JP5882673B2 - 光学式位置測定装置 - Google Patents
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Description
PE1:Π1=PY−
PE2:Π2=PY+
PE3:Π3=PZ−
PE4:Π4=PZ+
合成走査検知信号の最大信号レベルは、合成偏光状態Π0が光電子式ディテクタ要素の検知偏光状態Πnと一致する時に常に、光電子式ディテクタ要素PEn(n=1〜4)により告知される。走査検知信号の信号レベルは、合成偏光状態Π0が直径方向で検知偏光状態Πnに対向している時に対応して最小である。
PE1:Π1=PY−
PE2:Π2=PY+
PE3:Π3=PX−
PE4:Π4=PX+
更にUS6,914,234で光学式位置測定装置が公知であり、その基準尺格子は周期的に変調された偏光特性を有している。衝突する光束が、基準尺格子の各目盛周期の中で局所的に直線偏光され、そのとき偏光方向は格子周期を超えて180°回転する;従って、偏光周期は基準尺格子の目盛周期に相当する。基準尺格子の目盛周期の一部のみに光線が当たるように、走査検知する光束の拡がりを小さく選ぶので、出現する光は、基準尺の移動時に方向が回転する直線偏光を有している。よって、出現する光束の偏光状態の種類は、図4で図示されている状況に相当する。よって、US6,914,234に記載の走査検知光学系は、図3aと3bで既に説明した走査検知光学系と同等である。
本発明による光学式位置測定装置の利点ある実施方法は、従属請求項に記載の処置から得られる。
検知ユニットに少なくとも三つの検知器要素を含んでいることがあり、そのとき少なくとも三つの検知器要素が二つの直線偏光状態および一つの円偏光状態を検知し、その二つの直線偏光状態が互いの間で直角に向いていない。
二つの分光光束の偏光状態が、常に互いの間で直角に向いていると利点がある。
更に偏光手段が、それに入射する分光光束に対して局所的に位相差プレートのように作用する高周波格子として構成されていることがある。
− 光源から発光された光束が、基準尺上で基準尺格子として構成されている第一格子で二つの分光光束に分割され、
− その分光光束が引き続いて、走査検知プレート上の走査検知格子に当たり、続いてリフレクタの方向に進み、そこで走査検知格子の方向への分光光束の逆反射が生じ、
− その分光光束が、走査検知格子に改めて当たった後に基準尺格子の方向に進み、そこで分光光束が再び一緒にされて一つの合成光束にされ、検知ユニットに送られる
ようになっている。
代替としてリフレクタが、高周波格子として構成されていることがあり、その局所的な格子方向が偏光周期を超えて連続的に90°回転する。
PP:=偏光手段の偏光周期
dA:=走査検知格子の目盛周期
dM:=基準尺格子の目盛周期
とするとき、
PP/dA>100
または
PP/dM>100
が当て嵌まると好ましい。
分光光束で好ましくは不変の直角偏光により更に、走査検知信号の高い変調度が保証されている。
ここで量SP=dM/2は、本発明による光学式位置測定装置の信号周期を表している。
結果として0次回折次数で現れる光束のために二つの分光光束を重ね合わせることにより、ポワンカレ球の中心点に対する角度位置α,βを有する変更状態Π0が規定の面で得られる。偏光状態Π0ないし相当する点はポワンカレ球で、生成する二つの分光光束の偏光状態Π−1とΠ+1の接続ラインに対して直角である大円G上にある。よって、大円Gの角度位置αは、
大円Gの中で点Π0の角度位置βは、位相ズレΔΦ(ΔxM)により次のように特定される:
基準尺30が連続的に移動する時に、大円Gの角度位置αも大円Gに沿った角度位置βも変化する。尤も角度位置βの変化は、信号周期SPが基準尺格子31の偏光周期PP=2×XAより遙かに小さいので、角度位置αと較べて遙かに速い。信号周期SPと偏光周期PP=2×XAに対する代表的な値は、SP=0.5〜5μmと2×XA≒0.5〜5mmである。よって、基準尺30が連続的に移動する時に、偏光状態Π0が大円Gに沿って速く移動し、その時この大円Gは垂直軸Z’(円偏光状態の接続ライン)を中心にゆっくり回転する。よって大円Gを局所的偏光状態面とも呼ぶ。
44.1:Π1=PX+
44.2:Π2=PX−
44.3:Π3=PZ+
44.4:Π4=PZ−
44.5:Π5=PY+
44.6:Π6=PY−
として表されている。
X’:S1,S2
Y’:S5,S6
Z’:S3,S4
よって、本発明による光学式位置測定装置の検知ユニット40を介することにより、合成光束における各任意の偏光状態を、ポワンカレ球の三空間方向で明白に検知することができる。合成光束における各任意の偏光状態を完全に検出することが保証されている。そのために検知ユニット40には少なくとも三つのディテクタ要素を含んでおり、そこで少なくとも三つのディテクタ要素が二つの直線偏光状態と一つの円偏光状態を検知し、二つの直線偏光状態は互いの間で直角に向いていない。
後に続く信号評価は、角度位置αとβを特定するという目的を有している。ポワンカレ図示を幾何形状的に評価することにより、次の関係が得られる:
144.1:Π1=PX+
144.2:Π2=PX−
144.3:Π3=PY+
144.4:Π4=PY−
144.5:Π5=PZ+
144.6:Π6=PZ−
尤もこの実施例では六つの検知光束が、図11による検知ユニット140の中で非偏光性分光器141.1,141.2および偏光性分光器146.1,146.2,146.3により分割される。偏光性分光器146.1は、入射する合成光束の該当直線偏光部分を光電子式ディテクタ要素144.1,144.2に分割配分する。λ/2位相差プレート143.1が、入射する直線偏光部分を45°だけ回転するので、ディテクタ要素144.3と144.4が対応して、±45°回転された偏光部分を検出する。偏光性分光器146.3と接続するλ/4位相差プレート143.2が作用して、ディテクタ要素144.5と144.6が、入射する合成分光光束の円偏光された光線部分を検出する。以上により、この検知ユニット140の作用は前記実施例でのものと同等である。
この本発明による光学式位置測定装置の実施方法の特別な利点は、検知ユニット140の方に向けねばならないのは一つの合成光束だけであり、これを偏光コード化により検知ユニット140で初めて、位相がずれた検知光束および対応する走査検知信号S1〜S6に変換できることにある。このような形式の位置測定装置における今までの走査検知光学系では、テーブルの移動方向を有する走査検知ユニットを一緒に動かさねばならなかったか、あるいは基準尺と走査検知プレートの格子により先に複数の合成光束を形成し、それを長くて精密な単一ミラー又は屈曲格子を使って検知ユニットに向けねばならなかった。その二つは、非常に高価な工数に結びつく。
直線の基準尺格子231を備えた基準尺230を、ほぼ回転対称の走査検知ユニットにより走査検知する。ここで走査検知ユニットに属しているのは、残りとして図12で図示している構成部品、即ち、光源210、分光器250、走査検知格子221とリフレクタ225を備えた走査検知プレート220、および検知ユニット240である。
そのときDGはZ方向で走査検知格子221とリフレクタ225間の間隔、λは光源210の波長を表している;nGは、走査検知格子221とリフレクタ225間の屈折率である。
放物線格子位相ΦAG(x,y)は、走査検知格子221の特別なレンズ作用を説明するものであり、それは、衝突する分光光束が光学軸Zに対して平行に向けられ、同時に後続のリフレクタ225への集束が起きるような寸法になっている。走査検知格子221が回転対称であることにより、走査検知格子221のRz回転時にも、この作用は残ったままである。リフレクタ225は衝突する分光光束を、同じ光路を逆進するように反射する、即ち、リフレクタ225を介して走査検知格子221の方向への逆反射が起きる。
検知ユニット240は先に記載の実施例のように、即ち、例えば図5bまたは11で図示しているように構成しているものとすることができ、上記の偏光状態Π1、Π2...Π6に相当する六つの信号S1〜S6を同じく送り出す。評価は第一実施例のように行い、そのとき角度位置αは、光学軸(Z軸)を中心とした走査検知ユニットの回転角Rzを表している。
ここまで具体的に説明した実施例に加えて本発明の範疇には勿論、更に別の構成の可能性もある。一連のこの種の可能性ある変形例を、以下で示すことにする。
AG 走査検知格子
BS 非偏光性分光器
D 検知ユニット
G 大円
L 光源
M 基準尺
MG 基準尺格子
P ポラライザ
PB 偏光性分光器
PE 光電子式ディテクタ要素
S 走査検知信号
WP 位相差プレート
10 光源
20 走査検知プレート
21 走査検知格子
30 基準尺
31 基準尺格子
32 リフレクタ
33 誘電性層
34 基板
40 検知ユニット
41 分光格子
42 ポラライザ
43 位相差プレート
44 光電子式ディテクタ要素
110 光源
120 走査検知プレート
121 走査検知格子
130 基準尺
131 基準尺格子
132 リフレクタ
140 検知ユニット
141 非偏光性分光器
143 位相差プレート
144 光電子式ディテクタ要素
146 偏光性分光器
150 テーブル
160 方向転換ミラー
210 光源
220 走査検知プレート
221 走査検知格子
225 リフレクタ
230 基準尺
231 基準尺格子
240 検知ユニット
250 分光器
Claims (14)
- 少なくとも一つの測定方向に沿って互いに相対的に可動で配設されている基準尺と走査検知プレート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、光源から発光された光束が第一格子により、偏光状態を互いの間で直角に方向付けできる少なくとも二つの分光光束に分割され、その分光光束が再び一緒にされて一つの合成光束になり、その合成光束から検知ユニットにおいて、移動に関係する複数の走査検知信号を生成することができる光学式位置測定装置において、
偏光手段が分光光束の光路に配設されており、それに入射する分光光束に対するその偏光作用を、基準尺(30;30’;130;230)の運動自由度に沿って偏光周期(PP)を使って周期的に変更でき、偏光手段の偏光周期(PP)が第一格子の目盛周期(dA;dM)より大きいことを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 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(40;40’;140;240)が、合成光束の各任意偏光状態(Π1,...,Π6)をポワンカレ球の三空間方向で検知できる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1又は2に記載の光学式位置測定装置において、
検知ユニット(40;40’;140;240)に少なくとも三つの検知器要素(44.1〜44.6;44.1’〜44.3’;144.1〜144.6)を含んでおり、少なくとも三つの検知器要素(44.1〜44.6;44.1’〜44.3’;144.1〜144.6)が二つの直線偏光状態および一つの円偏光状態(Π1,...,Π6)を検知し、その二つの直線偏光状態(Π1,Π2,Π5,Π6)が互いの間で直角に向いていないことを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 請求項1に記載の光学式位置測定装置において、
分光光束に対する偏光手段の作用を介して、分光光束において方向が位置に関係して変化する直線偏光状態(Π1,...,Π6)が得られることを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 請求項1から4のいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
二つの分光光束の偏光状態(Π1,...,Π6)が、常に互いの間で直角に向いていることを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 請求項1から5のいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
偏光手段が、それに入射する分光光束に対するもので位置に関係して変化する偏光作用を、空間的に異なった方向を向いた偏光手段構成部品を介して設定可能である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1から4のいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
偏光手段が、それに入射する分光光束に対して局所的に直線ポラライザのように作用する高周波格子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1から4のいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
偏光手段が、それに入射する分光光束に対して局所的に位相差プレートのように作用する高周波格子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1から8のいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
光源(10;10’;110)から発光された光束が、走査検知プレート(20;20’;121)上で走査検知格子(21;121)として構成されている第一格子で二つの分光光束に分割され、その分光光束が引き続いて基準尺(30;30’;130’)上の基準尺格子(31;31’;131)に当たり、続いて再び走査検知格子(21;121)の方向に進み、そこで分光光束が再び一緒にされて一つの合成光束にされ、検知ユニット(40;40’;140)に送られることを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 請求項9に記載の光学式位置測定装置において、
基準尺(30;30’;130)が、基板(34)上で光学構造化され誘電性膜(33)および光学構造化されたリフレクタ(32;132)を有する反射基準尺として構成されており、その光学構造化されたリフレクタ(32;132)が偏光性高周波格子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1から8のいずれか一つに記載の光学式位置測定装置において、
− 光源(210)から発光された光束が、基準尺(230)上で基準尺格子(231)として構成されている第一格子で二つの分光光束に分割され、
− その分光光束が引き続いて、走査検知プレート(220)上の走査検知格子(221)に当たり、続いてリフレクタ(225)の方向に進み、そこで走査検知格子(221)の方向への分光光束の逆反射が生じ、
− その分光光束が、走査検知格子(221)に改めて当たった後に基準尺格子(231)の方向に進み、そこで分光光束が再び一緒にされて一つの合成光束にされ、検知ユニット(240)に送られることを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 請求項11に記載の光学式位置測定装置において、
リフレクタが高周波格子として構成されており、その局所的な格子方向が偏光周期(PP)を超えて連続的に180°回転することを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 請求項11に記載の光学式位置測定装置において、
リフレクタが高周波格子として構成されており、その局所的な格子方向が偏光周期(PP)を超えて連続的に90°回転することを特徴とする、光学式位置測定装置。 - 請求項1に記載の光学式位置測定装置において、
第一格子の目盛周期(dA;dM)に対する偏光手段の偏光周期(PP)の割合に対して、
PP:=偏光手段の偏光周期
dA:=走査検知格子の目盛周期
dM:=基準尺格子の目盛周期
とするとき、
PP/dA>100
または
PP/dM>100
が当て嵌まることを特徴とする、光学式位置測定装置。
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