昇し、即ち、増大した距離Zによっても発生した副尺縞模様の比較的大きなコントラストが生じる検出器平面が存在することが認められる。これらの検出器平面を、公知のトールボット効果に従って副尺トールボット平面と称する。トールボット平面は、コリメート照明された一般的な場合にく最後に通過された目盛からの距離Zn に存在し、その際Zn に対して次の式が成立する。
【0035】
Zn =n×dVT (式 2)
nについてはn=1、2、3、・・・である。値dVTを次に副尺トールボット距離と称しかつ次の式(3)により得られる。
【0036】
dVT=(∩ Vernier×TPA )/λ (式 3)
この際
dVT:副尺縞模様の充分なコントラストを有する隣接した副尺トールボット平面の距離
∩ Vernier:式(1)による走査された副尺縞模様の副尺周期であり、一般に最後に通過された目盛の個所での縞模様の周期である。
TPeff :走査装置の有効目盛周期であり、最後に通過された目盛で生じる充分な強度を有する回折次数の方向を正しく描き、結像システムでは、TPeff は一般に最後の目盛の目盛周期に相当し、干渉3格子システムにおける最後の目盛の最後の目盛周期の1/2又は1/3である。
λ:使用された光源の波長
図1の実施例において、TPeff =TPM 、即ち副尺トールボット平面距離dVTは、式(3)により(∩ Vernier×TPM )/λとして得られる。
【0037】
従って式(2)でn=0というあり得ない場合は、最後に通過された目盛の直後に図2による検出器配列が位置決めされ得るような好適な検出器平面が存在することは重要である。このことが、特定の従来の理由から不可能な場合、この実施形態における検出器配列が、本発明によれば、最後に通過された目盛の後方、Z1 =1×(TPM ×∩ Vernier)/λに配設され、n=1に選択される等である。
【0038】
この関係の図式的な、尺度は正しくない図示は、図3に示され、図3は、測定目盛Mと走査目盛Aの他に、式(2)及び(3)で使用されているように、種々の幾何学的大きさTPM 、TPA 、∩ Vernier、Z1 及びdVTを示す。更に図3に図示されており、従って周期的距離dVTにおいて、充分なコントラストをもった好適な検出器平面が得られる。そのように副尺効果に基づいて最後に通過された目盛の直後に副尺縞模様が現れる。しかし伝播する光束は、単一の伝播方向を有する。選択された目盛パラメータに従って種々の回折次数が存在する。そのように最後に通過された目盛で検出器配列の前に−この場合測定目盛Mに−回折次数0.の光束が生じるのみならず、後続の検出器配列の方向に伝播する±1.次及び高い回折次数が生じる。干渉によって主として個々の部分副尺縞が発生する副尺効果に基づく個々の回折次数の細分割は無視される。そのような回折次数が遮断した場合、重ね合わされた全ての回折次数を有する全光束を考慮した場合と同一の副尺縞模様が生じる。各回折次数は、目盛方向Xにおける部分副尺縞模様を有する。一方最後に通過された目盛Mの平面には、種々の部分副尺縞模様の位相の正しい重ね合わせが存在する場合、相異なる伝播方向に基づいて続いて位相関係が変わる。しかし最後の目盛Aからの前記距離Zn には、再び充分なコントラストの副尺縞模様が存在する、そのわけは相異なる回折次数の部分副尺縞模様が、再び位相正しく重ねられるからである。
【0039】
実際上この際最後の目盛Tからの距離Z1 、Z2 を有する検出器平面は特に重要である、そのわけはnの値が大きい場合、場合によっては最適ではないコリメート照明が、追加的に否定的に評価され、即ちコントラストが減少するからである。
【0040】
記載の効果は、トールボット効果として公知の格子の公知の自動結像に極めて類似する。従って副尺縞システムの上記の自動結像は、副尺−トールボット効果と称され、大きさdVTを、副尺タールボット距離と称する。
【0041】
次に本発明による光学的位置測定装置の第2実施例のパラメータのための具体的な数値が付与され、この実施例は、同様に結像システムとして形成されかつ図1の例と類似の基本構造を有する。この際結像システムは、副尺効果を除き発生した回折次数の分離が必要ではないように特定されている、そのわけは個々の回折次数の言うに値する全ての強度変調は、略同位相であり従って消失しないからである。一般にそのような結像システムの最後に通過される目盛は、振幅格子として形成されている。
【0042】
本発明による位置測定装置の第2実施変形において、LED又は半導体レーザが光源として使用され、光源は波長λ=860nmの光を発する。光源の光軸は、走査板の法線に対して目盛範囲縦軸線の方向に角度ε=30°だけ傾斜して配置される。光源から発せられる光束は、先ず、位相板として形成されかつウエブ及び隙間の形に交互に配設された目盛領域を有する透明な走査板上の走査目盛上に達する。走査目盛の位相格子は、TPA =37.04μm、位相角φ=π並びにウエブ−目盛周期比τ=0.5を有し、即ちウエブは測定方向Xに隙間の幅を有する。位相格子上に現れる光束が種々の回折次数に分解された後、回折された光束は反射測定目盛上に達する。これは、交互に配設された反射する線と反射しない隙間とを備えた振幅格子として形成されかつ目盛周期TPM =20μm≠TPA /2並びに線−目盛周期比τ=0.5を有する。そこから更に光束は、走査板の方向に反射され、そこで光束は走査板の透明な窓を通りかつ最後に検出器配列上に現れる。そこで生じた副尺縞模様が検出され、副尺縞模様は式(1)による記載の変形では、副尺周期∩ Vernier=1/(2/TPA )−(1/TPM )を有する。この際検出器配列は、最後に通過された目盛からZ1 =(∩ Vernier×TPM )/λの距離に配設されておりかつ図2による実施例と類似して形成されることができ、その結果出力側で最終的に所望の数の位相のずれた走査信号が得られる。一般に検出器配列はこの際、120°位相のずれた3つの走査信号又は90°だけ位相のずれた走査信号が得られるように設定されている。検出された走査信号の信号周期が、この実施例では他の測定目盛周期TPM に相応する。第1実施例に完全のために既にこの個所に次に説明する両値η及びβが付与され、η=0、β=1である。
【0043】
一方これまでに、結像位置測定装置との関係が説明されたように、干渉位置測定装置の形の他の実施例の次の記載によって、本発明による構成がそのようなシステムにも適用されることが明らかにされる。
【0044】
図4は、干渉位置測定装置として形成された本発明による光学的位置測定装置の第3実施例の図式的側面図を示す。位置測定装置は、更に測定尺12に対して測定方向Xに移動可能に配設された走査ユニット11を有し、その際測定尺は、測定目盛支持体12.1並びにその上に配設された測定目盛12.2から成る。測定方向Xは、この図示において図平面に対して垂直に向けられている。LED又は好適な半導体レーザとして形成された光源11.1は走査ユニット11に属し、その光軸は、線方向において透明な走査板11.3の表面上の法線に対して角度εだけ傾いて配置されている。光源11.1に、コリメータ光学系11.2に後続しており、このコリメータ光学系を、光束が、この実施例においては走査板11.3の表面上に配設された走査目盛11.4aの第1部分領域上に現れる前に、通過する。走査目盛11.4aは、前記実施例のように位相格子として形成されておりかつ走査−目盛周期TPA =15.75μm、位相角φ=π並びにウエブ−目盛周期比τ=0.5を有する。種々の格子パラメータの定義に関して上記の実施例が参照される。走査目盛11.4aでは、現れた光束の種々の回折次数への分割が行われ,続いて回折された光束は、反射測定目盛M上に現れる。反射測定目盛は同様に、位相格子として形成されておりかつ目盛周期TPM =8μm≠0.5×TPA 、位相角φ=π並びにウエブ−目盛周期比τ=0.5を有する位相格子として形成されている。走査板11.3の方向における更に回折された光束の方向に行われる反射後、光束は走査目盛の第2部分領域上に現れ、部分領域に従って種々の分割された光束の相会が行われる。この場合最後に通過された目盛を表す走査目盛11.4bを通過した後、副尺周期∩ Vernier=1/〔(4/TPA )−(2/TPM )〕を有する副尺縞模様が生じる。副尺周期∩ Vernierは、既に上に記載した式(1)から得られる。前記両実施例のように、既にこの個所で次に説明されるべき両値、η及びβが与えられており:η=0.5、β=1である。
【0045】
改めてこの例において種々の、相異なる回折方向に伝播する部分副尺縞模様の位相の正しい重ね合わせのために最後の目盛からの所定の距離Zn の状態のみが重要である。この距離において充分なコントラストをもつ副尺縞模様が存在しかつ検出器配列11.5によって検出されることができる。検出器配列11.5は、暗示されたように図2の例における構成に相応する基本的構造を有する。最後に通過された目盛から光学的検出器平面までの距離Zn のために、部分副尺縞が既に最後に通過された目盛の平面内で互いに位相がずらされていることが考慮されなければならない。この位相差は、相応して変更された距離Zn によって補償されなければならない。これには次の式(4)が適用される。
【0046】
Zn =(n+η)×dVT (式4)
この際n=0、1、2、3、・・・である。
【0047】
dVT:式(3)によって特定され、副尺縞模様の充分なコントラストを有する隣接した検出器平面又は副尺タールボット平面の距離
η:最後に通過された目盛で種々の方向に現れる部分副尺縞模様の360°の分数の位相差であり、この位相差は、最後に通過された目盛の平面内の各個所に発生した回折次数相互間の位相差である。図4の上記実施例の場合に、位相差は180°であり、即ちηは、η=0.5;一般に0≦η<1である。
【0048】
値dVTには、即ち副尺トールボット距離のために、この例ではdVT=(∩ Vernier×TPM )/λである。従って最後に通過された目盛の直後に式(4)によれば、走査信号の全く又は僅かだけの変調又は副尺縞模様の僅かなコントラストのみが予期される。可能な第1の検出器平面は、0≦η<1で、n=0、従って距離Z0 に生じる。
【0049】
一般に本発明によれば、結像システムでは、η=0かつn>0に選択され、これに対して干渉システムではη≠0かつn=0、1、2、3、・・・である。
【0050】
図示の実施例とは異なり、走査目盛11.4a、11.4bが、走査板11.3の光源に向いた上面上には配設されておらず、走査目盛11.4bが、走査板11.3の測定目盛12.2に向いた下面上に配設されている場合、走査板11.3の厚さの好適な選択によって、検出器配列11.5が走査板11.3の直接上面上に取り付けられ、このことは、n=0の場合に相応する。そのような実施形態において、走査板11.3上での検出器配列11.5の接触も可能である。このことは、例えば公知のチップ−オン−ガラス−技術及び又はフリップチップ技術で行われることができる。
【0051】
検出された走査信号の信号周期SPは、この実施例においてはその他通常測定目盛TPM の半分、即ちSP=TPM /2=4μmに相応する。
【0052】
次に図4の実施例の変形された形態が記載され、即ち干渉システムとして形成された本発明の第4実施例を説明する。走査格子11.4a、11.4bは、改めて位相格子として形成されておりかつ目盛周期TPA =8μm、位相角φ=(2/3)並びにウエブ−目盛周期比τ=0.34を有する。測定目盛12.2は、目盛周期TPM =7.874μm≠TPA 、位相角φ=π及びウエブ−目盛周期比τ=0.5を有する。副尺周期∩ Vernierは、式(1)から∩ Vernier=1/〔(2/TPA )−(2/TPM )〕として得られる。値ηとしては、この場合η=1/3である。次に説明すべき値βは、更にβ=1である。
【0053】
本発明による干渉による光学的位置測定装置の他の実施形態は従って本発明の領域内の一括して第5の実施例は、図5に表される。図示の位置測定装置は、更に測定目盛22.2に対して測定方向Xに移動可能に配設されている走査ユニット21を有し、その際測定方向Xは改めて図平面に対して垂直に向けられている。特別に有利な実施形態において、測定目盛22.2は、可撓性帯状測定尺として形成されている。走査ユニット21の側にLED又は好適な半導体レーザとして形成された光源21.1が設けられ、その光軸は、透明な走査板21.3の表面に対して角度εだけ傾けて配置されている。光源21.1は、コリメータ光学系に後続して配設され、コリメータ光学系は、光束が走査板21.3の透明で、光学的に有効ではない領域を通過する前に、光源21.1から発せられた光束を透過させる。走査板21.3を通過後、光束は、反射位相格子として形成された測定目盛22.2上に初めて達する。測定目盛は、目盛周期TPM =16μm、位相角φ=π及びウエブ−目盛周期比τ=0.5を有する。測定目盛22.2から光束が走査板21.3の方向でそこに配設された走査目盛21.4上に反射し、走査目盛は、走査板21.3の上面の内方に配設されている。設けられた走査目盛21.4は、目盛周期TPA =7.874μm≠0.5×TPM 、位相角φ=π及びウエブ−目盛周期比τ=0.5の反射する位相格子として形成されている。種々の格子パラメータの定義に関して、改めて上記実施形態が参照される。走査目盛21.4によって回折された光束の測定目盛22.2方向への反射が行われ、そこから更に第2の反射が走査板21.3の方向に行われる。走査板21.3は、最後に通過した目盛22.2に従って生じる副尺縞模様が検出器配列21.5を介して検出される前に、測定目盛22.2から来る光束によって透明の領域を通過される。検出器配列は本発明によれば、更に好適な検出器平面上に配設されている。その際検出された副尺縞模様は、副尺周期∩ Vernierを有し、副尺周期∩ Vernierは、式(1)によれば、∩ Vernier=1/〔(4/TPA )−(2/TPM )〕として上記式(3)から得られる。更にβ=1、η=1/2である。
【0054】
種々の部分副尺縞模様の位相正しい重合わせに至る最後の目盛からの距離Zn に対して、この場合も上記式(4)でη=1/2である。相応してこの平面内でも検出器配列22.5等の配列が行われる。更に最後に通過された目盛の直後に、この場合測定目盛22.2がある場合、検出された走査信号の僅かな変調のみが予期される。n=0の第1の基本的に可能な走査平面は、この構成において同様に最適ではないことが実証される、そのわけは可能な走査平面は、所定のパラメータでは測定目盛22と走査板21.3の間に位置するからである。この理由から検出器平面内の検出器配列21.5は、最後に通過された目盛から距離Z1 =1)を有する検出器平面に位置決めされ、そこで本発明によれば充分なコントラストの副尺縞模様が検出される。検出される走査信号の信号周期SPは、この実施例ではSP=TPM /4である。
【0055】
図5による実施形態の他の変形において、即ち本発明の第6の実施例において、次のパラメータが選択される。位相格子として形成された測定目盛22.2に対して目盛周期TPM ≠TPA ;位相角φ=2/3π及びウエブ−目盛周期比τ≒0.34が適用される。同様に位相格子として形成された走査目盛21.4としてTPA ≠TPM ;位相角φ=π及びウエブ−目盛周期比τ≒0.5及び更にβ=1、η=1/3が適用される。
【0056】
走査板21.3の側の走査目盛21.4の配列に関して更に種々の可能性がある。走査目盛21.4が直接走査板21.3の上面上に配設され得る場合、このことは僅かな汚れの可能性に繋がる。しかし同様に走査板21.3の相応した厚さの選択では走査板21.3の測定目盛に向いた側に走査目盛21.4を配置することも可能である。この変形では、検出器配列21.5は直接走査板21.3の上面上に配設されることができる。
【0057】
次に同様に本発明による構想を基礎とした光学的位置測定装置の他の実施変形を述べる。例えば図5の実施例における測定目盛22.2は、回転シリンダの内側又は外側に湾曲した形で配設されることができる。この際シリンダの回転軸線は、Y方向に向けられている。そのような変形において、走査されるべき副尺縞模様の検出器平面内の拡大又は縮小は、測定目盛22.2の湾曲した配置に基づいて行われる。シリンダ外面上に測定目盛を配置する場合、拡張が行われ、シリンダ内面上に配置する場合には、相応した縮小が行われる。この光学的効果は、湾曲した測定目盛の場合には、例えば光路における任意に集束させ又は拡散される光学的要素に起因するコリメートではない光路を有する他の全ての場合と同様に、上記式(3)における湾曲した測定目盛の場合が考慮される。このために部分副尺縞模様周期の伝達又は拡大を最後に通過された目盛の個所から検出器平面までの部分副尺縞模様周期の伝達及び拡大を描く拡大ファクタ又は又は修正ファクタβが導入される。従って一般的な式(3)が得られる。
【0058】
dVT=(β×∩ Vernier×TPeff )/λ (式3)
又はdVT=β×dVT0 が成立ち、その際
dVT0 =(∩ Vernier×TPeff )/λ
であり、かつ
∩ Vernier:最後に通過された目盛の個所での部分副尺縞模様の副尺周期である。
【0059】
一般的な式(3′)に敷衍する拡大ファクタβは、勿論本発明による位置測定装置の内方の所定の幾何学的値に依存する。この関係において、図6が参照され、図6は、ファクタが特定される重要な値の説明に役立つ。図6には副尺縞模様∩ Vernierを有する部分副尺縞模様がその平面内に位置する最後に通過された目盛Tの他に、更に目盛Tからの距離Zn に検出器平面が示され、その検出器平面に存在する拡散された光束に基づいて、ファクタβでけ拡大された副尺縞模様が存在する。更に図6に示された点Qは、この場合光束又は副尺縞模様の虚光源点又は実光源点とみなされる。従って距離ZQ は、最後に通過された目盛Tからの実光源点又は虚光源点の距離を与える。β>1、即ち副尺縞模様の拡大の場合、距離ZQ は、ZQ >0;β<1の場合、即ち縞模様の理論的縮小の場合にZQ <0である。中央の区間の原則によれば、そのような幾何学的寸法では、拡大ファクタ又は修正ファクタβは次のようになる。
【0060】
β=(Zn +ZQ )/ZQ
シリンダ外面上の測定目盛の配置の上記選択された場合、ファクタβ>1が選択され、これに対してシリンダ内面上の測定目盛の配置の場合にβ<1が選択される。
【0061】
式(4)並びに上記の説明された式(3′)から、本発明によるシステムに対して有効な全ての式(5)が適用され、この式(5)から検出器平面の位置又は最後に通過された目盛からの距離ZQ が求められる。
【0062】
1/Zn +1/ZQ =1/〔(n+η)×dVT0 〕(式5)
式(5)中の値ZQ 、n及びηの意味は、既に上に説明された。同様に値dVT0 の定義は、すでに説明され、その際その定義において副尺縞周期∩ Vernierが介入する。一方議論された結像システムでは、非コリメート照明の場合又は光路に光学的要素を使用する場合、光路は光束の拡散に影響し、副尺周期∩ Vernierの明らかな分析的表現の記載は式(1)に類似して不可能である。副尺周期∩ Vernierは、特に光学的条件に適合される関係によってのみ付与される。選択的にそのようなシステムでの副尺周期∩ Vernierの特定は、いわゆる「光線追跡)のような数値的な方法が可能である。従って基本的には、一般的な式(5)における副尺周期の下に最後に通過された目盛の個所での部分副尺縞模様の周期が理解される。
【0063】
式(5)は、既に述べたように、非コリメート照明の場合にもコリメート照明の場合にも有効である。コリメート照明の場合に値ZQ はZQ =∞として、即ちβ=1に選択され、従って式(5)は上記の式(4)と同一である。逆に非コリメート照明の場合、値ZQ は最終的に、即ちZQ ≠∞かつβ≠=1である。
【0064】
次に値ZQ が式(5)でZQ =(n+η)×dVT0 として選択され、ここにn=1、2、・・・・である場合が述べられる。副尺縞模様は最後に通過された目盛からの距離Zn =∞に生じる。実際上検出器配列は、後続の目盛に後続する集束するレンズの焦点平面内に位置決めされなければならない。
【0065】
基本的に勿論最後に通過された目盛には、いわゆるリレー光学系が後続され、この光学系は、式(5)により得られる検出器平面の像を他の平面内に生じさせる。
【0066】
続いて干渉システムの場合に導入された式(5)が、値ηの相応した選択の際に結像位置測定装置にも適用され、この場合η=0に選択する。
【0067】
このことは、上記の式(3′)と(5)が一般的有効性を有しかつ相異なるパラメータの相応した選択によって本発明による光学的位置測定装置について述べた結像及び干渉の変形が具体的に記載されることができる。この際これらの式は、冒頭に記載されたドイツ国特許出願第19527287号明細書による結像システムのような光学的位置測定装置の公知の場合をも記載する。そこでは殆ど最後に通過された目盛の直後に検出器平面が位置決めされかつ得られる副尺縞模様が検出され、即ちパラメータn及びηは、そのような位置測定装置ではn≒0かつη=0が選択される。本発明による光学的位置測定装置にとって一般的に有効な式(3)及び(5)におけるパラメータn及びηは、n>0又はη≒0に選択される。
【0068】
基本的にこの個所で、勿論各検出器平面の正確な位置に関する幾分の公差が存在する。上記式により得られる理想位置からの僅かな偏倚のある場合でも場合によっては充分な強度変調が達成されることができる。
【0069】
更に本発明の領域内で、例えば使用された目盛の1つが二次元目盛として形成され従ってモアレ縞の方向に偏倚した横断的な回折次数が生じる場合に、いわゆるモアレ縞の形の測定方向に対して垂直に経過する周期的縞模様の検出も可能である。選択的にモアレ縞の発生は勿論公知の形式及び方法で達成され、その際使用された目盛は、所定の角度だけ互いに捩じられて配設される。
【0070】
従って、本発明が種々の実施形態において形成され得るような一連の可能性が存在する。従って実施例の上記記載は、勿論本発明思想の完璧な理解までには到らしめないであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、結像位置測定装置として形成された、本発明による位置測定装置の第1実施例の基本的構成を示す図である。
【図2】図2は、走査された副尺縞模様と関連した図1による本発明による光学的位置測定装置の実施例の検出器平面を表す図である。
【図3】図3は、結像される位置測定装置における検出器平面の最適の位置決めとの関連を説明するための図式図である。
【図4】図4は、干渉位置測定装置として形成された、本発明による位置測定装置の第3実施例の図式図である。
【図5】図5は、干渉位置測定装置として形成された、本発明による位置測定装置の第5実施例の図式図である。
【図6】図6は、非コリメート照明の場合の状況を説明するための図式図である。
【符号の説明】
1 走査ユニット
1.1 光源
1.4 走査目盛
1.5 検出器配列
2.2 測定目盛
11 走査ユニット
11.1 光源
11.4a 走査目盛
11.4b 走査目盛
11.5 検出器配列
12.2 測定目盛
21 走査ユニット
21.1 光源
21.4 走査目盛
21.5 検出器配列
22.2 測定目盛
Claims (11)
- 互いに測定方向に移動可能な2つの対象物の相対位置の決定のための光学的位置測定装置において、
a)両対象物の一方と結合した少なくとも1つの周期的測定目盛(2.2;12.2;22.2)と、
b)他方の対象物と結合した走査ユニット(1;11;21)とを備え、
走査ユニットは、
b1)光源(1.1;11.1;21.1)と、
b2)少なくとも1つの走査目盛(1.4;11.4a;11.4b;21.4)と、
b3)検出器平面内の検出器配列(1.5;11.5;21.5)とを備え、検出器配列は、光源(1.1;11.1;21.1)から発せられる光束の相異なる目盛との相互作用から得られる周期的縞模様の走査のための感光性の複数の検出器要素(D1、・・・・D20)から成り、その際検出器平面は、検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛から距離Zn 離れて配設されかつ距離Zn は次の関係、即ち
1/Zn +1/ZQ =1/〔(n+η)×dVTO 〕
から得られ、その際
ZQ :周期的縞模様の実光源点又は虚実光源点から検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛までの距離、n=0、1、2、3、・・・・
η:検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛で相異なる方向に現れる周期的縞模様の360°の分数の位相差であり、その際少なくともn>0又はη≠0が選択されかつ0<η<1、n+η≠0、ZQ ≠0、かつ
dVTO =(TPeff ×∩Vernier )/λ、
TPeff :検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛で生じ、充分な強度を有する0次及び±1次の回折の方向を正しく描く走査配列の有効な目盛周期、
λ=使用される光源の光波長、
∩Vernier :検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛の個所での周期的縞模様の周期
であることをことを特徴とする前記光学的位置測定装置。 - その際検出器要素(D1〜D20)が、測定方向(X)においてブロック状に互いに隣接して配設され、その際少なくとも2つのブロック(B1、・・B5)が設けられておりかつブロック(B1、・・B5)当たりそれぞれk個の個々の検出器要素(D1〜D20)が、距離β×∩Vernier の内方に配設されており、ここにβ=(ZQ +Zn )/ZQ かつその際検出器要素(D1〜D20)は、更に、各ブロック(B1、・・B5)の隣接した検出器要素(D1〜D20)から走査の際に360°/kだけ位相のずれた走査信号(A0 、A 90 、A 180、A270 )が得られるよう配列さていることを特徴とする請求項1に記載の光学的位置測定装置。
- 同位相の出力信号を発する相異なるブロック(B1・・・B5)の検出器要素(D1・・・・D20)が相互に接続されている、請求項2に記載の光学的位置測定装置。
- 隣接した検出器平面の間の距離dVTのために、
dVT=β×dVTO
が適用され、ここにβ=(ZQ +Zn )/ZQ である、請求項1に記載の光学的位置測定装置。 - ZQ =∞かつβ=1のコリメート照明が設けられる、請求項1に記載の光学的位置測定装置。
- ZQ ≠∞かつβ≠1のコリメート照明が設けられる、請求項1に記載の光学的位置測定装置。
- η=0かつn>0が選択される、請求項1に記載の光学的位置測定装置。
- η≠0かつn=0、1、2、3、・・・が選択される、請求項1に記載の光学的位置測定装置。
- 走査ユニット(1)が、走査目盛周期TPA の走査目盛(1.4)を備えた透明な走査板(1.3)を有し、その結果光源(1.1)から発せられる光束が、先ず走査目盛(1.4)を通り、それから測定目盛周期TPM の反射する測定目盛(2.2)上に現れ、そこで反射が、走査板(1.3)の方向に行われ、反射した光束は、走査目盛(1.4)に隣接した走査板(1.3)を通過しかつ検出器平面内の検出器配列に達する、請求項1に記載の光学的位置測定装置。
- 走査ユニット(11)が、走査目盛周期TPA の走査目盛(1.4)を備えた透明な走査板(11.3)を有し、その結果光源(11.1)から発せられる光束が、先ず走査目盛(11.4a)の第1部分領域に達し、それから測定目盛周期TPM の反射する測定目盛(12.2)上に現れ、そこで反射が、走査板(1.3)の方向に行われ、反射した光束は、走査目盛(11.4a)の第2部分領域に現れ、検出器平面内の検出器配列(11.5)に達する前に、走査目盛(11.4a)の第2部分領域を透過する、請求項1に記載の光学的位置測定装置。
- 走査ユニット(21)が、透明な走査板(21.3)を有し、透明な走査板は測定目盛周期TPA の反射する走査目盛(21.4)を有しかつ測定目盛周期TPM の同様に構成された反射する測定目盛(22.2)に面しており、その結果光源(21.1)から発せられた光束が、まず走査目盛(21.4)に隣接する走査板(21.3)を透過し、そこで走査目盛(21.4)の方向への反射が行われ、そこから測定目盛(22.2)の方向への反射は、走査板(21.3)の方向への反射が行われかつ反射光束が走査目盛(21.4)に隣接する走査板(21.3)を透過しかつ検出器平面で検出器配列(21.5)に達する前に、行われる、請求項1に記載の光学的位置測定装置。
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