JP2007010659A - 位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
できるだけコンパクトな走査ユニットの構造を保証する位置測定装置を提供する。
【解決手段】
走査ユニットが複数の格子構造と少なくとも１つのリフレクタ要素とを有する、走査ユニットと走査ユニットに対して少なくとも１つの測定方向に可動の寸法現示体との相対位置を検出するための位置測定装置において、
−寸法現示体によって回折された光束が、走査ユニット内で、第１の格子構造を通過し、次いでリフレクタ要素に到達し、このリフレクタ要素によって寸法現示体の方向への逆反射が行なわれ、次に部分光束が第２の格子構造を通過し、次いで新たに寸法現示体に到達するように、走査ユニット内の要素が配設されており、
−部分光束が最初と次に通過する際に、部分光束に対して一定のレンズ作用が生じるように、第１と第２の格子構造が形成されていることを特徴とする位置測定装置による。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念による位置測定装置に関する。

このような位置測定装置は、例えば特許文献１から公知である。この位置測定装置は、例えば入射光式直線スケールとして形成された寸法現示体の他、少なくとも１つの測定方向に寸法現示体に対して相対的に移動可能な走査ユニットを有する。走査ユニットの側には、１つの走査格子、複数の光電式の検出器要素等の他、リフレックスリフレクタの形態の少なくとも１つの光学リフレクタ要素も配設されている。このリフレックスリフレクタを介して、寸法現示体によって最初に反射された部分光束の寸法現示体の方向への逆反射が行なわれる。そこで、部分光束は、その場合には引き続き、最終的に干渉する部分光束が検出器に達し、そこで変位に依存して変調された走査信号を発生させる前に、２回目の反射がなされる。リフレクタ要素は、この種の位置測定装置では、光学的なリフレックスリフレクタの機能性を有するリッジプリズムとして形成されている。プリズム状のリフレックスリフレクタとして形成された光学的なリフレクタ要素を有する別の位置測定装置は、例えば特許文献２又は特許文献３から公知である。

位置測定装置のための従来技術から公知の、種々のプリズムの変形例に基づいたリフレクタ要素は、製造に比較的費用のかかる構造要素である。このため、この構造要素は、比較的大きく構成され、これにより好ましくない走査ユニットの拡大が生じることになる。
国際公開第０２／２３１３１号パンフレット 欧州特許第３８７ ５２０号明細書 欧州特許出願公開第１ ３４７ ２７１号明細書

従って、本発明の基本にある課題は、できるだけコンパクトな走査ユニットの構造を保証する位置測定装置を提供することにある。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を有する位置測定装置によって解決される。

本発明による位置測定装置の有利な構成は、従属請求項の特徴から得られる。

本発明によれば、今や、寸法現示体に到達する光束が回折されて走査ユニットの方向に伝播し、ここで光束が第１の格子構造を通過するように、走査ユニット内の要素が配設されている。次いで、部分光束は、リフレクタ要素に到達し、このリフレクタ要素によって、部分光束が次に第２の格子構造を通過し、新たに寸法現示体に到達するまで、寸法現示体の方向への逆反射が行なわれる。この場合、格子構造は、部分光束が最初と次に通過する際に、部分光束に対して一定のレンズ作用が生じるように形成されている。

プリズムに基づいて複雑かつ多容積に構成されたリフレクタ要素の代わりに、今や走査ユニットには、本発明により、１つ又は複数の簡単なリフレクタ要素と、一定の光学レンズ作用を有する第１及び第２の格子構造とから成る構造ユニットが使用される。この場合、これら格子構造は、リフレクタの機能性も走査格子の機能性も担う。このようにして、更にまた簡単で安価な組立を可能にするこの構造ユニットの平坦な構造を実現することができる。

この場合、格子構造と少なくとも１つのリフレクタ要素は、例えばリフレクタプレート及び走査プレートのような異なった要素上に配設することができる。しかしながらまた、同様に、格子構造と少なくとも１つのリフレクタ要素が唯一の担持サブストレート上に配設されるモノリシック構造も可能である。

好ましくは、第１の格子構造を通過する際に、レンズ作用として、入射方向に対して対平行に整向された測定方向への偏向作用と、測定方向に対して垂直にリフレクタ要素に向かう集束作用とが生じる。第２の格子構造を通過する際に、レンズ作用として、測定方向への偏向作用と、少なくとも測定方向に対して垂直な視準作用とが生じる。

好ましくは、第１と第２の格子構造は、更に、最初と次の通過の際に生じる偏向作用によって、第１と第２の格子構造への部分光束の到達点間で光線のズレが生じるように形成されている。

可能な実施形では、第１と第２の格子構造が、０次の回折を抑制する位相格子として形成されている。

特に有利であることには、第１と第２の格子構造が、＋１次の回折又は−１次の回折の高い効果を有するブレーズド位相格子として形成されている。

この場合、第１と第２の格子構造は、測定方向に等間隔に配設されている湾曲した格子線を備えることができる。

可能な実施形では、少なくとも１つのリフレクタ要素が、平面鏡リフレクタとして形成されている。

平面鏡リフレクタは、好ましくは走査ユニット内に寸法現示体に対して平行に配設されている。

有利な実施形では、走査ユニットが、透明な担体サブストレートを有し、この担体サブストレートの寸法現示体に面した側に、第１と第２の格子構造が配設されている。少なくとも１つの平面鏡リフレクタは、担体サブストレートの第１と第２に格子構造とは反対側に配設されており、平面鏡リフレクタの反射側は、寸法現示体の方向に整向されている。選択的に、少なくとも１つの平面鏡リフレクタは、担体サブストレートの同じ側に配設されており、平面鏡リフレクタの反射側は、寸法現示体とは反対に整向されている。

好ましくは、第１と第２の格子構造は、寸法現示体に最初に到達する視準された部分光束が、寸法現示体に次に到達した後、視準されて走査ユニットの方向に伝播するように形成されている。

種々の格子構造は、好ましくは、格子構造とリフレクタ要素間の光学的な間隔に相当する焦点距離を備えている。

本発明による位置測定装置の可能な実施形では、光源によって放出された光束が、最初に、入射光式回折格子として形成されている寸法現示体に到達し、ここで、異なった２つの回折次数に相当する、走査ユニットへと逆反射される２つの部分光束への分割が行なわれるように、走査ユニットが形成されている。逆反射された２つの部分光束は、走査ユニット内で、２つの第１の格子構造を２つのリフレクタ要素の方向に通過し、この場合、入射方向に対して対平行に整向された偏向作用と、単に測定方向に対して垂直な集束作用とを受ける。このように偏向及び集束された部分光束は、次にリフレクタ要素に到達し、寸法現示体の方向への逆反射を受ける。逆反射された２つの部分光束は、次に２つの第２の格子構造を寸法現示体の方向に通過し、この場合、測定方向への偏向作用と、単に測定方向に対して垂直な視準作用とを受ける。両部分光束は、次に再び寸法現示体に到達し、ここで、新たな回折と、走査ユニットの方向への部分光束の逆反射とが生じる。

本発明による位置測定装置の選択的な実施形では、光源によって放出された光束が、最初に、入射光式回折格子として形成されている寸法現示体に到達し、ここで、異なった２つの回折次数に相当する、走査ユニットへと逆反射される２つの部分光束への分割が行なわれるように、走査ユニットが形成されている。逆反射された２つの部分光束は、走査ユニット内で、２つの第１の格子構造を２つのリフレクタ要素の方向に通過し、この場合、入射方向に対して対平行に整向された偏向作用と、測定方向と測定方向に対して垂直な集束作用とを受ける。このように偏向及び集束された部分光束は、次にリフレクタ要素に到達し、寸法現示体の方向への逆反射を受ける。逆反射された２つの部分光束は、次に第２の格子構造を寸法現示体の方向に通過し、この場合、測定方向への偏向作用と、測定方向と測定方向に対して垂直な視準作用とを受ける。両部分光束は、次に再び寸法現示体に到達し、ここで、新たな回折と、走査ユニットの方向への部分光束の逆反射とが生じる。

本発明による位置測定装置の可能な変形例では、第２の逆反射の後、寸法現示体から垂直に走査ユニットの方向に逆反射された部分光束は、重複して分割格子に到達し、ここで、複数の空間方向への分割が行なわれ、異なった空間方向に分割された部分光束は、光電式の検出器装置の複数の検出器に到達する。そこで、走査ユニットと寸法現示体に相対運動が生じた場合に、それぞれ１つの変位両に依存して変調された走査信号が生じる。

このような変形例では、リフレクタ要素と第２の格子構造間か、第２の格子構造と寸法現示体間かのいずれかで、偏光光学要素が光路内に配設されており、これら要素を、リフレクタ要素の逆反射の後に部分光束が通り、直線偏光された部分光束が円偏光された部分光束に変換される。

選択的に、位相のずれた走査信号を発生させるために、２つの第１の格子構造と２つの第２の格子構造の平均格子定数が、寸法現示体の格子定数から極僅か異なるように選択されているか、２つの第１の格子構造と２つの第２の格子構造の格子破線が、寸法現示体の格子破線に対して０°以外の角度で配設されているか、のいずれかである。

更に、本発明による位置測定装置の光路内に光学的に有効な窓領域を設けることができ、この窓領域を、光源から放出された光束が、寸法現示体に最初に到達する前に通過し、光学的に有効な窓領域に偏光格子が配設されており、この偏光格子の格子破線が、測定方向に対して平行に延在する。

本発明の更なる詳細及び利点を、図と関連させた実施例を基にして以下で説明する。

図１〜５を基にして、以下で入射光式システムとして形成された、本発明による位置測定装置の第１の実施形を説明する。この場合、図１及び２は、それぞれ概略化した形態でｘ−ｚ平面内の側面図で部分走査光路を示し、一方、図３は、ｙ−ｚ平面内の走査光路の図を示す。図１には、光源２１からリフレクタ要素２６．１もしくは２６．２への走査光路が図示されており、図２には、リフレクタ要素２６．１もしくは２６．２から光電式の検出器装置の検出器要素２９．１，２９．２，２９．３への走査光路が図示されている。図４及び５は、それぞれ走査プレート２５もしくは光学要素が設けられたリフレクタプレート２３の平面図を示す。

本発明による位置測定装置は、寸法現示体１０と、寸法現示体に対して相対的に少なくとも１つの測定方向ｘに可動の走査ユニット２０とを有する。寸法現示体１０と走査ユニット２０には、公知の方法で、その相対位置を位置測定装置によって設定することができる対象が連結されている。この対象は、例えば、その相対位置を正確に検出しなければならない機械部分であり、位置測定装置によって発生された走査信号もしくは位置データは、図示されてない付随の電子機器又は評価ユニットによって、例えば機械を制御するために次の処理が行なわれる。

この実施例では、直線的に延在する寸法現示体により直線運動を検出するための位置測定装置が図示されているが、当然、本発明による考察に基づいて回転式の位置測定装置を実現することもできる。

以下で、図１〜５を基にして本発明による位置測定装置の第１の実施形の基本的な走査光路を説明する。

光源２１、例えばレーザダイオード、によって放出された直線偏光された光束は、図示した例では、先ずコリメータレンズ２２を介して視準、即ち平行な光束に変換される。次いで、この光束は、リフレクタプレート２３及び走査プレート２５の光学的に無効な窓領域２８．１，２７を通過する。リフレクタプレート２３及び走査プレート２５は、この例ではプレート状の透明な担体サブストレート、例えばガラス、から成り、その上に、リフレクタ要素２６．１，２６．２及び格子構造２４．１〜２４．４，３２のような一列の光学要素が配設されている。走査光路内の種々の光学要素の具体的な機能を、以下で更に詳細に説明する。

視準された光束は、次いで初めて、この例では入射光式直線スケールとして形成されている寸法現示体１０に到達する。寸法現示体１０は、異なった光学特性を有する目盛領域の測定方向ｘに延在する周期的な配設を有する。この実施例では、寸法現示体１０は、反射回折格子であり、その格子破線は、寸法現示体平面内で記載したｙ方向に延在する。この場合は特にまた、以下では、いわゆる破線方向ｙを話題にする。

寸法現示体１０に入射する光束が到達した場合、＋／−１次の回折として走査ユニット２０の方向に逆反射される２つの部分光束への分割が行なわれる。走査ユニット２０内で、部分光束は、次にそれぞれ走査プレート２５上に配設されている第１の格子構造２４．１，２４．２を通過する。第１の走査格子２４．１，２４．２は、本発明によれば、一定の光学的なレンズ作用を通過する部分光束に加える。これは、一方では、部分光束に対する一定の偏向作用であり、この場合、部分光束は、入射方向に対して対平行に測定方向ｘに偏向される。他方では、測定方向に対して垂直な、即ちｙ方向もしくは寸法現示体１０の破線方向の、それぞれ後に配設されたリフレクタ要素２６．１，２６．２に向かう部分光束に対する集束作用である。図３の図では、特に破線方向ｙへの最後に述べた集束作用が明らかにされるが、図１では、両部分光束の主伝播方向に関する最初に述べた偏向作用が分かる。

第１の格子構造２４．１，２４．２のこのようなレンズ作用を得るため、第１の格子構造２４．１，２４．２は、いわゆるオフアクシスシリンダレンズとして走査プレート２５上に形成されている。その焦点距離は、リフレクタプレート２３に対する光学的な間隔に相当する。第１の格子構造２４．１，２４．２の光学特性のこのような形成は、集束された部分光束の主光線が、破線方向ｙに一定の角度でリフレクタプレート２３に到達し、これにより、リフレクタプレート２３に出入りする部分光束の空間的な分離が生じるように作用するが、これについては、例えば図３を参照のこと。

その上に第１の格子構造２４．１，２４．２が配設された走査プレート２５の平面図は、図４に図示されている。この場合、格子構造２４．１，２４．２が、それぞれ湾曲した格子線を備え、この格子線が、測定方向ｘに等間隔に配設されていることが分かる。好ましくは、第１の格子構造２４．１，２４．２は、０次の回折を抑制する位相格子として形成されており、この場合、特に有利であるのは、＋１次の回折又は−１次の回折の高い効果を備えているブレーズド位相格子である。

このように偏向及び集束された部分光束は、次いで、この例ではリフレクタプレート２３の上面に配設され、平面鏡リフレクタとして形成されているリフレクタ要素２６．１，２６．２に達する。

リフレクタ要素２６．１，２６．２によって、寸法現示体１０の方向への部分光束の逆反射が行なわれる。部分光束が次に寸法現示体１０に到達するまで、部分光束は、走査ユニット２０内で、図示した例では先ず、λ／４のプレートの形態のそれぞれ１つの偏光光学要素３１．１，３１．２を通過し、次いで同様に走査プレート２５上に配設されている第２の格子構造２４．３，２４．４を通過する。これについては、更にまた図３の図を参照のこと。

偏光光学要素３１．１，３１．２を介して、直線偏光された部分光束から、それぞれ反対に円偏光された部分光束が発生される。第２の格子構造２４．３，２４．４は、同様に、通過する部分光束のために一定のレンズ作用を備えている。この場合、円偏光された部分光束は、測定方向ｘへの偏向作用と、少なくとも測定方向ｘに垂直な、即ち破線方向ｙへの視準作用とを受ける。好ましくは、この例の第２の格子構造２４．３，２４．４は、いわゆるオフアクシスレンズとして形成されているが、その他のその形成に関しては、第１の格子構造２４．１，２４．２ついて前に述べたことを参照のこと。

格子構造２４．１〜２４．４を最初と次に通過する際に生じる説明した偏向作用に基づいて、第１と第２の格子構造２４．１〜２４．４への部分光束の最初と次の到達点間に光線のズレが生じる。

次いで、第２の格子構造２４．３，２４．４によってこのように偏光され、少なくともｙ方向に（部分）視準された部分光束は、２度目に寸法現示体１０に達し、ここで、走査ユニット２０の方向への＋／−１次の回折の形態の部分光束の新たな回折及び逆反射が生じる。寸法現示体１０での逆反射の後、垂直に走査ユニット２０の方向に逆反射される部分光束は、重複した、今や再び直線偏光された光束として、走査プレート２５上に配設されている分割格子３２に到達する。分割格子３２に到達する光束の偏光方向は、走査ユニット２０に対する寸法現示体１０の相対位置に依存する。例えば、寸法現示体１０が、その格子定数の４分の１だけ測定方向ｘにずれた場合、＋／−１次の回折へと寸法現示体１０で２度目の回折が行なわれることに基づいて、重複させられた部分光束間で３６０°の位相のズレが生じる。生じる直線偏光された光束の偏光方向は、１８０°だけ変化し、これは、生じる走査信号の信号周期に相当する。

この例の分割格子３２は、測定方向ｘに周期的な目盛構造を備えており、この目盛構造の目盛周期は、ｙ方向に延在する。分割格子３２において、図示したように異なった３つの空間方向への入射する光束の分割が生じる。異なった空間方向に、それぞれ光電式の検出器装置の検出器要素２９．１〜２９．３が配置されており、この検出器要素に、分割された光束が、リフレクタプレート２３上の光学的に無効な窓領域２８．２を通過した後に到達する。検出器要素２９．１〜２９．３では、寸法現示体１０と走査ユニット２０の相対運動が生じた場合に、変位に依存して変調された走査信号が生じ、これら走査信号は、公知の方法で次処理可能である。検出器要素２９．１〜２９．３の前には、この方法で＋／−１２０°だけ位相のずれた３つの走査信号を発生させるために、偏光子の形態のそれぞれ１つの別の偏光光学要素３０．１〜３０．３が配設されている。

説明した位置測定装置の決定的な利点としては、偏向の機能性及び走査格子の機能性を実現するための複雑なプリズムの代わりに、走査ユニット内の走査光路内に、今や第１と第２の格子構造の形態の−好ましくは回折的な−格子構造が、簡単な平面鏡リフレクタと関連させて使用することができることを挙げることができる。

説明した第１の実施例は、本発明の枠内で更に変更もしくは補足することができ、以下にいくつかの選択肢を手短に説明する。

反対に円偏光された部分光束への直線偏光された部分光束の変換を行なう偏光光学要素３１．１，３１．２を、リフレクタ要素２６．１，２６．２と第２の格子構造２４．３，２４．４間ではなく、後続の第２の格子構造２４．３，２４．４と寸法現示体１０間の光路内に初めて配設することも可能である。

更に、リフレクタ要素２６．１，２６．２は、基本的にリフレクタプレート２３の下面に配設することもできる。

位相のずれた走査信号を発生させるための説明した偏光光学上の変形例の代わりに、この走査信号の選択的な発生を本発明の枠内で行なうこともできる。このため、公知のいわゆる副尺又はモアレの走査原理が考慮される。この走査原理では、寸法現示体と第１及び第２の格子構造の格子定数が、極僅か異なる（副尺システム）か、角度の向きが若干異なる（モアレシステム）ように選択することができる。その場合には、検出平面内に、変位に依存して変調され、公知の方法で走査可能である周期的な縞模様が生じる。

このような実施形では、説明した第１の実施例の全ての偏光光学部品、即ち上記のλ／４のプレート３１．１，３１．２と、偏光子３０．１，３０．２，３０．３と、分割格子３２が省略される。このような場合、検出平面には、この実施形では、例えばいわゆる構造化された検出器装置が配置され、この検出器装置を介して、そこで生じる縞模様の走査と、縞模様の位相のずれた走査信号への変換とが行なわれる。このような検出器の変形例に対して選択的に、この実施形では、公知の方法でシリンダレンズ配列又は格子構造のような光学部品も、縞模様を走査するための平面的な検出器と関連して使用することもできる。

本発明による位置測定装置の第１の実施形の変更された別の変形例では、走査ユニット内で、分離された走査及びリフレクタプレートの代わりに、その上に種々の格子構造及びリフレクタ要素が配設されている唯一の透明な担体サブストレートだけを設けたモノリシックな構造を選択することも可能である。相応の実施例が、図６ａ及び６ｂに概略的に図示されている。

図６ａの例には、前の図３の図と同様に、走査光路内のｙ−ｚ平面にある相応の構造要素の部分図が示されている。走査及びリフレクタプレートのための独立した要素の代わりに、今や、唯一の透明な担体サブストレート４０が設けられており、その下面もしくは図示されてない寸法現示体に面した側には、第１と第２の格子構造４４．１，４４．２が配設されている。担体サブストレート４０の反対側もしくは上面には、更にまた簡単な平面鏡リフレクタとして形成されたリフレクタ要素４６．１が配設されている。

図６ｂは、モノリシックな構造の同様の変形例を示す。更にまた、唯一の透明な担体サブストレート５０だけが設けられており、この担体サブストレートの場合、第１と第２の格子構造の形態の光学的に重要な要素５４．１，５４．２もしくはリフレクタ要素５６．１は、今や全てが担体サブストレートの下面に配設されている。担体サブストレート５０の反対の上面での部分光束の必要な転向は、例えばそこに配置された別のリフレクタ要素もしくは反射層を介して行なうことができる。

図６ａ又は図６ｂの図によるモノリシックな構造の場合、担体サブストレート５０内での光線の傾斜が相応に微細な格子構造４４．１，４４．２，５４．１，５４．２に基づいて十分に大きくて、このように全反射が生じる場合には、反射層の装着は、完全に省略することができる。この場合、微細な格子構造４４．１，４４．２，５４．１，５４．２は、基本的に、僅かな次数の回折しか生じず、従って多くの光量が所望の回折次数で残っているという利点を提供する。

更に、選択的な実施形に関しては、光源が、必ずしも上の例で説明したように走査ユニットに統合されている必要がないことも言及しておく。従って、例えば、光源をここから離して配設し、照明の光束をライトガイドによって走査ユニットに供給する等も可能である。

その他に、同じことが、光電式の検出器装置の検出器要素に対しても当て嵌まる。即ち、これらの検出器要素は、同様に本来の走査ユニットから空間的に分離して配設することもできる。その場合には、検出すべき部分光束は、例えばライトガイドを介して検出器要素に供給される。

第１の実施例の別の変形例は、図７〜９に図示されている。この場合、この実施例の機能的に同等の要素は、上で説明した例におけるのと同じ符号を有している。以下では、上で説明した例に対する相違点だけを説明する。その他は、前に述べたことを参照のこと。

この変形例では、前の例では光路内に走査及びリフレクタプレート２５，２３の光学的に無効な窓領域２７，２８．１，２８．２に、今やそれぞれ偏向格子２７．１，２８．３を配設する。偏向格子２７．１，２８．３は、それぞれ目盛破線を備えており、これらメモリ破線は、ｙ方向に周期的に配設され、測定方向に延在する。今や光学的に有効な窓領域内での両偏向格子２７．１，２８．３の周期性は、同一に選択されている。

光路内の走査及びリフレクタプレート２３，２５の相応の窓領域にこのような偏向格子２７．１，２８．３を設けることは、場合によっては生じ得る光源の波長変化を補償することができるという効果を有する。回折的に形成された第１と第２の格子構造２４．１〜２４．４に基づいて、その他の場合には場合によっては生じ得る波長変化は、最初と次の到達点が第１と第２の格子構造内で移動され、これが、いわば効果的な測定点の移動を意味する場合に、ｙ方向への光線のズレの望ましくない移動を生じさせる。偏向格子２７．１，２８．３の配設−今や行なわれているような−は、結果として、場合によっては生じ得る波長変化が、逆方向に最初と次の到達点に作用し、これにより効果的な光線のズレもしくは効果的な測定点が変わらないままであるということを伴う。

当然、この変形例と関連させて上で議論した種々の選択的な実施形を実現することもできる。

本発明による位置測定装置の第２の実施形を、以下で図１０〜１２を基にして説明する。本発明による位置測定装置のこの実施形の基本的な構造と走査光路の経過とは、本質的に説明した第１の例と同一である。従って、以下では、決定的な相違点のみを新たに説明する。

第１の格子構造１２４．１，１２４．２は、今やレンズ作用として図１〜５の第１の例による光学的な機能性に加えて、走破する部分光束に対する測定方向ｘへの付加的な集束作用を備えている。これは、例えば図１０の図に明らかである。このため、第１の格子構造は、相応に寸法設定されたオフアクシスレンズとして形成されており、このオフアクシスレンズの焦点距離は、リフレクタプレート１２３に対する光学的な間隔に相当する。第１の格子構造１２４．１，１２４．２の光学特性のこのような設定は、集束された部分光束の主光線が、測定方向ｘには垂直にリフレクタプレート１２３に到達し、これに対して破線方向ｙには一定の角度で到達する。この角度は、更にまたリフレクタプレート１２３に出入りする部分光束のｙ方向の空間的な分離が生じるように選択される。リフレクタ要素１２６．１，１２６．２での反射の後に第２の格子構造１２４．３，１２４．４の通過が行なわれる際に、部分光束は、更にまた、既に上記の例で説明したような光学的なレンズ作用を受ける。即ち、部分光束の入射方向に対して対平行な偏向と視準が行なわれる。

この実施例でオフアクシスレンズとして形成された第１の格子構造１２４．１，１２４．２は、この場合、それぞれの部分光束を２つの横方向ｘ，ｙに集束させ、従って、その光学的なレンズ作用は、従来の円筒対称性のレンズに相当する。これとは異なり、第１の例のオフアクシスシリンダレンズは、ｙ方向の集束作用の形態のレンズ作用を備えているに過ぎない。

加えて、本発明による位置測定装置の正確な機能にとって重要であるのは、リフレクタプレート２３が、できるだけ寸法現示体に対して平行に配設されていることである。

その結果、第１の格子構造の付加的な光学作用を介して、この実施例では、走査光路内での格子構造１２４．１〜１２４．４とリフレクタ要素１２６．１，１２６．２との協働から光学的なリフレックスリフレクタの機能性が生じる。このようなリフレックスリフレクタの機能性をこれまでのように費用のかかるトリプルプリズム等により実現する代わりに、今や明らかに簡単に構成された回折要素によって同じ光学作用を得ることができる。

その他、この実施例の場合でも、既に上で説明した全ての選択措置を実現することができる。即ち、本発明による位置測定装置のこの実施例にとっても、本発明の枠内で種々の変形例が使用可能である。

最後に、上で説明した入射光式位置測定装置に対して選択的に、当然透過光式位置測定装置も本発明により形成することができることも述べておく。従って、例えば第１の格子構造と、リフレクタプレートと、第２の格子構造とから成る走査側の装置は、透過光式寸法現示体から来る部分光束を、この部分光束がこの透過光式寸法現示体を通過した後で再び逆に透過光式寸法現示体へと転向させる等のために使用することもできる。その場合、相応の走査ユニットは、公知の方法で寸法現示体の周囲を取り囲まなければならない。

本発明による位置測定装置の第１の実施形の走査光路の第１の部分を示す。 本発明による位置測定装置の第１の実施形の走査光路の第２の部分を示す。 本発明による位置測定装置の第１の実施形の走査光路の他の図を示す。 本発明による位置測定装置の第１の実施形の走査プレートの平面図を示す。 本発明による位置測定装置の第１の実施形のリフレクタプレートの平面図を示す。 図６ａ及び６ｂに、第１の実施例の走査ユニット内にリフレクタ要素と格子構造とを形成するための選択的な変形例を示す。 本発明による位置測定装置の第１の実施形の別の変形例の走査光路の図を示す。 図７の位置測定装置の走査プレートの平面図を示す。 図７の位置測定装置のリフレクタプレートの平面図を示す。 本発明による位置測定装置の第２の実施形の走査光路の第１の部分を示す。 本発明による位置測定装置の第２の実施形の走査光路の第２の部分を示す。 本発明による位置測定装置の第２の実施形の走査光路の別の図を示す。

符号の説明

１０ 寸法現示体
２０ 走査ユニット
２１ 光源
２２ コリメータレンズ
２３ リフレクタプレート
２４．１，２４．２ 第１の格子構造
２４．３，２４．４ 第２の格子構造
２５ 走査プレート
２６．１，２６．２ リフレクタ要素
２７ 光学的に無効な窓領域
２８．１，２８．２ 光学的に無効な窓領域
２９．１〜２９．３ 検出器装置
３０．１〜３０．３ 偏光光学要素（偏光子）
３１．１，３１．２ 偏光光学要素（λ／４のプレート）
３２ 分割格子
ｘ 測定方向

Claims (17)

1. 走査ユニットが複数の格子構造と少なくとも１つのリフレクタ要素とを有する、走査ユニットと走査ユニットに対して少なくとも１つの測定方向に可動の寸法現示体との相対位置を検出するための位置測定装置において、
   −寸法現示体（１０；１１０）によって回折された光束が走査ユニット（２０；１２０）の方向に伝播し、ここで光束が第１の格子構造（２４．１，２４．２；１２４．１，１２４．２）を通過し、次いでリフレクタ要素（２６．１，２６．２；１２６．１，１２６．２）に到達し、このリフレクタ要素によって寸法現示体（１０；１１０）の方向への逆反射が行なわれ、次に部分光束が第２の格子構造（２４．３，２４．４；１２４．３，１２４．４）を通過し、次いで新たに寸法現示体（１０；１１０）に到達するように、走査ユニット（２０；１２０）内の要素が配設されており、
   −部分光束がそれぞれ通過する際に、部分光束に対して一定のレンズ作用が生じるように、第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が形成されていることを特徴とする位置測定装置。
2. −第１の格子構造（２４．１，２４．２；１２４．１，１２４．２）を通過する際に、レンズ作用として、入射方向に対して対平行に整向された測定方向（ｘ）への偏向作用と、測定方向に対して垂直にリフレクタ要素（２６．１，２６．２；１２６．１，１２６．２）に向かう集束作用とが生じ、
   −第２の格子構造（２４．３，２４．４；１２４．３，１２４．４）を通過する際に、レンズ作用として、測定方向（ｘ）への偏向作用と、少なくとも測定方向に対して垂直な視準作用とが生じるように、
   第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の位置測定装置。
3. 最初と次の通過の際に生じる偏向作用によって、第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）への部分光束の到達点間で光線のズレが生じるように、第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が更に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の位置測定装置。
4. 第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が、０次の回折を抑制する位相格子として形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の位置測定装置。
5. 第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が、＋１次の回折又は−１次の回折の高い効果を有するブレーズド位相格子として形成されていることを特徴とする請求項４に記載の位置測定装置。
6. 第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が、測定方向（ｘ）に等間隔に配設されている湾曲した格子線を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の位置測定装置。
7. 少なくとも１つのリフレクタ要素（２６．１，２６．２；１２６．１，１２６．２）が、平面鏡リフレクタとして形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の位置測定装置。
8. 平面鏡リフレクタが、走査ユニット（２０；１２０）内に寸法現示体（１０；１１０）に対して平行に配設されていることを特徴とする請求項７に記載の位置測定装置。
9. 走査ユニットが、透明の担体サブストレート（４０；５０）を有し、この担体サブストレートの寸法現示体に面した側に、第１と第２の格子構造（４４．１，４４．２；５４．１，５４．２）が配設されており、平面鏡リフレクタ（４６．１，５６．１）が、
   −担体サブストレート（４０）の第１と第２の格子構造とは反対側に配設されており、平面鏡リフレクタ（４６．１）の反射側が、寸法現示体の方向に整向されているか、
   −担体サブストレート（５０）の同じ側に配設されており、平面鏡リフレクタ（５６．１）の反射側が、寸法現示体とは反対に整向されているか、
   のいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の位置測定装置。
10. 寸法現示体（１０；１１０）に最初に到達する視準された部分光束が、寸法現示体（１０；１１０）に次に到達した後、視準されて走査ユニット（２０；１２０）の方向に伝播するように、第１と第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の位置測定装置。
11. 格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）が、格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）とリフレクタ要素（２６．１，２６．２；１２６．１，１２６．２）間の光学的な間隔に相当する焦点距離を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の位置測定装置。
12. 光源（２１）によって放出された光束が、
    −最初に、入射光式回折格子として形成されている寸法現示体（１０）に到達し、ここで、異なった２つの次数の回折に相当する、走査ユニット（２０）へと逆反射される２つの部分光束への分割が行なわれ、
    −逆反射された２つの部分光束が、走査ユニット（２０）内で、２つの第１の格子構造（２４．１，２４．２）を２つのリフレクタ要素（２６．１，２６．２）の方向に通過し、この場合、入射方向に対して対平行に整向された偏向作用と、単に測定方向（ｘ）に対して垂直な集束作用とを受け、
    −このように偏向及び集束された部分光束が、次にリフレクタ要素（２６．１，２６．２）に到達し、寸法現示体（１０）の方向への逆反射を受け、
    −逆反射された２つの部分光束が、次に２つの第２の格子構造（２４．３，２４．４）を寸法現示体（１０）の方向に通過し、この場合、測定方向（ｘ）への偏向作用と、単に測定方向（ｘ）に対して垂直な視準作用とを受け、
    −両部分光束が、次に再び寸法現示体（１０）に到達し、ここで、新たな回折と、走査ユニット（２０）の方向への部分光束の逆反射とが生じる
    ように、走査ユニット（２０）が形成されていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１つに記載の位置測定装置。
13. 光源（１２１）によって放出された光束が、
    −最初に、入射光式回折格子として形成されている寸法現示体（１１０）に到達し、ここで、異なった２つの次数の回折に相当する、走査ユニット（１２０）へと逆反射される２つの部分光束への分割が行なわれ、
    −逆反射された２つの部分光束が、走査ユニット内で、２つの第１の格子構造（１２４．１，１２４．２）を２つのリフレクタ要素（１２６．１，１２６．２）の方向に通過し、この場合、入射方向に対して対平行に整向された偏向作用と、測定方向（ｘ）と測定方向（ｘ）に対して垂直な集束作用とを受け、
    −このように偏向及び集束された部分光束が、次にリフレクタ要素（１２６．１，１２６．２）に到達し、寸法現示体（１１０）の方向への逆反射を受け、
    −逆反射された２つの部分光束が、次に２つの第２の格子構造（１２４．３，１２４．４）を寸法現示体（１１０）の方向に通過し、この場合、測定方向への偏向作用と、測定方向（ｘ）と測定方向（ｘ）に対して垂直な視準作用とを受け、
    −両部分光束が、次に再び寸法現示体（１１０）に到達し、ここで、新たな回折と、走査ユニット（１２０）の方向への部分光束の逆反射とが生じる
    ように、走査ユニット（１２０）が形成されていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１つに記載の位置測定装置。
14. 第２の逆反射の後、寸法現示体（１０；１１０）から垂直に走査ユニット（２０；１２０）の方向に逆反射された部分光束が重複して分割格子（３２；１３２）に到達し、ここで、複数の空間方向への分割が行なわれ、異なった空間方向に分割された部分光束が、光電式の検出器装置の複数の検出器（２９．１，２９．２，２９．３；１２９．１，１２９．２，１２９．３）に到達し、ここで、走査ユニット（２０；１２０）と寸法現示体（１０；１１０）に相対運動が生じた場合に、それぞれ１つの変位量に依存して変調された走査信号が生じることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の位置測定装置。
15. リフレクタ要素（２６．１，２６．２；１２６．１，１２６．２）と第２の格子構造（２４．３，２４．４；１２４．３，１２４．４）間か、第２の格子構造（２４．３，２４．４；１２４．３，１２４．４）と寸法現示体（１０；１１０）間かのいずれかで、偏光光学要素（３１．１，３１．２；１３１．１，１３１．２）が光路内に配設されており、これら要素を、リフレクタ要素（２６．１，２６．２；１２６．１，１２６．２）の逆反射の後に部分光束が通り、直線偏光された部分光束が円偏光された部分光束に変換されることを特徴とする請求項１４に記載の位置測定装置。
16. −２つの第１の格子構造と２つの第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）の平均格子定数が、寸法現示体（１０；１１０）の格子定数から極僅か異なるように選択されているか、
    −２つの第１の格子構造と２つの第２の格子構造（２４．１，２４．２，２４．３，２４．４；１２４．１，１２４．２，１２４．３，１２４．４）の格子破線が、寸法現示体（１０；１１０）の格子破線に対して０°以外の角度で配設されているか、
    のいずれかであることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の位置測定装置。
17. 光路内に光学的に有効な窓領域（２８．３）が設けられており、この窓領域を、光源（２１）から放出された光束が、寸法現示体（１１０）に最初に到達する前に通過し、光学的に有効な窓領域（２８．３）内に偏光格子が配設されており、この偏光格子の格子破線が、測定方向（ｘ）に対して平行に延在することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の位置測定装置。

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