JP2016166874A - 光学式角度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成要素の位置決めの許容差を大きくする光学式角度測定装置を提供する。【解決手段】第１の物体に結合する円筒形の目盛キャリア１０と第２の物体に結合する走査ユニット２０とを含む。目盛キャリアの一部分に沿って円筒周囲に透過型測定基準器１１が配置される。第１及び第２の物体は回転軸線Ｒを中心に相対回動可能に配置される。走査ユニットの光源２１から出射の光線束は分光素子２３にて２つの部分光線束３０に分光され、測定基準器１１の第１測定基準器領域を通過して各々回転軸線方向に偏向され、円筒形目盛キャリア内を伝搬する部分光線束３１となり、回転軸線で交差後、第２測定基準器領域に入射して収束しながら結合素子２４の方向に伝播する部分光線束３２となり、結合素子２４で偏向される。結合素子で重畳される干渉し合う部分光線束３２の対が１つの信号光線束３３となって、後方に設置された検出ユニット２５の方向に伝播する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の光学式角度測定装置に関する。この光学式角度測定装置は、回転軸線を中心として互いに相対的に回動可能に配置された２つの物体の相対位置を高精度に決定するために適している。

このような角度測定装置が欧州特許出願公開第０２６２３４９号明細書により既知である。この角度測定装置は、第１の物体に結合された円筒形の目盛キャリアを含み、この目盛キャリアには少なくとも一部分に沿って透過型の測定基準器が円筒の周囲に配置されている。さらに第２の物体に結合された走査ユニットには、光源および検出ユニットが設けられている。第１および第２の物体は、回転軸線を中心として互いに相対的に回動可能に配置されている。直交方向に向かい合った測定基準器領域を光学式に走査することにより、互いに相対的に回動可能な物体の角度位置に関する測定値が生成される。選択された走査原理に基づいて、円筒形の目盛キャリアの内部を伝搬する部分光線束は回転軸線において交差する。

このように構成された光学式角度測定装置により、例えば円筒形の目盛キャリアが誤って、あるいは不正確に中央に位置決めされたことに起因する位置決定におけるエラーを防止することができる。さらに、このような角度測定装置では、軸線方向、すなわち回転軸線の長手方向に、種々異なる構成要素が大きく相対変位されることが許容され、その際に測定エラーが生じないという基本的な利点が得られる。

欧州特許出願公開第０２６２３４９号明細書の図２により既知の解決方法では、円筒形の目盛キャリアの内部に平行な２つの平面鏡を配置する必要があり、これらの平面鏡には信号を生成するために使用される部分光線束がそれぞれ複数回にわたって入射する。しかしながら、このような光学式角度測定装置を組み付ける場合に、両方の平面鏡を正確に平行に配置するためには比較的手間がかかることが判明している。測定時で平面鏡が定格位置からわずかに傾斜しただけでも、生成される信号の調整度合は著しく劣悪になる。

図３に提案されている欧州特許出願公開第０２６２３４９号明細書による解決方法では、円筒形の目盛キャリアの内部には、２つの平面鏡の代わりに２つの回折格子が配置されている。この解決方法においても調整にかかる手間が大きい。さらに、必要とされる偏向作用のために、極めて小さい目盛周期を備える回折格子が必要となり、このような回折格子を製造するためには極めて大きい手間がかかる。

欧州特許出願公開第０２６２３４９号明細書

本発明の基礎をなす課題は、冒頭に挙げた形式の光学式角度測定装置において、走査光路における個々の構成要素の正確な位置決めに関して、できるだけ大きい許容差を備え、容易に製造できる構成要素を含むものを形成することである。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴を備える光学式角度測定装置によって解決される。

本発明による光学式角度測定装置の有利な構成が、従属請求項に記載の手段により得られる。

本発明による光学式角度測定装置は、第１の物体に結合された円筒形の目盛キャリアと、第２の物体に結合された走査ユニットとを含み、目盛キャリアの少なくとも一部分に沿って円筒の周囲にわたって透過型の測定基準器が配置されており、走査ユニットが光源および検出ユニットを備え、第１の物体および第２の物体は、回転軸線を中心として互いに相対的に回動可能に配置されている。直交方向に向かい合った測定基準器領域を光学式に走査することにより、互いに相対的に回動可能な２つの物体の角度位置に関する測定値が生成される；この場合、円筒形の目盛キャリアの内部を伝搬する部分光線束は回転軸線で交差する。さらに走査ユニットは、光源から入射する光線束を少なくとも２つの部分光線束に分光する分光素子を備える。これらの部分光線束は第１測定基準器領域に入射し、第１測定基準器領域でそれぞれ回転軸線の方向に偏向される。さらに走査ユニットは結合素子を含み、結合素子は、第２の測定基準器領域に入射した後に収束し、結合素子に入射する部分光線束を偏向し、干渉し合う部分光線束の対は検出ユニットの方向に伝播する。

有利には、分光素子は分光用回折格子として構成されており、測定基準器の前方に配置されており、入射する光線束を、少なくとも２つの異なる回折次数で回折された部分光線束に分光し、これらの部分光線束は第１測定基準器領域の方向に伝播する。

この場合、分光用回折格子を、０次の回折次数を抑制する位相格子として構成することも可能であり、得られた＋／−１次の回折次数は、信号を生成するために使用される部分光線束として機能する。

この場合、分光用回折格子の目盛周期について関係式：

が成り立ち、
ｄ_Ａは、分光用回折格子の目盛周期であり、
Ｄは、分光素子と回転軸線との間隔であり、
Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である。

この場合、分光用回折格子は振幅格子として構成されていてもよく、振幅格子に入射する光線束が回折格子垂線に対して０°に等しくない角度で入射し、得られた０次の回折次数および得られた＋１次の回折次数が、信号を生成するために使用される部分光線束として機能するようにしてもよい。

この場合、分光用回折格子の目盛周期ついて関係式：

が成り立ち、
ｄ_Ａは、分光用回折格子の目盛周期であり、
Ｄは、分光素子と回転軸線との間隔であり、
Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である。

したがって、結合素子が測定基準器の後方に配置されており、分光素子と同一に構成されていることも可能であり、測定基準器に対して同じ間隔をおいて配置されていることも可能である。

可能な一実施形態では、結合素子は位相格子として構成されており、回折された部分光線束の＋２次および０次、＋１次および−１次、−２次および０次がそれぞれ互いに干渉し合い、複数の光検出器を備える検出ユニットに対して平行に伝播し、検出ユニットにより、位相をずらされ複数の走査信号が生成される。

さらに、結合素子は回折格子として構成されていてもよく、この回折格子により回折された部分光線束は、構造化された光検出器を備える検出ユニットに所定の角度で入射する。

最終的に、測定基準器の目盛周期について、関係式：

が成り立ち、
ｄ_Ｍは、測定基準器の目盛周期であり、
Ｒは、円筒形の目盛キャリアの半径であり、
Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である。

別の一実施形態では、測定基準器は、
第１測定基準器領域に入射する少なくとも２つの部分光線束がそれぞれ＋／−１次に回折され、＋１次に回折された部分光線束および−１次に回折された部分光線束が回転軸線の方向に伝播し、
第２測定基準器領域に入射する少なくとも２つの部分光線束がそれぞれ＋／−１次に回折され、＋１次に回折された部分光線束および−１次に回折された部分光線束が結合素子の方向に伝播するように構成されていてもよい。

測定基準器が、０次の回折次数を抑制する位相格子として構成されている場合には有利であることが判明している。

別の一実施形態では、目盛キャリアが透明な中実円筒体として構成されており、この中実円筒体の外周面に測定基準器が配置されており、部分光線束の光路において、入射される第１測定基準器領域の前方ならびに入射される第２測定基準器領域の後方に、変形された部分光線束の波面を平坦な波面に変えるそれぞれ１つの光学補正素子が配置されていることも可能である。

有利には、光源から放出された光線束はコリメータ光学系を介してコリメートされ、
コリメーションは、放出された光線束が分光素子に入射する前に行われ、
行われたコリメーションは、信号の生成に直接に貢献しない部分光線束が弱められ、信号を生成する部分光線束と重ならないように構成されている。

さらに目盛キャリアは、外周面に測定基準器が配置された透明の中空円筒体または透明な中実円筒体として構成されていてもよい。

本発明による光学式角度測定装置では、光学式角度測定装置が走査光路の個々の構成要素の正確な配置に関して大きい許容差を備えていることが特に有利であることが判明している。特に、走査ユニット内に測定基準器に対して相対的に配置される分光素子および結合素子の位置決めはさほど決定的ではない。

本発明に基づいて、大きい目盛数を備える円筒形の小型の目盛キャリアを含み、同時に大きい組付け許容差を有する光学式角度測定装置を実現することができる。

さらに円筒形の目盛キャリアの外側に分光素子および結合素子を配置することにより、大きい目盛周期を備え、より小さい製造コストを必要とする格子を使用することができる。

次に本発明による装置の実施例を図面に関連して説明し、本発明のさらなる詳細および利点を明らかにする。

本発明による光学式角度測定装置の第１実施例を示す概略図である。 透過型位相格子によって位相をずらされた３つの信号を生成するための第１実施例の一実施形態を示す部分図である。 構造化された検出器で走査されるストライプパターンを生成するための第１実施例の別の実施形態を示す部分図である。 第１実施例の別の実施形態を示す部分図である。 本発明による光学式角度測定装置の第２実施例を示す概略的な部分図である。

本発明による光学式角度測定装置の第１実施例が図１に概略的に示されている。この光学式角度測定装置は、円筒形の目盛キャリア１０を含む。目盛キャリア１０は、本実施例では適切なプラスチック材またはガラス材、例えばＢＫ７ガラスからなる透明な中空円筒体として構成されており、第１の物体（図示しない）に結合されている。少なくとも円筒体の長手方向軸線に沿った一部分において、目盛キャリア１０の円筒の周囲にわたって中空円筒体の外周面に透過型の測定基準器１１が配置されている。この場合、測定基準器１１の目盛の長手方向は円筒の長手方向軸線に対して平行であり、したがって、図平面に対して垂直方向に配向されている。本実施例では測定基準器１１として、目盛周期ｄ_Ｍを備える位相格子が設けられており、この位相格子は、０次の回折次数が抑制されるように構成されている。

さらに本発明による光学式角度測定装置は、第２の物体（同様に図示しない）に結合された走査ユニット２０を含む。走査ユニット２０は、光源２１、コリメータ光学系２２、分光素子２３、結合素子２４、および検出ユニット２５を備える。

第１および第２の物体もしくは円筒形の目盛キャリア１０および走査ユニット２０は、回転軸線Ｒを中心として互いに相対的に回動可能に配置されている。例えば、第１の物体もしくは円筒形の目盛キャリア１０は回転軸線Ｒを中心として回動可能であり、これに対して第２の物体もしくは走査ユニット２０は不動に配置されている。図１に示すように、回転軸線Ｒは、目盛キャリア１０の円筒の長手方向軸線と一致する。

２つの物体は、例えば互いに回動可能に配置された機械構成要素であってもよく、これらの機械構成要素の相対位置が本発明による光学式角度測定装置によって決定される。角度測定装置によって生成される走査信号は、互いに回動可能な２つの物体の角度位置に関する測定値に変換することができる。これは、例えば図１に示すように検出ユニット２５の後方に配置された信号処理ユニット２６によって行ってもよい。これらの測定値を用いて、上位の機械制御部により、例えば物体の位置決めを行う。

次に、本発明による光学式角度測定装置の第１実施例における走査光路を説明する。この走査光路を介して角度に依存した走査信号が生成される。

光源２１、例えばレーザダイオードから中央軸線Ａに沿って放出された光線束は、走査ユニット２０においてまずコリメータ光学系２２を通過し、これによりコリメートされ、次いでコリメートされた光線束は、別の光路に配置された分光素子２３に入射する。分光素子２３は光線伝搬方向に測定基準器１１の前方に配置されている。分光素子２３によって、入射した光線束は少なくとも２つの部分光線束３０．１，３０．２に分光され、これらの部分光線束はそれぞれさらに測定基準器１１の方向に伝播し、測定基準器１１の第１測定基準器領域に入射する。

本実施例では分光素子２３は、目盛周期ｄ_Ａを備える透過型位相格子の形態の分光用回折格子として構成されている。この透過型位相格子は、入射した光線束を少なくとも２つの異なる回折次数で回折された部分光線束３０．１，３０．２に分光する。本実施例では、分光素子２３として使用される位相格子は０次の回折次数を抑制し、＋／−１次の回折次数は、信号を生成するために使用される部分光線束３０．１，３０．２として機能し、第１測定基準器領域の方向に伝播する。

次いで部分光線束３０．１，３０．２は、測定基準器１１の第１測定基準器領域を通過する場合にそれぞれ回転軸線Ｒの方向に、もしくは中央軸線Ａの方へ屈折する。このことは、０次の回折次数を抑制し、まず＋／−１次の回折次数に屈折させる透過型位相格子として測定基準器１１を構成することによって確保される。このようにして、部分光線束３０．１によって測定基準器１１において得られた＋１次の回折次数が、信号を生成するために使用する部分光線束３１．１として使用され、部分光線束３０．２によって測定基準器１１において得られた−１次の回折次数が、信号を生成するために使用される部分光線束３１．２として使用される。さらに測定基準器１１において得られた部分光線束３０．１の−１次の回折次数もしくは部分光線束３０．２の＋１次の回折次数は、図１にはまだ示されているが、これらの回折次数は、回転に依存した走査信号の生成にはもはや貢献しない。

回折された部分光線束３１．１，３１．２は、次いでそれぞれ中央軸線Ａに対して対称的に回転軸線Ｒの方向に伝播し、回転軸線Ｒで交差し、さらに円筒形の目盛キャリア１０の第２測定基準器領域の方向に伝播する。この場合、第２測定基準器領域は、分光された部分光線束３０．１，３０．２が測定基準器１１においてまず通過する第１測定基準器領域に対して半径方向にちょうど向かい側に位置する。第２測定基準器領域では、部分光線束３１．１，３１．２は新たに測定基準器１１を通過し、この場合に偏向され、測定基準器１１の第２測定基準器領域に入射した後の両方の部分光線束３２．１，３２．２は収束し、光線伝搬方向に測定基準器１１の後方に配置された結合素子２４に入射する。第１測定基準器領域を通過する場合と同様に第２測定基準器領域においても、入射する部分光線束３１．１，３１．２が＋／−１次の回折次数に再び分光され、これらの回折次数のうち、信号を生成するためには部分光線束３１．２の＋１次の回折次数のみが使用されるか、もしくは部分光線束３１．１の−１次の回折次数のみが使用される。

信号を生成するために使用される部分光線束３２．１，３２．２は収束しながら結合素子２４の方向に伝播し、結合素子２４で重畳される。結合素子２４に入射する部分光線束は結合素子２４によって偏向され、干渉し合う部分光線束の対は１つの信号光線束３３として、後方に配置された検出ユニット２５の方向に伝播する。例えば、１つ以上の光検出器として構成された検出ユニット２５によって、回転軸線Ｒを中心として目盛キャリア１０もしくは測定基準器１１が回転された場合に、重畳された部分光線束の干渉により周期的な走査信号が検出される。次いで、信号処理ユニット２６によって、これらの走査信号から、互いに回動可能な物体の角度位置に関する測定値を得ることができる。

信号を生成するために使用される部分光線束３０．１，３０．２，３１．１，３１．２，３２．１，３２．２が中央軸線Ａに対して対称的に伝搬する本実施例では、結合素子２４は分光素子２３と同一に構成されている；さらに結合素子２４は、測定基準器１１に対して分光素子と同じ間隔で配置されている。したがって、０次の回折次数を抑制し、＋／−１次の次数に回折する透過型位相格子の形態の分光用回折格子が設けられている。この位相格子の目盛周期ｄ_Ｖは、分光素子２３として使用される位相格子の目盛周期ｄ_Ａと同一に選択される。

補間のために、位相をずらされた複数の走査信号を生成する場合、本発明による光学式角度測定装置では既知の複数の方法を使用することができる。

欧州特許出願公開第１６３３６２号により既知の方法に依拠して、例えば結合素子を、位相位置が互いにずらされた３つの光線束に分光する２値の透過型位相格子として構成することもできる。この場合、位相格子は、位相変位作用が異なる周期的に配置された目盛領域からなる。第１実施例の実施形態に対応する光路が図２ａに示されている。結合素子３２４によって回折された部分光線束３３２．１および３３２．２の＋２次／０次、＋１次／−１次、および−２次／０次の次数がそれぞれ重畳され、それぞれに干渉し合い、複数の光検出器３２５．１〜３２５．３を備える検出ユニットに対して平行に伝播し、これらの光検出器によって、位相をずらされた複数の走査信号が生成される。２値の透過型位相格子として構成された結合素子３２４の目盛周期ｄ_Ｖは、分光素子（図示しない）の目盛周期ｄ_Ａに対して等しく選択される。次の方程式（１）を考慮して、例えばそれぞれ１２０°だけずらされた３つの走査信号を生成することができる：

τは、目盛周期ｄ_Ｖと比較して一定の遅れ位相を備える目盛領域の相対的な幅であり、
φは、位相格子の両方の２値の目盛領域の相対的な位相遅れである。

位相をずらされた複数の走査信号を生成するための別の可能性は、例えばヴェルニエ・ストライプパターン（Vernier-Streifenmuster）を生成することである。測定されるべき円筒形の目盛キャリアもしくは測定基準器の回転が、ここではいわゆる「構造化された光検出器」として構成された検出ユニットにおけるヴェルニエ・ストライプパターンの移動をもたらす。構造化された光検出器によってヴェルニエ・ストライプパターンの位相位置を測定し、続いて評価することにより、測定されるべき回転位置を直接に補間し、決定することが可能になる。第１実施例のこのような実施形態の検出側の光路が図２ｂに概略的に示されている。結合素子４２４から来た部分光線束４３３．１および４３３．２が、構造化された光検出器４２５において角度αで交差した場合に、周期ｄ_Ｄを備えるヴェルニエ・ストライプパターンが生成され、次の関係式（２）：

が成り立ち、
λは、使用される光の波長、
αは、入射した部分光線束が、構造化された光検出器において交差する角度、
ｄ_Ｄは、ヴェルニエ・ストライプパターンの周期である。

ヴェルニエ・ストライプパターンの所望の周期ｄ_Ｄに応じて、構造化された光検出器４２５に入射する２つの部分光線束４３３．１，４３３．２の間に必要な角度αを結合素子４２４によって実現することができる。この場合にも、回折格子として構成された結合素子４２４については、＋１次および−１次の次数で回折された部分光線が、結合素子４２４に入射する部分光線束４３２．１および４３２．２と適切な角度αで交差するように、結合素子４２４の目盛周期を適宜に選択する必要がある。

位相をずらされた走査信号を生成するこれら２つの実施形態に対して代替的に、本発明による光学式角度測定装置では、偏光を行う構成部材、例えば偏光器および／またはλ／４波長板を走査光路に挿入し、互いに直交方向に偏光された部分光線束を生成することもできる。２つの部分光線束が重畳された後に、既知のように同様に位相をずらされた走査信号を生成することができる。

上記走査光路を介して、本発明による光学式角度測定装置では回転に依存した周期的な走査信号が生じ、この走査信号の信号周期ＳＰは、使用される測定基準器１１の目盛周期ｄ_Ｍの倍数に対応する。

本発明による光学式角度測定装置では、所定の部分光線束のみが干渉し合い、検出ユニット２５によって検出されることに基づいて信号が生成されることが重要である。この場合、上述のように分光素子２３、測定基準器１１、および結合素子２４において生じるそれぞれの回折次数が問題となる。さらに他の部分光線束、例えば他の回折次数の部分光線束が検出ユニット２５に入射した場合には、生成される走査信号の変調度は低下し、劣悪な走査信号が生じる。このような不都合な部分光線束を検出ユニット２５に到達させないようにする可能性は、分光素子２３および／または結合素子２４の位置、ならびに目盛周期ｄ_Ａ，ｄ_Ｖを適切に選択することである。これにより、信号を生成するために使用される部分光線束３０．１，３０．２の間における分光角度を定め、不都合な寄生回折次数を弱めることができる。信号を生成するために使用される部分光線束から不都合な部分光線束を分離するためには、光源２１から伝送された光線束の良好なコリメーションを行うことがさらに有利である。好ましくは、このためにコリメータ光学系２２は、信号の生成に直接に貢献しない部分光線束を弱め、信号を生成する部分光線束に重畳させないように構成されている。

本発明による光学式角度測定装置では、走査光路の上記説明にしたがって、信号を生成するため分光素子において生成された部分光線束が、円筒形の目盛キャリア１０の回転軸線Ｒにおいて交差する必要がある。このために、測定基準器１１の所定の目盛周期ｄ_Ｍにおいて、特に分光素子２３の分光用回折格子の目盛周期ｄ_Ａが適宜に選択されるべきである。本発明による光学式角度測定装置の有利な実施形態では、分光素子２３が分光用回折格子もしくは位相格子として構成されている場合には、回折格子もしくは位相格子の目盛周期ｄ_Ａならびに測定基準器１１の目盛周期ｄ_Ｍが次の関係式（３）および（４）にしたがって選択される：

ｄ_Ａは、回折格子の目盛周期であり、
Ｄは、分光素子と回転軸線との間隔であり、
Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である。

ｄ_Ｍは、測定基準器の目盛周期であり、
Ｒは、円筒形の目盛キャリアの半径であり、
Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である。

具体的な一実施例では、関係式（３）および（４）に基づいて、例えば次のパラメータ：
Ｒ＝４．９７４ｍｍ
Ｎ＝２５０００
Ｄ＝７．５ｍｍ
ｄ_Ｍ＝５μｍ
ｄ_Ａ＝７．５μｍ
が生じる。

適切に構成された光学式角度測定装置は、信号周期ＳＰ＝１２．９６ａｒｃｓｅｃを備える回転に依存した走査信号を出力側に供給する。

上記関係式（１）にしたがって、例えば次のパラメータ：
τ＝０．７０７９
φ＝１０８．４６７°
によって、図２ａに示すように位相をずらされた走査信号を生成した場合に、適切な結合素子が実現され得る。

図２ｂに示した実施形態にしたがって位相をずらされた走査信号の生成を行い、関係式（２）にしたがって結合素子を実現し、例えば４０μｍの周期性を備えるヴェルニエ・ストライプパターンを、構造化された光検出器で検出しようとする場合、回折された部分光線束４３３．１および４３３．２の間には約１．４３°の角度αが生じる。例えば上記パラメータを考慮して、回折格子として構成された結合素子４２４について、波長λ＝１μｍの光を使用した場合には、例えば必要な目盛周期ｄ_Ｖ＝８．２７６μｍが生じる。

特に有利には、この実施例では円筒形の目盛キャリア１０が横方向に、すなわち中央軸線Ａに対して垂直方向に、目標位置に対してずれた状態で配置された場合、例えば、回転する物体に目盛キャリア１０が不正確に取り付けられた場合であっても、わずかな測定エラーしか生じないことが判明している。既知の同様の角度測定装置と比較すると、既知のものではこうしたずれ、もしくは回転エラーは測定エラーに直接につながるが、本発明による光学式角度測定装置の場合には、約２０００倍だけ小さい測定エラーが生じる。したがって、例えば目盛キャリア１０が、入射する光線束に対して垂直方向に３００μｍだけずれている場合には、０．１５μｍの位置エラーしか生じない。これはわずか６ａｒｃｓｅｃの角度エラーに相当する。

図３は、本発明による光学式角度測定装置の第１実施例の別の実施形態を部分図で示す。この実施形態は上記実施形態とはわずかに異なっている。この実施形態では、光源（図示しない）のコリメートされた光線が入射する分光素子１２３が振幅格子として構成されている。この振幅格子には、光線束が垂線に対して０°に等しくない角度で格子表面に入射し、得られた０次の回折次数は部分光線束１３０．２として機能し、得られた＋１次の回折次数は部分光線束１３０．１として機能し、これらの部分光線束１３０．１，１３０．２は信号を生成するためにさらに使用される。このようにさらに使用される部分光線束１３０．１，１３０．２は、第１実施例に示した部分光線束３０．１，３０．２と同様に、光軸である中央軸線Ａに対して対称的に伝搬する。この実施形態では、分光素子１２３で得られた−１次の回折次数は弱められ、信号を生成するためには使用されない。

振幅格子として構成された回折格子の目盛周期ｄ_Ａについては、次の関係式（３′）

が成り立ち、
ｄ_Ａは、回折格子の目盛周期であり、
Ｄは、分光素子と回転軸線との間隔であり、
Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である。

本発明による光学式角度測定装置の第１実施形態について示した寸法および間隔に関連して、測定基準器の目盛数が同じ場合に、振幅格子として構成されたこの実施形態の分光素子では目盛周期ｄ_Ａ＝３．７５μｍが生じる。

この実施形態では、別の走査光路が上記第１実施例の走査光路に対応する。

本発明による光学式角度測定装置のこの実施形態の利点は、分光素子として、透過型位相格子に比べて低コストで製造できる透過型振幅格子が必要とされることである。

この実施形態の結合素子は上記実施形態と同様に構成してもよい。位相をずらされた走査信号を生成する必要がない場合には、結合素子として、分光素子の場合と同様に透過型振幅格子を使用してもよい。

次に図３の概略図に基づいて本発明による光学式角度測定装置の第２実施例を説明する。以下には第１実施例との重要な相違点のみを詳述する。

透明な中実円筒体の形態の目盛キャリア２１０の代替的な構成が示されている。この透明な中実円筒体は、回転軸線Ｒを中心として回動できるように物体に結合されている。中実円筒体の外周面には、上記実施例の場合と同様に、ここでも位相格子として構成された透過型の測定基準器２１１が配置されている。

中実円筒体の材料としては、例えば適切なガラス材、例えばＢＫ７を使用してもよい。

この実施形態では、透明な中実円筒体の媒体は、入射する部分光線束に対して、例えば測定方向に部分光線束の波面の変形を誘起する円筒レンズのように作用する。したがって、信号を生成する部分光線束に対するこのようなネガティブな影響を最小限にするために、走査ユニット２２０の両側に、すなわち、一方では分光素子２２３と測定基準器２１１との間に光学補正素子２２７．１が、他方では測定基準器２１１と結合素子２２４との間に２２７．２が、それぞれ部分光線束の光路に配置される。光学補正素子２２７．１を介して、コリメートされた両方の部分光線束の波面はそれぞれ歪められ、部分光線束は測定基準器２１１における屈折および回折後に再びコリメートされてさらに伝搬する。測定基準器２１１における２回目の屈折および回折によって部分光線束は再び歪められ、光学補正素子２２７．２によって再びコリメートされる。このようにして、それぞれに歪められた部分光線束の波面は、光学補正素子２２７．１，２２７．２を介して平坦な波面に変えられる。光学補正素子２２７．１，２２７．２としては、例えば適宜に選択された円筒レンズが考慮される。屈折性および回折性の円筒レンズのいずれを用いてもよい。円筒レンズの軸線、すなわち偏向が生じない方向は、この場合、測定基準器２１１の回転軸線Ｒに対して平行である。円筒レンズの焦点距離は負である。すなわち、円筒レンズは拡散性のレンズである。特に、非球面円筒レンズが適している。なぜなら、非球面パラメータを適切に選択した場合には、非球面円筒レンズは、極めて正確な波面補正を可能にするからである。

その他の点では、第２実施例における走査光路は、冒頭で説明した第１実施例の走査光路に対応している。当然ながら、分光素子および結合素子２２３，２２４を上記実施形態にしたがって構成することも可能である。

具体的に説明した実施例の他に、当然ながら本発明の範囲内でさらに他の構成可能性もある。

したがって、例えば第２実施例における光学補正素子２２７．１（図３）を、光路において分光素子２２３の前方に挿入することも可能である。同様にして、補正素子２２７．２を結合素子２２４の後方に配置してもよい。

光源として使用できるのはレーザダイオードのみではない。例えば、多くの場合には小さい放射面を備えるＬＥＤも同様に適している。

１０；１１０；２１０；３１０；４１０ 目盛キャリア
１１；１１１；２１１；３１１；４１１ 測定基準器
２０，２２０ 走査ユニット２１；２２１ 光源
２１，２２１ 光源
２２；２２２ コリメータ光学系
２３；１２３；２２３ 分光素子
２４；２２４；３２４；４２４ 結合素子
２５；２２５ 検出ユニット
３０．１，３０．２；１３０．１，１３０．２；３２．１，３２．２；３３２．１，３３２．２；４３２．１，４３２．２ 部分光線束
２２７．１，２２７．２ 光学補正素子
３２５，４２５ 光検出器
ｄ_Ａ，ｄ_Ｖ，ｄ_Ｍ 目盛周期
Ａ 中央軸線
ｄ_Ｄ ストライプパターンの周期
ＳＰ 信号周期
Ｒ 回転軸線

Claims (15)

1. 第１の物体に結合された円筒形の目盛キャリアと、第２の物体に結合された走査ユニットとを備える光学式角度測定装置であって、
   前記目盛キャリアの少なくとも一部分に沿って円筒の周囲にわたって透過型の測定基準器が配置されており、
   前記走査ユニットが光源および検出ユニットを備え、
   前記第１の物体および前記第２の物体が、回転軸線を中心として互いに相対的に回動可能に配置されており、
   直交方向に向かい合った測定基準器領域を光学式に走査することにより、互いに相対的に回動可能な２つの物体の角度位置に関する測定値が生成され、円筒形の前記目盛キャリアの内部を伝搬する部分光線束が前記回転軸線で交差する光学式角度測定装置において、
   走査ユニット（２０；２２０）が、光源（２１；２２１）から入射する光線束を少なくとも２つの部分光線束（３０．１，３０．２；１３０．１，１３０．２）に分光する分光素子（２３；２２３）を含み、前記部分光線束が第１測定基準器領域に入射し、該第１測定基準器領域でそれぞれ回転軸線（Ｒ）の方向に偏向され、
   前記走査ユニット（２０；２２０）が、さらに結合素子（２４；２２４；３２４；４２４）を含み、該結合素子が、第２測定基準器領域に入射した後に収束し、前記結合素子（２４；２２４；３２４；４２４）に入射する部分光線束（３２．１，３２．２；３３２．１，３３２．２；４３２．１，４３２．２）を偏向し、干渉し合う部分光線束の対が検出ユニット（２５；２２５）の方向に伝播することを特徴とする光学式角度測定装置。
2. 請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
   前記分光用分光素子（２３；２２３）が分光用回折格子として構成され、測定基準器（１１；１１１；２１１；３１１；４１１）の前方に配置されており、入射する光線束を、少なくとも２つの異なる回折次数で回折された部分光線束（３０．１，３０．２，１３０．１，１３０．２）に分光し、該部分光線束が、第１測定基準器領域の方向に伝播する光学式角度測定装置。
3. 請求項２に記載の光学式角度測定装置において、
   前記分光用回折格子が、０次の回折次数を抑制する位相格子として構成されており、得られた＋／−１次の回折次数が、信号を生成するために使用される部分光線束（３１．１，３１．２；３３２．１，３３２．２；４３２．１，４３２．２）として機能する光学式角度測定装置。
4. 請求項３に記載の光学式角度測定装置において、
   前記分光用回折格子の目盛周期（ｄ_Ａ）について関係：
   

   

   が成り立ち、
   ｄ_Ａは、分光用回折格子の目盛周期であり、
   Ｄは、分光素子と回転軸線との間隔であり、
   Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である光学式角度測定装置。
5. 請求項２に記載の光学式角度測定装置において、
   前記分光用回折格子が振幅格子として構成されており、該振幅格子に、入射する光線束が回折格子垂線に対して０°に等しくない角度で入射し、得られた０次の回折次数および得られた＋１次の回折次数が、信号を生成するために使用される部分光線束（１３０．１，１３０．２；３３２．１，３３２．２；４３２．１，４３２．２）として機能する光学式角度測定装置。
6. 請求項５に記載の光学式角度測定装置において、
   前記分光用回折格子の目盛周期（ｄ_Ａ）ついて関係：
   

   

   が成り立ち、
   ｄ_Ａは、回折格子の目盛周期であり、
   Ｄは、分光素子と回転軸線との間隔であり、
   Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である光学式角度測定装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の光学式角度測定装置において、
   前記結合素子（２４；２２４；３２４；４２４）が測定基準器（１１；２１１）の後方に配置されており、分光素子（２３；１２３；２２３）と同一に構成されており、測定基準器（１１；１１１；２１１；３１１；４１１）に対して同じ間隔をおいて配置されている光学式角度測定装置。
8. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の光学式角度測定装置において、
   結合素子（３２４）が位相格子として構成されており、回折された部分光線束（３３２．１，３３２．２）の＋２次および０次、＋１次および−１次、−２次および０次の次数がそれぞれ互いに干渉し、複数の光検出器（３２５．１〜３２５．３）を備える検出ユニットに対して平行に伝播し、該光検出器により、位相をずらされた複数の走査信号が生成される光学式角度測定装置。
9. 請求項１から６までのいずれか一項に記載の光学式角度測定装置において、
   結合素子（４２４）が回折格子として構成されており、該回折格子により回折された部分光線束（４３３．１，４３３．２）が、構造化された光検出器（４２５）を備える検出ユニットに所定の角度（α）で入射する光学式角度測定装置。
10. 請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
    測定基準器（１１；２１１；３１１；４１１）の目盛周期（ｄ_Ｍ）について、関係式：
    

    

    が成り立ち、
    ｄ_Ｍは、測定基準器の目盛周期であり、
    Ｒは、円筒形の目盛キャリアの半径であり、
    Ｎは、回転毎に生成される信号周期の数である光学式角度測定装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の光学式角度測定装置において、
    第１測定基準器領域に入射した少なくとも２つの部分光線束（３０．１，３０．２）が、それぞれ＋／−１次の次数で回折され、＋１次の次数で回折された部分光線束（３１．１）および−１次の次数で回折された部分光線束（３１．２）が回転軸線（Ｒ）の方向に伝播し、
    第２測定基準器領域に入射した少なくとも２つの部分光線束（３１．１，３１．２）が、それぞれ＋／−１次の次数で回折され、＋１次の次数で回折された部分光線束（３２．１）および−１次の次数で回折された部分光線束（３２．２）が結合素子（２４；２２４；３２４；４２４）の方向に伝播するように、測定基準器（１１；１１１；２１１；３１１；４１１）が構成されている光学式角度測定装置。
12. 請求項１１に記載の光学式角度測定装置において、
    前記測定基準器（１１；２１１；３１１；４１１）が０次の回折次数を抑制する位相格子として構成されている光学式角度測定装置。
13. 請求項１から１２までのいずれか一項に記載の光学式角度測定装置において、
    目盛キャリア（２１０）が透明な中実円筒体として構成されており、該中実円筒体の外周面に測定基準器（２１１）が配置されており、部分光線束の光路において、入射される第１測定基準器領域の前方および入射される第２測定基準器領域の後方に、変形された部分光線束の波面を平坦な波面に変えるそれぞれ１つの光学補正素子（２２７．１，２２７．２）が配置されている光学式角度測定装置。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項に記載の光学式角度測定装置において、
    前記光源（２１；２２１）から放出された光線束がコリメータ光学系（２２；２２２）を介してコリメートされ、
    コリメーションが、放出された光線束が分光素子（２３；２２３）に入射する前に行われ、
    行われた前記コリメーションが、信号の生成に直接に貢献しない部分光線束が弱められ、信号を生成する部分光線束（３０．１，３０．２）と重ならないように構成されている光学式角度測定装置。
15. 請求項１に記載の光学式角度測定装置において、
    目盛キャリア（１０；１１０；２１０；３１０；４１０）が、外周面に測定基準器（１１；１１１；２１１；３１１；４１１）が配置された透明な中空円筒体または透明な中実円筒体として構成されている光学式角度測定装置。

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