JP4402790B2

JP4402790B2 - 光学的位置測定装置

Info

Publication number: JP4402790B2
Application number: JP2000026352A
Authority: JP
Inventors: ミヒヤエル・ヘルマン; ヴアルター・フーバー; ヴオルフガング・ホルツアプフエル; フオルカー・ヘーフアー
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2020-02-03
Also published as: EP1028309A1; US6552810B1; EP1028309B1; JP2000230803A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、互いに移動可能な対象物の相対位置の精密測定に適した光学的位置測定装置に関する。
【０００２】
測定尺側と、走査側とに設けられた目盛、即ち測定目盛と、１つ又は複数の走査目盛とが、相異なる目盛周期（ピッチ）を有するインクリメンタル位置測定装置がある。これらの目盛が光源によって照明されると、検出器平面に、好適な検出器配列によって検出されることができる周期的縞模様が生じる。この際周期的縞模様は、光路における相異なる目盛と、光源から発せられた光束の交換作用から生じる。この縞模様を以下、副尺縞模様と称し、その際この縞模様の周期は、副尺周期によって特定される。
【０００３】
【従来の技術】
この際副尺縞模様の発生形式及び方法と関連して、一方では測定尺側及び走査側に比較的大きな目盛周期を有するいわゆる結像位置測定装置が対象とされる。得られる副尺縞模様は、実質的に陰影として生じる。これらのシステムは、一般に測定目盛並びに走査目盛を有する。このために例えばドイツ国特許出願第１９５２７２８７号又はドイツ国特許出願第１７９８３６８号明細書が参照される。比較的大きな副尺周期の得られた縞模様の走査は、それぞれ好適に配設された四分円検出器によって行われる。これに対して更にドイツ国特許第２６５３５４５号明細書が参照される。
【０００４】
他方では、得られる副尺縞模様は、原理的に干渉的位置測定装置によっても原理的に発生され、その際測定尺側及び走査側は、非常に小さい目盛周期を有する。走査された検出器平面における副尺縞模様は、そのような測定装置では、使用された目盛で回折されかつ干渉のために到達する部分光束から生じる。この関係についてはドイツ国特許第２７１４３２４号明細書が参照される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特定の条件を充足するような副尺縞模様の発生のための結像位置測定装置も干渉位置測定装置も提供されるべきである。そのように、副尺縞模様の走査から相対移動の場合に充分良好な変調された走査信号が得られることが基本的に保証されるべきである。測定目盛の面上の場合によっては生じる汚れは、この際できるかぎり走査信号に影響すべきではない。更に検出器平面の位置に関する幾分のフレキシビリティが要求される、そのわけは構造的な制約に基づいて検出器平面は必ずしも位置測定装置の光が最後に通過した目盛の直後に配設されることができないからである。後者はコンパクトに構成される走査ユニットを考慮して特に重要である。更に結像システムにおける副尺縞模様の小さい周期では、最後に通過された目盛と検出器平面との間の距離は極端に小さくされるべきである。その理由は、僅かなコントラストの縞像に繋がるより高い回折次数である。しかしそのように小さい距離は、実際には実現困難であり、その際検出器上に突出する各検出器要素のボンドワイヤ（Ｂｏｎｄｄｒａｅｈｔｅ）が損傷等され得る。干渉システムの場合、度々発生する回折次数のレンズによる空間的分離が必要である。しかしそのような位置測定装置では、レンズの焦点面に置かれた目盛が相異なる目盛周期を有する場合にも副尺縞模様は生じない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
これらの要求を充足する光学的位置測定装置は、請求項１の目的物である。
【０００７】
本発明による位置測定装置の有利な実施形態は、従属請求項における措置から得られる。
【０００８】
特に検出器配列の面での本発明の措置は、移動に依存した走査信号の、高い解像力で、汚れに敏感でなく又は妨害に敏感ではない発生を保証する。このことは、相応して形成された検出器配列に基づいて確保される、そのわけは場合によっては測定目盛上の汚れが、相異なる、位相のずらされた信号部分に一層均一に作用するからである。
【０００９】
更に検出器平面の光学的位置の認識において、相異なる構造的な条件を考慮して幾分のフレキシビリティが生じる。そのように例えば、検出器配列をそれぞれ最後に通過された目盛の直後に配置することは最早無条件に必要ではない。本発明によれば同様な場合に充分に良好な変調された走査信号を供給する、検出器要素の配列の他の可能性を与えることが認識された。それによって最終的に、同時に高い信号コントラスト又は高い変調度を実現する、非常にコンパクトに構成される走査ユニットを実現するという可能性が得られる。
【００１０】
同様に検出器平面の光学的位置の認識において、走査側で副尺縞模様を供給する干渉位置測定装置も提供されることができる。相異なる回折次数の分離が行われない本発明による干渉位置測定装置の利点として、更に測定目盛の長さに渡って回折特性が変えられるべき場合に、全信号部分が同様に影響を受けることが行われることになる。
【００１１】
この形式及び方法で、干渉システムにおいて、それぞれ９０°の位相差を有する信号が、発生させられ、信号は、スタンダード電子評価装置で更に処理されることができる。プッシュプル信号の非常に正確な発生によって、更に続いて行われる信号補間の際にさもなければ誤差を作用する第２の調和も消失する。
【００１２】
勿論本発明による構想は、回転位置測定装置にも直線位置測定装置にも適用される。同様に可能な位置測定装置は、本発明によれば反射光、又は透過光で作動する位置測定装置を構成することも可能である。
【００１３】
本発明による光学的位置測定装置の他の利点及び他の詳細は、添付された図面に基づく複数の実施例の次の記載から把握される。
【００１４】
【実施例】
本発明による光学的位置測定装置の第１実施例を次に図１及び２に基づいて説明する。この際図１には結像光学的位置測定装置が、図式的側面図で示されている。光学的位置測定装置は、実質的に走査ユニット１と、測定目盛２．２及び目盛支持体２．１を備えた測定尺２とから成る。走査ユニット１と測定尺２とは、互いの相対位置が決定されるべき互いに移動可能な２つの対象物と結合している。例えばその際数値制御される工作機械における工具と工作物とが対象とされる。図示の実施例において、走査ユニット１と測定尺２とは、互いに測定方向Ｘに移動可能であり、その際Ｘは図平面に対して垂直に向けられている。走査された測定目盛２．２は、交互に測定方向Ｘに配設されていてその縦軸線がＹ方向に向けられた反射する部分領域と反射しない部分領域とを備えた測定目盛２．１上の公知の反射光インクリメンタル目盛から成る。測定目盛２．２の目盛周期ＴＰ_Mとして測定方向Ｘにおける反射しない部分領域の幅に加えて反射する部分領域の幅が理解される。走査された測定目盛２．２は、従ってこの実施例では純粋の振幅格子として形成されており、目盛周期ＴＰ_Mは、ＴＰ_M＝２０．００μｍとして選択され、部分領域−目盛周期−比は、τ、即ち測定方向Ｘにおける目盛周期に対する反射する部分領域の幅の比は、τ＝０．５になる。
【００１５】
測定目盛２．２に対して相対的に移動可能な走査ユニット１は、図示の実施例において光源１．１、コリメータ光学系１．２、走査目盛周期ＴＰ_Aの走査目盛１．４を備えた透明の走査板１．３並びに検出器配列１．５を含む。光源１．１の光軸は、走査板１．３上の法線に対して角度ε＝３０°図平面内で傾いている。この実施形態の走査目盛１．４は、位相格子として形成されかつ目盛周期ＴＰ_A＝１８．５２μｍ（従ってＴＰ_M≠ＴＰ_A）、ウエブ／目盛周期の比τは、τ＝０．５に選択され、位相角φは、φ＝π／２である。既にこの個所に完全な理解のために次に詳細に説明する大きさη及びβがこの実施例において付与され、その大きさはコリメート照明による結像システムの場合にη＝０、β＝１である。
【００１６】
光源１．１から発せられる光束は、コリメータ光学系によるコリメート後に先ず、透明な走査板１．３を通過し、位相格子−走査目盛１．４を通過しかつ反射するように形成された測定目盛２．２上に現れる。そこから光束は、走査板１．３の方向に反射されかつ光束が検出器平面の検出器配列１．５上に達する前に、固有の走査目盛１．４に隣接する光学的に特徴のない透明な窓における走査板１．３を通過する。そこで、それらが後に配設されている−図示しない−評価ユニットに送られる前に、周期的縞模様又は移動に依存して変調された走査信号の検出及び場合によっては既にこれらの信号の前処理が行われる。
【００１７】
本発明による本質的な措置を、図２の図示に基づいて説明する。図２は、図式的な形で検出器平面における光学的位置測定装置の検出器配列１．５の部分並びにそれによって走査された副尺縞模様の強度分布を示す。検出器配列１．５は、測定方向Ｘにおいて互いに隣接して配設された複数の感光検出器要素Ｄ１〜Ｄ２０から成る。個々の検出器要素Ｄ１〜Ｄ２０は、一括して狭い正方形の形の同一の寸法を有し、その縦軸線は、Ｙ方向の検出器平面内に、即ち測定方向Ｘに対して垂直に向けられている。検出器配列１．５の予め設定された長さＬ_DETに渡って測定方向Ｘにおいて一括して２０の個々の検出器要素Ｄ１〜Ｄ２０が配設されており、これらは５つのグループにブロック状に纏められている。各ブロックＢ１〜Ｂ５は、コリメート照明を備えた図示の実施形態において測定方向Ｘにおいて長さ∩_Vernierを有し、この長さは、検出器平面における発生した副尺縞模様の周期に相応し、即ちＬ_DET＝ｋ×∩_Vernier、その際図示の例ではｋ＝５である。従って値∩_Vernierを、次に副尺周期と称する（∩_Vernierは図２及び３中に記載されている）。
【００１８】
一般的にＮ個の検出器要素がそれによって距離β×∩_Vernier、の内方に配設されており、その際後でなお詳しく説明すべき修正ファクタβについて、場合によっては非コリメート照明が考慮されることができる。上記の場合、コリメート照明は、従ってβ＝１であり、一方非コリメート照明の場合β≠１とされ、修正ファクタβの正確な導入は明細書中で適宜行う。
【００１９】
隣接した検出器要素Ｄ１〜Ｄ２０の間隔は、次にＬ_DETと表しかつ一般的な場合にＬ_DET＝（ｎ＋Δφ／３６０°）×∩_Vernierになる。この際ｎ＝０、１、２、３、・・・であり、一方Δφは、隣接する検出器要素の検出された信号の位相差を表す。図示の実施例において、Ｌ_DET＝１／４×∩_Vernier、即ちｎ＝０、Δφ＝９０°である。
【００２０】
前記副尺周期∩_Vernierは、その際複数の測定目盛及び又は走査目盛を備え−以下単に目盛と言う−及び次の方程式（１）による一般的な形の相異なる目盛の相応して予め設定された、目盛周期ＴＰ_iを備えた光学的位置測定装置のコリメート照明の場合に得られる。
【００２１】
【外１】

ここで
ｎ_i：第１部分光束の１つの目盛で発生した回折次数
ｎ_i′：第２部分光束の１つの目盛で発生した回折次数
ＴＰ_i：各目盛の目盛周期
Ｍ：通過した目盛の数
この際図１にも表されたコリメータ光学系１．２を度外視して、場合によっては、光束のコリメーションに影響し得る光路に他の光学的要素は配設されていないことを前提とする。
【００２２】
測定目盛２．２及び走査目盛１．４を備えた図１の例において、式（１）による走査目盛及び測定目盛の予め設定された目盛周期ＴＰ_M、ＴＰ_A及びＭ＝２から副尺周期∩_Vernierが得られる。
【００２３】
∩_Vernier＝１／〔（１／ＴＰ_A）−（１／ＴＰ_M）〕
この関係から、反射する副尺縞模様の副尺周期∩_Vernierは、走査目盛及び測定目盛の目盛周期ＴＰ_A及びＴＰ_Mの相違が著しければ著しい程小さくなる。
【００２４】
分かり易く言えば、コリメート照明の場合について上記の分析的に記載された副尺周期∩_Vernierは、その下に基本的に最後に通過した目盛の平面内に生じる（部分）縞模様の周期であると定義される。
【００２５】
ブロックＢ１〜Ｂ５に対する、図示の実施例における検出器配列１．５の内方にそれぞれ４つの個々の検出器要素が上記の間隔Ｌ_DETで設けられている。隣接する検出器要素は、副尺縞模様の走査の際にそれぞれ９０°だけ位相のずれた部分走査信号を供給する。
【００２６】
従って、ブロックＢ１〜Ｂ５当たりのｋ個の検出器要素の一般的な場合に、隣接する検出器要素から３６０°／ｋ位相のずれた部分走査信号が生じる。
【００２７】
図２の図示から同様に認められるように、相異なるブロックＢ１〜Ｂ５の同一の検出器要素Ｄ１〜Ｄ２０は、互いに接続され又は出力側で伝導的に結合されて、位相の等しい出力信号又は部分走査信号を供給する。最終的にそのように得られる走査信号Ａ₀、Ａ₉₀、Ａ₁₈₀及びＡ₂₇₀は、出力側で公知の形式及び方法で処理される。このために検出器配列１．５の両縦側には、接触領域が設けられ、接触領域を介して、発生した走査信号Ａ₀、Ａ₉₀、Ａ₁₈₀及びＡ₂₇₀が取り出されることができる。
【００２８】
そのような検出器配列の代表的な実施例において、走査されるべき２５０μｍの副尺周期が予め設定される。このためにそれぞれ４つの検出器要素を備えた合わせて１０個のブロックが使用され、即ち測定方向Ｘにおける検出器配列の内方の長さＬ_DET＝１０×２５０μｍ＝２．５ｍｍである。検出器要素のＸ方向の幅は、４７．５μｍであり、Ｙ方向の長さは、１．８ｍｍに選択される。隣接した検出器要素の中心間のＸ方向の距離Ｌ_DETは、６２．５μｍである。
【００２９】
隣接した検出器要素の出力信号間の位相差Δφは一般に次の通りである。
【００３０】
Δφ＝（ｍ₁＋ｍ₂／ｋ）×３６０〔°〕
その際相異なる大きさは次のようになる。
【００３１】
ｍ₁＝０、１、２、３、・・・・・
ｍ₂＝０、１、２、３、・・・・・
一方図示の実施例において、全部で４つの位相のずれた出力信号Ａ₀、Ａ₉₀、Ａ₁₈₀及びＡ₂₇₀が検出されかつ処理される場合、本発明の領域内で、検出器要素の数及び若しくは幅又はブロック当たりの相互の間隔を変えることは勿論可能であり、その結果例えば１２０°だけ位相のずれた、更に処理等され得る３つの走査信号が得られる。同様に検出器配列において使用される検出器要素を備えたブロックの数を考慮して、勿論変形可能性が存在する。この形式及び方法で、従って、多くの位相のずれた走査信号が発生され、また走査信号の間の相応した位相関係が調整され得る。他の位相位置の検出器要素と接続されて配設されたある位相位置の多数の接続された検出器要素によって、いわゆる「単一フィールド走査」（Ｅｉｎｆｅｌｄａｂｔａｓｔｕｎｇ）が、副尺縞模様の走査の際にも行われる。そのような単一フィールド走査では、測定目盛の走査された同一の領域から走査信号の位相のずれた全ての信号部分が得られる。測定目盛の局部的な汚れは、それによって全ての信号部分に対して実質的に同様であり、汚れた個所での補間誤差は生じない、即ち実質的に正確な測定システムが得られる。類似の利点は、場合によっては目盛誤差についても挙げられる。各単一フィールド走査の質は、発生した副尺周期に依存する。副尺周期が小さければ小さい程、それだけ位相のずれた全ての信号部分への目盛不正確又は汚れに基づく前記誤差は、均等になる。従ってそのような位置測定装置の寸法では、相応した検出器配列による小さい副尺周期を走査するように努められる。
【００３２】
既にこれまでに述べたように、検出器配列の具体的な構成の他に略図２で示されたように、検出器配列を空間的に本発明による位置測定装置の他の構成部分に関して、検出された走査信号の充分な変調度又は副尺縞模様の充分な対照が得られるように配設されることが重要である。それぞれ最後に通過された又は最後に作用した位置測定装置から検出器平面までの距離Ｚは、特に重要である。本発明による光学的位置測定装置の構成によって、最後に通過された又は最後に作用した目盛では、１つの走査目盛又は１つの測定目盛が対象とされる。この最後に通過された目盛までの距離Ｚは、次に最後に通過された又は最後に作用した目盛を有する平面と検出器平面との間の垂直距離として理解される。
【００３３】
本発明の領域内で、根本的に最後に通過された目盛の距離Ｚの増大に伴って発生した副尺縞模様のコントラストの減少が存在することが認められる。この際使用された走査及び測定目盛の目盛周期が小さければ小さい程かつ副尺縞模様の副尺周期が小さければ小さい程、コントラストの減少は著しい。特に小さい副尺周期を有するそのような高い分解能の位置測定装置では、副尺縞模様の充分なコントラスト、従って走査信号の充分な変調を保証するために、検出器平面の好適な配列の問題が生じる。
【００３４】
しかし本発明によれば、最後に通過された目盛からの特定された距離Ｚ_nにおけるコントラストは、再び上昇し、即ち、増大した距離Ｚによっても発生した副尺縞模様の比較的大きなコントラストが生じる検出器平面が存在することが認められる。これらの検出器平面を、公知のトールボット効果に従って副尺トールボット平面と称する。トールボット平面は、コリメート照明された一般的な場合にく最後に通過された目盛からの距離Ｚ_nに存在し、その際Ｚ_nに対して次の式が成立する。
【００３５】
Ｚ_n＝ｎ×ｄ_VT （式２）
ｎについてはｎ＝１、２、３、・・・である。値ｄ_VTを次に副尺トールボット距離と称しかつ次の式（３）により得られる。
【００３６】
ｄ_VT＝（∩_Vernier×ＴＰ_A）／λ （式３）
この際
ｄ_VT：副尺縞模様の充分なコントラストを有する隣接した副尺トールボット平面の距離
∩_Vernier：式（１）による走査された副尺縞模様の副尺周期であり、一般に最後に通過された目盛の個所での縞模様の周期である。
ＴＰ_eff：走査装置の有効目盛周期であり、最後に通過された目盛で生じる充分な強度を有する回折次数の方向を正しく描き、結像システムでは、ＴＰ_effは一般に最後の目盛の目盛周期に相当し、干渉３格子システムにおける最後の目盛の最後の目盛周期の１／２又は１／３である。
λ：使用された光源の波長
図１の実施例において、ＴＰ_eff＝ＴＰ_M、即ち副尺トールボット平面距離ｄ_VTは、式（３）により（∩_Vernier×ＴＰ_M）／λとして得られる。
【００３７】
従って式（２）でｎ＝０というあり得ない場合は、最後に通過された目盛の直後に図２による検出器配列が位置決めされ得るような好適な検出器平面が存在することは重要である。このことが、特定の従来の理由から不可能な場合、この実施形態における検出器配列が、本発明によれば、最後に通過された目盛の後方、Ｚ₁＝１×（ＴＰ_M×∩_Vernier）／λに配設され、ｎ＝１に選択される等である。
【００３８】
この関係の図式的な、尺度は正しくない図示は、図３に示され、図３は、測定目盛Ｍと走査目盛Ａの他に、式（２）及び（３）で使用されているように、種々の幾何学的大きさＴＰ_M、ＴＰ_A、∩_Vernier、Ｚ₁及びｄ_VTを示す。更に図３に図示されており、従って周期的距離ｄ_VTにおいて、充分なコントラストをもった好適な検出器平面が得られる。そのように副尺効果に基づいて最後に通過された目盛の直後に副尺縞模様が現れる。しかし伝播する光束は、単一の伝播方向を有する。選択された目盛パラメータに従って種々の回折次数が存在する。そのように最後に通過された目盛で検出器配列の前に−この場合測定目盛Ｍに−回折次数０．の光束が生じるのみならず、後続の検出器配列の方向に伝播する±１．次及び高い回折次数が生じる。干渉によって主として個々の部分副尺縞が発生する副尺効果に基づく個々の回折次数の細分割は無視される。そのような回折次数が遮断した場合、重ね合わされた全ての回折次数を有する全光束を考慮した場合と同一の副尺縞模様が生じる。各回折次数は、目盛方向Ｘにおける部分副尺縞模様を有する。一方最後に通過された目盛Ｍの平面には、種々の部分副尺縞模様の位相の正しい重ね合わせが存在する場合、相異なる伝播方向に基づいて続いて位相関係が変わる。しかし最後の目盛Ａからの前記距離Ｚ_nには、再び充分なコントラストの副尺縞模様が存在する、そのわけは相異なる回折次数の部分副尺縞模様が、再び位相正しく重ねられるからである。
【００３９】
実際上この際最後の目盛Ｔからの距離Ｚ₁、Ｚ₂を有する検出器平面は特に重要である、そのわけはｎの値が大きい場合、場合によっては最適ではないコリメート照明が、追加的に否定的に評価され、即ちコントラストが減少するからである。
【００４０】
記載の効果は、トールボット効果として公知の格子の公知の自動結像に極めて類似する。従って副尺縞システムの上記の自動結像は、副尺−トールボット効果と称され、大きさｄ_VTを、副尺タールボット距離と称する。
【００４１】
次に本発明による光学的位置測定装置の第２実施例のパラメータのための具体的な数値が付与され、この実施例は、同様に結像システムとして形成されかつ図１の例と類似の基本構造を有する。この際結像システムは、副尺効果を除き発生した回折次数の分離が必要ではないように特定されている、そのわけは個々の回折次数の言うに値する全ての強度変調は、略同位相であり従って消失しないからである。一般にそのような結像システムの最後に通過される目盛は、振幅格子として形成されている。
【００４２】
本発明による位置測定装置の第２実施変形において、ＬＥＤ又は半導体レーザが光源として使用され、光源は波長λ＝８６０ｎｍの光を発する。光源の光軸は、走査板の法線に対して目盛範囲縦軸線の方向に角度ε＝３０°だけ傾斜して配置される。光源から発せられる光束は、先ず、位相板として形成されかつウエブ及び隙間の形に交互に配設された目盛領域を有する透明な走査板上の走査目盛上に達する。走査目盛の位相格子は、ＴＰ_A＝３７．０４μｍ、位相角φ＝π並びにウエブ−目盛周期比τ＝０．５を有し、即ちウエブは測定方向Ｘに隙間の幅を有する。位相格子上に現れる光束が種々の回折次数に分解された後、回折された光束は反射測定目盛上に達する。これは、交互に配設された反射する線と反射しない隙間とを備えた振幅格子として形成されかつ目盛周期ＴＰ_M＝２０μｍ≠ＴＰ_A／２並びに線−目盛周期比τ＝０．５を有する。そこから更に光束は、走査板の方向に反射され、そこで光束は走査板の透明な窓を通りかつ最後に検出器配列上に現れる。そこで生じた副尺縞模様が検出され、副尺縞模様は式（１）による記載の変形では、副尺周期∩_Vernier＝１／（２／ＴＰ_A）−（１／ＴＰ_M）を有する。この際検出器配列は、最後に通過された目盛からＺ₁＝（∩_Vernier×ＴＰ_M）／λの距離に配設されておりかつ図２による実施例と類似して形成されることができ、その結果出力側で最終的に所望の数の位相のずれた走査信号が得られる。一般に検出器配列はこの際、１２０°位相のずれた３つの走査信号又は９０°だけ位相のずれた走査信号が得られるように設定されている。検出された走査信号の信号周期が、この実施例では他の測定目盛周期ＴＰ_Mに相応する。第１実施例に完全のために既にこの個所に次に説明する両値η及びβが付与され、η＝０、β＝１である。
【００４３】
一方これまでに、結像位置測定装置との関係が説明されたように、干渉位置測定装置の形の他の実施例の次の記載によって、本発明による構成がそのようなシステムにも適用されることが明らかにされる。
【００４４】
図４は、干渉位置測定装置として形成された本発明による光学的位置測定装置の第３実施例の図式的側面図を示す。位置測定装置は、更に測定尺１２に対して測定方向Ｘに移動可能に配設された走査ユニット１１を有し、その際測定尺は、測定目盛支持体１２．１並びにその上に配設された測定目盛１２．２から成る。測定方向Ｘは、この図示において図平面に対して垂直に向けられている。ＬＥＤ又は好適な半導体レーザとして形成された光源１１．１は走査ユニット１１に属し、その光軸は、線方向において透明な走査板１１．３の表面上の法線に対して角度εだけ傾いて配置されている。光源１１．１に、コリメータ光学系１１．２に後続しており、このコリメータ光学系を、光束が、この実施例においては走査板１１．３の表面上に配設された走査目盛１１．４ａの第１部分領域上に現れる前に、通過する。走査目盛１１．４ａは、前記実施例のように位相格子として形成されておりかつ走査−目盛周期ＴＰ_A＝１５．７５μｍ、位相角φ＝π並びにウエブ−目盛周期比τ＝０．５を有する。種々の格子パラメータの定義に関して上記の実施例が参照される。走査目盛１１．４ａでは、現れた光束の種々の回折次数への分割が行われ，続いて回折された光束は、反射測定目盛Ｍ上に現れる。反射測定目盛は同様に、位相格子として形成されておりかつ目盛周期ＴＰ_M＝８μｍ≠０．５×ＴＰ_A、位相角φ＝π並びにウエブ−目盛周期比τ＝０．５を有する位相格子として形成されている。走査板１１．３の方向における更に回折された光束の方向に行われる反射後、光束は走査目盛の第２部分領域上に現れ、部分領域に従って種々の分割された光束の相会が行われる。この場合最後に通過された目盛を表す走査目盛１１．４ｂを通過した後、副尺周期∩_Vernier＝１／〔（４／ＴＰ_A）−（２／ＴＰ_M）〕を有する副尺縞模様が生じる。副尺周期∩_Vernierは、既に上に記載した式（１）から得られる。前記両実施例のように、既にこの個所で次に説明されるべき両値、η及びβが与えられており：η＝０．５、β＝１である。
【００４５】
改めてこの例において種々の、相異なる回折方向に伝播する部分副尺縞模様の位相の正しい重ね合わせのために最後の目盛からの所定の距離Ｚ_nの状態のみが重要である。この距離において充分なコントラストをもつ副尺縞模様が存在しかつ検出器配列１１．５によって検出されることができる。検出器配列１１．５は、暗示されたように図２の例における構成に相応する基本的構造を有する。最後に通過された目盛から光学的検出器平面までの距離Ｚ_nのために、部分副尺縞が既に最後に通過された目盛の平面内で互いに位相がずらされていることが考慮されなければならない。この位相差は、相応して変更された距離Ｚ_nによって補償されなければならない。これには次の式（４）が適用される。
【００４６】
Ｚ_n＝（ｎ＋η）×ｄ_VT （式４）
この際ｎ＝０、１、２、３、・・・である。
【００４７】
ｄ_VT：式（３）によって特定され、副尺縞模様の充分なコントラストを有する隣接した検出器平面又は副尺タールボット平面の距離
η：最後に通過された目盛で種々の方向に現れる部分副尺縞模様の３６０°の分数の位相差であり、この位相差は、最後に通過された目盛の平面内の各個所に発生した回折次数相互間の位相差である。図４の上記実施例の場合に、位相差は１８０°であり、即ちηは、η＝０．５；一般に０≦η＜１である。
【００４８】
値ｄ_VTには、即ち副尺トールボット距離のために、この例ではｄ_VT＝（∩_Vernier×ＴＰ_M）／λである。従って最後に通過された目盛の直後に式（４）によれば、走査信号の全く又は僅かだけの変調又は副尺縞模様の僅かなコントラストのみが予期される。可能な第１の検出器平面は、０≦η＜１で、ｎ＝０、従って距離Ｚ₀に生じる。
【００４９】
一般に本発明によれば、結像システムでは、η＝０かつｎ＞０に選択され、これに対して干渉システムではη≠０かつｎ＝０、１、２、３、・・・である。
【００５０】
図示の実施例とは異なり、走査目盛１１．４ａ、１１．４ｂが、走査板１１．３の光源に向いた上面上には配設されておらず、走査目盛１１．４ｂが、走査板１１．３の測定目盛１２．２に向いた下面上に配設されている場合、走査板１１．３の厚さの好適な選択によって、検出器配列１１．５が走査板１１．３の直接上面上に取り付けられ、このことは、ｎ＝０の場合に相応する。そのような実施形態において、走査板１１．３上での検出器配列１１．５の接触も可能である。このことは、例えば公知のチップ−オン−ガラス−技術及び又はフリップチップ技術で行われることができる。
【００５１】
検出された走査信号の信号周期ＳＰは、この実施例においてはその他通常測定目盛ＴＰ_Mの半分、即ちＳＰ＝ＴＰ_M／２＝４μｍに相応する。
【００５２】
次に図４の実施例の変形された形態が記載され、即ち干渉システムとして形成された本発明の第４実施例を説明する。走査格子１１．４ａ、１１．４ｂは、改めて位相格子として形成されておりかつ目盛周期ＴＰ_A＝８μｍ、位相角φ＝（２／３）並びにウエブ−目盛周期比τ＝０．３４を有する。測定目盛１２．２は、目盛周期ＴＰ_M＝７．８７４μｍ≠ＴＰ_A、位相角φ＝π及びウエブ−目盛周期比τ＝０．５を有する。副尺周期∩_Vernierは、式（１）から∩_Vernier＝１／〔（２／ＴＰ_A）−（２／ＴＰ_M）〕として得られる。値ηとしては、この場合η＝１／３である。次に説明すべき値βは、更にβ＝１である。
【００５３】
本発明による干渉による光学的位置測定装置の他の実施形態は従って本発明の領域内の一括して第５の実施例は、図５に表される。図示の位置測定装置は、更に測定目盛２２．２に対して測定方向Ｘに移動可能に配設されている走査ユニット２１を有し、その際測定方向Ｘは改めて図平面に対して垂直に向けられている。特別に有利な実施形態において、測定目盛２２．２は、可撓性帯状測定尺として形成されている。走査ユニット２１の側にＬＥＤ又は好適な半導体レーザとして形成された光源２１．１が設けられ、その光軸は、透明な走査板２１．３の表面に対して角度εだけ傾けて配置されている。光源２１．１は、コリメータ光学系に後続して配設され、コリメータ光学系は、光束が走査板２１．３の透明で、光学的に有効ではない領域を通過する前に、光源２１．１から発せられた光束を透過させる。走査板２１．３を通過後、光束は、反射位相格子として形成された測定目盛２２．２上に初めて達する。測定目盛は、目盛周期ＴＰ_M＝１６μｍ、位相角φ＝π及びウエブ−目盛周期比τ＝０．５を有する。測定目盛２２．２から光束が走査板２１．３の方向でそこに配設された走査目盛２１．４上に反射し、走査目盛は、走査板２１．３の上面の内方に配設されている。設けられた走査目盛２１．４は、目盛周期ＴＰ_A＝７．８７４μｍ≠０．５×ＴＰ_M、位相角φ＝π及びウエブ−目盛周期比τ＝０．５の反射する位相格子として形成されている。種々の格子パラメータの定義に関して、改めて上記実施形態が参照される。走査目盛２１．４によって回折された光束の測定目盛２２．２方向への反射が行われ、そこから更に第２の反射が走査板２１．３の方向に行われる。走査板２１．３は、最後に通過した目盛２２．２に従って生じる副尺縞模様が検出器配列２１．５を介して検出される前に、測定目盛２２．２から来る光束によって透明の領域を通過される。検出器配列は本発明によれば、更に好適な検出器平面上に配設されている。その際検出された副尺縞模様は、副尺周期∩_Vernierを有し、副尺周期∩_Vernierは、式（１）によれば、∩_Vernier＝１／〔（４／ＴＰ_A）−（２／ＴＰ_M）〕として上記式（３）から得られる。更にβ＝１、η＝１／２である。
【００５４】
種々の部分副尺縞模様の位相正しい重合わせに至る最後の目盛からの距離Ｚ_nに対して、この場合も上記式（４）でη＝１／２である。相応してこの平面内でも検出器配列２２．５等の配列が行われる。更に最後に通過された目盛の直後に、この場合測定目盛２２．２がある場合、検出された走査信号の僅かな変調のみが予期される。ｎ＝０の第１の基本的に可能な走査平面は、この構成において同様に最適ではないことが実証される、そのわけは可能な走査平面は、所定のパラメータでは測定目盛２２と走査板２１．３の間に位置するからである。この理由から検出器平面内の検出器配列２１．５は、最後に通過された目盛から距離Ｚ₁＝１）を有する検出器平面に位置決めされ、そこで本発明によれば充分なコントラストの副尺縞模様が検出される。検出される走査信号の信号周期ＳＰは、この実施例ではＳＰ＝ＴＰ_M／４である。
【００５５】
図５による実施形態の他の変形において、即ち本発明の第６の実施例において、次のパラメータが選択される。位相格子として形成された測定目盛２２．２に対して目盛周期ＴＰ_M≠ＴＰ_A；位相角φ＝２／３π及びウエブ−目盛周期比τ≒０．３４が適用される。同様に位相格子として形成された走査目盛２１．４としてＴＰ_A≠ＴＰ_M；位相角φ＝π及びウエブ−目盛周期比τ≒０．５及び更にβ＝１、η＝１／３が適用される。
【００５６】
走査板２１．３の側の走査目盛２１．４の配列に関して更に種々の可能性がある。走査目盛２１．４が直接走査板２１．３の上面上に配設され得る場合、このことは僅かな汚れの可能性に繋がる。しかし同様に走査板２１．３の相応した厚さの選択では走査板２１．３の測定目盛に向いた側に走査目盛２１．４を配置することも可能である。この変形では、検出器配列２１．５は直接走査板２１．３の上面上に配設されることができる。
【００５７】
次に同様に本発明による構想を基礎とした光学的位置測定装置の他の実施変形を述べる。例えば図５の実施例における測定目盛２２．２は、回転シリンダの内側又は外側に湾曲した形で配設されることができる。この際シリンダの回転軸線は、Ｙ方向に向けられている。そのような変形において、走査されるべき副尺縞模様の検出器平面内の拡大又は縮小は、測定目盛２２．２の湾曲した配置に基づいて行われる。シリンダ外面上に測定目盛を配置する場合、拡張が行われ、シリンダ内面上に配置する場合には、相応した縮小が行われる。この光学的効果は、湾曲した測定目盛の場合には、例えば光路における任意に集束させ又は拡散される光学的要素に起因するコリメートではない光路を有する他の全ての場合と同様に、上記式（３）における湾曲した測定目盛の場合が考慮される。このために部分副尺縞模様周期の伝達又は拡大を最後に通過された目盛の個所から検出器平面までの部分副尺縞模様周期の伝達及び拡大を描く拡大ファクタ又は又は修正ファクタβが導入される。従って一般的な式（３）が得られる。
【００５８】
ｄ_VT＝（β×∩_Vernier×ＴＰ_eff）／λ （式３）
又はｄ_VT＝β×ｄ_VT0が成立ち、その際
ｄ_VT0＝（∩_Vernier×ＴＰ_eff）／λ
であり、かつ
∩_Vernier：最後に通過された目盛の個所での部分副尺縞模様の副尺周期である。
【００５９】
一般的な式（３′）に敷衍する拡大ファクタβは、勿論本発明による位置測定装置の内方の所定の幾何学的値に依存する。この関係において、図６が参照され、図６は、ファクタが特定される重要な値の説明に役立つ。図６には副尺縞模様∩_Vernierを有する部分副尺縞模様がその平面内に位置する最後に通過された目盛Ｔの他に、更に目盛Ｔからの距離Ｚ_nに検出器平面が示され、その検出器平面に存在する拡散された光束に基づいて、ファクタβでけ拡大された副尺縞模様が存在する。更に図６に示された点Ｑは、この場合光束又は副尺縞模様の虚光源点又は実光源点とみなされる。従って距離Ｚ_Qは、最後に通過された目盛Ｔからの実光源点又は虚光源点の距離を与える。β＞１、即ち副尺縞模様の拡大の場合、距離Ｚ_Qは、Ｚ_Q＞０；β＜１の場合、即ち縞模様の理論的縮小の場合にＺ_Q＜０である。中央の区間の原則によれば、そのような幾何学的寸法では、拡大ファクタ又は修正ファクタβは次のようになる。
【００６０】
β＝（Ｚ_n＋Ｚ_Q）／Ｚ_Q
シリンダ外面上の測定目盛の配置の上記選択された場合、ファクタβ＞１が選択され、これに対してシリンダ内面上の測定目盛の配置の場合にβ＜１が選択される。
【００６１】
式（４）並びに上記の説明された式（３′）から、本発明によるシステムに対して有効な全ての式（５）が適用され、この式（５）から検出器平面の位置又は最後に通過された目盛からの距離Ｚ_Qが求められる。
【００６２】
１／Ｚ_n＋１／Ｚ_Q＝１／〔（ｎ＋η）×ｄ_VT0〕（式５）
式（５）中の値Ｚ_Q、ｎ及びηの意味は、既に上に説明された。同様に値ｄ_VT0の定義は、すでに説明され、その際その定義において副尺縞周期∩_Vernierが介入する。一方議論された結像システムでは、非コリメート照明の場合又は光路に光学的要素を使用する場合、光路は光束の拡散に影響し、副尺周期∩_Vernierの明らかな分析的表現の記載は式（１）に類似して不可能である。副尺周期∩_Vernierは、特に光学的条件に適合される関係によってのみ付与される。選択的にそのようなシステムでの副尺周期∩_Vernierの特定は、いわゆる「光線追跡）のような数値的な方法が可能である。従って基本的には、一般的な式（５）における副尺周期の下に最後に通過された目盛の個所での部分副尺縞模様の周期が理解される。
【００６３】
式（５）は、既に述べたように、非コリメート照明の場合にもコリメート照明の場合にも有効である。コリメート照明の場合に値Ｚ_QはＺ_Q＝∞として、即ちβ＝１に選択され、従って式（５）は上記の式（４）と同一である。逆に非コリメート照明の場合、値Ｚ_Qは最終的に、即ちＺ_Q≠∞かつβ≠＝１である。
【００６４】
次に値Ｚ_Qが式（５）でＺ_Q＝（ｎ＋η）×ｄ_VT0として選択され、ここにｎ＝１、２、・・・・である場合が述べられる。副尺縞模様は最後に通過された目盛からの距離Ｚ_n＝∞に生じる。実際上検出器配列は、後続の目盛に後続する集束するレンズの焦点平面内に位置決めされなければならない。
【００６５】
基本的に勿論最後に通過された目盛には、いわゆるリレー光学系が後続され、この光学系は、式（５）により得られる検出器平面の像を他の平面内に生じさせる。
【００６６】
続いて干渉システムの場合に導入された式（５）が、値ηの相応した選択の際に結像位置測定装置にも適用され、この場合η＝０に選択する。
【００６７】
このことは、上記の式（３′）と（５）が一般的有効性を有しかつ相異なるパラメータの相応した選択によって本発明による光学的位置測定装置について述べた結像及び干渉の変形が具体的に記載されることができる。この際これらの式は、冒頭に記載されたドイツ国特許出願第１９５２７２８７号明細書による結像システムのような光学的位置測定装置の公知の場合をも記載する。そこでは殆ど最後に通過された目盛の直後に検出器平面が位置決めされかつ得られる副尺縞模様が検出され、即ちパラメータｎ及びηは、そのような位置測定装置ではｎ≒０かつη＝０が選択される。本発明による光学的位置測定装置にとって一般的に有効な式（３）及び（５）におけるパラメータｎ及びηは、ｎ＞０又はη≒０に選択される。
【００６８】
基本的にこの個所で、勿論各検出器平面の正確な位置に関する幾分の公差が存在する。上記式により得られる理想位置からの僅かな偏倚のある場合でも場合によっては充分な強度変調が達成されることができる。
【００６９】
更に本発明の領域内で、例えば使用された目盛の１つが二次元目盛として形成され従ってモアレ縞の方向に偏倚した横断的な回折次数が生じる場合に、いわゆるモアレ縞の形の測定方向に対して垂直に経過する周期的縞模様の検出も可能である。選択的にモアレ縞の発生は勿論公知の形式及び方法で達成され、その際使用された目盛は、所定の角度だけ互いに捩じられて配設される。
【００７０】
従って、本発明が種々の実施形態において形成され得るような一連の可能性が存在する。従って実施例の上記記載は、勿論本発明思想の完璧な理解までには到らしめないであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、結像位置測定装置として形成された、本発明による位置測定装置の第１実施例の基本的構成を示す図である。
【図２】図２は、走査された副尺縞模様と関連した図１による本発明による光学的位置測定装置の実施例の検出器平面を表す図である。
【図３】図３は、結像される位置測定装置における検出器平面の最適の位置決めとの関連を説明するための図式図である。
【図４】図４は、干渉位置測定装置として形成された、本発明による位置測定装置の第３実施例の図式図である。
【図５】図５は、干渉位置測定装置として形成された、本発明による位置測定装置の第５実施例の図式図である。
【図６】図６は、非コリメート照明の場合の状況を説明するための図式図である。
【符号の説明】
１走査ユニット
１．１光源
１．４走査目盛
１．５検出器配列
２．２測定目盛
１１走査ユニット
１１．１光源
１１．４ａ走査目盛
１１．４ｂ走査目盛
１１．５検出器配列
１２．２測定目盛
２１走査ユニット
２１．１光源
２１．４走査目盛
２１．５検出器配列
２２．２測定目盛

Claims

互いに測定方向に移動可能な２つの対象物の相対位置の決定のための光学的位置測定装置において、
ａ）両対象物の一方と結合した少なくとも１つの周期的測定目盛（２．２；１２．２；２２．２）と、
ｂ）他方の対象物と結合した走査ユニット（１；１１；２１）とを備え、
走査ユニットは、
ｂ１）光源（１．１；１１．１；２１．１）と、
ｂ２）少なくとも１つの走査目盛（１．４；１１．４ａ；１１．４ｂ；２１．４）と、
ｂ３）検出器平面内の検出器配列（１．５；１１．５；２１．５）とを備え、検出器配列は、光源（１．１；１１．１；２１．１）から発せられる光束の相異なる目盛との相互作用から得られる周期的縞模様の走査のための感光性の複数の検出器要素（Ｄ１、・・・・Ｄ２０）から成り、その際検出器平面は、検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛から距離Ｚ_n離れて配設されかつ距離Ｚ_nは次の関係、即ち
１／Ｚ_n＋１／Ｚ_Q＝１／〔（ｎ＋η）×ｄ_VTO〕
から得られ、その際
Ｚ_Q：周期的縞模様の実光源点又は虚実光源点から検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛までの距離、ｎ＝０、１、２、３、・・・・
η：検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛で相異なる方向に現れる周期的縞模様の３６０°の分数の位相差であり、その際少なくともｎ＞０又はη≠０が選択されかつ０＜η＜１、ｎ＋η≠０、Ｚ_Q≠０、かつ
ｄ_VTO＝（ＴＰ_eff×∩_Vernier）／λ、
ＴＰ_eff：検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛で生じ、充分な強度を有する０次及び±１次の回折の方向を正しく描く走査配列の有効な目盛周期、
λ＝使用される光源の光波長、
∩_Vernier：検出器配列に入る前に最後に光束が通過した目盛の個所での周期的縞模様の周期
であることをことを特徴とする前記光学的位置測定装置。
その際検出器要素（Ｄ１〜Ｄ２０）が、測定方向（Ｘ）においてブロック状に互いに隣接して配設され、その際少なくとも２つのブロック（Ｂ１、・・Ｂ５）が設けられておりかつブロック（Ｂ１、・・Ｂ５）当たりそれぞれｋ個の個々の検出器要素（Ｄ１〜Ｄ２０）が、距離β×∩_Vernierの内方に配設されており、ここにβ＝（Ｚ_Q＋Ｚ_n）／Ｚ_Qかつその際検出器要素（Ｄ１〜Ｄ２０）は、更に、各ブロック（Ｂ１、・・Ｂ５）の隣接した検出器要素（Ｄ１〜Ｄ２０）から走査の際に３６０°／ｋだけ位相のずれた走査信号（Ａ₀、Ａ₉₀、Ａ₁₈₀、Ａ₂₇₀）が得られるよう配列さていることを特徴とする請求項１に記載の光学的位置測定装置。
同位相の出力信号を発する相異なるブロック（Ｂ１・・・Ｂ５）の検出器要素（Ｄ１・・・・Ｄ２０）が相互に接続されている、請求項２に記載の光学的位置測定装置。
隣接した検出器平面の間の距離ｄ_VTのために、
ｄ_VT＝β×ｄ_VTO
が適用され、ここにβ＝（Ｚ_Q＋Ｚ_n）／Ｚ_Qである、請求項１に記載の光学的位置測定装置。
Ｚ_Q＝∞かつβ＝１のコリメート照明が設けられる、請求項１に記載の光学的位置測定装置。
Ｚ_Q≠∞かつβ≠１のコリメート照明が設けられる、請求項１に記載の光学的位置測定装置。
η＝０かつｎ＞０が選択される、請求項１に記載の光学的位置測定装置。
η≠０かつｎ＝０、１、２、３、・・・が選択される、請求項１に記載の光学的位置測定装置。
走査ユニット（１）が、走査目盛周期ＴＰ_Aの走査目盛（１．４）を備えた透明な走査板（１．３）を有し、その結果光源（１．１）から発せられる光束が、先ず走査目盛（１．４）を通り、それから測定目盛周期ＴＰ_Mの反射する測定目盛（２．２）上に現れ、そこで反射が、走査板（１．３）の方向に行われ、反射した光束は、走査目盛（１．４）に隣接した走査板（１．３）を通過しかつ検出器平面内の検出器配列に達する、請求項１に記載の光学的位置測定装置。
走査ユニット（１１）が、走査目盛周期ＴＰ_Aの走査目盛（１．４）を備えた透明な走査板（１１．３）を有し、その結果光源（１１．１）から発せられる光束が、先ず走査目盛（１１．４ａ）の第１部分領域に達し、それから測定目盛周期ＴＰ_Mの反射する測定目盛（１２．２）上に現れ、そこで反射が、走査板（１．３）の方向に行われ、反射した光束は、走査目盛（１１．４ａ）の第２部分領域に現れ、検出器平面内の検出器配列（１１．５）に達する前に、走査目盛（１１．４ａ）の第２部分領域を透過する、請求項１に記載の光学的位置測定装置。
走査ユニット（２１）が、透明な走査板（２１．３）を有し、透明な走査板は測定目盛周期ＴＰ_Aの反射する走査目盛（２１．４）を有しかつ測定目盛周期ＴＰ_Mの同様に構成された反射する測定目盛（２２．２）に面しており、その結果光源（２１．１）から発せられた光束が、まず走査目盛（２１．４）に隣接する走査板（２１．３）を透過し、そこで走査目盛（２１．４）の方向への反射が行われ、そこから測定目盛（２２．２）の方向への反射は、走査板（２１．３）の方向への反射が行われかつ反射光束が走査目盛（２１．４）に隣接する走査板（２１．３）を透過しかつ検出器平面で検出器配列（２１．５）に達する前に、行われる、請求項１に記載の光学的位置測定装置。