JP2012127939A - 光学式位置測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光コード化されて位相のずれた走査検知信号を生成し、そして出来るだけ簡単に構成されている光学式位置測定装置を提供する。
【解決手段】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に関するものである。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る。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。分光光束の光路に偏光手段が配設されており、それに入射する分光光束に対するその偏光作用を、基準尺の運動自由度に沿って偏光周期を使って周期的に変更でき、そのとき偏光手段の偏光周期が第一格子の目盛周期より大きい。
【選択図】図５

Description

本発明は、光学式位置測定装置に関するものである。

位相のずれた走査検知信号を生成するために所謂、偏光コード化を利用する従来の光学式位置測定装置では、干渉する二つの分光光束を互いの間で直角に偏光する。そのために一般的には走査検知ユニットにおいて、別個の偏光光学構成要素を分光光束の光路に配設している。そのとき二つの分光光束の偏光方向は、当該光路に配設された偏光光学構成要素を介して、それぞれ固定して決まっている。

図１ａと１ｂでは、偏光コード化を使って位相のずれた走査検知信号を生成する公知光学式位置測定装置の、第一変形例の走査検知光路を色々な外観で示している。そこで図１ａは基準尺Ｍまでの走査検知光路を、そして図１ｂは基準尺Ｍからの走査検知光路を示している。

光源Ｌ、例えば適切なレーザ光源が、ｘ軸およびｙ軸に対して４５°で直線偏光された光束を、走査検知格子ＡＧを備えた走査検知プレートＡに向けて発光する。＋１と−１次偏光次数で分割された分光光束は基準尺Ｍの方向に進み、基準尺Ｍ上の基準尺格子ＭＧにより回折されて逆反射され、そしてポラライザＰ５，Ｐ６により互いの間で直角に偏光される。二つの分光光束が走査検知格子ＡＧにより重ね合わされた後に、その合成光束は検知ユニットＤに到達する。これに含まれるのは、偏光性のない分光器ＢＳ、λ／４位相差プレートＷＰ、偏光性分光器ＰＢＳ１とＰＢＳ２、そして直線ポラライザＰ１〜Ｐ４および関連配置された光電子式ディテクタ要素ＰＥ１〜ＰＥ４である。偏光光学構成要素が分光光束の中に設けられていることにより、光電子式ディテクタ要素ＰＥ１〜ＰＥ４が、検知ユニットＤに当たる合成光束の異なった偏光状態を検知する。このような光学式位置測定装置用検知ユニットは、例えば特許文献１の図７で公知である。

光学式位置測定装置における偏光状態を詳細に図示するために、以下においては図２で示しているような所謂、ポワンカレ図示を使用する。そこでは任意の偏光状態を、概念としての座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’において球の表面上の点として図示する。その場合、概念としての座標系Ｘ’Ｙ’Ｚ’は、当該位置測定装置の空間的な座標系ＸＹＺとは何の関係もない。赤道面Ｘ’Ｙ’に全ての直線偏光状態が存在する。偏光軸は、赤道円に沿って１８０°回転する。点ＰＸ＋ないしＰＸ−は、水平方向ないし垂直方向の直線偏光状態を示しており、点ＰＹ＋ないしＰＹ−は、＋４５°ないし−４５°傾いた直線偏光状態を示す。極ＰＺ＋ないしＰＺ−には、左ないし右円の偏光状態が配分される。直角の偏光状態は、すべてが常に直径方向で対向する位置にある。ポワンカレ図示についての詳細な情報は、例えばＭ．Ｂｏｒｎ、Ｅ．Ｗｏｌｆ著 光学の原理、３２、３３ページ、ケンブリッジ大学プレス、１９９９年で見られる。

図１ａ，１ｂによる公知位置測定装置の偏光状態を、図２においてポワンカレ球に図示している。直線偏光された二つの分光光束の偏光状態は、この図では参照符号Π_−１（基準尺Ｍの−１次回折次数）およびΠ_＋１（基準尺Ｍの＋１次回折次数）により表している。これらの偏光状態を有する分光光束を重ね合わせることにより、合成偏光状態Π_０が得られ、それが分光光束の相対的位相状態に従って大円Ｇに沿って動く。そのとき大円Ｇの面は、生成する偏光状態Π_−１およびΠ_＋１の接続ラインに対して直角である。光電子式ディテクタ要素ＰＥ１〜ＰＥ４により検知された偏光状態Π_１〜Π_４は大円Ｇ上にあり、それにより走査検知信号の最大変調度を得る。それらが次の偏光状態を検出する：
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Π_０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Π_０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。

偏光コード化され位相のずれた走査検知信号を生成する公知光学式位置測定装置の第二変形例を、図３ａと３ｂで示している。同じく図３ａが基準尺Ｍまでの走査検知光路を、そして図３ｂが基準尺Ｍからの走査検知光路を示している。ここでは走査検知格子ＡＧにより分割された二つの分光光束が、λ／４位相差プレートＷＰ１とＷＰ２を使うことにより左ないし右円偏光され、それにより同じく互いの間で直角に偏光される。この光学式位置測定装置変形例用の適切な検知ユニットは、例えばＤＥ２１２７４８３Ａの図１０で公知である。

付属する偏光状態を図４で同じくポワンカレ球に、点Π_−１とΠ_＋１として記入している。重ね合わせによりできる合成偏光状態Π_０は、ここでも相対的な位相状態に従って大円Ｇ上を動く。大円ＧがここではＸ’Ｙ’面にあるが、それは生成する偏光状態Π_−１とΠ_＋１の接続ラインに対して同じく直角である。この変形例では検知ユニットＤに、入射する直線偏光Π_０を４５°だけ回転するλ／２位相差プレートＷＰを含んでいる。検知ユニットＤは、その他は第一変形例のものと同一である。光電子式ディテクタ要素ＰＥ１〜ＰＥ４により検出される偏光状態Π１〜Π４は、次のとおりである：
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。

以上により纏めると、従来技術による偏光コード化された光学式位置測定装置では、重ね合わされた分光光束で一定の偏光状態が現れることが確認でき、それがポワンカレ図示では位置固定された大円Ｇに至る。位相のずれた走査検知信号（３×１２０°、４×９０°）は、光電子式ディテクタ要素を使って、全てが大円Ｇの面にある偏光状態を検知することにより生成する。

それにより光学式位置測定装置の或る種の新しい走査検知光学系に対しては、例えば出願人のＤＥ１０２０１００６３２１６．３で提案されているように制限が生じる。この走査検知光学系が優れていることの理由は、例えば基準尺または走査検知ユニット等のような光学式位置測定装置の構成部品が特定の移動または回転した後に、第二分光光束が、その前に第一分光光束が当たった光学式位置測定装置の各光学部品の同じ位置に衝突することである。光学式位置測定装置のそのような走査検知光学系を、以下において“分光関連配分しない走査検知光学系”としても呼ぶことにする。この種の分光関連配分しない走査検知光学系では偏光部品要素を、光学式位置測定装置の光路における規定位置で、常に第一または第二分光光束のみをコントロールするように配設することは不可能である。

本発明の課題は、光学式位置測定装置であり、それは偏光コード化されて位相のずれた走査検知信号を生成し、そして出来るだけ簡単に構成されているものである。

この課題を本発明により、請求項１の特徴を有する光学式位置測定装置により解決する。
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。

本発明による光学式位置測定装置は、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に適している。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る。その分割された分光光束が最終的に、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。分光光束の光路には偏光手段が配設されており、それに入射する分光光束に対するその偏光作用を、基準尺の運動自由度に沿って偏光周期を使って周期的に変更でき、そのとき偏光手段の偏光周期が第一格子の目盛周期より大きい。

検知ユニットが、合成光束の各任意偏光状態をポワンカレ球の三空間方向で明白に検知できるように構成されていると利点がある。
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。

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が得られると好ましい。
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。

可能性のある実施形態では偏光手段が、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。

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。

本発明による光学式位置測定装置の実施形態においては、光源から発光された光束が、走査検知プレート上で走査検知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基準尺上の基準尺格子に当たり、続いて再び走査検知格子の方向に進み、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。

そこで基準尺が、基板上で光学構造化され誘電性膜および光学構造化されたリフレクタを有する反射基準尺として構成されていることがあり、そのとき光学構造化されたリフレクタが偏光性高周波格子として構成されている。

本発明による光学式位置測定装置の別の実施形態においては、
− 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。

そこでリフレクタが、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１８０°回転する。
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。

第一格子の目盛周期に対する偏光手段の偏光周期の割合に対して、
Ｐ_Ｐ：＝偏光手段の偏光周期
ｄ_Ａ：＝走査検知格子の目盛周期
ｄ_Ｍ：＝基準尺格子の目盛周期
とするとき、
Ｐ_Ｐ／ｄ_Ａ＞１００
または
Ｐ_Ｐ／ｄ_Ｍ＞１００
が当て嵌まると好ましい。

本発明による光学式位置測定装置の変形例の重要な利点として、位相のずれた走査検知信号を偏光コード化して生成するために、基準尺と走査検知プレート間の走査検知光路において追加の偏光構成要素を必要としないことが挙げられる。本発明により設けられる偏光手段は、既に存在する構成部品に種々の実施形態で一体化することができる。結果として得られるのは、走査検知光学系の特に簡単な構成である。

更に本発明による走査検知光学系は、基準尺と走査検知プレートを熱膨張率の小さい材料でつくると、温度変動に対して特に高い安定性を有している。つまり、分光光束への分割からそれを一緒にするまでの走査検知光路において、別の光学的な構成要素がない。このような構成要素があれば、その熱的な膨張挙動または熱的な屈折率変化により分光光束間の位相ずれに影響を与え、それにより結果としての走査検知信号において熱に起因する位置ドリフトを引き起こすであろう。

本発明による光学式位置測定装置の別の変形例においては、従来技術で公知の走査検知光学系と較べて、特に簡単な光路構成が利点として得られる。
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。

本発明の更なる利点および詳細は、実施例について添付の図面を使った以下の説明から分かる。

図１ａは従来技術による光学式位置測定装置の第一変形例の走査検知光路を示す種々の外観図。図１ｂは従来技術による光学式位置測定装置の第一変形例の走査検知光路を示す種々の外観図。 図１ａ，１ｂによる公知光学式位置測定装置に対するポワンカレ図示。 図３ａは従来技術による光学式位置測定装置の第二変形例の走査検知光路を示す種々の外観図。図３ｂは従来技術による光学式位置測定装置の第二変形例の走査検知光路を示す種々の外観図。 図３ａ，３ｂによる公知光学式位置測定装置に対するポワンカレ図示。 図５ａは本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態の走査検知光路を示す種々の外観図。図５ｂは本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態の走査検知光路を示す種々の外観図。 図６ａは本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態の、基準尺の断面図および基準尺のリフレクタの上部外観図。図６ｂは本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態の、基準尺の断面図および基準尺のリフレクタの上部外観図。 本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態に対するポワンカレ図示。 図８ａは本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態変形例の走査検知光路を示す種々の外観図。図８ｂは本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態変形例の走査検知光路を示す種々の外観図。 本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態の走査検知光路を示す種々の外観図。 本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態の走査検知光路を示す種々の外観図。 本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態の走査検知光路を示す種々の外観図。 図１０ａは本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態の、リフレクタおよび基準尺の基準尺格子の上部外観図。図１０ｂは本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態の、リフレクタおよび基準尺の基準尺格子の上部外観図。 本発明による光学式位置測定装置の第二実施形態の、検知ユニットの概略的図示。 本発明による光学式位置測定装置の第三実施形態の、走査検知光路の概略的図示。 図１３ａは本発明による光学式位置測定装置の第三実施形態の、走査検知格子およびリフレクタの上部外観図。図１３ｂは本発明による光学式位置測定装置の第三実施形態の、走査検知格子およびリフレクタの上部外観図。

以下において図５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７を使い、本発明による光学式位置測定装置の第一実施例を説明する。ここで図５ａと５ｂは、本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態の走査検知光路を示す種々の外観図であり、図６ａ，６ｂは、本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態の、基準尺の断面図および基準尺のリフレクタの上部外観図を、図７は、本発明による光学式位置測定装置の第一実施形態に対するポワンカレ図示を示している。

図５ａ（基準尺３０までの走査検知光路）および５ｂ（基準尺３０からの走査検知光路）では、所謂リットロー発光器として構成されている本発明による光学式位置測定装置の走査検知光路を示している。これが意味することは、走査検知格子２１の形態をした第一格子に測定方向に対して直角に当たる平行光線の光源１０の光束が、基準尺格子３１の方に進む二つの対称な分光光束に分割されることである。それが、ここから反対方向にそれぞれ逆回折されるので、改めて走査検知格子２１での回折時に共直線で重ね合わせられる。そのとき測定方向で観察すると、基準尺格子３１に当たる分光光束の傾斜は、回折された分光のそれと一致している。

本発明による光学式位置測定装置を介することにより、少なくとも規定の測定方向ｘに沿って互いに移動自在で配設されている走査検知プレート２０と基準尺３０の相対位置を、互いの間で特定することができる。その場合に走査検知プレート２０を−図示していない−走査検知ユニットに、例えば光源１０および検知ユニット４０のような別の構成部品と一緒に配設していることがある。一方で走査検知プレート２０ないし走査検知ユニットそして他方で基準尺２０が、互いの間で可動でありその相対位置を特定する二つの対象物、例えば互いの間で移動自在の二つ機械部品と接続されている。本発明による光学式位置測定装置を介することにより、この対象物が相対移動するケースでは移動量に関係する走査検知信号が、周期的なインクリメント信号の形態で生成され、後続のエレクトロニクス機器に送られて更に処理される。

光源１０の平行光線化された非偏光光束は、走査検知プレート２０上で目盛周期ｄ_Ａを有する透過走査検知格子２１として構成されている第一格子で、まず＋１と−１次回折次数で分光光束に分割される。そしてこの光束は、基準尺３０上の基準尺格子３１の方向に進み、そこで互いの間で光線間隔Ｘ_Ａを有する衝突位置Ｑ_−１，Ｑ_＋１に衝突する。基準尺格子３１は測定方向ｘに沿って延伸しており、目盛周期ｄ_Ｍ＝ｄ_Ａ／２を有している。入射する分光光束は基準尺格子３１を介して、反射的に−１ないし＋１次回折次数で回折される、即ち、回折された分光光束は、それにより反対方向に逆に進むので、走査検知プレート２０の下側にある走査検知格子２１に改めて当たる。そこで二つの分光光束は、新たな−１ないし＋１次回折次数の回折により重ね合わされ、結果としての０次回折次数で合成光束として一緒になって現れる。合成光束は最終的に、移動量に関係して位相のずれた走査検知信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する検知ユニット４０に送られる。

二つの分光光束は、基準尺３０ないし基準尺格子３１の位置のみで空間的に分離しているので、基準尺格子３１は本発明により、それに入射する分光光束に対して衝突位置Ｑ_＋１，Ｑ_−１で局所的に異なった偏光特性を有している。それにより呈示の例では基準尺格子３１が位置Ｑ_＋１でＸ方向で偏光し、他方で位置Ｑ_−１ではＹ方向の偏光が生じる。これは、位置Ｑ_＋１で回折された分光が回折後にＸ方向で直線偏光を有しており、位置Ｑ_−１で回折された分光が回折後にＹ方向で直線偏光を有していることを意味している。このような形式と方法により、入射する二つの分光光束が互いの間で直角に偏光される。そして基準尺３０が光線間隔Ｘ_Ａ（＞＞ｄ_Ｍ）だけ移動すると、即ち、方向ｘにおける基準尺３０の移動量Δｘ_Ｍに対しΔｘ_Ｍ＝Ｘ_Ａが当て嵌まると、基準尺格子３１において＋１次回折次数で屈曲された分光光束が、位置Ｑ’_＋１＝Ｑ_−１で基準尺格子３１に当たるので、そこでＹ方向に偏光される。二つの分光光束が再び互いの間で直角な偏光を有するためには、位置Ｑ’_−１で基準尺格子３１がＸ方向で偏光せねばならない。よって基準尺格子３１は、光線間隔Ｘ_Ａでそれぞれ交互にＸとＹ方向で偏光せねばならない。以上により、間にある位置でも回折された分光光束の偏光方向の直角性に関する上述の条件を満たすために、基準尺格子３１は、位置ｘに周期的に関係する偏光方向Θ（ｘ）を有している：

よって、基準尺格子３１で回折された二つの分光光束の偏光方向が、互いの間で常に直角な状態にある：

従って、分割された分光光束での偏光方向を互いの間で常に直角を向けることは、分光光束において不変の偏光を設定する走査検知プレート２０と基準尺３０間で、光路にある別個の偏光構成要素による従来技術のようには行わない。それどころか本発明により、分割された分光光束における偏光状態を、好ましくは当該偏光手段の特定偏光周期Ｐ_Ｐで周期的に基準尺の運動自由度に沿って可変のものを、適切に構成された偏光手段を介して設定する。その場合には、二つの分光光束が互いの間で直角な偏光を有している、即ち、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ことが常に保証される。呈示の第一実施例では、適切に構成された基準尺格子３１ないし適切に構成された基準尺３０の特定要素が、この機能を担う偏光手段として機能する。

このために適しており対応する基準尺格子３１を備えた基準尺３０の実施例を、図６ａ（断面）および図６ｂ（リフレクタ３２の上部外観図）で示している。基準尺３０は、光学構造化された誘電性層３３と光学構造化されたリフレクタ３２で出来た基準尺格子３１を上に設けている基板３４で出来ている；このケースで云っているのは所謂、反射基準尺である。誘電性層３３は、ｄ_Ｍの周期性ないし目盛周期を有するステップ状の構造になっている。誘電性層３３の段高さｈ_Ｍは、段および隙間で現れる光波の間で１８０°の光学的な位相ズレが発生するような寸法になっている。誘電性層３３の段および隙間は、近似的に同じ幅である。リフレクタ３２は、金属層、例えばアルミ、銀または金で出来ており、λを光源１０の波長とすると、局所的に格子定数ｄ_Ｒ＜λ／２で光学構造化されている。よって、この実施例ではリフレクタ３２が偏光性高周波格子として構成されている。この種の高周波格子は０次回折次数のみを有しており、それに入射する分光光束に対するポラライザのように機能して、それにより反射される分光光束の偏光方向が衝突位置における高周波格子のライン方向と一致する。従ってその高周波格子が、この例で本発明により設けられる偏光手段として機能する。高周波格子の格子方向は、測定方向ｘないし基準尺延伸方向にそって周期的に、少なくとも近似的に上記の式１に相当して変化する。２×Ｘ_Ａの間隔で格子方向がそれぞれ再び一致する。以下においては間隔２×Ｘ_Ａを偏光周期Ｐ_Ｐとして表す。よって、光学構造化された誘電性の層３３と光学構造化されたリフレクタ３２でできており最終的に基準尺格子３１を具体化する基準尺側の組み合わせが、抑制された０次回折次数を有する位相格子のように機能し、そのとき＋１／−１次回折次数は位置に関係して異なって偏光される。よって、偏光手段−ないしは本実施例における高周波格子−の分光光束に対する機能を介して、それぞれ位置に関係し方向が変化する直線偏光状態が分光光束に生じる。ここでは即ち、高周波格子が入射する分光光束に対して、局所的に直線ポラライザとして機能する。

最初に挙げた特許文献２で公知の偏光性基準尺格子とは違って本発明では、基準尺格子の目盛周期ｄ_Ｍないし第一格子、即ち走査検知格子２１の目盛周期ｄ_Ａが、偏光周期Ｐ_Ｐ＝２×Ｘ_Ａと一致せず、ｄ_Ｍ＜＜２×Ｘ_Ａないしｄ_Ａ＜＜２×Ｘ_Ａが当て嵌まる。目盛周期ｄ_Ｍと偏光周期Ｐ_Ｐ＝２×Ｘ_Ａに対する代表的な値は、例えばｄ_Ｍ＝１〜１０μｍおよび２×Ｘ_Ａ＝０．５〜５ｍｍである；そしてｄ_Ａは、上記の関係により概ねｄ_Ａ＝２〜２０μｍの範囲にあるであろう。従って、第一格子−呈示例では走査検知格子２１−の目盛周期に対する偏光周期Ｐ_Ｐの割合は、Ｐ_Ｐ／ｄ_Ａ＞１００が当て嵌まる。以下で更に説明する実施例のように、目盛周期ｄ_Ｍを有する基準尺格子が、分光機能を備えた第一格子として機能する場合には、相当してＰ_Ｐ／ｄ_Ｍ＞１００が当て嵌まる。以上により偏光手段の偏光周期Ｐ_Ｐは、本発明により常に当該第一格子の目盛周期より大きい。偏光手段の偏光周期Ｐ_Ｐと第一格子の目盛周期間の割合をこのように選択することにより初めて、非常に高分解能の光学式位置測定装置を構成することが可能であり、その理由は、光束の拡がりを基準尺格子３１の目盛周期ｄ_Ｍより小さく選ぶ必要がなく、必要なことは偏光周期Ｐ_Ｐ＝２×Ｘ_Ａより遙かに小さいことのみであるからである。

二つの分光光束の偏光状態Π_−１ないしΠ_＋１は、本発明による光学式位置測定装置第一実施例に対しても、理解のためにポワンカレ図示上の点として表すことができ、それが図７で分かる。これらの偏光状態は、上記したリフレクタ構造により常に直線および直角な偏光状態であり、それによりＸ’Ｙ’面（赤道面）で直径方向で対向して表わされる。それらは、基準尺移動量Δｘ_Ｍに関係して赤道円周に沿って動く。偏光状態Π_＋１とＸ’軸間の角度は２Θ（Δｘ_Ｍ）である。二つの偏光状態Π_−１とΠ_＋１は、Δｘ_Ｍ＝２×Ｘ_Ａの基準尺移動量の時に赤道円を完全に通過する、即ち、基準尺格子３１が偏光周期２×Ｘ_Ａだけ移動した後に、再び同じ偏光状態が現れる。

基準尺が移動量Δｘ_Ｍだけ移動する時に二つの分光光束が、基準尺格子３１において局所的に異なる回折により互いの間で位相ズレを受ける。ここで現れる＋１と−１次回折次数の回折に対して、結果としての位相ズレは

である。
ここで量ＳＰ＝ｄ_Ｍ／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Π_０が規定の面で得られる。偏光状態Π_０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、

で与えられる。
大円Ｇの中で点Π_０の角度位置βは、位相ズレΔΦ（Δｘ_Ｍ）により次のように特定される：

位相変化ΔΦ＝２πの時に、偏光状態Π_０ないし相当する点が大円Ｇを丁度一周通過する。
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Ｐ_Ｐ＝２×Ｘ_Ａ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Ｐ_Ｐ＝２×Ｘ_Ａに対する代表的な値は、ＳＰ＝０．５〜５μｍと２×Ｘ_Ａ≒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Π_０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。

検知ユニット４０および後続の信号評価は、角度位置βを高い分解能δβで特定できるように構成している。これが、本発明による光学式位置測定装置の高い位置分解能δξ＝ＳＰ・（δβ／２π）を保証する（精密位置）。しかしながら幾つかのケースでは、角度位置αを同時に特定することが利点であることもある。これにより概略位置に対する情報が得られ、そのとき概略位置は偏光周期２×Ｘ_Ａ以内でアブソリュートである。複数周波数法によるアブソリュートの位置測定装置で公知であるように、高分解能で２×Ｘ_Ａ以内で明白な位置の値を生成するために、そのような概略位置を精密位置を伴う計算に利用することができる。場合によっては、更に追加の格子縞を基準尺３０に設けて走査検知することもあり、それにより演算の確実性を向上および／または明確な位置特定範囲を拡大する。このような形式と方法により、アブソリュートの位置特定を行うことができる。

本発明による光学式位置測定装置用検知ユニット４０の実施例を、図５ｂで図示している。その中で入力側に配設された分光格子４１が、入射する合成分光光束を６つの検知光束に分割する。これらは、ポラライザ４２．１〜４２．６に当たった後に、対応する光電子式ディテクタ要素４４．１〜４４．６により、移動量に関係する走査検知信号Ｓ１〜Ｓ６に変換される。ポラライザ４２．３と４２．４の前には、λ／４位相差プレート４３．３ないし４３．４が配設されており、それに入射する検知光束の左ないし右の円偏光を直線偏光に移す。ここでポラライザ４２．１，４２．２，４２．５，４２．６の偏光軸は、ｘ方向に対して０°、９０°、４５°ないし１３５°の角度で位置している。光電子式ディテクタ要素４４．１〜４４．６により検出された偏光状態Π１、Π２．．．Π６は、図７のポワンカレ図示において、
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。

よって、光電子式ディテクタ要素４４．１〜４４．６が、ポワンカレ球上の各任意の偏光状態Π１、Π２．．．Π６を明白に検出する。対応する信号が各軸方向Ｘ’，Ｙ’、Ｚ’で形成される：
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。

それとは違って従来技術による位置測定装置では偏光状態のみが生成され、そして固定の大円Ｇにある光電子式ディテクタ要素により明白に検出される。ディテクタ要素に関連配分されている偏光状態は、対応してこの大円上にある。大円の面の両側に対する偏光状態は、独自のディテクタ要素により検出されず、よって明白に区分することができない。これは特に、生成する二つの偏光状態Π_−１とΠ_＋１に当て嵌まる。従来技術によれば、大円Ｇの面にある二次元偏光状態のみが検知されるのに対して、本発明による位置測定装置の検知ユニット４０は、三次元偏光状態を検出する。

そのために検知ユニット４０は、６つの走査検知信号を生成するが、その理由は、ＡＣ信号部分の他にＤＣ信号部分も一緒に検出し、そしてこれを差異形成により除去せねばならないからである。そこで注意すべきことは、信号ペアＳ１，Ｓ２とＳ３，Ｓ４とＳ５，Ｓ６が、それぞれ所謂カウンタパルス信号を送り出すことであり、というのは、それらがポワンカレ図示で直径方向で対向する偏光状態を検知するからである。よって、ポワンカレ球の軸Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’に関連配分されているＡＣ信号Ｓ_Ｘ，Ｓ_Ｙ，Ｓ_Ｚは、

により形成される。
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：

そのとき、

および

式９において変数ｍは、値０または１をとることができる。ｍの値を変えるとＳ_αの符合が変わり、それにより本発明による光学式位置測定装置の測定方向が逆になるので、式９を初期化時にのみ使用すると利点がある。この曖昧さの理由は、大円Ｇのどの側（局所的な偏光状態面）に偏光状態Π_＋１があるのかが、一般的に未知であることにある。移動量Ｘ_Ａの移動後に現れるように、二つの偏光状態Π_−１とΠ_＋１を交換すると、同じ大円Ｇが得られる。

以上のように特定された角度位置βから最終的に、本発明による光学式位置測定装置の精密位置ξを特定することができる：

ここでＮは、インクリメントカウンタの値を表しており、通過する信号周期の数を公知の方法で計数する。精密位置ξを使って角度位置αを同じく、式４に相当して特定することができる：

式９を使う代わりに式１１により角度位置αを計算することは、式１１が明白な値を出すので、初期化の後では利点がある。しかしながらこれは、初期化の時に測定方向が明らかには確定しておらず、パラメータｍの選択に関係することを妨げるものではない。

初期化の時に値ｍを明白に選ぶことは、色々な方法で確実に行うことができる。一つには付属するアクチュエータを使って、初期化中に小さいプラス（又はマイナス）の位置移動量を生成し、本発明による光学式位置測定装置により測定することができる。位置の値の変化から、測定方向が対応してプラス（又はマイナス）になるように、ｍを特定することができる。例えばプラスの測定方向では式７〜９により、Ｓ_αがＳ_Ｚ＜０に対して増加し、Ｓ_Ｚ＞０に対して減少せねばならない。上記で述べているように、Ｓ_αの符合は選択するｍにより決まる。

代替として、角度位置αを特定するために追加の信号を生成することもある。図８ａ（基準尺３０’までの光路）および図８ｂ（基準尺３０’からの光路）で図示している第一実施例の変形例によれば、例えば光源１０’の非偏光または円偏光光束を、上記の基準尺格子３１’を備えた基準尺３０’に向けることができる。リフレクタ−図示していない−により直線偏光され０次回折次数で逆進する光束が、検知ユニット４０’に到達する。この中で光束が、分光格子４１’により三つの検知光束に分割され、ポラライザ４２．１’〜４２．３’を通過した後に、光電子式ディテクタ要素４４．１’〜４４．３’により検知される。ポラライザ４２．１’〜４２．３’の偏光軸は、互いの間で各６０°の角度で位置している。導出された信号Ｓ１’，Ｓ２’，Ｓ３’は、対向側で１２０°の位相ズレと２×Ｘ_Ａの信号周期を有するインクリメント信号を示し、それは基準尺３０’の偏光周期に相当している。公知の方法でそれからインクリメント位置ξ’を特定できるので、式１１を使うことにより角度位置αを明白に計算することができる。

本発明による光学式位置測定装置の第二実施例を、以下において図９ａ〜９ｃ，１０ａ，１０ｂ，１１を使って説明する。ここでは、出願人による例えばＷＯ２００８／１３８５０１Ａ１号またはＷＯ２００８／１３８５０２Ａ１号で提案されたような本発明による原理を、位置測定装置に利用している。当該形式の位置測定装置の特別な利点は、ＸとＹ方向で移動自在であるテーブルのＸＹ位置を、アッベの条件を維持しながら特に正確に測定できることにある。

図９ａ〜９ｃの光路図示によれば、該当する光学式位置測定装置を構成しているのは、定常位置の工具（例えば顕微鏡）と位置固定して接続している基準尺１３０および、テーブル１５０の側面に設けられている走査検知尺ないし走査検知プレート１２０である。平行光線化された光源１１０の非偏光または円偏光光束が、テーブル１５０の側面にある方向転換ミラー１６０により規定のＺ方向に方向転換されて、基準尺１３０と走査検知プレート１２０の重なり面に当たる。方向転換された光束は、走査検知プレート１２０の上側にある走査検知格子１２１の形態をした第一格子で、−１と＋１次回折次数の分光光束に分割される。二つの分光光束は、ここでは１８０°の位相変化量を有する透過位相格子として構成されている基準尺１３０の基準尺格子１３１に当たる。基準尺格子１３１の構造を、図１０ｂにおいて基準尺１３０の上部外観図で示している。基準尺格子１３１は、Ｘ方向に沿った目盛方向を有する周期的な格子構造とＹ方向で集束作用を有する回折円筒レンズの重ね合わせで出来ている。周期的な格子構造は、Ｘ方向で傾いた分光光束の方向を戻す作用をするので、分光光束は回折後にＺ方向（光学軸）に沿って延伸する。しかし同時に、回折円筒レンズはＹ方向で二つの分光光束を集束するので、基準尺１３０の背面側にその焦点を有している。そこで分光光束は、光学構造化されたリフレクタ１３２により反射されるが、それは第一実施例に類似して実施されており、そして二つの分光光束を互いの間で直角に直線偏光する；以上により呈示の例においても高周波格子が、本発明により二つの分光光束の光路において偏光手段として機能する。リフレクタ１３２の偏光周期は同じく、基準尺１３０ないし基準尺格子１３１上で分光光束の間隔Ｘ_Ａの倍の値に相当する。回折円筒レンズの中心に対して分光光束がＹ方向で相対的にずれていることにより、二つの分光光束はＹ方向でΔＹだけずれて再び基準尺格子１３１に当たる。そこで再び平行光線化され、走査検知プレート１２０の走査検知格子１２１により重ね合わせられて、−Ｚ方向に出て行く。分光光束は、方向転換ミラー１６０で方向転換された後に、検知ユニット１４０に到達する。六つの光電子式ディテクタ要素１４４．１〜１４４．６を備えた検知ユニット１４０が第一実施例のように、種々の偏光状態Π１〜Π６に相当する六つの走査検知信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する：
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。

信号評価は、同じく第一実施例に相当して行う。
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。

更に、方向転換ミラー１６０から検知ユニットまでの空間における小さい粒子が、全ての走査検知信号Ｓ１〜Ｓ６に同等に影響するので、ＤＣ信号部分（直流信号部分）が式６による差異形成により精密に除かれたままである。その結果は、非常に小さい補間誤差となる。

本発明による光学式位置測定装置の第三実施例を、図１２，１３ａ，１３ｂに図示しており、以下において説明する。同じく、先の実施例に対する大きな違いのみを取り扱う。
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。

この走査検知光学系は、回転対称であることにより走査検知ユニットの各任意角度位置Ｒｚ（Ｚ軸を中心にした回転）で基準尺格子２３１に対して相対的に、結果として生じる位置誤差なしで基準尺格子２３１を走査検知することができる。非偏光または円偏光光源２１０の平行光線化された光束が、光学軸（−Ｚ軸）に沿って直角に第一格子、即ち基準尺２３０の基準尺格子２３１に向けられる；よって、この実施例では基準尺格子２３１が、走査検知光路における第一格子として機能し、それが光源から入射する光束を二つの分光光束に分割する作用を行う。基準尺格子により＋１と−１次回折次数で回折され反射された分光光束は、引き続いて走査検知格子２２１に当たる。図１３ａの上部外観図で分かるように、走査検知格子２２１は回転対称の構造を有しており、放物線格子位相Φ_ＡＧ（ｘ，ｙ）により

のように説明することができ、
そのときＤ_Ｇ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；ｎ_Ｇは、走査検知格子２２１とリフレクタ２２５間の屈折率である。

走査検知格子２２１とリフレクタ２２５間の最適間隔Ｄ_Ｇは、

により特定され、そのときＤ_Ａは、Ｚ方向で走査検知格子２２１と基準尺格子２３１間の間隔を表している。
放物線格子位相Φ_ＡＧ（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。

そして二つの分光光束は改めて走査検知格子２２１に当たり、そこで再び平行光線化され、基準尺格子２３１の目盛方向に向けられる。基準尺格子２３１での回折により二つの分光光束は、重ね合わせ乃至再び一緒にされて合成光束になる。そして合成光束は、光学軸（Ｚ軸）に沿って分光器２５０の方に逆に進み、それが合成光束を検知ユニット２４０に送る。

この例で二つの分光光束の偏光コード化は、図１３ｂの上部外観図で図示していると共に光学構造化された金属フィルムの形態で構成されている高周波格子として、リフレクタ２２５を構成することにより行う。よって偏光手段として機能するのは、高周波格子として構成されたリフレクタ２２５である。リフレクタ２２５により反射された分光光束は、局所的な格子線に沿って直線偏光される。リフレクタ２２５は、対向する位置Ｑ_−１とＱ_＋１において格子線が常に互いの間で直角となるように設計されている。それにより二つの分光光束は常に、互いの間で直角に直線偏光される。従って、この実施例でも偏光手段として機能するのは、適切に構成された高周波格子である。高周波格子の基礎になる格子位相Φ_Ｐ（ｘ，ｙ）は、次の関係に従って特定することができる：

そのとき半径ｒ_１は、高周波格子における二つの分光光束のラジアル方向衝突箇所を、ｄ_Ｐは高周波格子の局所的格子定数を表している。
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。

本発明による光学式位置測定装置におけるこの実施形態の走査検知光学系の特別な利点は、大抵、モワレ角として表される走査検知ユニットと基準尺の無制限の回転角Ｒｚにある。この角度を走査検知ユニットと基準尺が回転しても、測定時に位置誤差が生じない。更に格子位相Φ_Ｐ（ｘ，ｙ）の最適設計時には、その他の取付許容差（Ｒｘ、Ｒｙ傾斜、ｚ走査検知間隔）も殊のほか大きいことが分かった。

先に説明した第三実施例においてリフレクタ２２５ないし相当する高周波格子は、直線ポラライザの機能を局所的に有している。それは更に、衝突する二つの分光光束の間隔において、この局所的直線ポラライザが互いの間で直角となるように構成されている。まず非偏光または円偏光の分光光束が、それにより互いの間で直角に偏光されるので、検知ユニット２４０は最大コントラストの走査検知信号を送出する。尤もそのとき、分光光束の光線出力の半分が吸収され、信号生成のためには使用されない。よって更に利点があるのは、本発明による光学式位置測定装置の第三実施例の変形例において、円偏光の光源を設けることであり、そして高周波格子を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、つまり主軸が格子線により特定されているλ／４位相差プレートのように機能させるように、リフレクタの高周波格子構造を選択することである。それにより、入射する円偏光の分光光束は僅かな光線出力損失で、直線偏光の反射分光光束に変換される。そのとき直線偏光は位相差の符合に従い、格子線に対して＋４５°または−４５°の角度にある。そして二つの分光光束の直角性は同じく、対向する位置Ｑ_−１とＱ_＋１において格子線が互いの間で直角である時に達成される。よって格子線は同じく、図１３ｂにある実施例に相当して延伸している。高周波格子の局所的格子定数、そして格子線高さと幅および使用する格子材料、好ましくは高屈折率層のみを適切に合わせねばならない。偏光周期Ｐ_Ｐ＝２×Ｘ_Ａを以上に格子線ないし局所的な格子方向は、連続的に１８０°回転する。

本発明による光学式位置測定装置の第三実施例で利点ある別の変形例においては、直線偏光の光源を設けており、そしてリフレクタの高周波格子を、主軸が同じく格子線により特定されているλ／２位相差プレートのように局所的に作用するように構成している。入射する直線偏光の分光光束の直線偏光方向は、それにより偏光方向に回転される。そのとき回転角は、入射する分光光束の直線偏光方向と格子線の方向間で回転角の倍の値に等しい。出て行く二つの分光光束が互いの間で直角に偏光されているためには、格子線が衝突位置Ｑ_−１とＱ_＋１において互いの間で４５°の角度でなければならない。格子線ないし局所的な格子方向は偏光周期Ｐ_Ｐ＝２×Ｘ_Ａ以上に、このケースでは連続的に９０°回転する。隣接する偏光周期で格子線を連続的にそれぞれ更に９０°回転すると勿論、利点がある。

検知ユニットの設計および信号の評価は、この変形例に対しても先の実施形態と同一である。
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。

本発明による光学式位置測定装置で説明している実施例においては、干渉する二つの分光光束の偏光状態Π_−１とΠ_＋１が、基準尺の特定位置変化と共に周期的に変化する。この位置変化を、偏光感応の位置変化として表すことにし、それは当該基準尺の移動または回転でもある。そのとき偏光感応の位置変化は、当該測定方向に沿った位置変化と一致してはならない。

本発明による光学式位置測定装置の第二実施例において、走査検知プレートに偏光高周波格子が付いている時に、および二つの分光光束が光路経過において走査検知プレートの位置で分離している時に、偏光感応の位置変化を走査検知プレートに関連付けていることもある。走査検知プレートと基準尺の役割は、このような形式の変形例で入れ替わっている。

説明している実施例では偏光状態Π_−１とΠ_＋１が常に、ポワンカレ球の赤道上、即ち、直線偏光状態の位置にあり、基準尺で偏光感応の位置変化時に赤道の回りで移動する。基本的に本発明の範疇では、分光光束の偏光状態がポワンカレ図示における任意の場所で対向していると共に基準尺で偏光感応の位置変化時に任意直交線上で移動するように、光源の偏光および／または高周波格子リフレクタの局所的位相差作用を選ぶことが可能である。この直交線には、偏光状態＋ＰＺおよび−ＰＺを含んでいることもある。大円、即ち局所的偏光状態面は、−上記しているように−偏光状態Π_−１とΠ_＋１の接続ラインに対して常に直角にあり、それにより対応した方向となる。合成光束の偏光状態は、検知ユニットにより明白に特定される。導き出された走査検知信号の評価は勿論、選択した直交線に合わされていなければならない。そのために、合成光束の偏光状態の関数としての導き出された走査検知信号、そして同じく基準尺の色々な位置変化の関数としてのこれらを説明し、式７〜９に相当する測定走査検知信号の関数として、求めた位置変化に従ってこれらの式を解く。

合成光束の偏光状態は、基準尺で十分に大きな位置変化が認められている場合には、ポワンカレ図示において球面全体を占めることがある。そのために検知ユニットは、十分な数の走査検知信号を用意せねばならない。ポワンカレ球の三空間方向を区分するために、偏光状態が関連配分されている少なくとも三つのディテクタ要素が不可欠であるが、それらはポワンカレ図示において一つの面にあってはならない。追加のディテクタ要素を設けていると利点があり、それは変調されたＡＣ信号部分（交流信号部分）からＤＣ信号部分を分離することも更に可能にする。最も簡単なケースでは一つの追加ディテクタ要素を使用して、その関連配分された偏光状態が別のディテクタ要素のそれに対向している。よって、二つのディテクタ要素がカウンタパルス信号を送り出し、それから合計形成によりＤＣ信号部分を特定することができる。そしてこのＤＣ信号部分が走査検知信号すべてから除かれるので、必要とするＡＣ信号部分のみが残り、更に処理される。しかしながら最適の検知ユニットにおいては、上記で説明した実施例に対応して六つの走査検知信号が設けられるので、ポワンカレ球の各空間方向に対してそれぞれ一対のカウンタパルス信号が生成される。合成偏光状態を特定する精度、それにより補間精度を向上するために、勿論、別の偏光状態に対して更に走査検知信号を発生することも基本的に可能である。例えば、前にポラライザを接続していないディテクタ要素によっても、ＤＣ信号（直流信号）を生成することもあり、それを別のディテクタ要素の信号から対応して除く。

更に勿論、第二実施例においてリフレクタの代わりに、基準尺格子を偏光光学的に構成することも可能である。偏光光学的透過格子のそのような構成は、それぞれλ／４位相差プレートに相当するが互いの間で１８０°の位相変化量を有している高周波格子の二つの種類を選択することにより得ることができる。この二つの種類を図１０ｂにある構造に相当して交互に配設し（ハッチング：種類１、ハッチングなし：種類２）、そのとき光線間隔Ｘ_Ａで再び直角の偏光が発生するように、目盛方向Ｘを超えて高周波格子の方向を変える。このケースでリフレクタは、光学構造化されていない反射層として構成されている。同様にして第三実施例においても、走査検知格子２２１を対応する偏光光学的透過格子で置き換えることができる。上記説明した高周波格子の二つの種類は、図１３ａにある構造に従って配設する。そのとき高周波格子の方向は、図１３ｂによる方位角方向に回転する。このケースでリフレクタ２２５は、同じく光学構造化されていない反射層として構成されている。一般的に位置測定装置の光路における二つの分光光束の直角偏光は、二つの分光光束が局所的に分離されている各任意位置で設けることができる。

二つの分光光束の偏光状態をコントロールするために、高周波格子の代わりに別の偏光光学構成要素、例えばプラスチック位相差プレートまたはプラスチックポラライザ、金属ナノ粒子を有する層を使用することもある。偏光特性と位置との関係は、例えばプラスチック分子ないしナノ粒子のような偏光光学要素で、対応する位置関係する方向により生じることがある。

高周波格子の製造は、統一的な層高さ、エッチング深さ、層材料のような境界条件により簡単化することができるので、二つの分光光束を互いの間で正確に直角に偏光するのではなく直角性からの一定程度の偏差を許容することが、しばしば利点となる。走査検知信号の十分な変調度が、二つの分光光束の偏光状態に対しても与えられ、それはポワンカレ図示において最適の１８０°の代わりに９０°〜２７０°の範囲に互いの間でずれている。

Ａ 走査検知プレート
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)

1. 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（Ｐ_Ｐ）を使って周期的に変更でき、偏光手段の偏光周期（Ｐ_Ｐ）が第一格子の目盛周期（ｄ_Ａ；ｄ_Ｍ）より大きいことを特徴とする、光学式位置測定装置。
2. 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明白に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。
3. 前記請求項の少なくとも一つ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。
4. 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。
5. 前記請求項の少なくとも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。
6. 前記請求項の少なくとも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。
7. 請求項１〜４の少なくとも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。
8. 請求項１〜４の少なくとも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。
9. 前記請求項の少なくとも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。
10. 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。
11. 請求項１〜８の少なくとも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。
12. 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（Ｐ_Ｐ）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。
13. 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（Ｐ_Ｐ）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。
14. 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（ｄ_Ａ；ｄ_Ｍ）に対する偏光手段の偏光周期（Ｐ_Ｐ）の割合に対して、
    Ｐ_Ｐ：＝偏光手段の偏光周期
    ｄ_Ａ：＝走査検知格子の目盛周期
    ｄ_Ｍ：＝基準尺格子の目盛周期
    とするとき、
    Ｐ_Ｐ／ｄ_Ａ＞１００
    または
    Ｐ_Ｐ／ｄ_Ｍ＞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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