JP6438357B2 - 光学式位置測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに移動可能な２つの物体の相対位置を高精度で決定するために適した光学式位置測定装置に関する。

既知の高精度の光学式位置測定装置では、強度に関連した評価方法の他に、位相をずらされ、ずれに依存した３つ以上の走査信号を生成する偏光光学式方法も位置測定のために用いられる。走査信号の偏光光学的な生成に関しては、例えば出願人の欧州特許出願公開第０４８１３５６号明細書を参照されたい。

欧州特許出願公開第０４８１３５６号明細書に記載の信号生成の根底にある原理が、図１に展開された走査光路の概略図として示されている。回折格子Ａ，Ｍは、この場合、図示の方向ｘに沿って、共に他の構成要素Ｌ１，Ｌ２，ＡＯに対して相対移動可能に配置されている。左側から入射し、偏光子Ｐ１を介して限定的に偏光された光線束は、この場合、回折格子Ａを介して２つの部分光線束に分割される。干渉させられる部分光線束には位置情報が符号化されており、図１に示されているように、部分光線束の光路には、偏光光学素子、例えば様々に配向されたλ／４プレートＰＥ１，ＰＥ２が挿入される。λ／４プレートＰＥ１，ＰＥ２は、通過する２つの部分光線束を互いに直交方向に偏光する。すなわち、２つの部分光線束は、例えば左円偏光および右円偏光される。これら２つの部分光線束は、次いで共通の信号光線束（０）として重畳され、後続の評価光学系ＡＯにおいて、重畳された３つ以上の部分光線束Ｉ９０，Ｉ２１０，Ｉ３３０に分割される。様々に配向された偏光子Ｐ９０，Ｐ２１０，Ｐ３３０を通過した後に、検出素子Ｄ９０，Ｄ２１０，Ｄ３３０では最終的にそれぞれ１２０°だけ位相をずらされた走査信号Ｓ９０，Ｓ２１０，Ｓ３３０が生じ、これらの走査信号は既知の方式でさらに処理することができる。λ／４プレートＰＥ１，ＰＥ２の他に、さらに部分光線束によって既に通過された回折格子Ａ，Ｌ１，Ｌ２によって誘起された偏光エラーを補正するために、分割された部分光線束の光路には、さらに偏光子Ｐ２，Ｐ３の形態の他の偏光光学式の構成素子が配置されることが多い。

位相をずらされ、ずれに依存した複数の走査信号を偏光光学式に生成する場合には、互いに相対的に移動された構成素子の間の操作光路もしくは走査ギャップにλ／４プレートおよび偏光子などの付加的な光学素子を必ず挿入しなければならないことが欠点であることが判明した。適宜な光学式位置測定装置の構成スペースが制限されている場合、または小さい走査間隔しか設けられていない場合には、このような付加的な構成素子は問題となることもある。国際公開第２００８／１３８５０１号により既知の原理と同様に位置測定装置を構成することが望ましい場合には、図１に示した構成要素Ａ，ＭおよびＬ１，Ｌ２は、互いに変位可能な２つの基準器として構成されている。この場合には、これらの基準器の間に位置する不動の偏光光学式構成素子を保持することが不可能であることが多い。

したがって、走査光路に付加的な偏光光学式構成素子を設けることは、使用される支持構造体の平坦性、平行性、および一様性にさらに高い要求を課すことにもなる；すなわち、支持構造体を収容するためにドリフトのない安定した取付け面が必要である。この場合、起こり得る材料欠陥は、適切な較正方法により、極めて高い付加コストをかけてのみ補正可能である。このことは、特に適宜な光学式位置測定装置において並進不変の長い尺度が使用される場合にあてはまる。

さらに、走査光路において付加的に必要な偏光光学式構成素子によって、走査ギャップにおける固有周波数または気流などの他のシステム特性に、同様にネガティブな影響が及ぼされる場合がある。

走査光路に付加的な個別の偏光光学素子を設けることなしに、位相をずらされた走査信号を偏光光学式に生成する光学式位置測定装置は、既に出願人の欧州特許出願公開第２４６６２７２号明細書において提案されている。本出願の前提部分の構成はこの刊行物から出発している。この解決方法によれば、本発明による偏光光学式構成素子は、走査光路の他の構成要素に組み込まれ、例えば、周期的に可変のパターンを備える高周波格子の形式で形成されている。このような位置測定装置では、使用される構成要素は、測定方向に位置に依存した偏光特性を有している。この場合、基準器は、例えば局所的な複数の可変の層からなり、分割周期ｄ_Ｒ＜λ／２を有する高周波回折格子を含む。このような高周波回折格子は、０次の回折次数のみを有し、偏光光学機能を生成する。この場合、高周波回折格子の回折格子配向は、測定方向に沿って偏光周期ｄ_Ｐ＞ｈｗ_Ｓｐｏｔにより変化し、偏光周期ｄ_Ｐは、生成可能な走査信号の信号周期ＳＰを下方に制限する基準器の照射範囲の幅ｈｗ_Ｓｐｏｔよりも著しく大きくなければならない。高周波回折格子の０次の回折次数は幾何学的な光線偏向をもたらすことがないので、幾何学的に偏向する回折格子は、少なくとも１次の回折次数を生成するために十分に大きい別の周期性ｄ_Ｔをさらに備えている必要がある。すなわち、ｄ_Ｔ＞λ／２が成り立つ必要がある。偏光周期性ｄ_ｐは、同様に幾何学的な偏向をもたらすことは不都合なので、周期性ｄ_Ｔよりも著しく大きく選択される。

この位置測定装置において様々な回折格子において生じる周期性ｄ_Ｒ，ｄ_Ｔ、およびｄ_ｐは、次の条件を満たす必要がある：
ｄ_Ｒ＜λ／２＜ｄ_Ｔ＜ｈｗ_Ｓｐｏｔ＜ｄ_ｐ＜４ＳＰ。

小さい周期性ｄ_Ｒを有する回折格子は、基本的に技術的手間をかけて作製される。適宜な位置測定装置の高い解像度を得るためには、小さい信号周期ＳＰが望ましい。したがって、欧州特許出願公開第２４６６２７２号明細書に記載の既知の位置測定装置は、ｄ_ＲとＳＰとの間に提供されており、適宜な回折格子の周期性ｄ_Ｔおよびｄ_ｐのために使用することができる小さい寸法範囲に関して所定の制限を受ける。さらに、基準器の照射範囲の幅ｈｗ_Ｓｐｏｔに関して所定の制限が存在する。

欧州特許出願公開第０４８１３５６号明細書 国際公開第２００８／１３８５０１号 欧州特許出願公開第２４６６２７２号明細書

本発明の基礎をなす課題は、付加的な偏光光学構成素子を走査光路に設ける必要なしに、位相をずらされた走査信号を偏光光学式に生成する光学式位置測定装置を作製することである。生成される走査信号が特定の信号周期を備えている必要がある場合には、適宜な位置測定装置ができるだけ制限されていないことが望ましい。

この課題は、本発明によれば、請求項１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の位置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明らかである。

本発明による光学式位置測定装置は、少なくとも１つの測定方向に沿って互いに相対的に移動可能に配置された第１基準器および第２基準器の相対位置を検出するために用いられる。分割用回折格子では、光源から放出された照射光線束が少なくとも２つの部分光線束に分割される。部分光線束は、走査走路を通過する場合に様々な偏光光学作用を受ける；様々に偏光された部分光線束が結合用回折格子において再び結合された後に、生じた信号光線束から、位相をずらされ、ずれに依存した複数の走査信号を生成することができる。部分光線束の走査光路には、分割と再結合との間に偏光光学構成素子は設けられていない。部分光線束に様々な偏光光学作用をもたらすためには、
円錐状に入射する照射光線束が分割用回折格子に入射し、入射する照射光線束は測定方向に対して垂直方向の入射平面を０°とは異なる角度で通過し、入射平面は分割用回折格子に対する格子垂線と、照射光線束の入射方向との間に延在し、
部分光線束の走査光路は、分割と再結合との間に、入射平面に対して鏡面対称的に形成されている。

有利には、光源から放出された照射光線束は、入射平面に対して対称的または反対称的な鏡面対称性を有する直線偏光を備える。

部分光線束の走査光路には、分割と再結合との間にそれぞれ１つ以上の回折格子が配置されており、これらの回折格子は、
部分光線束のための入射面に対する鏡面対称性が保持され、
構成要素と協働して、垂直方向および平行に偏光された部分光線束の偏光クロストークが可能となるように構成されている。

この場合、再結合位置における部分光線束は、逆向きの円偏光を備えていてもよい。

代替的には、再結合位置における部分光線束は、互いに直交する楕円偏光を備えていることも可能である。

さらに、再結合位置における部分光線束が、対応するジョーンズベクトルのベクトル積が値２／３を超えないように偏光されるように構成してもよい。

可能な一実施形態では、第１基準器は、測定方向に延在する第１反射型回折格子または透過型回折格子を含み、第１反射型回折格子または透過型回折格子は照射光線束のための分割用回折格子として作用する。

この場合、第１基準器は、測定方向に延在する第２反射型回折格子または透過型回折格子を含んでいてもよく、第２反射型回折格子または透過型回折格子は部分光線束のための結合用回折格子として作用する。

この場合、さらに第２基準器が透明なプレートを含み、このプレート内にそれぞれの分割光線束のために、レンズおよびリフレクタを有する回折性レトロリフレクタまたは回折性屋根形プリズムが形成されていてもよい。

適宜な一実施形態では、次のように構成されていてもよい：
透明なプレートの、第１基準器に向いた第１面に、少なくとも１つの透過型回折格子の形式のレンズが形成されており、
透明なプレートの、第１基準器に向いていない第２面に、少なくとも１つの反射層の形式のリフレクタが形成されており、反射層の反射面はプレートの第１面の方向に向けられている。

同様に、第１基準器および第２基準器の構成要素が次のように形成および配置されていることも可能である：
光源から入射した照射光線束が第１基準器の第１反射型回折格子で２つの部分光線束に分割され、次いで部分光線束は第２基準器の方向に伝播し、
部分光線束が、第２基準器の透明なプレートにおいてそれぞれ回折性レトロリフレクタまたは屋根型リフレクタを通過し、次いで測定方向に対して垂直方向に変位され、再び第１基準器の方向に伝播し、
部分光線束が、第１基準器の第２反射型回折格子の結合位置で重畳され、重畳された一対の部分光線束を有する信号光線束が再び第２基準器の方向に伝播する。

この場合、２つの基準器に対して不動の走査ユニットに、偏向ミラー、回折格子、レンズ、および複数の偏光器を配置し、１つ以上の光ファイバを介して走査ユニットを光源および複数の検出素子に結合してもよい。

したがって、この場合、２つの基準器に対して不動の走査ユニットに、光源、偏向ミラー、回折格子、レンズ、複数の偏光器、および複数の検出素子が配置されていることも可能である。

別の一実施形態では、２つの基準器のそれぞれが、少なくとも１つの測定方向に沿って移動可能に配置されていてもよい。

特に有利には、本発明による光学式位置測定装置では、もはや別個の偏光光学構成素子を走査光路に設ける必要がないことが判明した。必要な偏光光学的機能は、走査光路の適宜な設計、走査光路において通過される回折格子の適宜な寸法決めおよび構成により得られる。

したがって、様々な回折格子の周期および基準器の照射範囲の幅の寸法決めに関する上述の制限はなくなる。

これにより、極めて小さい走査ギャップを備え、付加的な偏光光学構成素子を組み込むことが不可能な場合に、位相をずらされた走査信号を偏光光学的に生成することにより走査を実現することもできる。

特に、上記国際公開第２００８／１３８５０１号により既知のような光学式位置測定装置が実現可能である。このような光学式位置測定装置は、異なる方向に沿って移動可能な２つの基準器を含み、２つの移動方向が設けられていることにより、走査ギャップにおいて付加的な偏光光学構成素子を機械的に保持することは可能ではない。

本発明の他の詳細および利点を図面に関連した本発明による装置の実施例に基づいて説明する。

従来技術による光学式位置測定装置を示す概略図である。 測定方向を含む平面における本発明による位置測定装置の展開された走査光路を示す第１概略図である。 測定方向に対して垂直に配向された平面における図２ａに示した本発明による光学式位置測定装置の展開した走査光路を示す第２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を示す第１概略図である。 図３ａに示した本発明による光学式位置測定装置の実施例を示す第２概略図である。 図３ａ，３ｂに示した本発明による光学式位置測定装置の第１基準器および第１基準器に配置された反射型回折格子を示す平面図である。 図３ａ，３ｂに示した光学式位置測定装置の第２基準器の第１面およびこの第１面に配置された透過型回折格子を示す平面図である。 図３ａ，３ｂに示した光学式位置測定装置の第２基準器の第２面およびこの第２面に配置されたリフレクタを示す平面図である。

次に図２ａ，２ｂに基づいて、本発明による光学式位置検出装置の基本的な原理を説明し、続いて他の図面に関連して具体的な実施例を説明する。

図２ａ，２ｂは、本発明による光学式位置検出装置の一実施例における走査光路を２つの異なる方向から見た概略図で示している。この場合、図２ａは測定方向ｘを含む平面で展開された走査光路を示し；図２ｂは、測定方向ｘに対して垂直に配向された平面で展開された走査光路を示す。

図示の展開された光路に示されているように、本発明による光学式位置検出装置は、光源１１を有する照射ユニット１０と、分割用回折格子２１を有する第１基準器２０と、２回透過される回折格子３１を有する第２基準器３０と、回折格子４１を有する検出ユニット４０と、偏光子４２と、検出装置４３とを含む。

本発明による位置測定装置では、両方の基準器２０，３０は、互いに相対的に移動可能に、もしくは互いに対して少なくとも１つの所定の測定方向ｘに沿って変位可能に配置されている。この場合、図示の実施例では、両方の基準器２０，３０はそれぞれ測定方向ｘに沿って移動可能に配置されている。基本的には、これに対して代替的に、両方の基準器の相対移動可能性が提供されていれば十分である。すなわち、例えば一方の基準器のみが少なくとも１つの測定方向に沿って移動可能に配置されており、これに対して他方の基準器は不動に配置されていれば十分である。

使用される両方の基準器２０，３０は、本発明の範囲では、反射型回折格子および透過型回折格子の両方を含んでいてもよい。

図２ａ，図２ｂの光路展開図では、第１基準器２０がそれぞれ２回示されている。なぜなら、第１基準器２０は光路の途中で２回入射されるからである。すなわち、１回目は光源１１から入射する照射光線Ｂによって入射され、照射光線Ｂは第１基準器２０の分割用回折格子２１で２つの部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２に分割され、２回目は、結合用回折格子２２において再結合された分割光線束ＴＳ１，ＴＳ２によって入射される。これと同様に、第２基準器３０においても、透過される両方の回折格子３１，１，３１．２が図２ａ，２ｂに示されている。

図２ａ，２ｂのそれぞれの部分図には、第１基準器２０において分割された２つの部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２の展開された光路が示されている。第１基準器２０の分割用回折格子２１に入射した照射光線束Ｂの分割と、第１基準器２０の結合用回折格子２２における部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２の再結合との間に、部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２は第２基準器３０を通過し、第２基準器３０に設けられた回折格子３１．１，３１．２を２回通過する。

結合用回折格子２２で再結合された一対の部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２は、続いて信号光線束Ｓとして検出ユニット４０の方向に伝播し、そこで既知の方式で回折格子４１、後続の偏光子４２および検出装置４３によって、位相をずらされた複数の走査信号が偏光光学的に生成可能である；検出ユニット４０の構成および作動方式に関しては、冒頭で述べた欧州特許出願公開第０４８１３５６号明細書を参照されたい。

本発明による位置測定装置では、以下にさらに説明する複数の手段によって、重畳された部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２が互いに直交方向に偏光されていることが確保されている。したがって、偏光符号化された信号光線束Ｓは検出ユニット４０の方向に伝播し、位相をずらされた複数の走査信号が信号光線束Ｓから生成可能である。偏光符号化された信号光線束Ｓを生成するために、走査光路にそれぞれの偏光光学構成素子が設けられている必要はない；むしろ、重畳された部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２の種々異なる偏光が、続いて説明する本発明による手段により確保される。

図２ａに示されているように、部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２は分割と再結合との間において入射平面Ｅに対して鏡面対称的に構成されている。この場合、この対称性は部分光線束の伝播方向および偏光方向に関係している。図２ａに示すように、入射平面は図平面に対して垂直に配向されている。一般に、入射平面Ｅは、第１基準器２０の方向に伝播する照射光線束Ｂの入射方向と分割用回折格子２１に対する垂線との間に拡がる平面として定義される。基準器２０および３０に組み込まれた光学構成素子は測定方向ｘに並進不変に構成されている。これにより、入射平面Ｅに関する照射光線束Ｂの対称性が基準器２０および３０によって損なわれることはない。

光源から放出された照射光線束Ｂは、入射平面Ｅに対して対称的または反対称的な鏡面対称性を有する直線偏光を備える；好ましくは、この場合には照射光線束Ｂはｓ偏光またはｐ偏光されている。すなわち、対応したいわゆる「ジョーンズベクトル」（数１）

は、

もしくは

である。偏光を考慮して直線的な光学結像を記述するための既知のジョーンズ計算法に関しては、インターネット百科事典ＷＩＫＩＰＥＤＩＡの項目「ジョーンズ計算法」を参照されたい。

さらに本発明によれば、分割用回折格子２１は第１基準器２０に円錐状に入射する照射光線束Ｂによって、すなわち直角ではない角度で入射されるように構成されている。入射する照射光線束Ｂは測定方向ｘに対して垂直方向の平面を、０°とは異なる角度で通過する。したがって、照射光線束Ｂは、分割用回折格子２１の格子垂線に対して垂直に配向され、測定方向ｘに対して垂直に配向された伝播方向成分を有する；測定方向ｘの方向成分は照射光線束Ｂを含まない。このために、例えば、ｘによって測定方向が示され、ｚによって第１基準器２０に対する垂線の方向が示された場合に、照射光線束Ｂがｚ方向にではなく、ｘｚ平面に位置するように、光源１１を有する照射ユニット１０を適宜に構成もしくは配置することができる。分割用回折格子２１の円錐状の照射に関しては、特に、入射平面Ｅにおける走査光路もしくは入射平面Ｅで斜めに分割用回折格子２１に入射する照射光線束Ｂを示す図２ｂを参照されたい。この場合、入射平面Ｅは分割用回折格子２１に対する格子垂線と照射光線束Ｂの入射方向との間に延在している。照射光線束Ｂが基準器２０，３０に円錐状に入射することにより、光学系のジョーンズ行列におけるゼロとは異なる二次直交成分ｍ_ｓｐおよびｍ_ｐｓを表し、部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２の多様性をもたらす、いわゆる「偏光クロストーク」が生じる。

この場合、それぞれの回折格子２１，２２，３１．１，３１．２と、対応する部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２との相互作用はジョーンズ行列Ｍ_ｚ ^（ｎ）によって記述される。ジョーンズ行列Ｍ_ｚ ^（ｎ）は、それぞれの層パラメータおよび格子パラメータに依存しており、可能な偏光状態ｓおよびｐへの電界のクロストークを適切な位相で記述する。

以下に、分割用回折格子２１を符号Ａにより示し、両方のレンズ格子３１．１，３１．２をＬ１，Ｌ２により示し、両レンズ間に必要に応じて設けられるリフレクタ３２をＲによって示し、結合用回折格子２２をＶによって示す。

次に、例えばジョーンズべクトル

によりｓ偏光された入射電界が生じた場合には、両方の部分光線束ＴＳ１およびＴＳ２について直交方向に円形のジョーンズベクトルが生じるように、様々な回折格子２１，２２，３１．１，３１．２の格子パラメータが決定される：

対称性に基づいて、干渉する両方の部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２が円偏光されている。同様に、ｐ偏光された入射電界についてはジョーンズベクトル

によって互いに直交方向に円偏光された部分光線束ＴＳ１およびＴＳ２が生成されるように、様々な回折格子２１，２２，３１．１，３１．２を決定してもよい。代替的に、部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２が互いに直交方向に直線偏光されるように、回折格子２１，２２，３１．１，３１．２を最適化することもできる。この場合、ｓ偏光された入射電界について、式１の代わりに次の式２が成り立つ：

出射する部分光線束ＴＳ１およびＴＳ２は、この場合、＋４５°もしくは−４５°で直線偏光され、したがって再び互いに鏡面対称的な直交方向の偏光を備える。

上記式１および式２は、式３として一般化することができる：

この場合、入射電界は、ジョーンズベクトル

によってｓ偏光

されているか、またはｐ偏光

されていてもよい。角度φは随意に選択することができる。角度φとは無関係に、両方の部分光線束ＴＳ１およびＴＳ２は常に直交方向に偏光されている。すなわち、両方のジョーンズベクトルのベクトル積はゼロ（＊＝共役複素数）である：

偏光状態は、φ＝０およびφ＝πの場合にはそれぞれ直線偏光され、φ＝π／２およびφ＝３π／２の場合にはそれぞれ円偏光される。φ≠ｎ・π（ｎ＝０，１，２，３）の場合には、偏光は楕円形である。

これらの手段により、本発明による光学式位置測定装置では、偏光符号化された信号光線束Ｓを生成するために、互いに相対移動可能な基準器２０，３０の間に別個の偏光光学構成素子を配置しなくてもよい。したがって、検出ユニット４０の方向に伝播する信号光線束Ｓは、好ましくは直交方向に偏光され、重畳された２つの部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２から構成され、既知の方式で、位相をずらされた複数の走査信号を生成するために評価することができる。一般に、重畳された両方の部分光線束ＴＳ１およびＴＳ２は、重畳された複数の部分光線束に分割され、それぞれλ／２プレートまたはλ／４プレートにより互いに直交方向に直線偏光され、重畳された部分光線束に変換される。これらの部分光線束は偏向子を通過し、検出器によって走査信号に変換される。偏光子の整列により、互いに位相をずらされた複数の走査信号を生成することができるように、走査信号の位相状態をそれぞれ調節することができる。

走査信号の変調度は、両方の部分光線束ＴＳ１およびＴＳ２の偏光の直交性に依存している。実際には、回折格子２１，２２，３１．１，３１．２の製造公差に基づいて、両方の部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２は理想的に直交方向に偏光されない。少なくとも３３％の十分な変調度のためには、対応するジョーンズベクトルのベクトル積は式４とは異なり最大で２／３であってよい：

本発明による光学式の位置測定装置の具体的な実施例を以下に図３ａ，３ｂならびに図４ａ，４ｂおよび４ｃに基づいて説明する。図３ａ，３ｂはそれぞれ位置測定装置の異なる概略断面図を示し、図４ａ〜４ｃには、この位置測定装置の異なる構成素子の平面図が示されている。

図示の位置測定装置は、図２ａおよび図２ｂについての上記説明と同様に、それぞれ測定方向ｙに沿って移動可能に配置された２つの基準器１２０，１３０を含む。走査ユニット１５０は移動可能な基準器１２０，１４０に対して不動に配置されており、様々な光学構成素子を備える。光ファイバ１５６，１５４．１〜１５４．３を介して、走査ユニット１５０は光源ならびに複数の光電式検出素子（図示しない）に結合されている。

走査ユニット１５０と基準器１２０，１３０とは、例えば機械構成要素（図示しない）に機械的に結合されており、本発明による位置測定装置によってこれらの機械構成要素の相対位置を測定することができる。位置測定装置によって生成された走査信号は、ずれに依存しており、機械構成要素を位置決めするために上位の機械制御器によってさらに処理される。

光源（図示しない）から放出された照射光線束Ｂは光ファイバ１５６を介して走査ユニット１５０に供給され、まず第２基準器１３０における光学的に無効な領域を通過し、次いで第１基準器１２０の面で、この場合には反射性回折格子として構成されている分割用回折格子１２１に入射する。図４ａに示されているように、分割用回折格子１２１は、縦軸がｘ方向に平行に延在する反射性分割マークおよび非反射性分割マークが測定方向ｙに周期的に配置されていることにより生じる。

第１基準器１２０における反射性に構成された分割用回折格子１２１では、円錐状に入射する照射光線束Ｂが２つの第１回折オーダもしくは２つの部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２に回折もしくは分割される。両方の部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２は、次いで第１基準器１２０と第２基準器１３０との間の走査ギャップを通過し、続いて第２基準器１３０に入射する。

第２基準器１３０は透明なプレート１３３を含み、プレート１３３の、第１基準器１２０に向いた第１面には、ｙ方向に延在する２つの透過型回折格子１３１．１，１３１．２が構成されている。プレート１３３の反対側に位置する第２面には、リフレクタ１３２が反射層の形式で構成されており、反射層の反射面は、透明なプレート１３３の第１面の方向に配向されている。第２基準器１３０のこのような構成により、第２基準器１３０に入射する両方の部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２のために、図示の実施例では、それぞれ２つのレンズと１つのリフレクタとからなる回折性の屋根型リフレクタが構成されている。この場合、レンズは透過型回折格子１３１．１，１３１．２により形成されており、リフレクタ１３２はリフレクタ層により形成されている。

図３ｂに示すように、部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２は、透過型回折格子１３１．１を１回目に通過し、リフレクタ１３２で反射され、透過型回折格子１３１．２をもう１回通過した後に、測定方向ｙに対して垂直方向にずらされ、第１基準器１２０の方向に反射される。第１基準器１２０では、部分光線束ＴＳ１，ＴＳ２が結合位置で結合用回折格子１２２に重畳され、次いで信号光線束Ｓは再び第２基準器１３０の方向に伝播する。第２基準器１３０で信号光線束Ｓは、透明なプレート１３３の光学的に無効な領域を通過し、偏向された後に分離ミラー１５５を介して、特に回折格子１５１とレンズ１５２と複数の偏光子１５３．１，１５３．２，１５３．３とを含む検出ユニットに到達する。この実施例では、偏光子１５３．１，１５３．２，１５３．３の後方にはそれぞれ光ファイバ１５４．１，１５４．２，１５３．４が配置されており、これらの光ファイバは、回折格子１５１を介して分割された部分光線束を、走査ユニット１５０から離間して配置された検出素子（図示しない）に最終的に供給する。

本実施例では、冒頭で議論した従来技術において必要なλ／４プレートの偏光回転機能が、第１および第２基準器１２０，１３０の回折格子１２１，１２２，１３１．１，１３１．２の対称性により付与される。同様に場合によって生じる偏光エラーを補正するために必要であった付加的な偏光子は、本発明による光学式位置測定装置では不要である。走査ギャップにおける付加的な構成部材なしに、場合によって生じる偏光エラーが走査光路の様々な回折格子によって確実に相関されており、したがって再現可能である。偏光エラーは補間エラーをもたらす場合があるが、このような補間エラーは、必要に応じて適切な補正方法、例えばオンライン補正によって補正可能である。

分割用回折格子１２１、透過型回折格子１３１．１，１３１．２、リフレクタ、および結合用回折格子１２２の層パラメータおよび格子パラメータを同時に最適化することにより、偏光クロストーク部分を最適化することができ、干渉する部分光線束の最大限の変調が達成される。この場合、それぞれの格子１２１，１２２，１３１．１，１３１．２と、対応する光線束との相互作用は、ジョーンズマトリクスＭ_ｚ（^ｎ）により記述される。ジョーンズマトリクスＭ_ｚ（^ｎ）は、それぞれの層パラメータおよび格子パラメータに依存し、可能な偏光状態ｓおよびｐへの電界のクロストークを適宜な位相で記述する。

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さらに他の構成可能性も存在する。

例えば、測定方向に沿って移動可能な別個の２つの基準器の代わりに、２つの基準器のうちのいずれか一方のみが移動可能に配置されており、これに対して他方の基準器が、例えば不動に配置されており、走査ユニットに付属していることも可能である。

さらに冒頭で引用した国際公開第２００８／１３８５０１号に記載の位置測定装置を構成するために、２つの基準器のいずれか一方または両方が、付加的に測定方向とは異なる方向に移動可能であることも同様に可能である。

さらに、図３ａ，３ｂに示した実施例の代わりに、光源および／または検出素子は光ファイバを介して結合された状態で走査ユニットから離間して配置されるのではなく、走査ユニット内に組み込まれた状態で配置されているように構成してもよい。

さらに、分割用回折格子および結合用回折格子が第１基準器に単一の回折格子として構成されていることも可能であり、この場合には、２つの別個の回折格子パターンを設ける必要はない。

第２基準器には、上記実施例で設けられていた回折性の屋根型リフレクタの代わりに回折性のレトロリフレクタを形成してもよい。

１１ 光源
２０，３０；１２０，１３０ 基準器
２１；１２１ 分割用回折格子
２２；１２２ 結合用回折格子
２１，３１．１，３１．２，２２；１２１，１３１．１，１３１．２，１２２ 回折格子
３１．１，３１．２；１３１．１，１３１．２ 透過型回折格子
１３２ リフレクタ
１３３ プレート
１５０ 走査ユニット
１５１ 回折格子
１５２ レンズ
１５３．１，１５３．２，１５３．３ 偏光器
１５５ 偏向ミラー
１５４．１，１５４．２，１５４．３；１５６ 光ファイバ
Ｂ 照射光線束
Ｅ 入射平面
ＴＳ１，ＴＳ２ 部分光線束
ｘ，ｙ 測定方向

Claims (14)

1. 少なくとも１つの測定方向に沿って互いに相対的に移動可能に配置された第１基準器および第２基準器の相対位置を検出するため、光源と前記第１基準器と前記第２基準器とを備える光学式位置測定装置であって、
   前記第１基準器は、
   前記光源から放出された照射光線束を少なくとも２つの部分光線束に分割するように構成された分割用回折格子であって、前記部分光線束は、走査走路を通過する場合に様々な偏光光学作用を受ける、前記分割用回折格子と、
   様々に偏光された前記部分光線束が前記第２基準器を通過した後に前記部分光線束を生じた信号光線束へ再結合するように構成された結合用回折格子であって、前記第１基準器と前記第２基準器の相対位置に関する情報は前記生じた信号光線束に符号化されている、前記結合用回析格子と、
   を備え、
   前記生じた信号光線束から、位相をずらされた、ずれに依存した複数の走査信号を偏光光学的に生成することができ、前記部分光線束の走査光路には、前記分割用回折格子と前記結合用回折格子との間に偏光光学構成素子が設けられていない、光学式位置測定装置において、
   前記部分光線束に様々な偏光光学作用をもたらすために、
   円錐状に入射する照射光線束が前記分割用回折格子に入射し、入射する照射光線束が測定方向に対して垂直方向の入射平面を０°とは異なる角度で通過し、入射平面が、前記分割用回折格子に対する格子垂線と、前記照射光線束の入射方向との間に延在し、
   前記部分光線束の走査光路が、前記入射平面に対して鏡面対称的に形成されてい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、
   前記光源から放出された前記照射光線束が、入射平面に対して対称的または反対称的な鏡面対称性を有する直線偏光を備える光学式位置測定装置。
3. 請求項２に記載の光学式位置測定装置において、
   前記部分光線束の前記走査光路には、分割用回折格子と結合用回折格子との間にそれぞれ１つ以上の回折格子が配置されており、該回折格子が、
   前記部分光線束のための前記入射平面に対する鏡面対称性が保持され、
   垂直方向および平行に偏光された前記部分光線束（ＴＳ１，ＴＳ２）の偏光クロストークが可能となるように構成されている光学式位置測定装置。
4. 請求項３に記載の光学式位置測定装置において、
   再結合位置における前記部分光線束が、逆向きの円偏光を備えている光学式位置測定装置。
5. 請求項３に記載の光学式位置測定装置において、
   再結合位置における前記部分光線束が、互いに直交する楕円偏光を備えている光学式位置測定装置。
6. 請求項３に記載の光学式位置測定装置において、
   再結合位置における前記部分光線束が、対応するジョーンズベクトルのベクトル積が値２／３を超えないように偏光される光学式位置測定装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項いずれか一項に記載の光学式位置測定装置において、
   第１基準器が、測定方向に延在する第１反射型回折格子または透過型回折格子を含み、該第１反射型回折格子または透過型回折格子が、前記照射光線束のための分割用回折格子として作用する光学式位置測定装置。
8. 請求項７に記載の光学式位置測定装置において、
   前記第１基準器が、前記測定方向に延在する第２反射型回折格子または透過型回折格子を含み、該第２反射型回折格子または透過型回折格子が、前記部分光線束のための結合用回折格子として作用する光学式位置測定装置。
9. 請求項７または８に記載の光学式位置測定装置において、
   第２基準器が透明なプレートを含み、該プレート内にそれぞれの前記分割光線束のために、レンズおよびリフレクタを有する回折性レトロリフレクタまたは回折性屋根形プリズムが形成されてい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、
    前記透明なプレートの、前記第１基準器に向いた第１面に、少なくとも１つの透過型回折格子の形式のレンズが形成されており、
    前記透明なプレートの、前記第１基準器に向いていない第２面に、少なくとも１つの反射層の形式のリフレクタが形成されており、反射層の反射面は前記透明なプレートの第１面の方向に向けられている光学式位置測定装置。
11. 請求項９に記載の光学式位置測定装置において、
    第１基準器および第２基準器の構成要素が次のように形成および配置されている：
    前記光源から入射した照射光線束が第１基準器の第１反射型回折格子で２つの部分光線束（ＴＳ１，ＴＳ２）に分割され、次いで部分光線束が第２基準器の方向に伝播し、
    前記部分光線束が、前記第２基準器の透明なプレートにおいてそれぞれ回折性レトロリフレクタまたは屋根型リフレクタを通過し、次いで測定方向に対して垂直方向に変位され、再び前記第１基準器の方向に伝播し、
    前記部分光線束が、前記第１基準器の第２反射型回折格子の結合位置で重畳され、重畳された一対の前記部分光線束を有する信号光線束が再び前記第２基準器の方向に伝播するように形成および配置されてい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、
    ２つの基準器に対して不動の走査ユニットに、偏向ミラー、回折格子、レンズ、および複数の偏光器が配置されており、前記走査ユニットが１つ以上の光ファイバを介して光源および複数の検出素子に結合されてい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、
    ２つの基準器に対して不動の走査ユニットに、光源、偏向ミラー、回折格子、レンズ、複数の偏光器、および複数の検出素子が配置されている光学式位置測定装置。
14. 請求項１から１３までのいずれか一項に記載の光学式位置測定装置において、
    ２つの基準器のそれぞれが、少なくとも１つの測定方向に沿って移動可能に配置されている光学式位置測定装置。

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