JP6320267B2 - 光学式位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに対して移動可能な２つの物体の相対位置を高精度に決定するために適した請求項１の前提部分に記載の光学式位置測定装置に関する。

このような光学式位置測定装置が、出願人の欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書により既知である。この光学式位置測定装置は、２つの物体の一方に結合された測定基準器と、２つの物体の他方に結合された測定基準器を走査するための少なくとも１つの走査システムとを備える。この場合、走査システムは、さらに物体の第１側方移動方向および鉛直方向の移動方向に沿った位置決定を同時に行うことが可能である。走査システムの面には、第１側方移動方向および鉛直方向の移動方向に位置を決定するために第１および第２走査光路が形成されており、これらの走査光路では、それぞれ２つの非鏡面対称的な干渉する部分光線束が一群の位相をずらされた信号を出口側で生成可能である。

実際に、光源の光線は第１光ファイバを介して走査システムに供給される。これにより、光源を測定場所から離間して配置することが可能である。さらに走査システムによって供給された干渉する部分光線束を、第２光ファイバを介して検出装置に供給することが可能であり、このようにして、検出装置の故障が最小限となる。

欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書

本発明の基礎をなす課題は、物体の第２側方移動方向に沿った位置決定も可能となるように、既知の光学式位置測定装置をさらに改良することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する光学式位置測定装置によって解決される。

本発明による光学式位置測定装置の好ましい実施形態が、従属請求項に記載の手段により得られる。

互いに対して移動可能な２つの物体の位置を検出するための本発明による光学式位置測定装置は、２つの物体の一方に結合された測定基準器と、２つの物体の他方に結合された測定基準器を走査するための走査システムとを含み、この場合、走査システムにより、物体の第１側方移動方向および鉛直方向の移動方向に沿って同時に位置決定を行うことが可能であり、このために、走査システムの面には２つの走査光路が形成されており、これらの走査光路では、それぞれ干渉する部分光線束から一群の位相をずらされた信号を出口側で生成可能である。走査システムにより、さらに少なくとも１つの第３走査光路が形成されており、この第３走査光路を介して、物体の第２側方移動方向に沿った位置決定が可能である。光源の光線は、第１光ファイバと、全ての３つの走査光路に共通の結合光学系とを介して走査システムに供給可能である。３つの走査光路で生成された干渉する部分光線束は共通の分離光学系を介して第２光ファイバに結合可能であり、第２光ファイバはこの光線束を検出装置に供給する。

好ましくは、走査システムは入口側に回折格子を含み、この回折格子は、結合光学系から入射した光線束を３つの走査光路に分割し、この場合、回折格子の＋／−１次の回折次数が第１および第２走査光路に割り当てられており、０次の回折次数が第３走査光路に割り当てられている。

第３走査光路では部分光線束が測定基準器の方向に伝搬し、測定基準器で他の２つの部分光線束に分割され、これらの部分光線束は走査システムの方向に反射され、走査システムでそれぞれ逆反射され、第２側方移動方向（Ｘ）に沿って変位され、再び測定基準器の方向に伝搬し、測定基準器で、干渉して重畳され、走査システムの方向に伝搬し、走査システムで、第２側方移動方向（Ｘ）に沿った相対移動に関して複数の位相をずらされた信号が検出可能である。

可能な一実施形態では、走査システムは光学素子を含み、測定基準器に向いた光学素子の面には、異なる走査光路に限定的に割り当てられ、透過格子を備える複数の格子照射野と、結合側の回折格子と、分離側の回折格子とが配置されている。

この場合、格子照射野と分離格子との間の変位間隔は第２側方移動方向に沿って同一に選択されていてもよい。

光学素子と測定基準器との間に、横方向寸法に関して全ての走査光路にわたるカバーガラスを配置することも可能である。

代替的には、ガラス内を通過する部分光線束の光学距離が温度変化により変更されることがないように、光学素子と測定基準器との間に温度補正されたガラス体が配置されている。

さらに、第２光ファイバは、走査光路につきそれぞれ３つのマルチモードファイバを含んでいることも可能であり、これらのマルチモードファイバは、共通のフェルールの結合側端部に配置されている。

好ましい一実施形態では、第１および第２側方移動方向が互いに垂直に配向されており、測定基準器が格子として形成されている。

好ましくは、全ての３つの移動方向の走査光路は共通の走査中心を備える。

さらに、少なくとも１つの部分光線束は、測定基準器における１回目の入射と２回目の入射との間の走査光路で、それぞれの移動方向に沿って変位されてもよい。

別の一実施形態では、部分光線束を反射するために、光学素子が、複数の光学機能を統合した回折性構成部材を含んでいることも可能である。

本発明による光学式位置測定装置によって、移動可能な２つの物体の相対位置を少なくとも１つの別の側方移動方向に沿って高精度に決定することが可能である。この場合、測定場所に配置される走査システムは、完全に受動的に形成してもよい。すなわち、光源により生じた熱伝導により精密度の高い用途において位置決定時に測定精度が損なわれることはない。これは、光源および検出装置を光ファイバによって走査システムに接続することによって保障される。この場合、本発明による光学式位置測定装置の全ての移動方向、あるいは測定方向について、走査システムと光ファイバとの間に共通の結合光学系および分離光学系を使用できることが特に有利である。

本発明による装置の実施例の説明に基づいて本発明のさらなる詳細および利点を図面に関連して説明する。

本発明による光学式位置測定装置の一実施例における走査光路を示す第１の概略図である。 本発明による光学式位置測定装置の一実施例における走査光路を示す第２の概略図である。 図１ａ，図１ｂに示した実施例の走査システムの走査プレートおよび走査プレートに配置された光学素子を示す平面図である。 本発明による光学式位置測定装置の別の実施例の走査光路を示す概略図である。 図２ａに示した光学式位置測定装置の走査システムの走査プレートを示す平面図である。 本発明による光学式位置測定装置の走査システムの走査プレートの別の代替的な実施形態を示す平面図である。 本発明による光学式位置測定装置の別の実施例の走査光路を示す２つの異なる概略図である。 本発明による光学式位置測定装置の別の実施例の走査光路を示す２つの異なる概略図である。 本発明による光学式位置測定装置の一実施例の走査光路および分離光学系を示す概略図である。 図６の実施例の分離光学系のフェルールを示す平面図である。 本発明による光学式位置測定装置の代替的な実施形態のフェルールを示す平面図である。

続いて本発明による光学式位置測定装置の具体的な実施例を説明する前に、欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書により既知の位置測定装置の概念を簡潔に説明する。この位置測定装置は、冒頭で述べたように、２つの移動方向あるいは測定軸線に沿った位置変化を検出するために適している。適宜な走査システムでは、２つの走査光路が互いに傾斜して、もしくは非対称的に形成されている。この場合、光源から供給される光線束は、シングルモード‐ファイバとして形成された第１光ファイバを介して走査システムに供給され、光ファイバからの分離後にコリメーション光学系によってコリメートされる。その後、コリメートされた光線束は回折格子に到達し、回折格子において、２つの軸のための２つの走査光路に分割される。これら２つの軸は、以下では位置測定装置のＡ‐軸およびＢ‐軸と呼ばれる。側方移動方向Ｘおよび鉛直方向の移動方向Ｚに沿った実際に重要な位置情報は、次の方程式１ａおよび１ｂ：

にしたがって位置信号Ａ、Ｂの加算および減算により得られる。この場合、ＳＰｚはＺ方向の信号周期を表し、ＳＰｘはＸ方向の信号周期を表す。

光線束はそれぞれの走査光路で、反射格子として形成された測定基準器にまず到達し、さらに＋／−１次の回折次数の部分光線束に分割され、走査システムの方へ回折される。そこでそれぞれの部分光線束は、回折性の屋根形プリズムによって測定基準器の方向に偏向される。測定基準器では２つの部分光線束がそれぞれ干渉し、重畳された光線束は、次いで焦点レンズおよび視野レンズからなる分離光学系に伝送され、その後に６つのマルチモード光ファイバを含む第２光ファイバに分離される。

欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書に記載の原則から出発して、本発明による光学位置測定装置では、さらに第１側方移動方向Ｙに対して垂直に向けられた第２側方移動方向に沿った位置検出のために用いられるもう１つの軸あるいはもう１つの走査光路が設けられている；第２側方移動方向は以下では移動方向Ｘと呼ぶ。この場合、測定基準器の面には、いわゆる「格子」の形態の２次元測定基準器が設けられる。

図１ａおよび図２ｂに異なる断面図で示した本発明による光学式位置測定装置の一実施例の走査光路を以下に説明する。これらの図面では、測定基準器１０、および第１側方移動方向Ｙおよび鉛直方向の移動方向Ｚに沿った位置変化を検出するための走査光路を備える走査システム２０が点線もしくは実線で示されている；これらの走査光路は、上記欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書により既知の走査光路に対応している。これに対して、図１ａおよび図２に一点鎖線により示すように、本発明では第２側方移動方向Ｘに沿って位置検出を行う別の走査光路が追加されている。

光源（図示しない）から入射した光線束は、欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書の場合と同様に、走査システム２０においてまず結合側の回折格子２１に到達し、そこで、全部で３つの走査光路への分割が行われる。Ａ‐軸およびＢ‐軸、すなわち、第１頃および第２光路のために得られる＋／−１次の部分光線束の他に、本発明によれば、さらに０回折次数で得られる部分光線束が第３走査光路のために使用され、これにより第２側方移動方向Ｘに沿った位置検出が可能となる。

結合側の回折格子２１からの０回折次数の部分光線束が測定基準器１０においてｘ方向に＋／−１次の２つの部分光線束に分割され、走査システム２０に向けて偏向される。図１ａの断面図では、第３走査光路の＋１次の部分光線束は測定基準器１０における分割後に左下方に、−１次の部分光線束は右下方に、走査システム２０の方向に伝搬する。走査システム２０において部分光線束は、回折性の屋根形プリズムとして形成された光学素子２２（概略的にのみ示す）に入射する。この光学素子２２は、第１透過格子、リフレクタ、および第２透過格子からなる。第１および第２透過格子は、測定基準器１０に向いた光学素子２２の上面に取り付けられている。リフレクタは、光学素子２２の下面に設けられている。第１および第２透過格子は、回折性パターンとして形成されており、複数の光学機能を統合している。これらの透過格子は、それぞれ入射する部分光線束を測定方向Ｘに屈折させ、円柱レンズ機能により、リフレクタが設けられた光学素子２２の下面に向けて横方向Ｙに焦点を合わせる。リフレクタにおける反射後に、部分光線束は第２透過格子に入射し、第２透過格子は、部分光線束を再び円柱レンズ機能によりＹ方向にコリメートし、測定方向Ｘに屈折させる。このようにして、２つの部分光線束はそれぞれ入射方向とは逆向きに、測定方向Ｘに一様に変位されて光学素子２２から出射し、再び測定基準器１０に向けて伝搬する。透過格子の円柱レンズ機能に対して代替的に、球面レンズ機能を設けてもよい。球面レンズ機能により、部分光線束は２つの方向ＸおよびＹにそれぞれ焦点合わせすされるか、もしくは再びコリメートされる。回折パターンにおける異なる光学機能の重複については、ここで補足的に欧州特許出願公開第１７３９３９５号明細書を参照されたい。続いて２つの部分光線束は測定基準器１０に入射し、そこで再び＋１もしくは−１次の回折次数に屈折され、これにより部分光線束は重畳され、干渉する。重畳された光線束は、ここではいわゆる「視軸」として示した光軸に対して平行に、走査システム２０に向けて伝搬し、Ａ‐軸およびＢ‐軸の光線と共に分離され、検出装置（図示しない）に供給される。

図１ｂは、本発明による位置測定装置の上記実施例のＹＺ平面における断面図を示す。この図から、第３走査光路の全ての光線束および部分光線束はＸ方向移動を検出するためにＸＺ平面においてのみ伝搬することがわかる。

さらに図１ｂには、光線束を光源（図示しない）から走査システム２０へ供給する第１光ファイバ３１と、重畳された光線束を走査システム２０から検出装置（同じく図示しない）へ供給する第２光ファイバ２６とが示されている。

図１ｃには、走査システム２０の面の一部、すなわち、測定基準器１０に向いた光学素子２２の上面が示されており、この上面には、３つの走査光路において必要な偏光をもたらすように適切に形成された透過格子を備える複数の格子照射野が配置されている。異なる格子照射野は、この図では本発明による位置測定装置の異なる軸Ａ，Ｂ，Ｘについて上記記号によって示されており、異なる３つの走査光路に割り当てられている。さらに、図１ｃには光源から入射する光線束のための結合側の回折格子２１が示されており、これに隣接して、再び重畳された３つの走査光路の光線束のための分離側の回折格子２３が配置されている。

格子照射野Ａ１〜Ａ４およびＢ１〜Ｂ４に配置されたＡ‐軸およびＢ‐軸の透過格子は、Ｘ方向に円柱レンズとして作用し、重ねられた付加的な線形レンズによってＹ方向に屈折する。格子照射野Ｘ１〜Ｘ４に配置されたＸ軸の透過格子は、上述のようにＸ方向の円柱レンズとして作用するが、同様に、重ねられた線形格子によってＸ方向に屈折する。格子照射野Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４およびＸ１〜Ｘ４の全ての透過格子のレンズ機能の焦点面は、それぞれ光学素子２２の向かい側の下面に位置する。

円柱レンズ機能は、常にそれぞれの測定方向ＸもしくはＹに対して垂直方向の焦点合わせをもたらす；これに対して、屈折機能は、測定方向および測定方向に対して横方向の屈折を含んでいてもよい。屈折機能は、一方では部分光線束が光学素子２２の通過後にそれぞれ測定基準器１０に対して逆平行に戻り、他方では所定の変位間隔δｘ，δｙを備えるように選択される。本発明によれば、変位間隔δｘ，δｙは、軸Ａ，ＢおよびＸの３つの走査光路全てについて等しく選択され、本実施例ではδｘはゼロに等しくならないように選択され、δｙ＝０となる。したがって、重畳された光線束はＸＹ平面の同じ場所で分離側の回折格子２３に入射し、そこで重畳された３つの光線束に分割される。

欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書に記載のように、図１ａおよび図１ｂに示す部分光線束の光路には、図示されていない偏光光学素子が挿入されており、これらの偏光光学素子は、それぞれ重畳された２つの部分光線束を互いに直交方向に偏光する。このことは、付加的な軸Ｘについてもいえる。

第２移動方向Ｘに沿った位置検出のための第３走査光路をこのように形成した場合の重要な利点は、全ての３つの軸Ａ，ＢおよびＸの走査中心、および、いわば「中立的な回転中心」がいずれも一致し、共通の走査中心もしくは共通の中立的な回転中心を形成することである。これは、走査光路の対称性の結果である：結合側の回折格子から測定基準器までの走査光路、および測定基準器から分離側の回折格子までの走査光路は、変位距離δｘ，δｙだけ並進させることにより互いに移行させることができる。したがって、共通の中立的な回転中心は、結合側および分離側の回折格子の間の中央を通るＺ方向に沿った軸上に位置する。この軸に沿った共通の中立的な回転中心の正確なＺ位置は、結合側の回折格子の格子定数の特定の選択および測定基準器によって決定されるが、これについてはここではさらに述べない。全ての３つの移動方向Ｘ，ＹおよびＺのための共通の中立的な回転中心は、特別な利点を有する：この共通の中立的な回転中心を通る任意の軸を中心として測定基準器または走査ユニットがわずかに傾斜した場合、この位置測定装置の位置値Ｘ，ＹまたはＺは線形近似で移動しない。したがって、この位置測定装置の測定値は、容易に補間できる：これらの測定値は、この共通の中立的な回転中心における移動可能な物体の位置を供給する。

軸Ａ，ＢおよびＸの個々の走査光路が異なる中立的な回転中心を有していた場合、移動する物体のＸＹＺ位置を物点で決定することができるように手間のかかる位置値の変換を行う必要がある。

図２ａには、本発明による光学式位置測定装置の別の実施例の走査光路が示されている；この場合、左側には軸Ａ，Ｂのための走査光路、右側にはＸ軸のための付加的に設けられた第３走査光路が概略的に示されている。図２ｂは、図１ｃと同様に、この実施形態の光学素子の上面における異なる格子照射野および回折格子の配置を示す。

次にこの実施例の第３走査光路を説明する。この場合、格子照射野および回折格子は基本的に図１ａ〜図１ｃの実施例の場合と同じ順序で通過される；しかしながら、個々の透過格子の光学作用、および適宜な格子照射野の配置は上記実施例とは異なる。

Ｘ軸に割り当てられた部分光線束は、０次の回折次数で結合側の回折格子２１′から出射し、測定基準器１０′に入射し、そこで回折により＋１および−１次の回折次数の２つの部分光線束に分割される；これらの部分光線束は走査システムに向けて伝搬する。走査システムで、部分光線束は光学素子２２′において格子照射野Ｘ１′もしくはＸ３′に入射する。これらの格子照射野Ｘ１′，Ｘ３′に配置された透過格子は、それぞれ複数の光学機能を統合するように構成されている；したがって、さらに透過格子に入射した部分光線束は測定方向Ｘに屈折され（屈折率格子の機能）、同時に測定方向Ｘに対して垂直方向のＹ方向に焦点を合わせられる（円柱レンズ機能）。本実施例では、格子照射野Ｘ１′，Ｘ３′の透過格子を介してさらにＹ方向の屈折（屈折率格子の機能）が生じる。このように透過格子により影響を受けた部分光線束の焦点は、全ての部分光線束において、光学素子２２′の向かい側の下面に設けられたリフレクタに位置する。部分光線束はリフレクタで反射され、次いで光学素子２２′で格子照射野Ｘ２′，Ｘ４′に入射する；そこに配置された透過格子は同様に複数の光学機能を統合している。したがって、さらに部分光線束は上記実施例の場合と同様に再びコリメートされ（円柱レンズ機能）、測定方向Ｘに屈折される（屈折率格子の機能）。本実施例では、さらにＹ方向の屈折が付加的に生じる（屈折率格子の機能）。格子照射野Ｘ２′，Ｘ４′から出射した２つの部分光線束は、最終的に測定基準器１０′の一点に再び入射し、この点で重畳され、干渉し、続いて再び走査システム２０′に向けて伝搬され、そこで分離光学系の分離側の回折格子２３′を通過し、さらに検出装置の方向に伝搬する。

図２ｂからわかるように、この実施例では、第１および第２の通過時に部分光線束によって通過される全ての格子照射野が、それぞれの軸の測定方向および測定方向に対して垂直方向に互いにずらして配置されている。したがって、Ｙ‐屈折率は格子照射野Ａ１′〜Ａ４′およびＢ１′〜Ｂ４′の線形格子に適合されており、部分光線束は、光学素子２２′の後面のリフレクタを介して、格子照射野Ａ１′から格子照射野Ａ３′へ、格子照射野Ａ２′から格子照射野Ａ４′へ、格子照射野Ｂ１′から格子照射野Ｂ３′へ、および格子照射野Ｂ２′から格子照射野Ｂ４′へ到達することができ、次いで再び測定基準器１０′で互いに合流し、第１実施例に対応して互いに干渉し、分離光学系に到達することができる。

本実施例では、図２ｂにしたがって、格子照射野Ｘ２′に対する格子照射野Ｘ１′の変位距離δｘ，δｙが、Ｘ方向およびＹ方向に関してそれぞれ格子照射野Ｘ４′に対する格子照射野Ｘ３′の変位距離と同一であり、格子照射野Ａ３′に対する格子照射野Ａ１′の変位距離と同一であり、格子照射野Ａ４′に対する格子照射野Ａ２′の変位距離と同一であり、格子照射野Ｂ３′に対する格子照射野Ｂ１′の変位距離と同一であり、格子照射野Ｂ４′に対する格子照射野Ｂ２′の変位距離と同一である。

これに対して図１ａ〜図１ｃの上記実施例では、全ての３つの走査光路に関して、Ｘ方向に沿って格子照射野Ａ３，Ａ４，Ｂ３，Ｂ４，Ｘ２，Ｘ４に対する格子照射野Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｘ１，Ｘ３の変位間隔δｘのみが設けられ、変位距離δｙ＝０が選択された。本実施例では、図２ｂに示すように、全ての３つの走査光路に関して、Ｙ方向に沿って格子照射野Ａ３′，Ａ４′，Ｂ３′，Ｂ４′，Ｘ２′，Ｘ４′に対する格子照射野Ａ１′，Ａ２′，Ｂ１′，Ｂ２′，Ｘ１′，Ｘ３′の変位距離δｙ≠０が付加的に設けられている。

本発明による光学式位置測定装置の別の実施例の光学素子の上面の平面図が図１ｃおよび２ｂに類似した図で図３に示されている。格子照射野Ａ１′〜Ａ４′およびＢ１′〜Ｂ４′を通るＡ軸およびＢ軸の走査光路における部分光線束の光路変化は、図２ｂに示した上記実施例と同一である。さらに第３移動方向に沿った位置測定に拡大され、２つの第１移動方向の位置測定と同様に行われる（Ａ′軸およびＢ′軸）。第３移動方向の走査光路および格子照射野Ａ′１″〜Ａ′４″およびＢ′１″〜Ｂ′４″の構成は、Ａ軸およびＢ軸の走査光路および格子照射野Ａ１″〜Ａ４″およびＢ１″〜Ｂ４″に対応している；しかしながら、格子照射野Ａ′１″〜Ａ′４″およびＢ′１″〜Ｂ′４″の配置は、格子照射野Ａ１′〜Ａ４′およびＢ１′〜Ｂ４′に対してＺ方向に関して９０°だけ回動して設けられている。これにより、側方移動方向Ｘの測定の他に、鉛直方向の移動方向Ｚの測定を重複して行うことが可能である。鉛直方向の移動方向Ｚの重畳した測定により、平均によるエラーの影響を低減し、これにより、位置測定装置の精度を改善することができる。

欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書により既知の位置測定装置では、設けられた２つの走査光路の部分光線束はそれぞれＸ方向に変位された状態で、すなわち、唯一の側方の測定方向に対して垂直方向に再び測定基準器に入射する。これに対して、本発明による位置測定装置では、これまでに説明した実施例によれば、設けられた第３走査光路の２つの部分光線束は同様にＸ方向に変位されているが、しかしながら、これは側方の測定方向に沿った変位に対応する。

第２側方移動方向Ｘに沿った位置測定のために付加的に設けられた第３走査光路により、測定基準器の格子定数と、隣接する格子照射野間の変位距離δｘもしくはδｙとが決定された場合に、測定基準器と走査システムとの間の走査距離が決定される。

本発明では、例えば図２ａの実施例では、それぞれ同じ部分光線束によってＡ１′からＡ３′へ、Ａ２′からＡ４′へ、Ｂ１′からＢ３′へ、Ｂ２′からＢ４′へ通過される格子照射野Ａ１′〜Ａ４′，Ｂ１′〜Ｂ４′および分離格子２１′，２３′を備える照射野の間の変位距離δｘ，δｙ、もしくは格子照射野Ｘ１′，Ｘ２′および格子照射野Ｘ３′，Ｘ４′の間の変位間隔を同一に選択することがさらに好ましい。

格子照射野Ａ１′〜Ａ４′およびＢ１′〜Ｂ４′の間の変位距離δｘがそれぞれ最小限に選択されたと仮定すると、第３走査光路の格子照射野Ｘ１′〜Ｘ４′を互いにより密に隣接して配置することはできない。したがって、走査システムの光学素子の種々異なる照射野の間で等しい変位間隔δを選択した場合、本発明による位置測定装置の最小限の構成サイズが得られる。

さらに光学素子の上面と測定基準器との間の走査距離をΔとし、測定基準器の格子定数をｄとし、使用される光の波長をλとし、光学素子の隣接した照射野の間隔をδとした場合、走査距離Δは、以下の方程式２：

にしたがって得られる。照射野の間の変位距離δは、使用時に要求される走査システムの回転許容差から得られる。

したがって、変位距離δ＝６ｍｍ、波長λ＝９７６ｎｍ、および測定基準器の格子定数ｄ＝２．０４８μｍの場合、光学素子の格子面と測定基準器との間の走査距離Δ＝２２．１３７ｍｍが得られる。これは、欧州特許出願公開第１７６２８２８号明細書により既知の位置測定装置に対して、２つのみの走査光路によって拡大された走査距離が得られることを意味する。このように空中における走査距離が拡大された場合、空気乱流もしくは屈折率変動に対して位置測定装置の感度が高められる。しかしながら、本発明による位置測定装置ではこのような影響を複数の形式で補正することができる。

したがって、第１補正形式では、走査光路にカバーガラス４０を配置することにより、走査光路全体を周辺空気からできるだけ気密に遮蔽することが可能である。本発明による光学式位置測定装置の適宜に形成された実施態様が、図１ａおよび図１ｂに類似した２つの断面図で図４に示されている。カバーガラス４０を除いて、この実施態様は詳細に説明した上記第１実施例に対応している。この場合、測定基準器１１０と走査システム１２０との間における空気中の３つの走査光路の自由な距離が最小限となるように、カバーガラス４０の位置が測定基準器１１０のできるだけ近いことが望ましい。

第２の補正形式が同様に図５に示されている。この場合、走査システム２２０と測定基準器２１０との間の自由な空気容積は、温度補正されたガラス体５０によってできるだけ完全に充填されている。これは、ガラス体５０の長さ膨張が屈折率変化を補正することを意味する。したがって、圧力、温度または湿度の変化による空気中の屈折率変化が位置測定に影響を及ぼすことはない。同様に、急速な空気交換は不可能である。温度補正されたガラス体５０は、特にＡ軸およびＢ軸の走査光路に関係する。なぜなら、ガラス中の部分光線束の経路は、異なる角度に基づいて異なっており、ひいては異なる回折次数についてガラス中の部分光線束の距離が異なっているからである。ガラス体が補正されていない場合、温度により測定された位置に変化が生じる。これに対して、Ｘ軸は対称的に構成されている。この場合、２つの回折次数のガラスの間に温度勾配が生じていないことを確認できるのであれば、ガラス体５０は必ずしも温度補正されていなくてもよい。

次に図６に基づいて、本発明による位置測定装置の出口側で３つの走査光路全てにおいて使用される共通の分離光学系について説明する。この分離光学系を介して、３つの走査光路で生じた干渉する部分光線束は第２光ファイバに結合され、第２光ファイバはこれらの光線束を後続の検出装置に供給する。

入口側で光源の光線が、第１光ファイバおよび全ての３つの走査光路に共通の結合光学系を介して走査システムに供給されることを補足的にここでもう一度示唆しておく。

図６の左側には、図１ｂと同様に、第１実施例の３つの走査光路が概略図で示されている。図６の右側部分には、３つの走査光路の干渉する部分光線束の分割および第２光ファイバへの分離が異なる断面図で概略的に示されている。この場合、示唆された３つの走査光路の他に、焦点レンズ２４、視野レンズ２５、分離側の回折格子２３、および全部で９つのマルチモード‐光ファイバ２７を備える第２光ファイバ２６が示されている。本発明にしたがって全ての３つの走査光路によって使用される分離光学系は、焦点レンズ２４、分離側の回折格子２３、および視野レンズ２５を備える。

３つの走査光路の重畳された光線束は、図示のようにＹＺ平面で異なる方向から回折格子２３および２つのレンズ２４，２５に入射する。これにより、焦点面においてレンズ２４，２５を通過した後に光線束は空間的に分離されており、したがって、フェルール２８の所定の配置に保持された第２光ファイバ２６の全てのマルチモード‐光ファイバ２７に結合することができる。この場合、視野レンズ２５は分割された光線を平行にする役割を果たし、したがって、マルチモード‐光ファイバ２７を所定の角度でフェルール２８に挿入しなくてもよい。走査光路につき３つのマルチモード‐光ファイバ２７を備えるフェルール２８の平面図が図７に示されている。図面からわかるように、Ｘ方向に重畳された軸Ａ，ＢおよびＸの光線束はそれぞれ重畳された３つの部分光線束に分割され、分離された状態で対応するマルチモード‐光ファイバ２７に結合される。フェルール２８の面には、図７にのみ示すように、それぞれのマルチモード‐光ファイバ２７に偏光板が取り付けられており、これらの偏光板は、位置に関する信号が１２０°だけ位相をずらされ、強度変調方式で生じるようにそれぞれ配向されている。好ましくは、個々の偏光板の代わりに、偏光軸が格子の配向により決定される共通の回折性偏光子をガラス基板で使用してもよい。

図７に示すように、この場合、上列および下列には、Ａ軸およびＢ軸の信号のためにそれぞれ３つのマルチモード‐光ファイバ２７が設けられており、これに対して中央には第３走査光路に属する３つのマルチモード‐光ファイバ２７が設けられている。

これと同じ原理に基づいて、図３に示した本発明による位置測定装置の実施例では、光線束は、分離光学系によりそれぞれ３つの部分光線束に分離される。しかしながら、この場合、４つの走査光路、すなわち、Ａ軸およびＢ軸の部分光線束ならびにＡ′軸およびＢ′軸から全部で４つの光線束がそれぞれ３つの部分光線束に分割される。Ｙ軸に関して２２．５°で回折格子を配置することにより、図８に示すフェルール装置によって全部で１２個のマルチモード‐光ファイバ２７′において部分光線束を伝送することが可能である。それぞれの軸Ａ，Ｂ，Ａ′，Ｂ′の１２０°だけ位相をずらされた信号のまとまりが、それぞれ書き込まれた長方形により示されている。図８には、ここでも個別に取り付けるかまたは回折性に構成して共通のガラス基板に取り付けることができる偏光板は示されていない。

具体的に説明した実施例の他に、本発明の範囲では当然ながら他の構成可能性もある。

１０，１０′ 測定基準器
２０，２０′ 走査システム
２１，２１′ 回折格子
２２，２３ 光学素子
２４ 焦点レンズ
２５ 視野レンズ
２６ 第２光ファイバ
２７，２８′ マルチモード‐光ファイバ
２８ フェルール
３１ 第１光ファイバ
２１′，２３′ 分離格子

Claims (12)

1. 互いに対して移動可能な２つの物体の位置を検出するための光学式位置測定装置であって、
   ２つの物体の一方に結合された測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）と、２つの物体の他方に結合された、測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）を走査するための走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）とを備え、走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）により、物体の第１側方移動方向（Ｙ）および鉛直方向（Ｚ）の移動方向に沿って同時に位置決定を行うことが可能であり、このために、走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）の面に互いに傾斜した２つの走査光路が形成されており、該走査光路で、それぞれ干渉する部分光線束から一群の位相をずらされた信号を出口側で生成可能である装置において、
   走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）により、さらに少なくとも１つの第３走査光路が形成されており、該第３走査光路を介して、物体の第２側方移動方向（Ｘ）に沿った位置決定が可能であり、
   光源の光線が、第１光ファイバ、および全ての３つの走査光路に共通の結合光学系を介して走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）に供給可能であり、
   ３つの走査光路で生成された干渉する部分光線束が共通の分離光学系を介して第２光ファイバ（２６）に結合可能であり、該第２光ファイバが前記部分光線束を検出装置に供給する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、
   前記走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）が入口側に回折格子を含み、該回折格子が、結合光学系から入射した光線束を３つの走査光路に分割し、回折格子の＋／−１次の回折次数が第１および第２走査光路に割り当てられており、０次の回折次数が前記第３走査光路に割り当てられている光学式位置測定装置。
3. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   前記第３走査光路では前記部分光線束が前記測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）の方向に伝搬し、該測定基準器で他の２つの部分光線束に分割され、該部分光線束が走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）の方向に反射され、該走査システムでそれぞれ逆反射され、第２側方移動方向（Ｘ）に沿って変位され、再び前記測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）の方向に伝搬し、該測定基準器で、干渉して重畳され、前記走査システムの方向に伝搬し、該走査システムで、第２側方移動方向（Ｘ）に沿った相対移動に関して、複数の位相をずらされた信号が検出可能である位置測定装置。
4. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   前記走査システム（２０；２０’；１２０；２２０）が光学素子（２２；２２’）を含み、前記測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）に向いた前記光学素子の面に、異なる走査光路に限定的に割り当てられ、透過格子を備える複数の格子照射野（A1-A4;B1-B4;X1-X4;A1’-A4’;B1’-B4’;X1’-X4’）と、結合側の回折格子（２１；２１’）と、分離側の回折格子（２３；２３’）とが配置されている位置測定装置。
5. 請求項４に記載の位置測定装置において、
   前記格子照射野（A1-A4;B1-B4;X1-X4;A1’-A4’;B1’-B4’;X1’-X4’）と分離格子との間の変位間隔（δｘ）が第２側方移動方向（Ｘ）に沿って同一に選択されている位置測定装置。
6. 請求項４に記載の位置測定装置において、
   前記光学素子（２２；２２’）と前記測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）との間に、横方向寸法に関して全ての走査光路にわたるカバーガラス（４０）が配置されている位置測定装置。
7. 請求項４に記載の位置測定装置において、
   ガラス内を通過する部分光線束の光学距離が温度変化により変更されることがないように、前記光学素子（２２；２２’）と前記測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）との間に温度補正されたガラス体が配置されている位置測定装置。
8. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   第２光ファイバ（２６）が、走査光路につき、共通のフェルール（２８）の結合側端部に配置されたそれぞれ３つのマルチモードファイバ（２７）を含んでいる位置測定装置。
9. 請求項１に記載の位置測定装置において、
   第１および第２側方移動方向（Ｘ，Ｙ）が互いに垂直に配向されており、前記測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）が格子として形成されている位置測定装置。
10. 請求項１に記載の位置測定装置において、
    全ての３つの移動方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の走査光路が共通の走査中心を備える位置測定装置。
11. 請求項１に記載の位置測定装置において、
    少なくとも１つの部分光線束が、前記測定基準器（１０；１０’；１１０；２１０）における１回目の入射と２回目の入射との間の走査光路で、それぞれの移動方向（Ｘ）に沿って変位される位置測定装置。
12. 請求項４に記載の位置測定装置において、
    前記部分光線束を反射するために、前記光学素子（２２；２２’）が、複数の光学機能を統合した回折性構成部材を含んでいる位置測定装置。
    

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