JPH08271218A - 光電位置測定装置 - Google Patents
光電位置測定装置Info
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Abstract
光電位置測定装置を提供する。 【解決手段】 光源の光を測定方向Xに相対的にずれた
格子1で位置に応じて変調し、回折した光ビーム束を互
いに干渉させ、互いに位相のずれた位置に依存する信号
を形成する多数の光検出器を備え、格子1の少なくとも
一つが同じかあるいは僅かに異なる横方向目盛周期 TT
の測定方向Xに順次配置された多数の格子領域2,3を
有し、これ等の格子領域2,3の各々がほぼ横方向に間
隔を置いた周期的なマークを有し、前記格子領域2,3
が測定方向に対して垂直に互いに位相をずらして配置さ
れ、この位相のずれが 180°とは異なり、前記マークで
横方向に回折した部分ビーム束が光検出器に向かう。
Description
にづれた多数の格子により位置に応じて変調し、格子の
ところで回折した光ビーム束を互いに干渉させ、互いに
位相のずれ電気信号を形成する多数の光電検出器を備え
た光電位置測定装置に関する。
163 362-B1 号明細書に記載されている。反射型の目盛
格子が走査格子に対して相対的に移動する。この走査格
子は、互いに 120°位相のずれた電気信号を発生せるた
め、溝幅に対するウェブ幅の比が一定の位相格子であ
る。3つの検出器の各々に一群の同じ方向の回折ビーム
が集束する。同じ方向の回折ビームのこの群には、所謂
発生した回折次数とも言われる。n次の発生した回折次
数の回折ビームは、目盛板での反射を無視して前記格子
の一つのみによりn次の回折次数に偏向するような方
向、二つの格子の全系から出てゆくビームの群である。
りこの種の他の位置測定装置が知られている。目盛板の
基準マークの領域は、走査板のスリット構造体(振幅目
盛)で走査される並進目盛で構成されている。この並進
目盛は、測定方向に隣接配置れた多数の帯状の回折要素
で構成されている。これ等の回折要素は、格子のウェブ
が測定方向に平行に延びる並進格子である。個々の回折
要素はその横方向の目盛周期に関して異なり、それ故に
発生する光束は異なった方向に偏向する。この並進目盛
が走査板の隙間を通して照明されると、偏向した光ビー
ム束が生じ、その偏向角度は横方向目盛周期、従って照
明された並進格子領域に依存し、それから目盛板の位置
が導ける。偏向した種々の光ビーム束は一つのレンズに
よりこのレンズの焦点面内の種々の光検出器に集束す
る。
測定装置でも、目盛板は並進目盛を有する。この目盛板
は測定方向に順次配設された反射領域と、並進目盛を有
する領域とで構成されている。この並進目盛は位相格子
であり、この格子のパラメータは、発生する0次の回折
次数が消失し、他の回折次数が光検出器に入射しないよ
うに選択されている。従って、並進目盛の領域は光検出
器にとって反射領域と見なされない。
つの測定方向の目盛板として知られている。欧州特許第
0 482 224-B1 号明細書の位置測定装置の格子線は、例
えば二つの測定方向に対して対角方向に延びているの
で、出てくる光は二つの方法で回折する。この格子は互
いに位相のずれた走査信号を発生させように構成されて
いない。何故なら、隣接する横方向の格子領域は 0°ま
たは 180°の横方向の位相のずれを有するからである。
単に構成されていて、低価格で作製できる光電位置測定
装置を提供することにある。
により、光源8の光を測定方向Xに相対的にずれた多数
の格子4,1,10,20,30,40,51,52,
80,50,90,151,152で位置に応じて変調
し、回折した光ビーム束を互いに干渉させ、互いに位相
のずれた位置に依存する信号を形成する多数の光検出器
6,7,61,71,63,64,65,71,72,
73,74,75を備え、格子4,1,10,20,3
0,40,51,52,80,50,90,151,1
52の少なくとも一つが同じかあるいは僅かに異なる横
方向目盛周期 TT, TT1, TT2 の測定方向Xに順次配置さ
れた多数の格子領域2,3,11〜14,21〜24,
31,32,41,42,53〜56,81,82,9
1,92,153〜156を有し、これ等の格子領域
2,3,11〜14,21〜24,31,32,41,
42,53〜56,81,82,91,92,153〜
156の各々がほぼ横方向に間隔を置いた周期的なマー
クを有し、前記格子領域2,3,11〜14,21〜2
4,31,32,41,42,53〜56,81,8
2,91,92,153〜156が測定方向に対して垂
直に互いに位相をずらして配置され、この位相のずれが
180°とは異なり、前記マークで横方向に回折した部分
ビーム束が光検出器6,7,61〜65,71〜75に
向かう光電位置測定装置によって解決されている。
求の範囲の従属請求項に記載されている。
基づきこの発明をより詳しく説明する。図20に示し、
簡単に説明する周知の位置測定装置の機能原理を最初に
考慮すれば、この発明による位置測定装置の機能原理を
より良く理解できる。光源100の光をコリメータレン
ズ101でコリメートし、目盛周期 TA の位相格子10
2に入射させる。この位相格子102は等しいウェブ幅
と隙間幅を有し、90°の位相差を有する。この場合、90
°の位相差はコリメートされたビーム束が位相格子10
2を直接通過した後に、つまり近軸領域で隙間の領域に
対してウェブの領域が局部位相差 90 °(λ/4)を有す
る波面を有するように、屈折率に関してウェブの高さを
設計することを意味する。この位相格子102の作用に
より間隔 Z1 = (n +1/2) TA2/λに周期 TA の干渉縞
104が発生する。ここで、n = 0,1, 2, ・・・であ
り、λ=波長、TA2/λ=タルボット間隔である。前記間
隔 Z1には、目盛周期 TM = TA の振幅目盛の他の格子
103がある。測定方向Xの二つの格子102,103
の相互位置、および干渉縞104に対する格子103の
位置に応じて、透過する光出力が異なり、光検出器10
5で検出される。二つの格子102,103が測定方向
Xの相互にずれていると、光検出器105が周期的な走
査信号を出力する。
存する走査信号を発生させるため、特別な並進目盛を有
する走査格子1としての第一格子102が形成されてい
る。図1には、測定方向Xに周期的に並んだ横方向に模
様を付けた第一および第二格子領域2,3から鳴るこの
種の走査格子1が示してある。これ等の格子領域2,3
は測定方向Xに見て少なくともほぼ等しい幅である。第
一および第二の格子領域2,3の幅は目盛周期 TA を形
成し、目盛板の格子4の目盛周期TMと同じである。第
一および第二格子領域2,3はY方向に見て同じ横方向
の目盛周期 TTの横方向格子で構成されている。横方向
格子領域2,3のマーク(格子のストライプ)はY方向
に横方向目盛周期 TT の4分の1ほど互いにずれてい
る。更に、両方の構成領域2,3は位相格子として形成
されている。この格子のウェブと隙間は、主に偶数の横
方向回折次数(0., ±2., ±4., ・・・) を抑制するよ
うに設計されている。これには、横方向のウェブ要素と
隙間要素がほぼ同じ幅を有し、ウェブが 180°(λ/2)
の位相差を有する。コリーメートされた光ビーム束がこ
の走査格子1に当たると、横方向に模様を付けた各格子
領域2,3は入射した光ビーム束をほぼ+1.と−1.の横
方向回折次数に分離する。両方の格子領域2,3の横方
向目盛周期 TT が同じであるため、両方の格子領域2,
3の同じ横方向回折汁鵜は同じ偏向角度(Y方向に)を
有する。両方の格子領域2,3の格子ストライプがY方
向に移動すると、各回折次数で二つの部分ビーム束が生
じる。これ等の部分ビーム束は近軸領域、つまり走査格
子1の直ぐ近くで互いに位相がずれている。この部分ビ
ーム束の位相のずれは図2に示してある。
格子領域2に入射した光ビーム束は+1.と−1.の回折次
数に分離し、発生した部分ビーム束は実線で示してあ
る。第二格子領域3に入射した光ビーム束も同じように
+1.と−1.の回折次数に分離し、発生した部分ビーム束
は破線で示してある。+1.の回折次数では、二つの領域
2,3の部分ビーム束の位相のずれは+90°(+λ/4) に
なり、−1.の回折次数では−90°(-λ/4) になる。これ
等の局部的な位相のずれは、上に述べた従来技術(図1
6)の局部的な位相のずれと比較できる。それ故、この
発明による走査格子1の局部作用は、二つの横方向回折
次数の一方のみを考え、部分ビーム束の横方向に偏向を
無視すれば、通常の位相走査目盛の同じ局部作用とな
る。更に、領域2が領域3に対して 90 °の位相のずれ
になると、通常の位相走査目盛のウェブに相当する。こ
の発明による目盛の+1.と−1.の横方向回折次数の作用
は、通常の走査目盛の作用であるが、半目盛周期(180
°)ほどずれている。
照らすと、ほぼ既知の間隔 Z1 = (n+1/2)TA2/λで二つ
の干渉縞系、+1.の横方向回折次数から出るものと−1.
の横方向回折次数から出る系が生じる。しかし、二つの
干渉縞系は上に述べた理由により、180 °ほど互いに位
相がずれているので、一方の干渉縞系の干渉縞の最大値
が他方の干渉縞系の最小値と一致する。振幅目盛の形の
目盛格子4が間隔 Z1= (n+1/2)TA2/λ(n = 0, 1, 2
・・・) にあるので、+1.と−1.の横方向回折次数の透
過光は両方の格子1,4の相対移動時にその強度を逆相
に変調する。
数は分離している光検出器6,7に導かれるので、これ
等の光検出器はそれに応じて互いに位相のずれた信号を
出力する。走査板19の上に走査格子1を有する位置測
定装置が図3に示してある。光源8,好ましくはLED
ないしは半導体レーザーダイオードの光は第一レンズ9
によりコリメートされ、走査格子1に到達する。この走
査格子は図1と図2に詳しく説明されている。次いで、
透過した光ビーム束は目盛格子4に入射する。この目盛
格子4はほぼ Z1 = (n+1/2)TA2/λの間隔で、好ましく
は n= 0の場合の間隔にある。空間的に延びている光源
8(LED)では、好ましくはより短い間隔を選ぶ。何
故なら、光源8とコリメータレンズ9から成る照明ユニ
ットの発散により干渉縞系のコントラスと、従ってより
大きい走査間隔に対する走査信号の変調度が低下するか
らである。横方向の偏向角度がわずかにあっても、小さ
な横方向の目盛周期 TT により、最適な走査間隔が短く
なる。
透明と非透明のストライプの振幅格子であり、このスト
ライプの角部分はY方向に延びてる(一部は図10に示
してある)。目盛格子4を通過したビーム束は他のレン
ズ5により光検出器6,7に集束する。これ等の光検出
器はY方向、つまり測定方向Xに垂直に互いに間隔を設
けて配設されている。光検出器6の上には走査格子1の
二つの格子領域2,3の+1.横方向回折次数が、また光
検出器7の上には走査格子1の二つの格子領域2,3の
−1.横方向回折次数が入射する。両方の光検出器6,7
は 180°互いに位相のずれた二つの信号を出力する。レ
ンズ5,9の作用により、光検出器6,7の上には、通
常非常に小さい光源8の像が生じる。それ故、目盛格子
4上の走査面が広いにもかかわらず、非常に小さいため
高速光検出6,7が使用される。このように発生した二
つの走査信号は、走査格子1と目盛格子4の共通の走査
領域から導かれるので、この発明により単一場走査の利
点が得られる。
盛周期 TA は測定方向Xに二つの格子領域2と3を有
し、これ等の格子領域は 0°と 180°からずれた横方向
の位相のずれを有する。各目盛周期 TA はこの発明によ
ればそれぞれ任意の位相のずれを有する多数の格子領域
にも分割できる。この場合、大切なことは、互いに位相
のずれた走査信号の発生に多数の格子領域が寄与し、こ
れ等は横方向に 0°と 180°からずれた位相のずれを有
する。図4には、目盛周期 TA 当たり4つのほぼ同じ幅
の領域11,12,13,14のあるこの種の走査格子
10が示してある。各領域11,12,13,14には
測定方向Xに延びる同じ周期 TT のマーク(格子ストラ
イプ)を付けた横方向目盛がある。第二領域12の格子
ストライプは第一領域11の格子ストライプに対して 9
0 °ほど位相をずらして配置され、第三領域13の格子
ストライプは第二格子領域12に対して再び 90 °位相
をずらして配置され、第四領域14の格子ストライプは
第二領域12の格子ストライプと同位相である。従っ
て、位相位置 0°, 90°, 180°, 90°が生じる。
置に使用すると、最適な走査間隔が大体 Z1 = (n+1/4)
TA2/λである。この間隔では+1.と−1.横方向回折次
数の光検出器6,7により互いに 180°位相のずれた二
つの信号が生じる。この短くなった走査間隔 Z1 は、照
明ユニット8,9の発散により、変調度がより大きい走
査間隔 Z1 で非常に低減する場合に特に有利である。
8,9の発散の作用が高まるので、走査信号の高調波成
分を低減するため、大きな走査間隔 Z1 を維持すること
が有利でもある。これには図5に示すような走査格子2
0が適している。走査格子20は、再び4つの横方向の
格子領域21〜24を有する測定方向Xの目盛周期 TA
の格子で構成されている。横方向の格子領域21〜24
のマーク(格子ストラプ)は、位相位置 0°, 90°, 0
°, -90°が生じるように互いに位相をずらして配設さ
れている。最適走査間隔 Z1 はこの場合大体 (n+3/4) T
A2/λである。
わたり(つまり測定方向Xに)図6に示すように位相の
ずれの連続的な変化を示す走査格子30が提案されてい
る。二つの横方向格子領域31と31のマークの連続的
な流れにより、位置測定装置の特定の特性が最適にな
る。つまり、走査信号の高調波成分を低減できるか、あ
るいは最適な走査間隔を任意の Cで所定の値 Z1 = (n+
C) TA2/λに設定できる。図6で選択された正弦波状の
曲線では、特に三次の高調波を非常に強く低減できる。
この場合、横方向のウェブのずれの振幅 aは以下の条件
により与えられる。つまり、 a/TT= X3/(4πsin(3π*Z1*λ/TA2)) ここでΔY = a*sin(2πX/TA) 局部的な横方向のウェブ
のずれ X3 =ベッセル関数 J3(X3) = 0の零位置である この場合、走査間隔 Z1 = (n+1/2)TA2/λは特に有利で
ある。何故なら、基本波が多いな値を占めるからであ
る。他方、走査信号の最大変調度はa/TT= X1max/(4πs
in(π*Z1*λ/TA2))の与えられた走査間隔 Z1 で得ら
れ、ここでベッセル関数 J1 の最大値 X1maxである。光
源の広がりもこの場合考慮する必要があり、幾分小さな
走査間隔 Z1 となる。
定方向Xに沿った横方向のマーク(格子シトライプ)
を、図7に示すように、異なった幅 bで構成することも
可能である。横方向の回折次数の個々の回折次数±1,
±2,・・・の回折効率は測定方向Xに沿った位置Xに
依存する。これ等の横方向回折次数は近軸場で考慮し
て、通常の位相目盛や振幅目盛の組み合わせの作用に相
当する。何故なら、近軸場では部分ビーム束の位相も振
幅も変調されるからである。個々のマークの(Y方向
の)幅 bは変化し、この幅が例えば式、 sin(πb(x)/TT)=√(sin(2πX/TA)) の解に応じて選択されると、走査信号は以下の間隔 Z1, Z1 = (n+1/2)TA2/λ でほぼ高調波を含まない。
つの格子領域41,42から成るこの走査格子40が示
してある。この場合、マーク(ウェブまたは隙間)の幅
b(x) は上の式に応じて変わる。図8には、測定方向X
に入り組んで配置された二群の走査格子51,52を有
する走査格子59が示してある。各群は同じタイプの3
つの走査格子51または52で構成されている。一方の
群の走査格子51または52は再び縦方向の3つの目盛
周期 TA から成る。二つの群の走査格子51,52は横
方向の目盛周期 TT1と TT2で相違する。これ等の目盛周
期は例えば 5μm と 7μm の値である。更に、第二群の
走査格子52は第一群の走査格子51に対して測定方向
Xに (m+1/4) TA ほど間隔を置いて配置され、ここで m
= 1, 2 ・・である。第二群の走査格子52の±1.横方
向回折次数の強度変調は第一群のそれに対してそれぞれ
90°ほど位相がずれている。二つの群のそれぞれ+1.
と−1.回折次数を別々に検出して、それぞれ 90 °互い
に位相のずれた4つの走査信号が得られる。当然、各群
は3つの走査格子51,52以上から成り、各走査格子
51,52は3つの目盛周期 TA 以上から成る。
測定装置が示してある。光源8の光はレンズ9によりコ
リメートされ、走査板59に達する。二つの群の走査格
子51,52の±1.回折次数の部分ビーム束は既知の走
査間隔 Z1 で目盛格子4に入射し、透過した部分ビーム
束は他のレンズ5により4つの光検出器6,7と61,
71に集束する。4つの光検出器6,7,61,71は
Y方向に重ねて配置されている。異なった横方向の目盛
周期 TT1と TT2により、走査格子51からの光ビーム束
は走査格子52からの光ビーム束より別な方向に偏向す
るので、第二レンズ5により異なった光検出器6,7;
61,71に集束する。走査格子51により+1.の回折
次数に偏向した光ビーク束は光検出器61に入射し、走
査格子51により−1.の回折次数に偏向した光ビーク束
は光検出器71に入射する。走査格子52により+1.の
回折次数に偏向した光ビーク束は光検出器6に入射し、
走査格子52により−1.の回折次数に偏向した光ビーク
束は光検出器7に入射する。走査格子51,52の各々
は、既に説明した実施例(図1〜7)に応じて、あるい
はそれ等の組み合わせに応じて形成される。
過光方法で動作する。この発明は、図10に示すよう
に、所謂反射光方法でも使用できる。第二レンズ5の機
能も引き受けるただ一つのレンズ9を備えた特に単純な
構成がある。走査格子59は図8のように形成される。
目盛格子4は反射式に形成されているので、走査板は二
回通過されるので、第一回の通過で+1.と−1.の回折次
数に偏向した部分ビーム束は第二回目の通過で新たに横
方向に+1.と−1.の回折次数に偏向され、+2.と−2.の
合成回折次数(方向に関して)に現れる。4つの光検出
器6,7,61,71はレンズ9の焦点面の中あるいは
その近くに配置れているので、走査格子51,52の二
つの群の前記±2.の合成横方向回折次数を検出する。
分ビーム束はY方向に偏向し、これにより目盛格子4で
Y方向に反射した後、ずれて再び走査格子59に達す
る。個々の走査格子51,52の視野限界は二回目の通
過で部分ビーム束と交差する。この濃淡は、与えられた
走査間隔 Z1 で異なった横方向目盛周期 TT1, TT2 によ
り二つの走査格子51,52に対して異なる。この濃淡
効果は走査格子51,52の延びがそれぞれ異なること
によりY方向に補償できる。
方向回折次数となって現れる部分ビーム束は異なった部
分ビーム束の重なりである。これ等の部分ビーム束は二
回の通過で異なった横方向に偏向される。つまり、一回
目の通過で+3.の横方向回折次数に、そして二回目の通
過で−1.の横方向回折次数に偏向され部分ビーム束も+
2.の横方向回折次数に現れ、光検出器6または61に達
する。この部分ビーム束は+1.の横方向回折次数に二回
偏向する部分ビーム束に比べて異なった通路を戻るの
で、二つの部分ビーム束の干渉性の重畳により、走査間
隔 Z1 に強く依存する走査信号が発生する。それ故、例
えば時間的および/または空間的に非干渉性の光源、例
えばLEDあるいは縦または横方向の多重モードレーザ
ー、特に半導体レザーダイオードを使用して干渉性の重
畳を避けるべきである。干渉性の重畳を避ける他の可能
性は、所謂連続可変格子としての走査格子80の格子領
域81,82を形成し、この走査格子の横方向目盛周期
TT がY方向の距離に応じて常時小さな値ほど変わるこ
とにある(図11)。局部的な横方向目盛周期 TT(Y)の
連続変化により発生する光ビーム束はY方向に異なった
偏向を行う。強く異なった偏向を行うこれ等の部分ビー
ム束は共通の光検出器6または7に向かう。光検出器
6,7に入射する重なる部分ビーム束の間の光路差は、
Y方向で位置に依存し、均されるので、干渉性の重畳が
壊れる。この構成は、特にレーザー光源を使用する場合
に有利である。
は、所謂中性回転点の位置にある。この中性回転点は、
その周りに走査部材6〜9,61,71あるいは目盛板
4を傾ける点として定義され、走査信号が目標位置に対
して位相のずれがないため、評価電子回路により求めた
位置測定値が一定になっている。図10の位置測定装置
の中性回転点は目盛格子4の面内にある。目盛板の表面
の凹凸、特に測定方向Xの凹凸は、目盛格子4の面内に
ある回転軸の周りの目盛格子4の局部的な傾きに相当す
るが、平均化された位置測定値に影響を与えず、これは
測定装置の制度を著しく向上させる。この理由は、走査
板59を二回目に通過した時の光ビーム束がX方向の位
置に無関係にY方向に回折することにある。通過した部
分ビーム束の強度は測定方向Xの出現位置に無関係であ
る。このため、光検出器6,7,61,71は全ての縦
方向回折次数を検出すべきで、少なくとも全ての 0. と
±1.および場合によっては更に±2.の回折次数を検出す
べきである。
なるように改良することができる。この種の走査板57
は図12に示してある。図8に比べて、横方向目盛周期
TT1を有する走査格子51の横方向目盛周期 TT1の 1/4
ほど互いにずれた格子領域53,54は直接測定方向X
に隣接配置されているのでなく、横方向目盛周期 TT2を
有する他の走査格子52の格子領域55,56がその間
に配置されている。このようにできている走査格子50
の各目盛周期 TA は4つの等しい幅の格子領域53〜5
6で構成されている。第一および第三の目盛領域53,
54はそれぞれ例えば 5μm の横方向目盛周期 TT1を有
する。この場合、格子領域53,54のマーク(格子ス
トライプ)は 90°に相当する TT1/4ほど互いに位相が
ずれている。これ等のマークは対応する第一横方向回折
次数で互いに 180°位相のずれた2つの第一走査信号を
発生する。その間にある第二および第四格子領域55,
56は例えば 7μm の TT1とは異なる共通の目盛周期 T
T2も有する。この場合、横方向格子ストライプはY方向
に 90°に相当する TT2/4ほど互いに位相がずれてい
る。横方向格子ストライプは対応する第一横方向回折次
数で同じように互いに180°位相のずれた二つの走査信
号を発生する。しかし、二つの走査信号は格子領域5
5,56に対して格子領域53,54の幾何学的なずれ
(測定方向Xの)により、二つの第一走査信号に対して
90°位相がずれている。その結果、走査板90の共通
領域から、従って目盛格子4からの互いに 90°位相の
ずれた4つの走査信号 0°, 90°, 180°, 270°が導か
れる。
置された異なる高さや異なる屈折率を有するウェブと隙
間により位相差が実現される従来技術の位相格子は、そ
れぞれ基本的に多数の格子領域の幾何学的に互いに位相
のずれた横方向マークを備えた横方向格子で置き換える
ことができる。つまり、この発明により、欧州特許第0
163 362 B1 号明細書で使用されている走査格子(基準
格子)も特に簡単に実現される。互いに 120°位相のず
れた3つの信号を発生させるため、図13に示す他のこ
の発明による位相格子90では、同じ目盛周期 TT のマ
ークが2つの横方向格子領域91,92に付けてある。
これ等のマークは 2TT/3(120 °に対応する) ほど横方
向に互いに位相がずれている。格子領域91,92は再
び振幅格子あるいは位相格子として形成されている。こ
こでも、横方向格子領域91,92を位相格子として形
成し、そのパラメータが 0.,±2., ±4.の横方向回折次
数を抑制するように選択されていると、特に有利であ
る。
TA を形成する。一方の格子領域91は 2TA/3の幅を有
し、他方の格子領域92はTA/3の幅を有する(測定方向
Xに見て)。図15には、図13の走査格子90を備え
た位置測定装置が示してある。光源8はコリメータレン
ズ9を介して走査格子90を有する走査板99を照明す
る。透過した光ビーム束は反射目盛格子4に入射し、再
び走査格子90に偏向される。測定方向Xにそして横方
向に回折した部分ビーム束は光検出器6,62,63に
入射する。+1.の回折次数に二回横方向回折して、+2.
の合成回折次数の部分ビーム束が光検出器6,62,6
3に入射する。
び7,72,73の可能な配置が示してある。光検出器
7,72,73は光検出器6,62,63が発生するの
と同じ信号(0°, 120°, -120°) を発生するので、図
15の位置測定装置ではこれ等の信号を利用しない。横
方向に偏向させる走査格子90を利用する利点は、一つ
の基準マーク93,94を同時に走査する場合、横方向
格子領域91,92および基準マーク93の格子パラメ
ータを選択して部分ビーム束を分離することができる。
基準マーク93,94および目盛格子と走査格子4,9
0による部分ビーム束の過応答を防止するため、プリズ
ムの形をした付加的な偏向部材は不要である。基準マー
ク93,94を周知の方法で測定方向Xに未だ公開され
ていない欧州特許第 9510238.2号明細書の特に図3の連
続可変格子として形成すると特に有利である。基準マー
ク93の連続可変格子ストライプは横方向の目盛を有
し、光検出器95,96により 180°互いに位相のずれ
た2つの信号を発生する。
装置が示してある。走査板159の上に走査格子151
と152が形成されている。目盛格子4を走査するた
め、2群の走査格子151,152が配置されている。
各群は同種の2つの走査格子151または152で構成
されている。各群の2つの走査格子151または152
は縦方向の目盛周期 TA の整数倍ほど互いにずらして配
置されている。各走査格子151,152は再び5つの
縦方向目盛周期 TA で構成されている。両方の群の走査
格子151,152は、図8の実施例に対して、異なっ
た横方向目盛周期によるのでなく、図18と図19から
分かるようにブレーズ角φ1 により異なっている。更
に、第二群の走査格子152は第一群の走査格子151
に比べて (m+1/4) TA ほど測定方向Xに間隔を置いて配
置され、ここで m= 0, 1, 2・・である。走査格子15
2はブレーズ効果により発生した光ビームをほぼ+1.の
横方向回折次数にのみ偏向させる。目盛格子4で反射し
て、走査格子152を二回目に通過すると、光ビームは
+1.の横方向回折次数に再び偏向されるので、+2.の合
成横方向回折次数の方向に出射し、レンズ9により異な
った縦回折次数を検出する光検出器64,65に集束す
る。
角φ1 により対応する光ビームが再び縦方向に互いに間
隔を置いた光検出器74,75に偏向する。走査格子1
51,152の格子領域153,154と155,15
6を適当に形成することにより、光検出器64,65と
74,75から得られた走査信号は所望値ほど互いに位
相がずれている。例えば、光検出器64と65の走査信
号の間の 90 °の位相のずれは、横方向格子領域15
5,156が同じ目盛周期 TTを有し、横方向に 2TT/3
ほど互いにずらして配置されている場合に達成される。
測定方向Xに見て、格子領域155と格子領域156は
それぞれ一つの目盛周期TA を形成する。この場合、格
子領域155の幅は約 2TA/3であり、格子領域156の
幅は約 TA/3 である。図17に記入してあるように、走
査格子151の格子領域153と154に対して、光検
出器74,75の走査信号の間に 90 °の位相差にする
ため同じ状況が当てはまる。格子領域151に対して格
子領域152を幾何学的にずらことにより、光検出器7
4,75に対する光検出器64,65の走査信号の位相
のずれを調整できる。幾何学的なずれが例えば TA/4 で
あれば、光検出器64,65の走査信号は光検出器7
4,75に対して互いに 180°位相がずれている。従っ
て、簡単に通常必要とする互いに 90 °位相のずれた4
つの走査信号が得られ、単一場走査の利点が得られる。
利用する±1.の横方向回折次数の光収量は、この実施例
の場合、格子領域153〜156のブレーズ角φ 1 を適
当に選ぶと、特に大きくなる。これに対する条件は当業
者に周知であり、当該専門文献に「エシェレット格子」
としてされている。特に図18と図19に示すエシェレ
ット格子を使用すると、所謂3格子変換器(欧州特許第
0 163 362B1 号明細書)の場合のように、+n次と−
n次の横方向回折次数を同位相で変調し、付加的な情報
を出力しない場合に特に有利である。
図17の下向きのブレーズ角φ1 を有する格子領域15
3,154は上向きのブレーズ角φ1 を有する格子領域
155,156とは異なるようにハッチングが付けてあ
る。この実施例では、基準マーク193も測定方向Xに
交互に配置された格子領域195と196から成る連続
可変走査格子で構成されている。この格子領域の幅は測
定方向Xに連続的に減少している。格子領域195と1
96には、図18と図19の断面 I−I および II − I
I に見られるように、逆向きのブレーズ角φ 2 が付けて
ある。格子領域195は発生する光束を光検出器95に
偏向させ、格子領域196は発生した光束を光検出器9
6に偏向させる。光検出器95と96は連続可変基準マ
ーク194の同相信号と逆相信号をそれぞれ出力する。
格子領域153〜156と195,196を使用し、横
方向の目盛周期 TT, TTRおよび/またはブレーズ角φ1,
φ2を種々選択すれば、回折した個々の光束をレンズ9
の焦点面内で容易に分離できる。従って、プリズムまた
は鏡のような経費のかかる光偏向手段がもはや不要であ
る。図示するブレーズ格子はエンボス加工で特に有利に
作製できる。
30,40,51,52,80,50,90の主要な利
点は、+n次と−n次の横方向回折次数(n= 1, 2, 3
・・・)の方向に回折したビーム束の局部位相のずれが
横方向格子の位相差やウェブの幅に依存するのでなく、
横方向格子領域2,3,11〜14,21〜24,3
1,32,41,42,53〜56,81,82,9
1,92の幾何学的なずれによってのみ与えられる点に
ある。これにより、横方向格子領域2,3,11〜1
4,21〜24,31,32,41,42,53〜5
6,81,82,91,92の位相差やウェブの幅の許
容公差が大きいため、通常の位相目盛に比べて製造が容
易で低経費で行える。
面の凹凸の形状の位相構造体として、あるいは位置に依
存して変化する屈折率による位相構造体として、あるい
は位置に依存して変化する反射、吸収、または透過を与
える振幅構造体として構成される。位相構造体の特別な
利点は、既に説明したように、特定の回折次数の光強度
を操ることができる点にある。つまり、±1.の回折次数
を利用すると特に有利であるが、この発明では他の回折
次数を使用することもできる。
の位置やYとX方向のマークの幅が局所的に任意に選択
できるので、位相目盛と振幅目盛の間の任意の組み合わ
せが簡単に行える。従って、この発明による格子を用い
ると、この格子から直接導ける走査信号の望ましい位相
差を選択でき、更に走査信号を最適にできる。測定方向
Xに向けて比較的小さい走査板をこの発明により形成す
れば特に有利である。しかし、この発明の枠内でも、目
盛板はそれに合わせて形成する必要がある。
に、つまり欧州特許第 576 720 A2号明細書に詳しく説
明したように、レンズ5や9に入射する部分ビーム束の
入射角に応じて配置されている。この発明は測長装置や
測角装置に導入できる。
定装置の利点は(準)単一場走査により目盛板の汚れや
目盛の不整に対して鈍感な、レベルと限界周波数の高い
位置に依存する走査信号を発生させることができる点に
ある。更に、位相目盛のかなり大きな仕上げ公差が許容
されるので、仕上げを低価格にできる。他の利点は、互
いに位相のずれた走査信号を簡単に発生させることがで
きる点にある。
の断面図、
図、
図、
視図、
生する走査格子の平面図、
の光検出器の可能な配置を示す平面図、
斜視図、
図、
図、
面図、
面図、
0,90,102,151,152
走査格子 2,3,11〜14,21〜24,31,32,41,
42,53〜56,81,82,91,92,153〜
156,195,196横方向格子領域 5,9,101 レンズ 4,103 目盛格子 6,7,61,62〜65,71〜75,95,96,
105 光検出器 8,100 光源 19,57,59,90,99,159 走査板 93,94,194 基準マー
ク 104 干渉縞 X 測定方向 TT, TT1, TT2 目盛周期
(Y方向) TA 目盛周期
(X方向) Z1 間隔 λ 波長
Claims (21)
- 【請求項1】 光源(8)の光を測定方向(X)に相対
的にずれた多数の格子(4,1,10,20,30,4
0,51,52,80,50,90,151,152)
で位置に応じて変調し、回折した光ビーム束を互いに干
渉させ、互いに位相のずれた位置に依存する信号を形成
する多数の光検出器(6,7,61,71,63,6
4,65,71,72,73,74,75)を備え、格
子(4,1,10,20,30,40,51,52,8
0,50,90,151,152)の少なくとも一つが
同じかあるいは僅かに異なる横方向目盛周期(TT, TT1,
TT2)の測定方向(X)に順次配置された多数の格子領
域(2,3,11〜14,21〜24,31,32,4
1,42,53〜56,81,82,91,92,15
3〜156)を有し、これ等の格子領域(2,3,11
〜14,21〜24,31,32,41,42,53〜
56,81,82,91,92,153〜156)の各
々がほぼ横方向に間隔を置いた周期的なマークを有し、
前記格子領域(2,3,11〜14,21〜24,3
1,32,41,42,53〜56,81,82,9
1,92,153〜156)が測定方向に対して垂直に
互いに位相をずらして配置され、この位相のずれが 180
°とは異なり、前記マークで横方向に回折した部分ビー
ム束が光検出器(6,7,61〜65,71〜75)に
向かうことを特徴とする光電位置測定装置。 - 【請求項2】 一つの格子領域(2,3,11〜14,
21〜24,31,32,41,42,53〜56,8
1,82,91,92,153〜156)のマークは平
行な格子ストライプであり、これ等の格子ストライプは
測定方向(X)と角度 0°をなしていることを特徴とす
る請求項1に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項3】 前記格子領域(2,3,11〜14,2
1〜24,31,32,41,42,53〜56,8
1,82,91,92,153〜156)は振幅格子か
あるいは位相格子の形に形成されていることを特徴とす
る請求項1または2に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項4】 前記格子領域(2,3,11〜14,2
1〜24,31,32,41,42,53〜56,8
1,82,91,92,153〜156)は位相格子を
形成し、この位相格子のパラメータは零次の横方向回折
次数(0.)を抑制するように選択されていることを特徴
とする請求項3に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項5】 横方向にずらして配置された格子領域
(2,3,53〜56)でそれぞれ+1.次と−1.次の回
折次数の部分ビーム束が発生し、+1.次の回折次数を検
出する光検出器(6,61)と−1.次の回折次数を検出
する光検出器(7,71)が設けてあり、両方の光検出
器(6,7;61,71)の信号は互いに位相がずれて
いることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載
の光電位置測定装置。 - 【請求項6】 二つの格子領域(2,3,11〜14,
21〜24,31,32,41,42,53〜56,8
1,82,91,92)に同じ目盛周期(TT, TT1, TT
2)の横方向のマークを設け、これ等のマークが測定方
向(X)に垂直に横方向目盛周期(TT, TT1, TT2)の 1
/4ほどずれていることを特徴とする請求項1〜5の何れ
か1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項7】 二つの格子領域(91,92,153〜
156)に同じ目盛周期(TT)の横方向のマークを設
け、これ等のマークが測定方向(X)に垂直に横方向目
盛周期(TT)の約 3/4ほどずれていることを特徴とする
請求項1〜5の何れか1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項8】 横方向に互いにずれた格子領域(2,
3,11〜14,21〜24,31,32,41,4
2,53〜56,81,82)のマークの測定方向
(X)の幅は等しいことを特徴とする請求項1〜7の何
れか1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項9】 横方向に互いにずれた格子領域(91,
92,153〜156)のマークの測定方向(X)の幅
の比は 2対 1であることを特徴とする請求項1〜7の何
れか1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項10】 同じ横方向目盛周期(TT) を有する二
つの格子領域(91,92または153〜156)は測
定方向(X)に垂直に横方向目盛周期(TT)の約 2/3ほ
ど互いにずれていることを特徴とする請求項9に記載の
光電位置測定装置。 - 【請求項11】 マークの位相のずれは測定方向(X)
に垂直に連続的、特に正弦波形状に変化していることを
特徴とする請求項1,3〜10の何れか1項に記載の光
電位置測定装置。 - 【請求項12】 横方向マークの測定方向(X)に垂直
な幅(b)は距離(X)に応じて変化することを特徴と
する請求項1,3〜11の何れか1項に記載の光電位置
測定装置。 - 【請求項13】 横方向格子領域(81,82)の局部
的な横方向目盛周期(TT) は測定方向に垂直な距離
(Y)に応じて常時変化し、こうして種々に強く偏向し
た所定の回折次数(±1.)の部分ビーム束は共通の光検
出器(6,7)で捕捉されることを特徴とする請求項1
〜12の何れか1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項14】 異なった横方向目盛周期(TT1, TT2)
の多数の格子領域(53〜56)を設け、等しい目盛周
期(TT1 )を有する格子領域(53,54)と等しい目
盛周期(TT2 )を有する格子領域(55,56)とがそ
れぞれ一つの群を形成し、一方の群の格子領域(53,
54)は他方の群の格子領域(55,56)に対して、
縦方向の目盛周期(TA)の数分の1あるいは整数倍を含
めた数分の1ほど測定方向(X)に向けて位相をずらし
て配置されていることを特徴とする請求項1〜13の何
れか1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項15】 異なったブレーズ角(φ1 )を有する
エシェレット格子としての多数の格子領域(153〜1
56)を設け、同じブレーズ角(φ1 )を有する格子領
域(153,154あるいは155,156)はそれぞ
れ一つの群を形成し、一方の群の格子領域(153,1
54)が他方の群の格子領域(155,156)に対し
て縦方向の目盛周期(TA)の数分の1あるいは整数倍を
含めた数分の1ほど測定方向(X)に向けて位相をずら
して配置されていることを特徴とする請求項1〜14の
何れか1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項16】 測定方向(X)に (m+1/4) TA ほどに
して配置されている二つの群が設けてあり、ここで m=
0, 1, 2・・・であることを特徴とする請求項14また
は15に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項17】 同じ第一目盛周期(TT1 )または第一
ブレーズ角(φ1 )の横方向に互いにずれた第一格子領
域(53,54または153,154)で回折した光ビ
ーム束が多数の光検出器(61,71あるいは74,7
5)に指向して互いに位相のずれた第一走査信号を発生
し、横方向に互いにずれた他の格子領域(55,56ま
たは155,156)を設け、この格子領域の目盛周期
(TT2)および/またはブレーズ角(φ1 )が第一格子
領域(53,54または153,154)のそれからず
れていて、第二格子領域(55,56または155,1
56)で回折した第二光ビーム束が他の光検出器(6,
7または64,65)に向かい、第一走査信号の少なく
とも一つに対して位相のずれた少なくとも一つの他の走
査信号を発生することを特徴とする請求項14〜16の
何れか1項に記載の光電位置測定装置。 - 【請求項18】 光源(8)の光をレンズ(9)でコリ
メートして走査格子(1,51,52)を有する走査板
(19,59)に入射させ、走査板(19,59)の次
に目盛格子(4)を設け、目盛格子(4)を透過した部
分ビーム束を他のレンズ(5)により多数の光検出器
(6,7,61,71)に集束させ、その場合、走査格
子(1,51,52)は請求項1〜17の何れか1項に
従って形成されていることを特徴とする請求項1に記載
の光電位置測定装置。 - 【請求項19】 光源(8)の光をレンズ(9)でコリ
メートして走査格子(51,52,90)を有する走査
板(59,99)に入射させ、走査板(59,99)の
次に、反射目盛格子(4)を設け、反射した部分ビーム
束を再び走査格子(51,52,90)で回折させ、レ
ンズ(9)で多数の光検出器(6,7,61,71,6
2,63)に集束させ、この場合、走査格子(51,5
2,90)は請求項1〜18の何れか1項に従って形成
されていることを特徴とする請求項1に記載の光電位置
測定装置。 - 【請求項20】 目盛格子(4)と走査格子(1,5
1,52)は測定方向(X)に同じ目盛周期(TM=TA)
を有することを特徴とする請求項18または19に記載
の光電位置測定装置。 - 【請求項21】 目盛格子(4)は振幅格子あるいは位
相格子であることを特徴とする請求項20に記載の光電
位置測定装置。
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