JP2010527014A - 光学位置測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、走査ユニットとこの走査ユニットに相対して少なくとも１つの測定方向に移動可能なスケールとの相対位置を検出するための光学位置測定装置に関する。このスケールは、組み合わせ式の構成ユニットとして形成されており、この構成ユニットは、少なくとも１つの反射素子と測定目盛とを有する。走査ユニットは分割手段を有し、この分割手段は、光源から発せられた光束を測定方向に少なくとも２つの部分光束に分割し、これらの部分光束が、この分割後、前記スケールの方向に伝播する。

Description

本発明は、光学位置測定装置に関する。

２つの移動可能な物体の相対位置を検出するための公知の光学位置測定装置は、通例、走査ユニットと走査ユニットに相対して少なくとも１つの測定方向に移動可能なスケールとを有する。走査ユニットとスケールとは、２つの物体、例えば互いに相対的に移動可能な機械部品にそれぞれ結合されている。この場合、基本的に問題となるのは、走査ユニットとスケールとを相対的に正確に組み立てることである。スケールと走査ユニットとがスケールに対して垂直な軸を中心にして望ましくない回転をする場合、これは、いわゆるモアレ回転と呼ばれる。この種のモアレ回転の結果、測定動作時に走査信号強度の低下が生じ、位置測定における望ましくない誤差が生じる。

モアレ誤差を低減することは、例えば、本出願人の特許文献１で開示されている光学位置測定装置を用いることで可能である。この光学位置測定装置は、スケール、例えば入射光式直線スケールとして構成されたスケールの他に、少なくとも１つの測定方向にスケールに対して相対的に変位可能である走査ユニットを有する。走査ユニットの側には、走査格子、複数の光電検出素子等の他に、再帰反射体としての少なくとも１つの光学再帰反射素子も配置されている。スケールによって最初に反射された部分光束が、この再帰反射体を介してスケールの方向に逆反射される。この場合、それに続いて、部分光束の２回目の反射が生じ、その後、最終的に、干渉する部分光束が検出素子に到達して、そこで、変位に依存して変調された走査信号を生成する。反射素子は、この種の位置測定装置では、再帰反射体の光学的機能性を有するダハプリズム（Dachkantprisma）として形成されている。プリズム状の再帰反射体として形成された光学的な反射素子を有する別の位置測定装置は、例えば特許文献２または特許文献３から公知である

国際特許出願公開第０２／２３１３１号明細書 欧州特許第３８７５２０号明細書 欧州特許出願公開第１３４７２７１号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０２９９１７号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０４２７４３号明細書 国際特許出願公開第２００７／０３４３７９号明細書 独国特許出願公開第１９６４８０１８号明細書

本発明の基本的な課題は、生じ得る誤差、例えば特に走査ユニットとスケールとがモアレ回転する際に生じる誤差を従来技術よりもさらに良好に補償することを保証する光学位置測定装置を提供することである。

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

本発明に係る位置測定装置の有利な実施態様は、従属請求項に記載の特徴に基づいて得られる。

次に、本発明では、スケールを組み合わせ式の構成ユニットとして形成することが想定されており、この構成ユニットは、測定目盛の他に１つまたは複数の反射素子も有している。光源から来る光束は、スケールの前で少なくとも２つの部分光束に分割され、これらの部分光束は、スケールにおいてそれぞれ測定目盛に２回照射され、反射素子に１回照射される。その後、これらの部分光束は再び走査ユニットの方向に伝播し、そこで、変位に依存する信号が検出される。

スケールがこのような構成であるので、あるいは走査光路がこの構成で可能な光路であるので、状況に応じて生じるモアレ回転を確実に光学的に補正することができる。モアレ回転は、本発明に係る光学位置測定装置では、位置測定に対して誤差を生じるように作用することがなくなり、走査信号の強度を低下させることがない。これが特に有利であるのは、とりわけ、測定目盛の側に小さな目盛周期を用いる場合、すなわち、高分解能の位置測定装置の場合である。

本発明に係る解決手段の別の利点としては、スケールへ入射して出射する部分光束が側方へ変位するので、そうでない場合にはこの部分光束を分割するために必要となる、測定目盛への斜めの照射が不必要となるという点がある。従って、全体的な対称性が高い走査光学系が得られ、その結果、調整公差を明らかに、より大きくすることができる。

本発明に係る光学位置測定装置によって、走査ユニットとそれに相対して少なくとも１つの方向に移動可能なスケールとの相対位置を検出することが可能となる。スケールは、組み合わせ式の構成ユニットとして形成されており、少なくとも１つの反射素子と測定目盛とを有する。走査ユニットには、光源と１つまたは複数の検出素子とが付設されている。走査ユニットは分割手段を有し、この分割手段が、光源から発せられた光束を測定方向に少なくとも２つの部分光束に分割する。これらの部分光束は、分割後、スケールの方向に伝播する。

本発明に係る光学位置測定装置の１つの有利な実施形態では、逆向きの対称的な方向から入射する少なくとも２つの部分光束が、逆向きの偏向作用を受けて、測定目盛への照射後に同じ空間方向へ伝播するように測定目盛が構成されている。

本発明に係る光学位置測定装置の別の１つの有利な実施形態では、異なった方向から入射する少なくとも２つの部分光束が、逆向きの偏向作用を受けて、測定目盛への照射後に対称的な空間方向に伝播するように測定目盛が構成されている。

例えば、入射する部分光束に対して、
−第１の偏向作用が、測定方向および法線方向にスケールまで広がる平面に生じ、
−第２の偏向作用が、測定方向に対して横向きの方向に生じ、この第２の偏向に、少なくとも１つの反射素子への集束が関連するように、測定目盛を構成しておくことができる。

測定目盛は、互い違いに直線状である円柱レンズ構造として形成されているのが有利である。

さらに、両偏向方向に回折次数が＋１および−１の回折のみが出射して、より高い回折次数、特に＋３次および−３次の不所望な回折が抑制されるように測定目盛の周期性を選定することが可能である。

１つの可能な別態様では、分割された部分光束が、スケールにおいてまず測定目盛で回折され、それに続いて、少なくとも１つの反射素子で反射されて、最終的に測定目盛で新たに回折される。その後、部分光束は再び走査ユニットの方向に伝播する。

測定目盛は、本発明では、透過光目盛としても入射光目盛としても構成することが可能である。

さらに、スケールが透明な支持体を有し、この支持体の一方の側に測定目盛を配設しておき、この支持体のもう一方の側に前記少なくとも１つの反射素子を配置しておくことが可能である。

この場合、支持体の、走査ユニットの方を向いた側に、透過光目盛として構成された測定目盛を配設することができる。

反射素子が、少なくとも１つの平面的な反射鏡として、または全反射面として構成されていると有利である。

走査ユニットにおける分割手段は、少なくとも１つの透過光走査格子を有することができる。

また、スケール上に複数の目盛トラックを配設しておくことが可能である。

この場合、全ての目盛トラックの第２の偏向作用が、共通の焦点を有していてもよい。

スケールの測定目盛は、位相量が１８０°の位相目盛として構成されているのが有利である。

最後に、また別の態様では、スケールにおける入射光束と出射光束との間のビーム位置偏差が、ビーム断面よりも大きくなるように、第２の偏向作用の大きさを設定しておくことができる。

本発明のその他の詳細および利点については、図面を参照しながら、実施例を用いた以下の説明において明らかにする。

本発明に係る位置測定装置の第１の実施例の走査光学系を示す正面図である。 本発明に係る位置測定装置の第１の実施例の走査光学系を示す側面図である。 本発明に係る位置測定装置の第１の実施例の、再帰反射作用を有するスケールの偏向作用を表す詳細正面図である。 本発明に係る位置測定装置の第１の実施例の、再帰反射作用を有するスケールの偏向作用を表す詳細側面図である。 図１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂに示された本発明に係る位置測定装置における、再帰反射目盛として構成された目盛の構造を示す詳細図である。 本発明に係る位置測定装置の第２の実施例の走査光学系を示す正面図である。 本発明に係る位置測定装置の第２の実施例の走査光学系を示す側面図である。 図４ａおよび４ｂに示されたスケールの偏向作用を表す別の正面図である。 図４ａおよび４ｂに示されたスケールの偏向作用を表すまた別の正面図である。 本発明に係る位置測定装置の第３の実施例の走査光学系を示す正面図である。 本発明に係る位置測定装置の第３の実施例の走査光学系を示す側面図である。 本発明に係る位置測定装置の第４の実施例の走査光学系を示す正面図である。 本発明に係る位置測定装置の第４の実施例の走査光学系を示す側面図である。

図１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂおよび３を参照しながら、以下に本発明に係る位置測定装置の第１の実施形態について説明する。図１ａおよび１ｂは、本発明に係る位置測定装置の第１の実施例の走査光学系を示す各種の図であり、位置測定装置は、走査ユニットＡＥとそれに対して相対的に測定方向Ｍｒに移動可能なスケールＭｆとを有する。走査ユニットＡＥとスケールＭｆとは、相対位置を（図示していない）検出すべき物体に結合されている。この物体は、例えば、互いに相対的に移動可能な２つの機械部品である。

位置測定装置のスケールＭｆは、本発明では、組み合わせ式の構成ユニットとして形成されており、２つの反射素子Ｒ１、Ｒ２および測定目盛Ｇｆを有する。走査ユニットＡＥには、光源ＬＤおよび複数の検出素子ＰＥ−１、ＰＥ０、ＰＥ＋１が付設されている。さらに、走査ユニットＡＥは、透過光走査格子Ｇｍを具備する分割手段Ｍｍを有する。光源ＬＤと検出素子ＰＥ−１、ＰＥ０、ＰＥ＋１とを走査ユニットＡＥのハウジング内に上記のように配置する代わりに、これらの要素を走査ユニットＡＥから空間的に分離して配置し、適当な導光体を介して走査ユニットＡＥに接続することで、走査ユニットＡＥに付設することも可能である。

光源、例えばレーザダイオードとして構成された光源ＬＤから発せられる光束は、コリメータレンズＬによって視準され、光軸ＯＡに対して平行に分割手段Ｍｍへ向かって垂直に案内される。分割手段の上側で、透過光走査格子Ｇｍは、分割箇所Ｐａにおいて、光束を少なくとも２つの部分光束、好ましくは回折次数が−１次と＋１次の部分光束に分割する。両部分光束は、スケールＭｆの方向に伝播する。このスケールは、走査ユニットＡＥの方を向いた、透明な支持部材の下側において、特別な透過光目盛として構成された測定目盛Ｇｆを保持する。測定目盛Ｇｆは、測定方向Ｍｒを見たときに光軸ＯＡに対して平行になるように部分光束を案内する。測定目盛Ｇｆは、光軸に対して横向きに部分光束を集束して偏向させるが、その際、部分光束が、走査ユニットＡＥから遠い側である、スケールＭｆの支持部材後面側における反射素子Ｒ１あるいはＲ２に集束して当たるように偏向される。反射素子Ｒ１、Ｒ２で反射した後、部分光束は、再び測定目盛Ｇｆに到達する。そこで、部分光束は測定方向Ｍｒに再び偏向され、その際、この偏向は、入射する部分光束に対して対称的に行われる。測定目盛Ｇｆは、部分光束を再び測定方向Ｍｒに対して横向きに視準し、光軸ＯＡに対して平行にそれらを案内する。出射する部分光束は、走査ユニットＡＥ内の透過光走査格子Ｇｍに戻り、合流箇所Ｐｂにおいて屈折次数＋１、０および−１を生じるように回折して重なり合い、干渉される。

屈折次数−１、０および＋１で出射する部分光束が、それぞれ１２０°の位相差でその強度が変調されて、検出素子ＰＥ−１、ＰＥ０およびＰＥ＋１によって検出されるように、分割手段Ｍｍの透過光走査格子Ｇｍの目盛構造が選定される。

また、本発明にとって重要であるのは、測定目盛Ｇｆの構成である。図２ａおよび２ｂには、測定目盛Ｇｆの光学的作用を説明するために、スケールＭｆの領域の走査ビーム経路におけるビームの流れが詳細に示してある。測定目盛Ｇｆは、回折構造体として同時に２つの機能を果たす。

一方では、測定目盛は、入射する部分光束を測定方向Ｍｒにあるいはその逆方向に偏向する。この偏向作用は、目盛周期あるいは周期性ｄｆを有する周期的な目盛の光学的作用に一致する。本例では透過光目盛として構成された測定目盛Ｇｆを２回通過するので、この実施例の場合、周期性ｄｆは、分割手段Ｍｍの透過光走査格子Ｇｍの目盛周期あるいは周期性ｄｍと等しくなければならない。

また一方で、測定目盛Ｇｆは、回折円柱レンズでもある。この円柱レンズは、部分光束を測定方向Ｍｒに対して横向きに反射素子Ｒ１あるいはＲ２に集束させる。これが図２ｂに示されている。測定方向Ｍｒに対して横向きであるこの同時的な偏向は、入射する部分光束の、円柱レンズの中心Ｚに対する位置偏差Ｓによって実現される。反射素子Ｒ１およびＲ２は、金属鏡としても干渉鏡としても構成しておくことができる。

ビームが進行時に２回通過するこの円柱レンズは、反射素子Ｒ１あるいはＲ２と共に光学反射素子を形成し、この光学反射素子は、入射するビーム方向を測定方向Ｍｒに対して横向きに、かつ横向きにのみ反転させる。この再帰反射体は、プリズム角度が９０°のダハプリズムと同じ光学的作用を有する。再帰反射によって、光軸ＯＡを中心としてスケールＭｆあるいは走査ユニットＡＥが分割手段Ｍｍと共に回転して生じるかなり大きなねじれを補償することが可能となる。このようなモアレ回転と呼ばれるスケールＭｆの傾き、あるいは分割手段Ｍｍを具備する走査ユニットＡＥの傾きがある場合、両部分光束の逆向きのビーム傾斜が、測定方向Ｍｒに対して横向きに生じる。再帰反射体がない場合、このモアレ傾きが信号低下を招き、この信号低下は、特に信号周期が小さな位置測定装置では、非常に大きくなる。その結果、モアレ傾きに対する信頼性のある調整公差は、極めて小さくなってしまう。再帰反射体の光学的作用によって、測定方向Ｍｒに対して横向きにビーム傾斜が補償され、従って、信号周期が非常に小さな位置測定装置の場合でも、かなり大きなモアレ公差を設定することが可能である。また別の実施態様は、特許文献４および特許文献５に記載されている。

特許文献４により公知の（走査）目盛とは異なり、本例の測定目盛Ｇｆは、入射部分光束を測定方向Ｍｒにもその逆方向にも偏向しなければならず、従って、法線方向の目盛の分割作用を有さなければならない。この結果、必要とされる測定目盛Ｇｆは、別の寸法に設定する必要がある。図３は、測定目盛Ｇｆ（「再帰反射目盛」）の構造を詳細に示す。この測定目盛は、幅がそれぞれｄｆ／２の個別のストライプＧｆＡ、ＧｆＢから成り、これらのストライプは、測定方向Ｍｒに周期的に配設されている。両ストライプＧｆＡ、ＧｆＢは互いに相補的であり、すなわち、これらの構造体は、この２部構成の構造体の両状態が各箇所で入れ替わることによって、互いに移行し合うことができる。各ストライプＧｆＡ、ＧｆＢは、回折円柱レンズを形成する。この回折円柱レンズは、以下の位相関数φ（ｙ）を用いて算定される。

ここで、
ｙ ＝横位置
Ｄｆ＝スケールＭｆの厚さ
ｎ ＝スケールＭｆの屈折率
λ ＝用いられる光源の波長
である。

ストライプＧｆＡでは、第１の状態は、各箇所において｜φ（ｙ）｜≦π／２の関係を有する。ストライプＧｆＢでは、相補的な第２の状態がその各箇所にある。この２部構成の構造体は、位相量が１８０°の位相目盛として構成されるのが好ましい。周辺領域では局所的な目盛周期が波長λの付近にあるので、数値の最適化を利用して、位相量および構造体幅あるいは構造体形状を局所的に適合させることで、用いられる回折次数の最大回折効率が得られるようにすることが可能である。この最適化によって、一般的に、図３に示されたような直角ではなく、丸みを帯びた構造要素が生じる。特に有利であるのは、高コストであるが、ストライプ状の円柱レンズをブレーズ型構造体として構成することである。

測定目盛Ｇｆは、図１ｂに示されているように、測定方向Ｍｒに対して横向きのビーム位置偏差２＊ｓを生じる。これにより、視準された光源の照射方向をスケールＭｆおよび分割手段Ｍｍに対して垂直方向にすることが可能となり、また同時に、検出素子ＰＥ−１、ＰＥ０およびＰＥ＋１を用いてｙ方向に並列した検出部を設けることが可能となる。その際、ビーム位置偏差２＊ｓは、ビーム断面よりも大きくなければならない。ここでは、斜めの照射方向は必要とされない。このようにシステムの対称性が大きいので、スケールＭｆ、分割手段Ｍｍおよび走査ユニットＡＥに対する特に大きな位置公差が実現される。特にスケールＭｆと分割手段Ｍｍとの間の距離に関して、現実的に有意であるような公差制限はなくなる。

一般的に、第１の実施例に準拠した測定目盛（再帰反射目盛）は、非常に多くの走査原理と組み合わせることができる。従って、走査光学系にモアレ補償を施すこと、および、状況に応じて、各顧客にオプションとして提供することが容易に可能である。

上述の実施形態では、測定目盛Ｇｆも透過光走査格子Ｍｍも、それぞれ区切りのない通しの目盛フィールドを有する。特許文献６に記載の複数の変形態様の場合、各光束を、互いに区切られたそれぞれの目盛フィールドを通るように案内するために、スケールＭｆと走査ユニットＡＥとの互いに対する位置公差をさらに制限する必要があるが、本発明の実施形態では、そのような制限が不要である。

図４ａおよび４ｂは、本発明に係る位置測定装置の第２の実施例を示しており、図１ａおよび１ｂに示した第１の実施例の図に類似している。また図５ａおよび５ｂには、第１の実施例の場合と同様に、スケールＭｆの領域の走査ビーム経路におけるビームの進行が示されている。

この場合もやはり、走査ユニットＡＥの側では、発せられた光源ＬＤの光束はコリメータレンズＬによって視準され、光軸ＯＡに対して平行に分割手段Ｍｍへ向かって垂直に案内される。またやはり、分割手段の上側で、透過光走査格子Ｇｍは、分割箇所Ｐａにおいて、光束を回折次数が−１次と＋１次の部分光束に分割する。

分割された２つの部分光束は、走査ユニットＡＥに対して相対的に移動可能なスケールＭｆに達する。このスケールは、その下側の中心領域、あるいは走査ユニットＡＥの方を向いた側の中心領域に、反射層として構成された反射素子Ｒを保持する。反射層は、走査ユニットＡＥから遠い側の方向への反射作用を有する。スケールＭｆの下側において反射層の側方に隣接した位置で、分割された部分光束は光軸ＯＡの方へ屈折され、偏向されて、スケールＭｆの上側の、本例では反射目盛あるいは入射光目盛として構成された測定目盛Ｇｆに達する。測定目盛Ｇｆは、本例では、反射位相格子として構成されており、その回折作用において、図１ａ、１ｂに示した第１の実施例の、透過光目盛として構成された目盛Ｇｆと同じ光学特性を持つ。これはすなわち、測定目盛Ｇｆに入射する部分光束が、測定方向Ｍｒを見たとき、光軸ＯＡに対して平行に整向され、測定方向Ｍｒに対して横向きに部分光束が反射層あるいは反射素子Ｒに集束されるということを意味する。従ってまた、この測定目盛の光学的作用は、測定方向Ｍｒに重なり合う際には分割格子に相当し、また、測定方向Ｍｒに対して横向きには、回折円柱レンズに相当する。回折円柱レンズの焦点距離は、焦点が、回折円柱レンズ上の反射素子Ｒの平面に位置するように選定されている。

次に、部分光束は、反射層で測定目盛Ｇｆの方向に逆反射され、そこで、部分光束は、新たに視準され、また同時に測定方向Ｍｒに偏向される。入射する部分光束と円柱レンズの光軸ＯＡとの間に位置偏差ｓがあるので、スケールＭｆへ入射する部分光束とそこから出射する部分光束との間に、測定方向Ｍｒに対して横向きに、すなわちｙ方向にビーム位置偏差２ｓが生じる。部分光束は、スケールＭｆを離れる際、再び屈折して、全ての部分光束が、合流箇所Ｐｂにおいて分割手段Ｍｍの透過光走査格子Ｇｍに当たる。そこで、部分光束は、第１の実施例の場合と同様に、回折次数＋１あるいは−１で回折することで重なり合わされ、干渉される。第１の実施例の場合と同じように、回折次数−１、０および＋１を生じるようにそこから出射する光束は、互いに変位可能な構成要素が相対移動する場合に、それぞれ１２０°の位相差でその強度が変調されて、検出素子ＰＥ−１、ＰＥ０およびＰＥ＋１によって検出されるように、透過光走査格子Ｇｍの目盛構造が選定される。

本実施例の独自性は、スケールＭｆの構成にある。このスケールは、いわば後面スケールとして構成されており、反射位相格子として構成された測定目盛Ｇｆを具備する。この測定目盛の具体的な光学特性については、第１の実施例の諸態様と同様であり、これらの態様は、反射位相格子にも適用できる。

本例で特に有利であるのは、スケールＭｆが、測定目盛Ｇｆとして耐汚染性の後面反射目盛を有することである。測定目盛Ｇｆは、平面的な反射層、例えば金属層によって保護されているので、汚れが、位相目盛の溝の中へ入り込むことがない。スケールＭｆの、対向する側面は、汚れた際に容易に清掃できる平らな面のみを有している。

図の第２の実施例に補足して、スケールＭｆの下側に反射防止膜を設けることで、スケールＭｆの支持体に入出射する部分光束に妨害反射が生じるのを避けることも可能である。

以下において、第３の実施例について、図６ａおよび６ｂを参照しながら説明する。これらの図面も、これまでの実施例と同じように、本発明に係る位置測定装置を示す各種の図である。

これまでの実施例の場合と同様に、走査ユニットＡＥの側では、発せられた光源ＬＤの光束をコリメータレンズＬによって視準し、光軸ＯＡに対して平行に分割手段Ｍｍへ向かって垂直に案内することが想定されている。この例では、分割手段の上側で、透過光走査格子Ｇｍは、分割箇所Ｐａにおいて、入射する光束を回折次数が−１次、０次および＋１次の３つの部分光束に分割する。

３つに分割された部分光束は、走査ユニットＡＥに対して相対的に移動可能なスケールＭｆの方向へ伝播する。このスケールは、その下側に、あるいは走査ユニットＡＥの方を向いた側に測定目盛Ｇｆを保持する。測定目盛Ｇｆは、この態様でも特殊な透過光目盛として構成されている。測定目盛Ｇｆは、本実施例では、目盛周期あるいは周期性ｄｆ＝２＊ｄｍを有する。これにより、部分光束は、第１の実施例の場合とは異なり、測定方向Ｍｒを見たとき、光軸ＯＡに対して厳密に平行に偏向されることはなく、図６ａに示されているように、部分光束は、測定目盛Ｇｆを最初に通過した後、ビーム傾斜の一部分を維持し続ける。これにより、測定方向Ｍｒにおいて、スケールＭｆ内にわずかなビーム位置偏差が生じる。第１の実施例の場合と同様に、測定目盛Ｇｆは、測定方向に対して横向きに部分光束を集束させ、そして、再び部分光束を偏向させるが、その際、部分光束が、走査ユニットＡＥから遠い側である、スケールＭｆの支持部材後面側における反射素子Ｒに集束して当たるように偏向させる。反射素子Ｒで反射した後、部分光束は再び測定目盛Ｇｆに到達する。そこで、部分光束は測定方向Ｍｒに再び偏向され、その際、この偏向は、入射する部分光束に対して対称的に行われる。測定目盛Ｇｆは、測定方向Ｍｒに対して横向きに部分光束を再び視準し、光軸ＯＡに対して平行にそれらを案内する。出射する部分光束は、走査ユニットＡＥ内の透過光走査格子Ｇｍに戻り、合流箇所Ｐｂにおいて屈折次数＋１あるいは−１で回折することで重なり合い、干渉される。４つの検出素子ＰＥ−１、ＰＥ−２、ＰＥ＋１、ＰＥ＋２を介して、それぞれ９０°の位相差の４つの位置信号が検出される。必要であれば、検出素子ＰＥ−１とＰＥ＋１とを並列接続することによって、位相差が１２０°の３つの位置信号を検出することも可能であろう。

本発明に係る位置測定装置の本実施形態の特に有利な点として、光軸ＯＡに沿って垂直に照射が行われるので、走査ビーム経路の対称性が大きくなることが挙げられる。このことからまた、走査間隔の変化および傾きに対する不感性が大きくなる。さらに、光源ＬＤの入射する光束と、検出素子ＰＥ−１、ＰＥ−２、ＰＥ＋１、ＰＥ＋２によって検出される出射する光束との間に大きな位置偏差が生じる。検出素子ＰＥ−１、ＰＥ−２、ＰＥ＋１、ＰＥ＋２が、測定方向Ｍｒにも測定方向に対して横向きにもずれているこのような光束だけを検出することによって、その他の全ての（不所望の回折次数によって生じる）光束は検出素子ＰＥ−１、ＰＥ−２、ＰＥ＋１、ＰＥ＋２に達することがなく、従って、生成された信号電流は極めてわずかなノイズしか含まない。

これまでに述べた実施形態の場合と同様に、スケールＭｆが再帰反射特性を有するので、再帰反射作用を実現するための構成部材を走査ユニットＡＥに付加する必要がない。従って、全体的なコストが低減される。

次に、第４の実施例について、図７ａおよび７ｂを参照しながら説明する。これらの図面も、前述の諸例と同様に本発明に係る位置測定装置を示す各種の図である。

この場合もやはり、走査ユニットＡＥの側では、光源ＬＤから発せられた光束は、コリメータレンズＬによって視準され、光軸ＯＡに対して平行に分割手段Ｍｍ１、Ｍｍ２へ向かって垂直に案内される。これまでの実施例と異なり、ここでは、走査ユニットＡＥ内の分割手段Ｍｍ１、Ｍｍ２が２部材構成であり、周期性ｄｍ１の第１の透過光走査格子Ｇｍ１と、周期性ｄｍ２の第２の透過光走査格子Ｇｍ２とを有する。両透過光走査格子Ｇｍ１、Ｇｍ２の周期性ｄｍ１、ｄｍ２は、ｄｍ２≒ｄｍ１／２となるように選定されている。

透明な支持部材の上側に配置された第１の透過光走査格子Ｇｍ１を介して、分割箇所Ｐａにおいて、入射する光束が、回折次数−１と＋１の２つの部分光束に分割される。回折された部分光束は、第２の透過光走査格子Ｇｍ２の方向に伝播し、この走査格子で、両部分光束は、再び光軸ＯＡの方向に戻るように偏向される。その後、部分光束は、走査ユニットＡＥに対して相対的に移動可能なスケールＭｆの方向にさらに伝播する。スケールＭｆは、その下側に、あるいは走査ユニットＡＥの方を向いた側に測定目盛Ｇｆを保持する。測定目盛Ｇｆは、この態様においても、上述の光学的作用を具備する特殊な透過光目盛として構成されている。測定目盛Ｇｆは、本実施例では、目盛周期あるいは周期性ｄｆ＝ｄｍ１を有する。測定目盛Ｇｆへの照射後、部分光束は、光軸ＯＡに対して平行に整向され、図７ｂのｚｙ平面において光軸に対して横向きに偏向されて、スケールＭｆの支持部材の上側に配置された反射素子Ｒに集束される。反射素子Ｒで反射した後、部分光束は、再び測定目盛Ｇｆに達する。そこで、部分光束は、測定方向Ｍｒにおいて、再び入射方向に偏向される。測定目盛Ｇｆは、測定方向Ｍｒに対して横向きに部分光束を再び視準し、光軸ＯＡに対して平行に部分光束を案内する。出射する部分光束は、走査ユニットＡＥ内の第２の透過光走査格子Ｇｍ２に戻り、そこで、第１の透過光走査格子Ｇｍ１上の合流箇所Ｐｂの方向に偏向される。合流箇所Ｐｂにおいて、分割された部分光束は再び重ね合わされ、干渉される。３つの検出素子ＰＥ−１、ＰＥ０、ＰＥ＋１を介して、それぞれ１２０°の位相差の３つの位置信号が検出される。

このように２つの透過光走査格子Ｇｍ１、Ｇｍ２が設けられていて、走査ビーム経路がこれらと結び付いてるので、本実施例では、本発明に係る位置測定装置のいわゆる中立回転中心ＮＰｆの特定位置が生じる。その際、中立回転中心とは、生成される位置信号が誤りを含むことなく、走査ユニットＡＥとスケールＭｆとが傾くことができる際の中心点を意味するものとする。図７ａから分かるように、中立回転中心ＮＰｆは、測定目盛Ｇｆの上方あるいはスケールＭｆの上方に位置する。このことは、スケールＭｆと走査ユニットＡＥとをいわゆる工具中心点の下方に配置しなければならず、かつ、精度要件が高いのでアッベ条件を順守しなければならないような測定用途の場合に有利である。さらに、本実施例においても、走査ビーム経路の対称性が大きいということが指摘できるのであり、このような対称性は、走査間隔の公差および傾きの公差にとって好都合である。

当然ながら、上述の諸例以外にも、本発明において、数多くの他の実施形態が可能である。

例えば、スケールＭｆの反射素子Ｒでの反射を全反射によって行うことも可能である。この場合、反射コーティングは不要である。

さらに、絶対基準を設けるために、本発明に従って構成されたスケールの側に基準マークを配設することが可能である。その際、特に有利であるのは、例えば、いわゆるチャープ基準マークを配設することであり、この基準マークは、チャープされた目盛を測定方向に有する。この目盛は、本発明では、測定方向に対して横向きの回折円柱レンズと組み合わされる。その際、このチャープ目盛の構造は、局所的には図３の実施例の目盛と等しいが、こちらの場合には、目盛周期ｄｆは、測定方向Ｍｒに沿って連続的に変化する（「チャープされる」）。その際、基準マークの走査ビーム経路は、上述の諸実施形態の走査ビーム経路の１つに等しくてもよく、この場合、目盛がチャープされているので、部分光束は、測定方向Ｍｒにやや発散あるいは収束しながら延びる。チャープ目盛を具備するこのような基準マークの精密な設計に関しては、特許文献７を参照のこと。

大抵の場合、基準マークトラックと周期的なインクリメンタルトラックとが、互いに並べてスケール上に配置される。その結果、両トラックの有効測定点も、測定方向に対して横向きに互いに並置されており、スケールのモアレ傾き時に基準マーク信号がインクリメンタル信号に対して相対的に変位される。本発明においてこの短所を避けるには、円柱レンズが共通の光軸を有し、かつ、インクリメンタルトラックと基準マークトラックのいずれもがそれぞれ光軸に対して対称的に配置されているように、全ての目盛トラックを構成しておくことである。このようにした場合、両方の有効測定点が光軸上に位置しており、モアレ傾きが生じた場合にも、それがインクリメンタル信号と基準マーク信号との割り当てに影響を及ぼすことがない。

また、好都合であることが明らかであるのは、所望の回折次数光のみが出射し、より高い不所望の回折次数光が抑制されるように、測定目盛の局所的な周期性を細かく選定する場合である。特に好都合であるのは、＋３次および−３次の回折次数光が、測定方向にも測定方向に対して横向きにも伝播できない場合である。その場合、目盛周期ｄｆは、光源の波長の３倍未満になるように選定すべきである。これにより、回折効率は格段に向上し、すなわち、より強度の大きい位置信号が生じる。

最後に、本発明に係る方策は、当然ながら回転位置測定装置と組み合わせて用いることも可能である。その場合、それぞれ様々な線状の目盛を、適切な構成の半径方向目盛に取り替える必要があるであろう。例えば、線状の測定目盛の代わりに、局所的にそれぞれ半径方向に集束を行う円柱レンズを備えた半径方向目盛を用いなければならないであろう。

Claims (16)

1. 走査ユニット（ＡＥ）とこの走査ユニットに相対して少なくとも１つの測定方向（Ｍｒ）に移動可能なスケール（Ｍｆ）との相対位置を検出するための光学位置測定装置において、
   −前記スケール（Ｍｆ）が、組み合わせ式の構成ユニットとして形成されており、この構成ユニットが、少なくとも１つの反射素子（Ｒ１、Ｒ２；Ｐｒ；Ｒ）と測定目盛（Ｇｆ）とを有し、
   −前記走査ユニット（ＡＥ）に、光源（ＬＤ）と１つまたは複数の検出素子（ＰＥ−１、ＰＥ０、ＰＥ＋１）とが付設されており、
   −前記走査ユニットが分割手段（Ｍｍ；Ｍｍ１、Ｍｍ２）を有し、この分割手段が、前記光源（ＬＤ）から発せられた光束を測定方向（Ｍｒ）に少なくとも２つの部分光束に分割し、これらの部分光束が、この分割後、前記スケール（Ｍｆ）の方向に伝播することを特徴とする光学位置測定装置。
2. 逆向きの対称的な方向から入射する前記少なくとも２つの部分光束が、逆向きの偏向作用を受けて、前記測定目盛（Ｇｆ）への照射後に同じ空間方向へ伝播するように前記測定目盛（Ｇｆ）が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
3. 異なった方向から入射する前記少なくとも２つの部分光束が、逆向きの偏向作用を受けて、前記測定目盛（Ｇｆ）への照射後に対称的な空間方向へ伝播するように前記測定目盛（Ｇｆ）が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
4. 前記入射する部分光束に対して、
   −第１の偏向作用が、前記測定方向（Ｍｒ）および法線方向に前記スケール（Ｍｆ）まで広がる平面に生じ、
   −第２の偏向作用が、前記測定方向（Ｍｒ）に対して横向きの方向に生じ、この第２の偏向に、前記少なくとも１つの反射素子（Ｒ１、Ｒ２；Ｐｒ；Ｒ）への集束が関連するように前記測定目盛（Ｇｆ）が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学位置測定装置。
5. 前記測定目盛（Ｇｆ）が、互い違いに直線状である円柱レンズ構造として構成されていることを特徴とする請求項４に記載の光学位置測定装置。
6. 両偏向方向に回折次数が＋１次および−１次の回折のみが出射して、より高い回折次数、特に＋３次および−３次の不所望な回折が抑制されるように前記測定目盛（Ｇｆ）の周期性（ｄｆ）が選定されていることを特徴とする請求項１〜５の少なくとも１つに記載の光学位置測定装置。
7. 前記分割された部分光束が、前記スケール（Ｍｆ）においてまず前記測定目盛（Ｇｆ）で回折され、それに続いて、前記少なくとも１つの反射素子（Ｒ１、Ｒ２；Ｐｒ；Ｒ）で反射されて、最終的に前記測定目盛（Ｇｆ）で新たに回折され、その後、これらの部分光束が再び走査ユニット（ＡＥ）の方向に伝播することを特徴とする請求項１〜６の少なくとも１つに記載の光学位置測定装置。
8. 前記測定目盛（Ｇｆ）が、透過光目盛として、または入射光目盛として構成されていることを特徴とする請求項１〜７の少なくとも１つに記載の光学位置測定装置。
9. 前記スケール（Ｍｆ）が透明な支持体を有し、この支持体の一方の側に前記測定目盛（Ｇｆ）が配設されており、この支持体のもう一方の側に前記少なくとも１つの反射素子（Ｒ１、Ｒ２；Ｐｒ；Ｒ）が配置されていることを特徴とする請求項１〜８の少なくとも１つに記載の光学位置測定装置。
10. 前記支持体の、前記走査ユニット（ＡＥ）の方を向いた側に、透過光目盛として構成された測定目盛（Ｇｆ）が配設されていることを特徴とする請求項９に記載の光学位置測定装置。
11. 前記反射素子（Ｒ１、Ｒ２；Ｐｒ；Ｒ）が、少なくとも１つの平面的な反射鏡として、または全反射面として構成されていることを特徴とする請求項９に記載の光学位置測定装置。
12. 前記走査ユニット（ＡＥ）における前記分割手段（Ｍｍ；Ｍｍ１、Ｍｍ２）が、少なくとも１つの透過光走査格子（Ｇｍ；Ｇｍ１、Ｇｍ２）を有することを特徴とする請求項１〜１１の少なくとも１つに記載の光学位置測定装置。
13. 前記スケール（Ｍｆ）上に複数の目盛トラックが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の光学位置測定装置。
14. 全ての目盛トラックの前記第２の偏向作用が、共通の焦点を有することを特徴とする請求項４または１３に記載の光学位置測定装置。
15. 前記スケール（Ｍｆ）の前記測定目盛（Ｇｆ）が、位相量が１８０°の位相目盛として構成されていることを特徴とする請求項１〜１４の少なくとも１つに記載の光学位置測定装置。
16. 前記スケール（Ｍｆ）における入射光束と出射光束との間のビーム位置偏差（２ｓ）がビーム断面よりも大きくなるように、前記第２の偏向作用の大きさが設定されていることを特徴とする請求項４に記載の光学位置測定装置。

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