JP6289609B2

JP6289609B2 - 干渉式間隔測定装置

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Inventors: イェルガー・ラルフ; フーバー・ヴァルター
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Description

本発明は、干渉式間隔測定装置に関する。

一つ又は二つの横方向における互いに移動可能な二つの物体の位置変化を検出する外に、専ら、或いは場合によっては、更に、それらの方向に対して直角の垂直方向における、それらの物体の間隔を計測することも必要な測定課題が存在する。そのような測定方向に沿った高精度な間隔測定のためには、例えば、特許文献１又は２に開示されている通り、干渉式方法が適している。

それらの干渉式間隔測定では、好適な回折又は屈折式光学素子によって、一つの光ビームを二つの部分光ビームに、即ち、測定光ビームと基準光ビームに分割している。それらの部分光ビームは、次に、それらに対応する測定分岐路と基準分岐路を通過して、一つの結合地点で重なり合って干渉する。その場合、測定すべき間隔は、測定光ビームと基準光ビームの間の位相差によって符号化される。測定光ビームと基準光ビームの間に光路長差が存在する場合、測定すべき間隔が個々の光ビームの各波長に依存する結果となる。しかし、基本的に干渉式間隔測定が場合によっては起こる波長変動に依存しないことが望ましい。しかし、前記の二つの特許文献により周知の方法では、そのことは、間隔測定範囲全体に渡ってではなく、所定の目標間隔でしか保証されていない。

ドイツ特許公開第１０２００７０１６７７４号明細書ドイツ特許公開第１０２０１１００５９３７号明細書

本発明の課題は、測定した間隔が間隔測定範囲全体に渡って使用光源の波長に依存しない高精度な干渉式間隔測定装置を実現することである。

本課題は、本発明による請求項１の特徴を有する装置によって解決される。

本発明による装置の有利な実施形態は、従属請求項における措置から明らかとなる。

本発明による少なくとも一つのスライド方向に沿って互いに移動可能に配置された二つの物体の間の干渉式間隔測定装置は、少なくとも一つの光源と、少なくとも一つの分割素子と、少なくとも一つの偏向素子と、少なくとも一つの検出器配列とを有する。この分割素子によって、一つの分割地点において、光源から放出された光ビームの少なくとも二つの部分光ビームへの分割が行なわれ、これらの部分光ビームは、異なる角度で更に伝搬する。この偏向素子は、そこに入射する部分光ビームを一つの結合地点の方向に偏向させる作用を奏し、その結合地点で、分割された部分光ビームが重なり合って干渉し、これらの分割地点と結合地点の間の部分光ビームの光路は、二つの物体の間の間隔が変化した場合に部分光ビームが分割地点と結合地点の間で進む光路長が同じになるように構成される。この検出器配列を用いて、重なり合って干渉した部分光ビームの対から、間隔依存信号を検出することが可能である。

少なくとも一つの光源と、少なくとも一つの検出器配列と、少なくとも一つの第一の偏向素子とを有する少なくとも一つの走査ユニットが一方の物体と連結され、
一つの測定反射器又は一つの分割素子が他方の物体と連結される、
と規定することができる。

この場合、有利には、これらの部分光ビームは、走査ユニット内の光路の少なくとも一部において、走査ユニットの少なくとも一つの対称軸に関して対称的に伝搬する。

更に、
走査ユニットが、スライド方向に対して平行の方向を向いた鏡面に関して鏡面対称に配置された二つの部分走査ユニットを備えるか、或いは
単一の走査ユニットを使用する場合、この走査ユニットが、スライド方向に対して平行の方向を向いた鏡面に関して鏡面対称に構成される、
ことが可能である。

本発明による装置の有利な実施構成では、この少なくとも一つの偏向素子の配置及び／又は構成によって、二つの物体の間の間隔が変化した場合に部分光ビームが分割地点と結合地点の間で進む光路長が同じになることが保証される。

更に、
この分割素子が、一次元の透過格子として構成され、
この走査ユニットが、更に、一つの二次元の透過交差格子とそれに対して平行に配置された一つの反射器とを備えた少なくとも一つの第一の基準尺を有する、
と規定することができる。

この場合、これらの透過交差格子と反射器は、分割素子の透過格子に対して直角に配置することができる。

更に、この偏向素子を偏向プリズムとして構成することが可能である。

本発明による装置の可能な実施構成では、
光源から放出された光ビームが、分割素子で二つの部分光ビームに分割され、これらの二つの部分光ビームが走査ユニットの方向に伝搬し、
走査ユニット内で、偏向素子によって、基準尺の方向への部分光ビームの偏向が行なわれ、
これらの部分光ビームが、基準尺の透過交差格子を通過し、その際、偏向されて、その後、反射器に当たり、
この反射器によって、透過交差格子の方向への反射が行なわれ、そこで、透過交差格子を新たに通過した後、部分光ビームが偏向素子への入射方向に対して平行にずれた形で伝搬するような更なる偏向が起こり、
この偏向素子では、結合地点の方向への部分光ビームの偏向が行なわれ、
次に、重なり合った部分光ビームが検出器配列の方向に伝搬する、
ように、これらの異なる構成部品が構成及び配置される。

この場合、走査ユニットは、第二の偏向素子と、一つの二次元の透過交差格子と一つの反射器から成る第二の基準尺とを備えることができ、これらの第二の偏向素子及び第二の基準尺は、走査ユニット内に第一の偏向素子及び第一の基準尺に対して鏡面対称に配置される。

本発明による装置の別の実施構成では、
一方の物体と連結された走査ユニットは、更に、それぞれ一次元の反射格子として構成された少なくとも四つの偏向素子を有するとともに、一次元の透過格子として構成された少なくとも一つの分割素子を有し、
平面鏡として構成された測定反射器が他方の物体と連結される、
と規定する。

この場合、走査ユニットは、角錐台形状の横断面を有する透明な支持体を備えることができ、その測定反射器の方を向いた面には、前記の分割素子が配置され、その側面には、前記の少なくとも四つの偏向素子が配置される。

本発明による装置のそのような実施構成では、
光源から放出された光ビームが、分割素子で二つの部分光ビームに分割され、これらの二つの部分光ビームが測定反射器の方向に伝搬し、
この測定反射器によって、走査ユニット内で、第一と第二の偏向素子の方向への部分光ビームの反射が行なわれ、そこで、第三と第四の偏向素子の方向への部分光ビームの偏向が起こり、
これらの第三と第四の偏向素子によって、測定反射器への部分光ビームの偏向が行なわれ、
この測定反射器から、走査ユニット内で、結合地点の方向への部分光ビームの反射が起こり、
次に、重なり合った部分光ビームが検出器配列の方向に伝搬する、
ように、これらの異なる構成部品が構成及び配置される。

この場合、走査ユニット内に配置された偏向素子は、更に、走査ユニットの対称中心に線焦点が生じるように、走査ユニット内を伝搬する部分光ビームに収束作用も及ぼすと規定することもできる。

本発明による解決策の重要な利点として、間隔測定が、間隔測定範囲全体に渡って、場合によっては起こる波長変化に依存しないことが得られる。それは、測定範囲内の全ての間隔に関して干渉部分光ビームの進む光路長が同じであり、そのようにして、測定範囲全体において、間隔に依存する位相差が生成されることに起因する。従って、場合によっては起こる波長変動は、標準位置でも、場合によっては個々の構成部品が目標位置から傾斜していても、本発明による装置における間隔測定に影響を与えない。

本発明による装置の変化形態に関して、用途に応じて好適に選定できる種々の手法が存在する。

以下における本発明による装置の実施例の図面と関連した記述に基づき、本発明の更なる詳細と利点を説明する。

本発明の根拠とする原理を説明する模式図本発明による装置の第一の実施例の光路の模式図第一の実施例の光経路を説明する模式的な断面図第一の実施例の光経路を説明する模式的な断面図本発明による装置の第一の実施例の異なる構成部品の平面図本発明による装置の第一の実施例の異なる構成部品の平面図本発明による装置の第一の実施例の異なる構成部品の平面図本発明による装置の第一の実施例の変化形態の光路の模式図本発明による装置の第一の実施例の変化形態の光経路を説明する模式的な断面図本発明による装置の第一の実施例の変化形態の光経路を説明する模式的な側面図本発明による装置の第一の実施例の変化形態の異なる構成部品の平面図本発明による装置の第一の実施例の変化形態の異なる構成部品の平面図本発明による装置の第二の実施例の模式図本発明による装置の第二の実施例の異なる視点からの模式図本発明による装置の第二の実施例の異なる視点からの模式図本発明による装置の第二の実施例の重要な光路の拡大図本発明による装置の第二の実施例の走査ユニットの異なる構成部品の平面図本発明による装置の第二の実施例の変化形態の模式図本発明による装置の第二の実施例の変化形態の重要な光路の拡大図本発明による装置の第二の実施例の変化形態の走査ユニットの異なる構成部品の平面図

以下において本発明による干渉式間隔測定装置の個々の実施例を詳しく述べる前に、先ずは本発明と関連する基本的な幾つかの考えを図１に基づき説明する。

本発明の範囲内では、本装置を用いて測定技術的に検出可能な間隔測定範囲全体に渡って、分割された部分光ビームの間の光路長差を精確に補償することにより、間隔に依存する位相差を生成すると規定する。この位相差によって、光路長に依存しない、そのため、波長に依存しない間隔測定を符号化又は保証することができる。見易くするとの理由から、本発明による装置の必要な構成部品の一部だけを図示した図１の模式図に基づき、この原理を説明する。

図１に図示されていない光源から放出された光ビームＳは、平面Ｅ_Ａ内に配置された分割素子Ｇ_Ａ上の分割地点に当たり、更に、二つの部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２に分割される。次に、これらの部分光ビームは、平面Ｅ_Ａの垂線Ｎ_Ａに対して異なる角度θ_１，θ_２で更に伝搬する。そして、二つの部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２は、平面Ｅ_Ｓ内に配置された偏向素子Ｇ_１，Ｇ_２に当たり、それによって、平面Ｅ_Ｒの方向への部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２の偏向が行なわれる。図１から明らかな通り、平面Ｅ_Ｓは、そのため、偏向素子Ｇ_１，Ｇ_２の偏向面は、光ビームＳの入射方向に対して角度θ_Ｓだけ傾斜して配置されている。ここで、格子周期ｄ_１とｄ_２を有する反射格子が偏向素子Ｇ_１，Ｇ_２として機能する。この偏向素子Ｇ_１を用いて、平面Ｅ_Ｓの垂線Ｎ_Ｓに対して角度α_１で入射する部分光ビームＴＳ１の偏向は、この部分光ビームが平面Ｅ_Ｓの垂線Ｎ_Ｓに対して角度β_１で更に伝搬するように作用し、この偏向素子Ｇ_２は、平面Ｅ_Ｓに角度α_２で入射する部分光ビームＴＳ２の偏向を引き起し、その結果、この部分光ビームは、垂線Ｎ_Ｓに対して角度β_２で平面Ｅ_Ｒの方向に更に伝搬する。これらの部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２が偏向素子Ｇ_１，Ｇ_２から更に伝搬する角度β_１とβ_２は、図面から明らかな通り異なる。偏向素子Ｇ_１，Ｇ_２の格子周期ｄ_１とｄ_２を好適に選定することによって、例えば、所望の角度θ_１，θ_２が設定される。平面Ｅ_Ｒ内には、測定反射器ＭＲが有り、そこに入射する部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２は、入射方向ｘに対して逆向きに反射され、その結果、部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２は、偏向素子Ｇ_１，Ｇ_２による新たな偏向後に、平面Ｅ_Ａ内の結合地点で再び重なり合う。ｚ方向に沿った残る構成部品に対する平面Ｅ_Ａの位置が変化した場合、図示されていない後続の検出器配列により検出可能な間隔に依存する干渉信号を生成することができる。部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２が平面Ｅ_Ａと平面Ｅ_Ｒの間、即ち、分割と再結合の間で進む光路長Ｗ_１，Ｗ_２は、角度θ_１，θ_２及びθ_Ｓに応じた純粋な幾何学的関数として得られる。そのため、本発明により除去すべき波長に依存する光路長差ΔＷ＝Ｗ_１−Ｗ_２は、角度θ_１，θ_２及びθ_Ｓの好適な選定によって、間隔変化Δｚに依存しない形でゼロに設定することができる、即ち、次の式が成り立つ。

ここで、
ΔＷ：光路長差
Ｗ_１：第一の部分光ビームの光路長
Ｗ_２：第二の部分光ビームの光路長
θ_１：分割素子での第一の部分光ビームの回折角
θ_２：分割素子での第二の部分光ビームの回折角
θ_Ｓ：測定方向ｚに対する平面Ｅ_Ｓの傾斜角

それに対して、部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２の位相Ｐ１，Ｐ２は、偏向素子Ｇ_１又はＧ_２上のそれぞれｚに依存する衝突地点とそれに依存しないそれぞれ逆の格子周期ｄ_１又はｄ_２の積の関数として得られる。従って、場合によって生じる間隔変化Δｚの位相差ΔＰ（Δｚ）＝Ｐ_１（Δｚ）−Ｐ_２（Δｚ）は、一般的に次の間隔変化Δｚの関数である。

ここで、
ΔＰ：二つの部分光ビームの間の位相差
Ｐ_１：結合地点での第一の部分光ビームの位相
Ｐ_２：結合地点での第二の部分光ビームの位相
θ_１：分割素子での第一の部分光ビームの回折角
θ_２：分割素子での第二の部分光ビームの回折角
θ_Ｓ：測定方向ｚに対する平面Ｅ_Ｓの傾斜角
Δｚ：測定方向ｚに沿った互いに移動可能な構成部品の相対的なずれ
ｍ_１／２：分割素子での第一又は第二の部分光ビームの回折次数

そのため、偏向素子Ｇ_１，Ｇ_２の格子周期ｄ_１，ｄ_２を好適に選定して、角度θ_１，θ_２を所定通り設定するとともに、それに合わせてθ_Ｓを選定することによって、その結果得られる位相差ΔＰ（Δｚ）への間隔変化Δｚの好適な依存性を、そのため、間隔測定に適した信号周期を実現することができる。それと同時に、付加条件ΔＷ＝０が維持され、そのため、場合によっては起こる波長変動への非依存性が保証される。

この場合、ここで説明した本発明による無色干渉式間隔測定に関する基本原理は、部分光ビームＴＳ１，ＴＳ２の任意の数の回折式及び／又は幾何学式偏向と関連して実現することができる。このようにして、所望の波長非依存性の外に、所定の軸の周りの個々の構成部品の傾斜に対する無感応性も有する、本発明による装置を実現することができる。

以下において、特に、それぞれ異なる数のそのような偏向を規定した、本発明による干渉式間隔測定装置の実施例を詳しく説明する。

本発明による干渉式間隔測定装置の第一の実施例が、図２、３ａ、３ｂ及び４ａ〜４ｃに異なる図面又は部分図面により模式的に図示されている。

この場合、本装置は、垂直のスライド方向ｚに沿った二つの物体Ｏ１，Ｏ２の間隔を計測する役割を果たす。図２に模式的にのみ示した物体Ｏ１，Ｏ２は、例えば、少なくともスライド方向ｚに沿って互いに移動可能に配置された機械の構成部品とすることができる。この場合、本発明による装置によって、二つの物体Ｏ１，Ｏ２の間隔に関する間隔依存信号が生成される。これらの信号は、後続の図示されていない機械制御部によって更に処理することができる。更に、スライド方向ｚに沿った間隔の検出の外に、それと直角な水平のスライド方向ｘ，ｙに沿った位置の検出を規定することができ、それらの方向に沿っても、二つの物体Ｏ１，Ｏ２が、場合によっては同じく移動可能に配置されている。

この実施例では、二つの物体の中の一方の物体Ｏ１が、本発明による装置の一つの構成部品１０と連結又は接続されている。他方の物体Ｏ２は、ここでは、構成部品１０の周りを取り囲む二つの部分走査ユニット２０．１，２０．２から構成される走査ユニット２０と連結又は接続されている。二つの部分走査ユニット２０．１，２０．２の間には、別の物体Ｏ１と連結された本発明による装置の構成部品１０が、スライド方向ｚに沿って走査ユニット２０に対して相対的に移動可能に配置されている。ここで、本発明による装置は、構成部品１０と走査ユニット２０の間の間隔変化の高精度な計測、例えば、図２に示された上の部分走査ユニット２０．２と構成部品１０の間の間隔ｄ_ｚの計測が可能である。

この図示された装置の物体Ｏ１と連結された構成部品１０は、この例では、目盛周期ＴＰ_１の一次元の透過格子又は透過位相格子として構成され、透明な支持基板１２上に配置された少なくとも一つの分割素子１１を有する。この透過格子は、所与のｙ方向に沿って目盛周期ＴＰ_１により周期的に配置された目盛領域から構成され、これらの目盛領域は、透過光に対して異なる位相シフト作用を与える。図４ｂの構成部品１０の平面図から明らかな通り、ｘ方向に関して分割素子１１の透過格子に対して平行に隣接して別の一次元の透過格子が構成部品１０の支持基板１２上に配置されており、この第二の透過格子は、本発明による装置のこの実施例では、結合素子１３として機能する。

この走査ユニット２０は、少なくとも一つの光源２１．１と、一つの偏向素子２３．１と、一つの検出器配列２５．１とを有する。光源２１．１として、例えば、レーザー又はレーザーダイオードが考えられ、偏向素子２３．１は、偏向面２３．１ａを有する偏向プリズムとして構成され、検出器配列２５．１としては、周期的に配置された複数の感光性検出器領域から構成される所謂構造化された光検出器が用いられる。

更に、図示された実施例では、第一の部分走査ユニット２０．１には、コリメータレンズ２２．１が配備され、第二の部分走査ユニット２０．２には、更に、透明な支持基板２４．１ｃの一方の側に配置された二次元の透過交差格子２４．１ａを備えた基準尺２４．１が配置される一方、この支持基板２４．１ｃの逆側には、透過交差格子２４．１ａに対して平行に反射器２４．１ｂが配置され、これらの透過交差格子２４．１ａと反射器２４．１ｂは、分割素子１１の透過格子に対して垂直に配置されている。図４ｃから明らかな通り、この透過交差格子２４．１ａは、ｘ方向に沿って目盛周期ＴＰ_Ｘを有し、スライド方向ｚに沿って目盛周期ＴＰ_Ｚを有する。

図示された実施例では、走査ユニット２０の右の部分に、走査ユニット２０の前述した素子に対して、同じ構成部品が、即ち、第二の光源２１．２、第二のコリメータレンズ２２．２、第二の検出器配列２５．２、第二の偏向素子２３．２及び第二の基準尺２４．２が、対称平面Ｓ_Ｅに関して鏡面対称に配置されている。以下では、第一の間隔センサの左の走査光路に関して述べるとともに、第二の間隔センサの右の光路に関して述べる。

そのため、本発明による装置のこの第一の実施例では、図２の左に示した素子によって、即ち、第一の間隔センサによって、第一の間隔測定値ｄ_Ｚ１の生成が行なわれ、右に配置された素子、即ち、第二の間隔センサによって、第二の間隔測定値ｄ_Ｚ２の生成が行なわれる。

ここで、以下において、本発明による装置の第一の実施例での間隔依存信号を生成する光路を説明し、それは、図２の左に図示された第一の間隔センサの走査光路に基づき行なわれ、本発明による装置の右の部分、即ち、第二の間隔センサの走査光路は、基本的にそれと同じである。

光源２１．１から放出された光ビームは、前に配置されたコリメータレンズ２２．１によって、先ずはコリメートされた後、部分走査ユニット２０．１から出て、構成部品１０内で分割素子１１に当たる。そこで、入射した光ビームが透過格子で０と−１の回折次数で回折されることによって、光ビームは二つの部分光ビームに分割される。次に、これらの部分光ビームは、第二の部分走査ユニット２０．２内を偏向素子２３．１の方向に伝搬して、その偏向面２３．１ａで基準尺２４．１の方向に反射又は偏向される。そこで、二つの部分光ビームは、先ず透過交差格子２４．１ａを通過して、それぞれｚ方向とｘ方向に、即ち、図２の図面平面に対して直角に偏向され、この結果生じるｘ方向への偏向は、図３ｂの光路の平面図で明らかである。次に、二つの部分光ビームは、支持基板２４．１ｃを通過した後、基準尺２４．１の反射器２４．１ｂに当たり、それによって、透過交差格子２４．１ａの方向に反射される。透過交差格子２４．１ａを新たに通過する際、これらの部分光ビームは、ｚ方向とｘ方向に新たに偏向され、その結果、偏向素子２３．１への入射方向に対して平行にずれた形で更に伝搬する。この場合、基準尺２４．１に入射した部分光ビームとそこから出射した部分光ビームのｘ方向におけるずれは、照射光ビームと信号光ビームを空間的に分離して、後者を検出可能とするために必要である。分割された部分光ビームが偏向素子２３．１の偏向面２３．１ａに１回目と２回目に当たる間に、即ち、光路の少なくとも一部において、これらの部分光ビームは、部分走査ユニット２０．２の対称軸Ｓ_ｙに対して対称的に進む。そして、偏向素子２３．１によって、偏向面２３．１ａでの構成部品１０内の結合地点の方向への部分光ビームの偏向が行なわれ、その地点で、部分光ビームが重なり合って干渉する。この結合地点は、構成部品１０内において、ｘ方向に関して結合格子１３上の分割地点に対してずれた所に有る。この実施例では、分割素子１１の透過格子の目盛周期ＴＰ_１は、結合素子１３の透過格子の目盛周期ＴＰ_２と僅かに異なる形で選定される。そのようにして、部分光ビームが重なり合って結合格子を通過した後、検出器配列２５．１の構造化された光検出器を用いて、位相シフトした間隔依存信号に変換することが可能な所謂バーニャ縞模様が得られ、これらの信号から、更に、第一の間隔センサにおいて、周知の手法で第一の間隔測定値ｄ_Ｚ１を取得することができる。

基本的に同様の光路によって、第二の間隔センサ、即ち、図示された本発明による装置の右の部分において、第二の間隔測定値ｄ_Ｚ２の生成が行なわれる。

本発明による装置の各光路から取得した第一と第二の間隔センサの間隔測定値ｄ_Ｚ１，ｄ_Ｚ２の計算により、その結果得られる位置位相Φを生成することができ、この位置位相は、次の式により、スライド方向ｚに沿った二つの物体Ｏ１，Ｏ２の間の間隔変化Δｚと一義的に対応付けることが可能である。

ｚ＝（ｄ_ｚ１＋ｄ_ｚ２）／２
＝（ＴＰ_ｚ）^２・Φ／（２λ・２π）（式３）
ここで、
ｚ：物体Ｏ１，Ｏ２の間隔に関する間隔測定値
ｄ_Ｚ１：第一の間隔センサの間隔測定値
ｄ_Ｚ２：第二の間隔センサの間隔測定値
ＴＰ_Ｚ：スライド方向ｚに沿った透過交差格子の目盛周期
Φ：位置位相
λ：光源の波長

本発明による装置のこの第一の実施例では、偏向素子２３．１，２３．２の偏向面２３．１ａ，２３．２ａの設置角度を好適に選定することによって、部分光ビームが分割と再結合の間に進む光路長の所定通りの設定が行なわれ、この角度は、二つの物体Ｏ１，Ｏ２の間の任意の間隔に関して、分割地点と結合地点の間で進む光路長が同じになるように選定される。

本発明による装置のここで説明した第一の実施例では、位相シフトした複数の間隔依存信号の生成は、所謂バーニャ走査によって、即ち、縞模様の生成と構造化された光検出器を用いた、その縞模様の走査とによって行なった。それに代わって、偏光評価による、さもなければ結合素子の好適な構成による位相シフト信号の生成も考えられる。干渉式間隔測定装置での位相シフトした間隔依存信号を生成する基本的に周知の手法に関しては、例えば、出願人の特許文献２を参照されたい。

本発明による装置の第一の実施例の変化形態が、図５，６ａ，６ｂ及び７ａと７ｂに部分図により図示されている。以下では、前述した実施例との重要な相違点だけを説明する。

この変化形態は、前述した第一の実施例で図２の左部分に図示されている通りの構造又は光路を有する第一の間隔センサを備えている。この変化形態では、この第一の間隔センサは、第二の間隔センサだけ付加されているが、この第二の間隔センサは、ここでは、ｘ方向に関して第一の間隔センサに対してずらして配置されている。この第二の間隔センサの側には、分割素子１４’で信号を生成するために、＋／−１の回折次数が利用されている。図５は、第二の間隔センサだけを模式図で図示しており、二つの間隔センサ内の部分光ビームの光路は、図６ａと６ｂの図面から分かる。これらの光路は、基本的に第一の実施例の光路と一致するので、その新たな詳しい説明は省略する。

更に、図７ａには、第一と第二の間隔センサの分割素子１１’，１４’と結合素子１３’，１５’のｘ方向に関して隣接した配置構成が図示されており、図７ｂは、部分走査ユニット２０．１’の第一と第二の間隔センサの異なる構成部品、即ち、二つの間隔センサの光源２１．１’，２１．３’、コリメータレンズ２２．１’，２２．３’及び検出器配列２５．１’，２５．３’を図示している。

本発明による装置の第一の実施例のこの変化形態の第二の間隔センサは、＋／−１の回折次数を利用しているため、物体Ｏ１，Ｏ２がスライド方向ｚに沿って相対的にスライドした場合に位相シフトを提供せず、むしろ、それに関して、物体Ｏ１，Ｏ２がｙ方向に沿って相対的に動いた場合に位相シフトが検出される。即ち、ｙ方向に沿った物体Ｏ１，Ｏ２の位置変化に関する測定値が得られる。しかし、この場合、スライド方向ｚに沿った物体Ｏ１，Ｏ２の間隔変化に関する本来所望の別の測定値は、第一と第二の間隔センサの位置位相の差分演算によって算出することができる。物体Ｏ１，Ｏ２がスライド方向ｚに沿って相対的に動いた場合の間隔変化Δｚは、次の式の通り近似的に得られる。

Δｚ＝（（ＴＰ_ｚ）^２／２λ）・（Φ_１／２π−Ｋ・Φ_２／４π）（式４）
ここで、
Δｚ：スライド方向ｚに沿った物体Ｏ１，Ｏ２の間隔変化
ＴＰ_Ｚ：スライド方向ｚに沿った透過交差格子の目盛周期
λ：光源の波長
Φ_１：第一の間隔センサの位置位相
Φ_２：第二の間隔センサの位置位相
Ｋ：第一の間隔センサに対する第二の間隔センサの分割素子又は透過格子の目盛周期の比率

以下において、本発明による干渉式間隔測定装置の第二の実施例を模式的な図８，９ａ，９ｂ，１０及び１１に基づき説明する。図８及び９ａと９ｂは、それに対応する装置の異なる図面を図示し、図１０は、間隔依存信号を生成する光路の拡大図を図示し、図１１は、光路内に組み込まれた異なる光学機能関連素子の平面図を図示している。以下では、又もやこれまでに述べた実施例との重要な相違点だけを説明する。

又もや垂直なスライド方向ｚに沿った二つの物体Ｏ１，Ｏ２の間隔を検出するために、本発明による装置の第二の実施例は、基本的に物体Ｏ１と連結された測定反射器１１０と、物体Ｏ２と連結された走査ユニット１２０とを有する。

この測定反射器１１０は、平面鏡１１４を上に配置した支持基板１１２から構成される。この平面鏡１１４の反射側は、走査ユニット１２０の方向を向いている。

この走査ユニット１２０の側には、光源１２１と、検出器配列１２５と、例えば、ガラスから成る透明な支持体１３７とが配備されており、これ以外に、それに代わって、支持体として、好適な中空体も使用可能である。図８の図面の通り、この支持体１３７は、角錐台形状の横断面を有し、この支持体１３７には、一連の光学機能関連素子が配置されている。これらの素子には、支持体１３７の測定反射器１１０の方を向いた面に配置された一つの分割素子１３２、一つの結合素子１３５及び支持体の側面に配置された四つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂが属し、この場合、図８の支持体１３７の左の側面には、第一の偏向素子１３３ａと第二の偏向素子１３３ｂが配置され、支持体１３７の右の側面には、第三の偏向素子１３４ａと第四の偏向素子１３４ｂが配置されている。この分割素子１３２は、結合素子１３５と同様に、所定の通り選定された目盛周期を有する透過格子として構成され、ここで、この実施例では、好適に選定された目盛周期を有する反射格子が、偏向素子１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂとして機能し、その反射面は、支持体１３７の内部方向を向いている。

以下において、本発明による干渉式間隔測定装置の第二の実施例の光路を説明する。この場合、光源１２１から放出された光ビームは、先ずは支持体１３７の光源１２１の方を向いた側の光学的に作用しない領域１３１を通過する。この支持体１３７を通過した後、光ビームは、分割素子１３２の分割地点に到達して、そこで二つの部分光ビームに分割され、これらの部分光ビームは、図８から明らかな通り、異なる角度で測定反射器１１０の方向に更に伝搬して、第一の衝突地点で測定反射器に一回目の衝突を行なう。測定反射器１１０の平面鏡１１４で、部分光ビームは、走査ユニット１２０の方向に反射される、詳しくは、第一の偏向素子１３３ａと第二の偏向素子１３３ｂの方向に反射される。次に、これらの偏向素子１３３ａ，１３３ｂによって、部分光ビームは、第三の偏向素子１３４ａと第四の偏向素子１３４ｂの方向に偏向される。これらの第三と第四の偏向素子１３４ａ，１３４ｂによって、測定反射器１１０の平面鏡１１４の方向への部分光ビームの偏向が行なわれて、部分光ビームは、第二の衝突地点で測定反射器に二回目の衝突を行なう。この場合、平面鏡１１４上の第二の衝突地点は、部分光ビームの第二の衝突地点と比べて所与のｘ方向にずらすことができる。次に、第二の衝突地点から、結合素子１３５の結合地点への部分光ビームの反射が行なわれる。最後に、結合素子１３５から、重なり合って干渉した部分光ビームの対が支持体１３７を通って伝搬し、光学的に作用しない領域１３６を通って支持体から出て、検出器配列１２５に到達する。この検出器配列によって、又もや位相シフトした複数の間隔依存信号を検出することが可能である。

この実施例でも、複数の位相シフト信号を生成するために異なる変化形態を採用することができる。即ち、例えば、分割素子１３２の透過格子が結合素子１３５の透過格子に対して僅かに異なる目盛周期を有する所謂バーニャ走査を規定することが可能である。その結果得られる縞模様は、検出器配列１２５の構造化された光検出器を用いて検出して、位相シフトした複数の間隔依存信号に変換することができる。しかし、それに代わって、前の通り偏光評価による、さもなければ結合素子の好適な構成による位相シフト信号の生成も考えられる。干渉式間隔測定装置での位相シフトした間隔依存信号を生成する基本的に周知の手法に関しては、又もや、既に何回か言及した出願人の特許文献２を参照されたい。

本発明による装置の第二の実施例でも、スライド方向ｚに沿って間隔が変化した場合に、部分光ビームが分割と再結合の間で進む光路長が二つの部分光ビームに関して同じままであることが保証され、そのため、間隔測定の所要の波長非依存性が保証される。この場合、それは、一方では、配備された四つの偏向素子１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂの好適に選定された設置角度によって保証される。他方では、これらの偏向素子１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂの反射格子の構成によって、特に、これらの反射格子の目盛周期の選定によって、分割された部分光ビームの光路の少なくとも一部における対称的な経路が保証される。

本発明による装置の第二の実施例の利点として、ｙｚ平面に関して規定された対称性のために、場合によっては起こるｙ軸の周りの傾斜に対する傾斜非感応性が得られることも挙げられる。

最後に、本発明による干渉式間隔測定装置の第二の実施例の変化形態を図１２、１３及び１４に基づき説明する。この場合、又もや直前に述べた第二の実施例に対する重要な相違点だけを説明する。

即ち、この変化形態の間隔依存信号を生成する光路は、基本的に図８〜１１の第二の実施例の光路と同じである。それとの相違点として、走査ユニット内を伝搬する部分光ビームが、第一と第二の偏向素子１３３ａ’，１３３ｂ’との衝突と第三と第四の偏向素子１３４ａ’，１３４ｂ’との衝突の間に、ｚ方向に沿って延びる線焦点Ｌに収束されることだけが規定される。そのために、支持体の側面に配置された反射円筒レンズの形の偏向素子１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’の相応の構成が規定される。これらの偏向素子１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’又は円筒レンズは、前に説明した実施例による部分光ビームに対する光学的な偏向作用の外に、ｙ方向に生じる収束作用も更に有し、その結果、走査ユニットの対称中心に線焦点Ｌが得られる。このようにして、本発明による装置の構成部品がｙ軸の周りに傾斜した場合の既に得られた不変性の外に、場合によっては起こるｘ軸の周りの傾斜時の非感応性も更に達成される。即ち、本発明による装置の構成部品がこれらの軸の中の一つの周りを場合によって傾斜した際に、間隔計測時の誤差が生じない。

反射円筒レンズの使用に代わって、そのような収束作用は、光路に屈折レンズを更に配置することによっても達成することができる。

そのようなｙ軸及びｘ軸の周りの傾斜に対する非感応性は、本発明による装置の第二の実施例の別の代替形態でも保証することができる。即ち、反射円筒レンズの形の四つの偏向素子の構成の代わりに、走査ユニット内において、分割された部分光ビームが、再び結合される前に、それぞれ全体として三つの偏向素子に当たると規定することができ、その結果、分割された部分光ビームに関して、全体として六つの偏向素子が配備される。この場合、ここでは三つの側面の角錐台として構成された支持体の側面に配置された反射格子が偏向素子として機能する。そのような配置構成は、それと同様に屈折三重プリズムを用いて実現可能なビーム反転に対応する。この変化形態の前に説明した形態に対する利点として、全ての使用する格子を一定の目盛周期で構成できることが挙げられる。

当然のことながら、ここで具体的に説明した実施例の外に、それに代わる形で本発明による干渉式間隔測定装置を構成する更に別の手法も存在する。

Claims

少なくとも一つのスライド方向（ｚ）に沿って互いに移動可能に配置された二つの物体（Ｏ１，Ｏ２）の間の干渉式間隔測定装置であって、
少なくとも一つの光源（２１．１，２１．２；２１．１’，２１．３’；１２１）と、光源（２１．１，２１．２；２１．１’，２１．３’；１２１）から放出された光ビームを、一つの分割地点において、異なる角度（θ_１，θ_２）で更に伝搬する少なくとも二つの部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）に分割する、少なくとも一つの分割素子（Ｇ_Ａ；１１；１１’，１４’；１３２；１３２’）と、
入射する部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）を一つの結合地点の方向に偏向させる作用を奏する少なくとも一つの偏向素子（Ｇ_１，Ｇ_２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’；１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）であって、その結合地点で、分割された部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が重なり合って干渉し、分割地点と結合地点の間の部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の光路は、二つの物体（Ｏ１，Ｏ２）の間の間隔が変化した（Δｚ）場合に部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が分割地点と結合地点の間で進む光路長が同じになるように構成される少なくとも一つの偏向素子と、
これらの重なり合って干渉する部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の対から、間隔依存信号を検出する少なくとも一つの検出器配列（２５．１，２５．２；２５．１’，２５．３’；１２５）と、
を有し、
少なくとも一つの光源（２１．１，２１．２；２１．１’，２１．３’；１２１）と、少なくとも一つの検出器配列（２５．１，２５．２；２５．１’，２５．３’；１２５）と、少なくとも一つの第一の偏向素子（Ｇ _１，Ｇ _２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’；１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）とを有する少なくとも一つの走査ユニット（２０；１２０）が一方の物体（Ｏ２）と連結され、
一つの測定反射器（１１０）又は一つの分割素子（Ｇ _Ａ；１１；１１’；１４’；１３２；１３２’）が他方の物体（Ｏ１）と連結され、
分割素子（１１；１１’；１４’）が、一次元の透過格子として構成され、
走査ユニット（２０）が、更に、一つの二次元の透過交差格子（２４．１ａ，２４．２ａ；２４．３ａ’）とそれと平行に配置された一つの反射器（２４．１ｂ，２４．２ｂ；２４．３ｂ’）とを備えた少なくとも一つの第一の基準尺（２４．１，２４．２；２４．３’）を有する、
装置。
部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）は、走査ユニット（２０；１２０）内の光路の少なくとも一部において、走査ユニット（２０；１２０）の少なくとも一つの対称軸（Ｓ_ｙ）に関して対称的に伝搬する、
請求項１に記載の装置。
走査ユニット（２０）が、スライド方向（ｚ）に対して平行の方向を向いた鏡面（Ｓ_Ｅ）に関して鏡面対称に配置された二つの部分走査ユニット（２０．１，２０．２）を備えるか、或いは
単一の走査ユニット（１２０）を使用する場合、この走査ユニットが、スライド方向（ｚ）に対して平行の方向を向いた鏡面（Ｓ_Ｅ）に関して鏡面対称に構成される、
請求項１に記載の装置。
当該の少なくとも一つの偏向素子（Ｇ_１，Ｇ_２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’；１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）の配置及び／又は構成によって、二つの物体（Ｏ１，Ｏ２）の間の間隔が変化（Δｚ）した場合に部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が分割地点と結合地点の間で進む光路長が同じになることが保証される、
請求項１から３までのいずれか一つに記載の装置。
当該の透過交差格子（２４．１ａ，２４．２ａ；２４．３ａ’）と反射器（２４．１ｂ，２４．２ｂ；２４．３ｂ’）が、分割素子（１１；１１’；１４’）の透過格子に対して直角に配置される、
請求項１から４のいずれか一つに記載の装置。
当該の偏向素子（２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’）が偏向プリズムとして構成される、
請求項１から５のいずれか一つに記載の装置。
光源（２１．１，２１．２；２１．１’，２１．３’）から放出された光ビームが、分割素子（１１；１１’；１４’）で二つの部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）に分割されて、これらの二つの部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が走査ユニット（２０）の方向に伝搬し、
走査ユニット（２０）内で、偏向素子（Ｇ_１，Ｇ_２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’）によって、基準尺（２４．１，２４．２；２４．３’）の方向への部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の偏向が行なわれ、
これらの部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が、基準尺（２４．１，２４．２；２４．３’）の透過交差格子（２４．１ａ，２４．２ａ；２４．３ａ’）を通過し、その際、偏向されて、その後、反射器（２４．１ｂ，２４．２ｂ；２４．３ｂ’）に当たり、
この反射器によって、透過交差格子（２４．１ａ，２４．２ａ；２４．３ａ’）の方向への反射が行なわれ、そこで、透過交差格子（２４．１ａ，２４．２ａ；２４．３ａ’）を新たに通過した後、部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が偏向素子（Ｇ_１，Ｇ_２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’）への入射方向に対して平行にずれた形で伝搬するような更なる偏向が起こり、
この偏向素子（Ｇ_１，Ｇ_２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’）で、結合地点の方向への部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の偏向が行なわれ、
次に、重なり合った部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が検出器配列（２５．１，２５．２；２５．１’，２５．３’）の方向に伝搬する、
ように、当該の異なる構成部品が構成及び配置される、
請求項１から６までのいずれか一つに記載の装置。
走査ユニット（２０）は、第二の偏向素子（２３．２）と、一つの二次元の透過交差格子（２４．２ａ）と一つの反射器（２４．２ｂ）から成る第二の基準尺（２４．２）とを有し、これらの第二の偏向素子（２３．２）及び第二の基準尺（２４．２）は、走査ユニット（２０）内に第一の偏向素子（２３．１）及び第一の基準尺（２４．１）に対して鏡面対称に配置される、
請求項１から７までのいずれか一つに記載の装置。
少なくとも一つのスライド方向（ｚ）に沿って互いに移動可能に配置された二つの物体（Ｏ１，Ｏ２）の間の干渉式間隔測定装置であって、
少なくとも一つの光源（２１．１，２１．２；２１．１’，２１．３’；１２１）と、光源（２１．１，２１．２；２１．１’，２１．３’；１２１）から放出された光ビームを、一つの分割地点において、異なる角度（θ _１，θ _２）で更に伝搬する少なくとも二つの部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）に分割する、少なくとも一つの分割素子（Ｇ _Ａ；１１；１１’，１４’；１３２；１３２’）と、
入射する部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）を一つの結合地点の方向に偏向させる作用を奏する少なくとも一つの偏向素子（Ｇ _１，Ｇ _２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’；１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）であって、その結合地点で、分割された部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が重なり合って干渉し、分割地点と結合地点の間の部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の光路は、二つの物体（Ｏ１，Ｏ２）の間の間隔が変化した（Δｚ）場合に部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が分割地点と結合地点の間で進む光路長が同じになるように構成される少なくとも一つの偏向素子と、
これらの重なり合って干渉する部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の対から、間隔依存信号を検出する少なくとも一つの検出器配列（２５．１，２５．２；２５．１’，２５．３’；１２５）と、
を有し、
少なくとも一つの光源（２１．１，２１．２；２１．１’，２１．３’；１２１）と、少なくとも一つの検出器配列（２５．１，２５．２；２５．１’，２５．３’；１２５）と、少なくとも一つの第一の偏向素子（Ｇ _１，Ｇ _２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’；１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）とを有する少なくとも一つの走査ユニット（２０；１２０）が一方の物体（Ｏ２）と連結され、
一つの測定反射器（１１０）又は一つの分割素子（Ｇ _Ａ；１１；１１’；１４’；１３２；１３２’）が他方の物体（Ｏ１）と連結され、
一方の物体（Ｏ２）と連結された走査ユニット（１２０）は、更に、それぞれ一次元の反射格子として構成された少なくとも四つの偏向素子（１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）を有するとともに、一次元の透過格子として構成された少なくとも一つの分割素子（１３２；１３２’）を有し、平面鏡として構成された測定反射器（１１０）が他方の物体（Ｏ１）と連結される、
装置。
部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）は、走査ユニット（２０；１２０）内の光路の少なくとも一部において、走査ユニット（２０；１２０）の少なくとも一つの対称軸（Ｓ_ｙ）に関して対称的に伝搬する、
請求項９に記載の装置。
走査ユニット（２０）が、スライド方向（ｚ）に対して平行の方向を向いた鏡面（Ｓ_Ｅ）に関して鏡面対称に配置された二つの部分走査ユニット（２０．１，２０．２）を備えるか、或いは
単一の走査ユニット（１２０）を使用する場合、この走査ユニットが、スライド方向（ｚ）に対して平行の方向を向いた鏡面（Ｓ_Ｅ）に関して鏡面対称に構成される、
請求項９に記載の装置。
当該の少なくとも一つの偏向素子（Ｇ_１，Ｇ_２；２３．１，２３．２；２３．１’，２３．３’；１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）の配置及び／又は構成によって、二つの物体（Ｏ１，Ｏ２）の間の間隔が変化（Δｚ）した場合に部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が分割地点と結合地点の間で進む光路長が同じになることが保証される、
請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
走査ユニット（１２０）が、角錐台形状の横断面を有する透明な支持体（１３７）を備え、その測定反射器（１１０）の方を向いた面には、当該の分割素子（１３２；１３２’）が配置され、その側面には、当該の少なくとも四つの偏向素子（１３３ａ，１３３ｂ，１３４ａ，１３４ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）が配置される、
請求項９に記載の装置。
光源（１２１）から放出された光ビームが、分割素子（１３２；１３２’）で二つの部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）に分割されて、これらの二つの部分光ビームが測定反射器（１１０）の方向に伝搬し、
この測定反射器（１１０）によって、走査ユニット（１２０）内で、第一と第二の偏向素子（１３３ａ，１３３ｂ；１３３ａ’，１３３ｂ’）の方向への部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の反射が行なわれ、そこで、第三と第四の偏向素子（１３４ａ，１３４ｂ；１３４ａ’，１３４ｂ’）の方向への部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の偏向が起こり、
これらの第三と第四の偏向素子（１３４ａ，１３４ｂ；１３４ａ’，１３４ｂ’）によって、測定反射器（１１０）への部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の偏向が行なわれ、
この測定反射器から、走査ユニット（１２０）内で、結合地点の方向への部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）の反射が起こり、
次に、重なり合った部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）が検出器配列（１２５）の方向に伝搬する、
ように、これらの異なる構成部品が構成及び配置される、
請求項９に記載の装置。
走査ユニット（１２０）内に配置された偏向素子（１３３ａ’，１３３ｂ’，１３４ａ’，１３４ｂ’）は、更に、走査ユニット（１２０）の対称中心に線焦点（Ｌ）が生じるように、走査ユニット（１２０）内を伝搬する部分光ビーム（ＴＳ１，ＴＳ２）に収束作用も及ぼす、
請求項９に記載の装置。